《電機與電氣控制》課件第6章

6.1電氣控制設(shè)計的一般原則和基本內(nèi)容6.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟

6.3電動機的一般選擇

6.4電動機的保護

6.5電氣控制線路的設(shè)計

6.6電氣元件布置圖與接線圖的設(shè)計

本章小結(jié)

思考題第6章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計6.1.1電氣控制設(shè)計的一般原則

在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，通常應(yīng)遵守以下幾個原則：

(1)最大限度原則，即要最大限度地滿足控制設(shè)備對電氣控制的要求。對控制設(shè)備的控制要求是由相關(guān)專業(yè)人員從他們的專業(yè)角度提出的，這也是對電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)。這些要求常常以工作循環(huán)圖、執(zhí)行元件動作節(jié)拍表、檢測元件狀態(tài)表等形式提供，對于有調(diào)速要求的場合，還應(yīng)給出調(diào)速技術(shù)指標。其他如啟動、轉(zhuǎn)向、制動、照明、保護以及與BAS、FAS系統(tǒng)的接口等要求，應(yīng)根據(jù)具體需要充分考慮。6.1電氣控制設(shè)計的一般原則和基本內(nèi)容

(2)簡單、經(jīng)濟原則，即在滿足控制要求的前提下，設(shè)計方案力求簡單、經(jīng)濟，不宜盲目追求自動化和高指標。

(3)合理選用原則,即要正確、合理地選用各種電氣元件。

(4)安全可靠原則,即要確保使用安全、可靠。

(5)實用原則,即造型美觀、使用維護方便。6.1.2電氣控制設(shè)計的基本任務(wù)與內(nèi)容

電氣控制設(shè)計的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計和編制出設(shè)備制造、使用、維修過程中所必需的圖紙、資料，包括電氣原理圖、電氣系統(tǒng)的組件劃分與元器件布置圖、安裝接線圖、電氣箱圖、控制面板及電氣元件安裝底板圖、非標準緊固件加工圖等，編制外購件目錄、單臺材料消耗清單、設(shè)備說明書等資料。由此可見，電氣控制設(shè)計包含原理設(shè)計與工藝設(shè)計兩個基本部分。下面以電力拖動控制設(shè)備為例，分述這兩方面的設(shè)計內(nèi)容。

1.原理設(shè)計的內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)中原理設(shè)計內(nèi)容主要包括：

(1)擬定電氣設(shè)計任務(wù)書。

(2)選擇拖動方案與控制方式。

(3)確定電動機的類型、容量、轉(zhuǎn)速，并選擇具體型號。

(4)設(shè)計電氣控制原理框圖，確定各部分之間的關(guān)系，擬訂部分技術(shù)要求。

(5)設(shè)計并繪制電氣原理圖，計算主要技術(shù)參數(shù)。

(6)選擇電氣元件，制訂元器件目錄清單。

(7)編寫設(shè)計說明書。

電氣原理圖設(shè)計是整個設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，是工藝設(shè)計和制定其他技術(shù)資料的依據(jù)。

2.工藝設(shè)計的內(nèi)容

工藝設(shè)計的主要目的是便于組織電氣控制裝置的制造，實現(xiàn)原理設(shè)計要求的各項技術(shù)指標，為設(shè)備的調(diào)試、維護、使用提供必要的圖紙資料，同時使設(shè)備美觀、實用并具有先進性。工藝設(shè)計的主要內(nèi)容如下：

(1)根據(jù)設(shè)計的原理圖及選定的電氣元件，設(shè)計電氣設(shè)備的總體配置，繪制電氣控制系統(tǒng)的總裝配圖及總接線圖。

(2)按照原理圖或劃分的組件，對總原理圖進行編號，繪制各組件原理圖，列出各部分的元件目錄表，并根據(jù)總圖編號統(tǒng)計出各組件的進/出線號。

(3)根據(jù)組件原理電路及選定的元件目錄表，設(shè)計組件裝配圖(電氣元件布置與安裝圖)、接線圖。

(4)根據(jù)組件裝配要求，繪制電氣安裝板和非標準電氣安裝零件圖紙，標明技術(shù)要求。

(5)設(shè)計電氣箱。根據(jù)組件尺寸及安裝要求確定電氣箱的結(jié)構(gòu)與外形尺寸，設(shè)置安裝支架，標明安裝尺寸、面板安裝方式、各組件的連接方式、通風(fēng)散熱以及開門方式。在電氣箱設(shè)計中，應(yīng)注意操作、維護方便與造型美觀。

(6)根據(jù)總原理圖、總裝配圖及各組件原理圖等資料進行匯總，分別列出外購件清單、標準件清單以及主要材料消耗定額。

(7)編寫使用維護說明書。6.2.1電力拖動方案的確定

電力拖動方案是指根據(jù)機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)與運動部件的數(shù)量、運動要求、負載性質(zhì)、調(diào)速要求、投資額等條件去確定電動機的類型、數(shù)量、傳動方式以及電動機啟動、運行、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動等控制要求，作為電氣控制原理圖設(shè)計及電氣元件選擇的依據(jù)。6.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟例如，在研制某些高效率專用加工機床時，可以采用交流拖動，也可以采用直流拖動，可以采用集中拖動，也可以采用單獨分散拖動，要根據(jù)以上各方面因素綜合考慮、比較，作出選擇。

電力拖動方案與控制方式的確定是設(shè)計的重要部分，因為只有在總體方案正確的前提下，才能保證生產(chǎn)設(shè)備各項技術(shù)指標實施的可能性。在設(shè)計過程中，即使個別控制環(huán)節(jié)或工藝圖紙設(shè)計不當(dāng)，也可以通過不斷改進、反復(fù)試驗來達到設(shè)計要求，但如果總體方案出現(xiàn)錯誤，則整個設(shè)計工作必須重新開始。因此，在電氣設(shè)計主要技術(shù)指標確定并以任務(wù)書的方式下達后，必須認真做好調(diào)查研究工作，要注意借鑒已經(jīng)獲得成功并經(jīng)過生產(chǎn)考驗的類似設(shè)備或生產(chǎn)工藝，列出幾種可能的方案，并根據(jù)自己的條件和工藝要求進行比較分析后作出決定。

1．拖動方式的選擇

電力拖動方式有單獨拖動與集中拖動兩種。電力傳動的發(fā)展趨勢是電動機逐步接近工作機構(gòu)，形成多電動機的拖動方式，如有些機床，除必需的內(nèi)在聯(lián)系外，主軸、刀架、工作臺及其他輔助運動機構(gòu)，都分別由單獨電動機拖動，這樣不僅縮短了機械傳動鏈，提高了傳動效率，便于實現(xiàn)自動控制，而且還可使機床總體結(jié)構(gòu)得到簡化。在具體選擇時，應(yīng)根據(jù)工藝及結(jié)構(gòu)的具體情況決定電動機數(shù)量。

2．調(diào)速方案的選擇

一般金屬切削機床的主運動和進給運動都要求具有一定的調(diào)速范圍。為此，可采用齒輪變換調(diào)速、液壓調(diào)速、雙速或多速電動機及電氣的無級調(diào)速等。在選擇調(diào)速方案時，可從以下幾個方面考慮：

(1)重型或大型設(shè)備的主運動及進給運動應(yīng)盡可能采用無級調(diào)速，這有利于簡化機械結(jié)構(gòu)，減小齒輪箱體積，降低制造成本，提高機床效率。

(2)精密機械設(shè)備如坐標鏜床、精密磨床、數(shù)控機床等，為保證加工精度，便于自動控制，應(yīng)采用電氣無級調(diào)速。

電氣無級調(diào)速一般應(yīng)用晶閘管-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。但與交流電動機相比，直流電動機體積大，造價高，維護困難。因此，隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)全面經(jīng)濟技術(shù)指標分析后，可考慮選用交流調(diào)速方案。

(3)一般中、小型設(shè)備如普通機床，在沒有特殊要求時，可選用經(jīng)濟、簡單、可靠的三相鼠籠式異步電動機，因為這種電動機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，價格經(jīng)濟，維護方便，配以適當(dāng)級數(shù)的齒輪變速箱，便能滿足一般機床的調(diào)速要求。有時為簡化結(jié)構(gòu)、擴大調(diào)速范圍，也可采用雙速或多速鼠籠式異步電動機。

