任务一 初步认识电气控制

任务描述

继电接触器控制系统是由按钮、开关、继电器、接触器等电器元件组成的控制线路，能实现对电动机的启动、停止、点动、正/反转、制动等运行方式的控制，以及必要的保护，不同的生产机械，对电动机的控制要求不同，因此需要的电气控制系统也不同。

普通机床的电气控制一般是通过继电器-接触器控制系统来实现的。试操作CA6140型车床电气控制柜面板上的一些按钮，观察面板上的指示灯及控制柜内器件的运行情况，认识常用的电器元件及电气原理图，从而对电气控制有初步的认识。

任务分析

本任务通过对CA6140型普通车床电气控制部分的操作，认识按钮、交流接触器、开关电器、熔断器、热继电器等常用低压电气元件及电气原理图，了解电气控制系统之间的关系，初步了解什么是电气控制。

任务目标

◆ 了解机床电气控制系统的构成及其与机床的运动的关系；

◆ 了解继电器-接触器控制的特点及应用；

◆ 掌握常用低压电器元件的结构、工作原理、用途及使用方法；

◆ 正确识别常用低压电器，能根据实物写出各电器元件的文字和图形符号，找出电器元件的各种导电部位；

◆ 熟悉常用低压电器元件的型号规格，掌握其在控制电路中的选择方法；

◆ 掌握电气原理图、元件布置图和安装接线图的基本概念；

◆ 通过规范操作，建立安全文明生产意识。

一、基础知识

1.继电器-接触器控制的组成与特点

在对电动机或其他执行器进行控制时，根据其控制方式的不同，电气控制系统可分为继电器-接触器控制系统、可编程逻辑控制器（PLC）控制系统和计算机控制系统。其中，继电器-接触器控制系统是最基本的控制方法，是其他控制方法的基础。

下面通过对CA6140型机床模拟电气柜的操作来了解继电器-接触器控制技术的基本原理。

1）CA6140型车床模拟电气控制柜的操作与演示

CA6140型普通车床的模拟电器柜的操作面板和柜内电气线路板如图1-2所示。

操作电器柜操作面板上的开关与按钮，观察电器柜内电器元件的动作和各电动机的动作及指示灯情况，见表1-1。

2）继电器-接触器控制的组成与特点

由模拟电器柜的控制可以看出，继电接触器控制由3个基本组成部分，即输入、输出和逻辑控制部分。其中输入部分是指各种开关信息，如按钮、行程开关等；逻辑控制部分是按照电气控制的要求设计的，由若干接触器、继电器及触点通过实际接线构成的具有一定逻辑功能的控制电路；输出部分是指各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯等。

对于简单控制功能的完成，继电接触器控制具有线路简单，维修方便，价格低廉，便于掌握等优点，因此，继电接触器控制系统得到了广泛应用。其缺点是电路由固定的接线组成，所以控制功能不能随意更改，功能少，通用性、灵活性差，对于控制要求比较多的电路，设备体积大，接线复杂，触点多，可靠性不高。

由于科学技术的不断发展，低压电器正向小型化、耐用方面发展，使继电接触器控制系统的性能不断提高，因此继电接触器控制系统在今后的电气控制技术中仍然占有比较重要的地位。

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2.常用的低压电器元件

控制电器按其工作电压的高低可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。低压电器是指工作在交流1000V或直流1200V以下电路中的电器。

低压电器是一种能根据外界的信号和要求手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。

通常低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防及用电部门中，大多数采用低压供电。

低压电器种类繁多，用途广泛，工作原理各不相同，常用低压电器的分类方法也很多。表1-2列出了常用低压电器的分类和用途。

下面介绍CA6140型普通车床电器柜中涉及的低压电器元件。

1）开关电器

（1）刀开关

刀开关又称闸刀开关，是一种手动配电电器，主要用于手动接通与断开交/直流电路，也可用于不频繁地接通与分断额定电流以下的负载，如小型电动机、电阻炉等。刀开关的种类很多，按刀的级数分为单极、双极和三极；按灭弧装置分为带灭弧装置和不带灭弧装置；按刀的转换方向分为单掷和双掷；按有无熔断器分为带熔断器式刀开关和不带熔断器式刀开关等。

