机床电气控制与PLC(第2版)第1章剖析

机床电气控制与PLC(第2版)第1章剖析第一页，共57页。第1章常用低压电器

掌握接触器、继电器、断路器、按钮开、开关、主令电器等常规控制电器的动作特点，并能够正确选择使用。

学习目标：第二页，共57页。第1章常用低压电器教学内容：

1.1概述

1.2接触器

1.3继电器

1.4熔断器

1.5低压开关与低压断路器

1.6主令电器

1.7低压电器的产品型号第三页，共57页。1.1概述

电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用。在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。随着电子技术、自控技术和计算机应用的迅猛发展，一些电器元件可能被电子线路所取代，但是由于电器元件本身也朝着新的领域扩展（表现在提高元件的性能、生产新型的元件，实现机、电、仪一体化，扩展元件的应用范围等），且有些电器元件有其特殊性，故是不可能完全被取代的。

返回第四页，共57页。1.1.1电器的分类

电器是接通和断开电器或调节、控制和保护电器及电气设备用的电工器具。

电器的功能多，用途广，品种规格繁多，为了系统地掌握，必须加以分类。

1.按工作电压等级分

（1）高压电器;（2）低压电器

2.按动作原理分

（1）手动电器;（2）自动电器

3.按用途分

（1）控制电器;（2）配电电器;（3）主令电器;

（4）保护电器;（5）执行电器

返回第五页，共57页。1.1.2电力拖动自动控制系统中常用的低压控制电器

接触器：分交流接触器与直流接触器继电器：有电磁式继电器（如电压继电器、电流继电器、中间继电器）；时间继电器（分直流电磁式、空气阻尼式、半导体式等）；热继电器；干簧继电器；速度继电器等熔断器：分瓷插式、螺旋式、有填料封闭管式、无填料密闭管式、快速熔断器、自复式等低压断路器：分框架式、塑料外壳式、快速直流断路器、限流式、漏电保护器等

位置开关：有直动式、滚动式、微动式等按钮、刀开关等返回第六页，共57页。1.1.3我国低压控制电器的发展概况

现场总线系统的发展与应用将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置，给传统低压电器带来改革性变化。发展智能化可通信低压电器势在必行。其产品的特征是：产品中装有微处理器；产品带有通信接口，能与现场总线连接；采用标准化结构，具有互换性，采用模数化结构；保护功能齐全，具有外部故障记录显示、内部故障自诊断、进行双向通信等。

返回第七页，共57页。1.2接触器

接触器是电力拖动和自动控制系统中使用量大且面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护。

返回第八页，共57页。1.2.1结构和工作原理

接触器是利用电磁吸力的原理工作的。接触器主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成，结构简图如图1-1所示。1.电磁系统其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触头动作。

图1-1接触器结构简图1—主触头

2—常闭辅助触头

3—常开辅助触头4—动铁心

5—电磁线圈

6—静铁心7—灭弧罩

8—弹簧第九页，共57页。1.2.1结构和工作原理

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1-3所示。

图1-3

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—反力特性第十页，共57页。1.2.1结构和工作原理2.触头系统

触头是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。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）。

图1-4触头结构形式图a）桥形触头b）指形触头第十一页，共57页。1.2.1结构和工作原理3.灭弧装置

常用的灭弧方法有：拉长电弧、冷却电弧和将电弧分段。常用的灭弧装置有:电动力灭弧、灭弧栅和磁吹灭弧。

对于电弧较弱的接触器，只采用灭弧罩即可。交流接触器常用电动力灭弧和灭弧栅灭弧装置。直流接触器常用磁吹灭弧装置。

图1-6

电动力灭弧原理1—静触头2—动触头

图1-6所示的是一种桥式结构双断口触头，当触头打开时，在断口处产生电弧，电弧电流在两电弧间产生图中以表示的磁场，跟据左手定则，电弧电流要产生一个指向外侧的电动力作用，使电弧向外运动并拉长，迅速穿越冷却介质而加快冷却并熄灭。

第十二页，共57页。1.2.1结构和工作原理4.接触器的工作原理当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常开触头断开，常闭触头闭合。

