电气控制及PLC应用技术郭荣祥-田海电子课件

第一章

绪

论

本章需要重点掌握：

•电气和电气控制技术的概念

本章需要了解的内容：

•电气和PLC控制技术的产生和发展

•电气和PLC控制技术展望

•PLC控制技术的应用

历史（过去）

现状（现在）

未来（将来）1.1电气控制技术简介电气概念的由来

电——看不见摸得着，表现形式与中国气功中的“气”相同，和中国古代哲学中所说的“气”一样，是万物皆有的神秘现象，可在空中流动，故用“气”来翻译fluid，把电现象解释为电流体的运动，把电流体(electricfluid)称为电气。1.1.1电气控制技术概述电气控制技术：对电进行分配、变换和控制的技术。措施：利用导线、电器组成相应的电气线路来控制电。电气控制设备：由电气控制线路制成的设备。电器：对电路进行控制从而满足用电设备需求的元器件和电工装置。电气控制的作用：根据用电设备的要求把已有的电变换为满足要求的电，包括通断电控制、电形态的控制、电压大小的控制等。

1.1.2电气控制技术发展简史1799年伏特发明了第一个化学电池。随后，安培、欧姆、亨利、法拉第、爱迪生、西门子等人创造了一系列电气理论与实践成果，为电力工业的发展开辟了途径。电机、电话、电灯三大电气发明照亮了人类实现电气化的道路。电气时代，指以电动机为代表的机器设备，采用电能作为主要的能量形式来支配社会经济生活的时代。19世纪八十年代末，三相交流输电逐渐得到推广应用。

1905年，出现了具有自由脱扣装置的空气断路器。1930年始，发明了各种灭弧装置，逐渐形成了目前的机构。随着电子技术的发展，产生了电子脱扣器。20世纪末，智能断路器问世。1.1.3电气控制技术展望

传统电器向着三个方向发展：第一个方向是高性能、高可靠、小型化。第二个方向是模块化和组合化。第三个方向是电子化和智能化。1.2PLC控制技术简介目的：生产工艺发生变化时，电气线路的

变动尽量小，降低设备成本和时间成本。PLC产生的基础：电子技术、自动控制、

计算机等技术的发展。

可编程序逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicControllor）

是由微处理器、存储器和外围电路组成，属

于工业控制计算机中的一类。1.2.1PLC控制技术的产生和发展PLC的产生源于汽车制造业1968年，美国通用汽车公司(GM)对汽车流

水线电气控制系统提出了十点要求，即著名

的“GM十条”*1969年，美国数字设备公司研制出了世界

上第一台PLC*1971年，日本从美国引进该项新技术，并研

制出其首台PLC*1973年，德国、法国研制出PLC产品

1974年，中国的第一台PLC问世。20世纪70年代初，微处理器引入PLC，增加了运算、数据传送及处理等功能，使其成为了具有计算机特征的工业控制装置。70年代中末期，计算机技术全面引入，PLC

的功能发生了飞跃，更高的运算速度、超小

型体积、更可靠的抗干扰设计、模拟量运算、

PID功能及极高的性价比。1980年，国外工业界正式命名为可编程序控

制器（PC，ProgrammableController），

PLC步入成熟阶段。

2003年发布的可编程控制器定义：

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的基于用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备，都应该按易于与工业控制系统集成、易于实现其预期功能的原则设计。

20世纪80年代至90年代中期，PLC发展最快，年增长率在30%～40%。PLC在模拟量处理、数字运算、人机接口和联网方面的功能都得以大幅提升，并逐渐进入过程控制领域，且在某些应用方面取代了在该领域处统治地位的集散控制系统（DCS）。20世纪末期，产品向着大型机和超小型机两端发展，产生了智能逻辑控制器（或称微型PLC）以及各种各样的特殊功能单元，研制出了各种人机界面单元、通信单元，PLC的发展更加适应现代工业的需要。

随着16位和32位高性能微处理器、精简指令

集计算机CPU等高级CPU的产生，PLC所采用

的CPU在更新，且在一台PLC中配置多个微

处理器，进行多通道处理。由PLC组成的PLC

网络也得到飞速发展。PLC及其网络成为了

现代工业自动化的三大支柱（PLC、DCS、现

场总线控制系统FCS）之一。1.2.2PLC控制技术概述PLC控制系统框图1.2.3PLC控制技术展望

PLC应用情况微型和小型PLC约占PLC应用场合的80%只进行开关量控制的PLC约占80%约80%的PLC使用20个左右的梯形图指令即可解决问题发展的六个方向1、小型化、模块化、集成化。2、更快、更可靠、更智能、功能更多。3、通讯开放化、网络化、无线化。4、编程软件简单化、平台化。5、生命周期向“前短后长”。6、PLC功能的增强，催生可编程自动控制器PAC(ProgrammableAutomationController)。1.2.4PLC的应用

1、顺序控制

电梯、包装生产线、注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、电镀流水线等的控制。顺序控制是PLC最基本、最广泛的应用领域。2、运动控制

用于各种机床、装配机械、机器人、电梯等场合。PLC可用于圆周运动或直线运动的控制，控制运动物体的速度、加速度和位置。

3、过程控制

在冶金、化工、热处理等行业应用较广。对连续变化的模拟量比如温度、压力、流量、液位和成分等进行控制。

三种控制方法：

第一种为预先控制或前馈控制；

第二种为同期控制或过程控制；

第三种为事后控制或反馈控制。

4、数据处理

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统，也可用于造纸、冶金、食品加工等行业的过程控制系统。

实现算术运算、数据比较、传送、移位、转换、译码编码、排序、查表、位操作等。5、联网控制

把PLC与PLC、其他智能装置以及计算机通过传输介质连接起来，实现通信或组建网络，从而构成功能更强，性能更好的PLC网络控制系统。还可与以太网相联。第二章常用电器及相关材料2.6继电器继电器:根据输入信号接通或断开控制线路,实现远距离控制或完成保护功能的电器。输入信号:电压、电流等电信号;时间、温度、压力、速度等非电信号.输出信号：开关信号。根据输入信号的变化情况对控制线路进行通断控制，满足控制要求。继电器的组成：

