機電控制技術(shù)第三章繼電器接觸器控制系統(tǒng)設(shè)計

主講人：劉利

上海交通大學(xué)機械與動力學(xué)院lili630@021-342062942013.9.2交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)控制課程系列考試課、專業(yè)基礎(chǔ)課、必修課引言繼電器接觸器控制系統(tǒng)是應(yīng)用最早的控制系統(tǒng)，它由各種有觸點的接觸器、繼電器、控制器、行程開關(guān)等低壓電器組成的控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握、維護檢修簡便、價格低廉等特點，多年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。為此本章結(jié)合實際自動化項目和工程，詳細(xì)介紹繼電器接觸器控制系統(tǒng)的工作原理、組成及設(shè)計方法。本章主要介紹內(nèi)容

2.1常用低壓電器2.2電氣原理圖的畫法規(guī)則2.3基本控制電路2.4三相異步電機控制系統(tǒng)設(shè)計2.5電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方法2.1常用低壓電器(見教材P71～86）低壓電器定義電器定義根據(jù)外界特定的信號和要求，自動或手動地接通或斷開電路，斷續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)，實現(xiàn)對電路或非電對象控制的電氣設(shè)備稱為電器。低壓電器直流1500V以下的電器；交流1200V以下的電器。低壓電器種類發(fā)展方向小體積、高可靠性、使用方便、功能可組合性方向發(fā)展。

低壓電器分類

低壓電器按其在系統(tǒng)的作用，一般分為兩類：低壓配電電器、低壓控制電器。 低壓配電電器:

用于輸配電系統(tǒng)，典型產(chǎn)品有：刀開關(guān)、自動開關(guān)、熔斷器等；低壓控制電器:

用于電力拖動控制系統(tǒng)，典型產(chǎn)品有：繼電器、接觸器、主令電器（按鈕、限位開關(guān)）等。Part1開關(guān)電器

斷路器(又稱空氣開關(guān)、自動開關(guān)）

作用：

不頻繁地接通或斷開負(fù)載電路

具有過載、短路、失壓保護功能分類：按其用途自動開關(guān)可分為：保護線路、保護電動機、保護照明電路；按其所含有的脫扣器自動開關(guān)可分為：失壓脫扣器、過載脫扣器、過電流脫扣器等；按主電路極數(shù)自動開關(guān)可分為：單極、雙極、三極。結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)：不論那種自動開關(guān)，從結(jié)構(gòu)看都是有三部分組成：主觸點及滅弧系統(tǒng)（執(zhí)行部分）——接通/分?jǐn)嘀麟娐?；各種脫扣器（感測元件）——接收電路的故障信號；操作機構(gòu)（機械傳遞部件）——由脫扣器接收信號后由它實現(xiàn)自動/手動跳閘的任務(wù)。斷路器結(jié)構(gòu)圖（過電流脫扣器的自動開關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖）鎖鉤主觸點過流脫扣器連桿裝置釋放彈簧選型：斷路器既能接通或分?jǐn)嗾９ぷ麟娏?，也能自動分?jǐn)噙^載或短路電流，因此選擇自動開關(guān)時，其額定電壓和額定電流應(yīng)不小于電路正常工作的電壓和電流，脫扣器的整定電流與所控的電動機或負(fù)載額定電流一致。斷路器文字與圖形符號斷路器外形圖手動電動機起動器刀開關(guān)及組合開關(guān)作用：接通或斷開長期工作設(shè)備的電源作用：主要用于電源引入，所以也稱為電源隔離開關(guān)選型：主要根據(jù)電源種類、電壓等級、所需觸點數(shù)和電動機容量轉(zhuǎn)換開關(guān)Part2控制電器

繼電器

作用：根據(jù)某種輸入信號的變化，接通/斷開控制電路，實現(xiàn)控制目的。分類：按輸入信號的性質(zhì)可分為：電壓繼電器（過、欠）、電流繼電器（過、欠）、時間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器及壓力繼電器等；按工作原理可分為：電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器、電動式繼電器、熱繼電器、電子式繼電器等。

