第1章电气控制系统常用器件

天津职业技术师范大学现代电气与PLC应用技术主讲教师：姚青梅自动化与电气工程学院1学习的主要内容1.理解和熟悉电气控制的概念，常用的低压电器及其功能，低压电器构成的常用电气控制线路、工作原理和实际应用；2.

*PLC的基本结构和工作原理，PLC的编程方法、设计方法和实际应用。2电器的基本知识接触器继电器开关电器熔断器主令电器信号电器常用执行器件常用检测仪表主要内容第一章电气控制系统常用器件3一、电器的定义和分类定义

电器是根据外界施加的信号和要求，能手动或自动地断开或接通电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的设备。低压电器通常指工作在交流电压1200V、直流电压1500V以下的电器。

低压电器是构成控制系统最常用的器件，了解它的分类、作用和用途，对设计、分析和维护控制系统都是十分必要的。1.1电器的基础知识41.1概述低压电器的组成

低压电器的组成一般包括三个环节：感应机构中间机构执行机构输入信号控制系统感应机构：能感受外界信号，做出有规律的反应。如电磁机构、操作手柄、按钮等。执行机构：根据指令执行电路接通、切断等任务，如触头和灭弧系统。中间机构：将输入信号变换、放大并传递给执行机构。51.1电器的基础知识61.1电器的基础知识7对低压电器的要求：▪一对矛盾：开与关——工作的可靠性。▪两项要求：机械寿命和电寿命。▪三个环节：感应机构、中间机构和执行机构。▪四个状态：闭合状态、断开过程、断开状态、关合过程。

低压电器的选用原则：▪安全原则：保证电路和用电设备的可靠运行。▪经济原则：电器的价值和使用该种电器产生的价值。

根据技术要求和工作条件选择正确选用低压电器。1.1电器的基础知识8二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理电磁式低压电器

最常用的低压电器结构上，由三个主要部分组成：

触头、灭弧装置和电磁机构。1.1电器的基础知识9

二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理1.触头：接触形式

1.1电器的基础知识101.1电器的基础知识

点接触触点只能用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点和继电器的触点；

面接触触点允许较大的电流，其触点表面镶有合金，以减小接触电阻和提高耐磨性，多用于如接触器的主触点；

线接触触点接触区域是一条直线，触点在通断过程中有滚动动作，多用于中等容量的主触点。11二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

1.触头：类型材料：一般采用铜材料制成；对于小容量电器常用银质材料制成桥式触头指形触头1.1电器的基础知识121.1电器的基础知识

指形触头只有一个断口，一般用于接触器的主触点。触头接触压力大，电动稳定性高，但触头开距大，触头闭合时冲击大，影响机械寿命；

桥式触头有两个灭弧区域，灭弧效果好，触点开距小，电器结构紧凑、体积小、触头闭合时冲击小，有利于提高机械寿命，但触头不能自动净化，触点接触压力小，电动稳定性较低。桥式触头指形触头13二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法电弧的产生和危害电弧的产生

很小的间隙—>很高的电场强度—>场致发射自由电子—>撞击电离气体原子—>正离子撞击阴极产生高热—>热电子发射—>…—>炽热的电子流即电弧。1.1电器的基础知识14二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法电弧的产生和危害电弧的危害既妨碍了电路及时可靠地分断，又会使触头受到损伤。延长了切断的时间；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。1.1电器的基础知识15二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法灭弧方法——把电弧拉长；把电弧分割。具体方法：多断点灭弧；磁吹式灭弧；灭弧栅；灭弧罩等。1.1电器的基础知识16二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法灭弧方法多断点灭弧采用桥式触头：两个断点，双倍的起弧电压。常用于交流接触器、小电流接触器。1.1电器的基础知识17二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法灭弧方法

磁吹式灭弧广泛用于直流接触器。1.1电器的基础知识18二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法灭弧方法灭弧栅栅片由镀铜薄钢片组成，片间距2~3mm。安装在灭弧罩中。是一种常用的交流灭弧装置。1.1电器的基础知识19二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

2.电弧的产生和灭弧方法灭弧方法灭弧罩磁吹式灭弧和灭弧栅都带有灭弧罩。常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。作用：分隔各路电弧，防止发生短路；使电弧与灭弧罩的绝缘壁接触，使电弧迅速冷却而熄灭。1.1电器的基础知识20二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

3.电磁机构是电磁式低压电器的感测部件。作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触头动作使之闭合或断开，从而实现电路的接通或分断。11.1电器的基础知识1:衔铁；2:铁芯；3线圈21二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理3.电磁机构直流电磁机构铁芯不发热，线圈发热。~铁芯为整块钢材或工程纯铁，激磁线圈制成薄而高的瘦高型，无线圈骨架，直接接触易于散热。交流电磁机构铁芯和线圈都发热。~铁芯为硅钢片叠铆而成，激磁线圈制成短而厚的矮胖型，有线圈骨架，易于散热。1.1电器的基础知识22

