楼宇电气控制基础
现代建筑都配备大量的电气设备、电气系统以及电力系统,像风机/水泵等动力设备的电动机、电梯系统、变/配电系统、照明电气系统等的控制最终都是通过电气控制系统实现的。在楼宇自动化系统中,通过电力与电气设备的电气控制系统实现对这些设备的自动控制。它们是楼宇自动化系统主要控制对象的重要组成部分。同时,这类设备也是空调系统、消防系统、安保系统等系统的组成部分或联动控制对象,因此,对这些系统所涉及的电气控制的原理与技术必须有所了解和掌握。
2.3.1常用低压电器
电气控制系统是由各种有触点的低压电器,如继电器、接触器、熔断器、行程开关、按钮等组成的具有特定功能的控制电路。不管是对已有电气控制电路的分析,还是设计所需要的电气控制系统,或者强弱电系统控制接口的设计与实现,都必须对常用的各种低压电器有所了解。下面就对楼宇自动化中常用的低压电器作简单的介绍。
2.3.1.1接触器
接触器是用于远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动切换电器。其主要控制对象是电动机,也可以用于控制其他电力负载、电热器、电照明等。接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维护方便等优点,同时还具有低电压释放保护功能,在电力拖动自动控制系统中被广泛应用,接触器电气符号见图2.28。按控制电流性质的不同,接触器分交流接触器和直流接触器两大类。
1.交流接触器
交流接触器常用于远距离、频繁地接通和分断额定电压至1140V、电流至630A的交流电路。交流接触器一般由电磁系统、触点系统、灭弧装置和其他部件等组成。
图2.28接触器电气符号
2.直流接触器
直流接触器主要用来远距离接通与分断额定电压至440V、额定电流至630A的直流电路或频繁地操作和控制直流电动机启动、停止、反转及反接制动。
直流接触器的结构和工作原理与交流接触器类似。在结构上也是由电磁系统、触点系统、灭弧装置等部分组成,只是铁心的结构、线圈形状、触点形状和数量、灭弧方式以及吸力
特性、故障形式等方面有所不同而已。
2.3.1.2继电器
继电器是一种根据电气量(电压、电流等)或非电气量(温度、压力、转速、时间等)的变化接通或断开控制电路的自动切换电器。
继电器的种类繁多、应用广泛。按输入信号的不同分为:电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。按工作原理可分为:电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。按用途可分为:控制继电器、保护继电器等。
1.电磁式继电器
电磁式继电器结构简单,价格低廉,使用维护方便,广泛地应用于控制系统中。常用的电磁式继电器有电压继电器、电流继电器、中间继电器等。
(1)电流继电器
电流继电器是根据输入电流大小而动作的继电器。电流继电器的线圈串入电路中,以反映电路电流的变化,其线圈匝数少、导线粗、阻抗小。按用途不同,电流继电器可分为:欠电流继电器、过电流继电器。欠电流继电器的吸引线圈吸合电流为线圈额定电流的30%~
65%,释放电流为额定电流的10%~20%,用于欠电流保护或控制,如电磁吸盘中的欠电流保护。过电流继电器在电路正常工作时不动作,当电流超过某一定值时才动作,整定范围为110%~400%额定电流,其中交流过电流继电器为110%~400%额定电流N,直流过电流继电器为70%~300%额定电流N。过电流继电器用于过电流保护或控制,如起重机电路中的过电流保护。
(2)电压继电器
电压继电器是根据输入电压的大小而动作的继电器。与电流继电器类似,电压继电器也分为欠电压继电器、过电压继电器两种。过电压继电器的动作电压范围为(105%~120%)UN;欠电压继电器吸合电压动作范围为(20%~50%),释放电压调整范围为(7%~20%)UN,零电压继电器当电压降低至(5%~25%)N时动作,它们分别起到过压、欠压、零压保护。
电压继电器工作时并入电路中,因此线圈匝数多,导线细,阻抗大,用于反映电路中电压的变化。
(3)中间继电器
