干货分享，电气控制电路的设计方法

设计控制电路的一般要求

设计出的电气控制电路，必须满足电气设备和设计的要求，尽可能操作简单、维护方便、容易修理、可靠性高、功耗低、电路简单、元件少、接线短、具有较高的可靠性和较强的容错能力。

控制线路的设计步骤

通过分析各种控制电路，容易发现以下规律：

生产工艺决定了触头的接法，触头的接法决定了线圈的通断，线圈的通断决定了接触器的动作，接触器的动作决定了执行部分的工作状况。

因此，设计时可采用逆动作顺序从后至前的“反推”方法。首先根据生产工艺，确定主电路中触头的接法，根据主电路中主触头的接法，确定对接触器的动作要求，再根据接触器的动作要求，设计控制电路。但是这只是无现成电路可采用时的方法。实际设计时，由于有许多已有的基本控制环节可供选用，故设计过程相对简单。

下面通过一个例子，来说明控制电路的设计步骤。

一个冷库控制电路设计，要求对压缩机电动机、冷却塔电动机、蒸发器电动机、水泵电动机及电磁阀进行控制。需要开启制冷机组时，必须先打开水泵电动机、蒸发器电动机、冷却塔电动机;延时一段时间后再启动压缩机，再延时一段时间后再开启电磁阀;停机时，全部同时停止即可。

1.主电路设计

这里需要控制的对象有：水泵电动机、冷却塔电动机、蒸发器电动机、压缩机电动机和电磁阀共5个对象。启动机组时，水泵电动机、冷却塔电动机、蒸发器电动机同时启动，鉴于它们的容量较小，可将其接在同一回路，而压缩机电动机和电磁阀则需依次延时一段时间，故需分开设计，因此设计的主回路如图4.11所示。

2.列出主回路中电器元件动作的要求

根据控制对象的要求和主回路的布局，列出对电器元件动作的要求：

①按下启动按钮后，KM1首先吸合。

②延时一段时间后，KM2吸合。

③延时一段时间后，KM3吸合。

④按下停止按钮后，所有电动机立即停止。

⑤工作时应加一定的指示电路及保护电路。

3.选择基本控制环节,并进行初步的组合

根据上述要求，至少应选择一个自保持环节及两个延时环节，如图4.12所示。

基本电路组合时，应理清动作顺序关系。首先是自保持电路动作，带动延时电路(1)动作，然后是延时电路(1)带动延时电路(2)动作，也可以自保持电路动作后，同时带动延时电路(1)和延时电路(2)动作。不过延时电路(2)的延时时间应长一些。

选用各环节中的接触器直接控制主回路和各电动机，并选自保持电路中的停止按钮SB1控制整个电路，作为总停开关，则电路演变为如图4.13所示。

4.简化线路

如图4.13所示的电路，可以将一些功能上相同、接法上相似的触点合二为一，从而使电路简化。

时间继电器KT1线圈回路中的KM1的常开触头与KM1线圈回路中的KM1的常开触头，两个触头的一端均接于一点，因此可以省去一对触头，将KM1线圈回路中的KM1的常开触头省去，直接借用KT1线圈回路中的KM1的常开触头。

与此类似，时间继电器线圈回路中还有与KM2线圈回路中相同的KM2的常开触头，也可以省去一个。简化后电路如图4.14所示。

5.对照要求，完善电路

(1)具有保护功能

为实现短路保护，可在主回路中串接熔断器FU1、FU2、FU3，在控制线路中串接熔断器FU4、FU5，为预防电动机过载，可在每组电动机主电路中加装热继电器FR1～FR4。利用热继电器的触头电路，使电路在电动机过载时采取一定的防范措施。考虑到该系统只要有一台电动机过载，整个系统便不能正常工作，因此只要有电动机过载，就应使系统总停，故热继电器FR1～FR4的常闭触头应全部与总停按钮串接在一起。

由于两时间继电器同时触发电路，在时间继电器KT1损坏时，KT2同样能被触发延时，有可能造成误动作，为了避免这种情况，故选择了两时间继电器依次触发电路，这样在时间继电器KT1损坏时，时间继电器KT2不能被触发，提高了系统的安全性。

