1、6.1 6.1 电气控制设计的一般原则和基本内电气控制设计的一般原则和基本内容容6.2 6.2 电气控制系统设计的一般步骤电气控制系统设计的一般步骤6.3 6.3 电动机的一般选择电动机的一般选择6.4 6.4 电动机的保护电动机的保护6.5 6.5 电气控制线路的设计电气控制线路的设计6.6 6.6 电气元件布置图与接线图的设计电气元件布置图与接线图的设计本章小结本章小结思考题思考题第第6 6章章 电气控制系统设计电气控制系统设计6.1.1 电气控制设计的一般原则电气控制设计的一般原则在电气控制系统的设计过程中，通常应遵守以下几个原则：(1)最大限度原则，即要最大限度地满足控制设备对电气控制
2、的要求。对控制设备的控制要求是由相关专业人员从他们的专业角度提出的，这也是对电气控制系统设计的主要依据。这些要求常常以工作循环图、执行元件动作节拍表、检测元件状态表等形式提供，对于有调速要求的场合，还应给出调速技术指标。其他如启动、转向、制动、照明、保护以及与BAS、FAS系统的接口等要求，应根据具体需要充分考虑。6.1 电气控制设计的一般原则和基本内容电气控制设计的一般原则和基本内容(2)简单、经济原则，即在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求自动化和高指标。(3)合理选用原则,即要正确、合理地选用各种电气元件。(4)安全可靠原则,即要确保使用安全、可靠。(5)实用原则
3、,即造型美观、使用维护方便。6.1.2 电气控制设计的基本任务与内容电气控制设计的基本任务与内容电气控制设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出设备制造、使用、维修过程中所必需的图纸、资料，包括电气原理图、电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板及电气元件安装底板图、非标准紧固件加工图等，编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等资料。由此可见，电气控制设计包含原理设计与工艺设计两个基本部分。下面以电力拖动控制设备为例，分述这两方面的设计内容。1.原理设计的内容原理设计的内容电气控制系统中原理设计内容主要包括：(1)拟定电气设计任务书。(2)选择拖动方案与控制方式。
4、(3)确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体型号。(4)设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订部分技术要求。(5)设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数。(6)选择电气元件，制订元器件目录清单。(7)编写设计说明书。电气原理图设计是整个设计的中心环节，是工艺设计和制定其他技术资料的依据。2.工艺设计的内容工艺设计的内容工艺设计的主要目的是便于组织电气控制装置的制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的调试、维护、使用提供必要的图纸资料，同时使设备美观、实用并具有先进性。工艺设计的主要内容如下：(1)根据设计的原理图及选定的电气元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装
5、配图及总接线图。(2)按照原理图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理图，列出各部分的元件目录表，并根据总图编号统计出各组件的进/出线号。(3)根据组件原理电路及选定的元件目录表，设计组件装配图(电气元件布置与安装图)、接线图。(4)根据组件装配要求，绘制电气安装板和非标准电气安装零件图纸，标明技术要求。(5)设计电气箱。根据组件尺寸及安装要求确定电气箱的结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及开门方式。在电气箱设计中，应注意操作、维护方便与造型美观。(6)根据总原理图、总装配图及各组件原理图等资料进行汇总，分别列出外购件清单、标准件清
6、单以及主要材料消耗定额。(7)编写使用维护说明书。6.2.1 电力拖动方案的确定电力拖动方案的确定电力拖动方案是指根据机械设备的结构与运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求、投资额等条件去确定电动机的类型、数量、传动方式以及电动机启动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电气元件选择的依据。6.2 电气控制系统设计的一般步骤电气控制系统设计的一般步骤例如，在研制某些高效率专用加工机床时，可以采用交流拖动，也可以采用直流拖动，可以采用集中拖动，也可以采用单独分散拖动，要根据以上各方面因素综合考虑、比较，作出选择。电力拖动方案与控制方式的确定是设计的重要部分，因为只有在
