電氣控制與PLC應(yīng)用 課件 02- 常用低壓電器

第2章常用低壓電器2.4斷路器2.3繼電器2.1低壓電器的定義與分類2.2接觸器2.6主令電器2.7新型智能電器2.5熔斷器2.1低壓電器的定義與分類2.1.1低壓電器定義

低壓電器是指工作在交流電壓1000V以下、直流電壓1500V及以下的電器。它是能夠根據(jù)外界特定的信號(hào)和要求,自動(dòng)或手動(dòng)接通和斷開(kāi)電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)電路或非電對(duì)象的切換、控制、保護(hù)、檢測(cè)、變換和調(diào)節(jié)用的電氣元件。2.1.2低壓電器分類低壓電器種類繁多,結(jié)構(gòu)形式各異,工作原理及功能也各不相同。因此低壓電器的分類方法很多。本教材主要從用途進(jìn)行分類,常用的低壓電器主要類別及用途見(jiàn)表2-1。2.2接觸器2.2.1接觸器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理目前最常用的接觸器是電磁接觸器,它由電磁機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)、滅弧裝置及其他部分組成。接觸器的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-1所示。電磁機(jī)構(gòu)將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,產(chǎn)生電磁吸力帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作。電磁機(jī)構(gòu)包括電磁線圈、動(dòng)鐵心和靜鐵心。觸點(diǎn)是接觸器的執(zhí)行元件,用來(lái)接通或斷開(kāi)被控制電路,包括主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)。滅弧裝置用于熄滅主觸點(diǎn)在分?jǐn)嚯娏魉查g觸點(diǎn)間氣隙中產(chǎn)生的電弧。其他部分包括釋放彈簧機(jī)構(gòu)、支架與底座等。接觸器的工作原理說(shuō)明:當(dāng)電磁線圈通電后,線圈電流產(chǎn)生磁場(chǎng),使靜鐵心產(chǎn)生電磁力吸引銜鐵,并帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作,使常閉觸點(diǎn)斷開(kāi),常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,兩者是聯(lián)動(dòng)的。當(dāng)線圈斷電時(shí),電磁力消失,銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放,使觸點(diǎn)復(fù)原,即常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi),常閉觸點(diǎn)閉合。2.2.2接觸器的分類接觸器根據(jù)所控制主電路電流的類型,可分為交流接觸器和直流接觸器。交流接觸器:線圈可以是交流線圈也可以是直流線圈,主觸點(diǎn)接通、切斷交流主電路。直流接觸器:線圈只能是直流線圈,主觸點(diǎn)接通、切斷直流主電路。交流線圈中通上交流電,交變磁通穿過(guò)鐵心,產(chǎn)生渦流和磁滯損耗,使鐵心發(fā)熱。為減少鐵心損耗,鐵心用硅鋼片沖壓而成;為便于散熱,線圈做成短而粗的圓筒狀繞在骨架上;為防止交變磁通使銜鐵產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲,鐵心端面上安裝銅制的短路環(huán)。滅弧裝置通常采用滅弧罩和滅弧柵。直流線圈中通上直流電,不產(chǎn)生渦流和磁滯損耗,鐵心不發(fā)熱,鐵心可以用整塊鋼制成。為便于散熱,線圈制成長(zhǎng)而薄的圓筒狀。滅弧裝置通常采用滅弧能力較強(qiáng)的磁吹滅弧裝置。2.2.3接觸器的主要技術(shù)參數(shù)和選用方法接觸器的主要技術(shù)參數(shù)電流類型;線圈電壓;主觸點(diǎn)額定電流、額定電壓、觸點(diǎn)極數(shù);輔助觸點(diǎn)額定電流、觸點(diǎn)對(duì)數(shù);等等。選用接觸器時(shí)主要依據(jù)以下幾點(diǎn)(1)接觸器的使用類別應(yīng)與負(fù)載性質(zhì)相一致:控制交流負(fù)載應(yīng)選用交流接觸器;控制直流負(fù)載則選用直流接觸器。(2)主觸點(diǎn)的額定工作電壓應(yīng)大于或等于負(fù)載電路的電壓。2.2.3接觸器的主要技術(shù)參數(shù)和選用方法選用接觸器時(shí)主要依據(jù)以下幾點(diǎn)(3)主觸點(diǎn)的額定工作電流應(yīng)大于或等于負(fù)載電路的電流。接觸器的額定電壓和電流是指主觸點(diǎn)的額定電壓和電流。當(dāng)控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)時(shí),可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算接觸器主觸頭的電流:式中,IC為接觸器主觸點(diǎn)電流(A);K

