电气控制与PLC授课教案.docx

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1、山东建筑大学机电工程学院教案电气控制与PLC适用专业：机械工程及自动化（本科）范文利2009 年 3授课内容常用低压电器元件的分类、灭弧原理，继电器与接触器。目的要求了解课程的学习方法，掌握基本概念。重点难点分磁环的工作原理；继电器的工作特性课 型授课 计划学时 2 课前准备 继电器接触器元件。板书设计1 （多媒体提纲）简介第一章常用低压电器一、电器的作用和分类二、接触器三、继电器课堂小结作业、思考1 1课后小结山东建筑大学机电工程学院教案第，次课山东建筑大学备课纸简介一、课程体系简介基础课大学物理 特点：体系完整推理严密 抽象专业基础课电工电子学特点：以数学模型为分析对象较少涉及生产实际专业

2、课本课程 特点：以解决生产实践中的问题为目的，知识点具有发散性二、本课程电气控制部分简介本课程电气控制部分主要介绍电气控制技术中的继电器一接触器逻辑控制系 统。主要包括常用低压电器元件、典型基本控制线路、常用设备电路分析、继电 器逻辑控制线路的设计方法、电动机交流调速系统、以及应用实例等。三、电气控制技术及其发展重点是继一接电气控制与PLC之间的关系及区别。四、关于学习方法和考试形式的介绍五、网上交流平台的使用第一节常用低压电器一、电器的作用和分类1、定义一种能控制电路的设备。2、分类低压电器用于交流1200V、直流1500V级以下的电路中起通断、保护、控制或调节作 用的电器产品。高压电器用于

3、交流1200V以上、直流1500V以上的电器产品。提问：为什么交流为1200V,直流为1500V?答案：最大值和有效值的关系。低压电器低压配电电器：刀开关、低压断路器、熔断器等。正常情况下不参与逻辑控 制。低压控制电器：接触器、继电器、控制器、按钮等。如下图：rKM,傅电（电动机率电留起动）KM.Wifc （短接电阻，电动机正名运行,二、接触器定义：接触器是一种可频繁地接通和分断主电路的控制电器。1、结构与工作原理图1-1 接触翳结构示意图1 铁心 2一线BR 3一南铁 4 静融头5一动触头 6触头弼簧 7一杆放弹凝2、电磁机构市点讲述不同结构类型之间的区别！提问：直动式和拍合式的优缺点是？答

4、案：从可靠性，拍合速度和距离方面论述。提问：串联电磁机构和并联电磁机构的结构区别？为什么？答案：电磁机构吸力F吸81、N消耗功率P = U*I线圈发热Q = I2*R在吸力一定的情况下，消耗功率和线圈发热越少越好! 提问：直流电磁机构、交流电磁机构的区别？ 答案：从可靠性上论述！3、触点与灭弧装置电弧的产生：在触点由闭合状态过渡到断开状态的过程中产生的电弧是气 体放电形式之一，是一种带电质点的急流。电弧特点：外部有白炽弧光，内部有很高的温度和密度很大的电流。灭弧装置：1）电动力灭弧2）磁吹灭弧3）纵缝灭弧4）灭弧栅提问：d图中电流方向相反时电弧受力方向为？ 答案：不变（电磁一右手定则，磁电一左

5、手定则） 4、分磁环（难点）对上图的解释要慢，要给学生I可忆所学过的相关知识的时间! 5、接触器的主要技术数据1）电源种类：交流或直流；2）主触头额定电压、额定电流；3）辅助触头的种类、数量及触头的额定电压；4）电磁线圈的电源种类、频率和额定电流；5）额定操作频率，即允许每小时接通的最多次数。注意：1、相关名词的解释。2,强调顺序的概念！6、接触器的选择1）根据负载性质选择接触器的类型；2）额定电压应大于或等于主电路工作电压；3）额定电流应大于或等于被控电路的额定电流；4）吸引线圈的额定电压和频率要与所在控制电路的选用电压和频率相一致。注意：1、相关名词的解释。2、强调顺序的概念！三、继电器定

6、义：继电器是一种根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路实现控制目 的的电器。输入信号可以是电压、电流等电量，也可以是温度、速度、压力等非 电量。注意与接触器的区别。继电器的工作特性：输入输出特性曲线一继电特性。Xr-动作值Xw-工作值Xi-释放值Y0-输出安全系数=*亚/刀 1返回系数=刀/*1例题：某电压继电器，动作值为55V,额定工作电压为110V,释放值为22V,被控 电路工作电流为3A,请画出其常闭触点工作特性图,并计算其安全系数和返回系安全系数=11 0/22=5返回系数=22/55=0.4110V作业：1一1授课内容常用继电器的工作原理、电动机全压启动电路。目的要求掌握常用的继

