电力拖动与控制(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：张微,黄金波,李响初,章建林,彭琨,余雄辉

出版社：清华大学出版社

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电力拖动与控制试读：

图书在版编目（CIP）数据

电力拖动与控制／李响初，章建林主编．—北京：清华大学出版社，2019（高等学校电子信息类专业系列教材）

ISBN 978-7-302-52001-6

Ⅰ. ①电…　Ⅱ. ①李…②章…　Ⅲ. ①电力传动－自动控制系统－高等学校－教材　Ⅳ. ①TM921.5

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第000176号责任编辑：郑寅堃封面设计：李召霞责任校对：李建庄责任印制：杨　艳出版发行：清华大学出版社网　　址：http://www.tup.com.cn, http://www.wqbook.com地　　址：北京清华大学学研大厦A座邮　　编：100084社总机：010-62770175邮　　购：010-62786544投稿与读者服务：010-62776969, c-service@tup.tsinghua.edu.cn质量反馈：010-62772015, zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn课件下载：http://www.tup.com.cn, 010-62795954印装者：三河市龙大印装有限公司经　　销：全国新华书店开　　本：185mm×260mm印　　张：17字　　数：414千字版　　次：2019年2月第1版印　　次：2019年2月第1次印刷印　　数：1～2000定　　价：79.00元产品编号：075596-01内容简介

本书以国家最新电气标准为依据，并结合国际电工委员会（IEC）颁发的标准，同时注重面向实践能力培训的需要，突出“以服务为宗旨、以就业为导向、以能力为本位”的理念。本书的主要内容包括常用电动机及电气控制系统设计概述、电气控制系统常用低压电器、电气控制系统基本电气控制线路、常用生产机械电气控制线路和变频调速系统，具有选材新颖、结构合理、实用性强等特点。

本书为高等院校机电一体化技术、智能控制技术等机电类专业通用教材，也可作为机床电气控制技术革新、设备改造以及各类社会培训班、企业岗位培训教材以及参考用书。前言FOREWORD“电力拖动与控制”是高等院校机电一体化技术、电气自动化、智能控制技术等机电类专业的一门重要专业核心课程。在教育部“十二五”期间“以服务为宗旨，以就业为导向、以能力为本位”的新一轮教育教学改革中，不少专家学者已经在该领域取得了令人瞩目的教学改革成果。本书也是作者长期致力于电力拖动与控制课程教学改革实践、探索的产物。本书特点如下：

1. 内容精简实用，语言通俗易懂

本书根据应用类高校与高等职业院校生源的特点，本着“理论浅、应用多、内容新”的原则精简教学内容，删减了大量在工程技术中基本不用或很少使用的内部结构分析和理论计算。文字叙述上，采用通俗易懂的语言，尽量减少以往学生对电力拖动与控制理论知难而退的心理障碍。

2. 采用单元课题编写模式，适合理实一体化教学

本书在教学内容的组织上采用单元课题编写模式，在讲解基本知识点的基础上，设计了“技能训练”模块，强调实践技能的培养。版面安排上，收集了大量的图片、图表，采用图文并茂的编排形式，提高内容的直观性和形象性，便于理解和掌握理论知识，同时也为学生的自主学习创造了条件。

3. 技能训练考核评价标准采用国家标准规范

技能训练考核评价标准根据国家职业技能鉴定中心相关职业技能鉴定规范（考核大纲）以及湖南省高等职业院校学生专业技能抽查评价标准编制，参照职业技能鉴定模式进行考核评价，可为实行“双证制”奠定基础；同时使学生增强执行工艺纪律意识，有利于学生按工艺标准设计、装配、调试电气控制系统。

4. 选材新颖，实用性强

本书结构合理，选材注重实用性和新颖性，还提供了课程标准以外的常用生产机械电气控制原理图，并对其识图要点进行简要说明，便于读者查阅与引用。此外，注重现代电气控制新知识、新技术的引入，部分知识安排在“知识拓展”中，便于学生课外自学。

需要特别说明的是，为便于读者对照常用生产机械电气控制系统实物图进行阅读，本书所收集的常用生产机械电气控制电路大部分按生产厂家提供的原始资料绘制，其中涉及的电气元件符号及技术说明会有不符合国家标准之处，主要是为了便于读者查阅。

本书由湖南有色金属职业技术学院李响初和章建林主编，他们负责全书的选例、设计和统稿工作。李响初编写了第三单元；湖南有色金属职业技术学院黄金波、章建林、余雄辉分别编写了第一单元、第二单元、第四单元；彭琨和张微编写了第五单元。参加本书电路实验、绘图与资料整理工作的有杨豪虎、朱朝霞、陈万新、李彪、高小庆、张俏、曾曌、刘拥华等。

在编写本书过程中，参考了大量的同类教材以及国内外书刊资料，并将主要的资料列于书末的参考文献，在此一并向有关作者表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，编写时间仓促，书中难免有错漏之处，敬请读者批评指正，不胜感激。编　者2018年12月于株洲第一单元　常用电动机及电气控制系统设计概述知识目标

1. 了解电动机种类、型号和常用术语；

2. 熟悉电动机功能、结构和工作原理；

3. 熟悉电气控制系统设计方法与步骤。能力目标

1. 能根据控制要求正确选择电动机的型号和规格；

2. 能根据外形结构识别各种电动机；

3. 能熟练对常用电动机进行维护与保养。课题一　认识三相异步电动机

交流电动机有同步和异步之分。异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机；按其转子结构不同，又可分为笼型和绕线型，其中笼型三相异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低廉、维护方便等特点，在生产机械中应用广泛。本课题主要介绍三相异步电动机的基本结构与工作原理，为后续学习奠定良好基础。一、三相异步电动机的基本结构

