第1章电气元件原理介绍.ppt

电气控制与PLC应用,主讲：盛娜,Email:sn1118,本课程考核为期末闭卷笔试和平时成绩考核相结合。学生的课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考试成绩（占70%）两部分构成，平时成绩中包括出勤、作业、实验、课堂提问、学习主动性等。,考核方式,本节课我们主要讲解电气控制回路中常用的一些电气元件，通过了解它们在回路中的作用，元件结构，工作原理来掌握它们平时运行的情况。,第1章低压电器及基本控制线路,1.1电器的基本知识1.2常用低压电器1.3电气控制系统图的类型及有关规定1.4电气控制的基本线路,1.1电器的基本知识,执行电器,控制电器,+,开关,按钮,继电器,接触器,行程开关,空气开关,时间继电器,热继电器,可编程序控制器,电机,电磁阀,机械设备,各种机床,电梯,洗衣机,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、控制、保护、检测、变换和调节目的的电气元件统称为电器。电器分类:分类方法很多，从使用角度进行分类,电器定义:,1.按工作电压等级分类,交流1200V或直流1500V以下例：接触器、控制器、起动器、刀开关、短路器、熔断器、继电器、电阻器、主令电器等交流1200V或直流1500V以上例：高压熔断器、隔离开关、高压短路器等,低压电器：,高压电器：,用于控制电路和控制系统例：接触器、继电器、控制器、起动器等,自动控制系统中发送控制指令,例：控制按钮、主令开关、行程开关、万能转换开关,用于保护电路及用电设备例：熔断器、热继电器、各种保护继电器、避雷器,2.按用途分类,控制电器：,主令电器：,保护电器：,用于完成某种动作或传动功能的电器例：电磁铁、电磁离合器等用于电能的输送和分配的电器例：高压断路器、隔离开关、刀开关、自动空气开关等,执行电器：,配电电器：,依据电磁感应原理来工作,例：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,例：交直流接触器、各种电磁式继电器,3.按工作原理分类,电磁式电器：,非电量控制电器：,靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。,电磁式电器的工作原理与结构特点,主要组成部分：感测部分执行机构,电磁式电器工作原理示意图,电磁机构,触头系统,电磁机构的结构型式按铁心型式分有单型、单型、螺管型、双型等；按动作方式分有直动式、转动式等。,（一）电磁机构作用：将电磁能量转换为机械能量，带动触头动作，从而完成接通或分断电路。组成：吸引线圈，铁心,衔铁等。,当吸引线圈通入一定的电压或电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，衔铁即被吸向铁心，从而带动衔铁上的触头动作，以完成触头的断开和闭合。,其工作原理是：,1.常用的磁路结构,交流：硅钢片叠加直流：整块铸铁或铸钢,直动式转动式,电压线圈：并联在电路中，匝数多、导线细。电流线圈：串联在电路中，匝数少、导线粗。交流线圈：短而粗，有骨架。直流线圈：细而长，无骨架。,衔铁沿棱角转动的拍合式铁心，如图1-1a所示。这种型式广泛应用于直流电器中衔铁沿轴转动的拍合式铁心，如图1-1b所示铁心形状有E形和u形两种。此种结构多用于触点容量较大的交流电器中。衔铁直线运动的双E型直动式铁心，如图l-1c所示。多用于交流接触器、继电器中。,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。对于直流电磁铁，因其铁心不发热，只有线圈发热，所以直流电磁铁的吸引线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触易于散热。对于交流电磁铁，由于其铁心存在磁滞和涡流损耗，这样线图和铁心都发热，所以交流电磁铁的吸引线圈设有骨架，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。,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。电磁铁的吸力可按下式求得式中F电磁吸力(N)，B气隙中磁感应强度(T)，S,(1-1),空气磁导率(H/m),铁芯截面积(m2),在气隙值及外加电压值一定时，对于直流电磁铁，电磁吸力是一个恒定值，但对于交流电磁铁，由于外加正弦交流电压，其气隙磁感应强度亦按正弦规律变化，即将式(1-2)代入式(1-1)整理得,(1-2),吸力特性-是指电磁吸力随衔铁与铁心间气隙变化的关系曲线。,对于直流电磁铁其励磁电流的大小与气隙无关，动作过程中为恒磁通势工作，其吸力随气隙的的减小而增加，所以吸力特性曲线比较陡峭。