电力拖动及自动控制原理基本知识及应用知识

1、电力拖动及自动控制基础知识和应用 知识 第一节：电力拖动概念 电力拖动 用电能来驱动和控制生产机械 电力拖动设施由三个部分组成： 1.电动机 2.电动机的控制设备和保护设备 3.电动机与生产机械的传动装置 在电力拖动的运动环节中生产机械对电动机运转 的要求： 1.启动. 2.改变运动的速度（调速） 3.改变运动的方向（正反转） 4.制动 电动机就是将电能转换为机械能来拖动生产机械 的驱动元件。 电力拖动系统概念 用电动机拖动生产 机械运动的系统 电力拖动系统三要素： 1. 电动机 2. 传动机构 3.控制设备 电动机与传动机构以及控制设备三 者之间的关系如下图所示： 自动控制的概念： 在没有人

2、直接参与的情况下，能使生产设备 或生产过程的某些物理量按特定的规律变化的 控制系统。 自动控制系统的基本组成图 自动控制系统的基本组成部分定义 反馈环节反馈环节 对系统的输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈 信号，并使反馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。 比较器比较器 将给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 控制器控制器 根据输入的偏差信号，按一定的控制规律产生相应的 控制信号。 执行器执行器 将控制信号进行功率放大，并带动执行机构动作。 调节机构调节机构 直接改变控制系统的输入量，使被控量恢复到给定 量期望值 被控对象被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出量

3、就 是被控量。 被控量被控量 控制对象的某个变量，控制系统的目的通常就是要使 该变量与给定值或设定值相符。控制系统也用该变量的名称来称 呼。如：温度控制系统、压力控制系统、速度控制系统等。 第二节：第二节：电力拖动基础知识 刀闸刀闸 熔断器熔断器 按钮按钮 接触器接触器 热继电器热继电器 行程开关行程开关 时间继电器时间继电器 中间继电器中间继电器 QS FU SB KM FR ST KT KA 电器符号标注 什么是交流电 n交流电：简称为AC（直流电DC）。交流电也 称“交变电流”，简称“交流”。一般指大小 和方向随时间作周期性变化的电压或电流。 i t 0 M L1 L2 L3 三相 三相

4、四线三相四线三相五线制三相五线制 两相 单相 N P E 三相四线制三相四线制 n在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制， n三条线路分别代表A,B,C三相，另一条是中性线N，亦即 零线，在进入用户的单相输电线路中，有两条线，一条我 们称为火线，另一条我们称为零线，零线正常情况下要通 过电流以构成单相线路中电流的回路。而三相系统中，三 相平衡时，中性线（零线）是无电流的，故称三相四线制 ； n应用中最好使用标准、规范的导线颜色：A相用黄色，B 相用绿色，C相用红色，N线用蓝色，PE线用黄绿双色。 n三相五线制是指A、B、C、N和PE线，其中，PE线 是保护地线，也叫安全线，是专门用于接到诸

5、如设备外壳 等保证用电安全之用的。 左零右火 PE L N P E PE 电 源 导 线 开 关 负 载 电路基本构成 双联开关电路 L N 开 关1 开 关2 电机： 电机（英文：Electric machinery，俗称 “马达”）是指依据电磁感应定律实现电能 转换或传递的一种电磁装置。在电路中用 字母M（旧标准用D）表示。它的主要作 用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机 械的动力源。发电机在电路中用字母G表 示。它的主要作用是利用机械能转化为电 能，目前最常用的是，利用热能、水能等 推动发电机转子来发电。 电机按结构和工作原理的分类： 同同步电动步电动 机机 感应电动感应电动 机机 直流

6、电动直流电动 机机 将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直 流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的 转矩保持方向不变。 直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分 为并励、串励和复励3种。 由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作 用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。感应电动机和交 流换向器电动机。 感应电动机可划分：三相异步电动机异步电动机、单相异步电动机和罩极异 步电动机等。 交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机 和推斥电动机等 由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩， 以同步转速