笼型三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图1-1所示。

图1-1中，定子是静止不动的部分，由定子铁芯、定子绕组和机座组成。定子铁芯为圆筒形，由互相绝缘的硅钢片叠成，铁芯内圆表面的槽中放置对称的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2。

转子是旋转部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。其中转子铁芯为圆柱形，也用硅钢片叠成，表面的槽中放置由铜条或铝液浇铸而成的笼型转子绕组。

绕线型三相异步电动机的转子绕组与定子绕组一样，是由线圈组成绕组放入转子铁芯槽里形成的，可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速。绕线型异步电动机基本结构如图1-2所示。图1-1　笼型三相异步电动机基本结构图1-2　绕线型三相异步电动机基本结构二、三相异步电动机的工作原理

笼型与绕线型异步电动机只是在转子的结构上不同，它们的工作原理是一样的。电动机定子的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2可以连接成星形也可以连接成三角形，如图1-3所示。

假设将定子绕组连接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流，其波形如图1-4所示。图1-3　三相定子绕组的连接图1-4　三相定子绕组对称电流波形

用瞬时表达式描述上述三相对称电流，则分别为i=IsinωtUmi=Isin（ωt-120°）Vmi=Isin（ωt+120°）Wm

三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转，即形成所谓的旋转磁场，如图1-5所示。图1-5　三相电流产生旋转磁场

旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，如图1-6所示。

图1-6中，感应电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F并施加于导体上，电磁力F的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩，从而使电动图1-6　转子转动原机转子转动起来。理图

旋转磁场的转速n称为同步转速，其大小取0决于电流频率f和磁场的磁极对数p，对应计算公式为1式中，n的单位为r/min。0

由工作原理可知，转子的转速n必然小于旋转磁场的转速n，即0所谓“异步”。二者相差的程度用转差率s进行描述，对应计算公式为

一般异步电动机在额定负载时的转差率约为1%～9%。

对转差率计算公式进行变换，可得到三相异步电动机转子转速计算公式为三、三相异步电动机的铭牌

铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，可以帮助用户正确地选择、使用和维护电动机。图1-7所示为我国使用最多的系列三相异步电动机铭牌的一个实例。系列三相异步电动机铭牌图1-7　1. 型号

如Y-112M-4，其中各字母、数字的含义见图1-7。2. 额定值（1）额定功率P。指电动机在额定运行时，电动机轴上输出的N机械功率，单位为kW。图1-7所示型号电动机的额定功率为4.0kW。（2）额定电压U。指电动机在额定运行状态下加在定子绕组上N的线电压，单位为V。图1-7所示型号电动机的额定电压为380V。（3）额定电流I。指电动机在定子绕组上施加额定电压、电动机N轴上输出额定功率时的线电流，单位为A。图1-7所示型号电动机的额定电流为8.7A。（4）额定频率f。指电动机在额定运行状态下加在定子绕组上的N三相交流电源的频率。我国规定工业用电的频率为50Hz，有些国家采用60Hz。图1-7所示型号电动机的额定频率为50Hz。（5）额定转速n。指电动机定子施加额定频率的额定电压、轴N端输出额定功率时电动机的转速，单位为r/min。图1-7所示型号电动机的额定转速为1440r/min。3. 噪声值

噪声值是指电动机在运行时的最大噪声。一般电动机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。图1-7所示型号电动机的噪声值为74dB（A）。4. 工作制式

工作制式是指电动机允许工作的方式，共有S1～S10十种工作制式。其中S1为连续工作制式；S2为短时工作制式；其他为不同周期或者非周期工作制式。图1-7所示型号电动机的工作制式为S1。5. 绝缘等级

绝缘等级与电动机内部的绝缘材料和电动机允许工作的最高温度有关，共分A、B、D、F、H五种等级。其中A级最低，H级最高。在环境温度额定为40℃时，A级允许的最高温度为65℃，H级允许的最高温度为130℃。图1-7所示型号电动机的绝缘等级为B。6. 接线方式

三相异步电动机引出线接线方式如图1-8所示。图1-8　三相异步电动机的引出线接线方式

由图1-8可见，三相异步电动机引出线的接线方式有/△（星形／三角形）两种。图1-7所示型号电动机的接线方式为△连接。

需要指出的是，有些电动机可以两种连接方式切换工作，但是要注意工作电压，防止错误接线烧毁电动机。此外，高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用连接，只有三根引出线。对于中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成连接或△连接。7. 防护等级

IP为防护代号，第一位数字（0～6）规定了电动机防固体的等级标准，第二位数字（0～8）规定了电动机防液体的等级标准。数字越大，防护等级越高，如IP00为无防护。8. 其他

除了上述重要技术参数外，电动机铭牌一般还给出商标、出厂编号、质量、标准编号和出厂日期等参数。

此外，对于绕线型异步电动机还必须标明转子绕组接法、转子额定电动势及转子额定电流。有些还标明了电动机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。四、三相异步电动机的选用及维护