7、电器的工作原理，电气原理图的阅读分析方法。重点难点时间继电器；顺序式的使用。课 型授课 计划学时 2课前准备时间继电器实物板书设计1 （多媒体提纲）三、继电器几种常用的继电器：四、熔断器第二节电气原理图的画法三种电气设备图样第三节 笼型电动机的起动控制线路一、直接起动控制线路课堂小结作业、思考补充：为什么热继电器不能用作短路保护？课后小结山东建筑大学机电工程学院教案第2次课山东建筑大学备课纸三、继电器几种常用的继电器: 1、电磁式继电器电磁式继电器按吸引线圈电流的种类不同，有直流和交流两种。按输入信号的 性质，电磁式继电器可分为电压继电器和电流继电器。特点：工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长

8、。提问：当弹簧3调紧时继电器的返回系数如何变化？答案：变大。2、时间继电器（重点）当感受部分接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电 器称为时间继电器。按延时的方式分为通电延时型、断电延时型和带瞬动触头的通电（或断电） 延时型继电器等。难点：时间继电器的4种触点的符号，动作方式，延时特性！时间继电器 图形、文字符号线圈(b)常开延时闭合触头(c)常闭延时带开触头 (d)常闭延时闭合触头 (e)常开延时打开触头3、热继电器热继电器是依靠电流流过发热元件时产生的热，使双金属片发生弯曲而 推动执行机构动作的一种电器，主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平 衡运行的保护及其他电气设备

9、发热状态的控制。注意：热继电器测量的不是温度而是电流！热继电器保护特性与电动机过载特性的配合从而实现过载保护!热继电器的选用：按电动机的额定电流来确定热继电器的型号与规格。热继电器元件的 额定电流斤接近或略大于电动机的额定电流/n,即Ir= （0.95-1.05） In如遇到下列情况，选择热继电器的整定电流要比电动机额定电流高一 些：1）电动机负载惯性转矩非常大，启动时间长；2）电动机所带动的设备不允许任意停电：3）电动机拖动的为冲击性负载，如冲床、剪床等设备。4、速度继电器速度继电器常用于电动机的反接制动电路中！一般情况下，当转速120r/min时动作，当转速40r/min时释放。注：速度继

10、电器即可反映转速也可反映转向！四、熔断器熔断器是当通过它的电流超过规定值达一定时间后，以它本身产生的热量 使熔体熔化，从而分断电路的电器。选择熔断器，主要是熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电流等级和熔体的 额定电流。热继电器：电动机过载保护熔断器：电路的短路保护五、断路器断路器又称自动开关，是用于低压配电电路不频繁通断控制，在电路 发生短路、过载或欠电压等故障时，能自动分断故障电路，是低压配电线路中 应用广泛的一种保护电器。在功能上，它相当于刀闸开关、熔断器、热继电器、 过电流继电器和欠电压继电器等的组合。第二节电气原理图的画法三种电气设备图样1、电气原理图电气原理图表示电气控制线路的工作原

11、理、以及各电器元件的作用和相互关 系，而不考虑各电器元件实际安装位置和实际连线情况。绘制电气原理图时， 一般遵循下面的规则：(1)电气控制线路分主电路和控制电路。主电路用粗线绘出，而控制线路 用细线画。一股主电路画在左侧，控制电路画在右侧。(2)电气控制线路中，同一电器的各导电部分如线圈和触头常常不画在一 起，但要用同一文字符号标注。(3)电气控制线路的全部触头都按“非激励”状态绘出。“非激励”状态 对电操作元件如接触器、继电器等是指线圈未通电时的触头状态；对机械操作 元件如按钮、行程开关等是指没有受到外力时的触头状态：对主令控制器是指 手柄置于“零位”时各触头的状态；断路器和隔离开关的触头处

