电气控制与PLC课件

1、第一章 常用低压电器,1.1 电器的基本知识 1.2接触器 1.3继电器 1.4 开关电器 1.5 熔断器 1.6 主令电器,2009-2-16,1,1.1 电器的基本知识,1.1.1 电器的定义及分类 1.1.2 电磁式低压电器的基本结构 和工作原理,1.1 电器的基本知识,2009-2-16,2,1.1.1 电器的定义及分类,1. 什么是电器？ 所谓电器就是根据外界施加的信号和要求，能自动或手动地分合电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电工器械。 低压电器通常指工作在交直流1200V及以下的电器. 电磁式低压电器采用电磁原理完成上述功

2、能的低压电器称为电磁式低压电器. 2.作用,定义与分类,2009-2-16,3,按控制作用分类 执行电器 用来完成某种动作或传递功率。例如：电磁铁。 控制电器 用来控制电路的通断。例如：开关、继电器。 主令电器 用来控制其它自动电器的动作，以发出控制“指令”。例如：按钮、转换开关等。 保护电器 用来保护电源、电路及用电设备，使它们不致在短路、过载状态下运行，免遭损坏。例如：熔断器、热继电器等。 按动作方式分 自动切换电器 按照信号或某个物理量的变化而自动动作的电器。 例如：接触器、继电器等。 非自动电器 通过人力操作而动作的电器。例如：开关、按钮等 。 按动作原理分类 电磁式电器 它是根据电磁

3、铁的原理工作的。 例如：接触器、继电器等。 非电磁式电器 它是依靠外力（人力或机械力）或某种非电量的变化而动作的电器。例如：行程开关、按钮、速度继电器、热继电器等,低压电器的分类,3. 常用低压控制电器分类,2009-2-16,4,常用低压控制电器分类,接触器,交流接触器,直流接触器,继电器,电磁式继电器,电压继电器,中间继电器,电流继电器,热继电器,时间继电器,直流电磁式,空气阻尼式,电动式,电子式,温度继电器,速度继电器,压力继电器,开关电器,低压断路器,刀开关,装置式,开启式,智能式,行程开关,直动式,滚动式,微动式,熔断器,管式,螺旋塞式,快速式,其它电器,如按钮、指示灯等,图1-1

4、常用低压控制电器分类,2009-2-16,5,1. 触头,触头是一切有触点电器的执行部件，这些电器通过触头的动作来接通或断开被控制电路。触头通常由动、静触头组合而成。 电接触:触点在闭合状态下动、静触点完全接触,并有工作电流通过时,称为电接触. （1）触点的接触形式 触点的接触形式有点接触、线接触和面接触三种。 点接触常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点或继电器触点,1.1.2 电磁式低压电器的基本结构和工作原理,电磁式低压电器大都由触头、灭弧装置和电磁机构组成,1.1.2 电磁式低压电器的基本结构和工作原理,2009-2-16,6,线接触 由于它的接触区域是一条直线，触点在通断过程中是滚

5、动接触。如图示：开始接触时，静动触点在a点接触，靠弹簧压力经b点滚动到c点，断开时作相反运动，这样可以自动清除触点表面的氧化膜。同时，长期工作的位置不是在易烧灼的a点，而是在c点，保证了触点的良好接触，这种滚动线接触多用于中等容量的触点，如接触器的主触点,面接触可允许通过较大的电流，这种触点一般在接触表面上镶有合金，以减小触点接触电阻和提高耐磨性。多用作较大容量接触器的主触点,图1-2 触点的接触形式,2009-2-16,7,2）触头的结构形式 触头的结构形式主要有单断点指形触头（多用于接触器的主触点）和双断点桥式触头（辅助触点,图1-4双断点桥式触头的结构,3）触点的初压力、终压力和超程,图

6、1-3 常见的触头结构,2009-2-16,8,4)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。 (5)触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头： 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；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。（线圈断电后所有触头复原,2009-2-16,9,电弧产生：当触头断开瞬间，（如电路中电压超过10V-12V和电流超过80-100mA）触头间距离极小，电场强度极大，触头间产生大量的带电粒子，形成炽热的电子流，产生弧光放电现象称为电弧。 （或在触

