第6章 低压电器与动力源

1、华北电力大学2021年11月20日机电一体化系统设计机电一体化系统设计第第6章章 低压电器与动力源低压电器与动力源本章教学目标及要求本章教学目标及要求：6.1 低压电器的选择低压电器的选择6.2 低压电器的选择低压电器的选择6.2.1 按钮、刀开关等元件的选择按钮、刀开关等元件的选择6.2.2 熔断器的计算与选择熔断器的计算与选择6.2.3 交流接触器的选择交流接触器的选择6.2.4 继电器的选择继电器的选择6.3 开关电源及电源柜开关电源及电源柜6.3.1开关电源简介开关电源简介6.3.2 电源柜简介电源柜简介第第6章章 低压电器与动力源低压电器与动力源机电产品都离不开执行元件为其提供能量和

2、动力提供能量和动力，以克服各种载荷，使系统正常运行，去完成能量转换、信息处理、物料搬运、加工等主要功能。根据使用能量的不同使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式电气式、液压式和气气压式压式等几种类型。电气式执行元件：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动执行机构运动的；液压式执行元件：先将电能变换为液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动的。动力源，包括电能、气能电能、气能、液能液能等。电能是机电一体化产品的基基本动力源本动力源，相关的电路和电器是一个非常重要的内容。 6.1 低压电器的选择低压电器的选择控制电器控制电器：指用于各种控制电路和控制系统的电器，

3、例如接触器、继电器、电动机起动器等。按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压高压控制电器控制电器和低低压控制电器压控制电器两大类。常用的低压控制电器：刀开关、熔断器、空气开关、按钮、接触器、热继电器、中间继电器、时间继电器、速度继电器等，这些电器在电路中起通断、保护、控制或调节作用，是成套电气设备的基本组成元件。大多数机电一体化产品都采用低压供电低压供电，因此，电器元件的选用将直接影响到动力源的可靠性。6.1.1 6.1.1 按钮、刀开关等元件的选择按钮、刀开关等元件的选择1 1按钮按钮按钮通常用做短时接通或断开小电流控制电路的开关。按钮结构形式结构形式：旋钮式用

4、手钮转进行操作；指示灯式按钮内装有信号灯来显示信号；紧急式装有磨菇形钮帽，以表示紧急操作。按钮的额定电压额定电压：交流是500V，直流是400V，额定电流额定电流是515A。机床经常选用LA2、LA1O、LA19、LA20系列等。按钮的选择：主要依据所需触点数、使用场合和颜色。停止按钮一般选用红色。6.1.1 6.1.1 按钮、刀开关等元件的选择按钮、刀开关等元件的选择2刀开关刀开关刀开关又称闸刀，主要作用主要作用是接通和切断长期工作设备的电源，也用于不经常起制动的容量小于7.5kW的异步电动机。用于起动异步电动机时，其额定电流不应小于电动机额定电流的3倍。一般刀开关的额定电压不超过500V。

5、额定电流有60A、100A、200A、1500A等多种等级。有些刀开关附有熔断器。刀开关的选择：刀开关的选择：主要依据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合等。6.1.1 6.1.1 按钮、刀开关等元件的选择按钮、刀开关等元件的选择3组合开关组合开关组合开关主要用做电源引入开关，所以也称电源隔离开关，也可以用于起停5kW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过1520次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.52.5倍。常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流分为10A、25A、60A、100A 4种，适用于380V以下交流、220V以下直流的电气设备中。组合开关的选择：组合

6、开关的选择：主要依据电源种类、电压等级、所需触点数和电动机容量等。6.1.1 6.1.1 按钮、刀开关等元件的选择按钮、刀开关等元件的选择4行程开关行程开关行程开关主要用于限位触断或触通，所以亦称限位开关限位开关。行程开关种类很多，机床常用有LX2、LX19、JLXK1、LXW-11、JLXW-11等型号。LX19及JLXK1型行程开关都备有常开、常闭触点各一对，并有自动复位和不能自动复位两种类型。LXW-11及JLXW-11型是微动开关，体积小、动作灵敏，在机床中使用较多。JW2型组合行程开关，最多可具有常开、常闭触点各5对，在组合机床中也常被采用。普通行程开关的允许操作频率为每小时约120

