第八章电气控制系统

206第八章电气控制系统电气控制系统在工业生产、科学研究以及其他各个领域的应用十分广泛，已经成为实现生产过程自动化的重要技术手段。尽管电气控制系统种类繁多，功能各异，但其控制原理、基本线路、设计基础都是类似的。本章主要介绍一些电气控制系统中常用的低压电器、三相异步电动机的基本控制环节和基本控制原则、阅读控制线路原理图的方法以及可编程逻辑控制器PLC的基本使用方法。第一节常用低压电器低压电器是组成各种电气控制系统的基础配套组件，它的正确使用是低压电力系统可靠运行、安全用电的基础和重要保证。本节主要介绍常用低压电器的结构、工作原理、用途及其图形符号和文字符号，为正确选择和合理使用这些电器进行继电接触控制系统设计打下基础。一、组合开关组合开关实质上也是一种刀开关，但它的刀片是转动式的，操作比较轻巧。组合开关的动触点和静触点装在封闭的绝缘件内，采用叠装结构，叠装的层数由动触点的数目决定，动触点装在操作手柄的转轴上，随转轴旋转而改变各对动触点静触点的通断状态。组合开关的结构和图形文字符号如图8-1所示：图8-1组合开关的结构和图形文字符号组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数等。其中额定电流有10A、25A、60A等几个等级。常见产品有HZ5、HZ10系列。组合开关常用作机床电气控制线路的电源引入开关，也可以直接起动电压在380V、额定功率在5.5kW及以下的小容量的笼型异步电动机。二、按钮开关按钮是一种结构简单、应用广泛的低压电器，在继电接触控制系统中用于手动发207出控制信号，其典型结构如图8-2所示，它由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。通常，我们将未受外力作用或线圈未通电时断开的触点称为常开触点（动合触点），情况相反的触点称为常闭触点（动断触点）。按用途和结构不同，按钮可分为起动按钮、停止按钮和符合按钮等。起动按钮带有常开触点，当手指按下按钮帽时，按钮的常开触点闭合；手指松开，常开触点断开。停止按钮带有常闭触点，当手指按下按钮帽时，按钮的常闭触点断开；手指松开，常闭触点闭合。复合按钮带有常开和常闭两种触点，当手指按下按钮帽时，先断开按钮的常闭触点再闭合其常开触点；手指松开，先断开已闭合的常开触点再闭合已断开的常闭触点。为便于识别各个按钮的作用，避免误动作，通常在按钮帽上做出不同的标记或涂上不同的颜色，一般红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮。按钮的图形文字符号如图8-3所示。常闭按钮常开按钮图8-3按钮的图形文字符号图8-2按钮典型结构三、熔断器熔断器是最简单和最常用的保护电器，广泛应用于供电线路和电气设备的短路保护中。熔断器由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的绝缘管或绝缘座等部分组成。熔体是熔断器的核心，通常由低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成。使用时应将熔断器串接于被保护电路中，电路正常工作时，熔体不应熔断；当电路发生故障从而导致通过熔断器的电流超过一定数值，导致电流在熔体上产生的热量使熔体熔断，从而保护电路和用电设备。1.熔断器的主要技术指标⑴额定电压指熔断器在长期工作时以及在断开后能承受的电压。208⑵额定电流指熔断器长期工作时，设备部件温升不超过规定值时所能承受的电流。这里需要注意区分熔断器的额定电流和熔断器中熔体的额定电流。通常生产厂家为了减少熔断器额定电流的规格，其额定电流等级较少，而熔断器熔体的额定电流等级较多。因此在实际使用中可以在一个额定电流等级的熔断器的绝缘管中安装不同额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断器的额定电流。2.熔断器的选择要使熔断器在电路中真正能起到对电路和用电设备的保护作用，必须正确选择熔断器。⑴熔断器的额定电压、额定电流和熔体额定电流的选择熔断器的额定电压、额定电流的选择依据较为简单，可按照以下两条原则进行选择：①熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压②熔断器的额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流⑵熔体选择的原则：①对于照明、电热设备等电阻性负载，熔体的额定电流RNI应大于或等于电路的额定工作电流NI。