電工電子學(xué)_電氣自動(dòng)控制

1、電工電子學(xué) 1 為了使電動(dòng)機(jī)按照生產(chǎn)機(jī)械的要求運(yùn)轉(zhuǎn)，必須用一定的控制電 器組成控制電路，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。目前國內(nèi)外普遍采用由接觸器、 繼電器、按鈕開關(guān)等有觸點(diǎn)電器組成的控制電路，稱為繼電接觸器控 制。如果再配合其它無觸點(diǎn)控制電器、控制電機(jī)、電子電路以及計(jì)算 機(jī)化的可編程序控制器等，則可構(gòu)成生產(chǎn)機(jī)械的現(xiàn)代化自動(dòng)控制系統(tǒng)。 本章主要討論三相異步電動(dòng)機(jī)的繼電接觸控制電路。 2 7.1 常用低壓控制電器 低壓控制電器種類繁多，按動(dòng)作性質(zhì)可分為手動(dòng)電器和自動(dòng)電器兩類。 手動(dòng)電器必須由人工操縱，如閘刀開關(guān)、組合開關(guān)、按鈕等。自動(dòng)電 器是隨某些電信號(hào)（如電壓、電流等）或某些物理量的變化而自動(dòng)動(dòng) 作的，如繼

2、電器、接觸器、行程開關(guān)等。控制電器還有實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能 的保護(hù)電器，如熔斷器、熱繼電器等。 7.1.1 閘刀開關(guān) 閘刀開關(guān)由刀座、手柄、觸刀、瓷底（絕緣底板）組成。在低壓電路 中，用于不頻繁接通和分?jǐn)嚯娐?，或用來將電路與電源隔離，因此閘 刀開關(guān)又稱為“隔離開關(guān)”。按極數(shù)不同閘刀開關(guān)分為單極（單刀）、 雙極（雙刀）和三極 （三刀）三種，每種又有單投和雙投之別。它 的結(jié)構(gòu)和電路圖中的符號(hào)如圖7.1.1所示。 3 （a）結(jié)構(gòu)圖 （b）圖形符號(hào) 圖7.1.1 閘刀開關(guān) 4 7.1.2 組合開關(guān) 組合開關(guān)又稱轉(zhuǎn)換開關(guān)，是一種多觸點(diǎn)、多位置式可以控制多 個(gè)回路的控制電器，圖7.1.2（a）是一種組合開關(guān)的結(jié)構(gòu)

3、示意圖。 它有多對(duì)靜觸片分別裝在各層絕緣墊板上，靜觸片與外部的連接是通 過接線端子實(shí)現(xiàn)的。各層的動(dòng)觸片套在裝有手柄的絕緣轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，而 且不同層的動(dòng)觸片可以互相錯(cuò)開任意一個(gè)角度。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)，各動(dòng)觸 片均轉(zhuǎn)過相同的角度，一些動(dòng)、靜觸片相互接通，另一些動(dòng)、靜觸片 斷開。根據(jù)實(shí)際需要，組合開關(guān)的動(dòng)、靜觸片的個(gè)數(shù)可以隨意組合。 常用的有單極、雙極、三極、四極等多種。 5 （a）結(jié)構(gòu)圖 （b）用組合開關(guān)起停電動(dòng)機(jī)接線圖 圖7.1.2 組合開關(guān) 6 7.1.3 按鈕開關(guān) 按鈕開關(guān)簡稱“按鈕”。按鈕通常用來接通或斷開控制電路，從而 控制電動(dòng)機(jī)或其他電氣設(shè)備的運(yùn)行。按鈕的結(jié)構(gòu)如圖7.1.3所示，它 由按鈕帽、動(dòng)

