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鉴定范围8 电气控制设计知识

鉴定点1 电气设计知识
鉴定规定：掌握电气的设计知识。
问：电路设计的原则和内容有哪些？电气控制线路设计的环节有哪些？
答：电气线路设计的原则如下：
（1）电气控制电路应最大限度地满足机械设备加工工艺的规定
一般控制线路只需满足启动、反向和制动，有些则还规定在一定范围内平滑调速和按规定改变转速；当出现事故时需要有必要的保护及报警；各部分运动规定有一定的配合和连锁关系等。假如已有类似设备，还应了解现有控制线路的特点以及操作者对它们的反映。
（2）控制电路应能安全、可靠地工作
为了保证控制线路工作可靠，最重要的是选用可靠的元件，同时在具体线路设计中注意以下几点：
1）对的连接电器的接点。同一电器的常开和常闭辅助触头距离很近，假如分别接在电源的不同相上，或接线的电位不相等，当触头断开时很也许在两触头间形成飞弧而导致电源短路。此外，绝缘不好也会引起电源短路。设计中应注意避免这种现象发生。
2）对的连接电器的线圈。在交流控制电路中不能串联两个电器的线圈。由于每个线圈上所分派到的电压于线圈阻抗成正比，串联接入会使两个电器动作有先后，不也许同时吸合，甚至会使其中一个接触器的线圈电压达不到动作电压，以致始终不能吸合，影响电路正常工作。
3）控制线路中应避免出现寄生电路。在控制线路的动作过程中，那种意外接通的电路叫寄生电路，在控制电路中应避免这种电路的出现。
4）控制线路中应避免控制条件的多重性。在线路中应尽量避免许多电器依次动作才干接通另一个电器的控制线路。
5）频繁操作线路要有电气连锁和机械连锁。在频繁操作的可逆线路中，正、反向接触器之间不仅要有电气连锁，并且要有机械连锁。
6）设计的线路应能适应所在电网的情况。电路设计时要考虑电网因素，如电网容量的大小、电压、频率的波动范围，以及允许的冲击电流数值等，据此决定电动机的启动方式是采用直接启动还是间接启动。
7）关于是否采用中间继电器的考虑。在线路中采用小容量继电器的触头控制大容量接触器的线圈时，要计算继电器触头断开和接通容量是否满足需要。假如不能满足则必须加中间继电器，以保证工作可靠。
8）完善保护环节，增设信号指示。控制电路中应具有完善的保护环节，保证在误操作情况下不致导致事故。一般应有过载、短路、过电流、过电压、失电压保护等，同时还应设有合闸、断开、故障所必须的指示信号。
（3）控制电路应简朴、可靠、造价低
在保证控制功能规定的前提下，控制电路应力求简朴、造价低，尽量选用标准常用的或通过实际考验的线路。
1）连接线的数量和长度的规定，设计控制线路时，应考虑到各个元件之间的实际连线，特别要注意电气控制柜、操作台和限位开关之间的连接线，尽量减少连接线数量，缩短连接线的长度。
2）减少电器的种类和数量设计电路时，应尽量采用标准件和尽也许选用相同型号的器件，减少电器的种类和数量。
3）力求电路简化，可靠性高电路设计时应简化电路，减少电器的触头，提高可靠性。
4）减少电路的空转耗电控制线路在工作时，除必要的电器通电外，其余的尽量不通电，以节约电能。
（4）控制电路应便于操作和维修
控制机构的操作应简朴和方便，能迅速快捷地由一种形式转换到另一种形式，同时能实现多点控制和实现自动转换程序，减少人工操作。电控设备应力求维修方便，使用安全，并应有隔离电器，以免带电维修。
电路设计的内容有以下几个方面：
1）拟定控制线路的电流种类和电压数值。
2）主电路设计有电动机的启动，正反转运转，制动，变速等工作方式及其保护环节的设计。

3）辅助电路设计重要有控制电路、执行电路、联锁保护环节、信号显示及安全照明等环节的设计。
4）当车间一般照明设施不能达成预期效果时，需在设备上敷设照明器具。为保证人身安全，机械设备的照明应采用安全电压，根据国际电工委员会规定，电路中最安全交流电压不得超过25V（有效值）。
电气控制线路设计的环节如下：
1）设计各控制单元环节拖动电动机的启动，正反转运转，制动，调速、停机的主电路和执行元件的电路。
2）设计满足各电动机运转功能和与工作状态相相应的控制电路。
3）连接各单元环节，构成满足整机生产工艺规定，实现加工过程自动/半自动和调整的控制电路。
4）设计保护、联锁、检测、信号和照明等环节的控制电路。
5）全面检查所设计的电路。
试题选解：
控制电路的设计原则不包含（ ）。
（A）对的连接电器的接点
（B）控制线路中避免出现寄生电路
（C）设计的电路应避免控制条件的多重性
（D）控制电路中必须采用中间继电器
解：根据电路的设计原则，答案A、B、C属于控制电路设计的原则，而控制电路中采用或不采用中间继电器应根据实际表现考虑，所以本题答案应选D。

