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现代电气控制技术,郑 萍 主 编重庆大学出版社,目 录,第1章常用低压电器1.1电器的作用与分类1.2低压电器的电磁机构及执行机构1.3接触器1.4继电器1.5其他常用电器第2章基本电气控制线路及其逻辑表示2.1电气控制线路的绘制及国家标准2.2基本电气控制方法,2.3异步电动机的基本电气控制电路2.4电气控制线路的逻辑代数分析方法第3章继电-接触器电气控制线路设计3.1电气控制设计的基本内容、设计程序和一般原则3.2电力拖动方案的确定、电动机的选择3.3电气控制方案的确定及控制方式的选择3.4电气设计的一般原则3.5电气保护类型及实现方法3.6电气控制系统的一般设计方法3.7电气控制线路的逻辑设计方法3.8常用电器元件的选择,3.9电气控制的工艺设计第4章典型的机床控制线路分析4.1卧式车床的电气控制线路4.2组合机床的电气控制电路第5章现代低压电器5.1低压电器产品的发展5.2电子电器和智能电器第6章可编程序控制器6.1可编程序控制器的产生与特点6.2可编程控制器的组成与工作原理,6.3FX2可编程控制器逻辑指令系统及其编程方法6.4步进顺控指令STL6.5功能指令6.6PLC控制系统设计与应用6.7可编程控制器的其他功能与应用第7章电气调速系统与变频器7.1电气调速概述7.2变频调速的原理与调速方式7.3变频器的基本构成及其分类7.4变频器的控制方式和特点,7.5变频器的内部结构和主要功能7.6变频器的应用第8章数控机床8.1概述8.2计算机数控（CNC）系统8.3数控机床的伺服系统8.4数控机床的发展趋势8.5以数控机床为基础的生产自动化系统的发展第9章现场总线9.1网络与通信基础,9.2现场总线概述9.3几种有影响的现场总线9.4DeviceNet9.5现场总线低压电器产品及其控制系统9.6现场总线的标准问题第10章电气控制系统的可靠性10.1可靠性的基本概念10.2可靠性特征与可靠性模型10.3可靠性设计,第1章 常用低压电器,低压电器（Low-voltage Apparatus）通常指工作在交、直流电压1 200 V以下的电路中起通断、控制、保护和调节作用的电气设备。1.1 电器的作用与分类电器就是广义的电气设备。在工业意义上，电器是指能根据特定的信号和要求，自动或手动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备。,按电压等级分：高压电器（High-voltage Apparatus）、低压电器(Low-voltage Apparatus)；按所控制的对象分：低压配电电器(Distributing Apparatus)、低压控制电器(Control Apparatus)。按使用系统分：电力系统用电器、电力拖动及自动控制系统用电器、自动化通信系统用电器；按工作职能分：手动操作电器、自动控制电器（自动切换电器、自动控制电器、自动保护电器）、其他电器（稳压与调压电器、起动与调速电器、检测与变换电器、牵引与传动电器）；按电器组合分：单个电器、成套电器与自动化装置；,按有无触点分：有触点电器、无触点电器、混合式电器；按使用场合分：一般工业用电器、特殊工矿用电器、农用电器、家用电器、其他场合（如航空、船舶、热带、高原）用电器。1.2 低压电器的电磁机构及执行机构1.2.1 电磁机构(1)电磁机构的分类电磁机构是各种自动化电磁式电器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开。,1)按衔铁的运动方式分类衔铁绕棱角转动衔铁绕轴转动衔铁直线运动2)按磁系统形状分类3)按线圈的连接方式分类4)按吸引线圈电流的种类分类(2)吸力特性与反力特性电磁机构的吸力F可近似地按下式求得,图1.1 常用电磁机构的形式1铁心；2线圈；3衔铁,根据磁路定律,图1.2 直流电磁机构 的吸力特性,图1.3 交流电磁机构 的吸力特性,图1.4 吸力特性和反力特性1直流接触器吸力特性；2交流接触器吸力特性；3反力特性,图1.5 加短路环后的磁通和电磁吸力图,1.2.2 执行机构(1)触点触点用来接通或断开被控制的电路。,图1.6 触点的3种接触形式,图1.7 指形触点的接触过程,图1.8 触点的位置示意图,(2)电弧的产生与灭弧装置所谓气体放电，就是气体中有大量的带电粒子作定向运动。常用的灭弧装置有如下几种。