第一篇 电气控制原理.ppt

逻辑及可编程序控制系统 逻辑及可编程序控制系统 电气控制系统 可编程序控制系统 逻辑及可编程序控制系统 1 教材 高等学校教材 小型可编程序控制实用技术 王兆义 机械工业出版社 2001年9月2 参考书目 电器逻辑控制技术 熊葵容 科学出版社 1998年2月 工厂电气控制技术 方承远 机械工业出版社 1992年 可编程序控制器 PC 基础及应用 杨长能 重庆大学出版社 1992年1月 可编程序控制器应用软件设计方法与技巧 陈春雨 电子工业出版社 1992年 第一篇电气控制原理 第一章常用的低压电器 本章主要介绍常用低压电器的结构 工作原理 型号 规格及用途等有关知识 同时介绍它们的图形符号及文字符号 为正确选择和合理使用这些电器打下基础 1 1电气的基本知识 一 电气的定义及分类定义凡是自动或手动接通和断开电路 以及能实现对电路或非电对象切换 检测 变换和调节目的的电气元件统称为电器 用途电器的用途广泛 功能多样 种类繁多 分类下面介绍几种分类方法 低压电器的分类 按工作电压等级分按动作原理分按用途分按工作原理分 按工作电压等级分 低压电器工作电压在交流1000V或直流1200V以下的各种电器 例如 接触器 起动器 刀开关 自动开关 熔断器 继电器 电阻器 主令电器等 高压电器工作电压高于交流1000V或直流1200v以上的各种电器 例如 交直流接触器 隔离开关 高压熔断器 避雷器等 按动作原理分 手动电器指需要人工直接操作才能完成指令任务的电器 例如 转换开关 控制按钮等 自动电器指不需人工操作 而是按照电的或非电的信号自动完成指令任务的电器 例如 自动开关 交直流接触器 继电器 高压断路器等 按用途分 控制电器 用于各种控制电路和控制系统的电器 例如接触器 控制器 起动器等 主令电器 用于自动控制系统中发送控制指令的电器 例如控制按钮 行程开关 万能转换开关等 保护电器 用于保护电路及用电设备的电器 如熔断器 热继电器 各种保护继电器 避雷器等 配电电器 用于电能的输送和分配的电器 例如高压断路器 隔离开关 刀开关 自动开关等 执行电器 指用于完成其种动作或传动功能的电器 如电磁铁 电磁离合器等 按工作原理分 电磁式电器依据电磁感应原理来工作的电器 例如交直流接触器 各种电磁式继电器等 非电最控制电器电器的工作是靠外力或其种非电物理量的变化而动作的电器 例如刀开关 行程开关 按钮 速度继电器 压力继电器 温度继电器等 二 电磁式电器 电磁机构电磁吸力与吸力特性反力特性和返回系数交流电磁机构上短路环的作用 电磁机构 电磁机构由吸引线圈 铁心 衔铁等儿部分组成 1 常用的磁路结构电磁式电器的感测部分 它的主要作用是将电磁能量转换成机械能量 带动触头动作 从而完成接通或分断电路 电滋机构由吸引线圈 铁心 衔铁等儿部分组成 2 吸引线圈吸引线圈的作用是将电能转换成磁场能量 按通入吸引线圈的电流种类不同 可分为直流线圈和交流线圈 常用的磁路结构 图1 1常用的磁路结构1 衔铁2 铁心3 吸引线圈 电磁吸力与吸力特性 一 公式 1 1 电磁铁的吸力公式 公式 1 2 将公式 1 2 代入 1 1 整理得 式中 为电磁力最大值 为电磁吸力平均值 电磁吸力与吸力特性 二 吸力特性 是指电磁吸力Fat随衔铁与铁心间气隙 变化的关系曲线 如图1 2所示 反力特性和返回系数 反力特性 反作用力Fr与气隙 的关系曲线 如图1 2中的曲线3所示 返回系数 释放电压 或电流 与吸合电压 或电流 的比值 用 表示 具有电压线圈的电磁机构 具有电流线圈的电磁机构 交流电磁机构上的短路环的作用 问题引发 电磁机构在工作中 虽然电磁吸力的平均值F0大于Fr 但是 有些时候Fat仍然会小于F 如图1 3所示 由于在fat fr时 衔铁开始释放 当fat f0时 开始吸合 如此循环 会产生震动 产生噪音 解决方法 加入短路环 如图1 4所示 原理 短路环通过在通入电流的励磁线圈产生感应电流 从而产生一个新的磁通 将和产生相移 