工厂电气控制2Word文档下载推荐.docx
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是一门实用性与实践性很强的专业课
本课程分为两大部分:
电气控制技术和可编程控制技术
电气控制技术的发展历史
绪论
本课程的目标:
培养实际应用的能力
本课程的具体要求:
①熟悉常用控制电器的结构原理,用途,具有合理选择,使用主要控制电器的能力.
②熟练掌握继电接触器控制线路的基本环节,具有阅读和分析电气控制线路的工作原理的能力.
③熟悉典型设备的电气控制系统,具有从事电气设备安装,调试,维修和管理等知识.
④掌握PLC的基本原理及编程方法,能够根据工艺过程和控制要求进行系统设计和编写应用程序.
⑤具有设计和改进一般安全机械设备电气控制线路的基本能力.
1常用低压电器
1.1概述
低压电器的概念:
是指工作在直流1500V,交流1200V以下的电路中,起通,断,保护,控制或调节作用的电器设备.
低压电器的分类:
按动作性质可分为手动电器和自动电器两种.按用途可分为低压配电电器,低压控制电器,低压主令电器,低压保护电器,低压执行电器等.
低压电器的基本结构
触头的结构形式有:
桥式触头
指形触头
图1-1触点的结构形式
电弧
电弧产生
电弧的危害
灭弧措施
电磁机构
组成:
吸引线圈,铁心,衔铁三大部分
分类:
按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式
直流线圈与交流线圈的区别
交流电磁铁的短路环
低压控制电器的主要技术参数
额定工作电压和电流
通断能力
使用寿命
使用类别
型号表示方法
表1-2低压电器的加注通用派生代号一览表
派生字母
含义
A,B,C…
结构设计有改进或变化
H
保护式,带缓冲装置
J
交流,防溅式
M
密封式,灭磁
Z
直流,自动复位,防震
Q
防尘式,手车式
N
可逆
L
电流的
W
无灭弧机构
F
高返回,带分励脱扣
P
电磁复位,放滴式,单相,电压的,两个电源
K
开启式
S
有锁定机构,手动复位,防水式,三相,双线圈
T
TH
TA
按湿热带临时措施制造
湿热带
干热带
1.2接触器
接触器是一种用来频繁接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器.它是利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断的一种电器,还具有低压释放保护的功能,并能实现远距离控制,在自动控制系统中应用得相当广泛.
接触器按其主触头通过电流的种类不同,可分为直流接触器和交流接触器.
交流接触器
交流接触器主要由电磁铁和触点两部分组成,当电磁铁线圈通电后,吸住动铁心（也称衔铁）,使常开触点闭合,因而把主电路接通.电磁铁断电后,
靠弹簧反作用力使动铁心释放,切断主电路.
交流接触器结构及图形符号
（a）外形图;
（b）结构图;
（c）电气符号
交流接触器的触点分为两类,一类接在电动机的主电路中,通过的电流较大,称作主触点;
另一类接在控制电路中,通过的电流较小,称为辅助触点.
主触点断开瞬间,触点间会产生电弧烧坏触点,因此交流接触器的动触点都做成桥式,有两个断点,以降低当触点断开时加在断点上的电压,使电弧容易熄灭.
在电流较大的接触器的主触点上还专门装有灭弧罩,其外壳由绝缘材料制成,里面的平行薄片使三对主触点相互隔开,其作用是将电弧分割成小段,使之容易熄灭.
为了减小磁滞及涡流损耗,交流接触器的铁心由硅钢片叠成.此外,由于交流电在一个周期内有两次过零点,当电流为零时,电磁吸力也为零,使动铁心振动,
噪声大.为了消除这一现象,在交流接触器铁心的端面一部分嵌有短路环.
在选用接触器时,应注意它的额定电流,线圈电压及触点数量等.接触器的额定电压是指吸引线圈的额定电压,额定电流是指主触点的额定电流.
直流接触器
接触器的选择
一般根据以下原则来选择接触器:
（1）接触器类型
交流负载选交流接触器,直流负载选直流接触器,根据负载大小不同,选择不同型号的接触器.
（2）接触器额定电压
接触器的额定电压应大于或等于负载回路电压.
（3）接触器额定电流
接触器的额定电流应大于或等于负载回路的额定电流.对于电动机负载,可按下面的经验公式计算:
Ij=1.3Ie
其中:
Ij为接触器主触点的额定电流;
Ie为电动机的额定电流.
（4）吸引线圈的电压
吸引线圈的额定电压应与被控回路电压一致.
（5）触点数量
接触器的主触点,常开辅助触点,常闭辅助触点数量应与主电路和控制电路的要求一致.
