电气控制与PLC第1章

第1章电器的基本知识第1章电器的基本知识电器概述1.1电器的基本理论1.2什么是电器？电器——电气器具。电器的定义：指能依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动接通和断开电路，连续或断续地改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电工装置。电器——一种能控制电的工具。第1章电器的基本知识1.1.1电器的分类1.按工作电压等级分低压电器：工作电压在交流1200V或直流1500V以下的各种电器。高压电器：工作电压高于交流1200V或直流1500V的各种电器。1.1电器概述也有以交流1000V或直流1200V作分界线。安全电压安全电压：为防止触电事故而采用特定电源供电的电压系列。我国GB3805-83安全电压标准规定：安全电压的额定值为42、36、24、12、6V。1.42V可供有触电危险的场所使用，如手持式电动工具等的使用；2.36V可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等场合下使用；3.24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带电体的设备选用。2.按动作原理分手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务的电器。如刀开关、控制按钮、控制器、转换开关等。自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电信号自动完成指令任务的电器。如交直流接触器、继电器、高压断路器等。3.按用途分控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器。保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。配电电器：用于电能的输送和分配的电器。执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。4.按工作原理分电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器。非电量控制电器：电器的工作是依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。5.按电器的执行机构特点分有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现。无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械接触，而是根据输出信号的高低实现的（即半导体器件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三极管的饱和与截止来实现电路的通断）。1.1.2电器产品的发展1.我国电器产品的发展历程低压电器产品大致可分为三代：20世纪60～70年代：第一代电器产品完全模仿前苏联的基础上设计开发的。特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理想、品种规格不齐全。CJ10交流接触器DZ10断路器DW10多油断路器第一代电器产品20世纪70～80年代：第二代电器产品更新换代和引进国外先进技术制造的。特点：技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，结构上适应成套装置要求。第二代电器产品CJ20接触器DZ20断路器DW15断路器第二代电器产品20世纪90年代：第三代电器产品跟踪国外新技术自行开发试制的。特点：产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化。第三代电器产品CJ40接触器DZS断路器DW45断路器第三代电器产品国外从20世纪90年代后期就推出了智能化、可通信的第四代产品。我国预计用10年左右时间完成第四代低压电器主要系列产品开发与推广（2008年中国电器行业分会）。第四代产品我国从90年代起开发的第三代产品已带有智能化功能，但是单一智能化电器在传统的低压配电、控制系统中很难发挥其优越性，产品价格相对较高，难以全面推广。我国第4代低压电器总体发展思路第1批4个项目：新一代智能型万能式断路器、新一代小型化塑料外壳式断路器、新一代小型化控制与保护开关电器、带选择性保护小型断路器，2009年完成研发工作。第2批项目初步确定为新一代交流接触器、新一代电动机起动器、新一代双电源转换开关、专用系列低压浪涌保护器。2010年启动、2013年完成。第3批项目重点是各类新型电器，预计2013～2014年启动、2018年完成。第4代低压电器的结构特征及基本功能①产品中装有微处理器②带有通信接口，能与现场总线连接③采用标准化结构，具有互换性，内部可更换部件采用模块化结构④保护功能齐全⑤外部故障记录显示⑥参数显示⑦内部故障自诊断⑧能进行双向通信2.电器产品的发展趋势1.1.2电器产品的发展（1）在开发第4代低压电器同时，进一步拓展低压电器领域。重点放在新能源（如风力发电、太阳能发电）配套用电器设备以及配电与控制系统；节能、环保产品；电网安全等。这批项目采用元件与系统相结合方针。（2）全面实现低压电器主要产品网络化、智能化、可通信：要求我国第3代低压电器主要产品、第4代低压电器全部实现网络化、智能化、可通信，能与多种现场总线连接，也可直接与工业以太网连接。对部分安装通信电缆有困难的场合或网络扩展需要，可采用无线通信技术。在实现低压电器网络化、可通信同时，要进一步开发并完善智能网络配电与控制系统配套产品。完善各类配套产品规格、品种，实现系列化、标准化并完成智能网络系统主站开发工作。（3）在开发新一代高性能、小型化、智能化产品同时，积极探讨并大力发展新一代经济型产品。发展新一代经济型产品既是原材料大幅度上涨对低压电器提出节材、节能的需要；也是第1代、第2代低压电器逐步淘汰后为满足中、低端市场的需要。从节能、节材要求考虑，新一代经济型低压电器不应在第1代、第2代低压电器上改进、派生，而应该在第3代、第4代低压电器派生或重新开发的新一代经济型产品。（4）全面淘汰第1代产品；逐步淘汰第2代产品，部分产品完善、改进、提高；第3代产品深化二次开发。通过全行业共同努力，经过5年左右时间实现我国低压电器总体技术水平上一个新的台阶。在发展4代半产品同时，积极探索我国第5代低压电器的可行性，逐步清晰第5代低压电器定位、产品特点、发展目标与主要研究内容。（5）在第4代低压电器研发完成并推向市场后，根据国外低压电器新产品、新技术、新标准、新材料、新工艺最新发展以及市场反馈信息，对第4代低压电器进行完善与改进，部分发展成为4代半产品，以不断满足国民经济与市场发展的需要，也是跟踪新技术、新产品发展需要。1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用1.