不同时为零 从而使合成吸力始终大于反作用力 从而消除震动和噪音 电器的触头系统和电弧 一 电器的触头系统1 作用 接通和分断电路作用2 要求 导电导热性良好 3 分类 a桥式触头 如图1 5a bb指形触头 如图1 5c 二 电弧的产生和灭弧办法1 电弧的产生2 灭弧的办法a电动力灭弧 如图1 6b磁吹灭弧 如图1 7c窄缝灭弧 如图1 8d栅片灭弧 如图1 9 电动力灭弧示意图 磁吹灭弧示意图 触头的结构模式示意图 窄缝灭弧装置示意图 栅片灭弧装置示意图 1 2开关电器 一 刀开关1 作用以及接线 2 主要类型 3 型号含义以及图形符号 如图1 10所示 二 转换开关1 组成及其结构示意图2 图形符号以及文字符号三 自动开关1 作用及分类2 自动开关的结构和工作原理3 自动开关的选择 图形符号 刀开关型号含义 刀开关的图形符号 转换开关结构示意图 转换开关图形符号以及文字符号 自动开关工作原理 自动开关图形符号 1 3熔断器 熔断器是最简单的有效的保护电器 串接在电路中 作为电路及用电设备的短路和严重过载保护 主要用于短路保护 一 熔断器的结构和工作原理二 熔断器的类型三 熔断器的选择 熔断器的结构和工作原理 1 组成 由熔体 安装熔体的熔管组成 2 熔体 主要由易熔金属诸如铅 铜 锡 银锌及其合金制成 通常制成丝状或片状 3 熔管 装熔体的外壳 由陶瓷 绝缘钢或玻璃纤维等制成 并在熔断时兼有灭弧的作用 4 工作原理 被保护电路正常工作时 熔体不熔断 当超出负荷或短路时 电流过大 熔体发热熔断 5 保护特性 电流通过熔体产生的热量与电流的平方和电流通过的时间成正比 熔断器的类型 熔断器的选择 1 类型选择 根据线路要求 使用场合 安装条件等2 额定电压 U熔 U 线路工作电压 3 额定电流 I I熔4 熔体额定电流选择 a 阻性负载 Ifu I 其中 Ifu为熔体额定电流 I为电路的工作电流 b 保护电动机 Ifu 1 5 2 5 IN IN为电动机额定电流 c 保护多台电动机 Ifu 1 5 2 5 INMAX IN INMAX容量最大的电动机的额定电流 IN其余电动机的额定电流总和 1 4主令电器 一 主令电器是自动控制系统中用于发送控制指令的电器二 分类 按其作用分 1 控制按钮2 行程开关3 接近开关4 万能转换开关5 主令控制器 控制按钮 控制按钮 主要用于手动发出控制信号 主要由按钮帽 复位弹簧 桥式触头和外壳组成 具有常开触头和常闭触头 结构示意图如图1 18 行程开关 行程开关又称限位开关 是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制指令的主令电器 结构和文字符号如下图所示 接近开关 接近开关又称无触点行程开关 它不仅能代替有触点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 波面控制 检测零件尺寸 加工程序的自动衔接等 优点工作稳定可靠 寿命长 重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境 分类按其工作原理来分 有高频振荡型 电容型 感应电桥型 永久磁铁型 霍尔效应型等 万能转换开关 万能转换开关是一种多档式 控制多回路的主今电器 一股可作为各种配巴装置的远距离控制 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 调速和换向夕用 由于其换接的线路多 用途广 故有 万能 之称 目前常用的万能转换开关有LW5 LW6等系列 主令控制器 主今控制器是用来频繁地按顺序切换多个控制电路的主今电器 凸轮控制器 凸轮控制器是一种大型的手动控制器 凸轮控制器的文字符号为sA 万能转换开关 主令控制器的图形符号及触头在各档位通断状态的表示方法与凸轮控制器类似 1 5接触器 接触器是一种用来频繁地接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器 