1）磁吹式灭弧装置,图1.9 磁吹式灭弧装置1铁心；2绝缘管；3吹弧线圈；4导磁颊片；5灭弧罩；6熄弧角,2)灭弧栅3)灭弧罩4)多断点灭弧,图1.10 灭弧栅灭弧原理1静触点；2短电弧；3灭弧栅片；4动触点；5长电弧,1.3 接触器接触器（Contactor）是用来频繁接通和切断电动机或其他负载主电路的一种自动切换电器。,图1.11 桥式触点1动触点；2静触点；3电弧,1.3.1 接触器的主要技术数据(1)额定电压接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级为直流接触器：220V，440V，660V。交流接触器：220V，380V，500V。(2)额定电流通常用的电流等级为直流接触器：25A，40A，60A，100A，150A，250A，400A，600A。,交流接触器：5A，10A，20A，40A，60A，100A，150A，250A，400A，600A。(3)线圈的额定电压通常用的电压等级为：直流线圈：24V，48V，110V，220V，440V。交流线圈：36V，127V，220V，380V。(4)额定操作频率额定操作频率指每小时接通次数。(5)电寿命和机械寿命,电寿命是指接触器的主触点在额定负载条件下，所允许的极限操作次数。机械寿命是指接触器在不需修理的条件下，所能承受的无负载操作次数。(6)接触器的电气符号,图1.12 接触器符号,1.3.2 交流接触器交流接触器(Alternating Current Contactor)一般有3对主触头，两对动合（常开）辅助触头，两对动断常闭辅助触头。(1)CJ20系列交流接触器,图1.13 CJ20系列交流接触器外形,(2)EB，EH系列交流接触器,1.3.3 直流接触器直流接触器(Direct Current Contactor)是一种通用性很强的电器产品，除用于频繁控制电动机外，还用于各种直流电磁系统中。,图1.14 EH，EB系列接触器外形,(1)CZo系列直流接触器分为两种结构：额定电流为150A及以下的接触器是立体布置整体式结构，具有沿棱角转动的拍合式电磁系统，如图1.15所示。,图1.15 CZo直流接触器外形图,额定电流为250A及以上的接触器是平面布置整体结构。1.4 继电器1.4.1 继电器的特性及主要参数继电器(Relay)是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器。,1.4.2 电磁式继电器常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器。,图1.16 继电特性曲线,(1)电流/电压继电器,图1.17 电流继电器符号,图1.18 电压继电器符号,(2)中间继电器中间继电器(Auxiliary Relay)在结构上是一个电压继电器，是用来转换控制信号的中间元件。,图1.19 JZ17中间继电器外形图,1.4.3 时间继电器凡是在敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间才动作的继电器叫时间继电器(Time Delay Relay)。,图1.20 中间继电器符号,1.4.4 行程开关行程开关(Travel Switch)又称限位开关，是一种根据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关电器。,图1.21 时间继电器符号,(1)JW系列基本型微动开关(2)LX19K型行程开关(3)JLXK1系列行程开关,图1.22 JW系列微动开关,图1.23 LX19K行程开关结构示意图,图1.24 JLXK行程开关结构,1.4.5 速度继电器速度继电器主要用于异步电动机的反接制动控制，亦称反接制动继电器。常用的速度继电器有YJ1型和JFZ0。,图1.25 行程开关触点符号,图1.26 速度继电器原理示意图1转轴；2转子；3定子；4绕组；5摆锤；6、7静触头；8、9簧片,1.4.6 热继电器热继电器(Thermal over-load Relay)是利用电流的热效应原理来工作的保护电器，它在电路中用作三相异步电动机的过载保护。,图1.27 速度继电器触点符号,图1.28 热继电器原理,图1.29 热继电器符,1.5 其他常用电器1.5.1 低压熔断器熔断器(Fuse)是一种利用熔体的熔化作用而切断电路的、最初级的保护电器，适用于交流低压配电系统或直流系统，作为线路的过负载及系统的短路保护用。