作用在衔铁上的力有两个：电磁吸力与反力。电磁吸力由电磁机构产生，反力则由释放弹簧和触点弹簧所产生。电磁系统的工作情况常用吸力特性和反力特性来表示。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，如图所示。图吸力特性与反力特性的配合1—直流电磁铁吸力特性

2—交流电磁铁吸力特性3—反力特性

4.电磁机构的工作原理1.1电器的基础知识二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理23二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理4.电磁机构的工作原理反力特性：衔铁释放的力与气隙的关系曲线。两个弹簧：使衔铁释放的弹簧；增加触点接触力的弹簧（超程机构）。1.1电器的基础知识24吸力特性：接触器在吸合或释放过程中，气隙是变化的，电磁吸力也将随气隙的变化而变化。电磁吸力是反映电磁式电器工作可靠性的一个非常的重要参数，电磁吸力可按式(1-1)计算，即：式中F——电磁吸力(N)；B——气隙中磁感应强度(T)；S——铁心截面积(m2)。(1-1)1.1电器的基础知识25直流电磁机构的吸力特性直流电磁机构吸力特性1.1电器的基础知识(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)264.电磁机构的工作原理：交流电磁机构的吸力特性：

结论：F与δ无关；电流与δ成正比。衔铁未动作时的电流可达到吸合后额定电流的10-15倍。若卡住或频繁吸合，线圈可能烧毁。可靠性要求高或操作频繁的场合一般不采用交流电磁机构。1.1电器的基础知识27二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理4.电磁机构的工作原理：吸力和反力的配合：吸力大于反力1——直流电磁机构的吸力特性2——交流电磁机构的吸力特性1.1电器的基础知识28二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理4.电磁机构的工作原理：

单相交流电磁机构的特性噪声和振动的产生1.1电器的基础知识ф:磁通；F:电磁机构的吸力1:衔铁；2:铁芯；3线圈29二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理4.电磁机构的工作原理：

单相交流电磁机构的特性噪声和振动的产生解决办法：加短路环1.1电器的基础知识F1:不穿过短路环的吸力；F2:穿过短路环的吸力F:电磁机构的吸力1:衔铁；2:铁芯；3线圈；4:短路环30二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理4.电磁机构的工作原理：输入/输出特性：继电器特性（回环特性）X——输入量Y——输出量x1——返回值x2——动作值1.1电器的基础知识31二、电磁式低压电器的基本结构和工作原理

5.电磁机构工作原理的实质1.1电器的基础知识32一、接触器的用途和分类1.定义：接触器是用来频繁地、远距离地接通或分断电动机主电路或其他负载电路的自动控制电器。

2.用途：用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。(1)控制电动机的起动、反转、制动和调速等；(2)控制电动机主电路和大电流电路的通断的开关电器。

3.分类:交流接触器和直流接触器1.2接触器331.电磁系统二、接触器的结构组成铁芯、衔铁通电线圈KM2.触头系统三对主触头两对辅助常开触点KM辅助常开KM两对辅助常闭触点辅助常闭KM体积较大，由三对常开触头组成，用于通断电动机主电路的大电流。1.2接触器

接触器由电磁机构、主触点和灭弧系统、辅助触点、反力装置、支架和底座等组成。34

接触器结构及工作原理实质：使用电磁机构~M3~线圈辅助触点铁心衔铁电源电机主触点常闭常开弹簧动画辅助常开KM辅助常闭KMKM主触点35额定电压：主触点的额定电压额定电流：主触点的额定电流1.2接触器三、接触器的技术参数线圈额定电压名称交流接触器直流接触器额定电压/V110,220,440,660127,220,380,500,660额定电流/A5,10,20,40,60,100,150,250,400,6005,10,20,40,60,100,150,250,400,600线圈电压/V24,48,110,220,44036,110,127,220,38036三、接触器的技术参数接通和分断能力：负载类型

指主触点在规定条件下能可靠地接通和分断的电流值。接通时不应发生熔焊，分断时不应发生长时间燃弧。1.2接触器37CJ

20－〇

〇

/〇

〇

交流设计额定电流用K表示矿用额定工作电压(03－380V)TH(湿热带产品)接触器序号(AC3，380V)启动器的接触器(06－660V；11－1140V)CZ

16

〇

/〇

〇

直流设计额定电流常开主触点数常闭主触点数接触器序号

交流接触器型号说明：

直流接触器型号说明：1.2接触器38四、接触器的选择根据负载类型选接触器根据负载大小选额定电流

额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。选择额定电压

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控制电路的额定电压等级一致。选择交流接触器的经验：

对于额定电压为380V的接触器，接触器的额定电流数值约为电机额定功率数值的2~3倍（<5.5KW）/2倍（5.5~11KW）/1.5~2倍（>11KW）1.2接触器39继电器的定义和分类定义

