1、,电气定义：电能的生产、传输、分配、使用和电工装 备制造等学科或工程领域的统称。下面我们将就电路中常见的相关元器件与原理图做具体 分析说明。,三相电保险丝断路器变压器继电器接触器热电偶热电阻传感器,编码器变频器马达电缆线PID调节人机界面油与脂常见电路图上的标示符号电气原理图实例分析,三相交流电（Three-phase alternating current）是由三个 振幅相等、频率相同、相位依次互差120的交流电势组 成的电源。通常，我国交流电为线电压为380V/60Hz，相电压为220V/50Hz；日本线电压为190V/60Hz，相电压为110V/60Hz。美国线电压为208V/60Hz，
2、相电压为120V/60Hz。,三相电在电源端(或称变压器)和负载端均有星形（Y形）和三角形两种接法。对于星型连接，如图：,+,-,A,-,+,B,+,-,C,N,N,线电压与相电压关系为：,-,-,-,+,+,对于三角形连接，如图所示：A+,B,C,星形接法由于起输出功率小，常用于小功率，大扭矩电 机，或功率较大的电机起步时候用，这样对机器损耗较小，正常工作后再换用三角形接法。这就是常常说到的星三角启动。一般3KW以下的三相电动机是星形接法，并直接启动。3KW以上的三相电动机是用三角形接法。,在很多电子设备中，都离不开保险丝(Fuse)，保险丝一 般由电阻率比较大而熔点较低的银铜合金制成的导线
3、。保 险丝也被称为熔断器，IEC127标准将它定义为熔断体（fuse-link)。熔断器的原理是利用电流流经导体会使导体发热，达到 导体的熔点后导体融化所以断开电路保护用电器和线路不 被烧坏。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电 器元件，一旦熔体烧毁就要更换熔体。,保险丝分类：1.按保护形式分为：过电流保护（限流保险丝）过热保护（温度保险丝）如电吹风，电熨斗，电饭锅，电炉，变压器，电动机等。2.按封装形式分为：玻璃、陶瓷、固体及特殊。,3.按类型分为：电流保险丝（贴片保险丝、微型保险丝、插片保险丝、管状保险丝）温度保险丝（RH方块型、RP电阻型、RY金属壳自复保险丝（插件、叠片、贴片）,
4、常见保险丝：,保险丝的选择涉及下列诸多因素：1.正常的工作电流。2.施加在保险丝上的外加电压。3.要求保险丝断开的不正常电流。4.允许不正常电流存在 的最短和最长时间。5.保险丝的环境温度。6.脉冲、冲击 电流、浪涌电流、启动电流和电路瞬变值。7.是否有超出 保险丝规范的特殊要求。8.安装结构的尺寸限制。9.要求 的机构认证。,断路器,俗称“空气开关”，它是通过电流励磁效应（电磁脱扣器）实现断路保护，通过电流的热效应实现过载 保护（不是熔断，多不用更换器件）。当电路中的电流突然加大，超过断路器的负荷时，断路 器是会自动断开，它是对电路一个瞬间电流加大的保护，例如当漏电很大时，或短路时，或瞬间电
5、流很大时的保护。当查明原因，可以合闸继续使用。断路器是现在低压配电常用的元件。,常见断路器图：,变压器（Transformer）是变换交流电压、电流和阻抗的 器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中 便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两 个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级（原）线圈，其 余的绕组叫次级（副）线圈。,变压器原理图：,4,2,1,2,3,4,铁芯,原线圈 1,副线圈 3,U1,U2,U2,U1,变压器型号表示：第1个字母：O表示为自耦；第2个字母表示相数：S为三相，D为单相；第3个字母：表示冷却方式，F为油浸
6、风冷；J油浸自冷；P 强迫油循环；第4个字母：表示绕组数，双绕组不标；S为三绕组；F为 分裂绕组；,第5个字母：表示导线材料L为铝线，铜线不标；第6个字母：表示调压方式Z有载，无载不标；数字部分：第一个表示变压器容量，第二个表示变压器 使用电压等级例如：SJ-560/10，表示3相油浸自冷容量为560KVA电压 为10KV的变压器。,继电器（Relay）是一种电子控制器件，它具有控制系 统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通 常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控 制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调 节、安全保护、转换电路等作用。,常见继电器图：,继电器
7、的分类：电磁继电器热敏干簧继电器固态继电器（SSR）,电磁继电器工作原理：,继电器主要产品技术参数：1、额定工作电压2、直流电阻3、吸合电流4、释放电流5、触点切换电压和电流,继电器的选择步骤：先了解必要的条件：控制电路的电源电压，能提 供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电 路需要几组、什么形式的触点。查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号；考虑尺寸是否合适。注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机 箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。,接触器(contactor)是指能频繁关合、承载和开断正常电 流及规定的过载电流的开断和关合装置。工
8、作原理：当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的 磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈 断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。,接触器与继电器的区别：继电器和接触器的工作原理一样，主要区别在于接触器 的主触头可通过大电流，而继电器的触头只能通过小电流。所以，继电器一般不用来直接控制主电路（而是通过控 制接触器和其他开关设备对主电路进行间接控制）。,热电偶（Thermocouple）是一种感温元件,它把温度信 号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的 温度。热电偶测温的基本