感测机构：对电或非电信号进行感测；

触点：对电路进行通断控制。

分类：

按输入信号性质分：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、液位继电器等。

按工作原理分：电磁式继电器、热继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器等。

输出形式分：有触点继电器、无触点继电器。

按用途分：控制用继电器、保护用继电器。2.6.1电磁式继电器电气控制线路中常用的电磁式继电器：

中间继电器、电压继电器、电流继电器。电力系统中采用的电磁式电器：

保护继电器、保护装置——专门用于安全运行的保护。1、中间继电器中间继电器：用于控制线路中扩展触点数量和容量，进行信号的传递、放大和切换，实现逻辑控制。中间继电器分类：交流继电器、直流继电器。

电路符号及文字符号

2、电压继电器电压继电器：根据线圈两端电压的大小进行动作，用于电路的电压保护。电压继电器应用场合：电力系统继电保护。与线路接法：线圈与线路并联联接，匝数多、

线径细。电压继电器分类：欠电压、过电压继电器。动作条件：欠电压继电器在电压降低到一定值时动作，动作值可调整。动作电压低到接近零时的欠电压继电器为零电压继电器。过电压继电器的线圈电压为额定值时不动作，当线圈电压高于额定电压一定值时才吸合。

电路符号和文字符号

3、电流继电器电流继电器：根据输入电流的大小而动作。作用：过电流或欠电流保护和控制。与线路接法：线圈与被保护电路串联。特点：匝数少、线径粗、阻抗小。分类：按电流动作：过电流、欠电流继电器

按电流种类：直流继电器、交流继电器

电路工作电流正常时，继电器不动作，一旦电流超过动作电流整定值，过电流继电器动作；欠电流继电器流过正常的工作电流处于吸合状态，当电流下降且小于动作电流值时，触点动作。

电流继电器的实物照片和符号2.6.2固态继电器固态继电器：采用电力电子器件构成的无触点开关，以晶闸管为多。优点：无可动部件，体积小、通断速度快、工作频率高、接通和断开电路时无火花、使用寿命长等，可实现零电压接通和零电流关断。缺点：导通管压降大，断态时有漏电流，耐压和过载能力差，易发热损坏，价格高，对环境温度要求高，必要时需安装散热器。2.6.3热继电器和电动机综合保护器问题：三相交流电动机运行过程中发生电源缺相、欠电压、负载过大会导致电动机绕组电流增大而发热，可能烧坏电动机绕组。因此，在运行电流超出额定电流一定时间后，必须采取保护措施切断电源。措施：采用热继电器或电动机综合保护器进行保护。

1、热继电器

热继电器实物照片、电路符号

①热继电器工作原理及保护特性

电动机绕组的发热特性如图中的曲线1所示（电动机的过载特性，是反时限特性），具有分散性（特性不是一条线，是一个范围）。电流值越大，绕组耐受时间越短。热继电器的保护特性与电动机的过载特性形状相近且位于左侧（图中的曲线2）。电动机过载时，在同一电流值，热继电器动作时间短而先动作，从而保护电动机。

②热继电器的保护功能及主要技术参数热继电器保护功能：过载——流经其电流超出设定值一定时间后动作。缺相——当三相电源缺相时动作。国产热继电器：JR20、T、JR16B、JR36、JRS1。技术参数：额定电流（热继电器所接主电路中的电流额定值）、整定电流范围、热元件额定电流。例：型号JR16B-60/3D，主电路允许通过的电流额定值为60A。热继电器热元件额定电流有22A、32A、45A、63A四个等级，每个等级的额定电流值为热元件的电流上限，比如额定电流为32A的热元件，整定电流调节范围为20～26～32A，具体的保护值通过调节热继电器上的调节旋钮完成。

③热继电器的选用总则：根据电动机的工作情况、启动情况、负载性质、过载能力等综合考虑。第一，确定热继电器的结构型式。第二，确定热继电器的额定电流及保护电流值。热继电器的额定电流值应大于主电路额定电流值，保护电流值应在整定电流调节范围之内。对于不频繁启动且过载能力差的电动机，保护值一般整定为其额定电流的1.05～1.1倍。对于过载能力强的电动机，保护值可增大到1.2倍以上。第三，对于启动电流大、启动时间短、启停频繁的电动机，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升。可采用过电流继电器或置入电动机内部的温度继电器进行保护。

④热继电器应用示例

假设电动机功率15KW，额定电流29.4A。热继电器的电流整定值:31A～33A之间的某个值。故障排除后，按热继电器的复位按钮使其复位。

2、电动机综合保护器

电动机综合保护器与主电路无连线,通过电磁感应的方法测量电动机的三相电流，一旦三相中的某一相无电流，保护器立即动作，或者当电流大于额定电流且经过一定时间，保护器动作，使电动机断电，起到保护电动机的作用。保护器的动作特性与热继电器类似。2.6.4时间继电器

1、时间继电器的功能及符号

功能：按设定时间对电路进行通断控制。从时间继电器线圈通电或断电开始，经过一定时间之后触点才动作。

主要参数：延时范围、延时触头数量（通电延时、断电延时、常开、常闭）、线圈电压

2、时间继电器应用示例

某生产机械由两台电动机驱动，要求两台电动机先启动第一台，30秒后启动第二台，同时停止，电动机应有过载保护。2.6.5速度继电器

功能：根据速度的快慢使触点动作，主要用于三相异步电动机的反接制动控制。

电路及文字符号、实物照片

速度继电器的组成：定子、转子、触点

一般速度继电器的动作速度为120转∕分，在100转∕分以下触头复位.

