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1、1 现代电器与PLC技术 教材 现代电气控制及PLC应用技术 第2版 2 本课程的性质 内容 任务 课程性质 是一门实用性非常强的专业课课程内容 1 常用各种低压电器元件的组成 工作原理 选择及使用方法以及使用中的注意事项 2 以电动机为控制对象讲解几种典型的继电接触式控制系统的基本环节 继电接触式控制系统的设计原理及设计步骤 继电接触式控制线路图的分析 3 可编程控制器的定义 特点 分类 组成及工作原理 4 S7 200PLC的基础知识 基本指令及程序设计 顺序控制指令及应用 功能指令及应用 PLC的设计的设计方法及设计步骤 课程任务 使同学们掌握一门非常实用的技术 培养同学们的实际应用能力
2、和动手能力 3 要求同学们所掌握的内容 1 熟悉常用低压电器的工作原理和用途 达到正确使用和选用的目的 同时要了解一些新型元器件的用途 2 掌握电气控制线路的基本的环节 并具备阅读和分析电气控制原理图的能力 能根据工艺要求设计简单的电气控制线路 较好的掌握电气控制线路的简单设计方法 3 掌握可编程控制器的基本情况 深刻领会可编程控制器的工作原理 4 掌握西门子公司生产的S7 200可编程控制器的基本指令和常用的功能指令 熟练掌握梯形图的编程方法 5 掌握PLC控制系统的设计方法和设计步骤 4 考核方法及要求 考核方式 必修 考试课总成绩 平时考核 实验成绩 30 闭卷考试成绩 70 平时考核
3、出勤 作业 来对大家进行考核 5 第1章电气控制系统常用器件 讲解内容 1 1电器的基本知识1 2常用低压电器1 3继电器1 4开关电器1 5熔断器1 6主令电器1 7信号电器1 8常用执行器件1 9常用检测仪表 6 1 1电器的基本知识 1 1 1电器定义和分类1 定义 电器是根据外界的信号和要求 能手动或自动地断开或接通电路 断续或连续地改变电路参数 以实现对电或非电对象的切换 控制 检测 保护 变换和调节的电工机械 7 2 电器的分类 电器的种类 按使用场合分 按有无触点分 按电器组合分 按使用系统分 按电压等级分 按工作职能分 其他场合 如航空 航天 用电器 农用电器 特殊工矿用电器
4、混合式电器 无触点电器 有触点电器 成套电器与自动化装配 单个电器 自动化通讯系统用电器 电力系统用电器 电力拖动自动控制系统用电器 高压电器 低压电器 其他电器 自动操作电器 手动操作电器 8 常用低压电器的分类 接触器 交流接触器 直流接触器 继电器 电磁式继电器 热继电器 时间继电器 固态继电器 液位继电器 温度继电器 速度继电器 压力继电器 开关电器 低压断路器 刀开关 主令电器 行程开关 转换开关 接近开关 控制按钮 熔断器 管式 螺旋塞式 快速式 执行电器 电磁铁 电磁阀 电磁制动器 信号电器 指示灯 蜂明器 电铃 9 电磁式低压电器的定义 采用电磁感应原理完成电器功能的低压电器称
5、为电磁式低压电器 电磁式低压电器组成 电磁机构触点 头 灭弧装置 部分电器 1 1 2电磁式低压电器的基本结构和工作原理 是对电路的通断起作用的功能性部件 是保证触点高质量通断及保护电器安全的保护性部件 10 一 电磁机构 电磁式低压电器的感测部件组成 激磁线圈 铁心 静铁心 衔铁 动铁心 作用 将电磁能量转换为机械能量 衔铁带动触头动作使之闭合或断开 从而实现电路的接通和分断 1 1 2电磁式低压电器的基本结构和工作原理 图1 1常用的几种电磁结构 11 1 激磁线圈 激磁线圈的作用 将电能转换为磁场能量 激磁线圈的分类 按线圈在电路中的连接方式分 串联线圈并联线圈按通入激磁线圈的电流种类分
6、 直流线圈 交流线圈直流线圈 线圈中通入的是直流电 由直流线圈组成的电磁机构叫直流电磁机构 也叫直流电磁铁 交流线圈 线圈中通入的是交流电 由交流线圈组成的电磁机构叫交流电磁机构 也叫交流电磁铁 12 1 直流电磁机构和交流电磁机构的结构特点直流电磁铁的结构特点 铁心和衔铁用整块钢或整快铁做成 线圈直接绕在铁心上 绕成高而瘦的形状 交流电磁铁的结构特点 铁心和衔铁用硅钢片叠成 线圈绕在骨架上 绕成短而厚的矮胖型 2 串联线圈和并联线圈的结构特点串联线圈的结构特点 线圈的导线粗 匝数少 阻抗小 并联线圈的结构特点 并联线圈的导线细 匝数多 阻抗大 13 2 串联线圈和并联线圈的结构特点 直流电磁
