郝用兴主编华中科技大学出版社第二版机电传动控制课件第7章第一部分讲解

第7章 继电器接触器控制系统 本章重点:继电器接触器控制线路的基本控 制环节组成及其工作原理 7.1 常用低压电器 7.2 电气控制电路图的绘制与分析方法 7.3 继电器接触器控制线路的基本环节 7.4 典型生产机械控制线路的分析 7.5 继电器接触器控制线路设计 7.1 常用低压电器 低压电器是指电压在500V以下、用来接通或 断开电路，以及用来控制、调节和保护用电设备的 电器器具。 低压电器按动作性质可分为两类： 1、非自动电器：即没有动力机构，依靠外力来接 通或断开电路，如刀开关、转换开关、行程开关 等。 2、自动电器：即有电磁铁等动力机构，能按照指 令、信号或参数变化而自动动作，使工作电路接通 或切断，如接触器、继电器、自动开关等。 低压电器按其用途可分为三类： 1、控制电器：用来控制电动机的启动、反转、调 速、制动等动作，如开关电器、信号控制电器、电 磁启动器、接触器、继电器等。 2、保护电器：用来保护电动机，使其安全运行， 以及保护生产机械不受损坏，如：熔断器、过电流 继电器、热继电器等。 3、执行电器：用来操纵、带动生产机械和支撑和 保持机械装置在固定位置上的执行元件，如：电磁 离合器、电磁夹具等。 1、刀开关（用Q或QG表示） 7.1.1控制电器 内部均装有熔断器 刀开关安装时，手柄向上 电源线接在上端 单极、双极与三极几种 HD单投开关 HS双投开关 2、转换开关SA 电源线接到触点X1、X2、X3上，电动机定 子绕组的三根线接到触点D1、D2、D3上。 表中 X 表示触点接通，空格表示断开。 开关 万能转换开关 倒顺开关也叫转换开关。 它的作用是连通、断开电 源或负载，可以使电机正 转或反转，主要是给三相 小功率电机做正反转用的 电气元件，但不能作为自 动化元件 塑料壳脚踏开关 ：额定发热电流10A 额定工作电流：交流AC 250V/3.5A 380V/2A 直流DC 110V/0.5A 220V/0.4A 操作频率 320次/小时 外壳保护等级 IEC IP54 相对湿度 92% RH 机械寿命10万次 ，电子寿命50万 次。 3、 按钮SB 1按钮帽，2弹簧，3动断触头，4动合触头。 指示灯式按钮可装入信号灯 显示信号；紧急式按钮装有 蘑菇形钮帽，以便于紧急操 作；旋钮式按钮是用手扭动 旋转来进行操作。 4、 行程开关ST 工作原理与按 钮相似，动作时碰撞 行程开关的顶杆。 把放在终端位置用 以限制生产机械的极限 行程的行程开关称为终 端开关或极限开关STL。 接近开关是一种无触 点的行程开关，当金属 物体接近感应头，由于 电磁感应使金属物体内 产生涡流，振荡通过输 出回路输出控制信号。 直动式行程开关 动作原理同按钮类似，所不同的是：一个 是手动，另一个则由运动部件的撞块碰撞 。当外界运动部件上的撞块碰压按钮使其 触头动作，当运动部件离开后，在弹簧作 用下，其触头自动复位。 其结构原理如图所示，其动作原理与按钮 开关相同，但其触点的分合速度取决于生 产机械的运行速度，不宜用于速度低于 0.4m/min的场所。 直动式行程开关组成 1：推杆 2：弹簧 3：动断触点 5：动 合触点 规格/型号:LX19-K 适用于交流50Hz、电压至380V、直流至 220V的控制电路中，作控制运动机构的行程和变换运动方向或速 度之用。“K”表示开启式，无字母表示保护式。 滚轮式行程开关 当运动机械的挡铁(撞块)压到 行程开关的滚轮上时，传动杠连 同转轴一同转动，使凸轮推动撞 块，当撞块碰压到一定位置时， 推动微动开关快速动作。