1.3继电器
继电器是一种根据外界输入的信号（电量,如电压,电流;
非电量,如时间,速度,热量等）来控制电路的通,断的自动切换电器,其触点常接在控制电路中.值得注意的是,继电器的触点不能用来接通和分断负载电路,这也是继电器的作用与接触器的作用的区别.
继电器的种类很多.按输入信号的不同可分为电压继电器,电流继电器,时间继电器,热继电器,速度继电器与压力继电器等.本节主要介绍常用的电磁式（电压,电流,中间）继电器,时间继电器,速度继电器,热继电器和其他信号继电器.
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1电磁式继电器
电磁式继电器是使用最多的一种继电器,其基本结构和动作原理与接触器大致相同.但继电器是用于切换小电流的控制和保护电器,其触点种类和数量较多,体积较小,动作灵敏,无需灭弧装置.
（1）电流继电器
电流继电器是根据线圈中电流的大小而控制电路通,断的控制电器.它的线圈是与负载串联的,线圈的匝数少,导线粗,线圈阻抗小.电磁式电流继电器结构如图1-9（a）所示.
电流继电器又有过电流继电器和欠电流继电器之分.当线圈电流超过整定值时衔铁吸合,触点动作的继电器,称为过电流继电器,它在正常工作电流时不动作
.过电流继电器的图形符号,文字符号如图1-9（b）所示.
当线圈电流降到某一整定值时衔铁释放的继电器,称为欠电流继电器.通常它的吸引电流为额定电流的30%～50%,而释放电流为额定电流的10%～20%,正常工作时衔铁是吸合的.欠电流继电器的文字符号,图形符号如图1-9（c）所示.
（a）电磁式电流继电器结构示意图（b）过电流继电器（c）欠电流继电器
图1-9电流继电器的结构示意图及符号
（2）电压继电器
电压继电器是根据线圈两端电压大小而控制电路通断的控制电器.它的线圈是与负载并联的,线圈的匝数多,导线细,线圈的阻抗大.
电压继电器又分为过电压继电器和欠电压继电器.过电压继电器是在电压为110%～115%的额定电压以上动作,而欠电压继电器在电压为40%～70%额定电压动作.它们的图形符号,文字符号如图1-10所示.常用的电压继电器有JT4等系列.
（a）过电压（b）欠电压（c）常开触点（d）常闭触点
图1-10电压继电器符号
（3）中间继电器
中间继电器实际上也是一种电压继电器,但它的触点数量较多,容量较大,起到中间放大（触点数量和容量）作用.它在电路中常用来扩展触点数量和增大触点容量.中间继电器的图形符号,文字符号如图1-11（a）所示.常用的中间继电器有JZ12,JZ7,JZ8等系列.图1-11（b）为JZ7型中间继电器结构图.
（a）图形,文字符号（b）中间继电器的结构示意图
图1-11中间继电器的结构示意图和符号
2时间继电器
在生产中,经常需要按一定的时间间隔来对生产机械进行控制.例如,电动机的降压起动需要一定的时间,然后才能加上额定电压;
在一条自动线中的多台电动机,
常需要分批起动,在第一批电动机起动后,需经过一定时间才能起动第二批.这类自动控制称为时间控制.
时间控制通常是利用时间继电器来实现的.时间继电器是一种能使感受部分在感受信号（线圈通电或断电）后,自动延时输出信号（触点闭合或分断）的继电器.时间继电器的种类很多,主要有电磁式,空气阻尼式,晶体管式等.时间继电器的符号如图1-12所示.
空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的,它由电磁机构,延时机构,触头三部分组成,其外形及结构如下图所示.
空气阻尼式时间继电器结构图
（a）外形;
（b）结构;
上图是通电延时的空气阻尼式时间继电器的结构和触头符号.线圈1通电后,吸下动铁心2,活塞3因失去支撑,在释放弹簧4的作用下开始下降,
带动伞形活塞5和固定在其上的橡皮膜6一起下移,在膜上面造成空气稀薄的空间,活塞由于受到下面空气的压力,只能缓慢下降.经过一定时间后,
杠杆8才能碰触微动开关9,使常闭触点断开,常开触点闭合.可见,从电磁线圈通电开始到触点动作为止,中间经过一定的延时,这就是时间继电器的延时作用.
延时长短可以通过螺钉10调节进气孔的大小来改变.空气阻尼式时间继电器的延时范围较大,可达0.4～180s.
当电磁线圈断电后,活塞在恢复弹簧11的作用下迅速复位,气室内的空气经由出气孔12及时排出,因此,断电不延时.
