电气控制与PLC第一章

1、主讲教师： 干树川川理工学院自动化与电子信息工程学院自动化教研室推荐教材:w1、张万忠.电气与PLC控制技术M.北京：化学工业出版社w2、张晓峰.电气控制与可编程控制技术及应用M，北京：国防工业出版社，2010,04.w3、廖常初.S7-200 PLC编程及应用M，北京：机械工业出版社 ，2007,07.w4、胡学林.可编程控制器教程（基础篇） M，北京：电子工业出版社，2004,06.w5、胡学林.可编程控制器教程（提高篇） M，北京：电子工业出版社，2004,06.w6、王晓敏 .电气控制与PLC应用 M，北京：中国电力出版社，2010,02. 期末期末 学生考试

2、成绩组成学生考试成绩组成 平时成绩占：平时成绩占：30%30% 平时成绩：实验成绩、上课出勤、作业、课平时成绩：实验成绩、上课出勤、作业、课堂纪律等。堂纪律等。 理论考试成绩占：理论考试成绩占：70%70% 二点五下乘以九二点五下乘以九,往上减一顺号走；往上减一顺号走；w三十五乘三点五三十五乘三点五,双双成组减点五；双双成组减点五； w条件有变打折算条件有变打折算,高温九折铜升级。高温九折铜升级。w穿管根数二三四，八七六折满载流。穿管根数二三四，八七六折满载流。w截面积（截面积（mm2）：）：1,1.5,2.5w4,6,10,16,25; 35, 50,70, 95,120,150,185电器

3、的分类电器的分类低压电器的分类低压电器的分类w按动作方式分：按动作方式分：手动电器和自动电器。手动电器和自动电器。w手动电器：用手动操作来进行切换的电器如刀开关、转手动电器：用手动操作来进行切换的电器如刀开关、转换开关、按钮。换开关、按钮。w自动电器：依靠自身参数变化或外来信号的作用，自动自动电器：依靠自身参数变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作。如接触器、继电器等。完成接通或分断等动作。如接触器、继电器等。手动电器手动电器自动电器自动电器是指电压在是指电压在1500v（DC）/1200V（AC）以下、用来接通或）以下、用来接通或断开电路，以及用来控制、调节和保护用电设备的电气器件。

4、断开电路，以及用来控制、调节和保护用电设备的电气器件。 1.低压电器的定义低压电器的定义 电器电器所有电工器件的简称。生产机械中所用的控制电器所有电工器件的简称。生产机械中所用的控制电器多属多属低压电器低压电器电器按其工作电压等级可分为：高压高压电器和低压低压电器。2.低压电器的分类低压电器的分类（1）按用途和控制对象分类）按用途和控制对象分类低压配电电器。低压配电电器。用于低压供、配电系统中进行电能输送和分用于低压供、配电系统中进行电能输送和分配的电器。配的电器。要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，如刀开要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，如刀开关、转换开关、空气断路器、熔断器等。关、转

5、换开关、空气断路器、熔断器等。低压控制电器低压控制电器。用于各种控制电路和控制系统的电器。用于各种控制电路和控制系统的电器。要求要求寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠，寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠，如：接触如：接触器、继电器、主令电器、电阻器、电磁铁等。器、继电器、主令电器、电阻器、电磁铁等。低压保护电器：低压保护电器：用来保护电动机，使其安全运行，以及保护生用来保护电动机，使其安全运行，以及保护生产机械使其不受损坏。如：产机械使其不受损坏。如：熔断器、热继电器、电压继电器、熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器等电流继电器等。低压执行电器：低压执行电器：用来操纵带

6、动生产机械和支撑与保持机械装置用来操纵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执行元件。如：电磁铁、电磁离合器等。在固定位置上的一种执行元件。如：电磁铁、电磁离合器等。低压主令电器：低压主令电器：用于自动控制系统中发送动作指令的电器。如：用于自动控制系统中发送动作指令的电器。如：按钮、按钮、 主令开关、行程开关、主令控制器、转换开关等。主令开关、行程开关、主令控制器、转换开关等。可通信电器可通信电器可与计算机网络连接的电器。如：智能化断路器、可与计算机网络连接的电器。如：智能化断路器、智能化接触器及电动机控制器等。智能化接触器及电动机控制器等。（1）按用途和控制对象分类）按用途和控制

