识读系统上电回路

学习目标

·掌握电气控制系统图的类别及各自含义;

·掌握常用低压电器的工作原理及其在电路中的应用;

·掌握常见电气元件的绘制方法。

相关知识

一、电气控制系统图概述

电气控制系统是由许多电气元件按一定要求连接而成的。为了便于电气控制系统的设计、分析、安装、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其连接，用一定的图形表达出来，这种图形就是电气控制系统图。

电气控制系统图有三类: 电气原理图、电气元件布置图和电气安装接线图。

(一) 电气控制系统图中的图形符号和文字符号

电气控制系统图中，电气元件必须使用国家统一规定的图形符号和文字符号。国家规定从1990年1月1日起，电气系统图中的图形符号和文字符号必须符合最新的国家标准。目前推行的最新标准是国家标准局颁布的GB/T4726．1—2005《电气常用图形符号》、GB/T 6988．1—2008《电气制图》和GB/T5226．1—2008《机床电气设备通用技术条件》。

(二) 电气原理图

电气原理图是为了便于阅读和分析控制线路，根据简单清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制成的表示电气控制线路工作原理的图形。在电气原理图中只包括所有电气元件的导电部件和接线端点之间的相互关系，但并不按照各电气元件的实际布置位置和实际接线情况来绘制，也不反映电气元件的大小。下面具体说明绘制电气原理图的基本规则和应注意的事项。

(1) 电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出: 主电路就是从电源到电动机绕组的大电流通过的路径。辅助电路包括控制回路、信号电路及保护电路等，由继电器的线圈和触点、接触器的线圈和辅助触点、按钮、照明灯、控制变压器等电气元件组成。一般主电路用粗实线表示，画在左边 (或上部); 辅助电路用细实线表示，画在右边 (或下部)。

(2) 原理图中，各电气元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准来画，文字符号也要符合国家标准。属于同一电器的线圈和触点，都要用同一文字符号表示。当使用多个相同类型电器时，可在文字符号后面加注阿拉伯数字序号来区分。

(3) 原理图中，各电气元件的导电部件如线圈和触点的位置，应根据便于阅读和发现的原则来安排，绘在它们完成作用的地方。同一电气元件的各个部件可以不画在一起。

(4) 原理图中所有电器的触点，都按没有通电或没有外力作用时的开闭状态画出。如:继电器、接触器的触点，按线圈未通电时的状态画出; 按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画出; 控制器按手柄处于零位时的状态画出等。

(5) 原理图中，有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示。无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。图中自左而右或自上而下表示操作顺序，并尽可能减少线条和避免线条交叉。

(6) 原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般应按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。

水平布置: 电源线垂直画，其他电路水平画，控制电路中的耗能元件 (如接触器的线圈) 画在电路的最右端。

垂直布置: 电源线水平画，其他电路垂直画，控制电路的耗能元件 (如接触器的线圈)画在电路的最下端。

(7) 原理图中，对于触点的绘制位置，当垂直放置时，各元器件触点图形符号以“左开右闭”绘制; 当水平放置时以“上闭下开”绘制。

(8) 在原理图上方应将图分成若干图区，并标明该区电路的用途与作用。

在继电器、接触器线圈下方列有触点表，以说明线圈和触点的从属关系。在图样的下方沿横坐标方向划分图区，并用数字编号。同时在图样的上方沿横坐标方向划区，分别标明该区电路的功能。图区划分见图2-1。分区数一般为偶数，每一分区的长度为25～75mm，分区在水平和垂直两个方向的长度可以不同; 分区的编号，水平方向用阿拉伯数字，垂直方向用大写英文字母。编号从图纸的左上角开始，分区代号由行与列两个编号组合而成。

图2-1 图区划分

(9) 电路图中触点文字符号下面的数字表示该电器线圈所处的图区号，如图2-2所示。

图2-2 触点索引

(10) 中性线 (N) 和保护接地线 (PE) 放在相线之下。

(三) 电气元件布置图

电气元件布置图主要用来表示各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。各电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求来决定的，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，操作元件要放在操作台及悬挂操纵箱等操作方便的地方，一般电气元件应放在控制柜内。

机床电气元件布置图主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操纵台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。在绘制电气设备布置图时，所有能见到的以及需要表示清楚的电气设备均用粗实线绘制出简单的外形轮廓，其他设备 (如机床) 的轮廓用双点划线表示。

电气元件布置图 (图2-3) 的绘制原则:

图2-3 电气元件布置图

(1) 绘制电气元件布置图时，机床的轮廓线用细实线或点划线表示，电气元件均用粗实线绘制出简单的外形轮廓。

(2) 绘制电气元件布置图时，电动机要和被拖动的机械装置画在一起; 行程开关应画在获取信息的地方，操作手柄应画在便于操作的地方。

(3) 各电气元件之间，上、下、左、右应保持一定间距，以利于布线和维护。

(4) 强电、弱电应分开。弱电应屏蔽，防止外界干扰。

(5) 需要经常维护、维修、调整的电气元件安装位置不宜过高或过低。

(6) 电气元件的布置应整齐、美观、对称。

(四) 电气安装接线图

电气安装接线图是为安装电气设备和电气元件时进行配线或检查维修电气控制线路故障服务的。在图中要表示各电气设备之间的实际接线情况，并标注出外部接线所需的数据。在接线图中各电气元件的文字符号、元件连接顺序、线路号码编制都必须与电气原理图一致。

图2-5是根据图2-4电气原理图绘制的接线图。图中表明了该电气设备中电源进线、按钮板、照明灯、行程开关、电动机与电气安装板接线端之间的关系，也标注了所采用的包塑金属软管的直径和长度以及连接导线的根数、截面积与颜色。如按钮板与电气安装板的连接，按钮板上有SB1、SB2、HL1与HL2四个元件，根据电气原理图，SB1与SB2有一端相连为“地”，其余的2、3、4、6、7、15、16通过7根1mm2的红色线接到安装板上相应的接线端，与安装板上的元件相连。

图2-4 电气原理图

图2-5 安装接线图

安装接线图的绘制原则:

(1) 各电气元件均按其在安装底板中的实际安装位置绘出。

(2) 一个元件的所有部件绘在一起，并且用点划线框起来，即采用集中表示法。

(3) 安装底板内外的电气元件之间的连线通过端子板进行连接，安装底板上有几条接至外电路的引线，端子板上就应绘出几个线的接点。

(4) 绘制安装接线图时，走向相同的相邻导线可以绘成一股线。

二、常用低压电器的工作原理

(一) 低压电器的基本知识

低压电器: 是指工作在交流200V、直流1500V及以下的电路中，以实现对电路或非电对象的控制、检测、保护、变换、调节等作用的电器。

低压电器的分类:

(1) 低压配电电器: 用于供、配电系统中进行电能输送和分配的电器，如刀开关、低压断路器、熔断器。

(2) 低压控制电器: 用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器、继电器、主令电器等。

(3) 低压主令电器: 用于发送控制指令的电器，如按钮、主令开关、行程开关、主令控制器、转换开关等。

(4) 低压保护电器: 用于对电路及用电设备进行保护的电器，如熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器等。

(二) 接触器

接触器是一种自动化的控制电器 (图2-6)，主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作、联锁控制、各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路。本书主要讨论交流接触器。

图2-6 接触器

工作原理: 当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，两者是联动的。当电磁线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原，即常开触头断开，常闭触头闭合。接触器的图形符号、文字符号如图2-7所示。

图2-7 接触器线圈及触点符号

a) 线圈; (b) 主触点; (c) 辅助常开触点; (d) 辅助常闭触点

(三) 继电器

继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力或使输出状态发生阶跃变化，从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其他器件或装置动作的一种控制元件 (图2-8)。它用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，以实现自动控制和保护的目的。

图2-8 继电器

常用的继电器按动作原理分为电磁式、磁电式、感应式、电动式、光电式、压电式、热继电器与时间继电器等。

按激励量不同分为交流、直流、电压、电流、中间、时间、速度、温度、压力、脉冲继电器等。

电磁式继电器按输入信号不同分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器和中间继电器。

1． 电磁式电压继电器、电流继电器与中间继电器

(1) 电磁式电压继电器。

电压继电器是反映电压变化的控制电器。其线圈与负载并联，以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。分为过电压、欠电压、零电压继电器。过电压继电器在电路中用于过电压保护。欠电压继电器在电路中用于欠电压保护。电压继电器的符号如图2-9所示。

(2) 电磁式电流继电器。

①过电流继电器。通常，交流过电流继电器的吸合电流Io= (1．1～3．5) IN，直流过电流继电器的吸合电流Io= (0．75～3) IN。由于过电流继电器在出现过电流时衔铁吸合动作，由其触头来切断电路，故过电流继电器无释放电流值。

图2-9 电压继电器的符号

(a) 过压继电器; (b) 欠压继电器

②欠电流继电器。正常工作时，继电器线圈流过负载额定电流，衔铁吸合动作; 当负载电流降低至继电器释放电流时，衔铁释放，带动触头动作。欠电流继电器在电路中起欠电流保护作用。电流继电器的符号如图2-10所示。