中间继电器实际上是一种电压继电器,触点对数多,触点容量较大(额定电流为5~10A),其作用是将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大(即增大触点容量),起到信号中转的作用。
中间继电器体积小,动作灵敏度高,并在10A以下的电路中可代替接触器起控制作用。
继电器电气符号如图2.29所示。
2.时间继电器
时间继电器是一种根据电磁原理或机械动作原理来实现触点系统延时接通或断开的自动切换电器。其种类很多,按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式与电子式时间继电器。时间继电器按延时方式可分为通电延时型与断电延时型两种。时间继电器电气符号如图2.30所示。
图2.29继电器电气符号
图2.30时间继电器电器符号
3.热继电器
热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器。电动机在运行中常会遇到过载情况,但只要过载不严重,绕组不超过允许温升,这种过载是允许的。但如果过载情况严重,时间长,则会加速电动机绝缘的老化,甚至烧毁电动机。热继电器就是专门用来对连续运行的电动机实现过载及断相保护,以防电动机因过热而烧毁的一种保护电器。热继电器电气符号如图2.31所示。
4.速度继电器
速度继电器是根据电磁感应原理制成的,主要用做笼型异步电动机的反接制动,故又称为反接制动继电器。其电气符号如图2.32所示。
图2.31热继电器电气符号
图2.33熔断器的电气符号
路保护作用的电器。使用时,熔体串接于被保护的电路中,当流过熔断器的电流大于规定值时,以其自身产生的热量使熔体熔断,从而自动切断电路,实现过载和短路保护。
熔断器具有结构简单、体积小、重量轻、使用维护方便、价格低廉、分断能力较高、限流能力良好等优点,因此在强电系统和弱电系统中得到广泛应用。熔断器的电气符号见如图
2.33所示。
熔断器由熔体和安装熔体的绝缘底座(或称熔管)组成。熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、铜、银及其合金制成,形状常为丝状或网状。由铅锡合金和锌等低熔点金属制成的熔体,因不易灭弧,多用于小电流电路;由铜、银等高熔点金属制成的熔体,易于灭弧,多用于大电流电路。熔断器种类很多,按结构分为开启式、半封闭式和封闭式;按有无填料分为有填料式、无填料式;按用途分为工业用熔断器、保护半导体器件熔断器及自复式熔断器等。
2.3.1.4低压开关
1.刀开关
刀开关是一种手动电器,广泛应用于配电设备作为隔离电源用,有时也用于直接启动小容量的笼型异步电动机。刀开关的电气符号见图2.34所示。刀开关有开启式负荷开关和封闭式负荷开关等类型。
(1)开启式负荷开关
开启式负荷开关俗称胶盖瓷底刀开关,由于它结构简单,价格便宜,使用维修方便,故得到广泛应用;主要用做电气照明电路和电热电路。小容量电动机电路的不频繁控制开关,也可用做分支电路的配电开关。
(2)封闭式负荷开关
封闭式负荷开关又称铁壳开关。一般用于电力排灌、电热器、电气照明线路的配电设备中,用于不频繁地接通与分断电路,也可以直接用于异步电动机的非频繁全压启动控制。
2.转换开关
转换开关又名组合开关,是一种多触点、多位置式、可控制多回路的电器。一般用于电气设备中非频繁地通断电路、换接电源和负载,测量三相电压以及控制小容量感应电动机。
转换开关的电气符号如图2.35所示。
图2.34刀开关的电气符号
图2.35转换开关的电气符号
5低压断路器
低压断路器俗称自动开关,是低压配电系统和电力拖动系统中非常重要的电器,它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合,集控制与多种保护于一身,并具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、分断能力强等优点,因此得到广泛应用。
断路器的种类繁多,按用途和结构特点可分为框架式断路器、塑料外壳式断路器、直流快速断路器、限流式断路器和漏电保护断路器等。断路器的电气符号如图2.36所示。
1.框架式断路器(万能式断路器)具有绝缘衬底的框架结构底座将所有的构件组装在一起,用于配电电网的保护。
2.塑料外壳式断路器