此时，初步完善的冷库控制电路如图4.15所示。

图4.16控制电路指示灯和温度控制器的加装

(2)具有机组运转状态指示

机组运转状态有3种：风机、水泵、冷却塔电动机启动，压缩机启动和电磁阀打开进入制冷状态，外加电源指示灯，共设四个指示灯。指示灯可与相应接触器常开触头串接后，并联于电源之间即可，这样在接触器动作后，相对应的指示灯亮。

(3)该冷库控制电路应具有自动停机功能

在冷库温度低于规定值后，制冷机组应停止运转。为了实现这一功能，可在冷库内安装温度控制器，在达到设定温度后，温度控制器自动动作，触头断开。此时可将其常闭触头串接在控制电路总支路中，与停止按钮功能相同。完善后的控制电路如图4.16所示，HL1为电源，HL2为机组启动，HL3为压缩机启动，HL4为制冷。

6.统计继电器接触器及触头数，并进行合理安排

本电路中，使用的接触器和继电器有KM1、KM2、KM3、KT1、KT2、热继电器FR1～FR4，所用的触头数见表4.11。

从表中可以看出，无论是接触器还是继电器，其触头数量都不是太多，对于一般既有常开触头又有常闭触头的接触器和继电器来说是够用的，因此该电路不用改动。

如果触头的数量不够使用，可另加一个中间继电器扩展触头，但该方法增加了元件的数量，如能简化线路，减少触头的使用数量，则尽量简化线路，使所用的元件数尽可能地少。例如本例中，将指示灯并接于相应接触器的线圈两端，可省去一对触头。

7.线路的分析与完善

线路设计完毕后，往往还有一些不合理的情况，需要对其进行分析并完善。

(1)是否已完全简化

对电路的简化应再进行一次，触头的数量是否使用过多，或是否连线最方便、最短等。

(2)回路内是否有寄生电路

在有些较复杂的情况下，有些回路并不是所希望的，这就是寄生电路。寄生电路的产生，可使电路在某些情况下误动作，而有些情况下则产生振动，造成能源无谓的消耗。如果按照图4.17中电路加装指示灯，就会产生寄生电路。图中虚线部分即为寄生电路。

当SB2按下而热继电器FR动作时，电源沿虚线部分形成回路，造成不允许的电流通路，解决的方法是破坏该通路产生的条件，或改变线路接线方式，使该通路被切断。

(3)防止误操作

每个电路都应分析按钮在各种情况下按下时的动作反应。例如，在电动机正反转电路中，当正转时按下反转按钮，电路如何反应?正、反转按钮同时按下时，是正转还是反转?都应仔细分析，以防止操作失误对设备造成损坏。

8.实践验证

设计后的电路，应进行一次可行性的验证。试验时可采取一定的保护措施，以验证各种特殊情况下的反应，确无问题后方可投入运行。

经验总结：属于基本环节内的电路可收入基本控制环节。

控制电路设计的特点

通过上面的例子，已经大体说明了电气控制线路的一般设计步骤。总的来讲，电路的设计有以下特点：

1.功能实现与主回路设计

无论实现什么样的功能，都应采用相应的执行元件，使得功能实现仅采用对电的控制。这里可分为以下情况：

①动力的控制一般都采用电动机，例如，被控件的移动、风扇的开停、管路的加压、制冷的开始等，大部分控制都可归结到电动机的控制中去。

②运动物件的制动可采用电磁抱闸。

③管路的通断以及管路的换向可采用电磁阀进行控制。

④温度的控制可采用电热器具，温度低时接通电热器具的电源;温度高时切断电热器具的电源。

⑤温度的控制可采用电光源，在照度低时，将电光源接入电路中即可。

⑥调节功能的控制如发电机电压控制、内燃机转速控制等，也可归结成执行电动机的控制。

⑦有些设备要求直接对电动机控制，就更简洁明了。

因此，功能实现也就是对执行元件的选取，无论选取何种执行元件，最终都归结到对执行元件的电气控制。否则，电气控制线路便不能实现。

主回路设计即执行元件电路设计，一般来讲较为简单，可采用数只执行元件单独工作，也可采用互相并联的方式。必要时采用一定的联结法来实现简单的连锁关系，但应以线路简洁、施工方便、容易维修为主。

