電氣控制與可編程控制器技術(shù)(史國(guó)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(dòng)化工程學(xué)院史國(guó)生制作第三版第一篇

第

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篇

可

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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(jì)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(dòng)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(hào)（機(jī)械力、電動(dòng)力和其它物理量）和要求，手動(dòng)或自動(dòng)地接通、斷開(kāi)電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路或非電對(duì)象的切換、控制、保護(hù)、檢測(cè)、變換和調(diào)節(jié)的電氣元件或設(shè)備?！巴ā狈Q為“開(kāi)”，“斷”也稱為“關(guān)”?！伴_(kāi)”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(jí)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(dòng)作原理分（1）手動(dòng)電器

人手操作發(fā)出動(dòng)作指令的電器，例如刀開(kāi)關(guān)，按鈕等。（2）自動(dòng)電器

產(chǎn)生電磁力而自動(dòng)完成動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)送動(dòng)作指令的電器，例如按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等。（4）保護(hù)電器

用于保護(hù)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(dòng)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(cè)部分（電磁機(jī)構(gòu)）和執(zhí)行部分（觸頭系統(tǒng)）兩部分組成。

直動(dòng)式電磁機(jī)構(gòu)

拍合式電磁機(jī)構(gòu)

（一）電磁機(jī)構(gòu)

1．電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

電磁機(jī)構(gòu)由吸引線圈、鐵心和銜鐵組成，按銜鐵的運(yùn)動(dòng)方式可分為直動(dòng)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(jī)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(wú)骨架、高而薄的瘦高型。

交流線圈除線圈和鐵心也會(huì)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(jī)構(gòu)的工作原理

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

（1）吸力特性

電磁機(jī)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(jī)構(gòu)的吸力特性

直流電磁機(jī)構(gòu)的吸力特性

交流：F與氣隙δ無(wú)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(gè)吸合過(guò)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(guò)大或過(guò)小。3．交流電磁機(jī)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(jī)構(gòu)鐵心端面上都安裝一個(gè)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(diǎn)）是電磁式電器的執(zhí)行元件，用來(lái)接通或斷開(kāi)被控制電路。 主觸頭用于接通或斷開(kāi)主電路，允許通過(guò)較大的電流；輔助觸頭用于接通或斷開(kāi)控制電路，只能通過(guò)較小的電流。

觸頭按其原始狀態(tài)可分為常開(kāi)觸頭和常閉觸頭：原始狀態(tài)時(shí)（即線圈未通電）斷開(kāi)，線圈通電后閉合的觸頭叫常開(kāi)觸頭；原始狀態(tài)閉合，線圈通電后斷開(kāi)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(diǎn)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(kāi)關(guān)

刀開(kāi)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(a)單極(b)雙極(c)三極動(dòng)畫(huà)顯示2．組合開(kāi)關(guān)

組合開(kāi)關(guān)也是一種刀開(kāi)關(guān)，不過(guò)它的刀片是轉(zhuǎn)動(dòng)式的。組合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和圖形、文字符號(hào)動(dòng)畫(huà)顯示

二、熔斷器

1．熔斷器的工作原理和保護(hù)特性

熔斷器廣泛用于供電線路和電氣設(shè)備的短路保護(hù)。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?jǐn)嗄芰θ蹟嗥鞯陌?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(shí)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(tái)異步電動(dòng)機(jī)IN為電動(dòng)機(jī)的額定電流。

（3）IfN≥（1.5～2.5）INmax+∑IN

多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)INmax為容量最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流。（4）應(yīng)使上一級(jí)（供電干線）熔斷器的熔體額定電流比下一級(jí)（供電支線）大1～2個(gè)級(jí)差。

三、控制繼電器

繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號(hào)的變化，使其自身的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的自動(dòng)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(dāng)繼電器輸入量x由零增至x1以前，輸出量y為零。當(dāng)輸入量x增加到x2時(shí)，繼電器吸合，輸出量為y1

