电气控制技术设计及实践能力训练报告

题目: 消防水泵互投直接启动控制电路

班    级:    电气0702班    

姓    名:      冉金山       

学    号:    20070302082    

指导教师:       耿欣        

二○##年 八月 八日

一、设计要求

消火栓灭火系统由消火栓、消防水泵、管网、压力传感器及电气控制电路组成。消火栓灭火系统属于闭环控制系统。当发生火灾时，控制电路接到消火栓泵启动指令发出消防水泵启动的主令信号后，消防水泵电动机启动，向室内管网提供消防用水，压力传感器用来监视管网水压，并将监测水压信号送至消防控制电路，形成反馈的闭环控制：

消火栓灭火系统框图

具体要求如下：

⑴、消火栓所用消防泵是两台一组，一备一用，互为备用。

⑵、互为备用的另一种形式为水压不足时，备用泵自动投入运行。另外，当水源无水时，水泵能自动停止运转，并设水泵故障指示灯。

⑶、设有工作状态选择开关，消火栓消防泵有手动、自动两种操作方式。

⑷、消防按钮启动后，消火栓泵应自动投入运行，同时发出声光报警。

二、设计方案（方案选择及方案对比）

1、方案一：消防栓采用单一消防水泵自投入来实现消防任务。

2、方案二：消防栓采用消防水泵两台一组，互投入实现消防任务。

3、方案对比：方案一用到的电气器件少，电气控制电路简单，安装容易，但是系统的可靠性非常差，当系统出现故障后就不能再使用。方案二的电气器件较多电气控制电路比较复杂，但是系统的可靠性非常好，当一组中的一个水泵出现故障今后，另外一个水泵立即投入使用。

经过比较，本设计采用两台水泵互投式工作来实现消防控制。

三、电路设计

1、电路图设计

1）、电路图：

两台消火栓用消防泵一用一备的电气控制电路

主电路图

控制电路图

2）、工作原理：

（1）电动机配置情况及其控制

该电路共配置两台电动机M1和M2，采用直接启动方式，由接触器KM1、KM2控制。空气开关QF1、QF2分别作M1、M2的短路保护，热继电器FR1、FR2分别          作M1、M2的长期过载保护。
   （2）主要电气元件的作用
    ①万能转换开关的作用:
    万能转换开关SA为消防泵工作状态选择开关，可使两台泵分别处在1#泵用2#泵备、2#泵用1#泵备或两台泵均为手动的工作状态。

②中间继电器KA的作用
    电动机M1、M2的控制电路中都有KA的动合触头,只有KA得电吸合，其动合触头闭合，M1、M2才能得电。
  （3）线路工作原理分析
    ①手动控制：
    旋转SA使两台泵分别处在手动的工作状态。按下启动按钮SB2，使中间继电器KA线圈得电，KA的常开触点吸合，形成自锁，启动指示灯HG亮。同时接触器KM1或KM2得电吸合并自锁，其主触头KM1或KM2闭合，使电动机M1或M2得电启动运转，泵*1或泵*2运行。KM1或KM2的辅助动合触头KM1或KM2闭合，KM1或KM2的辅助动断触头KM1或KM2断开，使得运行指示灯HG1或HG2亮，故障指示灯HY1或HY2灭。
    当电动机过载时，热继电器FR1或FR2的动断触头FR1或FR2断开，KM1或KM2失电释放，M1或M2失电停转，使泵*1或泵*2停止工作。
    按下停止按钮SB1，KM1或KM2失电释放，使泵*1或泵*2停止工作。

