机电控制技术第三章继电器接触器控制系统设计

主讲人：刘利

上海交通大学机械与动力学院lili630@021-342062942013.9.2交通大学网络控制课程系列考试课、专业基础课、必修课引言继电器接触器控制系统是应用最早的控制系统，它由各种有触点的接触器、继电器、控制器、行程开关等低压电器组成的控制系统。此系统具有结构简单、容易掌握、维护检修简便、价格低廉等特点，多年来在工业生产中得到广泛应用。为此本章结合实际自动化项目和工程，详细介绍继电器接触器控制系统的工作原理、组成及设计方法。本章主要介绍内容

2.1常用低压电器2.2电气原理图的画法规则2.3基本控制电路2.4三相异步电机控制系统设计2.5电气控制系统设计方法2.1常用低压电器(见教材P71～86）低压电器定义电器定义根据外界特定的信号和要求，自动或手动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象控制的电气设备称为电器。低压电器直流1500V以下的电器；交流1200V以下的电器。低压电器种类发展方向小体积、高可靠性、使用方便、功能可组合性方向发展。

低压电器分类

低压电器按其在系统的作用，一般分为两类：低压配电电器、低压控制电器。 低压配电电器:

用于输配电系统，典型产品有：刀开关、自动开关、熔断器等；低压控制电器:

用于电力拖动控制系统，典型产品有：继电器、接触器、主令电器（按钮、限位开关）等。Part1开关电器

断路器(又称空气开关、自动开关）

作用：

不频繁地接通或断开负载电路

具有过载、短路、失压保护功能分类：按其用途自动开关可分为：保护线路、保护电动机、保护照明电路；按其所含有的脱扣器自动开关可分为：失压脱扣器、过载脱扣器、过电流脱扣器等；按主电路极数自动开关可分为：单极、双极、三极。结构及工作原理结构：不论那种自动开关，从结构看都是有三部分组成：主触点及灭弧系统（执行部分）——接通/分断主电路；各种脱扣器（感测元件）——接收电路的故障信号；操作机构（机械传递部件）——由脱扣器接收信号后由它实现自动/手动跳闸的任务。断路器结构图（过电流脱扣器的自动开关原理结构图）锁钩主触点过流脱扣器连杆装置释放弹簧选型：断路器既能接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，因此选择自动开关时，其额定电压和额定电流应不小于电路正常工作的电压和电流，脱扣器的整定电流与所控的电动机或负载额定电流一致。断路器文字与图形符号断路器外形图手动电动机起动器刀开关及组合开关作用：接通或断开长期工作设备的电源作用：主要用于电源引入，所以也称为电源隔离开关选型：主要根据电源种类、电压等级、所需触点数和电动机容量转换开关Part2控制电器

继电器

作用：根据某种输入信号的变化，接通/断开控制电路，实现控制目的。分类：按输入信号的性质可分为：电压继电器（过、欠）、电流继电器（过、欠）、时间继电器、温度继电器、速度继电器及压力继电器等；按工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等。

结构及工作原理（以电磁式电流继电器为例）

组成：铁芯、线圈、动/静触点等组成。分类：按线圈接收的是直流还是交流，继电器可分为交流继电器或直流继电器；

选型 电流继电器主要根据主电路的电流种类和额定电流来选择

分类过流（压）：过流后（额定电流的110％以上）时，触点动作。欠流（压）：欠流后（额定电流的10％以下）时，触点复位。

欠电流继电器I<KI中间继电器

特点：中间继电器（KA）实质上是电压继电器的一种，但它的触点数多，触点的容量大（额定电流5—10A）。作用：信号传递、放大、分路、反相。图形、文字符号及外观图：时间继电器定义：线圈通电或断电后其触点经过一定延时再动作的继电器

种类：断电延时时间继电器、通电延时时间继电器。

另按其工作原理不同，时间继电器又可分为：电磁阻尼式、空气阻尼式、晶体管式时间继电器。（见教材P80）选型:考虑延时方式、电源、价格、温度。操作频率五方面，具体见教材P136图形、文字符号及外观图触点表示含义具体见教材P103空气阻尼式时间继电器结构与工作原理