7、旋转的交流电动机。分为永磁同步电动机、磁阻同步 电动机和磁滞同步电动机 直流电机的工作原理及特性 n直流电机的基本结构 主磁极 电枢 换向器 电刷装 置 直流电机的结构图 剖面图：电枢1； 主磁极2；换向 极4；机座6 电枢铁心冲片 换向器1：换向片3； 连接片4；云母环2 磁场的基本知识 通电导体周围会产生磁场，磁场是一个矢量。 用磁通密度（简称磁密）或磁感应强度)B 描述磁场的强弱。 图1.1 磁力线与电流之间的右螺旋关系 B的单位为T，特斯拉 为形象描绘磁场的空间分布情况，通常使用磁感应线为形象描绘磁场的空间分布情况，通常使用磁感应线磁力线。磁力线。 用带有方向的闭合曲线表示磁力线，曲线

8、上任意点的切线方向表示磁感应强度B B 的方向。通过该点垂直于B的单位面积的磁感应线数目等于该点B的大小。 磁力线方向：NS 电流与所产生的磁场方向用右手螺 旋法则确定。 磁感应强度B表示了单位面 积上的磁通，故又被称为 磁通密度。 直流电机的基本工作原理 发电机电动机 简化为一对磁极,一个线圈 低低 压压 电电 器器 配配 电电 电电 器器 控控 制制 电电 器器 开关开关 熔断器熔断器 接触器接触器 继电器继电器 起动器起动器 时间继电器时间继电器 热继电器热继电器 低压电器简介低压电器简介 第三节：常用低压电器第三节：常用低压电器 生产机械中所用的控制电器多属于低压电器，它 是指在电压在

9、500V以下、用来接通或断开电路，以及 来控制、调节和保护用电设备的电气器具。 电器按动作性质可分为以下两类： （1） 非自动电器：这类电器没有动力机构，依靠人 力或其他外力来接通或切断电路，如刀开关、转换开关 等。 （2） 自动电器：这类电器有电磁铁等动力机构，按 照指令、信号或参数变化而自动动作，使工作电路接通 和切断，如接触器、自动开关等。 低压电器的分类 电器按其用途又可分为以下三类： （1） 控制电器：用来控制电动机的启动、反转、调速、 制动等动作，如接触器、继电器等。 （2） 保护电器：用来保护电动机，使其安全运行，以 及保护生产机械使其不受损坏，如熔断器、电流继电器等。 （3）

10、执行电器：用来操作、带动生产机械和支撑与保 持机械装置在固定位置上的一种元件，如电磁铁、电磁离合 器等。 大多数电器既可作控制电器，亦可作保护电器，它们 之间没有明显的界线。如电流继电器可按“电流”参量来 控制电动机，又可用来保护电动机不致过载；又如行程开 关既可用来控制工作台地加、减速及行程长度，又可作为 终端开关保护工作台不致闯到导轨外面去。 1.刀开关刀开关 在电力拖动控制线路中最常用的是由刀开关和熔断器组合 而成的负荷开关。 生产中常用HK系列开启式负荷开关（又称瓷底胶盖刀开关， 简称闸刀开关），适用于照明、电热设备及小容量（ 5.5kW 以下）电动机控制线路中，供手动不频繁地接通和分

11、断电路， 起短路保护作用。 结构：开关的瓷座上装有进线 座、静触头、熔体、出线座和 带手柄的刀式动触头，上面盖 有胶盖以防止操作时触及带电 体或分断时产生的电弧飞出伤 人。 考虑到电机较大的起动电流，刀考虑到电机较大的起动电流，刀 闸的额定电流值应如下选择：闸的额定电流值应如下选择： （35)*异步电机额定电流异步电机额定电流 电路符号电路符号 安装使用注意： A、必须垂直安装，不允许倒装或平装。 B、电源进线接在静触头一边的进线座上，负载接在动触头 一边的出线座上。 C、分合闸操作应迅速，使电弧尽快熄灭。 2.组合开关 组合开关又称为转换开关，常用于 50HZ、380V以下及直流220V以下