工作原理：2.6.6压力继电器和电接点压力表

1、压力继电器

压力继电器(压力开关):利用液体或气体压力与弹簧力的平衡关系来使其内部触点动作。

工作原理

2、电接点压力表

电接点压力表属于仪表范畴，功能与压力继电器相同，可同时显示测量压力。指针带动电接点的活动触点与设定指针上的触头（上限或下限）相接触，使控制线路接通或断开，达到自动控制和发信号报警的目的。2.6.7液位继电器和液位浮球开关

1、液位继电器和液位浮球开关的功能及其

电路符号

液位继电器和液位浮球开关用于对液位的高低进行检测并发出开关量信号，以控制相关设备（如水泵、电磁阀等）的动作。

通常液位继电器的传感器是导线，利用液体的导电性能进行测量。因液体的导电性较差，不能直接驱动继电器，故需电子电路放大，继电器是执行机构。

液位浮球开关随着液位的高低变化，浮球围绕固定物上下漂浮，在重力作用下内部触点上下移动而接通或断开。

2、液位浮球开关应用示例

某蓄水池通过水井内潜水泵往里注水，要求当水池水位下降到低水位时自动启动潜水泵，当水位上升到高水位时自动停止潜水泵。采用液位浮球开关进行控制。2.6.8温度继电器和温控开关

温度继电器需与热敏电阻器配合使用。热敏电阻器用于测温，直接埋置于被测温度部位。当温度低于继电器工作温度时，热敏电阻阻值很小，继电器吸合，当温度超过继电器工作温度时，热敏电阻值骤然增大，继电器释放，温度降低后，触发器又恢复原态。

温控开关根据被控对象温度的高低决定开关的通断状态，也称温度保护器、温控器。主要用于需要随温度变化而自动接通和断开电路的场合，使被控对象的温度在一定范围内变化.第二章常用电器及相关材料2.7电动机软启动器及调速器电动机软启动器——用于三相异步电动机

的启动交流电动机变频调速器——用于三相异步

电动机的启动和调速控制，以调速居多直流调速器——用于直流电动机的调速控

制2.7.1电动机软启动器常用的电动机降压启动方式及特点:

Y—△降压启动——两级启动，成本低

自耦变压器降压启动——有级启动

软启动器降压启动——无级启动，成本较高

变频启动——启动性能最好，成本最高

电动机软启动器的主电路软启动器的启动方式：电压斜坡启动、限流升速启动、电压斜坡与限流启动相结合、电流斜坡启动、脉冲突跳与电压斜坡相结合、点动运行方式2.7.2变频调速器变调速频器简称变频器：改变交流电压和频率

1、生产机械的负载类型

负载特性：负载转矩M随转速n而变化的特性。

①平方转矩(风机泵类)负载——平方转矩负载特性

②恒转矩负载

③恒功率负载

2、变频器的分类

变频器的分类方法有多种，按照变频器控制电动机所驱动的机械负载的性质分为风机泵类型、恒转矩型、通用型以及特殊功能型（能够满足机械设备的特殊要求）。

①

风机泵类负载型变频器

用于为风机、泵类机械设备的电动机供电。过载能力低，价格较低。

②恒转矩负载型变频器

用于为起重机、电梯等恒转矩负载类电动机供电。低速时要有足够大的转矩和过载能力。

③通用型变频器

通用型变频器对各种负载类型的电动机都适用。主要用于一般性的机械负载，如自动扶梯、线缆机械、印染设备、化工机械、塑料机械、油田设备、矿山机械设备等。

通用型变频器用于不同类型的负载（如风机泵类负载和普通机械负载）时所接电机最大功率差一个或两个规格。

④特殊功能型变频器

特殊功能型变频器是能够满足某些特殊工艺要求或具有特殊功能的变频器。

例：

MicroMaster410变频器是西门子紧凑型标准变频器，具有小巧、灵活、安装简单、使用方便的特点。

6SE70系列变频器是西门子高端工程型变频器，单机容量从2.2-4000KW,可实现四象限运行和节能运行，可采用公用直流母线供电方案，下挂很多台逆变器，实现系统的多机传动。

S120变频器是西门子全系列通用和模块化产品，是西门子功能最强大的低压变频系统，可驱动各种低压异步电机、低压同步电机以及伺服电机。

3、交直交变频器主电路结构

4、变频器的主要功能

①

输出频率控制功能

变频器输出频率可根据被控电动机的速度要求，有如下五种控制方式：

Ⅰ、手动控制方式。通过变频器操作面板上的按键或电位器进行手动控制。

Ⅱ、通过变频器模拟输入端的信号进行控制。

Ⅲ、通过开关量输入端进行控制。

Ⅳ、利用内部闭环控制功能进行控制。

Ⅴ、通过串行通信接口进行控制。

②运行方式和加减速控制功能

根据所驱动负载的情况，可选择变频器的V/F控制方式、平方转矩控制方式、矢量控制方式等。根据被控对象的情况，可设定变频器输出频率的变化速度，即加减速度的快慢。

③保护功能

输出过电流、对地短路、过电压、欠电压、电源缺相、电机过载、输出缺相、变频器过热。

④通信功能⑤风机水泵组控制功能

5、变频器的主要技术参数

变频器的参数：输入侧参数、输出侧参数。

输入侧参数：额定电压、额定频率。

额定输入电压：三相380V、660V、单相220V、中压、高压。

额定输入频率：我国电网电压额定频率50Hz。

输出侧参数：额定电压、额定电流、额定容量、输出频率范围、适配电动机最大容量。

6、变频器应用示例

某供水系统由一台水泵供水，水泵电机通过变频器供电，用水量变化时，调节变频器输出频率自动调节水泵的转速使水泵出口压力控制在合适的范围。水泵出口压力的测量及变频器输出频率的控制通过接于管道上的电接点压力表实现。2.7.3直流调速器

直流调速器用于为直流电动机供电、调节直流电动机的转速，与变频调速器相比，具有调速范围宽、动态响应快、转速过渡过程平滑、低速运转时转矩大等特点，在调速性能要求高的场合，变频器无法比拟。2.8其它常用电器2.8.1信号电器

信号电器的作用：用于指示电气控制线路中某些电器的状态，以便操作人员观察生产设备的状态。

典型信号电器：信号灯、声光报警器、蜂鸣器、电铃等。

信号灯也称指示灯，用以指示电源及运行、故障、停止、报警等状态。

红色信号灯多用于电源指示、停止指示；绿色多用于运行指示；黄色多用于报警指示；蓝色按需要指定用意；白色则无特定用意。

常用的声响类报警器：蜂鸣器（也称讯响器）、电铃、声光报警器。

作用：当警报发生时发出声响用以提醒操作人员。2.8.2常用电量测量与显示仪表1、电压表和电流表

电压表显示用电设备的供电电压或电路中某些部位的电压。电压表与被测量电路并联连接或通过电压互感器与被测量电路连接。

电流表显示电路或用电设备的运行电流，通常与电流互感器相连测量电流。当设备运行电流较小（一般在30A以下）时，可以不用电流互感器而采用直通电流表。

常用电流表规格：20A、30A、50A、75A、100A、150A、200A、300A、400A、500A、600A、800A、1000A、1500A、2000A、3000A等。