常用的刀开关类型有HK型开启式负荷开关、HH型封闭式负荷开关，如图1-3所示。

HK型开启式负荷开关俗称闸刀或胶壳刀开关，如图1-3（a）所示，胶底瓷盖刀开关由熔丝、触刀、触点座和底座组成，此种刀开关装有熔丝，可起短路保护作用。由于它结构简单、价格便宜、使用维修方便，故得到广泛应用。该开关主要用作电气照明电路和电热电路、小容量电动机电路的不频繁控制开关，也可用作分支电路的配电开关。

HH型封闭式负荷开关俗称铁壳开关，主要由钢板外壳、触刀开关、操作机构、熔断器等组成，如图1-3（b）所示。刀开关带有灭弧装置，能够通断负荷电流，熔断器用于切断短路电流。一般用于小型电力排灌、电热器、电气照明线路的配电设备中，用于不频繁地接通与分断电路，也可以直接用于异步电动机的非频繁全压启动控制。

刀开关在安装时，手柄要向上，不得倒装或平装，以免由于重力自动下落而引起误动合闸。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样拉闸后刀开关的刀片与电源隔离，既便于更换熔丝，又可防止可能发生的意外事故。

（2）组合开关

转换开关又称组合开关，它利用动触片与静触片的接通与断开来实现被控电路的通断。图1-4为常见的组合开关。

转换开关由动触点、静触点、转轴、手柄等组成，转动手柄，动触点随着转轴转动，相应的动触点与静触点接触或分离，从而使电路接通或断开。

转换开关也有单极、双极和多极之分，一般用于电气设备中作为非频繁接通或分断电路、转接电源或负载及控制小容量异步电动机的正/反转。机床电气控制线路中一般采用三极转换开关。

根据转换开关在电路中的不同作用，其图形与文字符号有两种。当在电路中用作隔离开关时，其图形符号如图1-5（a）所示，其文字标注符为QS，有单极、双极和三极之分，机床电气控制线路中一般采用三极转换开关。图1-5（b）是转换开关作换接电路开关使用时的图形符号，图示是一个三极组合开关，图中I与II分别表示组合开关手柄转动的两个操作位置，I位置线上的三个空点右方画了三个黑点，表示当手柄转动到I位置时，L1、L2、L3支路线分别与U、V、W支路线接通；而II位置线上三个空点右方没有相应黑点，表示当手柄转动到II位置时，L1、L2、L3支路线与U、V、W支路线处于断开状态。转换开关安装时应使手柄旋转在水平位置为分断状态。

（3）自动开关

自动开关又称空气开关或空气断路器，既有手动开关作用，又能在电路发生严重过载、短路及失压等故障时，自动切断故障电路，有效地保护串联的电器设备。自动开关在电气控制线路中使用广泛。图1-6为常见的自动开关，图1-7为自动开关工作原理示意图及图形符号。

自动开关主要由3个基本部分组成，即触点、灭弧系统和各种脱扣器，包括过电流脱扣器、失压（欠电压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。

热脱扣器用于线路的过负荷保护，由发热元件、双金属片组成，使用时将双金属片热元件接在主电路中，当过载到一定值时，由于温度过高，双金属片受热弯曲并带动自由脱扣机构，使断路器主触点断开，实现长期过载保护。热脱扣器的整定电流应与所控制电动机的额定电流一致。

失压（欠电压）脱扣器用于失压保护。失压脱扣器的线圈直接接在电源上，处于吸合状态，断路器可以正常合闸；当停电或电压很低时，失压脱扣器的吸力小于弹簧的反力，弹簧使动铁心向上，从而使挂钩脱扣，实现断路器的跳闸功能。电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载电路正常工作时的峰值。

分励脱扣器用于远方跳闸，当在远方按下按钮时，分励脱扣器得电产生电磁力，使其脱扣跳闸。

断路器的额定电压和额定电流应不小于电路的正常工作电压和工作电流。

控制电动机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流I可按下式计算：

I≥K·IST

式中，K为安全系数，可取K=1.7；IST为电动机的启动电流。

低压断路器的选择应从以下几方面考虑。

① 断路器的类型应根据使用场合和保护要求来选择，如一般选用塑壳式；短路电流很大时选用限流型；额定电流比较大或有选择性保护要求时选用框架式；控制和保护含有半导体器件的直流电路时应选用直流快速断路器等。

