电工技术教学件.pptx

电工技术王维荣主讲 课程性质 电工技术”和“电子技术”是高等学校理工科非电类专业本科学生的一门传统的技术基础课，也是充满改革生气的最有活力的课程。随着20世纪90年代的可编程控制器的兴起，进入21世纪后许多高校均在电工、电子教材中引入了电子设计自动化（Electronics Design Automation，简称EDA）技术，为非电类专业 的工程技术人才掌握和应用EDA技术创造了条件。内容本教材分电工技术与计算机仿真（内容包括电路的基本理论和分析方法、EDA基础知识、磁路与变压器、电动机的原理及应用、继电器接触器控制和可编程控制器（PLC）等）和电子技术与计算机仿真（内容包括模拟电子电路、数字电子电路、电路的设计与仿真等）两册，各48学时，两学期完成。学时安排第1章电路的基本概念和分析方法 8-10学时；第2章正弦交流电路 7-8学时；第3章三相正弦交流电路 4-5学时；第4章一阶线性电路的暂态过程分析 4-5学时；第5章磁路和变压器 2-4学时；第6章交流异步电动机 4-6学时；第7章继电接触器控制电路 2-4学时；第8章可编程控制及其应用 4-6学时。几个关系与先修课程的关系-物理、高数与实验实习的关系-基本技能、动手能力与习题和仿真分析的关系-消化巩固知识、提高分析问题解决问题能力与教材的关系-服从大纲，参考教材：电工技术（秦曾煌 高教出版社）、电工学（唐介 高教出版社）学习、检查方式听课和课堂讨论-10%习题-20%笔试考查-70%（第13周周五下午进行）实验-独立设课1个学分（20学时）实习-独立设课1个学分（2周）答疑时间-每周周一中午、下午。地点：教师休息室B218（E-mail:)第第1章章 电路的基本概念和分析方法电路的基本概念和分析方法1.1 电路与电路模型电路与电路模型什么叫电路：电流流通的路径。电路的作用：(1)用在电力工程中，用以传输与分配 电能；(2)用在电子技术和控制技术中，用以传递和处理各种信息。电路的组成：（1）电源-为电路提供电能的元件，如发电机、蓄电池和电池等 （2）负载-将电能转换为其他形式能量的元件，如电动机、电炉、电灯等 （3）中间环节-是连接电源和负载的部分，如变压器、输电线等，它起传输和分配电能的作用 电路分析：分析电路的激励与响应之间的关系。激励-电源或信号源产生的电压或电流 响应-由激励在电路各部分产生的电压和电流电路元件和电路模型电路元件：组成电路的电气设备和器件。发电机、电动机、电池、变压器、晶体管、电阻器、电容器等均为电路中常见的电路元件-实际元件 理想元件-对各种实际元件进行分析和数学描绘，常采用将其理想化的处理 电路模型：由理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型 实际电路的电路模型 1.2 电流、电压、电位 是描述电路中能量转换和信号传递、处理的基本物理量是描述电路中能量转换和信号传递、处理的基本物理量.1.2.1 1.2.1 电流电流 电流电流-电荷的定向运动形成电流。电荷的定向运动形成电流。方向方向-物理中把正电荷运动的方向规定为电流物理中把正电荷运动的方向规定为电流的方向。在负载中电流的方向总是由高电位流向低电位；的方向。在负载中电流的方向总是由高电位流向低电位；在电源中则为从低电位流向高电位。在电源中则为从低电位流向高电位。大小大小-为单位时间内通过导体截面积的电量，为单位时间内通过导体截面积的电量，即即时变电流为 (1.1)非时变电流为 （1.2）1.2.2 电位 电位：电场中某一点的电势,它在数值上等于电场力把单位正电荷从电场中某点移到无限远处所做的功.电场无限远处的点认为其电位为零,通常称之为参考点，并且标上接地符号“”,所谓“接地”并非真与大地相接.电路中a 点的电位记作 1.2.3电压电压也是描述电场力做功的物理量,也称电位差 电路中、两点之间的电压表示为单位正电荷由点a移动到点b所需要的能量，即 电压和电动势的方向电压和电动势的方向电压的方向:规定为高电位端指向低电位端，也就是电位降低的方向。电源电动势E：为电源力驱动单位正电荷的能力,其实际方向规定为在电源内部由低电位端指向高电位端，也就是电位升高的方向。1.2.4 物理量的正方向物理量的正方向电路中电流、电压等基本物理量的正方向分为实际正方向和假设正方向。实际正方向是物理中对电量规定的方向；假设正方向是在分析计算电路时，对电量人为规定的方向，假设正方向又称为参考正方向。