9、原理是两种不同成份的均质导体组成 闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通 过，此时两端之间就存在 Seebeck电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。常见热电偶有K,J与N三种形式，如下表：,热电阻（thermal resistor）：电阻值随温度变化的温 度检测元件。热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温 度的变化而变化的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等 材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传 递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。,
10、热电阻引线主要有三种方式：二线制三线制四线制我们设备上用的热电阻主要采用三线制接法。采用三线 制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热 电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线 路电阻带来的测量误差。,传感器（transducer/sensor）是一种物理装置或生物器 官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其 他装置或器官。温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：B、E、J、K、S 等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根 据不同的场所选用合适
11、的产品。,常见传感器实物图：,常见传感器：光敏传感器，热电阻传感器，超声波传感 器等。光敏传感器种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫 外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和 CMOS图像传感器等。热电阻传感器分为NTC（负温度系数传感器）和PTC（正温度系数传感器）热电阻传感器两类。,码盘式,编码器是用于速度控制或位置控制系统的检测元件。编 码器分类：脉冲盘式（增量编码器）编码器主要分为码盘式（绝对编码器）接触式,电磁式,光电式,非接触式编码器,编码器的工作原理及作用：编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋 转式传感器，
12、这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与 齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。下面依次对各种编码器做详细介绍：,接触式（码盘式）编码器：由码盘与电刷组成，码盘上有四圈码道，相应地，对 应码道上有一个电刷。四个电刷沿着一个固定的径向安装 o 如下图：,涂黑处为导电区，电刷接触导电部分时，输出高电平（“1”）；白色为绝缘区，电刷接触绝缘部分时，输出低 电平（“0”）。编码器的分辨率取决于码道的数目n：,位数越多，分辨精度越高。当然分辨精度越高，对码盘 和电刷的制作和安装要求越严格。一般取n9。,光电式（码盘式）编码器：光电式编码器包括：光源、光学系统、码盘、光电元件 和测量电路，它的最
13、大特点是非接触测量，允许高速转动，它是采用光电原理制成的。码盘：光电式编码器的码盘 是一块圆形的光学玻璃，采用照相腐蚀工艺，在码盘上刻 出透光和不透光的码形；并采用光电转换元件代替接触式 编码器地电刷。如图所示：,光电码盘的原理示意图：,电磁式编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元 件，它是随着光电式编码器的发展而发展起来的。光电式 编码器的主要缺点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而电磁式编码器不易受尘埃和结露影响，同时其结构简 单紧凑，可高速运转，响应速度快（达500700kHz），体积比光电式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精 确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构
14、成新功能器件和多功能器件。,电磁式编码器同样由码盘与电刷组成。码盘：在码盘上按照编码的图形，制作出磁化区和非磁 化区；电刷：采用小型的磁环或马蹄形磁芯作为磁头。磁头上 有两组绕组线圈，一组是激励线圈，另一组是输出线圈。,脉冲盘式编码器又称为增量编码器，它不能直接产生几 位编码输出。如图所示：,其码盘有三个码道：最外圈零位码道中间外圈A码道 最内圈B码道脉冲盘式编码器只能用于测量相对于上一次的角度增量，因此称为增量式编码器。它的精度取决于码盘的精度。,脉冲盘式编码器的辨向方式：设计A、B码道就是实现辨向功能。脉冲盘式编码盘两个码道产生的光电脉冲被两个光电元 件接收，产生A、B两个输出信号，这两个
15、输出信号经过放 大整形后，产生P1和P2脉冲，将它们分别接到D触发器的D 端和CP端。实现电路如图所示：,变频器（Transducer）原理：是利用电力半导体器件的 通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变 的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流 器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频 率和电压都可变的交流电。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步 电动机调速用，又叫变频调速器。,变频器的基本结构,变频器的基本结构：,常见变频器：,我们常用的马达主要有电动与气动两种。气动马达是以
16、 压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀 作用，把压力能转换为机械能的动力装置。大多数气马达具有以下特点：可以无级调速。能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀 来改变马达进、排气方向，即能实现气马达输出轴的正转 和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲击很小。,工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适 用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，马达只是转速降低或停止，当过载解除，立即可以重新正 常运转，并不产生机件损坏等故障。可以长时间满载连续 运转，温升较小。具有较高的起动力