② 断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。

③ 断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。

④ 欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。

⑤ 过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。

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2）熔断器

熔断器在电路中主要起短路保护作用。熔断器的熔体串接于被保护电路中，当通过熔断器的电流大于规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路。熔断器具有结构简单，体积小，质量轻，使用、维护方便，价格低廉，分断能力较强，限流能力良好等优点，因此在电路中得到广泛应用。常见的熔断器有瓷插式熔断器、螺旋式熔断器、RM10型密封管式熔断器和RT型有填料密封管式熔断器等，如图1-8所示。

熔断器由熔体和安装熔体的绝缘底座（或称熔管）组成。熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、铜、银及其合金制成丝状或片状，熔点约为200～300℃。由铅锡合金和锌等低熔点金属制成的熔体因不易灭弧而多用于小电流电路；由铜、银等高熔点金属制成的熔体易于灭弧，多用于大电流电路。图1-9为熔断器结构示意图及符号。

熔断器接入电路时，负载电流流过熔体，由于电流热效应而使温度上升，当电路正常工作时，其发热温度低于熔化温度，故长期不熔断。当电路发生严重过载或短路时，电流大于熔体允许的正常发热电流使熔体温度急剧上升，超过其熔点而熔断，分断电路，从而保护了电路和设备。

选用熔断器时应使熔断器的额定电压与保护电路的工作电压一致，熔体的额定电流应按以下几种情况分别考虑。

（1）在不会产生冲击电流的电路中（如照明电路），应使熔体的额定电流等于或稍大于线路的工作电流，即

IR≥I

式中 IR——熔体额定电流；

I——线路工作电流。

（2）对于一台异步电动机，可按下式选择：

IR=（1.5～2.5）Ied 或 IR=Ist/2.5

式中 Ied——电动机额定电流（A）；

Ist——异步电动机的电流（A）。

（3）多台电动机由一个熔断器保护时，可按下式选择：

IR≥Im/2.5

式中 Im——可能出现的最大电流。

若所有电动机不同时启动，则Im为容量最大一台电动机的启动电流加上其他电动机的额定电流。

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3）交流接触器

接触器主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，能频繁地接通或断开交/直流主电路，是一种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，并且用于频繁操作和远距离控制，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。

图1-10是几种常用的交流接触器，图1-11为交流接触器结构原理图，图1-12为交流接触器结构示意图及图形文字符号。

交流接触器由以下几部分组成。

（1）电磁系统。由电磁线圈、动铁心（衔铁），静铁心（铁心）等组成。其中动铁心与动触点支架相连。电源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，动铁心在复位弹簧的作用下，回到原位，牵动动、静触点，分断电路。电磁线圈分为电压线圈和电流线圈，电压线圈并联在电路中，电流线圈串联在电路中。

（2）触点系统。交流接触器的触点系统包括主触点和辅助触点。主触点用于通断主电路；辅助触点用于控制电器，起电气联锁或控制作用。

（3）灭弧装置。各种有触点电器都是通过触点的开、闭来通、断电路的，其触点在闭合和断开（包括熔体在熔断时）的瞬间都会在触点间隙中由电子流产生弧状的火花，称为电弧。容量在10A以上的接触器都有灭弧装置，对于小容量的接触器，常采用双断口桥形触点以利于灭弧；对于大容量的接触器，常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。

（4）其他部件。交流接触器除上述三个主要部件外，还有外壳、传动机构、接线桩、复位弹簧、缓冲装置、触点压力弹簧等附件。常用的交流接触器有CJ10和CJ12系列。

接触器的技术参数如下。

（1）额定电压。接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压。交流有127V，220V，380V，500V；直流有110V，220V，440V。

（2）额定电流。接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流，有5A，10A，20A，60A，100A，150A，250A，400A，600A。