电压、电流正方向表示法 电流和电压的假设正方向可任意设定，可以一致，也可以不一致，如果一致，称为关联参考方向，如不一致，称为非关联参考方向 1.2.5 电位的计算电位的计算计算电路中各点的电位基本原则：（1）选定电路中某一点作为参考点，规定参考点的电位为0，并用电路中 表示，（2）求电路中其他各点的电位就等于各点与参考点之间的电压。讨论该电路图中各点的电位 讨论该电路图中各点的电位 如果选定b点作为参考点，则,如果选定a点作为参考点的话，则结论（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为0）之间的电压。（2）电路中各点的电位值是相对值，它是相对于参考点而言的，参考点选得不同，电路中各点的电位也将随之改变。（3）电路中每两点间的电压值是绝对的，不会因为参考点的不同而发生改变。（4）电路中电位和电压值的大小与计算时所选路径无关。图1.7电路可以简化为图1.8所示电路 例例1.1 电路如图1.9所示，（1）试说明零电位参考点在哪里（2）仿真分析当电位器的滑动触点向下时VA 和VB 的电位的变化趋势和范围,说明原因例1.1的仿真分析图思考与仿真思考与仿真1.2为什么要引入电压、电流的参考方向的概念？参考方向和实际方向的联系和 区别？1.3什么是电位，它与电压的联系和区别？1.4试仿真分析图1.11电路中电压UAB 的大小。如将AB两点直接连接或者接上一个1的电阻，其中的电流为多少，通过电位的计算说明原因。思考与仿真1.4的电路图电路中电压UAB 的大小思考与仿真1.5的电路图1.5求解图1.12所示电路中(1)当开关S打开时和(2)当开关S 闭合时,两种情况下流过1电阻上的电流I 及电压Uab 的大小。并且用电路仿真验证上述的计算结果。小小 结结 1.1.本章是学习电工学的重要基础本章是学习电工学的重要基础,要熟练掌握介绍要熟练掌握介绍的一些基本概念、基本定律和基本分析方法。的一些基本概念、基本定律和基本分析方法。2.2.物理量的正负向是电路求解过程中的一个重要问物理量的正负向是电路求解过程中的一个重要问题题,解题前一定要首先假设各物理量的正方向解题前一定要首先假设各物理量的正方向,然然后求解。后求解。3.3.掌握各无源元件和有源元件的特性和它们在电路掌握各无源元件和有源元件的特性和它们在电路中的作用。中的作用。4.4.熟练掌握本章介绍的各种解题方法熟练掌握本章介绍的各种解题方法,注意区分各注意区分各种方法的特点种方法的特点,能合理、灵活使用各种方法解题，能合理、灵活使用各种方法解题，并能结合计算机仿真进行分析。并能结合计算机仿真进行分析。1.1试求图试求图1.76所示电路所示电路A点的点的电位。电位。1.101.10在图在图在图在图1.841.84所示电路中，所示电路中，所示电路中，所示电路中，RR1=4 ,1=4 ,RR2=2 2=2，求下列，求下列，求下列，求下列三种情况下的电流三种情况下的电流三种情况下的电流三种情况下的电流I I：（：（：（：（a a）I IS S=6A,=6A,U US S=0V;(b)=0V;(b)I IS S=0A,=0A,U US S=12V;(c)=12V;(c)I IS S=6A,=6A,U US S=12V;=12V;1.19 1.19 在图在图在图在图1.921.92所示电路中，所示电路中，所示电路中，所示电路中，用诺顿定理求流过用诺顿定理求流过用诺顿定理求流过用诺顿定理求流过 的电流的电流的电流的电流 。1.3 电功率电功率电功率-电路中，电气设备在单位时间内所消耗的电能电路元件在一段时间内消耗的电能用W表示，电路中发生的总功率和消耗的总功率相等 即 判别某一元件是吸收还是发出功率,是电源还是负载：电源：U和I的实际方向相反，电流从“+”端流出，发出功率。负载：U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，取用功率。由 和 的参考正方向来确定电源或负载。如果假定某一电路元件上 和 为关联方向时，则电源：负载：如果假定 和 为非关联方向时，则电源：负载：思考与仿真思考与仿真1.6在图1.13所示电路中,方框代表电源或负载,电流和电压的参考方向如图所示.通过测量已知U1=U2=20V U3=-100V U4=120V,I1=-10A,I2=20A,I3=-10A (1)标出各电压、电流的实际方向。