机床交流控制系统常用的一种时间继电器

热继电器

作用：利用热效应原理，对电机或电气设备过载起保护作用。长期过载、频繁启动、欠电压、断相运行均会引起过电流。速度继电器

一般速度继电器的动作转速为120r/min，触头的复位转速在100r/min以下

速度继电器的图形及文字符号

a)转子

b)常开触点

c)常闭触点接触器作用：接触器是一种用来频繁地接通或断开有负载的主电路的自动控制器。与继电器的区别：

主、辅触点之分按主触点通过的电流是直流还是交流，接触器分为直流/交流接触器。主触点容量大。图形及文字符号：接触器外形图（施耐德产品）交流接触器结构图交流接触器可逆接触器发出命令改变控制系统工作状态的电器。常用的主令电器有：按钮、行程开关等。Part3主令电器

有触点可靠性较差,寿命短,操作频率低接近开关高频振荡器整形电路二进制的开关信号金属体振荡器振荡后,在开关的感应面上产生交变磁场,当金属物体接近,金属体产生涡流,吸收振荡器能量,以致振荡器停振,由整形放大器转换成二进制的开关信号.2.2电气原理图的画法规则（见教材P99~105)Part1

电气控制系统图定义：电气控制系统是由许多电气元件按一定要求连接而成的。电气控制系统中各电气元件及其连接，可用一定的图形表达出来，这种图称为电气控制系统图。Part2

电气控制系统图主要包括的种类：电气原理图电器元件布置图电气安装接线图(1)电气原理图

定义：采用电气元件的图形和文字符号，以展开的形式绘制成的表示电气控制线路工作原理的图形。

作用：便于阅读和分析控制系统。

注：电气原理图并不反映电器元件的实际大小和安装位置

(2)电器元件布置图

定义：表明电器设备在机械设备上和电器控制柜中的实际安装位置的图

作用：便于制造、加工、安装。

(3)电气安装接线图

定义：表明各电器之间的实际连接的图

作用：便于配线检修。

CW6132型车床电气原理图Part3绘制电气原理图的基本规则1、原理图一般分为主电路（由电动机、接触器主触点等电器元件组成。（电流大））和控制或辅助电路（由接触器线圈、继电器等电器元件组成。（电流小））两部分。主电路用粗实线表示，画在左边（或上部）；辅助电路用细实线表示，画在右边（或下部）；2、原理图中，各电器元件采用国家规定的图形符号来画，属于同一电器的线圈和触点，都用同一文字符号表示。当使用相同类型电器时，可在文字符号后加数字序号来区分。3、同一电器元件的各个部件可不画在一起，根据便于阅读和分析的原则来画。4、原理图中所有电器的触点，都按没有通电或外力作用时的开闭状态画出。5、原理图中，有直接电联系的交叉导线的连接点，用黑圆点表示。6、原理图中，各电器元件一般应按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平或垂直布置。7、在原理图上方将图分为若干图区，并表明该区电路的作用。在原理图下方用数字编号图区。Part3绘制电气原理图的基本规则(续）在接触器触点的位置索引中，左栏为主触点所在图区号，中栏为辅助常开触点所在图区号，右栏为辅助常闭触点所在图区号。

主辅助辅助

触常开常闭

点触点触点

在继电器触点的位置索引中，左栏为常开触点所在图区号，右栏为常闭触点所在图区号。

常

常

开

闭

Part3绘制电气原理图的基本规则(续）2.3基本控制电路（见教材P105~109)1、启动、自锁与停止控制电路生产设备在使用时，一般都必须有启动与停止按钮，用于控制设备的启动与停止。2、长动与点动控制生产设备在正常情况下是连续工作，即所谓长动；而点动是指按下按钮时，设备工作，手松开按钮时，设备立即停止工作。3、互锁控制是指多组控制电路相互禁止，即一个动作禁止其他动作。4、多点控制多点控制电路设置多套起、停按钮，分别安装在设备的多个操作位置。

5、顺序控制用于实现机械设备依次动作的控制要求。Part1自动启/停控制依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象