②自动控制：
    将万能转换开关SA旋转至“1号泵工作，2号泵备用”档。

a、未发生火灾时的控制：
    消防控制按钮SB1闭合、SB2打开，中间继电器KA无法得电，其动合触头KA断开， KM1或KM2不工作，泵*1、泵*2均停止工作。KM1或KM2的辅助动合触头KM1或KM2断开，KM1或KM2的辅助动断触头KM1或KM2闭合，使得运行指示灯HG1或HG2灭，故障指示灯HY1或HY2亮。
    b、发生火灾而1#泵正常工作时的控制：
    当发生火灾时，打碎消防栓箱内消防专用按钮的玻璃片，按钮SB1按下，
使KA得电电吸合，引起各电器的动作顺序为：

c、当发生火灾且1#泵出现故障时的控制：

由于1#泵出现故障，接触器KM1跳闸，引起各电器元件的动作顺序为：

2 、电路主要参数的计算过程

1）、电机参数的计算：

电机型号：

据《高层民用建筑设计防火规范》要求，消防用数量为：

a、室外消火栓Q=30L/s，火灾延续3h；

b、室内消火栓Q=00L/s，火灾延续3h；

    扬程方面，选用30米足够，可选选择：Q>=50L/S,H>=10m

    消防水泵电机的功率>=9.8QH*/K1000=9.8*50*12/(0.9*1000)=6.533KW

加上可靠系数，则消防栓水泵最大选用7.5KW即可，当然订货时要根据泵的具体参数控制在上述范围即可，且需要消防池的数量小于500立方米只需一个水池即可。

                P=1.732UIcosφ*机械因数

其中：P=7.5KW、  U=380V、  cosφ=0.85、  机械因数=0.9

选7.5KW的电机，额定电压380V ，额定电流15A， 额定频率50Hz。选择空开20A，接触器选20A，时间继电器选20A，热继电器选16~18A

2）、导线横截面计算：

电缆线选用2.5平方毫米（可扩大到4平方毫米，电缆型号选用VV0.5/1-3X4+1X2.5）

3）、工作环境的选择：

选择室内消防设备。

3 、电气元器件的工作原理，结构图及参数选择

1）、交流接触器： 

a、原理: 当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。

交流接触器又可分为电磁式，永磁式和真空式三种。

b、结构图:

c、图形符号:                                             

2）、热继电器：它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。

图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。 热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。

   （a）内部结构                           （b） 图形符号

3）、空开：脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。

当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。　当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。

开关的脱扣机构是一套连杆装置。当主触点通过操作机构闭合后，就被锁钩锁在合闸的位置。如果电路中发生故障，则有关的脱扣器将产生作用使脱扣机构中的锁钩脱开，于是主触点在释放弹簧的作用下迅速分断。按照保护作用的不同，脱扣器可以分为过电流脱扣器及失压脱扣器等类型。

4）、熔断器（fuse）：熔断器也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体（fuse-link)"。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。　

利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路。熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。

熔断器主要由熔体、外壳和支座 3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。熔体的形状分为丝状和带状两种。

                     熔断器的符号图

5）、按钮：按钮是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。按钮分为：1、常开按钮——开关触点断开的按钮。2、常闭按钮——开关触点接通的按钮。3、常开常闭按钮——开关触点既有接通也有断开的按钮。 也称为按键，是一种电闸(或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。一般而言，红色按钮是用来使某一功能停止，而绿色按钮，则通可开始某一项功能。按钮的形状通常是圆形或方形。

按钮是一种人工控制的主令电器。主要用来发布操作命令，接通或开断控制电路，控制机械与电工设备的运行。按钮的工作原理很简单（见下图）。

对于常开触头（图a）,在按钮未被按下前,电路是断开的,按下按钮后,常开触头被连通,电路也被接通；对于常闭触头（图b），在按钮未被按下前，触头是闭合的，按下按钮后，触头被断开，电路也被分断。由于控制电路工作的需要，一只按钮还可带有多对同时动作的触头(图c)。

