工业电气控制第一章

1、工业电气控制第一章第1页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三总学时：54讲 课：42实 验：12单 位：机电工程学院学 分：3.0性 质：专业课 上课时间：周三3-5节教学楼209 实验地点：英东楼206 第2页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1，胡汉琪主编，可编程控制器原理及应用(第二版)，中国电力版社，20082，邓则名主编,电器与可编程控制器应用技术.北京，机械工业出版社，2003.参 考 教 材两 个 部 分1，电气控制技术部分2，可编程控制器技术部分第3页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三电气控制技术部分主要内容一、常

2、用低压控制电器 组成电气控制线路基本元件或单元。二、电气控制系统的典型控制线路分析 复杂控制线路由基本线路构成的。 常用电气控制线路设计三、典型生产机械电气控制线路分析第4页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 第一章 常用低压控制电器 第一节 概述第二节 接触器第三节 继电器第四节 熔断器第六节 主令电器本章小结第五节 低压开关和低压断路器第5页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第一节 概述电器是对电能的生产，输送，分配以及应用起到控制、调节、检测及保护等作用的工具之总称。如开关，熔断器，变压器等都属于电器。能够按照外界指定的信号手动或自动的接通和断

3、开电路，实现对电路控制的电气叫控制电器。如熔断器、开关、电磁式控制电磁铁都属控制电器。第6页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第一节 概述一、电器的分类按电器的工作电压等级分：高压电器和低压电器 交流电压1200v，直流电压1500v按电器的动作性质分 ：手动电器和自动电器按电器的性能和用途分：主令电器（各种传感器，按钮，行程开关），控制电器（继电器，接触器，电磁阀）和保护电器（熔断器，热继电器），执行电器（电磁铁，电磁离合器）。按有无触点分：有触点电器（刀开关、接触器）和无触点电器 （可控硅、固态继电器、晶闸管，大功率三极管，大功率场效应管）按工作电压种类分：交流控制电

4、器和直流控制电器。按工作原理分：电磁式电器和非电量控制电器。第7页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第一节 概述二、我国低压电器的发展1、电气控制经历几个阶段手动控制：电器比较单一继电接触器控制：按钮，接触器，继电器对电机进行控制，持续时间长。顺序控制器控制：伴随中小规模集成电路应用产生，实现简单逻辑控制，随着集成电路迅速发展，大规模超大规模集成电路产生，微处理器，单片机，功能芯片，使得控制系统进入一个新的领域。可编程控制器（PLC）：加工中心机床，自适应数控机床，计算机群控系统，柔性制造系统。第8页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第一节 概述二、

5、我国低压电器的发展2、电气控制的发展现代大工业生产提出的更高要求：汽车，冰箱，彩电大型生产线。其他技术的发展推动着电气控制发展技术：大功率半导体技术器件（电力电子技术使得传统电子技术由弱电领域到强电领域），大规模集成电路，计算机控制技术，检测技术，现代控制理论（例如，交流变频调速控制）等。第9页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第一节 概述二、我国低压电器的发展3、我国低压电器1）原装进口：价格高，性能好 ABB、西门子、施耐德2）引进国外技术，在国内生产：正泰，德力西3）我国自己的产品：上海电气、长城电器、低压电器：智能化、可通信是发展趋势。其产品的特征是：产品中装有微

6、处理器； 产品带有通信接口，能与现场总线连接； 采用标准化结构，具有互换性，采用模数化结构； 保护功能齐全，具有外部故障记录显示、内部故 障自诊断、进行双向通信等。 第10页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三接触器用来频繁地接通和分断交直流回路和大容量控制电路。主要控制对象是电路机，能实现远距离控制，并具有欠压、零压保护。接触器由电磁系统，触头系统和灭弧装置组成。第二节 接触器第11页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、结构和工作原理电磁系统：铁心，线圈触头系统：主触头，辅助触头灭弧系统：第12页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星

