1、3.1 控制系统常用新型电器3.1.1 电子式时间继电器电子式时间继电器 尽管各种晶体管时间继电器电路的形式不同，但其基本的原理大多以阻容充放电路为基础，图3-1（a）为JS20系列时间继电器的典型电路。图3-1（a）JS20系列时间继电器的典型电路图3-1（b）JS20系列时间继电器充电曲线 数字时间继电器较晶体管时间继电器的延时范围可成倍增加，而其精度可以提高两个数量级以上。此外还可以制成触点容量大并配备显示器件结构，使之具有调整方便、工作状态直观、指示清晰准确等优点。一般在下列情况下建议使用电子时间继电器：1.当电磁式或者机械式时间继电器不能满足要求；2.当延时精度要求较高；3.控制回路
2、相互配合要求无触点；4.要求计算机控制实现全自动化。3.1.2 固态继电器固态继电器 固态继电器（简称SSR）是采用固体半导体元件组装而成的一种新颖的无触点开关。由于固态继电器的接通和断开没有机械接触部件，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、抗干扰能力强和动作可靠等一系列特点。目前，在许多自动控制装置中得到了广泛应用。一、固态继电器的种类一、固态继电器的种类二、二、固态继电器的工作原理固态继电器的工作原理三、固态继电器使用的注意事项三、固态继电器使用的注意事项图3-2 固态继电器的工作原理3.1.3 热敏电阻式温度继电器热敏电阻式温度继电器 温度继电器又称温度开关，用于当测
3、量点的温度达到设定值时给出一个控制信号。一个热敏电阻只能检测一相电动机绕组的温度，因此，一台三相电动机至少需要三个热敏电阻。每相绕组的各部分温升不会完全相同，热敏电阻应埋在温升最高的绕组端部，当发生匝间、相间的断路或接地故障时，绕组各处的温差很大，如果埋设的热敏电阻并非处于过热部位，则保护就会失效。因此对于大中型电动机和某些特种电动机，可在每相绕组的几个地方埋设热敏电阻。热敏电阻并联组成的温度继电器电路如图3-3所示。图3-3 热敏电阻并联组成的温度继电器3.1.4 电子接近开关电子接近开关 电子接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面达到动作距离时
4、，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。电子接近开关是一种无触点开关，它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交流型、直流型。电子接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程
5、开关所不能相比的。它在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。电子接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触位置检测目的。目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型：（1）高频振荡型：用以检测各种金属体；（2）电容型：用以检测各种导电或不导电的液体或固体；（3）光电型：用以检测所有不透光物质；（4）超声波型：用以检测不透过超声波的物质；（5）电磁感
6、应型：用以检测导磁或不导磁金属。接近开关按供电方式可分为：直流型和交流型，按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。图3-4为LJ2系列电感式晶体管接近开关的电路图。开关的振荡器为电容耦合型，由晶体管V1、电感振荡线圈L及电容C1-C3组成。
7、图3-4 LJ2系列晶体管接近开关电路3.1.5 软起动器软起动器 传统的三相异步电动机的起动线路比较简单，不需要增加额外起动设备，但其起动电流冲击一般很大，起动转矩较小而且固定不可调。电动机停机时都采用控制接触器触点断开，切掉电动机电源，电动机自由停车，这样也会造成剧烈的电网波动和机械冲击。表3-6给出了传统起动方法起动转矩和起动电流相对额定值的倍数。传统起动方法经常用于对起动特性要求不高的场合。倍数额定转矩起动转矩倍数额定电流起动电流表3-6 传统起动方法的起动转矩、起动电流的比较名称直接起动定子串电阻起动自耦变压器起动星-三角形起动0.51.50.50.750.40.850.50.948