图1-9

接触器的图形、文字符号a）线圈

b）主触头

c）常开辅助触头

d）常闭辅助触头第十三页，共57页。1.2.2交、直流接触器的特点

1.交流接触器

交流接触器线圈通以交流电，主触头接通、分断交流主电路。通常采用短路环来解决交流电磁铁的振动问题。短路环的示意图如图1-10所示，其中S2为短路环内截面积，S1为环外截面积。短路环起到磁通分相的作用，把极面上的交变磁通分成两个交变磁通，并且使这两个磁通之间产生相位差，那么它们所产生的吸力间也有一个相位差，这样，两部分吸力就不会同时达到零值，当然合成后的吸力就不会有零值的时刻，如果使合成后的吸力在任一时刻都大于弹簧拉力，就消除了振动。

第十四页，共57页。1.2.2交、直流接触器的特点图1-10交流接触器铁心的短路环a）结构图b）电磁吸力图第十五页，共57页。1.2.2交、直流接触器的特点2.直流接触器

直流接触器线圈通以直流电流，主触头接通、切断直流主电路。对于250A以上的直流接触器往往采用串联双绕组线圈，如图1-11所示。

图1-11

直流接触器双绕组线圈接线图

可以节电和延长电磁线圈的使用寿命。第十六页，共57页。1.2.3接触器的主要技术参数与选用1.接触器的型号及代表意义

第十七页，共57页。1.2.3接触器的主要技术参数与选用

2.接触器选用原则

1.额定电压

接触器的额定电压是指主触头的额定电压，应等于负载的额定电压。

2.额定电流

接触器的额定电流是指主触头的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流。

3.电磁线圈的额定电压

电磁线圈的额定电压等于控制回路的电源电压。

4.触头数目

接触器的触头数目应能满足控制线路的要求。

5.额定操作频率

接触器额定操作频率是指每小时接通次数。

返回第十八页，共57页。1.3继电器

继电器主要用于控制与保护电路或作信号转换用。当输入量变化到某一定值时，继电器动作，其触头接通或断开交、直流小容量的控制回路。继电器的种类很多，常用的分类方法有：按用途分：有控制继电器和保护继电器。

按动原理作分：有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器。按输入信号的不同来分：有电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。返回第十九页，共57页。1.3.1电磁式继电器

1.电磁式继电器的结构与工作原理

常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继电器。图1-12

电磁式继电器原理图1—铁心

2—旋转棱角

3—释放弹簧

4—调节螺母

5—衔铁

6—动触头

7—静触头

8—非磁性垫片

9—线圈

图1-13电磁式继电器图形、文字符号第二十页，共57页。1.3.1电磁式继电器2.电磁式继电器的特性

当继电器输入量由零增至以前，继电器输出量为零。当输入量增加到时，继电器吸合，输出量为，若再增大，值保持不变。当减小到时，继电器释放，输出量由降到零，再减小，值均为零。在图1-14中，X2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X2；X1称为继电器释放值，欲使继图1-14

继电特性曲线

电器释放，输入量必须等于或小于X1。称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。

第二十一页，共57页。1.3.2热继电器

热继电器是利用电流流过热元件时产生的热量，使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运动的保护及其他电器设备发热状态的控制。热继电器还常和交流接触器配合组成电磁起动器，广泛用于三相异步电动机的长期过载保护。

在图1-15中发热元件1通电发热后，主双金属片2受热向左弯曲，推动导板3向左推动执行机构发生一定的运动。电流越大，执行机构的运动幅度也越大。当电流大到一定程度时，执行机构发生跃变，即触点发生动作从而切断主电路。第二十二页，共57页。1.3.2热继电器图1-15

热继电器原理图1—热元件2—双金属片3—导板4—触头

图1-17热继电器图形、文字符号a）发热元件b）常闭触点

第二十三页，共57页。1.3.3时间继电器

从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触头的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。

时间继电器的延时方式有两种：

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。第二十四页，共57页。1.3.3时间继电器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作用而达到延时的目的。它由电磁机构、延时机构和触头组成。空气阻尼式时间继电器的电磁机构有交流、直流两种。延时方式有通电延时型和断电延时型（改变电磁机构位置，将电磁铁翻转1800安装）。当动铁心（衔铁）位于静铁心和延时机构之间位置时为通电延时型；当静铁心位于动铁心和延时机构之间位置时为断电延时型。JS7-A系列时间继电器如图1-18所示。