7、头断开瞬间，由于电场强度极大，使触点表面的自由电子大量益出而产生电弧） 电弧特点：外部有白炽弧光，内部有很高的温度和密度很大的电流。 常用的灭弧方法有：灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置。 (1)灭弧罩： 采用陶土和石棉水泥做的耐高温的罩子，用以降温和隔弧。可用于交流接触器灭弧,2.电弧的产生和灭弧方法,2009-2-16,10,2)灭弧栅,灭弧栅的结构图如下所示。图中1是灭弧罩，2和5分别为动、静触点，3 为金属栅片，4为电弧。灭弧栅是由许多镀铜薄钢片组成，片间距离为2-3mm，安放在触点上方的灭弧罩内，一旦出现电弧，电弧周围产生磁场，导磁的钢片将电弧吸入栅片，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，迅

8、速熄灭。这是一种常用的交流灭弧装置,图1-5灭弧栅灭弧示意图,2009-2-16,11,3)磁吹式灭弧,如图所示，在触点电路中串入一个具有铁心的磁吹线圈，它产生的磁通经过铁心3和导磁夹板5引向触点周围，在弧隙区产生的磁场方向如图中“”符号所示。电弧产生后其磁通方向如图中“”和“”所示。可见，在弧柱下磁吹线圈产生磁通与电弧产生的磁通是相加的,而在弧柱上面则彼此相消， 根据左手定则可确定出电弧在磁场中 所受电磁力F的方向是向上的。 由于电弧向上运动，将热量传 递给灭弧罩，促使电弧熄灭。 它广泛应用于直流接触器中,2009-2-16,12,4)多断点灭弧,在交流电路中常采用桥式触点，当触点分断时，两

9、个电弧在回路磁场产生电动力F的作用下，向两侧方向运动，使电弧拉长并受到冷却，电弧很易熄灭。另外，若一处断点要使电弧熄灭后重燃需要150250V，二处断点就需要300500V，所以有利于灭弧,图1-6 多断点灭弧,2009-2-16,13,电磁机构是电磁式低压电器的感测部件，其作用是将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开,从而实现电路的接通或分断. 电磁机构由磁路和激磁线圈两部分组成.磁路主要包括铁心、衔铁和空气隙. 激磁线圈通以电流后激励磁场,通过气隙把电能转换为机械能,带动衔铁运动以完成触点的闭合或断开,3. 电磁机构,激磁线圈的作用是将电能转换成磁场能量.按通入激磁线圈的电流种类不同

10、,可分为直流线圈和交流线圈.与之对应的有直流电磁机构和交流电磁机构.常用的磁路结构如图17所示,3. 电磁机构,2009-2-16,14,如图(a)衔铁沿棱角转动的拍合式铁心.此形式广泛应用于直流电器中.图(b、c)衔铁沿轴转动的拍合式铁心,其铁心形状有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.图(d)是衔铁直线运动的双E形直动式铁心,它多用于交流接触器、继电器中,图1-7 常用的磁路结构,2009-2-16,15,对于直流电磁机构线圈流过直流电，铁心中不会产生涡流和磁滞损耗，铁心不会发热，只有线圈发热。为加工方便，通常直流电磁机构的铁心用整块钢块或工程纯铁制成，为使线圈散热良好

11、，通常将线圈绕制成高而薄的瘦高型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热,对于交流电磁机构，由于其铁心存在涡流和磁滞损耗，这样铁心和线圈都发热，所以通常交流电磁机构的铁心用硅钢片冲压而成；且它的激磁线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样有利于铁心和线圈的散热,4. 电磁机构的工作原理,电磁机构的工作原理常用吸力特性与反力特性来表征。二者间的配合关系将直接影响电磁式电器的工作可靠性,电磁机构的工作原理示意图,2009-2-16,16,1）吸力特性： 电磁机构使衔铁吸合的力（电磁吸力）与气隙长度的关系曲线称为吸力特性,电磁吸力可按下式求得：F= S ) 式中：F 电

12、磁吸力，B 气隙磁感应强度,S 铁心截面积。 当S=常数时， FB2. 即F气隙磁通2。 激磁电流的种类对吸力特性有很大影响。下面两图分别为交、直流电磁机构的吸力特性,F与基本无关，I与成正比,FB21/2 I与无关,2009-2-16,17,2）反力特性： 电磁机构使衔铁释放的力与气隙长度的关系曲线称为反力特性,电磁机构使衔铁释放的力主要是弹簧的反力（忽略衔铁自身质量），如图中3为反力特性 1为起始位置，2为动、静触头接触时的位置。在1-2区域内，反作用力随气隙减小而略有增大，到达位置2时，动、静触头接触。这时触头上的初压力作用到衔铁上，反作用力骤增，曲线发生突变。在2 -0区域内，气隙越小

