第1章-电气控制基础

第一节电气控制基础

电器：根据外界特定的信号和要求自动或手动接通或断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的接通、切断、保护、控制、调节等作用的设备。以继电器、接触器为基础的电气控制技术具有相当重要的地位可编程序控制器（PLC）是计算机技术与继电器、接触器控制技术相结合的产物，其输入、输出与低压电器密切相关。掌握继电接触器控制技术也是学习和掌握PLC应用技术必需的基础电器元件的分类：按工作电压等级分类:▪高压电器：AC1200V、DC1500V及以上电路中的电器。

▪低压电器：AC1200V、DC1500V以下电路中的电器。按动作原理分类：▪手动电器：通过人的操作发出动作指令的电器。

▪自动电器：产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器。按用途分类：

▪控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。

▪配电电器：用于电能的输送和分配的电器。

▪主令电器：用于自动控制系统中发送动作指令的电器。

▪保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。▪执行电器：用于完成某种动作或传送功能的电器。按工作原理分类电磁式电器依据电磁感应原理来工作，如接触器、各种类型的电磁式继电器等。非电量控制电器依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等。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第二节接触器1．结构

一、交流接触器

交流接触器结构图2．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。第二节接触器直流接触器的结构和工作原理基本上与交流接触器相同。在结构上也是由电磁机构、触点系统和灭弧装置等部分组成。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式灭弧装置灭弧。第二节接触器二、直流接触器

交直流接触器区别：交流接触器：线圈通以交流电，主触点接通、切断交流主电路。

●交变磁通穿过铁心，产全涡流和磁滞损耗，使铁心发热。

●铁心用硅钢片冲压而成以减少铁损。●线圈做成短而粗的圆筒状绕在骨架上以便于散热。●铁心端面上安装铜制的短路环，以防止交变磁通使衔铁产生强烈振动和噪声。●灭弧装置通常采用灭弧罩和灭弧栅。

直流接触器：线圈通以直流电，主触点接通、切断直流主电路。

●不产全涡流和磁滞损耗，铁心不发热。

●铁心用整块钢制成。●线圈制成长而薄的圆筒状。●250A以上的直流接触器采用串联双绕组线圈。●灭弧装置通常采用灭弧能力较强的磁吹灭弧装置。

第二节接触器三、接触器的符号与型号说明

接触器的符号交流接触器型号直流接触器型号接触器主要技术参数：线圈电压主触点额定电流、额定电压辅助触点额定电流、对数接触器极数接触器机械寿命、电寿命CJ

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意义说明举例：

直流接触器型号意义说明举例：

额定电压

交流接触器：127、220、380、500V直流接触器：110、220、440V交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接触器：40、80、100、150、250、400、600A额定电流

吸引线圈额定电压交流接触器：36、110（127）、220、380V直流接触器：24、48、220、440V第二节接触器四、接触器的主要技术指标

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。第二节接触器五、接触器的使用选择原则

选择接触器主要考虑的因素：接触器的使用类别应与负载性质相一致●控制交流负载应选用交流接触器

●控制直流负载则选用直流接触器

主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压主触点的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流接触器主触点的额完工作电流是在规定条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变

吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致

●接触器在线圈额定电压85％及以上时应能可靠地吸合主触点和辅助触点的数量应能满足控制系统的需要第三节继电器

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。

继电特性曲线：

继电器的重要参数：返回系数：k＝x1/

x2

●释放弹簧的松紧程度

●铁心与衔铁间非磁性垫片的厚薄

吸合时间：线圈接受电信号到衔铁完全吸台所需的时间

释放时间：

线圈失电到衔铁完全释放所需的时间

x2：继电器吸合值

x1：继电器释放值常用继电器：电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及温度、压力、计数、频率继电器等。

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％～350％)IN，直流为(70％～300％)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％～50％)IN

释放电流为(10％～20％)IN

●一般自动复位

电压继电器：

根据输入（线圈）电压大小而动作的继电器

过电压继电器：动作电压整定范围为(105％～120％)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(7％～20％)UN

