PLC第1章电气控制系统设计

第1章电气控制系统设计本章要点1、低压电器的基本结构、原理、用途、图形和文字符号。2、电动机点动运行电气控制设计。3、电动机连续运行电气控制设计。4、电动机正反转电气控制设计。第1章电气控制系统设计技能目标1、按照控制任务的要求，设计电气原理图、绘制电气安装接线图、进行元器件的接线。2、正确选择和使用开关、控制按钮、接触器、继电器、熔断器、自动空气断路器等元器件。3、借助电工工具和仪器仪表查找故障点，分析故障原因。4、培养分析问题、解决问题的能力，增强动手实践能第1章电气控制系统设计项目案例导入本章通过三相交流电动机的点动运行、连续运行、正反转、星角降压启动电气控制系统设计的实现过程，熟悉电动机的控制方式，掌握根据电气原理图进行电气安装的过程。现代化工业生产中的大多数机械设备都是通过电动机进行拖动的，要使电动机按照控制要求正常地运转，就要安装具备相应控制功能的电气线路，这些电路无论是简单还是复杂，一般都是由点动、正反转、自锁等基本控制线路组合而成的。第1章电气控制系统设计1.1电动机点动电气控制设计1．控制要求给定一台三相交流异步电动机M，设计其点动控制线路并选择电气元件。控制要求为：当按下启动按钮，电动机启动运行；松开启动按钮，电动机停止运行。2．设计目的认识控制系统中常用的电气元件，根据控制要求设计电气原理图并进行电气接线。3．设计条件电工通用工具：测电笔、旋具、尖嘴钳、斜口钳、剥线钳、电工刀、兆欧表、钳形电流表、万用表。电器元件：三相异步电动机1台、组合开关1只（低压断路器1只）、低压熔断器5只、三联按钮1个、接触器1只、接线端子排1个、导线若干。第1章电气控制系统设计4．设计内容及安装操作(1)绘制电气原理图。(2)对控制线路进行元器件安装接线和操作。(3)检查无误，通电调试运行。第1章电气控制系统设计5．工艺要求(1)各元件的安装位置应整齐、匀称，间距合理，便于元件的更换。(2)布线通道要尽可能少。(3)主电路用黑色线，控制电路用红色线，接地线用黄绿双色线。(4)同一平面的导线应高低一致或前后一致，不能交叉，若非交叉不可，则该导线应在接线端子引出时，水平架空跨越，但必须走线合理。(5)布线应横平竖直，分布均匀，变换走向时应垂直转向。(6)布线时严禁损伤线芯和导线绝缘。(7)布线顺序一般以接触器为中心，由里向外，由低至高，先控制线路后主电路，以不妨碍后续布线为原则。(8)通电试运行前，必须征得老师的同意，并由老师接通三相电源L1、L2、L3，同时要有老师在现场监护。第1章电气控制系统设计6．注意事项(1)电动机使用的电源电压和绕组的接法，必须与铭牌上规定的一致。(2)接线时，必须先接负载端，后接电源端；先接接地线，后接三相电源线。(3)必须在认真检查安装完毕的控制线路后，才允许通电试运行。(4)电动机外壳必须接地。(5)训练应在规定的时间内完成。第1章电气控制系统设计1.1.1电动机与开关、按钮、接触器工业生产中常用电动机有三相交流异步电动机、直流电机、伺服电机、步进电机。本书所讲述的电动机驱动主要指三相交流异步电动机。第1章电气控制系统设计1．三相交流异步电动机介绍1)三相交流异步电动机的结构三相交流异步电动机由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两部分组成。三相交流异步电动机的结构如图1.1所示。定子由铁心、绕组、机座三部分组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，它由硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。硅钢片内圆上有均匀槽口，用于安装定子绕组。机座主要用于固定与支撑定子铁心，一般用铸铁或钢板制成。第1章电气控制系统设计图1.1三相异步电动机的结构1—轴承盖；2—端盖；3—接线盒；4—散热筋；5—定子铁心；6—定子绕组；7—转轴；8—转子；9—风扇；10—罩壳；11—轴承；12—机座第1章电气控制系统设计三相异步电动机的定子绕组，每相都由许多线圈所组成。