第9章电气控制

第9章电气控制内容提要:本章主要介绍常用低压电器及图形、文字符号；常用控制环节和基本控制电路。具体内容：§9.1低压控制电器§9.2继电-接触控制系统基本要求：了解常用低压控制电器的结构、功能、用途和选用原则；熟悉其图形和文字符号；掌握三相异步电动机的基本控制电路（起动、停车、自锁控制，正反转互锁控制、顺序联锁，行程控制和时间控制）；了解过载、短路和失压保护的原理和方法；了解控制电路原理图，能设计简单的控制电路、会读图、接线和操作。自动控制系统简介：电气控制系统的发展是由继电-接触控制系统开始的，继电接触控制系统中采用的是有触点控制，所使用的电器是接触电器，如接触器、继电器、刀闸开关、按钮等。这种控制方式自动化程度低，控制精度差，但具有简便、造价低，维护容易等优点。晶体管、晶闸管等半导体器件问世以后，控制系统中出现了无触点控制器件，这类控制器件具有效率高，反应快、寿命长、体积小、重量轻等一系列优点，这使得控制的自动化程度、安全程度、控制速度和控制精度都有很大的提高。随着计算机技术的发展，自动控制系统中又出现了数字控制技术、可编程控制（PLC）技术，使自动控制系统进入到现代控制系统的崭新阶段。§9.1低压控制电器对力能电路实现控制、保护和调节的电工设备叫做控制电器。低压控制电器（简称低压电器）泛指工作电压1200V以下的电器设备。低压控制电器的种类很多，按动作方式可分为手动和自动两类。手动电器的动作是由工作人员手动操纵的，如刀开关、组合开关、按钮等。自动电器的动作是根据指令信号或某个物理量的变化自动进行的，如中间继电器、交流接触器等。按功能分为：(1)开关电器：包括刀闸开关、转换开关、自动开关等。(2)主令电器：包括按钮、行程开关和按近开关等，自动控制系统中用于接通或断开控制电路的电器设备，用以发送控制指令或用作程序控制。(3)执行电器：包括接触器和各类继电器。(4)保护电器：包括熔断器、漏电保护器和各种过载、过压、过流、短路等保护电器。实际上，一些电器都兼有保护功能。例如，在刀闸开关中一般有熔断器，自动开关中有短路过载和失压保护功能。部分常用电机、电器的图形符号如下。电器名称电路符号QSFUST电器名称电路符号行程开关熔断器刀开关作用：短路保护SBSBSB按钮ST三极开关二极单极动合动断复合动合动断电器名称电路符号发热元件常闭触点FR电器名称电路符号上一页接触器下一页热继电器KM主触点作用：短路保护首

页电机M电动机MS同步电机M3~笼型三相异步电动机M3~绕线式三相异步电动机变压器双绕组变压器信号灯照明灯线圈动合动断接触器继电器辅助触点动合动断电器名称电路符号上一页时间继电器下一页线圈KT常开通电后延时闭合常闭通电后延时断开常闭断电后延时闭合常开断电后延时断开时间继电器定时类型钟表式空气式电子式阻容式数字式首

页动合动断向内弧指通电后动断延时闭合动合延时断开向外弧指断电后7.1.1刀开关（QS、刀闸）

一般用于不经常操作的低压电路中，用来接通或切断电源，或用来将电路与电源隔离，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。组成：闸刀、静插座、操作把柄、绝缘底座。种类：①单极、双极、三极；②单掷、双掷；③直接手动操作式、远距离杠杆操作式、电动机构操作式；④带弧罩、无灭弧罩；⑤平板式、条架式。额定电压：250V、500V。额定电流：1500A以下符号：刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。安装刀开关时，电源线应接在静触点上，负荷线接在与闸刀相连的端子上。对有熔断丝的刀开关，负荷线应接在闸刀下侧熔断丝的另一端，以确保刀开关切断电源后闸刀和熔断丝不带电。在垂直安装时，手柄向上合为接通电源，向下拉为断开电源，不能反装。刀开关的选用主要考虑回路额定电压、长期工作电流以及短路电流所产生的动热稳定性等因素。刀开关的额定电流应大于其所控制的最大负荷电流。用于直接起停3kW及以下的三相异步电动机时，刀开关的额定电流必须大于电动机额定电流的3倍。7.1.2转换开关（SR）转换开关（又称组合开关）是一种转动式的刀开关，主要用于接通或切断电路、转接电源、控制小型笼型异步电动机起动、停止、正反转或局部照明。组合开关有若干个动触片和静触片，分别装于数层绝缘件内，静触片固定在绝缘垫板上，动触片固定在附有手柄的转轴上，随转轴旋转而变换其通断位置。在转轴上装有加速动作的操纵机构，使触片接通和分断的速度与手柄旋转速度无关，从而提高电气性能。种类：①同时通断、交替通断；②二位转换、三位转换、四位转换。

