低压电器基础知识

,COSL学院 电气专业教案新员工,课程xxx-船舶低压电器及电机控制,版本1.0,第8章 电动机的自动控制基础,8.1 控制电器的结构原理和功能,8.2 电动机的基本保护环节,8.3 控制电路的基本控制环节,8.4 可编程序控制器及应用,内容简介,本章首先介绍常用的控制电器如继电器、接触器等，讲述组成电器控制线路的基本规则；之后，分析可编程控制器的工作原理。,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），自动或手动接通和断开电路，从而断续或连续地改变电路参数或状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节用的电气元件或设备。,什么是电器,低压电器：常指用于交流额定电压1200v、直流额定电压1500v及以下的电路中的电器产品,8.1 控制电器的结构原理和功能,时间继电器,热继电器,按钮,熔断器,限位开关,接触器,组合按钮,中间继电器,8.1.1 接触器,动作过程,线圈通电,衔铁被吸合,触头闭合,电机接通电源,线圈,铁芯,衔铁,主触头,弹簧,辅助,触头,M,3,电机,当吸引线圈通电后，产生的电磁吸力将衔铁吸合，带动触头工作。当线圈断电或电流小到一定程度时，由反力弹簧作用使衔铁释放。,1铁芯 2线圈,3衔铁 4静触点,5动触点 6触点弹簧,7释放弹簧,电磁式电器工作原理示意图,b）线圈通以交流电,（a）线圈通以直流电的电磁机构,I与,无关,接触器有关符号：,接触器线圈,接触器主触头用于主电路,（流过的电流大，需加灭弧装置）,常开,常闭,接触器辅助触头用于控制电路,（流过的电流小，无需加灭弧装置）,接触器控制对象：电动机及其它电力负载,接触器指标：额定工作电压、电流、触点数目等。,2) 接触器的主要技术参数,（1）线圈额定电压：,指接触器吸合线圈的额定工作电压。,（2）额定电流：,指主触头的额定工作电流。,（3）动作值：,指接触器的吸合线圈电压和释放电压。,8.1.2 主令电器,主令电器是切换控制线路的单极或多极电器，其触头容量小，不能切换主电路。主令电器主要包括按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。,1) 按钮开关,按钮开关通常用来接通或断开控制电路，从而控制电动机或其他电气设备的运行。,2) 万能转换开关(多路多极开关),转换开关有自复位式和定位式两种操作方式。自复位式转换开关当人手离开操作手柄时能自动回复到原始位置；定位式转换开关则每隔30或45有一个定位。,3) 行程开关,行程开关又称限位开关，是利用机械运动部件的碰撞或接近来控制其触头动作的开关电器。常用型式有按钮式和转臂式两种,主令控制器是一种多位置多回路的控制开关，适合于频繁操作并要求有多种控制状态的场合，例如起货机、锚机的控制等。,4) 主令控制器,最简单而又有效的短路保护电器是熔断器，船上常用的有管式和螺旋式,。,8.1.3 熔断器,熔体额定电流 的选择：,频繁起动的电机,2. 电动机主回路,（稍大）,1,. 平稳负载,（如电灯、电炉）,电路符号,FU,安秒特性,t,I,F,几台电动机共电路,=（1.52.5)I,n,(最大的电动机),+I,n,(其余电动机),继电器是传递信号的一种电器。,按感觉元件的动作原理可分为电磁式、感应式、机械式、双金属片式、电子式、电动式等。,8.1.4 继电器,其结构和动作原理与电磁式接触器相似，与接触器不同的地方是继电器,无主、辅触头之分，动作灵敏。,它也有交流和直流之分。,1) 电磁式继电器,（1）电压继电器：,其电压线圈匝数多、线径细，并联于电路中。,正常电压时，衔铁被吸合。当电压低于某一整定值或为零时，衔铁被释放。,（2）电流继电器：,其电流线圈匝数少、线径粗，串联于电路中。,当电流达到某一整定值时，衔铁被吸合或释放。,（3）中间继电器：,是将一个输入信号变为一个或多个输出信号的继电器。,其作用是增加触头数量以扩大控制范围；具有以弱控强的开关信号“放大”能力。在较复杂的电路中用作程序控制元件。,2) 时间继电器,时间继电器,定时类型：,电子式,阻容式,电磁式（空气式）,电动式,机诫式,数字式,（1）空气阻尼式时间继电器的工作原理,空气阻尼式时间继电器主要由电磁机构、工作触头(微动开关)、气室及传动机构等组成,它有通电延时与断电延时两种。,延时时间的长短与气室的进气量有关，调节螺钉可整定延时时间，调节范围在0.4180s之间。