电工电子学课件第10章 电气控制技术第3版

第10章电气控制技术10.1常用低压电器10.2三相异步电动机继电-接触控制电路*10.3可编程控制器*10.4异步电动机的电子控制10.5安全用电电气控制技术是自动控制技术的一个重要组成部分，它采用各种电气、电子器件对各种控制对象按生产和工艺的要求进行有效的控制。本章首先介绍一些常用电器，并讨论三相异步电动机典型的继电接触控制电路。然后介绍可编程序控制器的基础知识及异步电动机的电子控制。10.1常用低压电器10.1.1刀开关和熔断器10.1.2低压断路器10.1.3剩余电流动作保护装置10.1.4交流接触器10.1.5继电器10.1.6按钮和行程开关低压电器一般是指交流1200V、直流1500V以下，用来切换、控制、调节和保护用电设备的电器。低压电器种类很多，按其动作方式可分为手动电器和自动电器。随着电子技术的发展，电子电器已成为自动电器的重要组成部分。10.1.1刀开关和熔断器1.闸刀开关闸刀开关是一种手动控制电器。闸刀开关的结构简单，主要由刀片（动触点）和刀座（静触点）组成。图示是胶木盖瓷座闸刀开关的结构和符号闸刀开关一般不宜在负载下切断电源，常用作电源的隔离开关，以便对负载端的设备进行检修。在负载功率比较小时也可以用作电源开关2.熔断器一种短路保护电器，串接在被保护的电路中。电路短路——短路电流使熔断器的熔体发热熔断，切断电路——保护线路及电气设备。常用的熔断器及图形文字符号如图所示。螺旋式管式符号熔体的选择熔体额定电流的选择应考虑被保护负载的电流大小，同时也必须注意负载的工作方式。一般可按下列条件进行⑴对无冲击（起动）电流的电路为IfuN≥IN式中，IN表示负载额定电流。⑵对具有冲击（起动）电流的电路为IfuN≥KIS式中，IS表示负载的冲击电流值，例如异步电动机的起动电流。K为计算系数，数值在0.3~0.6之间10.1.2低压断路器按结构来分，有万能式(又称框架式，通称ACB)和塑料外壳式(通称MCCB、MCB)两大类。低压断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，控制不频繁起动的电动机，在线路或电动机发生过载、短路或欠电压等故障时，能自动切断电路，予以保护。广泛用于配电、电动机、家用等线路的通断控制及保护。低压断路器由操作机构、触点、保护装置、灭弧系统等组成。下图是其原理示意图及图形符号。10.1.3剩余电流动作保护装置剩余电流动作保护装置以前称为漏电保护器，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护。图示为三相四线制系统剩余电流动作保护装置原理示意图。TA——剩余电流互感器QF——主开关TL——主开关的分励脱扣器线圈无漏电或触电时0UVWNIIIITA的二次侧不产生感应电动势,剩余电流动作保护装置不动作,系统保持正常供电当被保护电路发生漏电或有人触电时，通过TA一次侧各相电流的相量和不为零，产生了剩余电流Ik，即UVWNkIIIII在TA的铁心中出现交变磁通，TA二次线圈就产生感应电动势，经中间环节进行处理比较，当达到预定值时，使主开关分励脱扣器线圈TL通电，驱动主开关QF自动跳闸，切断故障电路，从而实现保护10.1.4交流接触器接触器是继电接触控制中的主要器件之一。它利用电磁吸力来动作，常用于直接控制主电路下图为一些交流接触器的外形交流接触器主要组成部分电磁铁触点组静铁芯、动铁芯吸引线圈主触点(动合触点)辅助触点(动合/动断触点)接触器各部件图形符号如图所示选用接触器考虑的主要参数主触点额定电流/额定电压辅助触点数目吸引线圈额定电压10.1.5继电器继电器是一种自动电器，输入量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、时间、速度或压力等非电量，输出就是触点动作。当输入量变化到某一定值，继电器动作而带动其触点接通(或切断)它所控制的电路。