7、对象分类（2）按动作方式分类）按动作方式分类自动电器自动电器。依靠外来信号或物理量（如电流、电压等）的变。依靠外来信号或物理量（如电流、电压等）的变化而自动动作的电器，如接触器、继电器等。化而自动动作的电器，如接触器、继电器等。非自动电器非自动电器。无动力机构，通过人工或外力直接操作而动作。无动力机构，通过人工或外力直接操作而动作的电器，如按钮、行程开关等。的电器，如按钮、行程开关等。（3）按工作原理分类）按工作原理分类电磁式电器电磁式电器。依据电磁感应原理工作的电器，如接触器、各。依据电磁感应原理工作的电器，如接触器、各类电磁式继电器等。类电磁式继电器等。非电量控制电器非电量控制电器。依靠外

8、力或某种非电物理量的变化而动作。依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如行程开关、速度继电器等。的电器，如行程开关、速度继电器等。组成：吸引线圈、铁心、衔铁、空气隙。组成：吸引线圈、铁心、衔铁、空气隙。 a) 、b)、c) 直动式电磁机构直动式电磁机构 d)、e) 拍合式电磁机构拍合式电磁机构1-衔铁衔铁 2-铁心铁心 3-线圈线圈 动作：电流通入线圈产生磁场及吸力，通过气隙转动作：电流通入线圈产生磁场及吸力，通过气隙转 换成机械能，带动衔铁运动使触头动作。换成机械能，带动衔铁运动使触头动作。 吸引线圈用以将电能转换为磁能，按通入电流种类不同分吸引线圈用以将电能转换为磁能，按通入电流种类

9、不同分为为交流电磁线圈（矮胖型）交流电磁线圈（矮胖型）和和直流电磁线圈（瘦高型）直流电磁线圈（瘦高型）。 根据线圈在电路中的连接方式，又分为根据线圈在电路中的连接方式，又分为串联线圈（电流线串联线圈（电流线圈型）圈型）和和并联线圈（电压线圈）并联线圈（电压线圈）。 铁芯铁芯衔铁衔铁线圈线圈交流交流：硅钢片叠加：硅钢片叠加直流直流：整块铸铁或铸钢：整块铸铁或铸钢直动式直动式转动式转动式电压线圈电压线圈：并联在电路中，匝数多、导线细。：并联在电路中，匝数多、导线细。电流线圈电流线圈：串联在电路中，匝数少、导线粗。：串联在电路中，匝数少、导线粗。交流线圈交流线圈：短而粗，有骨架。：短而粗，有骨架。直

10、流线圈直流线圈：细而长，无骨架。：细而长，无骨架。电磁机构反力特性与吸力特性电磁机构反力特性与吸力特性a) 反力特性反力特性 b) 交流电磁机构吸力特性交流电磁机构吸力特性 c) 直流电磁机构吸力特性直流电磁机构吸力特性 电磁机构吸力特性与反力特性的配合电磁机构吸力特性与反力特性的配合 1-直流吸力特性直流吸力特性 2-交流吸力特性交流吸力特性 3-反力特性反力特性 4-剩磁吸力特性剩磁吸力特性电磁机构的继电特性电磁机构的继电特性a) 点接触点接触 b) 线接触线接触 c) 面接触面接触a) 桥式触头桥式触头 b) 指形触头指形触头 触头的材料触头的材料 银银 铜铜在自然环境中断开电路时，如果

