电气控制电路设计规范样本.doc

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电气控制电路设计规范 (1)
【引入】电器图以各种图形、 符号和突显等形式来表示电气系统中各电器设备、 装置、 元器件的相互连接关系。电器图是联系电气设计、 生产、 维修人员的工程语言, 能正确、 熟练的识读电气图是从业人员必备的基本技能。
一、 电气图的作用与分类
为了表示电气控制系统的设计意图, 便于分析系统工作原理、 安装、 调试和检修控制系统, 必须采用统一图形符号和文字符号。
1.电气系统图和框图
2.电气原理图
3.电器布置图
4.电器安装接线图
5.功能图
6.电气元件配置明细表
二、 电气图阅读的基本方法
1.电气图阅读的基本方法
1)主电路分析
2)控制电路分析
3)辅助电路分析
4)联锁和保护环节分析
5)总体检查
2.电气图阅读
1)主电路阅读
2)阅读控制电路
三、 电气控制电路设计规范
1.电气工程制图内容
电气控制系统是由若干电器元件按照一定要求连接而成, 从而实现设备或装置的某种控制目的。为了便于对控制系统进行设计、 分析研究、 安装调试、 使用维护以及技术交流, 就需要将控制系统中的各电器元件及其相互连接关系用一个统一的标准来表示, 这个统一的标准就是国家标准和国际标准, 中国相关的国家标准已经与国际标准统一。用标准符号按照标准规定的方法表示的电气控制系统的控制关系的就称为电气控制系统图。
电气控制系统图包括电气系统图和框图、 电气原理图、 电气接线图和接线表三种形式。各种图都有其不同的用途和规定的表示方式, 电气系统图主要用于表示系统的层次关系, 系统内各子系统或功能部件的相互关系, 以及系统与外界的联系; 电气原理图主要用于表示系统控制原理、 参数、 功能及逻辑关系, 是最详细表示控制规律和参数的工程图; 电气接线图主要用于表示各电器元件在设备中的具体位置分布情况, 以及连接导线的走向。对于一般的机电装备而言, 电气原理图是必须的, 而其余两种图则根据需要绘制。绘制电气接线图则需要首先绘制电器位置图, 在实际应用中电气接线图一般与电气原理图和电器位置图一起使用。
国家标准局参照国际电工委员会( IEC) 颁布的标准, 制定了中国电气设备有关国家标准。有关的国家标准有GB4728—1984《电气图用图形符号》、 GB6988—1986《电气制图》、 GB5094—1985《电气技术中的项目代号》和GB7159—1987《电气技术中的文字符号制定通则》。
2.电气工程制图图形符号和文字符号
按照GB4728—1984《电气图用图形符号》规定, 电气图用图形符号是按照功能组合图的原则, 由一般符号、 符号要素或一般符号加限定符号组合成为特定的图形符号及方框符号等。一般符号是用以表示一类产品和此类产品的特征的简单图形符号。
文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。基本文字符号又分单字母文字符号和双字母文字符号两种。单字母符号是按拉丁字母顺序将各种电气设备、 装置和元器件划分为23类, 每一大类电器用一个专用单字母符号表示, 如”K”表示继电器、 接触器类, ”R”表示电阻器类。当单字母符号不能满足要求而需要将大类进一步划分, 以便更为详尽地表述某一种电气设备、 装置和元器件时采用双字母符号。双字母符号由一个表示种类的单字母符号与另一个字母组成, 组合形式为单字母符号在前、 另一个字母在后, 如”F”表示保护器件类, ”FU”表示熔断器, ”FR”表示热继电器。
辅助文字符号用来表示电气设备、 装置、 元器件及线路的功能、 状态和特征, 如”DC”表示直流, ”AC”表示交流, ”SYN”表示同步, ”ASY”表示异步等。辅助文字符号也可放在表示类别的单字母符号后面组成双字母符号, 如”KT”表示时间继电器, ”YB”表示电磁制动器等。为简化文字符号起见, 当辅助文字符号由两个或两个以上字母组成时, 能够只采用第一位字母进行组合, 如”MS”表示同步电动机。辅助文字符号也可单独使用, 如”ON”表示接通, ”N”表示中性线等。
3.电气控制原理图的绘制原则
电气控制系统图包括电气原理图、 电气安装图( 电器安装图、 互连图) 和框图等。各种图的图纸尺寸一般选用297×210、 297×420、 297×630、 297×840( mm) 四种幅面, 特殊需要可按GB126—74《机械制图》国家标准选用其它尺寸。
