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第1章 电气控制1

1.1 概述1

1.1.1 电气控制技术发展简史1

1.1.1.1 人类历史的科学技术发展简史1

1.1.1.2 近代工业革命的三大阶段1

1.1.1.3 电气控制无处不在6

1.1.2 电气控制7

1.1.2.1 什么是电气控制技术7

1.1.2.2 电气控制设备7

1.1.2.3 电气控制设备的智能化10

1.1.3 电气控制技术发展的几个阶段10

1.1.3.1 开关控制电器阶段10

1.1.3.2 继电控制电器阶段11

1.1.3.3 数字逻辑控制阶段13

1.1.3.4 电子计算机控制阶段13

1.1.4 控制设备的分类14

1.1.4.1 电气控制设备的分类15

1.1.4.2 电气控制设备的特性15

1.2 电气控制柜使用条件及主要性能指标16

1.2.1 正常使用条件16

1.2.1.1 周围空气温度17

1.2.1.2 海拔17

1.2.1.3 湿度17

1.2.1.4 污染等级17

1.2.1.5 振动、冲击和碰撞18

1.2.1.6 供电电源18

1.2.1.7 电磁兼容性（EMC）18

1.2.1.8 运输、储存和安置条件19

1.2.1.9 安装条件19

1.2.2 特殊使用条件19

1.2.3 工作性能指标19

1.2.3.1 额定工作制19

1.2.3.2 主电路的额定值和极限值20

1.2.3.3 正常负载和过载特性24

1.2.3.4 短路特性24

1.2.3.5 绝缘电阻与介电性能25

1.2.3.6 温升26

1.2.3.7 EMC环境26

1.2.3.8 噪声26

1.2.4 智能型控制设备要求26

1.2.4.1 一般要求26

1.2.4.2 功能要求26

1.3 影响电气控制柜制作的因素27

1.3.1 电气控制柜的制作方式27

1.3.1.1 生产类型27

1.3.1.2 不同生产类型的工艺特点28

1.3.2 客户的要求29

1.3.2.1 执行标准29

1.3.2.2 控制要求30

1.3.2.3 可靠性要求32

1.3.2.4 寿命要求32

1.3.2.5 安全性要求32

1.3.3 使用条件33

1.3.3.1 环境对电气控制设备的影响33

1.3.3.2 机械因素对电气控制设备的影响33

1.3.4 设备条件和技术水平34

1.3.5 技术文件与标志34

1.3.5.1 技术文件35

1.3.5.2 标志37

1.4 电气控制柜设计制作的原则38

1.4.1 技术设计的一般原则38

1.4.2 安全设计原则39

1.4.2.1 人员和财产的安全性39

1.4.2.2 电气产品安全设计基本要求40

1.4.2.3 电气产品有哪些安全风险41

1.4.2.4 应首先采用改变产品的危险性特征的方法消除安全隐患42

1.4.2.5 安全技术措施选择顺序42

1.4.2.6 进行电路设计和结构设计时安全性设计的优选顺序42

1.4.2.7 安全设计必须考虑环境条件和应用条件，特别应考虑特殊条件42

1.4.2.8 安全设计必须考虑设备在制造过程中的安全43

1.4.2.9 电气控制设备安全设计方法43

1.4.3 可靠性设计原则48

1.4.3.1 系统的整体可靠性原则48

1.4.3.2 高可靠性组成单元要素原则48

1.4.3.3 具有安全系数的设计原则48

1.4.3.4 高可靠性方式原则48

1.4.3.5 元器件的选择对机电产品可靠性的影响49

1.4.4 节能环保绿色设计原则49

1.4.4.1 环保型材料的利用49

1.4.4.2 节约能源设计50

1.4.5 控制功能设计原则51

1.4.6 可加工性、可装配性和可维修性设计原则52

第2章 电气原理图设计54

2.1 电气控制系统设计概述54

2.1.1 控制系统概述54

2.1.2 自动控制系统56

2.1.2.1 自动控制系统的组成56

2.1.2.2 自动控制系统的分类56

2.1.2.3 自动控制系统的性能要求57

2.1.2.4 自动控制线路的基本组成58

2.1.2.5 常用控制方法59

2.1.3 电气控制设备设计的原则与内容60

2.1.3.1 电气控制设备设计的一般原则60

2.1.3.2 电气控制设备设计的任务及内容60

2.1.4 电气控制设备设计的一般步骤61

2.1.5 电动机拖动方案的确定方法68

2.2 电路图的设计方法71

2.2.1 电气控制电路设计概述71

2.2.1.1 电气原理图设计的内容71

