電氣控制系統(tǒng)的功能和組成

主要功能

為了保證一次設(shè)備運(yùn)行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設(shè)備為之服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)某項(xiàng)控制功能的若干個(gè)電器組件的組合，稱為控制回路或二次回路。這些設(shè)備要有以下功能：

(1)自動(dòng)控制功能。高壓和大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備的體積是很大的，一般都采用操作系統(tǒng)來(lái)控制分、合閘，特別是當(dāng)設(shè)備出了故障時(shí)，需要開(kāi)關(guān)自動(dòng)切斷電路，要有一套自動(dòng)控制的電氣操作設(shè)備，對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。

(2)保護(hù)功能。電氣設(shè)備與線路在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生故障，電流(或電壓)會(huì)超過(guò)設(shè)備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測(cè)這些故障信號(hào)并對(duì)設(shè)備和線路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整(斷開(kāi)、切換等)的保護(hù)設(shè)備。

(3)監(jiān)視功能。電是眼睛看不見(jiàn)的，一臺(tái)設(shè)備是否帶電或斷電，從外表看無(wú)法分辨，這就需要設(shè)置各種視聽(tīng)信號(hào)，如燈光和音響等，對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行電氣監(jiān)視。

(4)測(cè)量功能。燈光和音響信號(hào)只能定性地表明設(shè)備的工作狀態(tài)(有電或斷電)，如果想定量地知道電氣設(shè)備的工作情況，還需要有各種儀表測(cè)量設(shè)備，測(cè)量線路的各種參數(shù)，如電壓、電流、頻率和功率的大小等。

在設(shè)備操作與監(jiān)視當(dāng)中，傳統(tǒng)的操作組件、控制電器、儀表和信號(hào)等設(shè)備大多可被電腦控制系統(tǒng)及電子組件所取代，但在小型設(shè)備和就地局部控制的電路中仍有一定的應(yīng)用范圍。這也都是電路實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)組成

常用的控制線路的基本回路由以下幾部分組成。

(1)電源供電回路。供電回路的供電電源有AC380V和220V等多種。

(2)保護(hù)回路。保護(hù)(輔助)回路的工作電源有單相220、36V或直流220、24V等多種，對(duì)電氣設(shè)備和線路進(jìn)行短路、過(guò)載和失壓等各種保護(hù)，由熔斷器、熱繼電器、失壓線圈、整流組件和穩(wěn)壓組件等保護(hù)組件組成。

(3)信號(hào)回路。能及時(shí)反映或顯示設(shè)備和線路正常與非正常工作狀態(tài)信息的回路，如不同顏色的信號(hào)燈，不同聲響的音響設(shè)備等。

(4)自動(dòng)與手動(dòng)回路。電氣設(shè)備為了提高工作效率，一般都設(shè)有自動(dòng)環(huán)節(jié)，但在安裝、調(diào)試及緊急事故的處理中，控制線路中還需要設(shè)置手動(dòng)環(huán)節(jié)，通過(guò)組合開(kāi)關(guān)或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換。

(5)制動(dòng)停車回路。切斷電路的供電電源，并采取某些制動(dòng)措施，使電動(dòng)機(jī)迅速停車的控制環(huán)節(jié)，如能耗制動(dòng)、電源反接制動(dòng)，倒拉反接制動(dòng)和再生發(fā)電制動(dòng)等。

(6)自鎖及閉鎖回路。啟動(dòng)按鈕松開(kāi)后，線路保持通電，電氣設(shè)備能繼續(xù)工作的電氣環(huán)節(jié)叫自鎖環(huán)節(jié)，如接觸器的動(dòng)合觸點(diǎn)串聯(lián)在線圈電路中。兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的電氣裝置和組件，為了保證設(shè)備運(yùn)行的安全與可靠，只能一臺(tái)通電啟動(dòng)，另一臺(tái)不能通電啟動(dòng)的保護(hù)環(huán)節(jié)，叫閉鎖環(huán)節(jié)。如：兩個(gè)接觸器的動(dòng)斷觸點(diǎn)分別串聯(lián)在對(duì)方線圈電路中。