,常开触头,延时闭合,常闭触头,延时打开,线圈,衔铁,常闭触头,常开触头,线圈通电,衔铁吸合（向下）, 连杆动作, 触头动作,动作过程,铁心,出气孔,进气孔,橡皮膜,伞形活塞,杠杆,断 电 式,常闭,断电后,延时闭合,常开,断电后,延时断开,通 电 式,瞬,时,动,作,延,时,动,作,常闭触点,常开触点,常开,通电后,延时闭合,常闭,通电后,延时断开,（2）,半导体时间继电器,C,1,、C,2,为滤波电容,当电源变压器接上电源，正、负半波由二个二次绕组分别向电容C,4,充电， A点电位按指数规律上升。原始状态V,T1,管导通、V,T2,管截止。,（2）,半导体时间继电器,当A点电位高于B点电位，V,T1,管截止、V,T2,管导通，V,T2,管集电极电流通过高灵敏继电器KA的线圈，右侧继电器KA的触点输出信号，同时,KA的常闭触点断开充电电路，KA的常开触点闭合使电容放电,，为下次工作做好准备。,（2）,半导体时间继电器,调节电位器R,W1,的数值，就可以改变延时的大小，延时可达0.2s300s。,3) 热继电器,热继电器是利用电流的热效应而动作的电器。,热继电器脱扣后，经过一段时间冷却可自动或手动复位，图示的结构只能手动复位。热继电器也是,反时限特性,。,发热元件,双金属片,复位按钮,它主要作用是对电动机实现过载保护。整定电流与电动机的额定电流基本上一致,。,扣板,拉簧,连板,常闭触头,热继电器的符号,发热元件,KH,常闭触头,KH,感应式,4) 速度继电器,按转速大小传递信号,的继电器。按结构的不同分为感应式、离心式等。圆环的转动力矩很小，当转速降到100rmin时，触头在弹簧反力作用下恢复原位。,转轴,永久磁铁,圆环,鼠笼绕组,摆槌,弹簧,触头,触头,8.1.5 电磁制动器,电动机的机械制动采用电磁制动器来实现的，常见的有圆盘式和抱闸式两种。,1) 圆盘式电磁制动器,当电动机运转时，电磁刹车线圈通电产生吸力，将静摩擦片(即电磁铁的衔铁)吸住，而与动摩擦片相脱开，使电动机可自由旋转。停车时，刹车线圈失电，静摩擦片被反作用弹簧紧压到安装在电动机轴上的动摩擦片上，产生摩擦力矩，迫使电动机停转。,调整制动器外壳上的螺栓，用于改变反作用弹簧制动力矩，但必须注意所有螺栓要均匀调节，否则会造成摩擦片歪斜、气隙不均匀，出现噪声和振动。,圆盘式电磁制动器工作时静、动摩擦片之间的间隙通常在2至6mm之间，间隙过小，容易造成松闸时静、动摩擦片之间的擦碰；间隙过大，则在制动时产生较大机械碰撞。,2) 抱闸式电磁制动器,抱闸式电磁制动器又叫电磁抱闸，其制动原理与圆盘式电磁制动器相仿。它由制动电磁铁和制动闸瓦制成。当制动电磁铁线圈通电后，产生吸力，使抱闸闸瓦松开，电动机便能自由转动；当线圈断电时，闸瓦在弹簧力作用下，将电动机闸轮刹住，使电动机迅速停转。,8.2 电动机的基本保护环节,对电动机控制而言，须具备四种基本保护：短路电流保护，过载保护(或过电流保护)，欠电压保护(包括零电压保护)以及对三相交流电动机缺相保护等。,8.2.1 短路电流保护,图示的交流磁力起动器中，主电路和控制电路上都装有熔断器FU，以实现短路保护。,8.2.2 过载保护,图示的交流磁力起动器中，装有热继电器FR，当电动机过载时，热继电器的脱扣机构动作，其对应的常闭触头FR打开，接触器线圈KM失电，主辅触头复位，使电动机停转，防止电动机因长期过载而发热烧坏。,图示的交流磁力起动器中的热继电器FR起着缺相保护的作用，它将断开接触器电源，使电动机停转。,8.2.2 过载保护,一般热继电器的发热元件串接在三相主电路的任意两相之中，在任一相发生断路故障时，必然导致另两相电流的大幅度增加，为热继电器所检测到。,8.2.2 过载保护,8.2.3 零电压和欠电压保护,零电压保护和欠电压保护一般可由同一电器来实现。在由按钮作为主令电器的控制线路中，一般由线路中的接触器兼作零压和欠压保护，而不另设专用的零压和欠压保护电器。如交流磁力起动器中由接触器KM来实现该保护。,8.2.3 零电压和欠电压保护,用作零电压和欠电压保护的继电器或接触器，必须具备高返回系数，吸引线圈的吸合电压Ux，一般整定在0.80.85额定电压之间，释放电压Uf整定在0.50.7额定电压之间。,2.接线图:又称安装图。,* 控制线路中电器和元件的图形符号和文字符号,* 电气线路图,电气线路图可分为主电路和辅助（控制）电路。可绘制成两种不同的形式：电路图和接线图。,1.电路图:对分析电气系统的工作原理是 十分方便的。,8.3 控制电路的基本控制环节,* 绘制电路图的规定,其主要规定归纳如下：,1. 电机、电器和其他带电部分都应按国家标准规定的图形符号和文字符号绘制和标注。,2.按主电路和控制电路两部分画出。,3.电器都按没通电或不受外力作用时的正常状态画出。,5.各元件一般按动作顺序从上到下,从左到右依次排开。