2.2.1.2 电气原理图设计的基本步骤73

2.2.2 电气原理图的设计方法73

2.2.2.1 经验设计法73

2.2.2.2 逻辑设计法80

2.3 电路设计的注意事项84

2.3.1 电气控制电路设计中应注意的问题84

2.3.2 PLC控制系统设计的注意事项94

2.3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则94

2.3.2.2 PLC控制系统设计的基本内容94

2.3.2.3 PLC控制系统设计的一般步骤95

2.3.2.4 PLC机型的选择96

2.3.3 单片机控制电路设计的注意事项98

2.3.3.1 单片机控制电路设计的基本要求98

2.3.3.2 单片机（MCU）选择设计要求99

2.3.3.3 电源部分的设计要求99

2.3.3.4 时钟设计要求100

2.3.3.5 I/O口设计要求100

2.3.3.6 上／下拉电阻要求100

2.3.3.7 通信接口100

2.4 元器件的选择原则101

2.4.1 控制电器101

2.4.1.1 控制电器的作用101

2.4.1.2 常用低压电器的主要种类和用途102

2.4.2 开关器件和元件的选择102

2.4.2.1 开关器件和元件的选用原则103

2.4.2.2 器件封装结构和质量等级的选择103

2.4.2.3 降额设计103

2.4.3 开关器件和元件参数的选择104

2.4.3.1 在空载、正常负载和过载条件下接通、承载和分断电流的能力104

2.4.3.2 接通、承载和分断短路电流的能力105

2.4.3.3 通断操作过电压105

2.4.3.4 开关器件及元件动作条件106

2.4.3.5 操动器107

2.4.3.6 触点位置指示107

2.4.3.7 适用于隔离的电器的附加要求108

2.4.3.8 具有中性极电器及控制设备的附加要求109

2.4.4 控制电器接线端子的选择109

2.4.4.1 接线端子的结构要求109

2.4.4.2 接线端子连接导线的能力109

2.4.4.3 接线端子的连接110

2.4.4.4 接线端子的识别和标志110

2.4.4.5 外接导线端子110

第3章 电路设计规范112

3.1 功能电路设计规范112

3.1.1 电源及引入电源线端接法和切断开关112

3.1.1.1 电源112

3.1.1.2 对电子设备供电电路的要求113

3.1.1.3 引入电源线端接法和切断开关115

3.1.2 控制电路和控制功能118

3.1.2.1 控制电路118

3.1.2.2 控制功能120

3.1.2.3 联锁保护124

3.1.2.4 故障情况的控制功能125

3.2 防护电路设计规范128

3.2.1 电击防护的设计128

3.2.1.1 概述128

3.2.1.2 直接接触的防护129

3.2.1.3 间接接触的防护129

3.2.1.4 采用安全超低（PELV）作防护132

3.2.2 电气设备的保护与等电位联结133

3.2.2.1 电气设备的保护133

3.2.2.2 短路保护与短路耐受强度139

3.2.2.3 等电位联结142

3.2.3 电磁兼容性（EMC）设计144

3.2.3.1 电磁兼容性设计要求144

3.2.3.2 提高电磁兼容性（EMC）的措施146

3.3 电路原理图的绘制147

3.3.1 电气制图规则147

3.3.1.1 电路图的组成147

3.3.1.2 电气原理图符号位置的索引148

3.3.1.3 元器件的标注方法149

3.3.1.4 电气原理图的绘制原则149

3.3.2 电气原理图绘制工具151

3.3.2.1 CAD绘图软件151

3.3.2.2 CAD绘图技巧151

3.3.2.3 CAD电路原理图的输入方法154

3.3.2.4 电气原理图绘制步骤155

3.3.2.5 电气原理图绘制注意事项156

3.3.2.6 对电气原理图的审核156

3.3.3 电气原理图的画法157

3.3.3.1 概略图的画法157

3.3.3.2 功能图的画法157

3.3.3.3 电路图的画法158

第4章 低压电器的选与用159

4.1 断路器的选与用160

4.1.1 断路器的选型160

4.1.1.1 断路器类型的选择160

4.1.1.2 低压断路器技术参数的选择方法161

4.1.1.3 断路器电流参数的标定166

4.1.1.4 断路器选型应注意的其他问题167

4.1.1.5 低压断路器辅助功能的选择方法168

4.1.1.6 低压断路器的附件选择169

