基于設計原則分析電氣控制線路的基本環節

彭麗芳

摘要：電氣控制線路的基本環節是繼電控制系統設計的基礎，本文詳細分析了各個環節之間的相互關系，并依據電氣設計的基本原則，從滿足功能、安全可靠、成本合理三個方面論述了三相異步電動機從單向控制到可逆控制再到自動往返控制的遞進變化過程，將電氣控制系統的設計原則、電氣控制線路的基本環節和經驗設計法有效地結合起來。

關鍵詞：電動機控制；設計原則；控制線路的基本環節；經驗設計法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0067-02

《電氣控制與PLC系統》是講述電動機控制和PLC綜合應用的一門實踐性、應用性較強的課程，將基礎理論、課程設計及電氣工程實踐融為一體是講好這門課的關鍵。繼電控制系統基本環節所包含的五個控制線路：單向控制電路、可逆控制電路、自動往返控制電路、多地控制電路和順序控制電路。它們是經驗設計法的基礎，也是授課的重點，因此要求學生熟練掌握這部分內容。

缺少實踐經驗的學生，因為不清楚基本環節中每個觸點的功能，常常孤立的記憶這些電路和組成電路的各個觸點，所以設計多個環節疊加的電路時很容易出錯。而電氣控制系統設計要求每個細節都要做到嚴謹，微小的錯誤都可能造成設備損壞甚至是安全事故，因此教師在授課時應該時刻將這一理念貫穿在教學當中。我認為在給學生講解這部分內容時，不應該只是介紹每個電路具體的運行過程，而應該以電氣設計的基本原則為依據，以最基礎的單向控制電路如何變化成為其他控制電路為重點，在電路的變化和修改中講解每個點的功能，這樣可以把設計過程融入到各個基本環節的講解中。

一、經驗設計法

經驗設計法是《電氣控制與PLC系統》這門課主要的設計方法之一，要求根據被控對象對控制系統的要求，先從基本環節中找出與被控對象要求最接近的控制線路作為設計的基本框架，再進行化簡和校驗，最后在調試過程中進行必要的修改。所以熟練掌握基本環節、積累設計經驗是經驗設計法的關鍵。經驗設計法因設計者考慮問題的角度不同而得到不同的電路，而設計的依據就是電氣控制系統的設計原則。

二、電氣控制系統設計的基本原則

電氣控制系統設計的基本原則概括為：（1）最大限度的滿足被控對象對控制系統的要求；（2）確保控制系統安全可靠地工作；（3）設計方案力求簡單、經濟、合理；（4）控制系統具有一定的擴展性。

這部分內容通常放在課程最后一章“電氣系統的設計”中介紹，事實上應該讓學生從一開始就掌握這一原則，并貫穿至控制電路的學習、分析和設計中。

三、電氣控制線路的基本環節分析

下面利用電氣控制系統的設計原則來分析三相異步電動機全壓起動基本環節中的單向控制電路、可逆控制電路、自動往返控制電路和多地控制電路之間的關系和遞進變化的過程。

1.單向控制電路各觸點功能分析。單向控制電路看似功能簡單，卻是由許多的觸點搭建而成。按照設計原則首先滿足控制功能要求，如圖1（a），手動開關QS是獨立系統與電源間的明顯分斷點，轉換開關SA接通接觸器KM，實現電動機單向運行的要求；其次要求控制系統能夠安全可靠的工作，圖1（a）的控制電路缺少零壓保護，當停電后再來電時，電動機會自動起動，所以需要將轉換開關SA改為自復型按鈕SB1和SB2實現起動和停止，再配合接觸器KM輔助觸點的自保環節實現零壓保護，如圖1（b），按照安全規程，電路還需要添加熔斷器FU1、FU2分別實現主回路和控制回路的短路保護，添加熱繼電器FR實現電動機的過載保護，如圖1（c）。單向控制電路是其他控制電路變化的基礎，按照設計原則的要求逐一加入各個觸點既有利于學生掌握各個觸點的功能，又有利于學生熟悉控制電路的設計過程。

2.遵循設計原則分析單向控制電路到可逆控制電路的變化過程。

單向控制轉換為可逆控制其主回路只需改變兩相電源的相序如圖2（a），下面只分析控制回路的變化過程。首先看設計原則1滿足被控對象的控制功能要求，可以將可逆控制看成兩個完全相同的單向控制電路疊加，如圖2（a）；再從設計原則2安全可靠的角度考慮，圖2（a）中如果操作失誤，同時壓下正向起動SB2和反向起動SB4，又或是接觸器的主觸點出現粘連現象，接觸器KM1、KM2就會同時接通，造成主回路相間短路，因此這兩個相互對立的電路應該加入互鎖環節，避免KM1、KM2同時接通；最后考慮設計原則3力求電路簡單、經濟、合理，將兩個停止按鈕SB3、SB4合并成一個，熱繼電器FR的觸點也合并為一個；設計原則4控制系統具有一定的擴展性，主要用于PLC控制系統，在繼電控制系統的功能設計部分不易實現，圖2（b）即為最后確定的可逆控制電路。

3.多地控制電路在基本環節中的應用。多地控制遵循規律：“起動信號并聯，停止信號串聯”。在控制電路的設計過程中，每個觸點按照其操作結果都可以劃分為是斷開電路的觸點還是接通電路的觸點，可以把斷開電路的觸點看作是停止信號，把接通電路的觸點看作是起動信號，這些觸點都遵循“起動信號并聯，停止信號串聯”這一規律。下面分析其在自動往返控制電路中的應用。

自動往返控制電路可以先將可逆控制電路作為基本框架，如圖2（b）；再設計兩個方向的自動停止，按照“停止信號串聯”的規律，分別將行程開關ST1、ST2的常閉點串入正向控制接觸器KM1和反向控制接觸器KM2的線圈電路中；然后設計兩個方向的自動起動，按照“起動信號并聯”的規律，分別將行程開關ST1、ST2的聯鎖常開點與反向起動按鈕SB3和正向起動按鈕SB2并聯，最后得到自動往返控制電路，如圖3。自動往返電路可以看作是可逆控制與多地控制的疊加。

四、結語

學生在《電氣控制與PLC系統》這門課程的學習中常常出現能聽懂卻不會設計的問題，這主要是因為學習的過程和設計的過程沒有很好的結合起來。通過改變授課方式，將分析電路的運行過程改為按設計原則講解基本電路，講解基本電路的過程也是設計電路的過程，使學生在聽課中強化設計理念，在課后的練習中積累設計經驗，最終掌握經驗設計法。

參考文獻：

[1]方承遠.工廠電氣控制技術[M].第3版.北京：機械工業出版社，2010.

[2]任勝杰.電氣控制與PLC系統[M].第1版.北京：機械工業出版社，2013.