,图1.30 熔断器安秒特性,图1.31 RL1型熔断器结构,1.5.2 低压隔离器低压隔离器是指在断开位置能符合规定的隔离功能要求的低压机械开关电器，而隔离开关的含义是在断开位置能满足隔离器隔离要求的开关。,图1.32 HR3系列熔断器式刀开关,1.5.3 低压断路器低压断路器(Automatic Circuit Breaker)按结构形式分为万能式和塑料外壳式两类。低压断路器又称作自动空气断路器，简称自动空气开关或自动开关。,图1.33 断路器原理图,1.5.4 主令电器主令电器(Master Switch)是电气控制系统中用于发送控制指令的非自动切换的小电流开关电器。,图1.34 DZ20系列断路器外形图,(1)控制按钮(2)万能转换开关万能转换开关(Control Switch)是一种多挡式、控制多回路的主令电器。,图1.35 按钮,图1.36ABG10型万能转换开关组装图,图1.37 ABG12-2.8N/3开关通断图表,第2章 基本电气控制线路 及其逻辑表示,2.1 电气控制线路的绘制及国家标准2.1.1 常用电气图形及文字符号的国家标准绘制电气原理图应按GB472885、GB715987、GB698886等规定的标准绘制。当标准中给出几种形式时，选择符号应遵循以下原则：,应尽可能采用优选形式；在满足需要的前提下，应尽量采用最简单的形式；在同一图号的图中使用同一种形式。2.1.2 电气控制原理图的绘制原则2.1.3 图面区域的划分2.1.4 符号位置的索引,表2-1 表2.1(续表),图2.1 CM6132普通车床电气控制线路原理图,2.2 基本电气控制方法,2.2.1 异步电动机简单的起、停、保护电气控制线路,2.2.2 多地点控制,图2.2 简单的起、停、保护电气控制线路,2.2.3 连续工作（长动）与点动控制,图2.3 电动机的多地点控制,图2.4 长动与点动控制电路,2.2.4 异步电动机的正、反转电路,图2.5 按钮控制的异步电动机正反转电路,2.2.5 顺序控制2.3 异步电动机的基本电气控制电路2.3.1 起动控制电路,(1)直接起动控制电路(2)Y-降压起动控制电路,图2.6 两台电动机的顺序起动控制,图2.7 用开关直接起动电动机的电路,图2.8 异步电动机星-三角形降压起动电路,图2.9 自耦变压器降压起动的控制电路,(3)自耦变压器降压起动控制电路2.3.2 制动电路(1)反接制动控制线路(2)能耗制动控制线路(3)电磁抱闸,图2.10 反接制动控制电路,图2.11 能耗制动控制电路,图2.12 电磁抱闸原理图,图2.13 电磁抱闸制动控制线路,2.3.3 双速异步电动机调速控制电路电动机转速公式,(1)/YY接法(2)Y/YY接法,2.3.4 位置控制电路,图2.14 双速电动机三相绕组接法,图2.15 双速电动机高低速控制电路,图2.16 采用时间继电器的双速电动机高低速控制电路,2.4 电气控制线路的逻辑代数分析方法,2.4.1 基本逻辑关系(1)逻辑变量,(2)逻辑函数与真值表(3)基本逻辑运算1)逻辑非2)逻辑与3)逻辑或,图2.17 工作台往复运动控制电路,2.4.2 电路的逻辑表示,图2.18 基本逻辑电路,(1)逻辑非动断触点,(2)逻辑与触点串联,(3)逻辑或触点并联,2.4.3 逻辑代数的基本性质及其应用,图2.19 某电动机控制线路,第3章 继电-接触器电气控制线路设计,3.1 电气控制设计的基本内容、设计程序 和一般原则3.1.1 电气控制线路设计的基本要求3.1.2 工厂电气控制设备设计的内容3.1.3 电气控制设备的设计步骤(1)初步设计,(2)技术设计(3)产品设计产品设计是根据初步设计和技术设计最终完成的电气控制设备产品生产用的工作图样。3.2 电力拖动方案的确定、电动机的选择3.2.1确定拖动方式(1)单独拖动(2)分立拖动,3.2.2 确定调速方案3.2.3 电动机的调速特性与负载特性相适应3.2.4 电动机的选择和电动机的起动、制动和反向要求(1)电动机的选择(2)电动机起动、制动和反向要求3.3 电气控制方案的确定及控制方式的选择3.3.1 电气控制方案的可靠性,3.3.2 电气控制方案的确定3.3.3 控制方式的选择(1)按控制过程的变化参量进行控制的规律,图3.1 电气自动控制系统框图,(2)刀架的自动循环控制系统分析与设计,图3.2 刀架的自动循环示意图,1)自动循环行程原则控制 2)无进给切削时间原则控制,图3.3 实现刀架自动循环的控制线路,图3.4 无进给切削的控制线路,3)快速停车,图3.5 无进给切削控制线路的“时间图”,图3.6 完整的刀架自动循环控制线路,(3)控制方法综述3.4 电气设计的一般原则3.4.1 应最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求3.4.2 在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单经济,图3.7 电器连接图,图3.8 同类触点合并,图3.9 利用二极管等效,图3.10 减少通电电器,3.4.3 保证控制线路工作的可靠和安全具体线路设计时应注意以下几点。