11、被断开的电路的电流（电在自然环境中断开电路时，如果被断开的电路的电流（电压）超过某一个数值时，触头间隙中就会产生电弧，电弧实压）超过某一个数值时，触头间隙中就会产生电弧，电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。在动静际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。在动静触头脱离接触时，强电场使触头间隙中气体游离，产生大量触头脱离接触时，强电场使触头间隙中气体游离，产生大量的电子和离子，并作定向运动，使绝缘的气体变成导体。的电子和离子，并作定向运动，使绝缘的气体变成导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换成热能和光能，电流通过这个游离区时所消耗的电能转换成热能和光能，产生高温并发出强

12、光，烧损触头金属表面，降低电器寿命，产生高温并发出强光，烧损触头金属表面，降低电器寿命，延长电路分断时间，甚至不能断开，造成严重事故。延长电路分断时间，甚至不能断开，造成严重事故。 双断口电动力吹弧双断口电动力吹弧1-静触头静触头 2-动触头动触头 3-电弧电弧窄缝灭弧窄缝灭弧1-纵缝纵缝 2-介质介质 3-磁性夹板磁性夹板 4-电弧电弧图图1-10 栅片灭弧装置栅片灭弧装置磁吹灭弧原理磁吹灭弧原理 接触器是继电器接触器是继电器-接触器控制系统中最重要和常用的元接触器控制系统中最重要和常用的元件之一，它的工作原理如图所示。件之一，它的工作原理如图所示。 当按钮按下时，线圈通电，静铁心被磁化，并

13、把动铁心当按钮按下时，线圈通电，静铁心被磁化，并把动铁心（衔铁）吸上，带动转轴使触头闭合，从而接通电路。（衔铁）吸上，带动转轴使触头闭合，从而接通电路。 当放开按钮时，过程与上述相反，使电路断开。当放开按钮时，过程与上述相反，使电路断开。接触器的结构和工作原理如下：接触器的结构和工作原理如下：M3线圈线圈辅助触点辅助触点铁心铁心衔铁衔铁主触点主触点常闭常闭常开常开弹簧弹簧接触器的主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电接触器的主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载，如电热设备、照明线路、电焊机、电容器组等，是力负载，如电热设备、照明线路、电焊机、电容器组等，是电力拖动控制系统中最重

14、要也是最常用的控制电器。电力拖动控制系统中最重要也是最常用的控制电器。接触器按其主触点控制电路中电流的种类，分为交流接触接触器按其主触点控制电路中电流的种类，分为交流接触器和直流接触器两大类。器和直流接触器两大类。 交流接触器：主要用以控制交流接触器：主要用以控制远距离、频繁地接通和分断额远距离、频繁地接通和分断额定电压至定电压至660v、额定电流至、额定电流至600A的的交流电路（主电路、控制交流电路（主电路、控制电路、激磁电路）电路、激磁电路）直流接触器：主要用以控制直流接触器：主要用以控制额定电压至额定电压至660v、额定电流至、额定电流至600A的直流电路的直流电路（主电路、控制电路、

15、激磁电路）（主电路、控制电路、激磁电路） 接触器铭牌额定电压：是指主触点上的额定电压。通常用接触器铭牌额定电压：是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级为：的电压等级为： 直流接触器：直流接触器：110V，220V，440V，660V等档次。等档次。 交流接触器：交流接触器：127V，220V，380V，500V等档次。如某等档次。如某负载是负载是380V的三相感应电动机，则应选的三相感应电动机，则应选380V的交流接触器。的交流接触器。 额定工作电压额定工作电压是与额定工作电流共同决定接额定工作电压额定工作电压是与额定工作电流共同决定接触器使用条件的电压值，接触器的接通与分断能力、工作制种触

16、器使用条件的电压值，接触器的接通与分断能力、工作制种类以及使用类别等技术参数都与额定电压有关。对于多相电路类以及使用类别等技术参数都与额定电压有关。对于多相电路来说，额定电压是指电源相间电压来说，额定电压是指电源相间电压(即线电压即线电压)。另外，接触器。另外，接触器可以根据不同的工作制和使用类别规定许多组额定工作电压和可以根据不同的工作制和使用类别规定许多组额定工作电压和额定电流的数值。例如：额定电流的数值。例如：CJ10-40型交流接触器，额定电压为型交流接触器，额定电压为220V时可控制电动机为时可控制电动机为11kW，额定电压为，额定电压为380V时可控制电动时可控制电动机为机为20k

