第1章-電氣控制基礎(chǔ)

第一節(jié)電氣控制基礎(chǔ)

電器：根據(jù)外界特定的信號和要求自動或手動接通或斷開電路，斷續(xù)或連續(xù)改變電路參數(shù)，實現(xiàn)對電路或非電對象的接通、切斷、保護、控制、調(diào)節(jié)等作用的設(shè)備。以繼電器、接觸器為基礎(chǔ)的電氣控制技術(shù)具有相當重要的地位可編程序控制器（PLC）是計算機技術(shù)與繼電器、接觸器控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其輸入、輸出與低壓電器密切相關(guān)。掌握繼電接觸器控制技術(shù)也是學(xué)習(xí)和掌握PLC應(yīng)用技術(shù)必需的基礎(chǔ)電器元件的分類：按工作電壓等級分類:?高壓電器：AC1200V、DC1500V及以上電路中的電器。

?低壓電器：AC1200V、DC1500V以下電路中的電器。按動作原理分類：?手動電器：通過人的操作發(fā)出動作指令的電器。

?自動電器：產(chǎn)生電磁吸力而自動完成動作指令的電器。按用途分類：

?控制電器：用于各種控制電路和控制系統(tǒng)的電器。

?配電電器：用于電能的輸送和分配的電器。

?主令電器：用于自動控制系統(tǒng)中發(fā)送動作指令的電器。

?保護電器：用于保護電路及用電設(shè)備的電器。?執(zhí)行電器：用于完成某種動作或傳送功能的電器。按工作原理分類電磁式電器依據(jù)電磁感應(yīng)原理來工作，如接觸器、各種類型的電磁式繼電器等。非電量控制電器依靠外力或某種非電物理量的變化而動作的電器，如刀開關(guān)、行程開關(guān)、按鈕、速度繼電器、溫度繼電器等。觸頭系統(tǒng)：主觸頭、輔助觸頭

常開觸頭（動合觸頭）常閉觸頭（動斷觸頭）電磁系統(tǒng)：動、靜鐵芯，吸引線圈和反作用彈簧滅弧系統(tǒng)：滅弧罩及滅弧柵片滅弧第二節(jié)接觸器1．結(jié)構(gòu)

一、交流接觸器

交流接觸器結(jié)構(gòu)圖2．工作原理

線圈加額定電壓，銜鐵吸合，常閉觸頭斷開，常開觸頭閉合；線圈電壓消失，觸頭恢復(fù)常態(tài)。為防止鐵心振動，需加短路環(huán)。第二節(jié)接觸器直流接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理基本上與交流接觸器相同。在結(jié)構(gòu)上也是由電磁機構(gòu)、觸點系統(tǒng)和滅弧裝置等部分組成。由于直流電弧比交流電弧難以熄滅，直流接觸器常采用磁吹式滅弧裝置滅弧。第二節(jié)接觸器二、直流接觸器

交直流接觸器區(qū)別：交流接觸器：線圈通以交流電，主觸點接通、切斷交流主電路。

●交變磁通穿過鐵心，產(chǎn)全渦流和磁滯損耗，使鐵心發(fā)熱。

●鐵心用硅鋼片沖壓而成以減少鐵損?！窬€圈做成短而粗的圓筒狀繞在骨架上以便于散熱?！耔F心端面上安裝銅制的短路環(huán)，以防止交變磁通使銜鐵產(chǎn)生強烈振動和噪聲。●滅弧裝置通常采用滅弧罩和滅弧柵。

直流接觸器：線圈通以直流電，主觸點接通、切斷直流主電路。

●不產(chǎn)全渦流和磁滯損耗，鐵心不發(fā)熱。

●鐵心用整塊鋼制成?！窬€圈制成長而薄的圓筒狀?！?50A以上的直流接觸器采用串聯(lián)雙繞組線圈?！駵缁⊙b置通常采用滅弧能力較強的磁吹滅弧裝置。

第二節(jié)接觸器三、接觸器的符號與型號說明

接觸器的符號交流接觸器型號直流接觸器型號接觸器主要技術(shù)參數(shù)：線圈電壓主觸點額定電流、額定電壓輔助觸點額定電流、對數(shù)接觸器極數(shù)接觸器機械壽命、電壽命CJ

20－〇

〇

/〇

〇

交流設(shè)計額定電流用K表示礦用額定工作電壓(03－380V)TH(濕熱帶產(chǎn)品)接觸器序號(AC3，380V)啟動器的接觸器(06－660V；11－1140V)CZ

