1、电器原理与应用半导体式控制电电器原理与应用半导体式控制电器器本章结构n4.1 概论n4.2 半导体式时间继电器n4.3 半导体式行程开关n4.4 半导体式保护电器4.1 概论 本节结构n4.1.1 半导体式控制电器的特点n4.1.2 半导体式控制电器的发展n4.1.3 半导体式控制电器的类型4.1.1半导体式控制电器的特点优点：n开关速度高（晶闸管开通，关断时间 几十us）n操作频率高（晶闸管 100次/分钟）n使用寿命长n耗电功率小n控制功能多n工作环境不苛求缺点n散热面积大(管压降大，损耗大)n价格比较高（一个交流接触器需要三个双向晶闸管，价格约十倍）n电路较复杂（辅助电路多）n过载能力低
2、n漏电流较大（晶闸管 100次/分钟）2、半导体电子式控制电器、半导体电子式控制电器 保持独立的电器外形，在功能上与有触点控制电器相对应，输出形式可以是无触点的电平转换，也可以是有触点的触点通断，既可以与电子电路构成无触点系统，也可以与有触点电器构成继电接触系统。例：行程开关、接近开关、双金属片热继电器、电磁式过流继电器、电子式过流、短路、断相、保护继电器有触点与无触点相结合的控制电器三种不同形式：采用无触点电器为其出口元件的电子式电器，如晶闸管时间继电器等。采用电子式控制或保护信号发生机构的有触点电器，如半导体脱扣器的断路器混合式接触器，在接触器的每一主触点上并联一个双向晶闸管，当开关接通时
3、使晶闸管的导通先于触点的闭合，分断时晶闸管的阻断后于触点的断开，二者取长补短，实现了有触点控制电器的无弧通断。3、混合式控制电器、混合式控制电器4.2半导体式时间继电器 本节结构本节结构n4.2.1 概述n4.2.2 通电延时型半导体式时间继电器n4.2.3 断电延时型半导体式时间继电器n4.2.4 带瞬动触点的通电延时型时间继电器n4.2.5 JS20系列半导体式时间继电器的型号及其含义n4.2.6 JS20系列半导体式时间继电器的技术参数n特点：n半导体式+执行继电器n寿命长，精度高，体积小，调节范围宽n1）半导体式时间继电器一般分为nRC充放电式(模拟式)时间继电器n数字式时间继电器n微
4、机式时间继电器。4.2.1 概述概述2）原理框图图4-2 DHC6多制式时间继电器的原理框图nDHC80910集成电路是一个单片机最小系统，由CPU、片内ROM、片内RAM、可编程输入/输出(I/O)、计数器/定时、LCD驱动电路、LCD基准电压电路和振荡电路构成。该电路有两路电源供电，当外部有电源时，该电路由外部电源供电，当外部停电时，停电检测电路立即发出停电信号使该电路的功耗减到最小，此时单片机由电池供电保持RAM中的数据(数据保持时间可达10年)，并且设定按钮能够在停电时设定数据当设定好数据后，键保护输入能按不同的要求分别锁定功能设定(MODE)键、复位(RESET)键和时间设定键使这些
5、键的操作无效，这样可以防止误操作，也使操作者只能改变设计者允许改变的数据。2）RC充放电式(模拟式)时间继电器 利用电容对电压变化的阻尼作用作为其延时基础，并且大多数阻尼式延时电路阻尼式延时电路都有类似下图所示的电路结构形式 图4-8 阻容延时电路基本结构形式n组成组成 由阻容环节、鉴幅器、出口电路和电源四部分组成n原理原理 当接通电源时，电源电压通过电阻R对电容C充电，电容上的电压Uc按指数规律上升。当Uc上升到鉴幅器的门限电鉴幅器的门限电压压Ud时，鉴幅器即输出开关信号至后级电路，使执行继电器动作。电容充电曲线如图4-9所示，表达式为图4-9 阻容电路充电曲线 (4-1)式中Uc0为接通电
6、源前电容上的初始电压。由上式解出时间表达式 (4-2)对于图4-8中电路，门限电压为Ud，令Uc=Ud，则电路的延时时间为 (4-3)如果开始充电时电容上的初始电压Uc0=0，则 (4-4)式中：K=Ud/E K恒小于1上式表明，延时的长短与电路的充电时间常数RC及电压E、门限电压Ud、电容的初始电压Uc0有关，为了保证延时精度，必须保持上述参数值的稳定。00lnccUEUERCtRCtcRCeUeEUc/0/1)1(dcodUEUERCtln KKRCEURCUEERCtddd11ln11ln/11lnln3）范例 JS20系列半导体式时间继电器分类 单结晶体管电路 场效应管电路延时等级通电
7、延时型分为1,5,10,30,60,120,180,300,600,1800,3600s断电延时型分为1,5,10,30,60,120,180s.图4-10 JS20系列半导体时间继电器主要技术指标对延时范围的要求对延时范围的要求:每种延时等级的最大延时值应大于其标称的延时值，但小于其标称延时值的110%；最小延时值应小于其标称延时值的90%通电延时型的重复工作时间间隔通电延时型的重复工作时间间隔:重复工作时间间隔不小于1s,即两次使用的间隔时间只要不小于1s，则延时电容就不会有明显的残存电压而影响下次工作的延时精度。断电延时型最小通电时间断电延时型最小通电时间:最小通断时间不小于1s，则在接
