第二章 电气控制线路基础.ppt

第二章 电气控制线路基础,培训要求与内容 了解常用控制线路基本环节的设计和工作原理；理解软启动器和新型变频器的应用；理解传统电气控制线路的分析基础；掌握电动机运行中的点动、连续运转、正反转、自动循环和调速等基本控制线路的特点以及各种电器与控制触点的逻辑关系；掌握电气控制线路中常用的保护环节、实现方法及简单设计原理。,第二章 电气控制线路基础,内容 2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则 2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路 2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路 2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路 2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路 2.6 电气控制线路的简单设计法 2.7 典型生产机械电气控制线路分析,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,电气控制线路是由许多电器元件按一定的要求连接而成的。为了表达生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，便于电气系统的安装、调试、使用和维修，将电气控制系统中各电器元件及其连接线路用一定的图形表达出来，这就是电气控制系统图。 电气控制系统图一般有三种：电气原理图、电器布置图和电气安装接线图。 各种图有其不同的用途和规定画法，应根据简明易懂的原则，采用统一的图形符号、文字符号和标准画法来绘制。 2.1.1 常用电气图形符号和文字符号 电气控制系统图、电气元件的图形符号和文字符号必须符合国家标准。,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,国家标准局参照国际电工委员会（IEC）颁布的标准，制定了我国电气设备有关国家标准：GB4278-1984«电气图用图形符号»及GB6988-1987 «电气制图»和GB7159-1987 «电气技术中的文字符号制定通则»。 规定从1990年1月1日起，电气控制线路中的图形和文字符号必须符合最新的国家标准。 一些常用电气图形符号和文字符号如表2-1所示。教材的P3840页。,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,2.1.2 电气控制线路的绘制原则 重点介绍电气原理图 电气原理图的目的是便于阅读和分析控制线路,应根据结构简单、层次分明清晰的原则，采用电器元件展开形式绘制。它包括所有电器元件的导电部分和接线端子，但并不按照电器元件的实际布置位置来绘制，也不反映电器元件的实际大小。 下面来举例说明电气原理图的规定画法和应注意的事项。 1. 绘制电气原理图时应遵循 的原则 （1）电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分。主电路是电气控制线路中大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相连的电器元件，一般由组合开关、主熔断器、接触器主触点、,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,热继电器的热元件和电动机等组成。辅助电路是控制线路中除主电路以外的电路，其流过的电流比较小。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路和保护电路。其中控制电路是由按钮、接触器和继电器的线圈及辅助触点、热继电器触点、保护电器触点等组成。 （2）电气原理图中所有电器元件都应采用国家标准中统一的图形符号和文字符号表示。 （3）电气原理图中电器元件的布局，应根据便于阅读的原则安排。主电路安排在图面左侧或上方，辅助电路安排在图面右侧或下方。无论主电路还是辅助电路，均按功能布置，尽可能按动作顺序从上到下、从左到右排列。,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,（4）电气原理图中，当同一电器元件的不同部件（如线圈、触点）分散在不同位置时，为了表示是同一元件，要在电器元件的不同部件处标注统一的文字符号。对于同类器件，要在其文字符号后加数字序号来区别。如两个接触器，可用KM1、KM2文字符号区别。 （5）电气原理图中，所有电器的可动部分均按没有通电或没有外力作用时的状态画出。对于继电器、接触器的触点，按其线圈不通电时的状态画出；控制器按手柄处于零位时的状态画出；对于按钮、行程开关等触点，按未受外力作用时的状态画出。 （6）电气原理图中，应尽量减少线条和避免线条交叉。各导线之间有电联系时，在导线交点处画实心圆点。根据图面布置,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,需要，可以将图形符号旋转绘制，一般逆时针方向旋转90°，但文字符号不可倒置。