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电气控制柜设计制作——电路篇

作译者：任清晨

出版时间：2014-10 千字数：612 版次：01-01 页数：364

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121243400

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目    录
第1章  电气控制	（1）
1.1  概述	（1）
1.1.1  电气控制技术发展简史	（1）
1.1.1.1  人类历史的科学技术发展简史	（1）
1.1.1.2  近代工业革命的三大阶段	（1）
1.1.1.3  电气控制无处不在	（6）
1.1.2  电气控制	（7）
1.1.2.1  什么是电气控制技术	（7）
1.1.2.2  电气控制设备	（7）
1.1.2.3  电气控制设备的智能化	（10）
1.1.3  电气控制技术发展的几个阶段	（10）
1.1.3.1  开关控制电器阶段	（10）
1.1.3.2  继电控制电器阶段	（11）
1.1.3.3  数字逻辑控制阶段	（13）
1.1.3.4  电子计算机控制阶段	（13）
1.1.4  控制设备的分类	（14）
1.1.4.1  电气控制设备的分类	（15）
1.1.4.2  电气控制设备的特性	（15）
1.2  电气控制柜使用条件及主要性能指标	（16）
1.2.1  正常使用条件	（16）
1.2.1.1  周围空气温度	（17）
1.2.1.2  海拔	（17）
1.2.1.3  湿度	（17）
1.2.1.4  污染等级	（17）
1.2.1.5  振动、冲击和碰撞	（18）
1.2.1.6  供电电源	（18）
1.2.1.7  电磁兼容性（EMC）	（18）
1.2.1.8  运输、储存和安置条件	（19）
1.2.1.9  安装条件	（19）
1.2.2  特殊使用条件	（19）
1.2.3  工作性能指标	（19）
1.2.3.1  额定工作制	（19）
1.2.3.2  主电路的额定值和极限值	（20）
1.2.3.3  正常负载和过载特性	（24）
1.2.3.4  短路特性	（24）
1.2.3.5  绝缘电阻与介电性能	（25）
1.2.3.6  温升	（26）
1.2.3.7  EMC环境	（26）
1.2.3.8  噪声	（26）
1.2.4  智能型控制设备要求	（26）
1.2.4.1  一般要求	（26）
1.2.4.2  功能要求	（26）
1.3  影响电气控制柜制作的因素	（27）
1.3.1  电气控制柜的制作方式	（27）
1.3.1.1  生产类型	（27）
1.3.1.2  不同生产类型的工艺特点	（28）
1.3.2  客户的要求	（29）
1.3.2.1  执行标准	（29）
1.3.2.2  控制要求	（30）
1.3.2.3  可靠性要求	（32）
1.3.2.4  寿命要求	（32）
1.3.2.5  安全性要求	（32）
1.3.3  使用条件	（33）
1.3.3.1  环境对电气控制设备的影响	（33）
1.3.3.2  机械因素对电气控制设备的影响	（33）
1.3.4  设备条件和技术水平	（34）
1.3.5  技术文件与标志	（34）
1.3.5.1  技术文件	（35）
1.3.5.2  标志	（37）
1.4  电气控制柜设计制作的原则	（38）
1.4.1  技术设计的一般原则	（38）
1.4.2  安全设计原则	（39）
1.4.2.1  人员和财产的安全性	（39）
1.4.2.2  电气产品安全设计基本要求	（40）
1.4.2.3  电气产品有哪些安全风险	（41）
1.4.2.4  应首先采用改变产品的危险性特征的方法消除安全隐患	（42）
1.4.2.5  安全技术措施选择顺序	（42）
1.4.2.6  进行电路设计和结构设计时安全性设计的优选顺序	（42）
1.4.2.7  安全设计必须考虑环境条件和应用条件，特别应考虑特殊条件	（42）
1.4.2.8  安全设计必须考虑设备在制造过程中的安全	（43）
1.4.2.9  电气控制设备安全设计方法	（43）
1.4.3  可靠性设计原则	（48）
1.4.3.1  系统的整体可靠性原则	（48）
1.4.3.2  高可靠性组成单元要素原则	（48）
1.4.3.3  具有安全系数的设计原则	（48）
1.4.3.4  高可靠性方式原则	（48）
 
