电气工程-郭艳萍电气控制与PLC教案 精品

《电气控制与PLC》教案
渤海石油职业学院
机电工程系
董瑞情
教案
任课教师：董瑞情
课程名称：电气控制与PLC
授课班级：08机械1、2 08数控
章节课题：第一章常用低压电器
学时：
教学目的：1. 掌握电器相关的基本概念。

2. 掌握几种常用低压电器
教学重点：接触器、继电器、低压断路器结构和工作原理教学难点：万能转换开关
教学方法：课堂讲授，辅以多媒体电子课件
教学效果：
教学过程
第一章常用低压电器
第一节低压电器基本知识
一低压电器分类
1 电器定义：电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用，在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。

低压电器用于交流1200V、直流1500V级以下的电路中。

2、低压电器分类
按用途分：低压配电电器：输送和分配电能，刀开关、低压断路器、熔断器等。

低压控制电路：用于控制线路和系统，接触器、继电器、控制器、按钮等。

按动作原理：手动
自动
按工作原理：电磁式接触器、电磁式继电器等。

非电磁式速度继电器、行程开关
二、低压电器作用
1、控制作用
2、保护作用
3、测量作用
4、调节作用
5、指示作用
6、转换作用
三、低压电器基本结构
电磁式低压电器分感测部分（电磁机构）和执行部分（触头系统）。

1、电磁机构组成：吸引线圈、铁心、衔铁
按通过线圈的电流种类分有交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分有E形和U形两种；按衔铁的运动形式分有拍合式和直动式两大类。

如图1-1
2、交流电磁机构和直流电磁机构
1）直流电磁机构的铁芯不发热，线圈发热，线圈为无骨架、高而薄的瘦高型。

铁芯为整体结构的软钢和工程纯铁制成，以增加磁导率和增强散热；
2）交流电磁机构的铁芯、线圈都发热，线圈为有骨架、短而厚的矮胖型。

铁芯采用硅钢片叠制而成，目的是减少在铁芯中产生的涡流，使铁芯发热。

此外交流电磁机构
的铁芯有短路环，以防止电流过零时（滞后90°）电磁吸力不足使衔铁振动。

3、触头系统触头是用来接通或断开电路的
1）按其接触形式分为点接触、线接触和面接触3种(桥式和指型)。

如图1-4
2）按控制的电路分为主触头和辅助触头。

主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流。

辅助触头用于接通或断开控制电路，只允许通过较小的电流。

3）按原始状态分为常开触头和常闭触头。

当线圈不带电时，动、静触头是分开的称为常开触头；
当线圈不带电时，动、静触头是闭合的称为常闭触头。

4、灭弧装置
1）电弧的产生：大气中分断电路，电场使触头表面大量电子溢出。

2）电弧的危害：电弧产生高温并有强光，可将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时可引起事故或火灾。

3）灭弧原则：拉长、冷却、分段
4）灭弧的方法
（1）点动力灭弧：如图1-5
机械灭弧：通过机械将电弧迅速拉长，用于开关电路。

（2）磁吹灭弧：在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，电弧被冷却熄灭。

如图1-6
（3）窄缝灭弧：在电弧形成的磁场、电场力的作用下，将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝中，使其分成数段并迅速熄灭，如图1-3所示，该方式主要用于交流接触器中。

（4）栅片灭弧：当触头分开时，产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅片而被分成数段，彼此绝缘的金属片相当电极，因而就有许多阴阳极压降，对交流电弧来说，在电弧过零时使电弧无法维持而熄灭，如图1-7所示，交流电器常用栅片灭弧。

第二节主令电器
主令电器主要用来切换控制电路，即用它来控制接触器、继电器等电器的线圈得电与失电，从而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，如正转与反转等。

一、控制按钮
1、定义：通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关。

2、控制按钮结构：由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。

通常制成具有常开触点和常闭触点的复合式结构，其结构示意图如图1-8所示。

3、控制按钮分类：指示灯式按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式按钮装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作。

