电气控制系统设计课件

课程名称电气控制系统设计选用教材电气控制系统设计王得胜韩红彪主编电子工业出版社全书共分7章。第1章绪论，介绍电气控制的作用、有关电气元件和电气控制系统原理图的基本知识；第2章常用低压电器，介绍继电器、接触器等低压电器的结构、工作原理和选用原则，典型应用电路等；第3章基本控制电路，介绍连锁控制电路中的启动停止控制（自锁）电路、正反转控制电路、顺序控制电路和变化参量控制电路中按时间、速度、电流和行程等原则进行控制的电路；第4章典型电气控制系统分析，阐述了分析电气控制系统的方法步骤，并对普通车床、铣床和组合机床等典型设备的电气控制系统进行分析；第5章继电器－接触器控制系统设计，详细介绍继电器－接触器控制系统的设计方法，结合实例阐述设计步骤；第6章可编程控制器及其应用，讨论了PLC控制系统的组成、性能特点与设计方法步骤；第7章电气调速系统与变频器，简单介绍变频调速的原理与变频器调速系统的设计要点。总学时为36～48学时。第1章绪论电气控制技术经历了一系列发展阶段，电气元件的性能不断得到改善，新的技术不断出现，电气控制技术整体上仍然处于发展之中。了解电气控制技术的基本内容和发展趋势，对掌握电气控制系统基本知识会有很大帮助。本章在论述电气控制系统在生产设备中的作用的基础上，介绍电气控制技术的发展概况、电气控制系统的基本知识，目的是使读者对电气控制系统有一个整体上的了解和把握。1.1电气控制系统的作用与发展概况1.1.1电气控制系统在生产设备中的作用随着生产机械自动化程度的不断提高，现代化的生产设备，特别是由若干设备组成的自动化生产系统，不仅有工作机构、传动机构和动力源等，而且一般还设计有自动控制系统。传统的自动控制系统相对比较简单，实现的功能也比较单一，主要是由继电器和接触器等低压电气元件构成。例如，三相异步电动机的正反转控制，从电动机的工作原理可知，交换任意两相电源线均可使电动机改变转向，但如果采取人工“倒相”，不仅效率低，而且安全性差，在许多场合甚至是难以实现的。图1.1.1按钮正反转控制线路如果设计如图1.1.1所示的异步电动机正反转控制系统，则只需进行简单操作就能够实现反转。图1.1.1中的KM1为正转接触器，KM2为反转接触器。在主电路中，KM1的主触点和KM2的主触点可分别接通电动机的正转和反转电路。显然，KM1和KM2的主触点不能同时闭合，否则会引起电源短路。QS为隔离开关，熔断器FU起短路保护作用，热继电器BTE起过载保护作用。在图1.1.1中使用了复合按钮SB1、SB2，它们有两组触点，一组为动断触点（常闭触点），另一组为动合触点（常开触点）。按下反转按钮SB2，复合按钮SB2的动断触点先打开，使正转接触器KM1线圈断电。在正转电源切断的同时，正转自锁和正转对反转的互锁都解除。SB2的动合触点后闭合，接通反转接触器KM2线圈，电动机实现反转。从这一简单的应用实例，可以总结出电气控制系统在生产设备中的重要作用。（1）提高生产设备的自动化水平。就上例而言，有了电气控制系统，操作人员仅仅简单按一下按钮即可实现电动机自动换向，避免了人工“倒相”的复杂操作过程。（2）简化设备的机械结构。生产过程中的动作是由生产工艺决定的，是必须要完成的。实现自动控制的方法是多种多样的，可以用电气的方法来实现，也可以用机械的、液压的、气动的等方法来实现。但采用机械的或其他方式时，往往会导致设备的机械结构复杂化。如采用电气控制，则其机械结构可以大大简化，其加工的尺寸范围也可显著扩大。（3）实现远距离安全操作。通过电气控制很容易实现远距离安全操作，不仅能够保证安全生产，而且有利于提高产品质量和生产效率。1.1.2电气控制技术的发展概况电气控制技术与电力拖动有密切关系。概括地说，电气控制技术经历了手动控制、继电器接触器控制、顺序控制器控制、可编程控制器控制、数字控制、自适应控制、柔性制造系统（FMS）和计算机集成控制系统等发展阶段。1、逻辑控制系统逻辑控制系统也称为开关量或断续控制系统。其数学基础是逻辑代数，一般采用具有两个稳定工作状态的电气元件构成控制系统。手动控制、继电器接触器控制、顺序控制器控制、可编程控制器控制、数字控制等都是逻辑控制系统。