plc第一节常用低压电器课件

电气控制与PLC课程主体内容1、熟悉常用低压电器的原理和用途，能正确使用和选用。2、掌握电气控制线路的基本的环节，具备阅读和分析电气控制原理图的能力，能根据工艺要求设计简单的电气控制线路，较好的掌握电气控制线路的简单设计方法。3、掌握PLC的基本情况，深刻领会PLC工作原理。4、掌握欧姆龙的CPM1A型PLC的基本指令和常用功能指令。熟练掌握梯形图编程方法。5、掌握PLC控制系统的设计方法和设计步骤。第一节常用低压电器概述电器定义：一种能控制电路的设备。为什么交流为1200V，直流为1500V?低压电器：用于交流1200V、直流1500V级以下的电路中起通

断、保护、控制或调节作用的电器产品。

高压电器：用于交流1200V以上、直流1500V以上的电器产品二、接触器

接触器是一种可对交、直流主电路及大容量控制电路作频繁通、断控制的自动电磁式开关，它通过电磁力作用下的吸合和反力弹簧作用下的释放使触头闭合和分断，从而控制电路的通断。接触器适用于额繁操作(高达每小时1500次)，远距离控制强电流电路，并具有低压释放的保护性能、工作可靠、寿命长(机械寿命达2000万次，电寿命达200万次)和体积小等优点。交流接触器结构：主要包括电磁机构包括线圈、铁心和衔铁，反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构和外壳等。交流接触器有三个常开主触点，用于控制主电路通断；四个辅助触点(两个常开，两个常闭)，用于控制电路，起电气联锁作用。主触点控制开关电流较大，须采取灭弧措施，一般都为桥梁形结构，并且设置两个断点。交流接触器工作原理:

吸引线圈通电，电磁系统把电能转化为机械能，产生的电磁力克服释放弹簧与触头弹簧的反力使铁心吸合，带动触头支架使动、静触头接触闭合。

线圈断电或电压显著下降时，电磁吸力消失或过小，弹簧反力使衔铁复位，带动动触头脱离静触头，切断电路。2.电磁机构组成：吸引线圈、铁心、衔铁、空气气隙，其主要分类：1）按磁路形状和衔铁运动方式分：U形拍合式、E形拍合式和E形直动式。1—衔铁2—铁心3—吸引线圈衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：衔铁绕铁轭的棱角转动。这种形式磨损小，铁心用电工软铁制成，用于直流电器和接触器中。衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅钢片叠成，常用于大容量交流接触器中。衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器和继电器中。2）按线圈接入电路方式：

串联电磁机构、并联电磁机构串联（电流）式：电流线圈，导线粗，匝数少，阻抗小。并联（电压）式：电压线圈，导线细，匝数多，阻抗大。

电磁机构吸力F吸∝I、N;

消耗功率P=U*I;

线圈发热Q=I2*R3）按电源方式分：直流电磁机构、交流电磁机构直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。交流线圈：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈散热。频繁动作的负载，因操作线圈温升，选用直流电磁机构3.触点系统触头是执行机构，接通和分断电路，必须具有良好的接触性能，故应考虑其材质和结构设计。电流容量较小的电器，如机床电气控制线路中的接触器、继电器等，触头常用银质材料，优点是银的氧化膜电阻率与纯银相近，与其他材质（铜）相比，避免因长时间工作，触头表面氧化膜电阻率增加而造成触头接触电阻增大。图

触头系统的结构(a)点接触式；(b)面接触式；(c)指式4.灭弧系统（1）电弧产生条件：当被分断电路的电流超过0.25～1A，分断后加在触头间隙两端的电压超过12～20V（根据触头材质的不同取值）时，在触头间隙中会产生电弧。（2）电弧的实质：电弧是一种气体放电现象，即触头间，气体在强电场作用下，产生自由电子，正、负离子呈游离状态，使气体由绝缘状态转变为导电状态（空气电离作用、高温、燃烧，一种带电质点的急流），其特征是外部有白炽弧光，内部温度很高和电流密度很大。(3)电弧的危害：

①延长了切断故障的时间；②高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏；③形成飞弧造成电源短路事故。(4)灭弧原理：

