第一章緒論

1.1機械設備電氣自動控制

1.1.1

機械設備電氣自動控制

的含義是指利用電氣自動控制系統，在無人直接參與（或少量參與）的情況下，使被控機械設備按預定的工作程序，自動完成電動機的啟動、停止、正轉、反轉、調速或液壓傳動系統、氣壓傳動系統的工作循環。

1.1.2機械設備電氣自動控制

的目的和任務

提高生產率和加工質量或運行質量，降低生產成本，改善勞動條件。

1.2機械設備電氣自動控制的分類

1.2.1電力拖動

電力拖動是指對驅動機械設備運動機構的電動機進行定值調速和無級調速的自動控制。

1.2.2邏輯控制

邏輯控制是指輸入和輸出信號都是開關量的自動控制。如電動機的啟動、停止、正轉、反轉、制動以及各種生產機械動作轉換的自動控制。

1.2.3數字控制

數字控制是指由數字控制裝置、順序控制裝置和伺服機構組成控制系統，用數字化信號對伺服機構的順序動作、位移、速度和運動軌跡所進行的自動控制。

1.3機械設備電氣自動控技術的發展

1.3.1電力拖動技術的發展

一臺電動機拖動多臺機械設備（成組拖動）一臺電動機拖動一臺生產機械的多個運動機構（單機拖動）多臺電動機分別拖動多個運動機構（多機拖動）直線電動機實現往復運動的直接電力拖動運動機構的主軸和電動機軸融為一體（電主軸）。

在電氣調速方面，直流發電機——直流電動機的直流調速、大功率晶體管、晶閘管和大功率整流技術的直流調速、交流變頻調速。

1.3.2邏輯控制技術的發展

用按鈕和開關進行手動控制繼電器、接觸器邏輯電路自動控制順序控制器自動控制可編程序控制器（PLC）自動控制可編程計算機控制器（高性能PLC和通用計算機合二為一）自動控制。

1.3.2數字控制技術的發展（略）第二章常用低壓電器及其

基本控制電路

★學習要求

1.弄清和熟記基本概念。

2.熟記各種常用低壓電器和執行電器的功能、結構、工作原理及電氣符號。

3.弄清各種基本控制電路及基本控制環節的電路結構、工作原理及應用場合。2.1常用低壓電器和執行電器2.1.1電源開關

（1）組合開關二、低壓斷路器

低壓斷路器又稱自動開關或空氣開關。它相當于刀開關、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器的組合，是一種既有手動開關作用又能自動進行欠壓、失壓、過載和短路保護的電器。

（2）自動開關

自動開關又稱自動空氣開關或斷路器。主要用于接通和分斷電氣系統的電源，當電路發生過載、短路和失壓等故障時，能自動切斷故障電路。2.1.2主令電器

用按鈕、主令開關進行人工切換或行程開關自動切換電路。（1）按鈕（2）主令開關（3）行程開關（二）行程開關

行程開關又稱限位開關，能將機械位移轉變為電信號，以控制機械運動。種類按運動形式分為直動式、轉動式；按結構分為直動式、滾動式、微動式。1、直動式行程開關2、滾輪旋轉式行程開關圖1-37滾輪式行程開關3、微動開關2.1.3接觸器

接觸器是借助電磁鐵的吸合和釋放來驅動觸頭閉合或分斷大電流電路（主電路及大容量控制電路）的一種自動切換電器。

2.1.4繼電器

繼電器是一種根據電量（電壓、電流）或非電量（壓力、溫度、轉速、時間等）的變化，實現信號轉換和開閉控制電路的控制電器。（1）中間繼電器

中間繼電器屬于電壓繼電器，其用途之一是記憶瞬態主令信號（按鈕、行程中途上的行程開關等主令電器發出的信號），用途之二是當主令電器的觸頭數量、容量不夠用時，可用其擴展或放大。

