模块典型电气控制系统认识电气控制系统介绍电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路不同的设备有不同的控制回路而且高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同为了保证一次设备运行的可靠与安全需要有许多辅助电气设备为之服务能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合称为控制回路或二次回路这些设备应具备以下功能自动控制功能高压和大电流开关设备的体积是很大的一般都采用操作系统来控制分合闸特别是当设备出了故障时需要开关自动切断电路要有一套自动控制的电气操作设备对供电设备进行自动控制保护功能电气设备与线 典型电气控制系统认识 1.1 电气控制系统介绍 , , 电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路 不同的设备有不同的控制回路 而且高 。 , 压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同 为了保证一次设备运行的可靠与安全 , , 需要有许多辅助电气设备为之服务 能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合 称为 。 。 控制回路或二次回路 这些设备应具备以下功能 () : , 1 自动控制功能 高压和大电流开关设备的体积是很大的 一般都采用操作系统来 、 , , , 控制分 合闸 特别是当设备出了故障时 需要开关自动切断电路 要有一套自动控制的电气 , 。 操作设备 对供电设备进行自动控制 () : , ( ) 2 保护功能 电气设备与线路在运行过程中会发生故障 电流 或电压 会超过设备 , 与线路允许工作的范围与限度 这就需要一套检测这些故障信号并对设备和线路进行自动 ( 、 ) 。 调整 断开 切换等 的保护设备 () : , , , 3 监视功能 电是眼睛看不见的 一台设备是否带电或断电 从外表看无法分辨 这 , , 。 就需要设置各种视听信号 如灯光和音响等 对一次设备进行电气监视 () : ( ), 4 测量功能 灯光和音响信号只能定性地表明设备的工作状态 有电或断电 如果 , , , 想定量地知道电气设备的工作情况 还需要有各种仪表测量设备 测量线路的各种参数 如 、 、 。 电压 电流 频率和功率的大小等 , 、 、 在设备操作与监视当中 传统的操作组件 控制电器 仪表和信号等设备大多可被计算 , 机控制系统及电子组件所取代 但在小型设备和局部控制的电路中传统的设备仍有一定的 。 。 应用范围 这也都是电路实现微机自动化控制的基础 常用的控制线路的基本回路由以下几部分组成。 () : 。 电源供电回路 供电回路的供电电源有 和 等多种 1 AC380V 220V () : ( ) 、 、 2 保护回路 保护 辅助 回路的工作电源有单相 220V 36V或直流 220V 24V等多 , 、 , 、 、 、 种 对电气设备和线路进行短路 过载和失压等各种保护 由熔断器 热继电器 失压线圈 整 流组件和稳压组件等保护组件组成。 () : , 3 信号回路 能及时反映或显示设备和线路正常与非正常工作状态信息的回路 如 、 。 不同颜色的信号灯 不同声响的音响设备等 () : , , 、 4 自动与手动回路 电气设备为了提高工作效率 一般都设有自动环节 但在安装 , , 调试及紧急事故的处理中 控制线路中还需要设置手动环节 通过组合开关或转换开关等实 现自动与手动方式的转换。 () : , , 5 制动停车回路 切断电路的供电电源 并采取某些制动措施 使电动机迅速停车的 电气控制与 PLC应用技术 , 、 , 。 控制环节 如能耗制动 电源反接制动 倒拉反接制动和再生发电制动等 () : , , 6 自锁及闭锁回路 启动按钮松开后 线路保持通电 电气设备能继续工作的电气环 , 。 节称为自锁环节 如接触器的动合触点串联在线圈电路中 两台或两台以上的电气装置和 , , 、 组件 为了保证设备运行的安全与可靠 只能使一台通电启动 另一台不能通电启动的保护 , , 。 环节 称为闭锁环节 如两个接触器的动断触点分别串联在对方线摇臂钻床系统简要分析 , , 、 钻床是一种非常典型的电气控制系统所对应的机床设备 钻床的种类很多 有台钻 立 、 、 。 , 钻 卧钻 专门化钻床和摇臂钻床 台钻和立钻的电气电路比较简单 其他形式的钻床在控 制系统上也大同小异。 