F《机电传动与PLC应用》教学.ppt

机电传动与PLC应用课程教学,工学一部自动化教学研究室赵中玉2012.12.8,课程定位,2,课程目标,3,学习方法与建议,4,课程基本概况,1,授课专业与学时分配,5,机电传动的定义：机电传动（又称电力传动或电力拖动）是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、速度调节，完成各种生产工艺过程的要求。PLC的定义：它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作为指令，并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。,课程定位：本课程是为热能与动力工程专业开设的一门学科基础课。培养目标：熟悉电气控制系统的基本控制电路，具有电气控制系统分析和设计的基本能力；掌握可编程控制器原理及编程方法，具备一定的PLC程序设计和PLC应用能力。即要求做到懂原理、会分析、能维护、精设计。授课专业：机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、测控技术与仪器、热能与动力工程、过程装备与控制工程学习方法：（1）打好继电器、接触器控制系统的基础，进而学习掌握PLC控制系统的应用；（2）注意学习内容的普及和发展需要；（3）学习时应注意掌握基本原理和应用规律；（4）加强实践技能训练做到理论和实践结合。,总学时：48学时,第一章常用低压电器,1.接触器的工作原理及应用2.低压断路器的应用；3.热继电器的应用。,1.断路器的内部结构；2.主令电器的工作原理。,本章重点,本章难点,低压电器的定义与分类,低压电器.是指工作在交、直流额定电压1000V以下，能根据外界信号和要求，自动或手动地接通或断开电路，断续或连续的改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换或调节作用的电气设备。,1.1.1电器及低压电器,1.1,1.1.2低压电器的分类,（1）低压电器按用途可分为以下几类：,a.低压配电电器,主要完成电能输送和分配。主要技术要求是分断强、限流效果好、动稳定性和热稳定性好。例如：刀开关、断路器、隔离开关等。,b.低压控制电器,主要用于电力拖动控制系统。主要技术要求是有一定的通断能力、操作频率高、机械寿命长。例如：接触器、继电器、电磁阀等。,c.低压主令电器,主要用于在控制系统中发送控制命令。主要技术要求是抗冲击能力强、操作频率高、机械寿命长。例如：按钮、行程开关、万能转换开关等。,d.低压保护电器,主要用于对控制线路和电气设备实施保护的电器。主要技术要求是有一定通断能力、可靠性高、灵敏性好。例如：熔断器、热继电器、电压继电器等。,e.低压执行电器,具有执行和传动功能的电器。例如：电磁铁、执行器等。,（2）按其他分类：,按电器的动作性质分：手动电器和自动电器按有无触点分：有触点电器和无触点电器按工作原理分：电磁式电器和非电量控制电器,电磁式接触器,1.2,1.2.1交流接触器的组成与结构,电磁机构是低压电器的感测元件，它的作用是将电磁能量转化成机械能量，带动触头动作使之闭合或断开，实现电路的接通或分断。电磁机构：由吸引线圈、铁心、衔铁组成。,1-衔铁2-铁心3-线圈,电磁机构,接触器是一种用于中远距离频繁地自动控制接通与断开电动机主电路及大容量控制电路的一种自动开关电器。,1-动触头2-静触头3-衔铁4-弹簧5-线圈6-铁心7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧,原理动画,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,触头系统,触头是一切有触点电器的执行部件。电器通过触头的动作来接通或分断控制线路。触头是由动、静触头组合而成。,a-点接触b-线接触c-面接触,（1）触头的接触形式,（2）电接触状态和接触电阻,减小接触电阻的方法：a.增加动静触点的压力；b.降低电阻系数；c.改变触点形式，去除氧化膜；,（3）触点分类,按触头控制电路分：主触头，辅助触头。按自然状态分：常开触点，常闭触点。,灭弧装置,当触头断开瞬间，触头间距离极小，电场强度极大，触头间产生大量的带点粒子，形成炽热的电子流产生弧光放电现象，称为电弧。