2、连续控制系统对物理量(如位移、速度等)进行连续自动控制的系统，称为连续控制系统（或称模拟控制系统）。如直流电动机驱动机床主轴实现无级调速的系统；交、直流伺服电动机拖动数控机床进给机构和工业机器人的系统均属连续控制系统。同时采用数字控制和模拟控制的系统称为混合控制系统，数控机床、机器人的控制驱动系统多属于这类控制系统。1.2低压电器的基本知识电器是电气控制的重要元件，是所有电工器械的简称，凡是根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节作用的电气设备统称为电器。随着科学技术的飞速发展，自动化程度的不断提高，电器的应用范围日益扩大，品种不断增加。尤其是随着电子技术在电器中的广泛应用，近年来出现了许多新型电器。按照我国现行标准规定，低压电器通常是指工作在交流1200V或直流1500V以下的电器。1.2.1低压电器的基本组成常用低压电器有非自动切换电器和自动切换电器，前者主要靠外力来完成接通、切断等动作，如按钮、行程开关、刀开关、组合开关等；后者按照外来信号的变化或本身参数的变化自动完成切换功能，如接触器、自动开关等。此外，还有一般工业用电器、农用电器、其它场合用电器；或所谓有触点电器、无触点电器和混合电器等。无论是非自动切换电器还是自动切换电器，都必须能够感受外界信号并做出相应的反应才能完成预定的功能，对于非自动切换电器多通过按钮或手柄感受外界信号，而自动切换电器多是利用电磁原理完成对电气电路或非电对象的切换、控制、检测、保护、指示等功能，故称为电磁式低压电器。图1.2.1交流接触器工作原理图1.2.1是交流接触器的工作原理示意图。图中复位弹簧、主触点、辅助触点、衔铁、线圈、铁芯和固定架等组成交流接触器。当按下按钮SB1时，使交流接触器的线圈通电，产生电磁吸力使衔铁吸合，从而带动主触点和辅助触点闭合，由于按钮SB1的动合触点与辅助触点是并联连接，按钮SB1的动合触点在弹簧作用下弹起后，辅助触点仍保持线圈处于通电状态，故主触点也一直保持闭合状态，使电动机保持在通电工作状态。当按下按钮SB2时，线圈断电，电磁吸力消失，在复位弹簧作用下，衔铁和触点复位，自动切断了电动机的电源，使其断电停止工作。图1.2.2交流接触器结构示意从交流接触器的工作原理可知，它属于自动切换电器，一般有固定支架、电磁系统、触点和灭弧装置等几个基本组成部分。需要特别强调的是，接触器的触点一般可分为主触点和辅助触点，而且每种触点可能会有多对，主触点一般要接入主电路中，通过的电流比较大，辅助触点要接入控制电路或辅助电路中，通过的电流一般较小。图1.2.2是交流接触器的结构示意图。图中1为动触点，2为静触点，3为动铁芯（衔铁），4为缓冲弹簧，5为短路环，6为线圈，7为静铁芯，8为垫毡，9为固定支架，10为弹簧，11为灭弧罩，12为触点压力片簧。可见，接触器是结构比较复杂的一种低压电器。下面以接触器为例介绍其组成部分的结构及工作原理。1、电磁系统电磁系统是各种自动化电磁式电器的感测部分，其作用是产生电磁吸力(动力)，将电磁能转换成机械能，带动触点实现闭合或断开。一般由电磁线圈(吸力线圈)、动铁芯(衔铁)和静铁芯等组成（如图1.2.2中的6、3和7）。电磁系统实质上是一种电磁铁。电磁线圈是由绝缘铜导线绕制在铁心上，铁心由硅钢片叠压而成，在铁心上装有一个短路环，其作用是减少交流接触器吸合时产生的振动和噪声，故又称减振环，其材料为铜、康铜或者镍铬合金等。图1.2.3是不同结构的电磁系统，其中图a）、b)、c）和d)为拍合式电磁铁，其中图a）和b)的铁芯是螺管式结构，其衔铁绕铁轭的棱角转动，磨损较小，铁芯用软铁制成，适用于直流继电器和接触器。图c）和d)的衔铁绕定轴转动，用于交流接触器，铁芯用硅钢片叠成，图c）的铁芯是U形结构，图d)的铁芯为双山形结构。e）、f）和g)为直动式电磁铁，其衔铁在线圈内作直线运动，多用于交流接触器和继电器，图e）和g)的铁芯为单山形，也可以做成螺管式结构，图f）的铁芯为双山形结构。图1.2.3常用电磁系统结构kFkGFg线圈是电磁铁的心脏，是产生磁力的装置，按照通入线圈电源的种类不同，可分为直流线圈和交流线圈。