電機及電氣控制技術(shù)教案：第11講

****學院單元教學設計****學年第**學期課程名稱：電機與電氣控制技術(shù)授課班級：****任課教師：所在系部及教研室：研室

第11講標題：電子電器2（2學時）授課班級上課時間上課地點多媒體教室教學目的了解電器的發(fā)展趨勢，電子電器的優(yōu)缺點。電子式時間繼電器的特點、原理及應用。教學目標能力（技能）目標知識目標能正確完成電子式保護電器在線路中的接線；能對電子式保護電器進行正確的調(diào)試和維護。了解接近開關(guān)、保護類電子電器的作用和工作原理。重點難點及解決方法接近開關(guān)、保護類電子電器的工作原理。參考資料【步驟一】新知識講解（時間：80分鐘）三、接近開關(guān)1．接近開關(guān)的用途與分類接近開關(guān)又稱無觸頭行程開關(guān)。其功能是當有某種物體與之接近到一定距離時就發(fā)出“動作”信號，而不像機械式行程開關(guān)那樣需要施加機械力。接近開關(guān)是通過其感辨頭與被測物體間介質(zhì)能量的變化來取得信號的。圖2-60為接近開關(guān)常用的各種感辨頭。與有觸頭的行程開關(guān)相比，接近開關(guān)的優(yōu)點是動作可靠，反應速度快，靈敏度高，沒有機械噪聲和機械損耗，功耗小，能在惡劣環(huán)境條件下工作，壽命長，應用范圍廣。它不但有行程開關(guān)控制方式，還可用于計數(shù)、測速、零件尺寸的檢查，金屬與非金屬的檢測，以及無觸頭按鈕，液面控制等電與非電量的自動檢測系統(tǒng)中，還可與微機、邏輯元件配合使用，組成無觸頭控制系統(tǒng)。接近開關(guān)的種類很多，按其感測機構(gòu)工作原理不同，可分為以下幾種型式：高頻振蕩型、電容型、電磁感應型（包括差動變壓器型、永磁及磁敏元件型、光電型、舌簧型、超聲波型）。不同類型的接近開關(guān)其檢測的對象也有所不同。對光電型接近開關(guān)，主要用于不透光的物體。而超聲波型開關(guān)，主要用于檢測不透過超聲波的物質(zhì)。2．接近開關(guān)的電路組成接近開關(guān)有很多種類，但各種電路的結(jié)構(gòu)均可歸納為由振蕩器、檢波器、鑒幅器、輸出電路等部分組成，其電路框圖如圖2-61所示。3．晶體管停振型接近開關(guān)圖2-62為LJ1-24變壓器反饋型接近開關(guān)的電路原理圖，它采用了變壓器反饋式振蕩器。在電路中，L1、C3組成并聯(lián)諧振回路，反饋線圈L2把信號反饋到晶體管V1的基極，從而使振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩。輸出線圈L3獲得高頻信號，由二極管V4整流，經(jīng)C4濾波后，在R5上產(chǎn)生直流電壓，使V2飽和導通，而V3截止，繼電器K則不動作。當有金屬體接近感辨頭時，由于渦流去磁作用使振蕩器停振。此時L3沒有這部分的正斜體還需要您檢查下高頻電壓，V2截止，V3基極電位升高，使V3飽和導通，繼電器K動作。V5為續(xù)流二極管，用以保護V3。V6的作用是使振蕩起動迅速。當V2截止時，它為V1的射極提供一個較低的電位，從而使V1在V2截止變導通時，V1的發(fā)射極從較低的電位開始下降，則振蕩器的起振更為迅速。這部分的正斜體還需要您檢查下該電路的一個重要優(yōu)點是設置了正反饋電阻R4，實現(xiàn)了后級電路對振蕩器的反饋作用。當金屬體接近時，V2由飽和向截止轉(zhuǎn)化，升高的電位通過R4反饋到Vl的射極，改變Vl的直流工作點，加速振蕩器迅速停振，從而縮短了接近開關(guān)的動作時間。常用接近開關(guān)的主要參數(shù)和主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：動作距離。對不同類型接近開關(guān)的動作距離含義不同。大多數(shù)接近開關(guān)是以開關(guān)剛好動作時感辨頭與檢測體之間的距離為動作距離。以能量束為原理（光和超聲波）的接近開關(guān)則是以發(fā)送器與接收器之間的距離為動作距離。