三相异步电动机产品种类繁多，性能各异。合理选用及维护保养三相异步电动机，是电气工程类技术人员的必备技能。1. 三相异步电动机的选用

正确选用三相异步电动机直接关系到人身的安全和设备的可靠运行。下面介绍选用三相异步电动机一般应遵循的原则。

1）按现有的电源供电方式及容量选择电机额定电压及功率（1）目前我国供电电网频率为50Hz，主要常用电压等级有110V、220V、380V、660V、1000V（1140V）、3000V、6000V、10000V。（2）电动机功率除了应满足拖动的机械负载要求外，还应考虑是否具备足够容量的供电网络。

2）电机类型选择

电机类型的选择要考虑使用要求、运行地点环境污染情况和气候条件等因素。

3）外壳防护等级选择

外壳防护等级的选择直接涉及人身安全和设备的可靠运行，应根据电动机使用场合、防止人体接触到电机内部危险部件、防止固体异物进入机壳内、防止水进入壳内对电机造成有害影响来选择。

电机外壳防护等级由字母IP加二位特征数字组成，第一位特征数字表示防固体，第二位特征数字表示防液体。

如IP44：第一位特征数字是表示防护大于1mm的固体进入电机，能防止直径或厚度大于1mm的导线或直条触及或接近机壳内带电或转动部件；第二位特征数字是表示防溅水，即电机能承受任何方向的溅水而无有害影响。

又如IP23：第一位特征数字是表示防护大于12mm的固体进入电机，能防止手指或长度不超过80mm的类似物体触及或接近机壳内带电或转动部件，能防止大于12mm的固体异物进入机壳内；第二位特征数字是表示防滴水，即与垂直线成60°角范围内的滴水应无有害影响。

以上特征数字越大即表示防护等级越高，详情可查阅GB/T4942.1—2001《旋转电机外壳防护分级（IP代码）》标准。

4）安装结构形式选择

应按配套设备的安装要求选用合适的电机安装形式，安装形式采用代号IM作为国际统一标注形式。大写字母B代表卧式安装，V代表立式安装，再用1位或2位阿拉伯数字表示结构特点和类型。一般卧式安装形式表示为IMB3，即两个端盖，有机底、底脚，有轴伸，安装在基础构件上；一般立式安装形式表示为IMV1，即两个端盖，无底脚，轴伸向下，端盖上带凸缘，凸缘带有通孔，凸缘在电机的传动端，借凸缘在底部安装。其他安装结构可查阅GB/T 997—2003《旋转电机结构及安装形式（IM代号）》标准。

5）综合选择

综合考虑投资及运行费用，应使整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。2. 三相异步电动机的维护保养

三相异步电动机的维护保养包括启动前的准备、检查和运行中的维护。

1）电动机启动前的准备和检查（1）检查电动机及启动设备接地是否可靠和完整，接线是否正确与良好。（2）检查电动机铭牌所示电压、频率与电源电压、频率是否相符。（3）新安装或长期停用的电动机启动前应检查绕组相对相、相对地绝缘电阻。绝缘电阻应大于0.5MΩ，如果低于此值，须将绕组烘干。（4）对绕线型转子应检查其集电环上的电刷装置是否能正常工作，电刷压力是否符合要求。（5）检查电动机转动是否灵活，滚动轴承内的油是否达到规定油位。（6）检查电动机所用熔断器的额定电流是否符合要求。（7）检查电动机各紧固螺栓及安装螺栓是否拧紧。

上述各检查全部达到要求后，可启动电动机。电动机启动后，空载运行约30min，注意观察电动机是否有异常现象。如发现噪声、震动、发热等不正常情况，应采取措施，待情况消除后，才能投入运行。

启动绕线型电动机时，应将启动变阻器接入转子电路中。对有电刷提升机构的电动机，应放下电刷，并断开短路装置，合上定子电路开关，扳动变阻器。当电动机接近额定转速时，提起电刷，合上短路装置，电动机启动完毕。

2）电动机运行中的维护（1）电动机应经常保持清洁，不允许有杂物进入电动机内部；进风口和出风口必须保持畅通。（2）用仪表监视电源电压、频率及电动机的负载电流。电源电压、频率要符合电动机铭牌数据，电动机负载电流不得超过铭牌上的规定值，否则要查明原因，采取措施，待不良情况消除后方能继续运行。（3）采取必要手段检测电动机各部位温升。（4）对于绕线型电动机，应经常注意电刷与集电环间的接触压力、磨损及火花情况。电动机停转时，应断开定子电路内的开关，然后将电刷提升机构扳到启动位置，断开短路装置。（5）电动机运行后定期维修，一般分小修、大修两种。小修属一般检修，对电动机启动设备及整体不做大的拆卸，约一季度一次；大修要将所有传动装置及电动机的所有零部件都拆卸下来，并将拆卸的零部件做全面的检查及清洗，一般一年一次。思考与练习

1. 简述交流电动机的分类方法。

2. 三相异步电动机主要由哪些部分组成？各部分作用是什么？

3. 简述三相异步电动机的工作原理。

4. 三相异步电动机铭牌主要包括哪些技术参数？

5. 简述三相异步电动机的选用原则。课题二　认识直流电动机

直流电动机是通以直流电流的旋转电机，是将直流电能转换为机械能的设备。与交流电动机相比，其优点是调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合应用广泛；不足之处是直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。一、直流电动机的基本结构与工作原理

直流电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图1-9所示。

定子是静止不动的部分，主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖与电刷等装置组成。其中主磁极由磁极铁芯和励磁绕组组成，磁极铁芯由1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。当在励磁绕组中通入直流电流后，便产生旋转磁场。主磁极可以有一对、两对或更多对，它用螺栓固定在机座上。换向磁极也是由铁芯和绕组组成，位于两主磁极之间，其作用是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减少电刷与换向片之间的火花。