在選用鼠籠式異步電動機的額定轉(zhuǎn)速時，應(yīng)滿足工藝條件要求，選用二極、四極或更低的同步轉(zhuǎn)速，以便簡化機械傳動鏈，降低齒輪減速箱的制造成本。

3．電動機調(diào)速性質(zhì)的確定

機械設(shè)備中各個工作機構(gòu)具有各自不同的負載特性，如機床的主運動為恒功率負載，而進給運動為恒轉(zhuǎn)矩負載。選擇電動機的調(diào)速性質(zhì)時，應(yīng)考慮與生產(chǎn)機械的負載特性相適應(yīng)，以使電動機獲得充分合理的使用。例如，對于雙速鼠籠式異步電動機，當(dāng)定子繞組由三角形連接改成雙星形連接時，轉(zhuǎn)速增加一倍，功率卻增加很少，它適用于恒功率傳動；對于低速、星形連接的雙速電動機，改成雙星形連接后，轉(zhuǎn)速和功率都增加一倍，而電動機所輸出的轉(zhuǎn)矩卻保持不變，它適用于恒轉(zhuǎn)矩傳動。6.2.2電氣控制方案的確定

拖動方案及拖動電動機確定之后，采用什么方法去實現(xiàn)這些控制要求就是控制方式的選擇問題了。隨著電氣技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、檢測技術(shù)以及自動控制理論的迅速發(fā)展與機械結(jié)構(gòu)和工藝水平的不斷提高，機械設(shè)備電力拖動的控制方式發(fā)生了深刻的變革，從傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制向順序控制、可編程邏輯控制、計算機聯(lián)網(wǎng)控制等方面發(fā)展，各種新型的工業(yè)控制器及標準系列控制系統(tǒng)也不斷出現(xiàn)，可供選擇的控制方式較多，系統(tǒng)復(fù)雜程度差異也很大。因此，合理選擇電氣控制方案是可靠、經(jīng)濟、簡便地實現(xiàn)工藝要求的重要步驟。電氣控制方案的選擇與電氣傳動形式的選擇緊密相關(guān)。在選擇傳動形式時，要預(yù)先考慮如何實現(xiàn)控制；在選擇控制方案時，一定要在傳動形式選定后進行。

選擇控制方案時應(yīng)遵循的原則是：

(1)控制方式應(yīng)與設(shè)備通用化和專用化的程度相適應(yīng)。以金屬切削機床為例，對于一般普通機床和專用機床，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要經(jīng)常改變原有的程序。因此，可采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，其控制電路在結(jié)構(gòu)上接成固定式的。對于萬能機床，為了適應(yīng)不同工藝過程的需要，其工作程序往往需要在一定范圍內(nèi)加以更改。在這種情況下，宜采用可編程控制器控制。在機床自動線中，可根據(jù)控制要求和聯(lián)鎖條件的復(fù)雜程度，采用分散控制或集中控制的方式。但是各臺單機的控制方案和基本控制環(huán)節(jié)應(yīng)盡量一致，以簡化設(shè)計和制造過程。

數(shù)控機床具有較好的通用性和靈活性，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低成本，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。微處理機已進入機床、自動線、機械手的控制領(lǐng)域，且發(fā)展迅猛，已引起電氣設(shè)計者的高度重視。

(2)控制系統(tǒng)的工作方式應(yīng)在經(jīng)濟、安全的前提下，最大限度地滿足工藝要求。作為控制方案，應(yīng)采用自動循環(huán)或半自動循環(huán)；應(yīng)具有手動調(diào)整、動作程序的變更及有關(guān)檢測功能；應(yīng)考慮各個運動之間的聯(lián)鎖、各種保護、故障診斷、信號指示、照明及操作方便等問題。

(3)當(dāng)控制系統(tǒng)所用電器數(shù)量較多時，可采用直流低壓供電。簡單的控制回路可直接由電網(wǎng)供電。當(dāng)控制電器較多，線路分支較復(fù)雜，可靠性要求較高時，可采用控制變壓器隔離并降壓。6.2.3電氣元件的選擇

1.電氣元件選擇的基本原則

(1)根據(jù)對控制元件功能的要求，確定電器元件的類型。例如，當(dāng)用于通斷功率較大的主電路時，應(yīng)選交流接觸器。

(2)確定元器件的額定承載能力和使用壽命，主要根據(jù)電氣控制的電壓、電流和功率大小確定元件的規(guī)格。

(3)確定元器件的工作環(huán)境和以后的供應(yīng)情況。

(4)確定元器件在工作時的可靠性。

2．合理選擇元器件

根據(jù)電氣控制原理圖合理選擇元器件，編制元器件目錄清單。機械設(shè)備的運動多由電動機驅(qū)動，因此，合理地選擇電動機非常重要。選擇電動機時，不但要符合機械設(shè)備的使用條件，而且要保證機械設(shè)備和電動機經(jīng)濟、合理、安全、可靠運行。選擇時主要考慮電動機的結(jié)構(gòu)形式、種類、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、允許溫升、工作方式、額定功率等。6.3電動機的一般選擇6.3.1電動機選擇的一般原則

電動機常用來驅(qū)動各類機械負載。一個電力拖動系統(tǒng)能否經(jīng)濟可靠地運行，正確選用拖動電動機至關(guān)重要。電動機的選擇是一項很復(fù)雜的工作，選用時應(yīng)從以下幾個方面予以考慮：

(1)在滿足生產(chǎn)機械的技術(shù)性能要求和生產(chǎn)工藝的前提下，合理選擇電動機種類。

(2)根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境條件，例如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯、腐蝕及易燃易爆氣體的含量等，考慮必要的保護方式，合理選擇電動機的防護結(jié)構(gòu)形式和相應(yīng)的絕緣等級。

(3)根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力及啟動轉(zhuǎn)矩，合理選擇電動機的功率，使工作過程中功率匹配、安全、經(jīng)濟、可靠。

(4)根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標準和對功率因數(shù)的要求，確定電動機的電壓等級。

(5)根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動系統(tǒng)的調(diào)速要求，以及機械減速的復(fù)雜程度，選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速。

(6)選擇電動機時，一方面要考慮產(chǎn)品價格、建設(shè)費用和運行費用，使其綜合經(jīng)濟效益最好；另一方面要考慮影響安裝、運行和維護的因素，使其安裝、檢修方便，運行可靠。

(7)要貫徹國家的技術(shù)經(jīng)濟政策，積極采用國家推廣的新產(chǎn)品，不用淘汰的產(chǎn)品，如J2、JO2、JO3系列等。

除此以外，還應(yīng)考慮環(huán)保、現(xiàn)有技術(shù)狀況等問題。總之，在滿足技術(shù)要求的前提下，應(yīng)從全局出發(fā)，優(yōu)先考慮經(jīng)濟性。6.3.2電動機的選擇

1．電動機結(jié)構(gòu)形式的選擇

(1)安裝方式：分為臥式和立式。臥式電動機的轉(zhuǎn)軸安裝后為水平位置，立式電動機的轉(zhuǎn)軸則為垂直于地面的位置。兩種類型的電動機使用的軸承不同，立式的價格稍高，一般情況下多選用臥式電動機。

(2)軸伸個數(shù)：伸出到端蓋外面與負載連接的轉(zhuǎn)軸部分稱為軸伸。電動機有單軸伸與雙軸伸兩種，多數(shù)情況下用單軸伸，特殊情況下用雙軸伸。例如，一邊安裝測速發(fā)電機，另一邊需要拖動生產(chǎn)機械，則要選用雙軸伸電動機。

(3)防護方式:分為開啟式、防護式、封閉式和防爆式等幾種。

開啟式電動機的定子兩側(cè)和端蓋上都有很大的通風(fēng)口。它散熱好，價格便宜，但易受灰塵、水滴、鐵屑等雜物的侵入，只能在清潔、干燥的環(huán)境中使用。