7、总体方案正确的前提下，才能保证生产设备各项技术指标实施的可能性。在设计过程中，即使个别控制环节或工艺图纸设计不当，也可以通过不断改进、反复试验来达到设计要求，但如果总体方案出现错误，则整个设计工作必须重新开始。因此，在电气设计主要技术指标确定并以任务书的方式下达后，必须认真做好调查研究工作，要注意借鉴已经获得成功并经过生产考验的类似设备或生产工艺，列出几种可能的方案，并根据自己的条件和工艺要求进行比较分析后作出决定。1 拖动方式的选择拖动方式的选择电力拖动方式有单独拖动与集中拖动两种。电力传动的发展趋势是电动机逐步接近工作机构，形成多电动机的拖动方式，如有些机床，除必需的内在联系外，主轴、刀架
8、、工作台及其他辅助运动机构，都分别由单独电动机拖动，这样不仅缩短了机械传动链，提高了传动效率，便于实现自动控制，而且还可使机床总体结构得到简化。在具体选择时，应根据工艺及结构的具体情况决定电动机数量。2 调速方案的选择调速方案的选择一般金属切削机床的主运动和进给运动都要求具有一定的调速范围。为此，可采用齿轮变换调速、液压调速、双速或多速电动机及电气的无级调速等。在选择调速方案时，可从以下几个方面考虑：(1)重型或大型设备的主运动及进给运动应尽可能采用无级调速，这有利于简化机械结构，减小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床效率。(2)精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数控机床等，为保证加工精度，便
9、于自动控制，应采用电气无级调速。电气无级调速一般应用晶闸管-直流电动机调速系统。但与交流电动机相比，直流电动机体积大，造价高，维护困难。因此，随着交流调速技术的发展，经全面经济技术指标分析后，可考虑选用交流调速方案。(3)一般中、小型设备如普通机床，在没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相鼠笼式异步电动机，因为这种电动机结构简单，运行可靠，价格经济，维护方便，配以适当级数的齿轮变速箱，便能满足一般机床的调速要求。有时为简化结构、扩大调速范围，也可采用双速或多速鼠笼式异步电动机。在选用鼠笼式异步电动机的额定转速时，应满足工艺条件要求，选用二极、四极或更低的同步转速，以便简化机械传动链，降低
10、齿轮减速箱的制造成本。3 电动机调速性质的确定电动机调速性质的确定机械设备中各个工作机构具有各自不同的负载特性，如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。选择电动机的调速性质时，应考虑与生产机械的负载特性相适应，以使电动机获得充分合理的使用。例如，对于双速鼠笼式异步电动机，当定子绕组由三角形连接改成双星形连接时，转速增加一倍，功率却增加很少，它适用于恒功率传动；对于低速、星形连接的双速电动机，改成双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机所输出的转矩却保持不变，它适用于恒转矩传动。6.2.2 电气控制方案的确定电气控制方案的确定拖动方案及拖动电动机确定之后，采用什么方法去实现这些控
11、制要求就是控制方式的选择问题了。随着电气技术、电子技术、计算机技术、检测技术以及自动控制理论的迅速发展与机械结构和工艺水平的不断提高，机械设备电力拖动的控制方式发生了深刻的变革，从传统的继电器-接触器控制向顺序控制、可编程逻辑控制、计算机联网控制等方面发展，各种新型的工业控制器及标准系列控制系统也不断出现，可供选择的控制方式较多，系统复杂程度差异也很大。因此，合理选择电气控制方案是可靠、经济、简便地实现工艺要求的重要步骤。电气控制方案的选择与电气传动形式的选择紧密相关。在选择传动形式时，要预先考虑如何实现控制；在选择控制方案时，一定要在传动形式选定后进行。选择控制方案时应遵循的原则是：(1)控
12、制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应。以金属切削机床为例，对于一般普通机床和专用机床，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要经常改变原有的程序。因此，可采用继电器-接触器控制系统，其控制电路在结构上接成固定式的。对于万能机床，为了适应不同工艺过程的需要，其工作程序往往需要在一定范围内加以更改。在这种情况下，宜采用可编程控制器控制。在机床自动线中，可根据控制要求和联锁条件的复杂程度，采用分散控制或集中控制的方式。但是各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致，以简化设计和制造过程。数控机床具有较好的通用性和灵活性，可以保证产品质量，提高生产率，降低成本，因而获得了广泛的应用。微处理机已进入机