电枢是直流电动机中的转动部分，故又称为转子，主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。电枢由硅钢片叠成，并在表面嵌有绕组（电枢绕组）（为直观，图中只画出了一匝）。绕组的首端和末端接在与电枢铁芯同轴转动的一个换向片上，同固定在机座上的电刷连接，而后者与外加的电枢电源相连。图1-9　直流电动机的基本结构和模型图

直流电动机的基本工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础上的。当电枢绕组中通过直流电流时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁力和电磁转矩，驱动转子旋转。直流电动机产生的电磁转矩由下式表示：T=KΦImd式中，T——电磁转矩，N·m；Φ——一对磁极的磁通量，Wb；I——电枢电流，A；dK——与电动机结构有关的常数（称为转矩常数），mK=PN/2πα，其中，P为磁极对数，N为切割磁通的m电枢总导体数，α为电枢绕组并联支路数。二、直流电动机的励磁方式

直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按直流电动机励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机与复励直流电动机4种，如图1-10所示。图1-10　直流电动机的励磁方式

其中图1-10（a）为他励直流电动机，励磁绕组与电枢绕组分别用两组独立的直流电源供电；图1-10（b）为并励直流电动机，励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电；图1-10（c）为串励直流电动机，励磁绕组与电枢绕组串联，由同一直流电源供电；图1-10（d）为复励直流电动机，既有并励绕组，又有串励绕组。

一般情况下，直流电动机并励绕组的电流较小，导线较细，匝数较多；串励绕组的电流较大，导线较粗，匝数较少：因而不难辨别。三、直流电动机的铭牌数据和主要系列1. 直流电动机的铭牌数据

直流电动机产品种类繁多，铭牌样式也各不相同。图1-11是我国使用较多的Z4系列直流电动机铭牌。图1-11　Z4系列直流电动机铭牌

铭牌中各数据的含义与异步电动机铭牌相似，读者可参照进行识读。2. 直流电动机主要系列

直流电动机主要系列有：

Z4系列：一般用途的小型直流电动机；

ZT系列：广调速直流电动机；

ZJ系列：精密机床用直流电动机；

ZTD系列：电梯用直流电动机；

ZZJ系列：起重冶金用直流电动机；

ZD2ZF2系列：中型直流电动机；

ZQ系列：直流牵引电动机；

Z-H系列：船用直流电动机；

ZA系列：防爆安全用直流电动机；

ZLJ系列：力矩直流电动机。四、直流电动机的选用

正确选用直流电动机是构建直流电动机电气控制系统的关键。下面介绍选用直流电动机应遵循的一般原则。1. 直流电动机额定功率的选择

额定功率选择的原则：所选额定功率要能满足生产机械在拖动的各个环节（启动、调速、制动等）对功率和转矩的要求并在此基础上使直流电动机得到充分利用。

额定功率选择的方法：根据生产机械工作时负载（转矩、功率、电流）大、小变化特点，预选直流电动机的额定功率，再根据所选直流电动机额定功率校验过载能力和启动能力。2. 直流电动机种类的选择

直流电动机种类选择时应考虑的主要内容有以下几项。（1）直流电动机的机械特性应与所拖动生产机械的负载特性相匹配。（2）直流电动机的调速性能应满足生产机械要求。对调速性能的要求在很大程度上决定了直流电动机的种类、调速方法以及相应控制方法。（3）直流电动机的启动性能应满足生产机械对直流电动机启动性能的要求，直流电动机的启动性能主要是启动转矩的大小，同时还应注意电网容量对直流电动机启动电流的限制。（4）经济性：一是直流电动机及其相关设备（如启动设备、调速设备等）的经济性；二是直流电动机拖动系统运行的经济性，主要是要效率高，节省电能。3. 直流电动机额定电压的选择

直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，最常用的电压等级为220V。4. 直流电动机额定转速（1）对不需要调速的高、中速生产机械，可选择相应额定转速的直流电动机，从而省去减速传动机构。（2）对不需要调速的低速生产机械，可选用相应的低速直流电动机或者传动比较小的减速机构。（3）对经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启动、制动时间以提高生产率。启动、制动时间的长短主要取决于直流电动机的飞轮矩和额定转速。应选择较小的飞轮矩和额定转速。（4）对调速性能要求不高的生产机械，可选用多速直流电动机或者选择额定转速稍高于生产机械的直流电动机配以减速机构，也可以采用电气调速的直流电动机拖动系统。在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。（5）对调速性能要求较高的生产机械，应使直流电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。思考与练习

1. 简述直流电动机的工作原理。

2. 直流电动机的励磁方式有哪几种？请画出其电路。

3. 直流电动机一般为什么不允许采用全压启动？

4. 简述直流电动机的选用原则。课题三　电气控制系统设计概述

电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。其中电气原理图设计是为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制线路的设计；电气工艺设计是为电气控制装置的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产施工设计。本课题针对电气控制系统设计过程和设计中的一些共性问题进行研究，也对电气控制装置的施工设计和施工的有关问题进行简要介绍。一、电气控制系统设计的原则与内容1. 电气控制系统设计基本原则