17、W。 额定电流接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通额定电流接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通常用的电流等级为：常用的电流等级为： 直流接触器：直流接触器：25A，40A，60A，100A，250A，400A，600A。 交流接触器：交流接触器：5A，10A，20A，40A，60A，100A，150A，250A，400A，600A。 上述电流是指接触器上述电流是指接触器安装在敞开式控制屏安装在敞开式控制屏上，触点工作不上，触点工作不超过额定温升，负载为间断超过额定温升，负载为间断长期工作制时的电流值。所谓间长期工作制时的电流值。所谓间断断长期工作制是指接触器连续通电时间不超过长期工

18、作制是指接触器连续通电时间不超过8h。若超过。若超过8h，必须空载开闭三次以上，以消除表面氧化膜。必须空载开闭三次以上，以消除表面氧化膜。如果上述诸条件如果上述诸条件改变了，就要相应修正其电流值。改变了，就要相应修正其电流值。 接触器的图形、文字符号接触器的图形、文字符号 线圈得电，衔铁吸合线圈得电，衔铁吸合触点动作触点动作常开触点合常开触点合常闭触点断常闭触点断线圈失电，衔铁释放线圈失电，衔铁释放触点复位触点复位常开触点断常开触点断常闭触点合常闭触点合表示符号：表示符号： 线圈线圈KM交流接触器的外形及结构交流接触器的外形及结构a)外形外形 b）结构）结构主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置、

19、反力装置、支架与底主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置、反力装置、支架与底座等组成座等组成 。电磁部分：电磁部分：线圈静铁心线圈静铁心+ +衔铁；衔铁；静铁心静铁心线圈线圈释放弹簧释放弹簧触头系统触头系统 接触器的结构接触器工作原理接触器的结构接触器工作原理执行部分：执行部分：触头。触头。 主、辅触点内部结构不一样，主触点（一般有主、辅触点内部结构不一样，主触点（一般有3 3个）连接到主电个）连接到主电路中，能通以大电流；辅触点（一般路中，能通以大电流；辅触点（一般4 4个，个，2 2个常开、个常开、2 2个常闭）则个常闭）则用在控制回路中。主触点设有专门的灭弧装置。用在控制回路中。主触点设有专

20、门的灭弧装置。 触头按通过的电流的大小分主触头和辅助触头两种。触头按通过的电流的大小分主触头和辅助触头两种。动铁心（衔铁）动铁心（衔铁）电磁系统电磁系统：由吸引线圈、铁心及衔铁组成。它的作用是将：由吸引线圈、铁心及衔铁组成。它的作用是将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开。电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开。触点系统触点系统：触点是接触器的执行元件，用来接通和断开电：触点是接触器的执行元件，用来接通和断开电路。接触器触点系统包括主触点和辅助触点。主触点容量路。接触器触点系统包括主触点和辅助触点。主触点容量大，用于接通或断开主电路，根据其容量大小，有桥式触大，用于接通或断开主电路，

21、根据其容量大小，有桥式触点和指形触点两种形式。辅助触点容量小，用于通断控制点和指形触点两种形式。辅助触点容量小，用于通断控制电路。电路。灭弧装置灭弧装置：接触器主触点分断大电流电路时，在动、静：接触器主触点分断大电流电路时，在动、静触点之间往往会出现强烈火花，这实际上是一种气体放触点之间往往会出现强烈火花，这实际上是一种气体放电现象，称为电现象，称为“电弧电弧”。电弧一方面会烧坏触点，另一。电弧一方面会烧坏触点，另一方面会使电路切断时问延长，甚至会引起事故，因此灭方面会使电路切断时问延长，甚至会引起事故，因此灭弧是接触器的重点任务。弧是接触器的重点任务。对于小容量的接触器对于小容量的接触器(1