有直接电联系的导线交叉连接点要用小圆圈或黑圆点表示。,* 绘制电路图的规定,其主要规定归纳如下：,4.同一电器的不同部件,按其在电路中的作用画在不同的电路部位上,标以相同的文字符号。,触头（KM）打开,按钮松开,线圈（KM）断电,电机停转。,触头（KM）闭合,按下按钮,（,SB,）,线圈（KM）通电,电机转动；,A,B,C,M,3,起动,按钮,8.3.1 点动控制,8.3.2 连续控制,在点动控制的基础上，若将接触器KM的一对常开辅触头KM与起动按钮SB,l,的触头并联，即成为“连续”控制，辅触头 KM被称为“自锁”(或 “自保”)触头。上节介绍的交流磁力起动器对电动机进行直接起动控制就是连续控制方式。该方式中要解除“自锁”，必须按停车按钮SB,2,。,8.3.3 行程控制,某些生产机械的运动部件的行程范围有一定限制，例如船舶舵机的左右舵角偏转必须限制在35以内；起货机提升机构必须防止吊索收尽而造成吊钩撞碰吊臂事故等。实现行程控制，应将开关安置在设限的位置上，其常闭触头SQ,l,、SQ,2,与控制线路中的停止控钮SB,2,串联。,当运动机械移动到极限位置时，行程开关的常闭触头SQ,l,、SQ,2,断开，电动机便停转。显然限位控制是避免生产机械进入异常位置的一种限位保护。,8.3.3 行程控制,8.3.4 多地点控制,有些生产机械要求能在两个或两个以上多地点进行控制，例如，机舱内许多泵浦电动机不但要求能在泵附近进行起停控制，而且要求能在集控室进行遥控操纵。为此可将多地点起动按钮并接成“或”逻辑关系，多地点停车按钮串接成“与”逻辑关系。,8.3.5 互锁控制,线路中的接触器触头KM,F,和KM,B,构成了电动机正反转互锁保护，用于防止正、反转接触器KM,F,和KM,B,的同时动作。,8.3.6 联锁控制,接触器KM,1,控制设备A， KM,2,控制设备B。KM,1,的常开辅触头串在KM,2,的控制回路中，因此只有当KM,1,获电动作后， KM,2,才有可能动作。而KM,2,的常开辅触头KM,2,与按钮SB,3,并联，因此当KM,2,获电处于运行状态时， KM,1,是不会失电停止工作的。,8.3.7 双位控制,在许多无人管理的生产场合，常用到 “双位”自动控制。例如船舶辅锅炉的高低水位控制，食品冷库的高低温度控制，空调压缩机的自动起停控制等等。,8.3.8 时间控制,船舶机舱泵浦电机按照时间原则启动，很多控制电路需要实施时间控制。例如：,大容量三相交流异步电动机起动的Y换接起动；,船上的燃油辅锅炉，点火时间通常设定为510s，在这段时间内如果点火不成功，则视为点火失败，发出报警。,8.3.9 典型控制电路,1） 电动机正反转控制电路,电动机的正反转控制本质上是一种互锁控制：,机舱风机的正反转控制，正转时通风机向机舱送风，反转时从机舱抽风。,采用按钮互锁方式的电动机正反转电气互锁控制：,救生艇吊艇机的电气控制 。,KH,KMF,SB1,KMF,SBF,KMR,KMR,KMR,KMF,SBR,KMF,KMR,M,3,A,B,C,FU,QS,KH,电器互锁,机械互锁,双保险,机械互锁（复合按钮）,电器互锁（互锁触头）,部分起货机控制线路,2）海(淡)水柜水位自动控制电路,水柜为压力水柜，随着用水量的变化，水、气空间容积在变化，即液位高度和气压都在变化。水位上升，气的空间高度减小，气压增加，如果不考虑漏气损耗，气压大小显然是与水位高低成正比例的，高限水位H(H)对应着高限压力，低限水位H(L)对应着低限压力 。,双位（限）原理的自动控制,海(淡)水柜(压力)自动控制,SP(H)和SP(L)分别代替SB,2,和SB,1,海(淡)水柜(压力)自动控制,3）空压机自动控制电路,它的控制要求是：当主空气瓶内气压达到2.52.8MPa高限值时，空压机必须停机；而当气压降低到1.51.3MPa低限值时，空压机则要重新起动。,在手动控制时，先把“手动自动”转换开关置于“手动”位置。当“手动自动”转换开关置于“自动”位置时，空压机的起动和停机完全由组合式压力开关SP的高、低压触头来控制。,压力继电器高压：2.52.8Mpa；低压：1.51.3Mpa.,SP-,W,为冷却水压力保护.,“自动”：压力开关SP低压开关代替启动按钮；,压力开关SP高压开关代替停止按钮.,“手动”： 合QS YV3有电，泄残阀开启泄残.,按SB1 KA有电 YV1有电，冷却水阀开.当压力上升到正常值SP-,W,闭合 KM有电 空压机启动.,自锁,KT有电 KT断 KA断电,KT断 YV3关闭,KT闭合 YV2供气阀开供气.,延时,4）三相异步电动机Y起动控制电路,正常运行时采用形接法，起动时采用Y形接法，以减小起动电流。