正确连接电器的触点,图3.11 正确连接电器触点,正确连接电器的线圈。在控制线路中应避免出现寄生电路。,图3.12 线圈不能串联连接,图3.13 寄生回路,图3.14 减少多个元件依次通电,在线路中应尽量避免许多电器依次动作（如图 3.14(a)所示）才能接通另一个电器的控制线路，以 增加线路的可靠性，正确接线如图3.14（b）所示。,防止线路出现触点竞争现象。防止误操作带来的危害。设计的线路应能适应所在电网情况。3.5 电气保护类型及实现方法3.5.1 电流型保护(1)短路保护FU,图3.15 控制电路的欠压、过流、过载、短路保护,(2)过电流保护KI过电流保护是区别于短路保护的另一种电流型保护。(3)过载保护FR过载也是指电动机运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数更小些。(4)欠电流保护所谓欠电流保护是指被控制电路电流低于整定值时动作的一种保护。(5)断相保护,3.5.2 电压型保护(1)失压保护,图3.16 失压保护,(2)欠电压保护(3)过电压保护,图3.17 泄放电路,3.5.3 其他保护,3.6 电气控制系统的一般设计方法,3.6.1 龙门刨床(或立车)横梁升降自动控制线路设计(1)横梁机构对电气控制系统提出的要求,图3.18 横梁夹紧放松示意图,(2)横梁机构电气控制线路设计1)设计主电路2)设计基本控制电路3)选择控制参量、确定控制原则4)设计连锁保护环节5)线路的完善和校核,图3.20 完整的横梁移动控制电路,图3.21 龙门刨床横梁升降工作过程的状态波形图,3.6.2 皮带运输机电气控制线路设计(1)皮带运输机对电气控制系统提出的要求(2)皮带运输机的电气控制线路设计1)主电路的设计2)设计基本控制电路3)设计控制电路的特殊部分4)设计电路的连锁保护环节5）线路的校核(3)“缺一”故障保护控制,图3.22 皮带机控制,图3.23 皮带机的完整的电路图,图3.24“缺1”电路,3.7 电气控制线路的逻辑设计方法,3.7.1 利用逻辑函数化来简化电路,图3.25 逻辑等效电路,在由逻辑函数化简实现继电-接触器电路时，应注意以下问题：注意触点容量的限制。注意线路的合理性、可靠性。3.7.2 继电-接触器线路的逻辑函数(1)继电-接触器开关逻辑函数的一般表达式1）两种电机起、保、停线路的逻辑函数表达式对图3.26(a)可列出逻辑函数为,图3.26 两种起、保、停电路环节,其一般形式为,对图3.27(b)可列出逻辑函数为,其一般形式为,2)逻辑函数的一般表达式3)逻辑函数的简单表达式,最简表达式为,(2)开启信号和关断信号的选择形式,图3.27 开启线与关断线,3.7.3 逻辑设计方法的一般步骤与设计(1)逻辑设计法的一般步骤,图3.28 动力头控制电路,(2)用逻辑设计法进行线路设计3.8 常用电器元件的选择3.8.1 常用电器元件的选择原则根据对控制元件功能的要求，确定电气元件的类型。确定元件承载能力的临界值及使用寿命。确定元器件预期的工作环境及供应情况。确定元件在供应时所需的可靠性等。3.8.2 电器元件的选择(1)各种按钮、开关的选用,1)按钮2)刀开关3)组合开关4)行程开关5)自动开关(自动空气开关)(2)接触器的选择(3)继电器的选择1)电磁式继电器的选用2)时间继电器的选用3)热继电器的选用,(4)熔断器选择熔断器主要对电气设备起短路瞬时保护作用。其主要类型有：插入式、螺旋式、填料封闭管式等。