張鵬飛

【摘 要】文章對(duì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理進(jìn)行概述。并依據(jù)控制原理，提出了如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制設(shè)計(jì)任務(wù)擬定、電動(dòng)機(jī)選擇、電器控制線路設(shè)計(jì)，最后討論了如何對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】電力控制系統(tǒng)；安全保護(hù)；電器控制線路；自動(dòng)控制

【Abstract】The basic task of the article on the electrical control system design， electric drive system to automatically control principles outlined. And based on control theory， the question of how the system design， electrical control design task formulation， motor selection， electrical control circuit design， and finally discusses how electric drive systems security.

【Key words】Power control system；Security；Electrical control circuit；Automatic control

1. 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)

1.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)和編制出設(shè)備制造和使用維修過程中所必須的圖紙、資料，包括電氣原理圖、電氣元器件布置圖、安裝接線圖等，編制外購元器件目錄、單臺(tái)材料消耗清單、設(shè)備說明書等資料。由于系統(tǒng)從初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都與產(chǎn)品質(zhì)量和成本密切相關(guān)，因此設(shè)計(jì)工作首先要樹立科學(xué)的設(shè)計(jì)思想，樹立工程實(shí)踐的觀點(diǎn)。正確的設(shè)計(jì)思想和工程觀點(diǎn)是高質(zhì)量完成設(shè)計(jì)任務(wù)的保證。

1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求是：（1）熟悉所設(shè)計(jì)設(shè)備的總體技術(shù)要求及工作過程，取得電氣設(shè)計(jì)的依據(jù)，最大限度地滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，妥善處理機(jī)械與電氣的關(guān)系，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選用性能價(jià)格比最佳的電氣設(shè)計(jì)方案，在滿足要求的前提下，設(shè)計(jì)簡單合理、技術(shù)先進(jìn)、工作可靠、維修方便的電路。（3）正確合理地選用電器元器件，盡可能減少元件的品種和規(guī)格。（4）取得良好的平均無故障時(shí)間指標(biāo)，確保使用的安全可靠。（5）謹(jǐn)慎積極地采用新技術(shù)、新工藝。（6）設(shè)計(jì)中貫徹最新的國家標(biāo)準(zhǔn)。

2. 電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理及其設(shè)計(jì)

2.1 控制原理。

（1）電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)本身有各種反饋，如：速度反饋、電流反饋、電壓反饋、頻率反饋等。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的控制部分主要是由電氣設(shè)備來完成的?？刂撇糠旨措娖鞅Ｗo(hù)，主要包括過電流保護(hù)、熱保護(hù)、欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)等。而啟動(dòng)連鎖、運(yùn)行連鎖、安全保護(hù)、信息顯示等是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。

（2）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，普遍通過編程、功能模塊化、邏輯計(jì)算、畫面操作等步驟來實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制，呈現(xiàn)給用戶的儀器驅(qū)動(dòng)程序幾乎與設(shè)備無關(guān)，這樣使用者就可以比較迅速將儀器連入自己的測(cè)試系統(tǒng)，不僅方便編程，還能促進(jìn)組態(tài)的可靠性。由于工藝條件不同，對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)及其控制的要求也就不同。但就實(shí)質(zhì)來說并沒有很大差別，通過信號(hào)輸入輸出，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的集中控制。輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)主要有啟動(dòng)連鎖、運(yùn)行連鎖、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)、就地集中控制信號(hào)、熱故障信號(hào)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的信號(hào)主要有電動(dòng)機(jī)的啟/停，變頻調(diào)節(jié)等。電力拖動(dòng)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中的自動(dòng)控制過程如圖1所示：

2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇。 當(dāng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定后，要進(jìn)一步考慮選擇電動(dòng)機(jī)類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式及電機(jī)功率、電流、額定電壓與額定轉(zhuǎn)速等。電動(dòng)機(jī)選擇的基本原則如圖1：