（2）固態繼電器固態繼電器是由集成電路、晶體管、光電耦合器、可控硅等電子元件組成，它是一種新型的無觸頭開關電器。

（3）熱繼電器

熱繼電器是一種保護電器，專門用來對連續運行的電動機進行過載及斷相保護。

熱繼電器的工作原理

雙金屬片作為溫度檢測元件，由兩種膨脹系數不同的金屬片壓焊而成，當熱元件受熱時，由于兩層金屬片熱膨脹率不同而彎曲。熱元件串接在電動機定子繞組電路上，在電動機正常運行時，熱元件產生的熱量不足以使觸頭組件動作；當電動機過載，流過熱元件的電流超過整定電流時，經過一定的時間，熱元件產生的熱量使雙金屬片達到一定的彎曲程度，通過導板推動常閉觸頭分斷控制電路，使電動機主電路失電。

（4）時間繼電器

時間繼電器是一種將定時信號變換為開關信號的繼電器，它能夠按設定時間開閉控制電路。時間繼電器有空氣式、電動式、電子式等多種，

1）空氣式時間繼電器

（5）速度繼電器速度繼電器是將旋轉速度信號轉換為開關信號的一種控制電器。主要用于鼠籠式異步電動機的反接制動控制，所以亦稱反接制動繼電器。

速度繼電器的結構和工作原理它主要由與被控電動機同軸連接的圓柱形永久磁鐵轉子、用矽鋼片疊制而成并裝有籠形繞組的空心圓環定子、以及觸頭三部分組成。當電動機轉動時，速度繼電器的轉子隨之轉動，定子內的短路導體便切割磁場而產生感應電勢和電流，此電流與旋轉的轉子磁場作用產生轉矩，使定子轉動，當轉到一定角度時，裝在定子軸上的擺錘拔動簧片式動觸頭動作，使常閉觸頭分斷，常開觸頭閉合，切換其所控制的電路。當電動機轉速低于某一數值（一般為100r/min），所產生的轉矩減小到一定程度時，簧片式觸頭復位。2.1.5其他低壓電器

（1）熔斷器

熔斷器是電氣系統短路及嚴重過載的一種保護電器。

（2）控制變壓器

當電氣控制系統某些控制電路或輔助電路額定電壓低于市電電壓（220伏）時，必須需采用控制變壓器降壓后提供電源。（3）信號燈信號燈是用于電源指示、信號指示、電路運行狀態指示等的顯示電器。（二）熔斷器的典型產品按結構分有：半封閉瓷插式、螺旋式、無填料封閉管式和有填料封閉管式熔斷器。瓷插式熔斷器螺旋式熔斷器有填料封閉管式熔斷器

2.1.6執行電器

（1）電磁鐵電磁鐵廣義上是一種把電磁能轉換為機械能的電器。而低壓電器中的電磁鐵是指將電流信號轉換成機械位移的執行電器。它由靜鐵心、動鐵心（銜鐵）和線圈組成。電磁鐵按線圈電壓的種類分為交流電磁鐵和直流電磁鐵。

（2）電磁離合器電磁離合器是利用表面摩擦或電磁感應原理，在傳動機構主動軸與從動軸之間傳遞轉矩的執行電器。主要用于電動機連續運行，而其驅動的機械傳動系統要求頻繁自動起停或自動變速的場合。

2.2機械設備電氣控制的基本電路

本節著重介紹異步電動機的起動、停止、正反轉、制動、變極調速等基本控制電路，此外，還介紹一些常用的其它基本控制電路及控制環節。

2.2.1電氣控制原理圖的內容

電氣控制原理圖是用電器元件的圖形符號（旁邊有相應的文字標記）由線條連接而成的一種電路圖樣。它僅描述電氣控制系統中各個電器元件的邏輯關系和電路的工作原理，并不表示各電器元件的物理結構、安裝位置和實際連線。電氣控制原理圖應包括以下內容：電路圖、回路名稱或回路功能表、接觸器和繼電器觸頭檢索圖、回路編號表，如果電路具有自動或半自動工作循環功能，原理圖還應有工作循環圖和工步狀態表或順序控制功能流程圖。電氣原理圖

（1）繪制電氣原理圖須遵守的主要規則

1）電氣控制電路分主電路和控制電路。主電路是從電源到電動機和其它大容量用電設備（電爐、電解槽、電鍍槽等等）之間的電路，一般畫在左側；控制電路是指控制接觸器和其它小電流（10A以下）執行電器的電路，通常畫在右側。電源線路為水平走向；其它線路為垂直走向。

