第4章 电气控制线路设计基础 内容提要： 本章主要介绍了电气控制线路设计的主要内容、一般要求及常用设计方法。基本要求：1、掌握电气
控制线路设计的基本原则和一般步骤。2、掌握电气控制线路的经验设计法。4.1 电气设计主要内容?[h1]应该为“主电路”吧？主电路4
.1.1 电气设计的一般内容 电气设计的基本任务：根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图纸、资料
等。 图纸包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、电器元件安装底板图和
非标准件加工图等，另外还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。 电气控制系统设计的内容主要包含原
理设计与工艺设计两个部分。 1、控制原理设计 电气控制系统原理设计的主要内容包括： （l ）拟订电气设计
任务书。 （2）确定电力拖动方案，选择电动机。 （3）设计电气控制原理图，计算主要技术参数。
（4）选择电器元件，制订元器件明细表。 （5）编写设计说明书。 电气控制原理图是整个设计的中心环节，它为工
艺设计和制订其他技术资料提供依据。2、工艺设计内容 工艺设计主要是为了便于组织电气控制系统的制造，从而实现原理设计提
出的各项技术指标，并为设备的调试、维护与使用提供相关的图纸资料。工艺设计的主要内容有：（ l）设计电气总布置图、总安装图与总接线图
。（2）设计组件布置图、安装图和接线图。（3）设计电气柜、操作台及非标准元件。（4）列出元件清单。（5）编写使用维护说明书。4.1
.2 电气设计的技术条件 电气设计的技术条件即设计任务书是整个电气控制系统的设计依据，又是设备竣工验收的依据。技术条件
的拟定一般由技术领导部门、设备使用部门和任务设计部门等几方面共同完成的。 电气控制系统的技术条件，主要包括以下内容：
（1）设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍。（2）电力拖动的方式及控制要求等。（3）联锁、保护要求。（4）自动化程度、
稳定性及抗干扰要求。（5）操作台、照明、信号指示、报警方式等要求。（6）设备验收标准。（7）其它要求。4.2 电气设计的一般要求4
.2.1 电气设计的一般要求（1）应能满足生产机械的工艺要求，能按照工艺的顺序准确可靠地工作。（2）线路结构力求简单，尽量选用常用
的且经过实际考验的线路。（3）操作、调速和检修简单。（4）具有各种必要的保护装置和联锁环节，即使在误操作时也不会发生重大事故。（5
）工作稳定、案例可靠，符合使用环境条件。4.2.2 电气设计的一般步骤 拟定电气技术条件（设计任务书）。 确定电气传动控制
方案，选择电动机。 按照国标规定的符号、规则设计电气控制原理图。 选择电气元件，制定电气元件明细表。在满足性能前提下，兼顾
可靠性和价值。 设计操作台、电气柜及非标准电气元件。设计是时应考虑操作可靠性、安全性。 设计机床电气设备布置总图、电气安装
图、电气接线图。 编写电气说明书和使用操作说明书。4.2.3 机床电气传动方案的确定（1）拖动方式的选择 电力拖动
方式分独立拖动和集中拖动。电气传动的趋势是多电动机拖动。（2）调速方案的选择 大型、重型设备的主运动和进给运动，尽可能采用无级
调速，要根据实际情况选择适当的交流变频调速或直流调速方式； 精密机械设备为保证加工精度采用无级调速； 一般中小型设备，没有
特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型异步电动机，调速方式可选择变速箱机械调速。（3）电动机调速性质要与负载特性适应
对于恒功率负载和恒转矩负载，在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速特性与生产机械的负载特性相适应，这样可以使电动机得到充
分合理的应用。 对于恒功率负载的主轴运动，可采用低速△联结高速Y联结的双速异步电动机调速或他励直流电动机变励磁调速；
对于恒转矩负载的进给运动，可采用低速Y联结高速YY联结的双速异步电动机调速或他励直流电动机变电压调速。4.2.4 电
气控制方案的确定 电气控制方案的确定，应遵循以下原则：（1）控制方式与拖动需要相适应。（2）控制方式与通用化程度相适应。
（3）控制方式应最大限度满足工艺要求。（4）控制电路的电源应当可靠。 影响控制方案的因素很多，最后选定方案的技术水平和经济水平
取决于设计人员的设计经验和对设计方案的灵活运用。4.2.5 控制方式的选择 控制方式要实现拖动方案的控制要求。随着现代
电气技术的迅速发展，生产机械电力拖动的控制方式从传统的继电器－接触器控制向PLC控制、CNC控制、计算机网络控制等方面发展，控制方