交流电磁铁的励磁电流与气隙成正比，在动作过程中为恒磁通工作。,交流电磁机构上短路环的作用根据交流电磁吸力公式可知，交流电磁机构的电磁吸力是一个两倍电源频率的周期性变量。它有两个分量；一个是恒定分量其值为最大吸力值的一半，另一个是交变分量；其幅值为最大吸力值的一半，并以两倍电源频率变化，总的电磁吸力F在从0到Fm的范围内变化，其吸力曲线如图I-3所示。,（二）、触头系统:作用：接通和分断电路特点：导电、导热性能良好。结构型式：桥式触头，指型触头,电器的触头系统和电弧,（a）点接触（b）面接触（c)线接触图触头的三种接触形式,接通次数多，电流大,电流不大，触点压力小,大电流,电弧的产生：在大气中断开电路时，如果被断开电路的电流超过某一数值，断开后加在触头间隙两端电压超过某一数能够查声值（在12-20V之间）时，则触头间隙中就会产生电弧。电弧的实质：电弧是一种气体放电现象，即触头间气体在强电场作用下产生自由电子，正、负离子呈游离状态，使气体由绝缘状态转变为导电状态，并伴有高温、强光。,电弧：,电弧产生后，伴随高温产生并发出强光，将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时还会引起火灾或其它事故。因此，在电器中应采取适当措施熄灭电弧。常用的灭弧方法：电动力灭弧-桥式双断口触头磁吹灭弧-在触头电路中串入一个磁吹线圈栅片灭弧-灭弧栅由多片镀铜薄钢片组成窄缝灭弧-利用灭弧罩的窄缝来实现灭弧,图电动力灭弧示意图,1、电动力吹弧这种灭弧方法不要专门灭弧装置，但电流较小时，电动力也小，多用在小容量的交流接触器中。当交流电流过零时，电弧更易熄灭。,图磁吹灭弧示意图,2.磁吹灭弧如图所示，在触头回路串一电流线圈，回路电流及其产生的磁通的方向如图所示。当触头分断产生电弧时，根据左手定则，电弧受到由纸面向里面的电磁力，使电弧拉长迅速冷却而熄灭。这种串联磁吹灭弧，电流越大，灭弧力越强。当线圈绕制方向定好后，磁吹力与电流方向无关。也可用并联磁吹线圈，这时应注意线圈的极性。,图栅片灭弧示意图,3.栅片灭弧在耐热绝缘罩内卡放一组镀锌钢片称为灭弧栅片。当触头分开时所产生的电弧由于电动力作用被推向灭弧栅片，电弧与金属片接触易于冷却，并且电弧被分割成许多段，每一个栅片相当于一个电极，当交流电弧过零时在新阴极表面产生阴极压降，使电弧被熄灭。栅片灭弧效果用在交流时比直流时好得多，交流电器多采用栅片灭弧。,4灭弧罩灭弧比灭弧栅片更为简单的是采用一个陶土和石棉水泥做成的耐高温的灭弧罩。电弧进入灭弧罩后，可以降低弧温和隔弧。在直流接触器的触点上广泛采用这种灭弧装置。,图窄缝灭弧装置,1.2常见的电气元件,断路器,接触器,熔断器,继电器,按钮,接近开关,转换开关,行程开关,主令电器,1、接触器,接触器是用于中远距离频繁地接通与断开交直流电路及大容量控制电路的一种自动开关电器。主要用于自动控制交、直流电动机，电热设备、电容器组等设备。接触器具有大的执行机构，大量的主触头及迅速熄灭电弧的能力。,接触器按操作方式分为：电磁接触器、气动接触器、电磁气动接触器按灭弧介质分：空气电磁式接触器、油浸式接触器、真空接触器,按主触头控制的电路种类分：交流接触器、直流接触器、切换电容接触器等。其中应用最广泛的是空气电磁式交流接触器和空气电磁式直流接触器，简称交流接触器和直流接触器。接触器有电磁机构、触头系统、灭弧装置、释放弹簧、触头弹簧、触头压力弹簧、支架及底座等组成。电磁机构有线圈、铁心和衔铁组成，用作产生电磁吸力，带动触头动作。触头系统有主触头和辅助触头两种，中小容量的交、直流接触器的主、辅触头一般采用直动式双断口桥式触头，大容量的主触头采用转动式单断点指形触头。辅助触头在结构上通常是常开和常闭成对的。,交流接触器的图片：,由于接触器主触头用来接通或断开主电路或大电流电路，为了灭弧，小容量接触器常采用电动力吹弧、灭弧罩灭。大容量接触器常采用纵缝灭弧或栅片灭弧装置灭弧。直流接触器常采用磁吹式灭弧装置来灭弧。,电气元件交流接触器,交流接触器工作过程演示,交流接触器,交流接触器图片,交流接触器图片,交流接触器图片,电气元件交流接触器,交流接触器主要型号是CJ*，具体型号意义如下：,用途：远距离通断直流电路或控制直流电动机的频繁起停。结构：电磁机构、触头系统和灭弧装置。工作原理：与交流接触器基本相同。,2)、直流接触器,接触器的符号,接触器的主要技术指标,常用产品型号：CJ10、CJ12、CJ20、CJ40、3TB、3TD等,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。