什么是電氣互鎖？自鎖？

電氣互鎖

電氣控制中互鎖主要是為保證電器安全運(yùn)行而設(shè)置的。它主要是由兩電器件互相控制而形成互鎖的。它實(shí)現(xiàn)的手段主要有三個(gè)，一個(gè)是電氣互鎖。二是機(jī)械互鎖，三是電氣機(jī)械聯(lián)動(dòng)互鎖。

▲互鎖

電氣互鎖：將這兩個(gè)繼電器的常閉觸電接入另一個(gè)繼電器的線圈控制回路里。這樣，一個(gè)繼電器得電動(dòng)作，另一個(gè)繼電器線圈上就不可能形成閉合回路。但也可以用機(jī)械聯(lián)桿實(shí)現(xiàn)這一動(dòng)作。三是電氣機(jī)械聯(lián)動(dòng)互鎖。如高壓柜內(nèi)的仃電，不斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，隔離開(kāi)關(guān)就拉不開(kāi)，上述都拉不開(kāi)就合不上接地刀閘，拉不接地開(kāi)刀閘，就打不開(kāi)高壓柜門，就不能進(jìn)行開(kāi)關(guān)的檢查等到工作。電氣互鎖就是通過(guò)繼電器、接觸器的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互鎖，比如電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，正轉(zhuǎn)接觸器的觸點(diǎn)切斷反轉(zhuǎn)按鈕和反轉(zhuǎn)接觸器的電氣通路。

機(jī)械互鎖就是通過(guò)機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)互鎖，比如兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)合上，可以通過(guò)機(jī)械杠桿，使得一個(gè)開(kāi)關(guān)合上時(shí)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)被機(jī)械卡住無(wú)法合上。電氣互鎖比較容易實(shí)現(xiàn)、靈活簡(jiǎn)單，互鎖的兩個(gè)裝置可在不同位置安裝，但可靠性較差。機(jī)械互鎖可靠性高，但比較復(fù)雜，有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通?；ユi的兩個(gè)裝置要在近鄰位置安裝。

常用電源恢復(fù)供電后可以自動(dòng)切換到常用電源（當(dāng)然也可以不切換），電氣實(shí)現(xiàn)這種功能稱為電氣互鎖，也可以叫電氣聯(lián)鎖的。有很多地方需要電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行，比如大門的開(kāi)啟和關(guān)閉就是電動(dòng)機(jī)的下轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制的，電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是靠對(duì)電源的相序進(jìn)行倒相實(shí)現(xiàn)的，正轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)候，反轉(zhuǎn)投入運(yùn)行就會(huì)造成相間的短路，燒壞電氣設(shè)備，這了避免這種情況的發(fā)生，在正轉(zhuǎn)的時(shí)候?qū)⒔涣鹘佑|器的輔助常閉觸點(diǎn)串連在電機(jī)反轉(zhuǎn)的控制回路中，將反轉(zhuǎn)交流接觸器的輔助觸點(diǎn)串連在電機(jī)下轉(zhuǎn)的控制回路里面，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候用交流接觸器的常閉輔助觸點(diǎn)切斷反轉(zhuǎn)電機(jī)的控制回路，使反轉(zhuǎn)無(wú)法投入運(yùn)行。

反轉(zhuǎn)工作的時(shí)候用交流接觸器的常閉輔助觸點(diǎn)切斷電機(jī)正轉(zhuǎn)的控制回路，使正轉(zhuǎn)的操作不起作用。

電路分為主電路也叫做一次電路（電源的接線）和控制電路也叫做二次電路，二次電路是控制一次主電路的。

交流接觸器是一種控制元件，里面有一個(gè)控制線圈，可以是AC220V電壓也可以是AC380V電壓，通電后可以使之閉合，接通一次主電路，使電機(jī)工作?？刂凭€圈的的通斷的線路為控制控制線路。

電氣元件在不通電的時(shí)候，閉合的觸點(diǎn)稱為動(dòng)斷常閉觸點(diǎn)，斷開(kāi)的觸點(diǎn)稱為動(dòng)合常開(kāi)觸點(diǎn)。主回路的觸點(diǎn)可以通過(guò)很大的電流，根據(jù)電機(jī)的大小選擇不同大小的交流接觸器，輔助觸點(diǎn)是接在控制回路里面的，所以電流限制在5A。