设计工作的首要问题是明确设计要求，拟定总体技术方案，使设计的产品经济、可靠、先进、实用及维护方便等。在电气控制系统设计中，一般应遵循以下基本原则：（1）最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。由于这些要求是电气控制系统设计的依据，故在设计前，应深入生产现场进行调查，搜集资料，会同与生产过程有关的人员、机械部分设计人员、实际操作者，明确控制要求，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中的各种问题，使设计成果满足要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求使电气控制系统简单、经济、合理、便于操作、维护方便、安全可靠，不盲目追求自动化水平和各种控制参数的高指标化。（3）正确、合理地选用电气元件，确保电气控制系统正常工作，同时考虑技术进步，造型美观等因素。（4）为适应生产的发展和工艺的改进，设备能力应留有适当余量。2. 电气控制系统设计基本内容

电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计和编制出电气设备制造和使用维护中必备的图样和资料等。图样常用的有电气原理图、元器件布置图、安装接线图等，资料主要有元器件清单及设备使用说明书等。

电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分，其中电气原理图设计是电气控制系统设计的中心环节，是工艺设计和编制其他技术资料的依据。

1）电气原理图设计内容（1）拟定电气设计任务书，明确设计要求。（2）选择电力拖动方案和控制方式。（3）确定电动机类型、型号、容量、转速。（4）设计电气原理图。（5）选择电气元器件，拟定元器件清单。（6）编写电气说明书和操作使用说明书。

2）电气工艺设计内容（1）根据设计出的电气原理图和选定的电气元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装配图和总接线图。总图应反映出电动机、执行电器、电气柜各组件、操作台布置、电源以及检测元器件的分布情况和各部分之间的接线关系及连接方式，以便总装、调试及日常维护使用。（2）绘制各组件电气元器件布置图与安装接线图，表明各电气元器件的安装方式和接线方式。（3）编写使用维护说明书等其他技术文件。二、电力拖动方案的确定和电动机选型

电力拖动方案是指确定传动电动机的类型、数量、传动方式及电动机的启动、运行、调速、转向、制动等控制要求，为电气原理图设计及电气元件选型提供依据，是电气控制设计的主要内容之一。确定电力拖动方案必须依据生产机械的精度、工作效率、结构以及运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件。1. 电力拖动方案的确定

首先根据生产机械结构、运行情况和工艺要求选择电动机的种类和数量，然后根据各运动部件的调速要求选择调速方案。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速特性与负载特性相适应，以使电动机获得合理充分的利用。（1）电力拖动方式的选择。电力拖动方式有单独拖动和集中拖动两种。电力拖动发展的趋势是电动机接近工作机构，形成多电动机的拖动方式。采用该拖动方式，不仅能缩短机械传动链，提高传动效率，便于实现自动控制，而且也能使总体结构得到简化。所以，应根据工艺要求与结构情况决定合适的拖动方式，并进一步决定所需的电动机数量。（2）调速方案的选择。一般生产机械根据生产工艺要求都要求能够调节电动机转速，不同机械有不同的调速范围和调速精度。为满足不同调速性能，应选用不同的调速方案，如采用机械变速、多速电动机变速和变频调速等。随着电力电子技术的发展，变频调速已成为各种机械设备调速的主流。（3）电动机调速性质应与负载特性相适应。机械设备的各个工作机构，具有各自不同的负载特性，如生产机械的主运动为恒功率负载运动，而进给运动为恒转矩负载运动。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速性质与拖动生产机械的负载性质相适应，这样才能使电动机性能得到充分的发挥。如双速笼型异步电动机，当定子绕组由三角形连接改接成双星形连接时，转速增加一倍，功率却增加很少，因此适用于恒功率传动；对于低速时为星形连接的双速电动机改接成双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机输出的转矩保持不变，因此适用于恒转矩传动。2. 拖动电动机的选择

拖动电动机的选择包括电动机的种类、结构形式及各种额定参数。

1）电动机选择的基本原则

拖动电动机选择一般应遵循如下基本原则：（1）电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与负载的特性相适应。保证运行稳定且具有良好的启动性能和制动性能。（2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。（3）电动机结构形式要满足机械设计提出的安装要求，适合周围环境工作条件的要求。（4）在满足设计要求的前提下，优先采用结构简单、价格便宜、使用与维护方便的三相异步电动机。

2）根据生产机械调速要求选择电动机

在一般情况下选用三相笼型异步电动机或双速三相电动机；在既要一般调速又要求启动转矩大的情况下，选用三相绕线型异步电动机；当调速要求高时选用直流电动机或带变频调速的交流电动机来实现。

3）电动机结构形式的选择

按生产机械不同的工作制相应选择连续工作、短时及断续周期性工作制的电动机；按安装方式有卧式和立式两种，由生产机械具体拖动情况决定。根据不同工作环境选择电动机的防护形式：开启式适用于干燥、清洁的环境；防护式适用于干燥和灰尘不多，没有腐蚀性和爆炸性气体的环境；封闭自扇冷式与他扇冷式用于潮湿、多腐蚀性灰尘、多风雨侵蚀的环境；全封闭式适用于浸入水中的环境；防爆式适用于有爆炸危险的环境等。

4）电动机额定参数的选择

电动机额定参数的选择主要包括额定电压、额定转速、额定功率等。其中额定功率根据生产机械的功率负载和转矩负载选择，使电动机的容量得到充分利用。

一般情况下，为了避免复杂的计算过程，电动机容量的选择往往采用统计类比或根据经验，采用工程估算方法，但这通常带来的是较大的宽裕度。三、电气控制系统原理图设计

电气控制系统原理图有两种设计方法：一种是分析设计法，另一种是逻辑分析设计法。下面对这两种设计方法分别进行简要介绍。1. 分析设计法简介

所谓分析设计法就是根据生产机械生产工艺要求直接设计出控制线路。在具体的设计过程中常有两种做法：一种是根据生产机械的工艺要求，适当选用现有的典型电控环节，将它们有机地组合起来，综合成所需要的控制线路；另一种是根据生产机械工艺要求自行设计，随时增加所需的电气元件和触点，以满足给定的工作条件。