13、床、自动线、机械手的控制领域，且发展迅猛，已引起电气设计者的高度重视。(2)控制系统的工作方式应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。作为控制方案，应采用自动循环或半自动循环；应具有手动调整、动作程序的变更及有关检测功能；应考虑各个运动之间的联锁、各种保护、故障诊断、信号指示、照明及操作方便等问题。(3)当控制系统所用电器数量较多时，可采用直流低压供电。简单的控制回路可直接由电网供电。当控制电器较多，线路分支较复杂，可靠性要求较高时，可采用控制变压器隔离并降压。6.2.3 电气元件的选择电气元件的选择1.电气元件选择的基本原则电气元件选择的基本原则(1)根据对控制元件功能的要求，确定电
14、器元件的类型。例如，当用于通断功率较大的主电路时，应选交流接触器。(2)确定元器件的额定承载能力和使用寿命，主要根据电气控制的电压、电流和功率大小确定元件的规格。(3)确定元器件的工作环境和以后的供应情况。(4)确定元器件在工作时的可靠性。2 合理选择元器件合理选择元器件根据电气控制原理图合理选择元器件，编制元器件目录清单。机械设备的运动多由电动机驱动，因此，合理地选择电动机非常重要。选择电动机时，不但要符合机械设备的使用条件，而且要保证机械设备和电动机经济、合理、安全、可靠运行。选择时主要考虑电动机的结构形式、种类、额定电压、额定转速、允许温升、工作方式、额定功率等。6.3 电动机的一般选择
15、电动机的一般选择6.3.1 电动机选择的一般原则电动机选择的一般原则 电动机常用来驱动各类机械负载。一个电力拖动系统能否经济可靠地运行，正确选用拖动电动机至关重要。电动机的选择是一项很复杂的工作，选用时应从以下几个方面予以考虑：(1)在满足生产机械的技术性能要求和生产工艺的前提下，合理选择电动机种类。(2)根据现场的环境条件，例如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯、腐蚀及易燃易爆气体的含量等，考虑必要的保护方式，合理选择电动机的防护结构形式和相应的绝缘等级。(3)根据负载转矩、转速调速范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力及启动转矩，合理选择电动机的功率，使工作过程中功率匹配、安全
16、、经济、可靠。(4)根据企业电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动系统的调速要求，以及机械减速的复杂程度，选择电动机的额定转速。(6)选择电动机时，一方面要考虑产品价格、建设费用和运行费用，使其综合经济效益最好；另一方面要考虑影响安装、运行和维护的因素，使其安装、检修方便，运行可靠。(7)要贯彻国家的技术经济政策，积极采用国家推广的新产品，不用淘汰的产品，如J2、JO2、JO3系列等。除此以外，还应考虑环保、现有技术状况等问题。总之，在满足技术要求的前提下，应从全局出发，优先考虑经济性。6.3.2 电动机的选择电动机的选择1 电动机结构形
17、式的选择电动机结构形式的选择(1)安装方式：分为卧式和立式。卧式电动机的转轴安装后为水平位置，立式电动机的转轴则为垂直于地面的位置。两种类型的电动机使用的轴承不同，立式的价格稍高，一般情况下多选用卧式电动机。(2)轴伸个数：伸出到端盖外面与负载连接的转轴部分称为轴伸。电动机有单轴伸与双轴伸两种，多数情况下用单轴伸，特殊情况下用双轴伸。例如，一边安装测速发电机，另一边需要拖动生产机械，则要选用双轴伸电动机。(3)防护方式:分为开启式、防护式、封闭式和防爆式等几种。开启式电动机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口。它散热好，价格便宜，但易受灰尘、水滴、铁屑等杂物的侵入，只能在清洁、干燥的环境中使用。
18、防护式电动机的机座下面有通风口。它散热好，能防止水滴和异物从上面落入电动机内部，但不能防止潮气、灰尘侵入，适应于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境。封闭式电动机的机座和端盖上均无通风口，完全是封闭的。封闭式电动机又分为自冷式、他冷式、管道通风式及密闭式等。前三种机外潮气和灰尘不易进入机内，适用于多尘、潮湿、有腐蚀性气体等恶劣环境。密闭式可浸在液体中使用，如潜水泵。防爆式电动机在封闭式的基础上制成防爆形式，机壳有足够的强度，适用于有易燃易爆气体的环境，如矿井、油库、煤气站等。2.电动机种类的选择电动机种类的选择 (1)电动机的主要种类。拖动生产机械的电动机包括直流电动机和交流电动机两大类，交