②对于单台异步电动机，考虑电动机起动时起动电流较大的影响，熔体的额定电流按下式计算：NRN)5.25.1(II③对于保护多台异步电动机的熔断器的熔体，若各台电动机不同时起动，则应按下式计算：式中NmaxI为容量最大一台的电动机的额定电流，NI为其余电动机额定电流的总和。④为防止发生越级熔断，上、下级熔断器的熔体应有良好的协调配置，通常应使上级熔断器的熔体额定电流比下一级大1－2个级差。熔断器的图形、文字符号如图8-4所示。NNmaxRN)5.25.1(III209图8-4熔断器的图形、文字符号四、接触器交流接触器是一种用于频繁接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器，主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，是电力拖动自动控制线路中应用最为广泛的电器元件。接触器主要包括电磁系统（静铁心、动铁心、线圈）、触点系统和灭弧装置部分。按照用途不同，接触器的触点分主触点和辅助触点两种。主触点用来切换大电流电路；辅助触点只能用来切换小电流电路。按照主触点控制的电路中电流种类分类，接触器有直流接触器和交流接触器。1.交流接触器交流接触器用于控制电压至380V、电流至600A的50Hz交流电路。其铁心为双E型，由硅钢片叠压而成。线圈套在静铁心上，接于控制电路中，内部结构如图856所示。图8-5交流接触器内部结构交流接触器工作原理如下：当线圈所加电压达到其额定电压85％以上时，铁心产生足够的磁通，该磁通对动铁心产生克服复位弹簧拉力的电磁吸力将动铁心可靠吸合，通过绝缘杆使固定于动铁心上的动触点动作，于是交流接触器的主触点闭合从而接通主电路；同时常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开，使与之相连的控制电路接210通或者断开。当线圈中的电压下降到某一数值时，电磁力减小到不足以克服复位弹簧的拉力，动铁心就在复位弹簧的拉力作用下复位，使得主触点和辅助触点的常开触点断开，常闭触点闭合。接触器的触头用于分断或接通电路。交流接触器一般有3对主触点、2对辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，主触点和辅助触点一般采用双断点的桥式触点，电路的接通和断开由两个断点共同完成。由于这种双断点的桥式触点具有电动力吹弧能力，所以10A以下的交流接触器一般没有灭弧装置，而10A以上的交流接触器则采用栅片灭弧罩灭弧。交流接触器的图形、文字符号如图8-6所示。接触器常开触点接触器线圈接触器常闭触点图8-6交流接触器的图形、文字符号2.直流接触器直流接触器主要用于电压440V、电流600A以下的直流电路，其结构与工作原理基本上与交流接触器相同。所不同的是除触点电流和线圈电压均为直流外，其主触点大都采用可滚动接触的指型触点，辅助触点采用点接触的桥型触点。铁心由整块钢或铸铁制成，线圈制成长而薄的圆筒形。3.接触器的主要技术指标⑴额定电压接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压，交流有127V、220V、380V等等级；直流有110V、220V、440V等等级。⑵额定电流接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流。有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。⑶线圈额定电压交流有36V、110V、127V、220V、380V；直流有24V、48V、220V、440V。⑷额定操作频率额定操作频率指接触器每小时操作的次数。五、热继电器211热继电器是应用电流热效应得原理制成的，用来作为电动机的过载保护电器。电动机在实际运行中，常常遇到过载的情况。若过载电流不太大且过载时间较短，电动机绕组的温度就不会超过允许温升，这种过载是允许的。但若过载的时间长、电流大，电动机绕组的温度就会超过允许温升使得电动机绕组绝缘老化，从而缩短电动机的使用寿命，严重时甚至烧毁电动机绕组，因而这种过载是不能接受的。