4、觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)和復(fù)位彈簧等構(gòu)成。按鈕按下前的狀態(tài)稱 為常態(tài)，此時(shí)上面的靜觸點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)是接通的，這對(duì)觸點(diǎn)稱為動(dòng)斷觸 點(diǎn)（常閉觸點(diǎn))，而下面的靜觸點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)則是斷開的，這對(duì)觸點(diǎn)稱 為動(dòng)合觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）。當(dāng)按下按鈕帽時(shí)，上面的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開， 而下面的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，當(dāng)松開按鈕帽時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)在復(fù)位彈簧的作用 下復(fù)位，使動(dòng)斷觸點(diǎn)和動(dòng)合觸點(diǎn)都恢復(fù)原來的狀態(tài)。 7 （a）按鈕剖面圖 （b）復(fù)合按鈕 （c）符號(hào) 圖7.1.3 復(fù)合按鈕 8 7.1.4 自動(dòng)空氣斷路器 自動(dòng)空氣斷路器也稱空氣開關(guān)或自動(dòng)開關(guān)，是常用的一種低壓保護(hù)電 器，可實(shí)現(xiàn)短路、過載和失壓（欠壓）保護(hù)。它的結(jié)構(gòu)形式很多，圖 7.1.5是自動(dòng)開關(guān)的原

5、理圖。 圖7.1.5 自動(dòng)空氣斷路器的原理圖 9 7.1.5 熔斷器 熔斷器中的熔體俗稱保險(xiǎn)絲或熔絲，一般為電阻率較高且熔點(diǎn)較低的 合金制成，例如鉛錫合金等，或用截面積很小的良導(dǎo)體制成，例如銅、 銀等。它串接在被保護(hù)的電路中，當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，過大的短路電 流使熔絲熔斷，從而切斷電源，達(dá)到保護(hù)線路和電氣設(shè)備的目的。熔 斷器是電路中最常用最有效的短路保護(hù)電器。常用的熔斷器有管式、 嵌入式和螺旋式三種，如圖7.1.6所示。 10 （a）管式熔斷器 （b）嵌入式熔斷器 （c）螺旋式熔斷器 （d）符號(hào) 圖7.1.6 常用熔斷器及符號(hào) 7.1.6 交流接觸器 接觸器是一種利用電磁力操作的電磁開關(guān)。依靠電

6、磁力它可以帶動(dòng)觸 點(diǎn)直接接通或斷開電動(dòng)機(jī)（或其他電氣設(shè)備）主電路。電磁鐵勵(lì)磁電 流為交流的接觸器稱為交流接觸器。交流接觸器的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖 7.1.7所示。 11 （a）結(jié)構(gòu)圖 （b）符號(hào) 圖7.1.7 交流接觸器 7.1.7 繼電器 繼電器是用于控制電路和保護(hù)電路的電器，它主要用來傳遞信 號(hào)、并不直接去操縱主電路。繼電器類型很多，工作原理也不相同， 但都是在某種物理星如電壓、電流、溫度、壓力、速度及行程等的作 用下而動(dòng)作的，當(dāng)這些物理量達(dá)到某一預(yù)定數(shù)值時(shí)，繼電器就開始工 作，帶動(dòng)觸點(diǎn)接通或切斷控制電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制和保護(hù)。 12 1中間繼電器 中間繼電器是利用電磁鐵的動(dòng)作原理制成的

7、電磁繼電器，其結(jié) 構(gòu)結(jié)構(gòu)與交流接觸器基本相同，只是其電磁機(jī)構(gòu)尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊、 觸點(diǎn)數(shù)量較多。由于中間繼電器的觸頭容量小，所以在電路通常用來 傳遞信號(hào)，把信號(hào)同時(shí)傳給多個(gè)有關(guān)控制元件或輔助電路，也可直接 用來按制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件。而接觸器主要用來接通 和斷開主電路。中間繼電器觸點(diǎn)的額定電流比較小，一般不超過5A。 在選用時(shí)，主要是考慮電壓等級(jí)和常開及常閉觸點(diǎn)的數(shù)量。中間繼電 器符號(hào)如圖7.1.8所示。 13 KA 線圈 常開觸頭 KA 常閉觸頭 KA 圖7.1.8 中間繼電器符號(hào) 2熱繼電器 熱繼電器主要用來對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行過載保護(hù)，使之免受長期過載電流 的危害。圖7.1.9是熱

