电气控制与PLC应用技术

《电气控制与PLC应用技术》电子教案主编伍金浩曾庆乐中等职业教育机电技术应用专业教学用书丛书主编李乃夫绪论1.电气控制技术的产生与发展电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求，从手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。（1）电力拖动自动控制系统的组成（2）电气控制技术的发展2.可编程控制器（PLC）的产生与发展由于继电器——接触器控制系统的结构特点制约着它的发展，在1968年，美国通用汽车（GM）公司率先提出了研制新型工业控制器的设想。一年后，由美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，即是早期的工业电脑（PLC）。在微电子技术和计算机技术发展的带动下，使PLC在处理速度和控制功能上都有了很大提高，不仅可以进行开关量的逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，且具有数据处理、PID控制和数据通信功能，发展成为一种新型的工业自动控制标准装置。近年来随着电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术的发展，PLC在通信能力以及控制领域等方面都不断有新的突破，正朝着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化和网络化的方向发展。3.本课程的性质、内容和任务要求主要内容：（1）工业控制系统中的继电器—接触器控制系统；（2）PLC控制系统；（3）变频器的基本应用。学习方法建议：（1）打好继电器——接触器控制系统的基础，进而学习掌握PLC控制系统的应用；（2）注意学习内容的普及和发展需要；（3）学习时应注意掌握基本原理和应用规律；（4）加强实践技能训练做到理论和实践结合。第1章常用电动机控制电路1.1概述继电器—接触器控制电路由各种低压电器所组成。一个最简单的三相异步电动机控制电路，可以用一个闸刀开关控制电动机的启动运行和停止。实际应用中要达到自动控制的要求，电路中需要借助各种开关、继电器、接触器等电器元件，它们能够根据操作人员所发出的控制指令信号，实现对电动机的自动控制、保护和监测等功能。1.2三相异步电动机直接启动控制电路1.2.1三相异步电动机的启动问题三相异步电动机的启动过程是指三相异步电动机从接入电网开始转动时起，到达额定转速为止这一段过程。三相异步电动机在启动时启动转矩并不大，但定子绕组中的电流增大为额定电流的4～7倍。这么大的启动电流将带来下述不良后果。（1）启动电流过大造成电压损失过大，使电动机启动转矩下降。同时可造成影响连接在电网上的其他设备的正常运行。（2）使电动机绕组发热，绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。（3）造成过流保护装置误动作。因此：三相异步电动机的启动控制方式有两种：一种是直接启动控制；另一种是降压启动控制。1.2.2用刀开关直接控制的三相异步电动机单向运转电路1.刀开关胶壳开关铁壳开关组合开关闸刀开关的图形和文字符号2.采用刀开关控制的异步电动机启动电路实物示意图电气控制线路图电路的工作原理是：（1）合上电源开关QS三相异步电动机通电电动机启动；（2）断开QS电动机断电停转。1.2.3.使用空气断路器直接控制电动机单向运转的电路空气断路器是一种具有过负载、过热、电源欠压、过压等保护功能于一体的电器。多种断路器的外形空气断路器的基本结构在合闸后，搭钩将锁键钩住，使主触点闭合，电动机通电启动运行。扳动手柄于“分”的位置(或按下“分”的按钮)，搭钩脱开，主触点在复位弹簧的拉力作用下断开，切断电动机电源。除手动分断之外。空气断路器还可以分别由三个脱扣器自动分断，实现对应的保护功能。常用几种熔断器的外形1.2.4.用接触器直接控制电动机单向运转的电路（1）熔断器熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉、控制有效的短路保护电器，它串联在电路中。