电气与自动化技术作业指导书

电气与自动化技术作业指导书TOC\o"1-2"\h\u25658第1章电气工程基础 4225841.1电路分析基本概念 480401.1.1电路定义 4275331.1.2电路元件 4164951.1.3简单电路与复杂电路 4313671.1.4电路参数 4133071.2电气元件及其特性 4231931.2.1电阻 439061.2.2电容 4213571.2.3电感 434311.2.4电压源 513321.2.5电流源 5166561.3电路定律与定理 598321.3.1欧姆定律 5254811.3.2基尔霍夫定律 5319641.3.3等效电路 5138681.3.4节点分析 5215171.3.5网孔分析 5204601.3.6叠加定理 57671.3.7等效变换 516421第2章自动控制原理 5261772.1自动控制系统概述 6310252.2控制系统数学模型 658302.3控制系统功能指标 618504第3章电机与变压器 7114363.1电机的工作原理与结构 735083.1.1电机工作原理 754263.1.2电机结构 7162303.2变压器的原理与应用 7321073.2.1变压器工作原理 7208443.2.2变压器应用 780433.3电机调速技术 7150643.3.1直流电机调速 7281653.3.2交流电机调速 7171713.3.3电机调速系统 715189第4章电力电子技术 8252794.1电力电子器件 863054.1.1PN结与电力二极管 873034.1.2晶闸管 8251874.1.3电力晶体管 855204.1.4其他电力电子器件 8167584.2整流电路 8129134.2.1单相半波整流电路 8293604.2.2单相全波整流电路 8258094.2.3三相整流电路 8288024.2.4脉冲整流电路 8305004.3逆变电路 8139004.3.1逆变电路的基本原理 8202534.3.2单相逆变电路 8213754.3.3三相逆变电路 994164.3.4多电平逆变电路 929907第5章电气控制系统 9234065.1电气控制电路设计 9317635.1.1设计原则 9211755.1.2设计步骤 9172215.2常用控制电器 9311325.2.1接触器 9200395.2.2继电器 9312715.2.3热继电器 915535.2.4熔断器 9194885.2.5断路器 10131145.3电气控制系统的故障分析与维修 10117865.3.1故障分析方法 10228995.3.2故障维修步骤 10161585.3.3常见故障处理 1025623第6章自动化设备及其应用 1026106.1PLC原理与应用 10215046.1.1PLC概述 1042596.1.2PLC工作原理 11249006.1.3PLC应用 1176096.2传感器与检测技术 11224006.2.1传感器概述 11118196.2.2常用传感器 11271006.2.3检测技术 11216646.3伺服控制系统 11255956.3.1伺服系统概述 1129186.3.2伺服驱动器 1118886.3.3伺服电机 1293986.3.4反馈装置 128471第7章工业过程控制系统 12220757.1过程控制概述 124257.1.1基本概念 124437.1.2系统组成 1245137.1.3分类 13112787.1.4应用 13202577.2PID控制策略 13237507.2.1PID控制器原理 1395777.2.2PID控制器参数整定 13133747.2.3PID控制器的实现 13218117.3模糊控制与神经网络控制 14130287.3.1模糊控制 1475077.3.2神经网络控制 14173947.3.3模糊神经网络控制 143328第8章电气设备安装与调试 