（2）判断哪几个方框是电源，那几个方框是负载。（3）验证电路中的功率平衡关系。思考与仿真题1.9的电路图 方框代表电源或者负载。已知，U=100V，I=-2A。判断哪些方框代表电源，哪些方框代表负载？习习 题题1.1试求图试求图1.76所示电路所示电路A点的电位。点的电位。1.2.如图1.77所示示，求当开关“S”打开及合上二种情况下的VA和I13求图1.78所示电路中开关S闭合和断开两种情况下a、b、c三点的电位。R=11.4.1 电阻元件电阻元件是一种将电能转化为热能的理想电路元件，电流通过它时将受到阻力，R表示电阻元件阻碍电流变化这一物理性质的参数 电阻元件中电压和电流的关系称为伏安特性。（a）线性电阻;(b)非线性电阻 当电路中 电路为开路状态，特征i=0 电路为短路状态，特征u=0。1.4.2 电感元件 电感元件是一种实现电能与磁场能量相互转换的理想的两端元件。电流产生磁场,磁通 是描述磁场的物理量。定义电感L 则线圈中感应电势 为磁通是由通过线圈的电流产生的，当线圈中没有铁磁材料时，则 与 是正比的关系,所以可知电感中电压和电流的关系为小结（1）电感是储存磁场能量的元件 （2）感应电势 具有阻碍电流变化的性质当电流变化率 时，感应电势为负值，是反电势。当 时，感应电势为正值，是正电势。（3）在直流稳态电路中电感元件相当于短路。=0 1.4.3电容元件 电容元件是储存电荷的容器,可以将外部的电能转换为内部电场能量的储存。式中的比例系数C称为电容元件的电容量，是电容元件的参数，表征电容存储电荷能力的物理性质。电容的单位是法拉（F），工程上常用单位是 （微法）或 （皮法）。电容电流与电容电压的变化率成正比，与电压瞬时值的大小和方向均无关。如果电容两端的电压恒定不变，即 ，则 ，所以电容元件在直流电路中相当于断路。储能元件与电感元件相对应，电容从电源吸取能量并储存在电容的电场中。电容电压增加时，0 电容从电源吸取能量，电场能量增加，称之为电容充电过程。电容电压减小时，0,如计时起点在变化起点的左边,则 0 电容从电源吸取能量，电场能量增加，称之为电容充电过程。电容电压减小时，0容性负载电流超前电压 0，两者相互补偿，使 角变小，cos 变大，从而提高整个线路的功率因数。并联电容后电路的有功功率P不变 思考与仿真思考与仿真3.已知 (V),R=10,XL=10,XC=10,试仿真分析图3.35所示电路图中电流表A1,A2,A3的读数是多少?当电源的频率增加,各电流表的读数有何变化?若 （V），图2.36所示的四个电路中,图下所示电压、电流和阻抗的值是否正确？试仿真分析图中各电流表、电压表的读数。2.11 将一个电感线圈接到 直流电源时，通过的电流为 ，将此线圈改接在 的交流电源时，电流为 ，求该线圈的电阻和电感。2.15试求下列各图中所示未知电压和电流的大小,并且画出各电压和电流的相量图。2.27如图2.67所示的电路中,已知:R=12,L=40mH,C=100F,电源电压 U=220V,f=50HZ。试求（1）各支路的电流和功率因数cos(2)如将功率因数提高到1,应选多大的电容。画出相量图。2.5阻抗的串并联阻抗的串并联2.5.1阻抗的串联例例2.4 计算图2.30所示电路的电流及电压 。已知 ，电压 (V)2.5.2阻抗的并联例例2.6 图2.33电路中，已知 （V），试求电源电压 ，u。2.6 电路中的谐振电路中的谐振在含有电感、电容和电阻的电路中，如果等效电路中的感抗作用和容抗作用相互抵消，电路的总电压和总电流同相,=0整个电路显电阻性 谐振电路2.6.1串联谐振1.谐振条件：当 ，即 即电源电压和电路中电流 同相，这时电路中发生了谐振现象 2.谐振频率：称为谐振角频率,称为谐振频率 3.特征：发生串联谐振时，电路具有以下特性：（1）电路的阻抗模最小 谐振时电流最大（2）电路呈电阻性，电源提供的能量全部消耗在电阻上 ,但是在串联电路内部仍存在电感和电容之间的能量互换过程，由于电感和电容的无功功率互相补偿，而且大小相等，所以与电源之间无能量互换Q=0。（3）电路的总电压=电阻电压降 在相位上相反,数值上相等 ,它们的作用相互抵消，但是 和 的单独作用不能忽视，当 R时，U都高于电源电压 （4）电路的品质因数 Q 电路的品质因数取决于电路的损耗电阻R，在电路谐振时，线圈的感抗和电容器的容抗相对于R 的比值越大，则电路的品质因数越高。