电气基础知识.

电气控制基础主讲冯志雄1目录第一节电气控制基础………………………002第二节可编程控制器………………………022第三节常用低压电器………………………064第四节常用半导体………………………082第五节常用车辆电器………………………116第六节电力拖动控制………………………136第七节自动控制原理………………………1672第一节电气控制基础1.1概述电气与电子控制系统是现代工程机械的重要组成部分，同时也是评价现代工程机械技术水平高低的一个重要依据。随着对产品性能要求的不断提高，电子控制系统在工程机械中所占比重越来越大，功能越来越强，控制系统的复杂程度及智能化水平也越来越高，相应的对使用与维护人员的知识结构和技能也提出了更高的要求。1）控制系统的基本组成：由信号输入装置、电子控制单元和输出装置三大部分组成。2）控制系统的性能和可靠性：在很大程度上，电器的性能和可靠取决于对环境的适应程度。除了温度、湿度、振动、灰尘、水、油污和电压波动等环境因素外，电磁环境更是一个不可忽视的问题。33）电气控制系统的发展：继电器-接触器控制系统，其结构简单，但所完成任务具有单一性。而计算机控制系统则具有通用性强，程序可变，编程容易，可靠性高，使用维护方便等优点，逐步取代继电器、接触器为主的顺序控制器。总的趋势是自动化、智能化、网络化继电器控制系统通用PLC控制系统工程专用控制器41.2电气线路基础虽然工程机械电控系统的自动化程度越来越高，但整个电控系统仍然是由多个不同的基本单元有机构成。车辆的电气设备，可归纳为电源设备、用电设备和其它辅助设备等，各种功能的设备，必须由相应的电路连接起来才能发挥作用。电气线路就是将上述设备用导线按一定规律连接而成的电路的总和。维修设备电控系统的基础，就是首先从总体上了解其电控技术的构成，正确识读和分析电路图，找出电路的特点，作为判断故障和配线、查线的依据。5（一）电气线路的主要特点：1）发电机与蓄电池两个电源并存。2）用电设备为单线并联，单线制。3）采用负极搭铁。4）低压直流24V（柴油机）。5）装有安全保险装置。6（二）电路的基本概念电路：电流的通路，为了某种需要有某些电工设备或元件按一定方式组合起来的。包括电源、负载和中间环节。回路：电路中任一闭合路径称为回路。实际过程中主要分析解决由电源出发回到电源而形成的回路。电源：电路中提供电能的设备。负载：电路中取用电能的设备。中间环节：传输和分配电能的作用。7（三）电线与线束常用的电线有低压导线、高压导线、防干扰屏蔽线等线束：为了使机器电气线路安装方便、牢固和整齐美观，在布置和连接导线时，将走向相同的导线用聚氯乙烯塑料带包扎成束，称作线束。有的还套上胶管或波纹管，为方便维修，线束两端通常用接插件连接。接插件：由插头与插座两部分组成，有片式和针式之分。组成：主要由电线、聚氯乙烯塑料带、波纹管及接插件组成。要求：对绝缘材料要求耐低温、耐油和阻燃，对电线则采用多股铜质线芯结构，不易折断和柔性好。8表一代表导线颜色的字母标记棕红橙黄绿蓝紫灰白黑粉N/BrRH/OYGU/BlVvioletS/GrgreyWBFpink导线截面mm21.01.52.53.04.06.01013允许截流A1114202225355060表二低压导线允许负载的电流值9表三铜铝导线最大允许持续电流（A）导线截面mm2铜3x铝3x铜Ω/km铝Ω/km501491150.370.62701841410.250.44952261740.190.331202602010.150.2910（四）电路图的识别电气控制系统是由许多电气元件按一定要求连接而成。为了表达生产机械电气控制系统的组成及工作原理，便于电气元件的安装、调试和维护，在图上用不同的图形符号来表示各种电气元件，并用文字符号来进一步说明个电气元件，用在个电器接线端子用字母数字符号标记。111）电气原理图：表达电路的工作原理和连接，不讲究电气设备的形状、位置和导线走向的实际情况。各器件均有标准符号（图形、文字符号）表示。122）电气系统图：用符号或带注释的框概略地表示系统的基本组成、相互关系及其主要特征的一种电气图。是从总体上来描述系统或分系统，是其它电气图的基础。