电气与PLC控制系统的设计、安装、调试与维护

1、电气与PLC控制系统的设计、安装、调试与维护教学课件第1章常用低压电器1.1 概述一、低压电器的定义是指工作在直流1500V、交流1000V（1140V）及以下的电路中，以实现对电路或非电对象的控制、检测、保护、变换、调节等作用的基本器件。二、低压电器分类（一）按操作方式分：手动电器：由人工直接操作才能完成任务的电器称为手动电器，如刀开关、按钮和转换开关等。自动电器：指不需要人工直接操作，按照电的或非电的信号自动完成接通、分断电路任务的电器称为自动电器，如低压断路器、接触器和继电器等。（二）按用途分：低压配电电器：主要用于低压供电系统，如刀开关、低压断路器、转换开关和熔断器等。低压控制电器：主

2、要用于电力拖动控制系统，如接触器、继电器、控制器、控制按钮、行程开关、主令控制器和万能转换开关等。（三）按工作原理分：电磁式电器：根据电磁感应原理来工作的电器，如交直流接触器、电磁式继电器等。非电量控制电路：电器的工作是靠外力或非电物理量的变化而动作的电器。如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、压力继电器和温度继电器等。1、电磁式控制电器：由电磁机构、触头系统、灭弧系统组成。（1）电磁机构：电磁机构通常采用电磁铁的形式，由吸引线圈、铁心(亦称静铁心或磁轭)和衔铁(也称动铁心)三部分组成。其作用原理：当线圈中有电流通过时，电磁吸力克服弹簧的反作用力，使得衔铁与铁心闭合，由连接机构带动相应的触头动

3、作。1-衔铁2-铁心3-线圈（3）灭弧系统：双断口电动力吹弧磁吹灭弧窄缝(纵缝)灭弧法栅片灭弧法1.2 刀开关与组合开关低压开关又称低压隔离器，是低压电器中结构比较简单、应用广泛的一类手动电器。主要有刀开关、组合开关、以及用刀开关与熔断器组合成的胶盖瓷底刀开关和熔断器式刀开关，还有转换开关等。额定电流：为过电流脱扣器的额定电流，一般指断路器的额定持续电流。通断能力：开关电器在规定的条件下(电压、频率及交流电路的功率因数和直流电路的时间常数)，能在给定的电压下接通和分断的最大电流值，也称为额定短路通断能力。分断时间：指切断故障电流所需的时间，它包括固有的断开时间和燃弧时间。5、断路器的选用：（1

4、）断路器的额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。对于配电电路来说应注意区别是电源端保护还是负载保护，电源端电压比负载端电压高出约5%左右。（2）断路器主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。（3）断路器的过载脱扣整定电流应大于或等于负载工作电流。（4）断路器的额定通断能力应大于或等于电路的最大短电流。（5）断路器低欠电压脱扣器额定电压等于主电路额定电压。3、基本结构及工作原理：示意图实物图1-按钮2-复位弹簧3-常闭静触头4-动触头5-常开静触头（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“

5、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。“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。2）螺旋式熔断器：螺旋式熔断器有RL1等系列，主要用于AC50Hz或60Hz、额定电压500V以下，额定电流200A以下的电路中，作为短路或过载保护。实物图示意图3）管式熔断器：管式熔断器主要有RM10型和RM0型2种。RM10是新型的无填料密闭管式熔断器，用作短保护和连续过载保护，主要用于额定电压AC500V或DC400V的电力网和成套配电设备上。RT0型为有填料密闭管式熔断器，用作电缆、导线及电气设备的短路保护和电缆、

6、导线的过载保护，主要用于具有较大短路电流的电力网或配电装置中。示意图5、额定参数：（1）额定电压：是指熔断器长期工作时和分断后能够承受的电压，它取决于线路的额定电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。（2）额定电流：是指熔断器长期工作时，各部件温升不超过规定值时所能承受的电流。熔断器的额定电流等级比较少，而熔体的额定电流等级比较多，即在一个额定电流等级的熔断管内可以分装不同额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断管的额定电流。（3）极限分断能力：是指熔断器在规定的额定电压和功率因数(或时间常数)的条件下，能分断的最大短路电流值。在电路中出现的最大电流值一般是指短路电流值。所以，

7、极限分断能力也是反映了分断短路电流的能力。6、熔断器的选择工业上选择熔断器一般应从以下几个方面考虑：（1）熔断器的类型应根据线路的要求、使用场合及安装条件进行选择。（2）熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器的工作电压。（3）熔断器的额定电流根据被保护的电路(支路)及设备的额定负载电流选择。熔断器的额定电流必须等于或高于所装熔体的额定电流。（4）熔断器的额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。（5）熔断器的选择需考虑电路中其他配电电器、控制电器之间选择性配合等要求。为此，应使上一级(供电干线)熔断器的熔体额定电流比下一级(供电支线)大12个级差。（2）工作原理：工作原理示意图1-动触头