16－

〇

/〇

〇

直流設(shè)計額定電流常開主觸點數(shù)常閉主觸點數(shù)接觸器序號交流接觸器型號意義說明舉例：

直流接觸器型號意義說明舉例：

額定電壓

交流接觸器：127、220、380、500V直流接觸器：110、220、440V交流接觸器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接觸器：40、80、100、150、250、400、600A額定電流

吸引線圈額定電壓交流接觸器：36、110（127）、220、380V直流接觸器：24、48、220、440V第二節(jié)接觸器四、接觸器的主要技術(shù)指標

根據(jù)電路中負載電流的種類選擇接觸器的類型；接觸器的額定電壓應(yīng)大于或等于負載回路的額定電壓；吸引線圈的額定電壓應(yīng)與所接控制電路的額定電壓等級一致；額定電流應(yīng)大于或等于被控主回路的額定電流。第二節(jié)接觸器五、接觸器的使用選擇原則

選擇接觸器主要考慮的因素：接觸器的使用類別應(yīng)與負載性質(zhì)相一致●控制交流負載應(yīng)選用交流接觸器

●控制直流負載則選用直流接觸器

主觸點的額定工作電壓應(yīng)大于或等于負載電路的電壓主觸點的額定工作電流應(yīng)大于或等于負載電路的電流接觸器主觸點的額完工作電流是在規(guī)定條件下（額定工作電壓、使用類別、操作頻率等）能夠正常工作的電流值，當實際使用條件不同時，這個電流值也將隨之改變

吸引線圈的額定電壓應(yīng)與控制回路電壓相一致

●接觸器在線圈額定電壓85％及以上時應(yīng)能可靠地吸合主觸點和輔助觸點的數(shù)量應(yīng)能滿足控制系統(tǒng)的需要第三節(jié)繼電器

用于控制與保護電路中作信號轉(zhuǎn)換用的電器。具有輸入電路（感應(yīng)元件）和輸出電路（執(zhí)行元件），當感應(yīng)元件中的輸入量（如電流、電壓、溫度、壓力等）變化到某一定值時繼電器動作，執(zhí)行元件便接通和斷開控制回路。繼電器用于控制電路，流過觸點的電流小，一般不需要滅弧裝置。

繼電特性曲線：

繼電器的重要參數(shù)：返回系數(shù)：k＝x1/

x2

●釋放彈簧的松緊程度

●鐵心與銜鐵間非磁性墊片的厚薄

吸合時間：線圈接受電信號到銜鐵完全吸臺所需的時間

釋放時間：

線圈失電到銜鐵完全釋放所需的時間

x2：繼電器吸合值

x1：繼電器釋放值常用繼電器：電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器以及溫度、壓力、計數(shù)、頻率繼電器等。

電流繼電器：

根據(jù)輸入（線圈）電流大小而動作的繼電器

過電流繼電器：當電路發(fā)生短路及過流時立即將電路切斷

●線圈電流小于整定電流時，繼電器不動作

●線圈電流超過整定電流時，繼電器才動作●動作電流整定范圍：交流為(110％～350％)IN，直流為(70％～300％)IN

欠電流繼電器：當電路電流過低時立即將電路切斷

●線圈電流大于或等于整定電流時，繼電器吸合

●線圈電流低于整定電流時，繼電器釋放

●動作電流整定范圍：吸合電流為(30％～50％)IN

釋放電流為(10％～20％)IN

●一般自動復(fù)位

電壓繼電器：

根據(jù)輸入（線圈）電壓大小而動作的繼電器

過電壓繼電器：動作電壓整定范圍為(105％～120％)UN

欠電流繼電器：吸合電壓調(diào)整范圍為(30％～50％)UN

釋放電壓調(diào)整范圍為(7％～20％)UN

中間繼電器：本質(zhì)上是一種電壓繼電器，工作原理與接觸器相同。觸點系統(tǒng)中沒有主、輔觸點之分，觸點容量相同。小容量的接觸器：電動機額定電流不超過5A的電氣控制系統(tǒng)，可代替接觸器來控制。中間繼電器的作用：