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。小容量的接触器：电动机额定电流不超过5A的电气控制系统，可代替接触器来控制。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。固态继电器：由固体半导体元件组成的无触点开关器件。优点：工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、无火花、无动作噪音和使用方便等。缺点：过载能力低，易受温度和辐射影响，通断阻抗比小。应用：有逐步取代传统电磁继电器的趋势，还可应用于计算机的输入输出接口、外围和终端设备等传统电磁继电器无法应用的领域。四端有源器件：两个输入控制端，两个输出受控端。施加输入信号后，其输出呈导通状态，无信号时输出呈阻断状态。

耐高压的光电耦合：实现输入和输出之间的电气隔离。

直流固态继电器：输出采用晶体管。交流固态继电器：输出采用晶闸管。主要参数：输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输出漏电流等。时间继电器：继电器感应元件接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电器。类型：通电延时、断电延时、带瞬动触点通电（断电）延时触点：常开延时闭合、常闭延时断开、常开延时断开、常闭延时闭合

空气阻尼式：●包括电磁机构、工作触点及气室三部分，靠空气阻尼作用实现延时。●延时范围较宽、结构简单、工作可靠、价格低廉、寿命长。●延时时间有0.4～180s和0.4～60s两种规格。

电动式：

●包括同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构。●延时时间长，可达数十小时，延时精度高。●结构复杂，体积较大。电子式：●数字计数式，包括脉冲发生器、计数器、显示器、放大器及执行机构。●延时时间长、调节方便、精度高、应用广。●可取代阻容式、空气阻尼式、电动式等时间继电器。热继电器：专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，防止电动机过热而烧毁的保护电器。组成及工作原理：由双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及手动复位装置等组成。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。相数速度继电器：用于转速的检测，常用在三相交流异步电动机反接制动转速接近零时，自动切除反相序电源。转子：由一块永久磁铁制成，与电动机同轴相联，用以接受转动信号。圆环（笼型空心绕组）：转子（磁铁）旋转时，笼型绕组切割转子磁场产生感应电动势，形成环内电流，此电流与磁铁磁场相作用，产生电磁转矩，圆环在此力矩的作用下带动摆杆，克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动，并拨动触点改变其通断状态。触点：在摆杆左右各设一组切换触点，分别在速度继电器正转和反转时发生作用。调节弹簧弹力时，可使速度继电器在不同转速时切换触点改变通断状态。动作转速一般不低于120r/min，复位转速约在100r/min以下。工作时，允许的转速高达1000～3600r/min。正转和反转切换触点的动作，反映电动机转向和速度的变化。第四节开关用于供电线路和电气设备的短路保护的保护电器。结构简单、使用方便、价格低廉。熔体：熔断器的核心，通常用低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成，新型的熔体通常设计成灭弧栅状和具有变截面片状结构。当通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而切断电路，从而保护了电路和设备。外壳：安装熔体。熔断器的保护特性（安－秒）曲线

流过熔体的电流越大，熔断所需的时间越短。熔体的额定电流IfN是熔体长期工作而不致熔断的电流。结构形式：插入式螺旋式有填料密封管式无填料密封管式熔断器的选择：种类选择：由电控系统整体设计确定。额定电压：大于或等于实际电路的工作电压。额定电流：大于或等于实际电路的工作电流。熔体电流：●电路上、下两级都装设熔断器时，为使两级保护相互配合良好，两级熔体额定电流的比值不小于1.6:1。

●对于照明线路或电阻炉等没有冲击性电流的负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流，即IfN≥I1，式中IfN为熔体的额定电流，

I1为电路的工作电流。

●保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流IfN≥(1.5~2.5)IN，式中，IN为电动机额定电流。