（3）吸引线圈的额定电压。交流有36V，110V，127V，220V，380V；直流有24V，220V，440V。

（4）电气寿命和机械寿命（以万次表示）。

（5）额定操作频率。接触器的额定操作频率是指每小时允许的操作次数，一般为300次/h、600次/h和1200次/h。

（6）动作值。动作值是指接触器的吸合电压和释放电压。规定接触器的吸合电压大于线圈额定电压的85%时应可靠吸合，释放电压不高于线圈额定电压的70%。

交流接触器的选用原则如下。

（1）根据接触器所控制的负载性质来选择接触器的类型。

（2）接触器的额定电压不得低于被控制电路的最高电压。

（3）接触器的额定电流应大于被控制电路的最大电流。对于电动机负载有下列经验公式：

式中 IC——接触器的额定电流；

PN——电动机的额定功率；

UN——电动机的额定电压；

K——经验系数，一般取1～1.4。

接触器在频繁启动、制动和正/反转的场合，一般其额定电流降一个等级来选用。

（4）电磁线圈的额定电压应与所接控制电路的电压相一致。

（5）接触器的触点数量和种类应满足主电路和控制电路的要求。

电动机工作特点与接触器的选择见表1-3。

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4）控制继电器

控制继电器用于电路的逻辑控制，具有逻辑记忆功能，能组成复杂的逻辑控制电路，主要用于将某种电量（如电压、电流）或非电量（如温度、压力、转速、时间等）的变化量转换为开关量，以实现对电路的自动控制功能。

继电器的种类很多，按输入量可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器等；按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器等；按用途可分为控制继电器、保护继电器等。

（1）电磁式继电器

在控制电路中用的继电器大多数是电磁式继电器。电磁式继电器具有结构简单，价格低廉，使用维护方便，触点容量小（一般在5A以下），触点数量多且无主、辅之分，无灭弧装置，体积小，动作迅速、准确，控制灵敏、可靠等特点，广泛地应用于低压控制系统中。常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器及各种小型通用继电器等。

电磁式继电器的结构和工作原理与接触器相似，主要由电磁机构和触点组成。电磁式继电器也有直流和交流两种。图1-13为直流电磁式继电器结构示意图，在线圈两端加上电压或通入电流产生电磁力，当电磁力大于弹簧反力时，吸动衔铁使常开常闭接点动作；当线圈的电压或电流下降或消失时，衔铁释放，接点复位。

（2）中间继电器

中间继电器是最常用的继电器之一，它的结构和接触器基本相同，如图1-14（a）所示，其图形符号如图1-14（b）所示。

中间继电器在控制电路中起逻辑变换和状态记忆的功能，以及用于扩展接点的容量和数量。另外，在控制电路中还可以调节各继电器、开关之间的动作时间，防止电路误动作的作用。中间继电器实质上是一种电压继电器，它是根据输入电压的有无而动作的，一般触点对数多，触点容量额定电流为5～10A左右。中间继电器体积小，动作灵敏度高，一般不用于直接控制电路的负荷，但当电路的负荷电流在5～10A以下时，也可代替接触器起控制负荷的作用。中间继电器的工作原理和接触器一样，触点较多，一般为四常开和四常闭触点。

常用的中间继电器型号有JZ7、JZ14等。图1-15为几种常见的中间继电器。

（3）电流继电器和电压继电器

① 电流继电器

电流继电器的输入量是电流，它是根据输入电流大小而动作的继电器。电流继电器的线圈串入电路中，以反映电路电流的变化，其线圈匝数少、导线粗，阻抗小。电流继电器可分为欠电流继电器和过电流继电器。

欠电流继电器用于欠电流保护或控制，如直流电动机励磁绕组的弱磁保护、电磁吸盘中的欠电流保护、绕线式异步电动机启动时电阻的切换控制等。欠电流继电器的动作电流整定范围为线圈额定电流的30%～65%。需要注意的是，欠电流继电器在电路正常工作，电流正常不欠电流时处于吸合动作状态，常开触点处于闭合状态，常闭触点处于断开状态；当电路出现不正常现象或故障现象而导致电流下降或消失时，继电器中流过的电流小于释放电流而动作，所以欠电流继电器的动作电流为释放电流而不是吸合电流。

过电流继电器用于过电流保护或控制，如起重机电路中的过电流保护。过电流继电器在电路正常工作时流过正常工作电流，正常工作电流小于继电器所整定的动作电流，继电器不动作，当电流超过动作电流整定值时才动作。过电流继电器动作时其常开触点闭合，常闭触点断开。过电流继电器整定范围为（110%～400%）额定电流，其中交流过电流继电器为（110%～400%）IN，直流过电流继电器为（70%～300%）IN。

常用的电流继电器型号有JL12、JL15等。

电流继电器作为保护电器时，其图形符号如图1-16所示。

② 电压继电器

电压继电器的输入量是电路的电压大小，其根据输入电压大小而动作。与电流继电器类似，电压继电器可分为欠电压继电器和过电压继电器。过电压继电器的动作电压范围为（105%～120%）UN；欠电压继电器的吸合电压动作范围为（20%～50%）UN，释放电压调整范围为（7%～20%）UN。零电压继电器是欠电压继电器的一种特殊形式，是当继电器的端电压降至0或接近消失时才动作的电压继电器。它们分别起过压、欠压、零压保护作用。电压继电器工作时并联在电路中，因此线圈匝数多，导线细，阻抗大，反映电路中电压的变化，用于电路的电压保护。