在接近開關(guān)產(chǎn)品說明書規(guī)定的動作距離是其標稱值。在常溫和額定電壓下，開關(guān)的實際動作值不應小于其標稱值，但也不應大于其標稱值的20%。重復精度。重復精度是指在常溫和額定電壓下連續(xù)進行10次試驗，取其中最大或最小值與10次試驗的平均值之差為開關(guān)的重復精度。操作頻率。是指接近開關(guān)每秒最高操作數(shù)。操作頻率與接近開關(guān)信號發(fā)生機構(gòu)的原理和出口元件的種類有關(guān)。采用無觸頭輸出形式的接近開關(guān)，其操作頻率主要決定于信號發(fā)生機構(gòu)及電路中的其它儲能元件。若為有觸頭輸出形式的接近開關(guān)則主要決定于所用繼電器的操作頻率。復位行程。是指開關(guān)從“動作”到“復位”所位移的距離。四、保護類電子電器這一節(jié)變量都是正體，請您檢查修改下這一節(jié)變量都是正體，請您檢查修改下因保護類電器的特殊性，對其要求比普通電器要高很多，一般來講在應該動作的時候決不能“拒動”，否則可能造成設備損壞甚至人員的傷亡；在不該動作的時候也不能“誤動”。電子式保護類電器其工作原理與傳統(tǒng)的保護類電器有很大的不同，如傳統(tǒng)的熱繼電器是通過對電流的熱效應檢測來進行電動機過載（熱）保護，受電動機工作制和環(huán)境溫度的影響較大，采用電子式溫度繼電器時直接檢測電動機溫度，其可靠性當然比采用熱繼電器高很多。1.漏電保護電器如果用電不當或用電設備發(fā)生漏電故障，會給人類帶來危害。為了減少此危害，在技術(shù)上，應采取兩方面措施，一方面是保護電氣產(chǎn)品的安全性能和質(zhì)量，另一方面是采取措施防止漏電事故的發(fā)生。前者屬材料和產(chǎn)品制造問題，后者屬運行和管理問題。漏電保護電器是一種用于防止因觸電、漏電引起的人身傷亡事故、設備損壞以及火災的一種安全保護電器。下面僅分析防止觸電事故的輔助裝置——漏電保護繼電器的原理，使對漏電保護繼電器有正確認識，從而正確選用它。為適應不同電網(wǎng)和不同保護的需要，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的漏電保護電器的結(jié)構(gòu)形式、基本性能、使用條件也不相同，有各種不同的分類方法。漏電保護器按其結(jié)構(gòu)特點可以分為開關(guān)式、組合式、安全保護插頭和插座三大類，開關(guān)式又可再分為專門用作漏電保護的、兼有漏電保護和短路保護或過載保護兩種功能的、兼有漏電保護、過載保護和短路保護三種功能的三種。漏電保護器又可按動作值分為高靈敏度式、中靈敏度式和低靈敏度式三種，或按動作速度分為高速式、延時式和反時限式的三種。漏電保護器還可按其動作原理分為電壓動作式和電流動作式兩大類，其中電壓動作式由于存在難以克服的缺點，而被淘汰；而電流動作式卻因具有安裝地點靈活，既適用于變壓器中性點接地系統(tǒng)也適用于變壓器中性點不接地系統(tǒng)，可用于干線作動力線路等的漏電保護，也可裝設于分支線路作控制或照明線路等的漏電保護。電流動作式漏電保護器的線路方案很多，各有特點，主要區(qū)別在于中間環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)不同，故又可再分為電磁式和電子式。尤其是電子式利用電子元件，可以靈活地實現(xiàn)各種要求和具有各種保護性能，并不斷地向集成電路化方向發(fā)展。下面以電子式為例進行分析。漏電保護電器的工作原理圖如圖2-63所示。當被保護電路無漏電故障時，由基爾霍夫電流定律可知，在正常情況下通過零序電流互感器TA的一次繞組電流的相量和恒等于零，就是三相負載不對稱上式也同樣滿足。即使是無中性線三相線路或單相線路的電流的相量和也恒等于零。下面仍以三相線路有中性線進行分析。這樣，各相線工作電流在零序電流互感器環(huán)狀鐵心中所產(chǎn)生的磁通相量和也恒等于零，因而，零序電流互感器的二次繞組沒有感應電動勢產(chǎn)生，漏電保護電器則不動作，系統(tǒng)保持正常供電。