、 、 、 , 摇臂钻床适合于在大 中型零件上进行钻孔 扩孔 铰孔及攻螺纹等工作 在具有工艺装 。 备的条件下还可以进行镗孔 摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机 , 。 。 拖动 主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的 故主电动机只有一个旋转方向 , 、 。 摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外 还有摇臂的上升 下降及立柱的夹紧和放松 、 , 、 摇臂的上升 下降由一台交流异步电动机拖动 主轴箱 立柱的夹紧和放松由另一台交流电 。 , 。 动机拖动 通过电动机拖动一台齿轮泵 供给夹紧装置所需要的压力油 而摇臂的回转和 。 , 。 主轴箱的左右移动通常采用手动 此外 还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却 , 在分析 Z3040摇臂钻床的电气控制原理图之前 下面先来学习一下常用低压电器元 件吧。 1.3 电气控制系统分析必备知识 1.3.1 低压电器的电磁机构和执行机构 1.低压电器的分类 、 。 低压电器是指工作在交流电压1200V 直流电压1500V以下的各种电器 生产机械上 大多用低压电器。 , 、 , 。 低压电器种类繁多 按其结构 用途及所控制对象的不同 可以有不同的分类方式 ()按用途和控制对象不同可分为低压配电电器和控制电器。 1 , 、 、 用于电能的输送和分配的电器称为低压配电电器 这类电器包括刀开关 转换开关 空 气断路器和熔断器等。 , 、 用于各种控制电路和控制系统的电器称为控制电器 这类电器包括接触器 启动器和各 种控制继电器等。 ()按操作方式不同可分为自动电器和手动电器。 2 ( 、 、 、 ) 、 、 、 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 启动 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 启动 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 2 模块 1 典型电气控制系统认识 ()按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器。 3 , 、 。 电磁式电器是依据电磁感应原理来工作的电器 如接触器 各类电磁式继电器等 非电 , 、 量控制电器的工作是靠外力或某种非电量的变化而动作的电器 如行程开关 速度继电 器等。 2.低压电器的作用 () : 、 。 1 控制作用 如电梯的上下移动 快慢速自动切换与自动停层等 () : , 、 , 2 保护作用 能根据设备的特点 对设备 环境以及人身实行自动保护 如电机的过 、 、 。 热保护 电网的短路保护 漏电保护等 () : , 、 3 测量作用 利用仪表及与之相适应的电器 对设备 电网或其他非电参数进行测 , 、 、 、 、 、 。 量 如电流 电压 功率 转速 温度 湿度等 () : , , 4 调节作用 低压电器可对一些电量和非电量进行调整 以满足用户的要求 如柴油 、 、 。 机油门的调整 房间温湿度的调节 照度的自动调节等 () : 、 , 5 指示作用 利用低压电器的控制 保护等功能 检测出设备运行状况与电气电路工 , 、 。 作情况 如绝缘监测 保护掉牌指示等 () : 、 , 6 转换作用 在用电设备之间转换或对低压电器 控制电路分时投入运行 以实现功 , , 。 能切换 如励磁装置手动与自动的转换 供电的市电与自备电的切换等 , , , 、 , 当然 低压电器作用远不止这些 随着科学技术的发展 新功能 新设备会不断出现 常 用低压电器的主要种类和用途如表 1-1所示。 