讲义2015课件

1、电气控制与PLC技术讲义2015年3月1日绪论一、 电气控制与可编程控制器学习内容1、 什么是电气控制？1.1 什么是电气1） 电气与电器的区别：电气泛指一门学科，一门技术，电器指具体的用电设备。2） 使用背景：工厂。1.2 控制对象电机、电热设备、电容器组的投切等。本教材的控制对象以电机为主。（工厂主要动力源）1.3 怎样控制？举例：电动小车往返控制 本例涉及的问题 1） 控制对象：电机正反转、电机停止； 2） 指令的发出：控制按钮； 3） 指令的实现：电气控制电路。1.4 电气控制学习任务1）小车走行停止的控制过程可以抽象成下面框图： 2）学习任务：电器元件、 控制线路、读图 、设计典型的

2、控制统。2、 什么是可编程控制器？2.1 PLC（Programmable Logic Controller）。有自己的CPU，有数字量输入口 和数字量输出口。可以通过对PLC 的 编程实现对现场设备的逻辑控制。CPU对输入的数字量进行逻辑运算，并通过数字量输出口对现场设备进行控制。（数字控制器）2.2 随着PLC的发展，PLC具有通讯功能，也可以处理模拟量，所能完成的 控制不仅仅是逻辑。控制。PC(Programmable Controller)或PLC（Programmable Logic Controller）。2.3 本教材介绍的可编程控制器是西门子公司的S7-200（小型），现在西门

3、子公司在大量使用的PLC还有S7-300（中型），S7-400（大型）。3、 电气控制与可编程控制器有什么联系？3.1 PLC由传统的继电器控制技术上发展而来，学习PLC要有继电器控制系统知识基础。3.2 PLC控制系统现在迅速的取代以前传统的继电器控制系统，他比较继电器系统有很多优越性。3.3 PLC只是控制器，而我们第一部分学的低压电器有很多是执行部分，PLC控制器要控制这些具体的执行部分才能工作；同时，一些简单的电气控制线路在生产中仍有大量应用。第一章 常用电磁式低压电器1.1 概述1、 低压电器： 1）交流50Hz、额定电压1200V以下；2）直流额定电压1500V以下的电路中。2、

4、电磁式低压电器： 1）都有电磁机构； 2）是电气控制线路中的核心器件。1.2 电磁机构原理1.2.1 电磁机构1、电磁式低压电器的组成 感测与判断部分：电磁机构； 执行部分：触点。2、电磁机构的组成 铁心、衔铁、吸引线圈1） 图中，6为铁心，5为吸引线圈，4为衔铁，8为反力弹簧。 2）动作介绍：吸引线圈绕在铁心上，给吸引线圈通电，线圈产生的磁通作用于衔铁，当线圈吸力大于反力弹簧的作用力时，衔铁向下运动，同时带动接触器的触点动作，实现线路的接通。如果吸引线圈断电，衔铁在反力弹簧的作用下复位，线路恢复通电前的状态。3、 电磁机构分类1）按衔铁动作方式分：v 直动式（课本图1-1） 用于容量较小的交

5、流接触器继电器。v 拍合式（课本图1-2）。较直动式磨损小，用于大容量交流接触器 或直流接触器。2）按吸引线圈分类： 按线圈电源种类v 直流线圈：铁心不发热，线圈发热，线圈无骨架，做成高而薄的 瘦长型，线圈与铁心直接接触便于散热。v 交流线圈：铁心和线圈都发热，线圈设有骨架使线圈和铁心隔离，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。 按线圈连接方式v 电压线圈（并联线圈）：并联在电压源上，阻抗大，电流小，用 绝缘较好的导线绕制，以减少分流作用。v 电流线圈（串联线圈）：直接串在主回路中，匝数少，电流大， 用扁铜线、粗铜线等绕制，目的是减小线圈电阻，避免影响主回路正常工作。1.2.

6、2 交流电磁机构短路环由于所加交流电压有过零点，则线圈中的交流电流也有过零点，导致电磁吸力也有过零点，每个电压周期，有两个过零点，所以电磁铁吸合两次，释放两次，使电磁机构产生震动和噪音，因而不能正常工作。解决办法：加短路环，包围2/3铁心面积。加短路环后的磁通和电磁吸力：只要F=F1+F2电磁合力大于弹簧的反力，就能清除衔铁的电磁震动。1.2.3 电磁机构工作特性 吸力线圈通电后，会对衔铁产生吸力，同时反力弹簧会对衔铁产生与电磁吸力相反的作用力，这个作用力和气隙的大小密切相关。1） 吸力特性：电磁吸力与气隙的关系。根据线圈所加电源的不同，电磁机构又分为直流电磁机构和交流电磁机构。直流电磁机构和