1.4.3.5  元器件的选择对机电产品可靠性的影响	（49）
1.4.4  节能环保绿色设计原则	（49）
1.4.4.1  环保型材料的利用	（49）
1.4.4.2  节约能源设计	（50）
1.4.5  控制功能设计原则	（51）
1.4.6  可加工性、可装配性和可维修性设计原则	（52）
第2章  电气原理图设计	（54）
2.1  电气控制系统设计概述	（54）
2.1.1  控制系统概述	（54）
2.1.2  自动控制系统	（56）
2.1.2.1  自动控制系统的组成	（56）
2.1.2.2  自动控制系统的分类	（56）
2.1.2.3  自动控制系统的性能要求	（57）
2.1.2.4  自动控制线路的基本组成	（58）
2.1.2.5  常用控制方法	（59）
2.1.3  电气控制设备设计的原则与内容	（60）
2.1.3.1  电气控制设备设计的一般原则	（60）
2.1.3.2  电气控制设备设计的任务及内容	（60）
2.1.4  电气控制设备设计的一般步骤	（61）
2.1.5  电动机拖动方案的确定方法	（68）
2.2  电路图的设计方法	（71）
2.2.1  电气控制电路设计概述	（71）
2.2.1.1  电气原理图设计的内容	（71）
2.2.1.2  电气原理图设计的基本步骤	（73）
2.2.2  电气原理图的设计方法	（73）
2.2.2.1  经验设计法	（73）
2.2.2.2  逻辑设计法	（80）
2.3  电路设计的注意事项	（84）
2.3.1  电气控制电路设计中应注意的问题	（84）
2.3.2  PLC控制系统设计的注意事项	（94）
2.3.2.1  PLC控制系统设计的基本原则	（94）
2.3.2.2  PLC控制系统设计的基本内容	（94）
2.3.2.3  PLC控制系统设计的一般步骤	（95）
2.3.2.4  PLC机型的选择	（96）
2.3.3  单片机控制电路设计的注意事项	（98）
2.3.3.1  单片机控制电路设计的基本要求	（98）
2.3.3.2  单片机（MCU）选择设计要求	（99）
2.3.3.3  电源部分的设计要求	（99）
2.3.3.4  时钟设计要求	（100）
2.3.3.5  I/O口设计要求	（100）
2.3.3.6  上/下拉电阻要求	（100）
2.3.3.7  通信接口	（100）
2.4  元器件的选择原则	（101）
2.4.1  控制电器	（101）
2.4.1.1  控制电器的作用	（101）
2.4.1.2  常用低压电器的主要种类和用途	（102）
2.4.2  开关器件和元件的选择	（102）
2.4.2.1  开关器件和元件的选用原则	（103）
2.4.2.2  器件封装结构和质量等级的选择	（103）
2.4.2.3  降额设计	（103）
2.4.3  开关器件和元件参数的选择	（104）
2.4.3.1  在空载、正常负载和过载条件下接通、承载和分断电流的能力	（104）
2.4.3.2  接通、承载和分断短路电流的能力	（105）
2.4.3.3  通断操作过电压	（105）
2.4.3.4  开关器件及元件动作条件	（106）
2.4.3.5  操动器	（107）
2.4.3.6  触点位置指示	（107）
2.4.3.7  适用于隔离的电器的附加要求	（108）
2.4.3.8  具有中性极电器及控制设备的附加要求	（109）
2.4.4  控制电器接线端子的选择	（109）
2.4.4.1  接线端子的结构要求	（109）
2.4.4.2  接线端子连接导线的能力	（109）
2.4.4.3  接线端子的连接	（110）
2.4.4.4  接线端子的识别和标志	（110）
2.4.4.5  外接导线端子	（110）
第3章  电路设计规范	（112）
3.1  功能电路设计规范	（112）
3.1.1  电源及引入电源线端接法和切断开关	（112）
3.1.1.1  电源	（112）
3.1.1.2  对电子设备供电电路的要求	（113）
3.1.1.3  引入电源线端接法和切断开关	（115）
3.1.2  控制电路和控制功能	（118）
3.1.2.1  控制电路	（118）
3.1.2.2  控制功能	（120）
3.1.2.3  联锁保护	（124）
3.1.2.4  故障情况的控制功能	（125）
3.2  防护电路设计规范	（128）
3.2.1  电击防护的设计	（128）
3.2.1.1  概述	（128）
3.2.1.2  直接接触的防护	（129）
 
