6常用低压电器与控制电路教案资料.doc

6常用低压电器与控制电路

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第6章常用低压电器与控制电路
【课题】
6.1常用低压电器
【教学目标】
知道闸刀开关、铁壳开关、组合开关、熔断器、自动充气开关及接触器、继电器和按钮开关的结构及用途。
【教学重点】
1．交流接触器结构与工作原理。
2．断路器结构与工作原理。
【教学难点】
1．组合开关的结构。
2．热继电器的结构与工作原理。
【教学过程】
【一、复习】
电路组成中辅助设备的作用。
【二、引入新课】
低压电器：是指交流1 200 V、直流1 500 V以下，用来控制与保护用电设备的电器。常用低压电器种类繁多，功能各异，是一个庞大的家族，并且不断涌现出现新品种。
【三、讲授新课】
6.1.1闸刀开关
1．部件：刀片（动触点）和刀座（静触点）。
按刀片数量不同，闸刀开关可分为单刀、双刀和三刀三种。图6.1是胶木盖瓷座三刀闸刀开关的结构图和符号。

（a）结构 （b）符号（单刀、双刀）
图6.1闸刀开关
2．作用：（1）隔离开关，也就是说在不带负载（用电设备不工作）的情况下切断和接通电源。（2）电源开关，直接用它来控制电动机（小于7.5 kW）起、停操作。
6.1.2铁壳开关
1．铁壳开关：熔断器和刀片与刀座等安装在薄钢板制成的防护外壳内。有速断弹簧以加快刀片与刀座分断速度，减少电弧。图6.2是铁壳开关的外形图。

图6.2铁壳开关
2．特点：外壳上有机械联锁装置，壳盖打开时开关不能闭合；开关断开时壳盖才能打开。
3．作用：用于不频繁接通和分断电路。
6.1.3　组合开关
1．结构：静触点、动触点和绝缘手柄。（1）静触点一端固定在绝缘板上，另一端伸出盒外，并附有接线柱，以便和电源线及其他用电设备的导线相连。（2）动触点装在另外的绝缘垫板上，垫板套装在附有绝缘手柄的绝缘杆上。（3）绝缘手柄能沿顺时针或逆时针方向转动，带动动触点分别与静触点接通或断开。图6.3是组合开关外形图和原理示意图。

（a）外形 （b）结构 （c）原理示意
图6.3　组合开关
2．作用：电气设备中作为不频繁地接通和分断电路，接通电源和负载，控制小容量异步电动机的正、反转及星形－三角形起动等用途。
6.1.4　按钮
1．结构：由动触点、静触点、按钮帽和复位弹簧组成。图6.4是按钮外形图、结构图及符号。

（a）外形 （b）结构 （c）原理示意
图6.4　按钮开关
2．动作情况：当用手按下按钮帽时，上面的动断（常闭）触点先断开；下面的动合（常开）触点后闭合。当松开按钮帽时，动触点自动复位，使得动合触点先断开，动断触点后闭合。
3．复合按钮：在一个按钮内分别安装有动断和动合触点的按钮。
6.1.5　熔断器
1．结构：熔体和外壳组成。图6.5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）为几种常见熔断器的外形图及符号。

（a）插入式熔断器 （b）螺旋式熔断器

（c）管式熔断器 （d）添料式熔断器
图6.5　熔断器
一般情况下要求通过熔体的电流等于或小于额定电流的1.25倍时，可以长期不熔断；超过其额定电流的倍数越大，熔体熔断的时间越短。
6.1.6　交流接触器
1．结构：电磁铁和触点组组成。（1）电磁铁的铁心分为动、静铁心。（2）触点组的动触点在动铁心移动时，被拖动作相应的移动。图6.6（a）、（b）、（c）、（d）分别为接触器外形图、结构图、原理示意图及符号。

