电气设备及控制技术课件

电气设备及控制技术电气设备及控制技术是现代工业自动化的核心，它涵盖了从基础电气元件到复杂控制系统的全面知识体系本课程将带领学生深入了解电气设备的基本原理、控制系统的设计方法以及现代电气控制技术的应用与发展课程目标和学习内容理论知识目标技能应用目标综合能力目标12掌握电气设备的基本工作原理，包学会电气控制系统的设计与调试方括电动机、变压器、电力电子器件法，能够独立分析控制原理图，设等核心设备的结构特点与技术参计基本控制电路，并进行PLC编程数，建立电气控制的理论基础实现自动控制电气设备的基本概念定义特点电气设备是指在电力系统中产电气设备具有能量转换、信号处生、传输、分配、使用和控制电理、逻辑控制等功能，是工业自能的各类装置，是将电能转换为动化的物质基础，具有高效率、其他能量形式或用于控制其他设可控性强、适应性广等特点备的装置总称应用领域电气设备广泛应用于工业生产、能源管理、建筑自动化、交通运输等领域，是现代工业和日常生活中不可或缺的基础设施电气设备的分类控制类设备1PLC、变频器、触摸屏等保护类设备2断路器、熔断器、继电保护装置转换类设备3变压器、整流器、逆变器等执行类设备4电动机、电磁阀、执行机构基础元件类5开关、按钮、继电器、接触器等电气设备按功能可分为五大类，从基础元件到复杂的控制设备，构成了完整的电气控制系统层次结构这种分类方法有助于系统了解各类设备的功能定位和相互关系，便于进行系统设计和维护管理常见电气元件介绍电气元件是构成电气控制系统的基础单元，包括控制元件（如按钮、开关、旋钮）、执行元件（如接触器、继电器）、保护元件（如熔断器、断路器）以及辅助元件（如指示灯、端子排）等这些元件虽然结构简单，但在电气控制系统中扮演着不可替代的角色，是实现各种控制功能的基础了解这些元件的结构、性能和使用方法，是掌握电气控制技术的第一步开关和按钮的类型与应用按动作方式分类按结构分类按功能分类手动开关需要人工操作的开关，如旋刀闸开关由固定触头和活动触头组控制开关用于控制电路的通断，如启转开关、拨动开关等成，适用于大电流场合动按钮、急停按钮自动开关根据特定条件自动动作的开按钮开关通过弹簧复位的点动或自锁隔离开关用于切断电源，确保设备安关，如温控开关、液位开关等机构实现开关功能全维修拨动开关通过拨杆实现开关动作，常限位开关用于检测机械位置，实现自用于电路选择动控制继电器和接触器的工作原理线圈通电当控制电路闭合时，继电器或接触器的电磁线圈通电，产生电磁场吸引衔铁电磁场吸引可动的衔铁（或称为动铁心）克服弹簧力向固定铁心移动触点动作衔铁带动触点机构动作，使常开触点闭合、常闭触点断开，完成电路的控制功能线圈断电当控制电路断开时，线圈失电，电磁场消失，衔铁在弹簧力的作用下恢复原位，触点恢复初始状态继电器适用于小电流控制，主要用于信号处理和逻辑控制；而接触器适用于大电流控制，主要用于电动机等大功率设备的控制两者在工作原理上类似，但在结构和应用上有明显区别保护器件熔断器和断路器熔断器断路器1利用电流热效应使熔体熔断，实现过流结合电磁脱扣和热脱扣机构，可重复使2保护用的保护器件选择原则保护特性4根据额定电压、电流、分断能力和保护过载保护、短路保护、欠压保护、漏电3特性选择保护等功能熔断器和断路器是电气设备中最常用的保护器件，用于防止电气系统因过载或短路而损坏熔断器结构简单，价格低廉，但使用一次后需要更换；断路器可以重复使用，且具有更多的保护功能，但价格较高在实际应用中，往往根据保护要求和经济性进行选择传感器的种类和应用温度传感器压力传感器位置传感器包括热电偶、热电阻、半导基于压电效应、应变效应等