防護式電動機的機座下面有通風(fēng)口。它散熱好，能防止水滴和異物從上面落入電動機內(nèi)部，但不能防止潮氣、灰塵侵入，適應(yīng)于比較干燥、沒有腐蝕性和爆炸性氣體的環(huán)境。封閉式電動機的機座和端蓋上均無通風(fēng)口，完全是封閉的。封閉式電動機又分為自冷式、他冷式、管道通風(fēng)式及密閉式等。前三種機外潮氣和灰塵不易進入機內(nèi)，適用于多塵、潮濕、有腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。密閉式可浸在液體中使用，如潛水泵。

防爆式電動機在封閉式的基礎(chǔ)上制成防爆形式，機殼有足夠的強度，適用于有易燃易爆氣體的環(huán)境，如礦井、油庫、煤氣站等。

2.電動機種類的選擇

(1)電動機的主要種類。拖動生產(chǎn)機械的電動機包括直流電動機和交流電動機兩大類，交流電動機又有異步電動機和同步電動機兩種。電動機的主要種類見表6-1。表6-1電動機的主要種類電動機的特點包括性能、所需電源、維修方便與否、價格等，是選擇電動機種類的基本知識。生產(chǎn)工藝特點是選擇電動機的先決條件。表6-2列出了各種電動機最重要的性能特點。表6-2電動機的性能特點

(2)電動機種類的選擇原則。電動機種類的選擇原則是：在滿足生產(chǎn)機械技術(shù)性能的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、維修方便、運行經(jīng)濟的電動機。從這個意義上講，交流電動機優(yōu)于直流電動機，異步電動機優(yōu)于同步電動機，鼠籠式異步電動機優(yōu)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。具體選用時應(yīng)從以下幾方面考慮：①電動機的機械特性。各種生產(chǎn)機械具有不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系，要求電動機的機械特性與之相適應(yīng)。例如，負載變化時要求轉(zhuǎn)速恒定不變的，應(yīng)選擇同步電動機；要求啟動轉(zhuǎn)矩大及特性軟的電車、電氣機車等，則應(yīng)選用串勵或復(fù)勵直流電動機。

②電動機的調(diào)速性能。電動機的調(diào)速性能包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性(設(shè)備成本、運行效率)等，這些都應(yīng)滿足生產(chǎn)機械的要求。例如，調(diào)速性能要求不高的機床、水泵、通風(fēng)機多選用三相鼠籠式異步電動機，調(diào)速范圍較大、要求平滑調(diào)速的精密車床、造紙機等多選用他勵直流電動機和繞線式異步電動機。③電動機的啟動性能。啟動轉(zhuǎn)矩要求不高的，優(yōu)先采用異步電動機；啟、制動頻繁，且啟、制動轉(zhuǎn)矩要求較大的生產(chǎn)機械(如礦井提升機，起重機等)，可選用繞線式異步電動機。

④電源。交流電源比較方便，直流電源一般需要有整流設(shè)備。

總之，以上各方面內(nèi)容在選擇電動機時都應(yīng)滿足才可選定，而且還要綜合考慮其他情況(如節(jié)能等)。

3．電動機額定電壓的選擇

交流電動機額定電壓的選擇主要按使用場所提供的電網(wǎng)電壓等級決定。低壓電網(wǎng)一般為380V，中、小型電動機的額定電壓多為380V(Y/△接法)、220/380V(△/Y接法)和380/660V(△/Y接法)。單相異步電動機額定電壓多采用220V，而像礦山及鋼鐵企業(yè)的設(shè)備使用的大功率電動機，一般采用高壓供電，額定電壓一般為3kV、6kV等。

直流電動機的額定電壓也要與電源電壓配合。由直流發(fā)電機供電的電動機其額定電壓一般為110V或220V，大功率電動機可提高到600~1000V。當(dāng)電網(wǎng)電壓為380V，直流電動機由晶閘管整流電路供電時，采用三相整流可選額定電壓440V，單相整流可選額定電壓160V或180V。

4．電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇

電動機額定轉(zhuǎn)速選擇得合理與否，將直接影響到電動機的價格、能量的損耗以及生產(chǎn)效率等。對電動機本身而言，額定功率相同的電動機額定轉(zhuǎn)速越高，體積越小，造價越低。一般情況下，選用高速電機比較經(jīng)濟。

當(dāng)生產(chǎn)機械所需額定轉(zhuǎn)速一定時，電動機的轉(zhuǎn)速越高，傳動機構(gòu)速度比越大，傳動機構(gòu)越復(fù)雜，而且傳動損耗也越大。所以選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速時，必須全面考慮，力求損耗少，設(shè)備投資少，易維護等。通常電動機額定轉(zhuǎn)速選在750～1500r/min之間比較合適。正確選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速需要根據(jù)具體生產(chǎn)機械的要求，綜合考慮上面各個因素后才能確定。不需調(diào)速的高、中速機械，如泵、鼓風(fēng)機、壓縮機等，可選相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的電動機；調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機械,可選用轉(zhuǎn)速稍高的電動機配以減速機構(gòu)或選多級電動機;調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械,應(yīng)考慮生產(chǎn)機械最高轉(zhuǎn)速與電動機最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，直接用電氣調(diào)速。

5．電動機額定功率的選擇

電動機額定功率的選擇是一個很重要的問題，應(yīng)在滿足生產(chǎn)機械負載要求的前提下，最經(jīng)濟、合理地選擇電動機的功率。若功率選得過大，則不但設(shè)備成本增大，造成浪費，且電動機經(jīng)常欠載運行，效率及電動機的功率因數(shù)較低；反之，若功率選得過低，則電動機將過載運行，造成電動機過早損壞，影響使用壽命。決定電動機功率的因素主要有三個：

(1)電動機的發(fā)熱與溫升，這是決定功率的主要因素；(2)允許短時過載能力；

(3)對鼠籠式異步電動機還應(yīng)考慮啟動轉(zhuǎn)矩。

電動機功率選擇是在環(huán)境溫度為40℃及標準散熱條件下，且電動機不調(diào)速的前提下進行的。電動機的工作方式有三種：連續(xù)工作方式、短時工作方式、周期性斷續(xù)工作方式。下面分別介紹在這三種工作方式下電動機額定功率的選擇。

1)連續(xù)工作方式

在連續(xù)工作方式下，如果電動機的負載是恒定的或變化很小，則選擇電動機的額定功率PN等于或略大于負載功率PL，即

PN≥PL(6-1)式中，PL依據(jù)具體負載及效率進行計算，可查閱相關(guān)機械設(shè)計手冊。因為這個條件本身是從發(fā)熱溫升角度考慮的，故不必再校核電動機的發(fā)熱問題，只需校核過載能力，必要時還需校核啟動能力。過載能力是指電動機負載運行時，可以在短時間內(nèi)出現(xiàn)的電流或轉(zhuǎn)矩過載的允許倍數(shù)。不同類型的電動機，其過載能力不完全一樣。

對直流電動機，限制其過載能力的是換向問題。其過載能力即電樞允許電流的倍數(shù)λ，λIN為允許電流，它應(yīng)比可能出現(xiàn)的最大電流大。對交流電動機,其過載能力即最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λ，考慮過載時對電網(wǎng)電壓的影響，可按下式進行選擇：

Tmax≤(0.72~0.81)λTN

(6-2)

其中,Tmax為電動機在工作中所承受的最大轉(zhuǎn)矩。如果電動機的負載是變化的，則必須進行發(fā)熱校驗。所謂發(fā)熱校驗，就是看電動機在整個運行過程中所達到的最高溫升是否接近并低于允許溫升。這時可以按下式選擇電動機的額定功率：

PN≥(1.1~1.6)PLj

(6-3)

其中,PLj為負載的平均功率，如果大負載占的比例較大，則系數(shù)應(yīng)選大一些。若預(yù)選電動機的過載能力達不到，則應(yīng)重選電動機及其額定功率，直到通過。若電動機為鼠籠式異步電動機，則還要校核啟動能力。

以上額定功率的選擇都是在環(huán)境溫度為40℃的前提下進行的。若電動機的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化，則需對電動機功率進行修正，可按表6-3進行。表6-3不同環(huán)境溫度下電動機功率修正百分數(shù)