2、电流互感器和电压互感器

电流互感器用于将大电流转换成标准的小电流，供测量电流、计量电能及继电保护用。被测电路与电流互感器通过磁感应方式进行电流的测量。电流互感器副边电流一般为5A或1A，被测导电体穿越互感器中心，匝数可为1匝或多匝，根据电流表量程和互感器的标识数据确定。

3、应用示例

某机械的电动机功率为30KW，额定电流为60A。为了观察设备的运行情况、电流及供电电压，要求电气设备有相应的指示。2.8.3时控开关

时控开关即时间控制开关，能以天或星期为周期多时段循环控制用电设备的运行状态。设定最短时间为1分钟，每日可设置多组时间段，且有多路控制功能，一次设定长期有效。2.8.4电磁阀

电磁阀用于控制流体管路的通断，当电磁阀线圈通电时，阀门打开，管路接通；线圈断电后，阀门关闭。

电磁阀和时控开关应用示例：

某企业要求每日三次在固定时间段向生产过程供水，通过控制管路上电磁阀实现，供水时间段由工作人员根据实际情况设定。2.8.5控制变压器

为了安全，许多设备要求电气控制线路采用安全工作电压。需采用控制变压器把380V或220V的交流电压变换为36V、24V、12V等较低电压等级的控制电压。实际应用时，需要注意变压器的容量，并留有一定余量。2.9中高压电器及防爆电器简介

中高压电器主要用于电力系统中。

高压电器包括高压断路器、接触器、负荷开关、隔离开关、熔断器等。

真空接触器的触点在真空灭弧室内，触头之间的恢复电压已不再击穿间隙，从而使电路可靠分断。2.10电线电缆简介

电的传输材料：铜、铝、合金材料（铝合金）、双金属材料（铜包钢和铝包钢）。导电体的截面积不同，传输电流大小的不同。载流量：导电体所允许流过电流的大小。

电线电缆分为五大类：

电气装备用电力电缆、

裸电线、

电磁线、

电力电缆、

通信用电线电缆。2.10.1电气设备用电线电缆

电线电缆的组成：导体、绝缘层、保护层。

不同环境温度下，导线的载流量不同。手册中给出的载流量都有说明。一般指在空气中长期连续负荷情况下、环境温度为30℃时所允许的载流量。

表2.30可供参考。2.10.2裸电线

直接裸露在外而没有绝缘的电线即为裸电线（也称裸导体）。裸导体：铜母线（铜排）、铝母线（铝排）。

规定条件下的载流量见表2.4。

2.11电气设备简介

电气设备：由各种电器、导线及辅助材料组成电气线路，放置于电气柜体内组成。

电气柜体的型式：固定式、抽屉式、组合式、悬挂式等。

电气成套设备：由多面电气柜组成一组电气设备以满足生产工艺的要求。2.11.1

常用低压电气柜简介

1、GGD型交流低压配电柜

GGD柜体的额定绝缘电压为660V，额定工作电压为380V，GGD1额定工作电流为1000A以下，GGD2额定工作电流为1000A到2000A之间，GGD3额定工作电流为2000A到3150A之间。

型

号高宽深GGD1、GGD22200600、800、1000600GGD32200800、1000、1200600、800

2、GCK系列抽出式低压开关柜

GCK系列抽出式低压开关柜包括:

GCK1型电动机控制中心、GCK2、GCK3、GCK4组合式、抽屉式开关柜。

应用：额定电压为660V及以下、额定电流3150A以下的动力控制和电力分配。

特点：柜体的每个抽屉内装有相应的开关电器及其相关电气材料，各个抽屉相互隔离，安全性好。

柜体尺寸：高度为2200mm；宽度有400mm、600mm、800mm、1000mm四种规格；深度有800mm、1000mm两种规格。

3、XL-21型动力配电箱

XL的含义：动力配电箱。

XL-21（A）型动力配电箱适于工矿企业交流50Hz、电压500V以下三相三线系统作动力、照明配电用。额定电压为380V，额定电流在600A以下。

外形尺寸（高×宽×深）：

1600mm×600mm×370mm；1700mm×700mm×370mm；

1700mm×700mm×470mm。

4、JX（F）系列悬挂式控制箱

JX（F）系列悬挂式控制箱用于交流500V以下的动力配电、照明配电及动力控制。通常悬挂在墙上，外形规格尺寸有许多种，可根据需要进行选择制作。2.11.2电气控制柜常用辅助材料1、接线端子

2、安装导轨

用于安装电器的轨道，许多电器的底部都有标准卡槽，安装导轨与之相对应。

3、行线槽

为了使柜体内电器和线路整齐，同时便于故障检查，一般把控制线放置于行线槽内。

4、接线鼻子

当导线与接线端子相连接时，为使连线可靠，一般采用接线鼻子连接。导线紧紧压入接线鼻子内，接线鼻子再与接线端子相连。

5、缠绕管、波纹管

在行线槽不便安装的部位，常采用缠绕管缠绕在控制线上，或使导线从波纹管内部穿过。

6、线号管

区分控制线路众多导线的方法是把有标识符的线号管套入导线来实现。

7、热缩管

热缩管是一种受热收缩变细的特种塑料管，用于包裹导电体，起绝缘的作用。

8、捆线带、吸盘

利用捆线把导线固定在一起，利用吸盘把导线固定在合适的位置。2.11.3

电气标准与电气认证

国际电工委员会（IEC）是国际上最早成立的非政府性的电工标准化组织。

产品质量认证是由第三方对产品、过程或服务满足规定要求给出书面保证的程序。产品质量认证分三个层级：国家认证、区域认证、国际认证。

2002年，我国开始统一受理中国强制性产品认证（用CCC标志）申请。所谓CCC认证，就是中国强制性产品认证制度，英文缩写CCC（简称3C）,产品认证的检测依据是中国国家标准(GB标准)或部分行业标准。2.12常用电气图形及文字符号电气控制设备的组成：柜体、电器、导线、相