包括光电传感器、霍尔传感体温度传感器等，广泛应用原理，用于测量液体或气体器、接近开关等，用于检测于工业过程控制、家电、汽的压力，应用于工业自动物体的位置、移动、接近等车等领域，测量范围从-化、医疗设备、航空航天等状态，是自动控制系统中的200℃到2000℃不等领域重要组成部分流量传感器测量流体流量的装置，包括差压式、涡轮式、电磁式等多种类型，广泛应用于化工、石油、水处理等行业电动机的基本结构转子定子电动机的旋转部分，根据电动机类型不2电动机的固定部分，通常包括机座、定子同，可能包含永磁体、绕组或导体笼等结铁心和定子绕组，提供磁场或感应电动构1势轴承系统3支撑转子并使其能够顺利旋转的机构，通常包括轴承、轴套和润滑系统接线盒5端盖与风扇连接外部电源和控制线路的接口，便于电4动机的安装和维护保护电动机内部结构并提供冷却的部件，确保电动机在运行过程中散热良好电动机结构虽然根据类型不同有所差异，但基本构成部分相似了解这些基本结构，有助于理解电动机的工作原理和维护方法不同类型的电动机（如直流电动机、异步电动机、同步电动机等）在结构细节上有所不同，但遵循相同的电磁感应原理直流电动机的工作原理电源接入1直流电源通过电刷和换向器为转子绕组供电，同时定子提供稳定磁场（可以是永磁体或电磁铁）电磁力产生2通电的转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，根据左手定则，导体受力方向与电流方向和磁场方向垂直转子旋转3电磁力使转子产生转矩，带动转子绕轴旋转，将电能转换为机械能换向过程4随着转子旋转，换向器改变绕组中电流方向，使转子持续朝一个方向旋转，实现连续运动直流电动机的特点是调速范围广、起动转矩大、控制性能好，广泛应用于需要精确速度控制的场合，如电动工具、电动汽车、机床等通过改变电枢电压或磁场强度，可以实现宽范围的速度调节交流电动机的工作原理旋转磁场生成1三相交流电通过定子绕组产生旋转磁场感应电流2旋转磁场切割转子导体，在转子中感应电流电磁转矩3感应电流与磁场相互作用产生转矩转子运动4转矩驱动转子旋转，速度略低于同步速度交流电动机主要分为同步电动机和异步电动机两大类异步电动机（又称感应电动机）是最常用的一种，具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点其工作基于电磁感应原理，转子转速始终略低于磁场同步转速，这个差值称为滑差同步电动机则通过特殊设计使转子与旋转磁场同步运行交流电动机广泛应用于工业生产和日常生活中，从家用电器到大型工业设备，都可以看到它的身影变压器的结构和原理铁芯由硅钢片叠压而成，提供磁路，使磁通得以闭合流通铁芯通常采用叠片结构以减少涡流损耗原边绕组连接电源的绕组，通过交变电流在铁芯中产生交变磁通绕组通常由绝缘铜线制成副边绕组输出电力的绕组，通过电磁感应获得交变电压绕组匝数决定了变压比绝缘与冷却系统确保绕组之间以及绕组与铁芯之间的绝缘，并通过油浸或风冷等方式散热变压器基于电磁感应原理工作，当交流电流通过原边绕组时，在铁芯中产生交变磁通，这个磁通又在副边绕组中感应出电动势输出电压与输入电压的比值等于副边绕组与原边绕组匝数的比值，这就是变压器的变压比原理电力电子器件概述1二极管2晶闸管最基本的电力电子器件，具有单向导电性，分为普通二极管和快具有触发特性的半导体器件，通过控制极信号控制导通，一旦导速恢复二极管、肖特基二极管等特种二极管主要用于整流、续通无法通过控制极关断广泛应用于相控整流和交流调压电路流、稳压等场合中3绝缘栅双极型晶体管IGBT4功率MOSFET结合了MOSFET