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电气控制技术plc

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电气控制与PLC实训教程

第1章 常用的低压电器
1.1





1.2

电磁式低压电器的结构和工作原理

1.3

配电电器

1.4

控制电器

1. 5

继 电



1.6

无触点电器
电 动 机

1.7

1.1




低压电器的分类

1.1.1

1.按用途分 低压电器按它在电路中所处的地位 和作用可分为低压控制电器和低压配电 电器两大类。

2.按动作方式分 低压电器按它的动作方式可分为自动 切换电器和非自动切换电器。 3.按执行机理分 低压电器按它有无触点可分为有触点 电器和无触点电器两大类。

1.1.2

低压电器的主要技术数据

1.额定电流 2.额定电压 3.操作频率及通电持续率 4.机械寿命和电气寿命

1.1.3

选择低压电器的注意事项

在选择时首先考虑安全原则,其次是 经济性,另外,在选择低压电器时还应注 意以下几点。 (1)了解电器的正常工作条件 (2)了解电器的主要技术性能 (3)明确控制对象及使用环境 (4)明确相关的技术数据

1.1.4

低压电器的型号表示法

国产常用低压电器的全型号组成形式 如下:

特 殊 环 境 条 件 派 生 代 号 , 用 字 母 表 示 辅 助 规 格 代 号 , 用 字 母 表 示 派 生 代 号 , 用 一 个 字 母 表 示 基 本 规 格 代 号 , 用 字 母 表 示 特 殊 派 生 代 号 , 用 一 个 字 母 表 示 设 计 代 号 , 用 数 字 表 示 类 组 代 号 , 最 多 三 个 字 母

1.2

电磁式低压电器的结构和工 作原理
电磁机构

1.2.1

1.组成 电磁机构一般由铁芯、衔铁及线圈等 几部分组成。按通过线圈的电流种类分有 交流电磁机构和直流电磁机构;按电磁机 构的形状分有E形和U形两种;按衔铁的运 动形式分有拍合式和直动式两大类。

如图1-1所示。图1-1(a)为衔铁沿棱 角转动的拍合式铁芯,图1-1(b)为衔铁 沿轴转动的拍合式铁芯,图1-1(c)为衔 铁直线运动的双E形直动式铁芯。

图1-1

常用的电磁机构

交流电磁机构和直流电磁机构的铁芯 (衔铁)有所不同,直流电磁机构的铁芯 为整体结构,以增加磁导率和增强散热; 交流电磁机构的铁芯采用硅钢片叠制而成, 目的是减少在铁芯中产生的涡流,使铁芯 发热。此外交流电磁机构的铁芯有短路环, 以防止电流过零时(滞后90°)电磁吸力 不足使衔铁振动。

2.原理 当线圈中有工作电流通过时,通电线 圈产生磁场,于是电磁吸力克服弹簧的反 作用力使得衔铁与铁芯闭合,由连接机构 带动相应的触头动作。

3.作用 将电磁机构中线圈中的电流转换成电 磁力,带动触头动作,完成通断电路的控 制作用,将电磁能转换成机械能。

1.2.2

触头系统

触头是用来接通或断开电路的,其结 构形式有很多种。 1.按其接触形式分 按其接触形式分为点接触、线接触和 面接触3种。

如图1-2所示。图1-2(a)为点接触的 桥式触头,图1-2(b)为面接触的桥式触 头,图1-2(c)为线接触的指形触头。点 接触允许通过的电流较小,面接触和线接 触允许通过的电流较大。

图1-2

常见的触头结构

2.按控制的电路分 按控制的电路分为主触头和辅助触头。 主触头用于接通或断开主电路,允许通过 较大的电流。辅助触头用于接通或断开控 制电路,只允许通过较小的电流。

3.按原始状态分 按原始状态分为常开触头和常闭触头。 当线圈不带电时,动、静触头是分开的称 为常开触头;当线圈不带电时,动、静触 头是闭合的称为常闭触头。

1.2.3

灭弧系统

1.电弧的产生 电弧产生高温并有强光,可将触头烧 损,并使电路的切断时间延长,严重时可 引起事故或火灾。

2.电弧的分类 电弧分直流电弧和交流电弧,交流电 弧有自然过零点,故其电弧较易熄灭。 3.灭弧的方法 (1)机械灭弧:通过机械将电弧迅速 拉长,用于开关电路。

(2)磁吹灭弧:在一个与触头串联的磁吹线 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。 (3)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1-3所示,该 方式主要用于交流接触器中。