一旦被保護電路或設備出現(xiàn)漏電故障或有人觸電時，于是產(chǎn)生漏電電流（也稱剩余電流），使得通過零序電流互感器的一次繞組的各相電流的相量和不再恒定為零，其和即為漏電電流。由此在零序電流互感器的環(huán)狀鐵心上將有勵磁磁動勢產(chǎn)生，所產(chǎn)生的磁通的相量和也不再恒定等于零，假設為，因此，零序電流互感器的二次繞組在交變磁通的作用下，就產(chǎn)生了感應電動，此感應電動勢經(jīng)過中間環(huán)節(jié)的放大和鑒別，當達到預期值時，使脫扣線圈QT通電，驅(qū)動開關(guān)QF動作，迅速斷開被保護電路的供電電源，從而達到防止漏電或觸電事故的目的。該電器的設計思想就是將漏電電流轉(zhuǎn)換為動作磁通，經(jīng)放大和鑒別后產(chǎn)生保護動作。圖2-64為DZ10、DZ5低壓斷路器中所組合的電子式漏電保護器的電路原理圖。漏電保護低壓斷路器，實際上是一種將漏電保護器和主開關(guān)組合安裝在同一機殼內(nèi)的塑殼式低壓斷路器。電路組成主要有零序電流互感器TA、單極三位開關(guān)Q、整定電阻器RL1、RL2、RL3，電容C7和保護電阻R3組成感測環(huán)節(jié)。其中單極三位開關(guān)Q和整定電阻器RL1、RL2、RL3組成整定電路，通過Q的變換可分別接通RL1、RL2、RL3，以達到對額定漏電動作電流的整定，RL1、RL2、RL3對應的額定漏電動作電流分別為30mA、50mA和75mA；按鈕SB、電阻R4和零序電流互感器的試驗繞組TA0組成試驗電路，通過按下SB，產(chǎn)生一個模擬漏電信號，以檢查漏電保護器的工作是否正常；晶閘管V、脫扣線圈QT、開關(guān)QF以及電容C2、C5和電阻R1組成出口電路，當漏電電流超過整定值時，V受觸發(fā)信號觸發(fā)而導通，使QT流過動作電流，脫扣機構(gòu)動作，驅(qū)動開關(guān)QF，使其觸頭迅速分斷，從而切斷供電電源。其中R1和C5為晶閘管V的過電壓保護電路，利用C5吸收能量來抑制瞬態(tài)過電壓，R1起阻尼作用，防止C5與電路分布電感發(fā)生諧振；整流橋VC、電阻R2電容C4和壓敏電阻器RV組成整流濾波電路，380V交流電經(jīng)VC橋式全波整流和R2、C4的濾波后，為晶閘管V和集成電路SF54123提供直流電源。RV起過電壓保護作用，用于吸收來自電源的瞬時過電壓。電路中采用了漏電保護器專用集成電路，型號為SF54123，其內(nèi)部電路框圖見圖2.38b。此集成電路中主要包括差動放大器、基準電壓環(huán)節(jié)、鎖定電路和穩(wěn)壓電路四個部分。它能接受零序電流互感器的輸出信號，并與基準電壓環(huán)節(jié)的基準電壓Ug比較，當漏電信號超過基準電壓時，通過差動放大器放大，當差動放大器輸出電壓超過鎖定電路的門限電壓Ud時，鎖定電路輸出一個觸發(fā)信號，提供給出口電路的晶閘管V的控制極。其中二極管V1和V2為差分放大器輸入限幅二極管，用于對漏電保護對象發(fā)生金屬性接地時出現(xiàn)的極大信號電壓進行限幅。其工作原理為，在正常工作時，電路或用電設備中無漏電或無觸電事故發(fā)生，穿越零序電流互感器TA其中的三相電源線電流的相量和恒等于零，TA的二次繞組也無信號輸出，同樣集成電路IC的鎖定電路也無輸出，晶閘管V處于截止呈開路狀態(tài)，脫扣器線圈QT基本上無電流通過，主電路開關(guān)QF處于閉合位置，系統(tǒng)正常供電。一旦電路或用電設備有漏電或觸電事故發(fā)生，TA的二次繞組有漏電信號輸出，此信號經(jīng)TA和RL1或RL2或RL3組成的I-U轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出給IC的1腳和2腳，作為差動放大器的輸入信號，并與基準電壓Ug比較，進行差模放大。如漏電或觸電的電流小于額定漏電動作電流的整定值時，差動放大器的輸出電壓則低于鎖定電路的門限電壓Ud，鎖定電路無輸出，系統(tǒng)仍保持正常供電。