1）分析设计法的基本步骤

利用分析设计法设计电气控制系统的基本步骤如下：（1）按工艺要求提出的启动、制动、正反转及调速等要求设计主电路。（2）根据所设计出的主电路，设计控制线路的基本环节，即满足设计要求的启动、制动、正反转及调速等基本控制环节。（3）根据各部分运动要求的配合关系及联锁关系，确定控制参量并设计控制线路的特殊环节。（4）分析电路工作中可能出现的故障，加入必要的保护环节。（5）综合审查，仔细检查电气控制系统动作是否正确。关键环节可做必要实验，进一步完善和简化电路。

2）分析设计法的特点

分析设计法具有如下特点：（1）易于掌握，使用广泛，但一般不易获得最佳设计方案。（2）要求设计者具有一定的实际经验，在设计过程中往往会因考虑不周而发生差错，影响系统的可靠性。（3）当系统达不到要求时，多用增加触点或电器数量的方法加以解决，所以设计出的电路常常不是最简单经济的。（4）需要反复修改草图，一般需要进行模拟实验，设计速度慢。2. 逻辑分析设计法简介

逻辑分析设计法是根据生产机械生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、化简、设计控制系统的方法。这种设计方法是将电气控制系统中的继电器、接触器线圈的通、断以及触点的断开、闭合等看成逻辑变量，并根据生产机械控制要求将它们之间的关系用逻辑表达式进行描述，然后运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，再根据最简逻辑表达式画出相应的电路结构图，最后再做进一步的检查和完善，即能获得所需要的控制线路。利用逻辑分析设计法设计电气控制系统的一般步骤如下：（1）充分研究加工工艺过程，绘制工作循环图或工作示意图。（2）按工作循环图绘制执行元件及检测元件状态表。（3）根据状态表，设置中间记忆元件，并列写中间记忆元件及执行元件逻辑表达式。（4）根据逻辑表达式建立电路结构图。（5）进一步完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节，检测系统是否符合原控制要求，有无寄生电路，是否存在触点竞争等现象。

完成以上步骤，即可得到一张完整的生产机械电气控制原理图。

对于具体的设计方法，限于篇幅，本书不做深入介绍，感兴趣的读者可参阅相关文献资料自行学习。四、电气控制系统工艺设计

在完成电气原理图设计及电气元件选择后，就应进行电气控制系统的工艺设计，目的是为了满足机床电气控制设备的制造和使用等要求。1. 电气设备总体配置设计

生产机械总体装配设计是以电气控制系统的总装配图与总接线图形式来描述的。图中应以示意形式反映出机电设备部分主要组件的位置及各部分接线关系、走线形式及使用管线要求等。

总装配图、接线图是进行分部设计和协调各部分组成一个完整系统的依据。总体设计要使整个系统集中、紧凑，同时在场地允许条件下，对发热严重、噪声和振动大的电气部件，如电动机组、启动电阻箱等尽量放在离操作者较远的地方或隔离起来；对于多工位加工的大型设备，应考虑多地操作的可能；总电源紧急停止控制应安装在方便而明显的位置。总体配置计划合理与否将影响到机床电气控制系统工作的可靠性，并关系到机床电气控制系统的制造、装配、调试、操作以及维护是否方便。进行机床电气设备总体装配设计时，还需要考虑划分组件和接线方式的问题。

1）划分组件的原则

生产机械中各种电动机及各类电气元件根据各自的功能，都有一定的装配位置，在构成一个完整的电气控制系统时，必须划分组件。划分组件的基本原则如下：（1）功能类似的元件组合在一起。例如用于机床操作的各类按钮、开关、键盘、指示检测等元件集中为控制面板组件；各种继电器、接触器、熔断器、控制变压器等控制电气集中为电气板组件；各类控制电源、整流、滤波元件集中为电源组件等。（2）尽可能减少组件之间的连线数量，接线关系密切的控制电器置于同一组件中。（3）强、弱电控制器分离，以减少干扰。（4）力求整齐美观，外形尺寸、重量相近的电器组合在一起。（5）便于检查与调试，需经常调节、维护和易损元件组成在一起。

2）电气控制设备的各部分及组件之间的接线方式（1）电器板、控制板、电气元件的进出线一般采用接线端子（按电流大小及进出线数量选用不同规格的接线端子）。（2）电器箱与被控制设备之间采用多孔接插件，便于拆装、搬运。（3）印制电路板及弱电控制组件之间宜采用各种类型的标准接插件。2. 电气元件布置图设计及电气部件接线图绘制