(4)栅片灭弧:当触头分开时,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1-4所示,交流 电器常用栅片灭弧。

图1-3

窄缝灭弧室的断面

图1-4

金属栅片灭弧示意图

1.3

配 电 电 器
刀开关

1.3.1

刀开关只用于手动控制容量较小、起 动不频繁的电动机,可分为瓷底开启式负 荷开关和封闭式负荷开关。

1.3.2

低压断路器

低压断路器(又称为自动开关)可用 来分配电能、不频繁*鸲缍⒍怨 电线路及电动机等进行保护,当它们发生 严重的过载或短路及欠压等故障时能自动 切断电路。

低压断路器按用途分有配电(照明)、 限流、灭磁、漏电保护等几种;按动作时 间分有一般型和快速型;按结构分有框架 式(万能式DW系列)和塑料外壳式(装 置式DZ系列)。

1.3.3

漏电保护开关

漏电保护开关是一种最常用的漏电保 护电器。它既能控制电路的通与断,又能 保证其控制的线路或设备发生漏电或人身 触电时迅速自动掉闸,切断电源,从而保 证线路或设备的正常运行及人身安全。

1.3.4

低压熔断器

熔断器由熔体(熔丝或熔片)和安装 熔体的外壳两部分组成,起保护作用的是 熔体,其外形结构和图形符号如图1-11所 示。低压熔断器按形状可分为管式、插入 式、螺旋式和羊角保险等;按结构可分为 半封闭插入式、无填料封闭管式和有填料 封闭管式等。

图1-11

熔断器外形结构及图形符号

1.特点及用途 常用熔断器的特点及用途如表1-1所示。
表1-1
名 称 类别

常用熔断器的特点、用途
特点、用途 价格便宜,更换方便。广泛 用于照明和小容量电动机短 路保护 主要技术数据

瓷插式 熔断器

RC1A

额定电流Ige从5A~200A分 7种规格

旋式熔断器

RL

熔丝周围石英砂可熄灭电弧, RL1系列额定电流Ige有4种 熔断管上端红点随熔丝熔断 规格:15A、60A、100A、 而自动脱落。体积小,多用 200A 于机床电气设备中

续表
名 称 类别 特点、用途 在熔体中人为引入窄截面熔片,提 高断流能力。用于低压电力网络和 成套配电装置中的短路保护 主要技术数据

无填料封 闭管式熔 断器 有填料封 闭管式熔 断器

RM

RM-10系列额定电流Ige从 15A~1000A,分7种规格

RTO

分断能力强,使用安全,特性稳定, RTO系列额定电流Ige从 有明显指示器。广泛用于短路电流 50A~1000A分6种规格 较大的电力网或配电装置中 用于小容量硅整流元件的短路保护 和某些适当过载保护 用于大容量硅整流元件的保护

RLS 快速熔断 器 RSO RS3

I=4ITe,0.2s内熔断; I=6ITe,0.02s熔断

I=(4~6)ITe,0.02s内
熔断

用于晶闸管元件短路保护和某些适 当过载保护

2.主要参数 低压熔断器的主要参数如下: (1)熔断器的额定电流Ige; (2)熔体的额定电流ITe (3)熔体的熔断电流Ib (4)熔断器的断流能力Id

如果线路电流大于熔断器的断流能力, 熔丝熔断时电弧不能熄灭,可能引起爆炸 或其他事故。低压熔断器的几个主要参数 之间的关系为:Id>Ib>Ige≥ITe。

3.选型 熔断器的选型主要是选择熔断器的形 式、额定电流、额定电压以及熔体额定电 流。 熔体额定电流的选择是熔断器选择的 核心,其选择方法如表1-2所示。

表1-2
负 载 性 质 电炉和照明等电阻性负载 线绕式电动机 笼型电动机 单台电 动机

熔体额定电流选择
熔体额定电流(ITe)