自鎖電氣控制回路

接觸器的特點(diǎn)——接觸器一般有6個(gè)接線柱，其中3個(gè)是常開(kāi)觸點(diǎn)，2個(gè)是常閉觸點(diǎn)，1個(gè)是線圈。當(dāng)線圈通電時(shí)，所有常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，所有常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。

為了更方便理解，請(qǐng)先看電路圖：

▲自鎖

該圖中，左側(cè)為主回路，右側(cè)為二次回路（為了方便看清，我們把主回路和二次回路連接處省略了）。此時(shí)我們只看二次回路，SB2為常開(kāi)按鈕，下方KM為接觸器線圈，上方KM為接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)。

若沒(méi)有接觸器的參與，即沒(méi)有圖中所有標(biāo)有KM的地方，則SB2按下時(shí)回路通電，松開(kāi)則斷電（常開(kāi)按鈕特點(diǎn)，啟動(dòng)按鈕都使用常開(kāi)按鈕）。因此我們接入了接觸器線圈，并且把常開(kāi)觸點(diǎn)和SB2并聯(lián)。由此就產(chǎn)生了按下SB2時(shí)線圈瞬間通電從而閉合常開(kāi)觸點(diǎn)，以保證松開(kāi)SB2時(shí)回路依然有電的效果。

最常見(jiàn)的自鎖電路

▲最常見(jiàn)電路-自鎖電路

工作原理

1

啟動(dòng)

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，合上電源開(kāi)關(guān)QS,接通整個(gè)控制電路電源。

按下啟動(dòng)按鈕SB2,其常開(kāi)點(diǎn)閉合，接觸器線圈KM得電可吸合，并接在SB2兩端的輔助常開(kāi)同時(shí)閉合，

主回路中：主觸頭閉合使電動(dòng)機(jī)接入三相交流電源啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

二次回路中:SB2按下后把電送到KM線圈，KM輔助觸點(diǎn)接通后也為KM線圈供電，這樣就形成了兩路供電。

松開(kāi)SB2啟動(dòng)按鈕時(shí)，雖然SB2一路已經(jīng)斷開(kāi)，但KM線圈仍通過(guò)自身的輔助觸點(diǎn)這一通路保持給線圈通電，從而確保電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

這種依靠接觸器自身常開(kāi)輔助觸點(diǎn)而使其線圈保持通電的方式，稱為接觸器自鎖，也叫電氣自鎖。這對(duì)起自鎖作用的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)稱為自鎖觸點(diǎn)，這段電路稱為自鎖電路。

2

停止

要使電機(jī)停止工作，可按下SB1按鈕，接觸器KM線圈失電釋放，KM主觸頭和輔助觸頭均斷開(kāi)，切斷電動(dòng)機(jī)主回路與控制回路電源，電動(dòng)停止工作。

當(dāng)松開(kāi)SB1按鈕后，SB1常閉觸點(diǎn)在復(fù)位彈簧的作用下又閉合，雖又恢復(fù)到原來(lái)的常閉狀態(tài)，但原來(lái)的KM自鎖觸點(diǎn)早已隨著KM線圈斷電而斷開(kāi)，接觸器已不能再依靠自鎖觸點(diǎn)通電了。

3

電路保護(hù)環(huán)節(jié)

熔斷器FU1、FU2分別為主電路 、控制電路的短路保護(hù)。熱繼電器FR作為電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)。

電氣控制系統(tǒng)常用的保護(hù)環(huán)節(jié)

電氣控制系統(tǒng)除了能滿足生產(chǎn)機(jī)械加工工藝要求外，還應(yīng)保證設(shè)備長(zhǎng)期、安全、可靠無(wú)故障地運(yùn)行，在系統(tǒng)發(fā)生各種故障或不正常工作的情況下對(duì)供電設(shè)備和電動(dòng)機(jī)實(shí)行保護(hù)。因此保護(hù)環(huán)節(jié)是所有電氣控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，利用它來(lái)保護(hù)電動(dòng)機(jī)、電網(wǎng)、電氣設(shè)備以及人身安全等。

1.短路保護(hù)