7、期三一、结构和工作原理1.电磁机构将电磁能转换为机械能并带动触头动作。 组成 原理：线圈通入电流，产生磁场，经铁芯、衔铁和气 隙形成回路，产生电磁力，将衔铁吸向铁芯。 铁芯衔铁线圈第二节 接触器交流：硅钢片叠加直流：整块铸铁或铸钢U形，E形，O形交流线圈：短而粗，有骨架。直流线圈：细而长，无骨架。第13页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第二节 接触器第14页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第二节 接触器吸力特性吸力特性：电磁吸力与气隙的关系曲线。说明：吸力特性与线圈励磁电流种类、线圈连接方式有关。式中：当为常数时，电磁吸力的近似计算公式：交流电磁

8、机构：第15页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三当频率、匝数和电压都为常数时，磁通为常数时：F为常数 结论：a交流电压线圈在衔铁闭合前后吸力几乎不变化（如考虑漏磁通，随 的减少略有增加）。b交流电压线圈中的电流在衔铁闭合前后随气隙 的减小而减小。磁路定律交流中磁阻主要是气隙第16页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三直流电磁机构结论：a电流为常数(与磁路的气隙大小无关，取决于线圈的电阻)，b直流电压线圈在衔铁闭合前后吸力变化很大；第17页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第二节 接触器反力特性 为起始位置， 动、静触头接触时的位置

9、吸力特性与反力特性配合吸力特性与反力特性配合得当，才有助于电器性能的改善。在实际应用中可调节反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好的配合。第18页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、结构和工作原理2.触头系统通过触头的开合控制电路通、断。 类型 所控制的电路：主触头和辅助触头按期原始状态：常开触头和常闭触头第二节 接触器结构形式：桥形触头和指型触头结构形式：点接触，线接触和面接触第19页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、结构和工作原理3.灭弧系统 电弧：开关电器切断电流电路时，触头间电压大于 10V，电流超过80mA时，触头间

10、会产生蓝色 的光柱， 即电弧。 电弧的危害 ： 延长了切断故障的时间； 高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏； 形成飞弧造成电源短路事故。 灭弧措施：降低电弧温度；减少电弧两端电压方法：灭弧罩；灭弧栅；磁吹灭弧装置第二节 接触器第20页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三交流接触器线圈通以交流电，主触头接通，分断交流主电路。第二节 接触器二、交流接触器 第21页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第二节 接触器交流接触器结构图主触头常闭辅助触头常开辅助触头静铁心动铁心吸引线圈灭弧装置第22页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1工作原理

11、线圈加额定电压，衔铁吸合，常闭触头断开，常开触头闭合；线圈电压消失，触头恢复常态。为防止铁心振动，需加短路环。第二节 接触器第23页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三2出现问题1）当交变磁通穿过铁心时，将产生涡流和磁滞损耗，是铁心发热；2）交流接触器铁心的磁通是交变的，故当磁通为零时，电磁吸力也为零，使铁心产生强烈的震动和噪声。第二节 接触器3解决方法1）铁心用硅钢片迭制而成，减少涡流路径，加硅增加电阻，减少铁心电流，从而减少电流损耗；2）在铁心端面上安装一个铜质短路环第24页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第二节 接触器4结构特点铁心用硅钢片冲压

12、迭制而成；线圈做成短而粗的圆筒状；在铁心端面上安装一个铜质短路环第25页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三直流接触器线圈通以直流电流，主触头接通、切断直流主电路。第二节 接触器二、直流接触器 铁心用整块钢块构成；线圈做成长而薄的圆筒状。第26页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三KM常闭辅助触点线圈KM主触点KM常开辅助触点KM第二节 接触器三、接触器的符号 第27页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第二节 接触器四、接触器的主要技术指标和选择 接触器的型号和代表意义例如：CJ2040/03第28页，共94页，2022年，5月20

13、日，19点34分，星期三额定电压 交流接触器： 127、220、380、500V 直流接触器： 110、220、440V 交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A 直流接触器：40、80、100、150、250、400、600A 额定电流 吸引线圈额定电压交流接触器：36、110（127）、220、380V 直流接触器：24、48、220、440V 第二节 接触器四、接触器的主要技术指标和选择 第29页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 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；交流