通电延时的空气阻尼式时间继电器结构示意图
晶体管式时间继电器
晶体管式时间继电器也称为半导体式时间继电器,它主要利用电容对电压变化的阻尼作用作为延时环节而构成.其特点是延时范围广,精度高,体积小,便调节,
寿命长,是目前发展最快,最有前途的电子器件.下图是采用非对称双稳态触发器的晶体管时间继电器原理图.
晶体管式时间继电器原理图
整个线路可分为主电源,辅助电源,双稳态触发器及其附属电路等几部分.主电源是有电容滤波的半波整流电路,它是触发器和输出继电器的工作电源.
辅助电源是也带电容滤波的半波整流电路,它与主电源叠加起来作为R,C环节的充电电源.另外,在延时过程结束,二极管V3导通后,
辅助电源的正电压又通过R和V3加到晶体管V5的基极上,使之截止,从而使触发器翻转.
触发器的工作原理是:
接通电源时,晶体管V5处于导通状态,V6处于截止状态.主电源与辅助电源叠加后,通过可变电阻R和R1对电容器C充电.在充电过程中,
a点的电位逐渐升高,直至高于b点的电位,二极管V3则导通,使辅助电源的正电压加到晶体V5的基极上.这样,V5就由导通变为截止,
而V6则由截止变为导通,使触发器发生翻转.于是,继电器K便动作;
通过触头发出相应的控制信号.与此同时,电容器C经由继电器的常开触头对电阻R4放电,
为下一步工作做准备.
3热继电器
电动机在工作时,当负载过大,电压过低或发生一相断路故障时,电动机的电流都要增大,其值往往超过额定电流.如果超过不多,电路中熔断器的熔体不会熔断,
但时间长了会影响电动机的寿命,甚至烧毁电动机,因此需要有过载保护.热继电器用于电动机的过载保护,它是利用电流热效应使双金属片受热后弯曲,
通过联动机构使触点动作的自动电器.下图是热继电器的结构及图形符号.
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.热继电器的主要技术数据是整定电流.
整定电流是指长期通过发热元件而不致使热继电器动作的最大电流.当发热元件中通过的电流超过整定电流值的20%时,热继电器应在20分钟内动作.
热继电器的整定电流大小可通过整定电流旋钮来改变.选用和整定热继电器时一定要使整定电流值与电动机的额定电流一致.
由于热继电器是间接受热而动作的,热惯性较大,因而即使通过发热元件的电流短时间内超过整定电流几倍,热继电器也不会立即动作.只有这样,
在电动机起动时热继电器才不会因起动电流大而动作,否则电动机将无法起动.反之,如果电流超过整定电流不多,但时间一长也会动作.由此可见,
热继电器与熔断器的作用是不同的,热继电器只能作过载保护而不能作短路保护,而熔断器则只能作短路保护而不能作过载保护.在一个较完善的控制电路中,
特别是容量较大的电动机中,这两种保护都应具备.
热继电器的选用
热继电器选用是否得当,直接影响着对电动机进行过载保护的可靠性.通常选用时应按电动机形式,工作环境,启动情况及负荷情况等几方面综合加以考虑.
①原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择.对于过载能力较差的电动机,其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些.通常,选取热继电器的额定电流（实际上是选取发热元件的额定电流）为电动机额定电流的60%～80%.
②在不频繁启动场合,要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误动作.通常,当电动机启动电流为其额定电流6倍以及启动时间不超过6s时,若很少连续启动,就可按电动机的额定电流选取热继电器.
③当电动机为重复短时工作时,首先注意确定热继电器的允许操作频率.因为热继电器的操作频率是很有限的,如果用它保护操作频率较高的电动机,效果很不理想,有时甚至不能使用.对于可逆运行和频繁通断的电动机,不宜采用热继电器保护,必要时可采用装入电动机内部的温度继电器.
热继电器使用中应注意的问题
热继电器尽管选用得当,但使用不当时也会造成对电动机过载保护的不可靠,因此,必须正确使用热继电器.
①热继电器本身的额定电流等级并不多,但其发热元件编号很多.每一种编号都有一定的电流整定范围,故在使用上先应使发热元件的电流与电动机的电流相适应,然后根据电动机实际运行情况再做上下范围的适当调节.
例如,对于20kW,380V的三相笼型电动机,其额定电流为30A,根据电动机为连续工作制的特点,可选用JRl6—60型热继电器和15号发热元件（其电流整定范围为28～36～45A）.先整定在36A挡上.若使用中发现电动机温升较高,而热继电器却延迟动作,说明整定电流过高.这对可旋动调整旋钮,重新将电流整定在28A挡上.