图为继电器动合触点的继电特性YmaxYminY0XfXCXNXXN——额定值XC——动作值Xf——返回值KF=Xf/XCKC=XN/XC——储备系数——返回系数1.中间继电器中间继电器是一种电磁继电器，其结构与工作原理和交流接触器基本相同，只是电磁系统小一些，触点数量则多一些。中间继电器的触点容量较小，通常一是用来传递信号，同时控制多个电路；二是也可以直接用来接通和断开小功率电动机或其他电气执行元件。图为中间继电器的外形及符号。KA线圈动合触头KA动断触头KA2.时间继电器时间继电器是一种利用电磁原理、机械原理或电子技术来实现触点延时接通或断开的控制电器。⑴空气阻尼型时间继电器利用空气通过小孔节流的原理来实现触点延时动作组成：电磁系统、延时机构、触点通延时时间继电器原理示意图如图所示时间继电器按触点系统可分为通电延时型和断电延时型两种类型。右图为时间继电器的图形符号注意动合和动断触点分别有瞬时、延时闭合、延时断开三种符号瞬时动作通延时断延时⑵场效应晶体管时间继电器上电(T1T2T3截止)→经R10RP1R2对C2充电→UG↑→T1T2T3导通→继电器K线圈通电，动合触点闭合(信号输出)，另一动合闭合，C2经R8放电(T1T2截止)3.热继电器和电子式电动机保护器⑴热继电器利用电流热效应原理工作组成：发热元件、双金属片、触点工作原理：过载→双金属片弯曲→继电器触点动作热继电器图形符号如图⑵电子式电动机保护器过流设定起动时间设定不平衡度设定比较动作过流、断相报警I/V变换信号处理电流互感器电子式电动机保护器原理框图如图所示M3~KMKMUVWFUSK电子式电动机保护器工作示意图如右图所示保护器从电流互感器获得主电路电流情况，经I/U变换器转换成电压信号输出，与(过流、起动时间、不平衡度等)设定值进行比较，决定是否进行保护动作4.固态继电器一种由光电耦合器件、集成触发器和功率器件组成的无触点继电器固态继电器的符号及原理如图所示，输入接直流控制电路，输出接交流主电路。单相交流固态继电器三相交流固态继电器[例题10.1.1]分析固态继电器组成电路的功能[解]若A=1SSR1~SSR5不通电动机停止A=0电动机运转B控制其转向B=1SSR1SSR3SSR5导通，进入电动机的相序为UVWB=0SSR1SSR2SSR4导通，进入电动机的相序为UWV电动机的转向与B=1时相反10.1.6按钮和行程开关按钮和行程开关是一种在控制系统中发出指令的电器，称为主令电器。1.按钮按钮是一种简单的手动开关，用来接通或断开控制电路。按钮原理图及符号如图所示。动/静触点均为桥式双断点结构2.机械式行程开关12345F1.静触头2.动触头3.顶杆4.弹簧5.复位弹簧行程开关常被安装在工作机械行程的终点处，以限制机械的行程，因此也称为限位开关工作过程如图所示，工作机械碰撞传动头时，顶杆3受力向下运动，当到达一定的位置时，弹簧4的力的垂直分量变为向上，带动了动触头向上跳，从而使得动断触头断开，动合触头闭合；当去掉外力F时，复位弹簧5使顶杆4上升，动触头复位。外形及符号3.接近开关高频振荡型：用以检测各种金属体电容型：用以检测各种导电或不导电的液体或固体光电型：用以检测所有不透光物质超声波型：用以检测不透过超声波的物质电磁感应型：用以检测导磁或不导磁金属接近开关是一种无触点的行程开关。当被测物体与之接近到一定距离时就会发出动作信号。它在定位精度、操作频率、使用寿命和对环境适应能力等方面具有明显优点。接近开关按照其工作原理，可分为以下类型：下图为停振型接近开关框图。金属物体未接近开关的感应头时，振荡器产生自激振荡，→继电器线圈K无电流不动作；金属物体接近开关的感应头时，产生涡流，→使得振荡电路的品质因数Q明显下降，振荡器停振，→继电器线圈K通电动作4.微动开关微动开关是一种行程很小的、瞬时动作的主令电器。它是一种施压促动的快速开关，又叫灵敏开关。工作原理：外部机械力→作用于动作簧片→能量积聚到临界点→动触点与静触点快速接通或断开作用力移去→动作簧片产生反向动作力→反向行程达到簧片的动作临界点→瞬时完成反向动作。特点：触点间隔小、动作行程短、按动力小、通断迅速。