19、流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。电动机的主要种类见表6-1。表表6-1 电动机的主要种类电动机的主要种类电动机的特点包括性能、所需电源、维修方便与否、价格等，是选择电动机种类的基本知识。生产工艺特点是选择电动机的先决条件。表6-2列出了各种电动机最重要的性能特点。表表 6-2 电动机的性能特点电动机的性能特点(2)电动机种类的选择原则。电动机种类的选择原则是：在满足生产机械技术性能的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维修方便、运行经济的电动机。从这个意义上讲，交流电动机优于直流电动机，异步电动机优于同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线转子异步电动机。具体选用时应从以下几方面
20、考虑：电动机的机械特性。各种生产机械具有不同的转矩转速关系，要求电动机的机械特性与之相适应。例如，负载变化时要求转速恒定不变的，应选择同步电动机；要求启动转矩大及特性软的电车、电气机车等，则应选用串励或复励直流电动机。电动机的调速性能。电动机的调速性能包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性(设备成本、运行效率)等，这些都应满足生产机械的要求。例如，调速性能要求不高的机床、水泵、通风机多选用三相鼠笼式异步电动机，调速范围较大、要求平滑调速的精密车床、造纸机等多选用他励直流电动机和绕线式异步电动机。电动机的启动性能。启动转矩要求不高的，优先采用异步电动机；启、制动频繁，且启、制动转矩要求较大
21、的生产机械(如矿井提升机，起重机等)，可选用绕线式异步电动机。电源。交流电源比较方便，直流电源一般需要有整流设备。总之，以上各方面内容在选择电动机时都应满足才可选定，而且还要综合考虑其他情况(如节能等)。3 电动机额定电压的选择电动机额定电压的选择交流电动机额定电压的选择主要按使用场所提供的电网电压等级决定。低压电网一般为380 V，中、小型电动机的额定电压多为380 V(Y/接法)、220/380 V(/Y接法)和380/660 V(/Y接法)。单相异步电动机额定电压多采用220 V，而像矿山及钢铁企业的设备使用的大功率电动机，一般采用高压供电，额定电压一般为3 kV、6 kV等。直流电动机
22、的额定电压也要与电源电压配合。由直流发电机供电的电动机其额定电压一般为110 V或220 V，大功率电动机可提高到6001000 V。当电网电压为380 V，直流电动机由晶闸管整流电路供电时，采用三相整流可选额定电压440 V，单相整流可选额定电压160 V或180 V。4 电动机额定转速的选择电动机额定转速的选择电动机额定转速选择得合理与否，将直接影响到电动机的价格、能量的损耗以及生产效率等。对电动机本身而言，额定功率相同的电动机额定转速越高，体积越小，造价越低。一般情况下，选用高速电机比较经济。当生产机械所需额定转速一定时，电动机的转速越高，传动机构速度比越大，传动机构越复杂，而且传动损耗
23、也越大。所以选择电动机的额定转速时，必须全面考虑，力求损耗少，设备投资少，易维护等。通常电动机额定转速选在7501500 r/min之间比较合适。正确选择电动机的额定转速需要根据具体生产机械的要求，综合考虑上面各个因素后才能确定。不需调速的高、中速机械，如泵、鼓风机、压缩机等，可选相应额定转速的电动机；调速要求不高的生产机械,可选用转速稍高的电动机配以减速机构或选多级电动机;调速要求较高的生产机械,应考虑生产机械最高转速与电动机最高转速相适应，直接用电气调速。5 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择是一个很重要的问题，应在满足生产机械负载要求的前提下，最经济、合理地选择
24、电动机的功率。若功率选得过大，则不但设备成本增大，造成浪费，且电动机经常欠载运行，效率及电动机的功率因数较低；反之，若功率选得过低，则电动机将过载运行，造成电动机过早损坏，影响使用寿命。决定电动机功率的因素主要有三个：(1)电动机的发热与温升，这是决定功率的主要因素；(2)允许短时过载能力；(3)对鼠笼式异步电动机还应考虑启动转矩。电动机功率选择是在环境温度为40及标准散热条件下，且电动机不调速的前提下进行的。电动机的工作方式有三种：连续工作方式、短时工作方式、周期性断续工作方式。下面分别介绍在这三种工作方式下电动机额定功率的选择。1)连续工作方式在连续工作方式下，如果电动机的负载是恒定的或变