----自锁为什么加自锁？为什么用点动开关？启动、停止优先级？起停控制电路的保护分析过载保护：热继电器FR用于电动机过载时，其在控制电路的常闭触点打开，接触器KM线圈断电，使电动机M停止工作。排除过载故障后，手动使其复位，控制电路可以重新工作。短路保护：熔断器组FU1用于主电路的短路保护，FU2用于控制电路的短路保护。欠压、零压保护：当电源电压严重下降或电路失电，接触器各触点复位断开电动机的电源，一旦电源恢复，不操作起动按钮，KM线圈不会再次自行通电，电动机不会自行起动，从而避免事故发生。即自锁电路具有欠压和失压保护。a)按钮操作：SB3常闭触点用来切段自锁电路实现点动。b)转换开关控制：SA合上，有自锁电路，SB2为长动操作按钮；SA断开，无自锁电路，SB2为点动操作按钮。c)中间继电器KA控制：按动SB2、KA通电自锁，KM线圈通电，此状态为长动；按动SB3、KM线圈通电，但无自锁电路，为点动操作。Part2

长动与点动控制SB1SB5SB6SB7SB4SB3SB2KMKM

结论:由N个电器都能控制甲接触器通电,则N个电器的常开触点应并联接到甲接触器的线圈电路上,即逻辑”或”关系;由N个电器都能控制甲接触器断电,则N个电器的常闭触点应串联接到甲接触器的线圈电路上,即”与非”关系;Part3

多点控制Part4

正反转控制电路之一(无互锁)控制要求：正、反转；如何实现？缺点?Part4

正反转控制电路之二(互锁一)主电路：KM1主触点接通正相序电源—M正转。KM2主触点接通反相序电源—M反转。控制电路：SB1控制正转，SB2控制反转，SB3用于停止控制。KM的常闭触点用于互锁控制，即使在接触器故障情况下，也可以保证不发生主电路短路现象。正－停－反Part4

正反转控制电路之三(互锁二)

按钮联锁功能使用和常开触点联动的常闭触点的断开对方支路线圈电流，再利用常开触点的闭合接通通电线圈电流。正－反－停Part4

正反转控制电路之四(工作台自动循环控制)在工作台的移动机构和固定部件上分别装置的行程开关，当移行机构运动到某一固定位置时，压动行程开关，取代人手接动按钮的功能，实现自动循环控制。SQ1用于正转控制，SQ2用于反转控制；SQ3、SQ4的常闭触点用于极限位置的保护。正转KM2SQ1SB1SB3SB2SQ1KM1SQ2SQ1KM2KM1KM2SQ2KM1SQ2位置1位置2位置1位置2反转a）KM1的辅助常开触点起自锁和顺控的双重作用。b）单独用一个KM1的辅助常开触点作顺序控制触点。c）M1—>M2的顺序起动、M2－>M1的顺序停止控制。

Part5

顺序控制结论基本电路的结构特点：1.自锁：接触器常开触点与启动按钮常开触点相并联。2.互锁：两个接触器的常闭触点串联在对方线圈的电路中。3.点动：无自锁环节。4.多地：按钮的常开触点并联、常闭触点串联。5.顺序：若启动顺序为:先甲后乙,则在乙线圈电路中串联甲的常开触点;若停止顺序为:先乙后甲,则在甲停止按钮并联乙的常开触点;2.4三相异步电机控制电路设计降压启动控制电路降压三方法：定子绕组串接电阻定子绕组串接自耦变压器星形－三角形制动控制电路制动二类：电磁机械制动电气制动速度控制电路

异步电机星-三角形启动

Y接法三角形接法为什么采用时间继电器？KM2

星-三角形启动器（施耐德产品）

异步电机制动控制之一

电磁机械制动1、电磁机械制动原理：电磁抱闸的电磁线圈YB通电时，电磁力克服弹簧的作用，闸瓦松开，电动机可以运转。运用场合:吊车,转扬机等升降机械

异步电机制动控制之二

能耗制动原理（时间控制原则）

制动时，在切除交流电源的同时，给三相定子绕组通入直流电流产生静止磁场,利用转子感应电流形成一个与原旋转方向相反的制动电磁转矩。制动过程：按动停车按钮SB1→KM1线圈断电复位→KM2线圈通电自锁→电动机M定子绕组切除交流电源，通入直流电源能耗制动

