《电机与电气控制》

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目录 第一章 电气控制的基本知识 第二章 直流电机 第三章 变压器 第四章 三相异步电动机 第五章 三相异步电动机的拖动特性 第六章 三相异步电动机的电气控制 第七章 其他种类的电机 第八章 常用机床的电气控制 第九章 可编程控制器

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第一章 电气控制的基本知识

常用低压电器 电器控制图的基本知识 电气控制的基本规律

自锁 互锁

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常用低压电器

低压电器概述 开关电器及主令电器 接触器 继电器 熔断器 主要电器元件故障诊断与维修

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低压电器概述 低压电器的定义 低压电器的分类 低压电器的基本结构

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低压电器的定义

电器：是指能自动或手动接通和断开电路，以及对电路或非电路现象能进行切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件。

低压电器：通常是指交流 1000V 及以下与直流 1200V 及以下电路中起通断、控制、保护和调节作用的电气设备 。

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低压电器的分类 按控制作用分类

执行电器 用来完成某种动作或传递功率。例如：电磁铁。 控制电器 用来控制电路的通断。例如：开关、继电器。 主令电器 用来控制其它自动电器的动作，以发出控制“指令”。例如：按钮、转换开

关等。 保护电器 用来保护电源、电路及用电设备，使它们不致在短路、过载状态下运行，免

遭损坏。例如：熔断器、热继电器等。 按动作方式分

自动切换电器 按照信号或某个物理量的变化而自动动作的电器。例如：接触器、继电器等。

非自动电器 通过人力操作而动作的电器。例如：开关、按钮等 。 按动作原理分类

电磁式电器 它是根据电磁铁的原理工作的。例如：接触器、继电器等。 非电磁式电器 它是依靠外力（人力或机械力）或某种非电量的变化而动作的电器。例

如：行程开关、按钮、速度继电器、热继电器等。

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低压电器的基本结构 电磁机构 电磁机构是电器元件的感受部件，它的作用是将电磁能转换成为机械能并带动

触点闭合或断开。它通常采用电磁铁的形式，由电磁线圈、静铁心（铁心）、动铁心（衔铁）等组成，其中动铁心与动触点支架相连。

触头系统 触头系统属于执行部件 。它的作用是通过触点的开、闭来通、断电路的 。

灭弧装置 电弧：是指触头在闭合和断开（包括熔体在熔断时）的瞬间，都会在触头间隙中

由电子流产生弧状的火花，这种由电气原因造成的火花。

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电磁机构 电磁铁的示意图

电磁铁的工作原理 电磁线圈通电时产生磁场，使动、静铁心磁化互相吸引，当动铁心被吸引向静铁心时，与动

铁心相连的动触点也被拉向静触点，令其闭合接通电路。电磁线圈断电后，磁场消失，动铁心在复位弹簧作用下，回到原位，并牵动动、静触点，分断电路。

电磁铁的分类 电磁铁按励磁电流可分为：直流电磁铁和交流电磁铁 按接入电路的方式可以分为：电压线圈和电流线圈

短路环 由于交流电磁铁的磁通是交变的，线圈磁场对衔铁的吸引力也是交变的。当交流电流过零时，

线圈磁通为零，对衔铁的吸引力也为零，衔铁在复位弹簧作用下将产生释放趋势，这就使动、静铁心之间的吸引力随着交流电的变化而变化，从而产生振动和噪音，加速动、静铁心接触面积的磨损，引起结合不良，严重时还会使触点烧蚀。为了消除这一弊端，在铁心柱面的一部分，嵌入一只铜环，名为短路环 。

