電氣控制與可編程控制器技術(shù)(史國生產(chǎn)第三版)第一章電氣控制技術(shù)

《電氣控制與

可編程控制器技術(shù)》

南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院史國生制作第三版第一篇

第

二

篇

可

編

程

控

制

器

技

術(shù)電氣控制技術(shù)第一篇電氣控制技術(shù)主要內(nèi)容第一章常用低壓電器第二章電氣控制線路的基本控制規(guī)律第三章電氣控制系統(tǒng)分析第四章電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計第一章常用低壓電器1.1

電器的功能、分類和工作原理1.2

電氣控制中常用電器1.3

主令電器1.4

動力線路中常用電器主要內(nèi)容1.1電器的功能、分類和工作原理

一、電器的功能

電器是一種能根據(jù)外界的信號（機械力、電動力和其它物理量）和要求，手動或自動地接通、斷開電路，以實現(xiàn)對電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測、變換和調(diào)節(jié)的電氣元件或設(shè)備?！巴ā狈Q為“開”，“斷”也稱為“關(guān)”。“開”和“關(guān)”是電器最基本、最典型的功能。二、電器的分類

1．按工作電壓等級分（1）高壓電器

用于交流電壓1200V、直流1500V及以上電路中的電器。（2）低壓電器

用于交流50Hz（或60Hz）額定電壓為1200V以下、直流額定電壓為1500V及以下的電路中的電器。

2．按動作原理分（1）手動電器

人手操作發(fā)出動作指令的電器，例如刀開關(guān)，按鈕等。（2）自動電器

產(chǎn)生電磁力而自動完成動作指令的電器,例如接觸器、繼電器、電磁閥等。

3．按用途分

（1）控制電器

用于各種控制電路和控制系統(tǒng)的電器，例如接觸器、繼電器、電動機起動器等。

（2）配電電器

用于電能的輸送和分配的電器，例如高壓斷路器等。

（3）主令電器

用于自動控制系統(tǒng)中發(fā)送動作指令的電器，例如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。（4）保護電器

用于保護電路及用電設(shè)備的電器，例如熔斷器、熱繼電器等。

（5）執(zhí)行電器

用于完成某種動作或傳送功能的電器，例如電磁鐵、電磁離合器等。

三、電磁式電器的基本原理

低壓電器中大部分為電磁式電器，由檢測部分（電磁機構(gòu)）和執(zhí)行部分（觸頭系統(tǒng)）兩部分組成。

直動式電磁機構(gòu)

拍合式電磁機構(gòu)

（一）電磁機構(gòu)

1．電磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

電磁機構(gòu)由吸引線圈、鐵心和銜鐵組成，按銜鐵的運動方式可分為直動式和拍合式。

吸引線圈的作用是將電能轉(zhuǎn)換為磁能，即產(chǎn)生磁通，銜鐵在電磁吸力作用下產(chǎn)生機械位移使鐵心吸合。通入直流電的線圈稱直流線圈，通入交流電的線圈稱交流線圈。

直流線圈通電，只有線圈發(fā)熱。線圈做成無骨架、高而薄的瘦高型。

交流線圈除線圈和鐵心也會發(fā)熱。在鐵心與線圈之間留有散熱間隙，而且把線圈做成有骨的矮胖型。鐵心用硅鋼片疊成，以減少渦流。2．電磁機構(gòu)的工作原理

電磁鐵工作時，作用在銜鐵上的力有兩個：電磁吸力和反力。 電磁吸力由電磁機構(gòu)產(chǎn)生，反力由復(fù)位彈簧和觸頭等產(chǎn)生。電磁機構(gòu)的工作特性常用吸力特性和反力特性來表達。

（1）吸力特性

電磁機構(gòu)的電磁吸力F與氣隙δ的關(guān)系曲線稱為吸力特性。

交流電磁機構(gòu)的吸力特性

直流電磁機構(gòu)的吸力特性

交流：F與氣隙δ無關(guān)直流：F與氣隙δ成反比

（2）反力特性

電磁系統(tǒng)的反作用力與氣隙的關(guān)系曲線稱為反力特性。反作用力包括彈簧力、銜鐵自身重力、摩擦阻力等。吸力特性和反力特性

1-直流接觸器吸力特性

2-交流接觸器吸力特性

3-反力特性

（3）反力特性與吸力特性的配合

為了保證使銜鐵能牢牢吸合，反作用力特性必須與吸力特性配合好。 在整個吸合過程中，吸力都必須大于反作用力，即吸力特性高于反力特性，但不能過大或過小。3．交流電磁機構(gòu)上短路環(huán)的作用