(5)谐振曲线 RLC串联电路的谐振曲线是在保持电压一定的条件下，电流随频率或角频率变化的关系曲线 在其他条件不变的条件下，电阻越小，即电路的品质因数越大，谐振时 也越大，曲线的形状越尖锐，说明电路对频率的选择性越强。这种选择性可以用通频带宽度来加以比较。习题p.972.152.192.222.24第第3章章 三相正弦交流电路三相正弦交流电路3.1 三相电动势的产生三相电动势的产生一组有效值、频率相等，相位互差 的三个电动势称为对称三相电动势 两个特征（1）三相电动势达到正的最大值的先后次序称为相序，顺相序 逆相序（2）对称三相电动势的相量和为零，瞬时值之和也为零。（3）绕组的星形连接和电压连接中点、零点和中线、地线相线、端线、火线三相四线制、三相三线制电压：相电压线电压思考与仿真思考与仿真1.当发动机的三相绕组连接成星形时,设线电压 (V),试写出相电压 的相量式和三角函数式。2.三相发动机作星形连接时,每一相绕组AX、BY、CZ的相电压都是220V，但在连接时有一相绕组首端和尾端倒接了，误将A、B和Z接在一点，试画出相量图分析还能产生三相对称电压吗？这时三个线电压分别是多少？3.2 三相电路的分析和计算三相电路的分析和计算3.2.1星形连接的三相负载星形连接时负载的相电压等于电源的相电压 相电流线电流为中性线电流 思考与仿真思考与仿真1.三相负载对称是指下列三种情况中的哪一种:(1);(2);(3)。2.在对称三相电路中,下列两式是否正确?(1);(2)。例例3.1 图3.7所示对称三相电路中，已知电源的线电压 ，负载 求负载的相电压，相电流，线电流（及星形的中性线电流）。分别计算两种接法三相负载的总功率,例例3.2 图3.10所示电路为负载不对称时的星形连接，已知电源线电压为 ，。计算在开关S闭合及断开两种情况下的中性点电压、相电流、线电流及中性线电流。解解（1）开关S闭合，中性点电压等于零，负载相电压与电源相电压相等，为对称三相电压,现设相电压为参考。各相电流为各线电流为中性线电流（2）开关S断开，中性点电压 由基尔霍夫电压定律，可求得负载各相电压为中线的作用就在于使星形连接的不对称负载的相电压保持 对称，而且中性线上不允许接开关或熔断器，以避免造成无中性线的三相不对称情况。习题p.1263.13.33.4(1)第第4章章 一阶线性电路的暂态过程分析一阶线性电路的暂态过程分析4.1换路定则换路定则 电路与电源接通、断开或电路参数、电路结构发生改变统称为换路。换路时电路从一种状态变化的另一种状态，产生了暂态过程。4.1.1产生暂态过程的原因产生暂态过程的原因有二个：一是电路中有电感元件或电容元件，二是换路。4.1.2换路定则电路在换路瞬间，其中电容上的电压不能突变，电感上的电流不能突变，称为换路定则。用数学关系式表示换路定则，则有：4.1.3暂态过程中电路初始值与稳态值的确定初始值是指电路中暂态过程开始(t=0+)时刻电流和电压的值。换路后电路达到新的稳态后（t=）时刻的电流和电压的值称为稳态值。思考与仿真思考与仿真1.换路定则的理论基础是什么？2.可否由换路前的电路求 和?为什么。3.在含有储能元件的电路中,电容和电感什么时候可以看成开路?什么时候可以看成短路?4.仿真分析图4.3所示电路中 的 初始值和稳态值,已知开关K原来稳定在1的位置上,在t=0 时由1 合向2,设 E=6V,R=R1=2KR2=1K。第5章 磁路和变压器 5.1磁路的基本物理量和基本性质磁路的基本物理量和基本性质5.2铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能5.3磁路的概念及其基本定律磁路的概念及其基本定律5.3.2磁路的基本定律1.安培环路定律安培环路定律2.磁路欧姆定律磁路欧姆定律3磁路的基尔霍夫第一定律4磁路的基尔霍夫第二定律5.4铁芯线圈磁路分析铁芯线圈磁路分析5.4.1直流铁心线圈电路线圈的电流I只与线圈的电压和线圈本身的电阻有关 线圈消耗的功率也只有线圈电阻消耗的功率 5.4.2交流铁芯线圈电路磁通与电压、电流的关系与主磁通对应的电感不是常数 如果主磁通按正弦规律变化e=2.功率关系磁滞损耗是由铁磁材料的磁滞现象而在铁心中产生的功率损耗，实验证明，它的大小与该材料的磁滞回线所包围的面积以及励磁电流的频率成正比。