电气定义：电能的生产、传输、分配、使用和电工装备制造等学科或工程领域的统称。下面我们将就电路中常见的相关元器件与原理图做具体分析说明。三相电保险丝断路器变压器继电器接触器热电偶热电阻传感器编码器变频器马达电缆线PID调节人机界面油与脂常见电路图上的标示符号电气原理图实例分析三相交流电（Three-phasealternatingcurrent）是由三个振幅相等、频率相同、相位依次互差120的交流电势组成的电源。通常，我国交流电为线电压为380V/60Hz，相电压为220V/50Hz；日本线电压为190V/60Hz，相电压为110V/60Hz。美国线电压为208V/60Hz，相电压为120V/60Hz。三相电在电源端(或称变压器)和负载端均有星形（Y形）和三角形两种接法。对于星型连接，如图：+- -A- -+B+- -CNN线电压与相电压关系为：-对于三角形连接，如图所示：+- - - -+ABC星形接法由于起输出功率小，常用于小功率，大扭矩电机，或功率较大的电机起步时候用，这样对机器损耗较小，正常工作后再换用三角形接法。这就是常常说到的星三角启动。一般3KW以下的三相电动机是星形接法，并直接启动。3KW以上的三相电动机是用三角形接法。在很多电子设备中，都离不开保险丝(Fuse)，保险丝一般由电阻率比较大而熔点较低的银铜合金制成的导线。保险丝也被称为熔断器，IEC127标准将它定义为熔断体（fuse-link)。熔断器的原理是利用电流流经导体会使导体发热，达到导体的熔点后导体融化所以断开电路保护用电器和线路不被烧坏。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件，一旦熔体烧毁就要更换熔体。保险丝分类：1.按保护形式分为：（1）过电流保护（限流保险丝）（2）过热保护（温度保险丝）如电吹风，电熨斗，电饭锅，电炉，变压器，电动机等。2.按封装形式分为：玻璃、陶瓷、固体及特殊。3.按类型分为：（1）电流保险丝（贴片保险丝、微型保险丝、插片保险丝、管状保险丝）（2）温度保险丝（RH方块型、RP电阻型、RY金属壳（3）自复保险丝（插件、叠片、贴片）常见保险丝：保险丝的选择涉及下列诸多因素：1.正常的工作电流。2.施加在保险丝上的外加电压。3.要求保险丝断开的不正常电流。4.允许不正常电流存在的最短和最长时间。5.保险丝的环境温度。6.脉冲、冲击电流、浪涌电流、启动电流和电路瞬变值。7.是否有超出保险丝规范的特殊要求。8.安装结构的尺寸限制。9.要求的机构认证。断路器,俗称“空气开关”，它是通过电流励磁效应（电磁脱扣器）实现断路保护，通过电流的热效应实现过载保护（不是熔断，多不用更换器件）。当电路中的电流突然加大，超过断路器的负荷时，断路器是会自动断开，它是对电路一个瞬间电流加大的保护，例如当漏电很大时，或短路时，或瞬间电流很大时的保护。当查明原因，可以合闸继续使用。断路器是现在低压配电常用的元件。常见断路器图：变压器（Transformer）是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级（原）线圈，其余的绕组叫次级（副）线圈。变压器原理图：34121234铁芯原线圈副线圈U1U2U2U1变压器型号表示：第1个字母：O表示为自耦；第2个字母表示相数：S为三相，D为单相；第3个字母：表示冷却方式，F为油浸风冷；J油浸自冷；P强迫油循环；第4个字母：表示绕组数，双绕组不标；S为三绕组；F为分裂绕组；第5个字母：表示导线材料L为铝线，铜线不标；第6个字母：表示调压方式Z有载，无载不标；数字部分：第一个表示变压器容量，第二个表示变压器使用电压等级例如：SJ-560/10，表示3相油浸自冷容量为560KVA电压为10KV的变压器。继电器（Relay）是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。常见继电器图：继电器的分类：（1）电磁继电器（2）热敏干簧继电器（3）固态继电器（SSR）电磁继电器工作原理：继电器主要产品技术参数：1、额定工作电压2、直流电阻3、吸合电流4、释放电流5、触点切换电压和电流 继电器的选择步骤： 1.先了解必要的条件：控制电路的电源电压，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电路需要几组、什么形式的触点。 2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号；考虑尺寸是否合适。 3.注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。接触器(contactor)是指能频繁关合、承载和开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。工作原理：当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。接触器与继电器的区别：继电器和接触器的工作原理一样，主要区别在于接触器的主触头可通过大电流，而继电器的触头只能通过小电流。所以，继电器一般不用来直接控制主电路（而是通过控制接触器和其他开关设备对主电路进行间接控制）。热电偶（Thermocouple）是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在Seebeck电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。常见热电偶有K,J与N三种形式，如下表：热电阻（thermalresistor）：电阻值随温度变化的温度检测元件。热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。热电阻引线主要有三种方式：（1）二线制（2）三线制（3）四线制我们设备上用的热电阻主要采用三线制接法。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。传感器（transducer/sensor）是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。常见传感器实物图：常见传感器：光敏传感器，热电阻传感器，超声波传感器等。光敏传感器种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。