第1章 工业电气控制的基本环节

第1章工业电气控制的基本环节1.1常用低压电器原理与功能低压电器通常是指交流工作电压小于1200V(或直流工作电压小于1500V)，在电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。1.1.1低压电器的功能与分类1.低压电器的功能低压电器的基本功能就是控制，即按照预期要求手动或自动地接通或断开电路。完成对电路的开、关控制。此外还有对电路和设备的保护功能、检测功能、变换功能和调节功能以及能量分配功能等。2.低压电器的分类低压电器种类繁多，分类方法很多种。1）按动作原理分类：手动电器；自动电器。2）按用途分类（1）控制电器它主要在低压配电系统及动力设备中起控制作用，如接触器、继电器、低压断路器等。（2）低压保护电器它主要在低压配电系统及动力设备中起保护作用，如熔断器、热继电器等。（3）主令电器这类是依靠外力(如人工)操作来进行切换的电器，如按钮、行程开关、接近开关等。（4）执行电器该类是依靠指令或物理量(如电流、电压、时间、速度)变化而自动执行动作的电器，如电磁铁、电磁离合器等。（5）配电电器用于电能输送和分配飞电器。如闸刀开关、组合开关、•1.1.2常用低压电器•电气控制中常用的低压电器主要有接触器、熔断器、控制继电器、主令电器和开关电器5种。•1.接触器：交流接触器、直流接触器。•2.继电器：电压继电器、电流继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器等。•3.开关电器：刀开关、组合开关、自动空气开关。•4.主令电器：按钮、行程开关、转换开关。•5.熔断器•1.接触器•接触器主要用于频繁接通或分断交、直流主电路和大容量的控制电路，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制及各种定量控制和失压及欠压保护。下图所示为接触器的结构，主要由电磁机构（包括电磁线圈铁心和衔铁）、触头系统（主触头和辅助触头）、灭弧装置及其他部分组成。1、工作原理：线圈加额定电压，衔铁吸合，常开触点闭合，常闭触点断开；线圈电压消失，触点回复常态，为防止铁芯振动，需加短路环。目前我国常用交流接触器主要有CJ10、CJ20、CJ12系列。2、•3、接触器的符号•4、接触器的性能指标•5、接触器的使用选择原则2.熔断器熔断器（fuse）在IEC127标准里定义为熔断体（fuse-link），是电路的一种保护元件。当电路发生故障或异常时，伴随着电流（或温度）的升高，自身的熔体自动熔断而切断电路，起到保护电路的作用。其分类与符号如图所示：(a)插入式熔断器(b)螺旋式熔断器(c)管状式熔断器(d)熔断器符号常用的几种熔断器（ａ）螺旋式熔断器（ｂ）圆筒形帽熔断器（ｃ）螺栓连接熔断器•3.控制继电器•继电器是一种根据某种输入信号的变化来接通或断开控制电路实现控制目的的电器。其输入量可以是电压、电流；也可以是温度、压力、速度等。•继电器的工作原理与接触器相似，它们的主要区别是：继电器可对多种输入量的变化作出反应，而接触器只有在电压信号下动作；继电器用于切断小电流的控制和保护电路，而接触器用于控制大电流电路。继电器主要用于进行电路的逻辑控制。•下面介绍几种常用的继电器1）热继电器热继电器主要用于过载、缺相及三相电流不平衡的保护。热继电器的形式有多种，其中以双金属片式应用最多。双金属片式热继电器主要由发热元件1主双金属片2导板3和触点4四部分组成。•主双金属片2是热继电器的感测元件，由两种膨胀系数不同的金属片辗压而成。当串联在电动机定子绕组中的热元件有电流流过时，热元件产生的热量使双金属片伸长，由于膨胀系数不同，致使双金属片发生弯曲。电动机正常运行时，双金属片的弯曲程度不足以使热继电器动作。但是当电动机过载时，流过热元件的电流增大，加上时间效应，就会加大双金属片的弯曲程度，最终使双金属片推动导板3使热继电器的触点4动作，切断电动机的控制电路。•热继电器的型号含义及图形符号如下图所示:(a)型号含义(b)热元件(c)动断触点•注意：（1）JR0、JRl、JR2和JRl5系列的热继电器均为两相结构，是双热元件的热继电器，可以用作三相异步电动机的均衡过载保护和定子绕组为Y联结的三相异步电动机的断相保护，但不能用作定子绕组为△联结的三相异步电动机的断相保护。（2）JRl6和JR20系列热继电器均为带断相保护的热继电器，具有差动式断相保护机构。