2)短時工作方式

在短時工作方式下，電動機的工作時間較短，可能運行期間溫度未達到穩(wěn)定值，電動機就停止了運行，使電動機的溫度很快降到環(huán)境溫度。為了滿足生產(chǎn)機械短時工作的特性，電機生產(chǎn)廠家制造了一些短時工作且過載能力強的電動機，其標準工作時間有15min、30min、60min和90min四種，只要設(shè)備工作時間滿足要求，則只需滿足電動機PN等于或略大于負載功率PL即可，且不需熱校核。

若負載工作時間與標準工作時間不等，則預(yù)選電動機額定功率時，按發(fā)熱和溫升等效的觀點先把負載功率由非標準工作時間變成標準工作時間，然后按標準工作時間預(yù)選額定功率。設(shè)短時工作方式下負載的工作時間為tr，最接近的標準工作時間為trb，則預(yù)選電動機的額定功率應(yīng)滿足：

式(6-4)是從發(fā)熱和溫升等效的觀點推導(dǎo)出來的，故不必再進行熱校核。

若選擇連續(xù)工作方式的電動機來拖動，則需從發(fā)熱與溫升的角度考慮電動機在短時工作方式下應(yīng)該輸出比連續(xù)工作方式時額定功率大的功率才能充分發(fā)揮電動機的能力?；蛘哒f，預(yù)選電動機時要把短時工作的功率折算到連續(xù)工作方式上去，且不必再進行溫升校核。(6-4)設(shè)電動機不變損耗與額定負載時的可變損耗的比值為α，則預(yù)選電動機的額定功率應(yīng)滿足:

(6-5)式中,Tθ為發(fā)熱時間常數(shù)，tr為短時工作時間，單位均為s

式(6-5)中的α數(shù)值因電動機而異。一般而言，普通直流電動機α=1~1.5，冶金專用直流電動機α=0.5~0.9，冶金專用中、小型三相繞線異步電動機α=0.45~0.6，冶金專用大

型三相異步電動機α=0.9~1.0，普通三相鼠籠式異步電動機α=0.5~0.7。對于具體電動機而言，Tθ和α可從技術(shù)數(shù)據(jù)中找出或估算。

3)周期性斷續(xù)工作方式

選擇周期性斷續(xù)工作方式時，電動機的工作與停止相互交替進行，兩者時間都比較短，溫度未升到穩(wěn)定值就停止運行，未降到環(huán)境溫度就又運行。

專門設(shè)計的周期性斷續(xù)工作的電動機有YZR和YZ系列。負載持續(xù)率(負載工作時間與整個周期之比稱為負載持續(xù)率或稱暫載率，用FS%表示)有15%、25%、40%、和60%四種，一個周期的時間規(guī)定不大于10min。周期性斷續(xù)工作方式下電動機功率選擇和連續(xù)工作方式下變化負載的功率選擇相類似。需指出的是，當(dāng)FS%<10%時，按短期工作方式選擇；當(dāng)FS%>70%時，按持續(xù)工作方式選擇。6.3.3電動機的發(fā)熱和冷卻

電動機負載運行時機內(nèi)有功率損耗，最終都將變成熱能，從而使電動機溫度升高，高出周圍環(huán)境溫度。電動機溫度高出環(huán)境溫度的值稱為溫升。一旦有了溫升，電動機就要向周圍散熱，溫升越高，散熱越快。當(dāng)電動機單位時間散發(fā)出的熱量等于散出的熱量時，電動機的溫度不再增加，保持一個穩(wěn)定不變的溫升，即處于發(fā)熱與散熱平衡的狀態(tài)，通常稱其為動態(tài)熱平衡。

1．電動機的發(fā)熱和冷卻

電動機實際發(fā)熱情況是很復(fù)雜的，為簡化問題，假設(shè)：①電動機長期運行，負載不變，總損耗不變；②電動機本身各部分溫度均勻；③周圍環(huán)境溫度不變。

電動機單位時間產(chǎn)生的熱量為Q,dt時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量則為Qdt。

電動機單位時間散發(fā)的熱量為Aτ。其中,A為散熱系數(shù)，它表示溫升為1℃時每秒鐘的散熱量；τ為溫升。dt時間內(nèi)散發(fā)出的熱量為Aτdt。在溫度升高的整個過渡過程中，電動機溫度在升高，因此它本身吸收了一部分熱量。電動機的熱容量為C，dt

時間內(nèi)的溫升為dτ，則dt時間內(nèi)電動機本身吸收的熱量

為Cdτ。dt時間內(nèi)，電動機的發(fā)熱等于本身吸熱與散熱之和，即

Qdt=Cdτ+Aτdt

(6-6)這就是熱平衡方程式。整理后為

(6-7)

解得

(6-8)式中，Tθ=C/A,為發(fā)熱時間常數(shù)，表征熱慣性的大小；τL=Q/A，為穩(wěn)態(tài)溫升；τF0為起始溫升。

如果電動機的發(fā)熱過程是從周圍環(huán)境溫度開始的，即τF0=0，則式(6-8)變?yōu)?/p>

(6-9)式(6-8)表明，電動機發(fā)熱過程中的溫升包括兩個分量：一個是強制分量τL，它是發(fā)熱過程結(jié)束時的穩(wěn)態(tài)值；另一個是自由分量，它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。時間常數(shù)Tθ一般約為十幾分鐘到幾十分鐘，容量大的一般Tθ也大。熱容量越大，熱慣性越大，時間常數(shù)也越大。散熱越快，達到熱平衡狀態(tài)就越快，時間常數(shù)Tθ則越小。分析式(6-8)和式(6-9)可知，當(dāng)電動機發(fā)熱條件不變時，電動機的溫升是按指數(shù)曲線變化的，如圖6-1所示。由溫升曲線可見，電動機發(fā)熱過程開始時，由于溫升較小，散發(fā)出去的熱量較少，大部分熱量被電動機本身所吸收，所以溫度上升得快，溫升曲線較陡。經(jīng)過一段時間后，溫度升高了，溫差較大，散發(fā)出去的熱量不斷增多，吸收的熱量不斷減少，溫升減慢，曲線趨于平緩。最后直到發(fā)熱量和散熱量相等時，電動機的溫度不再升高，溫升達到穩(wěn)態(tài)值。

圖6-1電動機發(fā)熱過程的溫升曲線一臺負載運行的電動機，在溫升穩(wěn)定以后，如果減少或去掉負載，那么電動機損耗及單位時間發(fā)熱量都會隨之減少。這樣，原來的熱平衡狀態(tài)被破壞，變?yōu)榘l(fā)熱少于散熱，電動機溫度就要下降，溫升降低。隨著溫升減小，單位時間的散熱量也減少。當(dāng)重新達到平衡時，電動機不再繼續(xù)降溫，而穩(wěn)定在一個新的溫升上。這個溫升下降的過程稱為電動機的冷卻過程。冷卻過程的公式與發(fā)熱過程相同，為式(6-8)。至于初始值τF0和穩(wěn)態(tài)值τL，則要由冷卻過程的具體條件來確定。

電動機冷卻過程的溫升曲線如圖6-2所示。當(dāng)負載減小到某一數(shù)值時，τL≠0，；若負載全去掉，且電動機脫離電源，則τL=0。時間常數(shù)與發(fā)熱時相同。圖6-2電動機冷卻過程的溫升曲線

2．電動機的允許溫升和工作方式

1)電動機的允許溫升

從發(fā)熱角度來看，電動機耐溫最薄弱的部件是絕緣材料。也就是說，限制電動機容量的主要因素是它的繞組絕緣材料的耐熱能力，即繞組絕緣材料所能容許的溫度。這個最高溫度稱為電動機的允許溫升。為了保證電動機有足夠長的壽命且能可靠運行，電動機在運行中的最高溫度不能超過允許溫升。當(dāng)超過這一極限時，電動機的使用年限就大大縮短，甚至因絕緣很快燒壞而不能使用。根據(jù)國際電工協(xié)會規(guī)定，按照最高允許溫度不同，電工用的材料可分為七個等級，而電動機所用的絕緣材料主要有A、E、B、F、H五個等級。我國規(guī)定40℃為標準環(huán)境溫度，絕緣材料或電機的允許溫度減去40℃即為允許溫升，用τmax表示。各級絕緣材料的最高允許溫度和允許溫升見表6-4。表6-4各級絕緣材料的最高允許溫度和允許溫升