继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现远距离控制和保护的自动控电器。

输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量，而输出则是触头的动作或者是电路参数的变化。1.3继电器40

继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。1.3继电器

主要区别在于：

接触器的主触点可以通过大电流；

继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。41继电器的定义和分类分类

按输入信号的性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。

按工作原理分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。

按输出形式分为：有触点和无触点两类。

按用途分为：控制用和保护用继电器等。1.3继电器42特点：线圈并联在电路中，匝数多，导线细。分类：过电压、欠电压和零电压继电器。1.电压继电器电压继电器

电压继电器是反映电压变化的控制电器。线圈与负载并联，以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。过电压继电器在电路中用于过电压保护。欠电压继电器在电路中用于欠电压保护。432.电流继电器特点：线圈串接于电路中，导线粗、匝数少、阻抗小。

分类：过电流继电器:正常工作电流时衔铁释放，触点复位。欠电流继电器:正常工作电流时衔铁吸合，触点动作。过流电流继电器欠流电流继电器44动作电流Ｉq：使电流继电器开始动作所需的电流值；返回电流Ｉf：电流继电器动作后返回原状态时的电流值；返回系数Ｋf：返回值与动作值之比，Ｋf＝Ｉf/Ｉq。主要技术指标：2.电流继电器45

中间继电器的结构和工作原理与接触器相同。3.中间继电器

中间继电器实质上是一种电压继电器，但它的触点数量较多，容量较大，起到中间放大（触点数量和容量）作用。46中间继电器外形结构及符号

中间继电器的结构和交流接触器基本一样，其外壳一般由塑料制成，为开启式。外壳上的相间隔板将各对触点隔开，以防止因飞弧而发生短路事故。触点一般有8动合、6动合2动断、4动合4动断三种组合形式。3.中间继电器47中间继电器和接触器的区别：相同点：输入信号都是电压，都是利用电磁机构的工作原理进行工作的。不同点：中间继电器用于小电流的控制电路，在控制电路中起信号传递、放大、翻转和分路等作用，主要用来扩展触点数量，实现逻辑控制。接触器用于频繁地、远距离地接通或分断电动机主电路或其他负载电路，是一种执行电器。其触点分为主触点和辅助触点，大部分情况下还带有灭弧装置。3.中间继电器48中间继电器的型号含义3.中间继电器49作用：用于电动机的过载保护。4.热继电器当电动机出现长期带负荷欠电压运行、长期过载运行或长期单相运行等不正常情况时，会导致电动机绕组严重过热乃至烧坏。

热继电器是利用电流的热效应原理,切断电路以起过载保护的电器设备。50分类:热继电器分为单相、两相和三相式共三种类型，其中三相式热继电器常用于三相交流电动机过载保护。

三相式热继电器又分为不带断相保护和带断相保护两种类型。4.热继电器51(1)串接在电动机主电路中的三个发热元件；热继电器的结构组成FR发热元件符号(2)串接在电动机控制电路中的常闭触点。FR常闭触点符号52~发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被加热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，杠杆被弹簧拉回，常闭触点断开。发热元件杠杆工作原理结构原理图双金属片常闭触头动画4.热继电器53一般和接触器配合使用，连接方便。选用

整定电流：热继电器的热元件允许长期通过又不致引起热继电器动作的电流值。整定电流选为0.95~1.05倍的电动机的额定电流，然后再调整。对过载能力差的电机，约为电动机额定电流的60%~80%左右。由于热继电器的保护特性为反时限特性，所以对于可逆运行和频繁通断的电动机，不宜采用热继电器保护，必要时可以选用装入电动机内部的温度继电器。4.热继电器54JR20系列型号含义:4.热继电器55

定义：输入信号后，经一定的延时，才有输出信号的继电器称为时间继电器。

时间继电器是最为常用的一种控制电器。

分类：通电延时型、断电延时型按工作原理分类，有电磁式、电动式、空气阻尼式、电子式等。最常用的是电子式时间继电器。图形符号：5.时间继电器(a)通电延时线圈；(b)断电延时线圈；(c)瞬动触点；(d)通电延时闭合常开触点；(e)

