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第5章可编程控制器的组成及工作原理

第6章可编程控制器的指令

第7章可编程控制器的应用

第8章可编程控制器的通信及网络

第1章常用低压控制电器

⏹1．1主令电器

⏹1．2低压开关类电器

⏹1．3熔断器

⏹1．4接触器

⏹1．5继电器

“电气”与“电器”的区别

*什么是“电气”？

“电气”是一个宏观的概念。

其所涵盖的内容涉及电能的生产、传输、分配、使用和控制技术与设备等等相关的工程领域。

其所涉及的相关学科知识主要有：

外语、数学、工程数学、电网络理论、电磁场理论、电力电子、电力系统可靠性分析方法、高压绝缘理论、电力系统及其自动化、电力系统安全及其监测装置、高压绝缘测试技术、电工理论研究新进展、计算机应用技术基础、现代管理学基础等。

“电气”，是对电气系统工程的统称。

*什么是“电器”？

⏹“电器”是相对于“电气”来说而相对微观的一个概念。

所涵盖的内容涉及到“电气工程”中所应用到的电力装置、设备或器件总成。

⏹*“电器”根据其适用环境、应用范围等，细化分种类繁多。

⏹*电器按其工作电压等级可分为高压电器和低压电器。

电气控制技术是以各类电动机作为牵引动力的传动装置和与其相对应的电气控制系统为对象，实现生产过程自动化的控制技术。

电气控制系统是由各种控制电器、连接导线组成，以实现对生产机械设备进行电气控制的体系；

是电气控制技术具体体现的主干部分；

是实现工业生产自动化的重要的技术手段。

电气控制技术的发展概况

在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；

在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；

在控制操作上，从繁琐笨重发展到信息化处理；

在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。

⏹低压电器：

交流1000V、直流1200V及以下的电器。

⏹用途：

对供电、用电系统进行开关、控制、保护和调节。

⏹分类：

根据控制对象，分为配电电器（刀开关、转换开关、空气断路器和熔断器等）和控制电器（接触器、起动器和各种控制继电器等）。

按操作方式不同，可将低压电器分为自动电器和手动电器。

通过电器本身参数变化或外来信号（如电、磁、光、热等）自动完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为自动电器。

常用的自动电器有接触器、继电器等。

通过人力直接操作来完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为手动电器。

常用的手动电器有刀开关、转换开关和主令电器等

⏹本章重点：

主要介绍主令电器、低压开关类电器、熔断器、接触器、继电器等低压电器的结构和工作原理。

⏹1．1主令电器

⏹用于自动控制系统中发出指令的操作电器

1．1．1按钮开关

用于短时接通或分断小电流电路的手动控制电器外形和结构见图1-1，主要由按钮帽、复位弹簧、常开触头、常闭触头、接线桩、外壳等组成

1．1．2行程开关

⏹又称限位开关或位置开关。

它的作用与按钮相同，只是其触点的动作不是靠手动操作，而是利用生产机械某些运动部件上的挡铁碰撞其滚轮使触头动作来实现接通或分断电路的。

⏹作用:

利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来接通或分断电路，从而限制机械运动的行程、位置或改变其运动状态，实现自动控制。

分类：

直动式（按钮式）、滚轮式（旋转式）。

⏹特点：

⏹直动式：

触点分合速度取决于挡块移动速度，触点动作慢。

⏹滚轮式：

有盘形弹簧机构，能瞬时动作。

⏹选用原则：

主要根据被控电路特点、要求及生产现场条件和所需触头数量、种类等因素综合考虑。

接近开关

⏹接近式位置开关是一种非接触式的位置开关，简称接近开关。

它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。

当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。

⏹接近开关包括电感式和电容式两种。

⏹电感式接近开关的感应头是一个具有铁氧体磁心的电感线圈，只能用于检测金属体。

振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当金属块接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱以至停振，因而存在振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。