22、0 A以以下下)，常采用双断口桥形触点以利于灭弧。容量较大，常采用双断口桥形触点以利于灭弧。容量较大(20 A以上以上)的接触器常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。的接触器常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。反力装置反力装置：由反力弹簧、缓冲弹簧和触点弹簧组成。反力由反力弹簧、缓冲弹簧和触点弹簧组成。反力弹簧的作用是当吸引线圈断电时，迅速使主触点和辅助触点弹簧的作用是当吸引线圈断电时，迅速使主触点和辅助触点断开。缓冲弹簧的作用是缓冲衔铁在吸合时对铁心和外壳的断开。缓冲弹簧的作用是缓冲衔铁在吸合时对铁心和外壳的冲击力。触点弹簧的作用是增大动、静触点之间的压力，使冲击力。触点弹簧的作用是增大动、静触点之间

23、的压力，使之良好接触以降低接触电阻，避免因触点接触不良而产生的之良好接触以降低接触电阻，避免因触点接触不良而产生的故障现象。故障现象。支架与底座：用于接触器的固定和安装。支架与底座：用于接触器的固定和安装。（2 2）交流接触器的工作原理）交流接触器的工作原理w交流接触器的工作原理如下：交流接触器的工作原理如下：当电磁线圈通电后当电磁线圈通电后，铁心，铁心被磁化产生磁通。由此在衔铁气隙处产生电磁力将衔铁被磁化产生磁通。由此在衔铁气隙处产生电磁力将衔铁吸合，主触点在衔铁的带动下闭合，接通主电路。吸合，主触点在衔铁的带动下闭合，接通主电路。w同时衔铁还带动辅助触点动作，动断辅助触点首先断开，同时衔铁

24、还带动辅助触点动作，动断辅助触点首先断开，接着动合辅助触点闭合。接着动合辅助触点闭合。w当电磁线圈释电后当电磁线圈释电后，在反力弹簧的作用下衔铁释放，主，在反力弹簧的作用下衔铁释放，主触点、辅助触点又恢复到原来的状态。触点、辅助触点又恢复到原来的状态。CJ20、CJ21、CJ26、 CJ29、 CJ35、CJ40、NC、B、LC1-D、3TB、3TF系列系列交流接触器等。交流接触器等。 直流接触器结构示意图直流接触器结构示意图 与交流接触器区别与交流接触器区别：触触头电流和线圈电源为直流，头电流和线圈电源为直流，触头多采用滚动接触的指触头多采用滚动接触的指形触头，辅助触头采用点形触头，辅助触头

25、采用点接触桥式触头，铁心采用接触桥式触头，铁心采用整块铸钢或铸铁制成；线整块铸钢或铸铁制成；线圈做成长而薄的圆筒状；圈做成长而薄的圆筒状；由于直流电弧特殊性，通由于直流电弧特殊性，通常采用磁吹灭弧。常采用磁吹灭弧。直流接触器直流接触器常见交流接触器：常见交流接触器：CJX1CJX1系列交流接触系列交流接触器器CJX2CJX2系列交流接触器系列交流接触器常见直流接触器：常见直流接触器：CZOCZO系列直流接触器系列直流接触器CJT1CJT1系列交流接触器系列交流接触器注：注：电器元件的各部分，在电器元件的各部分，在外观上看是一个整体，但电外观上看是一个整体，但电气原理图中同一电器的各部气原理图中

26、同一电器的各部分是分散的分是分散的 ，分散的各部分，分散的各部分都用相同的文字符号表示。都用相同的文字符号表示。 根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型； 接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压； 吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；一致； 额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。 接触器虽已将电动机的控制由手动变为自动，但还不能满接触器虽已将电动机的控制由手动变为自动，但还不能满足复杂