,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,2. 图面区域的划分 图纸上方的1、2、3、等数字是图区的编号，它是为了便于检索电气线路，方便阅读分析从而避免遗漏设置的。 图区编号下方的文字表明它对应的下方元件或电路的功能，使读者能清楚地知道某个元件或某部分电路的功能，以利于理解电路的工作原理。 3. 符号位置的索引 符号位置的索引用图号、页次和图区的组合索引法，组成如下,2.1 电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则,图号是指当某设备的电气原理图按功能多册装订时，每册的编号，一般用数字表示。 当某一元件相关的各符号元素出现在只有一张图纸的不同图区时，索引代号只用“图区”表示。 图2-1中接触器KM线圈及继电器KA线圈下方的文字是接触器KM和继电器KA相应触点的索引。,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.1 全压启动控制线路 1. 控制线路原理,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2. 控制线路的保护环节 （1）短路保护 FU1：主电路的短路保护；FU2：控制线路的短路保护。 （2）过载保护 过载保护由热继电器FR完成。一般来说，热继电器发热元件的额定电流按电动机额定电流来选取。 （3）欠压和失压保护 图中，依靠接触器本身实现欠压和失压保护。以上三种保护对于异步电动机正常安全运行是非常重要的。,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.2 正反转控制线路,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.3 点动控制线路,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.4 多点控制线路 常开按钮要并联,常闭按钮要串联.,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.5 顺序控制线路 顺序控制线路包括一般顺序和时间顺序启动的控制线路,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.6 自动循环控制线路 象利用行程开关实现往复运动控制-行程控制,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,较大容量的笼型异步电动机(大于10KW)直接启动时,电流为其标称额定电流的48倍,启动电流较大,会对电网产生巨大冲击,所以一般采用降压方式来启动. 降压启动的方式有:定子电路串电阻(或电抗)、星形三角形、自耦变压器，软启动器等方式。 常用的方法是星形三角形降压启动和使用软启动器。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3.1 星形三角形降压启动控制线路 优点:启动电流小,结构简单,价格底低.缺点:启动转矩小.,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3.2 自耦变压器降压启动控制线路 启动时串入自耦变压器,启动结束时自动将其切除. 优点:启动时对电网的电流冲击小,功率损耗小.缺点是:自耦变压器相对结构复杂,价格较高.,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3.3 软启动及其使用 在一些对启动要求较高的场合,可选用软启动装置,它采用了电力电子启动方法.其主要特点是:具有软启动和软停车功能,启动电流、启动转矩可调节，另外还具有电动机过载保护等功能。 1. 软启动器的工作原理,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,主要由三相交流调压电路和控制电路构成. 其基本原理是利用晶闸管的移相控制原理,通过控制晶闸管的触发角,改变其输出电压,达到通过调压方式来控制启动电流和启动转矩的目的. 控制电路按预定的不同启动方式,通过检测主电路的反馈电流,控制其输出电压,可以实现不同的启动特性.最终软启动器输出全压,电动机全压运行. 由于软启动器为电子调压并对电流实时检测,因此还具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能，并可实时检测并显示如电流、电压、功率因数等参数。 2. 软启动器的控制功能 (1) 斜坡升压启动方式 在电动机启动过程中,电压从初始值线性逐渐增加,在设定的时间内达到额定电压.电流属于开环控制.,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,(2) 转矩控制及启动电流限制启动方式 特性曲线如图所示。 这种启动方式一般可设定初始力矩Tqo、启动阶段力矩限幅Tli、力矩斜坡上升时间t1和启动电流限幅Ili。它引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属闭环控制方式。 