電氣控制系統的功能和組成

導讀

電氣控制系統一般稱為電氣設備二次控制回路，不同的設備有不同的控制回路，而且高壓電氣設備與低壓電氣設備的控制方式也不相同。今天，小編就和大家一起學習一下電氣控制系統的基本知識~

電氣控制系統的功能和組成

主要功能

為了保證一次設備運行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設備為之服務，能夠實現某項控制功能的若干個電器組件的組合，稱為控制回路或二次回路。這些設備要有以下功能：

(1)自動控制功能。高壓和大電流開關設備的體積是很大的，一般都采用操作系統來控制分、合閘，特別是當設備出了故障時，需要開關自動切斷電路，要有一套自動控制的電氣操作設備，對供電設備進行自動控制。

(2)保護功能。電氣設備與線路在運行過程中會發生故障，電流(或電壓)會超過設備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測這些故障信號并對設備和線路進行自動調整(斷開、切換等)的保護設備。

(3)監視功能。電是眼睛看不見的，一臺設備是否帶電或斷電，從外表看無法分辨，這就需要設置各種視聽信號，如燈光和音響等，對一次設備進行電氣監視。

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

在設備操作與監視當中，傳統的操作組件、控制電器、儀表和信號等設備大多可被電腦控制系統及電子組件所取代，但在小型設備和就地局部控制的電路中仍有一定的應用范圍。這也都是電路實現微機自動化控制的基礎。

系統組成

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)保護回路。保護(輔助)回路的工作電源有單相220、36V或直流220、24V等多種，對電氣設備和線路進行短路、過載和失壓等各種保護，由熔斷器、熱繼電器、失壓線圈、整流組件和穩壓組件等保護組件組成。

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

(4)自動與手動回路。電氣設備為了提高工作效率，一般都設有自動環節，但在安裝、調試及緊急事故的處理中，控制線路中還需要設置手動環節，通過組合開關或轉換開關等實現自動與手動方式的轉換。

(5)制動停車回路。切斷電路的供電電源，并采取某些制動措施，使電動機迅速停車的控制環節，如能耗制動、電源反接制動，倒拉反接制動和再生發電制動等。

(6)自鎖及閉鎖回路。啟動按鈕松開后，線路保持通電，電氣設備能繼續工作的電氣環節叫自鎖環節，如接觸器的動合觸點串聯在線圈電路中。兩臺或兩臺以上的電氣裝置和組件，為了保證設備運行的安全與可靠，只能一臺通電啟動，另一臺不能通電啟動的保護環節，叫閉鎖環節。如：兩個接觸器的動斷觸點分別串聯在對方線圈電路中。

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行而設置的。它主要是由兩電器件互相控制而形成互鎖的。它實現的手段主要有三個，一個是電氣互鎖。二是機械互鎖，三是電氣機械聯動互鎖。

▲互鎖

電氣互鎖：將這兩個繼電器的常閉觸電接入另一個繼電器的線圈控制回路里。這樣，一個繼電器得電動作，另一個繼電器線圈上就不可能形成閉合回路。但也可以用機械聯桿實現這一動作。三是電氣機械聯動互鎖。如高壓柜內的仃電，不斷開開關，隔離開關就拉不開，上述都拉不開就合不上接地刀閘，拉不接地開刀閘，就打不開高壓柜門，就不能進行開關的檢查等到工作。電氣互鎖就是通過繼電器、接觸器的觸點實現互鎖，比如電動機正轉時，正轉接觸器的觸點切斷反轉按鈕和反轉接觸器的電氣通路。機械互鎖就是通過機械部件實現互鎖，比如兩個開關不能同時合上，可以通過機械杠桿，使得一個開關合上時，另一個開關被機械卡住無法合上。電氣互鎖比較容易實現、靈活簡單，互鎖的兩個裝置可在不同位置安裝，但可靠性較差。機械互鎖可靠性高，但比較復雜，有時甚至無法實現。通?；ユi的兩個裝置要在近鄰位置安裝。

常用電源恢復供電后可以自動切換到常用電源（當然也可以不切換），電氣實現這種功能稱為電氣互鎖，也可以叫電氣聯鎖的。有很多地方需要電機的正轉和反轉運行，比如大門的開啟和關閉就是電動機的下轉和反轉控制的，電機的正轉和反轉是靠對電源的相序進行倒相實現的，正轉運行的時候，反轉投入運行就會造成相間的短路，燒壞電氣設備，這了避免這種情況的發生，在正轉的時候將交流接觸器的輔助常閉觸點串連在電機反轉的控制回路中，將反轉交流接觸器的輔助觸點串連在電機下轉的控制回路里面，當電機正轉的時候用交流接觸器的常閉輔助觸點切斷反轉電機的控制回路，使反轉無法投入運行。