6）、元件清单：

7）、成本核算表：

4 、机柜设计

1）、机柜的选择及型号：

机柜材料选用304不锈钢机柜，表面处理为纳米粉末喷塑，机柜尺寸为：

宽：800mm、深：300mm、高： 600mm，选用型号为KL接线箱。

2）、机柜控制面板设计：

机柜控制面板材料选用红色胶木板，面板尺寸为：长：560mm、宽：780mm、厚：15mm，面板在机柜中用螺丝固定。

3）、电气元件布置图设计：

4）、电气接线图设计：

四、电路安装接线与调试（6学时）

1、电气施工组织设计：

第一步：安装机柜面板。根据电气元件布置图中各个电气元件的位置，按比例用铅笔在机柜控制面板上画出各电气元件的位置，画完后把机柜面板用螺丝固定在机柜上。（1学时）

第二步：安装固定电气元件。将对应的电气元件安装在机柜面板上各自的位置上，固定，保证不松动。（1学时）

第三步：电气接线。根据电气接线图压接导线，同时用套管给导线端编码。（2学时）

第四步：电路连接检查。电气元件用导线连接好后，进行电路检查。（1/2学时）

第五步：通电调试。电路检查无误后安通电步棸通电，安设计试验不走进行调试。（1/2学时）

第六步：故障排除。当发现故障后及时排除电路故障。（1学时）

2、按电气元件布置图、电气接线图安装并接线：

（1学时）：组长安装机柜面板。

（1学时）：组员安装电气元件。

（2学时）：组长和组员共同接线。

3、电路检查

1）、电阻法检查：当电路发生故障时，可用万用表进行检测故障点。将万用表打到电阻档，顺着电路的接线方向用万用表的两表笔进行故障排除。具体做法是：当线路的电阻为零说明两相间可能发生短路，当万用表显示电阻无穷大时，可能是线路发生断路。

2）、兆欧表检查：控制电路连接好后，用兆欧表检测三相电路是否有短路现象，其中表针的指向为无穷大时为无短路。表针的指向为电阻很小时为短路现象。但是，在检测前要把两相间的电源指示灯暂时断开，因为电源指示灯有电阻并且很小，会引起误测。

3）、检测结果：经检查电路连接无误。

4、通电调试操作步骤及注意事项

1）、操作步骤

第一步：通电前检查各元件，使电源总开关、空气开关FQ1和FQ2打到断电状态。

第二步：合上电源总开关与主电路空开FQ1和FQ2。观察指示灯的两灭状态。并做记录。

第三步：根据消防水泵互投直接启动控制电路的工作原理进行下一步。将万能开关SA打到M1用M2备档，按下启动按扭SB2，同时观察两电机的运行情况及指示灯的两灭状态。并做记录。

第四步：按下停止按钮SB1，再将万能开关SA打到M1备、M2用档，按下启动按扭SB2，同时观察两电机的运行情况及指示灯的两灭状态。并做记录。

第五步：按下停止按钮SB1。上面完成了消防水泵手动控制。

第六步：消防水泵自动控制。将万能开关SA打到M1用、M2备档，按下启动按扭SB2，同时观察两电机的运行情况及指示灯的两灭状态。并做记录。接着用笔跳开热继电器FR1，来模拟电机M1过载故障。同时观察两电机的运行情况及指示灯的两灭状态。并做记录。

第七步：按照第六步方法模拟电机M1过载故障，同时观察两电机的运行情况及指示灯的两灭状态。并做记录。

第八步：按下停止按钮SB1。打开主电路空气开关FQ1和FQ2。

2）、注意事项

⑴在用电阻法检查电路时，一定要正确使用万用表，先选好万用表的档，再进行检电路查。

⑵要特别注意三相电动机的接法一定要接正确，防止电流过大烧坏电机。

⑶通电前必须先检查使电源总开关、空气开关FQ1和FQ2打到断电状态。

⑷通电后，手不能在触及电路接线，以免发生触电事故。

⑸发现故障时要立即切断电源开关，以免损毁电气器件。

⑹通电调试完毕后，要打开空开及电源总开关。

5、故障排除

1）、故障现象：

故障现象一：无论如何万能开关SA转到“1号泵工作，2号泵备用”还是“2号泵工作，1号泵备用”档，只有电机M2转动，电机M1总是不转动。

故障现象二：电机M1、M2都能正常运转，且能互投，只是指示灯HG1不亮。

2）、故障检查与故障排除：

检查故障现象一：断开电源，检测M1的控制电路。先用手控将KA的常开触点闭合，那万用表用电阻法测一下1、4点之间，不导通，说明1/4点之间有断路故障点。再测一下3、4点之间，导通，说明断开点在1、3点之间。继续测2、3点之间，导通，1、2点之间，不导通。证明1、2处有线断开，测一下KA常开触点上面无断路，最终确定（1）处断路。