當電壓或電流繼電器觸點容量不夠時，可借助中間繼電器來控制，用中間繼電器作為執(zhí)行元件，這時中間繼電器被當作一級放大器用。

觸點數(shù)量較多，能夠?qū)⒁粋€輸入信號變成多個輸出信號。當其他繼電器或接觸器觸點數(shù)量不夠時，可利用中間繼電器來切換多條控制電路。固態(tài)繼電器：由固體半導(dǎo)體元件組成的無觸點開關(guān)器件。優(yōu)點：工作可靠、壽命長、對外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關(guān)速度快、無火花、無動作噪音和使用方便等。缺點：過載能力低，易受溫度和輻射影響，通斷阻抗比小。應(yīng)用：有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器的趨勢，還可應(yīng)用于計算機的輸入輸出接口、外圍和終端設(shè)備等傳統(tǒng)電磁繼電器無法應(yīng)用的領(lǐng)域。四端有源器件：兩個輸入控制端，兩個輸出受控端。施加輸入信號后，其輸出呈導(dǎo)通狀態(tài)，無信號時輸出呈阻斷狀態(tài)。

耐高壓的光電耦合：實現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。

直流固態(tài)繼電器：輸出采用晶體管。交流固態(tài)繼電器：輸出采用晶閘管。主要參數(shù)：輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、輸出漏電流等。時間繼電器：繼電器感應(yīng)元件接受外界信號后，經(jīng)過設(shè)定的延時時間才使執(zhí)行部分動作的繼電器。類型：通電延時、斷電延時、帶瞬動觸點通電（斷電）延時觸點：常開延時閉合、常閉延時斷開、常開延時斷開、常閉延時閉合

空氣阻尼式：●包括電磁機構(gòu)、工作觸點及氣室三部分，靠空氣阻尼作用實現(xiàn)延時?！裱訒r范圍較寬、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格低廉、壽命長?！裱訒r時間有0.4～180s和0.4～60s兩種規(guī)格。

電動式：

●包括同步電動機、減速齒輪機構(gòu)、電磁離合系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)。●延時時間長，可達數(shù)十小時，延時精度高?！窠Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。電子式：●數(shù)字計數(shù)式，包括脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、顯示器、放大器及執(zhí)行機構(gòu)?！裱訒r時間長、調(diào)節(jié)方便、精度高、應(yīng)用廣?！窨扇〈枞菔?、空氣阻尼式、電動式等時間繼電器。熱繼電器：專門用來對連續(xù)運行的電動機進行過載及斷相保護，防止電動機過熱而燒毀的保護電器。組成及工作原理：由雙金屬片、加熱元件、動作機構(gòu)、觸點系統(tǒng)、整定調(diào)整裝置及手動復(fù)位裝置等組成。雙金屬片為溫度檢測元件，由兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片壓焊而成，它被加熱元件加熱后，因兩層金屬片伸長率不同而彎曲。加熱元件串接在電動機定子繞組中，電動機正常運行時，熱元件產(chǎn)生的熱量不會使觸點系統(tǒng)動作；當電動機過載，流過熱元件的電流加大，經(jīng)過一定的時間，熱元件產(chǎn)生的熱量使雙金屬片的彎曲程度超過一定值，通過導(dǎo)板推動熱繼電器的觸點動作（常開觸點閉合，常閉觸點斷開）。通常用其常閉觸點與接觸器線圈電路串聯(lián)，切斷接觸器線圈電流，使電動機主電路失電。故障排除后，手動復(fù)位熱繼電器觸點可以重新接通控制電路。熱繼電器主要參數(shù)：熱繼電器額定電流：熱繼電器中可以安裝的熱元件的最大整定電流值。熱元件額定電流：熱元件的最大整定電流值。熱繼電器整定電流：熱元件能夠長期通過而不致引起熱繼電器動作的最大電流值。通常熱繼電器的整定電流是按電動機的額定電流整定的。熱繼電器整定電流調(diào)節(jié)范圍：手動調(diào)節(jié)整定電流旋鈕，通過偏心輪機構(gòu)，調(diào)整雙金屬片與導(dǎo)板的距離，能夠調(diào)節(jié)的電流整定值的范圍。相數(shù)速度繼電器：用于轉(zhuǎn)速的檢測，常用在三相交流異步電動機反接制動轉(zhuǎn)速接近零時，自動切除反相序電源。轉(zhuǎn)子：由一塊永久磁鐵制成，與電動機同軸相聯(lián)，用以接受轉(zhuǎn)動信號。圓環(huán)（籠型空心繞組）：轉(zhuǎn)子（磁鐵）旋轉(zhuǎn)時，籠型繞組切割轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成環(huán)內(nèi)電流，此電流與磁鐵磁場相作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，圓環(huán)在此力矩的作用下帶動擺桿，克服彈簧力而順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向擺動，并撥動觸點改變其通斷狀態(tài)。觸點：在擺桿左右各設(shè)一組切換觸點，分別在速度繼電器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時發(fā)生作用。調(diào)節(jié)彈簧彈力時，可使速度繼電器在不同轉(zhuǎn)速時切換觸點改變通斷狀態(tài)。動作轉(zhuǎn)速一般不低于120r/min，復(fù)位轉(zhuǎn)速約在100r/min以下。工作時，允許的轉(zhuǎn)速高達1000～3600r/min。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)切換觸點的動作，反映電動機轉(zhuǎn)向和速度的變化。第四節(jié)開關(guān)用于供電線路和電氣設(shè)備的短路保護的保護電器。結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉。熔體：熔斷器的核心，通常用低熔點的鉛錫合金、鋅、銅、銀的絲狀或片狀材料制成，新型的熔體通常設(shè)計成滅弧柵狀和具有變截面片狀結(jié)構(gòu)。當通過熔斷器的電流超過一定數(shù)值并經(jīng)過一定的時間后，電流在熔體上產(chǎn)生的熱量使熔體某處熔化而切斷電路，從而保護了電路和設(shè)備。外殼：安裝熔體。熔斷器的保護特性（安－秒）曲線