1) 目的和用途
电路原理图就是详细表示电路、 设备或装置的全部基本组成部分和连接关系的工程图。主要用于详细理解电路、 设备或装置及其组成部分的作用原理; 为测试和故障诊断提供信息; 为编制接线图提供依据。
2) 绘图基本原则
根据简单清晰的原则, 电气原理( 电路) 图采用电器元件展开的形式绘制。它包括所有电器元件的导电部件和接线端点, 但并不按照电器元件的实际位置来绘制, 也不反映电器元件的大小。因此, 绘制电路图时一般要遵循以下基本规则:
(1)电路图一般包含主电路和控制、 信号电路两部分。为了区别主电路与控制电路, 在绘制电路图时主电路(电机、 电器及连接线等), 用粗线表示, 而控制、 信号电路(电器及连接线等)用细线表示。一般习惯将主电路放在电路图的左边(或上部), 而将控制电路放在右边(或下部)。
(2)控制系统内的全部电器和其它器械的带电部件都应在原理图中表示出来
(3)在原理图中不画各电器元件的实际的外形图,而采用国家规定的统一标准图形符号。文字符号也要符合国家规定的标准。
(4)在原理图中, 各个电器元件和部件在控制线路的位置应根据变阅读的原则安排。
(5)原理图中元件、 器件和设备的可动部分都按没有通电和没有外力作用 时的开闭状态画出。
(6)原理图的绘制应布局合理、 排列均匀, 为了识图, 能够水平位置, 也可垂直位置。
(7)主电路( 动力电路) 中电源电路绘水平线; 受电的动力设备( 如电动机等) 及其它保护电器支路, 应垂直于电源电路绘制。
(8)控制和信号电路应垂直地绘于两条水平电源线之间, 耗能元件( 如接触器线圈、 电磁铁线圈, 信号灯等) 应直接连接在接地或下方的水平电源线上, 各种控制触头连接在上方水平线与耗能元件之间。
(9)在电路图中各个电器并不按照它实际的布置情况绘制, 而是采用同一电器的各部件分别绘在它们完成作用的地方。
(10)无论主电路还是控制电路, 各元件一般按照动作顺序自上而下、 从左到右依次排列。
(11)电气元件应按功能位置, 并尽可能按水平顺序排列, 其布局顺序应该是从上到下, 从左到右。
(12)电气原理图中, 有直接联系的交叉导线联接点, 要用黑圆点表示; 无直接联系的交叉导线联接点不画黑圆点。
(13)为区别控制线路中各电器的类型和作用, 每个电器及它们的部件用规定的图形符号表示, 且每个电器有一个文字符号, 属于同一个电器的各个部件(如接触器的线圈和触头)都用同一个文字符号表示。而作用相同的电器用规定的文字符号加数字序号表示。
(14)因为各个电器在不同的工作阶段分别作不同的动作, 触点时闭时开, 而在电路图内只能表示一种情况。因此, 规定所有电器的触点均表示成在( 线圈) 没有通电或机械外力作用时的位置。对于接触器和电磁式继电器为电磁铁未吸合的位置, 对于行程开关、 按钮等则为未压合的位置。
(15)在电路图中两条以上导线的电气连接处要打一圆点, 且每个接点要标一个编号, 编号的原则是: 靠近左边电源线的用单数标注, 靠近右边电源线的用双数标注, 一般都是以电器的线圈或电阻作为单、 双数的分界线, 故电器的线圈或电阻应尽量放在各行的—边( 左边或右边) 。
(16)对具有循环运动的机构, 应给出工作循环图, 万能转换开关和行程开关应绘出动作程序和动作位置。
(17)电路图应标出下列数据或说明:
a.各电源电路的电压值, 极性或频率及相数。
b.某些元器件的特性( 如电阻, 电容器的参数值等) ;
c.不常见的电器( 如位置传感器、 电磁阀门、 定时器等) 的操作方法和功能。
3)图面区域的划分
为了便于检索电路, 方便阅读, 能够在各种幅面的图纸上进行分区。按照规定, 分区数应该是偶数, 每一分区的长度一般不小于25 mm, 不大于75mm。每个分区内竖边方向用大写拉丁字母, 横边方向用阿拉伯数字分别编号。编号的顺序应从标题栏相正确左上角开始。编号写在图纸的边框内。
在编号下方和图面的上方设有功能、 用途栏, 用于注明该区域电路的功能和作用。
4)符号位置索引
由于像接触器、 继电器这样的电器其线圈和触点在电路中根据需要绘制在不同的地方, 为了便于读图, 在接触器、 继电器线圈的下方绘出其触点的索引表, 如图3.1所示。对于接触器, 其中左边一列为主触点所在的区域, 中间为辅助常开触点所在的区域, 右边一列为辅助常闭触点所在的区域。对于继电器, 其中左边一列为常开触点所在的区域, 右边一列为常闭触点所在的区域。
图3.1( CM6132普通车床电器控制线路原理图)