7、02400次，机电寿命约为11062106次。行程开关主要依据机械位置对开关的要求及触点数目的要求依据机械位置对开关的要求及触点数目的要求来确定其型号。来确定其型号。6.1.1 6.1.1 按钮、刀开关等元件的选择按钮、刀开关等元件的选择5自动开关自动开关又称自动空气断路器自动空气断路器。自动开关既能接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，分断能力大，有欠压和过载短路保护作用，因此在机械设备上的使用越来越广泛。电气控制系统中常用的自动开关：有DZ10系列、DZ5-10系列、DZ5-50系列等，适用于交流50Hz或60Hz，电压550V以下，直流电压220V以下的电路中，作不频繁地接

8、通和分断电路之用作不频繁地接通和分断电路之用。自动开关的选择应考虑其主要参数主要参数：额定电压、额定电流和允许切断的极限电流。其允许切断的极限电流应略大于电路的短路电流。6.1.2 6.1.2 熔断器的计算与选择熔断器的计算与选择熔断器的型号熔断器的型号：RL1表示螺旋式熔断器，RC1表示插入式熔断器，RTO表示有填料封闭管式熔断器等。机床电器中常用的是RL1及RC1系列。熔断器的选择：主要是选择其种类、熔断器额定电流等级及种类、熔断器额定电流等级及熔体的额定电流熔体的额定电流。熔体额定电流的选择是选择熔断器的关键，它取决于负载与性质和额定电流的大小。对于照明线路等设有冲击电流的负载。应使熔体

9、的额定电流IF等于或稍大于电路的工作电流I。6.1.2 6.1.2 熔断器的计算与选择熔断器的计算与选择6.1.2 6.1.2 熔断器的计算与选择熔断器的计算与选择6.1.3 6.1.3 交流接触器的选择交流接触器的选择根据控制电流性质不同，分为交流接触器交流接触器和直流接触器直流接触器两种。机床中应用最多的是交流接触器，如CJ1O、CJ20系列。交流接触器交流接触器CJ10-20，其中CJ表示交流接触器，10表示设计序号，20表示主触点额定电流为20A。接触器的主要技术数据主要技术数据：(1)电源种类,即交流或直流；(2)主触点额定电压、额定电流；(3)辅助触点的种类、数量及触点的额定电流；

10、(4)电磁线圈的电源种类频率和额定电压；(5)额定操作频率（次/小时），即允许每小时接通的最多次数。6.1.3 6.1.3 交流接触器的选择交流接触器的选择交流接触器的使用和选择，主要考虑：主触点的额定电流、主触点的额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。6.1.3 6.1.3 交流接触器的选择交流接触器的选择(2)接触器触点额定电压Uec的选择通常应使UecUex（即应大于或等于线路额定电压）。交流接触器触点的额定电压Uec一般为500V或380V。(3) 接触器的触点数量、种类等应满足线路的需要(4) 接触器吸引线圈

11、电压吸引线圈电压应从人身和设备安全角度考虑，可选择低一些，如127V。但当控制线路简单，所用器不多时，为了节省变压器，可选用380V。如CJ1O系列线圈电压等级有36、110、220及380V 4种。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择继电器实质上是一种传递信号的电器一种传递信号的电器，并具有跳跃的输入输出特性。它可根据不同的输入信号达到不同的控制目的。输入信号输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度、距离等非电量，而输出输出常常是触头的动作，用以通断电路。根据输入量的不同（性质和限定值），继电器有各种功用。选用继电器，就是要满足主电路（输入电路）的动作规范，同时适

12、合控制电路（输出电路）的要求。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择1热继电器的选择热继电器的选择在机械设备中，热继电器主要用于电动机过载保护电动机过载保护。热继电器有两相结构和三相结构之分，一般情况下选用两相结构选用两相结构的热继电器。机床常用的热继电器有JR0系列和JR10系列。JR0-40型热继电器（P156，表6-4）额定电压为500V，额定电流为40A，可以配用的热元件有10种电流等级，每一种电流等级的热元件都有一定的电流调节范围。这是因为电动因为电动机额定电流不会恰好等于热继电器的额定电流，选择电流调机额定电流不会恰好等于热继电器的额定电流，选择电流调节范围适用的热元件，

13、再调节到与电动机额定电流相等，就节范围适用的热元件，再调节到与电动机额定电流相等，就可更好地进行过载保护。可更好地进行过载保护。 6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择热继电器有热惯性热惯性。表6-5表示热继电器在周围介质温度为-3040时的保护特性。例如当热继电器通过额定电流时，热继电器长期不动作；当它通过的电流增加到整定电流的1.2倍时，在20min内动作等。表中“从热态开始从热态开始”是指电流通过发热元是指电流通过发热元件，使热继电器发热到稳定温度件，使热继电器发热到稳定温度（在30min内温升变化不超过1OC）开始计算动作时间。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择