鉴定点2 电气设计的程序和环节
鉴定规定：掌握电气设计的程序和环节。
问：电气设计的程序涉及哪些内容？电气控制原理图设计环节和方法？电气设计的技术条件有哪些？
答：电气设计的程序涉及以下内容：
1拟订设计任务书。在电气设计任务书中，除简要说明所设计任务的用途、工艺过程、动作规定、传动参数、工作条件外，还应当说明以下重要技术经济指标及规定：
①电气传动基本规定及控制精度。
②项目成本及经费限额。
③设备布局、控制柜（箱）、操作台的布置、照明、信号指示、报警方式等的规定。
④工期、验收标准及验收方式。
2）选择拖动方案与控制方式。
3）设计电气原理图，选用元件，编制元器件目录清单。
4）设计电气施工图，并以此为依据编制各种材料定额清单。
5）编写设计说明书。
电气控制原理图设计的基本环节和方法如下：
1）根据选定的控制方案及方式设计系统原理图，拟定出各部分的重要技术规定和技术参数。
2）根据各部分的规定，设计电气原理框图及各部分单元电路对于每一部分的设计总是按主电路——控制电路——联锁与保护——总体检查的顺序进行的，最后经反复修改与完善，完毕设计。
3）按系统框图结构将各部分连接成一个整体，绘制系统原理图，然后进行必要的短路电流计算，根据需要计算出相应的参数。
4）根据计算数据对的选用电气元器件，必要时先进行动稳定和热稳定校验，最后制订出元器件型号、规格、目录清单。
电气设计的技术条件是由参与设计的各方面人员根据设计的总体技术规定制订的。它是整个电气设计的依据，除了要说明所设计的目的、条件、用途、工艺过程、技术性能传动参数以及现场现场工作条件外，还必须说明以下内容：
1）用户供电网的种类、电压、频率及容量。
2）电气传动的基本特性。
3）有关电气控制的特性。
4）有关操作方面的规定。
5）重要执行电器元件的安装位置及环境情况等。
试题精选
电气控制原理图设计对于每一部分的设计总是按（ ）的顺序进行的。
（A） 主电路——控制电路——联锁与保护——总体检查
（B） 控制电路——主电路——联锁与保护——总体检查
（C） 主电路——联锁与保护——控制电路——总体检查
（D） 联锁与保护——控制电路——主电路——总体检查
解：根据电气控制原理图的设计环节，每一步都是按主电路——控制电路——联锁与保护——总体检查的顺序进行的，所以对的答案应选A。

鉴定点3 电气设计时元器件的选择
鉴定规定：掌握电气设计时元器件的选择方法。
问：电气设计时应如何选择元器件？
答：电气设计时选择元器件的方法如下：
（1）熔断器的选用
熔断器选用时应根据使用环境和负载性质选择适合类型的熔断器；熔体额定电流的选择应根据负载性质选择；熔断器的额定电压必须大于或等于线路的额定电压，熔断器的额定电流必须等于或大于所装熔体的额定电流；熔断器的分断能力应大于电路中也许出现的最大短路电流。
对于不同的负载，熔体按以下原则选用：
1）照明和电热线路：应使熔体的额定电流IRN稍大于所有负载的额定电流IN之和，即IRN≥∑IN

2）单台电动机线路：应使熔体的额定电流不小于1.5-2.5倍电动机的额定电流IN，即IRN≥（1.5-2.5）IN。启动系数取2.5仍不能满足时，可以放大到不超过3。
3）多台电动机线路：应使熔体的额定电流满足如下关系式：
IRN≥（1.5-2.5）INMAX＋∑IN
式中INMAX——最大一台电动机的额定电流（A）
∑IN——其他所有电动机的额定电流之和（A）
假如电动机容量较大，而实际负载又较小时，熔体额定电流可适当选小些，小到以启动时熔体不熔断为准。
根据以上计算的熔体额定电流，结合使用场合个安装条件，查表选择熔断器的型号。
熔断器安装时应注意：插入式熔断器应垂直安装，螺旋式熔断器的电源线应接在瓷底座的下接线座上，负载线应接在螺旋壳的上接线座上。
（2）断路器的选用
1）断路器的工作电压应大于或等于线路或电动机的额定电压。
2）断路器的工作电流应大于或等于线路的实际电流。
3）热脱扣器的整定电流应等于所控制的电动机或其他负载的额定电流。
4）电磁脱扣器的瞬时动作整定电流应大于负载电路正常工作时也许出现的峰值电流。对单台电动机主电路电磁脱扣器额定电流ILN可按下式选取：
ILN≥KIst 式中K——安全系数。对DZ型取K＝1.7；对DW型取K＝1.35；Ist——电动机的启动电流。
5）断路器欠电压脱扣器的额定电压应等于线路额定电压。