四、 电气控制系统图的基本知识
1.图形、 文字符号
1) 图形符号
图形符号一般见于图样或其它文件, 用以表示一个设备或概念的图形、 标记或字符。电气控制系统图中的图形符号必须按国家标准绘制。
2) 文字符号
文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。文字符号适用于电气技术领域中技术文件的编制, 也可表示在电气设备、 装置和元件上或其近旁以标明它们的名称、 功能、 状态和特征。
3) 主电路各接点标记
三相交流电源引入线采用L1、 L2、 L3标记。
电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、 V、 W顺序标记。
分级三相交流电源主电路采用三相文字代号U、 V、 W的前边加上阿拉伯数字1、 2、 3等来标记, 如U1、 V1、 W1; U2、 V2、 W2等。
4) 符号位置索引
由于像接触器、 继电器这样的电器其线圈和触点在电路中根据需要绘制在不同的地方, 为了便于读图, 在接触器、 继电器线圈的下方绘出其触点的索引表。对于接触器, 其中左边一列为主触点所在的区域, 中间为辅助常开触点所在的区域, 右边一列为辅助常闭触点所在的区域。对于继电器, 其中左边一列为常开触点所在的区域, 右边一列为常闭触点所在的区域。

五、 电气控制图的基本规律
1.自锁控制
KM
KM
SB
1) 含义
2) 电路组成

KM1
KM1
SB1
KM2
KM2
KM2
SB2
KM1
2.互锁控制
1) 含义
2) 电路组成( 电气互锁)

六、 基本电气控制电路
1.启、 保、 停控制
图6.40所示是三相鼠笼式电动机的单向启、 停控制线路, 它由6.1( a) 的主电路和6.1( b) 的控制电路组成。主电路包括一个断路器QF、 一个接触器KM的主触点、 一个热继电器FR的热元件和一台电动机M, 控制电路包括一个停止按钮SB1和一个启动按钮SB2、 接触器的吸引线圈和一个常开辅助触点、 热继电器的常闭触点。
合上开QF( 作电源总开关) , 按下SB2, 接触器KM的吸引线圈接通得电, 衔铁吸合, 其主触点闭合, 电动机便运转起来, 与此同时, KM的辅助触点也闭合, 将启动按钮SB2短路, 这样当松开SB2时接触器线圈依然接通, 像这样利用电器自身的触点保持自己的线圈得电, 从而保持线路继续工作的环节称为自锁( 自保) 环节。这种触点称为自锁触点。按下SB1, KM的线圈断电, 其主触点打开, 电动机便停转, 同时KM辅助触点也打开, 故松开按钮后, SB1虽复位而闭合, 但KM的线圈已经不能继续得电, 从而保证了电动机不会自行启动, 若要使电动机再次工作可再按SB2。

图6.1 ( 启、 保、 停控制电路)