旋钮式按钮是用手扭动旋钮来进行操作的。

按钮帽有多种颜色，一般红色用作停止按钮，绿色用作启动按钮。

按钮主要根据所许的触点数、使用场合及颜色来进行选择。

按钮开关的图形符号及文字符号如图1-9所示。

二、行程开关
行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。

行程开关有机械式和电子式两种，机械式常见的有按钮式和滑轮式两种。

图1-10为行程开关外形图，图1-11为行程开关图形符号。

三、接近开关
行程开关是有触点开关，工作时由挡块与行程开关的滚轮或触杆碰撞使触点接通或断开的。

在操作频繁时，易产生故障，工作可靠性较低。

接近开关是无触点开关，具有工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、动作迅速等优点，因此在工业控制系统中应用越来越广泛。

接近开关包括电感式和电容式。

四、万能转换开关
作用及原理：由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，借助于不同形状的凸轮使其触点按一定的次序接通和分断，它能转换多种和多数量的电气控制电路。

第三节接触器
一结构和工作原理
1 结构：一般由电磁机构、触点、灭弧装置、释放弹簧机构、支架与底座等几部分组成。

2 工作原理：根据电磁原理工作：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，并带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下降放，使触点复原，即常开触点断开，常闭触点闭合。

二分类及特点
1 交流接触器：交流接触器线圈通以交流电，主触点接通、切断交流主电路。

2 直流接触器：直流接触器线圈通以直流电流，主触点接通、切断直流主电路。

三主要技术参数：线圈电压、主触点额定电流、主触点额定电压、辅助触点额定电流、辅助触点对数、接触器极数以及接触器的机械寿命和电寿命等。

四选择原则：
1 接触器的使用类别应与负载性质相一致，控制交流负载应选用交流接触器，控制直流负载则选用直流接触器。

2 主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。

3主触点的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流。

4接触器主触点的额完工作电流是在规定条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变。

5吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致，接触器在线圈额定电压85％及以上时应能可靠地吸合。

6主触点和辅助触点的数量应能满足控制系统的需要。

第四节继电器
一继电器特性及其分类
1 、原理：主要用于控制与保护电路中作信号转换用。

具有输入电路（又称感应元件）和输出电路（又称执行元件），当感应元件中的输入量（如电流、电压、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。

2 、结构：检测机构、中间机构和执行机构。

3、分类：
1）按输入信号有电流继电器、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、频率继电器等等。

2）按工作原理：电磁式、感应式、电动式、电子式、热继电器等。

3）按用途：控制继电器和保护继电器
4）按输出形式：有触点和无触点
4、特性：继电特性曲线。

参数：返回系数、吸合时间、释放时间。

二、电流继电器
过电流继电器
欠电流继电器
三、电压继电器
过电压继电器
欠电压继电器。

中间继电器：当电压或电流继电器触点容量不够时，可借助中间继电器来控制，用中间继电器作为执行元件，这时中间继电器被当作一级放大器用；当其他继电器或接触器触点数量不够时，可利用中间继电器来切换多条控制电路。

四、时间继电器
1原理：感应元件接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电器。

2按延时方式分类：通电延时型、断电延时型和带瞬动触点的通电（或断电）延时型继电器。

3按工作原理分类：空气阻尼式、电动式和电子式、单片机控制式等。

4触点类型：常开延时闭合触点、常闭延时断开触点、常开延时断开触点和常闭延时闭合触点4类。

图1-19
五、热继电器
1 定义：专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，以防止电动机过热而烧毁的保护电器。

2 组成：双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及手动复位装置等组成。

3 原理
4 参数：热继电器额定电流、相数、热元件额定电流、整定电流及调节范围等。

六速度继电器
1 作用：用于转速的检测，常用在三相交流异步电动机反接制动转速过零时，自动切除反相序电源。

2 组成：转子、定子和触点三部分组成。

3 原理：如图1-22
第五节其他常用低压电器
一、刀开关
刀开关只用于手动控制容量较小、起动不频繁的电动机，可分为瓷底开启式负荷开关和封闭式负荷开关。

1、结构和安装
刀开关（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、常用刀开关
1）开启式负荷开关：
2）封闭式负荷开关是快断刀闸的刀开关与熔断器组合在一起的铁壳开关，常用来控制小容量异步电动机的不频繁起动和停止。