异步电机制动控制之三

反接制动（速度控制原则）工作原理：反相序电源制动，转速接近零时转速n接近零时，速度继电器KS常开触点打开，切除反相序电源。

2.5电气控制线路的设计法(见教材P124~130)Part1

逻辑设计法(利用逻辑代数这一工具进行电路设计)基本思路首先将控制系统的输入、输出电器元件的状态用状态变量(0,1)进行表示。然后根据控制要求列出状态变量的逻辑表达式。利用逻辑代数运算规则简化逻辑表达式。最后根据逻辑简化的逻辑表达式绘制控制线路。设计电气控制线路原理图方法:分析设计法和逻辑设计法预备知识（一）状态变量的假定输入量：触点A=1，表示触点动作（常开触点闭合、常闭触点断开）;触点A=0，表示触点复位（常开触点断开、常闭触点闭合）。输出量：线圈K=1，表示线圈上电。线圈K=0，表示线圈失电。(二)基本逻辑表达式与控制电路“与”电路1）电路图ABKABK0011010100012）真值表ABK1113）状态表

4）逻辑表达式

K=A·B注：只把K=1的状态列出“或”电路1）电路图ABK0011010101112）真值表ABK0111011113）状态表

4）逻辑表达式

K=A＋BAKB“非”电路1）电路图AK01102）真值表3）状态表

4）逻辑表达式

K=AAKAK01时序电路1）电路图SB1SB2KA001*1*01*01*01002）真值表SB1SB2KA初态运行停止3）状态表KAKASB2SB1

4）逻辑表达式

KA=（SB2＋KA）·SB1

注：1*表示短信号;1表示长信号。起动激励信号停止激励信号1、交换率A·B=B·A2、结合率A·（B·C）=（A·B）·CA+（B+C）=（A+B）+C3、分配率A·（B+C）=A·B+A·CA+（B·C）=（A+B）·（B+C）4、重迭率A·A=A，A+A=A（三）逻辑代数定理5、吸收率A+A·B=A，A·(A+B)=AA+A·B=A+B，A+A·B=A+B6、非非率A=A7、反演率A+B=A·B，A·B=A+B组合逻辑电路设计组合逻辑电路：执行元件的输出状态只与同一时刻控制元件的状态有关。即输出对输入无影响。电路设计方法：确定状态变量列出状态表——满足控制要求写出执行元件的逻辑表达式简化逻辑表达式绘制控制线路设计举例3.4-1

某电机只有在继电器KA1，KA2，KA3中任何一个或两个动作时，才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制线路。解：1、确定状态变量输入：KA1、KA2、KA3；输出：KMKA1KA2KA3KM0001110110011010101111112.状态表2、状态表3、逻辑表达式KM=KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+=KA1·（KA2+KA3）+KA1·（KA2+KA3）KA1KA2KA3KM000111011001101010111111KA1KA1KA2KA3KA2KA3KM4、绘制控制线路Part2分析设计法

分析设计法是一种经验设计法，设计者需要掌握大量的成熟可靠的电路才能设计出较为合理的控制线路一、简单系统1、根据设计要求选择一个与控制要求相似的基准电路，该基准电路应该是成熟可靠的。2、对所选基准电路做必要的修改、补充以满足控制要求。二、复杂系统设计1、分解系统，选择单元电路2、补充各单元之间的联锁电路3、复核、简化电路设计举例

皮带运输机的电气控制线路设计KT4停止1#2#3#KT2启动KT1启动KT3停止工艺要求停止时顺序为：1#--2#--3#，并具有一定时间间隔，以保证停机后不残余货物；不论2#或3#机出现故障，1#机必须停机，以免继续进料，造成货物堆积；启动时顺序为：3#--2#--1#，并具有一定时间间隔，以免货物在皮带上堆积，造成后面皮带重载启动必要的常规保护（如失压、过载、短路等）主电路设计电机：三相交流异步电机，因为皮带传输机属于长期工作，不需要调速、也不需要正/反转；启动方式：直接启动。由于电网相对电机容量足够大，且三台电机又不同时启动，故不会对电网产生较