总体配置设计确定了各组件的位置和接线方式后，就要对每个组件的电气元件进行设计。机床电气元件的设计包括布置图、接线图、电气控制箱及非标准零件图的设计。

1）电气元件布置图

电气元件布置图是依据生产机械电控总原理图中的部分原理图设计的，是某些电气元件按一定原则的组合。布置图根据电气元件的外形绘制，并标出各元件的间距尺寸。每个电气元件的安装尺寸及其公差范围，应严格按产品手册标准标注，作为底板加工依据，以确保各电气元件的顺利安装。同一组件中电气元件的布置要注意如下事项：（1）体积大和较重的电气元件应安装在电器板的下面，而发热元件应安装在电器板的上面。（2）强、弱电分开并注意弱电屏蔽，防止外界干扰。（3）需要经常维护、检修、调整的电气元件安装位置不宜过高或过低。（4）电气元件的布置应考虑整齐、美观、对称，外形尺寸与结构类似的电气元件安装在一起以利于加工、安装和配线。（5）电气元件布置不宜过密，要留有一定的间距，若采用板前走线槽配线方式，应适当加大各排元件间距，以利布线和维护。

各电气元件的位置确定以后，便可绘制电气布置图。在电气布置图设计中，还要根据本部件进出线的数量（由部件原理图统计出来）和采用导线规则，选择进出线方式，并选用适当接线端子板和接插件，按一定顺序标上进出线的接线号。

2）电气部件接线图

电气部件接线图是部件中各电气元件的接线图。电气元件的接线要注意如下事项：（1）接线图和接线表的绘制应符合GB/T 6988.3《电气技术用文件的编制第3部分：接线图和接线表》的规定。（2）电气元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大。（3）所有电气元件及其引出线应标注与电气原理图中相一致的文字符号及接线号。（4）在接线图中，同一电气元件的各个部分（线圈、触点等）必须画在一起。（5）电气接线图一律采用细线条，走线方式有板前走线及板后走线两种，一般采用板前走线。对于简单电气控制部件，电气元件数量较少，接线关系不复杂，可直接画出元件间的连线。但对于复杂部件，电气元件数量多，接线较复杂的情况，一般是采用走线槽，只需在各电气元件上标出接线号，不必画出各元件间的连线。（6）接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色要求。（7）部件的进出线除大截面导线外，都应经过接线板，不得直接进出。

3）电气控制箱及非标准零件图的设计

在电气控制系统比较简单时，控制电器可以附在生产机械内部；由于生产环境及操作的需要或在控制系统比较复杂的情况下，通常都带有单独的电气控制箱，以利于制造、使用和维护。

电气控制箱设计要考虑箱体尺寸及结构，是否满足方便安装、调整及维修要求并利于箱内电器的通风散热。

大型机床控制系统，电气控制箱常设计成立柜式或工作台式，小型机床控制设备则设计成台式、手提式或悬挂式。

4）清单汇总和说明书的编制

在电气控制系统原理图设计及工艺设计结束后，应根据各种图样，对本生产机械需要的各种零件及材料进行综合统计，按类别绘出外购成品件汇总清单表、标准件清单表、主要材料消耗定额表及辅助材料消耗定额表。

生产机械电气控制系统设计及使用说明书是设计审定及调试、使用、维护机床过程中必不可少的技术资料。机床电气控制系统设计及使用说明书应包含的主要内容如下：（1）拖动方案选择依据及本设计的主要特点。（2）电气控制系统设计主要参数的计算过程。（3）电气控制系统各项技术指标的核算与评价。（4）电气控制系统设备调试要求与调试方法。（5）电气控制系统使用、维护要求及注意事项。思考与练习

1. 简述电气控制系统设计基本原则。

2. 简述电气控制系统设计基本内容。

3. 简述分析设计法、逻辑分析设计法的基本步骤。第二单元　电气控制系统常用低压电器知识目标

1. 了解低压电器种类、型号和常用术语；

2. 熟悉常用低压电器功能、结构和工作原理；

3. 熟记常用低压电器的图形符号和文字符号。能力目标

1. 能根据三相异步电动机铭牌数据正确选用低压电器的型号和规格；

2. 能根据低压电器的外形结构识别各种电器；

3. 能熟练地拆装、维护常用低压电器；

4. 能正确地调整常用低压电器的各种参数。课题一　低压电器概述

所谓电器是指能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节的元件或设备。

根据工作电压的高低，电器可分为高压电器和低压电器。工作在交流50Hz或60Hz、额定电压1200V及以下或直流额定电压1500V及以下的电器称为低压电器。低压电器作为一种基本器件，广泛应用于输配电系统和电力拖动系统中，在实际生产中起着非常重要的作用。一、低压电器的分类

低压电器的用途广泛，功能多样，结构各异，种类繁多，分类的方法也很多，常见的分类方法见表2-1。常见的低压电器如图2-1所示。表2-1　低压电器常见的分类方法图2-1　常见的几种低压电器二、低压电器的电磁机构及执行机构

电磁式电器在低压电器中占有十分重要的地位，在电气控制系统中应用最为普遍。电磁式电器主要由电磁机构和执行机构组成，其中电磁机构可分为交流和直流两种，执行机构则可分为触点系统和灭弧装置两部分。1. 电磁机构

电磁机构的主要作用是将电能转换成机械能，驱动电器触点动作，实现对电路的通断控制。

电磁机构由铁芯、衔铁和线圈等部分组成，其工作原理是：当线圈中有工作电流通过时，电磁吸力克服弹簧的反作用力，使衔铁与铁芯闭合，由连接机构带动相应的触点动作，实现通断电路的控制功能。电磁式电器常用电磁机构如图2-2所示。图2-2　电磁式电器常用电磁结构1—衔铁　2—铁芯　3—电磁线圈