25、化很小，则选择电动机的额定功率PN等于或略大于负载功率PL，即PNPL (6-1)式中，PL依据具体负载及效率进行计算，可查阅相关机械设计手册。因为这个条件本身是从发热温升角度考虑的，故不必再校核电动机的发热问题，只需校核过载能力，必要时还需校核启动能力。过载能力是指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数。不同类型的电动机，其过载能力不完全一样。对直流电动机，限制其过载能力的是换向问题。其过载能力即电枢允许电流的倍数，IN为允许电流，它应比可能出现的最大电流大。对交流电动机,其过载能力即最大转矩倍数，考虑过载时对电网电压的影响，可按下式进行选择：Tmax(0.720.8
26、1)TN(6-2)其中,Tmax为电动机在工作中所承受的最大转矩。如果电动机的负载是变化的，则必须进行发热校验。所谓发热校验，就是看电动机在整个运行过程中所达到的最高温升是否接近并低于允许温升。这时可以按下式选择电动机的额定功率：PN(1.11.6)PLj(6-3)其中,PLj为负载的平均功率，如果大负载占的比例较大，则系数应选大一些。若预选电动机的过载能力达不到，则应重选电动机及其额定功率，直到通过。若电动机为鼠笼式异步电动机，则还要校核启动能力。以上额定功率的选择都是在环境温度为40的前提下进行的。若电动机的工作环境温度发生变化，则需对电动机功率进行修正，可按表6-3进行。表表6-3 不同
27、环境温度下电动机功率修正百分数不同环境温度下电动机功率修正百分数2)短时工作方式在短时工作方式下，电动机的工作时间较短，可能运行期间温度未达到稳定值，电动机就停止了运行，使电动机的温度很快降到环境温度。为了满足生产机械短时工作的特性，电机生产厂家制造了一些短时工作且过载能力强的电动机，其标准工作时间有 15 min、30 min、60 min和90 min四种，只要设备工作时间满足要求，则只需满足电动机PN等于或略大于负载功率PL即可，且不需热校核。若负载工作时间与标准工作时间不等，则预选电动机额定功率时，按发热和温升等效的观点先把负载功率由非标准工作时间变成标准工作时间，然后按标准工作时间预
28、选额定功率。设短时工作方式下负载的工作时间为tr，最接近的标准工作时间为trb，则预选电动机的额定功率应满足：式(6-4)是从发热和温升等效的观点推导出来的，故不必再进行热校核。若选择连续工作方式的电动机来拖动，则需从发热与温升的角度考虑电动机在短时工作方式下应该输出比连续工作方式时额定功率大的功率才能充分发挥电动机的能力。或者说，预选电动机时要把短时工作的功率折算到连续工作方式上去，且不必再进行温升校核。(6-4)rbrLNttPP 设电动机不变损耗与额定负载时的可变损耗的比值为，则预选电动机的额定功率应满足:(6-5)TtTtPPrre1e1LN式中,T为发热时间常数，tr为短时工作时间，
29、单位均为s 式(6-5)中的数值因电动机而异。一般而言，普通直流电动机=11.5，冶金专用直流电动机=0.50.9，冶金专用中、小型三相绕线异步电动机=0.450.6，冶金专用大型三相异步电动机=0.91.0，普通三相鼠笼式异步电动机=0.50.7。对于具体电动机而言，T和可从技术数据中找出或估算。3)周期性断续工作方式 选择周期性断续工作方式时，电动机的工作与停止相互交替进行，两者时间都比较短，温度未升到稳定值就停止运行，未降到环境温度就又运行。专门设计的周期性断续工作的电动机有YZR和YZ系列。负载持续率(负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率或称暂载率，用FS%表示)有15%、25%、
30、40%、和60%四种，一个周期的时间规定不大于10 min。周期性断续工作方式下电动机功率选择和连续工作方式下变化负载的功率选择相类似。需指出的是，当FS%70%时，按持续工作方式选择。6.3.3 电动机的发热和冷却电动机的发热和冷却电动机负载运行时机内有功率损耗，最终都将变成热能，从而使电动机温度升高，高出周围环境温度。电动机温度高出环境温度的值称为温升。一旦有了温升，电动机就要向周围散热，温升越高，散热越快。当电动机单位时间散发出的热量等于散出的热量时，电动机的温度不再增加，保持一个稳定不变的温升，即处于发热与散热平衡的状态，通常称其为动态热平衡。1 电动机的发热和冷却电动机的发热和冷却电
31、动机实际发热情况是很复杂的，为简化问题，假设：电动机长期运行，负载不变，总损耗不变；电动机本身各部分温度均匀；周围环境温度不变。电动机单位时间产生的热量为Q,dt时间内产生的热量则为Qdt。电动机单位时间散发的热量为A。其中,A为散热系数，它表示温升为1时每秒钟的散热量；为温升。dt时间内散发出的热量为Adt。在温度升高的整个过渡过程中，电动机温度在升高，因此它本身吸收了一部分热量。电动机的热容量为C，dt时间内的温升为d，则dt时间内电动机本身吸收的热量为Cd。dt时间内，电动机的发热等于本身吸热与散热之和，即Qdt=Cd+Adt(6-6)这就是热平衡方程式。整理后为 (6-7)解得 (6-
