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1、电气控制与电气控制与PLC应用技术应用技术电子教案电子教案主主 编编 伍金浩伍金浩 曾庆乐曾庆乐中等职业教育机电技术应用专业教学用书中等职业教育机电技术应用专业教学用书丛书主编丛书主编 李乃夫李乃夫绪绪论论1.电气控制技术的产生与发展电气控制技术的产生与发展电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求，从手动电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求，从手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。以计算机为中心的存储
2、控制系统。（1）电力拖动自动控制系统的组成）电力拖动自动控制系统的组成（2）电气控制技术的发展）电气控制技术的发展 2.可编程控制器（可编程控制器（PLC）的产生与发展）的产生与发展 由于继电器接触器控制系统的结构特点制约着它的发展，在1968年，美国通用汽车（GM）公司率先提出了 研制新型工业控制器的设想。一年后，由美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，即是早期的工业电脑（PLC）。在微电子技术和计算机技术发展的带动下，使PLC在处理速度和控制功能上都有了很大提高，不仅可以进行开关量的逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，且具有数据处理、PID控制和数据通信功能，发展成为一种
3、新型的工业自动控制标准装置。近年来随着电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术的发展，PLC在通信能力以及控制领域等方面都不断有新的突破，正朝着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化和网络化的方向发展。3.本课程的性质、内容和任务要求本课程的性质、内容和任务要求主要内容：主要内容：（1）工业控制系统中的继电器）工业控制系统中的继电器接触器控制系统；接触器控制系统；（2）PLC控制系统；控制系统；（3）变频器的基本应用。）变频器的基本应用。学习方法建议学习方法建议：（1）打好继电器）打好继电器接触器控制系统的基础，进而学习掌握接触器控制系统的基础，进而学习掌握PLC控制系统的应用；控制系统的应用；
4、（2）注意学习内容的普及和发展需要；）注意学习内容的普及和发展需要；（3）学习时应注意掌握基本原理和应用规律；）学习时应注意掌握基本原理和应用规律；（4）加强实践技能训练做到理论和实践结合。）加强实践技能训练做到理论和实践结合。1.2三相异步电动机直接启动控制电路三相异步电动机直接启动控制电路1.2.1三相异步电动机的启动问题三相异步电动机的启动问题 三相异步电动机的启动过程是指三相异步电动机从接入电网开始转动时起，到达额定转速为止这一段过程。三相异步电动机在启动时启动转矩并不大，但定子绕组中的电流增大为额定电流的47倍。这么大的启动电流将带来下述不良后果。（1）启动电流过大造成电压损失过大，
5、使电动机启动转矩下降。同时可造成影响连接在电网上的其他设备的正常运行。（2）使电动机绕组发热，绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。（3）造成过流保护装置误动作。因此：三相异步电动机的启动控制方式有两种：一种是直接启动控制；另一种是降压启动控制。1.2.2用刀开关直接控制的三相异步电动机单向运用刀开关直接控制的三相异步电动机单向运转电路转电路1.刀开关刀开关胶壳开关胶壳开关铁壳开关铁壳开关组合开关组合开关闸刀开关的图形和文字符号闸刀开关的图形和文字符号2.采用刀开关控制的异步电动机启动电路实物示意图 电气控制线路图电路的工作原理是：（1）合上电源开关QS 三相异步电动机通电电动机启动；（2）断
6、开QS 电动机断电停转。空气断路器的基本结构 在合闸后，搭钩将锁键钩住，使主触点闭合，电动机通电启动运行。扳动手柄于“分”的位置(或按下“分”的按钮)，搭钩脱开，主触点在复位弹簧的拉力作用下断开，切断电动机电源。除手动分断之外。空气断路器还可以分别由三个脱扣器自动分断，实现对应的保护功能。常用几种熔断器的外形1.2.4.用接触器直接控制电动机单向用接触器直接控制电动机单向运转的电路运转的电路 实现对电动机的控制除前面介绍的刀开关外，电动机控制电路所使用的电器还有熔断器、接触器、热继电器和按钮开关等几种低压电器。（1）熔断器）熔断器 熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉、控制有效的短路保护电
