电气控制与plc实训教程电子教案(第一章)

电气控制与PLC实训教程第1章常用的低压电器概述1.1电磁式低压电器的结构和工作原理1.2配电电器1.3控制电器1.4继电器1.5无触点电器1.6电动机1.71.1概述1.1.1低压电器的分类1．按用途分低压电器按它在电路中所处的地位和作用可分为低压控制电器和低压配电电器两大类。2．按动作方式分低压电器按它的动作方式可分为自动切换电器和非自动切换电器。3．按执行机理分低压电器按它有无触点可分为有触点电器和无触点电器两大类。1.1.2低压电器的主要技术数据1．额定电流2．额定电压3．操作频率及通电持续率4．机械寿命和电气寿命1.1.3选择低压电器的注意事项在选择时首先考虑安全原则，其次是经济性，另外，在选择低压电器时还应注意以下几点。（1）了解电器的正常工作条件（2）了解电器的主要技术性能（3）明确控制对象及使用环境（4）明确相关的技术数据1.1.4低压电器的型号表示法国产常用低压电器的全型号组成形式如下：特殊环境条件派生代号，用字母表示辅助规格代号，用字母表示派生代号，用一个字母表示基本规格代号，用字母表示特殊派生代号，用一个字母表示设计代号，用数字表示类组代号，最多三个字母1.2电磁式低压电器的结构和工作原理1.2.1电磁机构1．组成电磁机构一般由铁芯、衔铁及线圈等几部分组成。按通过线圈的电流种类分有交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分有E形和U形两种；按衔铁的运动形式分有拍合式和直动式两大类。如图1-1所示。图1-1（a）为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，图1-1（b）为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，图1-1（c）为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯。图1-1常用的电磁机构交流电磁机构和直流电磁机构的铁芯（衔铁）有所不同，直流电磁机构的铁芯为整体结构，以增加磁导率和增强散热；交流电磁机构的铁芯采用硅钢片叠制而成，目的是减少在铁芯中产生的涡流，使铁芯发热。此外交流电磁机构的铁芯有短路环，以防止电流过零时（滞后90°）电磁吸力不足使衔铁振动。2．原理当线圈中有工作电流通过时，通电线圈产生磁场，于是电磁吸力克服弹簧的反作用力使得衔铁与铁芯闭合，由连接机构带动相应的触头动作。3．作用将电磁机构中线圈中的电流转换成电磁力，带动触头动作，完成通断电路的控制作用，将电磁能转换成机械能。1.2.2触头系统触头是用来接通或断开电路的，其结构形式有很多种。1．按其接触形式分按其接触形式分为点接触、线接触和面接触3种。如图1-2所示。图1-2（a）为点接触的桥式触头，图1-2（b）为面接触的桥式触头，图1-2（c）为线接触的指形触头。点接触允许通过的电流较小，面接触和线接触允许通过的电流较大。图1-2常见的触头结构2．按控制的电路分按控制的电路分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流。辅助触头用于接通或断开控制电路，只允许通过较小的电流。3．按原始状态分按原始状态分为常开触头和常闭触头。当线圈不带电时，动、静触头是分开的称为常开触头；当线圈不带电时，动、静触头是闭合的称为常闭触头。1.2.3灭弧系统1．电弧的产生电弧产生高温并有强光，可将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时可引起事故或火灾。2．电弧的分类电弧分直流电弧和交流电弧，交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。3．灭弧的方法（1）机械灭弧：通过机械将电弧迅速拉长，用于开关电路。（2）磁吹灭弧：在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，电弧被冷却熄灭。（3）窄缝灭弧：在电弧形成的磁场、电场力的作用下，将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝中，使其分成数段并迅速熄灭，如图1-3所示，该方式主要用于交流接触器中。