3.9 电气控制的工艺设计3.9.1 电气设备总体配置设计3.9.2 元件布置图的设计及电器部件接线图的绘制3.9.3 电气箱及非标准零件图的设计3.9.4 清单汇总和说明书的编写,第4章 典型的机床控制线路分析,4.1 卧式车床的电气控制线路4.1.1 概述4.1.2 CM6132普通车床的电气控制线路(1)CM6132车床的特点(2)主轴控制,(3)电气控制线路的保护4.1.3 C650普通车床的电气控制线路分析,图4-1,4.2 组合机床的电气控制电路4.2.1 概述4.2.2 机械动力滑台控制电路,图4.2 机械动力滑台控制电路,(1)滑台原位停止(2)滑台快进(3)滑台工进(4)滑台反向工进(5)滑台快退4.2.3 液压动力滑台控制电路(1)具有一次性工作进给的液压滑台电气控制电路（如图4.3所示）,图4.3 一次性工作进给的液压滑台电气控制电路,(2)二次工作进给控制电路,图4.5 二次工作进给控制电路,第5章 现代低压电器,5.1 低压电器产品的发展低压电器产品大致可分为四代：第一代产品：20世纪60年代70年代初，主要产品为DW10，DZ10，CJ10等第二代产品：70年代末80年代，主要产品为DW15，DZ20第三代产品：90年代，主要产品为DW45，S，CJ45(CJ40)等第四代产品：国外主要低电器制造商从90年代开始不断开发现场总线低压电器产品。,5.2 电子电器和智能电器电子电器是全部或部分由电子器件构成的电器。5.2.1 接近开关,图5.1 停振型接近开关原理框图,5.2.2 电子时间继电器(1)晶体管式时间继电器,图5.2 晶体管停振型接近开关电路,图5.3 晶体管时间继电器原理框图,图5.4 JS20单结晶体管时间继电器电路,(2)数字式时间继电器,图5.5 数字时间继电器原理框图,图5.7 ST6P电子式时间继电器外形图,图5.6 JSF时间继电器外形图,5.2.3 温度继电器,图5.8 热敏电阻并联接线的温度继电器,5.2.4 固体继电器(1)概述(2)AC-SSR固态继电器的工作原理,图5.9 有电压过零功能的SSR工作原理图,图5.10 输入输出波形,图5.11 有电压过零功能的AC-SSR的3个区,(3)AC-SSR固态继电器的主要特点与特性(4)应用,图5.12 AC-SSR温度控制系统,5.2.5 软起动器,图5.13 AC-SSR组成三相交流开关,图5.14 软起动器原理示意图,图5.15 电动机起动转矩图,图5.16 电动机起动电压图,5.2.6 智能型断路器,图5.17 软起动器应用原理接线图,图5.18 智能化断路器原理框图,第6章 可编程序控制器,6.1 可编程序控制器的产生与特点6.1.1 可编程控制器的产生6.1.2 可编程控制器的特点(1)高可靠性(2)灵活性高、扩展性好、通用性强(3)功能强(4)适应性强，性价比高,6.2 可编程控制器的组成与工作原理6.2.1 可编程控制器的基本结构(1)中央控制单元（CPU模块）,图6.1 PLC结构框图,(2)输入输出电路（I/O模块）1）输入电路,图6.2 PC的直流输入电路,2）输出电路(3)编程器(4)电源,图6.3 开关量输出模块原理图,6.2.2 可编程控制器的工作过程,图6.4 PLC扫描工作过程,图6.5 PC对输入输出的处理规则,6.3 FX2可编程控制器逻辑指令系统及其编程方法6.3.1 FX2的技术指标,6.3.2 FX2的内部编程软元件及其功能(1)输入/输出继电器（X，Y）1)输入继电器（X）2)输出继电器（Y）(2)辅助继电器（M）,图6.6 PC的等效电路,(3)状态元件（S）(4)定时器（T）,图6.7 波形图,图6.8 定时器,(5)计数器（C）,图6.9 积算定时器,图6.10 计数器,(6)数据寄存器(D)(字)(7)指针P/I,图6.11 加/减计数器,6.3.3基本逻辑指令(1)逻辑取及输出线圈（LD/LDI/OUT）(2)触点的串（AND/ANI）、并联（OR/ORI）(3)电路块的串/并连（ANB/ORB）,图6.13 中断指针,(4)栈存储器与多重输出指令(5)主控与主控复位指令MC/MCR,图6.15 ORB和ANB指令,图6.16 栈存储器与多重输出指令,(6)自保持与解除（SET/RST）(7)脉冲输出（PLS/PLF）(8)空操作（NOP）与程序结束（END）指令,图6.17 主控与主控复位指令,图6.18 置位复位与脉冲输出指令,(9)编程注意事项1)概念电流2)线圈与触点3)左/右母线4)程序编排上要尽量合理6.3.4 编程实例(1)简单编程1)延时通、断定时器,图6.19 断电延时,图6.20 通/断电延时,2)振荡电路3)按通按断电路,图6.21 灯闪烁梯形图,(2)编程实例,6.4 步进顺控指令STL6.4.1状态转移图及编程方法1)初态,图6.22 按通按断梯形图,图6.26 初始状态编程(状态流程图与梯形图),2)状态转移图的要领3)在一系列的STL指令的最后，必须写入RET指令，以回到主母线。