,按SB2 KM1有电 KM2有电 Y起动,KT有电,延时,KM2断电,自保,KM3有电,运转,自保,KT 断电,起动过程：,8.4 可编程序控制器及应用,在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称：,可编程序矩阵控制器PMC,（Programmable Matrix Controller）,可编程序顺序控制器PSC,（Programmable Sequence Controller）,可编程序逻辑控制器PLC,（Programmable Logic Controller）,8.4.1 PLC概述,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。,1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。,可靠性高(平均无故障时间3-5万小时）,编程简单,通用性强,体积小、结构紧凑、安装、维护方便,PLC的优点,PLC的缺点,主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。,编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。,PLC的应用领域,PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。经验表明， 80 以上的工业控制可以使用PLC来完成。,在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代。,8.4.2 PLC基本组成和工作原理, PLC的基本组成,编程器或其他编程设备,SB,SQ,SA,HL,YV,KM,微处理器,存储器,输,入,单,元,输,出,单,元,电源,1.中央处理单元（CPU）：,(1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令,(2)将各种输入信号取入,(3) 把运算结果送到输出端,(4) 响应各种外部设备的请求,-,通用处理器：8086、80286、80386,单片机芯片：8031、8096,位片式微处理器：AMD-2900,小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU,中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU,大型PLC多采用高速位片式微处理器,2.,存储,RAM：,存储各种暂存数据、中间结果、用户正调,试的程序。,ROM：,存放监控程序和用户已调试好的程序。,3.,输入、输出接口：,采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,输出接口作用：,将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出三种形式：,继电器 - 低速大功率,可控硅 - 高速大功率,晶体管 - 高速小功率,输入接口作用：,将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,（1）输入接口电路：,采用,光电耦合器，防止强电干扰。,COM,光电三极管,发光二极管,直流电源,输入端子,+,PLC,X,n,+,24V,发光二极管,继电器输出,（2）输出接口电路：,以,继电器形式为例：,PLC,内,部,电,路,内,部,电,路,J,+,交流电源或直流电源,Y,COM,-,4.电源单元,把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。,有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。,可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。,5.,各种接口、高功能模块：,便于扩展,小型机：,一体机。有接口可扩展。,电源模块,CPU模块,IO模块,底 板,中、大型机：,模块式。可根据需要在主板上随意组合,。,输入点总有输入映象区的某一位与之相对应,I/O映象区的大小与系统控制的规模有关,PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系 。