电气控制与可编程控制器技术电子课件,南京师范大学 电气与自动化工程学院 电气工程系史国生,第一篇 电气控制技术 第一章 常用低压电器,1.1 电器的功能、分类和工作原理 1.2 电气控制中常用电器 1.3 主令电器 1.4 动力线路中常用电器 1.5 智能电器,1.1 电器的功能、分类和工作原理,一、电器的功能 电器是一种能根据外界的信号（机械力、 电动力和其它物理量）和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气元件或设备。 电器的控制作用就是手动或自动地接通、断开电路，“通”称为“开”，“断”也称为“关”。因此，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。,1.1 电器的功能、分类和工作原理,二、电器的分类 1按工作电压等级分 （1）高压电器 用于交流电压1200V、直流1500V及以上电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。 （2）低压电器 用于交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V及以下的电路中的电器，例如接触器、继电器等。,2按动作原理分 （1）手动电器 人手操作发出动作指令的电器，例如刀开关，按钮等。 （2）自动电器 产生电磁力而自动完成动作指令的电器，例如接触器、继电器、电磁阀等。 3按用途分 （1）控制电器 用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等。,（2）配电电器 用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器等。 （3）主令电器 用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等。 （4）保护电器 用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等。 （5）执行电器 用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。,三、电磁式电器的基本原理 低压电器中大部分为电磁式电器，各类电磁式 电器的工作原理基本相同，由检测部分（电磁机构）和执行 部分（触头系统）两部分组成。 （一）电磁机构 1电磁机构的结构形式 电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁组成，其结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式。图1-1和图1-2是直动式和拍合式电磁机构的常用结构形式。,1-衔铁 2-铁心 3-吸引线圈 图1-1 直动式电磁机构,1-衔铁 2-铁心 3-吸引线圈 图1-2 拍合式电磁机构,吸引线圈的作用是将电能转换为磁能，即产生磁通，衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使铁心吸合。通入直流电的线圈称直流线圈，通入交流电的线圈称交流线圈。 直流线圈通电，铁心不会发热，只有线圈发热，因此线圈与铁心接触以利散热。线圈做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。铁心和衔铁由软钢或工程纯铁制成。,对于交流线圈，除线圈发热外，由于铁心中有涡流和磁滞损耗，铁心也会发热。为了改善线圈和铁心的散热情况，在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨架的矮胖型。铁心用硅钢片叠成，以减少涡流。 另外，根据线圈在电路中的联接方式可分为串联线圈（即电流线圈）和并联线圈（即电压线圈）。,2电磁机构的工作原理 电磁铁工作时，线圈产生的磁通作用于衔铁，产生电磁吸力，并使衔铁产生机械位移，衔铁复位时复位弹簧将衔铁拉回原位。因此作用在衔铁上的力有两个：电磁吸力和反力。电磁吸力由电磁机构产生，反力由复位弹簧和触头等产生。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。,（1）吸力特性 电磁机构的电磁吸力F与气隙的关系曲线称为吸力特性。 电磁吸力可按下式求得,式中，F为电磁吸力（N）；B为气隙磁感应强度（T）； S为磁极截面积（m2 ）。,当铁心截面积S为常数时，电磁吸力 F与B2成正比，也可认为F 与气隙磁通2成正比。励磁电流的种类对吸力特性有很大影响。 对于具有电压线圈的交流电磁机构，设线圈外加电压U不变，交流电磁线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，若电阻忽略不计，则,当电压频率f、电磁线圈的匝数N和线圈外加电压U为常数时，气隙磁通也为常数，则电磁吸力F也为常数，即F与气隙大小无关。 实际上，考虑到漏磁通的影响，电磁吸力F 随气隙的减少略有增加。交流电磁机构的吸力特性如图1-3所示。由于交流电磁机构的气隙磁通不变，IN随气隙磁阻(也即随气隙)的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I与气隙成正比变化。,图1-3 交流电磁机构的吸力特性,图1-4 直流电磁机构的吸力特性,对于具有电压线圈的直流电磁机构，其吸力特性与交流电磁机构有所不同。因外加电压U和线圈电阻不变，则流过线圈的电流I为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律,故其吸力特性为二次曲线形状，如图1-4所示。 （2）反力特性 电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。图1-5中所示曲线3即为反力特性曲线。,1-直流接触器吸力特性 2-交流接触器吸力特性 3-反力特性,图1-5 吸力特性和反力特性,（3）反力特性与吸力特性的配合 为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好，如图1-5所示。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，即吸力特性高于反力特性，但不能过大或过小，吸力过大时，动、静触头接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹跳，导致触头的熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命； 吸力过小时，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当 。