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电器与可编程控制器技术 电控学院自动化系 本课程是为适应当前工业控制技术的飞速发展。针对工业自动控制的特点和需要而为自动化专业开设的一门专业方向课，它系统的介绍在工业现场使用的常用低压电器和可编程控制器的结构、组成和工作原理。通过课程的学习，使学生对相应电器及使用方法等有初步的认识，并能利用所学知识设计简单的电气控制系统。 上篇 常用低压电器 根据我国电工专业范围的划分与分工，低压电器通常是指在交流1200 V及以下和直流1500 V及以下电路中起通断、控制、保护和调节作用的电器设备。 第一章??常用低压电器基本原理 低压电器包括配电电器和控制电器两大类。 根据构成方式的不同，采用电磁原理构成的低压电器元件，称为电磁式低压电器； 利用集成电路或电子元件构成的低压电器元件，称为电子式低压电器； 利用现代控制原理构成的低压电器元件或装置，称为自动化电器、智能化电器或可通信电器； 根据电器的控制原理、结构原理及用途，又可有终端组合式电器、智能化电器和模数化电器等。 1.1 低压电器基本结构 从低压电器的结构上看，一般都具有两个基本组成部分，即感受部分与执行部分。 感受部分 执行部分 1.1.1 电磁机构 电磁机构是电磁式电器的主要组成部分，其工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动执行部分触头动作。 电磁机构由吸引线圈（励磁线圈）和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧反力时，衔铁才可靠地被铁心吸住。 图1 - 1 电磁机构的几种形式 （a）单E型电磁铁；（b）螺管型电磁铁；（c）直动式；（d）转动式 其结构型式按铁心型式分有单E型、螺管型等；按动作方式有直动式、转动式等。 电磁机构按吸引线圈的通电种类可分为直流电磁铁和交流电磁铁: 当交流电磁线圈接通交流电源时，铁心中有磁滞损失与涡流损失。为了减小因此造成的能量损失和温升，铁心和衔铁用硅钢片叠成，而且线圈做成粗短形并有线圈骨架将线圈与铁心隔开，以免铁心发热传给线圈使其过热而烧毁。 当直流电磁线圈接通直流电源时，铁心中没有磁滞损失与涡流损失，只有线圈本身的铜损，所以直流电磁铁线圈没有骨架，且成细长形，铁心和衔铁可以用整块电工软钢做成。 线圈是电磁铁的心脏，也是电能与磁场能量转换的场所。 大多数电磁铁线圈并接在电源电压两端，称为电压线圈，它的特点是匝数多，线径较细，阻抗大，电流小。常用绝缘性能好的电磁线绕制而成。 当需反映电路电流时，则将线圈串接于电路中，成为电流线圈，它的特点是匝数少，线径较粗，常用扁铜带或粗铜线绕制。 1.1.1.1 直流电磁铁的电磁吸力 直流电磁铁的电磁吸力根据马克思威尔公式： 式中：F ——电磁铁磁极的表面吸力（N）； B ——工作气隙磁感应强度（T）； S ——铁心截面积（m2）； Φ ——气隙磁通； δ——磁路空气隙。 直流电磁铁吸力特性如图所示。 图1 - 2 直流电磁铁的吸力特性 在电磁铁安匝数不变的情况下，电磁吸力与气隙大小的二次方成反比。它表明衔铁闭合前后吸力变化很大，气隙越小，吸力越大。由于衔铁闭合前后励磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力大，工作可靠性好。 但是，当直流电磁机构的励磁线圈断电时，磁势会迅速接近于零。电磁机构的磁通也发生相应的变化，因此会在励磁线圈中感生很大的反电势。此反电势可达线圈额定电压的10～20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。 为减小此反电势，通常在励磁线圈上并联一个放电回路，由电阻R和一个硅二极管组成。 这样，当线圈断电时，放电电路使原先贮于磁场中的能量消耗在电阻上，不致产生过电压。通常，放电电阻的电阻值可取线圈直流电阻的6～8倍。 图1 - 3直流线圈并联放电电路 1.1.1.2 交流电磁铁的电磁吸力 交流电磁铁电磁吸力公式为： 图1 - 4 交流电磁铁吸力变化情况 交流电磁吸力是在最大值为 和最小值为零的范围内以两倍于电源频率周期地变化，因此在每一个周期内，必然有某一段时刻吸力小于弹簧产生的反作用力。 1.1.1.3 短路环的作用 在单相交流电磁铁铁心极面上加装短路环可消除振动和噪声。 则由式1-4可得和在衔铁上产生的电磁吸力分别为 图1 - 7 有短路环时的吸力变化曲线 1.1.1.4 交流电磁机构的吸力特性 当频率、匝数和外加电压为常数时，由式可知，磁通亦为常数。因此电磁吸力的幅值也为常数。由于线圈外加电压与磁路空气隙的变化无关