14284188.1电气设备安装工艺 14301238.1.1设备安装准备 14284388.1.2设备安装步骤 14246608.1.3设备安装注意事项 1489738.2电气设备调试与验收 15191298.2.1设备调试 15109128.2.2设备验收 15212088.3电气设备维护与保养 15236398.3.1日常维护 15275418.3.2定期保养 1525624第9章自动化项目实施与管理 15193379.1自动化项目实施流程 1559499.1.1项目启动 1539019.1.2项目规划 15128879.1.3项目执行 1647129.1.4项目控制 1656399.2自动化项目管理 16245499.2.1项目团队管理 169119.2.2项目进度管理 16221319.2.3项目质量管理 1679519.2.4项目成本管理 16206229.2.5项目风险管理 16277879.3自动化系统验收与评价 16204379.3.1系统验收 16261509.3.2系统评价 16288909.3.3评价结果应用 1732056第10章安全生产与处理 172108210.1电气安全常识 17952310.1.1电气设备操作安全 171308710.1.2电气设备维护与检修安全 171597310.1.3电气安全防护措施 172563710.2处理与应急预案 171026910.2.1处理原则 172271410.2.2处理流程 171555910.2.3应急预案 181142910.3防雷与接地技术 182045910.3.1防雷技术 183088610.3.2接地技术 18第1章电气工程基础1.1电路分析基本概念1.1.1电路定义电路是指由电气元件按照一定方式连接而成的电流路径。电路分析旨在研究电路中电压、电流、功率等参数的分布及其相互关系。1.1.2电路元件电路元件主要包括电阻、电容、电感、电压源和电流源等。这些元件具有不同的电气特性，对电路的分析具有重要影响。1.1.3简单电路与复杂电路简单电路是指只包含一个电压源和若干个电气元件的电路；复杂电路是指包含多个电压源和电气元件的电路。分析复杂电路时，需采用等效电路、节点分析等方法。1.1.4电路参数电路参数主要包括电阻、电容、电感、电压、电流等。了解这些参数及其相互关系，是进行电路分析的基础。1.2电气元件及其特性1.2.1电阻电阻是电路中常见的元件，具有阻碍电流流动的作用。电阻的阻值与材料、长度、横截面积和温度等因素有关。1.2.2电容电容是电路中储存电荷的元件。电容的特性表现为电压与电荷的关系，以及充放电过程的时间常数。1.2.3电感电感是电路中储存磁能的元件。电感的特性表现为电流与磁通量的关系，以及自感、互感等现象。1.2.4电压源电压源是电路中提供电压的元件，分为直流电压源和交流电压源。电压源的特性包括电压值、频率等。1.2.5电流源电流源是电路中提供电流的元件，分为直流电流源和交流电流源。电流源的特性包括电流值、频率等。1.3电路定律与定理1.3.1欧姆定律欧姆定律描述了电阻、电压和电流之间的关系，表达式为：I=V/R，其中I为电流，V为电压，R为电阻。1.3.2基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括电流定律（KCL）和电压定律（KVL）。KCL描述了电路中节点处电流的守恒，KVL描述了电路中闭合回路电压的代数和为零。1.3.3等效电路等效电路是将复杂电路简化为一个等效的电路模型，以便于分析。等效电路包括等效电阻、等效电容、等效电感等。1.3.4节点分析节点分析是电路分析中的一种方法，通过建立节点电压方程，求解电路中的电压和电流。1.3.5网孔分析网孔分析是电路分析中的一种方法，通过建立网孔电流方程，求解电路中的电压和电流。1.3.6叠加定理叠加定理指出，在一个线性电路中，总响应等于各个独立源单独作用时引起的响应的代数和。