电压继电器常用在电力系统继电保护中，在低压控制电路中使用较少。

电压继电器作为保护电器时，其图形符号如图1-17所示。

（4）热继电器

热继电器主要用于电气设备（主要是电动机）的过负荷保护。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。

三相异步电动机在实际运行中常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流（过载和断相）现象。如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许的；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。常用的电动机保护装置种类很多，使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。目前，双金属片式热继电器均为三相式，有带断相保护和不带断相保护两种。

图1-18（a）所示是双金属片式热继电器的结构示意图，图1-18（b）所示是其图形符号。由图可见，热继电器主要由双金属片、热元件、复位按钮、传动杆、拉簧、调节旋钮、复位螺钉、触点和接线端子等组成。

双金属片是一种将两种线膨胀系数不同的金属用机械碾压的方法使之形成一体的金属片。膨胀系数大的（如铁镍铬合金、铜合金或高铝合金等）称为主动层，膨胀系数小的（如铁镍类合金）称为被动层。由于两种线膨胀系数不同的金属紧密地贴合在一起，所以当产生热效应时，使得双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，由弯曲产生的位移带动触点动作。

热元件一般由铜镍合金、镍铬铁合金或铁铬铝等合金电阻材料制成。热元件串接于电动机的定子电路中，通过热元件的电流就是电动机的工作电流。当电动机正常运行时，其工作电流通过热元件产生的热量不足以使双金属片变形，热继电器不会动作。当电动机发生过电流且超过整定值时，双金属片的热量增大而发生弯曲，经过一定时间后使触点动作，通过控制电路切断电动机的工作电源。同时，热元件也因失电而逐渐降温，经过一段时间的冷却，双金属片恢复到原来的状态。

热继电器动作电流的调节是通过旋转调节旋钮来实现的。调节旋钮为一个偏心轮，旋转调节旋钮可以改变传动杆和动触点之间的传动距离，距离越长，动作电流越大，反之动作电流就越小。

热继电器的复位方式有自动复位和手动复位两种，将复位螺钉旋入使常开静触点向动触点靠近，从而动触点在闭合时处于不稳定状态，在双金属片冷却后动触点也返回为自动复位方式。如将复位螺钉旋出，触点不能自动复位为手动复位方式。在手动复位方式下，需在双金属片恢复状态时按下复位按钮才能使触点复位。

热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、启动情况、负载性质等因素，具体应按以下几方面原则来选择。

热继电器结构形式的选择：在一般情况下，可选用两相结构的热继电器；对于工作条件恶劣的电动机或电网电压不平衡时，可选用三相结构的热继电器；形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，对△形接线的电动机可选用带断相保护装置的热继电器。△形接线的电动机一相断线后，流过热继电器的线电流与流过电动机绕组的相电流的增加比例是不同的，其中最严重的一相比其余串联的两相绕组内的电流要大一倍，增加的比例也最大。

根据电动机的实际负载选用热继电器的整定电流（所谓整定电流是指当发热元件通过的电流值超过此值的20%时，热继电器应在20min内动作），热继电器的整定电流一般为电动机额定电流的1.05～1.1倍。当电动机过载能力较差时，应使热继电器的整定电流为电动机额定电流的0.6～0.8倍。下列情况下选择热继电器时应使其整定电流比电动机的额定电流要大一些。

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 电动机拖动的是冲击性负载，如冲床、剪床等设备。

对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。

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5）按钮

按钮是一种最常用的主令电器。主令电器用于控制电路中以开关触点的通断形式来发布控制命令，使控制电路执行对应的控制任务。主令电器应用广泛，种类繁多，常见的有按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器、选择开关、足踏开关等。在此仅介绍控制按钮。

按钮一般适用于交流电压500V以下，直流电压440V以下，额定电流5A以下的线路中。按钮常用来短时间接通或断开小电流控制的电路。其机构简单，控制方便。按钮不直接控制主电路，在控制电路中发出手动控制信号。图1-19为常见的按钮。