热继电器就是应用电流热效应原理，当电动机过载时切断电路，保护电动机。另外，热继电器可以根据过载电流的大小自动调整动作时间，具有反时限保护特性。热继电器的结构如图8-7所示。图8-7热继电器结构热继电器工作原理如下所示：热继电器主要由热元件、双金属片和常闭触点三部分组成。热元件绕在双金属片（由两种线膨胀系数不同的金属压制而成）上，串接与电动机定子电路中，其常闭触点串接与电动机的控制电路中。当电动机工作时，热元件中有电流通过，因而使得热元件发热，热元件产生的热量使得双金属片发生弯曲。当点击正常工作时，双金属片的弯曲程度不足以使热继电器动作。当电动机过载时，热元件中的电流增大，加上时间效应，会使得双金属片接受的热量大大增加，因而弯曲程度加大，足以推动导板，通过动作机构使得常闭触点断开，控制电路断开，接触器线圈失电，常闭主触点断开，电动机脱离电源，从而起到过载保护的作用。使用热继电器时，要调整整定机构，使热继电器的整定电流等于电动机的额定电流。这样，电动机额定工作时，热继电器不动作；当电动机过载，电流为整定电流的1.2倍时，热继电器将在20分钟内动作；当过载电流为整定电流的1.5倍时，热继电212器将在2分钟内动作。这里需要强调的是，由于热惯性，热继电器不能做短路保护。六、自动空气断路器自动空气断路器又称自动空气开关，可用来分配电能，也可用于非频繁的起动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护。当发生严重的过载或短路及欠电压等故障是能自动切断电路，其功能相当于熔断器与过流、欠压、热继电器等的组合。自动空气断路器的结构原理如图8-8所示，主要由触头、灭弧系统、各种脱扣和操作机构组成。图8-8自动空气断路器手工合闸后，动、静触点闭合，脱扣联杆9被锁扣7的锁钩钩住，它又将合闸联杆5钩住，将触点保持在闭合状态。热元件14与主电路串联，有电流流过时将产生热量，从而使得热脱扣器6的下端向左弯曲；当电路过载时，热脱扣器6的弯曲程度大大增加，从而将脱扣锁钩推离脱扣联杆9，从而松开合闸联杆5，于是动、静触点10、11受脱扣弹簧3的作用迅速分开。电磁脱扣器8有一个匝数很少的线圈和主电路串联。当发生短路时，它使铁心脱扣器上部的吸力大于弹簧的反作用力，脱扣锁钩向左转动，最后也使触点断开。当需要手动脱扣时，按下手动脱扣按钮2就使得触点断开。七、行程开关行程开关是以生产机械的运动部件或行程为信号而进行动作的电器。行程开关按结构可分为机械结构的接触式有触点行程开关和电气结构的非接触式接近开关。常用的接触式有触点行程开关又可分为直动式和转动式。直动式行程开关的结构和动作原理类似与按钮，如图8-11所示。213行程开关的图形、文字符号如下图所示。行程开关常开触点行程开关常闭触点图8-11行程开关图形、文字符号[练习与思考]8-1-1复合按钮动作具有什么特点？8-1-2短路保护和过载保护有什么区别？为什么热继电器不能做短路保护？245第二节可编程控制器可编程控制器（Programmablelogiccontroller，简称为PLC）是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展出来的，以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。它具有结构简单、可靠性高、通用性强、易于编程、使用方便等优点，已经成为电气控制系统的核心部件，常用于开关逻辑控制、闭环过程控制、机械加工中的数字控制等领域，与机器人、CAD/CAM技术已经称为并称为现代工业自动化技术的三大支柱。一、PLC的基本结构PLC种类繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构和工作模式则大同小异，主要由CPU模块、输入/输出接口单元、编程器和电源四大部分组成，如图8-13所示。图8-13PLC结构框图1.CPU模块CPU模块又称中央处理器（Centerprocessingunit），是PLC的核心。该模块主要由CPU、存储器、控制电路、译码电路和接口电路组成，主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。CPU模块中的存储器可分为系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器三部分。系统程序存储器用于存放系统程序，