8、1.561.641.82.5 在一些对起动要求较高的场合，可选用软起动器控制异步电动机起动。其主要特点是：具有软起动和软停车功能，起动电流、起动转矩可调节，还具有电动机过载保护等功能。一、软起动器的工作原理一、软起动器的工作原理 如图3-6所示为软起动器内部原理示意图。它主要由三相交流调压电路和控制电路构成。二、软起动器的控制功能二、软起动器的控制功能 异步电动机在软起动过程中，软起动器通过控制加到电动机上的电压来控制电动机的起动电流和转矩，起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。一般软起动器可以通过改变参数设定得到不同的起动特性，以满足不同的负载特性要求。(一)斜坡升压起动方式 斜坡升压起动特性曲
9、线如图3-7所示。(二)转矩控制及起动电流限制起动方式 转矩控制及起动电流限制特性曲线如图3-8所示。图3-6 软起动器原理示意图图3-7 斜坡升压起动方式 图3-8 转矩控制及起动电流限制起动方式(三)电压提升脉冲起动方式 电压提升脉冲起动特性曲线如图3-9所示。(四)转矩控制软停车方式 当电动机需要停车时，立即切断电动机电源，属自由停车。传统的控制方式大都采用这种方法。但许多应用场合，不允许电动机瞬间停机。如高层建筑、楼宇的水泵系统，要求电动机逐渐停机，采用软起动器可满足这一要求。如图3-10所示为转矩控制软停车特性曲线。减速时间t1一般是可设定的。(五)制动停车方式图3-11 制动停车方
10、式 当电动机需要快速停机时，软起动器具有能耗制动功能。在实施能耗制动时，软起动器向电动机定子绕组通人直流电，由于软起动器是通过晶闸管对电动机供电，因此很容易通过改变晶闸管的控制方式而得到直流电。如图3-11所示为制动停车方式特性曲线。图3-9 电压提升脉冲起动方式 图3-10 转矩控制软停车方式图3-11 制动停车方式3.1.6 智能接触器智能接触器 智能接触器是电力驱动系统和自动控制系统中使用量很大和涉及面很广的一种很实用 的控制电器，可用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制回路。其主要控制对象是电动机，能实现远距离自动控制，并具有欠（零）电压等多种自动保护功能，它具有比工作电流大数十
11、倍的接通和分断能力，但不能分断极其严重的短路电流。由于它体积小、价格便宜和维护方便，因而应用十分广泛。智能接触器最主要的用途是控制要求较高并且比较复杂电动机驱动的电控系统和机、液、电等装置组合的控制系统，因此它是电控系统中很重要也是最常用的控制电器之一。一、智能化电磁系统一、智能化电磁系统 智能接触器的核心是具有智能化控制的电磁系统，对接触器的电磁系统进行动态控制。由接触器的工作原理可见，其工作过程可分为吸合过程、保持过程、分断过程三部分，是一个变化规律十分复杂的动态过程。电磁系统的动作质量依赖于控制电源电压，阻尼机构和反力弹簧等，并不可避免地存在不同程度的动、静铁心的“撞击”、“弹跳”等现象
12、，甚至造成“触头熔焊”和“线圈烧损”等，即传统的电磁接触器的动作具有被动的“不确定”性。智能接触器是对接触器的整个动态工作过程进行实时控制，根据动作过程中检测到的电磁系统的参数，如线圈电流、电磁吸力、运动位移、速度和加速度、正常吸合门槛电压和释放电压等参数，进行实时数据处理，并依此选取事先存储在控制芯片中相应控制方案以实现“确定”的动作，从而同步吸合、保持和分断三个过程，保证触头开断过程的电弧量最小，实现三过程的最佳实时控制。经过对被控制电路的电压和电流信号的检测、判别和变换过程，实现对接触器电磁线圈的智能化控制，并可实现过载、断相或三相不平衡、短路、接地故障等保护功能。二、二、双向通信与控制
13、接口双向通信与控制接口 智能接触器能够通过通信接口直接与自动控制系统的通信网络相连，通过数据总线可输出工作状态参数、负载数据和报警信息等，另一方面可接受上位控制计算机及可编程序控制器（PLC）的控制指令，其通信接口可以与当前工业上应用的大多数低压电器数据通信规约兼容。3.1.7 智能断路器智能断路器 智能断路器是指具有智能化控制单元的低压断路器。智能断路器与普通断路器一样，也有基本框架（绝缘外壳）、触头系统和操作机构。所不同的是普通断路器上的脱扣器现在换成了具有一定人工智能的控制单元，或者叫智能型脱扣器。这种智能型控制单元的核心是具有单片机功能的微处理器，其功能不但覆盖了全部脱扣器的保护功能（