反轉工作的時候用交流接觸器的常閉輔助觸點切斷電機正轉的控制回路，使正轉的操作不起作用。

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候，閉合的觸點稱為動斷常閉觸點，斷開的觸點稱為動合常開觸點。主回路的觸點可以通過很大的電流，根據電機的大小選擇不同大小的交流接觸器，輔助觸點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——接觸器一般有6個接線柱，其中3個是常開觸點，2個是常閉觸點，1個是線圈。當線圈通電時，所有常開觸點閉合，所有常閉觸點斷開。

為了更方便理解，請先看電路圖：

▲自鎖

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

若沒有接觸器的參與，即沒有圖中所有標有KM的地方，則SB2按下時回路通電，松開則斷電（常開按鈕特點，啟動按鈕都使用常開按鈕）。因此我們接入了接觸器線圈，并且把常開觸點和SB2并聯。由此就產生了按下SB2時線圈瞬間通電從而閉合常開觸點，以保證松開SB2時回路依然有電的效果。

最常見的自鎖電路

▲最常見電路-自鎖電路

工作原理

1

啟動

電機啟動時，合上電源開關QS,接通整個控制電路電源。

按下啟動按鈕SB2,其常開點閉合，接觸器線圈KM得電可吸合，并接在SB2兩端的輔助常開同時閉合，

主回路中：主觸頭閉合使電動機接入三相交流電源啟動旋轉。

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

松開SB2啟動按鈕時，雖然SB2一路已經斷開，但KM線圈仍通過自身的輔助觸點這一通路保持給線圈通電，從而確保電機繼續運轉。

這種依靠接觸器自身常開輔助觸點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。這對起自鎖作用的輔助常開觸點稱為自鎖觸點，這段電路稱為自鎖電路。

2

停止

要使電機停止工作，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，切斷電動機主回路與控制回路電源，電動停止工作。

當松開SB1按鈕后，SB1常閉觸點在復位彈簧的作用下又閉合，雖又恢復到原來的常閉狀態，但原來的KM自鎖觸點早已隨著KM線圈斷電而斷開，接觸器已不能再依靠自鎖觸點通電了。

3

電路保護環節

熔斷器FU1、FU2分別為主電路 、控制電路的短路保護。熱繼電器FR作為電動機的長期過載保護。

電氣控制系統常用的保護環節

電氣控制系統除了能滿足生產機械加工工藝要求外，還應保證設備長期、安全、可靠無故障地運行，在系統發生各種故障或不正常工作的情況下對供電設備和電動機實行保護。因此保護環節是所有電氣控制系統不可缺少的組成部分，利用它來保護電動機、電網、電氣設備以及人身安全等。

1.短路保護

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

1）在中性點直接接地的系統中，應在每相上裝設。

2）在中性點不接地的系統中，以熔斷器作保護時，應在每相上裝設；用低壓斷路器作保護時，應在不少于兩相上裝設。

2.過載保護

電動機長期超載運行，繞組溫升將超過其允許值，造成絕緣材料老化，壽命減小，嚴重時會使電動機損壞，過載電流越大，達到允許溫升的時間就越短。常用的過載保護元件是熱繼電器，對大功率的重要電動機，應采用反時限性的過電流繼電器。

由于熱慣性的原因，熱繼電器不會受電動機短時過載沖擊電流或短路電流的影響而瞬時動作，所以在使用熱繼電器作過載保護時，還必須設有短路保護，并且選作短路保護的熔斷器熔體的額定電流不應超過4倍熱繼電器發熱元件的額定電流。由于過載保護特性與過電流保護特性不同，故不能用過電流保護方式來進行過載保護。

3.過電流保護

過電流保護廣泛用于直流電動機或繞線式異步電動機。對于三相籠型異步電動機，由于其短時過電流不會產生嚴重后果，故可不設置過電流保護。

過電流保護往往是由于不正確的啟動和過大的負載引起的，一般比短路電流要小，在電動機運行中產生過電流比發生短路的可能性更大，尤其是在頻繁正反轉啟動的重復短時工作制電動機中更是如此。