图6.6　交流接触器
2．交流接触器的触点：
（1）主触点通常为3对动合触点，带有灭弧装置，允许通过较大的电流；
（2）辅助触点既有动合也有动断触点，不带有灭弧装置，允许通过的电流较小。
3．触点动作情况：吸引线圈通电动铁心克服复位弹簧作用力向静铁心移动，拖动所有触点动作。动断触点断开；动合触点闭合。
4．短路环作用：消除交流接触器的铁心在工作时发生振动而产生噪声。
6.1.7　热继电器
1．作用：过载保护。
2．结构：发热元件绕制在双金属片（两层膨胀系数不同的金属辗压而成）上，传动机构设置在双金属片和触点之间，热继电器有动合、动断触点各1对。图6.7（a）、（b）、（c）分别为热继电器外形图、原理示意图和符号。

（a）外形

(b) 原理示意图 (c)符号
图6.7　热继电器
3．工作原理：发热元件串联在被保护设备的电路中，过载时负载电流增大导致发热元件产生的热量使双金属片产生弯曲变形，当弯曲程度达一定幅度时，导板推动杠杆使热继电器的触点动作，其动断触点断开；动合触点闭合。
4．热继电器触点复位方式：（1）调节螺钉旋入可使双金属片冷却后动触点自动复位；（2）调节螺钉旋出使双金属片冷却后动触点不能自动复位，必须按下复位按钮动触点实现手动复位。
5．注意：热继电器不适应于对电气设备（电动机）实现短路保护。
6.1.8　空气断路器
1．作用：对电气设备实现短路、过载和欠压保护。
2．结构：触点、脱扣机构。图6.8（a）、（b）、（c）为空气断路器的外形图、原理示意图和符号。

（a）外形 （b）原理示意 （c）符号
图6.8　空气断路器
3．手柄位置：“分”与“合”在机械上是互锁的。（1）“合”位置，触点连杆被搭钩锁住，触点保持闭合状态；（2）“分”位置，触点处于断开状态。
4．工作原理：
（1）短路或严重过载时，过流脱扣器的衔铁被吸合，通过杠杆将搭钩顶开，主触点迅速切断短路或严重过载电路。
（2）过载时，产生的热量使双金属片弯曲变形推动杠杆顶开搭钩，主触点断开，切断过载电路。过载越严重，主触点断开越快，但不可能瞬动。
（3）失压或电压过低时，欠压脱扣器中衔铁因吸力不足而将被释放，主触点被断开。当电源恢复正常时，必须重新合闸后才能工作，实现失压保护。
【四、小结】
1．电器是一种控制电的工具。“低压电器”是指其工作电压为交流1 200 V、直流1 500 V以下的电器。
2．闸刀开关也称刀开关。它广泛地应用在低压电路中作不频繁接通或分断容量不太大的低压供电电路，有时也作为隔离开关使用。
3．封闭式负荷开关。控制不频繁起动小型电动机。
4．组合开关。接线方式很多，有一定的通断能力。
5．按钮开关。其作用是“发布控制命令”。
6．熔断器。串联在被保护的电路中，发生过载或短路故障熔体自行熔断，并以此切断故障电路。
7．交流接触器。用来频繁地远距离接通或断开交、直流电路及大容量控制电路。
8．热继电器。过载保护。
9．空气断路器。电气设备多种保护。
【五、习题】
一、是非题：1、2、3、4、5、7、8；二、选择题：1、2；三、填空题：1、2、3、4。

【课题】
6.2三相异步电动机的正、反转控制电路
【教学目标】
描述三相异步电动机的正、反转控制电路的原理和电路结构。
【教学重点】
1．接触器的自锁电路。
2．接触器的互锁电路。
【教学难点】
1．接触器的自锁电路。
2．接触器的互锁电路。
【教学过程】
【一、复习】
1．接触器结构与工作原理。
2．交流异步电动机正、反转原因。
【二、引入新课】
从本节开始我们将学习电气控制电路内容，这是电气控制系统中经常使用的电路。无论电气控制电路多么复杂，它们都是从正、反转等电路开始的。
【三、讲授新课】
6.2.1　直接起动控制电路
1．直接起动控制电路如图6.9所示。