①迅速拉长电弧；②冷却和去游离法(5)灭弧措施：

吹弧、拉弧、长弧割短弧、多断口灭弧、利用介质灭弧、改善触头（点接触、线接触、面接触）表面材料。①机械性拉弧（简单灭弧）在大气中分开触头时，借机械力或电弧电流本身产生的电动力拉长电弧，使之在运动中不断与新鲜空气接触为其冷却，使单位长度内维持电弧燃烧的电场强度不够而熄弧低压电器中的刀开关和直动式交流接触器均为简单灭弧。桥式双断开触点机械性拉弧磁吹线圈

铁心磁吹线圈磁场动触头电动力F当电弧需要较大的电动力吹入灭弧室时，就要采用专门的磁吹装置②磁吹灭弧装置依靠磁场的作用，将电弧驱入耐弧材料（如陶土、石英、三聚氰胺和MP-1塑料）制成的窄缝中，以加快电弧的冷却。这种灭弧装置多用于交流接触器。

③弧罩与纵缝灭弧装置栅片灭弧装置有绝缘栅片与金属栅片两种：绝缘栅片灭弧装置：利用电弧自身磁场产生的电动力拉长电弧，使电弧在与绝缘栅片紧密接触的中迅速冷却；金属栅片灭弧装置：是将电弧分割为多段短弧、利用增大近极区电压降（特别是交流时的近阴极效应）来加强灭弧效果。栅片灭弧装置适用于高低压直流和交流开关电器，以低压交流开关电器用得较多。④栅片灭弧装置图

栅片灭弧示意图4.分磁环

交流电磁铁，电压有过零，磁通也过零，这时吸力为零，产生振动。分磁环（在铁心的端面开一小槽，在槽内嵌入铜制分磁环），产生涡流后阻止磁通变化，产生与的相位差，使总吸力总是不过零，消除振动和噪音，保证电磁机构可靠的工作。1-衔铁2-铁心3-线圈4-短路环图1-3交流电磁铁的短路环额定电压交流接触器：220、380、660V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额定电流激磁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

5、接触器的主要技术指标额定操作频率交流接触器：600次/h直流接触器：1200次/h6、接触器的选择

1）根据负载性质选择接触器的类型,接触器类别应与负载性质一致；2）额定电压应大于或等于主电路工作电压(但当电器不多时,为节省变压器,其电压应与控制回路电压一致，可选380V、220V)；3）额定电流应大于或等于被控电路的额定电流；4）吸引线圈的额定电压和频率要与所在控制电路的选用电压和频率相一致。7.接触器的文字符号为KM图形符号为：(同一接触器相同代号)动合(常开)

辅助触点动断(常闭)辅助触点主触点线圈4.接触器的型号：

【例1】CA6140A车床的主电动机的功率为7.5kW，控制电路电压为交流24V，选用其控制用接触器。【解】电路中的电流电动机不频繁启动，而且无反转和反接制动，所以接触器的使用类别为AC-3，选用的接触器额定工作电流应大于或等于15.2A。

又因为使用的是三相交流电动机，所以选用交流接触器。选择CJX1-16交流接触器，其额定工作电压为380V；线圈额定工作电压和控制电路一致，为24V；接触器额定工作电流为16A，大于15.2A，辅助触头为两个常开、两个常闭。这里若有反接制动，则应该选用大一个级别的接触器，即CJX1-32/22。

（1）继电器是一种根据电气（I,U等）或非电气量（热、时间、转速、压力等）的变化，接通或断开逻辑控制电路，以完成控制或保护任务的电器。

（2）继电器的结构和工作原理与接触器相似，也是由电磁机构和触点系统组成的，但继电器没有主触点，其触点不能用来接通和分断负载电路，而均接于控制电路，且电流一般小于5A，故不必设灭弧装置。

三、继电器（3）用吸力特性和反力特性描述电磁机构的工作特性。吸力特性：电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸引衔铁的电磁吸力与气隙的关系曲线。反力特性：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线。