式越来越多。控制方式的选择应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺的要求。4.2.6 电动机的选择① 电动机的机械特性应满足生产
机械提出的要求，要与负载的负载特性相适应。保证运行稳定且具有良好的起动、制动性能。② 工作过程中电动机功率能得到充分利用，使其温升
尽可能达到或接近额定温升值。③ 电动机结构型式满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条件。④ 在满足设计要求前提下，应优
先采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相笼型异步电动机。 根据电动机在机床系统中承担的任务不同，可分为主拖动电动机
和进给电动机，其功率的选择要根据机床的负载功率来计算。1、主电动机功率选择 主电动机功率计算可采用调查统计类比法和分析
计算法两种方法来计算。 调查统计类比法 调查统计类比法是通过广泛调查，分析机床所需切削用量，用较常用的切削用量最大值
，在同类同规格机床上进行实验，测出电动机输出功率，再考虑机床最大负载情况、采用先进切削方法及新工艺等，类比国内外同类机床电动机功率
，确定设计的机床用电动机功率。常见的计算方法： 分析计算法分析计算法是根据机床总体设计中对机械传动功率的要求，来确定机床拖动用
电动机功率。常用计算公式：当机床传动结构简单时系数取大值，反之取小值。2、进给运动电动机功率选择 进给运动所需功率相比快速运
动小得多，可忽略不计。 进给运动传动效率很低，低于0.15~0.2。 快速运动所需功率，一般由经验数据
选择。表4-1 机床移动所需的功率值4.2.7 常用电气元件的计算与选择按钮、低压开关的选用 按钮 根据用途选择适当形式和型
号的按钮，具体参考第1章按钮颜色及其含义和按钮的相关内容。 刀开关 用于起动异步电动机时，其额定电流要求不小于电动机额定电流的
3倍。 低压断路器 选择时应考虑的参数有：额定电压、额定电流、允许切断极限电流，应满足以下条件。 ① 脱扣器的额定电流≥负
载允许的长期平均电流； ② 极限分断能力≥电路的最大短路电流。 ③ 欠电压脱扣器UN＝主电路UN； ④ 整定电流＝被控
对象（负载）额定电流； ⑤ 瞬时脱扣整定电流＞负载正常工作时的尖锋电流 ⑥ 保护电动机时，瞬时脱扣整定电流为电动机起动电流
的1.7倍。 组合开关 额定电流取电动机额定电流1.5-2.5倍。常用额定电流为10、25、60、100A四种，适用于交流38
0V以下，直流220V以下电气设备。 电源开关联锁机构 与相应断路器和组合开关配套使用，用于电源接通和断开电源和柜门开关联锁。
2.熔断器①用于保护照明线路时，其参数选择满足②用于保护异步电动机时，其参数选择满足③当多台电动机由同一个熔断器保护时，其参数选择
满足 如果几台电动机不同时起动，Im为容量最大的电动机起动电流，加上其它电动机的额定电流。3. 热继电器 热继
电器用于电动机过载保护，根据电动机额定电流来选择。 热继电器整定电流是指热元件通过电流超过此值20%时，热继电器在20min内
动作。 整定电流一般选取与电动机额定电流同。 一般情况下，选用二相热继电器；在电网电压严重不平衡时，选用三相热继电器；对于
△联结的电动机，可选用带断相保护装置的热继电器来实现断相保护。 注意：当出现下列情况时，热继电器整定电流要比电动机额定电流高。
电动机负载惯性转矩非常大，起动时间长。 电动机带动的设备允许任意停电。 电动机拖动的为冲击性负载，如冲床、剪床等。4、接触器
选择接触器时应考虑参数的有：① 电源种类，交流、直流。② 主触头额定电压、额定电流。③ 辅助触头种类、数量及触头额
定电流。④ 电磁线圈的电源种类、频率、额定电流。⑤ 额定操作频次（次/h）⑥ 主触头额定电流5、中间继电器
中间继电器的主要作用是起信号传递与转换作用，能实现多路控制，并可将小功率控制信号转换为大容量的触头动作，以驱动电气执行元件，可以
扩充其它电器的控制作用。 中间继电器的型号主要根据控制电器的电压等级、触头数量、种类与容量来选取。6、时间继电器
选择时间继电器时，主要考虑控制回路所需要的延时触头的延时方式（通电延时、断电延时），以及触头的数目，根据不同的使用条件选取。
时间继电器的分类及特点如下：7、控制变压器表4-2 常用电气控制电路电压等级表 控制变压器容量选择可以根据两种情况计算
：1）根据控制线路最大工作负载所需功率计算：2）根据满足已吸合电器在又起动吸合另一些电器时仍能吸合计算?：4.3 电气控制线路的设
计方法 电气控制线路的设计方法有两种：一种是经验设计法，一种是逻辑设计法。4.3.1 经验设计法 经验设
计法是根据生产工艺的要求，按照电动机的控制方法，采用典型环节线路直接进行设计，先设计出各个独立的控制电路，然后根据设备的工艺要求决