选择时主要根据电动机定子绕组的联结方式来确定热继电器的型号，在三相异步电动机电路中，对Y联结的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，一般采用两相结构，即在两相主电路中串接热元件。但对于定子绕组为△联结的电动机必须采用带断相保护的热继电器。2）时间继电器时间继电器的种类很多，按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子（晶体管或数字电路）式。电磁式时间继电器的结构简单，价格低廉，但体积和重量大，延时短且范围小(JT3型只有0.3~5.5秒)，一般只用于直流断电延时；电动式时间继电器的延时精度高，延时可调范围大(由几分钟到几小时)，但结构复杂，价格贵。电子式时间继电器的体积小，功耗低，可靠性高，在小功率的电子线路中得到广泛应用。在电力拖动的控制线路中，通常用空气阻尼式时间继电器。•空气阻尼式时间继电器又称气囊式时间继电器，是利用气囊中的空气通过小孔节流的原理获得延时动作。图(a)(b)所示是其外形和结构图。•它由电磁机构，延时结构和触头系统等3部分组成。电磁结构由线圈、铁心和衔铁构成。触头系统包括瞬时触点和延时触点，他们分别是两个微动开关的触点。延时结构采用气囊式阻尼器，气囊由橡皮膜、活塞构成，橡皮膜可随空气的增减而移动，顶部的调节螺钉可调节延时时间。线圈反力弹簧衔铁铁心弹簧片瞬时触点杠杆延时触点调节螺钉推杆活塞杆宝塔形弹簧(a)结构外形(b)结构部件•根据触头延时的特点，它又分为通电延时动作型和断电延时型两种。对于通电延时型时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点要延时一段时间才闭合，延时动断触点要延时一段时间才断开。当线圈失电时，其延时动合触点迅速断开，延时动断触点迅速闭合。对于断电延时型时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点迅速闭合，延时动断触点迅速断开。当线圈失电时，其延时动合触点要延时一段时间再断开，延时动断触点要延时一段时间再闭合。断电延时型时间继电器的图形符号及文字符号如下图所示。3）电流继电器电流继电器主要用于过载及短路保护。电流继电器的线圈串联接入主电路，其线圈匝数少、导线粗、阻抗小，用来感测主电路的电流，触点接于控制电路，为执行元件。电流继电器反映的是电流信号，常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。欠电流继电器用于欠电流保护，在电路正常工作时，欠电流继电器的衔铁是吸合的，其动合触点闭合，动断触点断开。只有当电流降低到某一整定值时，衔铁释放，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。过电流继电器在电路正常工作时不动作，整定范围通常为额定电流的1.1～3.5倍。当被保护线路的电流高于额定值，并达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路，对电路起过流保护作用。过流继电器外形图欠流继电器外形图4）电压继电器电压继电器反映的是电压信号。它的线圈并联在被测电路的两端，所以匝数多、导线细、阻抗大。电压继电器用于电力拖动系统的电压保护和控制。其线圈并联接入主电路，感测主电路的电压；触点接于控制电路，为执行元件。按吸合电压的大小，电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器。过电压继电器用于线路的过电压保护，当被保护的电路电压正常时衔铁不动作，当被保护电路的电压高于额定值，达到过电压继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，控制接触器及时分断被保护电路。欠电压继电器用于电路的欠电压保护，其释放整定值为电路额定电压的0.1～0.6倍。当被保护电路电压正常时衔铁可靠吸合，当被保护电路电压降至欠电压继电器的释放整定值时衔铁释放，触点机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。继电器的型号含义•5）中间继电器中间继电器在控制线路中主要起到扩大触点容量和触点数量的作用。