为了避免电动机、 控制电器、 设备及被控机械、 操作者受到不正常工作状态的有害影响, 使工作更为可靠, 在电路中必须具有各种保护装置。该电路具有多重保护功能, 首先, QF兼有短路保护和过载保护双重功能; 其次, 由于热继电器FR的热元件串接在电机回路中, 因此对电机的过载和缺相运行提供了可靠的保护; 另外, 在电动机正常运行时如突然停电或电压过低, 则接触器没有足够的吸合力而复位, 电动机停止运转, 当电源恢复正常后电路不会自行启动, 避免意外事故的发生, 这样的保护功能称为失压或欠压保护。
对于大型生产机械, 为了操作的方便, 常常要求在两个或两个以上的地点都能进行操作。实现这种要求的线路如图6.1( c) 所示。即在各操作地点各安装一套按钮, 其接线的组成原则是各启动按钮的常开触点并联, 而各停止按钮的常闭触点串连。
2.正、 反向控制
许多负载机械的运动部件, 根据工艺要求经常需进行正反方向两种运动, 而这种正反方向的运动大多借助于电动机的正反转来实现。由异步电动机的工作原理可知, 将电动机的供电电源的相序改变( 任意交换两相) , 就能够控制异步电动机作反向运动。为了更换相序, 需要使用两个接触器来完成。图6.2所示为三相异步电动机正反转的控制电路。图6.2( a) 为主电路, 正转接触器KM1接通正向工作电路, 电机正转; 反转接触器KM2接通反向工作电路, 此时电动机定子端的相序恰与前者相反, 电机反转。
图6.2( b) 所示的控制线路具有下述缺点, 若同时按下正向按钮SB2和反向按钮SB3, 能够使KM1, KM2接触器同时接通, 这会造成电源短路事故。
为避免产生上述事故, 必须采取互锁保护措施, 使其中任一接触器工作时, 另一接触器即失效不能工作, 为此采用图6.2( c) 所示的电气互锁。当按下SB2按钮后, 接触器KM1动作, 使电动机正转。KM1除有一常开触点将其自锁外, 另有一常闭触点串联在接触器KM2线圈的控制回路内, 它此时断开。因此, 若再按SB3按钮, 接触器KM2受KM1的常闭触点互锁不能动作, 这样就防止了电源短路的事故。

图6.2 ( 正、 反向控制电路)
图6.2( c) 所示线路在某一方向工作时, 不能直接按反方向按钮直接切换运行, 必须先按停止按钮SB1。若要实现正反向直接切换, 可采用复合按钮接成如图6.2( d) 所示的线路即可。但这种电路仅适用于小容量电机控制, 而且拖动的机械负载装置转动惯量较小和允许有冲击的场合。
3.点动控制
对于正常的机电设备, 采用启、 保、 停电路能满足正常使用要求。但在设备的安装调试或维护调试过程中, 常常要对工作机构作微量调整或瞬间运动, 这就要求电动机按照操作指令作短时或瞬间运转。实现这种要求的线路如图6.3所示。在图6.3( b) 电路中, 按下按钮SB电机运转, 松开按钮电机立即停转, 因此这样的电路称为点动控制。图6.3( c) 电路把点动与长动控制结合在一起, 经过转换开关SA实现点与长动的切换。图6.3( d) 电路是经过设置不同的按钮来实现点动( SB3) 与长动( SB2) 控制。

图6.3 ( 点动控制电路)
4.顺序控制
为了保证机电设备的安全运行, 经常需要各部件按顺序的工作。如在机床中在启动了润滑油泵电机后, 才能够启动主轴电机。如图6.4所示为典型的顺序控制电路, 在图6.4( b) 电路中, 按下M1的启动按钮SB2后, 接触器KM1得电并自锁, M1回路接通并运转, 且KM1的辅助常开触点闭合, 为KM2得电作好了准备。这时可按SB4使KM2得电并自锁, 来启动M2运行。M2可单独停止, 但M1停止则M2会被停止。
图6.4( c) 所示的电路为延时顺序启动的电路, 按下M1的启动按钮SB2后, 接触器KM1得电并自锁, M1回路接通并运转, 同时通电延时继电器KT得电并开始计时。延时时间到达后, KT触点使KM2得电并保持, 来启动M2运行。按下停止按钮SB1使M1、 M2同时被停止。