,接触器的使用选择原则,作用：控制、放大、联锁、保护和调节分类：按用途分：控制和保护继电器按动作原理分：电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式按输入量分：电流、电压、时间、速度、压力按动作时间分：瞬时、延时继电器特点：额定电流不大于5A,2、继电器,继电器与接触器的区别在于：继电器用于控制电路、电流小，没有灭弧装置，可在电量或非电量的作用下动作；而接触器用于主电路、电流大，有灭弧装置，一般只能在电压作用下动作。,继电器,继电器的主要特性是输入输出特性，又称继电特性，如图所示。,当继电器输入量x由零增至x2以前，继电器输出量y为零。当继电器输入量x增至x2时，继电器吸合，输出量为y1，如x再增加，y1值保持不变。当x减小到x1时，继电器释放，输出量由y1降到零，x再减小，y值均为零。,图继电器特性曲线,继电器的吸合值,继电器的释放值,一、电流继电器,特点：线圈串接于电路中，导线粗、匝数少、阻抗小。分类：过电流继电器、欠电流继电器,过流电流继电器,欠流电流继电器,电流继电器的图文符号,动作电流q：使电流继电器开始动作所需的电流值；返回电流f：电流继电器动作后返回原状态时的电流值；返回系数f：返回值与动作值之比，ff/q。,主要技术指标：,电流继电器的,特点：线圈并联在电路中，匝数多，导线细分类：过电压继电器和欠电压继电器结构原理：与电流继电器类似,二、电压继电器,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。,三、中间继电器,中间继电器主要用在控制电路中，起信号传递与转换作用以及同时控制多个电路。,中间继电器图片,作用：按整定时间长短通断电路分类：按构成原理分：电磁式电动式空气阻尼式晶体管式数字式按延时方式分：通电延时型断电延时型,四、时间继电器,(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,四、时间继电器,符号,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,五、热继电器,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。,2）文字符号：FR3）图形符号：,热元件,常闭触头,常开触头,热继电器是利用电流的热效应而动作的电器，它是用来保护电动机使之免受长期过载的危害。,将串联在电动机的控制电路中,发热元件将串联在电动机的主电路中,电气元件热继电器,热继电器的工作过程演示：,热继电器图片：,热继电器,电气元件热继电器,4）主要型号及技术参数常用的热继电器有：JR0、JR2、JR9、JR10、JR15、JR16、JR20、JR36等几个系列。,六、速度继电器,定义：速度继电器是将电动机的转速信号经电磁感应原理来实现触头动作的电器。其结构主要由定子、转子和触头系统三部分组成。定子是一个笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并嵌有笼型导条；转子是一个圆柱形的永久磁铁；触头系统有正向运转时动作的和反向运转时动作的触头各一组，每组各有一对常闭一对常开触头。,速度继电器主要用作笼型异步电动机的反接制动控制,又称为反接制动继电器.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，由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。,速度继电器,速度继电器,定子-由硅钢片迭成笼型空心圆环套在转子上，装有鼠笼型短路绕组。,符号,速度继电器,转子-圆柱形永久磁铁，与电动机同轴连接。,作用：根据速度的大小通断电路结构：定子、转子和触头原理：与异步电动机类似参数：动作转速：120rpm复位转速：100rpm,六、速度继电器,压力继电器,光电继电器,温度继电器,七、其它继电器,熔断器的结构及保护特性熔断器主要由熔体和绝缘底座组成。熔体为丝状或片状。熔体材料通常有两种：一种由铅锡合金和锌等低熔点金属制成，多用于小电流电路；另一种由银、铜等高熔点金属制成，多用于大电流电路。熔断器的主要特性为保护特性或安秒特性，即电流越大，熔断越快，其安秒特性如下图所示。,图熔断器的保护特性曲线（IN熔体额定电流）,第五节熔断器,作用：短路和严重过载保护应用：串接于被保护电路的首端优点：结构简单，维护方便，价格便宜，体小量轻分类：,熔断器,瓷插式熔断器,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,熔断器俗称保险丝，是进行短路保护的电器。当电路发生短路，负载电流超过额定电流许多倍时，熔体立既熔断，保护电路及用电设备不遭损坏。,若一台电机，熔丝的选择按：,Ifu=(1.52.5)IN,若多台电机，熔丝的选择按：,Ifu=Im/2.5+,可能出现的最大电流,熔丝的额定电流,电动机的额定电流,熔断器的主要技术参数有：（1）额定电压。