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电气控制知识复习资料
一、基本概念
1.电器的定义
电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力和其他物理量），自动或手动接通和断开电路，从而断续或连续地改变电路参数或状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节用的电气元件或设备。
2.电器的分类
按工作电压等级分：高压电器（交流额定电压1200V、直流额定电压1500V以上）和低压电器（交流额定电压1200V、直流额定电压1500V及以下）
按动作原理分：手动电器和自动电器
按用途分：控制电器（继电器，接触器，按钮等）、配电电器（低压隔离器，熔断器，断路器等）、执行电器（电磁铁，电磁离合器等）
按工作原理分：电磁式电器（依据电磁感应原理来工作，如接触器、各种类型的电磁式继电器等）和非电量控制电器（依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等）

二、常用电气元件
1. 控制按钮
按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，用于手动发出控制信号，短时接通和断开小电流的控制电路。按钮也常作为可编程控制器的输入信号元件。
符号：SB

2. 行程开关
行程开关又称限位开关或位置开关，是一种利用生产机械某些运动部件的撞击来发出控制信号的小电流主令电器，主要用于生产机械的运动方向、行程大小控制或位置保护等。
符号：SQ

3. 接近开关和光电开关
接近开关是一种非接触式的、无触点的行程开关，内部为电子电路，按工作原理分为高频振荡性、电容型和永磁型三种类型。当运动着的物体接近它到一定距离时，它就能发出信号，从而进行相应的操作。接近开关不仅能代替有触点行程开关来完成行程控制和限位保护，还可以用于高频计数、测速、液面检测等。
光电开关是另一种类型的非接触式检测装置。它有一对光的发射和接收装置。根据两者的位置和光的接收方式可以分为发射式和反射式，作用距离从几厘米到几十米不等。
行程开关、接近开关、光电开关的选择方式：
选用时，要根据使用场合和控制对象确定检测元件的种类。例如：当被测对象运动速度不是太快时，可选用一般用途的行程开关；而在工作频率很高对可靠性及精度要求也很高时，应选用接近开关；不能接近被测物体时，应选用光电开关。
4. 转换开关
转换开关主要用于电气控制线路的转换，由于它能控制多个回路，适应复杂线路的要求。
符号：SA

5. 熔断器
熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉的保护电器。常作为电路或用电设备的严重过载和短路的保护，主要用作短路保护。
符号：FU

熔断器规格选择及使用
（1）熔断器的额定电压应大于等于线路的工作电压。
（2）熔断器的额定电流的选择分为下列几种情况：
1）对于变压器、电炉和照明灯负载，熔断器额定电流应略大于或等于负载电流。
2）对于输配电线路，熔断器额定电流应略小于或等于线路的安全电流。
3）保护一台电动机时，考虑到电动机起动电流的影响，可按下式选择：
Ifu≥(1.5～2.5)IN
式中IN——电动机额定电流（A）。对于频繁起动的电动机，式中的系数可选2.5~3.5。
4）保护多台电动机时，可按下式选择：
Ifu≥(1.5～2.5)IN.max+∑IN
式中IN.max——容量最大的一台电动机额定电流；∑IN——其余电动机额定电流总和。
6. 低压断路器
断路器俗称自动开关（自动空气断路器），用于不频繁接通、分断线路正常工作电流，也能在电路中流过故障电流时（短路、过载、欠电压等），在一定时间内断开故障电路的开关电器。
符号：QF