图6.9　直接起动控制电路
QS为闸刀开关，在电路中起隔离开关作用；
FU为熔断器，起短路保护作用；
FR为热继电器，起过载保护作用；
M为三相交流异步电动机，是直接起动控制电路的控制对象；
SBstP为动断按钮，也称停止按钮；
SBst为动合按钮，也称起动按钮；
KM为接触器，其主触点控制电动机的起动和停止。
2．直接起动过程：
（控制过程也可以用符号来表示：各种电器在没有外力作用或未通电的状态记作“-”，电器在受到外力作用或通电的状态记作“+”，并将它们相互关系用线段“——”表示，线段的左面符号表示原因，线段的右符号表示结果，自锁状态用在接触器符号右下角写“自”表示。和表示先按下，后松开。）
起动过程： —— —— （起动）
停止过程：—— ——（停止）
6.2.2正、反转控制电路
1．反转控制电路如图6.11所示。

图6.11正、反转控制电路
QF为空气断路器，隔离开关兼做短路保护；
KMF为正转接触器，主触点闭合时，电动机正转；
KMR为反转接触器，主触点闭合时，电动机反转。
2．互锁（联锁）：在正转和反转接触器线圈KMF和线圈KMR支路中，串入对方的动断触点。利用接触器动断触点的互锁也称为电气互锁。
3．正、反转控制过程如下：
正转过程：————（正转）
—（互锁）
停止过程：———— （停止）。
反转过程：———— （反转）
—（互锁）
4．正、反转直接过渡，如图6.12所示（复合按钮，机械互锁）。

图6.12　机械互锁正、反转电路
正、反转控制过程如下：
正转过程：——（互锁）
——（正转）
反转过程：———— （正转停止）
——（反转）
5．双重互锁，如图6.13所示。

图6.13　双重互锁正、反转电路
双重互锁电动机正、反转控制过程如下：
正转过程：——（机械互锁）
———（正转）
—（电气互锁）
反转过程：———— （正转停止）
———（反转）
—（电气互锁）
【四、小结】
1．直接起动控制电路。自锁（自保）是接触器辅助动合触点并联在起动按钮两端形成自锁支路。
2．正、反转控制电路。互锁电路分为电气互锁（由接触器动断触点实现），机械互锁（复合按钮实现）和双重互锁（既有电气互锁，又有机械互锁）三种。
【五、习题】
一、是非题：12、13、14、15；二、选择题：3、4、5；三、填空题：5、6； 四、作图题：1、2、3。

【课题】
6.3三相异步电动机降压起动电路
【教学目标】
区分三相异步电动机不同的起动方法。
【教学重点】
串联电阻降压起动控制电路分析。
【教学难点】
接触器KM1和KM2自锁电路。
【教学过程】
【一、复习】
电动机的机械特性。
【二、引入新课】
本节将要学习一种常见的控制电路——电动机定子回路串电阻降压起动电路。
【三、讲授新课】
1．定子绕组串电阻降压起动控制电路如6.15所示

图6.15　串联电阻降压起动电路
降压电阻R起动时串联在电动机定子绕组中，起到降低起动电流的目的。
2．降压起动控制过程如下：
降压起动过程：————（M串R起动）
正常运行过程：————（短接R，M全压运行）
【四、小结】
定子绕组串电阻降压起动电路看起来与正、反转控制电路类似，要特别注意主电路的不同之处。
【五、习题】
一、是非题：21；二、选择题：6、11、12。

【课题】
* 6.4行程开关和限位控制电路
【教学目标】
知道行程开关和限位控制电路的特点。
【教学重点】
自动往返限位控制电路。
【教学难点】
工作台左、右移动后，撞块A、B分别应撞击哪一个行程开关。
【教学过程】
【一、复习】
正、反转控制电路工作原理
【二、引入新课】
行程开关的作用是很大的，目前自动控制电路在对限位控制方面，一般还是采用行程开关。当然取代行程开关的各种传感器发展速度也很快。
【三、讲授新课】
6.4.1行程开关
1．行程开关（限位开关）。按运动部件的行程或位置要求而动作的电器。图6.16是行程开关的外形图和符号。

（a）外形 （b）符号
图6.16　行程开关图
2．动作情况：行程开关在被撞块压下时动作，当撞块离开后，按钮式和单轮旋转式行程开关自动复位，双轮旋转式行程开关依靠外力撞击滚轮，改变触点的状态。
6.4.2　限位控制电路
1．限位控制电路（利用行程开关控制运动部件在一个指定区域内自动往返运动）。图6.17是其工作示意图。