133）安装线束图：反映已制成的线束外形及每根导线的长度，标明线束中所连接的电气设备的名称，接插件和连接线头的编号和线号。144）读识电路图的方法与步骤：a.分析主电路b.分析控制电路c.分析辅助电路d.分析联锁与保护环节e.分析特殊控制环节f.总体检查15（五）系统的维护和保养a.定期对发电机与启动马达、蓄电池进行清扫与检查，紧固所有松动的接线端子。b.保持各操作台和各电控箱内的清洁，不可将有污油及尘土的物品放在上面。c.及时紧固电器部件松动的螺钉、接插件及各线束。d.注意随时关严电控箱门，不能让油污、尘土、水进入箱内，保持箱体清洁与干燥上车电路维护保养说明一下16（六）使用中的安全注意事项a.禁止用水冲洗发电机、启动马达、电控箱及操纵台内所有的电器元件。b.非电气操作人员不得对电控箱内的电气元件（除保险丝）进行维修与调整。c.更换保险丝时应注意要使用同样型号的保险丝，不能随意调换，换上后仍烧坏则表明此回路有问题，请先排除故障后再更换保险丝。d.当发生冒烟、嗅到焦味、控制失灵等异常故障时，应立即切断电源，如发生火灾则请马上使用灭火器灭火。17e.禁止对各线束进行强力拉伸、踩踏、挤压或敲击，在检修机器时，拆卸各线束时应作标记，并将接插件用塑料胶带封好，不得将接插件置于油污或泥土中；检修完毕，应将电线束和接插件装回原来位置，并检查接插件是否连接正确（接插件两边各相连接的电线号码必须一致）和插入到位。f.对机器进行检修特别是需要进行电焊时一定要切断主电源（断开蓄电池负极）。181.3电子电路基础主要包括模拟电子技术和数字电子技术两大方面的内容，前者是处理连续变化的电信号的技术，一般来说电压、电流、阻抗等都是模拟信号，即用电信号的变化来传递“量的变化。后者则是处理脉冲信号的技术，用两个符号即”0“和”1“来表示量，它是离散的数值和符号。19（一）数字电路的主要特点1）数字信号采用数字形式表示，在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间；2）数字信号的表示方法采用二值逻辑，用1和0表示电压或电流的两种对立状态；3）数字技术主要研究电路的逻辑功能，反映电路的输出和输入之间的逻辑关系。20（二）脉冲的波形及其参数脉冲幅值Um：脉冲从起始的静态值到峰值之间的变化量。脉冲宽度tp：脉冲从前沿的0.5Um变化到后沿的0.5Um所需要时间。脉冲周期T：周期性的脉冲信号，前后相邻的两个脉冲的前沿或后沿之间的时间间隔。占空比τ：脉冲宽度tp与脉冲周期T的比值，一般用百分比来表示。21（三）逻辑门电路逻辑“与”：只有当条件A与B或更多的条件都同时具备时，事件L才能发生。其表达式为：L=A×B或简记为L=A.B逻辑“或”：只要具备其中一个或一个以上条件，这件事就发生。其表达式为：L=A+B复合门电路：“与非”、“或非”门电路。ABLABL221.3防护等级1）定义：按标准规定的检验方法，外壳对接近危险部件、防止固体异物进入或水进入所提供的保护程度。2）IP代码IPcode：表明外壳对人接近危险部件、防止固体异物或水进入的防护等级以及与这些防护有关的附加信息的代码。23表一IP代码的组成及含义（第一位）24表二IP代码的组成及含义（第二位）25第二节可编程控制器由继电接触器组成的控制系统，是通过电器固定接线来实现顺序控制的。这种针对具体被控对象设计出专用的控制电路制造周期长、造价高、维护不便。而可编程控制器（PLC），可以满足多种多样的自动化控制需要，具有机构紧凑、良好的扩展、低廉价格以及强大的指令，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。26（一）PLC的主要特点1）可靠性高专为恶劣的工业环境中使用而设计的，具有很强的抗干扰能力；2）控制系统结构简单，通用性强3）编程简单、操作方便、改变程序灵活4）功能完善PLC的输入/输出功能完善，性能可靠5）设计、施工、调试的周期短6）体积小，维护操作方便27（二）PLC的应用场合1）用于开关逻辑凡是原使用继电器逻辑控制的机械中，如单机控制、多机群控制以及生产自动线的控制等，都可换成PLC来实现；2）用于闭环控制现代大型设备中，如连轧机的位置控制、电动机的速度控制、锅炉的过程控制等，都需要使用PID子程序控制。