必須強調指出，短路、過電流、過載保護雖然都是電流保護，但由于故障電流、動作值以及保護特性、保護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

電動機正常工作時，如果電源電壓因某種原因消失，那么在電源電壓恢復時，如果電動機自行啟動，將可能使生產設備損壞，也可能造成人身事故。此外，對供電系統的電網，同時有許多電動機及其他用電設備自行啟動也會引起不允許的過電流及瞬間網絡電壓下降。為防止電壓恢復時電動機自行啟動或電氣元件自行投入工作而設置的保護稱為失電壓保護。

采用接觸器和按鈕控制的啟動、停止控制環節就具有失電壓保護功能。因為當電源電壓消失時，接觸器會自動釋放而切斷電動機電源；電源電壓恢復時，由于接觸器自鎖觸點已斷開，不會自行啟動。如果用不能復位的手動開關、主令控制器來控制接觸器，必須采用專門的零電壓繼電器。工作過程中一旦失電壓，零電壓繼電器就釋放，其自鎖電路斷開，電源電壓恢復時，不會自行啟動。

5.欠電壓保護

當電動機正常運行時，電源電壓過分地降低將引起一些電器釋放，造成控制線路工作不正常，甚至產生事故。當電網電壓過低時，如果電動機負載不變，則會造成電動機電流增大，引起電動機發熱，嚴重時甚至燒壞電動機。此外，電源電壓過低還會引起電動機轉速下降，甚至停轉。因此，在電源電壓降到允許值以下時，需要采用保護措施，及時切斷電源，這就是欠電壓保護。通常是采用欠電壓繼電器來實現。

電氣控制系統設計的要求和步驟

01

設計目的

電氣設計的主要目的是通過某一生產設備的電氣控制裝置的設計實踐，了解一般電氣控制系統設計過程、設計要求、應完成的工作內容和具體設計方法。通過設計也有助于復習、鞏固以往所學的知識，達到靈活應用的目的。電氣設計必須滿足生產設備和生產工藝的要求，因此，設計之前必須了解設備的用途、結構、操作要求和工藝過程，在此過程中培養從事設計工作的整體觀念。

電氣設計應強調能力培養為主，在獨立完成設計任務的同時，還要注意其他幾方面能力的培養與提高，如獨立工作能力與創造力；綜合運用專業及基礎知識的能力，解決實際工程技術問題的能力；查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力；工程繪圖的能力；書寫技術報告和編制技術資料的能力。

02

設計要求

為保證順利完成設計任務還應做到以下幾點：

(1)在接受設計任務后，應根據設計要求和應完成的設計內容，擬定設計任務書和工作進度計劃，確定各階段應完成的工作量，妥善安排時間。

(2)在方案確定過程中應主動提出問題，以取得指導教師的幫助，同時要廣泛討論意見，依據充分。在具體設計過程中要多思考，尤其是主要參數，要經過計算論證。

(3)所有電氣圖紙的繪制必須符合國家有關規定的標準，包括線條、圖型符號、項目代號、回路標號、技術要求、標題欄、元件明細表以及圖紙的折疊和裝訂。

(4)說明書要求文字通順、簡練，字跡端正、整潔。

(5)應在規定的時間內完成所有的設計任務。

(6)如果條件允許，應對自已的設計線路進行試驗論證，考慮進一步改進的可能性。

03

設計任務

課程設計要求是以設計任務書的形式表達，設計任務書應包括以下內容：

(1)設備的名稱、用途、基本結構、動作原理以及工藝過程的簡要介紹。

(2)拖動方式、運動部件的動作順序、各動作要求和控制要求。

(3)聯鎖、保護要求。

(4)照明、指示、報警等輔助要求。

(5)應繪制的圖樣。

(6)說明書要求。

原理設計的中心任務是繪制電氣原理圖和選用電器元件。工藝設計的目的是為了得到電氣設備制造過程中需要的施工圖樣。圖樣的類型、數量較多，設計中主要以電氣設備總體配置圖、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)為練習對象。對于每位設計者只需完成其中一部分。原理圈及工藝圖樣均應按要求繪制，元件布置圖應標注總體尺寸、安裝尺寸和相對位置尺寸。接線圖的編號應與原理圖一致，要標注組件所有進出線編號、配線規格、進出線的連接方式(采用端子板或接插板)。