2.2.1 電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械提出的標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠與相應(yīng)的負(fù)載很好結(jié)合，保證正常運(yùn)行。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，需要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、啟動(dòng)能力、允許過載能力三個(gè)主要因素。電動(dòng)機(jī)容量是選擇的關(guān)鍵，由于受到外界條件的影響，需要試驗(yàn)校驗(yàn)選出電動(dòng)機(jī)的額定功率。

2.2.2 對(duì)于選擇直流電動(dòng)機(jī)還是交流電動(dòng)機(jī)要考慮生產(chǎn)機(jī)械在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的要求，一般是盡量選擇幾個(gè)便宜的、結(jié)構(gòu)簡單的、維護(hù)比較方便的交流異步電動(dòng)機(jī)。而直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性較優(yōu)，主要應(yīng)用在調(diào)速范圍要求大、功率大的生產(chǎn)機(jī)械上。

2.2.3 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速選擇要根據(jù)電機(jī)與機(jī)械配合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)情況來決定?？梢苑譃閮煞N情況：（1）電動(dòng)機(jī)長期工作，很少啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。此時(shí)要考慮設(shè)備的投資、占地面積、維護(hù)檢修等方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)，決定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。（2）電動(dòng)機(jī)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，此時(shí)要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能儲(chǔ)存量來決定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

2.2.4 電動(dòng)機(jī)的額定電壓要求電壓的等級(jí)、相數(shù)、頻率都必須與供電電網(wǎng)的電壓一致。

2.2.5 電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)形式的選擇取決于電動(dòng)機(jī)安裝位置和周圍的環(huán)境的要求，根據(jù)不同的工作方式可相應(yīng)選擇連續(xù)、短時(shí)、斷續(xù)周期性工作的電動(dòng)機(jī)。

2.2.6 總之，要根據(jù)不同的性質(zhì)和使用條件的要求，合理選擇不同類型和不同規(guī)格的電動(dòng)機(jī)。正確、合理的選用電動(dòng)機(jī)可以保證其具有良好的運(yùn)行特性，同時(shí)還可以保證經(jīng)濟(jì)型和可靠性。

2.3 電器控制線的設(shè)計(jì)。 電力拖動(dòng)系統(tǒng)電器控制線的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)要求，作業(yè)環(huán)境，生產(chǎn)性質(zhì)來決定配備什么規(guī)格的電器控制線路與其匹配。在此基礎(chǔ)上，對(duì)控制線路的設(shè)計(jì)力求做到精煉，安全可靠，便于操作維修并達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。一般設(shè)計(jì)電器控制線路的方法是：根據(jù)要求，參考基本線路先局部設(shè)計(jì)，然后根據(jù)各部分的相互關(guān)系，綜合成一個(gè)完整的控制線路。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的規(guī)則如下：

（1）電器線路設(shè)計(jì)者要明確生產(chǎn)要求，因?yàn)榭刂凭€路是為整個(gè)設(shè)備和工藝過程服務(wù)的，要根據(jù)實(shí)際準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)線路是首要遵循的原則。力求做到最到限度地滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電器控制線路的要求。

（2）在滿足生產(chǎn)條件的要求的前提下，盡可能地讓控制線路簡單經(jīng)濟(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)就要盡量減少不必要的觸頭和電器數(shù)量，盡量選用比較標(biāo)準(zhǔn)的、常用的以及經(jīng)過實(shí)際考驗(yàn)的線路并盡可能地縮短連接導(dǎo)線的長度和數(shù)量，同時(shí)要減少通電電路。

（3）要確?？刂凭€路工作的可靠、安全，首先要選用可靠的元器件同時(shí)在具體的線路中正確地連接電器觸頭和電器線圈。此外，在線路還要盡量避免許多電器依次動(dòng)作才能接通另一個(gè)電器的控制線路并且要確保電路中有短路、過流、過壓、過載、欠壓等保護(hù)環(huán)節(jié)。