第二十五页，共57页。1.3.3时间继电器图1-18JS7-A系列时间继电器原理图a）通电延时型b）断电延时形1－线圈

2—铁心

3—衔铁

4—反力弹簧

5—推板

6—活塞杆

7—杠杆

8—塔形弹簧

9—弱弹簧10—像皮膜

11—空气室壁

12—活塞

13—调节螺钉

14—进气孔

15、16—微动开关第二十六页，共57页。1.3.3时间继电器

现以通电延时型为例说明其工作原理。当线圈1得电后衔铁（动铁心）3吸合，活塞杆6在塔形弹簧8作用下带动活塞12及橡皮膜10向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小来决定。经一段延时后，活塞杆通过杠杆7压动微动开关15，使其触头动作，起到通电延时作用。当线圈断电时，衔铁释放，橡皮膜下方空气室内的空气通过活塞肩部所形成的单向阀迅速地排出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。由线圈得电到触头动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，其大小可以通过调节螺钉13调节进气孔气隙大小来改变。在线圈通电和断电时，微动开关16在推板5的作用下都能瞬时动作，其触头即为时间继电器的瞬动触头。第二十七页，共57页。1.3.3时间继电器时间继电器的图形及文字符号：第二十八页，共57页。1.3.3时间继电器电动机式时间继电器它由同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构组成，电动式时间继电器延时时间长，可达数十小时，延时精度高，但结构复杂，体积较大，常用的有JS10、JS11系列和7PR系列。电子式时间继电器

早期产品多是阻容式，近期开发的产品多为数字式，又称计数式，其结构是由脉冲发生器、计数器、放大器及执行机构组成，具有延时时间长、调节方便、精度高的优点，有的还带有数字显示，应用很广，可取代阻容式、空气式、电动机式等时间继电器。我国生产的产品有JSJ系列和JS14P系列等。第二十九页，共57页。1.3.3时间继电器时间继电器的选用选用时间继电器时，首先应考虑满足控制系统所提出的工艺要求和控制要求，并根据对延时方式的要求选用通电延时型或断电延时型。对于延时要求不高和延时时间较短的，可选用价格相对较低的空气阻尼式；当要求延时精度较高、延时时间较长时，可选用晶体管式或数字式；在电源电压波动大的场合，采用空气阻尼式比用晶体管式的好，而在温度变化较大处，则不宜采用空气阻尼式时间继电器。总之，选用时除了考虑延时范围、准确度等条件外，还要考虑控制系统对可靠性、经济性、工艺安装尺寸等要求。

第三十页，共57页。1.3.4速度继电器

速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制，也称反接制动继电器。其结构原理如图1-20所示。。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，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。当电动机转速下降到接近零时，转矩减小，定子柄在弹簧力的作用下恢复原位，触头也复原。

第三十一页，共57页。1.3.4速度继电器图1-20

速度继电器结构原理图1—转子

2—电动机轴

3—定子

4—绕组5—定子柄6—静触头7—动触头8—簧片

图1-21

速度继电器的图形、文字符号a）转子b）常开触头c）常闭触头返回第三十二页，共57页。1.3.4速度继电器返回速度继电器的选用：速度继电器额定工作转速有300∼1000r/min与1000∼3000r/min两种。动作转速在120r/min左右，复位转速在100r/min以下。速度继电器有两组触头（各有一对常开触头和一对常闭触头），可分别控制电动机正、反转的反接制动。速度继电器根据电动机的额定转速进行选择。使用时，速度继电器的转轴应与电动机同轴连接，安装接线时，正反向的触点不能接错，否则不能起到反接制动时接通和分断反向电源的作用。第三十三页，共57页。1.4熔断器

熔断器是一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用。使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。熔断器的图形、文字符号如图1-23所示。

