主讲人:吕国芳1
电 气 控 制 技 术
主讲人:吕国芳
河海大学电气工程学院
主讲人:吕国芳2
教学计划 教学计划:
? 本课程计划学时,48学时( 3学分)
? —— 2.5 学分课堂教学(上课 12周)
? —— 0.5 学分试验 ( 4-6个试验)
教学内容:
? (上篇)电器控制
? (下篇) PLC原理及应用
主讲人:吕国芳3
考核办法:
平时成绩 占 1/4
期终测验成绩 占 2/4
试验评分 占 1/4
主讲人:吕国芳4
参考书目:
5,可编程序控制器原理及程序设计
崔亚军 等编 电子工业出版社
2,电器控制
李 仁 主编 机械工业出版社
1,现代电气控制技术
郑 萍 主编 重庆大学出版社
3,可编程序控制器应用技术
廖常初 等编 重庆大学出版社
4,可编程序控制器应用指南
易传禄 等编 上海科普出版社
主讲人:吕国芳5
学习要求:
? 熟练掌握断路器, 隔离开关, 接触器, 热继电器, 熔断器在电路中的
作用, 特点, 绘制符号, 设计选型时要注意的重要技术参数 。
? 熟练掌握行程开关, 按钮开关在电路中的作用, 绘制符号 。
? 灵活掌握电气设备简单的起停保控制线路, 异步电机正, 反转电气
控制线路, 异步电机, Y/△,电气控制线路等, 理解它们的设计思
路, 学会设计相应的电气控制电路 。
? 透彻了解 PLC的特点, 为提高其可靠性采取的一些措施 。
? 熟练掌握 PLC的组成, 各主要部件的功能, PLC的工作原理 ( 扫描工作
过程, 系统响应时间 ), 了解三菱 FX2N PLC编程元件的地址 。
? 熟练掌握梯形图使用的符号, 概念, 规则, 学会自己设计 PLC梯形图程
序, 掌握 三菱 FX2N PLC的 基本指令 。
? 熟练掌握 PLC程序设计的功能表图法和其基本概念, 学会用功能表图法
设计 PLC控制程序并能熟练地转化为梯形图 。
? 掌握 PLC控制系统的特点, 判断一个控制系统是否需要由 PLC来构成的
特性以及 PLC选型时应考虑的问题 。
? 学会用 PLC设计控制系统 ( 包括 PLC硬件, 软件和电气控制回路 ) 。
主讲人:吕国芳6
第一章.常用低压电器及其符号
低压电器 ( Low voltage Apparatus) 通常
指工作在交, 直流电压 1200V以下 的电路中起通
断, 控制, 保护和调节作用的 电气设备 。
本章主要介绍常见的接触器, 继电器, 低
压断路器, 万能转换开关, 熔断器等设备的基本
结构, 功能及工作原理 。
上篇,电器控制
主讲人:吕国芳7
1.1 电器的作用与分类
电器就是广义的电气设备。
它可能很大、很复杂(如一台彩色电视
机或者一套自动化装置);
它也可以很小、很简单(如一个钮子开
关或者一个熔断器)。
主讲人:吕国芳8
从工业控制的角度看, 电器,
电器是指能根据特定的信号和要求,
自动 /手动地接通 /断开电路;
断续 /连续地改变电路参数;
实现对电路或非电对象的切换、控制、
保护、检测、变换和调节的电气设备。
主讲人:吕国芳9
电器的种类繁多,构造各异
? 通常按以下分类方法分为几类:
主讲人:吕国芳10
按所控制的对象分, 低压配电电器 ( DistributingApparatus),
用于配电系统, 如刀开关, 熔断器等
低压控制电器 ( Control Apparatus),
用于电力拖动自动控制系统和其他用途的设备中 。
按 使 用 系 统 分, 电力系统用电器,
电力拖动及自动控制系统用电器,
自动化通信系统用电器;
按 电 压 等 级 分, 高压电器 ( High-voltage Apparatus),
低压电器 ( Low-voltage Apparatus) ;
按 工 作 职 能 分, 手动操作电器,
自动控制电器
( 自动切换电器, 自动控制电器, 自动保护电器 )
其他电器
( 稳压与调压电器, 起动与调速电器,
检测与变换电器, 牵引与传动电器 )
主讲人:吕国芳11
按 电 器 组 合 分,单个电器, 成套电器与自动化装置;
按 有 无 触 点 分,有触点电器, 无触点电器, 混合式电器;
按使用场合分,一般工业用电器, 特殊工矿用电器, 农用电器,
其他场合 ( 如航空, 船舶, 热带, 高原 ) 用电器 。
主讲人:吕国芳12
按所控制的对象分, 低压配电电器 ( Distributing Apparatus),
用于配电系统, 如刀开关, 熔断器等
