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PLC的原理及应用第一章低压电器的基本原理（板书）首先，这里说的电器并不是指咱们家中所用的家用电器，而是指在交流1200V及以下和直流1500V及以下电路中起通断，控制，保护和调节作用的电器设备。低压电器包括配电电器和控制电器两大类。配电电器主要有主令电器，刀开关等；控制电器主要有继电器，接触器等。1.1低压电器的基本结构（板书）基本结构上看，低压电器一般都具有两个基本组成部分，即感受部分与执行部分。感受部分接收外界输入的信号，并通过转换，放大与判断做出有规律的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现控制的目的。对于有触点的电磁式电器，感受部分大都是电磁机构。1.1.1电磁机构电磁机构是电磁式电器的主要组成部分，其工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动执行部分触头动作。电磁机构由吸引线圈（励磁线圈）和磁路两部分组成。磁路包括铁心，衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通精铁心，衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧拉力时，衔铁才可靠地被铁心吸住。其结构型式按铁心型式分有单E型，螺管型等；按动作方式分有直动式，转动式等，见图1-1.电磁机构按吸引线圈的通电种类可分为直流电磁线圈和交流电磁线圈。当交流电磁线圈接通交流电源时，铁心中有磁滞损失与涡流损失。为了减小由此造成的能量损失和温升，铁心和衔铁用硅钢片叠成，而且线圈粗短并有线圈骨架将线圈与铁心隔开，以免铁心发热，传给线圈，使其过热而烧毁。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线成为吸力特性。电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线称为反力特性。1）直流电磁铁的电磁吸力直流电磁铁的电磁吸力根据麦克斯韦公式计算：22521104SBF式中：F----电磁铁磁极的表面吸力（N）；B----工作气隙磁感应强度（T）；S----铁心截面积（m2）；--气隙磁通；--磁路空气隙。直流电磁铁的吸力特性如图1-2所示。由图1-2可知，在电磁铁安匝数不变的情况下，电磁吸力与气隙大小的二次方成反比。它表明衔铁闭合前后吸力变化很大，气隙越小，吸力越大。由于衔铁闭合前后励磁线圈的电流不变，因此直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力大，工作可靠性好。但是，当直流电磁机构的励磁线圈断电时，磁势会迅速接近于零。电磁机构的磁通也会发生相应的变化，因此会在励磁线圈中感生很大的反电势。此反电势可达线圈额定电压的10-20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。为减小此反电势，通常在励磁线圈K上需并联一个由电阻R和硅二极管V组成的放电回路，如图1-3所示。这样，当线圈断电时，放电电路使原先存储于磁场中的能量消耗在电阻上，不致产生过电压。通常，放电电阻的电阻值可取线圈直流电阻的6-8倍。2）交流电磁铁的电磁吸力交流电磁铁的电磁吸力公式为：522255210)2cos1(2sin104104tSBtBSSBFmm式中Bm为B的最大值。由上式可知，虽然交流电磁铁磁感应强度是正，负交变的，但电磁吸力却是脉动的，方向不变的。电磁吸力由两项组成：第一项为平均吸力，其值为最大吸力的一半；第二项为以电源频率两倍变化的交变分量。交流电磁吸力是在最大值和最小值0的范围内以两倍于电源频率周期地变化的，因此在每一个周期内，必然有某一段时刻的吸力小于弹簧产生的反作用力。这时衔铁在反力作用下将开始释放，而当吸力再次大于反力时，衔铁又被吸合。如此周而复始，衔铁会产生振动。这种振动对电器工作十分不利，同时还会发出噪声。为此，必须采取措施消除振动。采用的方法就是在电磁铁心极面上加装短路环。3）短路环的作用如图1-5所示。将铁心极面上的磁通分成两部分，其相应的截面积为。若使这两部分交变磁通间有一个相位差，则两部分磁通产生的吸力间也有一个相位差。