12、于断开状态。 2、电气设备安装图电气设备安装图表示各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装 位置。各电器元件的安装位置是由机械设备的结构和工作要求决定的，如电动 机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，操作元 件放在操作方便的地方，一般电气元件应放在控制柜内。3、电气设备接线图电气设备接线图表示各电气设备之间实际接线情况。绘制接线图时应把各电 气元件的各个部分(如触头与线圈)画在一起；文字符号、元件连接顺序、线 路号码编制都必须与电气原理图一致。电气设备安装图和接线图是用于安装接 线、检查维修和施工的。阅读电气原理图的原则：先主后控，从左向右，自上而下. 第三节笼型

13、电动机的起动控制线路一、直接起动控制线路自锁：用自己的触点保持自己的线圈通电的方法。二、电动机正反转线路i120r/min-KS+SB1-KMl-f+KMl+f KM2+f M+（串 R 反接制动）f N 120r/min-KS+SB1 I +SBl-f KMl-f+KM1 +f-SBl+f KM2+（自锁）f M+ （串 R 反接制动）一N 120r/min,-KSl+ - KM4+ -Ml+ （串 R 反接制动）f n120r/min,-KSl+、+KS- - KM2+ fKM6+ f M1+ （低速串 R 反接制动）f n120r/min,+KSl-、 -KS1+ fKM2+ -KM6+

14、 f Ml+（低速串 R 反接制动）f n40r/min - -KS1-、+KS+ -KM2- -*KM1+ （8-17-18-16-15-3） - KM6+ -M+ （重新低速起动）循环 调速完成压下STI、ST2 f -ST1-1+KM3+、KT+、以下同正转起动补充1、组合机床动力头控制电路快进：KM1+,KM3+（M1,M2 正转）工进：KM1+（M1 正转）工退：KM2+（M1 反转）快退：KM2+,KM3+（M1,M2 反转）YB:快速电机M2制动电磁铁（YB-时制动）分析其电路工作过程。2、深孔钻床控制电路SQ1:原位SQ2:转工进SQ3:快退转快进SQ4:终点SQ5:活挡铁复位

15、注意挡铁的灵活应用。授课内容电气控制线路设计目的要求基本掌握电路设计的思路和方法重点难点条件分析法的应用课 型授课 计划学时 2课前准备板书设计1 （多媒体提纲）第三章电气控制线路设计一、电气控制线路设计的一般原则及内容二、设计过程中应注意的几个问题三、经脸设计法和逻辑分析法简介四、电路设计一条件分析法课堂小结作业、思考补充 1; 3-4, 5, 6课后小结山东建筑大学备课纸第三章 电气控制线路设计一、电气控制线路设计的一般原则及内容电气控制线路设计的一般原则：1、最大限度地满足机电设备对电气控制线路的要求；2、在满足生产要求的同时，应尽可能地使线路简单、实用；3、保证控制安全，便于操作和维修

16、。电气控制线路设计的内容和步骤：1、定电气设计的技术条件；2、选择电气传动形式和控制方案；3、确定电动机的类型、容量、转速和型号；4、设计电气控制原理图；5、选择电器器件，制定电动机和电器器件明细表；6、设计电动机、执行电磁铁、电气控制元件，以及监测元件的总布置图；7、设计电气柜、操作台、器件安装板以及非标准器件专用安装零件；8、绘制装配图和接线图；9、编写设计计算说明书和使用操作说明书。二、设计过程中应注意的几个问题1 .在满足生产要求的前提下，控制电路应力求简单、经济。（1）根据自动控制的工艺要求，正确地选择各个独立控制部分的线路和环节。（2）同一电器的不同器件在线路中尽可能具有更多的公共

17、联线，以简化电器的 外部接线，缩短连接导线的数量和长度。（3）根据工艺要求，正确选用电器器件。（4）在满足生产工艺要求的前提下，减少不必要的触点以简化电路。（5）在控制电路中，除其工作的必要电器通电外，其余的回路尽可能不通电， 以提高系统的稳定性和可靠性。2 .保证控制电路工作可靠和安全。（1）正确连接电器的触点。如图3-2所示，一般情况下，线圈的一端应连接在 一起，接到电源的一根母线上。同一电器的常开和常闭辅助触点靠的很近，果 分别接到电源的不同相上，触点断开时产生的电弧可能在两触点间形成飞弧， 造成电源短路。（2）正确连接电器的线圈。两个电器需要同时动作时，其线圈应当并联。如图 3-3所示