8、繼電器的原理圖和符號(hào)。 （a）原理圖 （b）符號(hào) 圖7.1.9 熱繼電器 14 發(fā)熱元件 FR 動(dòng)斷 觸點(diǎn) F R 3時(shí)間繼電器 時(shí)間繼電器是一種從得到輸入信號(hào)（線圈通電或斷電）起，經(jīng) 過一段時(shí)間延時(shí)后才動(dòng)作的繼電器。時(shí)間繼電器具有延時(shí)作用，適用 于定時(shí)控制，可用于按照所需時(shí)間間隔來接通、斷開或換接被控制電 路。時(shí)間繼電器按觸點(diǎn)延時(shí)動(dòng)作的不同，可分為通電延時(shí)型和斷電延 時(shí)型兩種類型。按延時(shí)機(jī)構(gòu)的不同，時(shí)間繼電器分為電磁式、空氣阻 尼式、電動(dòng)機(jī)式、電子式等類型。圖7.1.10是通電延時(shí)的空氣阻尼 式時(shí)間繼電器結(jié)構(gòu)示意圖。 15 16 圖7.1.10 通電延時(shí)的空氣阻尼式時(shí)間繼電器結(jié)構(gòu)圖 7.1.

9、8 行程開關(guān) 控制某些機(jī)械的行程和位置時(shí)，利用行程開關(guān)進(jìn)行控制。行程 開關(guān)又稱限位開關(guān)，它是利用機(jī)械部件的位移來切換電路的自動(dòng)電器， 它的結(jié)構(gòu)和工作原理都與按鈕相似，只是按鈕用手按，而行程開關(guān)則 是用運(yùn)動(dòng)部件上的撞塊（或擋板）來撞壓的。當(dāng)撞塊壓著行程開關(guān)時(shí)， 就像按下按鈕一樣，使其動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，而當(dāng)撞塊離 開時(shí)，就如同手松開了按鈕，靠彈簧作用使觸點(diǎn)復(fù)位。圖7.1.12是 行程開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖和符號(hào)。常用的行程開關(guān)有撞 塊式（也稱直線式） 和滾輪式。滾輪式又分為單滾輪式和雙滾輪式，其中雙滾輪式行程開 關(guān)無復(fù)位彈簧，不能自動(dòng)復(fù)位，它需要兩個(gè)方向的撞塊來回撞壓，才 能復(fù)位。 17 18 （

10、a）結(jié)構(gòu)圖 （b）符號(hào) 圖7.1.12 行程開關(guān) 常閉觸點(diǎn) 常開觸點(diǎn) ST ST ST 7.2 三相異步電動(dòng)機(jī)常用的繼電接觸控制電路 任何復(fù)雜的控制電路都是由一些基本的控制電路組成的。 7.2.1直接起動(dòng)停止控制電路 圖7.2.1是三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)-停止的控制電路。由閘刀開關(guān) Q、熔斷器FU、接觸器KM、熱繼電器FR、籠型電動(dòng)機(jī)M組成了主電 路。由按鈕、接觸器線圈KM，熱繼電器常閉輔助觸點(diǎn)組成控制電路， 接在1、2兩點(diǎn)之間，用于控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。SBstP是一個(gè)按鈕的常 閉觸點(diǎn)，SBst是另一個(gè)按鈕的常開觸點(diǎn)。接觸器的線圈和輔助常開觸 點(diǎn)均用KM表示。FR是熱繼電器的常閉觸點(diǎn)。 19