应等于或大于所在线路的电压。（2）额定电流。是指不超过允许温升而允许长期通过的电流值。（3）熔体额定电流。是指长期流过熔体而熔体不熔断的最大电流值。（4）极限分断能力。是指熔断器在额定电压下能分断的最大电流值，其取决于熔断器的灭弧能力，与熔体额定电流无关。,一、低压开关作用：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,第六节低压开关和低压断路器,(1)开启式负荷开关（胶盖开关）作用：手动不频繁地通断电路及短路保护。特点：带有熔断器图文符号,图HK系列负荷开关(a)内部结构(b)图形符号1-瓷柄2-触刀3-出线座4-瓷底座5-静触头6-进出线7-胶盖,(a)内部结构,(b)图形符号,三刀开关控制手动电路,M3,FU,条件：电动机容量不得超过75KW，刀开关的额定电流应大于电动机额定电流的3倍,3,刀开关的图文符号,单掷刀开关,双掷刀开关,刀开关的缺点是：不宜带负载切断电源，电源电压消失后，不能自动复原。,(2)封闭式负荷开关（铁壳开关）作用：手动不频繁地通断电路及短路保护。特点：带灭弧装置和熔断器图文符号与胶盖开关相同,(3)、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。作用：用于电气设备中频繁地通断电路、换接电源和负载，测量三相电压以及控制小容量感应电动机用途：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,二、断路器,断路器的作用：低压断路器又叫自动空气开关，既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压过载和短路保护的电器。可用来分配电能，不频繁地启动异步电机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切断电路。,一旦发生过载或短路时,过流脱钩器将吸合而顶开锁钩，将主触头断开，从而起到短路保护作用。,M3,主触点,弹簧,连杆装置,锁钩,断路器,一旦发生过载或短路时,过流脱钩器将吸合而顶开锁钩，将主触头断开，从而起到短路保护作用。,M3,主触点,弹簧,连杆装置,锁钩,M3,主触点,弹簧,连杆装置,一旦电压严重下降或断电时，衔铁就被释放而使主触头断开，实现欠压保护作用。,M3,主触点,弹簧,连杆装置,一旦电压严重下降或断电时，衔铁就被释放而使主触头断开，实现欠压保护作用。,塑料外壳式断路器,电气元件断路器,1.4断路器符号和型号：,1)文字符号：QF,2)图形符号：,QF,QF,电气元件断路器,3）型号：主要有DZ15、DZ20、DZ47系列,DZ47-60,1）基本结构及工作原理：按钮是由感测部分和执行部分组成。感测部分有按钮帽、连杆、桥式动触头及复位弹簧，它们感知手动的主令信号。整个触头系统为执行部分，完成常闭触头的动断与常开触头的动合。2）文字符号：SB3）图形符号：,常开按钮,常闭按钮,复合按钮,SB,SB,SB,第七节主令电器按钮,图LA19系列按钮的内部结构1、2-动断触头3、4-动合触头5-动触点6-按钮帽7-复位弹簧,按钮,作用：通常用来短时间接通或断开控制电路的手动电器。,动合（常开）触头,动断（常闭）触头,按钮帽,复位弹簧,按钮的额定电流一般不超过5A,按钮的图片,电气元件按钮,4）按钮的使用：（1）选择时应根据所需的触头数、使用的场所及颜色来确定。常用的LA18,LA19,LA20系列按钮开关，适用AC500V,DC440V,额定电流5A，控制功率为AC300W,DC70W的控制回路中。（2）按钮颜色要求：“停止”和“急停”按钮必须是红色。当按下红色按钮时，必须使设备停止工作或断电。“起动”按钮的颜色是绿色。“起动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色，不得用红色和绿色。,电气元件按钮,“点动”按钮必须是黑色。“复位”(如保护继电器的复位按钮)必须是蓝色。当复位按钮还有停止的作用时，则必须是红色。,按钮的使用动画演示,转换开关的结构和工作原理1）基本结构及工作原理万能转换开关由操作机构、面板、手柄及数个触头座等主要部件组成。,主令电器万能转换开关,万能转换开关单层结构示意图,万能转换开关是一种多挡位、控制多回路的组合开关，用于控制电路发布控制指令或用于远距离控制。也可作为电压表、电流表的换项开关，或作为小容量电动机的起动、调速和换向控制。,电气元件万能转换开关,2）文字符号：SA3）图形符号：各触头在手柄转到不同档位时的通断状态用黑点“”表示，有黑点者表示触头闭合，无黑点者表示触头断开。,万能转换开关的电气符号及通断表,各档位电路通断状况表示有两种方法：一种是