关仪表、辅助材料等。电气控制图包括电气原理图、电器布置图和电

气安装接线图。电气原理图根据电气控制要求而设计。结构简单，便于分析，应用极广。电器布置图根据电器、电路及相关电气材料所绘制的电器位置图。电气安装接线图有两种：电气控制设备内部安装接线图；电气控制柜与其它设备的接线端子图。不同电器采用不同的图形符号和文字符号，同

一电器的不同部件，采用相同的文字符号。本章小结本章重点介绍电气控制线路中的常用电器及其电气图形符号和文字符号。包括隔离开关、低压断路器、漏电保护器、组合开关、熔断器、主令电器（控制按钮、转换开关、行程开关）、接触器、继电器（电磁式继电器、固态继电器、热继电器和电动机综合保护器、时间继电器、速度继电器、压力继电器和电接点压力表、液位继电器和液位浮球开关、温度继电器和温控开关）、电力电子装置（电动机软起动器、变频调速器、直流调速器）、信号电器及电路中常用测量仪表等。并介绍了中高压电器及防爆电器、电线电缆、电气柜体及电气辅助材料，对电气标准和电气认证的概念作了简单介绍。第二章常用电器及相关材料

本章介绍常用电器、电气控制相关材料、电气标准及认证等知识。需要重点掌握的内容：·电器的分类·常用低压电器的简单工作原理及常用电器的符号·信号电器及常用电量测量仪表需要了解的内容:·电器品牌及规格型号·导电体、电气柜体及辅助材料·中高压电器及防爆电器·电气标准及电气认证的概念2.1电器综述

低压等级：660V、380V、220V、110V等。

安全电压：

我国规定:36V以下包括36V、24V、12V等。

国际电工委员会（EIC）规定：50V及以下电

压为安全电压，特殊环境则为24V或12V以下。

高压：一般指1200V以上的电压。

电气控制系统中直流电压高低压分界线：

1500V。

动力电源常用的直流电压等级：

110V、220V、440V

控制电源所用的直流电压等级：

6V、12V、24V和36V，

电子电路中还有5V、9V和15V等。2.1.1电器分类1、按用途分类

配电电器:为用电区域或用电设备分配电。

常用的配电电器有隔离开关、断路器等。

控制电器：用于满足生产过程中用电设备的

动作要求而对电进行控制的电器。

常用的控制电器有接触器、继电器、主令电器、变频器、直流调速器、温控开关、液位开关等。

2、按电器的动作方式分类

手动电器：通过人手动操作使电器动作，

从而为用电设备送电或断电。

比如隔离开关、断路器、主令电器等。

电动电器：通过电磁力的作用使电路接通

或断开。

比如接触器、电磁式继电器、电磁阀等。

自动电器：依靠自身参数或被控对象的变

化自动接通或断开电路。

比如行程开关、浮球开关、温控开关、

时控开关、压力继电器等。

3、按电器所控制电能的性质分类

直流电器：控制直流用电设备电路。

交流电器：控制交流用电设备电路。4、按电器的功能分类

开关电器：电路进行通断控制。

稳压器：稳定电压。

调压器：改变电压大小。

电力变换器：对电力进行变换。

测量电器：对电进行测量。

5、按电器的触点类型分类

有触点：通过触点的接触使电路接通或断开的电器。如断路器、接触器、继电器等。

无触点：电力电子器件或对电力电子装置。如固态继电器、变频器、直流调速器、电动机软启动器等。6、按电器所控制电压的高低分类

高压电器:高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器、高压负荷开关和接地短路器、避雷器等。

低压电器

7、按使用场合分类

分为一般工业用电器、特殊工业用电器（如矿用防爆电器）、民用电器（如建筑物照明开关）、航空船舶用电器等。2.1.2电器品牌简介

国际知名品牌：

德国西门子，法国施耐德、梅兰日兰，美国通用电气，瑞士ABB，日本三菱、富士、欧姆龙等。

我国知名品牌：

上海电气、正泰、德力西、东方、人民、华通等。2.2隔离开关和低压断路器主电路和控制线路的概念：主电路：利用电导体与电器进行组合使用电设备和供电电源相连接的线路，为用电设备提供电能量，也称一次线路。

主电路是电能量的载体，流经电流较大。控制线路：根据用电设备的要求完成对主电路电器控制的操作线路，也称二次线路。

控制线路控制电器的动作，传递信号，电流很小。电器的作用：控制电能。

2.2.1隔离开关1、隔离开关的功能、特点及电路符号

通过手动操作隔离开关来接通和关断电路，用于隔离用电设备和电源，为用电设备送电和断电。

电路图形符号

2、隔离开关的使用

隔离开关通常不带负荷进行操作，即用电设备停止运行后方可操作。装有灭弧装置的隔离开关可以控制一定范围内的负荷线路。通常不单独使用，需要在其下方装配断路器、熔断器等。

具体操作时，遵循“送电先上后下，断电先下后上”的原则。

3、隔离开关的选用

根据用电设备的额定电压、额定电流、动稳定电流、热稳定电流等参数来决定。

隔离开关的额定电压和额定电流都必须满足回路参数的要求，额定电流标准值应不小于最大负载电流的150%，动稳定电流应大于回路最大短路电流峰值。热稳定电流应大于回路短路故障时保护动作前产生的故障电流热稳定值。

尽量选用封闭式开关。2.2.2低压断路器

低压断路器简称断路器(自动空气开关或空气开关)。

断路器正常通断电由人工手动完成，在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动断开故障电路，保护导线及相关设备。

1、断路器符号及功能

断路器功能：电路的通断控制。

断路器具有多种保护功能，在结构上具有各种脱扣器与其保护功能相对应——过电流脱扣器、欠电压脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器等。

断路器型号不同保护功能不同，多数断路器都具有过电流保护和欠电压保护功能。

2、低压断路器的主要参数

额定电压：断路器长期工作所允许施加的电压。

额定电流：断路器额定电流包括“断路器额定电流”和“断路器壳架等级额定电流”。断路器额定电流：脱扣器允许长期通过的电流。断路器壳架等级额定电流：每一种框架或塑壳中能安装的最大脱扣器的额定电流。实际使用以断路器额定电流为准。