热电阻传感器分为NTC（负温度系数传感器）和PTC（正温度系数传感器）热电阻传感器两类。 编码器是用于速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器分类： 脉冲盘式（增量编码器） 编码器主要分为 码盘式（绝对编码器） 码盘式接触式电磁式光电式 非接触式编码器编码器的工作原理及作用：编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。下面依次对各种编码器做详细介绍： 接触式（码盘式）编码器： 由码盘与电刷组成，码盘上有四圈码道，相应地，对应码道上有一个电刷。四个电刷沿着一个固定的径向安装。如下图： 涂黑处为导电区，电刷接触导电部分时，输出高电平（“1”）； 白色为绝缘区，电刷接触绝缘部分时，输出低电平（“0”）。编码器的分辨率取决于码道的数目n： 位数越多，分辨精度越高。当然分辨精度越高，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。一般取n9。光电式（码盘式）编码器：光电式编码器包括：光源、光学系统、码盘、光电元件和测量电路，它的最大特点是非接触测量，允许高速转动，它是采用光电原理制成的。码盘：光电式编码器的码盘是一块圆形的光学玻璃，采用照相腐蚀工艺，在码盘上刻出透光和不透光的码形；并采用光电转换元件代替接触式编码器地电刷。如图所示：光电码盘的原理示意图： 电磁式编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，它是随着光电式编码器的发展而发展起来的。光电式编码器的主要缺点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而电磁式编码器不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快（达500700kHz），体积比光电式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。电磁式编码器同样由码盘与电刷组成。码盘：在码盘上按照编码的图形，制作出磁化区和非磁化区；电刷：采用小型的磁环或马蹄形磁芯作为磁头。磁头上有两组绕组线圈，一组是激励线圈，另一组是输出线圈。脉冲盘式编码器又称为增量编码器，它不能直接产生几位编码输出。如图所示：其码盘有三个码道：最外圈零位码道中间外圈A码道最内圈B码道脉冲盘式编码器只能用于测量相对于上一次的角度增量，因此称为增量式编码器。它的精度取决于码盘的精度。 脉冲盘式编码器的辨向方式：设计A、B码道就是实现辨向功能。 脉冲盘式编码盘两个码道产生的光电脉冲被两个光电元件接收，产生A、B两个输出信号，这两个输出信号经过放大整形后，产生P1和P2脉冲，将它们分别接到D触发器的D端和CP端。 实现电路如图所示：变频器（Transducer）原理：是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。变频器的基本结构变频器的基本结构：常见变频器：我们常用的马达主要有电动与气动两种。气动马达是以压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀作用，把压力能转换为机械能的动力装置。大多数气马达具有以下特点：1.可以无级调速。2.能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、排气方向，即能实现气马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲击很小。 3.工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。4.有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，马达只是转速降低或停止，当过载解除，立即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。可以长时间满载连续运转，温升较小。5.具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。6.功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直到每分钟万转。 7.操纵方便，维护检修较容易气马达具有结构简单，体积小，重量轻，马力大，操纵容易，维修方便。8.使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放到大气中无污染压缩空气可以集中供应，远距离输送由于气马达具有以上诸多特点，故它可在潮湿、高温、高粉尘等恶劣的环境下工作。除被用于矿山机械中的凿岩、钻采、装载等设备中作动力外，船舶、冶金、化工、造纸等行业也广泛地采用。 在介绍电动马达之前，首先我们需要知道脉冲信号。脉冲信号：瞬间突然变化，作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号。它可以是周期性重复的，也可以是非周期性的或单次的。电动马达（Motor）一般分为伺服马达、变频马达、步进马达、齿轮马达、线性马达。常见的有伺服马达、步进马达与线性马达。下面就这三种马达做些分析说明。步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进马达按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机：永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。反应式步进电机：反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。混合式步进电机：混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的静态指标术语：相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。通常步进电机步距角的一般计算按下式计算。=360/（ZmK）式中步进电机的步距角；Z转子齿数；m步进电动机的相数；K控制系数，是拍数与相数的比例系数。