13、，触头压的越紧，反作用力越大，其曲线比1-2段陡,2009-2-16,18,吸力特性与反力特性的配合适当就可即保证衔铁产生可靠吸合动作，又可尽量减少衔铁和铁心柱端面间的机械磨损和触点的电磨损。为此，反力特性曲线应在吸力特性曲线的下方且彼此靠近,3）反力特性与吸力特性的配合,图 吸力与反力的配合,2009-2-16,19,此外，过大的冲击力有可能使触点产生弹跳现象，从而导致触点的熔焊或烧损，也即会引起严重的电磨损，降低触点的使用寿命,吸力过小时，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当，才有助于电器性能的改善。 在实际应用中，可通过改变释放弹簧的松紧来

14、实现吸力特性与反力特性的适当配合,2009-2-16,20,存在问题：由于单相交流电磁机构铁心的磁通是交变的，故当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下，将被拉开，磁通过零后，电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。这样，在交流电每周期内衔铁吸力要两次过零，如此周而复始，使衔铁产生强烈振动和噪声，甚至使铁心松散，因此交流电磁机构铁心端面上部安装一个铜制的短路环，短路环包围铁心端面约2/3的面积，如图所示,4）单相交流电磁机构短路环的作用,2009-2-16,21,当交变磁通穿过短路环所包围的截面积S2时在环中产生涡流，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通2在相位上落后

15、于短路环外铁心截面S1中的磁通1，由1、2产生的电磁吸力为F1、F2，作用在衔铁上的合成电磁吸力是F1+F2。只要此合力始终大于其反力，衔铁就不会产生振动和噪音,思考题：对于交流电磁机构线圈通电后，衔铁长时间被卡死不能吸合会产生什么后果？为什么,2009-2-16,22,1.2 接触器,接触器是用来接通或切断电动机或其他负载主电路的一种控制电器。 1.2.1接触器的用途及分类 接触器最主要的用途是控制电动机的启动、反转、制动和调速等。它具有低电压释放保护功能，具有比工作电流大数倍乃至几十倍的接通和分断能力，但不能分断短路电流。它是一种执行电器。 接触器种类很多，按驱动力不同可分为电磁式、气动式

16、和液压式。按接触器主触点控制的电路中电流种类分为交流接触器和直流接触器两种。按其主触点的极数（即主触点的个数）来分有单极、双极、三极、四极和五极等多种,1.2 接触器,2009-2-16,23,1.2.2 接触器的结构及工作原理,1.接触器的结构 如图示为交流接触器的结构示 意图，它由以下五个部分组成。 （1）电磁机构: 电磁机构其作用是将电磁能 转换成机械能，带动触点使 之闭合或断开。电磁机构由 电磁线圈、（静）铁心、衔 铁（动铁心）三部分组成,2009-2-16,24,2）主触点和灭弧系统,根据主触点的容量大小，有桥式触点和指形触点两种结构形式，且直流接触器和电流在20A以上的交流接触器均

17、装有灭弧罩，有的还带有栅片或磁吹灭弧装置,3）辅助触点,有常开和常闭辅助触点，在结构上它们均为桥式双断点形式，容量较小。其作用是在控制电路中起联动作用，用于和接触器相关的逻辑控制。辅助触点不设灭弧装置，因此它不能分合主电路,4）反力装置,该装置由释放弹簧和触点弹簧组成,5）支架和底座 它用于接触器的固定和安装,2009-2-16,25,图 交流接触器的外形与结构,a）外形 b）结构示意图,2009-2-16,26,2009-2-16,27,直流接触器,图 直流接触器结构示意图,2009-2-16,28,2.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

18、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,2009-2-16,29,1.2.3 接触器的技术参数和图形文字符号,1.接触器的主要技术参数,1）额定电压：指主触点的额定工作电压。 （2）额定电流：主触点的额定电流。 （3）线圈的额定电压：等于控制回路的电源电压。 表1-1 接触器的额定电压和额定电流及线圈额定电压的等级表,2009-2-16,30,4）机械寿命（1000万次以上）与电气寿命（100万次以上） （5）操作频率：每小时的操作次数 一般：300次/h、 600次/h（交流）、 12