1.3.7等效变换等效变换是将电路中的部分元件或电路结构变换为等效的元件或结构，以便于分析。常见的等效变换有电阻变换、电容变换、电感变换等。第2章自动控制原理2.1自动控制系统概述自动控制系统是由一定的控制器、被控对象、执行机构和反馈元件等组成的闭环系统。它可以实现生产过程或其他物理量的自动控制，保证系统输出满足预定的功能要求。自动控制系统广泛应用于工业、农业、国防、交通运输等领域。自动控制系统主要包括以下几部分：（1）被控对象：指控制系统中需要控制的生产过程、设备或物理量。（2）控制器：根据预定的控制策略，对被控对象进行控制，使其输出满足要求。（3）执行机构：将控制器的输出信号转换为作用在被控对象上的控制作用。（4）反馈元件：检测被控对象的输出，并将其与设定值进行比较，形成反馈信号。2.2控制系统数学模型为了研究自动控制系统的功能和分析控制问题，需要对控制系统建立数学模型。控制系统的数学模型通常包括以下几种：（1）微分方程模型：描述系统状态变量与输入输出之间的关系。（2）传递函数模型：在频率域内，描述系统输入与输出之间的传递关系。（3）状态空间模型：基于状态变量，描述系统动态特性的数学模型。（4）差分方程模型：针对离散时间系统，描述系统输入输出之间的关系。2.3控制系统功能指标控制系统功能指标是评价控制系统功能的重要依据，主要包括以下几个方面：（1）稳态功能指标：包括稳态误差、稳态精度等，反映了系统在稳态工作时的功能。（2）动态功能指标：包括上升时间、调整时间、超调量等，反映了系统在过渡过程中的功能。（3）稳定性：指系统在受到外界扰动或参数变化后，能否恢复到稳定状态的能力。（4）鲁棒性：指系统在模型不确定性、外部干扰等因素影响下，仍能保持稳定和良好功能的能力。（5）跟踪功能：指系统输出跟随输入信号的能力。（6）抗干扰功能：指系统抵抗外部干扰的能力。第3章电机与变压器3.1电机的工作原理与结构3.1.1电机工作原理电机是将电能转换为机械能的一种装置。根据电磁感应定律，当导体在磁场中运动时，会在导体中产生电动势。电机正是利用这一原理，将电能转换为机械能。电机主要包括两大类：直流电机和交流电机。3.1.2电机结构（1）直流电机结构：主要由定子、转子、电刷装置、端盖、轴承等部分组成。（2）交流电机结构：主要包括定子、转子、冷却器、轴承等部分。3.2变压器的原理与应用3.2.1变压器工作原理变压器是一种静态电气设备，主要用于电压和电流的变换。其工作原理是电磁感应，即当原线圈中的交流电流变化时，产生的磁通量也随之变化，进而在副线圈中产生电动势。3.2.2变压器应用变压器广泛应用于电力系统、工业生产、科学研究等领域。主要用途有：电压升高或降低、电力传输、阻抗匹配、隔离等。3.3电机调速技术3.3.1直流电机调速直流电机调速方法主要有：改变电枢电压、改变励磁电流、改变电枢电阻、改变转速反馈等。这些方法可以实现直流电机的宽范围调速。3.3.2交流电机调速交流电机调速方法主要包括：变频调速、变压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速等。其中，变频调速具有调速范围宽、效率高、功能稳定等优点，应用最为广泛。3.3.3电机调速系统电机调速系统一般包括控制器、驱动器、电机和反馈环节。根据控制策略的不同，可以分为开环控制系统和闭环控制系统。闭环控制系统具有较高的控制精度和稳定性。第4章电力电子技术4.1电力电子器件4.1.1PN结与电力二极管本节介绍PN结的工作原理及其在电力电子器件中的应用。重点阐述电力二极管的结构、工作特性及其在电力系统中的功能。4.1.2晶闸管本节主要介绍晶闸管的结构、工作原理及其在电力电子技术中的应用。包括晶闸管的触发方式、特性参数以及并联和串联运行的方法。4.1.3电力晶体管介绍电力晶体管（IGBT）的结构、工作原理、特性参数以及其在电力电子技术中的应用。