②热继电器有手动复位和自动复位两种方式.对于重要设备,当热继电器动作之后,必须待故障排除后方可重新启动电动机,宜采用手动复位方式;
如果热继电器和接触器的安装.地点远离操作地点,且从工艺上又易于看清楚过载情况,则宜采用自动复位式.
③热继电器的出线端的连接导线,须严格规定选用.这是因为导线的材料和其线径大小均能影响发热元件端点传导到外部热量的多少.导线过细,轴向导热较差,热继电器可能提前动作;
反之,导线过粗,轴向导热快,热继电器可能延迟动作.按规定,连接导线应为铜线,若不得已要用铝线,导线的截面积应放大1.8倍.除此之外,出线端螺钉应当拧紧,以免因螺钉松动导致接触电阻增大,影响发热元件的温升,最终可能使保护特性不稳定而引起误动作.
④热继电器和电动机的周围介质温度应尽量相同,否则会破坏已整调好的配合情况.例如,当电动机安装于高温处,而热继电器却安装于低温处时,热继电器动作将会延迟;
反之,热继电器的动作将会提前.
⑤热继电器必须按照产品说明书中规定的方式安装.当与其他电器装在一起时,应将热继电器装在其他电器的下方,以免其动作特性受其他电器发热的影响.
⑥使用中应定期去除尘埃和污垢.若双金属片中出现锈斑,可用棉布蘸上汽油轻轻揩拭,切忌用砂纸打磨.
⑦使用中每年要通电校验一次.另外,当主电路发生短路事故后,应检查发热元件和双金属片是否已发生永久性变形.若发生变形或无法作出判断时,则应进行通电试验.在调整时,绝不允许弯折双金属片.
4速度继电器
速度继电器是根据电磁感应原理制成的,主要由转子,定子和触点三部分组成,其结构如图1-16所示.其工作原理是:
套有永久磁铁的轴与被控电动机的轴相连,用以接受转速信号,当速度继电器的轴由电动机带动旋转时,磁铁磁通切割圆环内的笼型绕组,绕组感应出电流,该电流与磁铁磁场作用产生电磁转矩,在此转矩的推动下,圆环带动摆杆克服弹簧力顺电动机方向偏转一定角度,并拨动触点改变其通断状态.调节弹簧松紧可调节速度继电器的触点在电动机不同转速时切换.
速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动.当反接制动的电动机转速下降到接近零时,能自动切断电源.速度继电器的符号如图1-17所示.
5温度继电器
电动机出现过载电流时,会使其绕组温升过高,而利用发热元件可间接地反映出绕组温升的高低,热继电器就可以起到电动机过载保护的作用.然而,即使电动机不过载,由于电网电压升高,会导致铁损增加而使铁心发热,这样也会使绕组温升过高,或者电动机环境温度过高以及通风不良等,同样会使绕组温度过高.出现后两种情况时,若用热继电器已显得无能为力.为此,出现了按温度原则动作的继电器,这就是温度继电器.
温度继电器是埋设在电动机发热部位,如电动机定子槽内,绕组端部等,可直接反映该处发热情况,无论是电动机本身出现过载电流引起温度升高,还是其他原因引起电动机温度升高,温度继电器都可引起保护作用.不难看出,温度继电器具有"
全热保护"
作用.
温度继电器大体上有两种类型,一种是双金属片式温度继电器,另一种是热敏电阻式温度继电器.
双金属片式温度继电器
JW2系列温度继电器就是一种双金属片温度继电器,其结构组成如图1-18所示.
在结构上它是封闭式的,其内部有盘式双金属片2,此双金属片左面为主动层,右面为被动层.动触点8铆在双金属片上,且经由导电片3,外壳l与连接片4相连,静触点6与连接片4相连.当电动机发热部位温度升高时,产生的热量通过外壳1传导给其内部的双金属片,当达到一定温度时双金属片开始变形,双金属片及动触点向图中左方瞬动地跳开,从而控制接触器使电动机断电达到过热保护的目的.当故障排除后,发热部位温度降低,双金属片也反向弹回而使触点重新复位.
图1—18JW2系列温度继电器
1一外壳;
2一双金属片;
3一导电片;
4一连接片
5,7一绝缘垫片;
6一静触点;
8一动触点
双金属片式温度继电器的动作温度是以电动机绕组绝缘等级为基础来划分的,它共有50℃,60℃,70℃,80℃,95℃,105℃,115℃,125℃,135℃,145℃,165℃等11个规格.继电器的返回温度因动作温度而异,一般比动作温度低5～40℃.