電動(dòng)機(jī)、電器以及導(dǎo)線的絕緣損壞或線路發(fā)生故障時(shí)，都可能造成短路事故。很大的短路電流和電動(dòng)力可能使電器設(shè)備損壞。因此要求一旦發(fā)生短路故障時(shí)，控制線路能迅速切除電源。常用的短路保護(hù)元件有熔斷器和低壓斷路器，電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)的元件可按下述要求裝設(shè)：

 1）在中性點(diǎn)直接接地的系統(tǒng)中，應(yīng)在每相上裝設(shè)。

 2）在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，以熔斷器作保護(hù)時(shí)，應(yīng)在每相上裝設(shè)；用低壓斷路器作保護(hù)時(shí)，應(yīng)在不少于兩相上裝設(shè)。

2.過(guò)載保護(hù)

電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期超載運(yùn)行，繞組溫升將超過(guò)其允許值，造成絕緣材料老化，壽命減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)損壞，過(guò)載電流越大，達(dá)到允許溫升的時(shí)間就越短。常用的過(guò)載保護(hù)元件是熱繼電器，對(duì)大功率的重要電動(dòng)機(jī)，應(yīng)采用反時(shí)限性的過(guò)電流繼電器。

由于熱慣性的原因，熱繼電器不會(huì)受電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)載沖擊電流或短路電流的影響而瞬時(shí)動(dòng)作，所以在使用熱繼電器作過(guò)載保護(hù)時(shí)，還必須設(shè)有短路保護(hù)，并且選作短路保護(hù)的熔斷器熔體的額定電流不應(yīng)超過(guò)4倍熱繼電器發(fā)熱元件的額定電流。由于過(guò)載保護(hù)特性與過(guò)電流保護(hù)特性不同，故不能用過(guò)電流保護(hù)方式來(lái)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。

3.過(guò)電流保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)廣泛用于直流電動(dòng)機(jī)或繞線式異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，由于其短時(shí)過(guò)電流不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，故可不設(shè)置過(guò)電流保護(hù)。

過(guò)電流保護(hù)往往是由于不正確的啟動(dòng)和過(guò)大的負(fù)載引起的，一般比短路電流要小，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生過(guò)電流比發(fā)生短路的可能性更大，尤其是在頻繁正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)的重復(fù)短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)中更是如此。

必須強(qiáng)調(diào)指出，短路、過(guò)電流、過(guò)載保護(hù)雖然都是電流保護(hù)，但由于故障電流、動(dòng)作值以及保護(hù)特性、保護(hù)要求以及使用元件的不同，它們之間是不能相互取代的。

4.失電壓保護(hù)

      電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，如果電源電壓因某種原因消失，那么在電源電壓恢復(fù)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)自行啟動(dòng)，將可能使生產(chǎn)設(shè)備損壞，也可能造成人身事故。此外，對(duì)供電系統(tǒng)的電網(wǎng)，同時(shí)有許多電動(dòng)機(jī)及其他用電設(shè)備自行啟動(dòng)也會(huì)引起不允許的過(guò)電流及瞬間網(wǎng)絡(luò)電壓下降。為防止電壓恢復(fù)時(shí)電動(dòng)機(jī)自行啟動(dòng)或電氣元件自行投入工作而設(shè)置的保護(hù)稱為失電壓保護(hù)。

采用接觸器和按鈕控制的啟動(dòng)、停止控制環(huán)節(jié)就具有失電壓保護(hù)功能。因?yàn)楫?dāng)電源電壓消失時(shí)，接觸器會(huì)自動(dòng)釋放而切斷電動(dòng)機(jī)電源；電源電壓恢復(fù)時(shí)，由于接觸器自鎖觸點(diǎn)已斷開(kāi)，不會(huì)自行啟動(dòng)。如果用不能復(fù)位的手動(dòng)開(kāi)關(guān)、主令控制器來(lái)控制接觸器，必須采用專門的零電壓繼電器。工作過(guò)程中一旦失電壓，零電壓繼電器就釋放，其自鎖電路斷開(kāi)，電源電壓恢復(fù)時(shí)，不會(huì)自行啟動(dòng)。

5.欠電壓保護(hù)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電源電壓過(guò)分地降低將引起一些電器釋放，造成控制線路工作不正常，甚至產(chǎn)生事故。當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變，則會(huì)造成電動(dòng)機(jī)電流增大，引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒壞電動(dòng)機(jī)。此外，電源電壓過(guò)低還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，甚至停轉(zhuǎn)。因此，在電源電壓降到允許值以下時(shí)，需要采用保護(hù)措施，及時(shí)切斷電源，這就是欠電壓保護(hù)。通常是采用欠電壓繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和步驟