由模压绝缘材料制成的封闭型外壳将所有构件组装在一起形成塑料外壳式断路器。用做配电电网的保护和电动机、照明电路及电热器等控制开关。
3.直流快速断路器
具有快速电磁铁和强有力的灭弧装置,最快动作时间可在0.02s以内,主要用于半导体整流元件和整流装置的保护。
4.限流断路器
利用短路电流所产生的电动力使触点在8~10ms内迅速断开,限制了电路中可能出现的最大短路电流。适用于要求分断能力较高的场合(可分断高达70kA短路电流的电路)。
5.漏电保护断路器
在电路或设备出现对地漏电或人身触电时,迅速自动断开电路,从而有效地保证人身和线路安全。漏电保护断路器是一种安全保护电器,在电路中作为触电和漏电保护之用。漏电保护断路器有单相式和三相式两种。漏电保护断路器的额定漏电动作电流为30~100mA,漏电脱扣动作时间小于0.1s。
图2.36断路器的电气符号
2.3.1.6主令电器
主令电器是用来接通和分断控制电路以发号施令的电器。主令电器应用广泛,种类繁多,常见的有按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。
1.按钮
按钮是一种手动且可以自动复位的主令电器,其结构简单,控制方便,在低压控制电路中得到广泛应用。按钮的结构及电气符号如图2.37所示。
图2.37按钮结构图及其电气符号
按照用途和结构,按钮可分为启动按钮、停止按钮和复合按钮等。按照使用场合和作用不同,通常将按钮帽做成红、绿、黑、蓝、白、灰等颜色。国标GB5226-85对按钮的颜色作如下规定:
》停止和急停按钮颜色必须用红色;
》启动颜色用绿色;
》启动与停止交替动作的按钮必须是黑白、白色或灰色;
》点动按钮必须是黑色;
》复位按钮必须是蓝色(如保护继电器的复位按钮)。
2.行程开关
行程开关又称位置开关或限位开关,它的种类很多,按运动形式可分为直动式、转动式、微动式;按触点的性质可分为有触点式和无触点式(又称接近开关或无触点行程开关)。行程开关主要用于检测工作机械的位置,发出命令以控制运动方向或行程。行程开关的电气符号如图2.38所示。
图2.38行程开关的电气符号
3.万能转换开关
万能转换开关实际上是一种多挡位、多触点、能够控制多回路的主令电器。可用于控制高压油断路器等操作机构的分合闸和各种配电设备中线路的转换、遥控以及电流表、电压表的换相测量等;也可用于发布控制指令,远距离控制,小容量电动机的启动、调速和换向控制。由于其换接、控制电路多,用途广泛,故又称为万能转换开关。
目前常用的万能转换开关由操作机构、面板、手柄及触点座等主要部件组成。图2.39为LW6系列转换开关内其中某一层的结构原理示意图,其操作位置有2~12个,触点底座有1~
10层,其中每层底座均可装三对触点,这种转换开关装入的触点最多可达60对,并由底座中间的凸轮进行控制。由于每层的凸轮可做成不同的形状,因此,当手柄转动到不同位置时,通过凸轮自作用,可使各对触点按所需要的规律接通和分断。这种开关可以组成数百种线路方案,以适应各种复杂的功能要求。万能转换开关电气符号如图2.40所示。
图2.39万能转换开关结构示意图
图2.40万能转换开关电气符号
2.3.2基本电气控制电路
这一部分通过对异步电动机几种电气控制电路的分析,对电气控制电路的基本原理有一定的了解,为在楼宇自动化系统设计中更好地处理弱电控制系统与电气系统的强弱电接口、设备状态监视信号的获取、控制点选择等奠定基础。
图2.41开关直接启动电路
2.3.2.1异步电动机启动控制线路
异步电动机结构简单、运行可靠、维修方便。具有体积小、重量轻、转动惯性小的特点,在现代建筑中得到广泛应用,是楼宇自动化系统主要的监控对象之一。
异步电动机有直接启动和降压启动两种方式。在供电变压器容量足够大时,异步电机可直接启动,否则应采用降压启动方式。
下面简单介绍直接启停控制。
(1)开关直接启动
排污泵、排气扇机等可用开关直接启动,开关直接启动的电路如图2.41所示。
(2)接触器直接启停控制
对通风机、排风机、冷/热水循环泵、冷却
水循环泵、生活水泵、消防水泵等中型电动机宜采用接触器直接启停,电气控制线路图如图
2.42所示。
在图2.42所示的电气控制线路中,三相交流异步电动机通过由接触器、熔断器、热继电器和按钮所组成的控制电路进行控制。
启动电动机时:—主触点KM闭合