低压控制电器 ( Control Apparatus),
用于电力拖动自动控制系统和其他用途的设备中 。
按 电 压 等 级 分,高压电器 ( High-voltage Apparatus),
低压电器 ( Low-voltage Apparatus) ;
按 使 用 系 统 分,电力系统用电器, 电力拖动及自动控制系统用电器,
自动化通信系统用电器;
按工作职能分,手动操作电器,
自动控制电器 ( 自动切换电器, 自动控制电器, 自动保护电器 )
其他电器 ( 稳压与调压电器, 起动与调速电器,
检测与变换电器, 牵引与传动电器 )
按 电 器 组 合 分,单个电器, 成套电器与自动化装置;
按 有 无 触 点 分,有触点电器, 无触点电器, 混合式电器;
按使用场合分,一般工业用电器, 特殊工矿用电器, 农用电器,
其他场合 ( 如航空, 船舶, 热带, 高原 ) 用电器 。
本章主要涉及 低压 电器, 电力拖动, 自动控制电器, 如交直流接触器,
各类继电器, 自动空气断路器, 行程开关, 熔断器, 主令电器等 。
主讲人:吕国芳13
1.2 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,作出有规律的反应,使执行部分动作,输出相应的指令,实再控制的目的。
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。
主讲人:吕国芳14
1.2.1 电磁机构1.2.1 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、铁轭和空气隙。
3
1
2
3
1
2
图 2.1 常用电磁机构的形式
1,铁心 2,线圈 3,衔铁
主讲人:吕国芳15
1.2.2 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 。
(a) 点接触 (b) 线接触 (c) 面接触
图 2.2 触点的 3种接触形式
1、触点
主讲人:吕国芳16
2、电弧的产生与灭弧装置
? 磁吹式灭弧装置
? 灭弧栅
? 灭弧罩
? 多断点灭弧
当断路器或接触器触点切断电路时,在拉开的两个触点之间将
出现强烈火花,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。
( a) 闭合状态 ( b) 断开状态
图 2.3 桥式触点
1.动触点; 2.静触点; 3.电弧
1
2
( ) 闭合状态
3
主讲人:吕国芳17
1.3 接触器
接触器( Contactor)是用来频繁接通和切断
电动机或其他负载主电路的一种自动切换电器。
接触器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:感测部分,
? 触头系统: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,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,
主讲人:吕国芳18
接触器按其主触头通过的电流种类,分为:
直流接触器、交流接触器。
按主触头的极数又可分为:
单极、双极、三极、四极 和 五极 等几种。
直流接触器一般为单极或双极;交流接触器大
多为三极,四极多用于双回路控制,五极用于多速
电动机控制或者自动式自耦减压起动器中。
接触器分类
主讲人:吕国芳19
1.3.1 接触器的主要技术数据
? 额定电压
主触点上的额定电压
? 额定电流
主触点的额定电流
? 线圈的额定电压
通常用的电压等级为:
主讲人:吕国芳20
接触器的主要技术数据
? 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。
? 电寿命和机械寿命
电寿命是指接触器的主触点在额定负载条件下,所允
许的极限操作次数。现代生产的接触器其电寿命可达
50-100万次,
机械寿命是指接触器在不需修理的条件下,所能承受
的无负载操作次数。机械寿命可达 500-1000万次。
( 106-7数量级)
主讲人:吕国芳21
接触器的主要技术数据
? 接触器的电气符号
(a) 线圈 (b) 主触点 (c) 常开辅
助触点
(d) 常闭辅助
触点
KM KM KM KM
图 2.4 接触器符号
主讲人:吕国芳22
1.3.2 交流接触器