当滚轮 上的挡铁移开后，复位弹簧就使 行程开关复位。这种是单轮自动 恢复式行程开关。而双轮旋转式 行程开关不能自动复原，它是依 靠运动机械反向移动时，挡铁碰 撞另一滚轮将其复原 规格/型号:JLXK1-211M ; 用来控制运动机构的行程和变换运动的方 向或速度。JLXK1-11M中，JLX表示为机床电器；K表示为快速；1表示 为设计序号；表示为传动装置型式代号；11M分别表示为常开触头数量 ，常闭触头数量，密封式，适用于交流50Hz，电压至380V或直流电压至 220V的控制电路中。 微动开关 要求行程控制的准确度较高时，可采用 微动开关，它具有体积小、重量轻、工 作灵敏等特点，且能瞬时动作。微动开 关还用来作其他电器（如空气式时间继 电器、压力继电器等）的触点。 微动开关 适用范围:-4070; :额定负荷 0.1A60VDC(0.5A250AC) ; 寿命 10万次 ; 5、接触器KM 按钮按下时，线圈通电，静铁 心被磁化，动铁心被吸上，带动转 轴使触头闭合，从而接通线路。 接触器的基本参数有主 触点的额定电流，主触 点允许切断电流、触点 数、线圈电压、操作频 率、机械寿命和电寿命 等。目前生产的接触器 ，其额定电流最大可达 2500A，允许接通次数 为1501500次/h，其总 寿命可达到1500万2000 万次。 分类：分为交流和直流两种： （1）交流接触器：铁芯用硅钢片叠铆而成，并在 铁芯的端面上装有分磁环（也叫短路环），用于减 少振动。线圈匝数少，不适用于频繁启动工作制。 线圈通电 ，静铁心被磁 化，动铁心被 吸合， 使触 头动作。 （2）直流接触器：直流接触器没有涡流的存在， 因此铁心一般用软钢制成圆形。线圈无冲击电流， 寿命长，适用于频繁启、制动场合。 线圈2通电， 铁心1被磁化，衔 铁3被吸上，使动 触头5闭合，铺助 触头6闭合。 选择接触器主要依据以下数据： 电源种类（交流或直流）； 主触点额定电压和额定电流； 辅助触点的种类、数量和触点的额定电流； 电磁线圈的电源种类、频率和额定电压，额 定操作频率等 型号意义： CJ12-250/3 表示CJ12系列交流接 触器，额定电流250A，三个主 触点。 CZO-100/20表示CZO系列直流接 触器，额定电流100A，有二个 常开主触点，无常闭主触点。 1吸引线圈，2动合主触头， 3动断主触头，4动合辅触头 ，5动断辅触头。 CJX2-d系列交流接触器主要用于交流50Hz(或60Hz)，额 定绝缘电压为660V，在AC-3使用类别下额定工作电压为380V 时额定工作电流至95A的电路中，供远距离接通和分断电路 ，并可与适当的热过载电器组成电磁起动器以保护可能发生 过载负荷的电路。接触器可组装积木式辅助触头组、空气延 时头、联锁机构等附件；组成延时继电器、可逆接触器、星 三角起动器。 对触点的要求是： 接通时导电性能良好、不跳（不振动）、噪音 小、不过热，断开时能可靠地消除规定容量下 的电弧。 接触器的触点可分为主触点和辅助触点。主触 点用以通断电流较大的主电路，一般由三对动 合触点组成；辅助触点用于通断小电流的控制 电路，由动合和动断触点成对组成。 触点按其接触形式可分为三种：即点接触、线 接触、面接触 灭弧装置 （a）简单灭弧法 （b）双断口灭弧法 图7.15 电动力灭弧 (1) 电动力灭弧 桥式触头在分断时具有电动力吹弧功能。当触头打开时 ，在断口中产生电弧，同时也产生磁场。根据左手定则 ，电弧电流要受到一个指向外侧的力F 的作用，使其向 外运动并拉长，迅速离开触头而熄灭。这种灭弧方法多 用于小容量交流接触器等交流电器中。 (2) 磁吹灭弧 在触点电路中串入吹弧线圈。该线圈产生的 磁场由导磁夹板引向触点周围，其方向由右 手定则确定，触点间的电弧所产生的磁场， 其方向为和所示。这两个磁场在电弧下方 方向相同(叠加)，在弧柱上方方向相反(相减) ，所以弧柱下方的磁场强于上方的磁场。在 下方磁场作用下，电弧受力的方向为F 所指的方向，在F的作用下，电弧被吹离触 点，经引弧角引进灭弧罩，使电弧熄灭。 (3) 栅片灭弧 灭弧栅是一组薄钢片，它们彼此间相互绝缘。当电弧 进入栅片时被分割成一段段串联的短弧，而栅片就是 这些短弧的电极，这样就使每段短弧上的电压达不到 燃弧电压。同时每两片灭弧片之间都有150V250V 的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，以 致外加电压无法维持，电弧迅速熄灭。此外，栅片还 能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却。基于上述原因， 电弧进入栅片后就会很快熄灭。由于栅片灭弧装置的 灭弧效果在电流为交流时要比直流时强得多，因此在 交流电器中常采用栅片灭弧。 6、继电器 K 按动作时间分为快速继电器、延时继电器、一 般继电器； 按执行环节的作用原理可分为有触点继电器、 无触点继电器； 按动作原理分为电磁式继电器、干簧继电器、 电动式继电器、热继电器、电子式继电器等。 继电器一般用来接通、断开控制电路，故电流容 量、触点、体积都很小，只有当电动机的功率很 小时，才可用某些中间继电器来直接接通和断开 电动机的主电路。常用的分类方法有： 按信号分类： （1）电流继电器 KA：电流继电器是根据电流信 号而动作的，串联在电路中反映负载电流的大 小。有欠电流继电器，过电流继电器 两种 （2）电压继电器 KV：电压继电器是根据电压信 号动作的。并联在电路中反映负载电压的大小。 电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器 两种。 （3）中间继电器 K：中间继电器本质 上是电压继电器，但还具有触点多（多 至六对或更多）、触点能承受的电流较 大（额定电流5A10A）、动作灵敏（ 动作时间小于0.05s）等特点。用途：传 递信号；同时控制多条线路。 中间继电器型号：JZ7 外形及尺寸： 27.621.534 触点材料：银合金 最大切换电流：5A 7A 主要用于交流50Hz,额 定工作电压至380V或直流 额定电压至220V的控制电 路中，用来控制各种电磁 线圈，以使信号扩大或将 信号同时传给多个有关控 制元件。 （4）热继电器 KH： 热继电器是根据控制对象的温度变化来 控制电流流通的继电器，即利用电流的 热效应而动作的电器。它主要用来保护 电动机的过载 发热元件1用镍铬 合金等材料直接串在 电动机的主电路中， 双金属片2是由两种膨 胀系数不同的金属辗 压而成。当电动机过 载时，通过发热元件1 的电流使双金属片2向 左膨胀，2推动3，3带 动4向左传使4脱开5， 5在11的拉动下顺时针 方向旋转，使动断触 头6与7断开，从而使 电动机得到保护。 热继电器 使用热继电器时应注意以下几个问题： a.为了正确地反映电动机的发热，在选用热继电器时应 采用适当的热元件，热元件的额定电流与电动机的额 定电流相等时，继电器便准确地反映电动机的发热。 b.注意热继电器所处的周围环境温度，应保证它与电动 机有相同的散热条件，特别是有温度补偿装置的热继 电器。 c.由于热继电器有热惯性，大电流出现时它不能立即动 作，故热继电器不能用作短路保护。 