6.4.2 状态转移图的基本结构(1)单流程(2)选择性分支与汇合(3)并行分支与汇合,图6.27 选择性分支与汇合,图6.28 并行分支与汇合,6.4.3 步进顺控实例6.5 功能指令6.5.1功能指令通则(1)功能指令的表现形式(2)数据长度及指令的执行形式(3)位元件及其位元件的组合,图6.32 MOV指令,6.5.2 几个基本的功能指令(1)条件跳转CJ（Conditional Jump）(2)子程序调用与子程序返回CALL（Sub Routine Call）,图6.33 CJ指令的使用,图6.35 右循环,图6.34 子程序调用,图6.36 16彩灯24种花样变换控制,6.5.3 编程举例（16彩灯24种花样变换控制）6.6 PLC控制系统设计与应用,图6.38 A，B液体混合装置,6.6.1 PLC控制系统设计的内容与步骤6.6.2 设计举例6.6.3 可编程控制器在改造传统产业方面的应用,图6.43 纤维板生产线工艺流程图,图6.44 热压机控制电路,1)了解原系统工艺要求2)确定PLC的输入点数3)输出点数的确定4)输入/输出点确定后，列出I/O分配表如表6.2所示。5)画出梯形图,图6.45 热压机控制的外部接线图,图6.46 热压机PLC控制梯形图,6.7 可编程控制器的其他功能与应用6.7.1可编程控制器在过程控制领域的应用(1)模拟量输入输出单元1)模拟量输入输出单元的性能指标2)模拟量输入输出的有关编程操作3)编程举例,图6.48 模拟量读入,(2)带PID调节的闭环自动控制系统(3)使用PLC实现PID控制的方法,图6.49 PID控制系统方框图,(4)应用举例,6.7.2 可编程控制器的通信模块及其在网络控制领域的应用,图6.50 液位自动控制系,(1)FX2系列双机并联的接口模块及其应用,图6.52 并联电梯控制系统,图6.51 2台FX系列PLC并联接线,(2)PLC与上位计算机的通信1)小型PLC与上位计算机的通信2)中型PLC与上位计算机的通信(3)PLC构成的通信网络6.7.3 可编程控制器的发展1)PLC有向两头发展的趋向2)智能型I/O模块进一步发展3)可编程控制器与其他工业控制产品相互融合、相互结合,图6.56 三菱可编程控制器同网络系统,第7章 电气调速系统与变频器,7.1 电气调速概述7.1.1调速系统及其性能指标(1)开环和闭环调速系统调速即速度调节，是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速，以满足工作机械的不同转速要求。,图7.1 开环速度调节系统,图7.2 闭环速度调节系统,(2)调速系统的性能指标1)调速范围（D）,2)调速的平滑性（）,3)静差度（S）,7.1.2 直流电动机的调速控制(1)直流电动机的基本调速方式,直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式，即,(2)直流调速系统的种类7.1.3 交流电动机的调速控制(1)交流电动机的调速原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为,异步电机的转速为：,(2)交流电动机的调速方式7.1.4 调速系统的发展7.2 变频调速的原理与调速方式7.2.1 变频调速的基本原理异步电动机定子绕组每相感应电势为,图7.3 异步电动机的频率一速度特性,感应电动势近似等于定子外加电压,电机转矩为,7.2.2 基频以下恒磁通变频调速,7.2.3 基频以上的弱磁变频调速,图7.4 U1/f1关系,图7.5 变频调速时的控制特性,7.3 变频器的基本构成及其分类,7.3.1 变频器的基本构成,图7.6 变频器的基本构成,7.3.2 变频器的分类及特点,(1)按直流电源的性质分1)电压型变频器2)电流型变频器,图7.7 电压型变压器的主电路,(2)按逆变器开关方式分(3)按控制方式分类,图7.8 电流型变频器的主电路,(4)按主开关器件分类,图7.9 单极性脉宽调制方法与波形,7.4 变频器的控制方式和特点,7.4.1 V/F控制变频器,图7.10 U/f 控制方式,7.4.2 转差频率控制变频器,图7.11 转差频率控制方式,7.4.3 矢量控制变频器,图7.12 矢量控制原理框图,7.5 变频器的内部结构和主要功能,图7.13 通用变频器的内部结构框图,7.5.1 