工厂电气 3-1 章

工厂电气控制技术第三版方承远张振国编著机械工业出版社绪论一、“工厂电气控制技术”课程的性质和任务性质——实践性强的专业课。内容——电机、其他执行电器为控制对象，介绍电气控制的基本原理、线路、程序及控制装置的设计方法。目标——1、电气控制线路、程序、技术资料的阅读分析能力。2、电气控制线路、程序的设计能力。任务：1、熟练掌握常用控制电器、电气控制线路的构成、原理及用途，独立分析和设计能力。2、掌握可编程序控制器（PLC）的基本构成、工作原理、特点及其应用发展情况。3、掌握小型PLC的硬件构成、工作原理、编程语言、指令系统与编程方法。4、掌握PLC控制系统的设计方法、设计过程、步骤、PLC模块选择方法、应用程序设计与调试方法等。二、电气控制技术的发展控制方法——手动自动控制功能——简单复杂操作方式——笨重轻巧控制原理——有触点硬接线继电器微处理器的软件控制方式——集中拖动顺序控制DCS网络现场总线以太网新技术——综合应用电子技术、检测技术、计算机技术、自动控制理论M23~YAM33~M!3~反转正转停SA5FU1FU2KM312KM29KM415RU1V1W1FR17KS5.5kW1410r/min1.5kW1410r/minU2V2W2FR213快速进给0.125kW2790r/minKM619KM518KM17U3V3W3FR37150VA380/127V60VA380/36VFUELTQSL1L2L331关SA4开32总开关及保护主轴转动起动制动进给传动正转反转冷确泵变压器及照明主电路第一章继电接触器逻辑控制基础意义——继电器、接触器控制技术是进代先进电气控制基础。低压电器——电力拖动自动控制系统的基本组成元件。介绍——常用低压电器元件的用途、类型、符号、选用四方面。举例——电气线路的阅读分析方法。第一节电器的基本知识一、电器的定义及分类（一）电器的定义——凡是自动或手动接通和断开电路，以及能实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节目的的电气元件统称为电器。（二）电器的分类1、按工作电压等级分类（1）低压电器——交流AC1200V；直流DC1500V。（2）高压电器——交流AC1200V；直流DC1500V。2、按用途分类（1）控制电器——用于各种控制电路和控制系统的电器。（2）主令电器——用于各种控制系统中发送控制指令的电器。（3）保护电器——用于保护电路及用电设备的电器。（4）配电电器——用于电能的输送和分配的电器。（5）执行电器——用于完成某种动作或传动功能的电器。3、按工作原理分类（1）电磁式电器——依据电磁原理来工作的电器。（2）非电类控制电器——电器的工作是靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。二、电磁式电器的工作原理与结构特点组成：感测部分——电磁结构；触头系统——执行部分。（一）电磁结构作用——将电磁能量转换为机械能量，带动触头动作，完成接通和分断电路。组成——吸引线圈、铁心、衔铁等。1、常用的磁路结构（图1－1）1）衔铁沿棱角转动的拍合式铁心——广泛应用于直流电器中。2）衔铁沿轴转动的拍合式铁心——应用触点容量较大的交流电器中。3）衔铁直线运动的双E形直动式铁心——多用于交流接触器、继电器中。2、吸引线圈作用——将电能转换成磁场能量。注意——结构、交、直流、热的产生。图1－1常用的磁路结构线圈自然状态——没有电图1－1常用的磁路结构线圈通电图1－1常用的磁路结构机械运动图1－1常用的磁路结构通电后动作情况机械运动（二）电磁吸力与吸力特性电磁吸力（1－1）式中Fαt——电磁吸力，单位为N；B——气隙中磁感应强度，单位为T；S——磁极截面积，单位为m2；δ——固定铁心与衔铁之间的气隙。直流电磁铁时B＝恒定值；交流电磁铁时B＝Bmsinωt。（1－2）S2B8π710tαF将式1－2代入式1－1整理得式中——电磁吸力最大值；——电磁吸力平均值。t2cosFFt2cos2F2F00tmtmtαFS2B8π710tmαFm2FFtm0吸力特性——吸力Fαt与铁心间隙δ的特性曲线。