7、器，它串联在电路中。（3)热继电器热继电器热继电器正是根据电动机过载保护的需要而设计的，它利用电流热效应原理和反时限特性，当热量积聚到一定程度时使触点断开切断电路，实现对电动机的过载保护。注意：熔断器和热继电器这两种保护电器，都是利用电流的热效应原理作过流保护的，但它们的动作原理不同，用途也有所不同，不能混淆。（5）接触器控制电动机单向运转的电路 控制原理：(1)合上电源开关QS：接通电源；(2)启动控制：按下启动按钮SB2 接触器KM电磁线圈得电吸合KM主触点闭合 电动机M得电启动运转KM辅助动合触点闭合自锁控制(3)停止控制：按下停止按钮SB1 接触器KM电磁线圈断电释放 KM主触点断开
8、电动机M断电停止KM辅助动合触点断开自锁控制解除（4）过载保护：当电动机在运行中出现过载并达到一定程度时 热继电器FR动作FR动断触点断开 接触器KM电磁线圈断电释放 KM主触点断开 电动机M断电停止 1.2.5三相异步电动机的顺序控制和多点控制电三相异步电动机的顺序控制和多点控制电路路1顺序控制电路顺序控制电路（1）主电路实现顺序控制）主电路实现顺序控制；电动机M2的主电路接在M1的控制接触器KM1的主触点后面，只有KM1主触点闭合，M1启动后，M2才能得电运行。（2）控制电路实现顺序控制。（a)(b)(c)上图（a）为M1、M2顺序启动同时停止；图（b）为M1、M2顺序启动而分别停止；图（
9、c）则为M1、M2顺序启动而M2先停后M1才能停止。2多点（异地）控制电路 多点控制的基本原理是将启动按钮的动合触点并联（SB3、SB4），这样不论在什么地方只要按下其中一个按钮KM的线圈均可得电工作；而将停止按钮的动断触点相串联（SB1、SB2）就可以实现异地停止控制。1.2.6三相异步电动机的正反转控制电路三相异步电动机的正反转控制电路1.使用倒顺开关控制的正反转控制电路 电路的工作原理是：操作倒顺开关QS，把手柄板至“顺”的位置时，QS的触点往上接通，电动机与电源的连接相序为L1D1、L2D2、L3D3电动机正转运行；当把手柄板至“倒”的位置时，QS的触点往下接通，电动机与电源的连接相序
10、为L1D2、L2D1、L3D3电动机反转运行；当把手柄板至“停”的位置时，QS的触点断开，电动机断电停止。2.使用交流接触器控制的正反转控制电路 双重联锁正反转控制电路 该电路可实现电动机的直接正反转切换，其控制过程如下：（1）正转控制（设开始启动）（2）反转控制（设由原来正转切换）可让学生自行分析 实现机床的工作台自动往复运动的电动机拖动控制电路 1.3三相异步电动机降压启动控制电路三相异步电动机降压启动控制电路1.3.1三相笼型异步电动机降压启动控制电路三相笼型异步电动机降压启动控制电路1.串电阻串电阻(电抗电抗)降压启动控制电路降压启动控制电路1.3.2自耦变压器降压启动控制电路自耦变压
11、器降压启动控制电路自耦变压器降压启动是利用自耦变压器二次绕组的不同抽头降自耦变压器降压启动是利用自耦变压器二次绕组的不同抽头降压启动，待启动正常后再转回额定工作电压启动，待启动正常后再转回额定工作电压，这样既能适应不同负压，这样既能适应不同负载启动的需要，又能获得较大的启动转矩，常被用来启动容量较大载启动的需要，又能获得较大的启动转矩，常被用来启动容量较大的三相异步电动机。的三相异步电动机。（1）启动时，将手柄向上扳至）启动时，将手柄向上扳至“起动起动”位置，图中左右两组位置，图中左右两组(各三个各三个)触点闭合，触点闭合，电动机定子绕组接入自耦变压器降压启动。电动机定子绕组接入自耦变压器降压
12、启动。（2）当电动机转速将近升至额定转速时，可将手柄向下扳至）当电动机转速将近升至额定转速时，可将手柄向下扳至“运行运行”位置，左、位置，左、右两组触点断开，将自耦变压器从线路中切除；中间一组触点闭合，电动机右两组触点断开，将自耦变压器从线路中切除；中间一组触点闭合，电动机全压运行。全压运行。（3）要停机时，只须按下停机按钮）要停机时，只须按下停机按钮SB，使失压脱扣器，使失压脱扣器KV的线圈断电而造成衔铁的线圈断电而造成衔铁释放，通过机械脱扣装置将运行一组触点断开，同时手柄会自动跳回释放，通过机械脱扣装置将运行一组触点断开，同时手柄会自动跳回“停机停机”位置，启动器所有的触点都断开，电动机断