；若x再增大，y1值保持不變。當(dāng)x減小到小于等于x1時(shí)，繼電器觸點(diǎn)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(cè)電路中，根據(jù)電流的變化而動(dòng)作。電磁式繼電器典型結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)顯示（1）欠電流繼電器 線圈中通以30%～65%的額定電流時(shí)繼電器吸合，當(dāng)線圈中的電流降至額定電流的10%～20%時(shí)繼電器釋放。（2）過(guò)電流繼電器 直流過(guò)電流繼電器的吸合值為70%～300%額定電流，交流過(guò)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(hào)。電壓繼電器的線圈并接于被測(cè)電路。

當(dāng)電路電壓減小到某一整定值（30%～50%UN）以下時(shí)，欠電壓繼電器釋放。當(dāng)電路電壓超過(guò)到某一整定值（105%～120%UN）時(shí)，過(guò)電壓繼電器吸合。3．中間繼電器中間繼電器實(shí)質(zhì)上是電壓繼電器，只是觸頭數(shù)量多（一般有8對(duì)），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(hào)和文字符號(hào) 電流繼電器的文字符號(hào)為KI，電壓繼電器的文字符號(hào)為KV，中間繼電器的文字符號(hào)為KA。

(a)線圈(b)常開(kāi)觸頭(c)常閉觸頭（二）時(shí)間繼電器時(shí)間繼電器就是利用某種原理實(shí)現(xiàn)觸頭延時(shí)動(dòng)作的自動(dòng)電器，經(jīng)常用于時(shí)間原則進(jìn)行控制的場(chǎng)合。通電延時(shí)：接受輸入信號(hào)后延遲一定的時(shí)間，輸出信號(hào)才發(fā)生變化。當(dāng)輸入信號(hào)消失后，輸出瞬時(shí)復(fù)原。

斷電延時(shí)：接受輸入信號(hào)時(shí)，瞬時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)消失后，延遲一定的時(shí)間，輸出才復(fù)原。

1.空氣阻尼式時(shí)間繼電器

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

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

3．時(shí)間繼電器線圈和觸點(diǎn)的符號(hào) 時(shí)間繼電器有通電延時(shí)和斷電延時(shí)型兩種。其線圈和觸點(diǎn)的符號(hào)如下:(a)通電延時(shí)線圈(b)斷電延時(shí)線圈(c)常開(kāi)延時(shí)閉合觸頭(d)常閉延時(shí)斷開(kāi)觸頭(e)常開(kāi)延時(shí)斷開(kāi)觸頭(f)常閉延時(shí)閉合觸頭(g)

瞬動(dòng)常開(kāi)觸頭(h)瞬動(dòng)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(dòng)機(jī)提供過(guò)載保護(hù)的保護(hù)電器。 熱繼電器可以根據(jù)過(guò)載電流的大小自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作時(shí)間，具有反時(shí)限保護(hù)特性，即過(guò)載電流大，動(dòng)作時(shí)間短，反之亦然。 熱元件應(yīng)串在電動(dòng)機(jī)的定子電路中。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的定子電流為額定值時(shí)，熱繼電應(yīng)長(zhǎng)期不動(dòng)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(dòng)畫(huà)顯示2．熱繼電器的型號(hào)及選用

我國(guó)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(hù)和不帶斷相保護(hù)裝置兩種。選擇熱繼電器的原則為：根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流確定熱繼電器的型號(hào)及熱元件的額定電流等級(jí)。 熱繼電器的圖形符號(hào)及文字符號(hào)。

（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(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的自動(dòng)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(diǎn)

動(dòng)畫(huà)顯示

(a)轉(zhuǎn)子(b)常開(kāi)觸頭(c)常閉觸頭

速度繼電器的圖形符號(hào)及文字符號(hào)。

第三節(jié)主令電器

主令電器是用來(lái)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(dòng)發(fā)出控制信號(hào)。分為起動(dòng)按鈕、停止按鈕和復(fù)合按鈕等。