7、交流电磁机构的吸力特性不同。 直流电磁机构吸力特性：电流恒定、受力随气隙变化。 交流电磁机构吸力特性：受力随气隙变化不大，电流变化大。 交流电磁机构和直流电磁机构的比较v 交流电磁机构有短路环来消除电磁振动， 而直流电磁机构没有v 交流电磁机构吸合时电流较大，而直流电磁机构电流不变，因此 较直流电磁机构，交流电磁机构不能频繁操作。v 交流电磁机构平均吸力受气隙影响比直流 电磁机构要小。2）反力特性（反力弹簧）：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系。1.2.4 电磁机构的输入输出特性 将线圈输入电压或电流设为x，输出y为衔铁位置，y=1表示衔铁吸合，y=0表示衔铁释放。在输入电压小于x2之前，衔铁

8、不能吸合，y=0，在等于x2时，衔铁吸合y=1，x2为吸合值，如果输入进一步增大，输出y不变，仍等于1 。当输入减小时，如果输入在x2和x1之间时，衔铁不能释放，当进一步减小到x1后，衔铁释放，输出y=0 。x1称为释放值。释放值和吸合值之比为返回系数或恢复系数。，一般小于1 。1.3 电磁式低压电器执行机构（触头、灭弧装置）触头系统组成v 动触头：触头的运动部分，动触头随着衔 铁动作。 v 静触头：触头的静止部分。当动触头和静触头接触时，回路接通。 v 灭弧装置：迅速熄灭动、静触头分断时产生的电弧。 v 导电部分：导通回路。1.3.1 电接触1、定义：触点在闭合状态下，动、静触点完全接触，并

9、有工作电流流过时，称为电接触。 2、 电接触形成条件： 动静触点闭合、触点接通回路并有电流流过。 3、讨论电接触的意义： 电接触的好坏直接影响到触头部分的寿命，这是由于触点接触时，在触点间会有一个接触电阻，接触电阻的大小会影响到触点的使用寿命和通流能力。1.3.1.1 接触电阻1、接触电阻定义：动、静触点闭合时，在过渡区形成的电阻。2、接触电阻的成因： a 触点表面凹凸不平； b 触点表面的氧化。3、接触电阻的危害： a 接触电阻大时，易使触点发热温度升高，从 而使触点易产生熔焊现象； b 线路的损耗增大4、影响接触电阻的因素及解决方法： a 在触点表面用导电性能好的材料，例如在触点表面镶嵌银

10、； b 触点表面用较软的金属，内部用较硬的金属， 在触点拍合时增大接触面积； C 触点表面采用不易氧化的材料，如银、铜、锡 D 增加接触压力：在动触点上安装一个触点弹簧。1.3.1.2 触点的接触形式1、 点接触：接触面积较小，接触电阻较大，通常用于小电流小功率场合，如接 触器辅助触点或继电器触点。2、 线接触：接触面积较点接触要大，接触电阻较点接触要小，并且可以通过接通分断时触点的滑动清除氧化膜，多用于中等容量的场合。3、 面接触：接触面积最大，接触电阻最小，多用于大容量的场合。1.3.2 灭弧工作原理1、 电弧的产生：在大气中断开电路，电流超过0.25A，电压超过12V就会产生电弧。2、电

11、弧的危害：烧损触点表面；降低电器使用寿命；延长电路分断时间。1.3.2.1 常用灭弧方法1、迅速增大电弧长度：电弧长度增加，使触点间隙增大，电场强度降低，同时散热面积增大，降低电弧温度，因而电弧容易熄灭。2、冷却：使电弧与冷介质接触，带走电弧热量，从而熄灭电弧。1.3.2.2 常用灭弧装置1、 电动力吹弧：v 根据左手定理判断电弧受力方向；v 桥式触点自身就具有这样的灭弧功能；v 这种灭弧方法常用于小容量接触器或接触器辅助触点中。2、 磁吹灭弧v 吹弧线圈串联在静触点上；v 用右手定理判断磁吹线圈的磁场方向，用左手定理判断电弧的受力方向；v 吹弧线圈产生的磁场使电弧像外拉长，进入灭弧罩，使电弧