ITe≥IN(电动机额定流) ITe≥(1~1.25)IN ITe≥(1.5~2.5)IN ITe≥3IN ITe=IN ITe=1.25IN

起动时间较长的某些笼型电动 机 连续工作制直流电动机 反复短时工作制直流电动机

多台电动机

ITe≥(1.5~2.5)INmax+?Ide INmax最大一台电动机额定电流 ?Ide其他电动机额定电流之和

4.注意事项 在安装、更换熔体时,一定要切断电 源,将刀开关拉开,不要带电作业,以免 触电。熔体烧坏后,应换上和原来同材料、 同规格的熔体,千万不要随便加粗熔体, 或用不易熔断的其他金属丝去替换。

1.4

控 制 电 器
接触器

1.4.1

接触器是一种适用于远距离频繁接通 和分断交直流主电路和控制电路的自动控 制电器。

1.4.2

主令电器

主令电器主要用来切换控制电路,即 用它来控*哟テ鳌⒓痰缙鞯鹊缙鞯南呷 得电与失电,从而控制电力拖动系统的起 动与停止,以及改变系统的工作状态,如 正转与反转等。

1.5







1.5.1

电磁式继电器

电磁式继电器是应用最早同时也应用 最多的一种继电器。它由电磁机构和触点 系统组 成,如图1-19所示。

1-静触点;2-动触点;3簧片;4-衔铁;5-极靴; 6-空气气隙;7-反力弹簧; 8-铁轭;9-线圈; 10-铁芯 图1-19 电磁式继电器机构图

1.电磁式电压继电器 电磁式电压继电器触点的动作与线圈 所加电压大小有关,使用时和负载并联。 电压继电器又分过电压继电器、欠电压继 电器和零电压继电器。

2.电磁式电流继电器 电磁式电流继电器触点的动作与线圈 通过的电流大小有关,使用时电流继电器 和负载串联。电流继电器又分欠电流继电 器、过电流继电器。

1.5.2

时间继电器

1.空气阻尼式时间继电器 时间继电器是电路中控制动作时间的 继电器,它是一种利用电磁原理或机械动 作原理来实现触点延时接通或断开的控制 电器。按其动作原理与构造的不同可分为 电磁式、电动式、空气阻尼式和晶体管式 等类型。

2.电子式时间继电器
电子式时间继电器的种类很多,最基 本的有延时吸合和延时释放两种,它们大 多是利用电容充放电原理来达到延时目的 的。

1.5.3

热继电器

1.结构 热继电器主要由热元件、双金属片和 触点三部分组成,其外形、结构及图形符 号如图1-23所示。

图1-23

热继电器外形、结构及图形符号

2.工作原理 3.选用 热继电器型号的选用应根据电动机的 接法和工作环境决定。 4.整定

1.6

无触点电器
接*开关

1.6.1

接*开关(又称无触点位置开关)的 用途除行程控制和限位保护外,还可作为 检测金属体的存在、高速计数、测速、定 位、变换运动方向、检测零件尺寸、液面 控制及用作无触点按钮等。

使用接*开关时应注意选配合适的有 触点继电器作为输出器,同时应注意温度 对其定位精度的影响。

1.6.2

温度继电器

在温度自动控制或报警装置中,常采 用带电触点的汞温度计或热敏电阻、热电 偶等制成的各种型式的温度继电器。

1.6.3

固态继电器

具有开关速度快、工作频率高、质量 轻、使用寿命长、噪声低和动作可靠等一 系列优点,固态继电器按其负载类型分类, 可分为直流型(DC-SSR)和交流型(ACSSR)。

固态继电器用于控制直流电动机时, 应在负载两端接入二极管,以阻断反电势。 控*涣鞲涸厥保虮匦牍兰乒缪钩寤 的程度,并采取相应保护措施(如加装RC 吸收电路或压敏电阻等)。当控制电感性 负载时,固态继电器的两端还需加压敏电 阻。

1.6.4

光电继电器

光电继电器是利用光电元件把光信号 转换成电信号的光电器材光电继电器分亮 通和暗通两种电路。 使用光电继电器必须注意,光电继电 器安装、使用时,应避免振动及阳光、灯 光等其他光线的干扰。

1.7







1.7.1

三相异步电动机

1.结构 三相异步电动机分为两个基本部分: 定子(固定部分)和转子(旋转部分)。

2.工作原理 三相异步电动机转动原理如下:三相 交流电通入定子绕组,产生旋转磁场。磁 力线切割转子导条使导条两端出现感应电 动势,闭合的导条中便有感应电流流过。 在感应电流与旋磁场相互作用下,转子导 条受到电磁力并形成电磁转矩,从而使转 子转动。