（3）封闭式负荷开关的选用
选用封闭式负荷开关时应使其额定电压不小于线路工作电压；用于照明、电热负荷时，开关额定电流应不小于所有负载额定电流之和；用于控制电动机时，开关的额定电流应不小于电动机额定电流的3倍。
（4）热继电器的选用
1）热继电器的额定电压应大于或等于电动机额定电压。
2）热继电器的额定电流应大于或等于电动机额定电流。
3）在结构形式上一般都选用三相结构；对于三角形联结的电动机，可选用带断相保护装置的热继电器。
对于短时工作制的电动机，如机床刀架或工作台快速进给的电动机以及长期运营、过载也许性很小的电动机，如排风扇等。可不用热继电器来进行过载保护。
（5）接触器的选用
1）接触器类型的选用：根据被控制电动机或负载电流类型选择相应的接触器类型，即交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器；假如控制系统中重要是交流电动机，而直流电动机或直流负载的容量比较小时，也可以全选用交流接触器进行控制，但是触头的额定电流应适当选择大一些。
2）接触器触头额定电压的选用：接触器主触头的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压。
3）接触器主触头额定电流的选用：
控制电阻性负载（如电热设备）时，主触头的额定电流应等于负载的工作电流。
控制电动机时，主触头的额定电流应大于或等于电动机的额定电流，也可以根据所控制的电动机的最大功率查表进行选择。
4）接触器吸引线圈的电压选择：一般情况下，接触器吸引线圈的电压应等于控制回路电压。
5）接触器触头的数量、种类：接触器触头的数量、种类应满足控制线路的规定。假如接触器使用在频繁启动、制动和频繁可逆的场合时，一般可选用大一个等级的交流接触器。
（6）开关的选用 开关可根据下列规定进行选用：
1）根据使用场合选择开关种类，如正启式、保护式和防水式等。
2）根据用途选用合适的形式，如一般式、旋钮式和紧急式等。
3）根据控制回路的需要，拟定不同的按钮数，如单联钮、双联钮和三联钮等。
4）按工作状态指示和工作情况规定，选择按钮和指示灯的颜色。
（7）制动电磁铁的选用
1）电源的性质。制动电磁铁取电应遵循就近、容易、方便的原则。此外，当制动装置的动作频率超过300次/h时，应选用直流电磁铁。
2）行程的长短。制动电磁铁行程的长短，重要依据机械制动装置制动力矩的大小、动作时间的长短及安装位置来拟定。
3）线圈连接方式。串励电动机的制动装置都是采用串励制动电磁铁，并励电动机的的制动装置都是采用并励制动电磁铁。有时为安全起见，在一台电动机的制动中，既用串励制动电磁铁，又用并励制动电磁铁。
4）容量的拟定。制动电磁铁的形式拟定以后，要进一步拟定容量、吸力、行程和回转角等参数。
（8）控制变压器和整流变压器的选用
1）控制变压器：控制变压器用来减少辅助电路的电压，以满足一些电气元件的电压规定，保证控制电路安全可靠的工作。其选用原则是：
①控制变压器一、二次电压应符合交流电源电压、控制电路和辅助电路电压规定。
②保证接在变压器二次侧的交流电磁器件启动时可靠地吸合。
③电路正常运营时，变压器的温升不应超过允许值。
2）整流变压器：整流变压器是将电网电压变换成整流器所需交流电压，经整流元件整流后，为电磁器件提供直流电源。其选用原则是：
①整流变压器一次电压应与交流电源电压相等，二次电压应满足直流电压的规定。
②整流变压器的容量PT要根据直流电压、直流电流来拟定，二次侧的交流电压U2、交流电流I2与整流方式有关。整流变压器容量可按下式计算：
PT＝U2 I2
（9）其他电器的选用
1）机床工作灯和信号灯的选用：应根据机床机构、电源电压、灯泡功率、灯头形式和灯架长度，拟定所用的工作灯。信号灯的选用重要是拟定其额定电压、功率、灯壳、灯头型号、灯罩颜色及附加电阻的功率和阻值等参数。目前有各种型号发光二极管可替代信号灯，它具有工作电流小、能耗小、寿命长、性能稳定等优点。
2）接线板的选用：根据连接线路的额定电压、额定电流和接线形式，选择接线板的形式和数量。
3）导线的选用：根据负载的额定电流选用铜芯多股软线，考虑其强度，不能采用0.75mm2以下的导线（弱电线路除外），应采用不同颜色的导线表达不同电压及主、辅电路。
试题选解：
串励直流电动机的制动装置都采用（ ）制动电磁铁。
（A）串励 （B）并励 （C）复励 （D）任意
解：根据直流电动机的制动装置的选择原则，串励直流电动机的制动装置都采用串励电磁铁。所以对的答案是选A。