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触头系统 分类

按功能可分为：主触头和辅助触头。主触头用于接通和分断主电路；辅助触头用于接通和分断二次电路，还能起互锁和联锁作用。

按形状可分为：桥式触头和指形触头 。桥式触头又分为点接触桥式触头和面接触桥式触头。

触头按位置可分为：静触头和动触头 。静触头固定不动，动触头能由联杆带着移动 。

触头按其初始位置可分为：常闭触头和常开触头。常闭触头（又称动断触头）——常态时动、静触头是相互闭合的。常开触头（又称动合触头）——常态时动、静触头是分开的。

a) b) c)触头的结构形式

a ）点接触桥式 b ）面接触桥式 c ）线接触指式

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灭弧装置 电弧的危害

使电路仍然保持导通状态，延迟了电路的开断。 会烧损触点，缩短电器的使用寿命。

灭弧措施

图 1-6 灭弧措施a ）、 b ）机械性拉长电弧 c ）双触点灭弧 d ）磁吹灭弧

e ）纵缝灭弧 f ）金属栅片灭弧 g ）纵缝陶土灭弧罩—静触点 2— 动触点 3— 引弧角

v1— 动触点移动速度 v2— 电弧在磁场力作用下移动速度

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开关电器及主令电器 低压开关 低压开关主要用作隔离、转换以及接通和分断电路。常作为机床电路

的电源开关，或用于局部照明电路的控制及小容量电动机的起动、停止和正反转控制等。

主令电器 主令电器是指在电气自动控制系统中用来发出信号指令的电器。它的

信号指令将通过继电器、接触器和其它电器的动作，接通和分断被控制电路，以实现对电动机和其它生产机械的远距离控制。

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低压开关 刀开关 组合开关 自动开关 漏电保护器

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主令电器 按钮 行程开关万能转换开关

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刀开关 用途 普通刀开关是一种结构最简单且应用最广泛的手控低压电器，广泛用在照明电路和小容量（ 5.5kW ）、不频繁起

动的动力电路的控制电路中。 结构

符号

注意事项 刀开关安装时，瓷底应与地面垂直，手柄向上，易于灭弧，不得倒装或平装。倒装时手柄可能因自重落下而引起误合闸，危及人身和设备安全。

图 1-7 胶盖瓷底刀开关的结构1— 出线盒 2— 熔丝 3— 动触头 4— 手柄 5— 静触头

6— 电源进线座 7—瓷座 8—胶盖 9— 接用电器b ）双极 c ）三极

QS QS

a ）单极

或 QS

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组合开关 定义 它实质上也是一种特殊刀开关，只不过一般刀开关的操作手柄是在垂直安装面

的平面内向上或向下转动，而组合开关的操作手柄则是平行于安装面的平面内向

左或向右转动而已。 用途 多用在机床电气控制线路中，作为电源的引入开关，也可以用作不频繁地接通和断开电路、换接电源和负载以及控制 5KW以下的小容量电动机的正反转和星三角起动等。

结构 符号

a ）双极 b ）三极

QS QS

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组合开关的结构

a) b)

图 1-9 组合开关的结构图a ）外形图 b ）内部结构

1— 手柄 2— 转轴 3—弹簧 4—凸轮 5—绝缘垫板6— 动触点 7— 静触点 8—绝缘方轴 9— 接线柱

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自动开关 用途 它集控制和多种保护功能于一身，除能完成接通和分断电路外，还能对电路或

电气设备发生的短路、过载、失压等故障进行保护。 原理图 工作原理 脱扣器是自动开关的主要保护装置，包括电磁脱扣器（作短路保护）、热脱扣器

（作过载保护）、失压脱扣器以及由电磁和热脱扣器组合而成的复式脱扣器等种类。电磁脱扣器的线圈串联在主电路中，若电路或设备短路，主电路电流增大，线圈磁场增强，吸动衔铁，使操作机构动作，断开主触点，分断主电路而起到短路保护作用。电磁脱扣器有调节螺钉，可以根据用电设备容量和使用条件手动调节脱扣器动作电流的大小。

热脱扣器是一个双金属片热继电器。它的发热元件串联在主电路中。当电路过载时，过载电流使发热元件温度升高，双金属片受热弯曲，顶动自动操作机构动作，断开主触点，切断主电路而起过载保护作用。

符号 QF × × ×

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自动开关原理图

图 1-12 自动开关的原理图1 、 9—弹簧 2— 触点 3— 锁键 4—搭钩 5—轴 6—过电流脱扣器 7—杠杆 8 、 10— 衔铁 11—欠电压脱

扣器 12—双金属片 13— 电阻丝

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漏电保护器 用途 主要用于当发生人身触电或漏电时，能迅速切断电源，保障人身安全，防止触电事故。有的漏电保护器还兼有过载、短路保护，用于不频繁起、停的电动机。