d.用热继电器保护三相异步电动机时，至少要用有两个 热元件的热继电器，从而在不正常的工作状态下，它 可对电动机进行过载保护。 应根据电动机的额定电流选择热继电器的型号、规格 及热元件的电流等级。目前常用的热继电器有JR14、 JR15、JR16等系列。 热继电器 3UA5040-1J 6.3-10A (5） 时间继电器 KT： 线圈通电后，衔铁 吸下，胶木块支撑杆之 间形成一个空隙，胶木 块在弹簧作用下向下移 动，活塞向下时受气体 压力不能迅速下降，室 外空气进入气室，活塞 逐渐下降，最后撞击微 动开关使其触点输出信 号。这段时间为自电磁 铁线圈通电时刻起至微 动开关触点动作为止的 时间。 西门子电子数显时间继电器 （6）速度继电器 KN（BV）速度大于一定值时其触 点动作。（动合触点闭合，动断触点断开。） 继电器的轴与需控制的电动 机轴相连，继电器轴上装有转子 ，永久磁铁，定子圆环内有绕组 ，当轴旋转时，永久磁铁旋转， 相当于一个永久磁场在空间旋转 在绕组中产生感应电势，产生力 作用于拉杆（定子）上，触点动 作，当转轴接近停止时，弹簧使 其拉杆复位，触点复位。 速度继电器是一种以转速为输入量的非电信号检测电器 ，它能在被测转速升或降至某一预定设定的动作时输出开关 信号，该电器可用在粮食，化工，纺织，电力，水泥及重型 机械等行业中做转速监测，控制和保护之用。 型号意义： JL3 电流继电器 ，3个常开触点。 JT4 交流通用继电器，4个常开触点。 JZY-44 中间继电器，4个动合，4个动断触点。 JRO-20/3 热继电器，额定电流20A，三个热元件， 加D表示有断相保护。 7.1.2 保护电器 熔断器 FU 7、自动空气断路器 QF （自动空气开关） 因此，它是熔断器、过电流继电器、热继电 器、欠电压继电器的组合。 图7.11 自动空气开关 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失压脱扣器； 7按钮 空气开关 三极 32A 三相四线 7.1.3 执行电器 （1）电磁铁YA 有交流电磁铁和直流电磁铁 电磁铁的工作原理与接触器的工作原理相同。它主要由励磁 线圈和铁心组成。线圈通电后产生磁场，由于衔铁与机械装 置相连接，所以线圈通电衔铁被吸合时就带动机械装置完成 一定的动作。 使用这种交流电磁铁时，必须注意使衔铁不要 有卡住现象，否则衔铁不能完全吸上而留有一 定的气隙，将使线圈电流增大而严重发热甚至 烧毁。交流电磁铁适用于操作不太频繁、行程 较大和动作时间短的执行机构 直流电磁铁的线圈电流与衔铁位置无关，但电 磁吸力与气隙长度关系很大，所以衔铁工作行 程不能很大，由于线圈电感大，线圈断电时会 产生过高的自感电势，故使用时要采取措施消 除自感电势（常在线圈两端并联一个二极管或 电阻）。直流电磁铁的工作可靠性好、动作平 稳、寿命比交流电磁铁长，它适用于动作频繁 或工作平稳可靠的执行机构。 （2） 电磁离合器 YC 种类：摩擦片式电磁离合器、电磁粉末离合器、电磁转差离 合器。靠摩擦产生力，使转动体移动。 离合器的工作原理： 离合器的主动部分和从动部分借接 触面间的摩擦作用，或是用液体作为传动介质（液力耦合 器），或是用磁力传动（电磁离合器）来传递转矩，使两 者之间可以暂时分离，又可逐渐接合，在传动过程中又允 许两部分相互转动。 