01

設(shè)計(jì)目的

電氣設(shè)計(jì)的主要目的是通過(guò)某一生產(chǎn)設(shè)備的電氣控制裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解一般電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)要求、應(yīng)完成的工作內(nèi)容和具體設(shè)計(jì)方法。通過(guò)設(shè)計(jì)也有助于復(fù)習(xí)、鞏固以往所學(xué)的知識(shí)，達(dá)到靈活應(yīng)用的目的。電氣設(shè)計(jì)必須滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的要求，因此，設(shè)計(jì)之前必須了解設(shè)備的用途、結(jié)構(gòu)、操作要求和工藝過(guò)程，在此過(guò)程中培養(yǎng)從事設(shè)計(jì)工作的整體觀念。

    電氣設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)為主，在獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)，還要注意其他幾方面能力的培養(yǎng)與提高，如獨(dú)立工作能力與創(chuàng)造力；綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)的能力，解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力；查閱圖書(shū)資料、產(chǎn)品手冊(cè)和各種工具書(shū)的能力；工程繪圖的能力；書(shū)寫技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。

02

設(shè)計(jì)要求

為保證順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)還應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

(1)在接受設(shè)計(jì)任務(wù)后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和應(yīng)完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和工作進(jìn)度計(jì)劃，確定各階段應(yīng)完成的工作量，妥善安排時(shí)間。

(2)在方案確定過(guò)程中應(yīng)主動(dòng)提出問(wèn)題，以取得指導(dǎo)教師的幫助，同時(shí)要廣泛討論意見(jiàn)，依據(jù)充分。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中要多思考，尤其是主要參數(shù)，要經(jīng)過(guò)計(jì)算論證。

(3)所有電氣圖紙的繪制必須符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，包括線條、圖型符號(hào)、項(xiàng)目代號(hào)、回路標(biāo)號(hào)、技術(shù)要求、標(biāo)題欄、元件明細(xì)表以及圖紙的折疊和裝訂。

(4)說(shuō)明書(shū)要求文字通順、簡(jiǎn)練，字跡端正、整潔。

(5)應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有的設(shè)計(jì)任務(wù)。

(6)如果條件允許，應(yīng)對(duì)自已的設(shè)計(jì)線路進(jìn)行試驗(yàn)論證，考慮進(jìn)一步改進(jìn)的可能性。

03

設(shè)計(jì)任務(wù)

課程設(shè)計(jì)要求是以設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的形式表達(dá)，設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)應(yīng)包括以下內(nèi)容： 

(1)設(shè)備的名稱、用途、基本結(jié)構(gòu)、動(dòng)作原理以及工藝過(guò)程的簡(jiǎn)要介紹。

(2)拖動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作順序、各動(dòng)作要求和控制要求。

(3)聯(lián)鎖、保護(hù)要求。 

(4)照明、指示、報(bào)警等輔助要求。

(5)應(yīng)繪制的圖樣。

(6)說(shuō)明書(shū)要求。

原理設(shè)計(jì)的中心任務(wù)是繪制電氣原理圖和選用電器元件。工藝設(shè)計(jì)的目的是為了得到電氣設(shè)備制造過(guò)程中需要的施工圖樣。圖樣的類型、數(shù)量較多，設(shè)計(jì)中主要以電氣設(shè)備總體配置圖、電器板元件布置圖、接線圖、控制面板布置圖、接線圖、電氣箱以及主要加工零件(電器安裝底板、控制面板等)為練習(xí)對(duì)象。對(duì)于每位設(shè)計(jì)者只需完成其中一部分。原理圈及工藝圖樣均應(yīng)按要求繪制，元件布置圖應(yīng)標(biāo)注總體尺寸、安裝尺寸和相對(duì)位置尺寸。接線圖的編號(hào)應(yīng)與原理圖一致，要標(biāo)注組件所有進(jìn)出線編號(hào)、配線規(guī)格、進(jìn)出線的連接方式(采用端子板或接插板)。