32、8)AQtACddTtLFLe)(0式中，T=C/A,为发热时间常数，表征热惯性的大小；L=Q/A，为稳态温升；F0为起始温升。如果电动机的发热过程是从周围环境温度开始的，即F0=0，则式(6-8)变为 (6-9)e1(TtL式(6-8)表明，电动机发热过程中的温升包括两个分量：一个是强制分量L，它是发热过程结束时的稳态值；另一个是自由分量，它按指数规律衰减至零。时间常数T一般约为十几分钟到几十分钟，容量大的一般T也大。热容量越大，热惯性越大，时间常数也越大。散热越快，达到热平衡状态就越快，时间常数T则越小。TtLFe)(0分析式(6-8)和式(6-9)可知，当电动机发热条件不变时，电动机的温
33、升是按指数曲线变化的，如图6-1所示。由温升曲线可见，电动机发热过程开始时，由于温升较小，散发出去的热量较少，大部分热量被电动机本身所吸收，所以温度上升得快，温升曲线较陡。经过一段时间后，温度升高了，温差较大，散发出去的热量不断增多，吸收的热量不断减少，温升减慢，曲线趋于平缓。最后直到发热量和散热量相等时，电动机的温度不再升高，温升达到稳态值。图6-1 电动机发热过程的温升曲线一台负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果减少或去掉负载，那么电动机损耗及单位时间发热量都会随之减少。这样，原来的热平衡状态被破坏，变为发热少于散热，电动机温度就要下降，温升降低。随着温升减小，单位时间的散热量也减少。当
34、重新达到平衡时，电动机不再继续降温，而稳定在一个新的温升上。这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程。冷却过程的公式与发热过程相同，为式(6-8)。至于初始值F0和稳态值L，则要由冷却过程的具体条件来确定。电动机冷却过程的温升曲线如图6-2所示。当负载减小到某一数值时，L0，；若负载全去掉，且电动机脱离电源，则L=0。时间常数与发热时相同。AQL图6-2 电动机冷却过程的温升曲线2 电动机的允许温升和工作方式电动机的允许温升和工作方式1)电动机的允许温升从发热角度来看，电动机耐温最薄弱的部件是绝缘材料。也就是说，限制电动机容量的主要因素是它的绕组绝缘材料的耐热能力，即绕组绝缘材料所能容许的温度。
35、这个最高温度称为电动机的允许温升。为了保证电动机有足够长的寿命且能可靠运行，电动机在运行中的最高温度不能超过允许温升。当超过这一极限时，电动机的使用年限就大大缩短，甚至因绝缘很快烧坏而不能使用。根据国际电工协会规定，按照最高允许温度不同，电工用的材料可分为七个等级，而电动机所用的绝缘材料主要有A、E、B、F、H五个等级。我国规定40为标准环境温度，绝缘材料或电机的允许温度减去40即为允许温升，用max表示。各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升见表6-4。表表 6-4 各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升2)电动机不同工作方式下的额定功率电动机工作时，负载持续
36、的时间长短对电动机的发热情况影响很大，因而也对电动机功率的选择有很大影响。下面按电动机的三种工作方式分析电动机发热与额定功率的关系。(1)连续工作方式。连续运行方式时，由于电动机工作时间tr(34)T，因此温升可以达到稳态值，也称长期工作制。其简化的负载图P=f(t)及温升曲线=f(t)如图6-3所示。属于此类工作方式的生产机械有水泵、通风机、纺织机等。图6-3 连续工作方式下电动机的负载与温升连续工作方式下，电动机负载运行，其温升达到一个与负载大小相对应的稳态值，如图6-3所示。当电动机输出功率是一个恒值P时，电动机温升必然达到由P所决定的稳态值L。P的大小不同，L也随之不同。为了充分利用电
37、动机，要求电动机长期负载运行后达到的稳定温升等于电动机的允许温升。一般将稳态温升L等于允许温升max时的输出功率作为电动机的额定功率。连续工作方式下，电动机额定负载运行时，额定功率与温升的关系为 (6-10)式(6-10)表明，对同样尺寸的电动机，可以从选用等级较高的绝缘材料、提高电动机散热能力、降低电动机损耗等方面提高其额定功率。)1(24.0NmaxNNAP(2)短时工作方式。短时工作方式时，由于电动机工作时间tr(34)T，因此温升达不到稳态值L，而停歇时电动机的温度足以降至周围环境温度，即温升降为零,如钻床的夹紧和放松装置、水闸闸门启闭机等均属此种工作方式。其负载和温升曲线如图 6-4