交流接触器( Alternating Current
Contactor)一般有 3对主触头,两个动合(常
开)辅助触头,两个动断常闭辅助触头。中等
容量及以下为直动式,大容量为转动式。
目前,国内市场产品繁多,举不胜举。有
工厂自行设计改进的,有全国统一设计研制的,
也有引进国外制造技术生产的,还有国外产品。
介绍几种具有代表性的产品(可参考电气工程
手册) 。
主讲人:吕国芳23
1.3.3 直流接触器
直流接触器( Direct Current Contactor)是一
种通用性很强的电器产品,除用于频繁控制电动机
外,还用于各种直流电磁系统中。随着控制对象及
其运行方式不同,接触器的操作条件也有较大差别。
接触器铭牌上所规定的电压、电流、控制功率及电
气寿命,仅对应于一定类别的额定值。 GB1497-85
,低压电器基本标准, 列出了低压电器常见的使用
类别及其代号,详见电气工程手册附录。
主讲人:吕国芳24
1.4 继电器
继电器( Relay)是一种根据特定形式的输入信号
而动作的自动控制电器。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,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;而接触器
触点容量较大,直接用于开、断主电路,是电气控制系
统中的执行元件。
主讲人:吕国芳25
1.4.1 继电器的特性及主要参数
按输入量的物理性质分为电压继电器、电流
继电器、功率继电器、时间继电器、温度继电器、
速度继电器等;
按动作原理分为电磁式继电器、感应式继电
器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等;
按动作时间分为快速继电器、延时继电器、
一般继电器;
按执行环节作用原理分为有触点继电器、无
触点继电器;
主讲人:吕国芳26
继电器的主要特点是具有跳跃式的输入 -输出特
性,电磁式继电器的特性如图 2.5所示,这一矩形曲
线统称为
一般,继电器的吸合时间、释放时间为 0.05 ~ 0.15 s
y1
x1 x2
图 2.5 继电特性曲线
x0
继电特性曲线
主讲人:吕国芳27
1.4.2 电磁式继电器
常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继
电器、中间继电器和时间继电器。中间继电器实
际上也是一种电压继电器,只是它具有数量较多、
容量较大的触点,起到中间放大(触点数量及容
量)作用。电磁式继电器的结构与原理与接触器
类似,是由铁心、衔铁、线圈、释放弹簧和触点
等部分组成客观上,接触器与中间继电器无截然
的分界线。某些容量特别小的接触器与一些中间
继电器相比,无论从原理和外观都难以看出有什
么明显的不同。
主讲人:吕国芳28
电磁式继电器种类很多,下面仅介绍几种
较典型的电磁式继电器 。
? 电流 /电压继电器
(a) 欠电流继电器符号
常开触点
KI
常闭触点 KI
线 圈
KI
I<
KI
(b) 过电流继电器符号
线 圈 I>
图 2.6 电流继电器符号
常开触点
KI
常闭触点 KI
主讲人:吕国芳29
(a) 过压继电器符号
线 圈
KVU>
常开触点
KV
常闭触点
KV
KV
(b) 欠压继电器符号
图 2.7 电压继电器符号
线 圈
KVU<
常开触点
KV
常闭触点
电压继电器
主讲人:吕国芳30
电压继电器
(a) 过压继电器符号
线 圈
KVU>
常开触点
KV
常闭触点
KV
KV
(b) 欠压继电器符号
图 2.7 电压继电器符号
线 圈
KVU<
常开触点
KV
常闭触点
主讲人:吕国芳31
中间继电器( Auxiliary Relay)在结构上是一个电
压继电器,是用来转换控制信号的中间元件。它输入
的是线圈的通电断电信号,输入信号为触点的动作。
其触点数量较多,各触点的额定电流相同。中间继电
器通常用来放大信号,增加控制电路中控制信号的数
量,以及作为信号传递、连锁、转换以及隔离用。
图 2.8 中间继电器符号
KA
线 圈 常开触点
KA
常闭触点
KA
中间 继电器
主讲人:吕国芳32
1.4.3 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( Time Delay
