电气控制与PLC应用

电气控制与PLC应用

信息与电气工程学院于永进课程任务掌握常用低压电器的结构原理、用途、主要参数、选用方法等掌握电气控制系统的基本控制电路，具有电气控制系统分析和设计的基本能力掌握可编程控制器（PLC）原理及编程方法，具备一定的PLC程序设计和PLC应用能力电气控制技术的发展概况控制方法：手动控制——自动控制操作方式：笨重——轻巧控制功能：简单——复杂控制原理：单一的有触点硬接线继电器控制系统——以微处理器为中心的软件控制系统第一章常用低压电器第一节概述第二节常用低压电器的基本问题第一节概述一、低压电器的定义与分类定义：工作电压交流1200V、直流1500V以下的电气线路中起通断、保护、控制或调节作用的电器称为低压电器。分类：按用途和控制对象分：配电电器和控制电器按操作方式分：手动电器和自动电器按工作原理分：电磁式电器和非电量控制电器。按有无触点分：有触点电器和无触点电器表1常用低压电器的分类二、低压电器的基本用途在输送电能的输电线路和各种用电场合，需要使用不同的电器来控制电路通、短、并对电路的各种参数进行调节。根据外界控制信号或控制要求，通过一个或多个器件组合，自动或手动接通、分断电路，连续或断续地改变电路状态，对电路进行切换、控制、保护、检测和调节。三、低压电器的主要技术指标1.绝缘强度2.耐潮湿性能3.极限允许温升4.操作频率（1h）5.寿命（电和机械）四、低压电器的型号表示法国产常用低压电器的全型号组成形式如下：第二节常用低压电器的基本问题一、触头系统触头是用来接通或断开电路的，其结构形式有很多种。1．按其接触形式分按其接触形式分为点接触、线接触和面接触3种。

图（a）为点接触的桥式触头，图（b）为面接触的桥式触头，图（c）为线接触的指形触头。点接触允许通过的电流较小，面接触和线接触允许通过的电流较大。2．按控制的电路分按控制的电路分为主触头和辅助触头。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，只允许通过较小的电流。3.按原始状态分按原始状态分为常开触头和常闭触头。当线圈不带电时，动、静触头是分开的称为常开触头；当线圈不带电时，动、静触头是闭合的称为常闭触头。二、电弧的产生及灭弧方法1、电弧产生：在自然环境下断开电路时，如果被断开电路的电流（或电压）超过某一数值时（根据触头材料的不同其值约在0.25-1A，12-20V之间），触头在分断的时候在间隙中就会产生电弧。实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象，即当触头间刚出现分断时，触头间的距离极小，电场强度极大，在高热和强电场作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极，这些自由电子在电场运动中时撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子。因此，在触头间隙中产生大量的带电粒子，使气体形成炽热的电子流即电弧。2、电弧产生的原因：强电场放射、撞击电离、热电子发射、高温游离。3、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。4、电弧的分类：电弧分直流电弧和交流电弧，交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。5、电弧的熄灭及熄弧方法：1）电动力吹弧一种桥式结构双断口触头，流过触头两端的电流方向相反，将产生相互排斥的电动力，在断口中产生电弧。这种灭弧方法多用于小功率电器。2）栅片灭弧当触头分断电路时，在触头之间产生电弧，电弧电流产生磁场，由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此，电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集，这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧罩中，当电弧进入灭弧栅后，被分割成数段串联的短弧。这样每两片灭弧栅片可以看做一对电极，而每对电极间有150-250V的绝缘强度，将整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，而每个栅片间的电压不足以达到电弧燃烧电压，同时栅片吸收电弧热量，使电弧迅速冷却而熄灭。3）磁吹灭弧在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，电弧被冷却熄灭。它广泛应用于直流灭弧装置中。4）窄缝灭弧在电弧形成的磁场、电场力的作用下，将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝中，使其分成数段并迅速熄灭，该方式主要用于交流接触器中。二、电磁机构1．组成电磁机构一般由吸引线圈（励磁线圈）和磁路两部分组成。当吸引线圈通过一定的电压或电流时，产生激励磁场及吸力，并通过气隙转换为机械能，从而带动衔铁运动使触头动作，以完成触头的断开和闭合。按通过线圈的电流种类分有交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分有E形和U形两种；按衔铁的运动形式分有拍合式和直动式两大类。图（a）为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，铁心一般由电工软铁制成，适用于直流继电器和接触器。图（b）为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，铁心一般由硅钢片叠成，适用于较大容量交流接触器。图（c）为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯，较多用于中小容量交流接触器和继电器中。电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。电磁铁吸合过程的分析：在吸合过程中若外加电压不变，则F基本不变气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。电磁铁吸合前(气隙大）