38、 所示。图6-4 短时工作方式下电动机的负载与温升短时工作方式下，电动机在工作时间内实际达到的温升低于稳态温升，因此其额定功率必须依据实际达到的最高温升来确定，即在规定的工作时间内，电动机负载运行达到的实际温升恰好等于(或接近)允许温升，电动机的输出功率则为额定功率PN。短时工作方式下电动机的额定功率是与规定的工作时间相对应的，这一点与连续工作方式的情况不完全一样。对于短时工作方式的电动机，允许温升、发热时间常数一样的情况下，工作时间短的，稳态温升高，额定功率也高；工作时间长的，稳态温升低，额定功率也低。电动机铭牌上给的额定功率是按30 min、60 min、90 min三种标准规定的。(3)
39、周期性断续工作方式。周期性断续工作方式时，电动机的工作与停歇相互交替进行，两者的时间都比较短，即工作时间tr(34)T，停歇时间t0(34)T。工作时温升达不到稳态值，停歇时温升降不到零，如起重机、电梯等均属此类工作方式。其负载和温升曲线如图6-5所示。图6-5 周期性断续工作方式下电动机的负载与温升周期性断续工作方式下，每个周期内工作时间占的百分数叫做负载持续率(又称暂载率)，用FS%表示，即 我国规定的标准负载持续率有15%、25%、40%、60%四种。周期性断续工作方式下，每经过一个周期，电动机的温升都升降一次。经过足够的周期以后，当每个周期内的发热量等于散热量时，温升将在一个小范围内波
40、动，如图6-5所示。电动机实际达到的最高温升为m，当m等于(或接近于)电动机允许温升max时，相应的输出功率则为电动机的额定功率。(6-11)000rr00100FSttt周期性断续工作方式下的电动机额定功率是对应于某一负载持续率(FS%)的。对同一台以周期性断续工作方式工作的电动机，负载持续率不同时，其额定功率也不同。只有在各自的负载持续率上，输出各自不同的额定功率，其最后达到的温升才等于电动机的温升。FS%值越大，额定功率越小；反之，额定功率大。6.4.1 短路保护短路保护当发生电动机绕组及导线的绝缘损坏、负载短路或接线错误等故障时，都可能造成短路事故。短路时产生的瞬时故障电流可以达到电动
41、机额定电流的几十倍，这样会造成严重的绝缘破坏、导线熔化，在电动机中会产生强大的电动力而使绕组或机械部件损坏。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短时间内迅速将电源切断，且当电动机正常启动与制动时，短路保护装置不应误动作。6.4 电动机的保护电动机的保护常用的短路保护元件有熔断器和具有瞬时动作脱扣器的低压断路器等。当主电路容量较小时，主电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护；当主电路容量较大时，则控制电路要配置单独的熔断器作为短路保护。6.4.2 过载保护过载保护过载是指电动机工作电流超过其额定电流但在额定电流的1.5倍之内，而使电动机绕组发热的情况。引起过载的原因有负载过大、电源电压降低和
42、缺相运行等。电动机长期过载运行时，绕组温升将超过其允许值，电动机绝缘材料要变脆，寿命缩短，甚至使电动机烧坏。过载保护常用的元件是热继电器。热继电器具有反时限特性，即根据电流过载倍数不同，过载电流越大，动作时间越短。电动机的工作电流为额定电流时，热继电器长期不动作。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流的影响而瞬时动作，因此当使用热继电器作过载保护时，还必须设有短路保护，同时选为短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过热继电器发热元件的额定电流的4倍。电动机过载保护还可以采用带长延时脱扣器的低压断路器或具有反时限特性的过电流继电器。采用带长延时脱扣器的低压断路器时，脱扣器的整定电流
43、一般可取为电动机的额定电流或稍大一些，并应考虑电动机实际启动时间的长短；采用过电流继电器时，只有保证发生过电流的时间长于启动时间，继电器才动作。6.4.3 过流保护过流保护过流是指电动机的工作电流超过其额定电流的运行状态，其值比短路电流小，不超过额定电流的6倍。在电动机运行过程中产生这种过流比发生短路的可能性要大，特别是频繁正反转、重复短时工作的电动机更是如此。因此，过流保护的动作值应比正常的启动电流稍大一些，以免影响电动机的正常运行。过流保护要求保护装置能瞬时动作。通常过流保护用过流继电器与接触器配合使用来实现，即将过流继电器线圈串联在被保护的电路中，当电路电流达到其整定值时，过流继电器动作
