電氣控制與PLC應用

信息與電氣工程學院于永進課程任務掌握常用低壓電器的結構原理、用途、主要參數、選用方法等掌握電氣控制系統的基本控制電路，具有電氣控制系統分析和設計的基本能力掌握可編程控制器（PLC）原理及編程方法，具備一定的PLC程序設計和PLC應用能力電氣控制技術的發展概況控制方法：手動控制——自動控制操作方式：笨重——輕巧控制功能：簡單——復雜控制原理：單一的有觸點硬接線繼電器控制系統——以微處理器為中心的軟件控制系統第一章常用低壓電器第一節概述第二節常用低壓電器的基本問題第一節概述一、低壓電器的定義與分類定義：工作電壓交流1200V、直流1500V以下的電氣線路中起通斷、保護、控制或調節作用的電器稱為低壓電器。分類：按用途和控制對象分：配電電器和控制電器按操作方式分：手動電器和自動電器按工作原理分：電磁式電器和非電量控制電器。按有無觸點分：有觸點電器和無觸點電器表1常用低壓電器的分類二、低壓電器的基本用途在輸送電能的輸電線路和各種用電場合，需要使用不同的電器來控制電路通、短、并對電路的各種參數進行調節。根據外界控制信號或控制要求，通過一個或多個器件組合，自動或手動接通、分斷電路，連續或斷續地改變電路狀態，對電路進行切換、控制、保護、檢測和調節。三、低壓電器的主要技術指標1.絕緣強度2.耐潮濕性能3.極限允許溫升4.操作頻率（1h）5.壽命（電和機械）四、低壓電器的型號表示法國產常用低壓電器的全型號組成形式如下：第二節常用低壓電器的基本問題一、觸頭系統觸頭是用來接通或斷開電路的，其結構形式有很多種。1．按其接觸形式分按其接觸形式分為點接觸、線接觸和面接觸3種。

圖（a）為點接觸的橋式觸頭，圖（b）為面接觸的橋式觸頭，圖（c）為線接觸的指形觸頭。點接觸允許通過的電流較小，面接觸和線接觸允許通過的電流較大。2．按控制的電路分按控制的電路分為主觸頭和輔助觸頭。主觸頭用于接通或斷開主電路，允許通過較大的電流。輔助觸頭用于接通或斷開控制電路，只允許通過較小的電流。3.按原始狀態分按原始狀態分為常開觸頭和常閉觸頭。當線圈不帶電時，動、靜觸頭是分開的稱為常開觸頭；當線圈不帶電時，動、靜觸頭是閉合的稱為常閉觸頭。二、電弧的產生及滅弧方法1、電弧產生：在自然環境下斷開電路時，如果被斷開電路的電流（或電壓）超過某一數值時（根據觸頭材料的不同其值約在0.25-1A，12-20V之間），觸頭在分斷的時候在間隙中就會產生電弧。實際上是觸頭間氣體在強電場作用下產生的放電現象，即當觸頭間剛出現分斷時，觸頭間的距離極小，電場強度極大，在高熱和強電場作用下，金屬內部的自由電子從陰極表面逸出，奔向陽極，這些自由電子在電場運動中時撞擊中性氣體分子，使之激勵和游離，產生正離子和電子。因此，在觸頭間隙中產生大量的帶電粒子，使氣體形成熾熱的電子流即電弧。2、電弧產生的原因：強電場放射、撞擊電離、熱電子發射、高溫游離。3、電弧的危害：延長了切斷故障的時間；高溫引起電弧附近電氣絕緣材料燒壞；形成飛弧造成電源短路事故。4、電弧的分類：電弧分直流電弧和交流電弧，交流電弧有自然過零點，故其電弧較易熄滅。5、電弧的熄滅及熄弧方法：1）電動力吹弧一種橋式結構雙斷口觸頭，流過觸頭兩端的電流方向相反，將產生相互排斥的電動力，在斷口中產生電弧。這種滅弧方法多用于小功率電器。2）柵片滅弧當觸頭分斷電路時，在觸頭之間產生電弧，電弧電流產生磁場，由于鋼片磁阻比空氣磁阻小得多，因此，電弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通卻非常密集，這種上疏下密的磁場將電弧拉入滅弧罩中，當電弧進入滅弧柵后，被分割成數段串聯的短弧。這樣每兩片滅弧柵片可以看做一對電極，而每對電極間有150-250V的絕緣強度，將整個滅弧柵的絕緣強度大大加強，而每個柵片間的電壓不足以達到電弧燃燒電壓，同時柵片吸收電弧熱量，使電弧迅速冷卻而熄滅。3）磁吹滅弧在一個與觸頭串聯的磁吹線圈產生的磁力作用下，電弧被拉長且被吹入由固體介質構成的滅弧罩內，電弧被冷卻熄滅。它廣泛應用于直流滅弧裝置中。4）窄縫滅弧在電弧形成的磁場、電場力的作用下，將電弧拉長進入滅弧罩的窄縫中，使其分成數段并迅速熄滅，該方式主要用于交流接觸器中。二、電磁機構1．組成電磁機構一般由吸引線圈（勵磁線圈）和磁路兩部分組成。當吸引線圈通過一定的電壓或電流時，產生激勵磁場及吸力，并通過氣隙轉換為機械能，從而帶動銜鐵運動使觸頭動作，以完成觸頭的斷開和閉合。按通過線圈的電流種類分有交流電磁機構和直流電磁機構；按電磁機構的形狀分有E形和U形兩種；按銜鐵的運動形式分有拍合式和直動式兩大類。圖（a）為銜鐵沿棱角轉動的拍合式鐵芯，鐵心一般由電工軟鐵制成，適用于直流繼電器和接觸器。圖（b）為銜鐵沿軸轉動的拍合式鐵芯，鐵心一般由硅鋼片疊成，適用于較大容量交流接觸器。圖（c）為銜鐵直線運動的雙E形直動式鐵芯，較多用于中小容量交流接觸器和繼電器中。電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種電器。電磁鐵吸合過程的分析：在吸合過程中若外加電壓不變，則F基本不變氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導致過熱，把線圈燒壞。電磁鐵吸合前(氣隙大）