（2）接触器接触器是一种自动化的控制电器，接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路。交流接触器从结构上可分为电磁系统、触点系统和灭弧装置三大部分。（3)热继电器热继电器正是根据电动机过载保护的需要而设计的，它利用电流热效应原理和反时限特性，当热量积聚到一定程度时使触点断开切断电路，实现对电动机的过载保护。注意：熔断器和热继电器这两种保护电器，都是利用电流的热效应原理作过流保护的，但它们的动作原理不同，用途也有所不同，不能混淆。（4）按钮开关按钮开关是一种手动电器，常称作控制按钮或按钮。主要用于人们对电路发出控制指令。为了便于操作人员识别，避免发生误操作，生产中用不同的颜色和符号来区分按钮的功能及作用，不能乱用，特别是红色按钮一定是用于停止控制。（5）接触器控制电动机单向运转的电路控制原理：(1)合上电源开关QS：接通电源；(2)启动控制：按下启动按钮SB2接触器KM电磁线圈得电吸合KM主触点闭合电动机M得电启动运转KM辅助动合触点闭合自锁控制(3)停止控制：按下停止按钮SB1接触器KM电磁线圈断电释放KM主触点断开电动机M断电停止KM辅助动合触点断开自锁控制解除（4）过载保护：当电动机在运行中出现过载并达到一定程度时热继电器FR动作FR动断触点断开接触器KM电磁线圈断电释放KM主触点断开电动机M断电停止（5）失压保护上述电路如在工作中突然停电而又恢复供电，由于接触器KM断电时自锁触点已断开，这就保证了在未再次按下启动按钮SB2时接触器KM不动作，因此不会因电动机自行启动而造成设备和人身事故。这种在突然停电时能够自动切断电动机电源的保护功能称为失压(或零压)保护，由接触器KM实现。（6）欠压保护上述电路如果电源电压过低(如降至额定电压的85％以下)，则接触器线圈产生的电磁吸力不足，接触器会在复位弹簧的作用下释放，从而切断电动机电源，防止电动机在电压不足的情况下运行，这种保护功能称为欠压保护，同样由接触器KM实现。1.2.5三相异步电动机的顺序控制和多点控制电路1．顺序控制电路（1）主电路实现顺序控制；电动机M2的主电路接在M1的控制接触器KM1的主触点后面，只有KM1主触点闭合，M1启动后，M2才能得电运行。（2）控制电路实现顺序控制。（a)(b)(c)上图（a）为M1、M2顺序启动同时停止；图（b）为M1、M2顺序启动而分别停止；图（c）则为M1、M2顺序启动而M2先停后M1才能停止。2．多点（异地）控制电路多点控制的基本原理是将启动按钮的动合触点并联（SB3、SB4），这样不论在什么地方只要按下其中一个按钮KM的线圈均可得电工作；而将停止按钮的动断触点相串联（SB1、SB2）就可以实现异地停止控制。1.2.6三相异步电动机的正反转控制电路1.使用倒顺开关控制的正反转控制电路电路的工作原理是：操作倒顺开关QS，把手柄板至“顺”的位置时，QS的触点往上接通，电动机与电源的连接相序为L1—D1、L2—D2、L3—D3电动机正转运行；当把手柄板至“倒”的位置时，QS的触点往下接通，电动机与电源的连接相序为L1—D2、L2—D1、L3—D3电动机反转运行；当把手柄板至“停”的位置时，QS的触点断开，电动机断电停止。2.使用交流接触器控制的正反转控制电路双重联锁正反转控制电路该电路可实现电动机的直接正反转切换，其控制过程如下：（1）正转控制（设开始启动）（2）反转控制（设由原来正转切换）可让学生自行分析1.2.7行程位置控制电路行程开关是一种将机械信号转换为电信号，以控制运动部件位置或行程的自动控制电器，它也属于主令电器。实现机床的工作台自动往复运动的电动机拖动控制电路1.3三相异步电动机降压启动控制电路1.3.1三相笼型异步电动机降压启动控制电路1.串电阻(电抗)降压启动控制电路1.3.2自耦变压器降压启动控制电路自耦变压器降压启动是利用自耦变压器二次绕组的不同抽头降压启动，待启动正常后再转回额定工作电压，这样既能适应不同负载启动的需要，又能获得较大的启动转矩，常被用来启动容量较大的三相异步电动机。