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6 . 1电气原理图的设计
主要设计内容：原理设计和工艺设计
6.1.1设计原则
满足技术、经济指标要求，操作、维修方便的基本要求。通过优选器件，提高可靠性，延长寿命，提高产品的竞争力。
6.1.2电气设计的基本内容
1、拟订设计的任务书。
2、选择拖动方案和控制方式。
3、设计电气原理图及合理选择元件（原理设计）。
4、绘制电气安装接线图（工艺设计）。
5、汇总资料，编写说明书。
6.1电气原理图
6.1.1电气设计的一般规律
1、选用典型环节
2、合理设计电路
必要时，可以使用逻辑代数化简电路，优化电路结构。
① 设计电气原理图时，还要考虑工程施工的要求。
例如，图6.2.1b与图6.2.1a相比，具有节省连接导线，可靠性高（减小电流流经的触点数）等优点。
② 减少控制触点，提高可靠性
例如，图6.2.2a电路中，继电器线圈电流需要依次流过多个触点。
图6.2.2b的控制电路每一个继电器线圈电流仅流过一个触点，可靠性得到提高。
③防止竞争现象
图6.2.4a为反身自停电路，存在电气导通的竞争现象。
图6.2.4b为无竞争的反身自停电路。
结论：继电、接触器控制电路不得用自身触点切断线圈的导电电路。
3、控制电源与导线的选择
① 控制电源选择
交流控制电路电源有36、127、220、380V等规格，电路结构简单的可使用220V或380V电源，电路复杂，故障多发，宜选用低压电源，但须经变压器降压获得。其次，还可以根据安全照明和工作状态指示的要求，以及电磁线圈（电磁铁）的负载性质等综合考虑。
变压器容量估算：ST≥KT∑SXC
式中：ST -变压器所需容量； SXC为电器元件的吸持功率； ∑SXC -控制电路在最大负载时工作电器所需要的功率； KT-变压器容量的储备系数，一般取1.1~1.25。
②导线的选择
导线的选择包括导线的种类选择和导线的截面积的选择。导线有单股或多股线，应根据导线的走线方式和美观要求进行选择。铜芯导线截面积一般可按5A/mm 2来估算。
6.1.2 电气控制原理设计方法
电气控制原理设计方法有两种，经验设计法和逻辑代数设计法。
1、经验设计法
电气控制设计的内容包括主电路、控制电路和辅助电路的设计。
设计步骤
①主电路：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：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：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：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。
常用的经验设计方法
①根据生产机械的要求，，选用典型环节，将它们有机的组合起来，并加以补充修改，综合成所需的控制电路。
②没有典型环节，可以根据工艺要求自行设计，采用边分析边画图的方法，不断增加电器元件和控制触点，以满足给定的工作条件和要求。
经验设计的特点:
①设计方法简单易于掌握，使用广泛。
②要求设计者有一定的设计经验，需要反复修改图纸，设计速度较慢。
③设计程序不固定，一般需要进行模拟实验。
④不宜获得最佳设计方案。
2、逻辑设计法
利用逻辑代数，从生产工艺出发，考虑控制电路中逻辑变量关系，在状态波形图的基础上，按照一定的设计方法和步骤，设计出符合要求的控制电路。
该方法设计出的电路较为合理、精练可靠，特别在复杂电路设计时，可以显示出逻辑设计法的设计优点。
6.2 基于导线二维标注法电气接线图设计
1、电气接线图的绘制规则
用途：电气接线图用来表示电气配电盘内部器件之间导线的连接关系。
①标线号：
在电气原理图上用数字标注线号，每经过一个器件改变一次线号（接线端子除外）。
②布置器件：
根据电气原理图，将电气元件在配电盘或控制盘上按先上后下，先左后右的规则排列，并以接线图的表示方法画出电器元件（方框+电气符号）。
③标器件号：
给安放位置固定的器件标注编号（包括接线端子）。
④二维标注：
在导线上标注导线线号和指示导线去向的器件号。
注意：配电盘的引出、引入导线均须采用接线端子连接。
2、电气互连图绘制规则
电气互连图的用途：
电气互连图表示电气配电盘与盘之间，盘与外部设备之间的连线关系。
电气互连图绘制规则：
①导线连接关系
控制盘（板）之间，控制盘与外设之间用导线束表示导线的连接关系，原理图中应注明导线的颜色、数量、长度、载流面积等参数。
②穿线管的使用
为保护设备外部的连接导线，经常使用穿线管走线方式。使用穿线管时，应在原理图中注明穿线管种类、内经、长度、及所穿导线根数（含备用）。
6.3 电气控制系统设计应用举例
设计选题
电动机的起停控制电路
1、电气原理图
原理设计时以起停控制电路原理为主，兼顾电路的工作状态指示和设备工作点的局部照明电路。
图中标注了线号、导线截面积等参数。
元器件清单见P92，表4.1，穿线用管及导线参数见表4.2。
2、电气安装位置图