按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，额定电流在5A以下，触点又分常开触点（动合触点）和常闭触点（动断触点）两种。按钮的结构示意图及图形符号如图1-20所示，图1-21为急停按钮的图形符号。

按钮一般为复位式，也有自锁式按钮，最常用的按钮为复位式平按钮。

按钮按照结构形式可分为开启式（K）、保护式（H）、防水式（S）、防腐式（F）、紧急式（J）、钥匙式（Y）、旋钮式（X）和带指示灯（D）式等。为了标明各个按钮的作用，常将按钮帽做成不同颜色，以示区别，有红、绿、黑、黄、蓝、白等几种。红色按钮用于“停止”、“断电”或“事故”；绿色按钮优先用于“启动”或“通电”，但也允许选用黑、白或灰色按钮；一钮双用的“启动”与“停止”或“通电”与“断电”，即交替按压后改变功能的不能用红色按钮，也不能用绿色按钮，而应用黑、白或灰色按钮。

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3.电气原理图

1）电气原理图的概念

电气原理图是用来表示电气线路工作原理及各电器元件之间相互作用和关系的图，它并不反映各电气元件的结构尺寸、实际安装位置和实际接线情况。电气原理图适用于分析研究电路的工作原理，且为其他电气图的依据，在设计部门和生产现场得到广泛应用。

2）电气原理图的组成

电气原理图一般由电源电路、主电路、控制电路和辅助电路等组成。

电源电路为后续电路提供电能，一般由电源开关和电源保护电器组成。

主电路包括从电源到电动机的动力电路，是大电流通过的部分，用粗实线画在原理图的左边。

控制电路是通过小电流的电路，一般由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触点、继电器的触点等组成，用细实线画在原理图的右边。

辅助电路通过的电流也为小电流，由变压器、整流电源、照明灯和信号灯等低压电路组成。

3）绘制电气原理图应遵循的原则

（1）电气原理图中的所有电气元件都应采用国家标准中统一规定的图形符号和文字符号表示。

（2）电气原理图中电气元件的布局应根据便于阅读的原则安排。电源电路画成水平线，三相交流电源相序L1、L2、L3自上而下依次画出，中性线N和保护地线PE依次画在相线之下。直流电源的“+”画在上边，“-”画在下边，电源开关要水平画出。主电路垂直于电源线画在图纸左侧，其他电路安排在图纸右侧。

（3）无论主电路还是辅助电路，均按元件的功能布置，尽可能按动作顺序从上到下，从左到右排列。同一功能的电器元件集中在一起，耗能元件接于下方的水平电源线，各种触点接在上方电源线和耗能元件之间。

（4）电气原理图中，当同一电气元件的不同部分（如线圈、触点）分散在不同位置时，为了表示是同一元件，要在电气元件的不同部件处标注统一的文字符号。对于几个同类器件，要在其文字符号后加数字序号，以示区别。

（5）电气原理图中，所有电气元件的触点部分均按没有通电或没有外力作用时的平常状态画出，如接触器、电磁式继电器等触点是线圈未通电时的状态；按钮、行程开关等触点是没有受到外力作用时的状态；开关电器触点按断开状态画出。当元件触点的图形符号垂直放置时，以“左开右闭”原则绘制，即垂直线左侧的触点为常开触点，右侧的为常闭触点；当图形符号水平放置时，以“上闭下开”原则绘制，即水平线上方的触点为常闭触点，下方的为常开触点。

（6）电气原理图中，应尽量减少线条和避免线条交叉。各导线之间交叉相连时，在导线交叉处画实心圆点，两导线交叉但不连接的交叉点不画实心圆点。

4.电气设备安装布置图与电气接线图

电气控制系统图是表示电气控制系统中各电器元件及其连接关系的图。电气原理图是电气控制系统图中的一种，除电气原理图外，常用的电气控制系统图还包括电气设备布置图和电气接线图。

各种电气系统图由电动机、电气元件和电路组成，为了便于设计、分析、安装调试和维修，电气系统图中的图形符号和文字符号必须使用国家统一规定的最新标准来表示。国家标准局参照国际电工委员会（IEC）文件制定了电气设备的有关国家标准，如GB/T4728—2005《电气图用图形符号》、T6988—1997《电气技术用文件的编制》和GB7159—87《电气技术中的文字符号制定通则》。