图1-23

熔断器的图形、文字符号

返回第三十四页，共57页。1.4.1熔断器的工作原理

1.安秒特性

熔断器的熔体串联在被保护电路中。当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而长期不熔断；当电路严重过载时，熔体能在较短时间内熔断；而当电路发生短路故障时，熔体能在瞬间熔断。熔断器的特性可用通过熔体的电流和熔断时间的关系曲线来描述，如图1-22。图1-22

熔断器的安-秒特性2.极限分断能力

通常是指在额定电压及一定的功率因数（或时间常数）下切断短路电流的极限能力，常用极限断开电流值（周期分量的有效值）来表示。熔断器的极限分断能力必须大于线路中可能出现的最大短路电流。极限分断能力与灭弧能力有关，与额定电流无关。第三十五页，共57页。1.4.2熔断器的选用

熔断器用于不同性质的负载，其熔体额定电流的选用方法也不同。

1.熔断器类型选择

其类型应根据线路的要求、使用场合和安装条件选择。

2.熔断器额定电压的选择

其额定电压应大于或等于线路的工作电压。

3.熔断器额定电流的选择

其定额电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。

第三十六页，共57页。1.4.2熔断器的选用4.熔体额定电流的选择

对于电炉、照明等电阻性负载的短路保护，熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流。在配电系统中，远离电源端的前级熔断器应先熔断。所以一般后一级熔体的额定电流比前一级熔体的额定电流至少大一个等级，以防止熔断器越级熔断而扩大停电范围。：保护单台电动机时，考虑到电动机受起动电流的冲击，可按下式选择：

轻载起动或起动时间短时，系数可取近1.5，带重载起动或起动时间较长时，系数可取2.5。第三十七页，共57页。1.4.2熔断器的选用

保护多台电动机，可按下式选择：

—容量最大的一台电动机的额定电流

—其余电动机额定电流之和

熔断器一般做成标准熔体。更换熔片或熔丝时应切断电源，并换上相同额定电流的熔体，不得随意加大、加粗熔体或用粗铜线代替。返回第三十八页，共57页。1.5低压开关和低压断路器

1.5.1低压断路器

低压断路器曾称自动空气开关或自动开关。它相当于刀开关、熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护、动作值可调、分断能力高的电器。

低压断路器与接触器不同的是：接触器允许频繁地接通和分断电路，但不能分断短路电流；而低压断路器不仅可分断额定电流、一般故障电流，还能分断短路电流，但单位时间内允许的操作次数较低。

返回第三十九页，共57页。1.5.1低压断路器

低压断路器由操作机构、触头、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。工作原理图如图1-24所示。低压断路器的主触头是靠手动操作或电动合闸的。主触头闭合后，自由脱扣机构将主触头锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器3的衔铁吸合，使自由脱扣机构2动作，主触头断开主电路。当电路过载时，热脱扣器5的热元件发热使双金属片向上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器6的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器4则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要远距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构2动作，使主触头断开。

第四十页，共57页。1.5.1低压断路器图1-24

底压断路器工作原理图1—主触头

2—自由脱扣机构

3—过电流脱扣器4—分励脱扣器

5—热脱扣器

6—欠电压脱扣器

7—起动按纽

图1-25

低压断路器的图形、文符号

第四十一页，共57页。1.5.2漏电保护器

漏电保护器是最常用的一种漏电保护电器。当低压电网发生人身触电或设备漏电时，漏电保护器能迅速自动切断电源，从而避免造成事故。

电磁式电流型漏电保护器由开关装置、试验回路、电磁式漏电脱扣器和零序电流互感器组成。其结构如图1-26所示。图1-26

电磁式电流型漏电保护器工作原理图1—电源变压器

2—主开关

3—试验回路4—零序电流互感器5—电磁式漏电脱扣器

第四十二页，共57页。1.5.2漏电保护器

当电网正常运行时，不论三相负载是否平衡，通过零序电流互感器主电路的三相电流的相量和等于零，因此其二次绕组中无感应电动势，漏电保护器也工作于闭合状态。一旦电网中发生漏电或触电事故，上述三相电流的相量和不再等于零，因为有漏电或触电电流通过人体和大地而返回变压器中性点。于是，互感器二次绕组中便产生感应电压加到漏电脱扣器上。当达到额定漏电动作电流时，漏电脱扣器就动作，推动开关装置的锁扣，使开关打开，分断主电路。