电气安装位置图用来表示元器件清单中所有电器元件的相对安装位置。通常，电器元件布置在主配电盘和操作面板上。
电气安装位置图应考虑电器元件的实际安装方法和结构尺寸，最终确定主配电盘和操作面板、以及控制柜结构和外形尺寸。
3、电气接线图
按照电气安装位置图的设计思想，电气接线图也分为主配电盘接线图和操作面板接线图两部分。
图中线侧数字表示线号（1~7），线端数字表示器件编号（10~25）。
4、电气互连图
电气互连图表示电气控制柜配电盘之间、以及和外部器件之间的接线关系。
图中用导线束将照明灯、操作面板、电动机、电源引入线与控制主盘连接起来，并注明了穿线管的规格、电缆线的参数等数据，详见表4.2。
设计时应注意接地装置的设计（安全） 。
5、安装调试
安装无误后，接通三相电源，作空载实验，通过操作按钮，检验电气装置动作的准确性及指示的正确性，空载实验无误后，接上负载作负载试验，反复调试直至设备正常工作为止。
6.4.1 电器元件选择的基本原则
选择电器元件时应考虑：
1、根据对控制元件功能的要求，确定电器元件类型。如继电器与接触器，当元件用于通、断功率较大的主电路时，应选交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路(如控制电路)时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。
2、根据电气控制的电压、电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的承载能力的临界位及使用寿命；
3、掌握元器件预期的工作环境及供应情况。如防油、防尘、货源等；
4、为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必经的计算和校核。
6.4.2 按钮、低压开关的选用
1、按钮
按钮通常是用来短时接通或断开小电流控制电路的开关。
目前按钮在结构上是多种形式的：
旋钮式——手动旋转进行操作；
指示灯式——按钮内装入了信号指示灯；
紧急式——装有蘑菇形旋帽，用于紧急操作。一般来说， 停止按钮采用红色。
选择按钮主要是根据所需要的触点数、使用场合及颜色。目 前，在机床中常用的按钮为LA系列。
2、刀开关
刀开关主要用于接通或切断长期工作设备的电源。一般刀开关的额定电压不超过500V，额定电流由10A到上千安培的多种等级。有些刀开关附有熔断器。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式刀开关有HK、HR3系列等。刀开关的选择主要根据电源种类、电压等级、电机容量、所需极数及使用场所来选择。
3．组合开关
组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它也可以起停5kW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10~20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。
组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ—10系列，额定电流为l0、25、60和100A四种。适用于交流380V以下，直流220V以下的电气设备中。
4．限位开关（行程开关）
限位开关是依生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关。它的选择主要根据机械位置对开关型式的要求、对触点数目、电压种类、电压电电流等级的要求来确定其型号。
机床常用的有LX2型、LX19型、JLXK1型及LXW11型、JLXK-11l型微动开关等。对于要求动作快、灵敏度高的行程控制，可采用接近开关。接近开关也称为无触点限位开关。它是靠运动部件引起的电磁场变化而动作的。接近开关寿命长、可靠性好，但精度和价格不如限位开关。
5、自动空气开关
自动开关又称自动空气断路器。自动开关在机床上应用得很广泛。这是因为自动开关既能接通或分断正常工作电流，也能自动分断过裁或短路电流，分断能力大，有欠压和过载短路保护作用。
选择自动开关应考虑其主要参数：额定电压、额定电流和允许切断的极限电流等。
自动开关脱扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；
自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流;
自动开关脱扣器电流整定应按下面原则：
欠电压脱扣器额定电压应等于主电路额定电压;
热脱扣器的整定电流应与被控对象负载)额定电流相等；
电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流；
保护电动机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流为电动机起动电流的1.7倍。
机床常用的自动空气开关有DZ系列、DW系列等。
6.4.3 熔断器的选择