根据励磁的需要，线圈与主电路可按串联或并联方式连接，前者称为电流线圈，后者称为电压线圈。电流线圈串接在主电路中，电流较大，常用扁铜条或粗铜线绕制，匝数较少；电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，但电流较小，常用绝缘较好的电磁线绕制。从结构上看，线圈可分为有骨架式和无骨架式两种。交流电磁铁的线圈多为有骨架式，而直流电磁铁的线圈则多是无骨架式结构。电磁系统的工作特性常用吸力特性和反力特性来表征。电磁系统使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性，电磁系统使衔铁释放(复位)的力与气隙的关系曲线称为反力特性。弹簧力为（1.2.1）衔铁自身的重力与磁路中的气隙无关，其大小为（1.2.2）因为常开触点闭合时存在超行程机构的弹力作用，上述两种反力特性曲线如图1.2.4所示。其中x1为电磁装置气隙的初始值，x2为动静触点开始接触时的气隙，反力特性在x2处有突变。图1.2.4电磁系统反力特性电磁系统的电磁吸力可近似地按下式计算202BSF（1.2.3）式中，B为气隙中的磁感应强度，T；S为磁极截面积，m2；μ0为真空磁导率，H/m；F为电磁吸力，N。当截面积为常数时，吸力F与气隙中的磁感应强成正比，也可以认为F与磁通成正比。电磁系统的吸力特性反映了电磁吸力与气隙的关系。因激励电流的性质对吸力特性的影响很大，故对交、直流电磁系统的吸力特性讨论如下。（1）交、直流电磁系统的吸力特性。交流电磁系统激励线圈的阻抗主要取决于线圈的电阻（其值相对较小)，故有4.44UEfN4.44UfN（1.2.4）式中，U为线圈外加电压，V；E为线圈感应电动势，V；f为线圈外加电压的频率，Hz；Φ为气隙磁通，Wb；N为线圈匝数。当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，由式(1.2.4)可知磁通亦为常数。由式(1.2.3)又可知，此时电磁吸力F为常数(因为交流激励时，电压、磁通都随时间作周期性变化，其电磁吸力也作周期变化。此处F为常数是指电磁吸力的幅值不变)。由于线圈外加电压与气隙x无关，所以其吸力F亦与气隙x的大小无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，吸力F随气隙x的减小略有增加。其吸力特性如图1.2.5所示。虽然交流电磁系统的气隙磁通近似不变，但气隙磁阻随气隙x大小而变化。图1.2.5电磁系统吸力特性图1.2.5a)为交流电磁系统的吸力特性。直流电磁系统的吸力F与气隙x的平方成反比，其吸力特性如图1.2.5b)所示。（2）吸力特性与反力特性的配合。为保证电磁系统的衔铁吸合可靠，吸力都必须大于反力，但若过大则会影响电器的机械寿命。用吸力与反力特性图表示时，就是要使吸力特性在反力特性的上方。当切断电磁系统的激励电流以释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，使衔铁可靠释放。可见，在吸力与反力特性图上，电磁系统的反力特性必须介于吸力特性和剩磁吸力特性之间，如图1.2.6所示。在实际使用中，常常调整反力弹簧或触点的初始压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好的配合。图1.2.6吸力特性与反力特性关系图1.2.7短路环结构与工作原理对于单相交流电磁系统，由于交流磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反力作用下会被拉开。磁通过零后吸力增大，当吸力大于反力时衔铁又吸合。这样，在交流电每周期内衔铁吸力要两次过零，使衔铁产生强烈震动和噪音，甚至使铁芯散开。为避免衔铁振动，可通过在铁芯端面上装一个铜制分磁环(或称短路环)，如图1.2.7所示,其中图a)为短路环的结构，图b)为产生的磁通和吸力的变化规律。当电磁系统的交变磁通穿过短路环所包围的截面时，环中产生了涡流。根据电磁感应定