2)電動機不同工作方式下的額定功率

電動機工作時，負載持續(xù)的時間長短對電動機的發(fā)熱情況影響很大，因而也對電動機功率的選擇有很大影響。下面按電動機的三種工作方式分析電動機發(fā)熱與額定功率的關(guān)系。

(1)連續(xù)工作方式。連續(xù)運行方式時，由于電動機工作時間tr>(3~4)Tθ，因此溫升可以達到穩(wěn)態(tài)值，也稱長期工作制。其簡化的負載圖P=f(t)及溫升曲線τ=f(t)如圖6-3所示。屬于此類工作方式的生產(chǎn)機械有水泵、通風(fēng)機、紡織機等。圖6-3連續(xù)工作方式下電動機的負載與溫升

連續(xù)工作方式下，電動機負載運行，其溫升達到一個與負載大小相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，如圖6-3所示。當(dāng)電動機輸出功率是一個恒值P時，電動機溫升必然達到由P所決定的穩(wěn)態(tài)值τL。P的大小不同，τL也隨之不同。

為了充分利用電動機，要求電動機長期負載運行后達到的穩(wěn)定溫升等于電動機的允許溫升。一般將穩(wěn)態(tài)溫升τL等于允許溫升τmax時的輸出功率作為電動機的額定功率。連續(xù)工作方式下，電動機額定負載運行時，額定功率與溫升的關(guān)系為

(6-10)

式(6-10)表明，對同樣尺寸的電動機，可以從選用等級較高的絕緣材料、提高電動機散熱能力、降低電動機損耗等方面提高其額定功率。

(2)短時工作方式。短時工作方式時，由于電動機工作時間tr<(3~4)Tθ，而停歇時間t0>(3~4)Tθ，因此溫升達不到穩(wěn)態(tài)值τL，而停歇時電動機的溫度足以降至周圍環(huán)境溫度，即溫升降為零,如鉆床的夾緊和放松裝置、水閘閘門啟閉機等均屬此種工作方式。其負載和溫升曲線如圖6-4所示。圖6-4短時工作方式下電動機的負載與溫升

短時工作方式下，電動機在工作時間內(nèi)實際達到的溫升低于穩(wěn)態(tài)溫升，因此其額定功率必須依據(jù)實際達到的最高溫升來確定，即在規(guī)定的工作時間內(nèi)，電動機負載運行達到的實際溫升恰好等于(或接近)允許溫升，電動機的輸出功率則為額定功率PN。

短時工作方式下電動機的額定功率是與規(guī)定的工作時間相對應(yīng)的，這一點與連續(xù)工作方式的情況不完全一樣。對于短時工作方式的電動機，允許溫升、發(fā)熱時間常數(shù)一樣的情況下，工作時間短的，穩(wěn)態(tài)溫升高，額定功率也高；工作時間長的，穩(wěn)態(tài)溫升低，額定功率也低。電動機銘牌上給的額定功率是按30min、60min、90min三種標準規(guī)定的。

(3)周期性斷續(xù)工作方式。周期性斷續(xù)工作方式時，電動機的工作與停歇相互交替進行，兩者的時間都比較短，即工作時間tr<(3~4)Tθ，停歇時間t0<(3~4)Tθ。工作時溫升達不到穩(wěn)態(tài)值，停歇時溫升降不到零，如起重機、電梯等均屬此類工作方式。其負載和溫升曲線如圖6-5所示。圖6-5周期性斷續(xù)工作方式下電動機的負載與溫升周期性斷續(xù)工作方式下，每個周期內(nèi)工作時間占的百分數(shù)叫做負載持續(xù)率(又稱暫載率)，用FS%表示，即

我國規(guī)定的標準負載持續(xù)率有15%、25%、40%、60%四種。

周期性斷續(xù)工作方式下，每經(jīng)過一個周期，電動機的溫升都升降一次。經(jīng)過足夠的周期以后，當(dāng)每個周期內(nèi)的發(fā)熱量等于散熱量時，溫升將在一個小范圍內(nèi)波動，如圖6-5所示。電動機實際達到的最高溫升為τm，當(dāng)τm等于(或接近于)電動機允許溫升τmax時，相應(yīng)的輸出功率則為電動機的額定功率。

(6-11)周期性斷續(xù)工作方式下的電動機額定功率是對應(yīng)于某一負載持續(xù)率(FS%)的。對同一臺以周期性斷續(xù)工作方式工作的電動機，負載持續(xù)率不同時，其額定功率也不同。只有在各自的負載持續(xù)率上，輸出各自不同的額定功率，其最后達到的溫升才等于電動機的溫升。FS%值越大，額定功率越??；反之，額定功率大。6.4.1短路保護

當(dāng)發(fā)生電動機繞組及導(dǎo)線的絕緣損壞、負載短路或接線錯誤等故障時，都可能造成短路事故。短路時產(chǎn)生的瞬時故障電流可以達到電動機額定電流的幾十倍，這樣會造成嚴重的絕緣破壞、導(dǎo)線熔化，在電動機中會產(chǎn)生強大的電動力而使繞組或機械部件損壞。

短路保護要求具有瞬動特性，即要求在很短時間內(nèi)迅速將電源切斷，且當(dāng)電動機正常啟動與制動時，短路保護裝置不應(yīng)誤動作。

6.4電動機的保護常用的短路保護元件有熔斷器和具有瞬時動作脫扣器的低壓斷路器等。當(dāng)主電路容量較小時，主電路中的熔斷器可同時作為控制電路的短路保護；當(dāng)主電路容量較大時，則控制電路要配置單獨的熔斷器作為短路保護。6.4.2過載保護

過載是指電動機工作電流超過其額定電流但在額定電流的1.5倍之內(nèi)，而使電動機繞組發(fā)熱的情況。引起過載的原因有負載過大、電源電壓降低和缺相運行等。電動機長期過載運行時，繞組溫升將超過其允許值，電動機絕緣材料要變脆，壽命縮短，甚至使電動機燒壞。

過載保護常用的元件是熱繼電器。熱繼電器具有反時限特性，即根據(jù)電流過載倍數(shù)不同，過載電流越大，動作時間越短。電動機的工作電流為額定電流時，熱繼電器長期不動作。由于熱慣性的原因，熱繼電器不會受電動機短時過載沖擊電流的影響而瞬時動作，因此當(dāng)使用熱繼電器作過載保護時，還必須設(shè)有短路保護，同時選為短路保護的熔斷器熔體的額定電流不應(yīng)超過熱繼電器發(fā)熱元件的額定電流的4倍。電動機過載保護還可以采用帶長延時脫扣器的低壓斷路器或具有反時限特性的過電流繼電器。采用帶長延時脫扣器的低壓斷路器時，脫扣器的整定電流一般可取為電動機的額定電流或稍大一些，并應(yīng)考慮電動機實際啟動時間的長短；采用過電流繼電器時，只有保證發(fā)生過電流的時間長于啟動時間，繼電器才動作。6.4.3過流保護

過流是指電動機的工作電流超過其額定電流的運行狀態(tài)，其值比短路電流小，不超過額定電流的6倍。在電動機運行過程中產(chǎn)生這種過流比發(fā)生短路的可能性要大，特別是頻繁正反轉(zhuǎn)、重復(fù)短時工作的電動機更是如此。因此，過流保護的動作值應(yīng)比正常的啟動電流稍大一些，以免影響電動機的正常運行。過流保護要求保護裝置能瞬時動作。通常過流保護用過流繼電器與接觸器配合使用來實現(xiàn)，即將過流繼電器線圈串聯(lián)在被保護的電路中，當(dāng)電路電流達到其整定值時，過流繼電器動作，其常閉觸頭串接在接觸器控制電路中，使接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸頭斷開，從而切斷被保護電路電源，實現(xiàn)過流保護。通常情況下，過流保護用于直流電動機或繞線型異步電動機，若過流繼電器的動作電流為電動機啟動電流的1.2倍，則過流繼電器可起到短路保護的作用。對于鼠籠式異步電動機，短時的過流不會產(chǎn)生嚴重后果，所以不采用過流保護，而采用短路保護。6.4.4欠壓、失壓保護