大

起動電流大

電磁鐵吸合后(氣隙小）

小電流小

交流電磁機構和直流電磁機構的鐵芯（銜鐵）有所不同，直流電磁機構的鐵芯為整體結構，以增加磁導率和增強散熱，吸引線圈為高而薄的瘦長型；交流電磁機構的鐵芯采用硅鋼片疊制而成，目的是減少在鐵芯中產生的渦流，使鐵芯發熱，吸引線圈為短而厚的矮胖型。此外交流電磁機構的鐵芯有短路環，以防止電流過零時（滯后90°）電磁吸力不足使銜鐵振動。當線圈并聯于電源工作時，稱為電壓線圈，它的特點是線圈匝數多，導線線徑較細。當線圈串聯于電路工作時，稱為電流線圈，它的特點是線圈匝數少，導線線徑較粗。直流線圈的放電回路——在線圈斷電瞬間，由于磁通的急劇變化，會感應出很高的反電動勢，容易使線圈擊穿損壞，所以在線圈的兩端要并聯一個由電阻和二極管組成的放電回路。RVD＋－2電磁機構的工作原理1）反力特性2）吸力特性直流電磁鐵的勵磁電流僅與電阻有關，在吸合過程中，勵磁電流不變，其吸力隨著氣隙的減小而增大，所以吸力特性比較陡峭。在交流電磁鐵中，線圈電流不僅與電阻有關，主要的還與線圈感抗有關，在吸和過程中隨著磁路氣隙的減小，磁阻減小，線圈感抗增大，電流減小，其吸力隨著氣隙的減小略有增大，所以吸力特性比較平坦。第三節接觸器一、交流接觸器接觸器是用來接通、切斷電動機及其他負載電路的一種自動控制電器。結構觸頭系統：主觸頭、輔助觸頭常開觸頭（動合觸頭）常閉觸頭（動斷觸頭）電磁系統：動、靜鐵芯，吸引線圈和反作用彈簧滅弧系統：滅弧罩及滅弧柵片滅弧1.電磁機構由線圈、鐵心和銜鐵組成。交流接觸器考慮渦流和磁滯損耗。2.主觸頭和熄弧系統接觸器的觸頭分為主觸頭和輔助觸點兩類。根據容量的大小，主觸頭有橋式觸頭和指形觸頭，大容量的主觸頭采用轉動式單斷點指形觸頭。直流接觸器和電流20A以上的交流接觸器均裝有熄弧罩。由于直流電弧比交流電弧難以熄滅，直流接觸器常采用磁吹滅弧，交流接觸器常采用多縱縫裝置滅弧。3.輔助觸點有常開和常閉輔助觸點，在結構上他們均為橋式雙觸點。接觸器的輔助觸點在其控制電路中起聯動作用。輔助觸點的容量較小，所以不用裝滅弧裝置，因此它不可以用來分合主電路。交流接觸器結構圖工作原理線圈加額定電壓，銜鐵吸合，常閉觸頭斷開，常開觸頭閉合；線圈電壓消失，觸頭恢復常態。為防止鐵心振動，需加短路環。二、直流接觸器用途：遠距離通斷直流電路或控制直流電動機的頻繁起停。結構：電磁機構、觸頭系統和滅弧裝置。工作原理：與交流接觸器基本相同。三、接觸器的符號線圈KM主觸點KM常開輔助觸點KMKM常閉輔助觸點四、接觸器的主要技術指標額定電壓