1、2-常閉觸頭3、4-常開(kāi)觸頭

5-橋式觸頭

6-復(fù)位彈簧7-按鈕帽動(dòng)畫(huà)顯示(a)常開(kāi)按鈕(b)常閉按鈕(c)復(fù)合按鈕

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

二、行程開(kāi)關(guān)

行程開(kāi)關(guān)主要用于檢測(cè)工作機(jī)械的位置，發(fā)出命令以控制其運(yùn)動(dòng)方向或行程長(zhǎng)短。行程開(kāi)關(guān)也稱位置開(kāi)關(guān)。

(a)直動(dòng)式(b)滾輪式(c)微動(dòng)式動(dòng)畫(huà)顯示動(dòng)畫(huà)顯示動(dòng)畫(huà)顯示行程開(kāi)關(guān)的圖形、文字符號(hào)。

(a)常開(kāi)觸頭(b)常閉觸頭

行程開(kāi)關(guān)的圖形、文字符號(hào)

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(dòng)裝置，以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動(dòng)。結(jié)構(gòu)主要由手柄、定位機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、凸輪和觸頭組成。1-靜觸頭2-動(dòng)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(hào)

（a）畫(huà)“?”標(biāo)記表示（b）接通表表示

（a）畫(huà)“?”標(biāo)記表示（b）接通表表示

2．主令控制器當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，工作繁重，操作頻繁，調(diào)整性能要求較高時(shí)，往往采用主令控制器操作。由主令控制器的觸頭來(lái)控制接觸器，再由接觸器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)。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(dòng)力線路中常用電器

一、低壓斷路器低壓斷路器又稱為自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)，它可用來(lái)分配電能，不頻繁地起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)電源線路及電動(dòng)機(jī)等實(shí)行保護(hù)。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的過(guò)載或短路及欠電壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路，其功能相當(dāng)于熔斷器式斷路器與過(guò)流、欠壓、熱繼電器等的組合。1-熱脫扣器整定電流2-手動(dòng)脫扣按鈕3-脫扣彈簧4-手動(dòng)合閘機(jī)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(dòng)、靜觸點(diǎn)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(dòng)畫(huà)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(diǎn)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(lái)滅弧。1．低壓斷路器的類型（1）萬(wàn)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(hào)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?jǐn)鄷r(shí)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(guò)電流脫扣器的額定電流大于或等于線路的最大負(fù)載電流。

二、接觸器

接觸器是一種用于頻繁地接通或斷開(kāi)交直流主電路、大容量控制電路等大電流電路的自動(dòng)切換電器。 接觸器除能自動(dòng)切換外，還具有手動(dòng)開(kāi)關(guān)所缺乏的遠(yuǎn)距離操作功能和失壓（或欠壓）保護(hù)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(dòng)機(jī)等大功率、大電流電路及主電路。

2．輸入信號(hào)不同繼電器的輸入信號(hào)可以是各種物理量，如電壓、電流、時(shí)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(duì)主觸頭，2對(duì)輔助觸頭。主觸頭用于接通或分?jǐn)嘀麟娐?，主觸頭和輔助觸頭一般采用雙斷點(diǎn)的橋式觸頭，電路的接通和分?jǐn)嘤蓛蓚€(gè)觸頭共同完成。

交流接觸器工作時(shí)，施加的交流電壓應(yīng)大于線圈額定電壓值的85%時(shí)，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(dòng)鐵心

10-輔助常開(kāi)觸頭

11-輔助常閉觸頭

CJ0-20型交流接觸器

動(dòng)畫(huà)顯示動(dòng)畫(huà)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(dòng)接觸的指形觸頭，輔助觸頭則采用點(diǎn)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(zhǎng)而薄的圓筒形。

2．接觸器的型號(hào)含義

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