12、熄灭；v 可用于低压交、直流接触器中。 见课本10页图1-73、 栅片灭弧v 用栅片分割电弧，使电弧绝缘强度增加，使外加电压不能维持电弧；v 栅片吸收热量，使电弧迅速冷却。v 栅片灭弧交流要比直流好的多，因此多用于交流电器。4、灭弧罩第二节 1.4 电磁式接触器1.4.1 电磁式接触器的用途与分类1、定义：电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触点闭合或分断电动机电路或其它负载电路的控制器。2、用途：电动机、电热设备、电焊机、电容器组的投切（如变频器电容器组的投切）等。3、分类1） 按照主触点控制电路中的电流种类分 直流接触器、交流接触器。 这里所说的直流和交流指的是主触点通过的电流，不是指线圈

13、通过的电流。如，在一些重要的场合，交流接触器的吸引线圈也可以加直流电。2）按照主触点的极数（个数）分直流接触器：单极和双极交流接触器：三极、四极、五极。1.4.2 接触器的结构和工作原理1.4.2.1 接触器结构1、电磁机构：电磁机构由线圈、铁心和衔铁2、主触点和灭弧系统根据主触点容量的大小，有桥式触点（面）和指形触点（线），且直流接触器和电流20A以上的交流接触器均装有灭弧罩，有的还有栅片或磁吹灭弧装置。3、辅助触点 1）有常开和常闭辅助触点，在结构上均为桥式双断点（点接触）。2）辅助触点容量小，不能用它来分合主回路。3）安装辅助触点的目的是为了在其控制电路中起联动作用。通过辅助触点的分合状

14、态，反映出主触点的状态状态，从而实现一定的动作逻辑。4、反力装置1）由释放弹簧和触点弹簧组成，且它们均不能进行弹簧松紧的调节。2）释放弹簧在电磁线圈断电时靠拉动衔铁分断主触点。3）触点弹簧为的是压紧主触点。 5、支架和底座1.4.2.2 接触器工作原理 当接触器线圈通电后，在铁心中产生磁通。由此在衔铁气隙中产生吸力，使衔铁产生闭合动作，主触点在衔铁带动下也闭合，于是接通了主电路。同时，衔铁还带动辅助触点动作，使原来打开的触点闭合，使闭合的触点打开。当线圈的电压显著降低时，吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧的作用下打开，主、辅触点又回到原来的状态。1.4.3 接触器电气符号及文字符号 线圈用KM表示

15、，触点也用KM表示，主触点有触点头，辅助触点没有。主触点有可能是三相，有可能是单相，画图时，根据实际情况画触点数。 1.4.4 为什么使用接触器1、可频繁的分断和接通交、直流主回路。2、 可实现中远距离控制。（地点分散的电机可以集中一地控制）3、 便于实现自动接通、关断主回路。4、具有低压释放保护功能。1.4.5 接触器的主要技术参数及型号含义1.4.5.1 技术参数1、 额定电压：接触器铭牌上标注的额定电压指主触点的额定电压。该电压是主触头间正常工作的电压值，选用时，必须与被控负载回路额定电压相同。 2、额定电流：接触器铭牌上标注的额定电流指主触点的额定电流。指的是接触器安装在敞开式控制屏上

16、，工作在间断长期工作制时，触头的温升不超过额定温升的电流。所谓间断长期工作制是指接触器连续通电时间不超过8小时，若超过8小时，必须空载开闭三次以上，以消除表面氧化膜。若接触器安装在电气柜里，电流要降低10%20%使用。如果接触器工作在长期工作制，通电持续率不超过40%，且敞开式安装，电流允许提高到10%25%，箱柜安装允许提高到5%10% 。 3、线圈额定电压：选用时，交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但交流负载频繁动作时可采用直流线圈的交流接触器。 4、接通和分断能力：指主触点在规定条件下（外部负载情况）能可靠的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

17、长时间燃弧。见课本表1-3，交流接触器使用类别有AC1AC4，直流接触器使用类别有DC1、DC3、DC5，后边数字越大接通和分断能力越强。 5、额定操作频率：指每小时的操作次数。交流接触器最高600次/h，直流接触器为1200次/h 。 1.4.5.2 型号含义：见课本13页1.4.6 接触器的选用1、根据负载性质来确定负载类别，确定使用交流接触器还是直流接触器，线圈使用交流线圈还是直流线圈。2、根据负载额定电压来确定接触器额定电压，如负载是额定电压380V交流电的感应电机，则接触器额定电压应选择380V。3、根据接触器所控制的负载类型，选择相应类别的接触器。一般任务负载选用AC3类别；负载为

