电气原理图设计的技术要点

为确保电气控制系统工作的可靠性和安全性，简化电路，减少电器触点，提高电路可靠性、合理性，在设计电气控制系统原理图时，必须注意以下技术问题。

1.尽量减少控制电路中电源的种类

电源有交流和直流两大类，接触器和继电器等电器也有交流和直流两大类，设计时要尽量采用同一类电源，控制电压等级应符合标准等级。在控制电路比较简单，电气元件不多的情况下，可直接采用电网电压，即交流380V、220V供电，以省去控制变压器。对于比较复杂的控制电路，控制电路应采用控制电源变压器，将控制电压由交流380V、220V降至110V、36V、24V、6.3V，一般机床照明电路采用36V以下电源。一般这些不同的电压等级，尽量由一个控制变压器实现的。

直流控制电路多用220V或110V。对于直流电磁铁、电磁离合器，尽量用24V直流电源供电。

2.尽量减少电器的数量和种类

尽量采用标准件和尽可能选用相同型号的电器，设计电路时，应减少不必要的触点以简化电路，提高电路的可靠性。若把如图4-4a所示电路改接成如图4-4b所示电路，就可以减少一个触点，既有利于减少电器，又增加工作可靠性。

图4-4 触点的合理使用

3.合理使用电器触点

在复杂的继电-接触器控制电路中，各类接触器、继电器数量较多，使用的触点也多，线路设计应注意以下问题。

1）主副触点的使用量不能超过限定对数，因为各类接触器、继电器的主副触点数量是一定的。设计时应注意尽可能减少触点使用数量，采用逻辑设计化简方法，改变触点的组合方式，以减少触点使用数量。在简化过程中也应注意触点的额定电流，并考虑对其他回路的影响。在图4-5中，列举了一些触点简化的例子。

2）检查触点容量是否满足控制要求，避免因使用不当而出现触点烧坏、熔焊的故障，要合理安排接触器主副触点的位置，避免用小容量继电器去切断大容量负载。总之，要计算触点断流容量是否满足被控制负载的要求，还要考虑负载性质（阻性、容性、感性等），以保证触点工作寿命和可靠性。

4.尽量减少导线数量和缩短连接导线的长度

在设计控制电路时，要考虑各电器之间的实际接线情况，特别要注意电器柜、操作台和位置开关之间的连接线。例如，如图4-6b、d所示的接线就不合理，因为按钮通常是安装在操作台上，而接触器则安装在电器柜内，同一电器（接触器KM线圈和辅助常开触头）上的元件却不能就近连接。而图4-6a、c所示的接线是合理的，从图4-6a看，向操作台的实际引线是3条，而图4-6b则是4条；如图4-6c、d考虑到SB1与SB3、SB2与SB4分别两地操作，则图4-6c就比图4-6d少用了连接导线。

图4-5 触点化简和合并

图4-6 电气元件合理连线

5.应正确连接电器的线圈

1）在设计控制电路时，电器线圈的一端应接在电源的同一端。如图4-7a所示，继电器、接触器以及其他电器的线圈一端，统一接在电源的同一侧，使所有电器的触点在电源的另一侧。这样当某一电器的触点发生短路故障时，不致引起电源短路。同时安装接线也方便。

2）电器线圈不能串联使用。两个交流电器的线圈串联使用时，至少一个线圈至多得到1/2的电源电压，又由于吸合的时间不尽相同，只要有一个电器吸合动作，它的线圈上的压降也就增大，从而使另一电器达不到所需要的动作电压。如图4-7b中，KM1与KT串联使用是错误的，应如图4-7a中KM1和KT两电器线圈并联使用。

对于电感较大的电器线圈，例如电磁阀、电磁铁或直流电机励磁线圈等，则不宜与相同电压等级的接触器或中间继电器的线圈直接并联工作，否则在接通或断开电源时，会造成后者的误动作。

图4-7 正确连接电器的线圈

6.尽量减少通电电器的数量

图4-8所示为三相异步电动机串电阻减压起动的控制电路，图4-8a中，电动机起动后，接触器KM1和时间继电器KT就失去了作用，但仍然需要长期通电，以保证对起动电阻短接，从而使能耗增加，电器寿命缩短。采用如图4-8b所示电路，就可以在电动机起动后切除KM1和KT，既节约了电能，又延长了电器的使用寿命。时间继电器用来传递时间信号，在其完成传递任务后，应尽可能切除。(www.xing528.com)

图4-8 三相异步电动机串电阻减压起动电路

7.尽量减少控制环节

要避免采用许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制电路。在图4-9a、b所示电路中，接触器KM1得电动作后，接触器KM2才能得电动作，接触器KM2得电动作后，接触器KM3才能得电动作。接触器KM3的得电动作要通过接触器KM1和KM2两个电器的动作，若接成如图4-9c所示电路，接触器KM3的动作只需接触器KM1一个电器动作，而且只需使用一对触点，接触器KM3工作更为可靠。