组合开关一般用于交流380V、直流220V，电流100A以下的电路中作电源开关。转换开关具有体积小，使用方便特点，广泛用于配电柜与机床控制电路中。M3~静触片动触片组合开关用组合开关起停电动机的接线图7.1.3熔断器（FU）熔断器是一种最常见的短路保护器件。按其结构和用途分为管式、插式、螺旋式、无填料密封式，有填料密封式、快速式等。如熔断器中的熔丝或熔片统称为熔体，熔体一般用电阻率较高易熔合金制成。熔断器串接在电路中，在额定电流下，熔体不熔断，当发生短路或严重过载时，熔体立即熔断切断电源，保护电路和设备不受损坏

。插式熔断器管式熔断器螺旋式熔断器熔断器符号FU锁钩主触点手动闭合过流脱扣器欠压脱扣器释放衔铁释放弹簧7.1.4自动空气断路器自动空气断路器又称自动空气开关，简称自动开关，是常用的一种低压保护电器，当电路发生短路、严重过载及电压过低等故障时自动切断电路。自动空气开关结构原理图连杆装置当操作手柄搬到合闸的方向时，连连杆被锁钩锁住，主触点闭合，电源接通。保持装置的过流脱扣器和失压脱扣器都是电磁铁，在正常情况时，过流脱扣器的衔铁不吸合，当发生严重过载或短路故障时，与主电路串联的线圈产生较强的电磁力，将衔铁吸自动空气断路器的工作原理：下，顶开锁钩，在释放弹簧拉力作用下，主触点断开，切断电路；电流保护的动作电流可根据负载情况调整，其最大值为额定电流的10~12倍。欠压脱扣器的工作与过流脱扣器相反，正常电压时，其衔铁吸合，当电压过低或失压时，衔铁释放，使主触点断开。当电源电压恢复正常时，必须人工重新合闸才能工作，实现欠压（失压）保护

。7.1.5按钮（SB）按钮是一种手动主令电器，通常用来接通或断开控制电路，从而控制电动机或其他电气设备的运行。按钮内的动合（常开）触点用来接通控制电路，发出“起动”指令；按钮内的动断（常闭）触点用来分断控制电路，发出“停止”指令。常闭触点常开触点(a)外形图(b)结构有常开、常闭和复合按钮三种。复合按钮的外形、结构如图所示。复位弹簧支柱连杆常闭静触点桥式静触点常开静触点外壳按钮帽SBSBSB4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1234123按钮的结构示意图SB手动闭锁式按钮开关其内部带有自锁机关，将其按钮按下，自锁机关会将其动合触点锁住，保持在闭合状态，只有再次按动按钮时，自锁机关释放动合触点才打开。这种按钮开关常用作电子仪器和家用电路的电源开关，其符号如图所示。7.1.6限位开关（行程开关）

行程开关又称为位置开关、限位开关，它是反映生产机械运动部件行进位置的主令电器。在控制电路中，主要用于将机械位移变为电信号，以实现对机械运动的电气控制。广泛用于行程控制、限位控制和程序控制中的位置检测、自动切换等。

结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。运动部件撞击触杆时，触杆下移使常闭触点断开，常开触点闭合；未撞击撞击当运动部件离开后，在复位弹簧的作用下，触杆回复到原来位置，各触点恢复常态。符号：常开（动合）触点ST常闭（动断）触点ST限位开关（行程开关）外形、分类