熔断器是对电气设备的电流起过载延时和短路瞬时保护作用。
熔断器的种类:主要有插入式、螺旋式、填料封闭管式等。机床电气线路中常用的是RLl系列，熔断器的主要元件是熔断体(熔丝或熔片）。
每一种电流等级的熔断器都可选配多种不同电流的熔体。如RL1-100型有60、80、100A三种熔体电流等级。
选择熔断器，实际上主要是选择种类、额定电压，熔断器额定电
流等级及熔体的额定电流。而熔断体电流是选择熔断器的关键，熔体
的选择又与负载性质有关。一般可按两种方法选用。
1．负载较平稳，无尖峰电流，如照明、信号、电阻炉等，
按额定电流来选用，即：
式中：IR 熔体额定电流；
I 负载工作电流。
2．负载有尖峰电流。如异步电动机，其启动电流为额定电流
的4~7倍。这样就不能按其额定电流来选，采用经验计算方法选用。
对单台长期工作(不经常启动)的，可用下式来选择：
对于多台电动机长期共电一个熔断器保护，则用下式来选择：
式中： Iemax 容量最大的电动机之额定电流；
除容量最大的电动机之外，其余
电动机额定电流之和。
如果几台电动机不同时启动，则Im为容量最大一台电动机的
启动电流，加上其它各自电动机的额定电流，即
6.4.4 接触器的选用
接触器用于带有负载主电路的自动接通或切断。分交流和直流两类，机床中应用最多的是交流接触器。
选择接触器主要考虑以下技术数据：
（1）电源种类：交流或直流；
（2）主触点额定电压、额定电流；
（3）辅助触点种类、数量及触点额定电流；
（4）电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；
（5）额定操作频率(次／h)，即允许的每小时接通的最多次数。
主触点额定电流，一般根据电动机容量Pd计算触点电流Ic，即：
式中：K 经验常数，一般取1~1.4；
Pd 电动机功率（kW）；
Ud 电动机额定线电压（V）；
Ic 接触器主触点电流（A）；
6.4.5 热继电器的选用
热继电器用于电动机的过载保护。热继电器的选择主要是根据
电动机的额定电流来确定其型号与规格。热继电器元件的额定电流
IRT应接近或略大于电动机的额定电流Ied，即：
在一般情况下，可选用两相结构的热继电器，对在电网电压严重不平衡，工作环境恶劣条件下工作的电动机，可选用三相结构的热继电器，对于三角形接线的电动机，为了实现断相保护，则可选用带断相保护装置的热继电器。
如遇到下列情况，选择的热继电器元件的整定电流要比电动机额定电流高一些，以便进行保护：
（1）电动机负载惯性转距非常大，起动时间长；
（2）电动机所带动的设备，不允许任意停电；
（3）电动机拖动的为冲击性负载，如冲床，剪床设
备。
常用的热继电器有JRl、JR2，JR0，JRl6等系列。JRl6B系列双金属片式热继电器，它电流整定范围广，并有温度补偿装置，适用于长期工作或间歇工作的交流电动机的过载保护，而且具有断相运转保护装置。JRl6B是由JR0改进而来的。该系列产品用来代替JR0的三极和带断相保护的热继电器。
6.4.6 中间继电器的选用
中间继电器主要在电路中起信号传递与转换作用，用它可实现多路控制，并可将小功率的控制信号转换为大容量的触点动作，以驱动电气执行元件工作。中间继电器触点多，可以扩充其它电器的控制作用。选用中间继电器，主要依据控制电路的电压等级，同时还要考虑触点的数量、种类及容量满足控制线路的要求。
机床上常用的中间继电器型号有JZ7系列、JZ8系列两种。JZ8为交直流两用的继电器。
6.4.7 时间继电器的选用
时间继电器是机床控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式、空气阻尼式、电动式及电子式等。应用较多的是空气阻尼式时间继电器。它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽(可达0.4~180s)。其型号有JS7-A，JS16系列。
时间继电嚣的选择，主要考虑控制制电路所需要的延时触点的延时方式、延时范围及瞬时触点的数目，同时也要注意线圈电压等级能否满足控制电路的要求。
6.4.8 控制变压器的选择
当机床的控制电器较多，线路又比较复杂时，最好采用经变压器降压的控制电源，以提高工作的可靠性。
控制变压器的容量，可根据以下两个条件选择：
1、根据控制电路在最大工作负载时所需要的功率进行选择，
以保证变压器在长期工作时不致超过允许温升。
式中： Pb 变压器所需的容量（VA）；
控制电路在最大负载时的电器所需要的功率（VA），
对于交流电器，Pxc应取该电器的吸持功率。
Kb 变压器的储备系数，一般取1.1~1.25。
2、变压器的容量应能保证部分已吸合的电器在启动其它
电器时，仍能可靠地保持吸合，同时又能保证将要启动的电器
也能启动吸合。此时Pb按下式计算：
式中： 所有同时启动的电磁铁在启动时所需要的总功率（VA）；
上式中的 应当按启动时已经吸合的电器进行计算。
变压器所需容量，应由以上两式中所算出的最大容量决定。
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