（1）启动时，将手柄向上扳至“起动”位置，图中左右两组(各三个)触点闭合，电动机定子绕组接入自耦变压器降压启动。（2）当电动机转速将近升至额定转速时，可将手柄向下扳至“运行”位置，左、右两组触点断开，将自耦变压器从线路中切除；中间一组触点闭合，电动机全压运行。（3）要停机时，只须按下停机按钮SB，使失压脱扣器KV的线圈断电而造成衔铁释放，通过机械脱扣装置将运行一组触点断开，同时手柄会自动跳回“停机”位置，启动器所有的触点都断开，电动机断电，为下一次启动做准备。1.3.3星形—三角形（Y/Δ）降压启动控制电路1．星形—三角形降压启动的原理星形—三角形降压启动又称为Y/Δ降压启动。它是利用三相异步电动机在正常运行时定子绕组为三角形联结（Δ形），而在启动时先将定子绕组接成星形（Y形），使每相绕组承受的电压为电源的相电压（220V）降低启动电压，限制启动电流，待启动正常后再把定子绕组改接成三角形（Δ形）每相绕组承受的电压为电源的线电压（380V）正常运行。2.时间继电器自动控制的电路中使用了时间继电器（KT）对电动机启动延时进行控制。时间继电器也称延时继电器，当对其输入信号后，需要经过一段时间(延时)，输出部分才会动作。时间继电器主要用作时间上的控制。1—延时闭合瞬时断开动合触点；2—延时断开瞬时闭合动断触点；3—瞬时闭合延时断开动合触点；4—瞬时断开延时闭合动断触点；5—断电延时线圈；6—通电延时线圈3.星形—三角形降压启动自动控制电路电路的起动过程如下；KM1线圈得电电动机M星形联结自锁按下起动按钮SB2KM2线圈得电降压起动KT线圈得电开始计时（起动时间）延时时间到KT动断触点延时断开KM2断电KT动合触点延时闭合KM3通电电动机M三角形联结自锁全压运行1.3.4三相绕线转子异步电动机降压启动控制电路转子绕线式异步电动机可以通过电刷在转子绕组中串接外加电阻减小启动电流，根据交流电动机的运转特性，当增大转子电路电阻时，其机械特性变软，在一定的负载转矩下转速下降，这样可以在一定范围内调节电动机的转速，而且在减小启动电流的同时可以获得较大的启动转矩。（1）按时间原则控制控制过程中选择时间作为变化参量进行控制的方式称为时间原则。（2）按电流原则控制控制过程中选择电流作为变化参量进行控制的方式称为电流原则。当按下起动按钮SB1后，电动机转子串入全部电阻（R1、R2、R3）启动，由于启动时转子电流较大，三个电流继电器全部动作，它们串接在控制电路中的动断触点同时全部断开。随着电动机的转速逐渐上升，转子电流逐渐减小使三个电流继电器KA1KA2KA3依次释放，其动断触点依次闭合，控制KM1KM2KM3逐级短接转子电阻R1R2R3。中间继电器KA起延缓作用，保证在三个电流继电器动作后才能接通KM1、KM2、KM3电路，防止在起动瞬间三个接触器直接通电。（3）中间继电器（KA）它的主要作用是用来传递信号或同时控制多个电路和起中间转换作用，也可用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。中间继电器的结构和工作原理与小型交流接触器基本相同，只是它的电磁系统小些，触点没有主、辅之分，而且触点数量较多。1.3.5频敏变阻器控制电路频繁变阻器是一种随电动机启动过程转速的升高(转子电流频率下降)而阻抗值自动下降的器件。它的阻值能随启动过程的进行自动而又平滑地减小，使启动过程能平滑地进行。主电路在电动机定子电路接入电流互感器TA、电流表A、热继电器FR的发热元件和中间继电器KA的动断触点，是为了在正常运行时接入热继电器进行过载保护，而起动时发热元件被短接，防止误动作。电流表A经电流互感器串入电路，便于对电动机定子电流的测量。电动机转子电路接入频敏变阻器RF，由接触器KM2主触点在起动完毕后将其短接。转换开关SA用于选择手动控制或自动控制。1.4三相异步电动机调速控制电路1.4.1三相异步电动机的调速根据异步电动机的转速公式：n＝（1－s）60f／p，可见三相异步电动机的调速方法可以有下列三种：(1)改变异步电动机转差率s的调速。(2)改变异步电动机定子绕组磁极对数p的变