二、熔断器
1、作用：供电电路和电气设备的短路保护。

2、组成：由熔体和安装熔体的外壳两部分组成。

3、原理：通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而切断电路，从而保护了电路和设备。

4、特性：保护特性曲线
5、常用熔断器
三、低压断路器
1、作用：用来分配电能，不频繁地起动异步电动机，对电源电路及电动机等实行保护。

功能相当于熔断器式断路器与过电流、欠电压、热继电器等的组合。

2、组成：主要由触点和灭弧装置、各种可供选择的脱扣器与操作机构、自由脱扣机构三部分组成。

3、原理：
4、参数：额定工作电压、壳架额定电流等级、极数、脱扣器类型及额定电流、短路分断能力等。

布置作业：1.1、1.4、1.6、1.8
教案
任课教师：董瑞情
课程名称：电气控制与PLC
授课班级：08机械1、2 08数控
章节课题：第二章基本电气控制电路
学时：
教学目的：掌握电器图形符号与文字符号，电气图的基本知识，三相异步电动机起动、停止控制电路；正、反转控制电路；制动控制电路；点动、联锁、多点控制等基本控制电路环节。

了解电气图纸相关规范。

教学重点：1. 掌握电气控制电路图的相关知识
2. 掌握三相异步电动机的基本控制电路环节
教学难点：
教学方法：课堂讲授，辅以多媒体电子课件
教学效果：
教学过程
第二章基本电气控制电路
第一节电气控制系统图的绘制规则和常用符合
一概述
1 、电气图：用电气图形符号绘制的图。

是电工领域中最主要的提供信息方式，它提供的信息内容可以是功能、位置、设备制造及接线等。

2、种类：电路图（电气原理图）、电气接线图、电器元件布置图。

二电气图形符号与文字符号
1 电气图形符号：由符号要素、限定符号、一般符号以及常用的非电操作控制的动作符号（如机械控制符号等），根据不同的具体器件情况组合而成。

2 电气文字符号：分为基本文字符号和辅助文字符号。

基本文字符号有单字母符号和双字母符号。

单字母符号表示电气设备、装置和元器件的大类；双字母符号由一个表示大类的单字母与另一表示器件某些特性的字母组成。

辅助文字符号用来进一步表示电气设备、装置和元器件的功能、状态和特征。

3 常用电气图形符号与文字符号示例。

表2-1
三电气原理图
1 形式与作用：根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式绘制的。

不按电器元件实际布置绘制，而是根据电器元件在电路中所起的作用画在不同的部位上，用于分析研究系统的组成和工作原理，并为寻找电气故障提供帮助，同时也是编制电气接线图的依据。