8、2-静触头3-衔铁4-弹簧5-线圈6-铁心7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧3、直流接触器应用于直流电力线路中，供远距离接通与分断电路及直流电动机的频繁起动、停止、反转或反接制动控制，以及CD系列电磁操作机构合闸线圈或频繁接通和断开电磁铁、电磁阀、离合器和电磁线圈等。常用直流接触器有：CJ18、CZ21、CZ22和CZ0系列等。4、主要技术参数（1）型号目前国内常用交流接触器主要有：CJ10、CJ12、CJ20等系列。其中CJ10、CJ12是早期全国统一设计的系列产品；CJ20系列是全国统一设计的新型接触器，主要适用于交流50Hz、电压660V以下(其中部分等级可用于1140V)

9、、电流630A以下的电力线路中。近年来从国外引进一些交流接触器产品，有德国BBC公司的B系列、西门子公司的3TB系列、法国TE公司的LC1-D和LC2-D系列等。（2）额定参数：主要有额定电压、额定电流和线圈的额定电压等。1）额定电压接触器铭牌上的额定电压是指主触头萨格的额定电压，通常用的电压等级为：直流接触器：220V,440V,660V。交流接触器：220V,380V,500V。2）额定电流接触器铭牌上的额定电流是指主触头萨格的额定电流，通常用的电流等级为：直流接触器：25A,40A,60A,100A,150A,250A,400A,600A。交流接触器：5A,10A,20A,40A,60A

10、,100A,150A,200A,250A等。3）线圈的额定电压通常用的电压等级为：直流线圈额定电压有24V,48V,220V。交流线圈的额定电压有：36V,127V,220V,380V等。选用时一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但交流负载需要频繁动作时可以采用直流线圈的交流接触器（3）结构及工作原理1）电流继电器：根据输入(线圈)电流大小而动作的继电器。电流继电器的线圈串接在被测电路中，以反应电流的变化。其触点接在控制电路中，用于控制接触器的线圈或信号指示灯的通断。过电流继电器:当电路发生短路及过流时立即将电路切断。因此，只有当过流继电器线圈通过电流超过额定电流时，继电器才动作。

11、过电流继电器的动作电流整定范围：交流过电流继电器为110350IN，直流过电流继电器为70300IN，欠电流继电器：当电路电流过低时立即将电路切断。因此，主要当欠电流继电器线圈通过电流低于整定电流时，继电器才动作。欠电流继电器动作电流整定范围：吸合电流为3050IN释放电流为1020IN 。2）电压继电器：根据输入电压大小而动作的继电器。电压继电器线圈与被测电路并联。过电压继电器：动作电压整定范围为105120UN欠电压继电器：吸合电压调整范围：3050UN释放电压调整范围：720UN3、时间继电器继电器输入信号输入后，经一定的延时，才有输出信号的继电器称为时间继电器。对于电磁式时间继电器，当

12、电磁线圈通电或断电后，经一段时间，延时触都头状态才发生变化，即延时触头才动作。按照延时方式可分为：通电延时型和断电延时型两种。（3）基本结构及工作原理a-通电延时型b-断电延时型1-线圈2-铁心3-衔铁4-反力弹簧5-推板6-活塞杆7-塔形弹簧8-弱弹簧9-橡皮膜10-空气室壁11-调节螺钉12-进气孔13-活塞14、16-微动开关15-杠杆（3）基本结构及工作原理1-主双金属片2-电阻丝3-导板4-补偿双金属片5-螺钉6-推杆7-静触头8-动触头9-复位按钮10-调节凸轮11-弹簧（4）主要技术参数常用的热继电器有：JR0、JR2、JR9、JR10、JR15、JR16、JR20等几个系列。3

13、、基本结构及工作原理1-调节螺钉2-反力弹簧3-常闭触头4-动触头5-常开触头6-返回杠杆7-杠杆8-定子导条9-定子10-转轴11-转子第2章电气控制系统的基本控制线路2.1 三相鼠笼式异步电动机直接起动控制1、单向起动控制控制线路：由闸刀开关、熔断器、接触器、按钮等组成。主电路：三相电源到电动机的电路。由闸刀开关、熔断器、接触器主触头、热继电器发热元件组成。控制电路：由按钮和接触器吸引线圈等组成。控制线路安装布线图：把同一电器各工作部件集中在一起，按各部件实际位置画出。控制线路原理图：主电路画在一边，控制电路画在另一边。说明：（1）同一电器各工作部件画在各处，但它们的动作相互关联。（2）同

14、一电器上的各部件，必须标以相同文字符号。1）工作原理2）保护环节短路保护：FU过载保护：FR失压保护：KM失压保护指发生突然停电时，电动机与电源迅速断开，当电源恢复供电时，如不重新按下起动按钮，电动机不能起动。3、行程限位控制有些位移性生产机械或部件（如起重机小车、电梯、铣床的工作台等）需要有终端限位控制或自动往返控制。（1）控制要求：有一工作台可实现前后移动，当移动到终端时，自行停车。（2）实现方法：1）用接触器KM1控制电动机正转，使工作台向前移动；用接触器KM2控制电动机反转，使工作台向后移动。2）行程开关SQ1作为工作台向前移动的终端限位开关；行程开关SQ2作为工作台向后移动的终端限位