同时讨论了不同类型的电力晶体管及其优缺点。4.1.4其他电力电子器件本节简要介绍其他常用的电力电子器件，如电力MOSFET、GTO、SITH等，并分析各自的特点和应用领域。4.2整流电路4.2.1单相半波整流电路介绍单相半波整流电路的原理、电路结构及其主要参数的计算方法。4.2.2单相全波整流电路本节主要阐述单相全波整流电路的工作原理、电路结构以及应用。4.2.3三相整流电路介绍三相桥式整流电路的构成、工作原理及其在电力系统中的应用。4.2.4脉冲整流电路本节讲解脉冲整流电路的原理、电路结构及其控制方法。4.3逆变电路4.3.1逆变电路的基本原理介绍逆变电路的基本工作原理，包括电压型逆变电路和电流型逆变电路。4.3.2单相逆变电路本节阐述单相逆变电路的电路结构、工作原理及其应用。4.3.3三相逆变电路介绍三相逆变电路的构成、工作原理以及在不同应用场景中的控制策略。4.3.4多电平逆变电路本节讲解多电平逆变电路的结构、工作原理及其优势，并简要介绍多电平逆变器的应用领域。第5章电气控制系统5.1电气控制电路设计5.1.1设计原则电气控制电路设计应遵循可靠性、安全性、经济性和操作维护方便性原则。在满足生产工艺要求的前提下，力求简化电路，降低成本。5.1.2设计步骤（1）明确控制任务和工艺要求；（2）选择合适的控制电器和控制方式；（3）绘制电气原理图；（4）编制电器元件清单；（5）编写控制程序；（6）进行电路调试和优化。5.2常用控制电器5.2.1接触器接触器是一种自动控制电器，主要用于控制电路的通断。它具有动作迅速、接触可靠、控制容量大等优点。5.2.2继电器继电器是一种电气控制器件，通过小电流控制大电流的通断。它具有动作迅速、灵敏度高、体积小等优点。5.2.3热继电器热继电器是一种过载保护电器，主要用于电动机的过载保护。它具有过载动作可靠、复位方便等优点。5.2.4熔断器熔断器是一种短路保护电器，当电路发生短路时，熔断器中的熔体会迅速熔断，切断电路，保护设备和人员安全。5.2.5断路器断路器是一种具有断路、短路保护功能的电器。它具有断电能力强、操作方便等优点。5.3电气控制系统的故障分析与维修5.3.1故障分析方法（1）观察法：观察故障现象，分析可能的原因；（2）分段法：将电路分段，逐步排除故障；（3）替换法：用正常元件替换怀疑有故障的元件，判断故障部位；（4）测量法：使用仪器、仪表测量电路参数，分析故障原因。5.3.2故障维修步骤（1）确定故障范围；（2）分析故障原因；（3）制定维修方案；（4）实施维修；（5）验证维修效果；（6）记录故障及维修情况。5.3.3常见故障处理（1）接触不良：检查接触器、继电器等元件的触点，清除氧化层，调整接触压力；（2）电器元件损坏：更换损坏的电器元件；（3）线路故障：检查线路连接，修复或更换损坏的线路；（4）程序错误：检查并修改程序，保证控制逻辑正确。第6章自动化设备及其应用6.1PLC原理与应用6.1.1PLC概述可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种广泛应用于自动化控制领域的数字运算控制器。它采用可编程存储器，用于存储用户编写的控制程序，实现控制逻辑的运算、控制功能的执行以及各种信息的处理。6.1.2PLC工作原理PLC工作原理主要包括输入/输出处理、处理单元（CPU）处理和用户程序执行三个部分。输入/输出处理主要负责采集现场信号并输出控制信号；CPU根据用户程序对输入信号进行处理，并输出相应的控制信号；用户程序则根据实际控制需求编写，实现对自动化设备的控制。6.1.3PLC应用PLC在自动化设备中具有广泛的应用，如：开关逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理等。其优点在于编程简单、可靠性高、抗干扰能力强、安装维护方便等。