妨碍电路的正常分断，触头受到严重腐蚀。,（1）电弧的产生,（2）灭弧方法,常用的灭弧方法有电动力灭弧、磁吹灭弧、栅片灭弧、灭弧罩几种。,接触器的图文符号及文字符号,接触器的型号,CJ,10,-,60,Z,Z,交流接触器,设计序号,Z-重任务X-消弧B-栅片去游离灭弧,极数表示,A、B-改型产品Z-直流线圈S-带扣钮,额定电流（A）,a）线圈,b）常开常闭主触点,c）常开常闭辅助触点,4,CZ,0,D,50,0,直流接触器,设计序号,额定电流（A）,常闭触点数量,常开触点数量,C-不带辅助触点C/22带辅助触点D不带辅助触点D/22带辅助触点,1,-,1.2.2接触器的主要技术参数和类型,接触器的主要技术参数有极数和电流种类，额定工作电压、额定工作电流（或额定控制功率），额定通断能力，线圈额定电压，允许操作频率，机械寿命和电寿命，接触器线圈的起动功率和吸持功率，使用类别等。,接触器铭牌上的额定电压是指主触头的额定电压。交流接触器的额定电压一般为220V、380V、660V及1140V；直流接触器一般为220V、440V及660V。辅助触头的常用额定电压：交流380V；直流220V。,接触器的主要技术参数-额定电压,接触器的主要技术参数-额定电流,接触器的额定工作电流系指主触头的额定电流。接触器电流等级为：6A、10A、16A、25A、40A、60A、100A、160A、250A、400A、600A、1000A、1600A、2500A及4000A。,接触器的主要技术参数-操作频率,交流接触器的操作频率一般为：300次/h1200次/h。直流接触器的额定操作频率比交流接触器的高。,1接触器极数和电流种类的确定,2根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。,3根据负载功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。,6接触器触头数和种类应满足主电路和控制电路的要求。,4根据接触器主触头接通与分断主电路电压等级来决定接触器的额定电压。,5接触器吸引线圈的额定电压应由所接控制电路电压确定。,接触器的选用,控制继电器,1.3,继电器是根据某种输入信号接通或断开小电流电路，实现远距离自动控制和保护的自动控制电器。,与接触器的区别：,继电器不直接控制电流较大的主电路，而是通过接触器或其他电器对主电路进行控制。,特点：,触点分断能力小、结构简单、体积、重量轻、反应灵敏、动作准确、工作可靠。,1.继电器可对多种输入量的变化做出反应，而接触器只有在一定的电压信号下才动作；2.接触器是用于切换小电路的控制电路和保护电路，而接触器是用来控制大电流电路；3.继电器没有灭弧装置，也无主辅触点之分等。,与接触器相似之处,不同之处,电磁式继电器的结构和工作原理与接触器类似，也是由电磁机构和触点系统等组成。,电磁式继电器的结构,1电磁机构,2触头系统,3调节装置,1-底座2-铁心3-释放弹簧4-调节螺母5-调节螺母6-衔铁7-非磁性垫片8-极靴9-触头系统10-线圈,1.3.1电磁式继电器,KA,电磁式继电器的特性,x2继电吸合动作值,x1继电器的释放值,y1继电器的输出值,电磁式继电器的特性,O,A）线圈,b）常开触点,C）常闭触点,KA,KA,KA,KA,KA,KV,A）线圈,b）常开触点,C）常闭触点,KV,KV,KV,KV,U,KA,A）线圈,b）常开触点,C）常闭触点,KA,KA,KA,KA,I,KV,U,KA,I,中间继电器实质上是一种电压继电器，其输入信号是线圈的通电和断电，输出信号是触点的动作。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。,1.3.2中间继电器,电流继电器用于电力拖动系统的电流保护和控制。其线圈常串联接入负载电路，且匝数少、导线粗、阻抗小。,1过电流继电器正常工作时，过流继电器不动作，过电流时衔铁吸合动作，其触点切断负载电路。常用常闭触点实现。,1.3.3电流继电器,主要用于频繁起动和重载起动的场合，作为电动机和主电路的过载和短路保护。,注意：通常交流过电流继电器的吸合电流调整范围为被保护电路额定工作电流的1.11.4倍，直流的为0.73.5倍。,通常直流欠流继电器吸合电流与释放电流的调节范围分别是额定工作电流的0.30.65倍和0.10.2倍，目前无交流欠流继电器。