3.2.1.3  间接接触的防护	（129）
3.2.1.4  采用安全超低压（PELV）作防护	（132）
3.2.2  电气设备的保护与等电位联结	（133）
3.2.2.1  电气设备的保护	（133）
3.2.2.2  短路保护与短路耐受强度	（139）
3.2.2.3  等电位联结	（142）
3.2.3  电磁兼容性（EMC）设计	（144）
3.2.3.1  电磁兼容性设计要求	（144）
3.2.3.2  提高电磁兼容性（EMC）的措施	（146）
3.3  电路原理图的绘制	（147）
3.3.1  电气制图规则	（147）
3.3.1.1  电路图的组成	（147）
3.3.1.2  电气原理图符号位置的索引	（148）
3.3.1.3  元器件的标注方法	（149）
3.3.1.4  电气原理图的绘制原则	（149）
3.3.2  电气原理图绘制工具	（151）
3.3.2.1  CAD绘图软件	（151）
3.3.2.2  CAD绘图技巧	（151）
3.3.2.3  CAD电路原理图的输入方法	（154）
3.3.2.4  电气原理图绘制步骤	（155）
3.3.2.5  电气原理图绘制注意事项	（156）
3.3.2.6  对电气原理图的审核	（156）
3.3.3  电气原理图的画法	（157）
3.3.3.1  概略图的画法	（157）
3.3.3.2  功能图的画法	（157）
3.3.3.3  电路图的画法	（158）
第4章  低压电器的选与用	（159）
4.1  断路器的选与用	（160）
4.1.1  断路器的选型	（160）
4.1.1.1  断路器类型的选择	（160）
4.1.1.2  低压断路器技术参数的选择方法	（161）
4.1.1.3  断路器电流参数的标定	（166）
4.1.1.4  断路器选型应注意的其他问题	（167）
4.1.1.5  低压断路器辅助功能的选择方法	（168）
4.1.1.6  低压断路器的附件选择	（169）
4.1.1.7  漏电断路器（RCD）的选择	（169）
4.1.1.8  四极塑料外壳式断路器的选型	（170）
4.1.2  断路器的使用注意事项	（171）
4.1.2.1  容易混淆的概念	（171）
4.1.2.2  影响断路器使用的因素	（171）
4.1.2.3  断路器上下级间配合应注意的问题	（173）
4.1.2.4  剩余电流动作保护器的正确应用	（175）
4.1.2.5  四极断路器使用注意事项	（176）
4.2  熔断器的选与用	（176）
4.2.1  熔断器的选择	（176）
4.2.1.1  熔断器的选择原则	（176）
4.2.1.2  熔断器熔体电流的计算方法	（178）
4.2.1.3  查表法选定熔体额定电流	（181）
4.2.2  熔断器的使用注意事项	（183）
4.2.2.1  熔断器和断路器的比较	（183）
4.2.2.2  电气控制设备保护方案的选择	（184）
4.2.2.3  熔断器使用注意事项	（184）
4.3  接触器的选与用	（185）
4.3.1  接触器的选型	（185）
4.3.1.1  按负载种类选择接触器的类型	（185）
4.3.1.2  根据被控制设备的运行状况来选定额定电流	（191）
4.3.1.3  接触器结构形式的选择	（192）
4.3.1.4  接触器的额定电压的选定	（192）
4.3.1.5  选定后的校验	（193）
4.3.1.6  短路保护元件	（193）
4.3.2  接触器的使用注意事项	（194）
4.3.2.1  接触器和继电器的用法和区别	（194）
4.3.2.2  交流接触器、固态继电器及无触点接触器的区别	（195）
4.3.2.3  影响接触器使用的因素	（196）
4.4  继电器的选与用	（197）
4.4.1  继电器的选型	（197）
4.4.1.1  电磁继电器选型	（198）
4.4.1.2  固态继电器（SSR）的选用	（201）
4.4.1.3  热继电器的选型及整定原则	（203）
4.4.1.4  时间继电器的选用	（206）
4.4.2  继电器的使用注意事项	（206）
4.4.2.1  继电器在使用中的整体要求	（206）
4.4.2.2  触点使用中的注意事项	（207）
4.4.2.3  线圈使用中的注意事项	（211）
4.4.2.4  固态继电器使用注意事项	（216）
4.4.2.5  热继电器使用注意事项	（218）
4.5  电力电容器的选与用	（220）
4.5.1  电力电容器的选型	（220）
4.5.1.1  根据电力电容器用途选择电容器的类型	（220）
4.5.1.2  根据电力电容器的用途选择电容器的型号	（221）
 