（4）栅片灭弧：当触头分开时，产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅片而被分成数段，彼此绝缘的金属片相当电极，因而就有许多阴阳极压降，对交流电弧来说，在电弧过零时使电弧无法维持而熄灭，如图1-4所示，交流电器常用栅片灭弧。图1-3窄缝灭弧室的断面图1-4金属栅片灭弧示意图1.3配电电器1.3.1刀开关刀开关只用于手动控制容量较小、起动不频繁的电动机，可分为瓷底开启式负荷开关和封闭式负荷开关。1.3.2低压断路器低压断路器（又称为自动开关）可用来分配电能、不频繁地起动电动机、对供电线路及电动机等进行保护，当它们发生严重的过载或短路及欠压等故障时能自动切断电路。低压断路器按用途分有配电（照明）、限流、灭磁、漏电保护等几种；按动作时间分有一般型和快速型；按结构分有框架式（万能式DW系列）和塑料外壳式（装置式DZ系列）。1.3.3漏电保护开关漏电保护开关是一种最常用的漏电保护电器。它既能控制电路的通与断，又能保证其控制的线路或设备发生漏电或人身触电时迅速自动掉闸，切断电源，从而保证线路或设备的正常运行及人身安全。1.3.4低压熔断器熔断器由熔体（熔丝或熔片）和安装熔体的外壳两部分组成，起保护作用的是熔体，其外形结构和图形符号如图1-11所示。低压熔断器按形状可分为管式、插入式、螺旋式和羊角保险等；按结构可分为半封闭插入式、无填料封闭管式和有填料封闭管式等。图1-11熔断器外形结构及图形符号1．特点及用途常用熔断器的特点及用途如表1-1所示。名称类别特点、用途主要技术数据瓷插式熔断器RC1A价格便宜，更换方便。广泛用于照明和小容量电动机短路保护额定电流Ige从5A～200A分7种规格旋式熔断器RL熔丝周围石英砂可熄灭电弧，熔断管上端红点随熔丝熔断而自动脱落。体积小，多用于机床电气设备中RL1系列额定电流Ige有4种规格：15A、60A、100A、200A表1-1常用熔断器的特点、用途名称类别特点、用途主要技术数据无填料封闭管式熔断器RM在熔体中人为引入窄截面熔片，提高断流能力。用于低压电力网络和成套配电装置中的短路保护RM-10系列额定电流Ige从15A～1000A，分7种规格有填料封闭管式熔断器RTO分断能力强，使用安全，特性稳定，有明显指示器。广泛用于短路电流较大的电力网或配电装置中RTO系列额定电流Ige从50A～1000A分6种规格快速熔断器RLS用于小容量硅整流元件的短路保护和某些适当过载保护I=4ITe，0.2s内熔断；I=6ITe，0.02s熔断RSO用于大容量硅整流元件的保护I=（4～6）ITe，0.02s内熔断RS3用于晶闸管元件短路保护和某些适当过载保护续表2．主要参数低压熔断器的主要参数如下：（1）熔断器的额定电流Ige；（2）熔体的额定电流ITe（3）熔体的熔断电流Ib（4）熔断器的断流能力Id如果线路电流大于熔断器的断流能力，熔丝熔断时电弧不能熄灭，可能引起爆炸或其他事故。低压熔断器的几个主要参数之间的关系为：IdIbIge≥ITe。3．选型熔断器的选型主要是选择熔断器的形式、额定电流、额定电压以及熔体额定电流。熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如表1-2所示。负载性质熔体额定电流（ITe）电炉和照明等电阻性负载ITe≥IN（电动机额定流）单台电动机线绕式电动机ITe≥(1～1.25)IN笼型电动机ITe≥(1.5～2.5)IN起动时间较长的某些笼型电动机ITe≥3IN连续工作制直流电动机ITe=IN反复短时工作制直流电动机ITe=1.25IN多台电动机ITe≥(1.5～2.5)INmax+IdeINmax最大一台电动机额定电流Ide其他电动机额定电流之和表1-2熔体额定电流选择4．注意事项在安装、更换熔体时，一定要切断电源，将刀开关拉开，不要带电作业，以免触电。熔体烧坏后，应换上和原来同材料、同规格的熔体，千万不要随便加粗熔体，或用不易熔断的其他金属丝去替换。1.4控制电器1.4.1接触器接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路和控制电路的自动控制电器。1.4.2主令电器主令电器主要用来切换控制电路，即用它来控制接触器、继电器等电器的线圈得电与失电，从而控制电力拖动系统的起动与停止，以及改变系统的工作状态，如正转与反转等。