,电压继电器是反映电压变化的控制电器。其线圈与负载并联，以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。,1过电压继电器正常工作时，过电压继电器不动作，出现过电压时触点动作，从而保护电路或用电设备。用常闭触点来实现。,1.3.4电压继电器,2欠电流继电器正常工作时，线圈流过负载额定电流，衔铁处于吸合状态；当电流降低至释放电流时，衔铁释放，带动触头断开。常用常开触点实现。,主要用于直流电动机励磁电路和电磁吸盘的弱磁保护。,通常直流欠压继电器吸合电压与释放电压的调节范围分别是额定工作电压的0.30.5倍和0.070.2倍；交流欠压继电器吸合电压与释放电压的调节范围分别是额定工作电压的0.60.85倍和0.10.35倍。,3零电压继电器是欠电压继电器的一种特殊形式，正常工作时，其在额定电压下吸合，当电压达到额定电压的0.050.25倍时释放动作。常用于电路的零电压保护。用常开触点来实现。,注意：通常交流过压继电器的吸合电压（整定值）调整范围为被保护电路额定工作电压的1.051.2倍.,2欠电压继电器正常工作时，电压继电器动作，衔铁吸合，当电压降低至继电器释放电压时，衔铁释放，带动触头断开。常开实现。,1.3.5时间继电器,时间继电器是一种利用电磁原理或机械地动作原理实现触点延时接通和断开的自动控制电器。它广泛用于需要按时间顺序进行控制的电气控制线路中。,特点及应用:,电磁式时间继电器结构简单，价格低廉，但体积和重量较大，延时较短它利用电磁阻尼来产生延时，只能用于直流断电延时，主要用在配电系统。,晶体管式结构简单、延时范围广、精度高、消耗功率小、调整方便及寿命长。,空气阻尼式时间继电器延时范围较大(0.4s180s)，且不受电压和频率波动的影响；结构简单、寿命长、价格低。缺点：延时误差大，难以精确地整定延时值且延时值易受周围环境温度尘埃等的影响。对延时精度要求较高的场合不宜采用。,电动式时间继电器延时精度高，延时可调范围大，但结构复杂，价格贵。,（a）通电延时继电器图形符号,（b）阻尼式通电延时继电器示意图,通电延时继电器工作示意图,左凸右凹，延头瞬尾；右凹左凸，瞬头延尾。,（a）断电延时继电器图形符号,（b）阻尼式断电延时继电器示意图,断电延时继电器工作示意图,1.3.6热继电器（FR）,热继电器主要用于电气设备（以电动机为主）的过载保护。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。,热继电器的工作原理,热继电器主要由双金属片、触点、热元件、复位按钮、传动杆、拉簧、调节旋钮、复位螺丝和接线端子等组成。如图：,（a）热继电器图形符号（b）热继电器结构示意图,热继电器的选择原则,热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素，具体应按以下几个方面来选择。（1）热继电器结构型式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。（2）热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.051.1倍。（3）对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。,1.3.7速度继电器,速度继电器又称为反接制动继电器，主要用于三相鼠笼型异步电动机的反接制动控制。如图1.8所示为速度继电器的图形符号及原理示意图，它主要由转子、定子和触头3部分组成。,图1.8速度继电器的图形符号及原理示意图,1.3.8液位继电器,液位继电器主要用于对液位的高低进行检测并发出开关量信号，以控制电磁阀、液泵等设备对液位的高低进行控制。液位继电器的种类很多，工作原理也不尽相同，下面介绍JYF-02型液位继电器，其图形符号及结构示意图如图1.9所示。,图1.9JYF-02型液位继电器图形符号及结构示意图,（a）液位继电器（传感器）图形符号（b）液位继电器（传感器）示意图,1.3.9压力继电器,压力继电器主要用于对液体或气体压力的高低进行检测并发出开关量信号，以控制电磁阀、液泵等设备对压力的高低进行控制。如图1.10所示为压力继电器图形符号及结构示意图。