流過熔體的電流越大，熔斷所需的時間越短。熔體的額定電流IfN是熔體長期工作而不致熔斷的電流。結(jié)構(gòu)形式：插入式螺旋式有填料密封管式無填料密封管式熔斷器的選擇：種類選擇：由電控系統(tǒng)整體設(shè)計確定。額定電壓：大于或等于實際電路的工作電壓。額定電流：大于或等于實際電路的工作電流。熔體電流：●電路上、下兩級都裝設(shè)熔斷器時，為使兩級保護相互配合良好，兩級熔體額定電流的比值不小于1.6:1。

●對于照明線路或電阻爐等沒有沖擊性電流的負載，熔體的額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流，即IfN≥I1，式中IfN為熔體的額定電流，

I1為電路的工作電流。

●保護一臺異步電動機時，考慮電動機沖擊電流的影響，熔體的額定電流IfN≥(1.5~2.5)IN，式中，IN為電動機額定電流。

●保護多臺異步電動機時，若各臺電動機不同時啟動，則

IfN≥(1.5~2.5)INmax+ΣIN，式中：INmax為容量最大的一臺電動機的額定電流，

ΣIN為其余電動機額定電流的總和。

開關(guān)是最普通、使用最早的電器。其作用是分合電路、開斷電流。常用的有刀開關(guān)、隔離開關(guān)、負荷開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)(組合開關(guān))、自動空氣開關(guān)(空氣斷路器)等。開關(guān)有有載運行操作、無載運行操作、選擇性運行操作之分；又有正面操作、側(cè)面操作、背面操作幾種；還有不帶滅弧裝置和帶滅弧裝置之分。刀口接觸有面接觸和線接觸兩種，線接觸形式，刀片容易插入，接觸電阻小，制造方便。開關(guān)常采用彈簧片以保證接觸良好。開關(guān)分為低壓隔離器和低壓斷路器第四節(jié)開關(guān)1.4.1低壓隔離器1．刀開關(guān)

a)單極b)雙極c)三極圖刀開關(guān)是手動電器中結(jié)構(gòu)最簡單的一種，主要用作電源隔離開關(guān)，也可用來非頻繁地接通和分斷容量較小的低壓配電線路。接線時應(yīng)將電源線接在上端，負載接在下端，這樣拉閘后刀片與電源隔離，可防止意外事故發(fā)生。

2.轉(zhuǎn)換開關(guān)

轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱組合開關(guān)，它的動、靜觸頭分別疊裝于數(shù)層絕緣殼內(nèi)，當轉(zhuǎn)動手柄時，每層的動觸頭隨方形轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，使動、靜觸頭接通。

轉(zhuǎn)換開關(guān)主要用來作為小容量電源開關(guān)或非頻繁操作的電動機起、停開關(guān)。

1.4.2低壓斷路器低壓斷路器也稱為自動空氣開關(guān)，可用來接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁起動的電動機。它功能相當于閘刀開關(guān)、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護器等電器部分或全部的功能總和，是低壓配電網(wǎng)中一種重要的保護電器。低壓斷路器具有多種保護功能(過載、短路、欠電壓保護等)、動作值可調(diào)、分斷能力高、操作方便、安全等優(yōu)點，所以目前被廣泛應(yīng)用。1.5熔斷器熔斷器是一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用極為普遍的保護電器。它是根據(jù)電流的熱效應(yīng)原理工作的。使用時串接在被保護線路中，當線路發(fā)生過載或短路時，熔體產(chǎn)生的熱量使自身熔化而切斷電路。熔斷器主要由熔體和絕緣底座組成。熔體為絲狀或片狀。熔體材料通常有兩種：一種由鉛錫合金和鋅等低熔點金屬制成，多用于小電流電路；另一種由銀、銅等高熔點金屬制成，多用于大電流電路。熔斷器的選擇