(a)結(jié)構(gòu)圖(b)電磁吸力圖

交流電磁機構(gòu)鐵心端面上都安裝一個銅制的短路環(huán)。作用在銜鐵上的合成電磁吸力是F1+F2，只要此合力始終大于其反力。

（二）觸頭系統(tǒng)

觸頭（觸點）是電磁式電器的執(zhí)行元件，用來接通或斷開被控制電路。 主觸頭用于接通或斷開主電路，允許通過較大的電流；輔助觸頭用于接通或斷開控制電路，只能通過較小的電流。

觸頭按其原始狀態(tài)可分為常開觸頭和常閉觸頭：原始狀態(tài)時（即線圈未通電）斷開，線圈通電后閉合的觸頭叫常開觸頭；原始狀態(tài)閉合，線圈通電后斷開的觸頭叫常閉觸頭（線圈斷電后所有觸頭復(fù)原）。(a)橋形觸頭(b)指形觸頭(a)點接觸(b)線接觸(c)面接觸第二節(jié)電氣控制中常用電器

一、低壓隔離器1．刀開關(guān)

刀開關(guān)：由操縱手柄、觸刀、觸刀插座和絕緣底板等組成。1-靜插座2-操縱受柄3-觸刀

4-支座5-絕緣底板低壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖(a)單極(b)雙極(c)三極動畫顯示2．組合開關(guān)

組合開關(guān)也是一種刀開關(guān)，不過它的刀片是轉(zhuǎn)動式的。組合開關(guān)結(jié)構(gòu)和圖形、文字符號動畫顯示

二、熔斷器

1．熔斷器的工作原理和保護特性

熔斷器廣泛用于供電線路和電氣設(shè)備的短路保護。熔斷器由熔體和安裝熔體的熔斷管（或座）等部分組成。

2．常用熔斷器的種類及技術(shù)數(shù)據(jù)（1）額定電壓（2）額定電流（3）極限分斷能力熔斷器的安-秒特性3．熔斷器的選擇熔斷器的額定電壓應(yīng)大于或等于實際電路工作電壓。熔斷器額定電流：（1）IfN≥I

用于照明電路IfN為熔體的額定電流，I為電路的工作電流。（2）IfN≥（1.5～2.5）IN

用于單臺異步電動機IN為電動機的額定電流。

（3）IfN≥（1.5～2.5）INmax+∑IN

多臺異步電動機INmax為容量最大的一臺電動機的額定電流。（4）應(yīng)使上一級（供電干線）熔斷器的熔體額定電流比下一級（供電支線）大1～2個級差。

三、控制繼電器

繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號的變化，使其自身的執(zhí)行機構(gòu)動作的自動控制電器。 它具有輸入電路（又稱感應(yīng)元件）和輸出電路（又稱執(zhí)行元件）。

繼電特性

當繼電器輸入量x由零增至x1以前，輸出量y為零。當輸入量x增加到x2時，繼電器吸合，輸出量為y1

；若x再增大，y1值保持不變。當x減小到小于等于x1時，繼電器觸點釋放，輸出量由y1降至零。（一）電磁式繼電器1．電流繼電器電流繼電器的線圈串于被測電路中，根據(jù)電流的變化而動作。電磁式繼電器典型結(jié)構(gòu)動畫顯示（1）欠電流繼電器 線圈中通以30%～65%的額定電流時繼電器吸合，當線圈中的電流降至額定電流的10%～20%時繼電器釋放。（2）過電流繼電器 直流過電流繼電器的吸合值為70%～300%額定電流，交流過電流繼電器的吸合值為110%～400%額定電流。

2．電壓繼電器

電壓繼電器反映的是電壓信號。電壓繼電器的線圈并接于被測電路。

當電路電壓減小到某一整定值（30%～50%UN）以下時，欠電壓繼電器釋放。當電路電壓超過到某一整定值（105%～120%UN）時，過電壓繼電器吸合。3．中間繼電器中間繼電器實質(zhì)上是電壓繼電器，只是觸頭數(shù)量多（一般有8對），容量也大，起到中間放大（觸頭數(shù)目和電流容量）的作用。4．電磁式繼電器的整定

（1）調(diào)整釋放彈簧的松緊程度

釋放彈簧越緊，反作用力越大，則吸合值和釋放值都增加，返回系數(shù)上升，反之返回系數(shù)下降。（2）改變非磁性墊片的厚度

非磁性墊片越厚，銜鐵吸合后磁路的氣隙和磁阻增大，釋放值增大，使返回系數(shù)增大。5．電磁式繼電器的選擇電磁式繼電器主要包括電流繼電器、電壓繼電器和中間繼電器。6．電磁式繼電器的圖形符號和文字符號 電流繼電器的文字符號為KI，電壓繼電器的文字符號為KV，中間繼電器的文字符號為KA。