这样，虽然每部分吸力都有到达零值的时刻，但二者合成后的吸力却无零值的时刻。如果合成吸力在任一时刻都大于反力，就可消除振动和噪声。在一部分铁心极面上安装短路环即可达到磁通的分相作用，如图1-5所示。由于是交变的电源和磁场，因此在磁路中加入一个短路环，相当于在磁路参数中有一个磁抗。因此被短路环包围的部分是一个有磁抗的分支磁路，而未被包围的部分则是一个只有气隙磁路的分支磁路，其等效磁路如图1-6所示，可以由下式表示。由F1和F2相加构成的合成吸力即为电磁铁的电磁力。使合成吸力的最小值大于反力，即可满足消除振动和噪声的要求。但必须指出的是，即使满足此条件，吸力仍是脉动的。4）交流电磁机构的吸力特性交流电磁机构励磁线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗（电阻相对很小），则WfEU44.4fWU44.4式中：U----线圈电压（V）；E----线圈感应电势（V）；f--线圈外加电压的频率（Hz）；--气隙磁通（Wb）；W----线圈匝数。当频率f，匝数W和外加电压U为常数时，由上式可知，磁通亦为常数，因此电磁吸力F的幅值也为常数。由于线圈外加电压U与磁路空气隙的变化无关，因此电磁吸力F亦与气隙的大小无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，吸力F随气隙的减小会略有增加。其吸力特性如图1-8所示。虽然交流电磁机构的气隙磁通近似不变，但气隙磁阻随气隙长度而变化。根据磁路定律：))((00SIWSIWRIWm得出交流励磁线圈的电流I与气隙成正比。因此对于交流电磁机构而言，当衔铁卡住不能吸合或者频繁动作时，交流励磁线圈很可能因过电流而烧毁。所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。5）吸力特性与反力特性电磁铁中的衔铁除受电磁吸力作用外，同时还受到与电磁吸力方向相反的作用力。这些反作用力通常包括弹簧力，触点弹簧所产生的力，运动部分的重力和摩擦力等几部分。为了使电磁铁能正常工作，衔铁在吸合时，吸力必须始终大于反力，即吸力特性始终处于反力特性的上方；衔铁释放时，吸力特性必须处于反力特性的下方。图1-10为吸力特性与反力特性的配合情况。由图1-10可见，在吸力特性与反力特性曲线之间有一块面积，这块面积代表了衔铁在运动过程中积聚的能量。此面积越大，表示衔铁积聚的能量越大，其动作速度也越大，动静触头接触时的冲击力越大，严重时会导致触头的熔焊或烧损。因此吸力特性与反力特性尽可能靠近。1.1.2触头和电弧触头是一切有触点电器的执行部件，这些电器就是通过触头的动作来接通或分断电路的。1）触头的接触电阻触头亦称触点，起接通和分断电路的作用。在有触头的电器元件中，电器元件的基本功能是靠触头来完成的，所以要求触头导电，导热性能好。银触头具有较低且稳定的接触电阻。在大，中容量的低压电器结构设计上，触头采用滚动接触，可将氧化膜去掉，这种结构的触头常采用铜质材料。触头之间的接触电阻包括“膜电阻”和“收缩电阻”。“膜电阻”是触头接触表面在大气中自然氧化而生成的氧化膜造成的。“收缩电阻”是由于触头的接触表面不光滑造成的。除此之外，触头在运行时还存在触头磨损的情况。触头的磨损包括电磨损和机械磨损。为了使接触电阻尽可能地小，要注意三个方面的问题：一是要选用导电性好，耐磨性好的金属材料做触头，使触头本身的电阻尽量减小；二是要使触头接触得紧密一些；另外，在使用过程中尽量保持触头情节，在有条件的情况下应定期清理触头表面。2）触头的接触形式触头的接触形式及结构形式很多，通常按其接触形式归为三种，即点接触，线接触和面接触。图1-11给出了各种接触形式的图。触头在接触时，其基本性能要求接触电阻尽可能小。为了使触头接触得紧密以减小接触电阻，消除开始接触时产生的震动，一般在制造时，触头装有接触弹簧，使触头在刚刚接触时具有初压力F，它随着触头的闭合逐渐增大。触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。按触头控制电路的不同可将其分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。3）触头的工作过程触头的工作可分为三种工作状态：闭合过程，闭合状态和分断过程。4）电弧的产生及灭弧方法电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。