电气控制技术第1章常用控制电器

第一章常用控制电器,第一节概述,一、电器的定义,电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地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、变换和调节用的电气设备。,简而言之：,电器就是一种能控制电的工具,二、控制电器,控制电器能对电能进行分配、控制和调节。由控制电器组成的自动控制系统，称为继电接触控制系统。我们通常把工作电压在1200V以下的电器称为低压电器。控制电器主要是低压电器。,三、电器分类,控制电器的用途广泛，职能多样，因而品种规格繁多，工作原理各异，常用分类方法有：,操作方式,使用场合,原理结构,四、电器的作用,控制保护测量调节指示转换,常用低压电器的主要种类和用途如表1-1所示,五、电器触点,有触点电器电器通断的执行功能由触点来实现。无触点电器电器通断的执行功能不是由触点结构来实现，而是根据开关元件输出信号的高低电平来实现。混合式电器有触点和无触点结合的电器。,在执行通断任务的转换过程中，引入转换深度的概念,式中：RDK-断开或截止时，执行电路的电阻值RJT-接通或导通时，执行电路的电阻值,对于有触点电器,混合电器h介于二者之间,对于无触点电器,感测部分,电磁机构,执行部分,触头系统,第二节电磁式控制电器的工作原理,一、电磁机构,主要作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触头动作，接通或分断电路。1常用的磁路结构常用的磁路结构如图1-1所示。2吸引线圈吸引线圈的作用是将电能转换成磁场能量。,衔铁沿棱角转动的拍合式铁心,衔铁沿轴转动的拍合式铁心,双E型直动式铁心,1一衔铁2一铁心3一吸引线圈,二、电磁吸力与吸力特性,电磁式电器是根据电磁铁的基本原理而设计，电磁吸力是影响其可靠工作的一个重要参数。,1直流电磁机构的电磁吸力特性（二次曲线）2交流电磁机构的电磁吸力特性3反力特性,单相交流电磁机构要防止抖动,1-衔铁2-铁芯3-线圈绕组4-短路环,三、电器的触头系统,触头是电器的执行部分，起接通和分断电路的作用。触头也叫触点。触头的结构形式很多，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或信号电路，只能通过较小的电流。,触头按其原始状态可分为常开触头：原始状态时断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；常闭触头：原始状态时闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。常开触头又叫动合触头；常闭触头又叫动断触头。,主触头通常用常开触头(点);辅助触头既可用常开触头也可用常闭触头。,动触头：随衔铁运动而运动的触头;静触头：不作相对运动的触头。,触头按其结构形式,a.b-桥式触点c.-指形触点,四、电弧的产生及灭弧方法,在大气中开断电路时，如果被开断电路的电流超过某一数值，开断后加在触头间隙(或称弧隙)两端电压超过某一数值时，触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象，产生高温并发出强光，将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故，因此，在电器中应采取适当措施熄灭电弧。,常用的灭弧方法,1电动力灭弧,2磁吹灭弧,1-磁吹线圈2-绝缘套3-铁心4-引弧角5-导磁夹板6-灭弧罩7-动触点8-静触点,3灭弧栅,4.窄缝灭弧,第三节接触器,接触器，是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或分断交直流电路，并可实现远距离控制。其主要控制对象是电动机，也可用于电热设备、电焊机、电容器组等其它负载。它还具有低电压释放保护功能，接触器具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。,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,1结构,交流接触器,1一灭弧罩2一触头压力弹簧片3一主触头4一反作用弹簧5一线圈6一短路环7一静铁心8一弹簧9一动铁心10一辅助常开触头11一辅助常闭触头,交流接触器结构图,灭弧装置,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。,3、接触器的符号,额定电压,127、220、380、500V,5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A,额定电流,吸引线圈额定电压,36、110（127）、220、380V,四、交流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。,五、接触器的使用选择原则,第四节电磁式继电器,继电器是根据某种输入信号的变化，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。,继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：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；按工作原理可分为：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；按输出形式可分为：有触点和无触点两类；按用途可分为：控制用与保护用继电器等。