(a)線圈(b)常開觸頭(c)常閉觸頭（二）時間繼電器時間繼電器就是利用某種原理實現(xiàn)觸頭延時動作的自動電器，經(jīng)常用于時間原則進行控制的場合。通電延時：接受輸入信號后延遲一定的時間，輸出信號才發(fā)生變化。當輸入信號消失后，輸出瞬時復(fù)原。

斷電延時：接受輸入信號時，瞬時產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號。當輸入信號消失后，延遲一定的時間，輸出才復(fù)原。

1.空氣阻尼式時間繼電器

空氣阻尼式時間繼電器是利用空氣阻尼原理獲得延時的，其結(jié)構(gòu)由電磁系統(tǒng)、延時機構(gòu)和觸頭3部分組成。

(a)通電延時型(b)斷電延時型動畫顯示動畫顯示2．晶體管式時間繼電器晶體管式時間繼電器也稱半導(dǎo)體式時間繼電器。改變充電回路的時間常數(shù)即可改變延時時間。圖1-22JSJ型晶體管式時間繼電器＊

3．時間繼電器線圈和觸點的符號 時間繼電器有通電延時和斷電延時型兩種。其線圈和觸點的符號如下:(a)通電延時線圈(b)斷電延時線圈(c)常開延時閉合觸頭(d)常閉延時斷開觸頭(e)常開延時斷開觸頭(f)常閉延時閉合觸頭(g)

瞬動常開觸頭(h)瞬動常閉觸頭（三）熱繼電器

熱繼電器就是利用電流的熱效應(yīng)原理，為電動機提供過載保護的保護電器。 熱繼電器可以根據(jù)過載電流的大小自動調(diào)整動作時間，具有反時限保護特性，即過載電流大，動作時間短，反之亦然。 熱元件應(yīng)串在電動機的定子電路中。當電動機的定子電流為額定值時，熱繼電應(yīng)長期不動作。

1．熱繼電器的結(jié)構(gòu)及工作原理

熱繼電器主要由熱元件、雙金屬片和觸頭三部分組成。1-熱元件2-雙金屬片3-導(dǎo)板4-觸頭熱繼電器工作原理示熱繼電器.swf意圖

圖1-25JR16系列熱繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖動畫顯示2．熱繼電器的型號及選用

我國目前生產(chǎn)的熱繼電器主要有JR0、JR5、JR10、JR14、JR15、JR16等系列。按熱元件的數(shù)量分為兩相結(jié)構(gòu)和三相結(jié)構(gòu)。三相結(jié)構(gòu)中有三相帶斷相保護和不帶斷相保護裝置兩種。選擇熱繼電器的原則為：根據(jù)電動機的額定電流確定熱繼電器的型號及熱元件的額定電流等級。 熱繼電器的圖形符號及文字符號。

（a)熱元件(b)常閉觸頭（四）速度繼電器

速度繼電器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，是一種利用速度原則對電動機進行控制的自動電器。它主要由轉(zhuǎn)子、定子和觸頭組成。1-轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)子3-定子4-繞組

5-擺錘

6、9-簧片7、8-靜觸點

動畫顯示

(a)轉(zhuǎn)子(b)常開觸頭(c)常閉觸頭

速度繼電器的圖形符號及文字符號。

第三節(jié)主令電器

主令電器是用來發(fā)布命令、改變控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的電器。

一、按鈕

按鈕是最常用的主令電器，在低壓控制電路中用于手動發(fā)出控制信號。分為起動按鈕、停止按鈕和復(fù)合按鈕等。

1、2-常閉觸頭3、4-常開觸頭

5-橋式觸頭

6-復(fù)位彈簧7-按鈕帽動畫顯示(a)常開按鈕(b)常閉按鈕(c)復(fù)合按鈕

結(jié)構(gòu)型式代號：K-開啟式，S-防水式，J-緊急式，X-旋鈕式，H-保護式，F(xiàn)-防腐式，Y-鑰匙式，D-帶燈按鈕。

二、行程開關(guān)

行程開關(guān)主要用于檢測工作機械的位置，發(fā)出命令以控制其運動方向或行程長短。行程開關(guān)也稱位置開關(guān)。

(a)直動式(b)滾輪式(c)微動式動畫顯示動畫顯示動畫顯示行程開關(guān)的圖形、文字符號。

(a)常開觸頭(b)常閉觸頭

行程開關(guān)的圖形、文字符號

三、凸輪控制器與主令控制器凸輪控制器用于起重設(shè)備和其他電力拖動裝置，以控制電動機的起動、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動。結(jié)構(gòu)主要由手柄、定位機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、凸輪和觸頭組成。1-靜觸頭2-動觸頭3-觸頭彈簧

