電氣控制系統

所謂的電氣控制系統，是指由若干電氣原件組合，用於實現對某個或某些對象的控制，從而保證被控設備安全、可靠地運行。電氣控制系統的主要功能有：自動控制、保護、監視和測量。它的構成主要有三部分：輸入部分（如感測器、開關、按鈕等）、邏輯部分（如繼電器、觸電等）和執行部分（如電磁線圈、指示燈等）。

電氣控制系統工藝設計的目的是為了滿足電氣控制設備的製造和使用要求。在完成電氣原理圖設計及電氣元件選擇之後，就可以進行電氣控制設備的總體配置，即總裝配圖和總接線圖的設計，然後再設計各部分的電氣裝配圖與接線圖，並列出各部分的元件目錄、進出線號以及主要材料清單等技術資料，最後編寫使用說明書。

1.電氣系統的設計原則，有以下四點：

（1）最大限度地實現生產機械和工藝對電氣控制線路的要求；

（2）在滿足生產要求的前提下，力求使控制線路簡單、經濟；

（3）保證控制線路工作的可靠性和安全性；

（4）操作和維修方便。

2.電氣控制系統設計的基本內容有：

（1）擬定電氣設計任務書；

（2）確定電力拖動方案與控制方式；

（3）選擇電動機容量、結構形式；

（4）設計電氣控制原理圖，計算主要技術參數；

（5）選擇電氣元件，制定電器元件一覽表；

（6）編寫設計計算說明書。

其中，電氣原理圖是整個設計的中心環節，因為電氣原理圖是工藝設計和制定其他技術資料的依據。

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，稱為控制迴路或二次迴路。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，一般都採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範圍與限度，這就需要一套檢測這些故障信號並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，一台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，還需要有各種儀錶測量設備，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、儀錶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範圍。這也都是電路實現微機自動化控制的基礎。

常用的控制線路的基本迴路由以下幾部分組成。

（1）電源供電迴路。供電迴路的供電電源有交流AC380V、220V和直流24V等多種。

（2）保護迴路。保護(輔助)迴路的工作電源有單相220（交流）、36V（直流）或直流220（交流）、24V（直流）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）信號迴路。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迴路，如不同顏色的信號燈，不同聲響的音響設備等。

（4）自動與手動迴路。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，用於調試。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）制動停車迴路。切斷電路的供電電源，並採取某些制動措施，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髮電制動等。

（6）自鎖及閉鎖迴路。啟動按鈕鬆開后，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。兩台或兩台以上的電氣裝置和組件，為了保證設備運行的安全與可靠，只能一台通電啟動，另一台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。

電氣控制系統圖是電氣線路安裝、調試、使用與維護的理論依據，主要包括電氣原理圖、電氣安裝接線圖、電器元件布置圖。系統中各所用電氣設備的電氣控制原理，用以指導電氣設備的安裝和控制系統的調試運行工作。

電氣控制系統圖閱讀方法

1、先讀機．後讀電

先讀機，就是應該先了解生產機械的基本結構、運行情況、工藝要求和操作方法，以便對生產機械的結構及其運行情況有總體了解。後讀電。就是在了解機械的基礎上進而明確對電力拖動的控制要求，為分析電路做好前期準備。

2、先讀主，後讀輔

先讀主，就是先從主迴路開始讀圖。首先，要看清楚機床設備由幾台電動機拖動，各台電動機的作用，結合加工工藝與主電路，分析電動機是否有降壓啟動，有無正反轉控制，採用何種制動方式。其次，要弄清楚用電設備是由什麼電氣元件控制的，有的用刀開關或組合開關手動控制，有的用按鈕加接觸器或繼電器自動控制。

3、化整為零、集零為整

最後進行總體檢查，先經過“化整為零”，逐步分析每一局部電路的工作原理以及各部分之間的控制關係后。再用“集零為整”的方法檢查整個控制線路。以免遺漏?。特別要從整體角度去進一步檢查和理解各控制環節之間的聯繫。

電氣控制系統必須在安全可靠的前提下來滿足生產工藝要求。為此，在電氣控制系統的設計與運行中，必須充分考慮系統發生各種故障和不正常情況的可能性，在控制系統中設置相應保護裝置。保護環節是所有電氣控制系統不可缺少的組成部分。對於低壓電動機常用的保護環節如下所示：

當電器或線路發生絕緣遭到損壞、負載短路、接線錯誤等情況時就會發生短路現象。短路時產生的瞬時故障電流可達到額定電流的十幾倍到幾十倍，使電氣設備或配電線路因過電流而損壞，甚至會因電弧而引起火災。短路保護要求具有瞬時特性，即要求在很短時間內切斷電源。短路保護常用的方法有熔斷器保護和低壓斷路器保護。

過電流保護是區別於短路保護的一種電流型保護。所謂過電流是指電動機或電器元件超過其額定電流的運行狀態，一般比短路電流小，不超過6倍額定電流。在過電流情況下，電器元件並不是立即損壞，只要達到最大允許溫升之前電流值能恢復正常，還是允許的。但過大的衝擊負載，使電動機流過過大的衝擊電流，以致損壞電動機。同時，過大的電動機電磁轉矩也會使機械轉動部件受到損壞，因此要瞬時切斷電源。電動機在運行中產生過電流的可能性要比發生短路要大，特別是在頻繁起動和正反轉、重複短時工作電動機中更是如此。

過電流保護常用過電流繼電器與接觸器配合實現，即將過電流繼電器線圈串接在被保護電路中，過電流繼電器常閉觸頭串接在接觸器線圈電路中。當電路電流達到其整定值時，過電流繼電器動作；其常閉觸頭斷開，接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸頭斷開來切斷電動機電源。這種過電流保護環節常用於直流電動機和三相繞線轉子非同步電動機的控制電路中。若過電流繼電器動作電源為1.2倍電動機起動電流，則其亦可實現電路的短路保護作用。