14、不同型号的热继电器具有不同的特点。如JR0系列系列热继电器具有温度补偿、电流调节范围广，且具有电动机断相保护功能；JR15系列系列热继电器采用复合加热，也具有温度补偿、电流可调等特点，但不具有电动机断相保护功能。热继电器选择是否恰当，往往是能否可靠地对电动机进行过载保护的关键因素。选择热继电器主要是根据根据电动机额定电流来确定热继电器的型号和热元件的电电动机额定电流来确定热继电器的型号和热元件的电流等级流等级。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择遇到下列情况，选择的热继电器热元件的额定额定电流要比电动机额定电流高电流要比电动机额定电流高一些一些进行保护。(1)电动机负载惯性转矩非常

15、大，起动时间长；(2)电动机所带动的设备不允许任意停电；(3)电动机拖动的为冲击性负载（如冲床、剪床等）。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择2时间继电器的选择时间继电器的选择时间继电器是机械设备控制线路中常用的电器之一。它的类型很多，按其工作原理可分为：(1)电磁式时间继电器利用电磁惯性原理电磁惯性原理制成的。特点是结构简单、寿命长、允许操作频率高，但延时时间短，应用在直流控制回路直流控制回路中。(2)空气阻尼式时间继电器利用空气阻尼空气阻尼的原理制成的。其特点是工作可靠，且延时范围较宽，可达0.4180s，是机床交流控制线路中常用机床交流控制线路中常用的时间继电器，其型号有JS

16、7-A、JS16系列。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择(3)电子式时间继电器它是利用电子线路控制电容器充放电的原理电子线路控制电容器充放电的原理制成的。其特点是体积小，其延时范围可达0.ls1h。(4)电动式时间继电器它是利用同步电动机的原理同步电动机的原理制成的。其特点是结构复杂、体积较大，但延时时间长，可调范围宽，可从几秒钟到数十分钟，最长可达数十小时。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择时间继电器的选择，主要考虑控制电路所需延时触点的延时控制电路所需延时触点的延时方式、延时范围及顺势触点的数量方式、延时范围及顺势触点的数量，同时也要注意线圈电压要注意线圈电压等

17、级能否满足控制电路的要求等级能否满足控制电路的要求。每一种时间继电器都有其各自的特点，所以应合理选用以发挥其特长。可从以下几个方面考虑如何选择时间继电器：(1)时间继电器按延时方式可分为通电延时型通电延时型和断电延时型断电延时型两种，应考虑哪种延时方式的继电器对组成控制线路更为方便。(2)凡对延时要求不高的场合，一般宜用价格较低的电磁式或空气阻尼式时间继电器；反之，对延时要求较高较高的场合，则宜用电动式电动式或电子式时间继电器电子式时间继电器。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择(3)应考虑电源参数变化电源参数变化的影响。电源电压波动大的场合，采用空气阻尼式或电动式时间继电器比采用

18、电子式时间继电器好；电源频率波动大的场合，则不宜采用电动式时间继电器。(4)应考虑温度变化温度变化的影响。通常，温度变化较大处不宜采用空气阻尼式和电子式时间继电器。(5)应考虑适用的操作频率适用的操作频率。时间继电器动作过后需要一个复位时间，应比固有动作时间长一些，否则会增大延时误差，甚至不能产生延时；当操作频率过高时，不仅影响电寿命，还会导致延时动作失调。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择3中间继电器的选择中间继电器的选择中间继电器在电路中主要起信号传递与转换信号传递与转换作用，可用它实现多路控制，并可将小功率的控制信号转换为大容量的触点动作，以驱动电气执行元件工作。中间继电器

19、触点多，还可以扩充其他电器的控制作用。在机床上常用的中间继电器有JZ7、JZ8两种系列。JZ7系列适用于交流500V、5A以下的控制电路。6.1.4 6.1.4 继电器的选择继电器的选择JZ8系列为交直流两用交直流两用电器，其触点额定电流为5A，其线圈电压有直流12V、24V、48V、110V、220V，交流110V、127V、220V、380V等等级；触点数有（常开/常闭）6/2、4/4、2/6等组成形式，而且触点簧片反装可使常开、常闭触点互相转换，以满足设计电路的需要。中间继电器的选择，主要依据控制电路的电压等级控制电路的电压等级，同时还要考虑触点的数量、种类及容量触点的数量、种类及容量，