結(jié)構(gòu)及工作原理（以電磁式電流繼電器為例）

組成：鐵芯、線圈、動/靜觸點等組成。分類：按線圈接收的是直流還是交流，繼電器可分為交流繼電器或直流繼電器；

選型 電流繼電器主要根據(jù)主電路的電流種類和額定電流來選擇

分類過流（壓）：過流后（額定電流的110％以上）時，觸點動作。欠流（壓）：欠流后（額定電流的10％以下）時，觸點復(fù)位。

欠電流繼電器I<KI中間繼電器

特點：中間繼電器（KA）實質(zhì)上是電壓繼電器的一種，但它的觸點數(shù)多，觸點的容量大（額定電流5—10A）。作用：信號傳遞、放大、分路、反相。圖形、文字符號及外觀圖：時間繼電器定義：線圈通電或斷電后其觸點經(jīng)過一定延時再動作的繼電器

種類：斷電延時時間繼電器、通電延時時間繼電器。

另按其工作原理不同，時間繼電器又可分為：電磁阻尼式、空氣阻尼式、晶體管式時間繼電器。（見教材P80）選型:考慮延時方式、電源、價格、溫度。操作頻率五方面，具體見教材P136圖形、文字符號及外觀圖觸點表示含義具體見教材P103空氣阻尼式時間繼電器結(jié)構(gòu)與工作原理

機床交流控制系統(tǒng)常用的一種時間繼電器

熱繼電器

作用：利用熱效應(yīng)原理，對電機或電氣設(shè)備過載起保護作用。長期過載、頻繁啟動、欠電壓、斷相運行均會引起過電流。速度繼電器

一般速度繼電器的動作轉(zhuǎn)速為120r/min，觸頭的復(fù)位轉(zhuǎn)速在100r/min以下

速度繼電器的圖形及文字符號

a)轉(zhuǎn)子

b)常開觸點

c)常閉觸點接觸器作用：接觸器是一種用來頻繁地接通或斷開有負(fù)載的主電路的自動控制器。與繼電器的區(qū)別：

主、輔觸點之分按主觸點通過的電流是直流還是交流，接觸器分為直流/交流接觸器。主觸點容量大。圖形及文字符號：接觸器外形圖（施耐德產(chǎn)品）交流接觸器結(jié)構(gòu)圖交流接觸器可逆接觸器發(fā)出命令改變控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的電器。常用的主令電器有：按鈕、行程開關(guān)等。Part3主令電器

有觸點可靠性較差,壽命短,操作頻率低接近開關(guān)高頻振蕩器整形電路二進制的開關(guān)信號金屬體振蕩器振蕩后,在開關(guān)的感應(yīng)面上產(chǎn)生交變磁場,當(dāng)金屬物體接近,金屬體產(chǎn)生渦流,吸收振蕩器能量,以致振蕩器停振,由整形放大器轉(zhuǎn)換成二進制的開關(guān)信號.2.2電氣原理圖的畫法規(guī)則（見教材P99~105)Part1

電氣控制系統(tǒng)圖定義：電氣控制系統(tǒng)是由許多電氣元件按一定要求連接而成的。電氣控制系統(tǒng)中各電氣元件及其連接，可用一定的圖形表達出來，這種圖稱為電氣控制系統(tǒng)圖。Part2