282.PLC的结构及原理29（一）中央处理器（CPU）与一般计算机一样，CPU是PLC的核心部件，整个PLC的工作过程都是在CPU统一指挥和协调下进行的。它解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通讯以及所赋予的其他功能。1.控制器的功能：取指令、分析指令、执行指令、总线管理、处理异常情况和特殊请求2.运算器的功能：实现算术运算和逻辑运算301.接收、存储用户通过编程器的输入设备输入的程序和数据。2.用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态和数据，并存入存储器3.诊断PLC内部电路的工作故障和编程语法错误。4.进入运行状态后，执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。5.响应各种外围设备（如编程器、打印机）的请求。CPU主要完成下列工作：31（二）存储器1.系统存储器:存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。2.用户存储器：包括程序区和数据区，程序存储区用来存放用户编写的程序，数据区用来存放与控制用户程序中使用的相关数据。32（三）输入/输出接口（I/O模块）各I/O点的通断状态用发光二极管显示，使用可拆卸的插座型端子板，更换PLC时，不用断开外部接线，整体拔下端子板即可。1.输入模块输入接口用来接收和采集输入信号，均带有光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，提高抗干扰能力，其输入方式有数字量和模拟量输入方式。33如图所示，1M是同一输入组内各输入信号的公共点，当外接触点接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；外部触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信号经内部电路传送给CPU模块。显然，输入用的发光二极管是两个反并联的，1M点可以是负极，也可以是正极。CPU提供的集成I/O具有固定的I/O地址，I/O点的编号采用八进制，逢八进一，其中首字母I代表输入点，Q代表输出点5.6k内部电路0.01M1k34●数字量输入技术要求：项目指标“1”信号15－35V,2.5-4mA“0”信号0－5V，1mA输入连续电压最大值30VDC输入电压浪涌值35V/0.5S标准输入的延迟时间0.2－12.8ms（可调整）高速计数器I0.0~I0.5，30kHz352.输出模块输出模块用来控制执行装置，其功率放大元件有两种形式：●驱动交流负载和直流负载的小型继电器输出形式。●晶体管输出：驱动直流负载的大功率晶体管或场效应管，驱动交流负载双向晶闸管。输出电流的额定值与负载的性质有关，继电器可以驱动2A电阻负载，但白炽灯只能是100W，晶体管输出一般为0.75A。36如图所示，为继电器输出电路，继电器同时起隔离和功率放大作用，与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。继电器输出使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过压和过流的能力强，缺点是动作速度慢，寿命（动作次数）有限，晶体管输出相反。（a）（b）37●输出点技术要求项目晶体管输出继电器输出输出电压范围20.4－28.8V无“1”信号最小20V最高250VAC“0”信号最大0.1V无“1”信号最大电流0.75A2A接通状态电阻0.3欧新品最大0.002欧输出关断时感应电压限制L±48V无38（四）电源模块PLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V。使用时可根据需要进行选择，由于PLC中的电源都是开关式电源，所以在输入电压大幅度波动