4-彈簧5-滾子6-方軸7-凸輪KT14系列交流凸輪控制器凸輪控制器的圖形、文字符號

（a）畫“?”標記表示（b）接通表表示

（a）畫“?”標記表示（b）接通表表示

2．主令控制器當電動機容量較大時，工作繁重，操作頻繁，調(diào)整性能要求較高時，往往采用主令控制器操作。由主令控制器的觸頭來控制接觸器，再由接觸器來控制電動機。主令控制器是按照預(yù)定程序轉(zhuǎn)換控制電路的主令電器，觸頭的額定電流較小。

第四節(jié)動力線路中常用電器

一、低壓斷路器低壓斷路器又稱為自動空氣開關(guān)，它可用來分配電能，不頻繁地起動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護。當發(fā)生嚴重的過載或短路及欠電壓等故障時能自動切斷電路，其功能相當于熔斷器式斷路器與過流、欠壓、熱繼電器等的組合。1-熱脫扣器整定電流2-手動脫扣按鈕3-脫扣彈簧4-手動合閘機構(gòu)5-合閘聯(lián)桿6-熱脫扣器7-鎖扣8-電磁脫扣器

9-脫扣聯(lián)桿10，11-動、靜觸點12，13-彈簧14-發(fā)熱元件

15-電磁脫扣彈簧16-調(diào)節(jié)旋鈕（一）低壓斷路器的結(jié)構(gòu)及工作原理主要由觸頭、滅弧系統(tǒng)、各種脫扣和操作結(jié)構(gòu)等組成。動畫顯示（二）低壓斷路器的類型及其主要參數(shù)

低壓斷路器的主要觸點由耐壓電弧合金（如銀鎢合金）制成，采用滅弧柵片加陶瓷罩來滅弧。1．低壓斷路器的類型（1）萬能式低壓斷路器（2）裝置式低壓斷路器（3）快速斷路器（4）限流斷路器低壓斷路器的圖形、文字符號2．低壓斷路器的主要參數(shù)

（1）額定電壓 （2）額定電流（3）通斷能力（4）分斷時間（三）低壓斷路器的選擇

（1）低壓斷路器的額定電流和額定電壓應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備的正常工作電壓和工作電流。（2）低壓斷路器的極限通斷能力應(yīng)大于或等于電路最大短路電流。（3）欠電壓脫扣器的額定電壓等于線路的額定電壓。（4）過電流脫扣器的額定電流大于或等于線路的最大負載電流。

二、接觸器

接觸器是一種用于頻繁地接通或斷開交直流主電路、大容量控制電路等大電流電路的自動切換電器。 接觸器除能自動切換外，還具有手動開關(guān)所缺乏的遠距離操作功能和失壓（或欠壓）保護功能。

接觸器與繼電器的區(qū)別：

1．所控制的線路不同

繼電器用于控制電訊線路、儀表線路、自控裝置等小電流電路及控制電路；接觸器用于控制電動機等大功率、大電流電路及主電路。

2．輸入信號不同繼電器的輸入信號可以是各種物理量，如電壓、電流、時間、壓力、速度等，而接觸器的輸入量只有電壓。（一）交流接觸器

交流接觸器用于控制電壓至380V、電流至600A的50Hz交流電路。 交流接觸器一般有3對主觸頭，2對輔助觸頭。主觸頭用于接通或分斷主電路，主觸頭和輔助觸頭一般采用雙斷點的橋式觸頭，電路的接通和分斷由兩個觸頭共同完成。

交流接觸器工作時，施加的交流電壓應(yīng)大于線圈額定電壓值的85%時，接觸器才能夠可靠地吸合。1-滅弧罩

2-觸頭壓力彈簧片

3-主觸頭

4-反作用彈簧

5-線圈6-短路環(huán)

7-靜鐵心8-彈簧

9-動鐵心

10-輔助常開觸頭

11-輔助常閉觸頭

CJ0-20型交流接觸器

動畫顯示動畫顯示

（二）直流接觸器

直流接觸器主要用于電壓440V、電流600A以下的直流電路。其結(jié)構(gòu)由線圈、鐵心、銜鐵、觸頭、滅弧裝置等部分組成。 與交流接觸器不同的是，其觸頭大都采用滾動接觸的指形觸頭，輔助觸頭則采用點接觸的橋形觸頭。直流接觸器常采用磁吹式滅弧裝置。 鐵心由整塊鋼或鑄鐵制成，線圈制成長而薄的圓筒形。

2．接觸器的型號含義

CJ─