（4）應(yīng)力爭使控制機(jī)構(gòu)操作和維修方便，要求能迅速并正確地由一種控制方式轉(zhuǎn)換到另一種控制方式?？傊?，不管控制電路如何復(fù)雜，它都是由一些基本的單元電路組合而成的。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)控制線路時(shí)，只要根據(jù)生產(chǎn)和工藝的要求，選擇正確的基本環(huán)節(jié)，然后將它們合理地組合起來，就可以完成控制線路的設(shè)計(jì)。

3. 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的安全保護(hù)

電力拖動(dòng)系統(tǒng)的安全保護(hù)有電器保護(hù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)保護(hù)，最基本的保護(hù)就是電器保護(hù)，一般包括欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、熱保護(hù)以及短路保護(hù)。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)保護(hù)也是必不可少的保護(hù)，它是上層保護(hù)，主要包括安全鏈、運(yùn)行連鎖和啟動(dòng)連鎖以及整體系統(tǒng)故障的停車等。下面主要介紹一下安全保護(hù)作用：

（1）短路保護(hù)：短路電流會(huì)造成一些電氣的絕緣設(shè)備損壞，強(qiáng)大的電流產(chǎn)生較大的電動(dòng)應(yīng)力，從而使電動(dòng)機(jī)繞組和電路中的各種電器設(shè)備機(jī)械性的損壞。

（2）過流保護(hù)：如果不正確啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)擁有過大的負(fù)載常常會(huì)引起較大的過電流，這種電流通常是啟電流的1.2倍，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)部件的損壞。

（3）欠壓保護(hù)：在電動(dòng)機(jī)正常的運(yùn)行過程中，如果電源電壓過分降低就會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低甚至?xí)Ｖ梗?dāng)負(fù)載矩一定時(shí)，此時(shí)就要增加電源。此外電動(dòng)機(jī)的電壓降低還會(huì)引起部分電氣釋放，從而造成電路不能夠正常工作，或許還產(chǎn)生故障。因此要在電壓下降到最小允許的電壓值范圍內(nèi)盡可能地切斷電源。

（4）熱保護(hù)：如果電動(dòng)機(jī)長期的超載運(yùn)行、電動(dòng)機(jī)繞組的升溫超過了允許值，就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的損壞，做好熱保護(hù)工作室防止這一點(diǎn)發(fā)生的有效措施。

（5）安全鏈：包括了欠壓保護(hù)和過流保護(hù)，它還包括油壓、水壓和軸瓦溫度保護(hù)。安全鏈?zhǔn)且粋€(gè)串行條件，如果其中有一個(gè)條件不滿足要求，計(jì)算機(jī)會(huì)通過自動(dòng)控制系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)關(guān)閉。

（6）運(yùn)行連鎖和啟動(dòng)連鎖的保護(hù)：輸入信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，由計(jì)算機(jī)內(nèi)部由程序或模塊化程序來實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制過程，這一過程主要是完成在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前和運(yùn)行過程中條件不具備或信號(hào)消失時(shí)的保護(hù)。

（7）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不僅處理的信息安全可靠，而且還要系統(tǒng)本身的硬件和軟件保證自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全可靠性。一旦有什么意外發(fā)生，計(jì)算機(jī)會(huì)及時(shí)作出反應(yīng)，停運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)的所有運(yùn)行設(shè)備。

4. 結(jié)束語

作為一名電氣工程技術(shù)人員，必須掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法以及如何安全保護(hù)電氣拖動(dòng)設(shè)備等，以便根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求去進(jìn)行設(shè)計(jì)。希望相關(guān)從業(yè)人員更好地使用電力拖動(dòng)系統(tǒng)，維護(hù)電氣拖動(dòng)設(shè)備，延長電力設(shè)備的壽命，從各種方面來減少經(jīng)濟(jì)的開銷。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2015）07-29-036