基于设计原则分析电气控制线路的基本环节

彭丽芳

摘要：电气控制线路的基本环节是继电控制系统设计的基础，本文详细分析了各个环节之间的相互关系，并依据电气设计的基本原则，从满足功能、安全可靠、成本合理三个方面论述了三相异步电动机从单向控制到可逆控制再到自动往返控制的递进变化过程，将电气控制系统的设计原则、电气控制线路的基本环节和经验设计法有效地结合起来。

关键词：电动机控制；设计原则；控制线路的基本环节；经验设计法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0067-02

《电气控制与PLC系统》是讲述电动机控制和PLC综合应用的一门实践性、应用性较强的课程，将基础理论、课程设计及电气工程实践融为一体是讲好这门课的关键。继电控制系统基本环节所包含的五个控制线路：单向控制电路、可逆控制电路、自动往返控制电路、多地控制电路和顺序控制电路。它们是经验设计法的基础，也是授课的重点，因此要求学生熟练掌握这部分内容。

缺少实践经验的学生，因为不清楚基本环节中每个触点的功能，常常孤立的记忆这些电路和组成电路的各个触点，所以设计多个环节叠加的电路时很容易出错。而电气控制系统设计要求每个细节都要做到严谨，微小的错误都可能造成设备损坏甚至是安全事故，因此教师在授课时应该时刻将这一理念贯穿在教学当中。我认为在给学生讲解这部分内容时，不应该只是介绍每个电路具体的运行过程，而应该以电气设计的基本原则为依据，以最基础的单向控制电路如何变化成为其他控制电路为重点，在电路的变化和修改中讲解每个点的功能，这样可以把设计过程融入到各个基本环节的讲解中。

一、经验设计法

经验设计法是《电气控制与PLC系统》这门课主要的设计方法之一，要求根据被控对象对控制系统的要求，先从基本环节中找出与被控对象要求最接近的控制线路作为设计的基本框架，再进行化简和校验，最后在调试过程中进行必要的修改。所以熟练掌握基本环节、积累设计经验是经验设计法的关键。经验设计法因设计者考虑问题的角度不同而得到不同的电路，而设计的依据就是电气控制系统的设计原则。

二、电气控制系统设计的基本原则

电气控制系统设计的基本原则概括为：（1）最大限度的满足被控对象对控制系统的要求；（2）确保控制系统安全可靠地工作；（3）设计方案力求简单、经济、合理；（4）控制系统具有一定的扩展性。

这部分内容通常放在课程最后一章“电气系统的设计”中介绍，事实上应该让学生从一开始就掌握这一原则，并贯穿至控制电路的学习、分析和设计中。

三、电气控制线路的基本环节分析

下面利用电气控制系统的设计原则来分析三相异步电动机全压起动基本环节中的单向控制电路、可逆控制电路、自动往返控制电路和多地控制电路之间的关系和递进变化的过程。

1.单向控制电路各触点功能分析。单向控制电路看似功能简单，却是由许多的触点搭建而成。按照设计原则首先满足控制功能要求，如图1（a），手动开关QS是独立系统与电源间的明显分断点，转换开关SA接通接触器KM，实现电动机单向运行的要求；其次要求控制系统能够安全可靠的工作，图1（a）的控制电路缺少零压保护，当停电后再来电时，电动机会自动起动，所以需要将转换开关SA改为自复型按钮SB1和SB2实现起动和停止，再配合接触器KM辅助触点的自保环节实现零压保护，如图1（b），按照安全规程，电路还需要添加熔断器FU1、FU2分别实现主回路和控制回路的短路保护，添加热继电器FR实现电动机的过载保护，如图1（c）。单向控制电路是其他控制电路变化的基础，按照设计原则的要求逐一加入各个触点既有利于学生掌握各个触点的功能，又有利于学生熟悉控制電路的设计过程。

2.遵循设计原则分析单向控制电路到可逆控制电路的变化过程。

单向控制转换为可逆控制其主回路只需改变两相电源的相序如图2（a），下面只分析控制回路的变化过程。首先看设计原则1满足被控对象的控制功能要求，可以将可逆控制看成两个完全相同的单向控制电路叠加，如图2（a）；再从设计原则2安全可靠的角度考虑，图2（a）中如果操作失误，同时压下正向起动SB2和反向起动SB4，又或是接触器的主触点出现粘连现象，接触器KM1、KM2就会同时接通，造成主回路相间短路，因此这两个相互对立的电路应该加入互锁环节，避免KM1、KM2同时接通；最后考虑设计原则3力求电路简单、经济、合理，将两个停止按钮SB3、SB4合并成一个，热继电器FR的触点也合并为一个；设计原则4控制系统具有一定的扩展性，主要用于PLC控制系统，在继电控制系统的功能设计部分不易实现，图2（b）即为最后确定的可逆控制电路。

3.多地控制电路在基本环节中的应用。多地控制遵循规律：“起动信号并联，停止信号串联”。在控制电路的设计过程中，每个触点按照其操作结果都可以划分为是断开电路的触点还是接通电路的触点，可以把断开电路的触点看作是停止信号，把接通电路的触点看作是起动信号，这些触点都遵循“起动信号并联，停止信号串联”这一规律。下面分析其在自动往返控制电路中的应用。

自动往返控制电路可以先将可逆控制电路作为基本框架，如图2（b）；再设计两个方向的自动停止，按照“停止信号串联”的规律，分别将行程开关ST1、ST2的常闭点串入正向控制接触器KM1和反向控制接触器KM2的线圈电路中；然后设计两个方向的自动起动，按照“起动信号并联”的规律，分别将行程开关ST1、ST2的联锁常开点与反向起动按钮SB3和正向起动按钮SB2并联，最后得到自动往返控制电路，如图3。自动往返电路可以看作是可逆控制与多地控制的叠加。

四、结语

学生在《电气控制与PLC系统》这门课程的学习中常常出现能听懂却不会设计的问题，这主要是因为学习的过程和设计的过程没有很好的结合起来。通过改变授课方式，将分析电路的运行过程改为按设计原则讲解基本电路，讲解基本电路的过程也是设计电路的过程，使学生在听课中强化设计理念，在课后的练习中积累设计经验，最终掌握经验设计法。

参考文献：

[1]方承远.工厂电气控制技术[M].第3版.北京：机械工业出版社，2010.

[2]任胜杰.电气控制与PLC系统[M].第1版.北京：机械工业出版社，2013.