这种启动方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，是应用最多的启动方式。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,（3）电压提升脉冲启动方式 此方式的启动特性曲线如图所示。 此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅Uli。升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。在启动开始阶段，晶闸管在极短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动力矩，此阶段结束后，转入转矩控制及启动电流限制启动。 此启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,（4）转矩控制软停车方式 当电动机需要停车时，立即切断电源，属自由停车。 但有些场合不允许电动机瞬间停机，如高层建筑、楼宇的水泵系统，要求电动机逐渐停机，采用软启动器可满足这一要求。 软停车方式通过调节软启动器的输出电压逐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且大于自由停车时间，故称为软停车方式。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,（5）制动停车方式 当电动机需要快速停机时，软启动器具有能耗制动功能。 一般可设定制动电流加入的幅值Ili和时间t1,但制动到停车时间不能设定。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,3. 软启动器的应用举例 产品型号很多，代表性的有：ABB公司的PSA、PSD和PSDH型，法国TE公司的Altistart46、Altistart48型；德国SIEMENS公司的3RW22型；英国CT公司的SX型等。 以Altistart46为例：其主要特点有：具有斜坡升压、转矩控制及启动电流限制、电压提升脉冲三种启动方式；具有转矩控制软停车、制动停车、自由停车三种停车方式；具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相和电动机运行中过流等保护功能并提供故障输出信号；具有实时检测并显示如电流、电压、功率因数等参数的功能，并提供模拟输出信号；提供本地端子控制接口和远程控制RS-485通信接口。 通过人机对话操作盘或通过PC机与通信接口连接，可显示和修改系统配置、参数。其主要参数设置范围如下：,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,启动电流可调节范围：额定值的25倍之间； 启动转矩可调节范围：额定值的0.151.0倍之间； 加速力矩斜坡时间可调节范围：160s； 减速力矩斜坡可调节范围：160s； 制动转矩可调节范围：0100%； 电压提升脉冲幅值可调节范围：50%100%； 电动机运行时过流跳闸值可调节范围：50%300%。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,(1) 电动机单向运行带旁路接触器、软启动、软停车或自由停车控制线路,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,图中虚线框所示为软启动器，其中C和400为软启动器控制电源进线端子；L1、L2、L3为软启动器主电源进线端子；T1、T2、T3为连接电动机的出线端子；A1、A2、B1、B2、C1、C2端子有软启动器三相晶闸管两端分别直接引出。当相对端子短接时，相当于KM2的主触点闭合时，将软启动器内部晶闸管短接，但此时软启动器内部的电流检测环节仍起作用，即此时软启动器对电动机保护功能仍起作用。 PL是软启动器为外部逻辑输入提供的+24V电源；L+为软启动器逻辑输出部分的外接输入电源，在图中直接由PL提供。 STOP、RUN分别为软停车和软启动控制信号，接线方式分为：三线制控制、二线制控制和远程控制。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,三线制控制，要求输入信号为脉冲输入型；二线制控制，要求输入信号为电平输入型；通信远程控制时，将PL与STOP端子短接，启停要使用通信口远程控制。 图2-17所示控制线路为三线控制方式接线。 KA1和KA2为输出继电器。KA1为可编程输出继电器，可设置成故障继电器或隔离继电器。若KA1设置为故障继电器，则当软启动器控制电源上电时，KA1闭合；当软启动器发生故障时，KA1断开。若KA1设置成隔离继电器，则当软启动器接收到启动信号时，KA1闭合；当软启动器软停车结束时，或软启动器在自由停车模式下接收到停车信号时，或在运行中出现故障时，KA1断开。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,KA2为启动结束继电器，当软启动器完成启动过程后，KA2闭合；当软启动器接收到停车信号或出现故障时，KA2断开。 