《可编程序控制器应用技术》1-电气控制基础

1、n 本章主要通过介绍电气控制领域中常用低压电器的工作原理、用途、型号、规格及符号等知识，电器控制线路的基本环节，并通过对典型电器控制系统的分析，学会正确选择和合理使用常用电器、学会分析和设计电气控制线路的基本方法，为后继章节的学习打下基础。 用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上电路中的电器。例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。 用于交流50Hz(或60Hz)，额定电压为1200V以下；直流额定电压1500V及以下的电路中的电器。例如接触器、继电器等。用手或依靠机械力进行操作的电器，如手动开关、控制按钮、行程开关等主令电器。借助于电磁力或某个物理量的变化自动进行操作的电器，如

2、接触器、各种类型的继电器、电磁阀等。用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等。 用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、行程开关、万能转换开关等。 用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器、各种保护继电器、避雷器等。 指用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等 。 用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器、隔离开关、刀开关、自动空气开关等。 依据电磁感应原理来工作，如接触器、各种类型的电磁式继电器等。 依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等。 n 低压电器能够依据操作信号或外界

3、现场信号的要求，自动或手动地改变电路的状态、参数，实现对电路或被控对象的控制、保护、测量、指示、调节。n 低压电器的作用有：控制作用、保护作用、测量作用、调节作用、指示作用、转换作用等n 低压电器作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能、新设备会不断出现。n 常用低压电器的主要种类和用途如表1-1所示。n 对低压配电电器要求是灭弧能力强、分断能力好，热稳定性能好、限流准确等。对低压控制电器，则要求其动作可靠、操作频率高、寿命长并具有一定的负载能力。 n 交流接触器结构与工作原理 如图l-1所示： 电磁机构由线圈、动铁心(衔铁)和静铁心组成，其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动

4、作。 包括主触点和辅助触点。主触点用于通断主电路，通常为三对常开触点。辅助触点用于控制电路，起电气联锁作用，故又称联锁触点，一般常开、常闭各两对。 容量在10A以上的接触器都有灭弧装置，对于小容量的接触器，常采用双断口触点灭弧、电动力灭弧、相间弧板隔弧及陶土灭弧罩灭弧。对于大容量的接触器，采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧。 包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。 指主触点额定工作电压。常用的额定电压值为220V、380V、660V等指主触点在额定工作条件下的电流值。常用额定电流等级为10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。 可分为最大接通电

5、流和最大分断电流。一般通断能力是额定电流的510倍 可分为吸合电压和释放电压。 接触器正常工作时，吸引线圈上所加的电压值。 一般为每小时允许操作次数的最大值。 包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%20。 n 继电器是根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力装置的自动电器。电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等；电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；有触点和无触点两类，控制用与保护用继电器等。 n 电磁式继电器的结构与工作原理电磁式继电器的结构与工作原理n

6、其结构及工作原理与接触器大体相同。由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图l-3所示。由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小(一般5A以下)，故不需要灭弧装置。n 常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继电器。电器。n 电磁式继电器的图形、文字符号如图电磁式继电器的图形、文字符号如图1-4所示。所示。n 继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图1-5所示。 ：利用电磁阻尼原理产生延时的，由电磁感应定律可知，在继电器线圈通断电过程中铜套内将感应电势，并流过感应电流，此电流产生的磁通总是反对

7、原磁通变化。电器通电时，由于衔铁处于释放位置，气隙大，磁阻大，磁通小，铜套阻尼作用相对也小，因此衔铁吸合时延时不显著(一般忽略不计)。而当继电器断电时，磁通变化量大，铜套阻尼作用也大，使衔铁延时释放而起到延时作用。仅用作断电延时，延时时间较短，JT3系列最长不超过5s，而且准确度较低，一般只用于要求不高的场合。 n 是近几年发展应用的一种新型通用逻辑控制继电器亦称通用逻辑控制模块，它将控制程序预先存储在内部存储器中，用户程序采用梯形图或功能图n 常用产品主要有德国金钟-默勒公司的Easy，西门子公司的LOGO、日本松下公司的可选模式控制器一控制存储式继电器等。 n 开关是最普通、使用最早的电器

8、。其作用是分合电路、开断电流。常用的有刀开关、隔离开关、负荷开关、转换开关(组合开关)、自动空气开关(空气断路器)等。n 分类：有载运行操作、无载运行操作、选择性运行操作； 正面操作、侧面操作、背面操作； 不带灭弧装置和带灭弧装置 刀口接触有面接触和线接触两种n 常用的HD系列和HS系列刀开关的外形如图1-14所示。刀开关的图形和文字符号如图1-15所示。 n 刀开关是手动电器中结构最简单的一种，主要用作电源隔离开关，也可用来非频繁地接通和分断容量较小的低压配电线路。接线时应将电源线接在上端，负载接在下端，这样拉闸后刀片与电源隔离，可防止意外事故发生。n 刀开关的主要类型有：大电流刀开关、负荷