表 1-1 常见的低压电器的主要种类及用途 序号 类 别 主 要 品 种 用 途 塑料外壳式断路器 框架式断路器 、 、 、 主要用于电路的过负荷保护 短路 欠电压 漏电压 1 断路器 限流式断路器 , 保护 也可用于不频繁接通和断开的电路 漏电保护式断路器 直流快速断路器 开关板用刀开关 , 2 刀开关 负荷开关 主要用于电路的隔离 有时也能分断负荷 熔断器式刀开关 , 组合开关 主要用于电源切换 也可用于负荷通断或电路的 3 转换开关 换向开关 切换 按钮 限位开关 4 主令电器 微动开关 主要用于发布命令或程序控制 接近开关 万能转换开关 交流接触器 , 5 接触器 主要用于远距离频繁控制负荷 切断带负荷电路 直流接触器 磁力启动器 — 6 启动器 星 三形启动器 主要用于电动机的启动 自耦减压启动器 3 电气控制与 PLC应用技术 续表 序号 类 别 主 要 品 种 用 途 凸轮控制器 7 控制器 主要用于控制回路的切换 平面控制器 电流继电器 电压继电器 , 时间继电器 主要用于控制电路中 将被控量转换成控制电路所 8 继电器 中间继电器 需电量或开关信号 温度继电器 热继电器 有填料熔断器 无填料熔断器 , 9 熔断器 半封闭插入式熔断器 主要用于电路短路保护 也用于电路的过载保护 快速熔断器 自复熔断器 制动电磁铁 、 、 10 电磁铁 起重电磁铁 主要用于起重 牵引 制动等场所 牵引电磁铁 3.低压电器的基本结构 , ( ) ( 电磁式低压电器大都由两个主要组成部分 即感测部分 电磁机构 和执行部分 触点 系统)。 1)电磁机构 , , 电磁机构的主要作用是将电磁能量转换成机械能量 带动触点动作 从而完成接通或分 断电路的功能。 、 。 电磁机构由吸引线圈 铁芯和衔铁 个基本部分组成 3 , 、 。 常用的电磁机构如图 所示 可分为 形拍合式 形拍合式与 形直动式 种形式 1-1 U E E 3 —衔铁;—铁芯;—吸引线)直流电磁铁和交流电磁铁 , 。 按吸引线圈所通电流性质的不同 电磁铁可分为直流电磁铁和交流电磁铁 , , , 直流电磁铁由于通入的是直流电 其铁芯不发热 只有线圈发热 因此线圈与铁芯接触 , 、 , 。 以利散热 线圈做成无骨架 高而薄的瘦高形 以改善线圈自身散热 铁芯和衔铁由软钢和 工程纯铁制成。 , , 交流电磁铁由于通入的是交流电 铁芯中存在磁滞损耗和涡流损耗 线 典型电气控制系统认识 , , , 热 所以交流电磁铁的吸引线圈有骨架 使铁芯与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖形 。 , 。 以利于铁芯和线圈的散热 铁芯用硅钢片叠加而成 以减小涡流 , , 。 当线圈中通以直流电时 气隙磁感应强度不变 直流电磁铁的电磁吸力为恒值 当线圈 , , ( ) ( 中通以交流电时 磁感应强度为交变量 交流电磁铁的电磁吸力 在 最小值 最大 F 0 ~Fm ) , 。 , , 值 之间变化 其吸力曲线如图 所示 在一个周期内 当电磁吸力的瞬时值大于反力时 1-2 ; , 。 , 衔铁吸合 当电磁吸力的瞬时值小于反力时 衔铁释放 所以电源电压每变化一个周期 电 、 , , 。 磁铁吸合两次 释放两次 使电磁机构产生剧烈的振动和噪声 因而不能正常工作 图1-2 交流电磁铁吸力变化情况 , , 为了消除交流电磁铁产生的振动和噪声 在铁芯的端面开一小槽 在槽内嵌入铜制短路 , 。 , 环 如图 所示 短路环是利用磁通分相的作用 使合成后的吸力在任一时刻都大于反 1-3 , 。 力 消除振动和噪声 —衔铁;—铁芯;—线 交流电磁铁的短路环 3)触点系统 , 。 触点是电器的执行部分 起接通和分断电路的作用 : , 。 触点主要有两种结构形式 桥式触点和指形触点 具体如图 所示 1-4 图1-4 触点的结构形式 4)灭弧装置 , 。 在大气中分断电路时 电场的存在使触点表面的大量电子溢出从而产生电弧 电弧一 , 。 , , 经产生 就会产生大量热能 电弧的存在既烧蚀触点金属表面 降低电器的使用寿命 又延 5 电气控制与 PLC应用技术 , 。 长了电路的分断时间 所以必须迅速把电弧熄灭 常用的灭弧方法如下。 () : , , 。 机械灭弧 通过机械将电弧迅速拉长 用于开关电路 如图 所示 1 1-5 () : , 2 磁吹灭弧 在一个与触点串联的磁吹线圈产生的磁力作用下 电弧被拉长且被吹 , , 。 入由固体介质构成的灭弧罩内 电弧被冷却熄灭 如图 所示 1-6 —动触点;—电弧;—静触点 —铁芯;—绝缘管;—吹弧线 图 机械灭弧 —导磁火片;—灭弧罩;—熄弧角 1-5 4 5 6 图1-6 磁吹灭弧 () : , 3 金属栅片灭弧 当触点分开时 产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅 , , , , 片而被分成数段 彼此绝缘的金属片相当电极 因而就有许多阴阳极压降 对交流电弧来说 , , 。 在电弧过零时使电弧无法维持而熄灭 如图 所示 交流电器常用栅片灭弧 1-7 () : 、 , 4 窄缝灭弧 在电弧形成的磁场 电场力的作用下 将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝 , , , 。 中 使其分成数段并迅速熄灭 如图 所示 该方式主要用于交流接触器中 1-8 图1-7 金属栅片灭弧 图1-8 窄缝灭弧 1.3.2 刀开关与自动开关 1.刀开关 , , 刀开关是一种手动电器 在低压电路中用于不频繁地接通和分断电路 或用于隔离电 , “ ”。 源 故又称为 隔离开关 6 模块 1 典型电气控制系统认识 1)刀开关的结构和安装 , 、 、 , 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 如图 所示。 1-9 , , 。 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 2)常用刀开关 常用刀开关有 HD系列及 HS系列板用刀开关、HK系列开启式负荷开关和 HH系列 。 。 封闭式负荷开关 刀开关的外形如图1-10所示 —静触点;—手柄;—动触点; 图 刀开关的外形图 1 2 3 1-10 —铰链支座;—绝缘底板 4 5 图1-9 刀开关结构示意图 刀开关的型号含义和电气符号如图1-11所示。 图1-11 刀开关的型号含义和电气符号 7 电气控制与 PLC应用技术 2.组合开关 , 、 组合开关又称为万能转换开关 一般用于电气设备中不频繁地通断电路 换接电源和负 , 。 , 载 小容量电动机不频繁的起停控制 万能转换开关是一种多挡式 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 、 、 。 、 、 小容量电动机的启动 制动 调速及正反向转换的控制 其触点挡数多 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 如图1-12所示 万能转换开关的结构原理图及电气符号如图1-13所示 图中 , “ ”、“ ”、“ ” 水平方向的数字1~3表示触点编号 垂直方向的数字及文字 左 0 右 表示手柄的操 ( ), 。 , 、 作位置 挡位 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。 图1-12 转换开关外形图 图1-13 万能转换开关的结构原理图及电气符号 8 模块 1 典型电气控制系统认识 3.低压断路器 , , 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 也可用来控制不频繁启 。 、 、 、 动的电动机 它的功能相当于闸刀开关 过电流继电器 失压继电器 热继电器及漏电保护 , 。 器等电器部分或全部的功能总和 是低压配电网中一种重要的保护电器 ( 、 、 )、 、 、 低压断路器具有多种保护功能 过载 短路 欠电压保护等 动作值可调 分断能力高 、 , 。 操作方便 安全等优点 所以目前被广泛应用 1)结构和工作原理 、 、 ( )、 。 低压断路器由操作机构 触点 保护装置 各种脱扣器 灭弧系统等组成 低压断路器 工作原理图如图1-14所示。 —主触点;—自由脱扣机构;—过电流脱扣器;—分励脱扣器; 1 2 3 4 —热脱扣器;—欠电压脱扣器;—停止按钮 5 6 7 图1-14 低压断路器工作原理图 。 , 低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的 主触点闭合后 自由脱扣机构将主 。 , 触点锁在合闸位置上 过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联 欠电压脱 。 , , 扣器的线圈和电源并联 当电路发生短路或严重过载时 过电流脱扣器的衔铁吸合 使自由 , 。 , 脱扣机构动作 主触点断开主电路 当电路过载时 热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯 , 。 , 。 曲 推动自由脱扣机构动作 当电路欠电压时 欠电压脱扣器的衔铁释放 也使自由脱扣机 。 , , , 构动作 分励脱扣器则作为远距离控制用 在正常工作时 其线圈是断电的 在需要距离控 , , , , 。 制时 按下启动按钮 使线圈通电 衔铁带动自由脱扣机构动作 使主触点断开 2)低压断路器典型产品 , 。 低压断路器主要分类方法是以结构形式分类 即开启式和装置式两种 开启式又称为 , 。 框架式或万能式 装置式又称为塑料壳式 () 。 ,

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