8、通电源后，断电延时电容迅速充电的时间不大于1s，从而保证在通电后1s就可以进行断电延时。重复延时误差重复延时误差:重复延时误差不大于3%综合延时误差综合延时误差:工作电压为额定电压的85%110%、环境温度在-10 40 范围内变化时，连续动作误差不大于 10%。抗干扰性能抗干扰性能:主要是指对电源串入的音频和高频干扰信号的抵御能力。当JS20的电源端叠加有f为15015000Hz、幅值(有效值)为工作电压的5%音频正弦信号，或叠加有2次/s、峰值为电源电压2倍、宽度分别为20us与80us的脉冲信号时，时间继电器应符合重复延时误差的要求。CC4.2.2 通电延时型半导体式时间继电器通电延时型
9、半导体式时间继电器图4-11 JS20单结晶体管时间继电器电路图4-12 JS20单结晶体管时间继电器框图n 延时环节、鉴幅器、输出电路、电源和指示灯五部分组成n 电压的稳压部分由电阻R1和稳压管V3构成,供给延时和鉴幅n 输出电路中的晶闸管VT和继电器KAn电容C2的充电回路有两条:一条是通过电位器RP1和电阻R2，另一条是通过由低阻值电阻R4、R5和电位器RP2组成的分压器经二极管V2向电容C2提供的预充电路。3)电路的工作原理n 当接通电源后，经二极管V1整流、电容C1滤波以及稳压管V3稳压的直流电压n通过RP2、R4、V2向电容C2以极低的时间常数快速充电n也通过RP1和R2向该电容充
10、电。n电容C2上电压在相当于UR5预充电压的基础上按指数规律逐渐升高。当此电压大于单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通，输出电压脉冲触发晶闸管VT。nVT导通后使继电器KA吸合，除用其触点来接通或分断外电路外，还利用其另一常开触点将C2短路，使之迅速放电，为下次使用作准备。此时氖指示灯N启辉。n当切断电源时，KA释放，电路恢复原始状态，等待下次动作。4.2.3 断电延时型半导体式时间继电器断电延时型半导体式时间继电器n当切断断电延时型时间继电器电源后，其触点仍暂时保持不动，等到延时时间达到后才动作nJS20断电延时型时间继电器采用了两个延时继电器，一个是带有机械锁扣的瞬动延时型时间继电器
11、KD，当接通电源，KD立即吸合并通过机械锁扣自锁。机械锁扣示意图如图3-13所示。当切断电源后，它自己不能释放，其释放是依靠另一个继电器Ks。Ks在断电以后经过预定的延时时间短时地吸动一下，打开KD的机械锁扣，于是KD延时释放。图4-13 带有机械锁扣继电器结构示意图nJS20断电延时继电器原理图4-14 JS20断电延时型时间继电器电路 n接通电源后，四个电容器均迅速充电接通电源后，四个电容器均迅速充电。C1(50uF)是电源滤波电容，C2(33uF)、C4(50uF)是在电源断电以后分别给场效应晶体管和Ks回路提供电压及能量的电容器。C3是延时电容。C3上电压接近稳压管V4的电压，而C2上
12、的电压由于有电位器RP2的分压作用，其值较小，因此V1(场效应管)的UGS=UC2-UC30,调整RP2可使V1处于夹断状态，V2,V3也随之截止。n当电源切断后，C2，C4分别因V1，V3，截止而无法放电，C3则可以则可以通过放电电阻通过放电电阻RP1+R5放电放电。当放电到UGS大于其夹断电压一定值时，V1导通，C2通过R4,V3,V2的发射结和V1的D、S极放电，由于V2导通，C3也经R4,V3的发射结及V2放电，C3上的电压下降又促使V1进一步导通。这一正反馈过程使C2，C3，C4迅速放电，各管迅速导通，Ks吸动，打开KD的机械锁扣。n电路中的二极管V6，V7，V9分别用来防止C2，C
13、3，C4在延时过程中对其他低电阻放电，V5起温度补偿作用，KD在吸合后有锁扣自锁，故通电后可用其一对转换触点将自己断电。为使吸合过程可靠(KD中电流为半波整流电流)，线圈上并联了一个小容量电容C5nJS20系列半导体式时间继电器的其他一些性能指标如下：延时重复误差小于或等于3%。当电源电压在额定值85%105%范围内变化时，延时误差小于或等于5%。当周围空气温度在1050 范围变化时，其延时误差小于或等于10%当继电器动作12万次以后，其延时的精度稳定性误差小于或等于 10%。通电延时型时间继电器的重复动作间隔时间不小于2s。断电延时型时间继电器的最小通电时间应小于2s。消耗功率不大于5W。机
14、械寿命为60万次。C4.3半导体式行程开关半导体式行程开关本节结构本节结构n4.3.1 概述n4.3.2 典型范例一停振型行程开关n4.3.3 典型范例二差动变压器型行程开关4.3.1 概述概述n 无触点的行程开关无触点的行程开关又称为接近开关接近开关(半导体式行程开半导体式行程开关关)。n当某种物体与之接近到一定的距离时就会发出动作信号，它不像机械行程开关那样需要施加机械力，而是通过其感辨头与被测物体间的介质能量变化来获取信号。n 半导体式行程开关的应用已远远超出一般行程控制和限位保护的范畴，例如用于高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存在、零件尺寸以及无触点按钮等。n即使用于一般行程控制