高输入阻抗和双极型晶体管低导通损耗的优点，电压控制型器件，具有高开关频率、控制功率小等特点，但导通是现代变频器、开关电源等设备的核心器件具有高开关频率、电阻较大主要应用于中小功率、高频场合大电流承载能力等特点整流器和逆变器整流器逆变器整流器是将交流电转换为直流电的装置，根据电路结构可分为半逆变器是将直流电转换为交流电的装置，根据输出波形可分为方波整流、全波整流和桥式整流等类型波逆变器、修正正弦波逆变器和纯正弦波逆变器根据控制方式又可分为不可控整流（仅使用二极管）和可控整流根据电路拓扑结构可分为半桥逆变器、全桥逆变器和多电平逆变（使用晶闸管或其他可控开关器件）器等类型整流器是电源系统的重要组成部分，广泛应用于电力电子设备逆变器是变频调速、不间断电源和新能源发电系统的核心部件中整流器和逆变器是现代电力电子技术的两个基本应用方向，它们共同构成了电能转换的基础通过对这两种装置的深入理解，可以掌握电力电子技术的核心内容，为学习更复杂的电能变换设备奠定基础变频器的工作原理整流环节将工频交流电（50Hz或60Hz）通过整流桥转换为脉动直流电，整流桥通常由二极管或晶闸管组成滤波环节使用大容量电容器和电感对整流后的脉动直流电进行滤波，得到平滑的直流电压逆变环节通过IGBT等功率器件构成的逆变桥，采用PWM调制技术，将直流电转换为频率和电压可调的交流电控制环节利用微处理器实现对整个系统的控制，包括PWM信号生成、过流保护、通信接口等功能变频器通过改变输出电压的频率和幅值，实现对交流电动机转速的无级调节现代变频器大多采用矢量控制或直接转矩控制技术，不仅能控制速度，还能精确控制转矩，大大提高了电动机的控制性能电气控制系统的基本组成人机界面1操作面板、触摸屏、监控软件控制装置2PLC、单片机、工控机执行机构3电动机、电磁阀、液压缸检测装置4各类传感器、变送器电源与保护设备5配电装置、保护器件电气控制系统由多个功能模块组成，这些模块相互配合，共同完成自动控制任务系统的复杂程度取决于控制对象和控制要求，从简单的单回路控制到复杂的分布式控制系统，都遵循相似的基本组成原则随着自动化技术的发展，电气控制系统不断融合新技术，如现场总线、工业以太网、云计算等，使系统功能更加强大，但基本组成结构保持相对稳定电气控制系统的功能逻辑控制数据采集根据预设的控制逻辑和工艺要求，实现设备的顺序控制、联锁保护和状态切换，确保生2通过各类传感器和变送器采集生产过程中的产过程安全有序进行参数，如温度、压力、流量、位置等，为控1制决策提供依据调节控制通过PID等控制算法，实现对连续变量的精3确调节，如速度控制、温度控制、液位控制等，保证产品质量稳定数据处理与通信5监控与报警对采集的数据进行处理、存储和传输，实现与上位系统的信息交互，支持远程监控和企4实时监视系统运行状态，当出现异常时及时业管理报警，并根据预设策略采取相应措施，减少故障损失控制系统的分类按控制方式分类按控制结构分类手动控制系统由操作人员直接操作控集中控制系统所有控制功能集中在一制元件，实现对被控对象的控制，如手个控制装置中实现，系统结构简单，但动操作按钮控制电动机启停扩展性和可靠性较差自动控制系统无需人工干预，系统根分散控制系统控制功能分布在多个控据预设程序或反馈信息自动完成控制过制装置中，各自负责特定功能，通过通程，如温度自动调节系统信网络协调工作，具有较高的灵活性和可靠性按控制算法分类逻辑控制系统基于逻辑关系实现的控制，如顺序控制、联锁控制等，多用于离散过程控制调节控制系统基于连续变量调节实现的控制，如PID控制，多用于连续过程控制智能控制系统采用模糊控制、神经网络等先进算法