9、开关、熔断器式刀开关。常用的产品有：HD11HDl4和HS11HS13系列刀开关。 n 刀开关选择时应考虑以下两个方面：n 结构形式的选择 应根据刀开关的作用和装置的安装形式来选择如是否带灭弧装置，若分断负载电流时，应选择带灭弧装置的刀开关。根据装置的安装形式来选择，是否是正面、背面或侧面操作形式，是直接操作还是杠杆传动，是板前接线还是板后接线的结构形式n 额定电流的选择 一般应等于或大于所分断电路中各个负载额定电流的总和。对于电动机负载，应考虑其启动电流，所以应选用额定电流大一级的刀开关。若再考虑电路出现的短路电流，还应选用额定电流更大一级的刀开关。n 低压断路器也称为自动空气开关，可用来接

10、通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。n 低压断路器具有多种保护功能(过载、短路、欠电压保护等)、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。 n 低压断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。低压断路器工作原理图如图l-16所示。 熔断器的动作是靠熔体的熔断来实现的，当电流较大时，熔体熔断所需的时间就较短。而电流较小时，熔体熔断所需用的时间就较长，甚至不会熔断。因此对熔体来说，其动作电流和动作时间特性即熔断器

11、的安秒特性，为反时限特性，如图1-21所示。 主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。对于容量小的电动机和照明支线，常采用熔断器作为过载及短路保护，因而希望熔体的熔化系数适当小些。通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器。对于较大容量的电动机和照明干线，则应着重考虑短路保护和分断能力。通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器n 保护无起动过程的平稳负载如照明线路、电阻、电炉等时，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。n 保护单台长期工作的电机熔体电流可按最大起动电流选取，也可按下式选取： I

12、RN (1.52.5)IN n 保护多台长期工作的电机（供电干线） IRN (1.52.5)IN max+IN 其结构原理如图1-24所示，其动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于04mmin的场所。 其结构原理如图1-25所示，当被控机械上的撞块撞击带有滚轮的撞杆时，撞杆转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆，使微动开关中的触点迅速动作。当运动机械返回时，在复位弹簧的作用下，各部分动作部件复位。 是利用物体对光电开关发射出的红外线反射回去，由光电开关接收，从而判断是否有物体存在。如有物体存在，光电开关接收到红外线，其触点动作，否则其触点复位。是由分离的

13、发射器和接收器组成。当无遮挡物时，接收器接收到发射器发出的红外线，其触点动作；当有物体挡住时，接收器便接收不到红外线，其触点复位。 n 万能转换开关是一种多档式、控制多回路的主令电器。万能转换开关主要用于各种控制线路的转换、电压表、电流表的换相测量控制、配电装置线路的转换和遥控等。万能转换开关还可以用于直接控制小容量电动机的起动、调速和换向。n 如图1-27所示为万能转换开关单层的结构示意图 n 常用产品有LW5和LW6系列。LW5系列可控制5.5kW及以下的小容量电动机；LW6系列只能控制2.2kW及以下的小容量电动机。用于可逆运行控制时，只有在电动机停车后才允许反向起动。LW5系列万能转换

14、开关按手柄的操作方式可分为自复式和自定位式两种。所谓自复式是指用手拨动手柄于某一档位时，手松开后，手柄自动返回原位；定位式则是指手柄被置于某档位时，不能自动返回原位而停在该档位。 n 万能转换开关的手柄操作位置是以角度表示的。不同型号的万能转换开关的手柄有不同万能转换开关的触点，电路图中的图形符号如图1-28所示。n 主令控制器是一种频繁对电路进行接通和切断的电器。通过它的操作，可以对控制电路发布命令，与其它电路联锁或切换。常配合磁力起动器对绕线式异步电动机的起动、制动、调速及换向实行远距离控制，广泛用于各类起重机械的拖动电动机的控制系统中。万能转换开关n 主令控制器一般由外壳、触点、凸轮、转

15、轴等组成，与万能转换开关相比，它的触点容量大些，操纵档位也较多。主令控制器的动作过程与万能转换开关相类似，也是由一块可转动的凸轮带动触点动作。n 常用的主令控制器有LK5和LK6系列，其中LK5系列有直接手动操作、带减速器的n 机械操作与电动机驱动等三种型式的产品。LK6系列是由同步电动机和齿轮减速器组成定n 时元件，由此元件按规定的时间顺序，周期性地分合电路。 n 从结构上讲，主令控制器分为两类：一类是凸轮可调式主令控制器；一类是凸轮固定式主令控制器。如图1-29所示为凸轮式主令控制器。n 任何复杂的电器控制线路都是按照一定的控制原则，由基本的控制线路组成的。基本控制线路是学习电器控制的基础