15、，其定位精度、操作频率、使用寿命和对恶劣环境的适应能力也优于一般机械式行程开关。分类 半导体式行程开关根据其感辨机构感辨机构的工作原理的工作原理 可以分为：(1)高频振荡型 (2)电磁感应型 (3)电容型 (4)光电型 (5)永磁型 (6)超声波型 (7)霍尔型(1)高频振荡型行程开关n高频振荡型行程开关是一种有开关量输出的位置传感器，它由它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体接近产生电磁场的振荡感应头，使物体内部产属物体接近产生电磁场的振荡感应头，使物体内部产生涡流，涡流反作用于行程开关，生涡流，涡流反作用于行程开关，使行程开关振荡能力衰减，内
16、部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通断。n这种行程开关用于检测各种金属物体各种金属物体，当前应用最为应用最为普遍普遍。n另外，值得指出的是:不同的金属物体接近振荡感应头时，使行程开关振荡能力衰减的程度不一样，表3-2列出了几种常用金属体的衰减系数。（2）电磁感应型行程开关电磁感应型行程开关(包括差动变压器型包括差动变压器型)利用被检测物体接近时产生的涡流及磁场的变化，以衡量检测线圈和比较线圈之间差值进行动作的。用于检测导磁和非导磁金属检测导磁和非导磁金属。（3）电容型行程开关电容型行程开关 主要是由电容式振荡器及相关电子电路组成，它的电容位于传感界面，当物体接近时
17、，将因为耦合电容值的变化而振荡，从而产生振荡或停止振荡使输出信号发生改变。电容式行程开关可用各种材料触发，如固体、液体或粉末状物体。用于检测导电和不导电的液体和金属检测导电和不导电的液体和金属。（4）光电式行程开关光电式行程开关 利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其检测的物体不限于金属，也可以进行非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等的状态和动作。依据检测方式的不同，光电式行程开关可分为:反射式光电开关、对射式光电开关、镜面反射式光电开关三种类型。（5）永磁型行程开关永磁型行程开关 利用永久磁铁的吸力驱动舌簧开关而输出信号。永
18、磁型以及磁敏元件用于检测磁场及磁性金属磁场及磁性金属。（6）超声波型行程开关超声波型行程开关 主要由压电陶瓷传感器、发射超声波和接收反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成。适于检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、光等因素干扰，检测目标可以是固体、液体或粉末状态的物体，只要能反射超声波即可只要能反射超声波即可。（7）霍尔型行程开关霍尔型行程开关 将磁信号转换为电信号输出方式工作的，其输出具有记忆保持功能。内部的磁敏元件仅对垂直于传感器的截面磁场敏感，当磁极S正对接近开关时，接近开关的输出产生正跳变，输出为高电平。若磁极N正对接近开关时，输出为低电平。图4-16
19、 常见的半导体式行程开关主要技术指标动作距离动作距离 大多数半导体式行程开关的动作距离是指开关大多数半导体式行程开关的动作距离是指开关刚好动作时感辨头与检测体之间的距离刚好动作时感辨头与检测体之间的距离。以能量束为原理（光及超声波）的半导体式行程开关的动作距离则是指发送器与接收器之间的距离。半导体式行程开关说明书中规定的是动作距离的标准值，在常温和额定电压下，开关的实际动作值不应小于其标准值也不能大于其标准值的20%。一般动作距离在530mm之间，精度为5um0.5mm。重复精度重复精度 在常温和额定电压下连续进行10次试验，取其中最大或最小值与10次试验的平均值之差作为半导体式行程开关的重复
20、精度。操作频率操作频率 操作频率即每秒最高操作次数。操作频率的大小与半导体式行程开关信号发生机构的原理及出口元件的种类有关。采用无触点输出形式的采用无触点输出形式的半导体式行程开关，操作频率主要取决于信号半导体式行程开关，操作频率主要取决于信号发生机构及电路中的其他储能元件发生机构及电路中的其他储能元件;若为触点若为触点输出形式，则主要取决于所用继电器的操作频输出形式，则主要取决于所用继电器的操作频率率。复位行程复位行程 复位行程是指开关从“动作”到“复位”的位移距离。使用注意事项对于电感式行程开关电感式行程开关，当检测物体为非金属时，检测距离要减小，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。电容式行程