電氣控制系統(tǒng)圖主要包括的種類：電氣原理圖電器元件布置圖電氣安裝接線圖(1)電氣原理圖

定義：采用電氣元件的圖形和文字符號，以展開的形式繪制成的表示電氣控制線路工作原理的圖形。

作用：便于閱讀和分析控制系統(tǒng)。

注：電氣原理圖并不反映電器元件的實際大小和安裝位置

(2)電器元件布置圖

定義：表明電器設(shè)備在機械設(shè)備上和電器控制柜中的實際安裝位置的圖

作用：便于制造、加工、安裝。

(3)電氣安裝接線圖

定義：表明各電器之間的實際連接的圖

作用：便于配線檢修。

CW6132型車床電氣原理圖Part3繪制電氣原理圖的基本規(guī)則1、原理圖一般分為主電路（由電動機、接觸器主觸點等電器元件組成。（電流大））和控制或輔助電路（由接觸器線圈、繼電器等電器元件組成。（電流?。﹥刹糠?。主電路用粗實線表示，畫在左邊（或上部）；輔助電路用細(xì)實線表示，畫在右邊（或下部）；2、原理圖中，各電器元件采用國家規(guī)定的圖形符號來畫，屬于同一電器的線圈和觸點，都用同一文字符號表示。當(dāng)使用相同類型電器時，可在文字符號后加數(shù)字序號來區(qū)分。3、同一電器元件的各個部件可不畫在一起，根據(jù)便于閱讀和分析的原則來畫。4、原理圖中所有電器的觸點，都按沒有通電或外力作用時的開閉狀態(tài)畫出。5、原理圖中，有直接電聯(lián)系的交叉導(dǎo)線的連接點，用黑圓點表示。6、原理圖中，各電器元件一般應(yīng)按動作順序從上到下，從左到右依次排列，可水平或垂直布置。7、在原理圖上方將圖分為若干圖區(qū)，并表明該區(qū)電路的作用。在原理圖下方用數(shù)字編號圖區(qū)。Part3繪制電氣原理圖的基本規(guī)則(續(xù)）在接觸器觸點的位置索引中，左欄為主觸點所在圖區(qū)號，中欄為輔助常開觸點所在圖區(qū)號，右欄為輔助常閉觸點所在圖區(qū)號。

主輔助輔助

觸常開常閉

點觸點觸點

在繼電器觸點的位置索引中，左欄為常開觸點所在圖區(qū)號，右欄為常閉觸點所在圖區(qū)號。

常

常

開

閉

Part3繪制電氣原理圖的基本規(guī)則(續(xù)）2.3基本控制電路（見教材P105~109)1、啟動、自鎖與停止控制電路生產(chǎn)設(shè)備在使用時，一般都必須有啟動與停止按鈕，用于控制設(shè)備的啟動與停止。2、長動與點動控制生產(chǎn)設(shè)備在正常情況下是連續(xù)工作，即所謂長動；而點動是指按下按鈕時，設(shè)備工作，手松開按鈕時，設(shè)備立即停止工作。3、互鎖控制是指多組控制電路相互禁止，即一個動作禁止其他動作。4、多點控制多點控制電路設(shè)置多套起、停按鈕，分別安裝在設(shè)備的多個操作位置。

5、順序控制用于實現(xiàn)機械設(shè)備依次動作的控制要求。Part1自動啟/停控制依靠接觸器自身輔助觸點而使其線圈保持通電的現(xiàn)象

----自鎖為什么加自鎖？為什么用點動開關(guān)？啟動、停止優(yōu)先級？起停控制電路的保護分析過載保護：熱繼電器FR用于電動機過載時，其在控制電路的常閉觸點打開，接觸器KM線圈斷電，使電動機M停止工作。排除過載故障后，手動使其復(fù)位，控制電路可以重新工作。短路保護：熔斷器組FU1用于主電路的短路保護，F(xiàn)U2用于控制電路的短路保護。欠壓、零壓保護：當(dāng)電源電壓嚴(yán)重下降或電路失電，接觸器各觸點復(fù)位斷開電動機的電源，一旦電源恢復(fù)，不操作起動按鈕，KM線圈不會再次自行通電，電動機不會自行起動，從而避免事故發(fā)生。即自鎖電路具有欠壓和失壓保護。a)按鈕操作：SB3常閉觸點用來切段自鎖電路實現(xiàn)點動。b)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制：SA合上，有自鎖電路，SB2為長動操作按鈕；SA斷開，無自鎖電路，SB2為點動操作按鈕。c)中間繼電器KA控制：按動SB2、KA通電自鎖，KM線圈通電，此狀態(tài)為長動；按動SB3、KM線圈通電，但無自鎖電路，為點動操作。Part2

長動與點動控制SB1SB5SB6SB7SB4SB3SB2KMKM

結(jié)論:由N個電器都能控制甲接觸器通電,則N個電器的常開觸點應(yīng)并聯(lián)接到甲接觸器的線圈電路上,即邏輯”或”關(guān)系;由N個電器都能控制甲接觸器斷電,則N個電器的常閉觸點應(yīng)串聯(lián)接到甲接觸器的線圈電路上,即”與非”關(guān)系;Part3