合QS→按SB2→KM线圈得电一
—辅助常开触点KM闭合一自锁→电机连续运行
电机停转时:
按停止按钮SB1→KM的线圈失电→所有KM常开触点断开一电动机失电停转并联于启动按钮的辅助常开触点通常称为自锁触点。其作用是当松开启动按钮 SB2后,吸引线圈KM通过其辅助常开触点可以继续保持通电,故电动机连续运行。此控制电路称为自锁电路。
通过上述电路的分析可看出:电器控制的基本方法是通过按钮发布命令信号,而由接触器执行对电路的控制,继电器则用以测量和反映控制过程中各个量的状态,例如热继电器反映电动机过载、断相可能产生的过流情况及其保护,并在适当时候发出控制信号使接触器实现对主电路的各种必要的控制。
图2.42接触器直接启停与保护线路
2.3.2.2电动机正反转控制
图2.43为正反转按钮控制的典型线路。在主电路中,两个接触器KM1、KM2触点接法不同,因此当KM2的触点闭合时,使电动机电源线的左、右两相互换,故可改变电机电源的相序,从而改变电机转向。将正转和反转启动线路组合起来就构成了异步电动机的正反转控制线路。
图2.43异步电动机正反转控制电路
在图2.43中的中间正反转控制电路部分(图2.43(b)),SB2、SB3分别为正、反控制按钮,SB1为停止按钮。KM1、KM2为互锁触点,在它们各自的线圈电路中串联接入对方的常闭触点,防止了SB2、SB3同时按下可能造成的短路事故。这种利用辅助触点互相制约工作状态的方法形成了一个基本控制环节——互锁环节。
工作原理如下。先合上QS,电机正转时:
-主触点KMl闭合一
一锁触点KM1 闭合一→电机正转
按SB2一线圈KM1得电一
-常闭辅助KM1分断一KM2不能得电,切断反转电路反转时,先将电动机停转:一热点K1分原、电机停转
先按SB1一切断所有控制电路一线圈KM1失电十一自锁触点KM1分断一一常闭触点闭合一为反转作准备
—主触点KM2闭合
般一维国K业有电一一故级是K提园合一电机感转L-常闭辅助KM2分断一KM1不能得电,切断正转电路如果想再次正转,也必须要先按停止按钮SB1,使KM2线圈失电释放,电机停转,然后按SB1使电机正转。
这种控制线路(图2.43(b))的工作过程是:正转一停止一反转一停止一正转一停止……
的循环工作过程。当电机需要频繁换向时,这种方式操作不方便,非生产时间多,效率低。如果要求直接实现正反转控制。可采用图2.43中右边的正反转控制电路部分(图2.43(c)),用复合按钮代替单触点按钮,并将复合按钮的常闭触点分别串接入对方接触器的控制电路之中,这样在接通一条电路的同时,可以切断另一条电路,即可不使用停止按钮过渡而直接控制正反转。但须注意这种直接正反转控制线路仅适用于小容量电动机,且拖动的设备转动惯量又较小的场合。
2.3.2.3双速异步电动机的高低速
现代建筑中,有一部分设备有多种用途和功能。如有的风机在正常情况下作为空调系统的送/回风机;但当发生火灾时,又转换为补风机/排烟风机。同一风机工作在不同的功能时,有可能采用不同的转速,对应的电动机必须配备双速控制线路。
图2.44给出了三种双速电动机控制线路。
图2.44(b)是通过按钮进行转速控制的高、低速控制电路图。按下SB2,KM1得电,电机绕组接成△形,低速运转;按下SB3,KM2、KM3得电,电机绕组接成Y形,电机高速运转。在低速和高速之间用动断触点互锁。
图2.44(c)是通过开关实现高低速控制的控制电路。当电动机容量较大时,若直接作高速运转(Y接法),启动电流较大,这时可采用低速启动,再转换到高速运行的控制方式。图2.44(d)是通过转换开关实现低、高速自动转换的控制电路。在图中,当SA开关打到高速时,时间继电器KT得电,其瞬时动作触点闭合,先接通低速电路,使电动机低速启动,KT延时时间到后,其两个延时触点分别断开低速电路和接通高速电路,使电动机转换到高速运行。
这一部分只是简单介绍了一般常用低压电器的工作原理以及电动机启停控制,楼宇自动化子系统基本都涉及到电器控制。电气控制及其系统在变配电、照明、电梯、火灾自动报警及消防控制、空调、通风、给排水等系统的控制中都有广泛的应用。掌握各种低压电器的基本原理和电气控制线路的基本设计方法,对楼宇自动化系统设计,特别是强弱电接口的设计是必不可少的。
图2.44双速电机高低速控制电路