图6.17　自动往返工作示意图
ST1控制工作台向左运动（电动机正转）的位置。
ST2控制工作台向右运动（电动机反转）的位置。
撞块B和ST1、ST3安装在工作台的一侧。
撞块A和ST2、ST4安装在工作台的另一侧。
2．工作台自动往返控制电路如图6.18所示。

图6.18　自动往返工作电路图
【四、小结】
1．行程开关。将机械位移信号转换成电信号，常用来作程序控制，改变运动方向、定位、限位及安全保护之用。
2．限位控制（位置控制）由运动部件运动的位置或行程来控制。
【五、习题】
一、是非题：16、17、18； 二、选择题：9、10； 三、填空题：8； 四、作图题：5。

【课题】
* 6.5时间继电器和延时控制电路
【教学目标】
知道时间继电器和延时控制的作用和原理。
【教学重点】
1．通电型时间继电器工作原理。
2．延时控制电路工作原理。
【教学难点】
通电型、断电型时间继电器触点动作情况。
【教学过程】
【一、复习】
电阻降压起动控制电路。
【二、引入新课】
时间继电器的引入使控制电路真正走入自动化技术。延时控制电路的基本思路将会在电气控制技术领域得到极大的应用。
【三、讲授新课】
6.5.1时间继电器
1．时间继电器：它具有延时分断或接通触点的作用。图6.19（a）、（b）分别为空气阻尼型时间继电器的外形和符号。

（a）外形

（b）符号
图6.19　空气阻尼型时间继电器
2．工作原理：线圈得电时铁心被吸合，托板瞬时向下移动，推动瞬时动作触点动作。但活塞杆上端连着气室中的橡皮膜不能立即跟随动铁心向下移动，经过一段时间后，活塞杆下降到一定位置，通过杠杆的转动才能推动延时动作触点动作，使其动断触点断开；动合触点闭合。
延时时间是从线圈得电到延时动作触点动作完成为止。
当线圈断电时，瞬时动作触点和延时动作触点都瞬时复位。
3．通电延时型触点的工作情况概括为[如图6.20（a）所示]
线圈得电→延时→触点动作；线圈断电→触点立即复位。
4．断电延时型触点工作情况概括[如图6.20（b）所示]
线圈得电→触点动作；线圈断电→延时→触点复位。
6.5.2　延时控制电路
1．采用时间继电器可以自动完成图6.15所示三相异步电动机串电阻降压起动的全过程。电路如图6.21所示。

图6.20　时间继电器延时工作方式

图6.21　串联电阻降压起动
【四、小结】
1．时间继电器（延时继电器）：可按延时方式来分类：
（1）通电延时型。动作情况可用教参图6.15 (a) 所示（图中的T即是延时时间）。
（2）断电延时型。动作情况如教参图6.15 (b)所示。
（3）重复延时型。动作情况如教参图6.15 (c) 所示。

（a） （b） （c）
教参图6.15通电、断电、交替延时工作方式
2．通电型时间继电器控制电路。延时控制表现为从SB2按下到电动机M得电要一定时间，其长短由时间继电器KT延时量来决定。
【五、习题】
一、是非题：20、22、23、24；二、选择题：8；三、填空题：7；四、作图题：6。

【课题】
** 6.6单相电动机的控制
【教学目标】
描述单相电动机控制电路。
【教学重点】
1．吊风扇电气原理图与接线图。
2．带强、中、弱洗洗衣机电气原理图。
【教学难点】
带强、中、弱洗洗衣机电气原理图的分析。
【教学过程】
【一、复习】
1．电容分相式单相异步电动机工作原理。
2．自耦变压器工作原理。
【二、引入新课】
本节介绍的内容都是与生活有关的电气控制设备，内容的难度都不大，如果有机会，建议同学们自己动手拆装这些设备，从而获得更多的感性知识。
【三、讲授新课】
6.6.1　电风扇调速控制
1．吊风扇电动机：采用单相交流电容运转式电动机，封闭式外转子结构。其结构特点是定子固定在电动机中间，外转子绕定子旋转带动与之连接的扇头和外壳一起转动。
2．调速：采用调速器实现。接线如图6.24（a）所示。电气接线如图6.24（b）所示。