定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒内的接线柱上，一般按图1.2所示的方法排列，这样可以很方便地接成星形(见图1.3)或三角形(见图1.4)。图1.2定子绕组接线方式图1.3定子绕组星形连接图1.4定子绕组三角形连接第1章电气控制系统设计三相异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心是由硅钢片叠压面成，硅钢片外圆上有均匀的槽口，用来嵌入转子绕组，转子铁心与定子铁心构成闭合磁路。转轴用来支撑转子旋转，保证定子与转子间有均匀的气隙。转子绕组由熔铝浇铸而成，形似鼠笼，所以又被称为笼型转子，如图1.5所示。图1.5三相异步电动机笼形转子绕组(a)铜条绕组；(b)转子外形；(c)铝铸的转子第1章电气控制系统设计2)三相交流异步电动机的额定值三相交流异步电动机和直流电动机一样，机座上都有一个铭牌，铭牌上标注着额定数据。这些数据主要有以下几个。(1)额定功率PN这是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位为kW。(2)额定电压UN这是指额定运行时加在定子绕组上的线电压，单位为V。(3)额定电流IN这是指电动机定子绕组加上额定频率的额定电压，且轴上输出额定功率时定子绕组的线电流，单位为A。(4)额定频率fN我国规定标准工业用电的频率为50Hz。(5)额定转速nN指电动机定子绕组加上额定频率的额定电压，且轴上输出额定功率时转子的转速，单位为r/min。(6)额定功率因数指电动机在额定运行时定子的功率因数。则三相异步电动机的功率为式中ηN为电动机的额定效率。此外，铭牌上还标明了绝缘等级、温升、工作方式与绕组接法等。额定数据是选择、使用电机的重要依据。第1章电气控制系统设计2．常用低压控制电器分类低压电器的发展，取决于国民经济的发展和现代工业自动化发展的需要，以及新技术、新工艺、新材料研究与应用，目前正朝着高性能、高可靠性、小型化、数模化、模块化、组合化和零部件通用化的方向发展。总的来说，低压电器是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及日常生活中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。我国现行标准将工作电压交流1200V、直流1500V及以下电压的电器称为低压电器，其用途是对供电及用电系统进行开关、控制、调节和保护。低压电器的种类繁多，工作原理各异，因而有不同的分类方法。以下介绍三种分类方式。第1章电气控制系统设计1)按用途和控制对象可分为配电电器和控制电器低压配电电器。这类电器主要用于低压供电系统，包括刀开关、转换开关、隔离开关、空气断路器和熔断器等。对配电电器的主要技术要求是断流能力强、限流效果好；在系统发生故障时保护动作准确、工作可靠；有足够的热稳定性和动稳定性。低压控制电器。这类电器主要用于电力拖动及自动控制系统，包括接触器、控制按钮和各种控制继电器等。对控制电器的主要技术要求是操作频率高、电器和机械寿命长、有相应的转换能力。第1章电气控制系统设计2)按操作方式可分为自动电器和手动电器自动电器。通过电磁(或压缩空气)做功来完成接通、分断、启动、反向和停止等动作的电器称为自动电器。常用的自动电器有接触器、继电器等。手动电器。通过人力做功来完成接通、分断、启动、反向和停止等动作的电器称为手动电器。常用的手动电器有刀开关、转换开关和控制按钮等。3)按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器电磁式电器。这类电器是根据电磁感应原理进行工作的，它包括交直流接触器、电磁式继电器等。非电量控制电器。这类电器是以非电物理量作为控制量进行工作的，它包括按钮开关、行程开关、刀开关、热继电器、速度继电器等。第1章电气控制系统设计另外，低压电器按工作条件还可划分为一般工业电器、船用电器、化工电器、矿用电器、牵引电器及航空电器等几类，对不同类型低压电器的防护形式、耐潮湿、耐腐蚀、抗冲击等性能的要求不同。第1章电气控制系统设计3．