主要依據(jù)負載的保護特性和短路電流的大小選擇熔斷器的類型。根據(jù)被保護電路的需要，先選擇熔體的規(guī)格，再根據(jù)熔體去確定熔斷器的型號。熔斷器熔體的額定電流不得超過熔斷器的額定電流。

對于容量小的電動機和照明支線，常采用熔斷器作為過載及短路保護，因而希望熔體的熔化系數(shù)適當小些。通常選用鉛錫合金熔體的RQA系列熔斷器。對于較大容量的電動機和照明干線，則應(yīng)著重考慮短路保護和分斷能力。通常選用具有較高分斷能力的RM10和RL1系列的熔斷器；當短路電流很大時，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔斷器1.6主令電器主令電器是在自動控制系統(tǒng)中發(fā)出指令或信號的電器，用來控制接觸器、繼電器或其它電器線圈，使電路接通或分斷，從而達到控制生產(chǎn)機械的目的。常用來控制電力拖動系統(tǒng)中電動機的起動、停車、調(diào)速及制動等。常用的主令電器有：控制按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)，萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、主令控制器及其它主令電器如腳踏開關(guān)、倒順開關(guān)、緊急開關(guān)、鈕子開關(guān)等。本節(jié)僅介紹幾種常用的主令電器。按鈕開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖1.按鈕開關(guān)：常態(tài)：常閉（動斷）觸點閉合，常開（動合）觸點斷開。按下：常閉（動斷）觸點斷開，常開（動合）觸點閉合。按鈕開關(guān)顏色規(guī)定：“停止”和“急停”按鈕必須是紅色?！皢印卑粹o的顏色是綠色?！包c動”按鈕必須是黑色。“啟動”與“停止”交替動作的按鈕必須是黑白、白色或灰色。“復(fù)位”按鈕必須是藍色。復(fù)位按鈕兼有停止的作用時，則必須是紅色。1、2－常閉觸點3、4－常開觸點5－橋式觸點6－彈簧7－按鈕帽

2.行程開關(guān)：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的控制電器。機械結(jié)構(gòu)的接觸式有觸點行程開關(guān)：移動物體碰撞行程開關(guān)的操動頭，使行程開關(guān)的常開觸點接通和常閉觸點分斷。行程開關(guān)分類：外殼防護形式：開啟式、防護式、防塵式。動作速度：瞬動、慢動（蠕動）。復(fù)位方式：自動復(fù)位、非自動復(fù)位。接線方式：螺釘式、焊接式、插入式。操作形式：直桿式（柱塞式）、直桿滾輪式（滾輪柱塞式）、轉(zhuǎn)臂式、方向式、叉式、鉸鏈杠桿式。用途：一般用途行程開關(guān)、起重設(shè)備用行程開關(guān)、微動開關(guān)。3.接近開關(guān)：電氣結(jié)構(gòu)的非接觸式行程開關(guān)：運動著的物體接近它到一定距離時，發(fā)出信號，從而進行相應(yīng)的操作。類型：高頻振蕩型、霍爾效應(yīng)型、電容型、超聲波型等。參數(shù)：動作距離、重復(fù)精度、操作頻率及復(fù)位行程等。4.光電開關(guān)：光電結(jié)構(gòu)的非接觸式行程開關(guān)：運動著的物體接近它到一定距離時，通過光的發(fā)射和接收部件，發(fā)出信號，從而進行相應(yīng)的操作。根據(jù)光的發(fā)射和接收部件的安裝位置和光的接收方式的不同，分為對射式和反射式。作用距離從幾厘米到幾十米不等。

5．萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)

萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種多檔式，控制多回路的主令電器，一般可作為多種配電裝置的遠距離控制，也可作為電壓表、電流表的換相開關(guān)，還可作為小容量電動機的起動、制動、調(diào)速及正反向轉(zhuǎn)換的控制。其觸頭檔數(shù)多、換接線路多、用途廣泛，故有“萬能”之稱。

萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)主要由操作機構(gòu)、面板、手柄及數(shù)個