12、的电 气线路中，供手动不频繁的接通和断开 电路、换接电源和负载以及控制5KW以 下小容量异步电动机的启动、停止和正 反转。(加油机等) 常用的有HZ系列的（如图HZ10- 10/3型组合开关），主要由手柄、转轴、 弹簧、凸轮、绝缘垫板、动触头、静触 头、接线端子、绝缘杆组成。手柄和转 轴能在平行于安装平面的平面内沿顺时 针或逆时针方向每次转动90，带动动 触头与静触头接触和分离，实现接通和 分断电路的目的。（折剪电柜使用） 组合开关中，有一类是转为控制小容量三相异步电动机 的正反转而设计生产的，HZ3-132型组合开关，俗称倒顺开 关或可逆转换开关。开关的手柄有“倒”、“顺”、“停” 三个位置

13、，手柄只能从“停”位置左转或右转45。 低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器， 它相当于把手动开关，热脱扣器，电磁脱扣器等组合在 一起构成的一种电器元件。当电路中发生短路、过载和 失压等故障时，能自动切断故障电路，保护线路和电气 设备。 3.低压断路器 在电力拖动系统中常用DZ系列塑壳式断路器，（如 DZ-20型低压端路器，其主要由动触头、静触头、灭弧装 置、操作机构、热脱扣器、电磁脱扣器及外壳组成。 热 作用：作用：可实现短路、过载、失压保护。可实现短路、过载、失压保护。 自动空气断路器（自动开关）自动空气断路器（自动开关） 结构：结构： 过流过流 脱扣器脱扣器 欠压欠压 脱扣器脱扣器

14、 工作原理：工作原理：过流时，过流脱扣器将脱钩顶开，断开电过流时，过流脱扣器将脱钩顶开，断开电 源；欠压时，欠压脱扣器将脱钩顶开，断开电源。源；欠压时，欠压脱扣器将脱钩顶开，断开电源。 小型断路器5SX系列 塑壳断路器 电路符号电路符号 4.熔断器 熔断器是一种最简单，最可靠的电路保护器件，用于 电路及用电设备的短路或过载保护，有高压熔断器和低压 熔断器之分,在机电设备控制中一般采用低压熔断器 ，其作 用是用于短路保护。 结构：熔断器主要由熔体、安装熔体的熔管和熔座组成。 常用的有： 1）RC1A系列插入式熔断器（瓷插式熔断器） 它主要由瓷座、瓷盖、动触头、静触头及熔丝组成。一 般用于交流50

15、HZ、额定电压380V及以下、额定电流200A 及以下的低压线路末端或分支路中，作为电气设备的短路 保护及一定程度的过载保护。 2）RL1系列螺旋式熔断器 它主要由瓷帽、熔断管、瓷套、上接线座、下接线座及 瓷座等部分组成。一般用于控制箱、配电屏、机床设备及 振动较大的场合，在交流50HZ、额定电压500V、额定电流 200A及以下的电路中，作为短路保护器件。 注意：接线时，电源线应接在瓷底座的下接线座上，负载线 应接在螺纹壳的上接线座上。安装熔管时，熔断指示器应朝 上。 其他：如RT0系列有添料封闭管式熔断器。 电路符号电路符号 FU 安秒特性安秒特性 t IF 按钮是一种专门用于手动发出控制

16、信号的器件。属于主令 电器，它被广泛用各于种控制场合 ，其触头允许通过的电流 较小，一般不超过5A。主要在控制电路中发出指令或信号去 控制接触器、继电器等电器，再由他们去控制主电路的通断、 功能转换或电气联锁。 5.按钮 常用的有LA系列的，一般由按钮帽、复位弹簧、桥式 动触触头、支柱连杆及外壳等部分组成。按静态时触头的 分合状态，可分为常开按钮（启动按钮）、常闭按钮（停 止按钮）和复合按钮（常开、常闭组合为一体的按钮）。 常开按钮常闭按钮复合按钮 电路符号：电路符号： 电路符号：电路符号： 用作电路的限位保护、行程控制、自动切换等。都用作电路的限位保护、行程控制、自动切换等。都 是由触头系统