变频器的主电路构成(1)整流电路,图7.14 200V级的变频器的主回路,(2)中间直流电路(3)逆变电路(4)变频器的制动电路7.5.2 变频器控制电路的基本构成(1)变频器主控制电路(2)检测电路(3)保护电路(4)外部接口电路(5)数字操作器(6)变频器的保护电路7.5.3 变频器的主要功能,7.6 变频器的应用,7.6.1 变频器的外围电路,图7.15 VA-616G5变频器外部接线圈,图7.16 变频器周边设备1变压器；2配线用断路器；漏电断路器；3电磁接触器；4电波噪声滤波器；5输入电抗器；6输出电抗器；7过载继电器；8电网电源切换接触器,图7.17 变频器的外部控制,7.6.2 变频器外部控制端子的连接(1)顺序控制端子功能及应用,图7.18 运行信号的连接方式,图7.19 多段速运行硬件接线图,图7.20 波形图,(2)变频器的频率指令信号（无级调速方式）,图7.21 PLC-变频器多段速控制梯形图,图7.22 频率指令信号与PLC的连接,图7.23 输入信号电平转换,(3)变频器监测信号的输出,图7.24 接点输出信号的连接,图7.25 PG速度卡的设定,(4)PG速度卡的连接,图7.26 PG-BS(有PG矢量控制方式专用)的接线,7.6.3 变频器驱动系统(1)变频器驱动系统的构成(2)变频器的选择1)变频器类型的选择,图7.27 变频器驱动系统的构成,2)变频器的容量选择,(3)应用变频器的优势1)实现电动机的软起动和软停车2)实现频繁的起动、停车3)电动机的正反转控制4)电动机制动5)多台电机并联运行6)完善的保护电路7.6.4 应用实例,第8章 数据机床,8.1 概述8.1.1 数控机床的定义与特点8.1.2 数控机床的组成,图8.1 数控机床的组成,(1)控制介质(2)数控装置(3)伺服装置(4)机床本体(5)检测装置8.2 计算机数控（CNC）系统8.2.1 CNC系统的基本构成,8.2.2 CNC装置的硬件组成,图8.3 CNC系统框图,图8.4 CNC装置的硬件组成,8.2.3 CNC装置的软件组成,图8.5 CNC软件结构类型,8.2.4 CNC装置的工作过程,图8.6 CNC装置的工作过程,图8.7 直线逼近曲线加工,8.2.5 数控机床用可编程控制器(1)“内装型”PLC,图8.8 数控装置功能,(2)“独立型”PLC,图8.9 独立型PLC与CNC机床的关系,8.3 数控机床的伺服系统,8.3.1 伺服系统的性能伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行元件(如步进电机、交直流电动机等)和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。(1)调速范围宽(2)快速响应并无超调(3)高精度,(4)低速大转矩(5)较高的工作稳定性8.3.2 位置控制系统的分类(1)开环控制系统(2)闭环控制系统,图8.10 开环控制系统框图,图8.11 全闭环与半闭环系统控制框图,(3)开环补偿型控制系统,图8.12 开环补偿型控制框图,8.3.3数控机床伺服系统的位置控制系统(1)相位比较伺服系统,(2)脉冲比较伺服系统(3)幅值比较伺服系统(4)CNC伺服系统,图8.13 相位系统方框图,图8.14 脉冲比较伺服系统,图8.15 幅值比较伺服系统,图8.16 CNC伺服系统,8.4 数控机床的发展趋势,8.4.1 数控系统的发展8.4.2 编程系统的发展8.4.3 机床结构的发展8.5 以数控机床为基础的生产自动化系统的发展8.5.1 计算机直接控制DNC（Direct Numerical Control）,8.5.2 柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）8.5.3 计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）,图8.17 DNC系统,图8.18 FMS层次式计算机系统框图,图8.19 CIMS计算机系统,第9章 现场总线,9.1 网络与通信基础9.1.1 计算机网络的分类(1)局域网（LAN）,图9.1 常见网络拓扑结构,(2)广域网（WAN）9.1.2 通信系统的组成,图9.2 数字通信系统的组成,(1)信息源和信息接收者(2)发送设备(3)传输介质(4)接收设备9.1.3 数据通信常用概念和术语(1)并行和串行传送方式(2)信号的传输方式(3)多路共传(4)数据编码(5)数据交换方式,(6)差错控制9.1.4 