种类很多，基本结构大致相同，区别在于使行程开关动作的运动部件不同而已。主要分为机械式和电子式两大类。7.1.7交流接触器（KM）又称电磁开关，是利用电磁力来频繁地远距离接通和断开主电路或大容量控制电路的执行电器。是电力拖动中最主要的控制电器之一。在以后的学习中，经常要用到如下三个名词。“电磁线圈通电”是指接触器、继电器用来产生电磁力的线圈接通电源电压或接入负载电流；“动作”是指执行电器的常开或常闭触点状态发生变化，常开的闭合，而常闭的断开等；“复位”是指执行电器的各个部件包括触点回到原状态，即没有通电时的自然状态。复位弹簧辅助触点主触点（常开）铁心衔铁电源~M3~电机常闭常开交流接触器的外形与结构示意图线圈主触点接触面积较大，能通过较大的电流，起接通或断开主电路的作用(需加灭弧装置)；辅助触点接触面积较小，只允许通过较小的电流，起接通或断开控制电路的作用(无需加灭弧装置)。电磁机构、触点系统、灭弧装置、其他部分组成。交流接触器的组成电磁机构：电磁铁吸引线圈，铁心，衔铁组成。触点系统：三对动主触点，三对静主触点，若干对常开辅助触点，若干对常闭辅触点。触点按未通电时的状态分常开和常闭两种。常开触点是指线圈未能电时，其动、静触点是分开的，线圈通电闭合，又称为动合触点；常闭触点（又称为动断触点）正好相反。两种触点一般是联动的，即当常开触点断开时，常闭触点就闭合；反之，常开触点闭合，常闭触点断开。灭弧装置：其作用是迅速熄灭主触点断开时，产生的电弧。其他部分：包括反作用弹簧（当线圈断电时使触点复位，又称复位弹簧）、支架底座、接线端子等。此外，为了增加触点压力，减小接触电阻，接触器还装有压力弹簧；为了减小接触器动作时，对底座的直接冲击力，还装有缓冲弹簧。交流接触器工作原理是：当电磁线圈接通电源时，铁心中的电磁力，将衔铁吸合，带动动主触点向静主触点处移动，使动静主触点接触，主电路接通。与此同时，常闭辅助触点断开，常开辅助触点闭合。当电磁线圈断电时，电磁力消失，衔铁因弹力作用而复位，主电路断开，同时亦使联动的辅助触点复位。M3~接触器动作演示~380~~开始CJ10系列交流接触器交流接触器的型号和规格很多。目前常用的有CJ10、CJ12、CJX2、CJ20等系列（字母C表示接触器，J表示交流（Z表示直流）和德国BBC公司生产技术的B系列。

CJ12系列交流接触器的种类和选用选用时要注意：接触器额定电流（主触点的额定电流）大于或等于负载额定电流；额定电压（吸引线圈的额定电压）大于或等控制回路的额定电压。常用接触器线圈电压有交流36V、220V、380V。CJX2系列

线圈KMKM动合(常开)辅助触点动断(常闭)辅助触点KM动合(常开)主触点KM为了作图方便，在控制电路中接触器只画出其线圈、常开触点、常闭触点，如图所示，用字符KM表示。交流接触器的符号由于接触器的线圈、触点在电路中的作用不同，所以它们是分散地画在电路图中的不同地方，用KM后面的同一序号表示同一个接触器

。7.1.8继电器继电器是一种传递信号（根据特定输入信号而动作）的自动控制电器，广泛用于自动控制系统和保护系统中的自动电路。其输入控制量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、压力等非电量。其种类繁多，外形各异。网上有专业门介绍继电器的网站——等等。继电器电流继电器电磁继电器热继电器（过载保护）电压继电器中间继电器时间继电器（延时）……热继电器（FR）利用感温元件受热而动作的一种继电器，主要用来保护电动机或其他负载免于过载以及三相电动机的缺相运行。~发热元件双金属片复位按钮动断触点扣板弹簧热继电器原理图II其原理图如下

热元件接在电动机的主电路中，当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时，由于双金属片下层金属膨胀系数大，双金属片向上弯曲，因而脱扣，扣板在弹簧的拉力下将动断触点断开。工作原理：热继电器外形、结构与符号符号(a)外形(b)结构发热元件双金属片动断触点弹簧FR符号串联在控制电路中串联在主电路中整定电流调节装置复位按钮—FR§9.2继电--接触控制系统

9.2.1继电--接触控制电路的基本识图通过开关、按钮、继电器、接触器等电器触点的接通或断开来实现的各种控制叫做继电-接触器控制，这种方式构成的自动控制系统称为继电-接触器控制系统。典型的控制环节有点动控制、单向自锁运行控制、正反转控制、行程控制、时间控制等。电动机在使用过程中由于各种原因可能会出现一些异常情况，如电源电压过低、电动机电流过大、电动机定子绕组相间短路或电动机绕组与外壳短路等等，如不及时切断电源则可能会对设备或人身带来危险，因此必须采取保护措施。常用的保护环节有短路保护、过载保护、零压保护和欠压保护等。电气图分电气原理图、接线图、安装图三种类型。电气原理图用于分析控制原理；接线图、安装图则用于维修和安装。电气图是用规定的图形符号和文字符号表示继电接触控制系统的电路图。电机电器的图形符号（GB4728-85）和电器设备的基本文字符号（GB7159-87）请参见教材或有关文献。