21、开关电容式行程开关理论上可以检测任何物体，但是当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，即使增加灵敏度也无明显效果。当使用感性负载(如电动机等)时，其瞬态冲击电流较大，可能损坏交流二线的半导体式行程开关，在这种情况下，可以经过交流继电器作为负载来转换使用。避免半导体式行程开关在化学溶剂，特别是在强酸、强碱的环境下使用。为了使半导体式行程开关能长期稳定工作，务必进行定期的维护，包括检测物体和半导体式行程开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。4.3.2典型范例一典型范例一停振型行程开关停振型行程开关1、概述 半导体式停振型接近开关属于高频振荡型，是一种
22、典型的半导体式停振型行程开关。高频振荡型行程开关是以金属触发为原理，主要由高频振荡器、集成电路或晶体管组成的放大电路和输出电路三部分构成 n高频振荡型接近信号的发生机构实际上是一个LC振荡器，其中L是电感式感辨头。n当金属检测体接近感辨头时，在金属检测体中将产生涡流，由于涡流的去磁作用使感辨头的等效参数发生变化，由此改变振荡回路的谐振阻抗和谐振频率，振荡回路损耗增大，使振荡停止。n振荡器的振荡信号和停振信号，经整形放大后转换成开关信号输出。LC振荡器由LC谐振回路、放大器和反馈电路构成。按反馈方式可分为电感分压反馈式、电容分压反馈式和变压器反馈式。图4-17 半导体式停振型行程开关电路组成框图
23、2、示例图4-18 半导体式停振型行程开关电路n由C2取出的反馈电压经R2和R1加到晶体管V1的射极和“地”之间，取分压比等于1，即C1=C2，其目的是为了能够通过改变RP来整定开关的动作距离。n振荡器输出的正半周电压使C3充电充电。负半周C3放电放电，选择较大的R4可减小放电电流，由于每周内的冲电量等于放电量，所以较大的R4也会减小充电电流，使振荡器在正半周的负担减轻。但是R4也不应过大，以免V2基极信号过小而在正半周内不足以导通。n检波电容检波电容C4由于充电时间常数由于充电时间常数R5C4远大于放电时间常数远大于放电时间常数(C4通过半波导通向通过半波导通向V2和和V7放电放电)，n因此
24、当振荡器振荡时，因此当振荡器振荡时，V2的集电极电位基本等于其发射极的集电极电位基本等于其发射极电位并使电位并使V3可靠截止。可靠截止。n当有金属检测体接近感辨头当有金属检测体接近感辨头L使振荡器停振时使振荡器停振时，V3的导通的导通。C4的另一个作用是当电路接通电源时，振荡器虽不能立即起振，但由于C4上的电压不能突变，使V3不致有瞬间的误导通。4.3.3 典型范例二典型范例二差动变压器型行程开关差动变压器型行程开关1、概述概述n差动变压器型行程开关的感辨头采用铁氧体材料制成的H型铁心(如图4-19(a)所示)，中心柱上绕有励磁绕组1 和2 及 3和4各为同极形，而两对绕组1 和2 及 3和4
25、反极性串联，使输出电势为两边的差动电势，如图4-19(b)所示。当无检测体时，铁心两侧磁场对称，输出电势，e0=e1-e2=0，当金属体向右侧气缝接近时，检测体中感生的涡流对右侧磁场产生去磁作用，从而使二次绕组有差动电势e00图4-19 差动变压器型感辨头2、示例图4-20 差动变压器型半导体式接近开关电路n图4-20所示为一种差动变压器型半导体式接近开关电路。为了减小感辨头的尺寸，一次绕组的励磁电压由100MHz左右的高频信号源提供，为此在电路中设置了一个电容三点式振荡器。当有金属检测体接近感辨头的时候，两套二次绕组1 和2 及 3和4 就感应出差动电势，经复合管放大器放大，再由隔直与检波电
26、路处理为电平信号送至射极耦合触发器鉴幅，电路有Y和 两个互补输出端。在 端还设置了一个发光二极管V10作为开关状态指示。触发器除了射极耦合二极管V8以外，还采用了集基极耦合的正反馈电阻R11，使开关特性更加良好。开关的精度在很大的程度上取决于放大器工作的稳定性。为了使放大器工作稳定，采用负反馈电阻R7，并在直流偏置电路中接入了缓变型PTC热敏电阻Rt，以使在规定的温度范围内保持直流工作点的稳定。YY 差动变压器有较高的感辨灵敏度，在其后又有较高增益的放大器，因此与停振型行程开关相比，差动变压器型行程开关有较大的动作距离，即有较大的磁心利用系数。由于没有停振与起振过程，因此还有很高的操作频率。由
27、于差动差动变压器型半导体式行程开关是基于金属检测体变压器型半导体式行程开关是基于金属检测体中涡流的去磁效应来工作的，由于铜、铝等电中涡流的去磁效应来工作的，由于铜、铝等电阻系数较小的检测体去磁效应比电阻系数较大阻系数较小的检测体去磁效应比电阻系数较大的铁检测体要大，因此当尺寸相同时，铜、铝的铁检测体要大，因此当尺寸相同时，铜、铝检测体的动作距离比铁的动作距离要大检测体的动作距离比铁的动作距离要大。4.4 半导体式保护电器半导体式保护电器n本节结构本节结构n4.4.1 半导体式过流保护器n4.4.2 半导体式过电压保护器n4.4.3 半导体式欠电压保护器n4.4.4 半导体式超温保护器n4.4.