為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取(1~1.4);PN

為電動(dòng)機(jī)的額定功率(kW);UN

為電動(dòng)機(jī)的額定電壓(V)。(4)吸引線圈的額定電壓和頻率應(yīng)與控制回路的電壓和頻率相一致,接觸器在線圈額定電壓85%及以上時(shí)應(yīng)能可靠地吸合。(5)主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)能滿足控制系統(tǒng)的需要。2.3繼電器2.3.1電磁式繼電器由于電磁式繼電器具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn),故在電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。電磁式繼電器按吸引線圈電流的種類不同,可分為直流和交流兩種;按輸入信號(hào)的性質(zhì),可分為電壓繼電器和電流繼電器。電磁式繼電器的實(shí)物圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-2所示。2.3.2時(shí)間繼電器當(dāng)繼電器感應(yīng)元件接收外界信號(hào)后,經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間才執(zhí)行部分動(dòng)作的繼電器稱為時(shí)間繼電器。電磁式繼電器的實(shí)物圖、延時(shí)時(shí)序圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-3所示。

選用時(shí)間繼電器,主要從以下幾個(gè)方面考慮:(1)根據(jù)控制電路對(duì)延時(shí)方式的要求選擇通電延時(shí)還是斷電延時(shí)。(2)根據(jù)控制電路對(duì)觸點(diǎn)的數(shù)目要求選擇。(3)根據(jù)控制電路延時(shí)范圍和精度要求選擇。(4)根據(jù)使用場(chǎng)合、工作環(huán)境選擇。2.3.3熱繼電器熱繼電器是依靠電流流過(guò)發(fā)熱元件時(shí)產(chǎn)生的熱量,使雙金屬片發(fā)生彎曲而推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的一種電器,主要用于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)、斷相及電流不平衡運(yùn)行的保護(hù)及其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。熱繼電器的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-4所示。熱繼電器的工作原理如圖2-4(b)所示。熱元件(雙金屬片7)由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片組合的復(fù)層材料構(gòu)成(設(shè)上層膨脹系數(shù)大)。2.3.3熱繼電器熱繼電器選用時(shí)主要從以下幾個(gè)方面考慮:(1)長(zhǎng)期工作制下,按電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)確定熱繼電器的型號(hào)與規(guī)格。熱繼電器元件的額定電流接近或略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流IN，即使用時(shí),熱繼電器的整定旋鈕應(yīng)調(diào)到電動(dòng)機(jī)的額定電流值處,否則將不起保護(hù)作用。(2)對(duì)于星形連接的電動(dòng)機(jī),因其繞組相電流與線電流相等,選用兩相或三相普通的熱繼電器即可。(3)對(duì)于三角形連接的電動(dòng)機(jī),當(dāng)在接近滿載的情況下運(yùn)行時(shí),如果發(fā)生斷相,最嚴(yán)重一相繞組中的相電流可達(dá)額定電流值的2.5倍左右,而流過(guò)熱繼電器的線電流也達(dá)額定電流值的2倍以上,此時(shí)普通熱繼電器的動(dòng)作時(shí)間能滿足保護(hù)電動(dòng)機(jī)的要求。(4)對(duì)頻繁正反轉(zhuǎn)及頻繁通斷工作和短時(shí)工作的電動(dòng)機(jī),不宜采用熱繼電器來(lái)保護(hù)。(5)如遇到下列情況,選擇熱繼電器的整定電流要比電動(dòng)機(jī)額定電流高一些:①電動(dòng)機(jī)負(fù)載慣性轉(zhuǎn)矩非常大,啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。②電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的設(shè)備不允許任意停電。③電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載為沖擊性負(fù)載,如沖床、剪床等設(shè)備。2.3.4速度繼電器速度繼電器常用于電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)電路中,其實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-5所示。速度繼電器的結(jié)構(gòu)如圖2-5(b)所示。1為轉(zhuǎn)子,由永久磁鐵做成,隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);3為定子,其上有定子短路繞組4;5為定子柄,可繞定軸擺動(dòng);按圖中規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,左邊6、7、8為正向觸點(diǎn),右邊為反向觸點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),永久磁鐵的磁場(chǎng)切割定子上的短路導(dǎo)體,并使其產(chǎn)生感應(yīng)電流,永久磁鐵與這個(gè)電流互相作用,將使定子向著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向擺動(dòng),并通過(guò)定子柄撥動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)。當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速接近零時(shí)(約100r/min),定子柄在恢復(fù)力的作用下恢復(fù)到原來(lái)的位置。2.3.5固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器(SolidStateRelay,SSR)是20世紀(jì)70年代中后期發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)觸點(diǎn)繼電器。固態(tài)繼電器是由固態(tài)半導(dǎo)體器件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件,它較之電磁繼電器具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)火花、無(wú)動(dòng)作噪聲和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn),因而具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域,有逐步取代傳統(tǒng)繼電器之勢(shì),并進(jìn)一步擴(kuò)展到許多傳統(tǒng)繼電器無(wú)法應(yīng)用的領(lǐng)域,如計(jì)算機(jī)的輸入和輸出接口、外圍和終端設(shè)備。固態(tài)繼電器的實(shí)物圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-6所示。固態(tài)繼電器選用時(shí)考慮的主要參數(shù)有輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流等。2.4斷路器2.4斷路器斷路器俗稱空氣開(kāi)關(guān)、自動(dòng)開(kāi)關(guān),適用于低壓配電電路不頻繁通斷控制,在電路發(fā)生短路時(shí),斷開(kāi)電路,是起保護(hù)作用的電器。斷路器的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-7所示。在功能上,它相當(dāng)于刀開(kāi)關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器等的組合,其結(jié)構(gòu)如圖2-7(b)所示。斷路器包含四種脫扣方式:磁脫扣、熱脫扣、欠電壓脫扣以及分勵(lì)脫扣。其中最重要的是磁脫扣和熱脫扣,分別提供短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)。2.4斷路器磁脫扣是斷路器中的一個(gè)關(guān)鍵組件,它的作用是在電路發(fā)生短路時(shí)迅速切斷電源以保護(hù)電路。磁脫扣的設(shè)計(jì)確保了在短路情況下能夠提供快速響應(yīng),這是電氣安全中非常重要的。斷路器的主觸頭是由操作機(jī)構(gòu)(手動(dòng)或電動(dòng))合閘的。選用斷路器時(shí)主要從以下幾個(gè)方面考慮:(1)斷路器的額定電流應(yīng)等于或大于負(fù)載允許的長(zhǎng)期平均電流。(2)斷路器的極限分?jǐn)嗄芰σ笥诨虻扔陔娐纷畲蠖搪冯娏鳌?3)欠電壓脫扣器額定電壓應(yīng)等于主電路額定電壓。(4)熱脫扣器的整定電流的選擇應(yīng)與熱繼電器的額定電流選擇一致。(5)磁脫扣器的瞬時(shí)脫扣整定電流應(yīng)大于負(fù)載正常工作時(shí)的尖峰電流,保護(hù)電動(dòng)機(jī)時(shí),磁脫扣器的瞬時(shí)脫扣整定電流