交流接觸器：127、220、380、500、660V

直流接觸器：110、220、440V、660V

交流接觸器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接觸器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

額定電流

吸引線圈額定電壓交流接觸器：36、110、220、380V

直流接觸器：24、48、110、220、440V

五、接觸器的使用選擇原則

根據電路中負載電流的種類選擇接觸器的類型；

接觸器的額定電壓應大于或等于負載回路的額定電壓；吸引線圈的額定電壓應與所接控制電路的額定電壓等級一致；

額定電流應大于或等于被控主回路的額定電流。第四節繼電器用于控制與保護電路中作信號轉換用的電器。具有輸入電路（感應元件）和輸出電路（執行元件），當感應元件中的輸入量（如電流、電壓、溫度、壓力等）變化到某一定值時繼電器動作，執行元件便接通和斷開控制回路。繼電器用于控制電路，流過觸點的電流小，一般不需要滅弧裝置.繼電器的輸入輸出特性

x2：繼電器吸合值

x1：繼電器釋放值作用：信號傳遞、放大、轉換、連鎖等分類：按用途分：控制和保護繼電器按動作原理分：電磁式、感應式、電動式、溫度（熱）、光電式、壓電式按輸入量分：電流、電壓、時間、速度、壓力按動作時間分：瞬時、延時繼電器當線圈通電后，線圈的激磁電流就產生磁場，從而產生電磁吸力吸引銜鐵。一旦電磁力大于反力，銜鐵就開始運動，并帶動與之相連接的動觸點向下移動，使動觸點與其上面的動斷靜觸點分開，而與其下面的動合靜觸點吸合。電磁式繼電器機構圖1-靜觸點；2-動觸點；3-簧片；4-銜鐵；5-極靴；6-空氣氣隙；7-反力彈簧；8-鐵軛；9-線圈；10-鐵芯接觸器與繼電器的異同點電磁式繼電器的結構與工作原理與接觸器相似，也是由電磁機構和觸點系統等部分組成。繼電器：用于控制電路、電流小，觸點數量較多，沒有專門的滅弧裝置，可在電量或非電量的作用下動作。接觸器：用于主電路、電流大，有滅弧裝置，一般只能在電壓作用下動作。1．電磁式電壓繼電器電磁式電壓繼電器觸點的動作與線圈所加電壓大小有關，使用時和負載并聯。電壓繼電器又分過電壓繼電器、欠電壓繼電器和零電壓繼電器。過電壓繼電器：動作電壓整定范圍為(105％～115％)UN欠電流繼電器：吸合電壓調整范圍為(30％～50％)UN釋放電壓調整范圍為(10％～35％)UN欠電壓繼電器KVU

