[科普中国]-电气控制系统

所谓的电气控制系统，是指由若干电气原件组合，用于实现对某个或某些对象的控制，从而保证被控设备安全、可靠地运行。电气控制系统的主要功能有：自动控制、保护、监视和测量。它的构成主要有三部分：输入部分（如传感器、开关、按钮等）、逻辑部分（如继电器、触电等）和执行部分（如电磁线圈、指示灯等）。1

电气控制系统工艺设计的目的是为了满足电气控制设备的制造和使用要求。在完成电气原理图设计及电气元件选择之后，就可以进行电气控制设备的总体配置，即总装配图和总接线图的设计，然后再设计各部分的电气装配图与接线图，并列出各部分的元件目录、进出线号以及主要材料清单等技术资料，最后编写使用说明书。2

1.电气系统的设计原则，有以下四点：

（1）最大限度地实现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，力求使控制线路简单、经济；

（3）保证控制线路工作的可靠性和安全性；

（4）操作和维修方便。1

2.电气控制系统设计的基本内容有：

（1）拟定电气设计任务书；

（2）确定电力拖动方案与控制方式；

（3）选择电动机容量、结构形式；

（4）设计电气控制原理图，计算主要技术参数；

（5）选择电气元件，制定电器元件一览表；

（6）编写设计计算说明书。3

其中，电气原理图是整个设计的中心环节，因为电气原理图是工艺设计和制定其他技术资料的依据。3

为了保证一次设备运行的可靠与安全，需要有许多辅助电气设备为之服务，能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合，称为控制回路或二次回路。这些设备要有以下功能：

（1）自动控制功能。高压和大电流开关设备的体积是很大的，一般都采用操作系统来控制分、合闸，特别是当设备出了故障时，需要开关自动切断电路，要有一套自动控制的电气操作设备，对供电设备进行自动控制。4

（2）保护功能。电气设备与线路在运行过程中会发生故障，电流(或电压)会超过设备与线路允许工作的范围与限度，这就需要一套检测这些故障信号并对设备和线路进行自动调整(断开、切换等)的保护设备。4

（3）监视功能。电是眼睛看不见的，一台设备是否带电或断电，从外表看无法分辨，这就需要设置各种视听信号，如灯光和音响等，对一次设备进行电气监视。4

（4）测量功能。灯光和音响信号只能定性地表明设备的工作状态(有电或断电)，如果想定量地知道电气设备的工作情况，还需要有各种仪表测量设备，测量线路的各种参数，如电压、电流、频率和功率的大小等。4

在设备操作与监视当中，传统的操作组件、控制电器、仪表和信号等设备大多可被电脑控制系统及电子组件所取代，但在小型设备和就地局部控制的电路中仍有一定的应用范围。这也都是电路实现微机自动化控制的基础。4

常用的控制线路的基本回路由以下几部分组成。

（1）电源供电回路。供电回路的供电电源有交流AC380V、220V和直流24V等多种。4

（2）保护回路。保护(辅助)回路的工作电源有单相220（交流）、36V（直流）或直流220（交流）、24V（直流）等多种，对电气设备和线路进行短路、过载和失压等各种保护，由熔断器、热继电器、失压线圈、整流组件和稳压组件等保护组件组成。4

（3）信号回路。能及时反映或显示设备和线路正常与非正常工作状态信息的回路，如不同颜色的信号灯，不同声响的音响设备等。4

（4）自动与手动回路。电气设备为了提高工作效率，一般都设有自动环节，但在安装、调试及紧急事故的处理中，控制线路中还需要设置手动环节，用于调试。通过组合开关或转换开关等实现自动与手动方式的转换。4

（5）制动停车回路。切断电路的供电电源，并采取某些制动措施，使电动机迅速停车的控制环节，如能耗制动、电源反接制动，倒拉反接制动和再生发电制动等。4

（6）自锁及闭锁回路。启动按钮松开后，线路保持通电，电气设备能继续工作的电气环节叫自锁环节，如接触器的动合触点串联在线圈电路中。两台或两台以上的电气装置和组件，为了保证设备运行的安全与可靠，只能一台通电启动，另一台不能通电启动的保护环节，叫闭锁环节。如：两个接触器的动断触点分别串联在对方线圈电路中。4