式中,K

為考慮整定誤差和啟動(dòng)電流IST

允許變化的安全系數(shù),對(duì)于動(dòng)作時(shí)間在0.02s以上的斷路器,K=1.35;對(duì)于動(dòng)作時(shí)間在0.02s以下的斷路器,K=1.7。2.5熔斷器2.5熔斷器熔斷器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉的保護(hù)電器,廣泛用于供電電路和電氣設(shè)備的短路保護(hù)。熔斷器由熔體和安裝熔體的外殼兩部分組成。熔斷器種類很多,結(jié)構(gòu)也各不相同,主要有插入式、螺旋式、有填料密封管式、無(wú)填料密封管式等。熔斷器的實(shí)物圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-8所示。2.5熔斷器熔斷的電流,是熔斷器選擇的核心。具體有下列幾條原則:(1)電路上、下兩級(jí)都裝設(shè)熔斷器時(shí),為使兩級(jí)保護(hù)相互配合良好,兩級(jí)熔體額定電流的比值不小于1.6∶1。(2)對(duì)于照明電路或電阻爐等沒(méi)有沖擊性電流的負(fù)載,熔體的額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流,即式中,IR

為熔體的額定電流,I

為電路的工作電流。(3)保護(hù)一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)時(shí),考慮電動(dòng)機(jī)沖擊電流的影響,熔體的額定電流按下列關(guān)系選用:式中,IN

為電動(dòng)機(jī)額定電流。(4)用一個(gè)熔斷器保護(hù)多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)時(shí),則熔體的額定電流按下列關(guān)系選用:式中,INm