2 组成：
主电路：设备的驱动电路，包括从电源到用电设备的电路，是强电流通过的部分。

控制电路：由按钮、接触器和继电器的线圈、各种电器的常开、常闭触点等组合构成的控制
辅助信号指示电路。

3 绘制方法
水平布置时，电源线垂直画，其他电路水平画，控制电路中的耗能元件（如接触器的线圈）画在电路的最右端。

垂直布置时，电源线水平画，其他电路垂直画，控制电路的耗能元件画在电路的最下端。

主电路采用粗实线。

控制电路和其他辅助的信号指示及保护电路采用细实线。

所有电器元件不画出实际的外形图，采用国家标准规定的图形符号和文字符号表示。

同一电器的各个部件可根据需要画在不同的地方，但必须用相同的文字符号标注。

多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字序号加以区分。

4 常用器件状态表示
继电器和接触器的线圈在非激励状态。

断路器和隔离开关在断开位置。

零位操作的手动控制开关在零位状态，不带零位的手动控制开关在图中规定的位置。

机械操作开关和按钮在非工作状态或不受力状态。

保护类元器件处在设备正常工作状态，特别情况在图样上加以说明。

5 标注：元器件的数据和型号，一般用小号字体标注在电器元件符号的附近，需要标注的元器件的数量比较多时，可以采用设备表的形式统一给出。

四电器元件布置图
1 作用：用来表明电气设备上所有电器和用电设备的实际位置，是电气控制设备制造、装配、调试和维护必不可少的技术文件。

2 内容：控制柜与操作台（箱）内部布置图以及控制柜与操作台（箱）面板布置图。

3 绘制方法：
控制柜与操作台（箱）等设备的外形轮廓用细实线绘出。

可见的和需要表达清楚的电器元件及设备，用粗实线绘出其简单的外形轮廓，并标明其实际的安装位置。

电器元件及设备代号必须与有关电路图和设备清单上所用的代号相一致。

五电气接线图
1 作用：表示电气设备或装置连接关系的简图，主要用于电气设备安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。

2 内容：电气设备和电器元件的相对位置、项目代号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等情况。

第二节电气控制电路的基本控制规律
一、自锁控制电路
1、手动控制线路
2、点动控制线路
所谓点动，即按下按钮时电机转动工作，手松开按钮电机停止工作。

点动控制多用于机床刀架、横梁、立柱等快速移动和机床对刀等场合。

图2-2列出了实现点动控制的几种电气控制线路。

图2-5是最基本的点动控制线路。

起动按钮SB没有并联接触器KM的自锁触头，按下SB，KM线圈通电，电机起动；手松开按钮SB时，接触器KM线圈又断电，其主触点断开，电机停止
运转。

3、自锁控制电路
合上QS，按下SB2，KM线
圈吸合，KM 主触点闭合，
电动机运转。

KM辅助常开触点闭合，自
锁。

按下SB1，KM线圈断电，主
触点、辅助触点断开，电动
机停止。

自锁另一作用：实现欠压和
失压保护
二、互锁控制电路
1、正反转控制
缺点：
2、接触器互锁的正反转控制
加互锁----在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制作用称为互锁（联锁）。

规律：当要求甲接触器工作时，乙接触器就不能工作，此时应在乙接触器的线圈电路中串入甲接触
器的动断触点。

当要求甲接触器工作时乙接触器不能工作，而乙接触器工作时甲接触器不能工作，此时应在两
个接触器的线圈电路中互串入对方的动断触点。

3、按钮、接触器双重互锁正反转控制
三、行程控制电路
(1) 工作台的正反向自动循环控制许多机床的自动循环控制都是靠限位控制来完成的。

某些机床的工作台要求正反向运动自动循环。

(2) 动力头的自动循环控制它是由限位开关按行程来实现动力头的往复运动的。

四、多地控制电路
在大型机床设备中，为了操作方便，常要求能在多个地点进行控制。

例如把起动按钮并联连接，停止按钮串联连接，分别安置在三个地方，就可三地操作。

规律：启动按钮并联、停止按钮串联
五、顺序控制电路
1、主电路实现
2、控制电路实现
•当要求甲接触器工作后方允许乙接触器工作，则在乙接触器线圈电路中串入甲接触器的动合触点。

•当要求乙接触器线圈断电后方允许甲接触器线圈断电，则将乙接触器的动合触点并联在甲接触器的停止按钮两端。

第三节三相异步电动机降压起动控制电路
1．直接起动控制电路
一些控制要求不高的简单机械，如小型台钻、砂轮机、冷却泵等常采用开关直接控制电动机起动和停止。

它适用于不频繁起动的小容量电动机，不能远距离控制和自动控制。

2．降压起动控制电路
较大容量的笼型异步电动机一般都采用降压起动的方式起动，具体实现的方案有：定子串电阻或电抗器降压起动、星—三角变换降压起动、自耦变压器降压起动、延边三角形降压起动等。

一、鼠笼式电动机
1、定子串接电阻降压起动
电动机起动时在三相定子绕组中串接电阻，使定子绕组上电压降低，起动结束后再将电阻短接，使电动机在额定电压下运行，这种起动方式不受电动机接线方式的限制。