6.2传感器与检测技术6.2.1传感器概述传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。6.2.2常用传感器常用的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、物位传感器等。这些传感器在工业自动化中发挥着重要作用，为控制系统提供准确、可靠的检测信号。6.2.3检测技术检测技术主要包括信号的获取、处理、显示和传输等。现代检测技术已经实现了数字化、智能化和网络化，大大提高了自动化设备的控制精度和效率。6.3伺服控制系统6.3.1伺服系统概述伺服系统是由伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成的闭环控制系统。其主要功能是精确控制电机轴的位置、速度和加速度，以满足自动化设备的高精度控制需求。6.3.2伺服驱动器伺服驱动器是伺服系统的核心部分，主要负责接收来自PLC的控制信号，对电机进行精确控制。伺服驱动器具有响应速度快、控制精度高、过载能力强等特点。6.3.3伺服电机伺服电机是伺服系统中的执行元件，其转子位置能通过反馈装置实时检测并反馈给伺服驱动器，实现精确控制。伺服电机具有体积小、重量轻、响应快、效率高等优点。6.3.4反馈装置反馈装置主要包括编码器、霍尔传感器等，用于实时检测伺服电机的位置、速度等信息，并将这些信息反馈给伺服驱动器，实现闭环控制。通过以上对PLC、传感器与检测技术、伺服控制系统的介绍，可以看出这些自动化设备在工业生产中具有重要作用，为我国电气与自动化技术的发展提供了有力支持。第7章工业过程控制系统7.1过程控制概述工业过程控制系统是现代工业生产中不可或缺的一部分，其主要任务是对生产过程中的各种物理量进行实时监测、调节和控制，以保证生产过程稳定、高效、安全。本节将对工业过程控制系统的基本概念、组成、分类及其在工业生产中的应用进行概述。7.1.1基本概念工业过程控制系统主要由传感器、执行器、控制器、被控对象和监控设备等组成。其中，传感器负责采集过程变量，执行器根据控制器的指令对被控对象进行调节，控制器根据设定的目标值和实际过程变量的偏差进行控制算法运算，以实现过程的稳定控制。7.1.2系统组成工业过程控制系统主要由以下几部分组成：（1）传感器：用于检测过程变量，如温度、压力、流量等。（2）执行器：根据控制器的指令对被控对象进行调节，如调节阀、电机等。（3）控制器：实现对过程变量的控制，如PID控制器、模糊控制器等。（4）被控对象：生产过程中的设备、生产线等。（5）监控设备：用于实时监控过程变量和控制效果，如人机界面、上位机等。7.1.3分类根据控制目标的不同，工业过程控制系统可分为以下几类：（1）开环控制：控制器的输出不受过程变量的影响。（2）闭环控制：控制器的输出受过程变量的影响，具有反馈环节。（3）复合控制：结合开环控制和闭环控制的特点，实现对过程的控制。7.1.4应用工业过程控制系统广泛应用于石油、化工、电力、冶金、轻工等行业，对于提高生产效率、保证产品质量、节约能源、减少环境污染具有重要意义。7.2PID控制策略PID控制（比例积分微分控制）是工业过程控制中应用最广泛的一种控制策略。它根据控制偏差的大小和变化趋势，通过比例、积分、微分三个环节进行控制，以实现过程的稳定控制。7.2.1PID控制器原理PID控制器根据设定值和实际值的偏差，通过以下三个环节进行控制：（1）比例（P）环节：根据偏差的大小，成比例地调节控制量。（2）积分（I）环节：对偏差进行积分，以消除稳态误差。（3）微分（D）环节：对偏差的变化率进行调节，以减小超调量和调节时间。7.2.2PID控制器参数整定PID控制器参数整定是保证控制效果的关键。常用的参数整定方法有：（1）经验法：根据实际经验进行参数调整。（2）临界比例度法：通过实验确定临界比例度，再根据一定的公式计算参数。