双金属片式温度继电器的缺点是加工工艺复杂,且双金属片又容易老化.另外,由于体积偏大而多置于绕组的端部,故很难反映温度上升的情况,以致发生动作滞后的现象.同时,也不宜用来保护高压电动机,因为过强的绝缘层会加剧动作的滞后现象.
热敏电阻式温度继电器
这种继电器的外型同一般晶体管式时间继电器相似,但作为温度检测元件的热敏电阻不装在继电器中,而是装在电动机定子槽内或绕组的端部.热敏电阻是一种半导体器件,根据材料性质来分有正温度系数和负温度系数两种热敏电阻.正温度系数热敏电阻具有明显的开关特性,电阻温度系数大,体积小,灵敏度高等优点而得到广泛应用和迅速发展.
没有电源变压器的正温度系数热敏电阻式温度继电器电路如图1-19所示.
图中RT,是表示各绕组内埋设的热敏电阻串联后的总电阻,它同电阻R3,R4,R6构成一电桥.
由晶体管VT1,VT2构成的开关接在电桥的对角线上.当温度在65℃以下时,RT大体为一恒值且比较小,电桥处于平衡状态,VT1及VT2截止,晶闸管VS不导通,执行继电器KA不动作.当温度上升到动作温度时,RT阻值剧增,电桥出现不平衡状态而使VT1及VT2导通,晶闸管VS获得门极触发电流而导通,执行继电器KA线圈有电而使衔铁吸合,其常闭触点分断接触器线圈从而使电动机断电,实现了电动机的过热保护.当电动机温度下降至返回温度时,RT阻值锐减,电桥恢复平衡使VS关断,执行继电器线圈断电而使衔铁释放.
在热敏电阻式温度继电器中,执行继电器的任务是控制主电路接触器的线圈电路,因此,完全可以用一只双向晶闸管来代替执行继电器,直接控制接触器的线圈.
温度继电器的触点在电路图中的图形符号与电压或电流继电器相同,只是在符号旁标注字母"
θ"
即可.
图1-19热敏电阻式温度继电器电路
6压力继电器
压力继电器广泛用于各种气压和液压控制系统中,通过检测气压或液压的变化,发出信号,控制电动机的启停,从而提供保护.
图1-20为一种简单的压力继电器结构示意图,由微动开关,给定装置,压力传送装置及继电器外壳等几部分组成.给定装置包括给定螺帽,平衡弹簧等.压力传送装置包括人油口管道接头,橡皮膜,及滑杆等.当使用于机床润滑油泵的控制时,润滑油经管道接头人油口进入油管,将压力传送给橡皮膜,当油管内的压力达到某给定值时,橡皮膜便受力向上凸起,推动滑杆向上,压合微动开关,发出控制信号.旋转弹簧上面的给定螺帽,便可调节弹簧的松紧程度,改变动作压力的大小,以适应控制系统的需要.
图1-20压力继电器结构简图
1一微动开关;
2一滑杆;
3一弹簧;
4一橡皮膜;
5一入油口
7液位继电器
某些锅炉和水柜需根据液位的高低变化来控制水泵动机的启停,这一控制可由液位继电器来完成.图1-21为液位继电器的结构示意图.浮筒置于被控锅炉或水柜内,浮筒的一端有一根磁钢,锅炉外壁装有一对触点,动触点的一端也有一根磁钢,它与浮筒一端的磁钢相对应.当锅炉或水柜内的水位降低到极限值时,浮筒下落使磁钢端绕支点A上翘.由于磁钢同性相斥的作用,使动触点的磁钢端被斥下落,通过支点B使触点1-1接通,2-2断开.反之,水位升高到上限位置时,浮筒上浮使触点2-2接通,1-1断开.显然,液位继电器的安装位置决定了被控的液位.
图1-21JYF-02液位继电器
8干簧继电器
干簧继电器由于其结构小巧,动作迅速,工作稳定,灵敏度高等优点,近年来得到广泛的干簧继电器的主要部分是干簧管,它由一组或几组导磁簧片封装在惰性气体（如氦,氮等气体）的玻璃管中组成开关元件.导磁簧片又兼作接触簧片,即控制触点,也就是说,一组簧片起开关电路和磁路双重作用.图1—22为干簧继电器的结构原理图,其中图（a）表示利用线圈内磁场驱动继电器动作,图（b）表示利用外磁场驱动继电器动作.在磁场作用下,干簧管中的两根簧片分别被磁化而相互吸引,接通电路.磁场消失后,簧片靠本身的弹性分开.
图1—22干簧继电器的结构原理
干簧继电器特点:
①接触点与空气隔绝,可有效地防止老化和污染,也不会因触点产生火花而引
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