11、20 FR SB1 SB2 KM FR M 3 圖7.2.1 電動(dòng)機(jī)直接啟停控制電路 KM Q Q 1 2 KM FU 1工作原理 先將閘刀開關(guān)Q閉合，按下起動(dòng)按鈕SB2，控制電路中的接觸器 線圈KM通電，主觸點(diǎn)KM閉合，電動(dòng)機(jī)接通電源運(yùn)轉(zhuǎn)，與此同時(shí)并聯(lián) 在起動(dòng)按鈕SB2上的常開觸點(diǎn)KM閉合，這樣即使松開按鈕SB2，接觸 器線圈仍然通電，從而保持電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種依靠接觸器自身輔 助常開觸點(diǎn)使線圈保持通電的作用稱為“自鎖”，與SB2并聯(lián)的起自鎖 作用的輔助觸點(diǎn)KM稱作自鎖觸點(diǎn)。 21 2保護(hù)措施 為確保電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)-停止控制電路還具有 短路保護(hù)、過載保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能

12、。 22 7.2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路 在生產(chǎn)過程中，許多生產(chǎn)設(shè)備要求能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行，例如機(jī)床的進(jìn) 刀退刀、卷揚(yáng)機(jī)提升設(shè)備、電動(dòng)閘門等，都要求電動(dòng)機(jī)能正、反轉(zhuǎn)。 圖7.2.2就是實(shí)現(xiàn)這種控制的電路。在圖7.2.2中，當(dāng)正轉(zhuǎn)接觸器 KMF工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)接觸器KMR工作時(shí)，由于調(diào)換了兩 根電源線，所以電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 23 24 KMF M 3 KMR Q FR 圖7.2.2 兩個(gè)接觸器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn) 7.2.3 順序控制 在生產(chǎn)過程中經(jīng)常要求幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)配合工作，其起、停等動(dòng)作 常常有順序上和時(shí)間上的約束。 圖7.2.4是兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)M1和M2的順序聯(lián)鎖控制電路，該電

13、 路可實(shí)現(xiàn)Ml先起動(dòng)后M2才能起動(dòng)，M2停車后M1才能停車的控制要求。 圖7.2.4（a）是兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)主電路，圖7.2.4（b）和（c）是實(shí)現(xiàn)控 制要求的兩種連接電路。下面以圖7.2.4（b）為例說明電路的控制 過程。 25 26 圖7.2.4 兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)聯(lián)鎖控制 （b）控制電路 KM1 KM2 SB4 SB3 SB2 KM1 KM2 FR2 FR1 KM2 KM1 SB1 （c）控制電路 SB1 SB3 SB4 SB2 KM2 FR1 FR2 KM1 KM1 KM2 KM2 （a）主電路 Q Q KM1 M1 3 KM2 FR2 3 FR1 M2 3 FU1 FU2 7.2.4 時(shí)間控制 在

14、自動(dòng)化生產(chǎn)線中，常要求按一定的時(shí)間間隔啟動(dòng)或關(guān)停某些 設(shè)備。根據(jù)延時(shí)的要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)按一定時(shí)間間隔進(jìn)行控制的方式叫 做時(shí)間控制。利用時(shí)間繼電器可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制。圖7.2.5是兩臺(tái)電 動(dòng)機(jī)按時(shí)間先后起動(dòng)的控制電路。 27 28 圖7.2.5 兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)先后起動(dòng)控制電路 （b）控制電路 SB1SB2 KM1 KM2 KM 1 FR1 KT FR2 KT （a）主電路 Q Q KM1 M1 3 KM2 FR2 3 FR1 M2 3 FU1 FU2 7.2.5 行程控制 在生產(chǎn)過程中，若需要控制某些機(jī)械的行程和位置時(shí)，可以利 用行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。圖7-19所示的是用行程開關(guān)控制機(jī)床工作臺(tái)作 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的示意圖和控制電路。 29 圖7.2.7 行程控制電路 STa STb 終點(diǎn) 前進(jìn) 原位 后退 （a）示意圖 STaSTb AA M （b）控制電路 KMF SBF SBR KMF KMR FR STb STb STa KMF KMR SB1 KMR u圖