定各部分电路的联锁或联系。 采用经验设计法设计电气控制系统，设计的内容包括主电路、控制电路和辅助电路的设计。其设计步
骤如下：①主电路设计：主要考虑电动机起动、点动、正反转、制动及多速控制的要求。②控制电路设计：满足设备和设计任务要求的各种自动、手
动的电气控制电路。③辅助电路设计：完善控制电路要求的设计，包括短路、过流、过载、零压、连锁（互锁）、限位等电路保护措施，以及信号指
示、照明等电路。④反复审核设计：根据设计原则审核电气设计原理图，有必要时可以进行模拟实验，修改和完善电路设计，直至符合设计要求。
采用经验设计法时必须注意以下几个原则： 在保证实现控制目标的前提下，尽量减少使用的电器种类数量。尽量选用相同型号的电器和标
准件，以减少备品量；尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节。 尽可能避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的现象。a
图中继电器KA3线圈电流需要依次流过触头K、KA1、KA2才能到达KA3线圈。而图4-1b的控制电路中每一个继电器线圈电流仅流过一
个触头，可靠性得到提高。3. 防止产生寄生电路。 a图中由于不正确的接线，导致产生如虚线所示的寄生电路，影响正常控
制；b图中消除了寄生回路。a图4-2 防止寄生电路产生4. 正确联结电器的线圈。 ①电器线圈的一端接在电源的同一侧
，所有电器的触头在电源另一侧。这样既可以防止因触头短路导致电源短路，又方便连线。 ②交流电器线圈不能串联使用。如图4
-3，图a中将接触器线圈K和KM1串联是错误的联结，正确的接法如图b所示。5. 在控制线路中尽可能减少电器触头数。 为
提高可靠性，电路中同类性质触头应合并，一个触头能完成的动作，不用两个触头。 简化时注意触头的额定电流是否允许，还应考虑
对其它回路的影响。 经验化简法就是根据人的经验对组成控制线路中同类触头进行化简，其通常的步骤为： ①分析电
路中各部件的工作原理及控制对象。特别是同标号元件不同位置的触头。 ②在不影响控制结果和互锁、自锁的前提下，逐一考虑是否
可以省略同标号元件在不同位置的触头，尽可能减少触头个数。 abcdeKM6. 尽量减少联接导线的数量和长度。 由于SB1
与SB2和SB3与SB4分别两地操作，所以图4-6b与图4-6a相比，具有节省连接导线，可靠性高（减小电流流经的触头数）等优点。图
4-6 电气元件的合理接线 7. 考虑各种联锁关系及电气系统具有的各种电气保护措施，及过载、短路、欠压、零位、限位等保护措施。
图4-7a中用时间继电器KT的延时断开触头切断自身线圈电源，当时间继电器断电复位后，延时断开触头闭合，不能安全切断电路
。而图4-7b采用继电器KA与时间继电器KT互锁，大为提高安全性。 ?[h1]改为“继电器”吧？已修正8. 考虑有关操纵、故障检查
、检测仪表、信号指示、报警及照明问题。图4-7 合理的联锁关系 4.3.2 逻辑设计法 逻辑设计法是利用逻辑代数来进行
的电路设计。它从生产机械的拖动和工艺要求出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，主令电器的接通与断开
看成逻辑变量，将继电器的执行元件作为逻辑输出量，根据控制要求和逻辑代数运算法则未求出逻辑变量与逻辑输出量之间的逻辑代数关系，通过化
简后，得到逻辑关系式，并由此画出电气控制原理图。 逻辑设计法的优点是能获得理想、经济的方案，但这种方法设计难度较大，整
个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一般常规设计中，很少单独采用。4.3.3 电气控制图的CAD制图 随着计
算机技术的不断发展，采用CAD技术可以极大的简化电气控制图的绘制和处理。在电气控制领域，最常用的的CAD软件是美国AUTODESK
公司开发的交互式计算机辅助设计与绘图软件―AUTOCAD。AUTOCAD软件具有强大的两维和三维绘图功能，是当今世界上应用最广泛的工程绘图软件之一，在机械、电子、造船、汽车、城市规划、建筑、测绘等许多领域得到广泛应用。在电气控制领域，AUTOCAD软件具有的特点： 具有强大的绘图功能。 图形编辑功能。 尺寸标注。 打印输出。 网络传输。 二次开发功能。 除AUTOCAD软件外，另一有代表性的可用于电气控制图绘制的软件是Microsoft Visio，该软件也提供了大量的电气控制图符，支持用户对这些图符进行组合绘图，具有很大的灵活性。 采用CAD技术进行电气控制图绘图可以大为减轻电气控制图的绘制难度，随着计算机技术的不断发展，电气控制图的计算机绘制必将在简易化和标准化上取得更大的提高。作业： P140 1、2、3、4、5 |
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