图7.29 摩擦片式电磁离合器结构示意图 1-主动轴；2-从动齿轮；3-套筒；4-衔铁；5-从动摩擦片 ；6-主动摩擦片；7-集电环；8-线圈；9铁心 图7.30电磁工作台结构 电磁工作台较之机械夹紧装置具有许多优点： （1）夹紧简单、迅速、缩短辅助时间，夹紧 工件时只需动作一次，而机械夹紧需要固定许 多点； （2）能同时夹紧许多工件，而且可以是很小 的工件，既方便又提高生产率； （3）加工精度高，工件在加工过程中由于发 热变形时可以自由伸缩，不会产生弯曲，同时 对夹紧表面无任何损伤，但因工件发热，其热 量将传到电磁工作台使它变形，从而影响加工 精度，故为了提高加工精度，还需要冷却液冷 却工件，从而降低工件温度。 7.2电气控制电路图的绘制与分析方法 常见的电气控制系统图有电气原理图、 电气设备安装图、电气设备接线图。 7.2.1电气控制电路图的绘制 1.电气原理图 电气原理图反映了电气控制线路的工作 原理和各元器件的作用及相互关系。 绘制电气原理图一般需遵循以下规则： （1）电气控制线路分为主电路和控制电路。主电路用粗线 绘制，放在电气原理图的左侧；控制线路部分用细线画，放 于电气原理图的右侧。 （2）电气控制线路中的同一电器的各导电部件（如电器的 线圈和触点）常常不画在一起，但需用同一文字符号标明。 （3）电气控制线路中各电器的触点应按照没有通电或施加 外力状态绘出。如接触器、继电器等电器的触点绘制按其线 圈未通电状态绘制；按钮和行程开关等电器应按没有受到外 力时触点的状态绘制；主令电器应按将手柄置于“零位”时触 点的位置绘制。 2.电气设备安装图 在明确了电气原理图的基础上，需要确定各电气设备 在机械设备和电器控制柜中的实际安装位置。电气元 件的安装位置应由机械设备的结构和工作要求来决定 ，电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应 放在要取得信号的地方，电气元件应放在电控柜内， 操作元件则应放在操作方便的地方。电气设备安装图 中的代号应和相关电路图及其清单上的代号保持一致 ，在电气元件之间应留有导线槽的位置。 3.电气设备接线图 电气设备接线图的作用是在确定好电气设备安装图后 ，指导电气操作人员将各电气设备正确安装到相应位 置，同时电气设备接线图也是电气人员检查维修电气 电路的最直接参考依据，它反映了电气设备之间实际 接线情况。 绘制接线图时应把各电器元件的各部分（如触点与线 圈）画在一起；文字符号、元器件连接顺序、线路号 码编制都必须与电气原理图一致。 对于控制装置的外部连接线应在图上或用接线表示清 楚，并标明电源的引入点。 7.2.2 机床电气控制电路的分析步骤 1.熟悉机床 机床的基本结构、加工工艺过程、运动形式和 机床对电气控制的基本要求等 机床的各个运动形式是如何实现的。 各电动机的安装部位、作用、规格和型号。 各种电器的安装部位、作用以及各操纵手柄、 开关、控制按钮的功能和操纵方法。 机床的机械、液压发生直接联系的各种电器的 安装部位及作用。 2.主电路分析 从主电路入手，根据每台电动机和电磁阀等执行电器的控 制要求，去分析它们的控制内容，控制内容包括启动、方 向控制、调速和制动等。 3.控制电路分析 （1）分析控制环节 根据执行器件的控制要求，逐一找出控制环节，必要时划 分成若干个局部控制线路来进行分析。 （2）分析辅助电路 包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等 （3）分析联锁与保护环节 （4）总体检查 7.3继电器接触器控制线路基本 环节 定子绕组的接线方式 三相异步电动机定子绕组的首端和末端通常都接在电 动机接线盒内的接线柱上，一般按图所示的方法排列 ，这样很方便地就可以接成星形或三角形 . 