检查故障现象二：断开电源，用同样的方法测定（2）处断路。

五、相关技术资料

1、常见故障与处理方法

故障现象1：手动操作断路器不能闭合。

    产生原因：(1)失压脱钩器无电压；(2)线圈损坏；(3)储能弹簧变形，导致闭合力减小；(4)反作用弹簧力过大，机构不能复位再扣。

    处理方法：(1)检查电压是否正常，连接是否可靠；(2)检查或更换线圈；(3) 更换储能弹簧；(4)调整弹簧反力，调整再扣接触面至规定值。

故障现象2：漏电保护断路器不能闭合或频繁动作。

    产生原因：(1)线路某处漏电或接地；(2)操作机构损坏；(3)漏电保护电流偏小或漏电保护电流变化。

    处理方法：(1)排除漏电、接地故障；(2)送制造厂修理；(3)重新校正漏电保护电流至合适值。

    故障现象3：缺相。

    产生原因：(1)一般型号的断路器的连杆断裂，限流断路器拆开机构的可拆连杆之间的角度变大；(2)触头烧毁、接线螺栓松动或烧毁。

    处理方法：(1)更换连杆，调整可拆连杆之间的角度达规定值；(2)更换触头，调整并紧固或更换螺栓。

    故障现象4：断路器的温升过高。

    产生原因：(1)断路器选用偏小；(2)触头压力太小；(3)触头表面氧化或有油污、表面磨损严重造成接触不良，连接螺栓松动。

    处理方法：(1)更换断路器；(2)调整触头压力或更换弹簧；(3)打磨清理触头或更换触头保证接触良好；(4)拧紧连接螺栓。

    故障现象5：按下起动按钮，接触器不动作，或在正常工作情况下自行突然分开。

    产生原因：(1) 供电线路断电；(2) 按钮的触头失效；(3) 线圈断路。

    处理方法：(1) 检查控制线路电源。(2) 检查按钮触头及引出线，若按下点动按钮接触器动作正常，一般都是起动按钮触头有问题。(3) 检查线圈引出线

有无断线和焊点脱落。若是线圈内部断线，需拆开线圈外层绝缘进行修复；若是外层引线脱焊，焊好断线，并把绝缘修复即可；若是线圈内层断线一般不再修复，直接换上新线圈。

    故障现象6：按下起动按钮，接触器不能完全闭合。

    产生原因：(1) 按钮的触头不清洁或过度氧化；(2) 接触器可动部分局部卡阻；(3) 控制电路电源电压低于额定值85％；(4) 接触器反力过大(即触头压力

弹簧和反力弹簧的压力过大）；(5) 触头超行程过大。

    检修方法：(1) 清洁按钮触头；(2) 消除卡阻；(3) 调整电源电压到规定值；(4) 调整弹簧压力或更换弹簧；(5) 调整触头超行程距离。

    故障现象7：按下停止按钮，接触器不分开。

    产生原因：(1) 可动部分被卡住；(2) 反力弹簧的反力太小；(3) 剩磁过大；(4) 铁芯极面有油污，使动铁芯黏附在静铁芯上；(5) 触头熔焊(熔焊的主要

原因有操作频率过高或接触器选用不当、负载短路、触头弹簧压力过小、触头表面有金属颗粒突起或异物、起动过程尖峰电流过大、线圈的电压偏低或磁系统的

吸力不足，造成触头动作不到位或动铁芯反复跳动，致使触头处于似接触非接触的状态)；(6) 联锁触头与按钮间接线不正确而使线圈未断电。

检修方法：(1) 消除卡阻原因。(2) 更换反力弹簧。(3) 更换铁芯。(4) 清除油污。(5) 降低操作频率或更换合适的接触器，排除短路故障，调整触头弹

簧压力，清理触头表面，降低尖峰电流。当闭合能力不足时，提高线圈电压不低于额定值的85％。当触头轻微焊接时，可稍加外力使其分开，锉平浅小的金属

熔化痕迹；对于已焊牢的触头，只能拆除更新。(6) 检查联锁触头与按钮间接线。

    故障现象8：起动按钮释放后接触器分开。

    产生原因：(1) 接触器自锁触头失效；(2) 自锁线路接线错误或线路接触不良。 