电容式接近开关

⏹这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。

这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。

当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。

这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。

常用的电感式接近开关型号有LJ1、LJ2等系列，电容式接近开关型号有LXJ15、TC等系列产品。

接近开关的选型

对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

⏹1.当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。

对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

⏹2.当检测体为非金属材料时，如；

木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。

接近开关技术指标检测

⏹1.动作距离测定:

当动作片由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离，测得的数据应在产品的参数范围内。

⏹2.释放距离的测定:

当动作片由正面离开接近开关的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开感应面的最大距离。

⏹1.1.4主令控制器

按照预定程序转换控制电路，在控制系统中发布命令，通过接触器实现对电动机的起动、制动、调速和反转控制。

1．2低压开关类电器

常用刀开关、转换开关、自动开关三类.

1．2．1刀开关

刀开关（手柄闸刀式开关）是低压配电电器中结构最简单、应用最广泛的电器。

广泛应用于照明电路、小容量（5.5KW及以下）的动力电路且不频繁启动的控制电路中。

刀开关按极数分为单级、双极和三级；

按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；

按刀开关可转换的方向分为单投式和双投式。

⏹刀开关是一种结构较为简单的手动电器，主要由手柄、触刀、静插座和绝缘底板等组成，如下图所示。

刀开关在切断电源时会产生电弧，因此在安装刀开关时手柄必须朝上，不得倒装或平装。

接线时应将电源线接在上端，负载接在下端，这样拉闸后刀片与电源隔离，可防止意外发生。

⏹常用的刀开关种类：

（1）胶盖闸刀开关：

胶盖闸刀开关又称为开启式负荷开关。

（2）铁壳开关：

铁壳开关又称为封闭式负荷开关。

一般应用于不频繁地接通和分断负荷电路，也可以用作15KW以下的电动机的不频繁启动的控制开关。

（3）熔断器式刀开关：

熔断器式刀开关即熔断器式隔离开关。

是一种以熔断体或带有熔断体的载融件作为动触点的隔离开关。

1． 

胶盖闸刀开关

用途:

又称开启式负荷开关，广泛用作照明电路和小容量（5．5KW及以下）动力电路不频繁起动控制开关

2.铁壳开关

又称封闭式负荷开关，可不频繁地接通和分断负荷电路，也可用作15KW以下电动机不频繁起动的控制开关.

三相交流异步电动机：

功率N（kW）=根下3×

电压U（V）×

电流I（A），所以I=N/（根下3×

U）

单相交流电动机功率N（kW）=电压U（V）×

电流I（A），所以I=N/U

结构:

见图1-11示。

铸铁壳内装有由刀片和夹座组成的触头系统、熔断器和速断弹簧，30A以上的还装有灭弧罩.

1.2.2组合开关

组合开关又称为转换开关，是由多节触点组合而成的一种手动控制电器。

万能转换开关是一种多档式，控制多回路的主令电器，一般可作为多种配电装置的远距离控制，也可作为电压表、电流表的换相开关，还可作为5.5KW以下的电动机小容量电动机的起动、制动、调速及正反向转换的控制。

其触头档数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称

万能转换开关主要由操作机构、面板、手柄及数个触点座等部件组成，并用螺栓组装成为一个整体。

万能转换开关的图形符号及文字符号如下图所示。

图中水平方向的数字1~3表示触点编号，垂直方向的文字“左”、“0”、“右”表示手柄的操作位置（档位），虚线表示手柄操作的联动线。

在不同的操作位置，各对触点的通、断状态的表示方法为：

在触点的下方与虚线相交位置有黑色圆点表示在对应操作位置时触点接通，没涂黑色圆点表示在该操作位置不通。

组合开关

特点:

体积小、寿命长、结构简单、操作方便、灭弧性能较好.

选用原则:

应根据电源种类、电压等级、所需触头数量及电动机容量进行选择。

1.2.3自动开关

又称自动空气开关或自动空气断路器。

用于分断和接通低压负荷电路，控制电动机的运行和停止。

是一种既可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，又可以接通和分断短路电流的开关电器。

⏹功能:

具有过载、短路、失压保护，能自动切断故障电路，保护用电设备的安全。

⏹分类:

装置式和万能式.