多點控制Part4

正反轉(zhuǎn)控制電路之一(無互鎖)控制要求：正、反轉(zhuǎn)；如何實現(xiàn)？缺點?Part4

正反轉(zhuǎn)控制電路之二(互鎖一)主電路：KM1主觸點接通正相序電源—M正轉(zhuǎn)。KM2主觸點接通反相序電源—M反轉(zhuǎn)?？刂齐娐罚篠B1控制正轉(zhuǎn)，SB2控制反轉(zhuǎn)，SB3用于停止控制。KM的常閉觸點用于互鎖控制，即使在接觸器故障情況下，也可以保證不發(fā)生主電路短路現(xiàn)象。正－停－反Part4

正反轉(zhuǎn)控制電路之三(互鎖二)

按鈕聯(lián)鎖功能使用和常開觸點聯(lián)動的常閉觸點的斷開對方支路線圈電流，再利用常開觸點的閉合接通通電線圈電流。正－反－停Part4

正反轉(zhuǎn)控制電路之四(工作臺自動循環(huán)控制)在工作臺的移動機構(gòu)和固定部件上分別裝置的行程開關(guān)，當(dāng)移行機構(gòu)運動到某一固定位置時，壓動行程開關(guān)，取代人手接動按鈕的功能，實現(xiàn)自動循環(huán)控制。SQ1用于正轉(zhuǎn)控制，SQ2用于反轉(zhuǎn)控制；SQ3、SQ4的常閉觸點用于極限位置的保護。正轉(zhuǎn)KM2SQ1SB1SB3SB2SQ1KM1SQ2SQ1KM2KM1KM2SQ2KM1SQ2位置1位置2位置1位置2反轉(zhuǎn)a）KM1的輔助常開觸點起自鎖和順控的雙重作用。b）單獨用一個KM1的輔助常開觸點作順序控制觸點。c）M1—>M2的順序起動、M2－>M1的順序停止控制。

Part5

順序控制結(jié)論基本電路的結(jié)構(gòu)特點：1.自鎖：接觸器常開觸點與啟動按鈕常開觸點相并聯(lián)。2.互鎖：兩個接觸器的常閉觸點串聯(lián)在對方線圈的電路中。3.點動：無自鎖環(huán)節(jié)。4.多地：按鈕的常開觸點并聯(lián)、常閉觸點串聯(lián)。5.順序：若啟動順序為:先甲后乙,則在乙線圈電路中串聯(lián)甲的常開觸點;若停止順序為:先乙后甲,則在甲停止按鈕并聯(lián)乙的常開觸點;2.4三相異步電機控制電路設(shè)計降壓啟動控制電路降壓三方法：定子繞組串接電阻定子繞組串接自耦變壓器星形－三角形制動控制電路制動二類：電磁機械制動電氣制動速度控制電路

異步電機星-三角形啟動

Y接法三角形接法為什么采用時間繼電器？KM2

星-三角形啟動器（施耐德產(chǎn)品）

異步電機制動控制之一

電磁機械制動1、電磁機械制動原理：電磁抱閘的電磁線圈YB通電時，電磁力克服彈簧的作用，閘瓦松開，電動機可以運轉(zhuǎn)。運用場合:吊車,轉(zhuǎn)揚機等升降機械

異步電機制動控制之二

能耗制動原理（時間控制原則）

制動時，在切除交流電源的同時，給三相定子繞組通入直流電流產(chǎn)生靜止磁場,利用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流形成一個與原旋轉(zhuǎn)方向相反的制動電磁轉(zhuǎn)矩。制動過程：按動停車按鈕SB1→KM1線圈斷電復(fù)位→KM2線圈通電自鎖→電動機M定子繞組切除交流電源，通入直流電源能耗制動

異步電機制動控制之三

反接制動（速度控制原則）工作原理：反相序電源制動，轉(zhuǎn)速接近零時轉(zhuǎn)速n接近零時，速度繼電器KS常開觸點打開，切除反相序電源。

2.5電氣控制線路的設(shè)計法(見教材P124~130)Part1

邏輯設(shè)計法(利用邏輯代數(shù)這一工具進行電路設(shè)計)基本思路首先將控制系統(tǒng)的輸入、輸出電器元件的狀態(tài)用狀態(tài)變量(0,1)進行表示。然后根據(jù)控制要求列出狀態(tài)變量的邏輯表達式。利用邏輯代數(shù)運算規(guī)則簡化邏輯表達式。最后根據(jù)邏輯簡化的邏輯表達式繪制控制線路。設(shè)計電氣控制線路原理圖方法:分析設(shè)計法和邏輯設(shè)計法預(yù)備知識（一）狀態(tài)變量的假定輸入量：觸點A=1，表示觸點動作（常開觸點閉合、常閉觸點斷開）;觸點A=0，表示觸點復(fù)位（常開觸點斷開、常閉觸點閉合）。輸出量：線圈K=1，表示線圈上電。線圈K=0，表示線圈失電。(二)基本邏輯表達式與控制電路“與”電路1）電路圖ABKABK0011010100012）真值表ABK1113）狀態(tài)表

