继电接触器及接线逻辑

    电气控制，这里主要指的是工业电气控制，是一个内容十分广泛的概念。电灯需要点亮或熄灭，电动阀门需要关闭或开启，电动机需要启动或调速，这些都属于工业电气控制的范畴。针对一台电动机最简单的控制电路可以如图1-1所示。由图1-1可见，一只手动开关就可以实现电动机的开启或停止，它也就是最简单的工业电气控制设备。不过，实际工业现场的控制设备要比图1-1复杂，因为即使是简单到控制一盏灯或者控制一台电动机，电路中仅有通电、断电的设备也是不够的，至少还应具有针对电路及用电器的保护电器。图1-2的电路在图1-1的基础上增加了熔断器，即增加了短路保护。但这还不够，当电动机容量比较大时，需接通及分断的电流较大，使用手动开关操作既不安全又不可靠。这时可以使用电磁开关一接触器，作为接通及断开电路的主要设备。
      图1-1    手动开关控制电动机的启停
      图1-2    增加了部分保护电器的电动机启停控制    图1-3是CJ20系列交流接触器的简单结构图。由图1-3中可见，接触器由铁心、线圈、反力弹簧、触头及灭弧罩等组成。其中铁心、线圈及反力弹簧组成接触器的操动机构，触头为接触器的工作机构．灭弧罩用来熄灭分断电路时产生的电弧。结合图1-3，接触器的工作过程可以这样描述：当线圈接入电源时，磁场力使动铁心向静铁心运动，带动动触头向静触头运动，从而利用触头的接触完成电路的接通。而线圈断电时，在反力弹簧的作用下，铁心及触头则恢复成线圈未通电时的状态，将线圈通电时接通的电路断开。
      图1-3    CJ20系列交流接触器的简单结构图    1-动触头；2-静触头；3-衔铁；    4-弹簧；5-线圈；6-铁心；7-垫毡；    8-触头弹簧；9-灭弧罩；10-触头压力弹簧    但是，以上所述的一通一断只表达了接触器一类触头的情况：动合触头（动合触头也称为常开触头）。接触器通常还装备动断触头（动断触头也称为常闭触头），一类在线圈未通电时接通电路，线圈通电时断开电路的触头。在接触器及其他普通开关中，动合触头常作为主触头，也即接通、断开主电路的触头。动断触头则一般多用作辅助触头，即用于控制电路中。不过，动合触头在控制电路中也常用，因而，决定主触头和辅助触头的根本标准不是触头在通断过程中的状态变化，而是触头分断电流的能力，主触头分断电流能力强（主触头分断电流的能力常用接触器的额定电流值表示），用于主电路。辅助触头的额定电流一般为5A，用于控制电路。    一台接触器或继电器往往装备多组触头，这里要强调的是，同一接触器的所有触头不论是主触头还是辅触头，不论是动合触头还是动断触头，在线圈通电或断电时都同时动作，并改变通断状态。也即是说具有连动特性。此外，触头在电路分析中也叫触点，以线圈不通电时的状态为常态，即常开触点（动合触点）与常闭触点（动断触点）。    图1-4为使用交流接触器控制三相异步电动机单向运转的电路。与图1-1及图1-2不同的是，图1-4不是以实物而是以图形符号及文字符号绘出的。这种图即是电气工程中传统的电气原理图。图中的符号及其所表示的电器可以查阅本书的附录A。图中同一电器的线圈及触点部件分绘在图的不同部位，但属于同一电器的部件用同样的文字符号表示。如图1-4中接触器的线圈及主辅触点都用KM表示。配合电磁开关的使用，电路中选用了启动按钮SB2及停止按钮SB1，还增加了热继电器F-R。热继电器是一种过载保护装置，它可以在电机的工作电流少量地超过额定电流一定时间后自动断开电路，从而保护电动机中的绝缘材料不至于因过热而损坏。图1-4所示电路分为两部分，图1-4 (a)为电动机供电的电路，是主电路。L1、L2、L3表示三相交流电源。图1-4 (b)即为接触器的线圈供电的电路，是控制电路。图1-4 (b)中上下两根横线为电源线，具体与主电路电源连接需根据接触器线圈的电压而定，线圈额定电压为380V时接两根相线，为220V时接一根相线一根零线（以下各电气原理图相同）。该电路的操作过程是这样的：需启动电动机时，按下启动按钮SB2，接触器KM线圈得电，其动合主触点接通三相电源，其并接在启动按钮上的动合辅助触点接通并在按钮松开时为线圈提供电流通道，电动机启动并运行。当需要停车时，按下停止按钮SB1，接触器KM线圈断电，其动合主触点断开，动合辅助触点也断开，电动机断电停车。以上这个电路是继电接触器电路中最简单的单元电路，由于线路中接触器的动合辅助触点KM为本身的线圈提供电流通路，被称为自锁触点。该电路由于具有启动、保持及停车功能，叫做启 保停电路。