17、、操作机构和外壳组成。其是利用生产机是由触头系统、操作机构和外壳组成。其是利用生产机 械的运动部件碰压使其触头动作的。械的运动部件碰压使其触头动作的。 结构与按钮类似，但其动作要结构与按钮类似，但其动作要 由机械撞击由机械撞击。 6.行程开关 7.交流接触器 交流接触器在工业及其它各个邻域中得到广泛应用，它 是一种利用电磁机构操作运行的，可远距离频繁地接通和断 开交直流主电路及大容量控制电路 其主要控制对象是电动 机，也可以用于控制其他负载。 （1）结构：主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置和辅助部件 等组成。 1）电磁系统：主要由线圈、铁心（静铁心）和衔铁（动铁心） 三部分组成。其作用是利用电

18、磁线圈的通电或断电，使衔铁和 铁心吸合或释放，从而带动动触头与静触头闭合或分断，实现 接通或断开电路的目的。 2）触头系统：主要有主触头和辅助触头。一般有三对主触头和 两对常开、两对常闭辅助触头组成。 3）灭弧装置：主要用于在接触器断开大电流或高电压电路时， 熄灭动、静触头之间产生的电弧。常见的有：双断口电动力灭 弧，纵缝灭弧，栅片灭弧。 4）辅助部件：主要有反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、 传动机构及底座、接线柱等。 （2）工作原理 当交流接触器的线圈通电后，线圈中流过的电流产生磁 场，使铁心产生足够大的吸力，克服反作用弹簧的反作用力， 将衔铁吸合，通过传动机构带动三对主触头和辅助常开触

19、头闭 合，辅助常闭触头断开。当接触器线圈断电或电压显著下降时， 由于电磁吸力消失或过小，衔铁在反作用弹簧力的作用下复位， 带动各触头恢复到原始状态。 接触器 辅助触点 KM 用来分断或接通电路， 优点是可频繁的通、 断线路，以小电流控 制大电流。 电路符号：电路符号： 接触器主触头用于主电路接触器主触头用于主电路 （流过的电流大，（流过的电流大，需加灭弧装置需加灭弧装置） 接触器辅助触头用于控制电路接触器辅助触头用于控制电路 （流过的电流小，无（流过的电流小，无需加灭弧装置需加灭弧装置） 接触器线圈接触器线圈 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 主触头主触头 弹簧弹簧 辅助辅助 触头触头 M 3 电

20、机电机 接触器接触器 380 M 3 接触器接触器 220 380 动作过程动作过程 线圈通电线圈通电 衔铁被吸合衔铁被吸合 触头闭合触头闭合 电机接通电机接通 电源电源 继电器是一种根据输入信号(电量或非电量)的变化,接通 或断开小电流电路,实现自动控制和保护电力拖动装置的电 器。 继电器的种类 热继电器 中间继电器 时间继电器 速度继电器 电流继电器 电压继电器 8. 继电器 （1）热继电器 热继电器是利用流过继电器的电流所产生的热效应而反 时限动作的继电器。热继电器主要用于电动机的过载保护、 断相保护、电流不平衡运行的保护及其他电气设备发热状态 的控制。 结构： 以JR系列为例，主要由热

21、元件、动作机构、触头系统、 电流整定装置、复位机构和温度补偿元件等部分组成。 工作原理：工作原理： 发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被 烤热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，扣板烤热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，扣板 被弹簧拉回，常闭触头断开，使接触器线圈断电，接触器主被弹簧拉回，常闭触头断开，使接触器线圈断电，接触器主 触头断开，将电源切除起保护作用，电源切除后，主双金属触头断开，将电源切除起保护作用，电源切除后，主双金属 片逐渐冷却恢复原位。片逐渐冷却恢复原位。 电路符号：电路符号： 串联在主电路中串联在

22、主电路中 串联在控制电路中串联在控制电路中 热过载继电器 由流入热元件的电流 产生热量，使有不同 膨胀系数的双金属片 发生形变，使控制电 路断开，从而使接触 器失电，主电路断开， 实现电动机的过载保 护。 FL 中间继电器是用来增加控制电路中的信号数量或将信号 放大的继电器。其输入信号是线圈的通电和断电，输出信号 是触头的动作，由于触头数量较多，所以可以用来控制多个 元件或回路。 其结构及工作原理与接触器基本相同，但中间继电器的 触头对数多，且没有主辅之分，各对触头允许通过的电流 大小相同，多数为5A。以JZ系列为例，主要由铁心、线圈、 衔铁、线圈、触头系统、反作用弹簧和缓冲弹簧等组成。 （2