主要技术参数和一般选用原则
低压断路器的主要技术参数有：
（1）额定电流
额定电流IN就是额定持续电流，也就是脱扣器能长期通过的电流。
（2）额定电压
额定电压UN断路器正常工作的额定电压。
（3）额定短路分断能力
断路器的额定通断能力Icn是指在规定的条件（电压、频率、功率因数及规定的试验程序等）下，能够分断的最大短路电流值。
断路器的选用原则：
主要根据被控电路的额定电压、短路容量及负载电流的大小来选用相应额定电压、额定电流及分断能力的断路器。
断路器的额定电压和额定电流应不小于电路的正常工作电压和工作电流；
断路器的额定分断能力要大于等于电压中可能出现的最大短路电流；
欠电压脱扣器额定电压应等于主电路额定电压；
热脱扣器的整定电流应与所控制电动机的额定电流或负载额定电流相等。
选用电动机保护用低压断路器时，除应考虑一般选用原则外，还应注意：
（1）过载保护（长延时）动作电流整定值等于电动机额定电流。
（2）瞬时动作电流整定值，对于保护笼型电动机应为（8～15）倍电动机额定电流；对于保护绕线式电动机应为（3～6）倍电动机额定电流。并以此确定电磁脱扣器的额定电流。
7. 接触器
接触器是一种能频繁地接通和断开远距离用电设备主回路及其他大容量用电回路的自动控制电器。
文字符号：KM
图形符号：

接触器的主要技术参数
（1）额定电压 主触点能承受的额定电压。通常用的电压等级：直流接触器有110V、220V和440V；交流接触器有110V、220V、380V、500V等档次。
（2）额定电流 主触点能承受的额定电流，即允许长时间通过的最大电流。有5A、10A、20A、20A、60A、100A、150A、250A、400A和600A等几个等级。
（3）吸引线圈的额定电压：交流的有36V、110V、220V和380V；直流的有24V、48V、220V、440V。
（4）电寿命和机械寿命 以万次表示。
（5）额定操作频率 以（次/h）表示，即允许每小时接通的最多次数。
接触器的选择与使用
（1）类型选择
根据接触器所控制的负载电流的类型，来选择直流接触器或交流接触器。
（2）额定电压的选择
接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压。
（3）额定电流的选择
接触器的额定电流应大于或等于被控回路的额定电流。接触器如果使用在电动机频繁起动、制动或正反转的场合，一般讲接触器的额定电流降一个等级来用使用。
（4）吸引线圈的额定电压选择
吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的电源一致。
（5）接触器的触点数量、种类选择
接触器的触点数量和种类应根据主电路和控制电路的要求选择。如果辅助触点的数量不能满足要求时，可以通过增加中间继电器的方法解决。
8. 继电器
继电器是一类用于监测各种电量或非电量的电器，广泛用于电动机或线路的保护以及生产过程自动化控制。
一般来说，继电器通过测量环节测量输入外部信号（比如电压、电流等电量或温度、压力、速度等非电量）并传递给中间机构，将它与设定值（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动作，从而闭合或分断电路，达到控制电路的目的。
继电器的种类很多，常用的继电器有电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器、热与温度继电器等。
（1）电流继电器
电流继电器的线圈被做成阻抗小、导线粗、匝数少的电流线圈，串接在被测量的电路中（或通过电流互感器接入），用于检测电路中的电流是否越限。分过电流继电器和欠电流继电器。
符号：KI
（2）电压继电器
电压继电器可以对所接电路上的电压高低作出动作反应。分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。
符号：KV
（3）中间继电器
中间继电器实质是一种电压继电器。它的触点数量较多（一般有4副常开、4副常闭共8对），触点容量较大（额定电流5~10A），且动作灵敏。其主要用途：当其他继电器、接触器或其他电器的触点数量不够，或容量不够时，可借助中间继电器来扩大触点数量或触点容量，起到中间转换的作用。
符号：KA

（4）时间继电器
在生产中经常需要按一定的时间间隔来对生产机械进行控制，时间控制通常是利用时间继电器来实现的。时间继电器是一种利用电磁或机械动作原理实现触头延时通或断的自动控制电器。
按延时方式可分为通电延时型时间继电器和断电延时型时间继电器。
对于通电延时型时间继电器，当线圈得电时，其延时闭合触点要延时一段时间才闭合，延时断开触点要延时一段时间才断开。当线圈失电时，其延时闭合触点迅速断开，延时断开触点迅速闭合。
文字符号：KT
图形符号：

对于断电延时型时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点迅速闭合，延时动断触点迅速断开。当线圈失电时，其延时动合触点要延时一段时间再断开，延时动断触点要延时一段时间再闭合。
文字符号：KT