過載保護是過電流保護中的一種。過載是指電動機的運行電流大於其額定電流，但在1.5倍額定電流以內。引起電動機過載的原因很多，如負載的突然增加、缺相運行或電源電壓降低等。若電動機長期過載運行，其繞組的溫升將超過允許值而使絕緣老化、損壞。過載保護裝置要求具有反時限特性，且不會受電動機短時過載衝擊電流或短路電流的影響而瞬時動作，所以通常用熱繼電器作過載保護。當有6倍以上額定電流通過熱繼電器時，需經5s后才動作，這樣在熱繼電器未動作前，可能先燒壞熱繼電器的發熱元件，所以在使用熱繼電器作過載保護時，還必須裝有熔斷器或低壓斷路器的短路保護裝置。由於過載保護特性與過電流保護不同，故不能用過電流保護方法來進行過載保護。

還可選用帶斷相保護的熱繼電器來實現過載保護。

電動機應在一定的額定電壓下才能正常工作，電壓過高、過低或者工作過程中非人為因素的突然斷電，都可能造成生產機械損壞或人身事故。因此在電氣控制電路中，應根據要求設置失電壓保護、過電壓保護和欠電壓保護。

如果電動機因為電源電壓消失而停轉，一旦電源電壓恢復，有可能自行啟動，造成人身事故或機械設備損壞。為防止電壓恢復時電動機自行啟動或電器元件自行投入工作而設置的保護，稱為失電壓保護。採用接觸器和按鈕控制的啟動、停止裝置，就具有失電壓保護作用。這是因為當電源電壓消失時，接觸器就會自動釋放而切斷電動機電源；當電源電壓恢復時，由於接觸器自鎖觸頭已斷開，不會自行啟動。如果不是採用按鈕而是用不能自動複位的手動開關、行程開關來控制接觸器，必須採用專門的零電壓繼電器進行失電壓保護。工作過程中一旦失電壓，零電壓繼電器釋放，其自鎖電路斷開；電源電壓恢復時，不會自行啟動。

電動機運轉時，電源電壓的降低引起電磁轉矩下降，在負載轉矩不變的情況下，轉速下降，電動機電流增大。此外，由於電壓的降低引起控制電器釋放，造成電路工作不正常。因此，當電源電壓降低到60%~80%額定電壓時，需要將電動機電源切除而停止工作，這種保護稱欠電壓保護。

除上述採用接觸器及按鈕控制方式，利用接觸器本身的欠電壓保護作用外，還可採用欠電壓保護，欠電壓繼電器的吸合電壓通常整定為 ，釋放電壓通常整定為 ,。將電壓繼電器線圈跨接在電源上，其常開觸頭串接在接觸器線圈電路中，當電源電壓低於釋放值時，電壓繼電器動作使接觸器線圈釋放，其主觸頭斷開電動機電源，實現欠電壓保護。

電磁鐵、電磁吸盤等大電感負載及直流電磁機構、直流繼電器等，在電流通斷時會產生較高的感應電動勢，使電磁線圈絕緣擊穿而損壞。因此，必須採用過電壓保護措施。通常過電壓保護是在線圈兩端並聯一個電阻、電阻與電容串接或二極體與電阻串聯，形成一個放電迴路，實現電壓的保護。

直流電動機磁場的過度減少會引起電動機超速，需設置弱磁保護。這種保護是通過在電動機勵磁線圈迴路中串入欠電流繼電器來實現的。在電動機運行時，若勵磁電流過小，欠電流繼電器釋放，其觸頭斷開電動機電樞迴路線路接觸器線圈電路，接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸頭斷開電動機電樞迴路，電動機斷開電源，達到保護電動機的目的。

除上述保護外，還有超速保護、行程保護、油壓（水壓）保護等，這些都是在控制電路中串接上一個受這些參量控制的常開觸頭或常閉觸頭來實現對控制電路的控制。這些裝置有離心開關、測速發電機、行程開關、壓力繼電器等。

電氣控制電路發生故障后，輕者使電氣設備不能工作，影響生產等，重者會造成人身傷害事故。因此，要求在發生故障后，必須及時查明原因並迅速排除。故障檢修時，大體上可按下列幾個步驟操作：

電氣故障是多種多樣的，例如同一故障可能有不同的故障現象，不同類故障可能是同種故障現象。這種故障現象的同一性和多樣性，給查找故障帶來了困難。但是，故障現象是查找電氣故障的基本依據，是查找電氣故障的起點，因而要仔細觀察並分析故障現象，找出故障現象中最主要的、最典型的方面，搞清故障發生時間、地點、環境等。

根據故障現象分析故障原因，是查找電氣故障的關鍵。分析的基礎的電工基本理論，是對電氣設備的構造、原理、性能的充分理解，是實際故障的結合。某一故障產生的原因可能很多，重要的是在眾多原因中找出最主要的原因。

在分析電氣設備故障時，常常需要用到以下方法：

（1）狀態分析法。

（2）圖形分析法。

（3）單元分析法。

（4）迴路分析法。

（5）推理分析法。

（6）簡化分析法。

（7）樹形分析法。

（8）計算機輔助分析法。

確定故障部位是查找電氣設備故障的最終目的。確定故障部位可理解成確定設備的故障點，如短路點、損壞元件等，也可理解為確定某些運行參數的變異，如電壓波動、三相不平衡等。

確定故障部位是對故障現象進行周密的考察和細緻分析的基礎上進行的。在這一過程中，往往要採用多種手段和方法，可採用如下方法：

（1）調查研究法。

（2）通電試驗法。

（3）測量法。

（4）類比法。