其吸引线圈的功率很小，触点容量较大(5A~10A)。当采用其他小容量的继电器控制接触器、继电器的容量或触点数量不足时，可采用它加以扩展。静铁心短路环衔铁常开触点常闭触点反作用弹簧线圈缓冲弹簧中间继电器的结构和图形符号6）速度继电器速度继电器是利用转轴的转速来切换电路的自动电器，它主要用作鼠笼式异步电动机的反接制动控制中，故也称为反接制动继电器。速度继电器主要由定子、转子和触点三部分组成。如下图所示为速度继电器的结构原理示意图。•速度继电器的轴与电动机的轴相连接，转子2固定在轴上，定子3与轴同心。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，绕组切割磁场产生感应电动势和电流，此电流和永久磁铁的磁场作用产生转矩，使定子向轴的转动方向偏摆，通过摆锤5拨动触点6，使常闭触点断开、常开触点闭合。当电动机转速下降到接近零时，转矩减小，摆锤在弹簧力的作用下恢复原位，触点也复位。速度继电器根据电动机的额定转速进行选择。速度继电器的图形符号和文字符号如下图所示。速度继电器的图形符号和文字符号•4.主令电器•主令电器是发布命令或信号的电器，主要用于接通、分断控制电路，以达到对系统的控制或程序的控制。主要有控制按钮、行程开关等。•1）按钮控制按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，用于发布手动控制指令。目前常用的产品有LA18、LA19、LA20、LA25和LAY3等系列。如图所示为部分按钮的外形图。控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。下图为其结构示意图及其符号。按钮在外力作用下，首先断开常闭触头(或称动断触点，下同)，然后再接通常开触头(或称动合触点，下同)。复位时，常开触头先断开，常闭触头后闭合。同时具有一对常开触点和一对常闭触点的按钮称为复合按钮。外壳按钮帽复位弹簧支柱连杆常闭静触头桥式动触头常开静触头起•控制铵钮的种类很多，指示灯式按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式按钮装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作；旋钮式按钮用于扭动旋钮来进行操作。常见按钮的外形如下图所示：•控制按钮的型号含义如下图所示：2）行程开关行程开关也称为位置开关，它是反映生产机械运动部件行进位置的主令电器，用于控制生产机械的运动方向、行程距离和限位保护等。行程开关的种类很多，主要分为机械式和电子式两大类。机械式行程开关的品种规格很多，常用的国产型号有LXW5、LX19、LXK3、LX32、LX33等系列。LX19系列行程开关的外形，如图所示。其中，图（a）和图（b）属于自动复位方式，图（c）为非自动复位方式。(a)按钮式(b)单轮旋转式(c)双轮旋转式(d)电气符号滑轮式行程开关工作原理•行程开关的型号含义如下图所示：5.开关电器1）刀开关刀开关（switch）是一种基本的手动电器，其结构和操作方法简单。它常作为不频繁接通和分断电路使用，主要用作电源隔离开关，起到分断小容量的低压配电线路，或者直接用于起动小容量电动机的开关。主要技术参数如下：(1)额定电压闸刀开关在长期工作中所能承受的最大电压，称为额定电压。目前国产闸刀开关的额定电压一般为500V以下，如交流低压闸刀开关的额定电压为250V和500V。(2)额定电流闸刀开关在合闸位置上允许长期通过的最大工作电流，称为额定电流。小电流闸刀开关的额定电流有10A、15A、20A、30A、60A等5级。大电流闸刀开关的额定电流有100A、200A、400A、600A、1000A及1500A等6级。2）组合开关组合开关又称转换开关，由几个单级或双级的手动开关组成，并由一根公共转轴通过手柄的转动，将一部分电路接通而另一部分电路断开。手柄转轴弹簧凸轮绝缘垫板动触片静触片接线端子绝缘杆3）自动空气开关自动空气开关或低压断路器，用于不频繁接通或断开电路。它的主要特点是当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动跳闸而切断故障电路。空气断路器从外观看有塑壳和铁壳两种，内部结构大致相同。其外形和结构如图所示：电磁脱扣器自由脱扣器动触头静触头接线柱热脱扣器手动开关(a)塑壳的外型(b)铁壳的内部结构