14、：220v,380v,660v,1140v；直流：110,220,440,660额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。触头数目电磁线圈的电源种类，频率和额定电压额定操作频率（次/h），允许每小时接通的次数第二节 接触器四、接触器的主要技术指标和选择 第30页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器。用于控制与保护电路或作信号转换用。分类：按用途分 ：控制和保护继电器 按动作原理分：电磁式、感应式、电动式、电子式、 热继电器 按输入信号分：电流、电压、时间、速度、压力第三节 继电器第31页，共94页，2022年，5月20日

15、，19点34分，星期三一、电磁式继电器第三节 继电器1.结构：电磁系统；触头系统；释放弹簧组成。2.工作原理：同接触器3.符号：第32页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、电磁式继电器第三节 继电器电磁式继电器特性输入-输出特性X1:继电器释放值X2：继电器吸合值k=X1/X2：继电器的返回系数K值可以通过调节释放弹簧的松紧程度或调整铁心与衔铁之间非磁性垫片的厚度来达到吸合和释放时间吸合时间：从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间释放时间：从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间第33页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三二、电流继电器特点：线圈串接于电

16、路中，导线粗、匝数少、阻抗小。 分类：过电流继电器、欠电流继电器过流电流继电器欠流电流继电器第三节 继电器第34页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三欠电流继电器KAI I KAKAKA二、电流继电器第三节 继电器第35页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三特点：线圈并联在电路中，匝数多，导线细分类：欠电压继电器（30%-50%UN）和过电压继电器（105%-120%UN）、零电压继电器（0%-25%UN）结构原理：与电流继电器类似欠电压继电器KAU U KAKAKA三、电压继电器第三节 继电器第36页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星

17、期三 中间继电器实质上是一种电压继电器，结构和工作原理与接触器相同。但它的触点数量较多，在电路中主要是扩展触点的数量。三、中间继电器第三节 继电器第37页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三作用：利用电流的热效应原理电动机的过载保护利用双金属片受热弯曲去推动杠杆使触头动作利用电阻值随温度变化而变化的特性制成利用过载电流发热使易熔合金熔化而使继电器动作四、热继电器第三节 继电器型式：双金属片式 热敏电阻式易熔合金式结构：由发热元件、双金属片（两种膨胀系数不一样）和触头及动作机构等部分组成 。1、负荷过重； 2、电机电压过高或过低； 3、电机长期严重受潮或有腐蚀性气体侵蚀，使绝

18、缘电阻下降； 4、电机轴承缺油、干磨或转子机械不同心，使电机电流超过额定值； 5、机械传动部分发生故障等。 第38页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三四、热继电器第三节 继电器a） 外形 b）结构图 1-电流整定装置 2-主电路接线柱 3-复位按钮 4-常闭触头 5-动作机构 6-热元件 31-常闭触头接线柱32-公共动触头接线柱 33-常开触头接线柱 双金属片式热继电器第39页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1-1.接线端子 2-主双金属片 3-热元件 4-推动导板 5-补偿双金属片 6-常闭触头 7-常开触头 8-复位调节螺钉 9-动触头 10

19、-复位按钮 11-偏心轮 12-支撑件 13-弹簧 四、热继电器第三节 继电器双金属片式热继电器原理示意图第40页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三四、热继电器第三节 继电器第41页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三符号四、热继电器第三节 继电器第42页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三使用与选择主要根据电动机的额定电流来确定。热继电器的额定电流接近或大于电动机的额定电流。选择：RTed RT：热继电器热元件的额定电流； ed：电动机的额定电流。四、热继电器第三节 继电器第43页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，

20、星期三从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，到产生相应的输出信号（触点的闭合和断开），有一个符合一定准确度的延时过程的继电器。通电延时型：接受输入信号后，要延迟一段时间，输出信号才能发生变化。当输入信号消失后，输出即时复位。 断电延时型 ：接受输入信号后，立即产生相应的输出信号。当输入信号消失后，要延迟一段时间，输出信号才能复位。五、时间继电器第44页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三时间继电器种类：直流电磁式时间继电器（小于5秒）；空气式阻尼时间继电器（0.4-180s）；半导体式时间继电器（0.2-300秒） ；电动机式时间继电器（延时较长）；机械发条式时间继电器五