电气控制系统图是电气线路安装、调试、使用与维护的理论依据，主要包括电气原理图、电气安装接线图、电器元件布置图。系统中各所用电气设备的电气控制原理，用以指导电气设备的安装和控制系统的调试运行工作。

电气控制系统图阅读方法

1、先读机．后读电

先读机，就是应该先了解生产机械的基本结构、运行情况、工艺要求和操作方法，以便对生产机械的结构及其运行情况有总体了解。后读电。就是在了解机械的基础上进而明确对电力拖动的控制要求，为分析电路做好前期准备。4

2、先读主，后读辅

先读主，就是先从主回路开始读图。首先，要看清楚机床设备由几台电动机拖动，各台电动机的作用，结合加工工艺与主电路，分析电动机是否有降压启动，有无正反转控制，采用何种制动方式。其次，要弄清楚用电设备是由什么电气元件控制的，有的用刀开关或组合开关手动控制，有的用按钮加接触器或继电器自动控制。

3、化整为零、集零为整4

最后进行总体检查，先经过“化整为零”，逐步分析每一局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系后。再用“集零为整”的方法检查整个控制线路。以免遗漏?。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系。4

电气控制系统必须在安全可靠的前提下来满足生产工艺要求。为此，在电气控制系统的设计与运行中，必须充分考虑系统发生各种故障和不正常情况的可能性，在控制系统中设置相应保护装置。保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分。对于低压电动机常用的保护环节如下所示：

当电器或线路发生绝缘遭到损坏、负载短路、接线错误等情况时就会发生短路现象。短路时产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几倍到几十倍，使电气设备或配电线路因过电流而损坏，甚至会因电弧而引起火灾。短路保护要求具有瞬时特性，即要求在很短时间内切断电源。短路保护常用的方法有熔断器保护和低压断路器保护。5

过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过电流是指电动机或电器元件超过其额定电流的运行状态，一般比短路电流小，不超过6倍额定电流。在过电流情况下，电器元件并不是立即损坏，只要达到最大允许温升之前电流值能恢复正常，还是允许的。但过大的冲击负载，使电动机流过过大的冲击电流，以致损坏电动机。同时，过大的电动机电磁转矩也会使机械转动部件受到损坏，因此要瞬时切断电源。电动机在运行中产生过电流的可能性要比发生短路要大，特别是在频繁起动和正反转、重复短时工作电动机中更是如此。5

过电流保护常用过电流继电器与接触器配合实现，即将过电流继电器线圈串接在被保护电路中，过电流继电器常闭触头串接在接触器线圈电路中。当电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作；其常闭触头断开，接触器线圈断电释放，接触器主触头断开来切断电动机电源。这种过电流保护环节常用于直流电动机和三相绕线转子异步电动机的控制电路中。若过电流继电器动作电源为1.2倍电动机起动电流，则其亦可实现电路的短路保护作用。5

过载保护是过电流保护中的一种。过载是指电动机的运行电流大于其额定电流，但在1.5倍额定电流以内。引起电动机过载的原因很多，如负载的突然增加、缺相运行或电源电压降低等。若电动机长期过载运行，其绕组的温升将超过允许值而使绝缘老化、损坏。过载保护装置要求具有反时限特性，且不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以通常用热继电器作过载保护。当有6倍以上额定电流通过热继电器时，需经5s后才动作，这样在热继电器未动作前，可能先烧坏热继电器的发热元件，所以在使用热继电器作过载保护时，还必须装有熔断器或低压断路器的短路保护装置。由于过载保护特性与过电流保护不同，故不能用过电流保护方法来进行过载保护。5

还可选用带断相保护的热继电器来实现过载保护。5

电动机应在一定的额定电压下才能正常工作，电压过高、过低或者工作过程中非人为因素的突然断电，都可能造成生产机械损坏或人身事故。因此在电气控制电路中，应根据要求设置失电压保护、过电压保护和欠电压保护。5