17、矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几 万瓦；转速可从零一直到每分钟万转。,7.操纵方便，维护检修较容易气马达具有结构简单，体 积小，重量轻，马力大，操纵容易，维修方便。8.使用空 气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放 到大气中无污染压缩空气可以集中供应，远距离输送由于气马达具有以上诸多特点，故它可在潮湿、高温、高粉尘等恶劣的环境下工作。除被用于矿山机械中的凿岩、钻采、装载等设备中作动力外，船舶、冶金、化工、造 纸等行业也广泛地采用。,在介绍电动马达之前，首先我们需要知道脉冲信号。脉 冲信号：瞬间突然变化，作用时间极短的电压或电流
18、称为 脉冲信号。它可以是周期性重复的，也可以是非周期性的 或单次的。电动马达（Motor）一般分为伺服马达、变频马达、步 进马达、齿轮马达、线性马达。常见的有伺服马达、步 进马达与线性马达。下面就这三种马达做些分析说明。,步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环 控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停 止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载 变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱 动步进马达按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步 距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目的；
19、同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度 和加速度，从而达到调速的目的。,步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混 合式（HB）。永磁式步进电机：永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角 一般为7.5度或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动 态性能好，但步距角大。反应式步进电机：反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进 角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。,反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有 多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电 动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。混合式步进电机：混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步
20、进电动机两 者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前 性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进 电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而 五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。,步进电机的静态指标术语：相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m 表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态 用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。通常步进电机步距角的一般计算按下式计算。=360/（ZmK）,式中 步进电机的步距角；Z转子齿数；m步进电动机的相数；K控制系数，是拍数
21、与相数的比例系数。步进电机如下图：,伺服电机：伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元 件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电 机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转 化为转矩和转速以驱动控制对象。在自动控制系统中，用 作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位 移或角速度输出。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特 点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增 加而匀速下降。,直流伺服电机分为有刷和无刷电机。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目 前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以 做到很大的功率。
22、大惯量，最高转动速度低，且随着功率 增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机如下图：,步进电机与伺服电机的区别：步进电机是开环控制，步进控制器输出了电能后是否达 到运动之结果，控制器是不知道的。而伺服电机的伺服系 统主要是由伺服电机、编码器、控制器、制动器等组成，控制器会根据输入脉冲的情况向电机发输出电能，同时读 取编码器的信号，再根编码器实际数决定是加大或减小输 出电流或报错，是一种闭环控制。此外，步进电机是结构特殊的电机，只可以用来定位，功率小，精度差，伺服电机是带编码器的同步电机，可以 定位也可以做力矩和速度控制，功率大，精度高。,电缆线（cable）的选择是首先要计算负载