涡流损耗,一般磁性材料具有导电性，在交变磁通的作用下，在磁性材料中会产生感应电动势，从而在垂直于磁通方向的铁芯平面内产生如图5.15(a)所示的涡流状的感应电流，称为涡流。涡流的存在会使磁性材料发热，从而在磁性材料内产生功率损耗，称为涡流损耗。5.5变压器的工作原理与应用变压器的工作原理与应用5.5.1变压器的结构和分类铁芯导磁材料构成，将分布磁场集中起来构成闭合磁路，使增加，励磁电流减少。绕组两个或两个以上绕在铁芯上的线圈。5.5.2变压器的工作原理变压器是利用电磁感应作用传递交流电能和信号的。变压器原，副绕组之间是隔离的，原边绕组加交流电，由电源获取交流电流和电能,这些电能以交变磁通的形式被传送到铁芯中,这个交变磁通又在副绕组感应产生电压,所以变压器就依靠两绕组之间的磁耦合和电磁感应作用使副绕组得到交流电压给负载提供电 第第6章章 交流电动机交流电动机6.1三相异步电动机三相异步电动机6.1.1三相异步电动机的结构图6.3 定子绕组的星形和三角形连接 (a)星形连接;(b)三角形连接 图6.4鼠笼式转子电动机6.1.2三相异步电动机的转动原理演示实验演示实验 图6.6 异步电动机转动原理演示1.一对极（两极）旋转磁场的产生和转速绕组中产生三相对称电流，三相电流的表达式为当三相绕组的首端接通三相交流电源时旋转磁场的转速称为同步转速 旋转磁场的旋转方向与通入定子中的三相交流电流的相序有关 2.同步转速与磁极对数的关系两极旋转磁场的转速p对磁极的旋转磁场旋转一周需要时间 pT1表表6.1 同步转速与磁极对数同步转速与磁极对数p的关系的关系3.转速与转差率异步电动机的转速 总是低于旋转磁场的转速（即 ），即要使异步电动机转动，就要使异步电动机在额定负载时的额定转差率 数值很小，在0.010.09之间。6.5三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用6.5.1起动电动机从接通电源开始，由静止状态转速逐步上升到稳定运转状态，这一过程称为起动。电动机能够起动的条件是起动转矩必须大于负载转矩。问题：1.2.3.常用的起动方法有：直接起动（全压起动）降压起动（1）星形三角形降压起动。星形三角降压起动，简称星三角起动或 起动。这种起动方法只适用于正常运行时为三角形连接的电动机（2）自耦降压起动。采用自耦变压器降压起动时，由于变压器降压比 的存在，起动电流为直接起动时的电流的 倍，起动转矩也为直接起动的 倍。所以自耦降压起动适用于容量较大的或正常运行时连成星形不能采用 起动的鼠笼式异步电动机，并且可以根据负载对起动转矩要求不同选择适当的变压比K值。例例6.4 一台Y250M-6型三相鼠笼式异步电动机，三角形连接，。已知电动机起动时的负载转矩。从电源取用的电流不得超过 ，试问：（1）能否直接起动？（2）能否采用星三角起动？（3）能否采用 的自耦变压器起动？第第7章章 继电接触器控制电路继电接触器控制电路7.1常用的控制电器常用的控制电器7.1.1刀开关直接用于不频繁起动与停止的小容量的异步电动机接通与断开电源，或用来将电路与电源隔离 12354(a)7.1.2组合开关是一种转动式闸刀开关，主要用于接通或切断电路，控制小型鼠笼式三相异步电动机的起动、停止、正反转和局部照明按转换极数分为单极、双极、三极、四极。额定电流有10A、25A、60A和100A等多种 7.1.3按钮是一种手动的、可以自动复位的开关。通常用来短时间接通或断开低电压、弱电流的控制回路 7.1.4断路器又称自动空气开关或自动开关，用于低压(500V以下)的交、直流配电系统中，作不频繁接通和断开电路之用(a)7.1.5熔断器又称保险丝，主要用于电路和电器设备的短路保护 常用的熔断器有：插入式熔断器、螺旋式熔断器、管式熔断器及填料式熔断器熔断器主要技术参数额定电流的选择：(1)对于照明等没有冲击电流的负载，熔断器的额定电流IN等于或稍大于线路负载电流I，即INI；(2)单台鼠笼式三相异步电动机，为防止起动过程中较大的起动冲击电流将熔丝熔断，产生误动作，熔断器额定电流IN ，式中Ist 为电动机的起动电流；(3)几台电动机合用的熔断器,其额定电流IN（1.52.5）倍容量最大电动机的额定电流加其余电动机的额定电流之和。熔断器的结构和符号 7.1.6交流接触器利用电磁吸力控制触点闭合或断开，从而接通或断开电动机或其他负载电路的一种自动控制电器 7.1.7中间继电器（a）7.1.8热继电器利用感受元件受热而自动动作的继电器，在继电器接触控制系统中常用作电动机的过载保护 热继电器的主要技术数据是整定电流（或称为动作电流），它是热继电器的热元件能够长期通过、但又不致引起热继电器动作的电流值。