图2-10 电流继电器的符号

(a) 过电流继电器; (b) 欠电流继电器

(3) 电磁式中间继电器。

中间继电器实质上是一种电压继电器，但它的触点数量较多，容量较大，起到中间放大 (触点数量和容量) 的作用，其符号如图2-11所示。

图2-11 中间继电器的符号

2． 时间继电器

继电器输入信号输入后，经一定的延时，才有输出信号的继电器称为时间继电器。对于电磁式时间继电器，当电磁线圈通电或断电后，经一段时间，延时触点状态才发生变化，即延时触头才动作。

分类: 电磁阻尼式、空气阻尼式、电动机式和电子式等。

延时方式: 通电延时和断电延时两种。

(1) 空气阻尼式时间继电器。

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼作用获得延时的，有通电延时和断电延时两种类型，时间继电器的原理如图2-12所示。它主要由电磁系统、延时机构和工作触点三部分组成。其工作原理如下:

当线圈1通电后，铁芯2将衔铁3吸合，推板5使微动开关16立即动作，活塞杆6在塔形弹簧7的作用下，带动活塞13及橡皮膜9向上移动，由于橡皮膜下方气室空气稀薄，形成负压，因此活塞杆6不能迅速上移。当空气由进气孔12进入时，活塞杆6才逐渐上移，当移到最上端时，杠杆14才使微动开关15动作。延时时间为自电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺杆11调节进气孔12的大小，就可以调节延时时间。

图2-12 通电延时型时间继电器的原理

1—线圈; 2—铁芯; 3—衔铁; 4—复位弹簧; 5—推板; 6—活塞杆; 7—塔形弹簧; 8—弱弹簧; 9—橡皮膜;10—空气室壁; 11—调节螺杆; 12—进气孔; 13—活塞; 14—杠杆; 15，16—微动开关

当线圈1断电时，衔铁3在复位弹簧4的作用下将活塞13推向最下端。因活塞被往下推时，橡皮膜下方气室内的空气，通过橡皮膜9、弱弹簧8和活塞13肩部所形成的单向阀，经上气室缝隙顺利排掉，因此延时与不延时的微动开关15与16都迅速复位。

空气阻尼式时间继电器的优点是: 结构简单、寿命长、价格低廉，还附有不延时的触点，所以应用较为广泛。缺点是准确度低，延时误差大，因此在要求延时精度高的场合不宜采用。

(2) 晶体管式时间继电器。

晶体管式时间继电器具有延时范围广、体积小、精度高、调节方便及寿命长等优点，所以发展很快，应用广泛。

时间继电器的触头及线圈符号如图2-13所示。

图2-13 时间继电器的触头及线圈符号

(a) 通电延时型线圈; (b) 断电延时型线圈; (c) 瞬动触头;(d) 通电延时闭合的常开 (动合) 触头; (e) 断电延时断开的常开 (动合) 触头;(f) 通电延时断开的常闭 (动断) 触头; (g) 断电延时闭合的常闭 (动断) 触头

3． 热继电器

热继电器 (图2-14) 是电流通过发热元件加热使双金属片弯曲，推动执行机构动作的电器，主要用来保护电动机或其他负载免于过载以及作为三相电动机的断相保护。

热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成。图2-15中2是电阻丝，接在电动机的主电路中; 1是主双金属片，是由两种不同线膨胀系数的金属辗压而成，右层金属的线膨胀系数大，左层的小。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量使双金属片向左弯曲，经过一定时间后，弯曲位移增大，将常闭触点8断开。控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。若要使热继电器复位，则按下复位按钮9即可。热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。同理，在电动机启动或短时过载时，热继电器也不会动作，这可避免电动机不必要的停车。每一种电流等级的热元件，都有一定的电流调节范围，一般应调节到与电动机额定电流相等，以便更好地起到过载保护作用。

图2-14 热继电器

图2-15 热继电器结构原理图

1—主双金属片; 2—电阻丝; 3—导板; 4—补偿双金属片; 5—螺钉; 6—推杆;7—静触头; 8—动触头; 9—复位按钮; 10—调节凸轮; 11—弹簧

4． 速度继电器

速度继电器是将电动机的转速信号经电磁感应原理来控制触头动作的电器。其主要由定子、转子和触头系统三部分组成。结构原理如图2-16所示。

图2-16 速度继电器结构原理

一般速度继电器触头的动作速度为120r/min左右，触头的复位转速为100r/min。

速度继电器主要用于转速的检测，如用于三相交流异步电动机反接制动控制，转速过零时，自动断开反相序电源。图2-17为其符号图。

由图2-16可知，速度继电器的转子由一块永久磁铁制成，与电动机同轴相连，用以接收转动信号。当转子 (磁铁) 旋转时，笼型绕组切割转子磁场产生感应电动势，形成环内电流，此电流与磁铁磁场相作用，产生电磁转矩，圆环在此力矩的作用下带动摆锤，克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动，并拨动触点改变其通断状态 (在摆锤左右各设一组切换触点，分别在速度继电器正转和反转时发生作用)。

