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)》

南京師范大學電氣與自動化工程學院史國生制作第三版第一篇

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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)的電氣元件或設備?！巴ā狈Q為“開”，“斷”也稱為“關(guān)”?！伴_”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，輸出瞬時復原。

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

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、停止按鈕和復合按鈕等。

1、2-常閉觸頭3、4-常開觸頭

5-橋式觸頭

6-復位彈簧7-按鈕帽動畫顯示(a)常開按鈕(b)常閉按鈕(c)復合按鈕

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大于或等于線路、設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

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