28、5 半导体式漏电保护器n4.4.6 半导体式断相保护器n4.4.7 半导体式低压断路器n概述概述 半导体式保护电器主要是由半导体元器件(包括半导体集成电路器件)构成的电子电路装置，这种装置同有触点保护电器的功能类似，对电器控制系统及其设施具有保护作用 常用的典型半导体式保护电器常用的典型半导体式保护电器 半导体式过电流保护器、半导体式过电压保护器、半导体式欠电压保护器、半导体式断相保护器、半导体式超温保护器、半导体式漏电保护器和半导体式脱扣器等4.4.1半导体式过流保护器半导体式过流保护器1、概述概述 过流保护电器包括过载保护电器和短路保护电器.图4-21为其检测电路结构原理框图。检测电路由I
29、-U变换器、整流电路、滤波电路及整定电路构成，被监控量是电动机主回路的交流电流i1，首先把i1经I-U变换器变换为同i1具有线性关系的交流电压U2,再经整流得到脉动电压，最后经滤波器及整定电路输出直流电压给鉴幅器鉴别，鉴幅器由电压比较和开关电路两部分组成。从检测电路输入的直流电压在鉴幅器中与门限电压进行比较，以识别电动机的运行状态和故障性质，瞬时或者延时地发出动作信号。2、电流型保护继电器应具有以下性能反时限特性，可错开电动机的启动时间。电动机过载特性与反时限特性有较好的匹配(前者应该略低于电动机的过载特性)。3、各部分介绍n半导体式过载保护电器由测量电路、鉴幅器、时限电路及输出电路等组成，如
30、图4-22所示，当为1倍电流整定值时，动作时间可在20120s范围内调节;若为10倍整定值，则动作时间在1.510s内调节。图4-22 半导体式过载保护器检测电路nI-U变换器及检波器采用了电流互感器、桥式整流器和型滤波器，如果要求过流保护器具有较高的返回速度，可与电容器C1并联一个放电电阻R，如图4-22所示。下面介绍I-U变换器的工作原理。nI-U变换器实质上就是电流互感器电流互感器和电抗互感电抗互感器器的组合体。在电器控制系统中，通过电流互感器及电抗互感器所测的电流和电压来衡量或判断供电系统的运行状态。n保护用的互感器与仪表用的互感器工作原理相同，但性能要求上有所区别。仪表用互感器要求测
31、量精确，保护用互感器则往往允许有恒定的公差(幅值误差)和角差(相位误差);仪表用互感器要求精确地反映电器控制系统在正常运行状态下的电流和电压，保护用互感器则要求在发生故障时及时有效地反映被测电流和电压。图4-23 互感器结构及等值电路图(1)电流互感器电流互感器:由磁势平衡关系可得 (4-8)式中 分别为互感器一次绕组电流、二次绕组电流、励磁电流，N1 N2分别为电流互感器一、二次绕组匝数。将式(3-8)用N2除得 (4-9)将一次电流 和励磁电流 折算至二次侧，得 (4-10)电流互感器的工作条件是负载阻抗Zf远小于励磁阻抗Zm，即ZfZM，从而 (4-11)1I2IMI 12211NINI
32、NIM 212211NNIINNIM MIII21021MIII 负载阻抗上电压为 (4-12)由式(3-12)可知，电流互感器相当于一恒流源，电流互感器相当于一恒流源，其输出电压与负载电流或一次电流成比例。作其输出电压与负载电流或一次电流成比例。作为一恒流源，要求二次侧不准许开路或负载过为一恒流源，要求二次侧不准许开路或负载过大，否则易造成过电压，使互感器绝缘击穿大，否则易造成过电压，使互感器绝缘击穿 ffZIZIU122 (2)电抗互感器电抗互感器:电抗互感器的铁心通常开有气隙，励磁阻抗很小，因而有ZmZf，则 可以建立下列关系 G为工作气隙隘导1IIMdtdNeu0111dtdNeu02
33、22GNi110 (4-13)(4-14)(4-15)设 则因二次侧接近开路状态，则有tIimsin11tGNIdtddmcos110MMmZItGNINdtdNeucos1120222MMINNI121tGZMcos(4-16)MMZIU2)(12MMXjRIU通常由于 由此可见，电抗互感器相当于一个恒压源电抗互感器相当于一个恒压源。其电压值取决于一次电流在励磁阻抗上的压降，而与负载阻抗的大小无关，其输出电压的相位超前于一次电流90，它不允许二次侧短路或负载阻抗太小，否则二次侧电流过大，烧毁互感器。电抗互感器输出电压与一次电流不仅有成比例变化关系，而且具有移相功能。铁心开有气隙使I-U变化的