⏹型号含义

1．结构和工作原理

⏹主要由触头、灭弧装置、操作机构、保护装置（各种脱扣器）等组成。

⏹主触头闭合后，自由脱扣机构将主触头锁在合闸位置上。

过电流脱扣器线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器线圈与电源并联。

电路短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触头断开主电路;

电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片弯曲变形，顶动自由脱扣机构动作;

电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作;

分励脱扣器则用作远距离分断电路

⏹2．装置式自动开关

⏹用途:

又叫塑壳式自动开关，用于电动机及照明系统的控制、供电线路的保护等。

⏹主要型号:

DZ5、DZ10、DZ15、DZ20等系列。

⏹3．万能式自动开关

⏹又称框架式自动开关，由具有绝缘衬垫的框架结构底座将所有构件组装在一起，用于配电网络的保护.

DW10、DW15系列

自动开关—装置式自动开关

装置式自动开关又称为塑壳式自动开关。

装置式自动开关可通过手动或者电动的方式来进行分合闸的操作。

装置式自动开关主要用于电动机及照明系统的控制、供电线路的保护等。

自动开关—万能式自动开关

万能式自动开关又称为框架式自动开关或万能式自动断路器。

万能式自动开关是指以具有绝缘衬垫的框架结构，底座将所有构件组成一个整体并具有多种结构变化方式，能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件（如短路）下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器

自动开关的选用原则

（一）

①根据线路对保护的要求确定自动开关的类型和保护形式；

②自动开关的额定电压应等于或大于被保护线路的额定电压；

③自动开关欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压；

④自动开关的额定电流及过流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流；

⑤自动开关的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值。

⑥配电线路中的上、下级自动开关的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交。

⑦自动开关的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。

1．3熔断器

低压电路和电动机控制电路作短路保护.

⏹类型:

插入式、螺旋式、无填料封闭管式、填料封闭管式等.

⏹型号含义：

熔断器的结构和工作原理

熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）组成。

熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断。

当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量使熔体温度升高达到熔点时，熔体熔断并切断电路，从而达到保护的目的。

1．3．1插入式熔断器

主要用于380V三相电路和220V单相电路短路保护.

⏹外形及结构:

主要由瓷座、瓷盖、静触头、动触头、熔丝等组成，瓷座中部有一个空腔，与瓷盖的凸出部分组成灭弧室。

60A以上的在空腔中垫有编织石棉层，加强灭弧功能。

1．3．2螺旋式熔断器

交流380V、电流200A以内的线路和用电设备作短路保护.

见图示。

主要由瓷帽、熔体（熔芯）、瓷套、上、下接线桩及底座等组成。

熔芯内除装有熔丝外，还填有灭弧的石英砂,熔芯上盖中心装有标有红色的熔断指示器.

⏹特点:

体积小、结构紧凑、熔断快、分断

⏹能力强、熔丝更换方便、使用安全可靠、

⏹熔丝熔断后能自动指示。

图形、文字符号:

见图

熔断器的选择

1、类型——线路要求、使用场合、安装条件、适用范围；

2、额定电压——使额定电压≥线路的额定电压；

3、额定电流——熔体的额定电流与负载相匹配；

1）阻性负载熔体额定电流略>

电路的额定电流；

2）电机负载

单台电机Ifu≥（1.5～2.5）IN

多台电机Ifu≥（1.5～2.5）INmax＋∑IN

式中IN——电机额定电流；

INmax——容量最大的一台电机额定电流；

∑IN——其它电机额定电流的总和。

3）电容负载设备中

熔体的额定电流＝1.6倍电容额定电流；

4）配电系统中

主回路熔体的额定电流>

支路熔体的额定电流

4、额定分断能力

额定分断能力>

电路中可能最大故障电流

5、选择保护特性

分支故障时——故障点最近处动作

1．4接触器

⏹通过电磁机构动作，频繁地接通和分断主电路的远距离操纵电器。

按其主触头通过电流的种类，分为交流接触器和直流接触器

1.4.1交流接触器

交流接触器主要由电磁铁和触点两部分组成，当电磁铁线圈通电后，吸住动铁心（也称衔铁），使常开触点闭合，因而把主电路接通。

电磁铁断电后，靠弹簧反作用力使动铁心释放，切断主电路。

交流接触器的触点分为两类，一类接在电动机的主电路中，通过的电流较大，称作主触点；

另一类接在控制电路中，通过的电流较小，称为辅助触点。

。

在电流较大的接触器的主触点上还专门装有灭弧罩，其外壳由绝缘材料制成，里面的平行薄片使三对主触点相互隔开，其作用是将电弧分割成小段，使之容易熄灭

为了减小磁滞及涡流损耗，交流接触器的铁心由硅钢片叠成。

此外，由于交流电在一个周期内有两次过零点，当电流为零时，电磁吸力也为零，使动铁心振动，噪声大。

为了消除这一现象，在交流接触器铁心的端面一部分嵌有短路环。

在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触点数量等。

接触器的额定电压是指吸引线圈的额定电压，额定电流是指主触点的额定电流

1．4．2直流接触器

1主要用于控制直流用电设备。

常用的有CZ0、CZ1、CZ2、CZ3、CZ5系列.

结构及工作原理

与交流接触器基本相同，主要由线圈、铁心、衔铁、触头、灭弧装置等组成。

⏹不同点:

触头电流和线圈电源为直流，触头大都采用滚动接触的指形触头，辅助触头采用点接触的桥式触头，铁心采用整块铸钢或铸铁,线圈做成长而薄的圆筒状。

接触器的选择

一般根据以下原则来选择接触器：

（1）接触器类型

交流负载选交流接触器，直流负载选直流接触器，根据负载大小不同，选择不同型号的接触器。

（2）接触器额定电压

接触器的额定电压应大于或等于负载回路电压。

（3）接触器额定电流

接触器的额定电流应大于或等于负载回路的额定电流。

对于电动机负载，可按下面的经验公式计算：

Ij=1.3Ie

其中：

Ij为接触器主触点的额定电流；

Ie为电动机的额定电流。

（4）吸引线圈的电压

吸引线圈的额定电压应与被控回路电压一致。

（5）触点数量

接触器的主触点、常开辅助触点、常闭辅助触点数量应与主电路和控制电路的要求一致

1．5继电器

⏹继电器是一种根据外界输入的信号（电量，如电压、电流；

非电量，如时间、速度、热量等）来控制电路的通、断的自动切换电器，其触点常接在控制电路中。

值得注意的是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路，这也是继电器的作用与接触器的作用的区别。

⏹继电器的种类很多。

按输入信号的不同可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器与压力继电器等。

⏹保护继电器:

热继电器、过电流继电器、欠电压继电器.控制继电器:

时间继电器、速度继电器、中间继电器.

按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、热敏式继电器、机械式继电器、电动式继电器和电子式继电器等。

在电力拖动系统中，应用最多、最广泛的是电磁式继电器。

电磁式继电器：

电磁式继电器是在输入至电磁线圈中的电流的作用下，由其机械部件的相对运动而产生预定响应动作的一种电器。

主要有：

交流电磁继电器、直流电磁继电器、磁保持继电器、舌簧继电器等

电磁式继电器的主要参数

1.灵敏度：

使继电器动作的最小功率称为继电器的灵敏度。

2.额定电压和额定电流：

对于电压继电器，它的线圈额定电压为该继电器的额定电压;

对于电流继电器，它的线圈额定电流为该继电器的额定电流。

3.吸合电压或吸合电流：

使继电器衔铁开始运动时线圈的电压（电压继电器）或电流（电流继电器）值，称为吸合电压或吸合电流，用UXH或IXH表示

4.释放电压或释放电流继电器衔铁开始释放时线圈的电压或电流，用USF或ISF表示。

5.返回系数释放电压（或电流）与吸合电压（或电流）的比值，用K表示，K值恒小于1。

电压继电器的返回系数K=USF/UXH

电流继电器的返回系数K=ISF/IXH

6.吸合时间和释放时间：

吸合时间是从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间;