所谓气体放电，就是触头间隙中的气体被游离而产生大量的电子和例子，在强电场作用下，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘气体就变成导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，发出光和热的效应，产生高温及强光，使触头烧损，并使电路切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。电弧对电器的影响主要有以下几个方面：A触头虽已打开，但由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开。B电弧的温度很高，严重时可使触头熔化。C电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至造成短路，引起火灾。电弧的产生主要经历以下四个物理过程：强电场放射；撞击电离；热电子发射和高温游离。灭弧方法。电离和消电离作用是同时存在的，当电离速度大于消电离速度是，电弧就增强；当消电离速度大于电离速度时，电弧就熄灭。因此，熄灭电弧一方面是减弱电离作用，另一方面是增强消电离作用。熄灭电弧的基本途径：拉长电弧以降低电场强度；用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧柱周围的温度；将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中以冷却电弧；将电弧分成许多串联的短弧，增加对维持电弧所需的临界电压降要求；将电弧密封于高气压或真空容器中。5）常用的灭弧方法和装置A桥式结构双断口灭弧：其结构图如1-13所示。由于桥式结构使两端的电流相反，根据磁场和受力定则，可知，开关两端电弧受力向外，使电弧拉长，使电弧熄灭。B删片灭弧C磁吹灭弧D窄缝灭弧6）过电压和浪涌电压抑制器控制电器的触头在切断具有电感负载的电路时，由于电流由某一稳定值突然降为零，电流的变化率dtdi很大，因此会在触头间隙产生较高的过电压。此电压超过270-300V时，就会在触头间隙产生火花放电现象。火花放电与电弧的不同之处是：火花放电的电压高，电流小，而且是在局部范围内产生不稳定的火花放电；火花放电会使触头产生电磨损，缩短它的使用寿命；同时，火花放电造成的高频干扰信号将影响和干扰无线电通信及弱电控制系统的正常工作。为此，我们需要消除由于过电压引起的火花放电现象。常用的熄火花电路有以下两种：A半导体二极管与电感负载并联整流式抑制器B与触头并联阻容电路RC抑制器1.2低压电器的主要技术性能和参数低压电器根据其在线路中起的作用通常分为两大类：主电路开关电器和辅助电路控制电器。主电路开关电器指用于电气控制中配电线路或系统主电路中的开关电器及其组合，主要包括刀开关，隔离器，断路器，熔断器及其与其他开关电器的组合，接触器和主要由接触器与保护继电器组成的启动器等。辅助电路控制电器指在电路中起发布命令，控制，转换和联络作用的开关电器，包括各种主令控制电器，控制继电器，传感器和具有不同功能的其他控制开关等。主电路开关电器上的辅助触头及控制用附件也包括在辅助电路控制电器范围之内。1.2.1开关电器的通断工作类型及相关参数1）开关电器的通断工作类型A隔离隔离指开关电器具有将电器设备和电源“隔开”的功能，在对电器设备的带电部分进行维修时以确保人员和设备的安全。B无载（空载）通断无载（空载）通断指接通或分断电路时不分断电流，分开的两触头间不会出现明显电压的情况。C有载通断相对于无载通断而言的，其开关电器需接通和分断一定的负载电流。D控制电动机通断通常指电动机开关。是用来接通和分断电动机的开关电器或电路，其通断能力应能满足各种型号的电动机按不同工作制工作的要求。E在短路条件下通断在短路条件下通断负载应选用有短路保护功能的开关电器。2）开关电器的相关参数A通电持续率：电器的有载时间与工作时间之比，常用百分比表示。B通断能力：在规定条件下，能在给定的电压下接通和分断的预期电流值。C分断能力：在规定的条件下，能在给定的电压下分断的预期分断电流值。D接通能力：在规定的条件下，能在给定的电压下接通的预期接通电流值。1.2.2与低压电器有关的电网参数实际工作中选用电器开关时，必须考虑电网参数，即额定电压，额