（5）热继电器
热继电器是一种保护电器，专门用来对过载及电源断相进行保护，以防止电动机因上述故障导致过热而损坏。
符号
文字符号：FR
图形符号：

选择与使用
热继电器主要用于保护电动机的过载，因此，在选用时必须了解被保护对象的工作环境、起动情况、负载性质、工作制以及电动机允许的过载能力。要遵循的原则是：应使热继电器的安-秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能地接近，甚至重合，以充分发挥电动机的能力，同时使电动机在短时过载和起动瞬间（5～6IN）时不受影响。
一般情况下，常按电动机的额定电流选取，使热继电器的整定值为0.95～1.05IN（IN为电动机的额定工作电流）。使用时，热继电器的旋钮应调到该额定值，否则将不能起到保护作用。对于三角形接法电动机，一相断线后，流过热继电器的电流与流过电动机绕组的电流增加比例是不同的，其中最严重的一相比其余两相绕组电流要大一倍，增加比例也最大。这种情况应该选用带有断相保护装置的热继电器。
对于频繁正反转、起制动的电动机不宜采用热继电器来保护。
（6）速度继电器
速度继电器是利用速度原则对电动机进行控制的自动电器，常用作笼型异步电动机反接制动控制，因此也称之为反接制动继电器。
文字符号：KS
图形符号：

选择与使用
一般速度继电器的动作速度为120r/min，触点的复位速度在100r/min以下，转速在3000~3600 r/min以下能可靠的工作，允许操作频率每小时不超过30次。
速度继电器主要根据电动机的额定转速来选择。使用时，速度电器的转轴应与电动机同轴连接，安装接线时，正反向的触点不能接错，否则就不能起到反接制动时接通和分断反向电源的作用。

三、基本电气控制电路
电气控制电路：
电气控制系统中，把各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关的等电器元件，用导线按一定方式连接起来组成电气控制电路。电气控制系统也称为继电-接触器控制系统，其特点是：结构简单、直观、易掌握、价格低廉、维护方便、运行可靠。
分类：电气原理图、电器布置图、电气接线图等。
电气原理图：
用规定的图形符号，按主电路和辅助电路相互分开并依据各电器元件动作顺序等原则所绘制的线路图，称为电气原理图。它包括所有电器元件的导电部件和接线端点，不表示电气元件的形状、大小和安装方式。
绘制电气原理图的有关规定：
（1）主电路、控制电路、信号电路应分开绘出，电路图中的电器的不同部分可以不画在一起，但文字符号应标注一致。主电路画在图纸的左方，控制电路、信号电路画在图纸的右方。
（2）控制电路和信号电路画在两条电源线之间。耗电元件（如电器的线圈、电磁铁线圈、信号灯）直接与一条电源线相连。控制接触点连接在另一条电源线和耗电元件之间。
（3）电气图中所有电器触点，都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。
（4）电路或元器件应按按功能布置，尽可能按动作顺序依次平行排列，尽可能减少线条和避免交叉线。
（5）有机械联系的元件用虚线连接。
（6）事故、备用、报警开关应表示在设备正常使用时的位置。如在特定位置时，则图上应有说明。
（7）电气原理图中，有直接电联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示。无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。
1. 单向点动控制电路
图1是三相笼型异步电动机单向点动控制电路。它是一个最简单的控制电路。
电路的工作原理：
起动时，合上断路器QF，引入三相电源，按下按钮SB，接触器KM线圈得电吸合，主触点KM闭合，电动机M因接通电源便起动运转。松开按钮SB，按钮就在自身弹簧的作用下恢复到原来断开的位置，接触器KM线圈失电释放，接触器主触点KM断开，电动机失电停止运转。
这种“一按就动，一松就停”的电路称为点动控制电路。点动控制电路常用于调整机床、对刀操作等。因短时工作，电路中不设热继电器。
L1
L2
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QF
KM
M
PE
FU
SB
KM