21、、时间继电器空气式阻尼时间继电器：1.结构：电磁机构，延时机构，触头等组成2.工作原理：通电延时，断电延时第45页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三五、时间继电器第46页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三五、时间继电器第47页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (a) 线圈一般符号 (b) 通电延时线圈 (c) 断电延时线圈 (d) 通电延时闭合动合（常开）触点 (e) 通电延时断开动断（常闭）触点 （f）断电延时断开动合（常开）触点 （g）断电延时闭合动断（常闭）触

22、点（h）瞬动触点 五、时间继电器符号（KT）第48页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三时间继电器的选择五、时间继电器1.电源电压（线圈电压和触头电压）。2.控制回路所需的延时方式（通电还是断电）3.延时时间范围及延时误差4.延时触头和瞬时触头类型，数量及容量5.时间继电器的类型第49页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三作用：用来检测电动机的转速和转向结构：定子、转子和触头工作原理：与异步电动机类似选择：额定工作转速（300-1000r/min；1000-3000r/min两种，动作转（120r/min），复位转速100r/min）六、速度继电器第50

23、页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三定子-由硅钢片迭成笼型空心圆环套在转子上，装有鼠笼型短路绕组。符号（KS）六、速度继电器转子-圆柱形永久磁铁，与电动机同轴连接。第51页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三六、速度继电器第52页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三压力继电器光电继电器温度继电器七、其它继电器第53页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三作用：短路和严重过载保护组成：熔体和安装熔体的绝缘管（绝缘座）组成原理：当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路起保护作用分类： 第四节 熔断器瓷插式RC螺旋

24、式RL有填料式RT无填料密封式RM快速熔断器RS自恢复熔断器第54页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三瓷插式熔断器第四节 熔断器第55页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三螺旋式熔断器第四节 熔断器第56页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三有填料式熔断器第四节 熔断器第57页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三无填料密封式熔断器第四节 熔断器第58页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三快速熔断器第四节 熔断器第59页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三自恢复熔断器第四节

25、熔断器第60页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三熔断器的主要特性第四节 熔断器安秒特性：熔体熔断时间与通过熔体电流的关系极限分断能力：在一定条件下切断短路电流的极限能力。如果电流继续增加超过极限分段能力，电路断不开了。熔体是铅钨合金，电流过大，熔体汽化，电路还是导通状态。熔断器的选择1、熔断器类型的选择：根据线路的条件要求，使用场合和安装条件2、额定电压的选择：大于或等于线路的工作电压3、额定电流的选择：大于或等于所装熔体的额定电流第61页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第五节 低压开关和低压断路器一、刀开关 作用：隔离电源，不频繁通断电路 分类：

26、 按刀的级数分:单极、双极和三极 按灭弧装置分：带灭弧装置和不带灭弧装置 按刀的转换方向分为：单掷和双掷 按接线方式分为：板前接线和板后接线 按操作方式分为：手柄操作和远距离联杆操作 按有无熔断器分：带熔断器和不带熔断器第62页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、刀开关1.开关板用刀开关（不带熔断器式刀开关） 作用：不频繁地手动接通、断开电路和隔离电源用。 结构图和符号 ： QS第五节 低压开关和低压断路器第63页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第五节 低压开关和低压断路器一、刀开关2.带熔断器式刀开关用作电源开关、隔离开关和应急开关，并作电路保

27、护用。第64页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、刀开关3.负荷开关(1)开启式负荷开关 用途：作不频繁带负荷操作和短路保护用。 结构：由刀开关和熔断器组合成。瓷底板上装有进线 座、静触头、熔丝、出线座及刀片式动触头， 工作部分用胶木盖罩住，以防电弧灼伤人手。 分类：单相双极和三相三极两种第五节 低压开关和低压断路器第65页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第66页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三一、刀开关3.负荷开关(2)封闭式负荷开关（铁壳开关） 作用：手动通断电路及短路保护。符号与胶壳开关一样第五节 低压开关和低压断路