的控制系统，适用于复杂、非线性系统控制开环控制和闭环控制开环控制系统闭环控制系统特点输出量对控制过程无影响，系统不具备自动纠错能力特点将输出量反馈回来与给定值比较，根据偏差调整控制量，具有自动纠错能力优点结构简单、成本低、稳定性好、不会产生振荡优点控制精度高、抗干扰能力强、适应性好缺点控制精度低、抗干扰能力差、适应性弱缺点结构复杂、成本高、系统可能不稳定（振荡）应用对精度要求不高或干扰较小的场合，如电饭煲定时控制、电风扇速度控制等应用对精度要求较高或干扰较大的场合，如温度精确控制、电动机速度控制等在实际应用中，常根据控制要求和经济性选择合适的控制方式很多系统采用开环和闭环相结合的控制策略，既保证控制性能，又降低系统复杂度电气控制原理图的识读1图形符号电气原理图采用标准化的图形符号表示各类电气元件，如开关、按钮、继电器、接触器等这些符号是按照功能特性设计的，便于识别和理解阅读原理图首先要熟悉这些基本符号2线路表示原理图中的线路表示电气连接关系，而非实际的物理布线粗线通常表示主电路，细线表示控制电路交叉线如无特殊标记则表示不相连，带点的交叉表示相连虚线通常表示机械连接或功能关联3接线端子原理图通常标注接线端子和元件编号，这是连接实际设备的重要依据同一元件的不同部分（如继电器的线圈和触点）可能分布在图的不同位置，通过编号关联起来4控制逻辑原理图反映了系统的控制逻辑，通过分析元件之间的连接关系和工作状态，可以理解系统的工作原理和控制过程阅读时应先了解控制目标，再分析控制路径常见控制电路符号电气控制电路使用标准化的图形符号来表示各种电气元件，这些符号按照国际电工委员会（IEC）标准设计，具有高度的抽象性和统一性了解这些符号是阅读和设计电气控制原理图的基础除了基本元件符号外，电气原理图还包括特定的线型和标记，例如粗线表示主电路，细线表示控制电路；虚线表示机械连接；交叉线如无连接点表示不相连，有连接点表示相连掌握这些符号和表示方法，有助于准确理解电气控制系统的工作原理电动机起动控制电路直接起动控制通过按钮直接控制接触器线圈，使主触点闭合，电动机直接连接到电源上启动适用于小功率电动机，起动电流较大，但电路简单自保持控制利用接触器的辅助触点形成自锁回路，按下启动按钮后，即使松开按钮，接触器仍保持吸合状态，实现持续运行点动控制不使用自保持回路，仅在按住按钮时电动机运行，松开按钮电动机立即停止适用于需要精确定位的场合过载保护在电路中加入热继电器或其他保护装置，当电动机过载时，保护装置动作切断控制回路，使接触器释放，电动机停止运行电动机起动控制电路是电气控制中最基础和常用的电路之一，它确保电动机能够安全、可靠地启动和运行根据电动机类型和功率大小，可能需要采用不同的起动方式，如直接起动、降压起动等电动机制动控制电路自由停车1切断电源后，电动机依靠负载和自身摩擦力逐渐减速至停止停车时间较长，但不产生额外损耗，是最简单的停车方式反接制动2通过改变电动机两相电源的接线顺序，使电动机产生与原转向相反的转矩，实现快速停车制动力强，但会产生较大冲击和发热直流制动3切断交流电源，向定子绕组施加直流电流，在转子中形成静止磁场，产生制动力矩制动效果好，冲击较小，但需要额外的直流电源能耗制动4利用电动机发电效应，将机械能转化为电能并在电阻上消耗，实现制动多用于变频控制系统，通过制动单元和制动电阻实现电动机制动控制是确保生产安全和提高工作效率的重要环节不同的制动方式有各自的优缺点和适用场合，实际应用中应根据设备特点、安全要求和经济性进行选择现代变频器通常集成了多种制动功能，可以根据需要灵活配置电动机正反转控制电路电路原理接触器互锁1通过