第一章_常用低压电器

电气控制技术及可编程控制器 西南科技大学信息与控制工程学院武丽 目录 第一篇电器控制 20学时 第一章常用低压控制电器 6学时 第二章电气控制线路的基本原则和基本环节 10学时 第三章生产机械的电气控制 4学时 第二篇可编程控制器原理及应用 20学时 第四章可编程控制器的一般结构及基本工作原理 3学时 第五章西门子系列PLC的规格及系统构成 3学时 第六章SIEMENSPLC的指令系统及编程方法 10学时 第八章应用举例 4学时 主要参考书 1 工厂电气控制技术方承远主编机械工业出版社2 可编程序控制器原理及应用系统设计技术 三菱F系列及西门子S7系列 宋德玉主编冶金工业出版社3 可编程序控制器及系统 三菱及欧姆龙系列 邹金慧主编重庆大学出版社4 可编程序控制器网络通信及应用邱公伟主编清华大学出版社相关杂志 自动化仪表 自动化与仪表 工业自动化仪表 中国仪器仪表 电气自动化 电气控制技术的发展概述 电气控制技术的发展分为四个阶段 1 集中拖动 以一台电动机拖动多台设备 2 分散拖动 各个运动机构分别由不同电动机拖动 3 硬件电路控制 采用继电器 接触器及顺序控制器 4 软件控制 可编程控制器 可编程序控制器的发展及工控特点 一 可编程序控制器的发展概况 第一代PLC 一位机开发 磁芯存储器存储 单一的逻辑控制功能 第二代PLC 8位微处理器及半导体存储器 系列化产品 第三代PLC 高性能微处理器及位片式CPU 具有多功能及联网通信 第四代PLC 16位 32位微处理器 高性能位片式微处理器 RISC 具有逻辑控制功能 过程控制功能 运动控制功能 数据处理功能 联网通信功能 二 PLC及其网络是现代工业自动化的支柱 现代工业自动化三大支柱 PLC 机器人 CAD DAM 1 PLC集三电于一体工业自动化系统通常分成三类 第一类是控制开关量的逻辑控制系统 第二类是控制慢连续量的过程控制系统 第三类是控制快连续量的运动控制系统 以上三种控制系统传统上分别对应于不同的控制装置 逻辑控制用电控装置 电气控制装置即继电器接触器控制柜 过程控制用电仪装置 电动单元组合仪表 运动控制用电传装置 电气传动控制装置 所谓三电指的就是电控 电仪 电传 两种实现三电一体化的思路 一种是在网络一级实现三电一体化 把逻辑控制装置 过程控制装置 运动控制装置连入同一网络 则网络就成了三电统一的载体 在网络一级实现了三电一体化 另一种是在控制装置一级实现三电一体化 使一台控制装置既有逻辑控制功能 又有过程控制功能 还有运动控制功能 集散控制系统即DCS distributedcontrolsystem 系统沿着前一种思路发展三电一体化 它花费较大 适合于大型自动化系统 PLC则沿着后一种思路发展三电一体化 它灵活机动 三电一体集成度高 适合于各种规模的自动化系统 2 PLC网络的性能价格比高DCS系统普遍对通信网络采用了1 1冗余措施 PLC一般在网络级不采用1 1网络冗余 仅在关键部位选用冗余结构的PLC 三 PLC产品概览 1 PLC的几种流派PLC产品按地域大体可以分成三个流派 一个流派是美国产品 一个流派是欧洲产品 还有一个流派是日本产品 西门子S7系列PLC 欧姆龙C200H系列PLC 松下FP0系列PLC 2 三种流派的三类代表产品 表1三种流派的代表产品及网络结构 可编程序控制器的应用领域 中央空调电梯控制运动系统纺织机械木工机械污水处理包装机械 通用机械汽车制造立体仓库磨床印刷机械橡胶化工机械 第一章常用低压控制电器 第一节概述第二节接触器第三节继电器第四节熔断器第五节低压开关和低压断路器第六节主令电器 第一节概述 一 电器的分类 一 按工作电压等级分1 高压电器用于交流电压1200V 直流电压1500V及以上电路中的电器 如高压断路器 高压隔离开关 高压熔断器等 2 低压电器用于交流50Hz 或60Hz 额定电压为1200V以下 直流额定电压1500V及以下电路内起通断 保护 控制或调节作用的各种电器 如接触器 继电器等 二 按动作原理分1 手动电器 2 自动电器 三 按用途分1 控制电器用于控制电路和控制系统 如接触器 继电器2 配电电器用于电能的输送和分配 如高压断路器3 主令电器用于控制系统中发送动作指令 如按钮 转换开关4 保护电器用于电路及电器设备的保护 如熔断器 热继电器5 执行电器用于完成某种动作或传送功能 