电气控制讲义

电器是用来完成对被控对象实施控制、调节、检测和保护等作用的电气设备（器件）的总称。主要应用于电能的产生、输送、分配和电气控制。常用低压电器是按照电器的工作电压等级进行划分的。通常将交流50Hz（或60Hz）、额定电压1200V以下及直流额定电压1500V以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器元件称为低压电器（简称电器），例如接触器、继电器等。 

一、电器元器件的分类

电器的功能多、用途广、品种规格繁多，通常按以下分类方法进行分类： 

   1、按工作电压等级分

    ①高压电器 用于交流电压1200V、直流电压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1200V以下及直流额定电压1500V以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器元件称为低压电器，例如接触器、继电器。

   2、按动作原理分

    ①手动电器 人操作发出动作指令的电器，例如刀开关、按钮等。

    ②自动电器 产生电磁吸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。

    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。

二、低压电器的电磁机构及执行机构

从结构上来看，电器一般都具有两个基本组成部分——感测部分、执行部分。

感测部分接受外界输入的信号，并通过转换、放大、判断，做出有规律的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现控制的目的。执行部分则是触头。对于有触头的电磁式电器，感测部分大都是电磁机构。对于非电磁式的自动电器，感测部分因其工作原理不同而各有差异，但执行部分仍是触头。

1、 电磁机构

电磁机构是各种自动化电磁式电器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开。电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁、线圈和空气隙。

图1.1 常用电磁机构的形式

1. 铁心  2. 线圈  3. 衔铁

2、 执行机构

低压电器的执行机构一般由主触点及其灭弧装置组成。

触点：触点用来接通或断开被控制的电路。它的结构形式很多，按其接触形式可分为3种，即点接触、线接触和面接触，如图1.2示。

图1.2（a）所示为点接触，它由两个半球形触点或一个半球形与一个平面形触点构成。它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点或继电器触点。

图1.2（b）所示为线接触，它的接触区域是一条直线。触点在通断过程中是滚动接触，这样，可以自动清除触点表面的氧化膜，同时长期工作的位置不是在易烧灼的起始点而是在终点，保证了触点的良好接触。这种滚动线接触多用于中等容量的触点，如接触器的主触点。

图1.2（c）所示为面接触，它可允许通过较大的电流。这种触点一般在接触面上镶有合金，以减小触点接触电阻和提高耐磨性，多用作较大容量接触器或断路器的主触点。

电弧的产生与灭弧装置

当断路器或接触器触点切断电路时，如电路中电压超过10-20V和电流超过80-100mA，在拉开的两个触点之间将出现强烈火花，这实际上是一种气体放电的现象，通常称为“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。

三、常用低压电器元件

（一）、接触器

接触器是机床电气控制系统中使用量大、涉及面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护。    

接触器主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成。它是利用电磁吸力的作用来使触头闭合或断开大电流电路的，是一种非常典型的电磁式电器。接触器的主要组成部分为电磁系统和触头系统。电磁系统是感测部分，触头系统是执行部分。触头工作时，需经常接通和分断额定电流或更大的电流，所以常有电弧产生，为此，一般情况下都装有灭弧装置，并与触头共称触头一灭弧系统，只有额定电流甚小者才不设灭弧装置，如图1-3所示。

接触器根据电磁工作原理，当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，两者是联动的。当电磁线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原，即常开触头断开，常闭触头闭合。

接触器按其主触头所控制主电路电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。

 图1.3 接触器结构简图

1-灭弧罩 2-主触头 3-常闭辅助触头 4-常开辅助触头  5-动铁心 6-弹簧 7-电磁线圈 8-静铁心

1、 接触器的主要技术数据

额定电压：接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级为

直流接触器：220、440、660V。

交流接触器：220、380、500V。

额定电流：接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通常用的电流等级为

直流接触器：25、40、60、100、150、250、400、600A。

交流接触器：5、9、12、16、20、25、32、40、52、63、、75、110、170、250、400、630A。

线圈的额定电压：通常用的电压等级为：

直流线圈：24、48、110、220、440V。

交流线圈：24、36、120、220、380V。

额定操作频率：额定操作频率指每小时接通次数。现代生产的接触器，允许接通次数为150-1500次/h。

2.选择接触器时应从其工作条件出发，主要考虑下列因素：

    ①控制交流负载应选用交流接触器；控制直流负载选用直流接触器。

    ②接触器的使用类别应与负载性质相一致。

    ③主触头的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。

④主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流

（二）、继电器

继电器主要用于控制和保护电路中作信号转换用。一般来说，继电器由承受机构、中间机构和执行机构三部分组成。承受机构反映断电器输入量，并传递给中间机构，将它与预定的量（即整定值）进行比较，当达到整定值时（过量或欠量），中间机构就使执行机构产生输出量，用于控制电路的开、断。继电器通常触点容量较小，不需要灭弧装置，接在控制电路中，主要用于反应控制信号，是电气控制系统中的信号检测元件。控制继电器种类繁多，常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及温度、压力、计数、频率继电器、固态继电器等。下面仅介绍几种较常用的继电器。