44、，其常闭触头串接在接触器控制电路中，使接触器线圈断电释放，接触器主触头断开，从而切断被保护电路电源，实现过流保护。通常情况下，过流保护用于直流电动机或绕线型异步电动机，若过流继电器的动作电流为电动机启动电流的1.2倍，则过流继电器可起到短路保护的作用。对于鼠笼式异步电动机，短时的过流不会产生严重后果，所以不采用过流保护，而采用短路保护。6.4.4 欠压、欠压、失压保护失压保护1.欠压保护欠压保护电动机运转时，电源电压降低引起电磁转矩下降。在负载一定的情况下，转速下降，电动机电流增大，温度上升。另一方面，电源电压低到一定限度时，控制电路中的一些电器(如接触器、继电器)释放或处于抖动状态，造成电器
45、控制电路不能正常工作，甚至导致事故发生。为此，在电源电压降到允许值以下时，需自动切断电源，这种保护称为欠压保护。除利用上述电路中接触器及按钮本身的欠压保护作用外，还可采用欠压继电器来进行欠压保护。欠压继电器的吸合电压整定值为(0.80.85)UN，释放电压整定值为(0.50.7)UN。将欠压继电器线圈跨接在电源上，其常开触头串接在接触器线圈电路中，使接触器线圈断电释放，接触器主触头断开电动机电源，即可实现欠压保护。此外，还可采用具有欠压脱扣器的低压断路器来实现欠压保护。2.失压保护失压保护电动机正常工作时，如果因为电源电压的消失而停转，那么在电源电压恢复时，就可能自行启动，这将造成人身事故或机
46、械设备的损坏。为防止电源电压恢复供电时电动机自行启动而设置的保护方式，称为电动机的失压保护。对于采用接触器和按钮控制电动机启、停的电路，可利用按钮的自动恢复作用和接触器的失压保护功能来实现失压保护。这是因为当电压消失时，接触器就自动释放，其主触头和自锁触头同时断开，切断电动机电源。当电压恢复正常时，必须重新按下启动按钮，才能使电动机启动。当采用不能自动复位的手动开关、自动开关及接触器控制时，必须采用专门的零电压继电器来进行失压保护。工作过程中一旦电源电压消失，零电压继电器线圈断电释放，其自锁电路断开。当电源电压恢复时，不会自行启动。6.4.5 断相保护断相保护三相异步电动机运行时，如果电源任一
47、相断开，电动机将在缺相情况下低速运转或堵转，此时定子电流很大，这是造成电动机绝缘及绕组烧毁的常见故障之一。因此应进行断相保护，也称缺相保护。引起电动机断相的主要原因有：电动机定子绕组一相断线；电源一相断线；熔断器、接触器、低压熔断器等接触不良或接头松动等。断相运行时，线路电流和电动机绕组连接因断相形式(电源断相、绕组断相等)不同而不同。电动机负载越大，故障电流也越大。断相保护的方法有：用带断相保护的热继电器、电压继电器、电流继电器与固态断相保护器等。6.4.6 弱磁保护弱磁保护直流电动机在轻载运行时，若磁场减弱或消失，将会造成超速运行甚至飞车；在重载运行时，若磁场减弱或消失，则点数电流迅速增加
48、，使电枢绕组绝缘因发热而损坏。为此应采取弱磁保护。弱磁保护是在电动机励磁回路中串入欠流继电器线圈，并将其常开触头串接在电动机电枢回路的接触器线圈电路中。当励磁电流过小时，欠流继电器释放，常开触头断开，切断接触器线圈电路，接触器线圈断电释放，其主触头断开直流电动机电枢回路，电动机断开电源而停转，从而实现保护电动机的目的。6.4.7 电动机智能综合保护电动机智能综合保护电动机智能综合保护是对电动机常见故障的多种保护，其保护内容有以下几方面。(1)具有反时限特性的长延时过载保护。(2)具有定时限的短延时短路保护。(3)具有瞬时动作的短路保护。(4)欠压和过压保护。(5)漏电保护和断相保护。智能综合保
49、护是把单机引入电动机综合保护中，这样可以提高对电动机的保护水平，使电动机的性能稳定可靠。智能综合保护装置集成化程度高,抗干扰能力强,工作温度范围宽,耗电少，参数设置方便，具有良好、灵活的显示界面和按键设置，安装快捷，便于在各种生产环境中使用，是目前电动机保护装置中最先进、最可靠的换代产品。电气控制线路设计是原理设计的核心内容。在总体方案确定之后,具体设计是从电气原理图开始的，各项设计也是通过控制原理图来实现的，同时它又是工艺设计和编制各种技术资料的依据。6.5 电气控制线路的设计电气控制线路的设计电气控制线路设计的一般步骤如下：(1)根据选定的拖动方案及控制方式设计系统的原理图，拟订出各部分的
50、主要技术要求和主要技术参数。(2)根据各部分的要求，设计出原理图中各个部分的具体电路。对于每一部分的设计总是按主电路控制电路辅助电路联锁与保护总体检查并反复修改与完善的步骤进行的。(3)绘制总原理图。按系统框图结构将各部分连成一个整体。(4)正确选用原理线路中的每一个电气元件，并制订元器件目录清单。对于比较简单的控制线路，例如普通机械或非标准设备的电气配套设计，可以省略前两步，直接进行原理图设计和选用电气元件。但对于比较复杂的自动控制线路，例如采用微机或电子控制的专用检测与控制系统，要求有程序预选、自动显示、各种保护、故障诊断、报警、打印记录等要求，就必须按上述过程一步一步进行设计。只有各个独