2）在電氣控制電路中，同一電器元件的線圈和觸頭通常分布在不同的回路，但要用同一文字予以標記。

3）電氣控制電路的全部觸頭都按非工作狀態繪出。

4）在電氣原理圖中，表示導線交叉連接的點用實心圓點表示；可拆連接或測試點用空心圓表示；無導線連接的交叉點不加任何符號。

2.2.2電氣控制電路的邏輯代數描述

在邏輯函數中，表示觸頭的邏輯變量稱自變量，表示線圈的邏輯變量稱因變量。

2.2.3異步電動機的起動控制電路電動機能否直接起動，取決于供電變壓器的容量。當電動機頻繁起動時，若其容量小于變壓器容量的20%時可直接起動。實際情況往往是供電變壓器不僅給電動機供電，而且還要給其它用電設備供電，所以一般情況下功率在11kW以下的電動機可以直接起動。

（1）直接起動控制電路

1）對于功率為0.75kW以下的異步電動機，可以用開關操作直接起動。如圖2-23所示。

2）若電動機的功率在1.1kW～11kW之間，應通過接觸器控制直接起動。如圖2-24所示。

直接起動電路圖

（2）降壓起動控制電路

對于功率在11kW以上的異步電動機或其它用電設備，均應采用降壓起動。最常見的異步電動機降壓起動方式有星-三角形降壓起動和定子串電阻降壓起動。

1）星-三角形（Y-△）降壓起動控制電路2）定子串電阻降壓起動控制電路

2.2.4異步電動機的正反轉控制電路機械設備工作臺的前進與后退，主軸的正反轉，升降機吊籃的升與降等運行狀態，在多數情況下是利用電動機正、反轉的控制來實現。由三相異步機工作原理可知，只要將電動機的三相電源連接線中的任意兩相對調，即可使電動機反轉。由于所采用的主令電器不同，控制方式可分為按鈕控制和行程開關控制兩類。

（1）異步電動機正反轉的按鈕控制電路

（2）異步電動機正反轉的行程控制電路（1）異步電動機正反轉的按鈕控制電路

（2）異步電動機正反轉的行程控制電路

2.2.5異步電動機的制動控制電路

異步電動機從切斷電源到停轉需要經過一段時間。對于要求精確停車定位或輔助時間較短的生產機械，必須采取制動措施。用得最多的是電氣制動。電氣制動是使電動機產生一個與原來旋轉方向相反的電磁力矩來實現。常用的電氣制動方式有能耗制動和反接制動。

（1）能耗制動控制電路能耗制動的原理是：當異步電動機切斷三相電源時，立即在定子繞組中接入直流電源，于是在定子產生恒定磁場。轉子由于慣性旋轉切割恒定磁場的磁力線而產生感應電流，這一電流形成的電場與恒定磁場相互作用而產生制動力矩，使定子停轉。從能量轉換的角度而言，能耗制動是將電動機的慣性旋轉動能轉換成電能，并消耗在轉子制動上。（1）能耗制動控制電路

（2）反接制動控制電路反接制動的原理是在異步電動機正常運行狀態下，改變其電源相序，使定子產生反向旋轉磁場，從而對轉子產生強力制動，并利用速度繼電器控制轉子停轉。

3）兩種電氣制動電路的比較

能耗制動比較平緩，制動產生的機械沖擊對機械設備影響較小，因此應用較廣。反接制動由于轉子與旋轉磁場的相對轉速接近同步轉速的兩倍，所以定子繞組中流過的反接制動電流也相當于全壓起動時電流的兩倍。因此制動力矩大，制動迅速，但沖擊大。它僅適用于不頻繁起動及制動準確性要求不高的小容量電動機上。

2.2.6多速電動機的變極調速控制電路

原理

從電工學的公式n=(1-s)60f/p知，改變電動機的磁極對數即可改變其轉速。

（1）雙速電動機繞組的連接方法

（2）雙速電動機的高低速控制電路

2.2.7其它的基本控制電路及環節

（1）點動與長動控制電路機械設備連續運行狀態的控制方式稱長動控制。按下按鈕SB2,KM得電自鎖，實現長動。如果用按鈕SB3直接控制，當按鈕被按壓時KM得電，釋放時失電，則這種控制方式稱點動控制。

