电气控制与可编程控制器技术(史国生产第三版)第一章电气控制技术

《电气控制与

可编程控制器技术》

南京师范大学电气与自动化工程学院史国生制作第三版第一篇

第

二

篇

可

编

程

控

制

器

技

术电气控制技术第一篇电气控制技术主要内容第一章常用低压电器第二章电气控制线路的基本控制规律第三章电气控制系统分析第四章电气控制系统的设计第一章常用低压电器1.1

电器的功能、分类和工作原理1.2

电气控制中常用电器1.3

主令电器1.4

动力线路中常用电器主要内容1.1电器的功能、分类和工作原理

一、电器的功能

电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力和其它物理量）和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气元件或设备。“通”称为“开”，“断”也称为“关”。“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。二、电器的分类

1．按工作电压等级分（1）高压电器

用于交流电压1200V、直流1500V及以上电路中的电器。（2）低压电器

用于交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V及以下的电路中的电器。

2．按动作原理分（1）手动电器

人手操作发出动作指令的电器，例如刀开关，按钮等。（2）自动电器

产生电磁力而自动完成动作指令的电器,例如接触器、继电器、电磁阀等。

3．按用途分

（1）控制电器

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。

（2）配电电器

用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器等。

（3）主令电器

用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等。（4）保护电器

用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等。

（5）执行电器

用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。

三、电磁式电器的基本原理

低压电器中大部分为电磁式电器，由检测部分（电磁机构）和执行部分（触头系统）两部分组成。

直动式电磁机构

拍合式电磁机构

（一）电磁机构

1．电磁机构的结构形式

电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁组成，按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式。

吸引线圈的作用是将电能转换为磁能，即产生磁通，衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使铁心吸合。通入直流电的线圈称直流线圈，通入交流电的线圈称交流线圈。

直流线圈通电，只有线圈发热。线圈做成无骨架、高而薄的瘦高型。

交流线圈除线圈和铁心也会发热。在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨的矮胖型。铁心用硅钢片叠成，以减少涡流。2．电磁机构的工作原理

电磁铁工作时，作用在衔铁上的力有两个：电磁吸力和反力。 电磁吸力由电磁机构产生，反力由复位弹簧和触头等产生。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。

（1）吸力特性

电磁机构的电磁吸力F与气隙δ的关系曲线称为吸力特性。

交流电磁机构的吸力特性

直流电磁机构的吸力特性

交流：F与气隙δ无关直流：F与气隙δ成反比

（2）反力特性

电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。吸力特性和反力特性

1-直流接触器吸力特性

2-交流接触器吸力特性

3-反力特性

（3）反力特性与吸力特性的配合

为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好。 在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，即吸力特性高于反力特性，但不能过大或过小。3．交流电磁机构上短路环的作用

(a)结构图(b)电磁吸力图

交流电磁机构铁心端面上都安装一个铜制的短路环。作用在衔铁上的合成电磁吸力是F1+F2，只要此合力始终大于其反力。

（二）触头系统

触头（触点）是电磁式电器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。 主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。

触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头（线圈断电后所有触头复原）。(a)桥形触头(b)指形触头(a)点接触(b)线接触(c)面接触第二节电气控制中常用电器

一、低压隔离器1．刀开关

刀开关：由操纵手柄、触刀、触刀插座和绝缘底板等组成。1-静插座2-操纵受柄3-触刀

4-支座5-绝缘底板低压隔离开关结构简图(a)单极(b)双极(c)三极动画显示2．组合开关

组合开关也是一种刀开关，不过它的刀片是转动式的。组合开关结构和图形、文字符号动画显示

二、熔断器

1．熔断器的工作原理和保护特性

熔断器广泛用于供电线路和电气设备的短路保护。熔断器由熔体和安装熔体的熔断管（或座）等部分组成。

2．常用熔断器的种类及技术数据（1）额定电压（2）额定电流（3）极限分断能力熔断器的安-秒特性3．熔断器的选择熔断器的额定电压应大于或等于实际电路工作电压。熔断器额定电流：（1）IfN≥I

用于照明电路IfN为熔体的额定电流，I为电路的工作电流。（2）IfN≥（1.5～2.5）IN

用于单台异步电动机IN为电动机的额定电流。

（3）IfN≥（1.5～2.5）INmax+∑IN

多台异步电动机INmax为容量最大的一台电动机的额定电流。（4）应使上一级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（供电支线）大1～2个级差。