三维计算机辅助设计系统三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体，设计者可在三维空间完成零部件设计和装配，实现设计和制造的自动化与优化，并在此基础上自动生成工程图纸。2.低压电器专用计算机应用软件数据、符号、标准元件库。软件包：专用分析、计算软件，如磁系统三维分析、计算软件包、电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电器合闸和分断过程动态仿真、电磁机构和触头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程的动态仿真、样机测试等软件包。1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用3.计算机网络系统的应用低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护与信息网络。智能化电器监控器中央计算机包括可编程序控制器（PLC）网络元件1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用包括监控器：在网络中起参数测量、显示和某些保护功能，还具有通信接口的作用，代替了传统的指令电器、信号电器和测量仪表。网络元件：用于形成通信网络，主要有现场总线、操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等。1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术的应用一方面使低压电器智能化，提高了低压配电与控制系统的自动化程度；另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信，使低压配电、控制系统的调度、操作和维护实现了四遥（遥控、遥信、遥测、遥调），提高了整个系统的可靠性。1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用4.可靠性技术可靠性物理研究，即产品失效机理研究；可靠性指标与考核方法研究；可靠性实验装置研究；提高可靠性水平研究。1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用5.新的灭弧系统和限流技术实现开关电器“无飞弧”电子灭弧装置实现无弧分断电路1.1.3新技术在电器设计和开发中的应用1.2电器的基本理论电器的组成：从控制的角度看电器输入部分输出部分结构上电器感测部分判断部分执行机构1.2.1电磁式电器的工作原理电磁式电器的组成：感测和判断部分——电磁机构执行机构——触头1.感测和判断部分电磁机构：铁心吸引线圈衔铁弹簧动触头静触头将电磁能量转换为机械能量，带动触头工作，完成接通和分断电路。动画演示1.感测和判断部分铁心吸引线圈衔铁弹簧动触头静触头当吸引线圈两端施加一定电压或通以一定电流时，在电磁机构的磁路产生磁场，并通过气隙转换成机械能，当施加在衔铁上的电磁吸力大于电磁机构的反力时，衔铁就带动动触头运动，完成触头的闭合和断开，实现电路的接通和分断。结论交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚未动作时，电流比额定工作电流大得多。若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流线圈将可能因过电流而烧毁。在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用交流电磁机构。电磁机构分类1——铁心2——吸引线圈3——衔铁衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：这种形式磨损小，铁心一般用电工软铁制成，广泛用于直流电器和接触器中。衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅钢片叠成，常用于大容量交流接触器中。衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器和继电器中。吸引线圈吸引线圈：将电能转换为磁场能。吸引线圈的分类按线圈的联接方式分：•电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，但电流较小，所以常用绝缘较好的电线绕制。•电流线圈：串接在主电路中，匝数少，电流较大，所以常用扁铜线或粗铜线绕制。按吸引线圈电流的种类分：•直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。•交流线圈：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈散热。吸引线圈2.执行机构执行机构——电器的触头系统。触头（又称触点）的作用——接通和分断电路。动触头静触头灭弧装置导电部件触头对触头的要求：导电、导热性良好，接触电阻小。触头通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时也在铜触头表面镀一层锡、银或镍。触头上装有接触弹簧，并在安装时将弹簧预先压缩一段，使动触头刚与静触头接触时就产生一个初压力。接触弹簧作用：触头接触得更加紧密，减小接触电阻，消除开始接触时产生的振动。2.执行机构常开触头和常闭触头触头按其原始状态可分为：常开触头和常闭触头。原始状态——吸引线圈未通电时的状态。常闭触头常开触头2.执行机构常开触头：当线圈未通电时触头断开，而线圈通电后触头闭合的触头，又称为动合触头；常闭触头：当线圈未通电时触头闭合，线圈通电后触头断开的触头，又称为动断触头。触头的复位——线圈断电后所有触头回复到原始状态。动作顺序：先断后合。2.执行机构主触头和辅助触头按触头控制的电路分为：主触头和辅助触头。主触头：用于接通和断开主电路，允许通过较大的电流，一般装有灭弧罩；辅助触头：用于接通和断开控制电路，只允许通过较小的电流。2.执行机构触头的结构型式桥式触头2.执行机构桥式触头：桥式触头的两个触点串于同一条电路中，电路的接通和断开由两个触点共同完成。•点接触型式——适用于电流不大，且触头压力小的场合，如继电器电路、辅助触点；•面接触型式——适用于大电流的场合，这种触头一般在接触表面上镶有合金，以减小触点的接触电阻，提高耐磨性，多用于较大容量接触器的主触头。2.执行机构指形触头：触头的接触区为一直线，触头接通或分断时产生滚动摩擦，既利于去掉氧化膜，又可以缓冲触头闭合时的撞击能量，改善触头的电器性能。适用于通电次数多，电流大的场合，常用于刀开关。2.执行机构1.2.2电接触理论触头在闭合状态下动、静触点完全接触，并有工作电流通过时，称为电接触。电接触：导体和导体之间的连接处。电接触情况的好坏将影响触头的工作可靠性和使用寿命。电接触的结构形式按接触工作的原理分：①固定接触：两接触元件在工作时间内固定接触，无相对运动也不分离。如母线的螺栓连接或铆接，电子设备和仪器中的插接件、连接器和插头等。②滚动和滑动接触：两接触元件能作相对滚动和滑动，但不相互分离。如变阻器的滑动头