大

起动电流大

电磁铁吸合后(气隙小）

小电流小

交流电磁机构和直流电磁机构的铁芯（衔铁）有所不同，直流电磁机构的铁芯为整体结构，以增加磁导率和增强散热，吸引线圈为高而薄的瘦长型；交流电磁机构的铁芯采用硅钢片叠制而成，目的是减少在铁芯中产生的涡流，使铁芯发热，吸引线圈为短而厚的矮胖型。此外交流电磁机构的铁芯有短路环，以防止电流过零时（滞后90°）电磁吸力不足使衔铁振动。当线圈并联于电源工作时，称为电压线圈，它的特点是线圈匝数多，导线线径较细。当线圈串联于电路工作时，称为电流线圈，它的特点是线圈匝数少，导线线径较粗。直流线圈的放电回路——在线圈断电瞬间，由于磁通的急剧变化，会感应出很高的反电动势，容易使线圈击穿损坏，所以在线圈的两端要并联一个由电阻和二极管组成的放电回路。RVD＋－2电磁机构的工作原理1）反力特性2）吸力特性直流电磁铁的励磁电流仅与电阻有关，在吸合过程中，励磁电流不变，其吸力随着气隙的减小而增大，所以吸力特性比较陡峭。在交流电磁铁中，线圈电流不仅与电阻有关，主要的还与线圈感抗有关，在吸和过程中随着磁路气隙的减小，磁阻减小，线圈感抗增大，电流减小，其吸力随着气隙的减小略有增大，所以吸力特性比较平坦。第三节接触器一、交流接触器接触器是用来接通、切断电动机及其他负载电路的一种自动控制电器。结构触头系统：主触头、辅助触头常开触头（动合触头）常闭触头（动断触头）电磁系统：动、静铁芯，吸引线圈和反作用弹簧灭弧系统：灭弧罩及灭弧栅片灭弧1.电磁机构由线圈、铁心和衔铁组成。交流接触器考虑涡流和磁滞损耗。2.主触头和熄弧系统接触器的触头分为主触头和辅助触点两类。根据容量的大小，主触头有桥式触头和指形触头，大容量的主触头采用转动式单断点指形触头。直流接触器和电流20A以上的交流接触器均装有熄弧罩。由于直流电弧比交流电弧难以熄灭，直流接触器常采用磁吹灭弧，交流接触器常采用多纵缝装置灭弧。3.辅助触点有常开和常闭辅助触点，在结构上他们均为桥式双触点。接触器的辅助触点在其控制电路中起联动作用。辅助触点的容量较小，所以不用装灭弧装置，因此它不可以用来分合主电路。交流接触器结构图工作原理线圈加额定电压，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。二、直流接触器用途：远距离通断直流电路或控制直流电动机的频繁起停。结构：电磁机构、触头系统和灭弧装置。工作原理：与交流接触器基本相同。三、接触器的符号线圈KM主触点KM常开辅助触点KMKM常闭辅助触点四、接触器的主要技术指标额定电压

交流接触器：127、220、380、500、660V

直流接触器：110、220、440V、660V

交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

额定电流

吸引线圈额定电压交流接触器：36、110、220、380V

直流接触器：24、48、110、220、440V

五、接触器的使用选择原则

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；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；

额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。第四节继电器用于控制与保护电路中作信号转换用的电器。具有输入电路（感应元件）和输出电路（执行元件），当感应元件中的输入量（如电流、电压、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。继电器用于控制电路，流过触点的电流小，一般不需要灭弧装置.继电器的输入输出特性