Relay)。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 2.9所示。
断电延时合线 圈 通电延时合 通电延时断 线 圈 断电延时断
( a) 通电延时继电器符号 ( b) 断电延时继电器符号
图 2.9 时间继电器符号
KT KT KT KT KT
KT
主讲人:吕国芳33
1.4.4 行程开关
行程开关( Travel Switch)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。行程开关由 3个部分组成:
1,操作头:它是开关的感测部分,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。
2,触头系统: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,使之能按需要作出必要的反应。
3,外壳
主讲人:吕国芳34
1,JW系列基本型微动开关
习惯上把尺寸甚小且极限行程甚小的
行程开关称为微动开关( Sensition Switch)
图 2.10 JW系列微动开关
主讲人:吕国芳35
2,LX19K型行程开关
它由按钮、常开静触点、常闭静触点、接触
桥(桥式动触点)、触头弹簧、恢复弹簧和塑料
基座等组成。
图 2.11 LX19K行程开关结构标意图
+×× +
主讲人:吕国芳36
3,JLXK1系列行程开关
在 JLXK1系列行程开关中采用了触头的速动机构。
JLXK1系列行程开关头部的操作机构可在相差 90° 的
4个方向任意安装,而且能够通过调整撞块的位置和
方向,以适应不同的需要和满足单向或双向动作的要
求。
常开触点 常闭触点
图 2.12行程开关触点符号
SQ SQ
主讲人:吕国芳37
1.4.5热继电器
热继电器( Thermal over-load Relay)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。
主讲人:吕国芳38
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。
热元件 常闭触点
图 2.14 热继电器符号
FR
FR
双金属片 热


触头
导 板
图 2.13热继电器原理图
主讲人:吕国芳39
1.5 其他常用电器
1.5.1低压熔断器
熔断器( Fuse)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。
FU
主讲人:吕国芳40
1.5.2低压隔离器
低压隔离器是指在断开位置能符合规定的隔
离功能要求的低压机械开关电器,而隔离开关的
含义是在断开位置能满足隔离器隔离要求的开关。
QS QS
HR3系列熔断器式刀开关
适用于交流 50Hz、额定电压
380V和直流电压 440V、额定电
流 100-600A的工业企业配电网
络中,作为电缆、导线及用电
设备的过负载和短路保护,以
及在网络正常供电的情况下不
频繁地接通和切断电源。
主讲人:吕国芳41
1.5.3 低压断路器
低压断路器( Automatic Cicuit
Breaker)按结构形式分为万能式和塑料外
壳式两类。
低压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
和保护元件组成。主触头由耐弧合金制成,
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。 QS QS
主讲人:吕国芳42
1.5.4主令电器
主令电器( Master Switch)是电气控制系统中用
于发送控制指令的非自动切换的小电流开关电器。在
控制系统中用以控制电力拖动系统的起动与停止,以
及改变系统的工作状态,如正转与反转。
主令电器可直接作用于控制线路,也可以通过电
磁式电器间接作用。
它是一种专门发号施令的电器,故称主令电器。
主令电器应用广泛,种类繁多,主要有控制按钮、万
能转换开关等。
主讲人:吕国芳43
QS QS
按钮、旋钮开关
主讲人:吕国芳44
万能开关
一种多挡式、控制多回路的主令电器。它可
用为各种配电装置的远距离控制,也可作为电压
表、电流表的转换开关,或作为小容量电动机的
起动、调速和换向之用。由于换接的线路多、用
途广,故有, 万能, 之称。






1
3
2
5
7
9
11
6
8
12
4
10
M
主讲人:吕国芳45