图2-2（a）为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，其铁芯材料由电工软铁制成，广泛应用于低压直流电器领域。图2-2（b）为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，铁芯形状有E形和U形两种，其铁芯材料由硅钢片叠成，常用于触点容量较大的交流电器领域。图2-2（c）为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯，其铁芯材料也由硅钢片叠成，常用于触点容量为中、小容量的交流接触器和继电器领域。

电磁线圈由漆包线绕制而成。按通入线圈电流性质的不同，分为直流线圈和交流线圈两大类。当线圈通过工作电流时产生足够的磁动势，在磁路中形成磁通，使衔铁获得足够的电磁力，从而克服弹簧的反作用力而吸合。实际应用时，由于直流线圈仅有线圈发热，所以线圈匝数多、导线细，常制成细长型，且不设线圈骨架，线圈与铁芯直接接触，利于线圈的散热。而交流线圈由于铁芯和线圈均发热，故线圈匝数少、导线粗，常制成短粗型，且设置线圈骨架，铁芯与线圈隔离，利于铁芯和线圈的散热。2. 触点系统

触点系统是电器的执行机构，其作用是接通或分断电路。因此要求触点具有良好的接触性能。实际应用时，由于银的氧化膜电阻率与纯银相似，可以避免触点表面氧化而使电阻率增加造成接触不良，所以在电流容量较小的电器中得到广泛应用。

触点系统结构主要有桥式和指式两类。触点系统常用结构形式如图2-3所示。图2-3　触点系统结构形式

图2-3（a）、图2-3（b）为桥式触点，其中图2-3（a）为点接触式触点，适用于电流容量较小、触点压力小的场合；图2-4（b）为面接触式触点，适用于电流容量较大的场合。图2-3（c）为指式触点，其接触区域为一直线（长方形截面），触点在结构设计时，应使触点在接通或断开时产生滚、滑动过程，以去除氧化膜，减少接触电阻，适用于接通次数多、电流容量大的场合。3. 灭弧装置

电器的动静触点在分断电路时，由于接触电阻引起触点温升，从而引起热电子发射，同时触点间距离小，电场强度极大，在该强电场的作用下，气隙中电子高速运动产生碰撞游离。在该游离因素的作用下，触点间的气隙中会产生大量带电粒子使气体导电，形成炽热的电子流，并伴有强烈的声、光和热效应的弧光现象，即为电弧。根据电流性质的不同，电弧分直流电弧与交流电弧两种。

由于电弧的高温能将电器触点烧毁，并可能造成其他事故，故应采取适当措施迅速熄灭电弧。低压电器灭弧，主要采取的措施有：①迅速增加电弧长度，使得单位长度内维持电弧燃烧的电场强度不足而使电弧熄灭；②使电弧与液体介质或固体介质相接触，加速冷却以增强去游离作用，使电弧迅速熄灭。由于交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。

目前，低压电器常用灭弧方法主要有磁吹灭弧法和栅片灭弧法两种。

1）磁吹灭弧法

图2-4所示为磁吹灭弧装置示意图。

由图2-4可见，磁吹灭弧装置由磁吹线圈、引弧角和导弧磁夹板等部件组成。磁吹线圈产生的磁场其磁通比较集中，它经铁芯和导弧磁夹板进入电弧空间。于是，电弧在磁场的作用下，在灭弧罩内部迅速向上运动，并在引弧角处被拉到最长。在运动过程中，电弧一方面被拉长，另一方面又被冷却，因此电弧能迅速熄灭。这种方法适合低压直流接触器等领域。

2）栅片灭弧法

图2-5所示为栅片灭弧装置示意图。图2-4　磁吹灭弧装置示意图1—磁吹线圈　2—绝缘套　3—铁芯　4—引弧角　5—导弧磁夹板　6—灭弧罩　7—动触点　8—静触点图2-5　栅片灭弧装置示意图1—灭弧栅片　2—触点　3—电弧

由图2-5可见，栅片灭弧装置由灭弧栅片（由多片镀铜薄钢片组成）等部件组成。当电器触点断开时，电弧在吹弧电动力的作用下被推向栅片，电弧被栅片分割成数段串联短电弧，而栅片变成短电弧的电极。栅片的作用还在于能导出电弧的热量，使电弧迅速冷却，同时每两片灭弧栅片可以看成一对电极，而每对电弧间都有150～250V的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘大大加强，而栅片间的电压却不足以达到电弧燃烧的电压。所以，电弧进入灭弧栅后就能很快地熄灭。三、低压电器的常用术语

低压电器的常用术语见表2-2。表2-2　低压电器的常用术语思考与练习

1. 什么是电器？什么是低压电器？列举几种你所知道的电器。

2. 低压电器是怎样进行分类的？

3. 低压电器的电磁机构及执行机构的作用是什么？

4. 低压电器常用的术语有哪些？它们的含义是什么？课题二　低压熔断器

低压熔断器是低压配电系统和电力拖动系统中主要用作短路保护的电器，通常简称为熔断器。图2-6（a）所示为RL1系列螺旋式熔断器外形图，图2-6（b）所示为熔断器的图形、文字符号。图2-6　熔断器外形图和图形、文字符号

使用时，熔断器应串联在被保护的电路中。正常情况下，熔断器相当于一段导线；当电路发生短路故障或通过熔断器的电流达到或超过某一规定值时，以其自身的发热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护功能。熔断器的结构简单，动作可靠，使用维护方便，因而得到了广泛应用。一、熔断器的结构及主要参数1. 熔断器的结构

熔断器主要由熔体、熔管和熔座3部分组成，如图2-6（a）所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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