图1 单向点动控制电路

2. 单向自锁控制电路
单向点动控制电路只适用于机床调整、刀具调整。而机械设备加工时，要求电动机作连续运行，即要求按下按钮后，电动机就能起动并连续运行直至加工完毕为止。单向自锁控制电路就是具有这种功能的电路。
图2为三相笼型异步电动机单向自锁控制电路。
（1）电路的工作原理
起动时，合上断路器QF，引入三相电源。按下启动按钮SB2，交流接触器KM 的吸引线圈通电，接触器主触点闭合，电动机因接通电源直接起动运转。同时与SB2并联的常开辅助触点KM闭合，这样当手松开，SB2自动复位时，接触器KM的线圈仍可以通过接触器KM的常开辅助触点使接触器线圈继续通电，从而保持电动机的连续运行。这种依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用的辅助触点，则称为自锁触点。
要使电动机M停止运转，只要按下停止SB1，将控制电路断开即可。这时接触器KM线圈断电释放，KM的主触点将三相电源切断，电动机M停止旋转。当松开按钮后，SB1的常闭触点在复位弹簧的作用下，虽又恢复到原来的常闭状态，但接触器线圈已不再能依靠自锁触点通电了，因为原来闭合的自锁触点早已随着接触器线圈的断电而断开。
（2）电路的保护环节
1）断路器QF 短路保护
2）热继电器FR 过载保护
3）单向自锁控制电路具有欠电压保护与失电压保护功能。
控制电路具备了欠电压和失电压保护功能后，有如下三个方面的优点：
第一、防止电压严重下降时电动机低压运行。
第二、避免电动机同时启动而造成的电压严重下降。
第三、防止电源电压恢复时，电动机突然起动运转造成设备和人身事故。
L1
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L3
QF
KM
M
PE
FR
FU
FR
SB1
SB2
KM
KM

图2 单向自锁控制电路
3. 电动机的正反转控制电路
生产机械的运动部件作正、反两个方向的运动，均可通过控制电动机的正、反转来实现。我们知道，对三相交流电动机，改变电动机电源的相许，其旋转方向就会改变。为此，我们采用两个接触器分别给电动机送入正序和负序的电源，即对换两根电源线位置，电动机就能够实现分别正转和反转。
图3所示为电动机正反转控制电路。图中，断路器QF作为电源开关，它具有短路保护、过载保护和失电压保护的功能。由于两个接触器KM1、KM2的主触点所接电源的相序不同，从而可改变电动机的方向。接触器KM1和KM2触点不可同时闭合，以免发生相间短路故障，为此就需要在各自的控制电路中串接对方的常闭触点，构成互锁。电动机正转时，按下正向起动按钮SB2，KM1线圈得电并自锁，KM1常闭触点断开，这时，即使按下反向起动按钮SB3，KM2线圈也无法通电。当需要反转时，先按下停止按钮SB1，令接触器KM1断电释放，KM1常闭触点复位闭合，电动机停转。再按下反向起动按钮SB3，接触器KM2线圈才能得电，电动机反转。由于电动机由正转切换成反转时，需要停下来，再反向起动，故称该电路为正-停-反电路。电路中利用两个接触器常闭触点互相制约的方法称为互锁，这两个常闭触点称为互锁触点。
L1
L2
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QF
KM1
M
PE
KM2
FR
FU
FR
SB1
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KM2
KM1
KM1
SB3
KM1
KM21
KM2

图3电动机的正反转控制电路
4. 自动往返控制电路
生产实践中，有些生产机械的工作台需要自动往返控制，如图4所示。它是采用行程开关SQ1、SQ2实现自动往返控制的。
工作台
正向
反向
导 轨
SQ1
SQ2
撞杆
限位销
限位销

图4 工作台往返运动示意图
图5为自动往返控制电路。当按下正转起动按钮SB2后，接触器KM1线圈通电吸合并自锁，电动机正转，拖动运动部件作相应的移动，当位移至规定位置（或极限位置）时，安装在运动部件上的挡铁（撞块）便压下行程开关SQ1，SQ1的常闭触点断开，切断KM1线圈回路，KM1断电释放，电动机停止运转。这时，SQ1常开触点闭合，KM2线圈回路接通，KM2主触点闭合，同时KM2触点自锁，电动机反向运转，拖动运动部件退回，挡铁脱离行程开关SQ1，其常闭触点和常开触点复位，为下次正向起动做准备。
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QF
KM1
M
PE
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FR
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KM2
KM1
KM1
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KM21
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SQ1
SQ2
SQ2
SQ1