1.电流继电器:

    电流继电器的线圈串接在被测量的电路中，以反映电路电流的变化。为了不影响电路工作情况，电流继电器线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。

    电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两类。欠电流继电器的吸引电流为线圈额定电流的30％～65％，释放电流为额定电流的10％～20％。过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.1～4倍额定电流。其符号见图1-4所示。

2.电压继电器：

    电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器线圈为并联的电压线圈，所以匝数多、导线细、阻抗大。

    电压继电器按动作电压值的不同，有过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器之分。过电压继电器在电压为额定电压的110％～115％以上时有保护动作；欠电压继电器在电压为额定电压的40％～70％时有保护动作；零电压继电器当电压降至额定电压的5％～25％时有保护动作。其符号见图1-5所示。

3.中间继电器

中间继电器实质上是电压继电器的一种，它的触点数多（有六对或更多），触点电流容量大，动作灵敏。其主要用途是当其它继电器的触点数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，从而起到中间转换的作用。中间继电器主要依据被控制电路的电压等级、触点的数量、种类及容量来选用。

4.时间继电器

凡是在敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间才动作的继电器叫时间继电器。这里指的延时区别于一般电磁继电器从线圈得到电信号到触点闭合的固有动作时间。时间继电器一般有通电延时型和断电延时型，其符号如图1.7所示。时间继电器种类很多，常用的有电磁阻尼式、空气阻尼式、电动式，新型的有电子式、数字式等时间继电器。

5．热继电器

热继电器是利用电流的热效应原理来工作的保护电器，它在电路中用作三相异步电动机的过载保护。热继电器的测量元件通常用双金属片，它是由主动层和被动层组成。主要层材料采用较高膨胀系数的铁镍铬合金，被动层材料采用膨胀系数很小的铁镍合金。因此，这种双金属片在受热后将向膨胀系数较小的被动层一面弯曲。

双金属片有直接、间接和复式3种加热方式。直接加热就是把双金属片当作发热元件，让电流直接通过；间接加热是用与双金属片无电联系的加热元件产生的热量来加热；复式加热是直接加热与间接加热两种加热形式的结合。

热继电器的基本工作原理如图1.8所示。发热元件串联于电动机工作回路中。电机正常运转时，热元件仅能使双金属片弯曲，还不足以使触头动作。当电动机过载时，即流过热元件的电流超过其整定电流时，热元件的发热量增加，使双金属片弯曲得更厉害，位移量增大，经一段时间后，双金属片推动导板使热继电器的动断触头断开，切断电动机的控制电路，使电机停车。为了使热继电器触头快速动作，往往采瞬跳动作结构。热继电器的电气符号如图1.9所示。热继电器的整定值是指热继电器长久不动作的最大电流，超过此值即动作。热继电器的整定电流可以通过热继电器所带的专门的调节旋钮进行调整。

6. 固态继电器 

    固态继电器（Solid State Relay）简称SSR，固态继电器是具有两个输入端和两个输出端的一种四端器件，其输入与输出之间通常采用光电耦合器隔离，并称其为全固态继电器。固态继电器按输出端负载的电源类型可分为直流型和交流型两类。其中直流型是以功率晶体三极管的集电极和发射极作为输出端负载电路的开关控制的，而交流型是以双向三端晶闸管的两个电极作为输出端负载电路的开关控制的。固态继电器的形式有常开式和常闭式两种，当固态继电器的输入端施加控制信号时，其输出端负载电路常开式的被导通，常闭式的被断开。                                                                                                             

交流型的固态继电器，按双向三端晶闸管的触发方式可分为非过零型和过零型两种。固态继电器的输入端要求有几个mA至20mA的驱动电流，最小工作电压为3V，所以MOS逻辑信号通常要经晶体管缓冲级放大后再去控制固态继电器，对于CMOS电路可利用NPN晶体管缓冲器。当输出端的负载容量很大时，直流固态继电器可通过功率晶体管（交流固态继电器通过双向晶闸管）再驱动负载。