<KVKV過電壓繼電器>U

KVKVKV2．電磁式電流繼電器電磁式電流繼電器觸點的動作與線圈通過的電流大小有關，使用時電流繼電器和負載串聯。電流繼電器又分欠電流繼電器、過電流繼電器。

欠電流繼電器KAI

<KAKA過電流繼電器>I

KAKAKA電流繼電器：根據輸入（線圈）電流大小而動作的繼電器過電流繼電器：當電路發生短路及過流時立即將電路切斷線圈電流小于整定電流時，繼電器不動作線圈電流超過整定電流時，繼電器才動作動作電流整定范圍：交流為(110％～400％)IN，直流為(70％～350％)IN欠電流繼電器：當電路電流過低時立即將電路切斷線圈電流大于或等于整定電流時，繼電器吸合線圈電流低于整定電流時，繼電器釋放動作電流整定范圍：吸合電流為(30％～65％)IN釋放電流為(10％～20％)IN

中間繼電器：本質上是一種電壓繼電器，工作原理與接觸器相同。觸點系統中沒有主、輔觸點之分，觸點容量相同。中間繼電器的作用：當電壓或電流繼電器觸點容量不夠時，可借助中間繼電器來控制，用中間繼電器作為執行元件，這時中間繼電器被當作一級放大器用。觸點數量較多，能夠將一個輸入信號變成多個輸出信號。當其他繼電器或接觸器觸點數量不夠時，可利用中間繼電器來切換多條控制電路。時間繼電器時間繼電器定義：----一種利用電磁原理或機械動作原理實現觸點延時或接通的電器。繼電器輸入信號輸入后，經一定的延時，才有輸出信號的繼電器。符號:KT按延時方式分：通電延時型和斷電延時型按構成原理分類：電磁式阻尼式同步電機式電子式(電容充放電原理)速度繼電器作用：根據速度的大小通斷電路結構：定子、轉子和觸頭原理：與異步電動機類似參數：動作轉速>120rpm復位轉速<100rpm速度繼電器主要用于鼠籠式異步電動機的反接制動控制。轉子是一個圓柱形的永久磁鐵，定子由硅鋼片疊制而成。轉子---圓柱形永久磁鐵，與電動機同軸連接。定子---由硅鋼片迭成籠型空心圓環套在轉子上，裝有鼠籠型短路繞組。熱繼電器具有過載保護特性的過電流繼電器。能隨過載程度及過載時間而變動動作時間的電器。長期過載、頻繁啟動、欠電壓、斷相運行均會引起過電流。作用：電動機或其他設備的長期過載保護和斷相保護。熱繼電器主要由熱元件、雙金屬片和觸點三部分組成，其外形、結構及圖形符號如圖所示。工作原理：雙金屬片為溫度檢測元件，由兩種膨脹系數不同的金屬片壓焊而成，它被加熱元件加熱后，因兩層金屬片伸長率不同而彎曲。加熱元件串接在電動機定子繞組中，電動機正常運行時，熱元件產生的熱量不會使觸點系統動作；當電動機過載，流過熱元件的電流加大，經過一定的時間，熱元件產生的熱量使雙金屬片的彎曲程度超過一定值，通過導板推動熱繼電器的觸點動作（常開觸點閉合，常閉觸點斷開）。通常用其常閉觸點與接觸器線圈電路串聯，切斷接觸器線圈電流，使電動機主電路失電。故障排除后，手動復位熱繼電器觸點可以重新接通控制電路。熱繼電器接入電動機定子電路方式三相異步電動機在發生一相斷電時，另外兩相電流增大，會將電機燒毀。如果用熱繼電器保護的電動機繞組是Y接法，在發生斷相時，另兩相電流增大，由于相電流和線電流相同，流過電動機繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例相同，因此用普通的兩相或三相熱繼電器就可以起到保護作用；如果電動機繞組是△接法，發生斷相時，由于相電流與線電流不同，流過電動機繞組惡的電流和流過熱繼電器的電流增加比例也不一樣的。在電動機繞組內部，電流較大的那一相繞組的故障電流超過額定相電流，有可能使電動機燒毀，而熱繼電器此時還不能動作。這時就需要帶斷相保護的熱繼電器進行斷相保護了。熱繼電器主要參數：熱繼電器額定電流：熱繼電器中可以安裝的熱元件的最大整定電流值。熱元件額定電流：熱元件的最大整定電流值。熱繼電器整定電流：熱元件能夠長期通過而不致引起熱繼電器動作的最大電流值。通常熱繼電器的整定電流是按電動機的額定電流整定的。熱繼電器整定電流調節范圍：手動調節整定電流旋鈕，通過偏心輪機構，調整雙金屬片與導板的距離，能夠調節的電流整定值的范圍。第五節主令電器用來發布命令、改變控制系統工作狀態的控制電器。可以直接作用于控制電路，也可以通過電磁式電器的轉換對電路實現控制。一、控制按鈕：常態：常閉（動斷）觸點閉合，常開（動合）觸點斷開。按下：常閉（動斷）觸點斷開，常開（動合）觸點閉合1、2－常閉觸點3、4－常開觸點5－橋式觸點6－彈簧7－按鈕帽