原理图

工作原理 当正常工作时，不论三相负载是否平衡，通过零序电流互感器主电路的三相电流相量之

和等于零，故其二次绕组中无感应电动势产生，漏电保护器工作于闭合状态。如果发生漏电或触电事故，三相电流之和便不再等于零，而等于某一电流值 Is。 Is会通过人体、大地、变压器中性点形成回路，这样零序电流互感器二次侧产生与 Is对应的感应电动势，加到脱扣器上，当 Is达到一定值时，脱扣器动作，推动主开关的锁扣，分断主电路。

测试回路电源变压器

主开关

U

V

W 零序电流互感器

电磁脱扣器

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按钮 用途 按钮又称控制按钮或按钮开关，是一种手动控制电器。它只能短时接通或分断 5A

以下的小电流电路，向其它电器发出指令性的电信号，控制其它电器动作。由于按钮载流量小，不能直接用于控制主电路的通断。

结构及工作原理 符号

注意事项 选择使用时应从使用场合、所需触点数及按钮帽的颜色等因素考虑。一般红色表示停止，绿色表示起动，黄色表示干预。

SB SB

a ）常开触点

b ）常闭触点 c ）复合触点

SB

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按钮的结构及工作原理 结构

工作原理 在按下按钮帽令其动作时，首先断开动断触点，再通过一定行程后才接

通动合触点；松开按钮帽时，复位弹簧先将动合触点分断，通过一定行程后动断触点才闭合。

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行程开关 用途 行程开关又称限位开关或位置开关，它利用生产机械运动部件的碰撞，使其内部触点动作，

分断或切换电路，从而控制生产机械行程、位置或改变其运动状态。 结构

符号

a ）常开触点 b ）常闭触点

SQ SQ

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万能转换开关 用途 具有更多操作位置和触点、能够接多个电路的一种手动控制电器。由于它的档位多、触点多，可控制多个电路，能适应复杂线路的要求。

结构

符号

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万能转换开关的符号及触点通断表返回

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接触器 用途 接触器是一种用来频繁接通和断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切

换电器。它具有低压释放保护功能，可进行频繁操作，实现远距离控制，是电力

拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。 分类 结构及工作原理 符号

b ）常开主触点 c ）常闭主触点a ）线圈

KM

e ）常闭辅助触点d ）常开辅助触点

KM KM KM KM

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接触器的分类按电流种类通常分为交流接触器和直流接触器两类 交流接触器 特点：交流线圈、有短路环、采用双断口触头

直流接触器 特点：直流线圈、滚动指型触头

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交流接触器的结构和工作原理 结构 交流接触器的主要部分是电磁系统、触点系统和灭弧装置，其外形和结构如图所示

工作原理 交流接触器有两种工作状态：得电状态（动作状态）和失电状态（释放状态）。接触器主

触头的动触头装在与衔铁相连的绝缘连杆上，其静触头则固定在壳体上。当线圈得电后，线圈产生磁场，使静铁心产生电磁吸力，将衔铁吸合。衔铁带动动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，分断或接通相关电路。当线圈失电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧的作用下释放，各触头随之复位。

a ）外形 b ）结构示意图

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继电器 定义 继电器：是一种根据电量（电流、电压）或非电量（时间、速度、温度、压力等）的变化自

动接通和断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。 与接触器的区别

继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定 的电压信号下动作。

继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此，继电器触头容量较小（不大于 5A），且无灭弧装置。

分类 按反应的参数可分为：电压继电器、电流继电器、中间继电器、热继电器、时间继电器

和速度继电器等。 按动作原理可分为：电磁式、电动式、电子式和机械式等。

常用的继电器

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常用的继电器 电磁式继电器

电流继电器 电压继电器 中间继电器

时间继电器 热继电器 速度继电器

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时间继电器 用途 时间继电器是利用电磁原理或机械原理实现触点延时闭合或延时断开的自动控制