如电磁铁 二 自动控制系统中常用的低压控制电器 接触器 交流接触器 强力小接触器 继电器 电子时间继电器 热过载继电器 中间继电器 熔断器 低压熔断器 低压断路器 剩余电流保护断路器 小型断路器 位置开关 按钮及主控开关 主控和急停开关转换开关 第二节接触器 接触器是用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路 其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 接触器按其主触头所控制主电路电流的种类可分为交流接触器和直流接触器两种 一 接触器的结构和工作原理主要由电磁系统 触头系统和灭弧装置组成 如图所示 一 电磁系统电磁系统的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 1 电磁系统的结构形式如下图所示 根据铁心形状和衔铁运动方式 可分为三种 图a适用于直流接触器 图b其铁心形状有E形和U形两种 多用于触点容量较大的交流接触器 图c衔铁和铁心均为双E形 用于交流接触器 继电器 2 电磁线圈电磁线圈的作用是将电能转换成磁场能量 按通入电流种类的不同 分为直流线圈和交流线圈两种 对于直流电磁铁因其铁心不发热只有线圈发热 所以直流电磁铁的电磁线圈做成高而薄的瘦长型而不设线圈骨架 使线圈与铁心直接接触易于散热 对于交流电磁铁 因其铁心存在磁滞和涡流损耗 这样线圈和铁心都发热 所以交流电磁铁的电磁线圈设有骨架 使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型 这样做有利于铁心和线圈的散热 3 电磁系统的吸力特性和反力特性 1 吸力特性电磁吸力与气隙的关系曲线称为吸力特性 近似地表示为 式中 F为电磁吸力 B为气隙磁感应强度 S为铁心截面积当S为常数时 交流电磁机构的吸力特性当线圈外加电压U不变 交流电磁线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗 电阻相对很小 则 E 线圈感应电势 V f 线圈外加电压的频率 Hz 气隙磁通 Wb N 线圈匝数 当f N和U为常数时 由上式可知 为常数 则电磁吸力F为常数 即F与气隙 大小无关 实际上 考虑到漏磁通的影响 F随气隙 的减少略有增加 其吸力特性如右图 直流电磁机构的吸力特性根据磁路欧姆定律得 当外加电压U和线圈电阻不变时 I为常数 则 即电磁吸力F与气隙 的平方成反比 其特性曲线如上图 在一些要求可靠性较高或操作频繁的场合 一般宜采用直流电磁机构 2 反力特性电磁机构使衔铁释放的力一般有两种 一种是利用弹簧的反力 一种是利用衔铁的自身重力 其特性如右图曲线3 3 反力特性与吸力特性的配合电磁机构欲使衔铁吸合 在整个吸合过程中 吸力都必须大于反力 反之 则反力必须大于吸力 如上图 4 电磁机构的输入 输出特性设电磁机构励磁线圈的电压 或电流 为输入量x 衔铁的位置为输出量y 则衔铁位置与励磁线圈的电压 或电流 的关系称为电磁机构的输入 输出特性 通常称为 继电特性 如图下所示若将衔铁处于吸合位置记作y 1 释放位置记作y 0 若使吸力特性处于反力特性上方的最小输入量以xc表示 一般称其为电磁机构的动作值 使吸力特性处于反力特性下方的最大输入量以xf表示 一般称其为电磁机构的返回值 一般要求额定输入量xc大于xf 当输入量x xc时衔铁不动作 其S输出量y 0 当x xc时 衔铁吸合 输出量y从 0 跃变为 1 再进一步增大输入量使x xc 则输出量仍为y 1 当输入量x从xc减小的时候 在x xf的过程中虽然吸力特性向下降低 但因衔铁吸合状态下的吸力仍比反力大 所以衔铁不会释放 输出量y 1 当x xfl时 因吸力小于反力 衔铁才释放 输出量由 1 突变为 0 再减小输量 输出量仍为 0 可见 电磁机构的输入 输出特性或 继电特性 为一矩形曲线 二 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 1 触头的结构形式按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头 主触头 用于接通或断开主电路 允许通过较大的电流 辅助触头 用于接通或断开控制电路 