动触点的动作速度与传动元件动作速度无关。右图是微动开关的结构原理图。10.2三相异步电动机继电-接触控制电路10.2.1直接起动和正反转控制电路10.2.2时间控制和行程控制电路10.2.1直接起动和正反转控制电路1.直接起动控制线路KKMMFRKMFUQS3~MLL22LL11L3SSBB22SSBB11KKMMFFRR刀开关QS：隔离开关熔断器FU：短路保护接触器KM：失压保护热继电器FR：过载保护SB1：停止按钮SB2：起动按钮KM辅助触头：自锁主电路辅助电路点动SBTSBPKMFRKMSBP1SBT1在直接起动控制电路中串联第2个停止按钮在起动按钮处并联第2个起动按钮即可实现两地控制KM1FUQSKM2M1M23~3~SB3SB1KM1KM1SB2KM2KM2FR1FR2FR1FR2L2L1L3下图为顺序控制电路——只有当M1起动后，M2才可以起动，从而两台电动机顺序起动控制2.正反转控制电路KMFL1L2L3QSFUM~3KMFFRSBPSBFKMFFRKMRKMRKMFKMRSBRKMR联锁触点10.2.2时间控制和行程控制电路1.时间控制电路以三相异步电动机Y—Δ起动控制的电路为例KM1——控制电动机的启停KMY——用于控制电动机绕组的星形联结KMΔ——用于控制电动机绕组的星形联结根据延时要求，电动机按一定时间间隔进行控制。在继电接触控制电路中，用时间继电器来实现时间控制功能。按下SBTKM1、KMY和KT的线圈得电KM1、KMY的动合主触头闭合，电动机星形启动KM1的辅助触头闭合自锁延时时间到，KT的延时动断触头断开，KMY线圈失电KMY主触头断开KMY互锁动断触头闭合KT延时动合触头闭合，KMΔ线圈得电KMΔ主触头闭合，电动机成三角形运行并自锁KMΔ互锁动断触头断开使KT线圈失电复位SB1KM1SB2FRKM1KTKTKM1KM2KM2FU2FRKM1QSFU13~ML2L1L3前述星型——三角起动控制电路应用了通延时时间继电器电动机能耗制动电路使用的是断延时时间继电器，请自行分析其工作原理2.行程控制电路龙门刨等设备中的工作部件往往需要作自动往复运动，具有行程开关的电路可以实现这些功能*10.3可编程控制器10.3.1可编程控制器的结构和工作原理10.3.2可编程控制器的基本指令和编程10.3.3可编程控制器应用举例概述可编程控制器(ProgrammableLogicController，简称PLC)，它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子系统。⑴可靠性高，灵活性好。⑵编程容易，使用方便。⑶接线简单，通用性好。⑷易于安装，便于维护。⑸便于组成控制网络系统。PLC特点：机械、电力、采矿、冶金、化工、造纸、纺织、水处理等PLC应用领域10.3.1可编程控制器的结构和工作原理1.可编程控制器的结构通信接口中央处理器微处理器电源系统程序存储器用户程序存储器输入电路输入接点输出电路输出接点COM+-按钮触点行程开关…M+-继电器线圈指示灯执行电机外部电源KM…PLC类型：整体式、模块式——按结构分整体式：把电源、控制器和输入输出做成一个整体，或加少量扩展模块，组成一个小型的控制系统通信/编程口输入/输出端扩展I/O模块模块式：独立的电源、机架、处理器、各种I/O、通信模块。使用者根据控制系统的大小、功能等的不同进行灵活的组态，并易于构成控制网络电源模块机架通信/网络模块I/O模块处理器模块输入电路：把它们的输入信号转换成中央处理器能接收和处理的数字信号输出电路：接收中央处理器的数字信号，把这些信号转换成被控设备能接受的电压或电流信号，以驱动接触器线圈、伺服电机等执行装置Allen-BradleyA-BQualityControlNETCHACHBOKA#01RUNREMPROGLogix5555™RUNOKRS232BATI/ORUNREMPROGLogix5555™RUNOKRS232BATI/OETHERNETRXDTXDOKETHERNETRXDTXDOKETHERNETRX