●保护多台异步电动机时，若各台电动机不同时启动，则

IfN≥(1.5~2.5)INmax+ΣIN，式中：INmax为容量最大的一台电动机的额定电流，

ΣIN为其余电动机额定电流的总和。

开关是最普通、使用最早的电器。其作用是分合电路、开断电流。常用的有刀开关、隔离开关、负荷开关、转换开关(组合开关)、自动空气开关(空气断路器)等。开关有有载运行操作、无载运行操作、选择性运行操作之分；又有正面操作、侧面操作、背面操作几种；还有不带灭弧装置和带灭弧装置之分。刀口接触有面接触和线接触两种，线接触形式，刀片容易插入，接触电阻小，制造方便。开关常采用弹簧片以保证接触良好。开关分为低压隔离器和低压断路器第四节开关1.4.1低压隔离器1．刀开关

a)单极b)双极c)三极图刀开关是手动电器中结构最简单的一种，主要用作电源隔离开关，也可用来非频繁地接通和分断容量较小的低压配电线路。接线时应将电源线接在上端，负载接在下端，这样拉闸后刀片与电源隔离，可防止意外事故发生。

2.转换开关

转换开关又称组合开关，它的动、静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转动手柄时，每层的动触头随方形转轴一起转动，使动、静触头接通。

转换开关主要用来作为小容量电源开关或非频繁操作的电动机起、停开关。

1.4.2低压断路器低压断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。低压断路器具有多种保护功能(过载、短路、欠电压保护等)、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。1.5熔断器熔断器是一种结构简单、价格低廉、使用极为普遍的保护电器。它是根据电流的热效应原理工作的。使用时串接在被保护线路中，当线路发生过载或短路时，熔体产生的热量使自身熔化而切断电路。熔断器主要由熔体和绝缘底座组成。熔体为丝状或片状。熔体材料通常有两种：一种由铅锡合金和锌等低熔点金属制成，多用于小电流电路；另一种由银、铜等高熔点金属制成，多用于大电流电路。熔断器的选择

主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。根据被保护电路的需要，先选择熔体的规格，再根据熔体去确定熔断器的型号。熔断器熔体的额定电流不得超过熔断器的额定电流。

对于容量小的电动机和照明支线，常采用熔断器作为过载及短路保护，因而希望熔体的熔化系数适当小些。通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器。对于较大容量的电动机和照明干线，则应着重考虑短路保护和分断能力。通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器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、继电器或其它电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产机械的目的。常用来控制电力拖动系统中电动机的起动、停车、调速及制动等。常用的主令电器有：控制按钮、行程开关、接近开关，万能转换开关、主令控制器及其它主令电器如脚踏开关、倒顺开关、紧急开关、钮子开关等。本节仅介绍几种常用的主令电器。按钮开关结构示意图1.按钮开关：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。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。1、2－常闭触点3、4－常开触点5－桥式触点6－弹簧7－按钮帽

2.行程开关：用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短的控制电器。机械结构的接触式有触点行程开关：移动物体碰撞行程开关的操动头，使行程开关的常开触点接通和常闭触点分断。行程开关分类：外壳防护形式：开启式、防护式、防尘式。动作速度：瞬动、慢动（蠕动）。复位方式：自动复位、非自动复位。接线方式：螺钉式、焊接式、插入式。操作形式：直杆式（柱塞式）、直杆滚轮式（滚轮柱塞式）、转臂式、方向式、叉式、铰链杠杆式。用途：一般用途行程开关、起重设备用行程开关、微动开关。3.接近开关：电气结构的非接触式行程开关：运动着的物体接近它到一定距离时，发出信号，从而进行相应的操作。类型：高频振荡型、霍尔效应型、电容型、超声波型等。参数：动作距离、重复精度、操作频率及复位行程等。4.光电开关：光电结构的非接触式行程开关：运动着的物体接近它到一定距离时，通过光的发射和接收部件，发出信号，从而进行相应的操作。根据光的发射和接收部件的安装位置和光的接收方式的不同，分为对射式和反射式。作用距离从几厘米到几十米不等。

5．万能转换开关

万能转换开关是一种多档式，控制多回路的主令电器，一般可作为多种配电装置的远距离控制，也可作为电压表、电流表的换相开关，还可作为小容量电动机的起动、制动、调速及正反向转换的控制。其触头档数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称。

万能转换开关主要由操作机构、面板、手柄及数个