改变三相电动机任意两相电源线的接在电气上和机械上确保正转和反转接触器线顺序实现转向改变2不能同时吸合控制方式时间互锁4可通过按钮、选择开关或PLC等多种方式在切换转向前需要充分停车，防止直接切3实现控制换造成的大电流冲击电动机正反转控制是电气控制系统中的基本功能之一，广泛应用于需要改变运动方向的设备，如起重机、输送机、机床等正反转控制的关键是确保电动机在换向时不会因为短路或大电流冲击而损坏，因此在电路设计中必须考虑多重互锁保护现代控制系统中，正反转控制可以通过变频器或软启动器实现，不仅能够减少电气应力，还能实现平滑过渡和精确控制电动机星三角降压启动控制-星形连接起动启动时，电动机绕组呈星形连接，每相绕组上的电压降为线电压的1/√3（约58%），起动电流减小到直接起动电流的1/3，起动转矩也减小到1/3加速过程电动机以星形连接方式运行一段时间（通常由时间继电器控制，约5-30秒），此时电动机加速到接近额定转速，转子中感应电动势增大，减小了相序改变时的冲击切换到三角形连接当电动机加速到一定速度后，控制电路自动切换到三角形连接方式，电动机绕组承受全电压运行，达到额定转矩输出正常运行切换完成后，电动机以三角形连接方式持续运行，此时电动机能够输出满额定功率，满足负载需求星-三角降压启动是一种常用的大功率三相异步电动机启动方法，适用于空载或轻载启动的场合与直接启动相比，它能够有效减小启动电流，降低对电网的冲击，延长设备寿命但需要注意的是，星-三角启动要求电动机的额定电压在三角形连接下等于电网电压顺序控制系统设计需求分析明确控制对象的工作流程和技术要求，确定控制系统需要实现的功能、性能指标和安全要求，这是设计的第一步和基础系统划分将整个控制过程分解为若干个按时间顺序执行的步骤，确定每个步骤的执行条件和完成标志，形成清晰的控制逻辑链电路设计根据控制逻辑，设计相应的电气控制电路，选择合适的控制元件和执行机构，确保系统能够按照预定的顺序可靠工作测试验证对设计的控制系统进行全面测试，验证各个步骤的执行条件和转换逻辑，确保系统在各种工况下都能正常运行顺序控制是自动化控制中最基本和常用的控制方式，适用于按固定步骤进行的生产过程，如机械加工、装配生产线、批量处理等现代顺序控制系统多采用PLC实现，通过编程替代传统的继电器逻辑，提高了系统的灵活性和可靠性联锁控制系统设计联锁控制的基本概念联锁控制的分类联锁控制是指两个或多个控制对象之间存电气联锁通过电气回路实现的联锁，如在相互制约关系，某些操作只有在特定条接触器辅助触点互锁件满足时才能执行，以确保系统安全和正机械联锁通过机械装置实现的联锁，如常运行的控制方式断路器的机械联锁装置程序联锁通过程序逻辑实现的联锁，如PLC中的互锁程序联锁控制的设计原则安全优先联锁设计应首先考虑安全因素，确保即使在控制系统故障时也不会导致危险可靠性联锁系统应具有高可靠性，避免误动作或拒动简明性联锁逻辑应清晰简明，便于理解和维护联锁控制是确保设备安全运行的重要手段，广泛应用于电力系统、化工生产、机械设备等领域在设计联锁控制系统时，需要全面分析可能的危险情况和错误操作，设计相应的联锁措施，并通过充分测试验证其有效性时间控制系统设计时间继电器控制1利用电子或机械时间继电器实现的延时控制，可设定固定的延时时间，适用于简单的时序控制，如电动机星-三角启动、设备延时停机等2PLC定时器控制利用PLC内部的软件定时器实现时间控制，具有灵活的时间设定和复杂的控制逻辑能力，适用于需要多段时间控制的场合定时开关控制3使用带有时钟功能的开关设备，如时控开关、微电脑时控器等，根据预设的时间点自动开关设备，适用于按固定