1.5继电器1.5.1电磁式继电器电磁式继电器是应用最早同时也应用最多的一种继电器。它由电磁机构和触点系统组成，如图1-19所示。1-静触点；2-动触点；3-簧片；4-衔铁；5-极靴；6-空气气隙；7-反力弹簧；8-铁轭；9-线圈；10-铁芯图1-19电磁式继电器机构图1．电磁式电压继电器电磁式电压继电器触点的动作与线圈所加电压大小有关，使用时和负载并联。电压继电器又分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。2．电磁式电流继电器电磁式电流继电器触点的动作与线圈通过的电流大小有关，使用时电流继电器和负载串联。电流继电器又分欠电流继电器、过电流继电器。1.5.2时间继电器1．空气阻尼式时间继电器时间继电器是电路中控制动作时间的继电器，它是一种利用电磁原理或机械动作原理来实现触点延时接通或断开的控制电器。按其动作原理与构造的不同可分为电磁式、电动式、空气阻尼式和晶体管式等类型。2．电子式时间继电器电子式时间继电器的种类很多，最基本的有延时吸合和延时释放两种，它们大多是利用电容充放电原理来达到延时目的的。1.5.3热继电器1．结构热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成，其外形、结构及图形符号如图1-23所示。图1-23热继电器外形、结构及图形符号2．工作原理3．选用热继电器型号的选用应根据电动机的接法和工作环境决定。4．整定1.6无触点电器1.6.1接近开关接近开关（又称无触点位置开关）的用途除行程控制和限位保护外，还可作为检测金属体的存在、高速计数、测速、定位、变换运动方向、检测零件尺寸、液面控制及用作无触点按钮等。使用接近开关时应注意选配合适的有触点继电器作为输出器，同时应注意温度对其定位精度的影响。1.6.2温度继电器在温度自动控制或报警装置中，常采用带电触点的汞温度计或热敏电阻、热电偶等制成的各种型式的温度继电器。1.6.3固态继电器具有开关速度快、工作频率高、质量轻、使用寿命长、噪声低和动作可靠等一系列优点，固态继电器按其负载类型分类，可分为直流型（DC-SSR）和交流型（AC-SSR）。固态继电器用于控制直流电动机时，应在负载两端接入二极管，以阻断反电势。控制交流负载时，则必须估计过电压冲击的程度，并采取相应保护措施（如加装RC吸收电路或压敏电阻等）。当控制电感性负载时，固态继电器的两端还需加压敏电阻。1.6.4光电继电器光电继电器是利用光电元件把光信号转换成电信号的光电器材光电继电器分亮通和暗通两种电路。使用光电继电器必须注意，光电继电器安装、使用时，应避免振动及阳光、灯光等其他光线的干扰。1.7电动机1.7.1三相异步电动机1．结构三相异步电动机分为两个基本部分：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。2．工作原理三相异步电动机转动原理如下：三相交流电通入定子绕组，产生旋转磁场。磁力线切割转子导条使导条两端出现感应电动势，闭合的导条中便有感应电流流过。在感应电流与旋磁场相互作用下，转子导条受到电磁力并形成电磁转矩，从而使转子转动。3．转向与转速（1）电动机正反转当通入电动机定子绕组的三相电流相序为U→V→W时，三相电流产生的旋转磁场是顺时针方向旋转。这时由图1-33可知，转子转动方向也是顺时针方向。由上面分析可知，电动机的转子转动方向和磁场旋转的方向是相同的，而磁场的旋转方向与通入定子绕组的三相电流相序有关。当通入电动机定子绕组的三相电流相序变为U→W→V时，三相电流产生的旋转磁场将从原来顺时针方向（正转）变为逆时针方向旋转（反转），如图1-34所示。电动机的转子转动方向也跟着变为逆时针方向（反转）。图1-34旋转磁场的反转所以，要使电动机反转，只要将三相电源的任意两相对调，即改变通入定子绕组的三相电流的相序，电动机就改变转动方向。（2）电动机转速三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又取决于磁场的极数，旋转磁场的极数与定子绕组的安排有关。①旋转磁场转速n0当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为n0=60f1/p(r/min)因此，旋转磁场的转速n0决定于电动机电源频率f1和磁场的极对数p。对于某一异