為容量最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流,∑IN

為其余電動(dòng)機(jī)額定電流之和。2.5熔斷器【例2.1】

兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)不同時(shí)啟動(dòng),一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流為14.6A,另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流為4.64A,啟動(dòng)電流都為額定電流的7倍,用一個(gè)熔斷器進(jìn)行短路保護(hù),則熔體電流需要滿足什么要求?2.6主令電器為標(biāo)明按鈕的作用,避免誤操作,通常將按鈕帽做成紅、綠、黑、黃、藍(lán)、白、灰等顏色,并對(duì)按鈕顏色做了如下規(guī)定:(1)“停止”和“急停”按鈕必須是紅色。當(dāng)按下紅色按鈕時(shí),必須使設(shè)備停止工作或斷電。(2)“啟動(dòng)”按鈕的顏色是綠色。(3)“啟動(dòng)”與“停止”交替動(dòng)作的按鈕必須是黑色、白色或灰色,不得用紅色和綠色。(4)“點(diǎn)動(dòng)”按鈕必須是黑色。(5)“復(fù)位”按鈕(如保護(hù)繼電器的復(fù)位按鈕)必須是藍(lán)色。按鈕主要是根據(jù)所需要的觸點(diǎn)數(shù)、觸點(diǎn)形式、使用的場(chǎng)合及顏色來(lái)選擇。2.6.1按

鈕按鈕是最常用的主令電器,按鈕的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-9所示。2.6.2行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)行程開(kāi)關(guān)是用于檢測(cè)工作機(jī)械的位置,發(fā)出命令以控制其運(yùn)動(dòng)方向或行程長(zhǎng)短的主令電器。按結(jié)構(gòu)不同行程開(kāi)關(guān)可分為直動(dòng)式、滾輪式和微動(dòng)式三種。行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖以及文字圖形符號(hào)如圖2-10所示。2.6.3萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是由多組同結(jié)構(gòu)的觸頭組件疊裝而成的多回路控制電器。由于它能轉(zhuǎn)換多種和多數(shù)量的電路,用途廣泛,故被稱為萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)圖、文字圖形符號(hào)及觸點(diǎn)通斷表如圖2-11所示。如圖2-11(b)結(jié)構(gòu)示意圖所示,圖中“1”是轉(zhuǎn)軸,“2”是觸點(diǎn),“3”是凸輪,“4”是彈簧。萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、絕緣電壓、發(fā)熱電流及觸點(diǎn)數(shù)量等。萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的選用可參考以下原則:(1)根據(jù)控制電路的電壓和電流來(lái)選擇,使萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的額定電壓與額定電流符合電路的要求。(2)按操作需要選擇手柄形狀以及手柄的定位特征。(3)根據(jù)不同控制要求選用觸點(diǎn)數(shù)量、接觸系統(tǒng)節(jié)數(shù)和接線圖編號(hào)。(4)選擇面板形式及標(biāo)志。2.6.4電

纜電纜是一種電能或信號(hào)傳輸裝置,通常是由幾根或幾組導(dǎo)線組成。在電氣控制系統(tǒng)中,用來(lái)連接各種低壓電器,構(gòu)成一定的邏輯關(guān)系控制電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備。電纜的選型主要從以下幾個(gè)方面考慮:(1)根據(jù)使用環(huán)境選擇不同電纜,比如船舶上使用的是船用電纜,礦山使用的是礦用電纜,傳遞信號(hào)的電纜使用的是屏蔽電纜,電力系統(tǒng)中使用的是電力電纜等,組成這些電纜的導(dǎo)線都是一樣的,不同的是絕緣包裝不一樣。(2)根據(jù)通過(guò)的電流即電纜載流量選擇導(dǎo)線的粗細(xì),即截面積。還要考慮環(huán)境溫度對(duì)電纜載流量的影響,溫度越高載流量越小。環(huán)境溫度為25℃時(shí),不同截面積的載流量見(jiàn)表2-2。(3)還要考慮環(huán)境溫度對(duì)電纜載流量的影響,溫度越高載流量越小。2.7新型智能電器2.7.1軟啟動(dòng)器

交流電動(dòng)機(jī)(如籠型)啟動(dòng)電流可達(dá)額定值的6~8倍,大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)將引發(fā)電網(wǎng)電壓驟降,導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常,且機(jī)械沖擊會(huì)縮短設(shè)備壽命,因此需平穩(wěn)啟?？刂?。?電壓調(diào)節(jié)?:通過(guò)電子電路按預(yù)設(shè)規(guī)律(如斜坡升壓)