27、生产工艺过程自动化的要求，如对大型龙门刨床的工作，足复杂生产工艺过程自动化的要求，如对大型龙门刨床的工作，不仅要求工作台能自动地前进和后退、而且要求前进和后退的不仅要求工作台能自动地前进和后退、而且要求前进和后退的速度不同，能自动地减速和加速，这些要求，必须要有整套自速度不同，能自动地减速和加速，这些要求，必须要有整套自动控制设备才能满足而继电器就是这种控制设备中的主要元动控制设备才能满足而继电器就是这种控制设备中的主要元件。件。是一种根据某种输入信号（电流、电压、时间、速度和是一种根据某种输入信号（电流、电压、时间、速度和温度等）的变化，接通或断开控制电路，实现控制目的的自动温度等）的变化，

28、接通或断开控制电路，实现控制目的的自动控制电器。控制电器。 继电器的分类：继电器的分类： 按它反应信号的种类分：电流、电压、时间、速度、压按它反应信号的种类分：电流、电压、时间、速度、压力、热继电器等力、热继电器等 按动作时间分：瞬时动作和延时动作继电器等按动作时间分：瞬时动作和延时动作继电器等 按作用原理分：电磁式、感应式、电动式、光电式、压电按作用原理分：电磁式、感应式、电动式、光电式、压电式、机械式等式、机械式等应用最广（应用最广（9090以上继电器为电磁式）以上继电器为电磁式）继电器外形图继电器外形图 感应机构感应机构：反映外界输入信号，由变换机构和比较机构组反映外界输入信号，由变换机

29、构和比较机构组成。成。 执行机构执行机构：对被控电路实现通断控制的执行机构，触头的对被控电路实现通断控制的执行机构，触头的接通与断开，晶体管的截止与饱和（半导体继电器）接通与断开，晶体管的截止与饱和（半导体继电器） 中间机构中间机构 继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。 感应机构：感测输入量的高低。感应机构：感测输入量的高低。 执行机构：触头。执行机构：触头。 无主辅之分，一般较小（无主辅之分，一般较小（5A以下），用于控制回路以下），用于控制回路输入信号输入信号电量：电流、电压、功率等电量：电流、电压、功率等非电量：热、光、声、速度等非电量：热、光

30、、声、速度等主要区别在于：主要区别在于： 接触器的主触点可以通过大电流；接触器的主触点可以通过大电流； 继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小小电流电流。所以，继电器一般用于。所以，继电器一般用于控制电路控制电路中。中。左右通常为继电器的返回系数：6 . 00XXrKf吸合电压：吸合电压：0.9 Un0.9 Un释放电压：释放电压：0.6Un 0.6Un 吸合时间：吸合时间：50150ms50150ms释放时间释放时间：50150ms 欠电压继电器的图形、文字符号、工作原理欠电压继电器的图形、文字符号、工作原理欠电压继电器欠电压继电器

31、用于电路的欠压保护，用于电路的欠压保护，在额定电压时衔铁处于吸合状态在额定电压时衔铁处于吸合状态，当，当电压小于某值时，衔铁释放，电压小于某值时，衔铁释放，带动动带动动合触点回到断开状态，从而控制接触合触点回到断开状态，从而控制接触器及时切断电气设备的电源。器及时切断电气设备的电源。用于电用于电压过小时切断电路。压过小时切断电路。1.欠电压继电器欠电压继电器 在电路中用于欠电压或零电压保护。电压在电路中用于欠电压或零电压保护。电压正常时，欠电压继电器吸合；电压降到（正常时，欠电压继电器吸合；电压降到（0.40.7）UN时释放。时释放。2.零电压继电器零电压继电器 用于零电压保护。电压降低到（用于零电压保护。电压降低到（0.050.25）UN时释放。时释放。线圈线圈UKV常开触点常开触点常闭触点常闭触点KV根据电流信号而动作，具有保护作用。一般串于电路中。其根据电流信号而动作，具有保护作用。一般串于电路中。其线圈匝数少、导线粗，与负载串联以反映电路电流的变化。按线圈匝数少、导线粗，与负