13、电，为下一次启动做准备。位置，启动器所有的触点都断开，电动机断电，为下一次启动做准备。3.星形三角形降压启动自动控制电路 电路的起动过程如下；KM1线圈得电 电动机M星形联结自锁 按下起动按钮SB2 KM2线圈得电 降压起动 KT线圈得电 开始计时（起动时间）延时时间到 KT动断触点延时断开 KM2断电 KT动合触点延时闭合 KM3通电 电动机M三角形联结自锁全压运行1.3.4三相绕线转子异步电动机降压启动控制电路三相绕线转子异步电动机降压启动控制电路转子绕线式异步电动机可以通过电刷在转子绕组中串接外加电阻转子绕线式异步电动机可以通过电刷在转子绕组中串接外加电阻减小启动电流，根据交流电动机的运
14、转特性，当增大转子电路电阻时，减小启动电流，根据交流电动机的运转特性，当增大转子电路电阻时，其机械特性变软，在一定的负载转矩下转速下降，这样可以在一定范其机械特性变软，在一定的负载转矩下转速下降，这样可以在一定范围内调节电动机的转速，而且在减小启动电流的同时可以获得较大的围内调节电动机的转速，而且在减小启动电流的同时可以获得较大的启动转矩。启动转矩。（1）按时间原则控制）按时间原则控制控制过程中选择时间作为变化参量进行控制的方式称为时间原则控制过程中选择时间作为变化参量进行控制的方式称为时间原则。（3）中间继电器（KA）它的主要作用是用来传递信号或同时控制多个电路和起中间转换作用，也可用它来控
15、制小容量电动机或其他电气执行元件。中间继电器的结构和工作原理与小型交流接触器基本相同，只是它的电磁系统小些，触点没有主、辅之分，而且触点数量较多。1.3.5频敏变阻器控制电路频敏变阻器控制电路 频繁变阻器是一种随电动机启动过程转速的升高(转子电流频率下降)而阻抗值自动下降的器件。它的阻值能随启动过程的进行自动而又平滑地减小，使启动过程能平滑地进行。主电路在电动机定子电路接入电流互感器TA、电流表A、热继电器FR的发热元件和中间继电器KA的动断触点，是为了在正常运行时接入热继电器进行过载保护，而起动时发热元件被短接，防止误动作。电流表A经电流互感器串入电路，便于对电动机定子电流的测量。电动机转子
16、电路接入频敏变阻器RF，由接触器KM2主触点在起动完毕后将其短接。转换开关SA用于选择手动控制或自动控制。1.4三相异步电动机调速控制电路三相异步电动机调速控制电路1.4.1三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速根据异步电动机的转速公式：根据异步电动机的转速公式：n（1s）60fp，可，可见三相异步电动机的调速方法可以有下列三种：见三相异步电动机的调速方法可以有下列三种：(1)改变异步电动机转差率改变异步电动机转差率s的调速。的调速。(2)改变异步电动机定子绕组磁极对数改变异步电动机定子绕组磁极对数p的变极调速。的变极调速。(3)改变电源频率改变电源频率f的变频调速。的变频调速。1.4.2变
17、转差率调速变转差率调速异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩和机械特性，异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩和机械特性，从而实现调速，这是一种比较简单的方法。特别是晶闸管技从而实现调速，这是一种比较简单的方法。特别是晶闸管技术的发展使术的发展使交流调压调速电路得到广泛应用。交流调压调速电路得到广泛应用。1.4.3变磁极调速控制电路变磁极调速控制电路按照三相异步电动机的工作原理，在电源频率恒定的前提下，异步电按照三相异步电动机的工作原理，在电源频率恒定的前提下，异步电动机的同步转速与旋转
18、磁场的磁极对数成反比，磁极对数增加一倍时，同动机的同步转速与旋转磁场的磁极对数成反比，磁极对数增加一倍时，同步转速就下降一半，电动机转子的转速也近似下降一半。通过改变异步电步转速就下降一半，电动机转子的转速也近似下降一半。通过改变异步电动机旋转磁场磁极对数来改变其同步转速，即可以调节电动机的转速。动机旋转磁场磁极对数来改变其同步转速，即可以调节电动机的转速。双速异步电动机的定子绕组接线图。（双速异步电动机的定子绕组接线图。（a）图中电动机定子绕组接成）图中电动机定子绕组接成三角形三角形联结，这时联结，这时p2，n1500rmin，为低速运行；而在（，为低速运行；而在（b）图）图中电动机定子绕组