14、如短路保护、过流过热保护、漏电保护、缺相保护等），而且还能够显示电路中的各种参数（电流、电压、功率、功率因素等）。各种保护功能的动作参数也可以显示、设定和修改。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失存储器中以便查询。还扩充了测量、控制、报警、数据记忆及传输、通信等功能，其性能大大优于传统的断路器产品。图3-12 智能断路器原理框图 智能断路器原理框图如图3-12所示。单片机对各路电压和电流信号进行规定的检测。当电压过高或过低时发出缺相脱扣信号。当缺相功能有效时，若三相电流不平衡超过设定值，发出缺相脱扣信号，同时对各相电流进行检测，根据设定的参数实施三段式（瞬动、短延时、长延时）电流热模拟保
15、护。国内生产的智能断路器有框架式和塑料外壳式两种。框架式智能断路器主要用于智能化自动配电系统中的主断路器，塑料外壳式智能断路器主要用在配电网络中分配电能和作为线路及电源设备的控制与保护，亦可用作三相笼型异步电动机的控制、传统的断路器保护功能是利用了热核效应原理，通过机械系统的动作来实现的。智能控制器具有以下功能：l）四段保护功能；2）电流表功能；3）电压表功能；4）远端监控和诊断功能；5）整定功能；6）试验功能；7）负载监控功能；8）热记忆功能；9）通信接口功能。3.2 电子电器典型应用控制线路电子电器典型应用控制线路3.2.1 软起动器控制线路软起动器控制线路 异步电动机起动器控制电路简单，
16、但是起动转矩基本固定且不可调，起动过程切换又带来二次冲击电流和冲击转矩，并且受电网电压波动的影响较大。如果电网电压下降大，甚至会造成电机停转和起动困难。为了克服这些缺点，需采用软起动器控制异步电动机的起动。下面介绍软起动器的控制原理、计算及与使用有关的问题。一、软起动器的基本组成原理和控制规律一、软起动器的基本组成原理和控制规律 软起动器的基本组成原理如图3-13所示。主电路采用三相晶闸管反并联调压方式，它串联在三相供电电源L1、L2、L3和电动机三个端子U、V、W之间。通过改变晶闸管的移相角来改变加在电动机定子绕组上的电压。为了能让定子电压和电流按所设定的规律变化，并且能对过压及过流等故障进
17、行保护，必须要随时检测定子电压和电流，为此采用了电压互感器和电流互感器。电压互感器将电网电压变换为标准电压（通常为5V）信号，送至电压保护电路。图3-13 软起动器的基本组成原理 图3-14（a）和（b）分别给出定子绕组加UN、0.75 UN和0.5 UN等不同固定值时（虚线）的电机转矩曲线和电流曲线。图3-14 恒定电压（虚线）和变化电压（实线）时的特性曲线（a）转矩曲线；（b）电流曲线二、软起动器起动时间的计算二、软起动器起动时间的计算三、软起动器的软停止和快速制动停止三、软起动器的软停止和快速制动停止四、节能运行四、节能运行五、软起动器的连接和使用五、软起动器的连接和使用 4极电动机的节
18、能曲线 软起动器基本连接 多台电动机的顺序起动 同时起动几台电动机的并联电路 3.2.2 绕线转子异步电动机串级调速控制线路绕线转子异步电动机串级调速控制线路一、串级调速系统基本原理一、串级调速系统基本原理 对于绕线转子异步电动机的调速方式，人们最熟悉的是转子回路串电阻调速法。这种方法是靠改变外界电阻的大小，以增减转子回路电流，从而改变消耗在转子回路的转差功率，进而影响转差率，达到调速的目的。但转差功率是一种无益的热能损失，它使系统的整体效率降低，因此，这种系统只适用于小功率绕线转子异步电动机及调速范围不宽的场合。如果不在转子回路串接电阻，而是引入一个附加电动势Ef，且令Ef的频率和转子电动势
19、的频率相等，则转子回路的总电动势即为转子电动势E2和附加电动势Ef的代数和，从而使转子电流随着二者的相互关系而变化。如果对电动势的方向及数值加以控制，就会得到性能远比转子串电阻调速法优越的结果。首先是节省了电阻上的热能损耗；其次是改变附加电动势的大小和方向十分灵活、方便，可做到平滑无级调速。这里以绕线转子异步电动机为例进行讨论。图3-26中，异步电动机的转子绕组电势是转子整流器的供电电源，它相当于整流变压器的二次绕组，异步电动机转子整流电路的工作与一般具有整流变压器的整流电路的工作极为相似。但两者之间也存在差异，主要有以下三点：（1）一般整流电路接固定频率和幅值的电源，而转子电动势的幅值与频率
20、则随异步电动机的转速而变化；（2）专用整流变压器漏抗比较小，虽然会引起换相重叠角，但重叠角不大，而异步电动机折算至转子侧的等值电抗则大得多，且与转子频率有关，使换相重叠现象严重，甚至会造成强迫换流延迟现象，必须专门加以考虑；（3）正常的整流器工作在额定负载以下，而异步电动机转子回路内的电流变化则很大，起动电流或过载电流往往超过额定值很多，这不仅加重了换相重叠现象，而且对元件参数选择也有影响。图3-26 异步电动机电气串级调速系统原理图二、双闭环控制的串级调速系二、双闭环控制的串级调速系统统 由于串级调速系统静态特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调速精度要求不高场合。为了提高静态调速精