19、00次/h（直流） （6）接通与分断能力：可靠接通和分断的电流值。 接通时：主触点不应发生熔焊。 分断时：主触点不应发生长时间燃弧,2009-2-16,31,2. 接触器的图形符号和文字符号,低压电器的型号表示法 国产常用低压电器的全型号组成形式如下,2009-2-16,32,接触器的型号、含义,2009-2-16,33,1.2.4 接触器的选择 1.根据所控制负载的工作任务选择相应使用类别的接触器；常见的接触器使用类别及其典型用途如表1-2所列。 表1-2 常见接触器使用类别及其典型用途表 2.类型的选择：直流或交流接触器 主触点额定电压的选择：大于等于负载额定电压。 主触点额定电流的选择：

20、大于等于负载额定电流。 3.接触器线圈的电压等级应与控制电路相同,2009-2-16,34,表1-3 新型CJ20系列接触器的主要参数,常用的交流接触器：CJ20、CJX1、CJX2、CJ12和CJ10等系列。引进品种：德国BBC公司的B系列，德国SIEMENS公司的3TB系列，法国TE公司的LC1系列等。 常用的直流接触器：CZ18、CZ21、CZ22、CZ10和CZ2等系列，CZ18系列是取代CZ0系列的新产品,2009-2-16,35,接触器的选用,类型的选择：直流或交流接触器 主触点额定电压的选择：大于等于负载额定电压。 主触点额定电流的选择： 额定电流大于计算值。 线圈电压： 交流：

21、380V 直流：220V,2009-2-16,36,1.3 继电器,继电器是根据某种输入信号接通或断开小电流的控制回路，实现远距离控制和保护的自动控制电器。 分类： *按输入信号的不同来分：有电压继电器、电流继电器、中间继电器、时间继电器和速度继电器等。 *按线圈电流种类不同分：有交流继电器和直流继电器。 *按使用范围不同分：有控制继电器和保护继电器 *按动作原理不同分：电磁式继电器、感应式、电动式、电子式和热继电器,1.3 继电器,2009-2-16,37,1.3.1 电磁式继电器的结构、作用和特性,1. 电磁式继电器的结构 电磁式继电器的结构和工作原理与 接触器相似，也是由电磁机构和触 头

22、系统组成,2. 电磁式继电器的特性,电磁机构激磁线圈的电压（或电流）为其输入量，衔铁的位置为其输出量，输出量与输入量的关系称为输入/输出特性。如下图所示： 若用y代表电磁机构的输出量，并将衔铁处于吸合位置记作y=1，把衔铁处于释放位置记作y=0；用x表示电磁机构的输入量，x0表示电磁机构的动作值（又称吸合值），xf表示电磁机构的返回值（又称释放值,图 电磁式继电器结构示意图,2009-2-16,38,当输入x由零增大至x0以前，输出y为零 当x=x0时，继电器吸合，输出量为1； 若x再增大，y值保持1不变；当x减小到xf时，继电器释放，输出由1减到0，x再减小y值均为0。 即欲使继电器吸合xx

23、0, 欲使继电器释放xxf .令k= xf/ x0称为继电器的返回系数，且k1。 可见电磁机构的输入/输出特性为一矩形，此类矩形特性曲线也称为继电器特性,图 继电特性曲线,2009-2-16,39,K的取值： 一般继电器k应较小为0.10.4之间，这样当继电器吸合后，输入量波动较大时，不致引起误动作；欠电压继电器则要求较高的k值,k0.6,例某继电器k=0.66,吸合电压为额定电压90%，则电压低于额定电压的0.6690%60%时继电器释放，起到欠电压保护作用。 继电器另一参数是动作时间，它包括吸合时间、释放时间。 吸合时间：指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需时间。 释放时间：指从线圈失电到

24、衔铁完全释放所需时间。 一般继电器的动作时间为0.050.15s,快速继电器为0.0050.05s，它的大小影响着继电器的操作频率,2009-2-16,40,接触器与继电器的区别,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。 接触器：用于主电路、电流大，有灭弧置，一 般只能在电压作用下动作,2009-2-16,41,1.3.2.几种常用的电磁式继电器,一）电压继电器： 即触点的动作与线圈电压大小有关的继电器称为电压继电器。 使用时电压继电器的线圈与负载并联。按线圈电流的种类可分为交流和直流电压继电器，按吸合电压大小又可分为过电压和欠（零）电压继电器两种： (1)过电压继电器： 线圈在额定电压时，衔铁不产生吸合动作，只有当线圈电压高于其额定电压的某一值时，衔铁才产生吸合动作，对电路实现过电压保护。 过电压继电器是利用其常闭触点来完成过电压保护的。 交流过电压继电器吸合电压的调节范围为x=(1.051.2)UN （产品中没有直流过电压继电器,2009-2-