如果电动机因为电源电压消失而停转，一旦电源电压恢复，有可能自行启动，造成人身事故或机械设备损坏。为防止电压恢复时电动机自行启动或电器元件自行投入工作而设置的保护，称为失电压保护。采用接触器和按钮控制的启动、停止装置，就具有失电压保护作用。这是因为当电源电压消失时，接触器就会自动释放而切断电动机电源；当电源电压恢复时，由于接触器自锁触头已断开，不会自行启动。如果不是采用按钮而是用不能自动复位的手动开关、行程开关来控制接触器，必须采用专门的零电压继电器进行失电压保护。工作过程中一旦失电压，零电压继电器释放，其自锁电路断开；电源电压恢复时，不会自行启动。5

电动机运转时，电源电压的降低引起电磁转矩下降，在负载转矩不变的情况下，转速下降，电动机电流增大。此外，由于电压的降低引起控制电器释放，造成电路工作不正常。因此，当电源电压降低到60%~80%额定电压时，需要将电动机电源切除而停止工作，这种保护称欠电压保护。5

除上述采用接触器及按钮控制方式，利用接触器本身的欠电压保护作用外，还可采用欠电压保护，欠电压继电器的吸合电压通常整定为（0.8~0.85） ，释放电压通常整定为（0.5~0.7） ,。将电压继电器线圈跨接在电源上，其常开触头串接在接触器线圈电路中，当电源电压低于释放值时，电压继电器动作使接触器线圈释放，其主触头断开电动机电源，实现欠电压保护。5

电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等，在电流通断时会产生较高的感应电动势，使电磁线圈绝缘击穿而损坏。因此，必须采用过电压保护措施。通常过电压保护是在线圈两端并联一个电阻、电阻与电容串接或二极管与电阻串联，形成一个放电回路，实现电压的保护。5

直流电动机磁场的过度减少会引起电动机超速，需设置弱磁保护。这种保护是通过在电动机励磁线圈回路中串入欠电流继电器来实现的。在电动机运行时，若励磁电流过小，欠电流继电器释放，其触头断开电动机电枢回路线路接触器线圈电路，接触器线圈断电释放，接触器主触头断开电动机电枢回路，电动机断开电源，达到保护电动机的目的。5

除上述保护外，还有超速保护、行程保护、油压（水压）保护等，这些都是在控制电路中串接上一个受这些参量控制的常开触头或常闭触头来实现对控制电路的控制。这些装置有离心开关、测速发电机、行程开关、压力继电器等。5

电气控制电路发生故障后，轻者使电气设备不能工作，影响生产等，重者会造成人身伤害事故。因此，要求在发生故障后，必须及时查明原因并迅速排除。故障检修时，大体上可按下列几个步骤操作：

电气故障是多种多样的，例如同一故障可能有不同的故障现象，不同类故障可能是同种故障现象。这种故障现象的同一性和多样性，给查找故障带来了困难。但是，故障现象是查找电气故障的基本依据，是查找电气故障的起点，因而要仔细观察并分析故障现象，找出故障现象中最主要的、最典型的方面，搞清故障发生时间、地点、环境等。6

根据故障现象分析故障原因，是查找电气故障的关键。分析的基础的电工基本理论，是对电气设备的构造、原理、性能的充分理解，是实际故障的结合。某一故障产生的原因可能很多，重要的是在众多原因中找出最主要的原因。6

在分析电气设备故障时，常常需要用到以下方法：

（1）状态分析法。

（2）图形分析法。

（3）单元分析法。

（4）回路分析法。

（5）推理分析法。

（6）简化分析法。

（7）树形分析法。

（8）计算机辅助分析法。6

确定故障部位是查找电气设备故障的最终目的。确定故障部位可理解成确定设备的故障点，如短路点、损坏元件等，也可理解为确定某些运行参数的变异，如电压波动、三相不平衡等。6

确定故障部位是对故障现象进行周密的考察和细致分析的基础上进行的。在这一过程中，往往要采用多种手段和方法，可采用如下方法：

（1）调查研究法。

（2）通电试验法。

（3）测量法。

（4）类比法。6