34、线性区较宽，使剩磁减弱，因而可消除在电路出现短路电流以后检测电流时由剩磁引起的测量误差。MMXRMXI jU12 (4-17)(3)零序电流互感器零序电流互感器:将三相导线一起穿过电流互感器的铁心窗口，互感器就成为一台测量零序电流的零序电流互感器。当线路正常运行时：则各相电流对应磁通矢量和为 所以铁心内没有磁通，二次侧输出电压为零。0WVUIII (4-18)0WVU (4-19)当线路发生单相接地或漏电等故障而出现零序电流时，即 铁心中产生成磁通由 可知，二次绕组感应出电动势。0IdtdNe0WVUIII (4-20)0WVU (4-21)当三相导线在铁心窗口中的空间位置不对称时，即使 的条
35、件下，二次绕组也会产生一定的电势，这一情况相当于一次绕组中存在某一电流，此电流称为残留电流。安装时应使三相导线在空间的位置尽可能地对称，尽量减小残留电流和由残流引起的输出电压，以保证保护动作的灵敏性和工作的可靠性0I鉴幅器 过载部分所用的鉴幅器(见图4-22鉴幅器部分)是由R2,R3,V6组成的分压比较器和V1，V2组成的射极耦合触发器构成。门限电压VdA约为1.8V。电动机正常工作时，A点电位小于门限电压，V1截止V2导通，并将电容C4短接，时限电路不工作。当电动机出现过载时，测量电路的输出电压Ux升高，A点电压UAx达到门限电压UdA时，射极耦合触发器翻转为V1导通、V2截止，二极管V7截
36、止，电容器开始充电，C点电位上升，经历某一时限后升至门限电压UdC,V3变为导通，V4变为截止，V5导通，带动继电器K1动作，经K2发出信号图4-22 半导体式过载保护器 鉴幅器主要是对直流或脉冲信号的幅值进行鉴别。对交流信号鉴幅时，一般须先进行检波处理，然后鉴幅。鉴幅器由电压比较环节和开关电路两部分组成，而往往这两部分同在一个电路中。鉴幅器提供一基准电压，此基准电压应基本不受电源电压或环境温度的波动影响，由此基准电压和相关部分组成了鉴幅器的门限电压。保护电器动作时的门限电压叫作“动作”电压Ud，释放(复位)时的门限电压叫做“释放”电压Uf。n鉴幅器有两种形式:n一种是无回差鉴幅器一种是无回差
37、鉴幅器,门限电压Ud，等于释放(复位)电压Uf，即 Ud=Uf ；n一种是有回差鉴幅器一种是有回差鉴幅器，即UdUf。n常见的无回差鉴幅器有正反馈比较器、负反馈放大器等;有回差鉴幅器如施密特触发器、正反馈放大器等 (1)无回差鉴幅器n无回差鉴幅器的Ud和Uf为同一值。鉴幅器的基准电压通常是利用电源电压经电阻分压或电阻-稳压管分压后取得，这两种方式提供的门限电源电压，对环境温度波动的反应不同。晶体管式鉴幅器n晶体管式鉴幅器主要为串联比较式，也就是信号电压与基准电压在回路中为反向串联关系。图4-24 串联比较式鉴幅器 在图4-24(a)中，稳压二极管V3，对晶体管V1的Ube1的负温度系数具有一定
38、的温度补偿作用。由于稳压管的动态电阻很小，故V3基本无负反馈作用。当外部输入信号的电压幅值Ux小于鉴幅器的门限电压Ud时，晶体管V1截止，其输出电压U01=Uc1，使稳压二极管V4击穿，晶体管V2导通，此时 当外部输入信号的电压幅值Ux大于鉴幅器的门限电压Ud时，晶体管V1由截止变导通，输出电压 使 晶体管V2由导通变为截止，此时U02=Uc2 为了减小图4-24(b)所示电路门限电压Ud受温度的波动影响，其门限电压Ud一般设置在3V以上。该电路由于R2的负反馈作用，输出开关性能差，在其后仍需设置较高增益的放大器或开关电路。202ceUU3301ceVUUU2401beVUUU图4-25 另一