①直流电磁机构的吸力特性电磁铁未吸合时，磁路中有空气隙δ磁路中的磁阻较大，磁通较小，电磁吸力Fat也较小；电磁铁吸合后，气隙δ减小磁路中的磁阻也减小，磁通增大电磁吸力也增大。直流电磁铁吸合过程中，电磁吸力是逐渐增加，完全吸合时电磁吸力最大，适用于对于要求可靠性高或频繁动作的控制系统。②交流电磁铁的吸力特性F0=f(δ)i=f(δ)交流电磁铁吸合前后Φm的值是不变的，故电磁力F0也不变。考虑到漏磁的影响，其吸力随气隙的减小略有增加。

结论交流励磁电流I将随气隙长度δ成正比，增大交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚未动作时，电流比额定工作电流大得多。若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流线圈将可能因过电流而烧毁。在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用交流电磁机构。③反力特性电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧的弹力、触点弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦力统称为电磁机构的反力。电磁机构使衔铁释放的力主要是利用弹簧反力。

④剩磁的吸力特性当电磁机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁，使其仍有一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙δ的增大而减小。剩磁吸力特性⑤吸力和反力的配合电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力必须大于反力，但不宜过大，否则会影响电器的机械寿命。在释放衔铁时，其反力必须大于剩磁吸力才能保证衔铁可靠释放。要求电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力特性之间。某电压继电器，释放值为22V，动作值为55V，额定工作电压为110V，被控电路工作电流为3A，请画出其常闭触点工作特性图，并计算其安全系数和返回系数。

⑥继电器主要特性是输入—输出特性，其继电特性曲线为：Xi-释放值Xr-动作值Xw-工作值Y0-输出安全系数=Xw/Xi>1返回系数=Xi/Xr<1继电器的另一重要参数是吸合时间和释放时间。

一般继电器的动作时间为0.05

-

0.2s；

动作时间小于0.05s

的为快速继电器；

动作时间大于0.2s的为延时继电器。

动作时间大小影响着继电器的操作频率。继电器的返回系数实际上反映了继电器吸力特性和反力特性配合的紧密程度，是电压和电流继电器的重要参数。（4)常用的继电器①电磁式继电器

电磁式继电器按吸引线圈电流的种类，分为直流和交流两种。按输入信号性质，分为电压继电器和电流继电器。问：当弹簧3调紧时继电器的返回系数如何变化？答案：变大。返回系数=Xi/Xr<1

【例】想用一个小型继电器控制一个交流接触器CJX1-32（额定电压为380V，额定电流为32A），采用HH52P（HH5表示型号，2表示两组触头，P表示拔插型）小型继电器是否可行？

【解】选用的HH52P小型继电器的触头的额定电压为220V，额定电流为5A，容量足够，此小型继电器有2对常开触头和2对常闭触头，而控制接触器只需要一对，触头数量足够。

此外，这类继电器目前很常用，因此可行。小型继电器在此起信号放大的作用，在PLC控制系统中这种用法比较常见。

【例】指出图2-21中小型继电器的接线图的含义。

【解】小型继电器的接线端子一般较多，用肉眼和万用表往往很难判断。通常，小型继电器的外壳上印有接线图。图中的13号和14号端子是由线圈引出的其中13号端子应该和电源的负极相连，而14号端子应该和电源的正极相连；1号端子和9号端子是由一对常闭触头引出的；5号端子和9号端子是由一对常开触头引出的。

2、时间继电器

(1)当感受部分接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电器。

(2)按延时方式分：通电延时型、断电延时型和带瞬动触头的通电（或断电）延时型继电器等。

(3)按工作原理：电磁式、空气阻尼式、模拟电子式和数字电子式等，数字电子式以延时精度高、调节范围宽等优点成为主导产品。图JS7-A系列时间继电器工作原理(a)通电延时型；(b)断电延时型(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)图时间继电器的图形符号(a)线圈一般符号；(b)通电延时线圈；(c)断电延时线圈；(d)延时闭合常开触点；(e)延时断开常闭触点；(f)延时断开常开触点；(g)延时闭合常闭触点；(h)瞬时常开触点；(i)瞬时常闭触点(4)时间继电器的4种触点状态延时动作通电时动作断电时动作延时特性常开断开时延时立即闭合延时断开断电延时常开闭合时延时延时闭合立即断开通电延时常闭闭合时延时立即断开延时闭合断电延时常闭断开时延时延时断开立即闭合通电延时图形符号3、热继电器