时间工作的设备实时时钟控制4利用带有实时时钟RTC的控制器，根据实际日期和时间执行控制操作，可实现按日、周、月等周期的复杂定时控制，如路灯控制、空调定时等时间控制系统在工业自动化和日常生活中应用广泛，从简单的延时控制到复杂的工艺时序控制，都需要准确的时间控制功能现代控制系统通常集成了多种时间控制功能，并可通过人机界面灵活设置参数，满足不同应用场景的需求的基本概念和特点PLC1基本概念2主要特点PLC（可编程逻辑控制器）是一种可靠性高PLC采用工业级元器专门为工业环境设计的数字运算操件，经过严格测试，适应恶劣工业作电子系统它采用可编程存储环境，故障率低器，用于其内部存储程序，执行逻编程灵活用户可根据控制需求编辑运算、顺序控制、定时、计数与写和修改程序，无需改变硬件结算术操作等面向用户的指令，通过构数字或模拟式输入/输出控制各种类扩展性强通过增加扩展模块，可型的机械或生产过程以方便地扩充I/O点数和特殊功能通信能力支持多种工业通信协议，可与其他设备和系统进行数据交换3应用领域PLC广泛应用于离散制造业，如机械加工、装配线、包装机械等，也应用于过程控制领域，如水处理、温度控制等，以及建筑自动化、交通控制等领域的硬件组成PLC中央处理单元输入输出模块存储器通信接口CPU/I/OPLC的核心部件，负责执行输入模块接收来自各种传程序存储器存储用户编写用于PLC与编程设备、人机存储在内存中的用户程序，感器和开关的信号，如按的控制程序和系统固件界面、其他PLC或上位机系进行逻辑运算和数据处理，钮、限位开关、光电开关等统之间的数据交换，常见的数据存储器存储运行过程控制整个系统的运行CPU的状态信号有RS-232/

485、以太网、现中的数据，如输入/输出状的性能决定了PLC的处理速场总线等接口输出模块向执行机构发送态、计数器值、定时器值度和功能强弱控制信号，驱动接触器、继等电器、电磁阀等执行元件动作PLC的硬件结构根据型号和厂家不同有所差异，主要分为紧凑型和模块型两种紧凑型PLC将CPU、I/O和电源集成在一个机壳内，结构简单，价格较低；模块型PLC采用插槽式结构，用户可根据需要选择和组合各种功能模块，扩展性更强的软件组成PLC操作系统1PLC内部的基础软件，负责系统资源管理、I/O扫描和通信控制等基本功能编程软件2用于在计算机上编写、调试和下载PLC程序的工具软件用户程序3由用户根据控制需求编写的控制逻辑程序，存储在PLC的程序存储器中通信驱动程序4支持各种通信协议的软件模块，实现与其他设备的数据交换PLC软件系统的核心是操作系统和用户程序操作系统由厂家提供，内置于PLC中，用户无法修改；而用户程序是根据具体应用需求由用户编写，可以随时修改和更新现代PLC编程软件通常提供图形化编程环境，支持多种编程语言，并集成了仿真调试、在线监控、文档管理等功能，大大提高了PLC应用开发的效率的工作原理PLC输入采样程序执行1读取所有输入点的状态，存入输入映像寄存器按照用户程序顺序执行各种逻辑和运算操作2内务处理输出刷新4执行通信、自诊断等系统功能，准备下一个扫将运算结果写入输出映像寄存器，更新所有输3描周期出点状态PLC采用循环扫描方式工作，每个扫描周期包括输入采样、程序执行、输出刷新和内务处理四个阶段这种工作方式确保了控制的稳定性和实时性，但也意味着PLC的响应时间受扫描周期的限制普通PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，对于大多数工业控制应用已经足够现代高性能PLC还支持中断处理、任务调度等高级功能，可以更灵活地处理需要快速响应的控制任务。