39、种串联比较式鉴幅器 图4-25也为串联比较式电路，但它同图4-24中门限电压和信号电压的比较结果相反即 UdUx时，晶体管截止;当UdUx时，晶体管饱和导通。图4-25(a)中的门限电压Ud和信号电压Ux皆有接地点，而图4-25(b)中的门限电压Ud无接地点。当UxUd时，晶体管V1截止，V2导通，继电器线圈有电流流过，继电器吸合。图4-25(b)中二极管V5和V6起保护作用是为了限制晶体管V1的基射结承受过高的反向电压，V6的反向漏电流的温度特性对V1兼有温度补偿作用。电压比较器式鉴幅器n电压比较器即用运算放大器构成，它是通过正、反相输入端输入电压的比较，使输出状态发生改变，由于电压比较器的
40、输入电阻大，所需信号源的电流小，且它的电压比较环节在其输入端，门限值根据需要可调，所以它是一个极佳的鉴幅器。图4-26所示为LM339电压比较器等效电路，从图中可知，输入比较环节为差动式比较器，当同相端输入电压大于反向端输入电压时，输出管处于截止状态;反之，输出管处于导通状态。值得注意的是电压比较器输出要带负载，否则将无比较电压输出n图4-26所示为LM339电压比较器等效电路，从图中可知，输入比较环节为差动式比较器，当同相端输入电压大于反向端输入电压时，输出管处于截止状态;反之，输出管处于导通状态。值得注意的是电压比较器输出要带负载，否则将无比较电压输出图4-26 LM339电压比较器等效电
41、路n图4-27为电压比较器式无回差鉴幅器。n此电路的门限电压Ud是电源电压在R1上的分压，门限电压为 ，它接至比较器的反相输入端。信号电压Ux通过限流电阻接至比较器的同相输入端。由于电压比较器有很高的电压放大倍数，只要Vd和Ux之差稍有变化，则输出端的电压立即跃变。n当UxUd时比较器输出端输出低电平，晶体管V1截止;当Ux稍大于Ud时，比较器输出端输出高电平，晶体管V1由截止变为饱和导通，继电器K吸合)/(211RRERUd图4-27 电压比较器式无回差鉴幅器(2)有回差鉴幅器有回差鉴幅器具有下列优点优点：具有回差鉴幅器的保护电器在动作值附近有一滞区，以便恢复保护系统的工作更为稳定和更为可靠
42、。这类似于一些调节精度较低的开关量调节系统中，要求调节电器有一定的回差，以免使主回路中的大容量开关操作过于频繁。交流信号电压经检被器检波后仍有一定的脉动，但是有回差鉴幅器仍可以使保护电器在动作值附近有稳定的工作状态。回差鉴幅器有利于上、下限控制中具有宽广的调节范围。回差鉴幅器可使放大倍数较小的开关电路也能获得良好的开关特性。有回差鉴幅器中UdUf，所以给直流放大器以适量深度的正反馈即成为具有一定门限电压和释放电压的有回差鉴幅器。但反馈不应过深，以免使电路成为具有记忆功能而不自动复位的双稳态触发器。在实际工程中，常用的回差鉴幅器有施密特触发器式鉴幅器、电压比较器式鉴幅器、逻辑门电路式鉴幅器。1)
43、施密特触发器式鉴幅器 施密特触发器是一种典型并且应用广泛的有回差鉴幅器，又称射极耦合触发器。它是电流正反馈式电路，如图4-28(a)所示。此电路的门限电压Ud主要是集电极电流在射极电阻Re上的压降。门限电压Ud和释放电压Uf的计算在原则上准许有一定的偏差，但偏差不宜过大，且门限电压的偏差值取上限，释放电压的偏差值取下限，这样保护电器才能稳定可靠工作。图4-28 施密特触发器及其回差示意图 电路中的门限电压Ud和释放电压Uf及输出电压U。关系见图4-28(b)所示。可以证明，当增大射极电阻Re后，Ud及Uf均提高，但Ud提高的幅度较大，因此回差增大。当减小集电极电阻Rc1，则Ud、Uf均同样增大
44、，所以回差不变。如果增大Rc2.可以减小Ud，而Uf不变，因此回差减小。图4-28(a)的电路在常态下，V1截止，V2导通。当信号电压Ux达到门限电压Ud时，电路翻转为V1导通，V2截止。电路翻转以后只有很小的输入电阻，如果信号源内阻很小，可在V1基极上接入限流电阻Rg2)电压比较器式鉴幅器 电压比较器式有回差鉴幅器如图4-29所示。电路由输出端引出正反馈电压至同相输入端，被鉴信号电压则加至反相输入端。当信号电压达到鉴幅器的门限电压时，鉴幅器输出低电平；当信号电压降至鉴幅器的释放电压时，鉴幅器输出高电平。图4-29 电压比较器式有回差鉴幅器3）逻辑门电路式鉴幅器 图4-30所示电路是由两个CO