(1)热继电器，用于电动机过载保护、断相及电流不平衡运行的保护及其他电气设备发热状态的控制。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①双金属片式②热敏电阻式③易熔合金式(2)按极数分：单极、两极、三极按发热元件的材质分：(3)双金属片的受热方式

①热继电器中产生热效应的发热元件，应串接于电动机电路中，这样，热继电器便能直接反映电动机的过载电流。

②热继电器的感测元件，一般采用双金属片。图双金属片工作原理（a）受热前；（b）受热后图双金属片的受热方式（a）直接受热式（b）复合受热式(c)间接受热式（d）电流互感器受热式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-复位按钮

11-偏心轮

12-支撑件

13-弹簧

图双金属片式热继电器原理示意图注意:使热继电器动作的热量一定是负载电流产生的。（4）热继电器的电器符号图热继电器的图形及文字符号(a)热元件；(b)常闭触点目前我国生产并广泛使用的热继电器主要有JR16、JR20系列；引进产品有施耐德公司的LR2D系列，具有过载与缺相保护、测试按钮、停止按钮，还具有脱扣状态显示功能，在湿热的环境中使用的强适应性。FR(b)(a)FR图

热继电器在电动机定子电路中的接线方式三相交流电动机的过载保护大多数采用三相式热继电器。（5）热继电器接入方式由于热继电器有带断相保护和不带断相保护两种，根据电动机绕组的接法，这两种类型的热继电器接入电动机定子电路的方式也不尽相同。（6）热继电器的选择1、原则上热继电器的额定电流等于电动机的额定电流。对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器的额定电流可适当小些，通常选取热继电器的额定电流为电动机额定电流的60%-80%。2、在不频繁启动场合，要保证热继电器在电动机启动过程中不产生误动作。一般当电动机启动电流为额定电流的6倍，启动时间不超过6秒且很少连续启动时，可按电动机的额定电流选取热继电器。3、星形接法的电动机及电源对称性较好的情况可选用两相或三相结构的热继电器；三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器4、当电动机为重复短时工作制，要注意热继电器的允许操作频率。5、下列情况，选择热继电器的整定电流要高于电动机额定电流：

1）电动机负载惯性转矩非常大，启动时间长；

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，如冲床等设备。6、热继电器在电路中可以起短路保护吗?为什么?答:不可以。因为热继电器是利用电流的热效应原理和发热元件的热膨胀原理设计的，由于发热元件的热惯性，所以热继电器在电路中只能起过载保护，不能起短路保护。

【例】有一个型号为JR36-20的热继电器，共有5对接线端子：1/L1和2/T1，3/L2和4/T2，5/L3和6/T3，这3对接线端子比较粗大；95和96，97和98，这两对接线端子比较细小，有如图所示的接线图，应该如何接线？

【解】1/L1和2/T1，3/L2和4/T2，5/L3和6/T3接线端子都比较粗大，说明用在主回路中，其中，1/L1、3/L2、5/L3是输入端，2/T1、4/T2、6/T3是输出端。95和96，97和98，这两对比较细小，说明是辅助触头，用在控制回路中，97和98是常开触头的接线端子，95和96是常闭触头的接线端子。注意：继电器接触器控制系统多用常闭触头，而PLC控制的系统多用常开触头。

【例】CA6140A车床的主电动机的额定电压为380V，额定功率为7.5kW，请选用合适的热过载继电器。【解】电路中的额定电流为可选3UA（JRS2）12.5/Z12.5-20A热继电器，再将热继电器的热元件的整定电流数值整定到15.4A即可。

4、速度继电器当转速>120r/min时动作；当转速<100r/min时释放。

速度继电器既可反映转速也可反映转向！图速度继电器的图形及文字符号(a)转子；(b)常开触点；(c)常闭触点四、熔断器

通过它的电流超过规定值达一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化，分断电路。

熔断器种类多，主要有插入式熔断器、有/无填料封闭管式熔断器及快速熔断器等等。选择熔断器，主要是种类、额定电压、熔断器额定电流等级和熔体的额定电流。

熔断器的选用：选择熔断器主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压。熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。 ①用于保护照明或电热设备的熔断器。因为负载电流比较稳定，所以熔体的额定电流应等于或稍大于负载的额定电流，即Ire≥Ie，Ire为熔体的额定电流；Ie为负载的额定电流。