8.应避免出现寄生回路

在控制电路出现故障或动作过程中，意外接通或非正常接通的电路叫寄生回路。在设计电路时要避免出现寄生回路，因为它会破坏电气元件和控制电路的动作顺序，损坏电器。图4-10a所示电路是一个具有指示灯和过载保护的正反转控制电路。在正常工作时，能完成正反转起动、停止和信号指示，但当热继电器FR动作时，电路就出现了寄生回路。这时虽然FR的常闭触点已断开，但由于存在寄生回路，仍有电流沿着图4-10a中虚线所示的路径流过KM1线圈，使正转接触器KM1不能可靠释放，起不到过载保护作用。对于图4-10b所示电路，当SA接通时，接触器KM1、KM2能正常工作。而当SA断开时，产生寄生回路。如图4-10b中虚线所示，时间一长，接触器KM1、KM2线圈会因电压不正常而烧毁。

图4-9 减少控制环节电路

图4-10 寄生回路

9.避免“临界竞争和冒险现象”的产生

图4-11a所示电路的本意是，按下SB2后，接触器KM1和时间继电器KT线圈得电，电动机M1运转（接触器KM1控制），经过时间继电器KT延时，电动机M1停转，电动机M2运转（接触器KM2控制）。该电路在实际工作中会产生有时能正常转换，有时不能正常转换，原因在于图4-11a所示电路设计不可靠，存在“临界竞争”现象。即时间继电器KT延时到后，其延时常闭触点总是先断开而延时常开触点后闭合，当延时常闭触点先断开后，时间继电器KT线圈随即断电，由于线圈磁场不能突变为零和衔铁复位需要时间，故有时延时常开触点来得及闭合，但有时因受到某些干扰而失控，接触器KM2线圈不能得电，电动机M2不能运转。若将时间继电器KT延时常闭触点换为接触器KM2常闭触点，则电路就绝对可靠了，改进后的电路如图4-11b所示。请读者自行分析其工作原理。

10.综合考虑机床使用维修、电器保护等问题

1）电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便，以及检测仪表、信号指示、报警、照明等要求。例如设置必要的显示，随时反映系统的运行状态与关键参数，考虑到刀具调整与运动机构修理必要的单机点动、单步及单循环动作，必要的照明易损触点及电气元件的备用等。

图4-11 临界竞争电路与改进

2）在设计控制电路时应考虑各种联锁关系，以及电气系统具有的各种电气保护措施，例如过载、短路、欠电压、零位、限位等保护措施。

电气控制系统除了能满足被控设备生产工艺的控制要求外，在电气控制系统的设计与运行中，还必须考虑到系统有发生故障和不正常工作情况的可能性。因为发生这些情况时，会引起电流增大，电压和频率降低或升高，致使电气设备和电能用户的正常工作遭到破坏，可能会导致设备的损毁。因此控制电路中的保护环节是电气控制系统中不可缺少的组成部分。控制电路中常用的保护环节有短路保护、过载保护、过电流保护、零电压保护和欠电压保护等。

短路保护的常用方法是采用熔断器、低压断路器或专门的短路保护装置。异步电动机过载保护常采用热继电器或电动机保护器作为保护元件。

零电压（失电压）保护是指防止因某种原因造成电源突然断电，尔后电源又恢复通电时，电动机的自行起动或电气元件自行投入工作而设置的保护，可避免电动机因自行起动，可能造成人身事故或机械设备损坏；电热类电器因自行通电，可能引起火灾等。常采用能自动复位按钮和接触器来控制电动机的起动和停止，因其控制电路中的自锁环节而具有零电压（失电压）保护的作用，若采用不能自动复位的手动开关、行程开关等和接触器组成电路，控制电动机、电热类电器，则必须设有专门的零电压继电器。

另外有欠电压和过电压、欠电流和过电流及限位保护等。

当电网电压降低时，异步电动机在欠电压下运行，在负载一定情况下，电动机的主磁通下降，电流将增加。由于电压降低幅度不足以使熔断器熔断，也不会使过电流继电器和热继电器动作，因此上述电流保护器件无法对欠电压起到保护作用。能够保证在电网电压降到额定电压以下，如额定电压的60％～80％时，自动切除电源，而使电动机或电气元件停止工作的保护环节，称为欠电压保护。通常采用欠电压继电器来实现欠电压保护，其方法是将欠电压继电器线圈跨接在电源上，其常开触点串接在接触器控制回路中。当电网电压低于欠电压继电器整定值时，欠电压继电器动作使接触器释放。如图4-12所示，当电源电压正常时，欠电压继电器触点处于动作状态，其常开触点KV吸合，而当电源电压下降至其整定值时，其触点复位。常开点脱开，切断继电器KV线圈的控制支路，KV触点复位，致使接触器KM1、KM2失电，切断电动机的电源，从而实现了欠电压保护。

图4-12 交流异步电动机常用保护

图4-12所示为交流异步电动机常用的保护类型示意图，具体选用时应有取舍。图中所示保护电路有：主电路采用熔断器FU1作为短路保护，控制电路用熔断器FU2作为短路保护；热继电器FR用作过载保护；电流继电器KI1、KI2用作电动机工作时的过电流、欠电流保护；按钮SB2、SB3并接的KM1、KM2常开辅助触点构成的自锁环节兼作零电压（失电压）保护；欠电压继电器KV作电动机的欠电压保护。另外线路中串接的KM1、KM2常闭触点构成的互锁环节起到了电动机正反转的联锁保护作用。电路发生短路故障时，由熔断器FU1、FU2切断故障；电路发生过载故障时，热继电器FR动作，事故处理完毕热继电器可以自动复位或手动复位，使电路重新工作。