通断能力：额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力，实际应用中以后者为准。

3、低压断路器的分类和型号

按回路数分：单极、双极、三极、四极。

按结构型式分：塑壳式、框架式和模块式。

塑壳式：

框架式：

按保护功能分：电磁脱扣器式、热脱扣器式、复合脱扣器式、无脱扣器式、漏电保护断路器、智能断路器。

4、低压断路器的选择

重点考虑的问题：

①断路器的类型。根据使用场合、额定电流的大小和保护要求决定。

②断路器的额定电压和额定电流。应不小于线路、设备的正常工作电压和工作电流。

③过电流脱扣器的额定电流。应不小于线路的最大负载电流，通常应乘以1.5～1.7倍的安全系数。

④欠电压脱扣器额定电压。该值应等于线路的额定电压。

⑤断路器极限通断能力。该值应不小于线路的最大短路电流。

⑥热脱扣器的整定电流。该值应与所控制负载的额定电流一致。2.2.3漏电保护器

当人体触电、设备或线路漏电时，漏电保护器能够迅速断开电路，避免发生人身触电伤亡和漏电而引发火灾等事故。2.2.4组合开关

组合开关由多个开关组合而成，通过手动操作用于不频繁接通或断开主电路、控制小型交直流电动机的启停、变速和换向等。电路符号：2.2.5隔离开关和断路器应用示例

配电柜线路图2.3熔断器

熔断器的作用：对电路进行保护，避免用电设备及其电路因短路或过载而引发事故。

熔断器的接法：串联联接于被保护电路中。

动作：当通过熔断器的电流超过其额定值时，会因发热而熔断，断开故障电路与电源，避免损坏设备，实现保护作用。

实物：

符号：2.3.1熔断器的工作原理及保护特性

熔断器的组成：熔体（熔件）、熔管及熔管内的灭弧材料等。

为方便接线和安装，需配置熔座。

熔体由易熔的金属材料制成。通过熔体的电流使熔体发热，发热量与电流的平方和电流通过的时间成正比，当电流大到一定值时，熔体会因发热而熔断，电流与熔体熔断的时间具有反时限特性。2.3.2熔断器的主要技术参数及分类熔断器的主要技术参数：1、额定电压。熔断器熔断后所能承受的电压，该值应不小于电气设备的额定电压。2、熔体额定电流。规定的环境温度下，熔体长期通过而不会熔断的电流值。3、熔断器额定电流。规定的环境温度下，保证熔断器长期正常工作的电流值。

熔断器的额定电流等级比较少，而其内部熔体的额定电流等级较多，熔体的额定电流等级不能超过熔断器的额定电流。4、极限分断能力。熔断器分断短路电流的能力。2.3.3熔断器的选择和应用示例不同应用场合，选择不同的熔断器。1、保护照明或电热设备。负载电流较稳，熔断器熔体电流稍大于负载电流即可。2、保护单台长期运行的电动机。因电动机直接启动电流为额定电流的数倍，熔体电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。轻载启动时，系数小一些，重载启动或启动时间较长时，系数取大一些。

3、保护多台电动机。熔体额定电流应为最大电机额定电流的1.5～2.5倍与其余电机额定电流之和的总和。4、上下级电路熔断器的协调配合。上一级电路熔断器熔体电流值应比下一级大1～2个级差，以免发生越级动作。2.4主令电器主令电器:控制电路中，通过工作人员手动操作、主动发出通断控制命令信号、使主电路接通或断开的电器。常用的主令电器：控制按钮、旋钮、转换开关、主令开关、钮子开关等。非人工手动操作的控制电器：接近开关、行程开关、光电开关、微动开关等。2.4.1控制按钮按钮实物照片

按钮的作用和电路符号按钮的作用

常闭触点

常开触点

电路符号

按钮颜色的含义及按钮型号红色按钮：停止按钮，用于停止设备的运行。绿色按钮：起动按钮，用于起动设备的运行。黄色按钮：用于紧急情况停止设备的运行，常作为急停按钮，且形状一般为蘑菇头。其它颜色的按钮：没有指定功能，用户可根据需求决定。分类：普通按钮、防水按钮或防腐按钮一些按钮内置指示灯，可指示运行或停止状态。

旋钮

按钮的一种，也称选择开关，带有钥匙的旋钮也称钥匙开关。旋钮实物照片及符号

2.4.2转换开关转换开关也称万能转换开关，是一种手动操作的多档位、多触点、进行多回路控制的主令电器。主要用于电气控制线路的状态转换、线路切换、远距离控制以及电压、电流测量表显示的换相等。转换开关实物照

转换开关示意图及电路符号2.4.3行程开关行程开关对生产机械的行程进行控制。安装在要求的位置，用以限制生产机械的运动，又称限位开关或位置开关。行程开关的实物照片及符号

1、有触点行程开关有触点行程开关的应用：各类机床、起重机械、行程机械的行程控制。工作原理：经生产机械的碰压，使开关内部的常开和常闭触点动作，实现对电路的控制。有触点行程开关的分类：直动式行程开关：工作原理同按钮，区别在于它不是靠人手动操作，而是靠机械碰压,缺点是开关的分合速度太慢时，触点易被烧损。滚动式行程开关：动作速度快，可克服直动式行程开关的缺点。微动开关：用于行程较小、作用力也很小和动作较快的场合。

2、无触点行程开关有触点行程开关的缺点：可靠性差、使用寿命短、操作频率低。无触点行程开关：通过磁或光信号进行控制。分类：接近开关、光电开关。

①接近开关电感式接近开关：检测进入开关感应区内的金属物体。电容式接近开关：检测开关感应区内的金属、非金属以及流体。

接近开关实物照和符号

②光电开关

光电开关由红外线脉冲发射器和光电接收器组成。工作时，发射器发出红外线脉冲光，当被测物进入作用范围之内，反射回来的红外光通过接收电路转换成电脉冲信号。检测对象：固体、液体、烟雾气体、透明体、柔软体等一般日常可见物体。第二章常用电器及相关材料