18、，在交流控制线路中，不能串联两个电器的线圈。因为每个线圈所分到 的电压与线圈阻抗成正比，两个电器不能同时闭合。（3）在控制线路中应该避免出现寄生电路。（4）避免电器依次动作。应减少多个器件依次通电后才接通另一个器件的情况, 以保证工作的可靠性，如图3-6所示。（5）电气联锁和机械联锁共同使用。（6）设计的线路应适用所在电网的质量和要求。（7）在线路中采用小容量继电器触点来控制大容量接触器的线圈。三、经验设计法和逻辑分析法简介四、电路设计一条件分析法例：设计一个组合机床动力头的控制电路，要求在按下起动按钮后动力头完成 以下工作循环一快进一工进f工退一快退至原点停止。一、分析设计要求此例中动力头工

19、作台有4种工作状态：快进、工进、工退、快退。我们可用 Ml、M2两台电机分别驱动不同的传动链来实现，其中Ml为快速移动电动机 其正转时为快进，反转时为快退。其中M2为进给电动机其正转时为工进，反 转时为工退。其中工作状态的转换由位置开关来实现。二、主电路设计此例中有Ml、M2两台电机，分别有正反转控制，均为全压起动、连续工作， 无制动要求。因此设计主电路如下：快工速电动机三、控制电路设计条件分析法的原则：1、以接触器、继电器、电磁铁等的线圈为分析对象，分析其通电（起始）和断 电（终止）条件，从而得出每个线圈的控制电路后经过组合和优化得出整个控 制电路。2、线圈的分析顺序应尽量与控制过程的动作顺

20、序一致。以此例学习条件分析法的应用：1、分析动作过程：原位f起动按钮I -快进（KM1 + ） -S02 I T：进（KM3+） / S03 I f工退 （KM4+） -SO2 t f 快退（KM2+） f 原位 SOI I 停止2、分析接触器线圈的起始和终止条件：1） KM1：起始条件一起动按钮SB2 I终止条件一SO2 I2） KM3：起始条件一S02I终止条件一SO3 I3） KM4：起始条件一SO3，终止条件一SO2 t4） KM2：起始条件一S02 t终止条件一SOI IKM2会在电路开始通电时就通电，这种情况应增加起始条件：当KM4+时松开 SO2o因而KM4终止条件调整为KM2+

21、3、组合与优化：增加连锁与保护环节，急停按钮等思考题：设计一个组合机床磨削头的控制电路，要求在按下起动按钮后动力头完成以下 工作循环一前进f磨头启动磨削30s-快退至原点停止。作业：3-4, 5, 6山东建筑大学机电工程学院教案第工次课授课内容电动机调速系统目的要求对直流调速系统和交流调速系统的原理和工程应用有基本的了解， 掌握基本的调速方法.重点难点直流调速系统分析，交流变频器的应用课 型授课 计划学时 2课前准备板书设计1 （多媒体提纲）第四章电动机调速系统 第一节直流调速系统 一、直流调速系统的性能指标二、直流电动机调速方法三、直流调速系统原理分析第二节交流传动调速系统一、交流传动调速系

22、统基本原理二、交流电动机的调速方法三、变频调速原理四、变频器的基本结构和分类五、变频器的选用、运行和维护六、变频调速系统应用实例课堂小结作业、思考4-4, 6课后小结山东建筑大学备课纸第四章电动机调速系统第一节直流调速系统一、直流调速系统的性能指标1 .稳态指标一静差率S、调速范围。、调速系统与负载配合能力 静差率S0 -N 曲 N C = . 一理想空载增加到额定负载时的转速降落调速范围最高转速a与最低转速之比“minmin调速系统与负载配合能力恒转矩调速一电动机轴上承受的负载转矩不变，其输出功率与转速成正比变化。 恒功率调速一电动机轴上的负载随转速的增大而减小，其输出功率基本维持不变。 混

23、合调速。2 .动态指标一最大超调量、调整时间、振荡次数、最大动态速降和恢复时间等 (1)最大超调量b 最大超调量是指调速系统在外来突变信号的作用下，系统达 到的最大转速和稳态值的稳态转速之比，用b表示。(2)调速时间4又称为动态响应时间，它是指从信号加入，到系统开始进入允许偏差区为止的时间。它反映系统调整的快速性。(3)振荡次数N震荡次数表示在调整时间内，转速在稳态值上下摆动的次数。它反映了系统的调速稳定性。(4)最大动态速降是指调速系统的一项抗干扰指标，即在稳定运行中，系 统突加一个负载转矩所引起的最大速降。(5)恢复时间tr从扰动量作用开始，到被调量开始转入稳定转速允许偏差区为止的一段时间