x2：继电器吸合值

x1：继电器释放值作用：信号传递、放大、转换、连锁等分类：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、温度（热）、光电式、压电式按输入量分：电流、电压、时间、速度、压力按动作时间分：瞬时、延时继电器当线圈通电后，线圈的激磁电流就产生磁场，从而产生电磁吸力吸引衔铁。一旦电磁力大于反力，衔铁就开始运动，并带动与之相连接的动触点向下移动，使动触点与其上面的动断静触点分开，而与其下面的动合静触点吸合。电磁式继电器机构图1-静触点；2-动触点；3-簧片；4-衔铁；5-极靴；6-空气气隙；7-反力弹簧；8-铁轭；9-线圈；10-铁芯接触器与继电器的异同点电磁式继电器的结构与工作原理与接触器相似，也是由电磁机构和触点系统等部分组成。继电器：用于控制电路、电流小，触点数量较多，没有专门的灭弧装置，可在电量或非电量的作用下动作。接触器：用于主电路、电流大，有灭弧装置，一般只能在电压作用下动作。1．电磁式电压继电器电磁式电压继电器触点的动作与线圈所加电压大小有关，使用时和负载并联。电压继电器又分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。过电压继电器：动作电压整定范围为(105％～115％)UN欠电流继电器：吸合电压调整范围为(30％～50％)UN释放电压调整范围为(10％～35％)UN欠电压继电器KVU

<KVKV过电压继电器>U

KVKVKV2．电磁式电流继电器电磁式电流继电器触点的动作与线圈通过的电流大小有关，使用时电流继电器和负载串联。电流继电器又分欠电流继电器、过电流继电器。

欠电流继电器KAI

<KAKA过电流继电器>I

KAKAKA电流继电器：根据输入（线圈）电流大小而动作的继电器过电流继电器：当电路发生短路及过流时立即将电路切断线圈电流小于整定电流时，继电器不动作线圈电流超过整定电流时，继电器才动作动作电流整定范围：交流为(110％～400％)IN，直流为(70％～350％)IN欠电流继电器：当电路电流过低时立即将电路切断线圈电流大于或等于整定电流时，继电器吸合线圈电流低于整定电流时，继电器释放动作电流整定范围：吸合电流为(30％～65％)IN释放电流为(10％～20％)IN

中间继电器：本质上是一种电压继电器，工作原理与接触器相同。触点系统中没有主、辅触点之分，触点容量相同。中间继电器的作用：当电压或电流继电器触点容量不够时，可借助中间继电器来控制，用中间继电器作为执行元件，这时中间继电器被当作一级放大器用。触点数量较多，能够将一个输入信号变成多个输出信号。当其他继电器或接触器触点数量不够时，可利用中间继电器来切换多条控制电路。时间继电器时间继电器定义：----一种利用电磁原理或机械动作原理实现触点延时或接通的电器。继电器输入信号输入后，经一定的延时，才有输出信号的继电器。符号:KT按延时方式分：通电延时型和断电延时型按构成原理分类：电磁式阻尼式同步电机式电子式(电容充放电原理)速度继电器作用：根据速度的大小通断电路结构：定子、转子和触头原理：与异步电动机类似参数：动作转速>120rpm复位转速<100rpm速度继电器主要用于鼠笼式异步电动机的反接制动控制。转子是一个圆柱形的永久磁铁，定子由硅钢片叠制而成。转子---圆柱形永久磁铁，与电动机同轴连接。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。热继电器具有过载保护特性的过电流继电器。能随过载程度及过载时间而变动动作时间的电器。长期过载、频繁启动、欠电压、断相运行均会引起过电流。作用：电动机或其他设备的长期过载保护和断相保护。热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成，其外形、结构及图形符号如图所示。工作原理：双金属片为温度检测元件，由两种膨胀系数不同的金属片压焊而成，它被加热元件加热后，因两层金属片伸长率不同而弯曲。加热元件串接在电动机定子绕组中，电动机正常运行时，热元件产生的热量不会使触点系统动作；当电动机过载，流过热元件的电流加大，经过一定的时间，热元件产生的热量使双金属片的弯曲程度超过一定值，通过导板推动热继电器的触点动作（常开触点闭合，常闭触点断开）。通常用其常闭触点与接触器线圈电路串联，切断接触器线圈电流，使电动机主电路失电。故障排除后，手动复位热继电器触点可以重新接通控制电路。热继电器接入电动机定子电路方式三相异步电动机在发生一相断电时，另外两相电流增大，会将电机烧毁。如果用热继电器保护的电动机绕组是Y接法，在发生断相时，另两相电流增大，由于相电流和线电流相同，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例相同，因此用普通的两相或三相热继电器就可以起到保护作用；如果电动机绕组是△接法，发生断相时，由于相电流与线电流不同，流过电动机绕组恶的电流和流过热继电器的电流增加比例也不一样的。在电动机绕组内部，电流较大的那一相绕组的故障电流超过额定相电流，有可能使电动机烧毁，而热继电器此时还不能动作。这时就需要带断相保护的热继电器进行断相保护了。热继电器主要参数：热继电器额定电流：热继电器中可以安装的热元件的最大整定电流值。热元件额定电流：热元件的最大整定电流值。热继电器整定电流：热元件能够长期通过而不致引起热继电器动作的最大电流值。通常热继电器的整定电流是按电动机的额定电流整定的。热继电器整定电流调节范围：手动调节整定电流旋钮，通过偏心轮机构，调整双金属片与导板的距离，能够调节的电流整定值的范围。第五节主令电器用来发布命令、改变控制系统工作状态的控制电器。可以直接作用于控制电路，也可以通过电磁式电器的转换对电路实现控制。一、控制按钮：常态：常闭（动断）触点闭合，常开（动合）触点断开。按下：常闭（动断）触点断开，常开（动合）触点闭合1、2－常闭触点3、4－常开触点5－桥式触点6－弹簧7－按钮帽