4.1.1.7 漏电断路器（RCD）的选择169

4.1.1.8 四极塑料外壳式断路器的选型170

4.1.2 断路器的使用注意事项171

4.1.2.1 容易混淆的概念171

4.1.2.2 影响断路器使用的因素171

4.1.2.3 断路器上下级间配合应注意的问题173

4.1.2.4 剩余电流动作保护器的正确应用175

4.1.2.5 四极断路器使用注意事项176

4.2 熔断器的选与用176

4.2.1 熔断器的选择176

4.2.1.1 熔断器的选择原则176

4.2.1.2 熔断器熔体电流的计算方法178

4.2.1.3 查表法选定熔体额定电流181

4.2.2 熔断器的使用注意事项183

4.2.2.1 熔断器和断路器的比较183

4.2.2.2 电气控制设备保护方案的选择184

4.2.2.3 熔断器使用注意事项184

4.3 接触器的选与用185

4.3.1 接触器的选型185

4.3.1.1 按负载种类选择接触器的类型185

4.3.1.2 根据被控制设备的运行状况来选定额定电流191

4.3.1.3 接触器结构形式的选择192

4.3.1.4 接触器的额定电压的选定192

4.3.1.5 选定后的校验193

4.3.1.6 短路保护元件193

4.3.2 接触器的使用注意事项194

4.3.2.1 接触器和继电器的用法和区别194

4.3.2.2 交流接触器、固态继电器及无触点接触器的区别195

4.3.2.3 影响接触器使用的因素196

4.4 继电器的选与用197

4.4.1 继电器的选型197

4.4.1.1 电磁继电器选型198

4.4.1.2 固态继电器（SSR）的选用201

4.4.1.3 热继电器的选型及整定原则203

4.4.1.4 时间继电器的选用206

4.4.2 继电器的使用注意事项206

4.4.2.1 继电器在使用中的整体要求206

4.4.2.2 触点使用中的注意事项207

4.4.2.3 线圈使用中的注意事项211

4.4.2.4 固态继电器使用注意事项216

4.4.2.5 热继电器使用注意事项218

4.5 电力电容器的选与用220

4.5.1 电力电容器的选型220

4.5.1.1 根据电力电容器用途选择电容器的类型220

4.5.1.2 根据电力电容器的用途选择电容器的型号221

4.5.1.3 电力电容器额定电压的正确选择221

4.5.1.4 移相电容器容量的选定222

4.5.1.5 根据工作电压选择使用油浸电容器还是自愈式电容器223

4.5.2 电力电容器的使用注意事项223

4.5.2.1 环境影响电力电容器的使用寿命223

4.5.2.2 电力电容器的电气保护224

4.5.2.3 电力电容器的接通和断开225

4.5.2.4 电力电容器的放电226

4.5.2.5 电力电容器的补偿方式226

4.6 热电阻及热电偶的选与用226

4.6.1 热电阻与热电偶的选型226

4.6.1.1 热电阻与热电偶的选择226

4.6.1.2 热电阻与热电偶选型流程226

4.6.1.3 热电阻与热电偶选型技巧227

4.6.1.4 其他主要参数选择230

4.6.1.5 配套温度检测仪的选用231

4.6.2 热电阻与热电偶的使用注意事项231

4.6.2.1 热电阻与热电偶的比较231

4.6.2.2 热电阻与热电偶使用注意事项232

4.6.2.3 热电偶补偿导线使用注意事项233

4.7 可编程序控制器（PLC）的选与用235

4.7.1 PLC的选型方法235

4.7.1.1 输入／输出（I/O）的选择235

4.7.1.2 PLC程序存储器类型及容量选择238

4.7.1.3 控制功能的选择239

4.7.1.4 机型的选择242

4.7.1.5 软件选择及支撑技术条件的考虑244

4.7.1.6 PLC的环境适应性245

4.7.1.7 PLC输出类型的选择及使用245

4.7.1.8 选型需要考虑的其他问题246

4.7.2 PLC使用中应注意的事项247

4.7.2.1 PLC配线要求247

4.7.2.2 I/O端的接线要求248

4.7.2.3 24V直流接线端249

4.7.2.4 电源接线249

4.7.2.5 PLC输出负载的影响249

第5章 电子元器件的选与用251

5.1 电阻器的选与用251

5.1.1 电阻的选型251

5.1.1.1 固定电阻的选型252

5.1.1.2 电位器的选型256

5.1.1.3 压敏电阻的选型257

5.1.1.4 热敏电阻的选型258

5.1.1.5 光敏电阻器的选用259

5.1.1.6 湿敏电阻器的选用260