2.控制电路

由于控制功能的实现最终归结到对执行元件的电路进行控制，故一般使用相应的接触器来实现。

接触器只有通、断两个状态，何时通何时断，要靠控制电路实现，如果触发接触器发出的为一长信号，如热继电器保护信号、限位信号等，则可在接触器线圈回路中直接串入该信号触头(常开触头还是常闭触头依功能而定)，如图4.18所示。

如果触发接触器发出的为一短信号，则需使用自保持电路，如图4.19所示为两种实现电路。

如图4.19(a)所示为“启动优先电路”，图4.19(b)为“停止优先电路”。控制接触器动作的是按钮SB1和SB2。实际控制电路中，控制接触器动作的往往不再是按钮，因此可用控制信号的触头替代按钮。

无论电路如何复杂，归根到底都是命令继电器吸合或释放，再加上不同的约束条件，例如，吸合必须满足几个条件后才能吸合，或满足几个条件之一即可吸合，而释放也是如此，此时可用不同信号的触头以不同的连接方法来实现。

如图4.110所示的电路，接触器吸合的条件为，条件Q1和Q2同时满足，或者Q3单独满足。而接触器释放条件为，T1或T3同时满足或T2单独满足。不同的接法有不同的约束条件。

一般来说，在两个条件同时满足的情况下，采用约束条件对应常开触头的串联接法，或约束条件对应常闭触头的并联接法。而要实现两个约束条件满足二者之一的情况时，常采用约束条件对应常开触头的并联接法或约束条件对应常闭触头的串联接法，这一结论可以推广到多个约束条件的情况。

所有控制电路的基础电路如图4.18和图4.19所示的非自保和自保持电路。由于混联电路的接法变换较多，特别是常开与常闭触头的混联，使得接法与约束条件之间的对应关系变得比较复杂，实际设计时应仔细分析，区别对待。

3.传感元件

控制电路最终要与被控制件的状态及控制电路本身的状态联系起来，才能实现“自动”，而这些状态的拾取，又靠传感元件，在目前常用的控制电路中，对状态的反应一般只有“0”和“1”两个状态，对应的传感器的信号，也只有通、断两种情况。

传感器用于电气控制电路，其最终响应是具有一定容量的电信号，如果不能满足这一条件，就需加转换电路来实现，否则再好的传感器也会失去功用。

对同一状态的拾取，往往可以从几个方面进行。例如，刨床中对工件的夹紧程度，可以从位移量中拾取，也可以根据电动机电流的大小分析。究竟哪一种方法更好，要根据实际情况分析，必须满足准确、实用、简单等要求。例如，刨床对工件的夹紧程度，如果从位移中拾取信号会由于位移量太小造成精度降低;随着使用时间的增加，误差会急剧上升而造成误判，所以应采用测电动机电流的方法来判断夹紧程度。

另一个需要考虑的问题是传感器的死区，死区越大，动作与复位的被检数据差就越大。有的时候要求死区越大越好，而有的时候则要求死区不大不小，且固定不变。例如，水塔自动供水电路，如果有一死区正好是上下要求水位的液位继电器，将会使电路的设计大大简化。

一套好的控制线路，传感器的选用十分重要。如果选用得好，不但动作精度高、寿命长、电路简单、维修方便，而且投资少，易于开发实现其他功能。因此，电气控制线路的设计，往往在传感器设计方面最重要。

控制电路设计中应注意的几个问题

①控制电路设计时，不同型号的交流接触器的线圈并联时要慎重，线圈最好不要串联。这是因为并联时由于两个线圈的电抗等参数不同，流过它们的电流也不相同，当电路突然中断时，两个线圈中都要产生反抗电势，而这两个电势的大小是不同的。电势高的线圈克服电势低的线圈的电势，向低电势线圈中倒灌电流，使低电势接触器在断电后的一小段时间内仍保持吸合状态，这对于瞬时动作的接触器或继电器是不允许的。