热继电器使用时通过调节它的整定电流调节旋钮，使热继电器的整定电流稍大于电动机的额定电流。当电动机的电流超过额定电流的20%时，热继电器应在20min内动作；当超过50%额定电流时，热继电器应小于2min动作。7.1.9时间继电器是反映时间的自动控制电器,通过时间继电器可以实现顺序控制。7.2三相异步电动机的基本控制电路三相异步电动机的基本控制电路7.2.1直接起动与停止控制7.2.2 正反转控制接触器联锁的正反转起动控制电路接触器联锁的正反转起动控制电路 按钮触点联锁的正反转控制电路 7.2.3时间控制1.异步电动机的Y降压起动控制电路动作过程如下：2.顺序控制电路多台电动机按一定顺序起动、运行 7.5利用时间继电器设计两台电动机的联锁控制电路。要求：（1）按下起动按钮，第一台电动机先起动，经一定延时后第二台电动机自行起动；（2）第二台电动机起动后经一定延时第一台电动机自动停止；（3）二台电动机分别设有停止按钮。7.6有两台电动机M1和M2，试画出满足以下要求的控制电路：（1）M1先起动，经过一定时间后，M2自动起动；（2）M2起动后，M1立即停机。7.9图7.20为两台异步电动机的直接起动控制电路，试说明其控制功能。应如何改进电路才能更合理？思考与设计思考与设计1.什么是主电路，什么是控制电路？2.三相异步电动机的基本控制电路具有哪些保护环节？3.什么是自锁和互锁作用？怎样实现自锁和互锁？4.什么是点动？怎样实现点动？5.试画出一台电动机两地控制的主电路和控制电路。6.指出图7.18所示异步电动机“起动与停止”控制电路的接线错误。小 结（1）本章介绍了接触器、继电器、断路器、按钮等低压电器的结构、用途、工作原理、文字及图形符号。（2）对电动机的几种基本控制环节，如起动、停止、正反转、Y起动和顺序控制等，要求会分析、能设计。对较复杂的控制电路要会读图。读图时一般先根据设计说明，搞清楚图中各符号的含义和作用，然后结合主电路理解电路中的主要控制关系，最后结合控制电路自上而下依次阅读，直至读懂全部控制过程。（3）电动机的几种保护，如短路保护、过载保护、欠压保护和失压保护等，在运行控制电路中都不应缺少。第第8章章 可编程控制器及其应用可编程控制器及其应用可编程控制器（Programmable Controller）即PC，用PLC（Programmable Logic Controller）作为可编程控制器的缩写，它是以继电接触器控制和计算机技术为基础发展起来的一种新型工业控制器,是专门为工业现场应用而设计的，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单及功耗低等许多独特的优点。克服了继电接触器控制功能简单、硬接线复杂、体积和重量大、工作可靠性差等缺点 8.1 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理PLC的结构分为整体式和模块式。特点：使用灵活，通用性强，功能齐全，接口方便，安全可靠，维修方便，编程简单，易 于掌握8.1.1 PLC的组成和各部分的作用，PLC有三个部分组成:输入部分、逻辑部分、输出部分。输入部分收集并保存被控对象实际运行的数据和信息，逻辑部分处理由输入部分所取得的信息，并判断需要输出哪些功能，输出部分提供正在被控对象的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。主机、输入主机、输入/输出接口、电源、编程器、外部设备接口等组成输出接口、电源、编程器、外部设备接口等组成 1主机：主机部分包括中央处理器（CPU）和存储器。CPU是核心，主要用来读入输入接口状态做出逻辑判断和进行数据处理。执行用户程序中所规定的各种操作，将结果送到输出端口。系统程序存储器（ROM）：用于存放系统管理和监控程序，以及对用户程序做编译处理的程序。用户程序及数据存储器（RAM）用于存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。设置计数器、定时器、I/O继电器、辅助继电器的用户使用环境。2.输入/输出接口（I/O）I/O接口是PLC与输入/输出设备的连接部件，输入接口接受输入设备（如按钮、行程开关、传感器、拨动开关等）的控制信号。