步进电机如下图：伺服电机：伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机如下图：步进电机与伺服电机的区别：步进电机是开环控制，步进控制器输出了电能后是否达到运动之结果，控制器是不知道的。而伺服电机的伺服系统主要是由伺服电机、编码器、控制器、制动器等组成，控制器会根据输入脉冲的情况向电机发输出电能，同时读取编码器的信号，再根编码器实际数决定是加大或减小输出电流或报错，是一种闭环控制。此外，步进电机是结构特殊的电机，只可以用来定位，功率小，精度差，伺服电机是带编码器的同步电机，可以定位也可以做力矩和速度控制，功率大，精度高。电缆线（cable）的选择是首先要计算负载的线电流，再根据电流大小按照导线安全载流量表选择合适的线径。一般来说，对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：P=1.732IUcos。由三相电机功率公式可推出线电流公式：I=P/1.732Ucos式中：P为电机功率；U为线电压；cos是电机功率因素，一般取0.75；根据此公式计算出电流大小，再查相关表选择合适的电缆，如下表所示：电缆载流量估算口诀：二点五下乘以九，往上减一顺号走。三十五乘三点五，双双成组减点五。条件有变加折算，高温九折铜升级。穿管根数二三四，八七六折满载流。注释：“二点五下乘以九，往上减一顺号走”说的是2.5mm及以下的各种截面铝芯绝缘线，其载流量约为截面数的9倍。如25mm导线，载流量为2.5922.5(A)。从4mm及以上导线的载流量和截面数的倍数关系是顺着线号往上排，倍数逐次减1，即48、67、106、165、254。“三十五乘三点五，双双成组减点五”，说的是35mm”的导线载流量为截面数的35倍，即353.5122.5(A)。从50mm及以上的导线，其载流量与截面数之间的倍数关系变为两个两个线号成一组，倍数依次减0.5。即50、70mm导线的载流量为截面数的3倍；95、120mm”导线载流量是其截面积数的2.5倍，依次类推。“条件有变加折算，高温九折铜升级”。上述口诀是铝芯绝缘线、明敷在环境温度25的条件下而定的。若铝芯绝缘线明敷在环境温度长期高于25的地区，导线载流量可按上述口诀计算方法算出，然后再打九折即可；当使用的不是铝线而是铜芯绝缘线，它的载流量要比同规格铝线略大一些，可按上述口诀方法算出比铝线加大一个线号的载流量。如16mm铜线的载流量，可按25mm2铝线计算。导线的载流量与导线截面有关，也与导线的材料、型号、敷设方法以及环境温度等有关，影响的因素较多，计算也较复杂。各种导线的载流量通常可以从手册中查找。但利用口诀再配合一些简单的心算，便可直接算出，不必查表。补充：对于Furnace电路图上的AWG的相关线径图表如下：在讨论PID调节之前，我们首先要知道自动控制的一些基本知识。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制：开环控制系统是系统的控制输入不受输出影响的控制系统。结构图如下：闭环控制：闭环控制是指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。结构图如下：PID控制器就是根据系统的误差，利用比例P(Proportion)、积分I(Integral)、微分D(Derivative)计算出控制量进行控制的。PID调节原理图如下：通过调节PID的参数，可以使系统达到要求的稳定性、快速性和准确性。PID调节一般步骤：a.确定比例增益P确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（Ti积分时间、Td微分时间），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。b.确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常数Ti调试完成。c.确定积分时间常数Td积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。PID常用口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低人机界面的定义：连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。人机界面的硬件和软件两部分，如下图：图1 人机界面硬件构成图2 人机界面软件构成润滑油（lubricatingoil）是用在各种类型机械上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体润滑剂，主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。在散热要求高、设备润滑剂需要起到冲刷作用的场合使用润滑油，比如：磨机滑动轴承；润滑油的优点在于：散热性较好，内在的摩擦阻力也较小，系统清洗简单等。并且在滑动的轴承上使用更为合适。但它的工艺比较复杂，设备成本较高。润滑脂（lubricatinggrease）是将一种或几种稠化剂分散到一种（或几种）液体润滑油中形成的一种固体或半固体的产物。其是由基础油、稠化剂和添加剂（包括填料）组成。适合于低转速、宽温度范围、苛刻环境下、长换油周期等条件下的润滑，如轴承，齿轮，轨道，转轴等。润滑脂工艺简单，设备造价低，维修的成本也低。而且节省油料，不易飞溅，泄漏等。同时它有密封防尘的作用，能降低噪声、耐负荷、冲击等。润滑脂使用需注意以下几项：1、加入量要适宜加脂量过大，会使摩擦力矩增大，温度升高，耗脂量增大；而加脂量过少，则不能获得可靠润滑而发生干摩擦。一般来讲，适宜的加脂量为轴承内总空隙体积的1/31/2。估算公式：Q=0.005xDxBQ填充量，单位gD轴承外径，单位mmB轴承宽度，单位mm2、禁止不同品牌的润滑脂混用由于润滑脂所使用的稠化剂、基础油以及添加剂都有所区别，混合使用后会引起胶体结构的变化，使得分油增大，稠度变化，机械安定性等都要受影响。3、注意换脂周期以及使用过程管理注意定期加注和更换润滑脂，在加换新脂时，应将废润脂挤出，直到在排脂口见到新润滑脂时为止。加脂过程务必保持清洁，防止机械杂质、尘埃和砂粒的混入。电气原理图是根据控制线图工作原理绘制的，具有结构简单，层次分明。主要用于研究和分析电路工作原理如下述。简单的电气原理图如下图:交流电机交流电机熔丝熔丝交流接触器交流接触器热继电器热继电器空气开关空气开关按钮开关按钮开关