7、铁由于激磁线圈中通入的是直流电 电流的大小和方向不变 由于线圈中有电阻 所以线圈要发热 但铁心不发热 因为铁心中没有磁滞损耗和涡流损耗 所以直流电磁铁的的铁心一般用整块铜或整块铁做成 线圈没有骨架 直接饶在铁心上 与铁心直接接触 线圈一般饶成高而瘦的形状 易于散热 涡流损耗 什么叫涡流 涡流就是变化的磁通在整块导体中所引起的感应电流如果把整块实心的金属块放在交变的磁场中 金属块中将产生旋涡式的感应电流 称为涡流 由于整块金属电阻很小 所以涡流很大 将使铁心发热 温度升高 引起绝缘材料的绝缘性能下降 甚至破坏绝缘 造成故障 涡流要想消灭是不可能的 但可以采取一定的措施减小 为了减小涡流 交流电磁
8、机构的铁心用硅钢片叠成 因为硅钢片里含2 4 的硅 电导率减小 导磁性能大大提高 而且硅钢片之间彼此绝缘 把涡流流通的区域划小 相对地加大了涡流流通的路径的总长度 相当于加大了涡流的电阻 这样一般涡流将大大减小 前面我们讲了电磁机构是电磁式低压电器的感测部分 而线圈是感测部分的主要元件 串联线圈串接在电路中 用来感测线路中电流的大小 由串联线圈组成的电磁机构是根据线圈中通过的电流大小而动作的 我们不希望由于串联线圈的串入而影响整个电路的工作 它只是检测线路中电流的大小 所以串联线圈的导线粗 匝数少 阻抗小 这就是串联线圈的结构特点 并联线圈组成的电磁机构 他的动作是根据线圈两端的电压的大小而动
9、作的 不希望由于它的并联影响整个电路的工作 为了减少分流作用 降低对原电路的影响 所以并联线圈的导线细 匝数多 阻抗大 这就是并联线圈的结构特点 14 图1 2几种铁心和衔铁的结构形式 直流电器 衔铁沿棱角转动拍合式交流电器 沿棱角转动的和衔铁直线运动 1 铁心和衔铁的作用 为磁通提供通道 增大磁感应强度 衔铁带动触点动作 将电磁能转换成机械能 2 铁心和衔铁的结构 2 铁心和衔铁 15 3 短路环 为什么交流电磁机构要加短路环 短路环的加入使得工作磁路的磁通发生了什么变化 短路环的作用 消除振动和噪音 保证电磁机构可靠的工作 2 铁心和衔铁 续 16 17 1 衔铁2 铁心3 线圈4 短路环
10、图1 3交流电磁铁的短路环 18 3 反力装置 反力装置包括 复位弹簧 触点弹簧复位弹簧的作用 激磁线圈断电后 利用复位弹簧的反力将衔铁复位 从而带动触点复位 触点弹簧的作用 保证触点在磨损情况下 仍能良好的接触 图1 4触点弹簧的作用 19 4 电磁机构的工作原理 一 电磁机构的吸力特性电磁机构的吸力特性的定义 电磁机构的电磁吸力与工作气隙之间的关系曲线称为电磁机构的吸力特性 电磁吸力 式中B 气隙中的磁感应强度T 特斯拉 S 磁极截面积m2 米2 F 电磁吸力N 牛顿 20 1 衔铁2 铁心3 线圈4 短路环图1 5交流电磁铁的短路环 21 当截面积S一定时 电磁吸力F与磁感应强度的平方成
11、正比 又因为磁感应强度 所以 1 直流电磁机构的吸力特性 因为 式中IN为常数 所以 因为L 2 所以 交流电磁机构的电磁吸力 22 直流电磁机构的吸力特性曲线 结论 直流电磁机构的电磁吸力 在衔铁闭合前后变化很大 线圈中的电流在衔铁闭合前后不变 为一常数 图1 6直流电磁机构的吸力特性 23 2 交流电磁机构的吸力特性 因为 所以 因此电磁吸力F与 无关 为一常数 其中 线圈电压 线圈中的感应电势 电源频率 气隙中的磁通 线圈匝数 24 激磁线圈中的电流与工作气隙的关系 由于 其中而 所以将代入上式得 25 交流电磁机构的吸力特性曲线 结论 交流电磁机构的电磁吸力在衔铁闭合前后几乎不变 交流