,图1.10压力继电器图形符号及结构示意图,（a）压力继电器（传感器）图形符号（b）压力继电器（传感器）示意图,1.3.10固态继电器（SSR）,固态继电器(SOLIDSTATERELAYS)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”，它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。,图1.11固态继电器,固态继电器的结构及原理固态继电器由输入电路、隔离（耦合）和输出电路三部分组成。,SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关。,交流型固态继电器,图1固态继电器工作原理框图,图1是它的工作原理框图，图1中的部件-构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。,交流型SSR的电原理图,图2交流型SSR的电原理图,SSR的优缺点,优点,1）高寿命，高可靠2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好3）快速转换4）电磁干扰小,1）导通电阻也较机械触点的接触电阻大2）不能实现理想的电隔离3）成本较高4）工作可靠性低5）温度升高，负载能力将迅速下降6）触点组数少等,缺点,主令电器,1.4,主令电器用于发布操作命令以接通和分断控制电路的电器。主令电器应用广泛，种类繁多，常见的有按钮、行程开关、转换开关、主令控制器、选择开关、足踏开关等。,1.4.1按钮(SB),主要用于电气控制线路中，用于发布命令及电气联锁。,下表为按钮的电路图形符号和文字符号,（a）按钮图形符号（b）按钮示意图（c）急停按钮图形符号（d）急停按钮示意图图1.12按钮图形符号及结构示意图,按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，其图形符号及结构示意图如图1.12所示。触点采用桥式触点，额定电流在5A以下。触点又分常开触点（动断触点）和常闭触点（动合触点）两种。,按钮的结构、种类及常用型号,表1.1按钮颜色的含义,1.4.2行程开关,行程开关也称为位置开关或限位开关，它的结构、工作原理与按钮相同,其特点是不靠手按,而是利用生产机械某些运动部件的碰撞使触头动作，发出控制指令的，有自动复位和非自动复位两种。行程开关的种类很多，按其结构不同可分为直动式、滚轮式、微动式；按其复位方式可分为自动复位和非自动复位；按触头性质可分为有触头式和无触头式。,（a）直动式行程开关结构示意图,（b）微动式行程开关结构示意图,（c）旋转式双向机械碰压限位开关示意图,（d）行程开关图形符号,图1.14行程开关结构示意图及图形符号,无触点行程开关,无触点行程开关又称为接近开关，它可以代替有触头行程开关来完成行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、液位控制、零件尺寸检测、加工程序的自动衔接等。由于它具有非接触式触发、动作速度快、可在不同的检测距离内动作、发出的信号稳定无脉动、工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境等特点，在机床、纺织、印刷、塑料等工业生产中应用广泛。,图1.17接近开关的图形符号,1.4.3刀开关,作用：隔离电源，不频繁通断电路分类：按刀的级数分:单极、双极和三极按灭弧装置分：带灭弧装置和不带灭弧装置按刀的转换方向分为：单掷和双掷按接线方式分为：板前接线和板后接线按操作方式分为：手柄操作和远距离联杆操作按有无熔断器分：带熔断器和不带熔断器,（b）手柄操作,（a）直接手动操作,（e）三极单投刀开关符号,（c）一般图形符号,（d）手动符号,图1.18HD型单投刀开关示意图及图形符号,（f）一般隔离开关符号（g）手动隔离开关符号（h）三极单投刀隔离开关符号,单投刀开关的型号含义如下,其中，各设计代号的含义为：11中央手柄式；12侧方正面杠杆操作机构式；13中央正面杠杆操作机构式；14侧面手柄式。,1.4.3转换开关及凸轮控制器,1.转换开关,转换开关是一种多档位、多触点、能够控制多回路的主令电器，主要用于各种控制设备中线路的换接、遥控及电流表、电压表的换相测量等，也可用于控制小容量电动机的起动、换向和调速。