19、接成双星形中电动机定子绕组接成双星形YY联结，则这时联结，则这时p1，n3000rmin，为高速运行。为高速运行。双速异步电动机的调速控制电路双速异步电动机的调速控制电路 电路的工作原理如下：（1）先合上电源开关QS；（2）低速运转）低速运转（3）高速运转）高速运转（4）停止 按下SB1KM2、KM3失电释放电动机M断电停止。1.4.4变频调速变频调速1基本原理基本原理 变频调速就是利用电动机的同步转速随电机电源频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。由异步电动机的转速公式可知，当磁极对数p不变时，电动机的转速与电源频率f成正比，同步转速随电源频率线性地变化，这就是变频调速的原
20、理。2、变频调速的应用、变频调速的应用交流异步电动机的变频调速以其高效的驱动性能和良好的控制特性已越来越受到重视，另外交流变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势。1.5三相异步电动机制动控制电路三相异步电动机制动控制电路 电动机的制动控制是指在电动机的轴上加上一个与其旋转方向相反的转矩，使电动机减速或快速停止。根据产生制动力矩的方法，停车制动的方式有两大类，机械制动和电气制动。1.5.1三相异步电动机的机械制动装置三相异步电动机的机械制动装置机械制动最常用的装置是电磁抱闸，它主要由制动电磁铁和闸瓦制动器两大部分组成。如图所示：电磁抱闸断电制动型电动机制动控制电路，其基本原理是：制动电磁铁的电
21、磁线圈(有单相和三相两种)与三相异步电动机的定子绕组相并联，闸瓦制动器的转轴与电动机的转轴相连。按下起动按钮SB2，接触器KM线圈通电，其自锁触点和主触点闭合，电动机M得电。同时，抱闸电磁线圈通电，电磁铁产生磁场力吸合衔铁，带动制动杠杆动作，推动闸瓦松开闸轮，电动机起动运转。停车时，按下停车按钮SB1，KM线圈断电，电动机绕组和电磁抱闸线圈同时断电，电磁铁衔铁释放，弹簧的弹力使闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机立即停止转动。1.5.2电气制动控制电路电气制动控制电路1.反接制动控制电路反接制动控制电路反接制动实质上是在制动时通过改变异步电动机定子绕组中三相电源相序，产生一个与转子惯性转动方向相反的反向转
22、矩来进行制动的。速度继电器是按照预定速度快慢而动作的继电器，速度继电器的转子与电动机的轴相连，当电动机正常转动时，速度继电器的动合触点闭合；当电动机停车转速接近零时，动合触点打开，切断接触器的线圈电路。防止电动机会反向升速，发生事故。反接制动控制电路 电路的控制过程为：启动停机(制动)2.能耗制动控制电路能耗制动控制电路能耗制动就是在三相异步电动机脱离交流电源的同时在定子绕组通入直流电，产生一个静止磁场。此时电动机转子因惯性继续旋转切割磁场而在转子绕组中产生感应电流，又在磁场中受电磁力的作用产生电磁转矩。这一转矩总是与电动机的旋转方向相反，起制动的作用。在制动的过程中，转子因惯性转动的动能转变
23、成电能而消耗在转子电路中，所以称为“能耗”制动。能耗制动的特点是制动平稳，制动效果好，且电动机停转后不会反向起动。但需要提供制动用的直流电源，多通过整流器整流供电。能耗制动控制电路能耗制动控制电路 电路的工作过程为：起动过程停机(制动)本章小结本章小结 本章的主要内容是三相交流异步电动机的继电器接触器控制电路。继电器接触器控制电路是由各种低压电器所组成的。本章将各种低压电器穿插在相关电路中进行介绍，主要有：各种开关(刀开关、转换开关、行程开关，以及各种断路器、按钮开关)、熔断器、接触器、各种继电器(热继电器、时间继电器、中间继电器、速度继电器)等。结合实践教学，应注意认识这些电器的外形、结构、
24、原理、用途、使用方法和主要参数。并熟悉这些电器的文字和图形符号。这是分析电动机控制电路的基础，本章通过三相异步电动机的起动、调速、制动等控制电路，介绍了继电器接触器控制电路的基本控制环节和保护环节。在学习这些电路时，应该在理解电动机运行特性的基础上，通过分析电路工作过程，着重注意掌握这些电路的主要特点以及各个电路的异同之处。例如：电路中自锁和互锁的作用；时间控制、行程位置控制和电流控制、速度(转速)控制的方法和特点；短路、过载、失压、欠压、限位等保护作用的原理等等。在本章中介绍的控制电动机在两种运行状态之间转换的电路有手动控制也有自动控制，所用的控制电器也有不同，如星形三角形起动和能耗制动的时间控制、自动往复运动的行程位置控制、反接制动的速度控制、绕线转子异步电动机转子串电阻起动的电流控制等等，应注意各个电路的特点，分析其规律，抓住其异同，融会贯通掌握好电动机控制电路最基本的环节。这也是为后续章节的分析和学习打好基础的需要。