1.欠壓保護

電動機運轉(zhuǎn)時，電源電壓降低引起電磁轉(zhuǎn)矩下降。在負載一定的情況下，轉(zhuǎn)速下降，電動機電流增大，溫度上升。另一方面，電源電壓低到一定限度時，控制電路中的一些電器(如接觸器、繼電器)釋放或處于抖動狀態(tài)，造成電器控制電路不能正常工作，甚至導(dǎo)致事故發(fā)生。為此，在電源電壓降到允許值以下時，需自動切斷電源，這種保護稱為欠壓保護。除利用上述電路中接觸器及按鈕本身的欠壓保護作用外，還可采用欠壓繼電器來進行欠壓保護。欠壓繼電器的吸合電壓整定值為(0.8~0.85)UN，釋放電壓整定值為(0.5~0.7)UN。將欠壓繼電器線圈跨接在電源上，其常開觸頭串接在接觸器線圈電路中，使接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸頭斷開電動機電源，即可實現(xiàn)欠壓保護。

此外，還可采用具有欠壓脫扣器的低壓斷路器來實現(xiàn)欠壓保護。

2.失壓保護

電動機正常工作時，如果因為電源電壓的消失而停轉(zhuǎn)，那么在電源電壓恢復(fù)時，就可能自行啟動，這將造成人身事故或機械設(shè)備的損壞。為防止電源電壓恢復(fù)供電時電動機自行啟動而設(shè)置的保護方式，稱為電動機的失壓保護。對于采用接觸器和按鈕控制電動機啟、停的電路，可利用按鈕的自動恢復(fù)作用和接觸器的失壓保護功能來實現(xiàn)失壓保護。這是因為當(dāng)電壓消失時，接觸器就自動釋放，其主觸頭和自鎖觸頭同時斷開，切斷電動機電源。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時，必須重新按下啟動按鈕，才能使電動機啟動。當(dāng)采用不能自動復(fù)位的手動開關(guān)、自動開關(guān)及接觸器控制時，必須采用專門的零電壓繼電器來進行失壓保護。工作過程中一旦電源電壓消失，零電壓繼電器線圈斷電釋放，其自鎖電路斷開。當(dāng)電源電壓恢復(fù)時，不會自行啟動。6.4.5斷相保護

三相異步電動機運行時，如果電源任一相斷開，電動機將在缺相情況下低速運轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)，此時定子電流很大，這是造成電動機絕緣及繞組燒毀的常見故障之一。因此應(yīng)進行斷相保護，也稱缺相保護。

引起電動機斷相的主要原因有：電動機定子繞組一相斷線；電源一相斷線；熔斷器、接觸器、低壓熔斷器等接觸不良或接頭松動等。斷相運行時，線路電流和電動機繞組連接因斷相形式(電源斷相、繞組斷相等)不同而不同。電動機負載越大，故障電流也越大。

斷相保護的方法有：用帶斷相保護的熱繼電器、電壓繼電器、電流繼電器與固態(tài)斷相保護器等。6.4.6弱磁保護

直流電動機在輕載運行時，若磁場減弱或消失，將會造成超速運行甚至飛車；在重載運行時，若磁場減弱或消失，則點數(shù)電流迅速增加，使電樞繞組絕緣因發(fā)熱而損壞。為此應(yīng)采取弱磁保護。

弱磁保護是在電動機勵磁回路中串入欠流繼電器線圈，并將其常開觸頭串接在電動機電樞回路的接觸器線圈電路中。當(dāng)勵磁電流過小時，欠流繼電器釋放，常開觸頭斷開，切斷接觸器線圈電路，接觸器線圈斷電釋放，其主觸頭斷開直流電動機電樞回路，電動機斷開電源而停轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)保護電動機的目的。6.4.7電動機智能綜合保護

電動機智能綜合保護是對電動機常見故障的多種保護，其保護內(nèi)容有以下幾方面。

(1)具有反時限特性的長延時過載保護。

(2)具有定時限的短延時短路保護。

(3)具有瞬時動作的短路保護。

(4)欠壓和過壓保護。

(5)漏電保護和斷相保護。智能綜合保護是把單機引入電動機綜合保護中，這樣可以提高對電動機的保護水平，使電動機的性能穩(wěn)定可靠。智能綜合保護裝置集成化程度高,抗干擾能力強,工作溫度范圍寬,耗電少，參數(shù)設(shè)置方便，具有良好、靈活的顯示界面和按鍵設(shè)置，安裝快捷，便于在各種生產(chǎn)環(huán)境中使用，是目前電動機保護裝置中最先進、最可靠的換代產(chǎn)品。電氣控制線路設(shè)計是原理設(shè)計的核心內(nèi)容。在總體方案確定之后,具體設(shè)計是從電氣原理圖開始的，各項設(shè)計也是通過控制原理圖來實現(xiàn)的，同時它又是工藝設(shè)計和編制各種技術(shù)資料的依據(jù)。6.5電氣控制線路的設(shè)計電氣控制線路設(shè)計的一般步驟如下：

(1)根據(jù)選定的拖動方案及控制方式設(shè)計系統(tǒng)的原理圖，擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù)。

(2)根據(jù)各部分的要求，設(shè)計出原理圖中各個部分的具體電路。對于每一部分的設(shè)計總是按主電路→控制電路→輔助電路→聯(lián)鎖與保護→總體檢查并反復(fù)修改與完善的步驟進行的。

(3)繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分連成一個整體。

(4)正確選用原理線路中的每一個電氣元件，并制訂元器件目錄清單。

對于比較簡單的控制線路，例如普通機械或非標準設(shè)備的電氣配套設(shè)計，可以省略前兩步，直接進行原理圖設(shè)計和選用電氣元件。但對于比較復(fù)雜的自動控制線路，例如采用微機或電子控制的專用檢測與控制系統(tǒng)，要求有程序預(yù)選、自動顯示、各種保護、故障診斷、報警、打印記錄等要求，就必須按上述過程一步一步進行設(shè)計。只有各個獨立部分都達到技術(shù)要求，才能保證總體技術(shù)要求的實現(xiàn)，保證總裝調(diào)試的順利進行。6.5.1電氣原理圖設(shè)計中應(yīng)注意的問題

電氣控制設(shè)計中應(yīng)重視在長期實踐中總結(jié)出來的經(jīng)驗，盡量采用成熟電路，使設(shè)計線路簡單、正確、安全、可靠，結(jié)構(gòu)合理，使用維修方便，通常應(yīng)注意以下問題：

(1)盡量減少控制線路中電流、電壓的種類；控制電壓等級應(yīng)符合標準等級；在控制線路比較簡單的情況下，可直接采用電網(wǎng)電壓，即交流220V、380V供電，以省去控制變壓器。當(dāng)控制系統(tǒng)所用電器數(shù)量比較多時，應(yīng)采用控制變壓器降低控制電壓，或用直流低電壓控制，既節(jié)省安裝空間，又便于采用晶體管無觸點器件，具有動作平衡可靠、檢修操作安全等優(yōu)點。對于微機控制系統(tǒng)，應(yīng)注意弱電控制與強電源之間的隔離，不能共用零線，以免引起電源干擾。照明、顯示及報警等電路應(yīng)采用安全電壓。電氣控制線路常用的電壓等級如表6-5所示。表6-5常用控制電壓等級

(2)盡量減少電氣元件的品種、規(guī)格與數(shù)量。在電氣元件選用中，盡可能選用性能優(yōu)良、價格便宜的新型氣件，同一用途盡可能選用相同型號的元件。電氣控制系統(tǒng)的先進性總是與電氣元件的不斷發(fā)展、更新緊密聯(lián)系在一起的，因此，設(shè)計人員必須密切關(guān)心電機、電氣技術(shù)、電子技術(shù)的新發(fā)展，不斷收集新產(chǎn)品資料，以便及時應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計中，使控制線路在技術(shù)指標、穩(wěn)定性、可靠性等方面得到進一步提高。