（三）、开关电器

1.刀开关

    开关（俗称闸刀开关）结构简单，由操作手柄、刀片、触头座和底板等组成。在机床上刀开关主要用来接通和断开长期工作设备的电源。

使用注意的问题：刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。如果倒装，拉闸后手柄可能因自重下落引起误合闸而造成人身和设备安全事故。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样较为安全。

2.万能转换开关

万能转换开关是一种多档式、控制多回路的主令电器。它主要用于完成对电路的选择控制、信号转换、电源的换相测量等任务。如手动、自动的切换、多路信号的输入选择、电流表和电压表的换相测量等。结构原理如图1-10所示。

图1-10  万能转换开关结构图

在图中万能转换开关打向左45°时，触点1-2、3-4、5-6闭合，触点7-8打开；打向

0°时，只有触点5-6闭合，右45°时，触点7-8闭合，其余打开。

3.行程开关

行程开关又称限位开关，是一种根据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关电器。它是通过其机械结构中可动部分的动作，将机械信号变换为信号，以实现对机械的电气控制。从结构看，行程开关由3个部分组成：操作头，触头系统和外壳。操作头是开关的感测部分，它接受机械结构发出的动作信号，并将此信号传递到触头系统。触头系统是开关的执行部分，它将操作头传来的机械信号，通过本身的转换动作，变换为电信号，输出到有关控制回路，使之能按需要做出必要的反应。

4.控制按钮：控制按钮一般和接触器或继电器配合使用，实现对电动机的远程操作、控制电路的电气联锁等。

5.信号灯是用来指示电气运行状态、生产节拍、机械位置、控制命令等的电器器件。

（四）、其他常用电器

1．低压熔断器

熔断器是一种利用熔体的熔化作用而切断电路的、最初级的保护电器，适用于交流低压配电系统，作为线路的过负载及系统的短路保护用。熔断器作为过负载及短路保护电器具有分断能力高、限流特性好、结构简单、可靠性高、使用维护方便、价格低又可与开关组成组合电器等许多优点，所以得到广泛的应用。

2．低压断路器

低压器断路器又称作自动空气断路器，简称自动空气开关或自动开关。低压断路器与接触器不同的是，虽然允许切断短路电流，但允许操作的次数较低，不适宜频繁操作。

低压断路器主要由触头系统、操作机构和保护元件3部分组成。主触头由耐弧合金（如银钨合金）制成，采用灭弧栅片灭弧。操作机构较复杂，其通断可用手柄操作，也可用电磁机构操作，大容量的断路器也可采用电动机操作；自动脱扣装置可应付各种故障，使触点瞬时动作，而与手柄的操作速度无关。

图1.11 低压断路器电器符号

第二章 电气制图与识图

2.1 电气图概述

2.1.1 电气图的定义

    用电气图形符号、带注释的围框或简化外形表示电气系统或设备中组成部分之间相互关系及其连接关系的一种图。广义地说表明两个或两个以上变量之间关系的曲线，用以说明系统、成套装置或设备中各组成部分的相互关系或连接关系，或者用以提供工作参数的表格、文字等，也属于电气图之列。 

2.1.2 电气图的分类

1、系统图或框图：用符号或带注释的框，概略表示系统或分系统的基本组成、相互关系及其主要特征的一种简图。

       2、电路图：用图形符号并按工作顺序排列，详细表示电路、设备或成套装置的全部组成和连接关系，而不考虑其实际位置的一种简图。目的是便于详细理解作用原理、分析和计算电路特性。