4.5.1.3  电力电容器额定电压的正确选择	（221）
4.5.1.4  移相电容器容量的选定	（222）
4.5.1.5  根据工作电压选择使用油浸电容器还是自愈式电容器	（223）
4.5.2  电力电容器的使用注意事项	（223）
4.5.2.1  环境影响电力电容器的使用寿命	（223）
4.5.2.2  电力电容器的电气保护	（224）
4.5.2.3  电力电容器的接通和断开	（225）
4.5.2.4  电力电容器的放电	（226）
4.5.2.5  电力电容器的补偿方式	（226）
4.6  热电阻及热电偶的选与用	（226）
4.6.1  热电阻与热电偶的选型	（226）
4.6.1.1  热电阻与热电偶的选择	（226）
4.6.1.2  热电阻与热电偶选型流程	（226）
4.6.1.3  热电阻与热电偶选型技巧	（227）
4.6.1.4  其他主要参数选择	（230）
4.6.1.5  配套温度检测仪的选用	（231）
4.6.2  热电阻与热电偶的使用注意事项	（231）
4.6.2.1  热电阻与热电偶的比较	（231）
4.6.2.2  热电阻与热电偶使用注意事项	（232）
4.6.2.3  热电偶补偿导线使用注意事项	（233）
4.7  可编程序控制器（PLC）的选与用	（235）
4.7.1  PLC的选型方法	（235）
4.7.1.1  输入/输出（I/O）的选择	（235）
4.7.1.2  PLC程序存储器类型及容量选择	（238）
4.7.1.3  控制功能的选择	（239）
4.7.1.4  机型的选择	（242）
4.7.1.5  软件选择及支撑技术条件的考虑	（244）
4.7.1.6  PLC的环境适应性	（245）
4.7.1.7  PLC输出类型的选择及使用	（245）
4.7.1.8  选型需要考虑的其他问题	（246）
4.7.2  PLC使用中应注意的事项	（247）
4.7.2.1  PLC配线要求	（247）
4.7.2.2  I/O端的接线要求	（248）
4.7.2.3  24V直流接线端	（249）
4.7.2.4  电源接线	（249）
4.7.2.5  PLC输出负载的影响	（249）
第5章  电子元器件的选与用	（251）
5.1  电阻器的选与用	（251）
5.1.1  电阻的选型	（251）
5.1.1.1  固定电阻的选型	（252）
5.1.1.2  电位器的选型	（256）
5.1.1.3  压敏电阻的选型	（257）
5.1.1.4  热敏电阻的选型	（258）
5.1.1.5  光敏电阻器的选用	（259）
5.1.1.6  湿敏电阻器的选用	（260）
5.1.1.7  熔断电阻器的选用	（260）
5.1.2  电阻的使用注意事项	（260）
5.1.2.1  压敏电阻、热敏电阻及熔断器的比较	（260）
5.1.2.2  压敏电阻的使用注意事项	（261）
5.1.2.3  热敏电阻的使用注意事项	（265）
5.2  电容器的选与用	（266）
5.2.1  电容器的选型	（266）
5.2.1.1  电容器类型的选择	（266）
5.2.1.2  电容器参数选择	（267）
5.2.1.3  根据使用环境选择合适型号的电容器	（271）
5.2.1.4  电容选择中的一些误区	（271）
5.2.2  电容器的使用注意事项	（272）
5.2.2.1  影响电容器使用的主要因素	（272）
5.2.2.2  使用电容器应避免的场合	（273）
5.2.2.3  多片陶瓷电容器（MLCC）使用注意事项	（274）
5.2.2.4  电解电容器使用注意事项	（275）
5.2.2.5  电容器的串联和并联	（277）
5.3  二极管的选与用	（278）
5.3.1  二极管的选用	（278）
5.3.1.1  根据具体电路的功能要求选用	（278）
5.3.1.2  二极管管型的选择原则	（279）
5.3.1.3  选好二极管的各项主要技术参数	（280）
5.3.1.4  选好二极管的外形、尺寸大小和封装形式	（281）
5.3.1.5  确定二极管型号	（281）
5.3.2  二极管的使用注意事项	（281）
5.3.2.1  二极管普遍适用的注意事项	（281）
5.3.2.2  使用稳压二极管时的注意事项	（282）
5.3.2.3  LED发光二极管使用注意事项	（283）
5.3.2.4  开关二极管的使用注意事项	（285）
5.3.2.5  瞬态抑制二极管（TVS）在使用中应注意的事项	（286）
5.4  三极管的选与用	（287）
5.4.1  晶体三极管的选用原则	（287）
5.4.1.1  双极型晶体管和场效应管的比较和选择	（287）
5.4.1.2  根据三极管在电路中的作用进行选用	（288）
5.4.1.3  三极管特性参数的选用	（290）
 