23、）中间继电器 电路符号：电路符号： 自得到动作信号起至触头动作或输出电路产生跳跃式改变 有一定时间，该延时时间又符合其准确度要求的继电器称为 时间继电器。它广泛用于需要按时间顺序进行控制的电气控 制线路。 (3) 时间继电器 常用的空气阻尼式和晶体管式时间继电器。 空气阻尼式时间继电器是利用气囊中的空气通过小孔节 流的原理来获得延时的，根据延时的特点，可分为通电延时 型和断电延时型。其主要由电磁系统（线圈、铁心、衔铁）， 触头系统（两对瞬时触头（一常开、一常闭）和两对延时触 头（一常开、一常闭），空气室，传动机构，基座组成。 晶体管时间继电器分为通电延时型、断电延时型和带 瞬动触点的通电延时型

24、。它们均是利用电容对电压变化的 阻尼作用作为延时的基础。时间继电器工作时首先通过电 阻对电容充电，待电容上电压值达到预定值时，驱动电路 使执行继电器接通实现延时输出，同时自锁并放掉电容上 的电荷，为下次工作做好准备。 晶体管式时间继电器除执行继电器外，均由电子元件 组成，无机械运动部件，具有延时范围宽、调节范围大、 控制功率小、体积小、经久耐用的优点，正日益得到广 泛的应用。 时间继电器：按照预 先设置的时间间隔接 头和断开触点的一种 继电器。 KT 通电延时型 电路符号：电路符号： 时间继电器断电延时型 速度继电器是反映转速和转向的继电器，其主要作用是以旋 转速度的快慢为指令信号，与接触器配

25、合实现对电动机的反接 制动控制，故又称反接制动继电器。常用的有JY1型和JFZ0型。 结构：主要由定子、转子、可动支架、触头系统及端盖等部 分组成。 工作原理：当电动机旋转时，带动与电动机同轴连接的速度继 电器的转子旋转，相当于在空间产生一个旋转磁场，从而在定 子笼型短路绕组中产生感生电流，感生电流与永久磁铁的旋转 磁场相互作用，产生电磁转矩，使定子随永久磁铁转动的方向 偏转，与定子相连的胶木摆杆也随之偏转。当定子偏转到一定 角度，胶木摆杆推动簧片，使继电器的触头动作。 当转子转速减小到接近零时，由于定子的电磁转矩减小， 胶木摆杆恢复原状态，触头随即复位。 （4）速度继电器 电路符号：电路符号

26、： 速度继电器的动作转速一般不低于100300r/min，复位转 速约在100r/min以下。 接触器与继电器的区别 n1、继电器的触头容量一般不会超过5A，而接触器的触头 容量最小也有10A到20A； n2、继电器的线圈有直流和交流之分，而接触器的线圈只 有交流； n3、接触器的触头通常有三个主触头另外还有若干个辅助 触头，而继电器的触头一般不分主辅； n4、继电器的触头有时是成对设置的，即常开触头和常闭 触头组合在一起，而继电器一般主触头都是常开触头，不 会成对设置； n5、继电器针对特定的要求，会与其它装置组合设计成时 间继电器、压力继电器等等，有附加功能，而接触器一般 不会具有附加的功能。 第四节：三相异步电动机第四节：三相异步电动机 基本控制线路基本控制线路 电源电路 水平画出 主电路 画在左侧与电源电路垂直画出 控制电路 画在右侧 电动机的点动 FU L 1 L 2 L 3 N FU L 1 L 2 L 3 N 简单的接触器控制简单的接触器控制 ABC M 3 刀闸起隔离作用刀闸起隔离作用 自保持自保持 停止停止 按钮按钮 起动起动 按钮按钮 特点：特点：小电流控小电流控 制大电流。制大电流。