分类 按其主触头通过电流的种类 1 交流接触器2 直流接触器 交流接触器 交流接触器的工作原理当线圈通电后 线圈电流产生磁场 使静铁心产生电磁吸力将衔铁吸合 衔铁带动动触头动作 使常闭触头断开 常开触头闭合 当线圈断电时 电磁吸力消失 衔铁在反作用弹簧力的作用下释放 各触头随之复位 结构原理见P17 直流接触器 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 触头系统和灭弧装置等部分组成 直流接触器主触头常采用滚动接触的指形触头 通常为一对或两对 由于直流电弧比交流电弧难以熄灭 为此 直流接触器常采用磁吹式灭弧装置灭弧 类型及主要技术参数 常用的交流接触器有CJ10系列 是全国统一设计产品 可取代CJ0 CJ8等系列老产品 CJ1 CJ12B系列可取代CJ1 CJ2 CJ3等系列名产品 接触器的主要技术参数有 1 额定电压2 额定电流3 吸引线圈的额定电压 4 电气寿命和机械寿命5 额定操作频率次 h 接触器型号含义 接触器的选择 接触器的类型选择根据接触器所控制的负载性质来选择接触器的类型 额定电压的选择接触器的额定电压应大于或等于负载回路的电压 额定电流的选择吸引线圈的额定电压选择接触器的触头数量 种类选择 1 6继电器 继电器是一种根据某种输入信号的变化 而接通或断开控制电路 实现自动控制和保护电力拖动装置的自动电器 其输入量可以是电流 电压等电量 也可以是温度 时间 速度压力等非电显 而输出则是触头的动作 或者是电参数的变化 分类按工作原理电磁式继电器 感应式继电器 电动式继电器 热继电器和电子式继电器等 按输入信号的性质电压继电器 电流继电器 时间继电器 温度继电器 速度继电器 压力继电器等 按输出形式有触点和无触点两类 按用途控制用与保护用继电器等 电磁式继电器 电磁式继电器按吸引线圈电流的种类不同可分为 直流电磁式与交流电磁式继电器按继电器所反映的参数可分为 电流继电器 电压继电器 中间继电器和时间继电器 电磁式电流继电器 电流继电器的线圈与被测量电路串联 以反废电路电流的变化为不影响电路工作情况 其线圈匝数少 导线粗 线圈阻抗小 电流继电器又有欠电流和过电流继电器之分 电磁式电压继电器 电磁式电压继电器的结构与电磁式电流继电器相似 不同的是电压继电器的线圈为并联的电压线圈 所以匝数多 导线细 阻抗大 根据动作电压值的不同 电压继电器有过电压 欠电压和零电压继电器之分 电磁式中间继电器 电磁式中间继电器实质上为电压继电器 但它的触头对数多 触头容量较大 额定电流5到10A 动作灵敏 其主要用途为 当其他继电器的触头对数或触头容量不够时 可借助中间继电器来扩大它们的触头数或触头容量 趁到中间转换作用 热继电器 热继电器是利用电流的热效应原理来工作的保护电器 热继电器主要由热元件 双金属片和触头三部分组成 热继电器的图形及文字符号 时间继电器 时间继电器是一种利用电磁原理或机械动作原理实现触头延时接通或断开的自动控制电器 常用的有电磁式 空气阻尼式 电动式和晶体管式等 空气阻尼式时间继电器 空气阻尼式时间继电器 是利用空气阻尼原理获得延时的 它由电磁系统 延时机构和触头三部分组成 两种延时方式通电延时型 断电延时型 JS7 A系列时间继电器动作原理a 通电延时型b 断电延时型 时间继电器图形符号 速度继电器 速度继电器主要用作笼型异步电动机的反接制动控制 亦称反接制动继电器 它主要由转子 定子和触头三部分组成 转子是一个圆柱形永久磁铁 定子是一个笼型空心圆环 由矽钢片叠成 并装有笼型绕组 图形符号及文字符号 第二章电气控制线路的基本环节 1 电气控制系统图的类型及有关规定2 三相笼型异步电动机全压起动控制3 三相笼型异步电动机降压起动控制4 三相绕线转子异步电动机的起动控制5 三相异步电动机的转动控制6 三相异步电动机的制动控制7 直流电动机控制8 电动机控制的保护环节 2 1电气控制系统图的类型及有关规定 电气系统图一般有三种 电气原理图 