图6.4( 顺序控制电路)
5.自动循环控制
在自动化生产中, 根据加工工艺的要求, 加工过程按一定的程序( 工步) 进行自动循环工作。在组合机床和专用机床中常见采用这类方式工作。自动过程的进行需要有条件来触发, 根据触发条件的不同, 自动控制电路常见的有按时间控制和按行程控制两种形式。如图6.5所示为按行程控制的自动循环控制电路。

图6.5 ( 自动循环控制电路)

按下启动按钮SB2或 SB3实现( 正向或反向) 启动, 如按下正向启动按钮SB2后, 接触器KM1得电并自锁, M1回路接通运转并带动工作台左行, 一直到机械撞块压下行程开关SQ1使得正向回路断开, 工作台停止左行。同时SQ1的常开触点闭合使KM2得电并自保, 接通反向回路, 电机反转带动工作台右行。当机械撞块压下行程开关SQ2使得反向回路断开, 工作台停止右行。同时SQ2的常开触点闭合使KM1得电并自保, 接通正向回路, 电机正转带动工作台左行, 依次往复实现自动循环。
在实际应用中, 为了安全起见, 一般还要设置位置极限开关SQ3、 SQ4。另外由于机械式行程开关使用寿命有限、 噪音和可靠性等问题, 在现代设备中越来越多地采用非接触式的接近开关来代替机械式行程开关。
6.鼠笼异步电机星形——三角形降压启动控制
对于10kW以上的鼠笼异步电机, 其很大的启动电流( 额定电流的5~7倍) 会对供电系统产生巨大的冲击, 因此一般不直接全压启动, 一般采用降压方式启动。因功率在4kW以上的鼠笼异步电机正常运行时均为三角形接法, 故采用星形——三角形降压启动可有效限制启动电流。星形——三角形降压启动控制电路如图6.6所示。
启动时将电机定子绕组接成星型, 这样加到电动机每相绕组上的电压为额定值的, 而电流只有额定值的1/3, 从而显著减小启动电流。当电机转速逐渐上升接近额定值时, 再将定子绕组切换成三角形接法, 转为额定电压下的正常运行。

图6.6( 鼠笼异步电机星形——三角形降压启动控制)

为了实现启动过程的自动切换, 在控制电路中使用了一只时间继电器KT。按下启动按钮SB2后, 接触器KM得电并自锁, KMY也得电, 电动机以星型接法开始启动运转。同时时间继电器KT线圈也得电而开始定时, 当到达设定时间时其触点动作, KT的延时断开触点断开KMY, 而延时闭合触点接通KM△并自锁, 使电动机定子绕组切换成三角形接法, 转为额定电压下的正常运行。
7.鼠笼异步电机反接制动控制
反接制动就是在切断电机正常供电电源后给电动机施加改变相序的电源, 从而使电机迅速停止的制动方法。反接制动开始时, 切断电机正常供电电源, 电机在机械惯性的作用下在原方向上继续运转。当改变了相序的电源加上之后, 转子与定子旋转磁场之间的相对速度接近于两倍的同步转速, 因此在此瞬间定子电流相当于全电压直接启动电流的两倍, 则反接制动转矩也很大, 制动迅速。
反接制动控制电路如图6.7所示, 按下启动按钮SB2后, 接触器KM1得电并自锁, 电机正常运行, 转速上升后与电机同轴安装的速度继电器KS动作, KS的常开触点闭合, 为KM2得电作好了准备。当按下停止按钮SB1后, KM1断电复位, 而KM2得电并自锁, 电机进入反接制动运行, 转速迅速下降。当转速下降到一定值( 低于100r/min) 时, KS触点打开, 使KM2断电, 制动过程结束。
反接制动的缺点是由于制动电流很大, 造成很大的电路冲击和机械冲击, 因此, 为了限制制动电流, 一般在制动回路中串接制动电阻R。