只能通过较小的电流 按其原始状态可分为常开触头和常闭触头 常开触头 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 常闭触头 原始状态闭合 线图通电后断开的触头叫常闭触头 线圈断电后所有触头复原 2 触头的分类 1 按结构形式可分为桥型触头和指型触头 如图所示 2 按接触形式可分为点接触 线接触和面接触三种 如图所示 三 灭弧装置1 电弧的概念 P62 常用的灭弧装置 灭弧罩 灭弧栅 磁吹灭弧装置和多纵缝灭弧装置 四 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 二者是联动的 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 二 交流接触器交流接触器的结构如图所示 它主要用于分断和接通交流主电路 交流接触器中噪声的产生及消除 1 产生的原因交流电磁机构实际吸力曲线如右图 电磁机构在工作中 衔铁始终受到反作用弹簧 触头弹簧等反作用力Fr的作用 尽管电磁吸力的平均值F0大于 但在某些时候Fat仍将小于Fr 当Fat Fr时 衔铁开始释放 当Fat Fr时 衔铁又开始吸合 从而使衔铁产生振动 发出噪声 2 消除的方法在铁心端部开一个槽 槽内嵌入称为短路环的铜环 P8 三 直流接触器P9四 接触器的主要技术数据有选用原则 一 接触器的型号及代表意义P9 P11 二 接触器选用原则1 额定电压2 额定电流3 电磁线圈的额定电压4 触头数目5 额定操作频率 第三节继电器 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的继电器动作 其触头接通或断开交 直流小容量的控制问路 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 按动作原理分 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 一 电磁式继电器 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 一 电磁式继电器的结构与工作原理1 结构及工作原理 2 图形及文字符号 二 电磁式继电器的特性1 继电器的输入 输出特性又称继电特性 如下图 继电器吸合值 继电器释放值 2 主要参数 1 继电器的返回系数 K值一般要求在0 1 0 4之间 以防继电器误动作 欠电压继电器的k值在0 6以上 可以起到欠电压保护作用 2 吸合时间和释放时间吸合时间 从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间释放时间 从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间 一般继电器的吸合时间与释放时间为0 05 0 15s 快速继电器为0 005 0 05s 1 通过调节释放弹簧的松紧程度 2 调整铁心与衔铁间非磁性垫片的厚薄 称为继电器的返回系数 其值的改变有两种方法 三 电压继电器 P14表1 5 电压继电器反映的是电压信号 使用时 电压继电器的线国与负载并联 常用的有欠 零 电压继电器和过电压继电器两种 欠电压继电器 电路正常工作时 欠电压继电器吸合 当电路电压减小到某一整定值以下时 为30 50 UN 欠电压继电器释放 对电路实现欠电压保护 过电压继电器 电路正常工作时 过电压继电器不动作 当电路电压超过某一整定值时 一般为105 120 UN 过电压继电器吸合 对电路实现过电压保护 零电压继电器 当电路电压降低到5 25 UN时释放 对电路实现零电压保护 中间继电器实质上是一种电压继电器中间继电器 它的触头数目较多 电流容量可增大 起到中间放大 触头数目和电流容量 的作用 四 电流继电器电流继电器反映的是电流信号 使用时 电流继电器的线国与负载串联 常用的有欠电流继电器和过电流继电器两种 欠电压继流器 电路正常工作时 欠电流继电器吸合 当电路电流减小到某一整定值以下时 为10 20 UN 欠电流继电器释放 对电路实现欠电流保护 过电压继电器 电路正常工作时 过电流继电器不动作 当电路电流超过某一整定值时 一般为110 140 UN 过电流继电器吸合 对电路实现过电流保护 P15表1 6 