按鈕開關顏色規定：“停止”和“急停”按鈕必須是紅色。“啟動”按鈕的顏色是綠色。“點動”按鈕必須是黑色。“啟動”與“停止”交替動作的按鈕必須是黑白、白色或灰色。“復位”按鈕必須是藍色。復位按鈕兼有停止的作用時，則必須是紅色。常開按鈕SB常閉按鈕SB復式按鈕SB二、行程開關又稱限位開關。它是利用生產機械某些運動部件對它的碰撞來發出開關量控制信號的主令電器，一般用來控制生產機械的運動方向、速度、行程遠近或定位。基本結構：三個主要部分：擺桿（操作機構）、觸點系統和外殼。SQSQ三、轉換開關萬能轉換開關：由多組相同結構的觸點組件疊裝而成的多回路控制電器，借助于不同形狀的凸輪使其觸點按一定的次序接通和分斷，能轉換多種和多數量的電氣控制線路，用途廣泛。四、接近開關定義：又稱無觸點開關，它是當機械運動部件運動到接近開關一定距離時就發出動作信號的電子電器。接近開關是通過其感辨機構與被測量物體之間的介質能量的變化來取得信號的。作用：行程控制、限位保護、高速計數、測速、液面控制、檢測金屬體的存在、零件尺寸、無觸頭按鈕等。使用接近開關時應注意選配合適的有觸點繼電器作為輸出器，同時應注意溫度對其定位精度的影響。五、主令控制器定義：用來頻繁地按順序切換多個控制電路的主令電器。它與磁力控制盤配合，可實現對起重機，軋鋼機及其他生產機械的遠距離控制。原理：轉動手柄時，轉軸帶動凸輪一起轉動，轉動到一定位置時，凸輪頂動輥子，克服彈簧壓力使動觸點順時針方向轉動，脫離靜觸點而分斷電路。在轉軸上疊裝不同形狀的凸輪，可以使若干個觸點按規定的順序接通或分斷。第六節熔斷器定義：當流過其電流值超過規定值一定時間后，以它本身產生的熱量使熔體熔化而分斷電路的電器。作用：短路和嚴重過載保護應用：串接于被保護電路的首端優點：結構簡單，維護方便，價格便宜，體小量輕分類：①按發熱時間常數(熱慣性)分為無熱慣性、大熱慣性、小熱慣性三種，熱慣性越小，熔化越快。②按熔體形狀分為絲狀、片狀、籠狀(柵狀)三種。③按支架結構分為螺旋式、插入式和管式三種。管式又分為有填料與無填料兩種，填料采用石英砂等材料以增加滅弧能力。熔斷器的工作原理熔斷器的熔體與被保護電路串聯，當電路正常工作時，熔體在額定電流下不應熔斷，所以其最小熔化電流必須大于額定電流。最小熔化電流是指當熔體通過這個電流值的電流時，熔體能夠達到其穩定溫度，并且熔斷。最小熔化電流與熔體的額定電流之比稱為熔化系數（1.6左右），它是表征熔斷器保護靈敏度的特性指標之一。在熔斷過程中可以達到的最高瞬態電流值稱為熔斷器的截斷電流。熔斷器的技術參數額定電流：通常把熔斷體內能裝入的最大熔體的額定電流稱為熔斷器的額定電流；額定電壓：熔斷器長期工作時和分斷線路時能夠承受的電壓，稱為熔斷器的額定電壓；熔斷器的額定分斷能力：在規定使用條件（線路電壓、功率因數、時間常數）下，熔斷器所能分斷的預期短路電流（對交流來說為方均根值）；對于有限流作用的熔斷器，其分斷能力用預期短路電流和限流系數表示。限流系數是指實際分斷電流與預期短路電流最大值（交流指峰值）之比。限流系數越小，限流能力