图6.24　吊风扇电气原理图和接线图
吊风扇的调速是通过调整电抗式调速线圈抽头来实现的。
3．带调速器并有吊灯的吊风扇电气接线图：如图6.25所示。

图6.25　带吊灯的吊风扇电气接线图
4．台风扇：电气接线图如图6.26（a）所示。电动机主绕组（运行绕组）、副绕组（起动绕组）以及中间绕组（调速绕组）接线图如图6.26（b）所示。

（a）接线图 （b）绕组接法
图6.26　台风扇电气图
6.6.2　家用洗衣机电气控制
1．普通洗衣机电气原理图如图6.28所示。

图6.28　普通洗衣机电气原理图
定时器控制电动机按规定时间运行和停止，定时器另一对触点定时把电容器与电动机主绕组和副绕组轮流串接，改变电动机的旋转方向，拖动洗衣机按预定周期实现：正转→停止→反转→停止→正转→……。
2．强洗、中洗和弱洗：由选择开关控制，电气原理图如图6.29所示。

图6.29　带强、中、弱洗洗衣机电气原理图
（1）强洗方式。强洗触点和主触点闭合，旋转洗涤定时器至所需洗涤时间位置，定时器主触点闭合。这种洗涤方式实际是一直在单向洗涤。电动机工作程序为：
正转（30±s）→停止（5±2 s）→正转（30±s）→停止（5±2 s）

（2）中洗、弱洗方式。中洗或弱洗触点和主触点闭合；旋转洗涤定时器至所需洗涤时间位置，定时器主触点闭合。电动机工作过程为：
中洗：　正转（30±s）→停止（5±2 s）→反转（30±s）→停止（5±2 s）

弱洗：　正转（4±2s）→停止（8±3s）→反转（4±2s）→停止（8±3 s）

洗衣机强、中、弱洗涤方式不改变电动机转速，只是改变电动机转向和转与停的时间长短。
3．洗衣机脱水（甩干）。专用电动机，脱水桶的面板上装有安全开关与电动机电源互锁，在脱水过程中若脱水桶面板被打开，会自动切断电源，以确保操作者的安全。
【四、小结】
1．无论是吊风扇还是台风扇，其控制都是通过串入不同匝数的电感线圈进行调速控制。
2．家用洗衣机的控制。触点控制电动机正、反转及正、反转时间长短不同。
【五、习题】
一、是非题：25、26、27、28； 二、选择题：13、14； 四、作图题：8。

【课题】
6.7可编程控制器及其应用基础
【教学目标】可编程控制
知道可编程控制器及其应用。
【教学重点】
可编程控制器的特点。
【教学难点】
可编程控制器的基本结构。
【教学过程】
【一、复习】
简述继电器—接触器系统控制电路的功能。
【二、引入新课】
较大系统的电气控制设备，其控制电路是很复杂而庞大的。例如，四层楼的电梯，其控制电路中将会涉及到几十甚至几百个接触器、继电器。如果要PLC控制，无论是控制电路还是所使用器件，都会减少到令人吃惊的地步。
【三、讲授新课】
6.7.1　可编程控制器的特点
1．可编程控制器（简称PLC）：可编程控制器是专用的计算机系统。
2．控制系统：以图6.30所示异步电动机正、反转控制为例进行分析。

图6.30　继电器—接触器控制电路示意图
正转起动按钮SBstF、反转起动按钮SBstR、停止按钮SBstP等“发布命令”的电器移在示意图的左侧。
接触器线圈等“执行命令”的电器移在示意图的右侧。
控制电路中具有逻辑运算功能的电路在示意图中间方框中。
6.7.2　可编程控制器的基本结构
可编程控制器基本结构如图6.31所示。它是由输入接口、输出接口、中央处理器（简称CPU）和电源部件组成。

图6.31　PLC基本结构示意图
【四、小结】
可编程控制器（PLC）作为新型工业控制设备必将逐步取代传统继电器——接触器系统，就目前而言，虽然其输出还要配合接触器，但其内部软件形成的软继电器所能发挥的功能仍然是十分强大的。
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