20、满足控制线路的要求。6.2 开关电源及电源柜开关电源及电源柜机电一体化产品中的电器元件种类繁多，分别需要不同的工作电源。计算机属于弱电弱电产品，部件的工作电压比较低，一般为在正负12V以内的直流电直流电。计算机电源是一种安装在主机箱内的封闭式独立部件，通过一个开关电源变压器，将普通市电为220V（有些国家为110V）的交流电转换为直流电，再通过斩波控制电压为5V、-5V、+12V、-12V、+3.3V等稳定的直流电，以供应主机箱内系统主板、硬盘、光驱及各种适配器扩展卡等计算机部件。6.2 开关电源及电源柜开关电源及电源柜可编程控制器可编程控制器的电源输入类型有：交流电源（220VAC或110V

21、AC）、直流电源（常用的为24VAC、5VAC）。PLC的5V电源是PLC内部信号处理用的，比如CPU主板、模拟量测量扩展模块、通信接口、I/O口的光电耦合器等。24V电源是用来I/O口输入输出开关量用的，所有外部设备的状态信号均不是直接输入到PLC内部或从PLC输出的，而是必需通过光电耦合和继电器光电耦合和继电器。 此24V输入输出电源输入输出电源，可以使用PLC提供的24V电源，也可以使用外部提供的24电源，但当扩展I/O口比较多的时候，PLC本身的24V电源负载能力有限，就需要外部24V电源了。6.2 开关电源及电源柜开关电源及电源柜单片机单片机的工作电压：一般为直流5V、-5V、+12

22、V、-12V，除了为各个芯片提供工作电流以外，还用于A/D、D/A转换。所有开关量信号的输入输出与外部设备之间也必需通过光光电隔离电隔离，这与可编程控制器是类似的。机电一体化设备中常见的动力用电动机动力用电动机,其额定电压为交流交流220V 、380V或更高,以提供相应的功率来满足驱动一般设备的要求。而控制用电动机，则常常采用直流电源提供动力,比如直流电机、步进电机的工作电压常采用直流12V、24V、48V、100V等，以产生相应的电磁力矩来克服负载力矩、实现对转角和转速的控制。6.2.1 6.2.1 开关电源简介开关电源简介一、开关电源的电路结构 在电源变换时，采用半导体器件开关变换技术半导

23、体器件开关变换技术，利用自动控制技术来稳定输出，并加有各种保护控制电路的电源开关变换电路，称为开关电源。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。一般开关电源控制集成电路包括：振荡器振荡器、误差放大器、误差放大器、PWM、触发器、状态控制器、触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护保护功能电路功能电路。6.2.1 6.2.1 开关电源简介开关电源简介离线式开关变换器离线式开关变换器：在开关电源的变换过程中，用高频变压器隔离，常用的AC/DC变换器就是离线

24、式开关变换器。开关电源的工作原理框图如图6-1所示：6.2.1 6.2.1 开关电源简介开关电源简介交流交流市电供电输入电路市电供电输入电路，包括低通滤波电路低通滤波电路和一次整流电一次整流电路路。220V交流输入市电经低通滤波电路和整流电路整流后，输出没有稳压的直流电压Vi，直流电压Vi送到第二部分电路进行功率因数校正功率因数校正，以提高开关电源电路的功率因数。功率因数校正电路的具体实现方法：无源无源功率功率因数校正和有源功率因数有源功率因数校正两种有源功率因数校正是指开关电源在功率因数校正过程中，采用如三极管和集成电路等有源器件有源器件来实现功率因数校正功能的电路。由于有源功率因数校正具有

25、功率因数校正特性好的优点，在开关电源电路中得到了广泛应用。6.2.1 6.2.1 开关电源简介开关电源简介第三部分电路是功率变换功率变换：功率变换是通过高频电子开关电高频电子开关电路路和高频脉冲变压器来实现的，把经过功率因数校正输出的直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频脉沖电压。第四部分电路是输出电路输出电路，用于将高频脉冲电压经整流滤波后输出所需的直流电压。第五部分电路是驱动控制电路，输出直流电压经过分压、采样后与开关电源电路的基准电压进行比较、放大，从而输出相应的误差控制电压来稳定输出直流电压。第六部分电路是振荡信号产生电路，由它产生高频振荡信号，该高频振荡信号与控制信号叠加，从而实现输出稳压控制，实现高频电源变换。6.2.1 6.2.1 开关电源简介开关电源简介24V开关开关电源电源是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化转化为高频交流电的原因为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多，所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热，成本很低。开关电源低价格、高可靠、效率高、工作温度低,体积小、重量轻、105度输出电容器,软启动电流、