      图1-4    三相异步电动机单向运转控制电路图    (a)主电路；(b)控制电路    稍复杂一些的使用接触器的工业控制例子可以是三相异步电动机的正反转控制。因为正反转控制需换接电动机三相电源的相序，需使用两台接触器，图1-5是其电气原理图。图1-5 (a)中可见主电路中的两台接触器可分别按正序及逆序两种方式将电源接入电动机，控制电路给出了三种接线。在控制电路图1-5 (b)中，每个接触器的线圈构成一个启保停支路，正转按钮SB2用于接通正转接触器KM1线圈，反转按钮SB3用于接通反转接触器KM2线圈。两个支路各自完成一个方向的运转控制。但是这个电路是不安全的。为了防止三相电源由于正转及反转接触器线圈同时接通而短路，控制电路图1-5 (c)在每个接触器线圈支路上增加了“互锁”环节。“互锁”是在不允许同时接通的线圈电路中互串制约方电器的动断触点的电路结构方法。在图1-5(c)电路中，当接触器KM1接通时，按下接触器KM2的启动按钮，将由于KM1的动断触点断开了KM2的线圈电路，使KM2不可能接通。也就是说在需要电动机反转时必须先按T停止按钮SB1使电动机停车，才能再启动反转接触器KM2工作，因此该电路被称为正停一反电路。
      图1-5    三相异步电动机正反转控制电路    (a)主电路；(b)针对两个接触器线圈的启保停电路；    (c)正-停-反电路；(d)正-反-停电路    能不能不增加电器，使反转控制的操作不需先按下停止按钮呢？回答是肯定的。图1-5 (d)的电路较图1-5 (c)中增加了按钮联锁，就形成了正反停电路。图1-5 (d)中用虚线相连的两对动合动断触点各是一只按钮的两对触点。这里巧妙地利用了按钮按下时动断触点先断开，动合触点后接通的特点，使按下反转启动按钮时完成了先断开正转接触器，再接通反转接触器的两个动作。    使用两台接触器控制两台电动机的例子还有两台电动机的顺序起动控制，电路如图1-6所示。图1-6 (a)是主电路，图1-6 (b)和图1-6 (c)是控制电路。分析控制电路图1-6 (b)中两台接触器线圈得电的制约关系可知：电动机M2只有在电动机Ml工作后才可以启动，在停止M1工作时M2将同时停止。由于线路的连接不同，控制电路图1-6 (c)所产生的控制结果就不一样了，由于在SB1动断触点旁并上了KM2的动合触点，停车时不再能再直接按SB1停止两台电动机，而必须先停止电动机M2才能停电动机M1。
      图1-6    两台电动机顺序起动控制电路    (a)主电路；(b)、(c)控制电路    能不能在电动机Ml启动一定时间后自动启动电动机M2呢？这也不难，在图1-6 (a)主电路上配上图1-7中的控制电路就可以了。图1-7是电气原理图的横置绘法。左右两端的圆圈表示电源接点。图中除了使用两台接触器外，电路中还使用了时间继电器。时间继电器是一种具有时延功能的电器，当其线圈通电或断电时，作为工作机构的触点可以延时动作。从图1-7中可以看出，第一台电动机的接触器KM1通电时，时间继电器KT的线圈也开始通电，这就使时间继电器KT开始计时，计时时间到，时间继电器通电延时闭合的动合触点接通第二台电机的接触器KM2，使电机M2开始转动(FR2手动复合)。
      图1-7    采用时间继电器的顺序起动控制电路    以上例子中涉及的电动机台数很少，更多台用电设备的控制就需引入更多的接触器及继电器。这种使用继电器、接触器等电器构成的控制电路被称为继电接触器控制系统。继电接触器控制在20世纪30～70年代是世界上占统治地位的电气控制技术。除了上文中提到的接触器、按钮、热继电器、时间继电器等外，常用的继电器类电器以及它们在电路中的用途如表1-1所示，附录A中列有它们的图形符号及文字符号。    表1-1    部分常用控制用电器
      以上例子说明，继电接触器系统中选用电器的种类及电器部件间的连接决定了各电器所代表的事件间的制约关系，也就决定了电路的功能。在图1-5 (d)所示电动机正反转控制电路中，接触器KM1代表电机正转这一事件，定义为事件A，接触器KM2代表电机反转这一事件，定义为事件B。A、B两个事件是不可以同时出现的，因而我们在接触器KM1及KM2的线圈电路中增加了互锁环节。针对接触器KM1及接触器KM2线圈得电条件的逻辑式表达为
      在工业控制中，人们将只有接通及断开两种状态的物理量称为开关量。开关量控制的电路都可以用逻辑表达式表示，因而人们将这类控制叫做逻辑控制。将这种元器件间以实际线路连接表达控制逻辑关系的方式称为“接线逻辑”。    除了开关量外，工业控制中还有另一类物理量，它们不像开关量那样非通即断，只有两种状态，而是量值在一定的范围内连续变化。如图1 8所示的具有温度反馈的炉温控制系统，即是模拟量控制系统。系统中电炉的温度，温度传感器的输出量、晶闸管调压装置的控制量及输出量都是模拟量。温度反馈控制装置的工作过程是这样的：电炉是为某种温控目的设置的加热装置，电炉采用晶闸管调压装置供电，炉温使用温度变送单元测量，炉温的给定值在信号综合点与温度的测量值电差后得到的误差值用来控制晶闸管调压装置。这种系统中的模拟量可以是在0～10V范围内连续变化的直流电压，或4～20mA间连续变化的直流电流。晶闸管调压装置的输出则可以是0～380V间变化的交流或直流电压。正常工作中，当温度给定值不变且炉温下降时，温度送变单元输出的电量下降，综合点电差后的输出电量则会上升，则引起晶闸管调压装置的输出电压增加，使温度上升，从而维持电炉的温度不变。
      图1-8    具有温度反馈的炉温控制装置