（2）多地點控制電路對于大型機械設備，為方便操作，要求能在設備的多個位置進行人工操作。

（3）順序控制電路在機械設備電氣控制系統中，往往要求電動機按順序起動。如多數機床的運動部件必須在潤滑油泵電機起動后才能起動，以保證運動部件在充分的潤滑條件下起動運行。

（4）自鎖控制環節

在控制電路中，利用接觸器、繼電器本身的觸頭來使其線圈保持通電的電路環節稱為自鎖控制環節（簡稱自鎖）。

（5）互鎖控制環節

在控制電路中，當一個電器元件得電時，禁止另一個電器元件得電，反之亦然，這種互相制約的控制電路環節稱為互鎖控制環節（簡稱互鎖）。如電動機的正反轉控制電路必須有互鎖控制環節。

（6）聯鎖控制環節

在控制電路中，某個主令信號要控制某個電器元件得電，必須以其它某些電器元件的得電或失電，或某些主令電器的開或關為前提，這種帶前提條件，但不是互為前提的控制電路環節稱為聯鎖控制環節。控制電路所需的前提條件稱為該主令信號的聯鎖條件。聯鎖控制環節的應用電路2.2.8電氣系統的保護

（1）短路保護

1）短路的后果在短路線路上的電器元件觸頭會因此時流過的電流大大超過其額定容量而被燒毀或發生熔焊，導線的絕緣層也會因此被燒毀，甚至會導致火災。

2）短路保護措施a)熔斷器保護；b）自動開關的脫扣保護。

（2）過載保護

1）過載的后果在電力拖動系統中，當負載轉矩超過電動機額定轉矩時，電動機繞組的溫升會急劇升高并超過其額定值，輕者會使繞組的絕緣層老化變脆，壽命降低；重者會導致至電動機繞組燒壞。

2）過載保護措施熱繼電器保護、自動開關過載脫扣保護。電子式繼電器過載保護、埋入電動機繞組的溫度繼電器（有雙金屬片式和熱敏電阻式）過載保護，軟起動器過載保護。

（3）過電流保護

1）出現過電流的場合及后果直流電動機和線繞式異步電動機在重載下起動或頻繁正反向起動時，會短時出現過電流，導致直流電動機和線繞式異步電動機的電刷燒毀。

2）過電流保護措施在直流電動機或線繞式異步電動機的主電路中串聯電流繼電器線圈，在控制電路中串聯電流繼電器的常閉觸點。

（4）零電壓和欠電壓保護

1）什么情況下出現零電壓和欠電壓電動機正常運行時出現非正常停電時出現零電壓；電源電壓低于控制電器線圈額定電壓的下限（一般為85%）時出現欠電壓。

2）零電壓和欠電壓造成的后果在出現零電壓后恢復供電時，如果沒有保護措施，會導致控制系統自行啟動，釀成事故。欠電壓出現后會導致電動機轉速過低甚至停轉，結果造成所拖動的設備不能正常運行，甚至可能釀成事故。

3）零電壓和欠電壓保護措施將控制電動機的繼電器、接觸器控制電路連接成自鎖電路即可。

（5）弱磁保護

1）弱磁造成的后果直流電動機起動時如果勵磁太弱，起動電流會很大；正常運行時，勵磁突然減弱或消失，電動機轉速會迅速升高，甚至發生飛車。

2）弱磁保護措施在直流電動機勵磁回路串聯電流繼電器，當勵磁電流小到一定限度時，電流繼電器自動切斷勵磁回路，使電動機停止。第二章作業

2—5、2—6、2—7第二章實驗

1.行程控制式異步電動機正反轉實驗。

2.星—三角形降壓起動實驗。第三章電氣邏輯控制系統分析

3.1

概述

3.1.1什么叫電氣邏輯控制系統分析

在閱讀已有邏輯控制系統或設計方案的基礎上，分析其電路的邏輯控制功能是否滿足被控機械設備的控制要求，在滿足功能要求的前提下電路是否最簡單，工作是否可靠。

3.1.2電氣邏輯控制系統的組成包括主電路、控制電路路和輔助電路（保護電路、信號指示電路和照明電路）3.2C620—2型臥式車床電氣控制系統3.3組合機床電氣控制系統3.3.1機床液壓系統