(3)正常工作中，盡可能減少通電電器的數(shù)量，以利節(jié)能，延長電氣元件壽命，減少故障。

(4)合理使用電器觸點。在復(fù)雜的繼電器-接觸器控制線路中，各類接觸器、繼電器數(shù)量較多，使用的觸點也多，線路設(shè)計應(yīng)注意：

①觸點的使用量不能超過限定對數(shù)，因為各類接觸器、繼電器的主、輔觸點數(shù)量是有一定限制的。設(shè)計時應(yīng)注意盡可能減少觸點的使用數(shù)量,如圖6-6中(b)圖比(a)圖就節(jié)省一對觸點。因控制需要觸點數(shù)量不夠時，可以采用邏輯設(shè)計化簡方法，改變觸點的組合方式以減少觸點使用數(shù)量，或增加中間繼電器來解決。圖6-6減少觸點使用數(shù)量(a)不合理；(b)合理②觸點容量應(yīng)滿足控制要求，避免因使用不當(dāng)而出現(xiàn)觸點燒壞、粘滯和釋放不了的故障；要合理安排接觸器主、輔觸點的位置，避免用小容量繼電器觸點去切斷大容量負載?？傊?，要計算觸點通斷能力是否滿足被控制負載的要求，以保證觸點的工作壽命和可靠性。

(5)做到正確連線。具體應(yīng)注意以下幾方面：

①正確連接電器線圈。電壓線圈通常不串聯(lián)使用，即使是兩個同型號的電壓線圈也不能串聯(lián)使用，以免電壓分配不勻引起工作不可靠，如圖6-7所示。

對于電感較大的電器線圈，例如電磁閥、電磁鐵或直流電機勵磁線圈等，不宜與相同電壓等級的接觸器或中間繼電器直接并聯(lián)工作，否則在接通或斷開電源時會造成后者的誤動作。圖6-7線圈連接(a)正確；(b)不正確②合理安排電氣元件及觸點位置。對于一個串聯(lián)回路，各電氣元件或觸點位置互換并不影響其工作影響，但在實際連線上卻存在影響安全、浪費導(dǎo)線等方面的問題。圖6-8所示的兩種接法其工作原理相同，但是采用圖6-8(a)的接法既不安全又浪費線，因為限位開關(guān)SQ的常開、常閉觸點靠得很近，在觸點斷開時，由于電弧可能造成電源短路，很不安全，而且這種接法電氣箱到現(xiàn)場要引出四根線，很不合理，而圖6-8(b)所示的接法則比較合理。圖6-8合理安排觸點位置(a)合理；(b)不合理③注意避免出現(xiàn)寄生回路。在控制電路的動作過程中出現(xiàn)的不是由于誤操作而產(chǎn)生的意外接通的電路，稱為寄生回路。圖6-9所示為電動機可逆運行控制線路，F(xiàn)R為熱繼電器保護觸點。為了節(jié)省觸點，顯示電動機工作狀態(tài)的指示燈采用圖中所示的接法，正常情況下線路能完成啟動、正反轉(zhuǎn)及停止操作。但在運行中電動機過載，F(xiàn)R觸點斷開就會出現(xiàn)如圖6-9中虛線所示的寄生回路，使接觸器不能可靠釋放而得不到過載保護。如果將FR觸點位置移接到SB1上端,則可避免產(chǎn)生寄生回路。圖6-9電動機可逆運行控制線路

(6)盡可能提高電路工作的可靠性、安全性。設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點：

①電氣元件動作時間配合不良引起的競爭。復(fù)雜控制電路中，在某一控制信號作用下，電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，常常有幾個電氣元件的狀態(tài)同時變化?？紤]電氣元件總有一定的動作時間，對時序電路來說，就會得到幾個不同的輸出狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為電路的“競爭”。另外，對于開關(guān)電路，由于電氣元件的釋放延時作用，也會出現(xiàn)開關(guān)元件不按要求的邏輯功能輸出的可能性，我們稱這種現(xiàn)象為“冒險”?！案偁帯迸c“冒險”現(xiàn)象都將造成控制回路不能按要求動作，引起控制失靈。通常我們分析控制回路的電器動作及觸點的接通和斷開，都是靜態(tài)分析，沒有考慮其動作時間。實際上，由于電磁線圈的電磁慣性、機械慣性、機械位移量等因素，通、斷之間存在一定的時間(幾十毫秒到幾百毫秒)，是電氣元件固有的因素，它不同于因控制需要人為設(shè)置的延時(前者的延時通常是不可調(diào)的，而后者的延時是可調(diào)的)。當(dāng)電氣元件的動作時間可能影響到控制線路的動作程序時，就需要用能精確反映元件動作時間及它們之間互相配合的方法，例如用時間圖來分析執(zhí)行元件的動作可靠性。

圖6-10時間圖繼電器或接觸器線圈從通電到觸點的閉合或打開這段時間稱為吸引時間。如圖6-10所示，用點1到點2的斜線表示線圈是通電的，但其觸點要到點2才閉合。線圈斷電到觸點打開這段時間稱為釋放時間，以斜線3－4表示，在這段時間里，線圈已斷電，但觸點仍閉合，到點4時刻觸點才斷開。圖中,點1－3陰影部分為線圈通電時間，點2—4為觸點閉合時間，只有水平線2—3為線圈通電而觸點也閉合時間。這種電器動作過程與時間關(guān)系圖稱為時間圖。②誤操作可能帶來的危害,特別是一些重要設(shè)備,應(yīng)仔細考慮每一控制程序之間必要的聯(lián)鎖，即使發(fā)生誤操作也不會造成設(shè)備事故。

③應(yīng)考慮到故障狀態(tài)下設(shè)備的自動保護作用。

④應(yīng)根據(jù)設(shè)備特點及使用情況設(shè)置必要的電氣保護。

(7)線路設(shè)計要考慮操作、使用、調(diào)試和維修的方便。例如,設(shè)置必要的顯示裝置，隨時反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)與關(guān)鍵參數(shù)；考慮到運動機構(gòu)修理所必要的單機點動、單步及單循環(huán)動作，必要的照明，易損觸點及電氣元件的備用等。

(8)原理圖繪制應(yīng)符合國家有關(guān)標準規(guī)定，其中器件圖形符號應(yīng)符合GB4728中1-13電氣圖形符號的規(guī)定。繪制時要合理安排版面，項目代號應(yīng)符合GB5924《電氣技術(shù)中項目代號》的規(guī)定。例如，主電路一般排在左面或上面，控制電路或輔助電路排在右面或下面，元器件目錄排在標題上方。為了幫助讀圖，有時以動作狀態(tài)或工藝過程形式將主令開關(guān)的通斷、電磁閥動作要求、控制流程等表示在圖面上，也可以在控制電路的每一支路邊上標出控制目的。6.5.2電氣原理圖的設(shè)計方法

1.經(jīng)驗設(shè)計法

經(jīng)驗設(shè)計法又稱為分析設(shè)計法，是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求去選擇適當(dāng)?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié)(單元電路)或經(jīng)過考驗的成熟電路,按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來并加以補充和修改，綜合成滿足控制要求的完整線路的方法。當(dāng)找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時，可根據(jù)控制要求邊分析邊設(shè)計，將主令信號經(jīng)過適當(dāng)組合與變換，在一定條件下得到執(zhí)行元件所需要的工作信號。設(shè)計過程中，要隨時增減元器件和改變觸點的組合方式，以滿足拖動系統(tǒng)的工作條件和控制要求，經(jīng)過反復(fù)修改得到理想的控制線路。由于這種設(shè)計方法是以熟練掌握各種電氣控制線路的基本環(huán)節(jié)和具備一定的閱讀分析電氣控制線路的經(jīng)驗為基礎(chǔ)的，所以又稱為經(jīng)驗設(shè)計法。

經(jīng)驗設(shè)計法的特點是無固定的設(shè)計程序，設(shè)計方法簡單，容易為初學(xué)者所掌握，對于具有一定工作經(jīng)驗的電氣人員來說，也能較快地完成設(shè)計任務(wù)，因此在電氣設(shè)計中被普遍采用。其缺點是設(shè)計方案不一定是最佳方案，當(dāng)經(jīng)驗不足或考慮不周時會影響線路工作的可靠性。