21、度以及获得较好的动态特性，可以采用反馈控制。与直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。由于串级调速系统的转子整流器是不可控的，所以系统不能产生电气制动作用。而所谓动态性能的改善一般只是指起动与加速过程性能的改善，而减速过程只能靠负载作用自由降速。图3-27 双闭环控制的串级调速系统(一)闭环控制系统的组成 图3-27所示为双闭环控制的串级调速系统原理图。图中转速反馈信号取自与异步电动机机械上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。为防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为=
22、min。图3-27所示系统的工作与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。（二）串级调速系统的动态结构 在图3-27中，电流调节器与转速调节器一般都采用PI调节器。再考虑给定滤波环节等就可直接画出双闭环控制的串级调速系统动态结构图，如图3-28所示。系统在突加给定起动时的动态过程与直流调速系统一样。起动初期，速度调节器处于饱和输出状态，系统相当于转速开环。随着起动过程的进行，电流调节器的输出增大，使逆变器的逆变角增大，逆变电压Ui减少，打破了起动开始瞬间逆变电压大于异步电动机转子不动时的整流电压Ud0的条件，产生直流电
23、流Id，使异步电动机产生电磁转矩而加速起动，在异步电动机转速未到达给定值以前，调速系统始终由电流环起电流跟踪作用以维持动态电流Id为恒定，并使加速过程中逆变电压与转子整流器输出电压的变化速率相同。直到异步电动机的转速超调，速度调节器退出饱和，转速环才投入工作，以保证最终获得与给定转速相一致的实际转速。图3-28 串级调速系统动态结构图3.2.3 电子式异步电动机保护线路电子式异步电动机保护线路 在三相交流电力系统中，最常见和最危险的故障是各种形式的短路，其中包括三相短路、两相短路、一相接地短路以及电机和变压器一相绕组上的匝间短路等。除此之外，配电线路，电机和变压器还可能发生一相或两相断线以及上
24、述几种故障同时发生的复杂故障。电气系统故障可能引起下列严重后果。（1）短路电流通过短路点将燃起电弧，使电气设备烧坏甚至烧毁，严重引起火灾。（2）短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或缩短使用寿命。（3）造成电网电压下降，波及其他用户和设备，使正常工作和生产遭到破坏甚至使事故扩大，造成整个配电系统瘫痪。（4）最常见的不正常工作情况是过负荷。长时间过负荷会使载流设备和绝缘的温度升高，而使绝缘加速老化或设备遭受损坏，甚至引起故障。电气保护装置是电气系统自动化的重要组成部分，是保证电气系统安全可靠运行的主要措施之一。在现代电气系统中，如果没有专门的电气保护装置，
25、要想维持系统正常工作是根本不可能的。因此，所有电气控制系统均应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、电器以及其它电路元件等。利用短路时这些电气量的变化，可以构成各种作用原理的电气保护。例如，利用电流增大的特点可以构成过电流保护；利用电压降低的特点可以构成低电压保护；利用电流电压间的相位角的变化特点可以构成断相保护、漏电保护等。常用的保护环节有过电流、短路、过载、过压、失压、断相保护等。有时还设有合闸、分闸、正常工作、事故等指示信号。下面从电气设计角度讨论电气故障的类型，产生原因，常用电气保护方法。1.电流型保护 在正常工作中，电气设备通过的电流一般不超过额定电流，若少量超过额定电流，在短时间内，只要温度不超过允许值也是允许的，这也是各种电器设备或元件应具有的过载能力。但当通过电器设备或元件的电流过大，将因发热而使温升超过绝缘材料的承受能力，就会造成事故，甚至烧毁电器设备。在散热条件一定的情况下，温升决定于发热量，而发热量不仅决定于电流大小，而且还与通电时间密切相关。电流型保护就是基于这一原理构成的，它是通过传感器件检测过电流信号，经过信号变换、放大后控制执行机构及被保护对象动作，切断故障电路。属于电流型保护的主要有短路、过电流、过载和断相保护等。1）短路保护2）过电流保护3）过载保护4）断相保护 图3-29 电子式异步电动机保护电路原理图