4）邏輯表達式

K=A·B注：只把K=1的狀態(tài)列出“或”電路1）電路圖ABK0011010101112）真值表ABK0111011113）狀態(tài)表

4）邏輯表達式

K=A＋BAKB“非”電路1）電路圖AK01102）真值表3）狀態(tài)表

4）邏輯表達式

K=AAKAK01時序電路1）電路圖SB1SB2KA001*1*01*01*01002）真值表SB1SB2KA初態(tài)運行停止3）狀態(tài)表KAKASB2SB1

4）邏輯表達式

KA=（SB2＋KA）·SB1

注：1*表示短信號;1表示長信號。起動激勵信號停止激勵信號1、交換率A·B=B·A2、結(jié)合率A·（B·C）=（A·B）·CA+（B+C）=（A+B）+C3、分配率A·（B+C）=A·B+A·CA+（B·C）=（A+B）·（B+C）4、重迭率A·A=A，A+A=A（三）邏輯代數(shù)定理5、吸收率A+A·B=A，A·(A+B)=AA+A·B=A+B，A+A·B=A+B6、非非率A=A7、反演率A+B=A·B，A·B=A+B組合邏輯電路設(shè)計組合邏輯電路：執(zhí)行元件的輸出狀態(tài)只與同一時刻控制元件的狀態(tài)有關(guān)。即輸出對輸入無影響。電路設(shè)計方法：確定狀態(tài)變量列出狀態(tài)表——滿足控制要求寫出執(zhí)行元件的邏輯表達式簡化邏輯表達式繪制控制線路設(shè)計舉例3.4-1

某電機只有在繼電器KA1，KA2，KA3中任何一個或兩個動作時，才能運轉(zhuǎn)，而在其他條件下都不運轉(zhuǎn)，試設(shè)計其控制線路。解：1、確定狀態(tài)變量輸入：KA1、KA2、KA3；輸出：KMKA1KA2KA3KM0001110110011010101111112.狀態(tài)表2、狀態(tài)表3、邏輯表達式KM=KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+=KA1·（KA2+KA3）+KA1·（KA2+KA3）KA1KA2KA3KM000111011001101010111111KA1KA1KA2KA3KA2KA3KM4、繪制控制線路Part2分析設(shè)計法

分析設(shè)計法是一種經(jīng)驗設(shè)計法，設(shè)計者需要掌握大量的成熟可靠的電路才能設(shè)計出較為合理的控制線路一、簡單系統(tǒng)1、根據(jù)設(shè)計要求選擇一個與控制要求相似的基準(zhǔn)電路，該基準(zhǔn)電路應(yīng)該是成熟可靠的。2、對所選基準(zhǔn)電路做必要的修改、補充以滿足控制要求。二、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計1、分解系統(tǒng)，選擇單元電路2、補充各單元之間的聯(lián)鎖電路3、復(fù)核、簡化電路設(shè)計舉例

皮帶運輸機的電氣控制線路設(shè)計KT4停止1#2#3#KT2啟動KT1啟動KT3停止工藝要求停止時順序為：1#--2#--3#，并具有一定時間間隔，以保證停機后不殘余貨物；不論2#或3#機出現(xiàn)故障，1#機必須停機，以免繼續(xù)進料，造成貨物堆積；啟動時順序為：3#--2#--1#，并具有一定時間間隔，以免貨物在皮帶上堆積，造成后面皮帶重載啟動必要的常規(guī)保護（如失壓、過載、短路等）主電路設(shè)計電機：三相交流異步電機，因為皮帶傳輸機屬于長期工作，不需要調(diào)速、也不需要正/反轉(zhuǎn)；啟動方式：直接啟動。由于電網(wǎng)相對電機容量足夠大，且三臺電機又不同時啟動，故不會對電網(wǎng)產(chǎn)生較