45、MS与非门构成的有回差鉴幅器，当图中输入端(A端)电位由零电位上升致使D1输入端(B端)电位上升到转折电压Ux附近时，D1的输出端(C端)下降至Ux附近，D2的输出端(L端)电位开始上升，经两级反相器的正反馈作用使电路迅速翻转为“1”，电路输出端电压U。接近电源电压Uce，此时的A端电位就是电路的门限电压Ud图4-30 CMOS与非门组成的有回差鉴幅器 在翻转前的一瞬间电路有下述关系:当A端电位由高电位下降至释放电压Uf时，B端电位随之降低到它的Ux附近，C端电位上升至Ux附近，于是电路翻回为“0”。在翻回前的一瞬间，电路有下列关系：令K=R2/(R1+R2)，则式(3-22)和式(3-23)
46、可分别改写为 利用式(3-25)，给出Ud，Uf，k中的任意两个量后便可解出第三个量。分压比k越大，回差Ud-Uf越小，但开关特性越差。因此R1 R2的选择还应满足电路所需的反馈深度。xdURRRU2210 (4-22)xfddURRRUUU221 (4-23)xdUkU (4-24)xfddUkUUU)(4-25)图4-22 半导体式过载保护器时限电路 时限电路(见图4-22中时限电路部分)由时间整定电位器RP2，电容C4，晶体管V3,及稳压管Vw等元件构成。为满足长延时(120s)的需要，在V3的射极加一稳压管Vw，并选用较大的电阻(RP1+RP2+R9)和电容C4以延长动作时间。由于供给
47、V3的基流较小，不能直接驱动继电器K1，因此在V3之后增加两级反相器V4,，V5，并且开关特性也得到改善短路保护 短路保护环节(见图4-22中鉴幅器部分)所用的鉴幅器由Rk1,Rk2组成的分压比较器和稳压管VW,VK与二极管V9,以及晶体管V3构成，其门限电压为 当电动机正常或过载运行时，因分压值UBX小于门限电压UDK，短路保护环节无反应。当电动机出现短路故障时，电流超过短路环节的整定值，使 UBX=UDK，继电器K1瞬时发生跳闸信号VWbeVVKDKUUUUU39 (4-26)4.4.2半导体式过电压保护器半导体式过电压保护器1.基本型过电压保护器图4-31 基本型过电压保护器 基本型过电
48、压保护器是一种简单的半导体式过电压保护器，其电路如图4-31所示，它可用于电视机等家用电器中，以避免因交流电源波动而使电器长期工作于过高电压下招致的损坏。它采用运算放大器uA741(IC1)作为检测电源过压的比较器，交流电压经整流滤波后提供给比较器的两个输入端，其中反相端2通过R3和齐纳二极管Vz1，取得稳定的 5.1V电压作为比较基准电压，而波动电压通过RP1调整后送至同相输入端3，它对交流电源电压的过压情况随时进行跟踪检测。RP1调整在交流电压为240V时，IC1的3脚刚好低于 5.1V，这时输出脚6为零，三极管V7截止，三极管V8导通，继电器KA的吸引线圈通电使其电磁铁吸合，交流负载通过
49、KA触点N/0获得220V电压正常工作。一旦交流电源过压超过240V时，IC1的3脚电压就高于5.1V，输出端6变高，红色指示灯LED1发光，同时V7导通，V8截止，继电器KA释放，负载电源被切断。电位器RP2用来对V7进行偏置调整，交流电网电压经降压变压器T后变成7.5V/1A交流电压，再经整流滤波后，用集成稳压块芯片7812稳压成12V电压，输出供给V7,，V8和KA等器件使用。2.组合型过电压保护器(1)无间隙组合式过电压保护器无间隙组合式过电压保护器 无间隙组合式过电压保护器结构如图4-32所示，每个保护单元由氧化锌电阻组成，直接与三相电源连接。如此设计，氧化锌(ZnO)阀片良好的非线
50、性可以得到充分发挥，在过电压未达到单位毫安电压(也叫转折点电压，参见图4-33)U1mA之前，氧化锌电阻呈高阻状态，它的电容性及阻尼性可以缓和过电压的波头陡度并减缓振荡频率;当过电压超过U1mA时氧化锌电阻呈低阻状态，利用其非线性对系统过电压实现限制，其非线性伏安特性如图4-33所示图4-32 无间隙组合式过电压保护器的电路基本结构图4-33 氧化锌的伏安特性曲线n这种过电压保护器的主要缺点主要缺点是:在氧化锌阀片尺寸固定的情况下，用来表征ZnO阀片保护性能的主要参数残压比K1=U残/U1mA是固定的。目前避雷器所使用的氧化锌阀片残压比一般为1.3左右，在保护弱绝缘设备(如电动机)时，其残压值