电器布置图 电气安装接线图 在图上不同的图形符号表示各种电气元件 用不同的文字符号表示设备及线路的功能 状况和特征 各种图纸有其不同的用途和规定的画法 电气控制系统图电气原理图电器元件布置图电气安装接线图 电气控制系统图 GB4728 84 电气图用图形符号 GB7159 87 电气技术中的文字符号制订通则 电气原理图 总原则 简单清晰 采用电气元件展开的形式绘制内容 所有电气元件的导电部件和接线端点 但并不按照电气元件的实际布置位置 也不反应电气元件的大小 优点 结构简单 层次分明 适于研究 分析电路的工作原理 绘制的原则1 原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出 主电路就是从电源到电动机大电流通过的路径 2 原理图中 各电器元件不画实际的外形图 而采用国家规定的统一标准 文字符号也要符合国家规定 3 原理图中 各个电气元件和部件在控制线路中的位置 应根据便于阅读的原则安排 4 图中所有电器触头 都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出 5 各电气元件一般应按动作顺序从上到下 从左到右依次排列 可水平地布置或者垂直地布置 6 有直接电联系的交叉导线连接点 要用黑圆点表示 无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点 电器元件布置图 电器布置图主要是用来表明电气设备上所有电机电器的实际位置 为生产机械电气控制设备的制造 安装 维修提供必要的资料 电器布置图可按电气控制系统的复杂程度集中绘制或单独绘制 一般说来 电器设备应用粗实线表示简单的外形轮廓 电气安装接线图 电气控制线路安装接线图 是为了安装电气设备和电气元件进行配线或检修电器故障服务的 根据电器位置布置依合理经济等原则绘制的 图2 3是根据图2 l电气原理图绘制的接线图 2 2电动机控制的保护环节 按控制原理分 时序控制 位置控制 电流控制 电压控制按控制目的分 保护 起动 电动 自动循环 转向 调速 制动 测量 显示 报警作用 满足生产机械加工工艺要求 保证设备长期 安全 可靠无故障地运行 常用的保护环节 短路保护 过载保护 零压及欠压保护 弱磁保护 短路保护 短路电流的产生 电机 电器的绝缘 导线的绝缘损坏成线路发生故障 危害 很大的短路电流和电动力可能使电器设备损坏 常用的短路保护元件 熔断器和自动开关 过载保护 危害 电动机长期超载运行 绕组温升将超过其允许值 造成绝缘材料变脆 寿命减小 严重时会使电机损坏 过载电流越大 达到允许温升的时间就越短 常用的过载保护元件 热继电器 过电流保护 概念 过电流是指短时过电流就产生危害的现象 产生 不正确的起动和过大的负载引起的 保护措施 设过电流继电器 其动作值为起动电流的1 2倍左右 零电压和欠电压保护 零压保护的作用 在电动机运行中 如果电源电压因某种原因消失 那么在电源电压恢复时 如果电动机自行起动 将可能使生产设备损坏 也可能造成人身事故 对供电系统的电网 同时有许多电动机及其他用电设备自行起动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降 零压保护即防止电网失电后恢复供电时电动机自行起动的保护 欠压保护的作用 当电动机正常运行时 电源电压过分地降低将引起一些电器释放 造成控制线路工作不正常 甚至产生事故 电网电压过低 如果电动机负载不变 则会造成电动机电流增大 引起电动机发热 严重时甚至挠坏电动机 此外 电源电压过低还会引起电动机转速下降 甚至停转 因此 在电源电压降到允许值以下时 需要采用保护措施 及时切断电源 这就是欠电压保护 保护措施 通常是采用欠电压继电器 或设置专门的零电压继电器来实现 弱磁保护 危害 直流电动机在磁场有一定强度下才能起动 如果磁场太弱 电动机的起动电流就会很大 直流电动机正在运行时磁场突然减弱或消失 电动机转速就会