图5 自动往返控制电路
5. 三相笼型异步电动机减压起动控制电路
由于大容量笼型异步电动机的起动电流很大，会引起电网电压降低，使电动机转矩减小，甚至起动困难，而且还要影响同一供电网络中其他设备的正常工作，所以容量大的笼型电动机的起动电流应该限制在一定的范围内，不允许直接起动，因而采用减压起动的方法。常用的减压起动方法有：定子绕组串电阻减压起动、自耦变压器减压起动、星-三角减压起动等方法。现在介绍星-三角减压起动电路。
正常运行时，定子绕组为三角形联接的笼型异步电动机，可采用星-三角的减压起动方法达到限制起动电流的目的。
起动时，定子绕组首先连接成星形，待转速上升到接近额定转速时，将定子绕组的连接方式由星形改接成三角形，电动机便进入全电压正常运行状态。
图6所示为星-三角起动控制电路，主电路中由三个接触器进行控制，其中KM2、KM3不能同时吸合，否则将出现三相电源短路事故。KM3主触点闭合，则将电动机绕组连接成星形；KM2主触点闭合，则将电动机绕组连接成三角形。KM1主触点则用来控制 电源的通断。
按下起动按钮SB2，时间继电器KT、接触器KM3的线圈通电，接触器KM3主触点闭合，将电动机绕组接成星形。随着KM3通电吸合，KM1通电吸合并自锁。电动机绕组在星形连接情况下起动起来。待电动机转速接近额定转速的时，时间继电器延时完毕，其常闭延时触点KT动作，接触器KM3失电，其常闭触点复位，KM2通电吸合，将电动机绕组接成三角形连接，电动机进入全压运行状态。
L1
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KM1
M
PE
FR
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FR
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V1
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U2
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KM2
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KT
KM1
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KM2
KM3
KM1

图6 星-三角起动控制电路
6. 多地点控制电路
有些设备为了操作方便，常在两个或两个以上的地点进行控制。比如为了集中管理，由中央控制台进行控制，但每台设备调整、检修或故障时，又需要就地进行控制。这时就需要有两地控制电路。两地控制要求无论操作者在哪个控制点，都能独立的起动或停止电动机。图7所示为一种两地控制电路。
两地的起动按钮SB3、SB4常开触点并联起来控制接触器KM线圈，只要其中任一按钮闭合，接触器线圈KM就通电吸合；两地的停止按钮SB1、SB2常闭触点串联起来控制接触器KM线圈，只要其中有一个触点断开，接触器KM线圈就断电。推而广之，n地控制电路只要将n地的起动按钮的常开触点并联起来，将n地的停止按钮常闭触点串联起来控制接触器KM线圈即可。
L1
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QF
KM
M
PE
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FR
SB1
SB2
KM
KM
SB3
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图7 两地异地控制电路
7. 顺序起、停控制电路
具有多台电动机拖动的机械设备，在操作时为了保证设备的安全运行和工艺过程的顺利进行，对电动机的起动、停止，必须按一定的顺序来控制，这就称为电动机顺序控制。
图8所示是电动机顺序起动控制电路。电动机M2必须在M1起动后方能启动，这就构成了两台电动机的顺序控制。
合上断路器QF，按下1号机起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电吸合且自锁，电动机M1起动运转。自锁触点KM1闭合为KM2线圈通电准备了条件。这时按下启动按钮SB4，接触器KM2线圈通电吸合并自锁，电动机M2起动运转。
可见，只有电动机M1起动后使KM1闭合，才为起动电动机M2作好准备。从而实现了电动机M1先起动，M2后起动的顺序控制。
按下按钮SB3，电动机M2可单独停止；若按下按钮SB1，M1、M2同时停止。
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FU
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M
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M1
M2
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KT
KT
KM2
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图8 两台电动机顺序起动控制电路