三、控制继电器

继电器是一种根据某种输入信号的变化，使其自身的执行机构动作的自动控制电器。 它具有输入电路（又称感应元件）和输出电路（又称执行元件）。

继电特性

当继电器输入量x由零增至x1以前，输出量y为零。当输入量x增加到x2时，继电器吸合，输出量为y1

；若x再增大，y1值保持不变。当x减小到小于等于x1时，继电器触点释放，输出量由y1降至零。（一）电磁式继电器1．电流继电器电流继电器的线圈串于被测电路中，根据电流的变化而动作。电磁式继电器典型结构动画显示（1）欠电流继电器 线圈中通以30%～65%的额定电流时继电器吸合，当线圈中的电流降至额定电流的10%～20%时继电器释放。（2）过电流继电器 直流过电流继电器的吸合值为70%～300%额定电流，交流过电流继电器的吸合值为110%～400%额定电流。

2．电压继电器

电压继电器反映的是电压信号。电压继电器的线圈并接于被测电路。

当电路电压减小到某一整定值（30%～50%UN）以下时，欠电压继电器释放。当电路电压超过到某一整定值（105%～120%UN）时，过电压继电器吸合。3．中间继电器中间继电器实质上是电压继电器，只是触头数量多（一般有8对），容量也大，起到中间放大（触头数目和电流容量）的作用。4．电磁式继电器的整定

（1）调整释放弹簧的松紧程度

释放弹簧越紧，反作用力越大，则吸合值和释放值都增加，返回系数上升，反之返回系数下降。（2）改变非磁性垫片的厚度

非磁性垫片越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻增大，释放值增大，使返回系数增大。5．电磁式继电器的选择电磁式继电器主要包括电流继电器、电压继电器和中间继电器。6．电磁式继电器的图形符号和文字符号 电流继电器的文字符号为KI，电压继电器的文字符号为KV，中间继电器的文字符号为KA。

(a)线圈(b)常开触头(c)常闭触头（二）时间继电器时间继电器就是利用某种原理实现触头延时动作的自动电器，经常用于时间原则进行控制的场合。通电延时：接受输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化。当输入信号消失后，输出瞬时复原。

断电延时：接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号。当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原。

1.空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的，其结构由电磁系统、延时机构和触头3部分组成。

(a)通电延时型(b)断电延时型动画显示动画显示2．晶体管式时间继电器晶体管式时间继电器也称半导体式时间继电器。改变充电回路的时间常数即可改变延时时间。图1-22JSJ型晶体管式时间继电器＊

3．时间继电器线圈和触点的符号 时间继电器有通电延时和断电延时型两种。其线圈和触点的符号如下:(a)通电延时线圈(b)断电延时线圈(c)常开延时闭合触头(d)常闭延时断开触头(e)常开延时断开触头(f)常闭延时闭合触头(g)

瞬动常开触头(h)瞬动常闭触头（三）热继电器

热继电器就是利用电流的热效应原理，为电动机提供过载保护的保护电器。 热继电器可以根据过载电流的大小自动调整动作时间，具有反时限保护特性，即过载电流大，动作时间短，反之亦然。 热元件应串在电动机的定子电路中。当电动机的定子电流为额定值时，热继电应长期不动作。

1．热继电器的结构及工作原理

热继电器主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。1-热元件2-双金属片3-导板4-触头热继电器工作原理示热继电器.swf意图

图1-25JR16系列热继电器的结构示意图动画显示2．热继电器的型号及选用

我国目前生产的热继电器主要有JR0、JR5、JR10、JR14、JR15、JR16等系列。按热元件的数量分为两相结构和三相结构。三相结构中有三相带断相保护和不带断相保护装置两种。选择热继电器的原则为：根据电动机的额定电流确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。 热继电器的图形符号及文字符号。