,PLC的工作原理建立I/O映像区,定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDT,PLC之间以及PLC与PC之间； PLC与其他带微处理器的智能装置通信,编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机,以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中,扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。,清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。,PLC工作过程,可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。,用户程序的循环扫描过程,S7-200PLC的系统配置,基本单元（S7-200CPU模块）也称为主机，它包括一个中央处理单元（CPU）、电源、数字量输入输出单元。基本单元可以构成一个独立的控制系统。,个人计算机（PC）或编程器需装上STEP7-Micro/WIN32编程软件后，才可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。,STEP7-Micro/WIN32编程软件的,基本功能,是创建、编辑、调试用户程序、组态系统等。,通讯电缆是PLC用来与个人计算机（PC）实现通讯的。可以用PC/PPI电缆（RS232RS485），也可用一个通讯处理器（CP）和多点接口（MP1）电缆，或者用一块MPI卡及随MP1卡提供的一根通讯电缆。,CPU226AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图,PLC梯形图语言的编程原则,1、梯形图由多个梯级组成，每个线圈可构成一个梯级，,每个梯级有多条支路，每个梯级代表一个逻辑方程；,2、梯形图中的继电器继电器、接点、线圈不是物理的，,是PLC存储器中的位(1=ON；0=OFF)；编程时常开/,常闭接点可无限次引用，线圈输出只能是一次；,3、梯形图中流过的不是物理电流而是“,概念电流,”，只,能从,左向右流,；,4、用户程序的运算是根据PLC的输入/输出映象寄存器中,的内容，逻辑运算结果可以立即被后面的程序使用；,5、PLC的内部继电器不能做控制用，只能存放逻辑控制,的中间状态；,6、输出线圈不能直接驱动现场的执行元件，通过I/O模,块上的功率器件来驱动。,1.,位操作功能,2. 定时器/计数器,3. 算术运算功能,4. 关系运算功能,5. 数据传送功能,6. 转换功能,7. 控制功能,S7-200PLC指令系统,2.功能块,1.继电器,触点,线圈,( ),输入参数,输出参数,Enable,条件,长度,IN1,IN2,N,OUT,功能,数据类型,EN,一、基本逻辑指令,助记符,LDI0.0,A,I0.1,=Q0.0,LDI0.0,O,I0.1,=Q0.0,LDN,I0.1,=Q0.0,与,AND,或,OR,非,NOT,当 I0.0与 I0.1,都 “ON” 时，,则输出 Q0.0,“ON”(,1,)。,当 I0.0,或 I0.0,“ON” 时,则输出 Y0,“ON”(,1,),当 I0.1,“OFF” 时,则输出 Q0.0,“ON”(,1,),I0.0,I0.1,Q0.0,I0.0,I0.1,Q0.0,Q0.0,I0.1,I0.0,*,*,I0.1,逻辑关系,梯形图,Q0.0,*,注意：,与、或、非运算均是对从该指令前面的ST,指令到该指令的前一个指令处的结果进行,运算。,A,X2是与图中A点处的结果（即X0与X1的结果）相或，而不是与X1相或。,X0,X2,X1,LDX0,AX1,OX2,=Y0,例：,Y0,助记符,LDX0,OX1,LDX2,OX3,ALD,=Y0,LDX0,AX1,LDX2,AN X3,OLD,=Y0,当 “X0,或 X1”与“X2,或X3”,都 “ON” 时，,则输出 Y0,“ON”。,区块与,ALD（And Stack）,区块或,OLD（Or Stack）,当 “X0,与 X1”或“X2,与,X3非”,“ON” 时，则输,出 Y0,“ON”。,Y0,X0,X2,X1,X3,X0,X1,X2,X3,Y0,逻辑关系,梯形图,电动机直接起动停车控制,I/O分配：,停车按钮SB1: I0.0,起动按钮SB2: I0.1,接触器KM : Q0.1,I/O分配决定PLC的端子接线图,端子接线方式又决定编程语言,Q0.1,I0.0,Q0.1,I0.1,电动机直接起动停车控制,端子接线方式又决定编程语言,电动机直接起动停车控制,I0.0,Q0.1,I0.1,Q0.1,Click to edit title style,