3.3.1液壓泵電動機控制電路

液壓泵電動機為單獨啟動與停止。通常是機床操作者操作機床時啟動，離開機床或下班時才停止。這是因為組合機床工作過程中，只有裝卸工件時才停止運動，而裝卸工件的時間很短，為避免液壓泵頻繁啟動而降低壽命，液壓泵電動機在工作過程中不宜經常啟動和停止。

圖3-3組合機床電氣系統原理圖

3.3.2半自動工作循環控制電路

3.3.2.1繪制轉步主令開關狀態表

分析這種控制電路時，首先根據表3－1繪出表3－2所示的轉步主令開關狀態表（表中的粗橫線表示轉步主令開關常開觸頭的閉合狀態，畫該狀態線的規則是：某一動作完成時所觸發的主令開關，其開關常開觸頭立即閉合，并保持到該動作的相反動作開始后的一瞬間才結束）。

3.3.2.2列寫半自動工作循環控制電路的邏輯表達式

按圖3－3所示電路列出各個被控電器得電狀態的“與—或”邏輯表達式（不要對邏輯表達式進行任何化簡）。然后按表3－2所示的轉步主令開關狀態，逐個工步標記工步啟動時邏輯表達式中各個邏輯變量的取值。在某一個工步的開始，無論是按鈕、行程開關的觸頭還是繼電器、接觸器的觸頭，也不管是常開還是常閉的，只要處于閉合狀態，則其在邏輯表達式中相應的變量取值為“1”，用粗斜體字表示。否則，取值為“0”，用普通字體表示。按此列寫邏輯表達式后，逐一察看，只要式中有一個“與”項的所有變量全部為粗斜體字，則其等號右邊的輸出變量為“1”。應該注意的是，如果某繼電器的邏輯表達式的輸出變量取值為“1”，則在同一工步狀態下，各個邏輯表達式左邊的該繼電器常開觸頭變量取值也為“1”，其常閉觸頭反變量取值為“0”。

3.3.2.3電路分析過程

SB4·SQ1·SQ3·SQ4·SQ6+KA1·

SQ6=KA1SQ2·SP·SQ4+SQ2·SP·KA1+KA2·SQ4+KA2·KA1=KA2SQ5·SQ1+SQ5·SQ3+KA3·

SQ1+KA3·SQ3=KA3

KA2·KA3=YV1KA1·KA2=YV2KA1·KA2=YV3

KA3·KA2+KA1·KA2=YV4KA1+KA3

=YV5KA2=KM23.4工業機械手電氣控制系統分析（分析方法與組合機床電氣控制系統相同）

這部分自學

習題二題3·13.5電梯電氣控制系統

3.5.1交流變頻調速集選控制電梯的功能及工作狀態

3.5.1.1層站停留

當電梯中的乘客到達某層站并離開轎廂后，如果再無人進入轎廂，而且其它層站也無任何呼喚信號，則電梯便一直停留在該層站并開著門候客。

3.5.1.2

層站呼喚

在層站門廳的候梯乘客按壓呼喚信號按鈕后，電梯的工作情況有3種：

(1)電梯原來無論停留在呼喚層站的上方層站還是下方層站，如果轎廂內無人發出選層指令，電梯立即關門并下降或上升至所呼喚的層站，然后停靠開門接客；

(2)

電梯運行時，在運行方向前方的層站只要有順向呼喚信號，均一一順次響應并逐個停靠呼喚層站，這稱“順向截梯”；

(3)

電梯沿某方向運行時，在已經過層站或未到達層站有逆向呼喚信號，電梯暫不予響應，但呼喚信號保持住，待電梯到達最遠終點層站且反向運行后才被響應。

3.5.1.3轎廂內的定向和選層

當轎廂有乘客時，電梯的運行方向由最先按選層按鈕的乘客決定，而且轎廂內的選層信號優先于層站呼喚信號。例如，有數名乘客進入停留在5層站的空電梯。其中，某乘客先按了21層的按鈕，電梯便按其選層信號上行。其它乘客在此以后觸發的選層指令，凡是上行的都得到響應，而下行的則須等到上行到達最遠終點層站并變換為下行后才被響應。在此狀態下，只有順方向的未到層站的呼喚信號得到響應，逆方向的所有層站呼喚信號須等到電梯反方向運行后才被響應。

3.5.1.4啟動加速和將停靠層站時減速

電梯的搭乘舒適感取決于其加減速性