通电延时断开常闭触点；(f)断电延时断开常开触点；(g)断电延时闭合常闭触点56作用：主要应用于三相笼型异步电动机的反接制动中，因此又称为反接制动控制器。

组成：主要由定子、转子和触点三部分组成。工作原理：感生电流产生力矩。6.速度继电器57

速度继电器的轴与电动机的轴相连接。转子固定在轴上，定子与轴同心。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，绕组切割磁场产生感应电动势和电流，此电流和永久磁铁的磁场作用产生转矩，到达一定转速时，使定子向轴的转动方向偏摆，通过定子柄拨动触头，使常闭触头断开、常开触头闭合。当电动机转速低于某一数值时，转矩减小，定子柄在弹簧力的作用下恢复原位，触头也复原。6.速度继电器58作用和分类作用：广泛用于配电系统和电力拖动控制系统，用作电源的隔离、电气设备的保护和控制。分类：手动开关和自动开关1.4开关电器591.刀开关俗称闸刀开关，是一种结构最简单、应用最广泛的一种手动电器。1.4开关电器601.刀开关作用接通和切断长期工作设备的电源及不经常起动及制动、容量小于7.5KW的异步电动机。分类按刀数可分为单极、双极和三极安装：刀柄要向上，以防由于重力而跌落闭合；电源线接在上端，负载线接在下端。刀开关现在已较少使用1.4开关电器612.低压断路器

又称自动空气开关，是低压配电线路应用非常广泛的一种保护电器。1.4开关电器622.低压断路器作用用于分配电能、不频繁地启动异步电动机以及对电源线路及电动机等的保护；当发生严重的过载、短路或欠电压等故障时能自动切断电路。结构和工作原理组成：触头、灭弧系统和各种脱扣器1.4开关电器63锁钩主触点手动闭合过流脱扣器欠压脱扣器衔铁释放低压断路器原理图连杆装置释放弹簧动画642.低压断路器表示符号主要参数：额定电压：长期工作时的允许电压。额定电流：长期工作时的允许持续电流。通断能力：规定条件下所能接通和分断的短路电流值。1.4开关电器652.低压断路器选择主要是选择额定电流、额定电压对单台设备：IZ≥kIq

k为安全系数，可取1.5～1.7；

Iq

电动机的起动电流。对多台电动机：IZ≥k(Iqmax+电路中其它的工作电流)k也可取1.5～1.7；

Iqmax

为最大一台电动机的起动电流。1.4开关电器66一、熔断器的作用、结构和分类

作用：基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬动特性，用于电路的短路保护和严重过载保护。

结构：主要由熔断管（或盖、座）、熔体及导电部件等部分组成。其中熔体是主要部分，它既是感测元件又是执行元件。1.5熔断器67一、熔断器的作用、结构和分类工作原理串接于被保护电路，当电路发生短路或过载故障时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时熔体自行熔断，从而分断故障电路，保护设备和人身安全。分类瓷插式熔断器螺旋式熔断器有填料式熔断器快速熔断器自复式熔断器——钠1.5熔断器68二、熔断器的保护特性亦称安秒特性，是指熔体的熔化电流与熔化时间之间的关系。它和热继电器的保护特性一样，也具有反时限特性。Ir—最小熔化电流Ire—熔体的额定电流熔化系数1.5熔断器69图形符号

三、熔断器的技术参数额定电压额定电流极限分断能力

规定条件下能分断的最大电流——短路电流。1.5熔断器70熔断器的选择类型选择：依据保护特性和短路电流。熔体额定电流的选择对阻性负载：Ire≥Ie（负载额定电流）对单台电动机：Ire≥(1.5～2.5)Ie对单台频繁启动的电动机：Ire≥(3～3.5)Ie对多台电动机：Ire≥(1.5～2.5)Iemax+ΣIe1.5熔断器71熔断器和热继电器的区别相同点：都属于电流保护电器，都具有反时限特性。不同点：熔断器主要用于短路保护，热继电器用于过载保护；熔断器利用的是热熔断原理，要求熔体有较高的熔断系数；热继电器利用的是热膨胀原理，要求双金属片有较高的膨胀系数；热继电器保护有较大的延迟性，而短路保护要求熔断器的动作必须具有瞬时性。1.5熔断器72主令电器的定义和作用定义发送和转换控制命令的电器。作用

用于控制电路，不能直接分合主电路。1.6主令电器分类：控制按钮万能转换开关主令控制器行程开关接近开关73控制按钮作用：用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器等。

工作原理1.6主令电器74复位弹簧支柱连杆常闭静触头桥式动触头常开静触头外壳按钮帽动画4SBSBSB结构符号名称常闭按钮(停止按钮)常开按钮(起动按钮)复合按钮123412375控制按钮表示符号1.6主令电器762.转换开关作用是一种多档式、控制多回路的主令电器。广泛应用于各种配电装置的电源隔离、电路转换、电动机远距离控制等，也常作为电压表、电流表的换相开关，还可用于控制小容量的电动机。结构示意图1.6主令电器77