电器。 分类 常用的种类有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式。 结构及工作原理 延时方式 通电延时和断电延时 符号

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空气式时间继电器的结构及工作原理 结构

工作原理 是利用空气阻尼的原理获得延时的。

a ）外形图 b ）结构图1— 线圈 2—反力弹簧 3— 衔铁 4— 静铁心 5—弹簧片 6 、 8—微

动开关 7—杠杆 9— 调节螺钉 10—推杆 11—活塞杆 12—宝塔弹簧

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时间继电器的符号 文字符号 KT

图形符号

a ）断电延时线圈

b ）通电延时线圈 d ）断电延时断开触头

c ）通电延时闭合触头 e ）通电延时断开触头

f ）断电延时闭合触头

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热继电器 用途 热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路中用作电动机的过载

保护。 结构 工作原理 主双金属片与加热元件串接在接触器负载端，（电动机电源端）的

主回路中。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使继电器动作。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量增加，使双金属片产生的弯曲位移增大，主双金属片推动导板，并通过补偿双金属片与推杆将触点（即串接在接触器线圈回路的热继电器常闭触点）分开，以切断电路保护电动机。

符号 b ）常闭触点a ）热元件

FR

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热继电器的结构 热继电器种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，其外形

及结构如图所示，主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。热继电器的常闭触点串联在被保护的二次回路中，它的热元件由电阻值不高的电热丝或电阻片绕成，串联在电动机或其他用电设备的主电路中。靠近热元件的双金属片，是用两种不同膨胀系数的金属用机械辗压而成，为热继电器的感测元件。

a ） 外形 b ）结构图—电流整定装置 2— 主电路接线柱 3— 复位按钮

4— 常闭触头 5— 动作机构 6— 热元件 31— 常闭触头接线柱32—公共动触头接线柱 33— 常开触头接线柱

1— 主触头 2— 主双金属片 3— 热元件 4—推动导板 5—补偿双金属片 6— 常闭触头 7— 常开触头 8— 复位调节螺钉 9— 动触头 10— 复位按钮 11—偏心轮 12— 支撑件 13—

弹簧

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速度继电器 用途 速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制。 结构及工作原理

符号

a ）外形 b ）结构图

KS KS

b ）常开触点 c ）常闭触点a ）转子

KS n n

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熔断器 用途 主要用作短路保护。 结构 熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管两部分组成。熔体由易熔金属材料铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，通常做成丝状或片状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。

工作原理 熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不

熔断。当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断切断电路，从而实现保护目的。

分类 插入式、螺旋式、封闭管式 、快速熔断式 符号

FU

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电器控制图的基本知识 电气图的符号 为了表达电气控制系统的设计意图，便于分析系统工作原理、安装、调试和检修控制系统，必须采用统一的图形符号和文字符号来表达。

电气控制图的分类 电气系统图和框图 电气原理图 电器布置图 电器安装接线图 功能图 电器元件明细表

电气控制图的绘制规则 电气图的读图方法

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电气控制图的绘制规则 原理图一般分主电路和辅助电路两部分：主电路就是从电源到电动机大电流通过

的路径。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由继电器和接触器的线圈、继电器的触点、接触器的辅助触点、按钮、照明灯、信号灯、控制变压器等电器元件组成。

控制系统内的全部电机、电器和其它器械的带电部件，都应在原理图中表示出来。 原理图中各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准图形符号，文字符号也要符合国家标准规定。

原理图中，各个电气元件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一元器件的各个部件可以不画在一起。例如，接触器、继电器的线圈和触点可以不画在一起。

图中元件、器件和设备的可动部分，都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。例如，继电器、接触器的触点，按吸引线圈不通电状态画；主令控制器、万能转换开关按手柄处于零位时的状态画；按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画等。

电气元件应按功能布置，并尽可能按水平顺序排列，其布局顺序应该是从上到下，从左到右。电路垂直布置时，类似项目宜横向对齐；水平布置时，类似项目应纵向对齐。

电气原理图中，有直接联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示；无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。

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电气图的读图方法 主电路分析 控制电路分析 辅助电路分析 联锁和保护环节分析 总体检查

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