图6.7 鼠笼异步电机反接制动控制

8.鼠笼异步电机能耗制动控制
在工业设备中异步电机另一种常见的制动方法是能耗制动, 即在断开电机三相电源之后, 给定子绕组加上一个直流电源, 则在定子绕组中建立静止磁场, 从而在旋转的转子中产生制动转矩。为了加强制动效果, 在定子上所加的直流制动电流一般大于电机额定电流, 因此不能长时间通以直流制动电流。工程上一般有两种方法处理这个问题, 一是速度原则, 采用速度继电器, 当电机速度下降到一定值以下时, 经过速度继电器触点断开直流制动电源; 另一种方法是时间原则, 采用时间继电器, 当制动过程进行到一定时间时, 经过时间继电器触点断开直流制动电源。
采用时间继电器的鼠笼异步电机能耗制动控制电路如图6.8所示 按下启动按钮SB2后, 接触器KM1得电并自锁, 电机正常运行。当按下停止按钮时, KM1断开三相电源, 同时KM2接通直流制动电源进行能耗制动, 时间继电器也接通开始计时。当制动过程进行到一定时间时, 电机速度接近于零, 时间继电器延时断开触点断开KM2, 制动过程结束。

图6.8( 鼠笼异步电机能耗制动控制)

七、 组成电气控制电路的基本规律及保护措施
组成电气控制电路的基本规律有: 按电气联锁进行控制的规律和按控制过程的变化参量进行控制的规律。前者包括启动与停止控制( 自锁电路) 、 正反向接触器间的互锁控制、 实现按顺序工作时的联锁控制、 连续工作与点动工作的联锁控制、 多地或条件的联锁控制、 自动循环控制等; 后者包括按时间、 电流、 行程、 速度等原则控制的规律。
电气联锁控制就是顺序控制, 就是将各种控制电气及其触头, 按照一定的逻辑关系组合来实现控制系统的要求。
联锁控制分为自锁, 互相制约( 互锁) 、 按先决条件制约、 选择制约、 两地或多地操作控制等。
点动与自锁电路。
按下启动按钮, 电动机转动; 松开按钮后, 电动机停转, 这种控制称为点动控制。
按下启动按钮后松开按钮, 电动机能够连续运行, 只有按下停车按钮时电动机才停止, 这种具有记忆功能的电路称为自锁电路。其特点是依靠接触器自身辅助动合触头保持线圈得电的电路, 称为自锁或自保电路, 起自锁作用的动合触头被称为自锁触头或自保触头。
若要求甲、 乙两只接触器不能同时接通, 则可在其线圈前互串对方的辅助动断触头, 即在乙接触器线圈前串接甲接触器的辅助动断触头, 在甲接触器线圈前串接乙接触器的辅助动断触头, 这样可保证每次最多只能有一只接触器得电, 而另一只则不能得电, 这种逻辑关系称为接触器互锁。互锁实际上是一种联锁关系, 之因此这样称谓, 是为了强调触头之间的互锁作用。
互锁电路又称为先动作优先电路, 即先按下的启动开关所控制的继电器吸合, 而后按下的启动开关所控制的继电器被锁定在释放状态。若同时按下两个启动开关, 则动作快者有效。
利用复合按钮的动合、 动断触头在电路中起相互制约的接法, 称为机械联锁或按钮联锁。利用复合按钮的联锁功能, 能够实现”正-反-停”或”反-正-停”控制。复合按钮虽具有联锁功能, 但工作不可靠, 因为在实际使用中, 由于短路电流或大电流的长期作用, 接触器的主触头会被强烈的电弧”烧焊”在一起, 或者当接触器的机构失灵, 使主触头不能断开, 这时若另一接触器动作, 将会造成电源短路事故。
为防止电源两相短路故障, 保证每次只允许一只接触器得电吸合, 而另一只接触器不能得电吸合, 因此两只接触器间需要有一种联锁关系, 即互串对方接触器的动断触头。这种利用接触器的辅助动断触头的联锁称为电气联锁或接触器联锁, 它有效地防止由于误操作而造成的两相短路故障。可是, 该电路只能实现”正-停-反”或”反-停-正”, 若使电动机由正转变为反转( 或由反转变为正转) , 则必须先按下停止按钮, 才能再反向( 或正向) 启动, 这样操作极为不方便。故在实际使用中, 一般把两种联锁结合起来, 即互串对方接触器及复合按钮的动断触头, 就能够解决上述不足。因此, 把同时具有电气、 机械双重联锁控制电路, 称为复合联锁电路。它既能实现”正-停-反-停”控制, 又能实现”正-反-停”控制。这种控制电路兼有按钮联锁和接触器联锁的优点, 操作方便、 安全可靠且反转迅速。