由于带有旁路接触器，该电路有如下优点：在电动机运行时可以避免软启动器产生的谐波；软启动器仅在启动和停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发热，延长了使用寿命。 （2）单台软启动器启动多台电动机 可以降低成本。 通过设计适当的电路可以实现对多台电动机软启动、软停车控制，但不能同时启动或停机，只能一台台分别启动或停机。 下面介绍用一台软启动器对2台电动机进行软启动、自由停车控制的电路。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,采用二线制控制方式，KA5闭合，为高电平表示启动信号；断开，为低电平表示停车信号。 主电路的接线方式将整个软启动器短接，因此软启动器的各种保护对电动机无效，故每台电动机要各自增加过载保护的热继电器。 工作原理：KA1设置为隔离继电器。按下SB2按钮，KM1带电，软启动器的进线电源上电。 若启动M1，按启动按钮SB12，KM11带电，KA5带电，启动信号加入软启动器，KA1带电，KA3自锁KM11，电动机软启动开始。 当启动结束时，KA2带电，KA4带电，KM12带电并自锁，此时KM11和KM12均接通。软启动器旁路后，使KA1和KA2均断电，KA3和KA4均断电，KM11断电。第一台电动机从软启动器上切除。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,若使第一台电动机停机，按停止按钮SB11，则KM12断电，主触点断开，电动机自由停车。 第二台电动机的启、停控制过程分析与上述类似。 为防止软启动器带两台电动机同时启动，KM11和KM21线圈回路增加有互锁触点。,2.4 三相笼型电动机制动控制线路,电动机制动控制方法:机械制动和电气制动. 电气制动线路:反接制动和能耗制动. 2.4.1 反接制动控制线路 反接制动是利用改变电动机电源的相序,使定子绕组产生反方向的旋转磁场,因而产生制动转矩的一种制动方法. 仅适用于10KW以下的小容量电动机. 为了减小冲击电流,通常要求串接一定的制动电阻以限制反接制动电流. 在电动机转速接近于零时,要及时切断电动机电源,以防止电动机反向再启动.,2.4 三相笼型电动机制动控制线路,1. 电动机单向运行反接制动线路 使用了速度继电器,当转速低于100r/min时,其触点恢复原位.,2.4 三相笼型电动机制动控制线路,2. 具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制线路 图中电阻R是反接制动电阻,同时也限制了启动电流. KS1和KS2分别是速度继电器的正转和反转的常开触点.,2.4 三相笼型电动机制动控制线路,能耗制动是在定子绕组上加上一个直流电压,使电动机产生制动力矩.可以根据时间或速度的原则进行控制. 1. 电动机单向运行能耗制动控制线路,2.4 三相笼型电动机制动控制线路,2.4 三相笼型电动机制动控制线路,2. 电动机可逆运行能耗制动控制线路,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,2.5.1 基本概念 三相笼型异步电动机的转速公式为 式中：n0为电动机同步转速，p为极对数，s为转差率，f1为供电电源频率。 三相笼型异步电动机调速方法有三种：改变极对数p的变极调速、改变转差率s的降压调速和改变电动机供电电源频率f1的变频调速。 2.5.2 变极调速控制线路 双速电机（略）,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,2.5.3 变频调速与变频器的使用 变频调速的特点：可以使用标准的不需维护的笼型电动机，可以连续调速，改变转速方向可通过变频器实现。 其优点：启动电流小，加减速度可调节，电机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全（如过载保护、短路保护、过压保护和欠电压保护）等。 应用领域：应用于风机、泵、搅拌机、挤压机、精纺机和压缩机等，节能效果显著；应用于机床如车床、机械加工中心、钻床、铣床、磨床等，可以提高生产率和质量；也广泛应用于其他领域如传送带的多台电动机同步、调速，电梯，起重机和提升机等。应用领域非常广泛。 1. 变频调速的基本概念 由转速公式可知，改变电源频率f1就可改变电动机的同步转速。变频时，需要电压频率协调控制。,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,变频器的控制方式可分为两种，即开环控制和闭环控制。开环控制有V/F控制方式，闭环控制有矢量控制等方式。 （1）V/F控制 V/F之比为常数。 （2）矢量控制 矢量控制是这样的一种控制方式，即将供给异步电动机的定子电流在理论上分成两部分：产生磁场的电流分量（磁场电流）和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量（转矩电流）。该磁场电流、转矩 电流与直流电动机的磁场电流、电枢电流相当。在直流电动机中，利用整流子和电刷机械换向，使两者保持垂直，并且可分别供电。对异步电动机来讲，其定子电流在电动机内部，利用电磁感应作用，可在电气上分解为磁场电流和垂直的转矩电流。矢量控制就是根据上述原理，将定子电流分解成磁场电流和转矩电流，任意进行控制。