开放系统互连参考模型,图9.4 OSI开放互连模型,9.1.5 IEEE802通信标准(1)CSMA/CD(2)令牌总线（Token Bus）(3)令牌环（Token Ring）9.2 现场总线概述9.2.1 现场总线的产生,9.2.2 现场总线的定义9.2.3 现场总线的特点,图9.5 典型的现场级与车间级监控系统,9.2.4 现场总线的分类,图9.6 基于现场总线技术的现场级与车间级监控系统,图9.7 各类现场总线的应用范围,9.3 几种有影响的现场总线,9.3.1 基金会现场总线FF(Fieldbus Foundation)9.3.2 Profibus9.3.3 Lon Works9.3.4 CAN9.3.5 P-NET,9.4 DeviceNet,9.4.1 概述9.4.2 DeviceNet的特点9.4.3 DeviceNet使用CAN的物理层和数据链路层协议,图9.8 CAN的分层结构和功能,9.4.4 DeviceNet的连接概念,图9.9 DeviceNet两个物理接点的连接,9.4.5 设备描述9.4.6 DeviceNet的有关支持服务,9.5 现场总线低压电器产品及其控制系统,9.5.1 现场总线低压电器产品,图9.10 现场总线通信接口,9.5.2 基于现场总线的电气控制系统结构(1)PLC与DeviceNet构成的自动控制系统(2)集成控制系统,图9.13 由SMP-3构成的电动机控制原理,图9.14 DSA控制原理图,(3)基于可编程控制器-现场总线的多级分布控制系统,图9.15 基于现场总线的PLC分布控制系统,9.5.3 现场总线式电气控制系统的优点9.5.4 基于现场总线的自动化系统结构的变化趋势(1)控制器(2)I/O模块(3)现场设备(4)系统软件(5)系统,9.6 现场总线的标准问题,9.6.1 多种现场总线技术标准并存9.6.2 Ethernet进军工业自动化领域(1)Ethernet作为工控网的可行性(2)Ethernet从诸多途径进入控制领域(3)Ethernet直接到达传感器与执行器,图9.16 Ethernet/Fieldbus的网络结构,9.6.3 现场总线带来的机遇与挑战,图9.17新型扁平工业控制网络体系结构,第10章 电气控制系统的可靠性,10.1 可靠性的基本概念10.1.1 可靠性的提出10.1.2 可靠性的定义可靠性定义：系统在规定条件下，在规定时间内，完成规定功能的能力，叫做可靠性。10.1.3 研究可靠性的意义10.1.4 研究的内容及方法,10.2 可靠性特征与可靠性模型,10.2.1 失效率失效的定义：当电路（或系统）在运行时，偏离了指定的功能，把这种情况叫做电路（或系统）发生失效。故障的定义：我们把引起失效的一种物理缺陷叫故障。失效率的定义：工作到某一时刻尚未失效的产品在其后单位时间内发生失效的概率称为失效率：,在为常数时，由上式可得,当可修复产品的失效或自行恢复的失效服从指数分布时，失效率的倒数称为平均无故障工作时间MTBF（Mean Time Between Failure）：,10.2.2 可靠度与可靠寿命(1)浴盆曲线,图10.1 浴盆曲线,(2)可靠度,10.2.3 可靠性模型(1)串联系统把组成系统中任一单元失效均导致系统失效的系统叫做串联系统。,图10.2 串联系统模型,(2)并联系统一个系统由n个部件组成，只有当这n个部件全部失效时才导致系统失效的系统叫做并联系统。,图10.3 并联系统模型,(3)复合系统把由若干串联和并联分系统并联或串联起来的系统，叫做复合系统。(4)表决系统由n个部件组成，当n个部件中至少有k个部件正常工作时系统才能正常工作，这样的系统叫做n中取k表决系统（k/n）。,(5)旁待系统旁待系统又称旁待冗余系统，它是指工作单元和冗余单元互相分开，只有工作单元在线工作，其他冗余单元在旁等待，只有当工作单元发生故障时，旁待冗余单元才替代工作单元接入系统工作。,图10.4 k/n表决系统模型,图10.5 冷旁待系统模型,10.2.4 故障检测与诊断,图10.6 故障检测模型,10.3 可靠性设计,10.3.1 系统的可靠性设计(1)轻装设计(2)冗余设计1)系统冗余,图10.7 系统冗余模型,2)旁待冗余,3)部件冗余,图10.8 两部件冗余模型,用式（10.14）除以式（10.10）得,(3)优化设计10.3.2 含人的因素的可靠性设计10.3.3 可靠性指标的制定10.3.4 可靠性预测10.3.5 可靠性分配,