（a)热元件(b)常闭触头（四）速度继电器

速度继电器是根据电磁感应原理制成的，是一种利用速度原则对电动机进行控制的自动电器。它主要由转子、定子和触头组成。1-转轴2转子3-定子4-绕组

5-摆锤

6、9-簧片7、8-静触点

动画显示

(a)转子(b)常开触头(c)常闭触头

速度继电器的图形符号及文字符号。

第三节主令电器

主令电器是用来发布命令、改变控制系统工作状态的电器。

一、按钮

按钮是最常用的主令电器，在低压控制电路中用于手动发出控制信号。分为起动按钮、停止按钮和复合按钮等。

1、2-常闭触头3、4-常开触头

5-桥式触头

6-复位弹簧7-按钮帽动画显示(a)常开按钮(b)常闭按钮(c)复合按钮

结构型式代号：K-开启式，S-防水式，J-紧急式，X-旋钮式，H-保护式，F-防腐式，Y-钥匙式，D-带灯按钮。

二、行程开关

行程开关主要用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短。行程开关也称位置开关。

(a)直动式(b)滚轮式(c)微动式动画显示动画显示动画显示行程开关的图形、文字符号。

(a)常开触头(b)常闭触头

行程开关的图形、文字符号

三、凸轮控制器与主令控制器凸轮控制器用于起重设备和其他电力拖动装置，以控制电动机的起动、正反转、调速和制动。结构主要由手柄、定位机构、转轴、凸轮和触头组成。1-静触头2-动触头3-触头弹簧

4-弹簧5-滚子6-方轴7-凸轮KT14系列交流凸轮控制器凸轮控制器的图形、文字符号

（a）画“•”标记表示（b）接通表表示

（a）画“•”标记表示（b）接通表表示

2．主令控制器当电动机容量较大时，工作繁重，操作频繁，调整性能要求较高时，往往采用主令控制器操作。由主令控制器的触头来控制接触器，再由接触器来控制电动机。主令控制器是按照预定程序转换控制电路的主令电器，触头的额定电流较小。

第四节动力线路中常用电器

一、低压断路器低压断路器又称为自动空气开关，它可用来分配电能，不频繁地起动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护。当发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等的组合。1-热脱扣器整定电流2-手动脱扣按钮3-脱扣弹簧4-手动合闸机构5-合闸联杆6-热脱扣器7-锁扣8-电磁脱扣器

9-脱扣联杆10，11-动、静触点12，13-弹簧14-发热元件

15-电磁脱扣弹簧16-调节旋钮（一）低压断路器的结构及工作原理主要由触头、灭弧系统、各种脱扣和操作结构等组成。动画显示（二）低压断路器的类型及其主要参数

低压断路器的主要触点由耐压电弧合金（如银钨合金）制成，采用灭弧栅片加陶瓷罩来灭弧。1．低压断路器的类型（1）万能式低压断路器（2）装置式低压断路器（3）快速断路器（4）限流断路器低压断路器的图形、文字符号2．低压断路器的主要参数

（1）额定电压 （2）额定电流（3）通断能力（4）分断时间（三）低压断路器的选择

（1）低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。（2）低压断路器的极限通断能力应大于或等于电路最大短路电流。（3）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。（4）过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。

二、接触器

接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器。 接触器除能自动切换外，还具有手动开关所缺乏的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。

接触器与继电器的区别：

1．所控制的线路不同

继电器用于控制电讯线路、仪表线路、自控装置等小电流电路及控制电路；接触器用于控制电动机等大功率、大电流电路及主电路。

2．输入信号不同继电器的输入信号可以是各种物理量，如电压、电流、时间、压力、速度等，而接触器的输入量只有电压。（一）交流接触器

交流接触器用于控制电压至380V、电流至600A的50Hz交流电路。 交流接触器一般有3对主触头，2对辅助触头。主触头用于接通或分断主电路，主触头和辅助触头一般采用双断点的桥式触头，电路的接通和分断由两个触头共同完成。

交流接触器工作时，施加的交流电压应大于线圈额定电压值的85%时，接触器才能够可靠地吸合。1-灭弧罩

2-触头压力弹簧片

3-主触头

4-反作用弹簧

5-线圈6-短路环

7-静铁心8-弹簧

9-动铁心

10-辅助常开触头

11-辅助常闭触头

CJ0-20型交流接触器

动画显示动画显示

（二）直流接触器

直流接触器主要用于电压440V、电流600A以下的直流电路。其结构由线圈、铁心、衔铁、触头、灭弧装置等部分组成。 与交流接触器不同的是，其触头大都采用滚动接触的指形触头，辅助触头则采用点接触的桥形触头。直流接触器常采用磁吹式灭弧装置。 铁心由整块钢或铸铁制成，线圈制成长而薄的圆筒形。

2．接触器的型号含义

CJ─