②用于保护单台长期工作电动机（即供电支线）的熔断器，考虑电动机启动时不应熔断，即Ire≥(1.5～2.5)Ie，式中，Ire为熔体的额定电流，Ie为电动机的额定电流。轻载启动或启动时间比较短时，系数可以取1.5，当带重载启动时间比较长时，系数可以取2.5。③用于保护频繁启动电动机（即供电支线）的熔断器，考虑频繁启动时发热，熔断器也不应熔断，即Ire≥(3～3.5)Ie。式中，Ire为熔体的额定电流，Ie为电动机的额定电流。

④用于保护多台电动机（即供电干线）的熔断器，在出现尖峰电流时也不应熔断。通常，将其中功率最大的一台电动机启动，而其余电动机运行时出现的电流作为其尖峰电流，为此，熔体的额定电流应满足Ire≥(1.5～2.5)Iemax+∑Ie。式中，Ire为熔体的额定电流，Iemax为多台电动机中功率最大的一台电动机额定电流，∑Ie为其余电动机额定电流之和。⑤为防止发生越级熔断，上、下级（即供电干、支线）熔断器间应有良好的协调配合，为此，应使上一级（供电干线）熔断器的熔断额定电流比下一级（供电支线）大1～2个级差。

【例2-15】CA6140A车床的快速电动机的功率为275W，请选用合适的熔断器。【解】在电路中的额定电流为

因为电动机经常启动，而且无反转和反接制动，熔体额定电流为，取熔体的额定电流为4A。

又因为熔断器的额定电流必须大于或等于熔体的额定电流，可选取熔断器的额定电流为16A，确定熔断器的型号为RT23-16/4。五、断路器（自动开关或空气开关）

自动空气断路器可实现短路、过载和失压保护，能自动分断故障电路，是常用的多性能低压保护电器。

在功能上，它相当于刀闸开关、熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电压继电器等的组合。

低压断路器主要由三部分组成：触头和灭弧系统，各种脱扣器(包括电磁脱扣器、欠压脱扣器、热脱扣器)，操作机构和自由脱扣机构（包括锁链和搭钩）。低压断路器的按钮和触头接线柱分别引出壳外，其余各组成部分均在壳内。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．按钮主触头自由脱扣器过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器失压脱扣器按钮QF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．按钮主触头自由脱扣器过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器失压脱扣器按钮线路短路或严重过载保护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．按钮主触头自由脱扣器过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器失压脱扣器按钮线路过载保护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．按钮主触头自由脱扣器过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器失压脱扣器按钮电动机的失压保护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．按钮主触头自由脱扣器过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器失压脱扣器按钮断路器在合闸位置,按下按钮7可以远距离分断电路；远距离跳闸，对电路不起保护作用

【例】某质量检验局在监控本地区的低压塑壳式断路器的质量时发现：单极家用断路器的重量在60g以下的产品全部为不合格品。请从低压塑壳式断路器的结构和原理入手分析产生该现象原因。【解】家用断路器由触头系统和灭弧装置以及各种脱扣器与操作机构组成，而灭弧装置和脱扣器的重量较大，而且为核心部件，所以偷工减料是造成产品不合格的直接原因。(1)控制按钮

①控制按钮：人力操作，有贮能复位弹簧的主令电器。图按钮的结构示意图1、2是常闭触点；3、4是常开触点5是复位弹簧；6是按钮帽2.主令器件

用于自动控制系统中发送和转换控制命令的电器，例如按钮、行程开关、万能转换开关等。②按钮的类型：按结构分:紧急式按钮、钥匙式按钮（选择开关）、旋转式按钮（选择开关）、保护式按钮等按用途分：防爆式、指示灯式、保护式、防腐式、防水式③按钮的选择

a、根据使用场合选择按钮的类型；

b、按钮的额定电压和额定电