1）电气设备安装布置图

电气设备安装布置图表示电气设备或元器件在机械设备和电器控制柜中的实际安装位置。各电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求决定的，拖动、执行、检测等器件应安装在生产机械的相应工作部位；控制按钮、操作开关、经常调节的电位器、指示灯、指示仪表等应安装在控制面板上；行程开关应放在能取得信号的位置；控制电器、保护电器等应安装在控制柜内。

如图1-22所示为电动机启保停电路接线板上的电气设备安装布置图。

2）电气接线图

电气接线图是根据电气原理图、电气设备安装布置图绘制的。电气接线图表示各电气设备和各元器件之间的实际接线情况。

绘制接线图时，应把各电器元件的各个部件（如触点和线圈）画在一起，文字符号、元件连接关系、线路编号等都必须与电气原理图一致，不在同一控制柜或操作台上的电器元件的电气连接必须通过端子排进行，各接线端子的编号应与电气原理图的导线编号一致。

电气设备安装图和电气接线图主要用于安装接线、线路检查维护及故障处理等。如图1-23所示为电动机启保停电路的电气接线图，图中画出了接线板、操作面板等之间的接线情况。

二、任务实施

1.器材准备

◆ C6140型车床实训考核模拟电器柜1台。

◆ 常用低压电器元件若干个。

◆ 常用电工工具1套。

◆ 万用表1只。

2.实训内容

本次实训内容包括练习万用表的使用、认识电器元件、操作模拟电气控制柜。

1）万用表的使用

万用表可对许多电参量进行直接测量，以测量电压、电流、电阻三大参量为主。有些万用表还可以用来测量交流电流、电容、电感、电路通/断、电池电压及半导体三极管的穿透电流，以及直流电流的放大倍数等参数。

万用表种类繁多，根据其测量原理及测量结果的显示方式进行分类，一般可分为模拟式万用表和数字式万用表两大类。各种万用表的外形如图1-24所示。这里仅介绍最常用的MF47型指针式模拟万用表的基本结构和使用方法。

MF47型万用表外形小巧，质量轻，便于携带，设计制造精密，测量准确度高，价格偏低且使用寿命长，因此使用非常广泛。其面板结构如图1-25所示。

它共有24个挡位，由仪表面板上的转换开关转换，各挡作用及测量范围如下。

直流电流（mA）：500、50、5、0.5、50（μA）、5A。

电阻（Ω）：×1、×10、×100、×1k、×10k。

直流电压（V）：0.25、1、2.5、10、50、250、500、1000、2500。

交流电压（V）：2500、1000、500、100、10。

仪表面板下半部分右上角有零欧姆调准器，表笔四个插孔在最下方（其中“-”或“COM”插孔为黑表笔插孔，当测量普通电流、电压、电阻时红表笔插在“+”内，当测量交流或直流电压量程为2500V时应插在2500V专用插孔内，当测量直流电流量程为5A时应插在5A专用插孔中）。仪表面板上半部分是表头，表盘有六条标度尺，表头指针调零旋钮在表头下方。

模拟式万用表的使用应按以下步骤进行：

机械调零→插孔选择→种类及量程的选择→测量过程→读出表盘上的指针指示数→指针指示值与实际值的换算。

（1）机械调零。将万用表平放，看表针是否指在零位上。若没有指在零位上，可调整表盘上的调零螺帽，使表针指准零位。

（2）插孔选择。红表笔插入标有“+”的插孔中，黑表笔插入“-”或“COM”的插孔中。在测量直流电流和直流电压时，红表笔应接被测电路的正极，黑表笔接负极。若不清楚被测电路的正、负极，可用以下方法判别：

估计电流或电压值的大小并选择一个合理量程，把黑表笔接在被测电路的任一极，同时用红表笔在另一极上触碰一下，若表针正向偏转，则表明红表笔接的是正极，黑表笔接的是负极；若表针反偏，则相反。

（3）种类及量程的选择。所谓种类选择就是根据不同的被测量将转换开关旋至正确的位置，如测量电阻，把转换开关旋至标有“Ω”的区间。

合理选择量程的标准是：测量电压和电流时，应使表针偏转至满刻度的1/2或2/3以上，即一般选量程时，应尽量使电表指针有最大的偏转角度；测量电阻时，为了提高测量的准确度，应使指针尽可能接近标度尺的中心位置。