主电路的负载是电动机、照明或电加热等设备，通过的电流较大，要用接通和分断能力较大的电器（如接触器、自动空气开关等）来操作；在主电路中还需要设有各种保护电器（如熔断器、热继电器的发热元件等），以保障电源和负载的运行安全。电气原理图又分为主电路和控制电路两部分。

控制电路则为了实现生产工艺过程，对负载的运行情况如起动、停车、制动、调速、反转等进行控制，一般是通过按钮、行程开关等主令电器发出指令，控制接触器吸引线圈的工作状态来完成的；需要时还要配合其他辅助控制电器（如中间继电器、时间继电器等）。绘制原理图的原则①主电路用粗实线，一般画于左侧（上方）。控制电路用细实线，一般画于右侧（下方）。电路中各电气元件一般均按动作顺序由上到下、从左到右依次排列。线路交叉处应标明有否电的连接，若有电路相连，应在交叉处画一个圆点。控制电路的各条支路的排列常依据生产工艺顺序的先后，由上至下排列。③在一份电路图中，同一电器元件的各部分经常不画在一起，而是分布在不同地方，甚至不在同一张图上，为了清楚表示，同一电器元件的各部件均以统一文字符号表示，原理图中有几个相同的电气元件时，可用下角标形式以号码或字母排列。④图中各电气元件的图形符号均以正常状态表示。即吸引线圈不带电，按钮没按下的情况。⑤识图时遵循自上而下、从左到右的顺序。②原理图中，各种电机、电器等电气元件必须用国家统一规定的符号和文字画出。9.2.2继电接触控制基本控制电路三相异步电动机的开关控制电路FUQS3~M开关控制电路

最简单的直接起动用到开关控制，电源的接通和断开是通过人操作到开关来实现的。缺点：无法实现遥控和自控。一般控制系统根据生产工艺要求的不同，控制电路的结构也不同（主电路变化不大）。但控制电路都是由若干个基本电路和一些保护措施组合而成的，因此掌握一些常用的基本控制电路，是学习继电接触控制系统的关键。三相电风扇、砂轮机等常用这种控制电路。1.点动控制电路.KMFUSBKMQS3~M.点动控制电路合刀开关QS

因为按下按钮电动机转动，松开按钮电动机停转，所以称为点动控制。缺点：无法实现遥控和自控。点动控制常用于吊车、机床主柱，横梁的位置移位，刀架刀具的调整等。适用场合：主电路控制电路隔离开关特点：小电流控制大电流。动作过程：按住按钮（SB）

线圈通电，电动机转动；松开按钮（SB）

线圈失电，电动机停转；接通三相电源。SB1KMKMSB2FR注意：接触器线圈电压380V时，采用此种接线方式。停止按钮起动按钮2.三相异步机的直接起、停车控制电路连续运行M3~ABCKMFUQSFR自锁触点发热元件主电路控制电路热继电器触点触点（KM）闭合按下按钮（SB2）

线圈（KM）通电电机转动；触点（KM）打开按下按钮（SB1）

线圈（KM）断电电动机停转。动作过程：KMSB1KMSB2FR控制电路的自锁功能停止按钮发热元件M3~ABCKMFUQKFRSB1KMKMSB2FR一般控制电路部分可以这样简化：自锁触点起动按钮热继电器触点接触器KM的辅助触点与启动按钮SB2并联，其作用是按下起动按钮以后，辅助触关闭合，此后松开起动按钮，接触器仍能通过自身辅助触点的闭合，维持线圈通电。这种作用称自锁。控制电路的保护功能停止按钮发热元件M3~ABCKMFUQKFRSB1KMKMSB2FR自锁触点起动按钮热继电器触点电路的三种保护功能：失压保护：采用继电器、接触器控制，短路保护：加熔断器过载保护：加热继电器失压后，电源恢复正常时，电动机不会自行起动。连续运行与点动控制电路的关系停止按钮发热元件M3~ABCKMFUQKFRSB1KMKMSB2FR自锁触点起动按钮热继电器触点要想实现点动控制，只需将自锁触点去掉单向运行控制电路接线图L1