28、器第67页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三刀开关的选择刀开关的选择主要根据电源种类、电压等级、负载额定电流、所需极数及使用场合来选用。刀开关的额定电压应大于所控制的线路额定电压；刀开关的额定电流大于负载额定电流。当用于启动异步电动机时，其额定电流不小于电动机额定电流的三倍。第68页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三二、组合开关（转换开关） 结构：静触头一端固定在胶木盒内，另一端伸 出盒外，与电源或负载相连。动触片套 在绝缘方杆上，绝缘方轴每次作90正 或反方向的转动，带动静触头通。 特点：结构紧凑，安装面积小，操作方便。 用途：组合开关经常作为转换

29、开关使用，但在电气控制线路中也作为隔离开关使用，起不频繁接通和分断电气控制线路的作用。 第五节 低压开关和低压断路器第69页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三（a）外形 （b） 符号 （c) 结构第70页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三组合开关作隔离开关时的图形文字符号 a) 单极 b) 双极 c) 三极组合开关作转换开关时的图形文字符号 图中I与II分别表示组合开关手柄转动的两个操作位置， I位置线上的三个空点右方画了三个黑点，表示当手柄转动到I位置时，L1、L2与L3支路线分别与U、V、W支路线接通；而II位置线上三个空点右方没有相应黑点，表示

30、当手柄转动到II位置时，L1、L2与L3支路线与U、V、W支路线处于断开状态。文字标注符为SA。 第71页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第72页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三组合开关的选择刀开关的选择主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及负载额定电流。当用于启动异步电动机时，其额定电流不小于电动机额定电流的倍。第73页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三三、低压断路器：具有多种保护功能的开关 功能：不频繁通断电路，并能在电路过载、短路及失 压时自动分断电路。 特点：操作安全，分断能力较高。 分类：框架式（万能式）和塑壳式

31、（装置式） 结构：触头系统、灭弧装置、脱扣机构、操作机构。符号：第五节 低压开关和低压断路器第74页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三万能式低压断路器结构图第75页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三塑壳式低压断路器原理图1主触头2自由脱扣器 3过电流脱扣器 4分励脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器 7按钮第76页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三塑壳式低压断路器原理图1主触头2自由脱扣器3过电流脱扣器4分励脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器 7按钮线路短路或严重过载保护第77页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三塑壳式低

32、压断路器原理图1主触头2自由脱扣器3过电流脱扣器4分励脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器 7按钮远距离跳闸，对电路不起保护作用第78页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三塑壳式低压断路器原理图1主触头2自由脱扣器3过电流脱扣器4分励脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器 7按钮线路过载保护第79页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三塑壳式低压断路器原理图1主触头2自由脱扣器 3过电流脱扣器 4分励脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器 7按钮电动机的失压保护第80页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三第81页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星

33、期三四、漏电保护器第五节 低压开关和低压断路器第82页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1、 漏电保护器 是最常用的一种漏电保护电器。当低压电网发生人身触电或设备漏电时，漏电保护器能迅速自动切断电源，从而避免造成事故。 2、漏电保护器结构 电磁式电流型漏电保护器由开关装置、试验回路、电磁式漏电脱扣器和零序电流互感器组成。图1-26 电磁式电流型漏电保护器工作原理图1电源变压器 2主开关 3试验回路4零序电流互感器 5电磁式漏电脱扣器 第83页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3 、漏电保护器工作原理 当电网正常运行时，不论三相负载是否平衡，通过零序电

34、流互感器主电路的三相电流的相量和等于零，因此其二次绕组中无感应电动势，漏电保护器也工作于闭合状态。一旦电网中发生漏电或触电事故，上述三相电流的相量和不再等于零，因为有漏电或触电电流通过人体和大地而返回变压器中性点。于是，互感器二次绕组中便产生感应电压加到漏电脱扣器上。当达到额定漏电动作电流时，漏电脱扣器就动作，推动开关装置的锁扣，使开关打开，分断主电路。 图1-26 电磁式电流型漏电保护器工作原理图1电源变压器 2主开关 3试验回路4零序电流互感器 5电磁式漏电脱扣器 第84页，共94页，2022年，5月20日，19点34分，星期三4、漏电保护器的选用 额定电压（V） 指漏电保护器的使用电压。