12、线圈中的电流在衔铁闭合前后变化很大 图1 7交流电磁机构的吸力特性 26 问题 1 交流电磁机构的可靠性高还是直流电磁结构的可靠性高 2 线圈电压为220V的交流接触器 误接入220V直流电源上 或线圈电压为220V直流接触器 误接入220V交流电源上 会产生什么后果 为什么 3 带有交流电磁铁的电器如果衔铁吸合不好 或出现卡阻 会产生什么问题 为什么 27 二 电磁机构的剩磁吸力特性 定义 电磁机构的剩磁吸力与工作气隙之间的关系曲线 称为电磁机构的剩磁吸力特性 吸力特性曲线 与交流电磁机构的吸力特性相似 28 电磁机构的剩磁吸力特性曲线 图1 8电磁机构的剩磁吸力特性 29 三 电磁机构的反
13、力特性 图1 9电磁机构的反力特性 弹簧反力 30 1 直流电磁铁吸力特性2 交流电磁铁吸力特性3 反力特性4 电磁机构的剩磁吸力特性 1 2 3 F 0 分析曲线形状为什么 4 图1 10电磁机构的电磁吸力 剩磁吸力 与电磁机构的反力之间的配合 31 作用 接通和分断电路 组成 动触点 静触点 触点接触形式 点接触 面接触 线接触 图1 11触头的结构型式 二 触点 32 33 三 灭弧装置 电弧 电弧是一种气体放电现象 气体放电 气体中有大量的带电质点作定向运动 电弧产生的原因 高电场发射 撞击电离 热电子发射 热游离 电弧特点 外部有白炽弧光 内部有很高的温度和密度很大的电流 电弧的危害
14、 烧损触点表面 降低电器的使用寿命 同时延长了电路的分断时间 34 如何熄灭电弧 根据上述电弧产生的物理过程可知 欲使电弧熄灭 应设法降低电弧温度和电场强度 以加强消电离作用 当电离速度低于消电离速度 则电弧熄灭 灭弧装置用途 用于熄灭触头分断负载电流时产生的电弧 灭弧原理 迅速拉长电弧 冷却和去游离法 根据上述灭弧原则 常用的灭弧装置有如下几种 1 多断点灭弧2 灭弧栅3 磁吹式灭弧装置4 灭弧罩 35 应用 一般交流电器中 图1 12桥式触点灭弧示意图 1 多断点灭弧 36 37 应用 高压交流电器中 图1 13灭弧栅灭弧示意图 2 灭弧栅灭弧 38 应用 直流电器中 图1 14磁吹式灭弧
15、示意图1吹弧线圈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 3 磁吹式灭弧 39 灭弧罩的作用 第一点 用于降低电弧温度 第二点 隔离各项电弧 防止因电弧而发生相间短路 4 灭弧罩灭弧 40 接触器的定义 是利用电磁吸力频繁的远距离地接通或分断电动机电路或其他负载主电路的电磁式自动控制电器 接触器的结构 1 电磁机构2 主触点和辅助触点3 灭弧装置4 支架和底座 1 2 1接触器的定义 结构及工作原理 1 2接触器 41 接触器触点的类型 主触点 辅助触点主触点的作用 用来接通或分断电动机电路或其他负载主电路 辅助触点的作用 在控制电路中起联动作用 控制其它电器工作
16、 42 43 接触器的工作原理 线圈通电后 在铁芯中产生磁通 由此在衔铁气隙处产生吸力 使衔铁产生闭合动作 带动主触点闭合 接通主电路 同时衔铁还带动辅助触点动作 使原来断开的辅助触点闭合 而原来闭合的辅助触点断开 当线圈断电或线圈的电压降低到一定值时 电磁吸力消失或减弱 衔铁在反力弹簧的作用下打开 主 辅触点又恢复到原来的状态 1 2 2接触器的结构及工作原理 44 接触器的用途 1 自动接通或断开大电流电路的电器 接触器是利用电磁吸力频繁地远距离地接通或分断电动机电路或其他负载主电路 2 具有低电压或欠电压保护功能 接触器具有控制容量大 过载能力强 寿命长 设备简单经济等特点 是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件 控制对象 其主要控制对象是电动机 也可用于电热设备 电焊机 电容器组等其它负载 接触器的分类 接触器可分为交流接触器和直流接触器两大类 1 2 2接触器的用途及分类 45 46 触头系统 主触点 辅助触点常开触点 动合触点 常闭触点 动断触点 电磁机构 铁心 衔铁 吸引线圈和反作用弹簧灭弧装置 灭弧罩 灭弧栅灭弧 桥式触点灭弧用途 远距离地频繁地通断交流电路或控制