7.3.1鼠笼型电动机的启动控制线路 7.3继电器接触器控制线路基本环节 笼型电动机有直接启动和降压 启动两种方式。 1.直接启动控制线路 （1）一般小型台钻和砂轮机 都采用开关直接启动 （2）采用接触器直接启动线路，许多中小型卧式 车床的主电动机都采用这种启动方式。 控制线路中的 接触器辅助触点 KM是自锁触点， 将这种用接触器 本身的触点来使 其线圈保持通电的 环节称为自锁环节。 2.降压启动控制线路 较大容量的笼型异步电动机一般都采用降压启 动的方式启动。降压启动可以限制启动电流， 减小启动时冲击。 笼型异步电动机的降压启动方式有星三角降 压启动、定子串电阻降压启动、自耦变压器降 压启动等。其中星三角降压启动控制线路和 定子串电阻降压启动控制线路最为常用。 1）星三角降压启动控制线路 在正常运行时，电动机定子绕组是联成三角形的，启 动时把它联接成星型，启动即将完成时再恢复成三角 形。目前4KW以上的J02、J03系列的三相异步电动机 定子绕组在正常运行时，都是接成三角形的，对这种 电动机就可采用星三角降压启动。 （2）定子串电阻降压启动控制线路 这种启动方式由于不受电动机接线形式的限制 ，设备简单，因而在中小型机床中也有应用。 机床中也常用这种串接电阻的方法限制点动调 整时的启动电流。 7.3.2电动机正反转控制线路 大多数机床的主轴或进给运动都需要两个 方向运行，故要求电动机能够正反转。 只要把异步电动机定子三相绕组任意两相 调换一下接到电源上去，电动机定子相序 即可改变，从而改变电动机转动方向。 1.电动机正反转线路 如果KM1、KM2同时通电动作？ 2.正反转自动循环线路 在实际加工生产中，有些机床的工作台或刀架等都需 要自动往复运动。 实质上是用行程开关来自动实现电动机正反转的。组 合机床、龙门刨床、铣床的工作台常用这种线路实现 往返循环。 7.3.3电动机制动控制线路 制动停机的方式有两大类：机械制动和电气制动。 机械制动指采用机械抱闸或液压装置制动； 电气制动指使电动机产生一个与原来转子的转动方向相反 的制动力矩。机床中经常用到能耗制动和反接制动两种电 气制动方式。 1.能耗制动控制线路 能耗制动是在三相异步电动机切除三相电源的同时，把定 子绕组接通直流电源，在转速为零时再切除直流电源。这 种制动方法实质上是把转子原来存储的机械能，转变成电 能，又消耗在转子的制动上，所以称作能耗制动。 2.反接制动 反接制动实质上是改变异步电动机定子绕组中 的三相电源相序，产生与转子转动方向相反的 转矩，来进行制动。具体是：当想要停机时， 首先将三相电源反接，当电动机转速接近零时 ，再将三相电源切除。 能耗制动与反接制动相比较，具有制动准确、平稳、 能量消耗小等优点。但制动力较弱，特别是在低速时 尤为突出。适用于要求制动准确、平稳的场合，如磨 床、龙门刨床及组合机床的主轴定位等。 反接制动，旋转磁场的相对速度大，定子电流也很大 ，制动效果显著。但制动过程中有冲击，对传动部件 有害，能量消耗大。适用于不太经常启制动的设备， 如铣床、镗床、中型车床主轴的制动。 7.3.4 电动机的保护线路 一、短路保护 作用：防止用电设备（电动机、接触器等 ）短路而产生大电流冲击电网，损坏电源 设备或保护用电设备突然流过短路电流而 引起用电设备、导线和机械上的严重损 坏。 常用的短路保护元件：熔断器和自动开 关。 （1）熔断器保护 FU 熔断器的熔体串联在被保护的电路中 当电路发生短路或严重过载时，它自动熔 断而切断电路，达到保护的目的。 （2）自动开关保护 自动开关又称自动空气熔断器，有短 路、过载和欠压保护。这种开