输出接口将主机处理后的结果通过输出电路去驱动输出设备（如接触器线圈、指示灯、电磁阀等）。I/O接口电路一般具有光电耦合电路、滤波电路、电平转移电路，以提高抗电磁干扰的能力。I/O点数即输入输出端子数是PLC的主要技术指标。输入接口的电源有三种类型：直流1224V输入接口，交流100120V或200240V输入接口，交/直流（AC/DC）1224V输入接口。3.编程器编程器是PLC的一个重要的外部设备，它由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部分组成。编程器用来编写、输入、调试用户程序，显示器可以显示出输入的每一条用户程序的内容及存放地址，并且可以在线监视PLC的工作情况。工作方式选择开关可以选择PLC的工作状态。例如选择编程状态时，可以输入用户程序或修改程序；选择运行状态时，PLC按照用户程序控制系统运行;选择监控状态时,可以直接监视程序执行情况等。8.1.2 PLC的工作原理的工作原理 PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。顺序扫描的工作方式简单而直观，简化了程序设计并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。PLC扫描工作过程可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段。1.输入采样阶段：读入所有输入端子的状态（接通/断开），并将此状态存入输入状态寄存器。随即关闭输入端口，转入程序执行阶段。2.程序执行阶段：执行每一条指令，（所需的执行条件可以从输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，）经相应的处理和运算后，将结果写入输出状态寄存器中。3.输出刷新阶段：执行完所有指令，输出状态寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开），在输出刷新阶段转存到输出锁存电路，去驱动输出线圈，这才是PLC的实际输出。8.2 PLC的主要技术指标的主要技术指标1.I/O点数 指PLC的外部输入和输出端子数。这是一项重要技术指标。通常小型机512点，64点为超小型机，中型机5122048点，大型机2048个点，8192点为超大型机。2.用户程序存储容量是衡量PLC能够存储多少用户程序。在PLC中，程序指令是按“步”存储的，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占两个字节（即两个8位字节）。如一个内存容量为1000步的PLC，其内存为2KB。3.扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位，例如：20-40ms/K。4.指令系统条数 PLC指令系统中有基本指令、高级指令等，指令的种类和数量越多，其软件功能越强。5.编程元件的数量和种类PLC的编程元件是指输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器R、定时器T、计数器C、特殊功能继电器B、数据寄存器D和通用“字”寄存器WR等，分别是相应输入寄存器、输出寄存器通用“字”寄存器的一个存储单元（即一位）8.3 PLC程序的编制程序的编制8.3.1 编程元件表8.1 FP1-C24编程元件的编号范围与功能 元件名称 代表字母 编号范围 功能说明 输入继电器 X X0XF共16点 接收外部输入设备的信号 输出继电器 Y Y0Y7共8点 输出程序执行结果给外部输出设备 辅助继电器 R R0R62F共1008点 在程序内部使用，不能提供外部输出 定时器 T T0T99共100点 延时定时继电器，其触点在程序内部使用 计数器 CC100C143共44点 减法计数继电器，其触点在程序内部使用 通用“字”寄存器 WRWR0WR62共63点 每个WR由相应的16个辅助继电器R构成注意：1.输入继电器只能由外部设备驱动，不能由指令从内部驱动。2.外部信号无法直接驱动输出继电器，它只能在程序中用指令驱动。3.辅助继电器、定时器、计数器不能直接输出，如需要输出时，必须经过输出继电器。