18、重任务选择AC4类别；如果负载是一般任务和重任务的混合时，可根据实际情况选择AC3或AC4类别接触器，如果选择AC3类别时，应降级使用。使用类别选择高了，接触器使用寿命长，但是造价要高。使用类别选择低了，造价低，但是接触器使用寿命短。(接触器类别的选用课本上有详细的介绍)4、根据负载功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。当接触器使用类别与所控制负载的工作任务相对应时，一般按照负载电流值来决定接触器主触头的额定电流值；若不对应，应降低接触器主触头电流等级使用。5、接触器线圈的电压等级应由控制回路决定。6、接触器主触头和辅助触点的个数和种类应该满足主电路和控制电路的要求。1.5 电磁式继电器

19、1.5.1 继电器定义：根据电或非电信号的变化来接通或断开小电流电路，实现远距离自动控制和保护的自动控制电器。输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量。输出则是触头的动作或电参数（高低电平）的变化。1.5.2 继电器的分类：1、按输入信号：电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、中间继电器。2、 按线圈种类：直流继电器、交流继电器。3、 按使用范围：控制继电器、保护继电器、通讯继电器和安全继电器。4、按动作原理：电磁式继电器、热继电器。1.5.3 电磁式继电器1.5.3.1 电磁式继电器的定义1、电磁式继电器：根据外来信号（电压或电流），利用电磁原理使衔铁产

20、生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。2、电磁式继电器的输入信号是电压或者电流。输出信号的触点的动作。3、电磁式继电器接通和断开的是控制电路，不是主电路4、电磁式继电器和电磁式接触器的工作原理相似，都有电磁机构和触点系统。 1.5.3.2 电磁式继电器结构：1、电磁机构：和电磁式接触器相似，电磁式继电器也有直流电磁机构、交流电磁机构。按动作方式也有直动式和拍合式，交流电磁机构也有分磁环。2、触点系统：电磁式继电器的触点只装在控制电路上，不能接通主回路，由于流过触点的电流比较小，所以不另外安装灭弧装置，触点一般都为桥式触点，利用电动力灭弧。其触点分为常开触点

21、和常闭触点。3、反力弹簧的松紧可调节，气隙的大小也可调节，因此电磁式继电器的动作参数也可以调节。（图中，3调节反力弹簧，4调节气隙大小，5调节气隙大小）1.5.3.3 返回系数Kf1、 返回系数 kf=x1/x2 。2、 kf是小于1的数，kf越接近1，弹簧的释放值就越接近吸合值，kf越接近0，弹簧的释放值就越小于吸合值。3、 kf可以通过调节释放弹簧松紧来调节大小。弹簧拧紧时，弹簧弹性大，衔铁吸合难，释放容易，X1与X2更接近，所以kf增大，弹簧放松的时候，kf减小。调整铁心与衔铁间非磁性垫片的厚度也可以改变kf的值，增厚时， kf增大，减薄时， kf减小。4、不同场合对kf值的要求不同。一

22、般继电器要求kf在0.10.4之间，这样，继电器不会因为电压的波动而误动作。欠电压继电器要求kf值在0.6以上。5、不同场合对kf值的要求不同。一般继电器要求kf在0.10.4之间，这样，继电器不会因为电压的波动而误动作。欠电压继电器要求kf值在0.6以上。例子：计算：某继电器返回系数kf=0.66，吸合电压值为额定值的90%，当欠电压保护时，继电器的释放电压是额定电压的百分之多少？1.5.3.4 电磁式继电器的吸合时间和释放时间：1、吸合时间：衔铁完全吸合所需要的时间。2、 释放时间：衔铁失电到完全释放所需要的时间。3、一般继电器的吸合时间和释放时间为0.05s0.15s （继电器不能像电力

23、电子器件那样高频开关）。1.5.4 电磁式电压继电器及电流继电器1.5.4.1 电磁式电压继电器1、触点的动作和线圈的电压有关的继电器称为电压继电器。（输入信号为电压）2、电压继电器线圈与负载并联，为使并入电压继电器后不影响电路工作，其线圈的匝数多、导线细、线圈阻抗大。3、按线圈电流的种类，可以分为：直流电压继电器和交流电压继电器。这和接触器不同，交流、直流接触器是按流过接触器触头的电流分类，而不是按流过线圈的电流分类。4、按吸引电压的大小又可以分为过压继电器、欠压继电器。1.5.4.1.1 过电压继电器1、过电压继电器在额定电压时，衔铁不产生吸合动作，只有线圈吸合电压高于其额定电压的某一值时，衔铁才产生吸合动作，所以称为过电压继电器。2、 直流电路中，电压不会产生波动较大的过压现象，所以没有直流过压继电器。3、当交流电路出现过电