（4）测量过程。

对于电压、电流和电阻的测量方法分别见表1-4。

为了测量时获得良好效果及防止由于使用不慎而使仪表损坏，仪表在使用时应注意：

● 仪表在测试时不能旋转开关旋钮；

● 当被测量不能确定其大约数值时，应将量程转换开关旋到最大量限的位置上，然后再选择适当的量限，使指针得到最大的偏转；

● 仪表在每次使用完毕后，最好将开关旋在“·”、“关”或交流电压最高挡，防止因误置开关旋钮位置时进行测量而使仪表损坏。

（5）读出表盘上的指针指示数。

读数时要看清楚所要读数的刻度线，并要了解每一小格所代表的值。为了减小误差，读数时一定要保证指针与表盘上镜面内的投影相重叠，也就是说人眼睛的视线要与表盘垂直。

（6）指针指示值与实际值的换算。

由于万用表是多用表，所以有时是多个参量共用同一个刻度线，这样实际测量值与指针指示值不可能都相等，所以就需要进行换算。其中：

电阻挡是倍率挡，实际电阻值=所选量程×指针指示数

电压、电流挡是满刻度值挡，即指针指到满刻度时的值就是电压、电流的量程值，因此其换算关系为：

边学边练

2）CA6140型车床模拟电气控制柜的操作

按表1-1所示操作电器柜操作面板上的开关与按钮，观察电器柜内电气元件的动作和各电动机的动作、指示灯情况。

3）认识电气元件

（1）观察各电气元件，分析各部分的作用。

（2）结合实物，练习各电气元件的正确接线。

4）识读电气原理图

识读CA6140型车床模拟电气控制柜的电气原理图，找出与电气元件符号对应的各实物元件。

3.实训记录

（1）记录CA6140型车床模拟电气控制柜的操作过程和柜内电气元件工作时的现象，填表1-5。

（2）记录各电气元件的相关参数，并填表1-6和表1-7。

三、知识拓展——电气控制技术的产生与发展

电气控制技术是以各类电动机为动力的传动装置与系统为对象，以实现生产过程自动化的控制技术。电气控制系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中均得到广泛应用，是实现工业生产自动化的重要技术手段。

科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的应用，新型控制技术的出现，电气控制技术的面貌也在不断发生着变化。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从笨重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触点硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。

作为生产机械动力的电动机拖动，经历了漫长的发展过程。20世纪初，电动机直接取代蒸汽机。开始是成组拖动，用一台电动机通过中间机构（天轴）实现能量分配与传递，拖动多台生产机械。这种拖动方式的电气控制线路简单，但结构复杂，能量损耗大，生产灵活性也差，不适应现代化生产的需要。20世纪20年代，出现了单电动机拖动，即由一台电动机拖动一台生产机械。单电动机拖动相对成组拖动，机械设备结构简单，传动效率提高，灵活性增大，这种拖动方式在一些机床中至今仍在使用。随着生产的发展及自动化程度的提高，又出现了多台电动机分别拖动各运动机构的多电动机拖动方式，进一步简化了机械结构，提高了传动效率，而且使机械的各运动部分能够选择最合理的运动速度，缩短了工时，也便于分别控制。

继电器-接触器控制系统至今仍是许多生产机械设备广泛采用的基本的电气控制形式，也是学习更先进电气控制系统的基础。它主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。它具有控制简单、方便实用、价格低廉、易于维护、抗干扰能力强等优点。但由于其接线方式固定，灵活性差，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要，且工作频率低，触点易损坏，可靠性差。

以软件手段实现各种控制功能、以微处理器为核心的可编程控制器（PLC，Programma-bleLogicController）是20世纪60年代诞生并开始发展起来的一种新型工业控制装置。它具有通用性强，可靠性高，能适应恶劣的工业环境，指令系统简单，编程简便易学，易于掌握，体积小，维修工作少，现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，被广泛应用于冶金、采矿、建材、机械制造、石油、化工、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环保等各个行业的控制中。

在自动化领域，可编程控制器与CAD/CAM、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱，其应用日益广泛。可编程控制器技术是以硬接线的继电器 -接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或者模拟量的输入、输出满足各种类型机械控制的需要。可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统联成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

思考与练习

（1）继电器-接触器控制系统由几部分组成？

（2）继电器-接触器控制具有哪些优点和缺点？

（3）试述交流接触器的工作原理。

（4）简述热继电器的主要结构和作用。

（5）热继电器能否用于短路保护，为什么？

（6）观察低压断路器，填表1-8中低压断路器各部分的主要作用。