,继电器分类,一、电磁式继电器的结构与工作原理,继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器。继电器的结构与接触器类似。与接触器不同的是，继电器用于通断控制电路，因此触头容量小，无灭弧系统；其动作参数可改变（调节），全部触头接于控制电路。工作原理也与接触器类似。,1-铁心2-旋转棱角3-释放弹簧4-调节螺母5-衔铁6-动触头7-静触头8-非磁性垫片9-线圈,二、特性及主要参数,1.特性输入-输出特性（继电器特性曲线）,X输入量Y输出量,X2-继电器吸合值，欲使继电器动作，输入量需大于此值。X1-继电器释放值，欲使继电器释放，输入量需小于此值。,继电器符号,2.技术参数,返回系数-继电器释放值与吸合值的比值，即：,可调整,一般继电器是低，主要是避免误动作。,欠电压继电器,继电器的另一个重要参数是：动作时间（吸合时间及释放时间），一般继电器的吸合时间与释放时间为0.050.15s，快速继电器为0.0050.05s，它的大小影响继电器的操作频率。,三、几种常用继电器,1.电压继电器过电压继电器-吸合整定值为保护线路额定电压的1.051.2倍，利用其常闭触点切断控制电路。欠电压继电器-释放整定值为线路额定电压的0.10.6倍，利用其常开触点切断控制电路。,线圈并联接入主电路线圈匝数多，线径细，阻抗大,电压继电器符号,2.电流继电器过电流继电器-吸合整定值：直流（1.14）Ie，交流（1.13.5）Ie，利用其常闭触点切断控制电路。欠电流继电器-释放整定值：（0.10.2）Ie，利用其常开触点切断控制电路。欠电流继电器只有直流产品。,线圈串联接入主电路线圈匝数少，线径粗，阻抗小,电流继电器符号,电流与电压继电器的区别：主要是线圈N。电压继电器(KA)多导线细检测负载电压并联接入电路。电流继电器(KI)少导线粗检测负载电流串联接入电路。,3.中间继电器中间继电器实质上是一种电压继电器，结构和工作原理与接触器相同。但它的触点数量较多，在电路中主要是扩展触点的数量。另外其触头的额定电流较大。,继电器的触点最多有四对。,4.时间继电器凡是感测元件通电或断电后，其触点要延迟一段时间才动作的电器叫做时间继电器。时间继电器在电路中起着控制时间的作用，用于继电接触控制系统中按时间参量变化规律进行控制。,常用的时间继电器的种类有：电磁式、空气阻力式、电动机式、半导体式以及最新的数字式。,(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h),(a)线圈一般符号(b)通电延时线圈(c)断电延时线圈(d)通电延时闭合动合（常开）触点(e)通电延时断开动断（常闭）触点（f）断电延时断开动合（常开）触点（g）断电延时闭合动断（常闭）触点（h）瞬动触点,延时继电器符号,图示是通电延时继电器；线圈位置调换180度，就是断电延时继电器。,半导体时间继电器,数字式（单片机控制的时间继电器）,第五节常用非电磁类继电器,非电磁类继电器的感测元件接受非电量信号(如：温度、转速、位移及机械力等)。常用的非电磁类继电器有：热继电器、速度继电器、干簧继电器、永磁感应继电器等。,一、热继电器(FR),热继电器主要用于电力拖动系统中电动机负载的过载保护。继电器结构与工作原理,作用：电动机的过载保护,利用双金属片受热弯曲去推动杠杆使触头动作,利用电阻值随温度变化而变化的特性制成,利用过载电流发热使易熔合金熔化而使继电器动作,型式：双金属片式,热敏电阻式,易熔合金式,结构：由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成。,热继电器,1-热元件2-双金属片3-导板4-常闭触头,双金属片式,1电流调节凸轮2a、2b簧片.3手动复位按钮4弓簧5主双金属片6下导板7上导板8常闭静触头9动触头10杠杆11复位调节螺钉12补偿双金属片13推杆14连杆15压簧,热继电器的连接,热元件串接于电动机的主电路中，常闭触点串接于电动机的控制电路中。,热继电器动作后，必须手动复位。热继电器的选择主要根据电动机的额定电流来确定热继电器的型号。在三相异步电动机电路中，对Y联结的电动机可选两相或三相结构的热继电器，一般采用两相结构的热继电器，即在两相主电路中串接热元件。对于三相感应电动机，定子绕组为联结的电动机必须采用带断相保护的热继电器。,使用热继电器注意事项：,二、速度继电器,速度继电器又称为反接制动继电器。它的主要用于笼型异步电动机的反接制动控制。它是靠电磁感应原理实现触头动作的。,1.电动机轴2.转子3.定子4.绕组5.定子柄6.常开触点7.常闭触点8.动触点9.簧片,干簧继电器是一种具有密封触点的非电磁式继电器。干簧继电器可以反映电压、电流、功率以及电流极性等信号，在检测、自动控制、计算机控制技术等领域中应用广泛。干簧继电器还可以用永磁体来驱动，反映非电信号，用作限位及行程控制以及非电量检测等。主要部件为干簧继电器的干簧水位信号器，适用于工业与民用建筑中的水箱、水塔及水池等开口容器的水位控制和水位报警。,三、干簧继电器,1.舌簧片2.线圈3.玻璃管4.骨架,第六节刀开关与低压断路器,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。