2、定子串接自耦变压器降压起动
自耦变压器降压起动的控制线路，电动机起动电流的限制是靠自耦变压器的降压作用来实现的。

3、Y/D降压起动
星形-三角形（Y/D）降压起动是笼型三相异步电动机降压起动方法之一。

Y/D起动控制分为手动和自动两种。

二、绕线式电动机
转子绕组串接电阻起动
转子回路串接起动电阻，一般接成星形且分成若干段，起动时电阻全部接入，起动过程中逐段切除起动电阻。

切除电阻的方法有三相平衡切除法及三相不平衡切除法，常用的接触器控制切除起动电阻多为三相平衡切除法，即每次每相切除的起动电阻相同。

第四节三相异步电动机制动控制电路
制动停车的方式有两大类：即机械制动和电气制动。

机械制动采用机械抱闸、液压或气压制动；电气制动有反接制动、能耗制动、电容制动等，其实质是使电动机产生一个与转子原来的转动方向相反的制动转矩。

1、机械制动控制电路
2、反接制动控制电路反接制动是利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生相反方向的旋转磁场，因而产生制动转矩的制动方法。

反接制动常采用转速为变化参量进行控制。

由于反接制动时，转子与旋转磁场的相对速度接近于两倍的同步转速，所以定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接起动时电流的两倍，因此反接制动特点之一是制动迅速，效果好，冲击大，通常仅适于10kW以下的小容量电动机。

为了减小冲击电流，通常要求在电动机主电路中串接限流电阻。

3、能耗制动控制电路能耗制动就是在电动机脱离三相交流电源之后，向定子绕组内通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用产生制动的电磁转矩，达到制动的目的。

第五节三相异步电动机调速控制电路
双速电动机的控制线路
三相笼型异步电动机的调速方法之一是依靠变更定子绕组的极对数来实现的。

图2-22为4/2极的双速异步电动机定子绕组接线示意图，图（a）将电动机定子绕组的U1、V1、W1三个接线端接三相交流电源，而将电动机定子绕组的U2、V2、W2三个接线端悬空，三相定子绕组接成三角形。

此时每相绕组中的①、②线圈串联，电流方向如图（a）中箭头所示，电动机以四极运行为低速。

若将电动机定子绕组的U2、V2、W2三个接线端子接三相交流电源，而将另外三个接线端子U1、V1、W1连在一起如图（b）所示，则原来三相定子绕组的三角形接线变为双星形接线，此时每相绕组中的①、②线圈相互并联，电流方向如图（b）中箭头所示，于是电动机便以两极运行为高速。

图2-23所示的双速电动机控制线路采用两个接触器来换接电动机的出线端以改变电动机的转速。

布置作业：2.1 2.3 2.4 2.8
作业
2-3
（1）、常闭接在了自己的回路。

(2) 启动按钮结成常闭触点或KM2常闭触点接错（3）反转自锁触点短接了停止按钮
2-6
问题分析：
本线路在原位（M1 电机在1、M2 电机在3）停车后，或M1 电机在1到2之间,M2 电机在3时停电（SQ3被压常闭断开，SQ1、SQ2、SQ4都释放状态，三个常开都断开）要重新启动时需再按下启动按钮SB2方可。

但在其他地方停电后再来电时都会自行启动。

例如
1、M2 电机在3到4之间M1 电机在2时停电（SQ2被压常开闭合，SQ1、SQ3、SQ4都释放状态，三个常闭都闭合，来电后KM3得电启动），
2、M1 电机在2到1之间、M2 电机在4时停电（SQ4被压常开闭合，SQ1、SQ2、SQ3都释放状态，三个常闭都闭合，来电后KM2得电启动），
3、M2 电机在4到3之间、M1电机在1时停电（SQ1被压常开闭合，SQ
4、SQ2、SQ3都释放状态，三个常闭都闭合，来电后KM4得电启动）。

4、M1 电机在2、M2 电机在3（SQ2、SQ3被压常开闭合，SQ1、SQ4都释放状态，三个常闭都闭合）
5、M1 电机在2、M2 电机在4（SQ2、SQ4被压常开闭合，SQ1、SQ3都释放状态，三个常闭都闭合）
6、M1 电机在1、M2 电机在4（SQ1、SQ4被压常开闭合，SQ2、SQ3都释放状态，三个常闭都闭合）而且停止按钮失去作用。