第二章:基本电气控制线路
2.1 电气设备简单的起停保控制线路 (投影太暗)
电源
保护
电源
开关
电动机
主回路 电动机起停控制
M
1 2 3 4 5 6
L2
L3
QS
FU1
KM
FR
L1
PE
FR
SB1
SB2 KM
33
3
FU2
KM
6 X
图 3-1 简单的起、停、保护电气控制线路
主讲人:吕国芳46
2.2 多地点控制线路
图 3-2 电动机的多地点控制
SB3
SB2
SB1
SB4
SB5SB6
KM
KM
SB3
SB2
SB1
SB4
SB5
SB6
KM
KM
(a) (b)
主讲人:吕国芳47
2.3 异步电机正、反转电气控制线路
图 3-3 按钮控制的异步电动机正反转电路
M
1 2 3 4 5
L2
L3
QS
FU1
FR
L1
PE
FR
SB3
FU2
KM2
3
33 7 6
电源
保护
电源
开关
电机主回路
正向 反向
电机控制
正向 反向
KM2
SB1
KM1
SB2
6 7 8
4
44 8 6
KM1 KM2 KM1
KM1
KM2
主讲人:吕国芳48
2.4 异步电机, Y-△,降压起动电气控
制线路
图 3-4 异步电动机 Y-△ 降压起动电路
M
1 2 3 4 5
L2
L3
FU1
L1
PE
FRFU2
KM1
3
3
3
7 X
电源
保护
电源
开关
电动机
起停控制
电动机起动
Y-△ 换接的时间控制
SB2
6 7 8
4
4
4
10 7
109
3
3
3
X
电动机
Y-△ 换接
SB1
KM1
KM3 KM2
9
KM2
KM3KM2
KT
89
KT KT
QS
KM1
FR
KM3
KM2
主讲人:吕国芳49
第三章:常用电器元件的选择
3.1 按钮
按钮是一种用来短时接通 /断开小
电流控制电路的主令电器
选择依据 是,触点对数, 动
作要求, 结构形式, 颜色, 是否自
带指示灯等;
电压等级, 通流能力 ( 1 ~ 8 A) 。
启动按钮 —— 绿色
停止按钮 —— 红色
紧急操作 —— 蘑菇式按钮
主讲人:吕国芳50
3.2 断路器
断路器除了断开电路的作用外, 还具有电流
过载, 欠压, 短路保护的作用 。
断路器类型有:框架式, 塑料外壳式, 限流
式, 手动操作式, 电动操作式 。
选择依据 是:极数、额定电流、电压类型、
电压等级、分断能力、动作频繁程度等。
主讲人:吕国芳51
3.3 接触器
接触器分两大类,
直流接触器, 交流接触器
选择依据 是:
主触头数, 额定电流 ( I KM),
线圈控制电压的类型, 等级等 。
对电机负载,I KM
I KM = Pe / ( K * Ue )
or I KM = K * Ie
其中 K = 1~1.4
Pe = 电机额定功率
Ue = 电机额定线电压
Ie = 电机额定线电流
主讲人:吕国芳52
3.4 热继电器
热继电器主要用于电机过载保护 。
热继电器分为三种形式:
两相式, 三相式, 三相带缺相保护式
选择依据 是:
形式, 额定电流 I FR
主讲人:吕国芳53
保护电流的整定
保护电流,热继电器中热元件的整定电流,
可根据使用对象进行可调整,
调整范围,约为 0.8 ~ 1.2 I FR
( I FR是热继电器的额定电流)
整定电流的取值:
一般取 0.95 ~ 1.05 I e(电动机的额定电流),
对过载能力较差的电机可选得更小些。
主讲人:吕国芳54
3.5 熔断器
熔断器主要用于短路保护 。
熔断器结构上主要由熔断器座,
熔断体 ( 熔体 ) 组成
熔断器分 插入式, 螺旋式, 填料
封闭管式 等等 。
选择依据 是:形式、熔体额定电
流( I FU)。
1、对电流较为平稳的负载(如照明、信号、热电电路等),
熔体额定电流就取线路的额定电流。
2、对具有冲击电流的负载(如电动机),熔体额定电流可利
用公式计算。
主讲人:吕国芳55
1、对电流较为平稳的负载(如照明、信号、热电电路等),
熔体额定电流就取线路的额定电流。
单台电机,I FU = 1.5 ~ 2.5 I e
多台电机,I FU = 1.5 ~ 2.5 I Nmax + ∑ I e
式中 I Nmax —— 功率最大电机的额定电流
∑ I e —— 除去功率最大电机之外, 其余电机
额定电流之和
轻载, 起动时间短 取 1.5 ;
重载, 起动时间长, 起停频繁则取 2.5。
2、对具有冲击电流的负载(如电动机),熔体额定电流可利
用公式计算。