3、功能图：表示理论的或理想的电路而不涉及实现方法的一种图，其用途是提供绘制电路图或其他有关图的依据。表格其用途表示各组成部分的名称、型号、规格和数量等。

4、逻辑图：主要用二进制逻辑（与、或、异或等）单元图形符号绘制的一种简图，其中只表示功能而不涉及实现方法的逻辑图叫纯逻辑图。

5、功能表图：表示控制系统的作用和状态的一种图。

6、等效电路图：表示理论的或理想的元件（如R、L、C）及其连接关系的一种功能

7、程序图：详细表示程序单元和程序片及其互连关系的一种简图。 

8、设备元件表：把成套装置、设备和装置中各组成部分和相应数据列成的

9、端子功能图：表示功能单元全部外接端子，并用功能图、表图或文字表示其内部功能的一种简图。

10、接线图或接线表：表示成套装置、设备或装置的连接关系，用以进行接线和检查的一种简图或表格。

     ⑴单元接线图或单元接线表：表示成套装置或设备中一个结构单元内的连接关系的一种接线图或接线表。（结构单元指在各种情况下可运行的组件或某种组合体）

     ⑵互连接线图或互连接线表：表示成套装置或设备的不同单元之间连接关系的一种接图或接线表。（线缆接线图或接线表）

     ⑶端子接线图或端子接线表：表示成套装置或设备的端子，以及接在端子上的外部接线（必要时包括内部接线）的一种接线图或接线表。

⑷电费配置图或电费配置表：提供电缆两端位置，必要时还包括电费功能、特性和路径等信息的一种接线图或接线表。

11、数据单：对特定项目给出详细信息的资料。

12、简图或位置图：表示成套装置、设备或装置中各个项目的位置的一种简图或一咱图叫位置图。指用图形符号绘制的图，用来表示一个区域或一个建筑物内成套电气装置中的元件位置和连接布线。 

2.1.3 电气图的一般规则

  1、电气图面的构成：边框线、图框线、标题栏、会签栏组成。

      2、幅面及尺寸：边框线围成的图面为图纸的幅面。

      ⑴、幅面尺寸分五类：A0-A4 

          A0-A2号图纸一般不得加长。

          A3、A4号图纸可根据需要，沿短边加长。

      ⑵、选择幅面尺寸的基本前提：保证幅面布局紧凑、清晰和使用方便。

      ⑶、幅面选择考虑因素：

      ①、所设计对象的规模和复杂程度。

          ②、由简图种类所确定的资料的详细程度。

          ③、尽量选用较小幅面。

          ④、便于图纸的装订和管理。

          ⑤、复印和缩微的要求。

          ⑥、计算机辅助设计的要求。

      3、标题栏是用以确定图样名称、图号、张次、更改和有关人员签名等内容的栏目，相当于图样的“铭牌”。

       标题栏的位置一般在图纸的右下方或下方。标题栏中的文字方向为看图方向，会签栏是供各相关专业的设计人员会审图样时签名和标注日期用。

       4、图样编号由图号和检索号两部分组成。

2.2 电气图识图

详看图纸说明

拿到图纸后，首先要仔细阅读图纸的主标题栏和有关说明，如图纸目录、技术说明、电器元件明细表、施工说明书等，结合已有的电工知识，对该电气图的类型、性质、作用有一个明确的认识，从整体上理解图纸的概况和所要表达的重点。

看电路图是看图的重点和难点

电路图是电气图的核心。看电路图首先要看有哪些图形符号和文字符号，了解电路图各组成部分的作用，分清主电路和辅助电路，交流回路和直流回路。其次，按照先看主电路，再看辅助电路的顺序进行。 

电气控制系统中主电路主要由接线端子、低压断路器（自动空气开关）或熔断器、交流接触器、热继电器、交流电动机组成。

主电路的保护主要体现为短路保护和过载保护，低压断路器具有短路、过载双重保护功能和开关分断能力；熔断器只具有短路保护功能；接触器可以作为远程控制开关使用，（一般由主令电器控制）。

电气控制系统中控制电路主要由保护开关（或熔断器）、接触器线圈和辅助触点、继电器线圈和触点、主令电器、接线端子等组成。控制电路的逻辑控制关系包括自锁、互锁、联锁、顺序控制、行程控制等。

看主电路时，通常要从下往上看，即先从用电设备开始，经控制电器元件，顺次往电源端看；看辅助电路时，则自上而下，从左至右，即先看主电源，再顺次看各条支路，分析各条支路电器元件的工作情况及其对主电路的控制关系，注意电器与机械机构的连接关系。

通过看主电路，要搞清负载是怎样取得电源的，电源线都经过哪些电器元件到达负载和为什么要通过这些电器元件；通过看辅助电路，应搞清辅助电路的构成，各电器元件之间的相互联系和控制关系及其动作情况等。同时，还要了解辅助电路和主电路之间的相互关系，进而搞清楚整个电路的工作原理和来龙去脉。

电路图与接线图对照起来看

接线图和电路图相互对照，有助于搞清楚接线图。读接线图时，要根据端子标志和回路标号从电源端顺次查下去，搞清楚线路走向和电路的连接方法，以及每条支路是怎样通过各个电器元件构成闭合回路的。

2.3 典型电气控制图