8.3.2 编程语言PLC的编程语言以梯形图语言和指令语句表语言（或称指令助记符语言）最为常用，并且两者经常联合使用。1.梯形图梯形图是一种由继电接触器控制电路图演变而来的图形语言。在梯形图中通常用 、图形符号分别表示PLC编程元件的常开触点和常闭触点；用 表示线圈。规则：（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并联，最后是线圈与右母线连接。梯形图中左右两边的竖线称左、右母线，左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间不可有触点。（2）在梯形图中，除了输入继电器没有线圈，只有触点外，其它继电器既有线圈又有触点。每个编程元素都应有一个编号，一个梯形图中某个编号继电器的线圈只能出现一次，而其触点可以无数次使用。（3）梯形图是PLC形象化的编程手段，左、右母线也并非是实际电源的两端，因此梯形图中流过的不是实际的物理电流，而是“概念电流”，是用户在程序执行过程中满足输出条件的形象表示方式。（4）编程时通常遵循“上重下轻、左重右轻”的规则，即每一逻辑行中并联触点多的电路应放在左边，串联触点多的支路应放上边。2.指令语句表指令语句表是PLC的一种用指令助记符(如ST、ST/、OT等)来编制PLC程序的重要编程语言，是小型机常用的编程语言，应用普遍。梯形图相当于计算机编程中的流程图，指令语句表类似于计算机的汇编语言。设计者应首先根据控制要求设计好梯形图，再根据梯形图的编程规则，由上而下、从左往右，逐条编写语句表，编好的语句表，还需上机调试、修改、调试通过后才能加载运行。不同型号的PLC指令语句表使用的助记符也不同，应结合机型学习（以FP1系列为例）8.3.3 基本指令1.取指令ST、ST/和输出线圈指令OTST取指令（也称起始指令）：从左母线开始取常开触点，作为该逻辑行运算的开始，也可以用于分支回路的起始。ST/取反指令（也称起始反指令）：从左母线开始取常闭触点作为该逻辑行运算的开始。OT线圈输出指令：将运算结果用于驱动输出线圈。不能直接用于左母线，可连续使用，相当于线圈的并联。2.程序结束指令ED ED是一条无目标元件的只占一个地址号的指令。若在程序最后写入ED指令，则ED以后的程序就不再执行，直接进入输出处理。在程序调试过程中，按段插入ED指令，可以按顺序扩大对各程序段动作的检查。当确认前面电路块的动作正确无误之后，依次删去ED指令。3.触点串联指令AN、AN/与触点并联指令OR、OR/AN为触点串联指令（也称“与”指令）；AN/为触点串联反指令（也称“与非”指令）。它们分别用于单个常开和常闭触点的串联。OR为触点并联指令（也称“或”指令）；OR/为触点并联反指令（也称“或非”指令）。它们分别用于单个常开和常闭触点的并联。其用法如图8.3所示。4.块串联指令ANS和块并联指令ORS它们的用法如图8.4所示。块指令使用的方法是：先定义两个块，再用块串联或块并联指令将它们联接起来。指令使用说明：(1)每一指令块都以ST（或ST/）开始。(2)当两个以上指令块串联或并联时，可将前面块串联或并联的结果作为新的指令块参与运算。(3)指令块中各支路的元件个数没有限制。5.反指令/反指令(也称“非”指令)，用于该指令所在位置的运算结果取反。图8.6中，当X0闭合时，Y0接通,Y1断开；反之，则结果相反 6.定时器指令TM 定时器指令的用法如图8.7所示。在梯形图中，定时器的线圈中除标以定时器的指令助记符“TMX”外，还要标上定时器编号,如“1”，定时设置值K,如“100”。当定时触发信号发出（即触点X0闭合）后，定时计时开始，10S后，定时时间到，定时器触点T1闭合，线圈Y1接通。指令使用说明：(1)定时器按定时时间单位有三种类型；TMR：定时单位为0.01S;TMX:定时单位为0.1S;TMY:定时单位为1S。(2)定时设置值可取K0K32767范围内的任意一个十进制数。定时器的延时时间等于定时设置值与定时单位的乘积。(3)定时器为减1计数，即每来一个时钟脉冲C（C由PLC内部产生），K减1，减至0时，定时器动作，其常开触点闭合，常闭触点断开。(4)程序中每个定时器只能使用一次，但其触点可使用多次。(5)在定时器工作期间，若X0断开，则运行中断，定时器复位，恢复原设置值，同时其触点恢复常态。例例8.2 试编制延时6S接通、延时5S断开的电路的梯形图，指令语句表及动作时序图。