（图1－2）直流电磁铁（曲线1）励磁电流I——与气隙δ无关；动作过程为——恒磁通势；F∝Φ2∝1/Rm2∝1/δ2吸力大小↗↗随δ↘↘——陡峭。交流电磁铁（曲线2）设线圈电压U不变，则U≈E＝4.44fΦN，Φ＝U/4.44fN，由磁路定律Φ＝NI/Rm励磁电流I——与气隙δ成正比；动作过程为——近似恒磁通；吸力大小↗随δ↘——平坦。图1－2电磁铁的吸力特性1－直流电磁铁吸力特性2－交流电磁铁吸力特性3－反力特性123Fδ0分析曲线形状为什么？（三）反力特性和返回系数反力特性——反作用力Fr与气隙δ的关系曲线。（图1－2曲线3）注意：吸合——保证吸力特性位于反力特性上方；释放——:::下方。返回系数（β-反映灵敏度的参数）——释放电压Ure（或电流Ire）与吸合电压Uat（或电流Iat）。或atreUUUatreIII（四）交流电磁机构上短路环的作用图1－3交流电磁机构实际吸力曲线ωtFatF～交流分量FFatmF0Fr0t2cosFFt2cos2F2F00tmtmtαF最大值交流分量反力由上述公式可知交流电磁铁的吸力是一个两倍电源频率的周期量，即恒定分量——F0＝最大吸力Fat的一半；交变分量——F0cos2ωt＝±F0。所以Fat＝0～FatmFat的结果有时反力Fr——引起振动（噪音）。办法——加一短路铜环（图1－4）原理——把磁通分为Ф1、Ф2——在I＝0时——磁通始终Ф（F0cos2ωt）0则Fat＝F0－（－F0cos2ωt）F01-衔铁2-铁心3-线圈4-短路环图1-4交流电磁铁的短路环三、电器的触点系统和电弧（一）电器的触点系统作用——起接通和分断电路。结构型式：1、桥式触点（图1－5a、b）2、指形触点（图1－5c）图1－5触点的结构型式运动过程用力按下运动过程结束产生摩擦动作产生摩擦动作（二）电弧的产生及灭弧方法I、U——大到某一数值时产生电弧。U12~20V间；I几百mA间。原因——触头气体在电场作用下电离放电、游离现象。结果——产生高温、发出强光，触头烧毁。常用的灭弧方法：1、电动力灭弧（图1－6）应用——一般交流电路中。图1－6电动力灭弧示意图F＋F＋2、磁吹灭弧（图1－7）应用——直流电路中。图1－7磁吹灭弧示意图1－次吹线圈2－绝缘套3－铁心4－引弧角5－导磁夹板6－灭弧罩7－动触头8－静触头⊙⊙××⊙××⊙××⊙×⊙××⊙321456783、窄缝灭弧（图1－8）应用——交、直流电路中。图1－8窄缝灭弧示意图4、栅片灭弧（图1－9）应用——高压电路中。图1－9栅片灭弧示意图123FII第二节常用低压电器常用——开关、熔断器、主令电器、接触器和各种继电器一、开关电器开关——应用于配电线路作电源的隔离、保护与控制。（一）、刀开关应用——在低压电路中，作为不频繁接通、断开电路。原理——依靠手动来实现触刀插入插座与脱离插座的控制电路的通、断。参数——额定电压、额定电流、通断能力、动稳定电流、热稳定电流。类型——大电流刀开关、负荷开关、熔断器式刀开关。选择——使额定电压、额定电流电路的额定电压、额定电流注意——安装手柄向上、电源接上端、负载接下端。产品——HD14、HD17、HS13、HK2、HH4、HR3。型号含义：0不带灭弧罩1带有灭弧罩8板前接线9板后接线极数额定电流11中央手柄12侧面正向操作13中央杠杆操作14侧面手柄HD单投刀开关HS双极刀开关图形符号及文字符号如图1－10。图1-10刀开关的符号a）单极b）双极c）三极QS或a）b）c）QSQS（二）、转换开关应用——在电气设备中，作为非频繁接通、断开电路、换接电源和负载，测量三相电压以及控制小容量感应电动机。原理——依靠转动手柄，使动触头与两侧静触头接通和断开电路。参数——额定电压、额定电流、通断能力、动稳定电流、热稳定电流。类型——单极、双极和多极。选择——使额定电压、额定电流电路的额定电压、额定电流产品——HZ5、HZ10、HZ15。转换开关的结构示意图。图1－11转换开关的结构示意图L1L2L3UVW图形符号及文字符号如图1－12。