16、。特别是对生产机械整个电气控制线路工作原理的分析与设计有很大的帮助。n 电器控制线路的表示方法有：电气原理图、电气接线图、电器布置图。n 电气原理图是根据工作原理而绘制的，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路的工作原理等优点。在各种生产机械的电器控制中，无论在设计部门或生产现场都得到广泛的应用。电器控制线路常用的图形、文字符号必须符合最新的国家标准。n 电器控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路和控制电路。主电路包括从电源到电动机的电路，是强电流通过的部分，用粗线条画在原理图的左边。控制电路是通过弱电流的电路，一般由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触点、继电器的触点等组成，用细线条

17、画在原理图的右边。n 采用电器元件展开图的画法。同一电器元件的各部件可以不画在一起，但需用同一文n 字符号标出。若有多个同类电器，可在文字符号后加上数字序号，如KM1、KM2等。n 所有按钮、触点均按没有外力作用和没有通电时的原始状态画出。控制电路的分支线路，原则上按照动作先后顺序排列，两线交叉连接时的电气连接点须用黑点标出。 在电源容量足够大时，小容量笼型电动机可直接起动。直接起动的优点是电气设备少，线路简单。缺点是起动电流大，引起供电系统电压波动，干扰其它用电设备的正常工作。 n 如图1-30所示，主电路由刀开关Q、熔断器FU、交流接触器KM的主触点和笼型电动机M组成；控制电路由起动按钮S

18、B和交流接触器线圈KM组成。n 如图1-31所示n 工作过程如下：n 起动：合上刀Q按下起动按钮SB1接触器KM线圈通电KM主触点闭合和常开辅助触点闭合电动机M接通电源运转；（松开SB1），利用接通的KM常开辅助触点自锁、电动机M连续运转。n 停机：按下停止按钮SB2KM线圈断电KM主触点和辅助常开触点断开电动机M断电停转。：短路时熔断器FU的熔体熔断而切断电路起保护作用。采用热继电器FR。通过接触器KM的自锁环节来实现。当电源电压由于某种原因而严重欠电压或失电压（如停电）时，接触器KM断电释放，电动机停止转动。当电源电压恢复正常时，接触器线圈不会自行通电，电动机也不会自行起动，只有在操作人员

19、重新按下起动按钮后，电动机才能起动。 n 在生产实践中，机床调整完毕后，需要连续进行切削加工，则要求电动机既能实现点动又能实现长动。控制线路如图1-32所示。 n 图1-33为两台电动机顺序起动控制线路 ：n 要求接触器KM1动作后接触器KM2才能动作，故将接触器KM1的常开触点串接于接触器KM2的线圈电路中。n 要求接触器KM1动作后接触器KM2不能动作，故将接触器KM1的常闭辅助触点串接于接触器KM2的线圈电路中。 图1-34是采用时间继电器，按时间原则顺序起动的控制线路 n 三相异步电动机反接制机是利用改变电动机电源相序，使定子绕组产生的旋转磁场与转子旋转方向相反，因而产生制动力矩的一种

20、制动方法。应注意的是，当电动机转速接近零时，必须立即断开电源，否则电动机会反向旋转。n 由于反接制动电流较大，制动时需在定子回路中串入电阻以限制制动电流。反接制动电阻的接法有两种：对称电阻接法和不对称电阻接法。n 单向运行的三相异步电动机反接制动控制线路如图1-38所示。 n 图1-39为电动机可逆运行的反接制动控制线路。n 生产机械种类繁多，其拖动方式和电气控制线路各不相同n 本节以X62W卧式升降台铣床为例，对其控制线路进行分析，为电气控制线路的设计、安装、调试和维护打下基础。n 铣床主要由底座、床身、悬梁、刀杆支架、升降台、工作铣床主要由底座、床身、悬梁、刀杆支架、升降台、工作台和溜板等

21、部分组成，如图台和溜板等部分组成，如图1-40所示。所示。 n 主运动：主轴带动铣刀的旋转。主运动分顺铣和逆铣两种形式主运动：主轴带动铣刀的旋转。主运动分顺铣和逆铣两种形式n 进给运动：是工件在工作台上实现三个相互垂直方向的进给，即工进给运动：是工件在工作台上实现三个相互垂直方向的进给，即工作台沿溜板上部回转台的导轨在垂直于主轴轴线方向的纵向进给，作台沿溜板上部回转台的导轨在垂直于主轴轴线方向的纵向进给，溜板沿升降台上的水平导轨在平行于主轴轴线方向的横向进给，以溜板沿升降台上的水平导轨在平行于主轴轴线方向的横向进给，以及升降台沿床身的垂直导轨作上下垂直进给。及升降台沿床身的垂直导轨作上下垂直进给。n 辅助运动：可转动部分对溜板可绕垂直轴线转动一个角度（一般为辅