两者合成后，决定定子电流大小，然后供给异步电动机。,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,2. 各种控制方式的变频器特性比较 (1) V/F控制变频器特点 1)它是最简单的一种控制方式,不用选择电动机,通用性优良. 2)与其他控制方式相比,在低速区内电压调整困难,故调速范围窄,通常在1:10左右的调速范围内使用. 3)急加速、减速或负载过大时，抑制过电流能力有限。 4）不能精密控制电动机实际速度，不适合同步运转场合。 （2）矢量控制变频器特点 1）需要使用电动机参数，一般用做专用变频器。 2）调速范围在1：100以上。 3）速度响应的快速性极高，适合于急加速、减速运转和连续4象限运转，能适用任何场合。,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,3. 变频器的操作和显示 通用变频器的操作方式一般有三种：数字操作器，远程操作器和端子操作方式。 （1）数字操作器和数字显示器 数字操作器可以对变频器进行设定操作。如设定电动机的运行频率，运行方式、V/F类型、加减速时间等。有4个按键是必不可少的，即运行键、停止键、上升键和下降键。 数字显示器可以显示变频器的运行状态，如电流、频率、转速等。 （2）远程操作器 利用通信功能，可以组网或集中控制。 （3）端子操作 包括电源接线端子和控制端子两大类。,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,4. 变频器调速应用举例 以SIEMENS的MICROMASTER 440变频器为例，简要说明变频器的使用。 MICROMASTER 440是一种集多种功能于一体的变频器，它适用于电动机需要调速的各种场合。它可通过数字操作面板或者通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可工作于各种场合。 主要特点是：内置多种运行控制方式；快速电流限制，实现无跳闸运行；内置式制动斩波器，实现直流注入制动；具有PID控制功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；多组参数设定且可相互切换，变频器可用于控制多个交替工作的生产过程；多功能数字、模拟输入/输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。 （1）控制方式 7种控制方式,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,1）线性V/F控制 2）带磁通电流控制（FCC）的线性V/F控制 变频器能根据电动机特性实时计算所需要的输出电压，以此来保持电动机的磁通处于最佳状态。 3）平方V/F控制 变频器输出电压平方与频率为线性关系，用于变转矩负载，如风机和泵类。 4）特性曲线可编程的V/F控制 变频器的输出电压与频率为分段线性关系，此种控制方式可应用于在某一特定频率下为电动机提供特定的转矩。 5）带“能量优化控制（ECO）”的线性V/F控制 6）无传感器矢量控制 用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制。,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,（4）应用举例 此线路实现电动机的正反向运行、调速和点动功能。,2.6 电气控制线路的简单设计法,2.6.1 概述 电气控制系统的设计一般包括确定拖动方案、选择电动机容量和设计电气控制线路。 电气控制线路的设计：又包括主电路设计和控制电路设计。 电气控制线路的设计通常有两种方法：一般设计法和逻辑设计法。 一般设计法：又称为经验设计法。它主要是根据生产工艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制电路。 逻辑设计法：是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、设计控制线路。用这种方法设计出来的线路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制线路设计。但难度较大。 下面介绍简单设计法,2.6 电气控制线路的简单设计法,2.6.2 简单设计法介绍 1. 一般设计法的几个主要原则 (1)最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制线路的要求. (2)在满足生产要求的前提下,控制线路力求简单、经济、安全可靠。 1）尽量减少电器的数量。 2）尽量减少控制线路中电源的种类。 3）尽量缩短控制导线的长度和数量。 4）正确连接触点 应尽量将所有触点接在线圈的左端或上端，而线圈的右端或下端直接接到电源的另一根母线上。 5）正确连接电器的线圈。 6）元器件的连接 应尽量减少多个元件依次通电后才接通另一电器元件的情况。,2.6 电气控制线路的简单设计法,2.6 电气控制线路的简单设计法,2. 逻辑设计法中的继电器开关逻辑函数 3. 简单设计法 2.6.3 简单设计法设计举例,2.7 典型生产机械电气控制线路分析,