但如漏電或觸電電流大于額定漏電動作電流的整定值時，差動放大器的輸出電壓就大于鎖定電路的門限電壓Ud，鎖定電路即輸出一個觸發(fā)信號，通過IC的7腳加到V的控制極，使V導通，脫扣器線圈QT流過動作電流，脫扣機構(gòu)動作，驅(qū)動主開關(guān)QF，使其觸頭迅速分斷，切斷電源，從而有效地防止漏電事故擴大，保證了人身安全。此電路結(jié)構(gòu)簡單，直流電源是通過整流橋直接整流，省去了電源變壓器。同時采用漏電保護器專用集成電路，它能以最少的外接元件，高標準地完成漏電保護電器各種功能要求，從而使漏電保護電器無論是技術(shù)性能還是體積、價格上都發(fā)生了巨大變化，為實現(xiàn)低壓電器機電一體化邁出了可喜的一步。電子式電流型漏電保護電器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表2-22此處有改動。此處有改動漏電保護電器的主要參數(shù)有：額定漏電動作電流（I△n）。額定漏電動作電流是指在規(guī)定條件下，漏電保護電器必須動作的漏電動作電流值。它反映了漏電保護電器的漏電動作靈敏度。國家標準GB/T漏電動作分斷時間。漏電保護電器的動作時間是從發(fā)生漏電故障且漏電電流大于或等于額定漏電動作電流開始到被保護主電路完全被切斷為止的這段時間。為達到人身觸電時的安全保護和適應分級保護的要求，漏電保護電器的漏電動作分斷時間有無延時型和延時型兩種。無延時型漏電保護電器沒有人為延時，適用于單級保護，用于直接接觸保護的漏電保護電器必須用快速型；延時型主要用于分級保護首端，僅適用于I△n＞30mA的情況下，其特點是漏電電流越大，動作時間越短。國家標準GB/T規(guī)定漏電保護電器的動作時間，比如無延時型漏電保護電器對于交流剩余電流為I△n、2I△n、和5I△n時,最大分斷時間分別為0.2、0.1和0.04s。延時型漏電保護電器的額定動作時間為0.06s，對于交流剩余電流為I△n、2I△n、和5I△n時,最大分斷時間分別為0.5、0.2和0.15s；對于脈動直流剩余電流為1.4I△n、2.8I△n、和7I△n時,最大分斷時間分別為0.5、0.2和0.15s。2.過載和短路保護繼電器過載和短路保護電器屬過電流保護電器。（1）電路的基本組成圖2-65所示為三相橋式過載和短路保護繼電器電路原理圖。三相橋式過載和短路保護繼電器是由三相橋式測量電路、鑒幅器、時限電路和輸出電路等組成，其中測量電路由三臺電流互感器TAU、TAV、TAW的二次繞組聯(lián)成星形和電阻器RfU、RfV、RfW組成I-U轉(zhuǎn)換器，輸出端a、b、c分別接至二極管V1~V6所組成的三相橋式整流電路的輸入端，經(jīng)整流和電容C1平滑濾波后的信號由電阻R1和電位器RP1所組成的整定電路輸出。電阻器R4、R5以及二極管V8組成的分壓比較電路與晶體管V9、V10等組成的射極耦合觸發(fā)器構(gòu)成過載保護用的鑒幅器，門限電壓Ud1此處有改動約為1.8V。電阻R2、R3組成的分壓比較電路與穩(wěn)壓二極管V7、V15，二極管V13，晶體管V14、V16構(gòu)成短路保護用的鑒幅器，其門限電壓Ud2=UV7+UV13+UV14（be）+UV15，時限電路由時間整定電位器RP2、電阻R7、電容C3、晶體管V14、穩(wěn)壓二極管V15構(gòu)成。輸出電路由晶體管V16、V18、繼電器K1、K2等構(gòu)成。此處有改動（2）電路的工作原理在電動機正常運行時，測量電路輸出的電壓Uf較低，使A點的電壓值小于過載保護鑒幅器的門限電壓Ud1此處有改動，則晶體管V9截止，V10導通，電容C3兩端建立初始電壓UC30，時限電路不工作。且UC30小于輸出電路門限電壓Ud3，使二極管V12、晶體管V14截止，V16導通，V18截止，繼電器K1、K2不動作；同樣因分壓B點的電壓值也小于短路保護鑒幅器的門限電壓Ud2，也使得晶體管V14截止，V16導通，V18截止，繼電器K1、K2不動作。當電動機出現(xiàn)過載時，測量電路的輸出電壓Uf升高，使A點電壓達到門限電壓Ud1，射極耦合觸發(fā)器狀態(tài)改變?yōu)榫w管V9導通、V10截止，V10輸出為高電平，使二極管Vll截止，因電容C3上的電壓不能突變，故經(jīng)電阻器R7和電位器RP2對C3開始充電，使C點電位由UC30基礎(chǔ)上上升，經(jīng)歷某一時限后升至輸出電路的門限電壓Ud3，使二極管V12、晶體管V14導通，V16截止，V18導通，帶動繼電器K1動作，經(jīng)K2發(fā)出信號。