第四十三页，共57页。1.5.2漏电保护器漏电保护器的选用(1)漏电保护器的主要技术参数①

额定电压（V）

指漏电保护器的使用电压。规定为220V或380V。②

额定电流（A）

被保护电路允许通过的最大电流。③

额定动作电流（mA）

在规定的条件下，必须动作的漏电电流值。当漏电电流等于此值时，漏电保护器必须动作。④

额定不动作电流（mA）

在规定的条件下，不动作的漏电电流值。当漏电电流小于或等于此值时，保护器不应动作。此电流值一般为额定动作电流的一半。⑤

动作时间（s）

从发生漏电到保护器动作断开的时间。快速型在0.2s以下，延时型一般为0.2～2s。第四十四页，共57页。1.5.2漏电保护器(2)漏电保护器的选用①

手持电动工具、移动电器、家用电器应选用额定漏电动作电流不大于30mA的快速动作的漏电保护器（动作时间不大于0.1s）。②

单台机电设备可选用额定漏电动作电流为30mA及以上、100mA以下快速动作的漏电保护器。③

有多台设备的总保护应选用额定漏电动作电流为100mA及以上快速动作的漏电保护器。第四十五页，共57页。1.5.3低压隔离器

低压隔离器也称刀开关。低压隔离器是低压电器中结构比较简单、应用十分广泛的一类手动操作电器，品种主要有低压刀开关、熔断器式刀开关和组合开关三种。

隔离器主要是在电源切除后，将线路与电源明显地隔开，以保障检修人员的安全。熔断器式刀开关由刀开关和熔断器组合而成，故兼有两者的功能，即电源隔离和电路保护功能，可分断一定的负载电流。

第四十六页，共57页。1.5.3低压隔离器1.胶壳刀开关

图1-28胶壳刀开关的结构图1—上胶盖

2—下胶盖

3—插座

4—触刀

5—瓷柄6—胶盖紧固螺母

7—出线座

8—熔丝

9—触刀座10—瓷底板11—进线座图1-29

胶壳刀开关的图形、文字符号

第四十七页，共57页。1.5.3低压隔离器2.铁壳开关

操作机构具有两个特点：一是采用储能合闸方式，在手柄转轴与底座间装有速断弹簧，以执行合闸或分闸，在速断弹簧的作用下，动触刀与静触刀分离，使电弧迅速拉长而熄灭；二是具有机械联锁，当铁盖打开时，刀开关被卡住，不能操作合闸。铁盖合上，操作手柄使开关合闸后，铁盖不能打开。图1-30

铁壳开关的结构图1—触刀

2—夹座

3—熔断器

4—速断弹簧5—转轴6—手柄

第四十八页，共57页。1.5.3低压隔离器3.组合开关

组合开关由动触头、静触头、方形转轴、手柄、定位机构和外壳组成。它的动触头分别叠装于数层绝缘座内，其结构和图形、文字符号如图1-31所示。当转动手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动，并使静触头插入相应的动触片中，接通电路。图1-31

组合开关的结构和图形、文字符号返回第四十九页，共57页。1.6主令电器

主令电器是在自动控制系统中发出指令或信号的电器，用来控制接触器、继电器或其他电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产机械的目的。

主令电器应用广泛、种类繁多。按其作用可分为：按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器（如脚踏开关、钮子开关、紧急开关）等。

返回第五十页，共57页。1.6.1按钮

起动按钮带有常开触头，手指按下按钮帽，常开触头闭合；手指松开，常开触头复位。起动按钮的按钮帽采用绿色。停止按钮带有常闭触头，手指按下按钮帽，常闭触头断开；手指松开，常闭触头复位。停止按钮的按钮帽采用红色。复合按钮带有常开触头和常闭触头，手指按下按钮帽，先断开常闭触头再闭合常开触头；手指松开，常开触头和常闭触头先后复位。

图1-32

按纽的结构图1、2—常闭静触头

3、4—常开静触头5—桥式触头6—

按纽帽7—复位弹簧图1-33

按纽的图形、文字符号a）起动按纽b）停止按纽c）复合按纽第五十一