15、开关。4、顺序控制有的生产机械和设备需要多台电动机拖动，而各台电动机的起动与停止需要有一定的顺序控制关系。（1）控制要求：在一台锅炉控制，有M1、M2两台电动机。M1引风电动机；M2送风电动机。要求：起动时，引风机M1先起动，送风机M2后起动；停止时则相反，送风机M2后停止，引风机M1先停止。（2）线路图主电路控制电路2.2 三相笼型异步电动机降压起动控制1、定子线路串电阻降压起动控制（1）控制要求：电动机M起动时定子线路串联电阻R，以实现降压起动，电动机起动后，恢复额定电压进入稳定正常运转。（2）实现方法：1）接触器KM1闭合，电动机M定子线路串电阻降压起动。2）接触器KM2闭合，电动机正常

16、运转。3）时间继电器KT通电开始计时，当达到时间继电器的整定值时，KM2闭合。（3）线路图1）主电路2）控制电路2、星形三角形降压起动控制（1）控制要求：电动机M起动时为星形连接，以实现降压起动，电动机起动后改为三角形连接，以恢复额定电压进入稳定正常运转。（2）实现方法：1）接触器KM1控制电机M通电接触器KM2控制电机M三角形连接接触器KM3控制电机M星形连接2）时间继电器KT通电开始计时，当达到时间继电器整定值时使KM3断电、KM2通电，电动机三角形连接正常运转。（3）线路图1）主电路2）控制电路主电路控制电路2.3 三相鼠笼电动机的制动控制1、反接制动控制（1）实现方法：1）KM1为电动

17、机M单向旋转接触器2）KM2为反接制动接触器，KV为速度继电器，R为反接制动电阻。（2）线路图1）主电路2）控制电路主电路控制电路2、能耗制动系统（1）控制要求：当需要电动机快速停止时，若在断开交流电源后，立即在定子绕组接入一直流电源，直流电流就会在电动机定子绕组中产生一个静止的磁场，而转子由于惯性作用在继续旋转，并切割这个磁场，在转子绕组中产生感应电动势和电流，利用转子感应电流与静止磁场的相互作用产生制动转矩，达到迅速而准确地制动地目的。能耗制动的效果与通入直流电流的大小和三相绕组接法有关（可以有几种接法），但直流电流不能大于交流的起动电流，电动机停止时要立即断开直流电源。（2）实现方法1）

18、KM1为电动机M单向旋转接触器2）KM2为能耗制动接触器3）时间继电器KT通电开始计时，当达到时间继电器的整定值时（电动机M已停转），使KM2断电，直流电源被切除，制动结束。2.4 继电接触式控制系统的电路设计1、电气控制设计的一般原则（1）最大限度的满足机械或设备对电气控制系统提出的要求。机械或设备对电气控制系统的要求，是电气设计的依据，这些要求常常以工作循环图。执行元件动作节拍表、检测元件状态表等形式提供，有调速要求的设备还应给出调速技术指标。其他如起动、转向、制动等控制要求应根据生产需要充分考虑。（2）在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济。在电气控制系统设计时，为了满足同一控

19、制要求，往往要设计几个方案，应选择简单。经济可靠和通用件强的方案，不要盲目追求自动化程度和高指标。（3）妥善处理机械与电气的关系。机械或设备与电力拖动已经紧密结合融为一体，传动系统为了获得较大的调速比，可以采用机电结合的方法实现，但要从制造成本、技术要求和使用方便等具体条件去协调平衡。（4）要有完善的保护措施，防止发生人身事故与设备损坏事故。要预防可能出现的故障，采用必要的保护措施。例如短路、过载、失压或误操作等电气方面的保护功能和使设备正常运行所需要的其他方面的保护功能。2、电气控制设计的基本内容（1）确定电力传动方案和选择电动机的容量、结构型式和型号。（2）设计电气控制电路及相关的保护。（3）选择控制电器，制定电器设备一览表。（4）确定电气操作台和控制柜，绘制电器布置图和接线图。（5）编写电气控制说明书和设计计算说明。（6）安装、接线和调试及最终确定设计方案。2、车床的运动形式（1）切削运动1）主运动工件的旋转运动，由主轴通过卡盘或顶尖去带动工件旋转，它承受车削加工时的主要切削功率。2）进给运动车床的进给运动是刀架的纵向或横向直线运动，其运动形式有手动和机动两种。（2）辅助运动刀架的快速移动和工件的夹紧与放松3、车床的控制特点1）主轴能在较大的范围内调速。2）调速的方法可通过控制主轴变速箱外的变速手柄来实现。3）加工螺纹时，要求反转退刀，这就要求主轴能够正、反转