23、的线电流，再 根据电流大小按照导线安全载流量表选择合适的线径。一般来说，对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计 算公式是：P=1.732IUcos。由三相电机功率公式可推出线 电流公式：I=P/1.732Ucos式中：P为电机功率；U为线电压；cos是电机功率因素，一般取0.75；根据此公式计算出电流大小，再查相关表选择合适的电 缆，如下表所示：,电缆载流量估算口诀：二点五下乘以九，往上减一顺号走。三十五乘三点五，双双成组减点五。条件有变加折算，高温九折铜升级。穿管根数二三四，八七六折满载流。,注释：“二点五下乘以九，往上减一顺号走”说的是2.5mm 及以下的各种截面铝芯绝缘线，其载流量约为截
24、面数的9 倍。如25mm导线，载流量为 2.5922.5(A)。从 4mm及以上导线的载流量和截面数的倍数关系是顺着线 号往上排，倍数逐次减1，即48、67、106、165、254。,“三十五乘三点五，双双成组减点五”，说的是35mm”的导线载流量为截面数的35倍，即353.5122.5(A)。从50mm及以上的导线，其载流量与截面数之 间的倍数关系变为两个两个线号成一组，倍数依次减0.5。即50、70mm导线的载流量为截面数的3倍；95、120mm”导线载流量是其截面积数的2.5倍，依次类推。,“条件有变加折算，高温九折铜升级”。上述口诀是铝 芯绝缘线、明敷在环境温度25的条件下而定的。若铝
25、芯 绝缘线明敷在环境温度长期高于 25的地区，导线载流量 可按上述口诀计算方法算出，然后再打九折即可；当使用 的不是铝线而是铜芯绝缘线，它的载流量要比同规格铝线 略大一些，可按上述口诀方法算出比铝线加大一个线号的 载流量。如16mm铜线的载流量，可按25mm2铝线计算。,导线的载流量与导线截面有关，也与导线的材料、型号、敷设方法以及环境温度等有关，影响的因素较多，计算 也较复杂。各种导线的载流量通常可以从手册中查找。但 利用口诀再配合一些简单的心算，便可直接算出，不必查 表。补充：对于Furnace电路图上的AWG的相关线径图表如下：,在讨论PID调节之前，我们首先要知道自动控制的一些 基本知
26、识。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制 系统。开环控制：开环控制系统是系统的控制输入不受输出影响的控制系 统。结构图如下：,闭环控制：闭环控制是指作为被控的输出以一定方式返回到作为控 制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。结构图如下：,PID控制器就是根据系统的误差，利用比例P(Proportion)、积分I(Integral)、微分D(Derivative)计算出控制量进行控 制的。PID调节原理图如下：,通过调节PID的参数，可以使系统达到要求的稳定性、快速性和准确性。PID调节一般步骤：a.确定比例增益P确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一 般是令Ti
27、=0、Td=0（Ti积分时间、Td微分时间），使 PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的 60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡 消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当 前值的60%70%。比例增益P调试完成。,b.确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初 值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定 PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常 数Ti调试完成。,c.确定积分时间常数Td积
28、分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满 足要求。,PID常用口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳,曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低,人机界面的定义：连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，
29、通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分 组成。人机界面的硬件和软件两部分，如下图：,图1 人机界面硬件构成,图2 人机界面软件构成,润滑油（lubricating oil）是用在各种类型机械上以减少 摩擦，保护机械及加工件的液体润滑剂，主要起润滑、冷 却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。在散热要求高、设备润滑剂需要起到冲刷作用的场合使 用润滑油，比如：磨机滑动轴承；润滑油的优点在于：散 热性较好，内在的摩擦阻力也较小，系统清洗简单等。并 且在滑动的轴承上使用更为合适。但它的工艺比较复杂，设备成本较高。,润滑脂（lubr
30、icating grease）是将一种或几种稠化剂分 散到一种（或几种）液体润滑油中形成的一种固体或半固 体的产物。其是由基础油、稠化剂和添加剂（包括填料）组成。适合于低转速、宽温度范围、苛刻环境下、长换油 周期等条件下的润滑，如轴承，齿轮，轨道，转轴等。润滑脂工艺简单，设备造价低，维修的成本也低。而且 节省油料，不易飞溅，泄漏等。同时它有密封防尘的作用，能降低噪声、耐负荷、冲击等。润滑脂使用需注意以下几项：,1、加入量要适宜加脂量过大，会使摩擦力矩增大，温度升高，耗脂量增 大；而加脂量过少，则不能获得可靠润滑而发生干摩擦。一般来讲，适宜的加脂量为轴承内总空隙体积的1/31/2。估算公式：Q=
31、0.005 x D x B Q填充量，单位g D轴承外径，单位mm B轴承宽度，单位mm,、禁止不同品牌的润滑脂混用由于润滑脂所使用的稠化剂、基础油以及添加剂都有所 区别，混合使用后会引起胶体结构的变化，使得分油增大，稠度变化，机械安定性等都要受影响。、注意换脂周期以及使用过程管理注意定期加注和更换润滑脂，在加换新脂时，应将废润 脂挤出，直到在排脂口见到新润滑脂时为止。加脂过程务 必保持清洁，防止机械杂质、尘埃和砂粒的混入。,电气原理图是根据控制线图工作原理绘制的，具有结构 简单，层次分明。主要用于研究和分析电路工作原理如下 述。简单的电气原理图如下图:,交流电机,熔丝,交流接触器热继电器,空气开关,按钮开关,