24、。越小，说明系统的抗干扰能力越强。二、直流电动机调速方法当电动机正常运行时，其各种物理量可表示如下：U =IR + E(4-1)(4-2)E ke(/i(4-3)由上式可知：E U -IR U -Te R/(kT)k仲k2 ke。为电动机式(4-4)中：U为加在电枢回路上的电压；R为电动机电枢电路总电阻;磁通：丸为电动势常数；的为转矩常数：7；为电磁转矩。此公式即为直流电动机的机械特征方式。对于每一个特定的电动机来说，其心、ke为常数，当负载一定时，要调节电动机的转 n,便可以有以下三种方法：改变电动机电R & R3速 枢回路的电阻R、改变电动机磁通。和改变加在电枢回路的外加电压U.1 .改变

25、电枢回路电阻R调速R, T2 .改变磁通。调速图4-2改变电枢回路电阻调速的调节特性3.改变电枢电压U调速 三、直流调速系统原理分析1. 开环调速系统RP1图4一5开环直流调速系统原理图2.闭环调速系统(1)转速负反馈调速系统RP1+Tl - n - Ufn, - U - U： Ud - U； - T；(2)带电流截止负反馈调速系统限制过大电流，-la .Id-Un- u -UcUd, -al-n , 转速下降第二节交流传动调速系统一、交流传动调速系统基本原理=60力 a-s）/p可以通过改变供电频率/、极对数P和转差率S来实现交流电动机调速。二、交流电动机的调速方法变极调速，转子串电阻调速，

26、液力耦合器调速，变频调速 三、变频调速原理以气隙磁通链以为控制变量的调速方式1、基频以下调速（恒转矩调速）由式475和式4-16可知，在变频调速中，若保持品/力=C的协调控制条件，可以满足主磁通“=C （相当于式4-15中的气隙磁通链内）的要求，实现恒转矩调速。2、基频以上调速（恒功率调速）在基频以上调速时，主磁通与频率成反比关系，相当于直流电动机弱磁升速现象。 由异步电动机的电磁功率月,=T%/p可知，P,“ 87yl = C。若保持与2/力=。的协 调控制条件，则Tocl/力，即=C。因此，在E/1=C时，实现恒功率调速。 四、变频器的基本结构和分类交流电工：主.压顿率可变.图4 12变频

27、器的至本给沟-五、变频器的选用、运行和维护1 .负载的分类(1)恒转矩负载传送带、搅拌机、挤出机以及吊车、提升机等。(2)恒功率负载 机床主轴、造纸机、卷取机、开卷机等。(3)平方转矩负载离心泵、离心风机2 .变频器的选型根据负载类型选择变频器类型(1)选择变频器具体型号是以电动机额定电流值为依据，以电动机的额定功率为参 考值。变频器最大输出电流应大于电动机的额定电流值。P。器WVA)ZcnK/m (A)(2)TTc/m/mXIO-KVA)(3)PM, T, coscp、UM、IM分别为电动机输出功率、效率(取0.85)、功率因数(取0.75)、 电压(V)、电流(A)。K：电流波形的修正系数

28、(PWM方式取1.051.1)PCN：变频器的额定容量(KVA)ICN：变频器的额定电流(A)式中IM如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适 当缩小。(2)变频器与电动机的距离过长时，为防止电缆对地耦合与变频器输出电流中谐波 叠加而造成的电动机端子处电压升高的影响，应在变频器的输出端安装输出电抗器。(3)变频器选择时，要考虑电动机的运行频率在什么功率范围内。在低速范围内， 应考虑电动机的温升情况，是否需加装风扇给电动机散热。(4)变频器选择时，一定要注意其防护等级应与现场情况相匹配，防止现场的粉末 或水分影响变频器的长久运行。六、变频调速系统应用实例1.ABB变频器在恒压供水控制系统中的应用恒压供水是指不论用户端水量大小，总保持管网水压基本恒定。这样，既可以满足 各部位用户的用水的需要，又不使电动机空转，造成电能的浪费。因此，由变频器得到 给定压力信号和实际反馈信号，利用变频器内部固有的功能进行比较计算，通过频率输 出的变化调节水泵转速，从而控制管网中水压力恒定。状态显示压力传感变频器水泵电动进水管出水管阀门止回阀水池ACS601系列接压力给定信号（如信号发生器）（如压力变送器）作业4一4,X25 2X25：3接变频器运行指示信号山东