5.1.1.7 熔断电阻器的选用260

5.1.2 电阻的使用注意事项260

5.1.2.1 压敏电阻、热敏电阻及熔断器的比较260

5.1.2.2 压敏电阻的使用注意事项261

5.1.2.3 热敏电阻的使用注意事项265

5.2 电容器的选与用266

5.2.1 电容器的选型266

5.2.1.1 电容器类型的选择266

5.2.1.2 电容器参数选择267

5.2.1.3 根据使用环境选择合适型号的电容器271

5.2.1.4 电容选择中的一些误区271

5.2.2 电容器的使用注意事项272

5.2.2.1 影响电容器使用的主要因素272

5.2.2.2 使用电容器应避免的场合273

5.2.2.3 多片陶瓷电容器（MLCC）使用注意事项274

5.2.2.4 电解电容器使用注意事项275

5.2.2.5 电容器的串联和并联277

5.3 二极管的选与用278

5.3.1 二极管的选用278

5.3.1.1 根据具体电路的功能要求选用278

5.3.1.2 二极管管型的选择原则279

5.3.1.3 选好二极管的各项主要技术参数280

5.3.1.4 选好二极管的外形、尺寸大小和封装形式281

5.3.1.5 确定二极管型号281

5.3.2 二极管的使用注意事项281

5.3.2.1 二极管普遍适用的注意事项281

5.3.2.2 使用稳压二极管时的注意事项282

5.3.2.3 LED发光二极管使用注意事项283

5.3.2.4 开关二极管的使用注意事项285

5.3.2.5 瞬态抑制二极管（TVS）在使用中应注意的事项286

5.4 三极管的选与用287

5.4.1 晶体三极管的选用原则287

5.4.1.1 双极型晶体管和场效应管的比较和选择287

5.4.1.2 根据三极管在电路中的作用进行选用288

5.4.1.3 三极管特性参数的选用290

5.4.2 三极管的使用注意事项291

5.4.2.1 晶体管参数在实际使用中的意义291

5.4.2.2 晶体三极管使用注意事项292

5.4.2.3 场效应管使用注意事项295

5.5 集成电路的选与用296

5.5.1 集成电路的选型296

5.5.1.1 集成稳压器的选择296

5.5.1.2 运算放大器的选择296

5.5.1.3 DC-DC变换器芯片选择299

5.5.1.4 数字逻辑集成电路的选择301

5.5.2 集成电路的使用注意事项302

5.5.2.1 集成电路通用的注意事项302

5.5.2.2 TTL集成电路使用应注意的问题304

5.5.2.3 CMOS集成电路使用应注意的问题305

5.5.2.4 集成电路的接口电路308

5.5.3 不同用途集成电路的使用注意事项310

5.5.3.1 集成稳压器的使用注意事项310

5.5.3.2 集成运算放大器的使用注意事项311

5.5.3.3 数字逻辑集成电路使用注意事项312

5.6 光电耦合器的选与用313

5.6.1 光电耦合器的选型313

5.6.1.1 光电耦合器的选用原则314

5.6.1.2 光电耦合器类型的选择314

5.6.1.3 光电耦合器参数的选择315

5.6.2 光电耦合器的使用注意事项317

5.6.2.1 光电耦合器使用时必须考虑的问题317

5.6.2.2 影响电流传输比（CTR）的因素320

5.6.2.3 光电耦合器延时321

5.6.2.4 光电耦合器使用时的其他注意事项321

5.7 晶闸管的选与用322

5.7.1 晶闸管的选用322

5.7.1.1 选择晶闸管的类型322

5.7.1.2 晶闸管主要参数的选择322

5.7.1.3 不同用途晶闸管的选用324

5.7.2 晶闸管的使用注意事项327

5.7.2.1 晶闸管的保护327

5.7.2.2 在高海拔、低温条件下的使用注意事项332

5.7.2.3 晶闸管串、并联使用要求332

5.7.2.4 晶闸管检测注意事项334

5.7.2.5 晶闸管模块使用注意事项334

5.8 IGBT的选与用335

5.8.1 IGBT的选型335

5.8.1.1 IGBT选型程序335

5.8.1.2 IGBT参数的选择335

5.8.1.3 IGBT模块的选择336

5.8.1.4 IGBT驱动器的选型339

5.8.2 IGBT模块使用时的注意事项340

5.8.2.1 IGBT的栅极保护340

5.8.2.2 IGBT的过压保护设计344

5.8.2.3 IGBT的过流保护电路设计346

5.8.2.4 过热保护349

5.8.2.5 串、并联问题349

参考文献352