图1-12转换开关的符号a）单极b）三极QSa）b）QS（三）、断路器（自动开关）应用——在低压电气中，作为非频繁接通、断开电路、换接电源和负载，在电路发生短路、过载或欠压等故障时，能自动分断故障电路，是保护电器。原理——依靠手动或电动合闸，触头闭合后，自有脱扣机构将触头锁在合闸位置上。保护——过电流、欠压、热、分励、自由脱扣。参数——额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型、整定电流范围、分断能力、动作时间。类型——单极、双极和多极。图1－13断路器工作原理图L1L2L3主触头自由脱扣机构过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器欠电压脱扣器按钮负载L1、L2、L3无电时的断开状态L1L2L3主触头自由脱扣机构过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器欠电压脱扣器按钮负载L1、L2、L3有电的断开状态L1L2L3主触头自由脱扣机构过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器欠电压脱扣器按钮负载接通状态断路器过电流脱扣动作L1L2L3主触头自由脱扣机构过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器欠电压脱扣器按钮运动负载断路器过电流脱扣动作L1L2L3主触头自由脱扣机构过电流脱扣器分励脱扣器热脱扣器欠电压脱扣器按钮脱开负载选择——使额定电压、额定电流电路的额定电压、通断能力≥电路的最大短路电流、场合和保护要求。产品——DZ10、DZ15、C45N、S060等。调整：1、过载整定电流≈使用电流、注意动作时间2、过电流脱扣器整定电流正常尖峰电流3、欠电压脱扣器的额定电压电路电压4、级间保护的配合满足系统要求，避免越级跳闸。图形符号及文字符号如图1－14。图1-14断路器的符号QF（四）、漏电保护断路器应用——防止触电，安装在电表和熔断器后。原理——电流互感器作用原理。保护——漏电流自动断电。参数——额定电压、额定电流、极数、额定漏电动作电流、额定频率、额定漏动作电时间。类型——单极、双极和多极。原理图1-15原理图如图1-15图1-15DZL18-20型漏电保护断路器原理图abSBRTCC1R1C2R2R3R4LNbaVKAKA二、熔断器（一）熔断器的用途应用——配电线路的严重过载和短路保护。（二）熔断器的结构及工作原理原理——通过流过电路的过大电流产生的热效应熔断熔丝（安秒特性曲线）而断开和保护电路。熔断器的安秒特性曲线见图1-18图1-18熔断器的安秒特性曲线0IminI/INt熔断区正常工作区过载区（三）熔断器的类型与技术参数1、插入式——RC1A系列，低压分支电路，I小民用2、螺旋管式——RL6用于机床，RLS2用于整流、晶闸管3、封闭管式——RT12有填料、无填料、快速，低压电网4、新型（1）自复式——RZ1不能切断电源，与断路器配合使用（2）高分断能力——NT应用电气装置、配电设备（四）熔断器的选择1、类型——线路要求、使用场合、安装条件、适用范围；2、额定电压——使额定电压≥线路的额定电压；3、额定电流——熔体的额定电流与负载相匹配；1）阻性负载熔体额定电流略电路的额定电流；2）电机负载单台电机Ifu≥（1.5～2.5）IN多台电机Ifu≥（1.5～2.5）INmax＋∑IN式中IN——电机额定电流；INmax——容量最大的一台电机额定电流；∑IN——其它电机额定电流的总和。3）电容负载设备中熔体的额定电流＝1.6倍电容额定电流；4）配电系统中主回路熔体的额定电流支路熔体的额定电流4、额定分断能力额定分断能力电路中可能最大故障电流5、选择保护特性分支故障时——故障点最近处动作熔断器的图形符号及文字符号如图1-19图1-19熔断器的符号FU总结：应用——配电线路的严重过载和短路保护。原理——通过流过电路的过大电流产生的热效应熔断熔丝（安秒特性曲线）而断开和保护电路。参数——额定电压、额定电流、熔体额定电流、额定分断能力。类型——插入式、螺旋管式、封闭管式、自