释放时间是线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。

7.整定值：

根据控制系统的要求，预先使继电器达到某一个吸合值或释放值，这个预先设定的吸合值（电压或电流）或释放值（电压或电流）就叫整定值

1.5.1热继电器

电动机在工作时，当负载过大、电压过低或发生一相断路故障时，电动机的电流都要增大，其值往往超过额定电流。

如果超过不多，电路中熔断器的熔体不会熔断，但时间长了会影响电动机的寿命，甚至烧毁电动机，因此需要有过载保护。

热继电器用于电动机的过载保护，它是利用电流热效应使双金属片受热后弯曲，通过联动机构使触点动作的自动电器

由热元件、触头、动作机构、复位按钮和整定电流装置五部分组成。

热元件:

由双金属片及绕在双金属片外面的电阻丝组成，双金属片由两种热膨胀系数不同的金属片复合而成。

触头:

由一个公共动触头、一个常开触头和一个常闭触头组成。

动作机构:

由导板、补偿双金属片、推杆、杠杆、拉簧等组成。

复位按钮:

热继电器动作后进行手动复位的按钮。

整定电流装置:

由旋钮和偏心轮组成，调节整定电流（热继电器长期不动作的最大电流）的大小

2．工作原理

电动机过载时，电流通过串联在定子电路中的电阻丝，使之发热过量，双金属片受热膨胀，因膨胀系数不同,膨胀系数较大的左边一片的下端向右弯曲，通过导板推动补偿双金属片使推杆绕轴转动，带动杠杆使它绕轴转动，将常闭触头断开。

接触器线圈断电，主触头释放，使电动机脱离电源得到保护

1.5.2时间继电器

在生产中，经常需要按一定的时间间隔来对生产机械进行控制。

例如，电动机的降压起动需要一定的时间，然后才能加上额定电压；

在一条自动线中的多台电动机，常需要分批起动，在第一批电动机起动后，需经过一定时间才能起动第二批。

这类自动控制称为时间控制。

时间控制通常是利用时间继电器来实现的。

时间继电器是一种能使感受部分在感受信号（线圈通电或断电）后，自动延时输出信号（触点闭合或分断）的继电器。

时间继电器的种类很多，主要有电磁式、空气阻尼式、晶体管式等。

分类:

空气阻尼式、电子式、电动式、电磁式等

空气阻尼式时间继电器

根据延时特点分为:

通电延时（如JS7－1A和JS7－2A）;

断电延时（如JS7－3A和JS7－4A）.

（1）JS7－A系列时间继电器的结构

⏹结构:

如图1-31示，主要由电磁机构、延时机构、工作触头等组成。

⏹通电延时型:

衔铁（动铁心）位于静铁心和延时机构之间；

⏹断电延时型:

静铁心位于衔铁和延时机构之间

（2）JS7－A系列时间继电器的工作原理

①通电延时型时间继电器

见图1-31（a）示.

原理:

线圈1通电时，产生磁场，衔铁3克服反力弹簧阻力与铁心吸合，活塞杆6在塔形弹簧8作用下带动活塞12及橡皮膜10向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小来决定。

经一段延时后，活塞杆通过杠杆7压动微动开关15，使其触头动作，起到通电延时作用。

线圈断电时，衔铁释放，橡皮膜下方空气室内的空气通过活塞肩部所形成的单向阀迅速排出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。

从线圈得电到触头动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，延时长短通过调节螺钉13调节进气孔气隙大小来改变

电子式时间继电器

又称半导体时间继电器，利用RC电路电容器充放电原理实现延时

⏹原理:

主电源由变压器二次侧的18V电压经整流、滤波获得；

辅助电源由变压器二次侧的12V电压经整流、滤波获得。

当变压器接通电源时，晶体管VT1导通，VT2截止，继电器KA线圈中电流很小，KA不动作。

两个电源经可调电阻RP、R、KA常闭触点向电容C充电