组合机床的PLC设计
根据生产工艺的规定可应用可编程序控制器对组合机床进行控制系统的设计。
1、工艺过程
将零件夹紧后，滑台快进进行加工，快进完毕后转为工进，加工到位后，滑台快退，退到位后滑台停止，工件被松开，完毕一个加工循环。
2、控制规定
本机床具有“半自动”和“调整”两种工作状态，其电气控制电路图如图所示。
（1）按“启动”按钮SB2，液压电动机接触器KM1线圈通电，液压电动机M1启动旋转，同时主轴电动机接触器KM2线圈通电，主轴电动机启动旋转。
（2）装上被加工工件，按下“工件夹紧”按钮SB5，电磁阀YV3通电。当工件的确被夹紧时，压力继电器SP被压下，KA1通电，常开触头闭合，使电磁阀YV1通电，滑台快进向前。
（3）快进完毕，液压行程阀运作，ST2、KA3、 KA2吸合，电磁阀YV1断电，电磁阀YV2自行通电，滑台快速后退（在电气系统中应当设立加工完毕记忆信号，以便滑台退回原位时自动发出“工件松开”信号）。
（4）滑台退至原位时，行程开关ST1被压下，YV2断电，滑台停止在原位，此时，工件松开电磁阀，YV4立即通电，自动松开被加工完的工件，循环结束
（5）卸下加工好的工件，放上待加工的下一个工件，再次按下“工件夹紧”按钮SB5，，则机床自动开始下一个工作循环的加工。假如需要停止加工，只要按下停止按钮SB1（图上未标出）即可。
（6）机床处在“调整”工作时，需先扳动循环选择开关至“调整”状态，再按下有关按钮，机床可实现滑台的前进、后退和夹具的夹紧、放松单独调整。
3、有关技术数据
液压电动机 3KW，1450r/m
主轴电动机 Y100L1-4，2.2KW，1450r/m
按钮 LA19-11
急停按钮 LA19-11J
旋转按钮 LA18-22X2
行程开关 X2-N
续流二极管 2CZ12A
压力继电器 JW2-11K
接触器 CJ10-10 220V
电磁阀线圈 MFZ1-4YC DC24V
电容 CZJ 22c pF/400V
电阻 RJ 12.5k/2W
信号灯 XD0-6.3 6.3V，1W
4、电气控制设计
（1）设计电气控制的电路图
电气控制电路图见图6-53。
（2）可编程序控制器的选型及I/O分派
这是一个单体控制的小系统，开关量输入节点12个，开关量输出节点8个，实际所用I/O点数为20个，选用中小型控制器F-20MR基本单元，就可满足机床的控制规定。接到PC输入端触点的元件有行程开关、按钮等，连接其常开触点还是常闭触点，可以任意决定，为安装维修方便，一般用各电气元件的常开触点接线。输出可根据实际情况选用不同型号的接触器、电磁阀。由于电动机启动器及电磁阀线圈是感性输出设备，在输出端还要采用保护装置。
（3）其他设计
根据电气控制规定，设计系统的梯形图、控制命令程序表及可编程序控制器外部接线图。
1） 可编程序控制器的梯形图及控制命令程序表 PC梯形图如图6-54所示，其指令见表6-6。
2） 可编程序控制器外部连接图 在拟定了PC的配置形式以后，应当绘出输入、输出端子接线图，图6-55是F-20MR外部端子接线图。输出点按照图6-55所示接线，我们选用的接触器电压为交流220V，电磁阀的电压为直流24V，在输出端采用了保护装置。我们可以对输入输出点做出地址分派及名称定义，见表6-7。
表6-7 机床电器元件一览表
元件代号
作用
地址
元件代号
作用
地址
SB1
停止按钮
X00
SA1
液压电动机选择旋钮
X12
SB2
启动按钮
X01
SA2
主轴电动机选择旋钮
X13
SB3
滑台向前按钮
X02
KM1
液压电动机接触器
Y30
SB4
滑台向后按钮
X03
KM2
主轴电动机接触器
Y31
SB5
工件夹紧按钮
X04
YV1
滑台向前电磁阀
Y32
SB6
工件松开按钮
X05
YV2
滑台向后电磁阀
Y33
SA3
循环选择旋钮开关
X06
YV3
工件夹紧电磁阀
Y34
ST1
滑台原位行程开关
X07
YV4
工件松开电磁阀
Y35
ST2
滑台终点行程开关
X10
HL1
滑台原位信号灯
Y36
SP
工件夹紧压力继电器
X11
HL2
滑台终点信号灯
Y37