图2-17 速度继电器符号

(四) 熔断器

熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器。其广泛应用于低压配电系统及用电设备中作短路和过电流保护。

结构: 熔体、熔断管 (座)、填料及导电部件等。

工作原理: 熔断器接入电路时，熔体串接在电路中，负载电流流经熔体，当电路发生短路或过电流时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔体金属熔化温度时就会自行熔断，随之切断故障电路，起到保护作用。

常用熔断器结构图及符号见图2-18。

图2-18 常用熔断器结构图及符号

(a) 瓷插式; (b) 有填料螺旋式; (c) 无填料密闭管式; (d) 熔断器符号1—瓷底座; 2—石棉垫; 3—动触头; 4—熔丝; 5—瓷插件; 6，9—熔体; 7—底座; 8—熔管; 10—触刀

(五) 低压开关和低压断路器

1． 低压开关

低压开关又称低压隔离器，是低压电器中结构比较简单、应用广泛的一类手动电器，如图2-19所示。主要有刀开关、组合开关以及用刀与熔断器组合成的胶盖瓷底刀开关和熔断器式刀开关，还有转换开关等。

刀开关 (俗称闸刀开关) 结构简单，由操作手柄、刀片、触头座和底板等组成。在机床上刀开关主要用来接通和断开长期工作设备的电源。

使用时需注意的问题: 刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。如果倒装，拉闸后手柄可能因自重下落引起误合闸而造成人身和设备安全事故。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样较为安全。

刀开关分单极、双极和三极，如图2-20所示。机床上常用的三极开关长期允许通过的电流有100A、200A、400A、600A、1000A五种。

负荷开关有快断刀闸的刀开关和与熔断器组合在一起的铁壳开关，常用来控制小容量异步电动机的不频繁启动和停止。

图2-19 低压开关

图2-20 刀开关

(a) 单极; (b) 双极; (c) 三极; (d) 带熔断器的刀开关

刀开关主要根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。若用来控制不经常启停的小容量异步电动机时，其额定电流不应小于电动机额定电流的3倍。

2． 低压断路器

低压断路器又称自动开关或空气开关 (图2-21)。它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的电器。

图2-21 低压断路器

低压断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实施保护。当它们发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等的组合，而且在分断故障后一般不需要更换零部件，因而获得了广泛的应用。

低压断路器主要由触头和灭弧装置、各种可供选择的脱扣器与操作机构、自由脱扣机构3部分组成。其结构原理如图2-22所示。低压断路器的符号见图2-23。

图2-22 低压断路器结构原理

图2-23 低压断路器的符号

工作过程: 合闸后，搭钩将锁键钩住，使主触点闭合，电动机通电启动运行。扳动手柄于“分”的位置 (或按下“分”的按钮)，搭钩脱开，主触点在复位弹簧的拉力作用下断开，切断电动机电源。除手动分断之外，空气断路器还可以分别由3个脱扣器自动分断，实现对应的保护功能。

(六) 主令电器

主令电器主要用来接通或断开控制电路，以发布命令或信号，改变控制系统工作状况。常用的主令电器有控制按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。

1． 控制按钮

控制按钮 (图2-24) 结构示意图及符号如图2-25、图2-26所示。

图2-24 按钮

图2-25 按钮

3—常闭静触点; 4—动触点; 5—常开静触点1—按钮帽; 2—复位弹簧;

图2-26 按钮的符号

工作原理: 在外力作用下，常闭触点先断开，常开触点再闭合; 复位时，常开触点先断开，常闭触点再闭合。

为了便于操作人员识别，避免发生误操作，生产中用不同的颜色和符号来区分按钮的功能及作用，不能乱用，特别是红色按钮一定要用于停止控制。

2． 行程开关

行程开关是依据生产机械的行程发出命令，以控制其运动方向和行程长短的主令电器。若将行程开关安装于生产机械行程的终点处，用于限制其行程，则称为限位开关。行程开关按接触方式可分为接触式、非接触式; 按结构可分为直动式、滚动式、微动式。

行程开关 (图2-27) 的结构示意图及符号如图2-28、图2-29所示。

图2-27 行程开关

图2-28 行程开关结构示意图

1—动触点; 2—静触点; 3—推杆

图2-29 行程开关符号

工作原理: 操作头接收机械设备发出的动作指令或信号，并将其传递到触点系统，触点再将操作头传递来的动作指令或信号通过本身的结构功能变成电信号，输出到有关控制回路。