当线圈串联时，考虑到线圈的分压作用，线圈的额定电压应低一些。但在实际中如果两个线圈的型号不同，它们的电感也不同，因此分得电压数值也就不同。电压高的会造成线圈发热严重，而电压低的会造成吸合不足。即使同一型号的接触器，也会因动作速度不同，首先吸合的接触器电抗迅速增加，使得未来得及吸合的交流接触器线圈上的电压降低，甚至不能吸合。

②尽量选取同型号的接触器或继电器，这是为了使电路在维修时，备件易于准备、更换。

③线路中的触头应尽量靠线圈的一侧。这样在接触器的触头上便会是一相电源和经过线圈的另一相电源。当触头之间发生短路时，只会引起线圈通电，而不会引起电源短路。因此，这是提高线路可靠性及安全性的一条措施。此外，采用这种接法还可以预防寄生电路的产生。

④线圈回路不能串接自身的常闭触头。如果串接本身的常闭触头，如图4.111所示，则会在回路接通时，接触器发生跳动现象。

图4.112线路回路中串接本身的常闭触头的变形

另外，如图4.112所示，也属于这种情况，因为KM1、KM2、KM3的动作完全一致。KM1线圈回路中串接KM3的动断触头，就相当于串接了本身的常闭触头，所不同的是三个交流接触器同时跳动，且跳动频率相对较低，这种情况在控制电路中发生较多，往往是某些情况下才发生故障。

特殊的时间继电器线圈回路中串接本身的常闭触头，如图4.113所示，也会造成继电器抖动现象，抖动周期为延时时间。图4.113(a)和图4.113(b)的区别在于一个工作于时间继电器线圈长时间通电状态，另一个工作于时间继电器线圈长时间断电状态。这种电路除非特殊需要一，般应尽量避免。

图4.113时间继电器线圈回路中串接本身的常闭触头

⑤正确分析电路动作的时间配合问题。尽管电路动作时很迅速，但每个触头动作仍有先后顺序，如果先后顺序排列不同或时间配合不好，电路就不能正确工作。

如图4.114所示的电路，要求KM2吸合时指示灯亮，KM2吸合而KM2未吸合时，电铃发出报警的响声。实际电路中每次按下启动按钮，KM2吸合时，由于距KM3吸合尚有一段时间，因此电铃总是响一声，这是我们所不需要的。为了解决电铃回路中KM1触头和KM3触头的时间配合问题一。可将KM2和KM3的动作时间作个调整，如图4.115所示。

图中KM3由KM1直接带动，而KM2则由新加入回路的中间继电器KM4带动，KM4又由KM1带动。这样当SB2按下时，KM1先动作，带动KM3和KM4同时动作，KM4又带动KM2动作。这样从时序上KM2在KM3动作之后，电铃BELL回路中常开触头KM4与开闭触头KM3受继电器KM4和继电器KM3控制，二者同时动作，但对一般继电器或接触器来说，常闭触头分断的时间在常开触头闭合之前。因此电铃BELL回路是KM3触头先打开，KM4触头后闭合，故按下启动按钮时，电铃不会产生声响。

另一个特例如图4.116所示。图中交流接触器KM的线圈回路串接本身常闭触头与常开触头的并联，这样电源加电的瞬间，线圈得电吸合，常闭触头打开，常开触头吸合，交流接触器保持吸合状态。

但从时间配合的角度分析，该交流接触器常闭触头分断在常开触头闭合之前，也就是说在自保持触头自保持之前线圈就已经断电了。因此交流接触器应该释放，与前面所述发生抖动的情况相同。

那么究竟会发生什么情况呢?实验证明，接触器是保持吸合的，实现了自保持。这是由于衔铁运动的惯性使衔铁在线圈断电的情况下继续保持运动状态，从而带动常开触头动作。如果线圈吸力很小，且衔铁通电行程很短，则会发生抖动现象。

由此可以看出，时序的配合问题是一个比较复杂的问题，分析起来比较困难，出现故障，排除也不容易。特别对于一些复杂电路，状态较多，有时只在某一状态下才出现时序配合错误问题，这就要求在设计电路时，尽量选取一些典型电路，并在实践中加以验证。