,3交流电磁机构上短路环的作用 (a)结构图 (b)电磁吸力图 图1-6 单相交流电磁铁铁心的短路环 *,由于单相交流电磁机构上铁心的磁通是交变的，故当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。这样，交流电源频率的变化，使衔铁产生强烈振动和噪声，甚至使铁心松散。因此交流电磁机构铁心端面上都安装一个铜制的短路环。短路环包围铁心端面约2/3的面积，如图1-6所示。,当交变磁通穿过短路环所包围的截面积S2在环中产生涡流时，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通2 在相位上落后于短路环外铁心截面S1中的磁通1 ，由1、2产生的电磁吸力为F1、F2 ，作用在衔铁上的合成电磁吸力是F1+ F2，只要此合力始终大于其反力，衔铁就不会产生振动和噪声。,（二）触头系统 触头（触点）是电磁式电器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。 触头的结构形式很多，按其所控制的电路可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，只能通过较小的电流。,触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头（线圈断电后所有触头复原）。,触头按其结构形式可分为桥型触头和指型触头，如图1-7所示。,(a)桥形触头 (b)指形触头 图1-7 触头结构形式图,触头按其接触形式可分为点接触、线接触 和面接触三种，如图1-8所示。,(a)点接触 (b)线接触 (c)面接触 图1-8 触头接触形式图*,（三）灭弧工作原理,触点在通电状态下动、静触头脱离接触时，由于电场的存在，使触头表面的自由电子大量溢出而产生电弧。电弧的存在既烧损触头金属表面，降低电器的寿命，又延长了电路的分断时间，所以必须迅速消除。 1常用的灭弧方法 （1）迅速增大电弧长度 电弧长度增加，使触点间隙增加，电场强度降低，同时又使散热面积增大，降低电弧温度，使自由电子和空穴复合的运动加强，因而电荷容易熄灭。 （2）冷却 使电弧与冷却介质接触，带走电弧热量，也可使复合运动得以加强，从而使电弧熄灭。,2常用的灭弧装置 （1）电动力吹弧 电动力吹弧如图1-9所示。双断点桥式触头在分断时具有电动力吹弧功能，不用任何附加装置，便可使电弧迅速熄灭。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器中。,1-静触头 2-动触头 图1-9 电动力灭弧示意图,(2)磁吹灭弧 在触点电路中串入吹弧线圈，如图1-10所示。,1-磁吹线圈 2-绝缘套 3-铁心 4-引弧角 5-导磁夹板 6-灭弧罩 7-动触头 8-静触头 图1-10 磁吹灭弧示意图*,（3）栅片灭弧 灭弧栅是一组薄铜片，它们彼此间相互绝缘，如图1-11所示。,1-灭弧栅片 2-触点 3-电弧 图1-11 栅片灭弧示意图,第二节 电气控制中常用电器,一、低压隔离器 低压隔离器是低压电器中结构比较简单、应用十分广泛的一类手动操作电器，品种主要有低压刀开关、熔断器式刀开关和组合开关三种。 隔离器主要是在电源切除后，将线路与电源明显地隔开，以保障检修人员的安全。熔断器式刀开关由刀开关和熔断器组合而成，故兼有两者的功能，即电源隔离和电路保护功能；可分断一定的负载电流。 1刀开关 刀开关：由操纵手柄、触刀、触刀插座和绝缘底板等组成。图1-12为其结构简图。,刀开关的主要类型有：带灭弧装置的大容量刀开关，带熔断器的开启式负荷开关（胶盖开关）、带灭弧装置和熔断器的封闭式负荷开关（铁壳开关）等。 刀开关的主要技术参数： 额定电压 额定电流 分断能力,1-静插座 2-操纵受柄 3-触刀 4-支座 5-绝缘底板 图1-12 低压隔离开关结构简图,选用刀开关时，刀的极数要与电源进线相数相等；刀开关的额定电压应大于所控制的线路额定电压；刀开关的额定电流应大于负载的额定电流。 刀开关的图形、文字符号如图1-13所示。,(a)单极 ( b)双极 (c)三极 图1-13 刀开关的图形、文字符号,2组合开关 组合开关也是一种刀开关，不过它的刀片是转动式的，操作比较轻巧，它的动触头（刀片）和静触头装在封闭的绝缘件内，采用叠装式结构，其层数由动触头数量决定，动触头装在操作手柄的转轴上，随转轴旋转而改变各对触头的通断状态。 组合开关一般在电气设备中用于非频繁地接通和分断电路、接通电源和负载、测量三相电压以及控制小容量异步电动机的正反转和星-三角降压启动等。,组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数等。其中额定电流有10A、25A、60A等几级。全国统一设计的常用产品有HZ5、HZ10系列和新型组合开关HZ15等系列。HZ10系列组合开关的技术数据见表1-2。,组合开关的结构和图形、文字符号如图1-14所示,图1-14 组合开关结构和图形、文字符号,二、熔断器 1熔断器的工作原理和保护特性 熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉的保护电器，广泛用于供电线路和电气设备的短路保护。熔断器由熔体和安装熔体的熔断管（或座）等部分组成。熔体是熔断器的核心，通常用低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成，新型的熔体通常设计成灭弧栅状和具有变截面片状结构。当通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而分断电路，从而保护了电路和设备。,熔断器熔体熔断的电流值与熔断时间的关系称为熔断器的保护特性曲线，也称为熔断器的安-秒特性，如图1-15所示。由特性曲线可以看出，流过熔体的电流越大，熔断所需的时间越短。 熔体的额定电流If N是熔体长期工作而不致熔断的电流。,图1-15 熔断器的安-秒特性,2常用熔断器的种类及技术数据 熔断器按其结构型式分为插入式、螺旋式、有填料密封管式、无填料密封管式等，品种规格很多。 在电气控制系统中经常选用螺旋式熔断器，它有明显的分断指示不用任何工具就可取下或更换熔体等优点。,最近推出的新产品有RL6、RL7系列，可以取代老产品RL1、RL2系列。 RLS2系列是快速熔断器，用以保护半导体硅整流元件及晶闸管，可取代老产品RLS1系列。 RT12、RT15、NGT等系列是有填料密封管式熔断器，瓷管两端铜帽上焊有联结板，可直接安装在母线排上，RT12、RT15系列带有熔断指示器，熔断时红色指示器弹出。 RT14系列熔断器带