2．邏輯設(shè)計法

邏輯設(shè)計法是利用邏輯代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來進行電路設(shè)計的方法，即根據(jù)機械設(shè)備的拖動要求及工藝要求，將執(zhí)行元件需要的工作信號以及主令電器的接通與斷開狀態(tài)看成邏輯變量，并根據(jù)控制要求將它們之間的關(guān)系用邏輯函數(shù)關(guān)系式來表達，然后再運用邏輯函數(shù)基本公式和運算規(guī)律進行簡化，使之成為需要的最簡“與”、“或”關(guān)系式，之后根據(jù)最簡式畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖，最后再作進一步的檢查和完善，即能獲得需要的控制線路。采用邏輯設(shè)計法能獲得理想、經(jīng)濟的方案，所用元件數(shù)量少，各元件能充分發(fā)揮作用，當(dāng)給定條件變化時，能指出電路相應(yīng)變化的內(nèi)在規(guī)律，在設(shè)計復(fù)雜控制線路時，更能顯示出它的優(yōu)點。

任何控制線路，控制對象與控制條件之間都可以用邏輯函數(shù)式來表示，所以邏輯法不僅能用于線路設(shè)計，也可以用于線路簡化和讀圖分析。邏輯代數(shù)讀圖法的優(yōu)點是各控制元件的關(guān)系能一目了然，不會讀錯和遺漏。

由于這種方法設(shè)計難度較大，整個設(shè)計過程較復(fù)雜，還要涉及一些新概念，因此在一般常規(guī)設(shè)計中很少單獨采用。6.5.3設(shè)計舉例

下面以熱循環(huán)泵的電氣控制設(shè)計為例來進一步說明經(jīng)驗設(shè)計法和邏輯設(shè)計法。熱循環(huán)泵是用來為民用建筑內(nèi)的洗澡、洗臉和食堂洗滌等提供熱水的電氣設(shè)備。由于建筑內(nèi)不同的地方需要的熱水溫度是不一樣的，如洗澡用水一般不低于60℃，洗臉用水較低，一般為30℃，因此熱循環(huán)泵提供的熱水溫度應(yīng)有一定的范圍，一般其供水出口的溫度在55～65℃，也就是要求熱循環(huán)泵55℃啟泵，65℃停泵。熱循環(huán)泵的拖動電機一般采用10kW以下的鼠籠式電動機，對其電氣控制的主要要求是：

(1)電動機一般采用三相鼠籠式異步電動機拖動，單方向運行；電動機容量通常在10kW以下，故直接啟動，自由停車。

(2)控制電路具有手動和自動兩種控制方式。設(shè)置手動控制的目的主要是便于檢修和維護。自動控制采用溫度控制，應(yīng)在55℃啟泵，65℃停泵。

(3)控制電路應(yīng)能提供控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)信號。

(4)必要的電氣保護措施，如主電路與控制電路的過電流保護、電動機的過載保護等。

下面介紹熱循環(huán)泵的電氣控制設(shè)計過程。

1．主電路的設(shè)計

(1)由于電動機單向運行，因此采用一個接觸器KM控制電動機M的啟動。

(2)在控制電路中用熱繼電器FR實現(xiàn)電動機的過載保護。采用斷路器QF供電，并實現(xiàn)其短路保護。

根據(jù)以上兩點可繪制出如圖6-11所示的主電路。

(3)加上必要的電氣保護措施，如主電路與控制電路的過電流保護、電動機的過載保護等。圖6-11熱循環(huán)泵電氣控制草圖1

2．控制電路的設(shè)計

1)用分析設(shè)計法

(1)根據(jù)控制要求有自動控制和手動控制，通常采用選擇開關(guān)實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。手動控制可采用按鈕控制單向旋轉(zhuǎn)、連續(xù)運行的基本控制環(huán)節(jié)，如圖6-11所示。

(2)熱循環(huán)泵根據(jù)溫度的高低信號自動地啟動和停止，因此需要一個檢測溫度信號的傳感器。由于要求55℃啟泵，65℃停泵，因此所需的溫度信號是一個兩位信號，可采用具有電觸頭的溫度計ST。溫度計ST有一個溫度控制范圍，當(dāng)溫度達到溫度計設(shè)定溫度范圍的上限時，ST的電觸頭動作，其常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開；當(dāng)溫度達到溫度計設(shè)定溫度范圍的下限時，ST的常開觸頭斷開，常閉觸頭閉合。ST的常閉觸頭接通中間繼電器KA，再由中間繼電器的常開觸頭控制接觸器KM的斷開。對接觸器來講，實際上由手動和自動兩條路并聯(lián)控制，由選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換，如圖6-12所示。圖6-12熱循環(huán)泵電氣控制電路草圖2

(3)根據(jù)控制要求，設(shè)置一個電源指示燈HLG、自動位置指示燈HLW及熱循環(huán)泵工作指示燈HLR。當(dāng)接通電源而熱循環(huán)泵不工作時，HLG亮；當(dāng)熱循環(huán)泵開始工作時，KM通電，使HLG滅，HLR亮；當(dāng)選擇開關(guān)放在自動位置時，HLW亮。因此，可設(shè)計出如圖6-13所示的控制線路。圖6-13熱循環(huán)泵電氣控制電路圖

2)用邏輯設(shè)計法

根據(jù)控制要求，當(dāng)啟動按鈕SB2動作且停止按鈕SB1不動作時，或選擇開關(guān)處于接通時，電動機都可啟動，即接觸器KM通電。因此，可列出控制元件與執(zhí)行元件的動作狀態(tài)表，如表6-6所示。表中，“0”表示不通電或不動作狀態(tài)，“1”表示通電或動作狀態(tài)。表6-6控制元件與執(zhí)行元件的動作狀態(tài)表根據(jù)狀態(tài)表可知，SB1、SB2、ST的狀態(tài)共有8種，其中5種狀態(tài)下KM會接通，即KM狀態(tài)為“1”。這5種狀態(tài)分別是001、010、011、101、111，因此可寫出KM的邏輯代數(shù)式：

根據(jù)簡化了的邏輯式繪制控制電路，如圖6-14所示。圖6-14控制電路6.6.1電氣設(shè)備總體配置設(shè)計

各種電動機及電氣元件根據(jù)各自的作用，都有一定的裝配位置，例如拖動電動機與各種執(zhí)行元件以及各種檢測元件必須安裝在機械設(shè)備的相應(yīng)部位；各種控制電器、保護電器可以安放在單獨的電器箱內(nèi)；各種控制按鈕、控制開關(guān)、指示燈、指示儀表、需經(jīng)常調(diào)節(jié)的電位器等，則必須安放在控制臺面板上。6.6電氣元件布置圖與接線圖的設(shè)計由于各種電氣元件的安裝位置不同，因此在構(gòu)成一個完整的自動控制系統(tǒng)時，必須劃分組件，同時要解決組件之間、電氣箱之間以及電氣箱與被控制裝置之間的連線問題。

1．組件的劃分原則

(1)功能類似的元件組合在一起。例如,用于操作的各種按鈕、開關(guān)、鍵盤、指示檢測元件、調(diào)節(jié)元件等集中為控制面板組件；各種繼電器、接觸器、熔斷器、照明變壓器等控制電器集中為電氣板組件；各種控制電源及整流、濾波元件集中為電源組件。

(2)盡可能減少組件之間的連線數(shù)量，接線關(guān)系密切的控制電器置于同一組件中。

(3)強、弱電控制電器分離，以減少干擾。

(4)力求整齊美觀，外形尺寸、重量相近的電器組合在一起。

(5)便于檢查與調(diào)試，需經(jīng)常調(diào)節(jié)、維護的元件和易損元件組合在一起。

2．電氣控制設(shè)備各部分及組件之間的接線方式

電氣控制設(shè)備各部分及組件之間的接線方式通常有以下幾種：

(1)電氣板、控制板、機床電器的進出線一般采用接線端子(按電流大小及進出線數(shù)選用不同規(guī)格的線端子)。

(2)被控制設(shè)備與電氣箱之間采用多孔接插件，便于拆裝、搬運。

(3)印制電路板及弱電控制組件之間宜采用各種類型的標準插件。電氣設(shè)備總體配置設(shè)計任務(wù)是根據(jù)電氣原理圖的工作原理與控制要求，將控制系統(tǒng)劃分為幾個組成部分(稱為部件)。根據(jù)電氣設(shè)備的復(fù)雜程度，每一部分又可劃分成若干組件，如電路組件、電氣安裝板組件、控制面板組件、電源組件等。應(yīng)根據(jù)電氣原理圖的接線關(guān)系整理出各部