5.4.2  三极管的使用注意事项	（291）
5.4.2.1  晶体管参数在实际使用中的意义	（291）
5.4.2.2  晶体三极管使用注意事项	（292）
5.4.2.3  场效应管使用注意事项	（295）
5.5  集成电路的选与用	（296）
5.5.1  集成电路的选型	（296）
5.5.1.1  集成稳压器的选择	（296）
5.5.1.2  运算放大器的选择	（296）
5.5.1.3  DC-DC变换器芯片选择	（299）
5.5.1.4  数字逻辑集成电路的选择	（301）
5.5.2  集成电路的使用注意事项	（302）
5.5.2.1  集成电路通用的注意事项	（302）
5.5.2.2  TTL集成电路使用应注意的问题	（304）
5.5.2.3  CMOS集成电路使用应注意的问题	（305）
5.5.2.4  集成电路的接口电路	（308）
5.5.3  不同用途集成电路的使用注意事项	（310）
5.5.3.1  集成稳压器的使用注意事项	（310）
5.5.3.2  集成运算放大器的使用注意事项	（311）
5.5.3.3  数字逻辑集成电路使用注意事项	（312）
5.6  光电耦合器的选与用	（313）
5.6.1  光电耦合器的选型	（313）
5.6.1.1  光电耦合器的选用原则	（314）
5.6.1.2  光电耦合器类型的选择	（314）
5.6.1.3  光电耦合器参数的选择	（315）
5.6.2  光电耦合器的使用注意事项	（317）
5.6.2.1  光电耦合器使用时必须考虑的问题	（317）
5.6.2.2  影响电流传输比（CTR）的因素	（320）
5.6.2.3  光电耦合器延时	（321）
5.6.2.4  光电耦合器使用时的其他注意事项	（321）
5.7  晶闸管的选与用	（322）
5.7.1  晶闸管的选用	（322）
5.7.1.1  选择晶闸管的类型	（322）
5.7.1.2  晶闸管主要参数的选择	（322）
5.7.1.3  不同用途晶闸管的选用	（324）
5.7.2  晶闸管的使用注意事项	（327）
5.7.2.1  晶闸管的保护	（327）
5.7.2.2  在高海拔、低温条件下的使用注意事项	（332）
5.7.2.3  晶闸管串、并联使用要求	（332）
5.7.2.4  晶闸管检测注意事项	（334）
5.7.2.5  晶闸管模块使用注意事项	（334）
5.8  IGBT的选与用	（335）
5.8.1  IGBT的选型	（335）
5.8.1.1  IGBT选型程序	（335）
5.8.1.2  IGBT参数的选择	（335）
5.8.1.3  IGBT模块的选择	（336）
5.8.1.4  IGBT驱动器的选型	（339）
5.8.2  IGBT模块使用时的注意事项	（340）
5.8.2.1  IGBT的栅极保护	（340）
5.8.2.2  IGBT的过压保护设计	（344）
5.8.2.3  IGBT的过流保护电路设计	（346）
5.8.2.4  过热保护	（349）
5.8.2.5  串、并联问题	（349）
参考文献	（352）