對短路保護環(huán)節(jié)來說，此時同樣因B點電壓小于短路保護鑒幅器的門限電壓Ud2，故其無反應。當電動機出現(xiàn)短路故障時，電流超過短路保護環(huán)節(jié)的整定值，使B點電壓大于等于短路保護鑒幅器的門限電壓Ud2，使穩(wěn)壓二極管V7反向擊穿，二極管V13、晶體管V14導通，V16截止，V18導通，繼電器K2瞬時發(fā)出跳閘信號。此處有改動3．斷相保護繼電器當電動機斷相運行時，其各運行參數(shù)將發(fā)生顯著的變化，因此可以利用斷相故障后各運行參數(shù)變化中的某個特征來取得表征斷相的信號。常用的方法有以線電流等于零為原則的斷相測量電路、以負序電壓為原則的斷相測量電路、以過載保護為原則的斷相測量電路。下面僅以以線電流等于零為原則的斷相測量電路為例說明其工作原理。以線電流等于零為原則的斷相測量電路如圖2-66所示。由圖中可見其每相都接有獨立的變換器TA和整流濾波電路等構(gòu)成星形聯(lián)結(jié)的斷相測量電路。在電動機正常運行時，測量電路中各電流互感器二次繞組有電流輸出，經(jīng)整流和濾波等分別輸出UUx、UVx、UWx直流電壓作為與門電路的輸入信號，則與門的輸出UY為“1”。當電動機任一相出現(xiàn)斷相故障時，斷相線電流等于零。如U相出現(xiàn)斷相，即U相線電流等于零，U相電流互感器TAU二次繞組無電流輸出，同樣UUx輸出零電壓信號，則與門電路輸出UY為“0”。以此任一相出現(xiàn)斷相時線電流等于零為原則來取得斷相故障信號。由于這種測量電路是以電流等于零來取得斷相信號，因此所用電流互感器TA可在磁飽和狀態(tài)下工作。電流互感器工作在磁飽和狀態(tài)時，其二次繞組輸出是一恒定的電壓。不同容量的電動機和不同的運行功率情況時，雖然電流不等，但各相電流互感器的二次繞組電流和輸出電壓UUx、UVx、UWx都基本相等。只有在發(fā)生斷相時，對應相的輸出電壓等于零。這種情況有利于電器的通用性，即一臺電器可適用于容量范圍較寬的電動機斷相保護。另外，由于三相異步電動機空載電流值較大，因而即使電動機在接近空載運行時發(fā)生斷相故障也可得到保護。值得注意的是以線電流等于零為原則的斷相測量電路只適應于繞組為星形聯(lián)結(jié)的電動機。對繞組為三角形聯(lián)接的電動機，由于繞組發(fā)生斷相時，主電路三相仍可能有電流，故此測量電路無法取得斷相信號。故以電流為原則的測量電路不能使用在三角形接法的電動機中。4.溫度保護繼電器（1）分壓式溫度保護繼電器分壓式溫度保護繼電器電路原理圖如圖2-67所示。由電阻R1、電位器RP和NTC型熱敏電阻器RT組成分壓式測量電路。三極管V6、V7組成射極耦合觸發(fā)器和穩(wěn)壓二極管V5作鑒幅器，同時又和繼電器K組成輸出出口電路。電阻R7指示燈HL和繼電器K常閉觸頭組成指示電路。C1為加速電容器，C2為正反饋電容器，和電阻R5一起用于改善開關(guān)特性，電源電路由變壓器T、整流橋V1~V4和濾波電容C3組成。在正常工作狀態(tài)，被測溫度很低時，RT具有較大的阻值，A點上的電壓UA較高，大于穩(wěn)壓二極管V5和射極耦合觸發(fā)器動作電壓之和即鑒幅器的門限電壓，使V5被擊穿導通，V6也飽和導通．V7則截止，繼電器K不動作，指示燈HL發(fā)亮。當被測溫度上升到設定值時，UA小于鑒幅器的門限電壓，使V5、V6立即由導通進入截止，V7飽和導通，繼電器K線圈通電，常閉觸頭斷開發(fā)出保護動作信號，同時指示電路也斷開，HL熄滅指示溫度保護繼電器動作。調(diào)節(jié)RP即改變溫度設定值。（2）用于電動機的溫度保護繼電器一個熱敏電阻器只能檢測一相繞組的溫度，則一臺三相電動機至少需要三個熱敏電阻器。為使三個測量電路共用一個溫度繼電器的電子電路，那么三個測量電路可有兩種接線方式。一種為一臺電動機的每相繞