3.转向与转速 (1)电动机正反转 当通入电动机定子绕组的三相电流相 序为U→V→W时,三相电流产生的旋转磁 场是顺时针方向旋转。

这时由图1-33可知,转子转动方向也 是顺时针方向。由上面分析可知,电动机 的转子转动方向和磁场旋转的方向是相同 的,而磁场的旋转方向与通入定子绕组的 三相电流相序有关。

当通入电动机定子绕组的三相电流相 序变为U→W→V时,三相电流产生的旋转 磁场将从原来顺时针方向(正转)变为逆 时针方向旋转(反转),如图1-34所示。 电动机的转子转动方向也跟着变为逆时针 方向(反转)。

图1-34

旋转磁场的反转

所以,要使电动机反转,只要将三相 电源的任意两相对调,即改变通入定子绕 组的三相电流的相序,电动机就改变转动 方向。

(2)电动机转速 三相异步电动机的转速与旋转磁场的 转速有关,而旋转磁场的转速又取决于磁 场的极数,旋转磁场的极数与定子绕组的 安排有关。 ① 旋转磁场转速n0 当旋转磁场具有p对 极时,磁场的转速为 n0=60f1/p (r/min)

因此,旋转磁场的转速n0决定于电动 机电源频率f1和磁场的极对数p。对于某一 异步电动机来说,f1和p通常是一定的,所 以磁场转速n0是个常数,常称为同步转速。

旋转磁场极对数p决定于三相绕组的安 排情况。如果每个绕组有一个线圈,那么3 个绕组的始端之间相差120°空间角,则产 生的旋转磁场具有一对极(即p=1),如图 1-32所示。如果每个绕组有两个线圈串联, 如图1-35所示,那么3个绕组的始端之间相 差60°空间角,则产生的旋转磁场具有两 对极(即p=2),如图1-36所示。

图1-35

产生四极旋转磁场的定子绕组

图1-36

三相交流电流产生的旋转磁场(p=2)

② 转子转速n 如图1-33所示,电动机转 速n与旋转磁场转速n0之间必须要有差别, 否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动, 因而磁力线就不切割转子导体,转子电动 势、转子电流以及转矩也就都不存在。这 样,转子就不可能继续以n的转速转动。这 就是异步电动机名称的由来。

③ 转差率s 转子转速n与旋转磁场转速n0 相差的程度用转差率s来表示,即 s=(n0?n)/n0

4.铭牌数据 三相异步电动机铭牌数据的意义如下。 (1)型号
为了适应不同用途和不同工作环境的 需要,电动机制成不同的系列,每种系列 用各种型号表示。型号说明如下:

Y

132

M

— 4

三相异步电动机

磁极数

机座中心高

机座长度代号

三相异步电动机机座长度代号表示为:S—短机座;M—中机座;L—长机座。

(2)电压 (3)电流 (4)功率与效率 (5)功率因数
必须正确选择电动机的容量,防止 “大马拉小车”,并力求缩短空载的时间。

(6)温升与绝缘等级 (7)接法 笼型电动机的接线盒中有三相绕组的6 个引出线端,连接方法有星形(Y)连接 和三角形(Δ)连接两种,如图1-37所示。 通常3kW以下的三相异步电动机连成星形, 4kW及以上的连成三角形。

图1-37

定子绕组的星形(Y)连接和三角形(Δ )连接

1.7.2

直流电机

直流电机是直流发电机和直流电动机 的总称。直流发电机将机械能转换为电能; 直流电动机将电能转换为机械能。 1.构造 直流电动机主要由磁极、电枢和换向 器组成,如图1-38所示。

图1-38

直流电动机的组成示意图

(1)磁极
直流电动机的磁极如图1-39所示,

图1-39

直流电动机的磁极及磁路

(2)电枢
直流电动机的电枢是旋转的,是电动 机中产生感应电动势的部分。电枢和电枢 铁芯片示意图如图1-40所示。

图1-40

电枢和电枢铁芯片示意图

(3)换向器
换向器是直流电动机的构造特征,装 在电动机转轴上,如图1-41所示。

图1-41

直流电动机换向器示意图

2.基本工作原理图 为了讨论直流电动机的工作原理,现 把复杂的直流电动机简化为图1-42所示的 工作原理图。

图1-42

直流电动机工作原理图




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