（3）ZieglerNichols法：通过实验确定控制系统的临界振荡周期和临界比例度，再根据一定的公式计算参数。7.2.3PID控制器的实现PID控制器可以通过模拟电路、数字电路或微处理器实现。计算机技术的发展，数字PID控制器得到了广泛应用。7.3模糊控制与神经网络控制除了传统的PID控制，模糊控制和神经网络控制等现代控制策略在工业过程控制中也得到了广泛应用。7.3.1模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑的一种控制策略，适用于处理不确定、不精确的信息。其主要特点是对控制规则进行模糊化处理，使控制器具有较强的鲁棒性和适应能力。7.3.2神经网络控制神经网络控制是基于人工神经网络的一种控制策略，具有较强的自学习和自适应能力。通过训练神经网络，可以实现非线性映射和复杂控制策略。7.3.3模糊神经网络控制模糊神经网络控制是将模糊控制和神经网络控制相结合的一种控制策略，既具有模糊控制的鲁棒性，又具有神经网络的自适应能力。在实际应用中，模糊神经网络控制可以取得较好的控制效果。第8章电气设备安装与调试8.1电气设备安装工艺8.1.1设备安装准备在电气设备安装前，应保证安装现场环境符合要求，包括场地清洁、设备基础施工完毕并验收合格。同时对设备、材料及工具进行清点检查，保证齐全、完好。8.1.2设备安装步骤（1）根据设备安装图纸，确定设备安装位置及方向。（2）使用合适的吊装设备将电气设备吊起，注意吊装过程中设备的安全。（3）按照设备安装说明书，进行设备就位、找正、固定。（4）连接设备间的电缆、电线，保证接线正确无误。（5）完成设备接地，保证接地电阻符合规定要求。8.1.3设备安装注意事项（1）设备安装过程中，应严格遵守操作规程，保证施工安全。（2）设备安装应满足设计要求，保证设备运行稳定、可靠。（3）电缆、电线接线应牢固可靠，防止因接线不良导致设备故障。8.2电气设备调试与验收8.2.1设备调试（1）对设备进行单体调试，保证各部件运行正常。（2）对设备进行联调，检验设备间的配合及控制逻辑是否正确。（3）对设备进行负载试验，验证设备在额定负载下的功能。（4）对设备进行安全保护功能测试，保证设备在异常情况下能及时停车。8.2.2设备验收（1）检查设备安装质量，确认设备运行稳定、可靠。（2）核对设备技术参数，保证符合设计要求。（3）检验设备安全防护措施，保证设备运行安全。（4）审核设备调试报告，确认设备调试合格。8.3电气设备维护与保养8.3.1日常维护（1）定期检查设备运行状态，发觉问题及时处理。（2）检查设备接线，保证连接可靠。（3）清洁设备，保持设备表面整洁。（4）检查设备紧固件，防止松动。8.3.2定期保养（1）定期对设备进行润滑，保证设备运行顺畅。（2）定期对设备进行功能检测，保证设备功能稳定。（3）定期更换易损件，预防设备故障。（4）按照设备保养计划，开展保养工作，提高设备使用寿命。第9章自动化项目实施与管理9.1自动化项目实施流程9.1.1项目启动在自动化项目启动阶段，需明确项目目标、范围、预算、时间表及参与人员。组织项目启动会议，保证项目团队成员对项目目标有清晰的认识。9.1.2项目规划制定详细的项目计划，包括硬件设备采购、软件设计、系统集成、人员培训、施工安装等环节。保证项目按照计划推进，并对可能的风险进行预评估。9.1.3项目执行按照项目计划，组织项目团队进行设备安装、系统调试、程序编写、系统集成等工作。保证项目进度与质量达到预期目标。9.1.4项目控制对项目进度、质量、成本等方面进行实时监控，保证项目在预定范围内顺利进行。对项目过程中出现的问题及时采取措施，进行调整。9.2自动化项目管理9.2.1项目团队管理组建高效的项目团队，明确团队成员职责，提高团队协作效率。定期组织团队培训，提升团队整体技能水平。9.2.2项目进度管理制定合理的项目进度计划，并对进度进行实时跟踪。通过项目管理工具，保证项目进度与计划保持一致。9.2.3项目质