按钮开关颜色规定：“停止”和“急停”按钮必须是红色。“启动”按钮的颜色是绿色。“点动”按钮必须是黑色。“启动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑白、白色或灰色。“复位”按钮必须是蓝色。复位按钮兼有停止的作用时，则必须是红色。常开按钮SB常闭按钮SB复式按钮SB二、行程开关又称限位开关。它是利用生产机械某些运动部件对它的碰撞来发出开关量控制信号的主令电器，一般用来控制生产机械的运动方向、速度、行程远近或定位。基本结构：三个主要部分：摆杆（操作机构）、触点系统和外壳。SQSQ三、转换开关万能转换开关：由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，借助于不同形状的凸轮使其触点按一定的次序接通和分断，能转换多种和多数量的电气控制线路，用途广泛。四、接近开关定义：又称无触点开关，它是当机械运动部件运动到接近开关一定距离时就发出动作信号的电子电器。接近开关是通过其感辨机构与被测量物体之间的介质能量的变化来取得信号的。作用：行程控制、限位保护、高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存在、零件尺寸、无触头按钮等。使用接近开关时应注意选配合适的有触点继电器作为输出器，同时应注意温度对其定位精度的影响。五、主令控制器定义：用来频繁地按顺序切换多个控制电路的主令电器。它与磁力控制盘配合，可实现对起重机，轧钢机及其他生产机械的远距离控制。原理：转动手柄时，转轴带动凸轮一起转动，转动到一定位置时，凸轮顶动辊子，克服弹簧压力使动触点顺时针方向转动，脱离静触点而分断电路。在转轴上叠装不同形状的凸轮，可以使若干个触点按规定的顺序接通或分断。第六节熔断器定义：当流过其电流值超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器。作用：短路和严重过载保护应用：串接于被保护电路的首端优点：结构简单，维护方便，价格便宜，体小量轻分类：①按发热时间常数(热惯性)分为无热惯性、大热惯性、小热惯性三种，热惯性越小，熔化越快。②按熔体形状分为丝状、片状、笼状(栅状)三种。③按支架结构分为螺旋式、插入式和管式三种。管式又分为有填料与无填料两种，填料采用石英砂等材料以增加灭弧能力。熔断器的工作原理熔断器的熔体与被保护电路串联，当电路正常工作时，熔体在额定电流下不应熔断，所以其最小熔化电流必须大于额定电流。最小熔化电流是指当熔体通过这个电流值的电流时，熔体能够达到其稳定温度，并且熔断。最小熔化电流与熔体的额定电流之比称为熔化系数（1.6左右），它是表征熔断器保护灵敏度的特性指标之一。在熔断过程中可以达到的最高瞬态电流值称为熔断器的截断电流。熔断器的技术参数额定电流：通常把熔断体内能装入的最大熔体的额定电流称为熔断器的额定电流；额定电压：熔断器长期工作时和分断线路时能够承受的电压，称为熔断器的额定电压；熔断器的额定分断能力：在规定使用条件（线路电压、功率因数、时间常数）下，熔断器所能分断的预期短路电流（对交流来说为方均根值）；对于有限流作用的熔断器，其分断能力用预期短路电流和限流系数表示。限流系数是指实际分断电流与预期短路电流最大值（交流指峰值）之比。限流系数越小，限流能力