    检修方法：(1) 检查自锁触头是否有效接触；(2)排除线路接线错误并使线路接触可靠。

    故障现象9：按下起动按钮，接触器线圈过热、冒

烟。

    产生原因：(1) 控制电路电源电压大于线圈电压，此时接触器会出现动作过猛现象；(2) 线圈匝间短路，此时线圈呈现局部过热，因吸力降低而铁芯发

生噪声。

检修方法：(1) 检查电源电压，如果是因更换了接触器线圈而出现此现象，一般是线圈更换错误(如将220 V的线圈用于380 V)；(2) 用线圈测量仪测量其圈数或测量其直流电阻，与线圈标牌上的圈数或电阻值相比较，一般均换成新线圈而不修理。

    故障现象10：短路。

    产生原因：(1) 接触器用于正、反转控制过程中，正转接触器触头因熔焊、卡阻等原因不能分断，反转接触器动作造成相间短路；(2) 正、反转线路设

计不当，当正向接触器尚未完全分断时反向接触器已接通而形成相间短路；(3) 接触器绝缘损坏对地短路。

    检修方法：(1) 消除触头熔焊、可动部分卡阻等故障；(2) 设计上增加联锁保护，应更换成动作时间较长(即铁芯行程较长)的可逆接触器；(3) 查找绝缘

损坏原因，更换接触器。

2、 参考文献：

⑴《怎样看电气控制电路图》            郑风翼等           人民邮电出版社

⑵《电气图形符号新标准应用简明手册》  李晓华、刘立于等   江西科学技术出版社

⑶《电气控制》                        李仁               机械工业出版社

⑷《电气控制实训教程》                杜逸鸣、王平       东南大学出版社

⑸《建筑电气施工图适识读技术》        高霞、杨波         安徽科学技术出版社

⑹《工厂常用电气设备手册》                               水利电力出版社

⑺《电气控制技术实训》                赵红顺             机械工业出版社

⑻《电工技术训练》                    杨利军             机械工业出版社

六、设计总结

通过这次试训的意义：

1、使学生的理论和实践相结合，对理论知识加以更好的巩固和运用，对理论知识有了更深层次的理解，并且了解到了实践的重要性。在实践中发觉到自己在实践方面的不足，以及对理论知识的了解和掌握还不够。有必要在以后的学习实践中更加严格的要求自己。

2、通过实习工作，全面认识到了自己以后所从事的岗位需要什么样的人才，需要具备什么样的知识。在以后的学习中要重点在某些进行加强学习，才能更好的适应以后的工作岗位。

3、这次实习的主要内容是关于电气控制方面的电气控制线路的学习设计实践。经过几个周的材料搜集，方案设计，理论计算，器件选择，面板规划，电气接线使我们对于所学的电气控制方面的知识有了更全面的了解，对各种电气元件的工作原理、参数选择计算、合理接线有了全面的认识。是我们的实践能力有了很大的提高。

4、这次事件市两人一组来完成的，通过组员之间的相互合作设计，提高了自己的团队合作精神。有些工作光靠自己是很难完成的，通过两个人的思想交流、技术探讨，一件事就可能很容易得到解决。这就是团队合作的重要性。

实训应注意的问题：

1、装接电路应该遵循“先主后控、从上到下、从左到右”的原则。

2、布线要注意走线工艺，要求横平竖直，交换走向应垂直，避免交叉，多线集中并拢，布线时严谨损伤线芯和导线绝缘皮。

3、导线与接线端子连接时，应不压绝缘层，不反圈及不漏铜过长以免触电、同一回路的不同导线间距离保持一致，每个接线端连线不得超过两根导线，按钮要求出现最少。

4、实训中要文明操作，注意安全，需通电时，应在老师的指导下进行。