2.5

接触器

隔离开关、断路器等电器适用情况：靠人工手动操作，通断频率低，不频繁操作。

现实存在的问题：

①许多生产机械，要求动作变化快，驱动电动机状态转换频繁，供电电路需频繁通断。

②某些机械还要求远距离控制。人工手动操作难以满足。

③从安全的角度考虑，让操作人员远离主电路，只操作电压较低、绝缘较好、安全性高的主令电器，通过这些电器去控制主电路电器。

措施：采用电磁式电器——接触器、继电器。2.5.1电磁式电器的组成和工作原理电磁式电器的组成：

触头、灭弧装置、电磁机构。

1、触头

接通和断开电路的接触点。

点接触：

接触面小，用于小电流电路

线接触：

接触面大，允许

通过较大电流

面接触：

接触区域是一条直线，用

于中等容量的接触控制

现象：触头在断开电路时会产生电弧，

触头材料：采用接触电阻较小、耐磨、不

易氧化的材料，接触面镀银或镶合金。

触头的结构形式：

双断点桥型触头

单断点指形触头

2、电弧的产生和灭弧方法

现象：触头在断开电路时，触头间气体在强电场作用下放电，会在触头间隙中产生电弧。

后果：电弧延迟了电路的分断，易使触头烧损，严重时会引起火灾、短路及伤人事故。

灭弧措施：

多断点灭弧、

磁吹灭弧、

栅片灭弧等。

①多断点灭弧：触点采用桥型触头，断开电路时，两部分同时承担电路压降，每部分各承担一半，产生的电弧较小，电弧电流在磁场的作用下向外运动并拉长，能迅速离开触头而熄灭。小电流接触器多采用这种方法。

②磁吹灭弧。使电弧处于磁场中间，在电磁场力的作用下，电弧被拉长，像气吹一样，使其进入冷却装置尽快冷却而迅速熄灭。

③栅片灭弧。由一组彼此绝缘的薄钢片组成一组灭弧栅，一旦产生电弧，周围即可产生磁场，电磁力的作用将电弧吸入栅片，分隔为多个串联的短电弧，交流电压过零时，电弧自然熄灭。栅片同时具有散热作用，电弧自然熄灭后很难重燃。这是一种常用的交流灭弧装置。

3、电磁机构

电磁机构作用：通电后产生电磁吸力，带动触点动作。

电磁机构的组成：磁路、励磁线圈。磁路主要包括铁芯、衔铁和空气隙。

对于单相交流电磁机构，电磁吸力随交流电周期性地变化，每周期内衔铁吸力两次过零，产生振动，不能正常工作。

解决方法是加短路环（也称分磁环）。

4、电磁式电器结构及工作原理举例

一种电磁式低压电器结构图

电磁线圈没通电，衔铁处于释放状态。

电磁线圈通电，衔铁处于吸合状态。2.5.2交流接触器1、交流接触器及其符号

接触器是电磁式电器。

作用：接通和分断电动机主电路或电热设备、电焊机等负载主电路。

分类：交流接触器、直流接触器。

接触器主触点：控制主电路的通断，通流能力强，有灭弧装置；

接触器辅助触点：对控制电路通断状态进行辅助性控制的触点。通流能力小，无灭弧装置。

交流接触器实物照片

接触器的电路图形及文字符号

2、接触器的主要技术参数和使用类别

①额定电压。指主触点的额定电压。

常用等级：交流220V、380V和660V；特殊应用场合高达1140V；直流电压等级有110V、220V和440V。

②额定电流。指主触点的额定电流。

在规定的条件下，主触头长期所允许通过的电流。常用电流等级范围为9～630A。

③线圈额定电压。正常运行时加在线圈上的电压。常用的线圈交流电压有24V、36V、48V、110V、127V、220V、380V和660V，常用的线圈直流电压有24V、36V、48V、110V、220V和440V。

④额定操作频率。指每小时所允许通断的次数。多数型号接触器的操作频率在300～1200次之间，一些型号的接触器操作频率只有几十次，而一些则高达3000多次。

⑤接通和分断能力。主触点在规定条件下能够可靠地接通和分断电路的电流值。一般以额定电流的倍数表示，与接触器的使用类别有关。

见教材表2.2。

最常用AC3（异步电动机的启动、停止）

3、交流接触器的选择和使用选用接触器应注意以下几点：

①使用类别。

②电流等级。

③电路电压。

④线圈电压。

额定电压为380V的三相异步电动机，额定电流的一种简单快捷计算方法——额定电流值约为其功率值的2倍。

接触器品牌和产品型号简介：

国产品牌：上海电气、正泰、德力西、东方、人民、华通、天正、长城等。

国产型号：CJ10、CJ12、CJ15、CJ16、CJ20、CJ24、CJX1、CJX2、CJZ、CKJ、CJX1-N等。

国际品牌：德国西门子、穆勒等；法国施耐德、梅兰日兰等；美国通用电气、霍尼韦尔、罗克韦尔、AB、艾默生等；瑞士ABB；日本三菱、富士、欧姆龙等。

接触器规格

接触器主要用于控制电动机电源，规格与电动机功率对应。

380V三相异步电动机的功率等级：1.1、1.5、2.2、3、4、5.5、7.5、11、15、18.5、22、30、37、45、55、75、90、110、132、160KW等。

以CJX1系列接触器为例，与电动机相对应的规格有额定电流：9A、12A、16A、22A、32A、45A、63A、75A、85A、110A、140A、170A、205A、250A、300A，其中CJX1-9A接触器用于4KW及以下电动机，而CJX1-12A、16A、22A、32A、…分别与5.5、7.5、11、15KW、…的电动机相对应。

4、交流接触器应用示例

某水泵电动机功率为15KW，供电电源为三相交流380V，电动机的通断电控制通过操作主令电器实现，电动机额定电流为29.4A。

电动机通断电电气控制线路：

2.5.3直流接触器直流接触器：控制直流电路的通断状态。

直流电只有正负两极，直流接触器主触头数量为一对或两对。

国产直流接触器系列产品：

CZ0、CZ5、CZ18、TCC等。第三章电气控制基本线路

需要重点掌握的内容：

·电气控制线路图的绘制原则

·三相异步电动机直接启停控制线路、降压启动控制线路、制动控制线路、变频调速控制线路

·设计电气控制线路的基本原则需要了解的内容:

·电气元件布置图和电气安装接线图

·绕线式异步电动机转子串电阻启动控制线路、直流电动机控制线路3.1电气控制线路图的绘制原则电气控制线路图:

电气控制原理图——基础：由电器元件、

导电部件及辅助材料组成的满足生产工艺

要求的电气控制工作原理图。根据动作原

理绘制，便于阅读和分析。

电器元件布置图：表示电气元器件实际安

装位置图，为电气控制柜的制作、安装、维

护提供方便。

电气安装接线图：反映各电器之间的接线

关系，各电器之间、电器与接线端子排、主

令电器及仪表之间的连接线路图。3.1.1电气控制原理图

原理图不反应电器的实际位置和大小，只反应电器之间的连接关系。

电气原理图的绘制原则：

1、电气原理图分为电气主电路和电气辅助电路。

主电路是用电设备（如电动机、电加热设备等）的电流通路，流过的电流较大，一般由断路器、接触器主触点、变频器、软启动器、热继电器热元件等组成。

辅助电路用于控制电器的动作、显示运行状态、对电路和用电设备进行保护等，流过的电流较小，包括控制电路、信号电路、保护电路、照明电路。其中控制电路由主令电器、接触器和继电器线圈及其辅助触点、变频器及软启动器的输入输出控制端、各种保护电器的触点等组成。

2、电器元件应采用国家标准规定的图形符号和文字符号。

3、电器元件的布局应便于阅读。主电路和辅助电路分开绘制，主电路用粗线画在左边或上边，辅助电路用细线画在右边或下边。

无论主电路还是辅助电路，均应按功能进行布置，尽可能按照从上到下、从左到右的动作顺序排列。

4、同一电器元件的不同部件（如线圈、触点）可不画在一起，但文字符号必须相同。多个同类电器元件，要在文字符号后加不同的数字序号来区别，如两接触器，可用QA1、QA2区别。

5、所有电器的可动部分均按无外力作用和不通电的状态画出。如主令电器按未操作时的状态画出；接触器、继电器的触点按线圈未通电的状态画出。

6、图中应尽量避免线路交叉。导线连通时，对于“T”形连接点，在导线交点处可以画实心圆点，也可不画；对于“

”形交叉连接点，必须画实心圆点“

”表示。根据图面布置需要，可以将图形符号旋转绘制，一般垂直方向（触点左开右闭）变为水平方向（触点下开上闭）逆时针旋转90°，反之顺时针方向旋转，但文字符号不可倒置。3.1.2电器元件布置图

电器元件布置图表示电气元器件在电气控制柜内的实际安装位置。设计原则如下：1、按国家相关标准设计和绘制。2、元件布置时，应把体积较大和较重的同类型电器安装在控制柜内的下部，使重心下移，利于控制柜稳定。3、发热器件（比如变频器）应安装于控制柜的上方或后方，利于散热，减小对其它器件的影响。4、器件的布置尽量减小导线的长度，以最短的距离连接各个电器，既节约材料又美观大方。

5、需经常维护、检修、整定的电器元件，安装高度应适中，以便检修。6、强电、弱电应分开走线，信号线应采用屏蔽线，防止信号受干扰。7、器件的布置应留有足够的间隙，以便走线和维修。3.1.3电气安装接线图

安装接线图反映各电器之间的接线关系。

绘制安装接线图的主要原则如下：1、同一个电器元件的不同部件（如接触器或继电器的线圈和触点）必须画在一起，各电器元件的位置应与实际安装位置一致。2、不同电气柜体内电器元件的电气连接通过端子排接线，且按电气原理图中的接线编号连接。3、走向和功能相同的多根导线可用单线或线束表示，需标明导线的根数。4、接线图中应标明连接导线的规格、型号、根数、颜色和穿线管的尺寸。3.2三相异步电动机直接启动和停止线路

三相异步电动机特别是鼠笼式异步电动机，因结构简单、价格低廉、可靠耐用而得到广泛应用。随着三相异步电动机容量的变化，启动方式也不同。小容量电动机多采用直接启动方式，大中容量的电动机则采用降压启动方式，包括星—三角、自耦变、软启动器、变频器。根据具体情况而定。3.2.1三相异步电动机直接启停和保护线路直接启动方式：点动控制、

通过操作启停按钮进行控制。1、点动控制线路

点动控制：操作人员通过手指点击控制线路中的按钮使电动机启动和停止的控制方式。

2、直接启动和停止控制线路

通过操作启动按钮和停止按钮控制电动机的运行状态。

电动机直接启停实物照片

自锁或自保：依靠接触器自身辅助触点使其线圈保持通电（靠自身触点使线圈锁定在通电状态）的现象。自锁原因：手动操作速度比接触器动作速度慢，在按下按钮期间，接触器辅助触点已闭合。

自锁是实现长期运行的有效措施。

停止过程：按下停止按钮SF2，接触器QA2线圈失电，主触点和常开辅助触点断开。主电路中电动机MA断电停运，控制电路中与SF1相并联的触点断开解除自锁，QA2线圈失电。松开停止钮SF2，控制电路与启动前的状态相同。

3、保护环节

①短路保护

采用断路器或熔断器。

②过载保护

采用热继电器和电动机综合保护器。

③三相电源缺相保护

采用热继电器和电动机综合保护器。

④失压或欠压保护

靠减除自锁避免电压恢复时电动机自动启动的保护措施就是失压或欠压保护。3.2.2三相异步电动机正转和反转控制线路

许多机械设备在生产过程中要求能够作前后、上下、左右、往返等相反方向的可逆运动。采用三相异步电动机拖动时，调换三相交流电的任意两相即可改变电动机的转向。当采用变频器供电时，可通过变频器控制端子进行正反转控制。1、工频供电时电动机正转和反转控制线路方法：控制两接触器的吸合与释放状态，使加在电动机上的三相交流电相序正好相反，实现电动机的正反转运行。

正—停—反控制线路

正转运行

按下停止按钮，电动机正转停止；松开停止按钮，电路恢复到启动前的状态。

在电动机处于停止状态时，按下反转启停按钮SF3和SF1则可控制电动机的反转运行状态。

电动机反转运行时电路的状态。

说明：

①正—停—反控制线路中，当电动机正转时，即使按下反转启动按钮，电动机也不会反转；同样，当电动机反转时，按下正转启动按钮，电动机不会正转，只有在按下停止按钮后，再按相应的启动按钮，电动机方可启动。

②接触器QA2与QA3同时闭合时会造成电源短路，必须确保可逆控制中二者不同时通电。可以把二者的常闭辅助触点分别串入对方