二 干簧继电器 干簧继电器可以反映电压 电流 功率以及电流极性等信号的变化 1 组成 主要由干式舌簧片和励磁线圈组成 如下图 2 工作原理 当线圈通电后 管中两舌簧片的自由端分别被磁化成N极和S极而相互吸引 因而接通了被控制的电路 线圈断电后 舌簧片在本身的弹力作用下分开并复位 控制电路被切断 P16表1 7 三 自动控制用小型继电器 小型继电器适用于自动控制系统和电子线路 计算机接口线路 以JTX系列继电器为例JTX系列继电器分为交流 直流电压和直流电流三种型式 其组成及工作原理如右图 P17表1 8 四 热继电器 一 热继电器的结构与工作原理1 结构 如右图 热继电器一般用于三相异步电动机的长期过载保护 2 工作原理 二 断相保护热继电器1 结构 如右图2 工作原理 三 热继电器主要技术参数P19 四 热继电器的图形及文字 五 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 时间继电器的种类 电磁式 空气阻尼式 半导体式等 一 直流电磁式时间继电器 1 结构直流电磁式时间继电器在铁心的结构上与其它继电器不同 如右图 2 工作原理 当继电器通电吸合时 触头立即动作 当继电器断电时 延时打开常开触头和延时闭合常闭触头 继电器时间的长短靠改变铁心与衔铁间非磁性垫片的厚 延时短 薄 延时长 或改变弹簧的松 延时长 紧 延时短 来调节 P21表1 10 二 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 1 结构由电磁机构 延时机构和触头组成 如下图2 种类及延时方式种类 空气阻尼式时间继电器的电磁机构有交流 直流两种 相应的继电器就有交流和直流之分 延时方式 有通电延时型和断电延时型 3 工作原理 4 图形及符号 三 半导体时间继电器P23 六 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 1 结构 如右图 2 工作原理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 使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 3 图形及符号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 图形及符号如下图 第四节熔断器 熔断器在电路中主要起短路保护作用 熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管组成 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 一 常用的熔断器P25二 熔断器的主要特性 一 安秒特性熔断时间t与通过熔体的电流I的关系 如图 二 极限分断能力P25三 熔断器的选用 第五节低压开关和低压断路器 一 低压断路器1 作用 1 用于低压配电电路非频繁通断控制 2 在电路发生短路 过载或欠电压等故障时 自动分断电路 2 结构及工作原理如右图 3 低压断路器的类型 1 万能式断路器 或称为框架式断路器 作配电网络的保护开关 2 塑料外壳式断路器 除作作配电网络的保护开关外 还可用作电动机 照明电路及电热器的控制开关 3 快速断路器 用于半导体整流元件和整流装置的保护 4 限流断路器 用于短路电流相当大的电路中 4 低压断路器的选用 1 额电压大于或等于线路或设备的额定电压 电流大于或等于负载工作电流 2 断路器的通断能力大于或等于电路的最大短路电流 3 塑料外壳式断路器用在短路电流不太大的场合 限流式断路器用在短路电流相当大的场合 框架式断路器用在额定电流比较大或有选择性保护要求时 直流快速断路器用在起控制和保护的半导体器件直流电路中 5 图形及文字符号 2 类型 胶壳刀开关和铁壳刀开关两种 3 胶壳刀开关使用注意事项 1 安装时 手柄向上 不得倒装或平装 避免自动下落误动作合闸 2 接线时 电源线接在上端 负载线接在端 使拉闸后刀片与电源隔离 4 胶壳图形及符号 二 刀开关1 作用 1 非频繁接通和分断电路 2 将电路与电源隔离 三 组合开关1 作用 1 非频繁接通电路 换接电源和负载 2 测量三相电压以及控制小容量感应电动机 2 结构及图形 文字符号如右