前    言
电是一种绿色环保型二次能源，电的使用使科学技术得到了飞速的发展，同时使人类的生产、生活水平得到了极大的提高。当今世界上如果没有电，人类的生产、生活将会一团糟，情况将难以想象。为了更好地使用电这种能源，人类一天也没有停止过对其特性及其应用技术的研究。为了更好地利用电能，全世界的所有全科大学、工科院校和职业技能培训机构几乎毫无例外地都开设了电气专业的课程。虽然电可以造福人类，但是在使用电能的同时，电能对使用者也具有极大的危害和潜在的风险。利用机柜作为电气控制装置的外壳进行安全防护，就构成了电气控制柜。
电气控制设备是人类使用电能为自身服务的工具和桥梁。人类从利用电能的第一天起从未停止过对电气控制设备的研究，使电气控制设备及其性能日臻完善。电气控制设备的使用遍及人们生产、生活的各个角落和各行各业。电气控制柜的设计和制作工艺技术水平，直接影响着人类使用电能为自身服务的水平和质量。因此，提高电气控制柜的设计和制作的从业人员及欲加入电气控制设备制造行业的人员的技术工艺水平，具有十分重要的意义。
“电气控制柜设计制作维修技能丛书”以很自然的方式，将电气控制柜制作的前人经验及相关国家标准和工艺规范的具体内容融入各章节中，拥有本丛书可以省去查阅相关国家标准和各种手册的大量时间，基本可以做到一书在手即可解决电气控制柜制作中的几乎全部问题。本丛书的特点是以国家标准为主线，避开行业问题及与生产无关的纯理论问题，重点介绍各行各业均适用的电气控制柜设计制作的实用生产技术和职业能力。对于电气控制设备生产企业的从业人员和电气控制设备使用企业的维护修理人员来讲，本丛书是一套工具书；对于大专院校和职业技术院校电气专业在校学生来讲，本丛书是一套教辅参考书，可以有效地提高毕业生的工作能力和就业竞争力；对于职业技术培训机构和自学成才者来讲，本丛书是不可多得的教材。
“电气控制柜设计制作维修技能丛书”由3个分册组成：第一分册《电气控制柜设计制作——电路篇》，第二分册《电气控制柜设计制作——结构与工艺篇》，第三分册《电气控制柜设计制作——调试与维修篇》，三个分册构成一个比较完整的体系。本书是丛书的第一分册，主要讲解电气控制技术的发展、电气控制柜使用条件及主要性能指标、影响电气控制柜制作的因素、电气控制柜设计制作的原则、电路设计规范、电路图的设计方法及注意事项、元器件的选择原则和使用方法。学习本丛书前，最好先学习一些机械基础知识、电工电子技术基础知识和液压基础知识，这样会收到事半功倍的学习效果。
本书由任清晨主编，魏俊萍、王维征、刘胜军、任江鹏、李宏宇、曹广平、赵丽也参与了部分书稿的编写工作。在编写过程中，查阅了大量的相关国家标准和出版物，并且阅读了互联网上的相关文章，这些出版物和文章为本书的编写提供了大量的素材，在此向这些文章的作者表示衷心的感谢。本书内容经过中国科学院电工所科诺伟业公司武鑫博士、天威保变风电公司鲁志平总工程师审阅，在此向二位专家表示衷心的感谢。

编者

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