,转换开关的工作原理和凸轮控制器一样，只是使用地点不同，凸轮控制器主要用于主电路，直接对电动机等电气设备进行控制，而转换开关主要用于控制电路，通过继电器和接触器间接控制电动机。,常用的转换开关类型主要有两大类，即万能转换开关和组合开关。,转换开关的图形符号和凸轮控制器一样，如图1.19-1所示。,（a）5位转换开关（b）4极5位转换开关图形符号（c）单极5位转换开关图形符号,图1.19-1转换开关及图形符号,转换开关的触点通断状态也可以用图表来表示，以图1.19-1（b）所示的4极5位转换开关为例，其开关触点通断状态表如表1.2所示。,表1.2转换开关触点通断状态表,2.凸轮控制器,凸轮控制器是一种采用手动操作，直接控制主电路大电流（10A600A）的开关电器。,（a）1极12位凸轮控制器示意图（b）5极12位凸轮控制器示意图,（c）1极12位凸轮控制器图形符号（d）4极5位凸轮控制器图形符号图1.19-2凸轮控制器的结构原理示意图及图形符号,熔断器,1.5,熔断器主要作短路保护之用。有时也可作为过载保护。,熔断器主要由熔体（保险丝）和熔管（熔座）组成。熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、银、铜及其合金制成，通常制成丝状和片状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。,1.熔断器的基本结构,2.熔断器的工作原理,熔断器是利用金属导体为熔体,串联于电路，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的电器。,电流通过熔体时产生的热量与电流平方和电流通过的时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短，这种特性称为熔断器的反时限保护特性或安秒特性，如图1.20所示。其中，Ir为熔体最小熔化电流，IN为负载额定电流，IrN熔体的额定电流。,图1.20熔断器的反时限保护特性,(1)额定电压：从灭弧的角度出发,规定熔断器所在电路工作电压的最高极限。(2)额定电流：指熔断器长期工作所允许的电流。(3)极限分断电流：指熔断器在额定电压下所能断开的最大短路电流。一般有填料的熔断器分断能力较高，可大至数十到数百千安。,3.熔断器的技术参数,4.熔断器的选择,(1)熔断器类型选择：类型要根据电气线路的要求、使用场合和安装条件来确定。(2)熔断器额定电压的选择：额定电压要大于或等于线路的工作电压。(3)熔断器额定电流的选择：额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。,(4)熔体额定电流的选择：1)对于民用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即可。2)在配电系统中,要采用多级熔断器保护,后级熔体的额定电流要比前级熔体的额定电流至少大一个等级。3）保护单台电动机时，熔断器额定电流的选择为：熔体的额定电流(1.52.5)电动机的额定电流。轻载系数可取1.5左右,重载系数可取2.5左右。,断路器,1.6,低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁的通断控制。在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。,功能：不频繁通断电路，并能在电路过载、短路及失压时自动分断电路。特点：操作安全，分断能力较高。分类：框架式（万能式）和塑壳式（装置式）结构：触头系统、灭弧装置、脱扣机构、传动机构。符号：QF,（a）断路器图形符号（b）断路器工作原理图1.21断路器工作原理示意图及图形符号,低压断路器的选择原则,（1）断路器类型的选择：应根据使用场合和保护要求来选择。如一般选用塑壳式；短路电流很大时选用限流型；额定电流比较大或有选择性保护要求时选用框架式；控制和保护含有半导体器件的直流电路时选用直流快速断路器等。（2）断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。（3）断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。（4）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。