刀开关刀开关又称刀闸，属于控制电器，是手动电器中结构最简单的一种，广泛用于各种供电线路和配电设备中，也用于不频繁地接通、分断容量较小的低压供电线路或启动小容量的三相异步电动机中作为电源隔离开关，其熔体可起到短路保护作用。第1章电气控制系统设计1)结构、电路符号和型号规格刀开关外形如图1.6所示。图1.6刀开关的外形第1章电气控制系统设计一般刀开关的结构如图1.7所示，转动手柄(操作杆)后，刀极(动触头)即与刀夹座(静触头)相连接或分离，从而接通或断开电路。图1.7一般刀开关在电气传动控制系统中刀开关的电路符号如图1.8所示。图1.8刀开关图形电路符号(a)一般图形符号；(b)手动符号；(c)三极单投刀开关符号第1章电气控制系统设计单投刀开关的型号规格如图1.9所示。图1.9单投刀开关的型号规格设计代号：11—中央手柄式；12—侧方正面杠杆操作机构式；13—中央正面杠杆操作机构式；14—侧面手柄式。刀开关的种类很多。按刀的极数可分为单极、双极和三极；按刀的转换方向可分为单投和双投；按灭弧装置情况可分为带灭弧罩和不带灭弧罩；按操作形式可分为直接手柄操作式和远距离连杆操作式。常用的刀开关有开启式负荷开关、封闭式负荷开关等。第1章电气控制系统设计2)选用方法开启式负荷开关用于照明负载时，选用额定电压为220V或250V、额定电流稍大于负载电流的两极刀开关。开启式负荷开关用于电动机直接启动时，选用额定电压为380V或500V、额定电流大于或等于电动机额定电流3倍的三极刀开关。封闭式负荷开关额定电流应大于或等于电动机额定电流的3倍，额定电压应大于线路的工作电压。第1章电气控制系统设计4．组合开关刀开关作为电源隔离用的配电电器是恰当的，但在小电流的情况下用它作为线路的接通、断开和换接控制时就显得不太灵巧和方便，所以在机床等设备上广泛地采用组合开关(又称转换开关)来代替刀开关。组合开关由多节触点组合而成，结构紧凑、安装面积小、寿命长、灭弧性能较好、操作不是用手扳动而是用手拧转，故操作方便、省力。组合开关可根据接线方式的不同而组合成各种类型，如：同时通断型、交替通断型、两位转换型和四位转换型等。组合开关有HZ1、HZ2、HZ3、HZ4、HZ5、HZ10等系列产品。其中HZ10系列组合开关具有寿命长、使用可靠、结构简单等优点，可用作交流50Hz、380V以下和直流220V及以下的电源引入开关，也可以用于5.5kW以下小功率电动机的直接启动、停止、正反转和调速控制，以及机床照明电路的控制。第1章电气控制系统设计组合开关的外形如图1.10所示。图1.10组合开关的外形第1章电气控制系统设计第1章电气控制系统设计万能转换开关第1章电气控制系统设计1)组合开关的结构图1.11为常用HZ10系列组合开关的示例图。组合开关由动触头、静触头、绝缘方轴、手柄、凸轮和外壳等部分组成。它的动静触片分别叠装在数层绝缘垫板内组成双断点桥式结构。而动触头又套装在有手柄的绝缘方轴上，方轴随手柄而旋转。于是每层动触头随方轴转动而变化位置来与静触头分断和接触。组合开关的顶盖部分由凸轮、弹簧及手柄等零件构成操作机构，这个机构由于采用了弹簧储能，使开关快速闭合及分断，且组合开关的分合速度与手柄的旋转速度无关，有利于灭弧。图1.11HZ10系列组合开关(a)结构；(b)通断示意；(c)图形、文字符号第1章电气控制系统设计2)组合开关的规格及型号含义组合开关应根据电源种类、电压等级、所需触头数和额定电流进行选用。用于三相异步电动机的开关在直接启动时，应注意组合开关的额定电流必须不小于电动机额定电流的3倍，并需另外配置熔断器。HZ10系列组合开关的额定电压为380V(直流220V)，额定电流分别有10A、25A、60A和100A等多种，极数有二极和三极。组合开关型号规格如图1.12所示。图1.12组合开关型号规格第1章电气控制系统设计瓷插式熔断器5低压熔断器第1章电气控制系统设计螺旋式熔断器填料---石英砂第1章电气控制系统设计有填料式熔断器填料---石英砂第1章电气控制系统设计无填料密封式熔断器第1章电气控制系统设计快速熔断器第1章电气控制系统设计自恢复熔断器第1章电气控制系统设计1)熔断器的特点与分类熔断器是一种低压电路和电动机控制电路中最