,一、低压刀开关,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。,1.开关板用刀开关（不带熔断器式刀开关）,2.带熔断器式刀开关,3.负荷开关(1)开启式负荷开关,(2)封闭式负荷开关（铁壳开关）,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。刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。安装正确，作用在电弧上的电动力和热空气的上升方向一致，就能使电弧迅速拉长而熄灭，反之，两者方向相反电弧将不易熄灭，严重时会使触头、刀片烧伤，甚至造成极间短路。另外如果倒装，手柄可能因自动下落而引起误动作合闸，将可能造成人身和设备安全事故。,刀开关安装注意事项:,二、组合开关（转换开关）结构：静触头一端固定在胶木盒内，另一端伸出盒外，与电源或负载相连。动触片套在绝缘方杆上，绝缘方轴每次作90正或反方向的转动，带动静触头通。特点：结构紧凑，安装面积小，操作方便。用途：电源的引入开关；通断小电流电路；控制以下电动机。,（a）外形（b）符号（c)结构,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。,三、低压断路器,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。,万能式低压断路器结构图,塑壳式低压断路器原理图,1主触头2自由脱扣器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,塑壳式低压断路器原理图,1主触头2自由脱扣器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,线路短路或严重过载保护,塑壳式低压断路器原理图,1主触头2自由脱扣器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,远距离跳闸，对电路不起保护作用,塑壳式低压断路器原理图,1主触头2自由脱扣器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,线路短路或严重过载保护,塑壳式低压断路器原理图,1主触头2自由脱扣器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,线路过载保护,塑壳式低压断路器原理图,1主触头2自由脱扣器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,电动机的失压保护,低压断路器的选用原则,根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式，确定选用框架式、装置式或限流式等。一般而言，框架式断路器对短路电流的分断能力较装置式的大、体积也较大。通常，支线负荷采用非选择型二段式保护(过载延时和短路瞬时保护)，多选用装置式断路器；支干线选用过载延时和短路短延时保护，可采用非选择型二段式，也可采用选择型三段式保护，视其级间配合要求而定；干线(电源首端)的保护为主保护，应本着减少故障范围和保护动作可靠的原则选用主断路器。,第七节熔断器,熔断器是一种简单而有效的保护电器。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(绝缘座)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。,瓷插式熔断器,螺旋式熔断器,有填料式熔断器,无填料密封式熔断器,快速熔断器,自恢复熔断器,熔断器的安秒特性熔断器的动作是靠熔体的熔断来实现的，当电流较大时，熔体熔断所需的时间就较短。而电流较小时，熔体熔断所需用的时间就较长，甚至不会熔断。因此对熔体来说，其动作电流一动作时间特性即安一秒特性为一反时限特性，如图1-33所示。,熔断器特性,熔断器只能起到短路保护作用，不能起过载保护作用。如确需在过载保护中使用，必须降低其使用的额定电流，如8A的熔体用于10A的电路中，作短路保护兼作过载保护用，但此时的过载保护特性并不理想。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。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。,1.保护无起动过程的平稳负载如照明线路、电阻、电炉等时，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。,2.保护单台长期工作的电机熔体电流可按最大起动电流选取，也可按下式选取：IRN(1.52.5)IN式中IRN-熔体额定电流；IN-电动机额定电流。如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至33.5，具体应根据实际情况而定。,3.保护多台长期工作的电机（供电干线）IRN(1.52.5)INmax+ININmax-容量最大单台电机的额定电流。IN其余.电动机额定电流之和。,4.熔断器的级间配合为防止发生越级熔断、扩大事故范围，上、下级(即供电干、支线)线路的熔断器间应有良好配合。选用时，应使上级(供电干线)熔断器的熔体额定电流比下级(供电支线)的大12个级差。,第八节主令电器,控制系统中，主令电器是一种专门发布命