电气控制与PLC第二章-朱程辉

本章提要2.1

固态继电器

2.2智能继电器2.3智能接触器2.4智能断路器2.5软起动器2.6变频器2.1固态继电器2.1.1固态继电器的分类与工作原理2.1.2固态继电器运用的留意事项2.1.1固态继电器的分类与工作原理固态继电器（简称SSR）是接受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，因而具有限制功率小、开关速度快、工作频率高、运用寿命长、抗干扰实力强和动作牢靠等一系列特点，当限制端无信号时，其主回路呈阻断状态，当施加限制信号时，主回路呈导通状态。固态继电器外形如图2-1所示

图2-1固态继电器外形图a)单相b)三相1．固态继电器的种类固态继电器是一种四端器件，其中两端为输入端，两端为输出端，中间接受隔离器件，以实现输入与输出之间的隔离。1）按主电路类型分，有直流固态继电器（内部开关器件：功率晶体管）和沟通固态继电器（内部开关器件：晶闸管）2）按输入与输出之间的隔离分，有光电隔离固态继电器和磁隔离固态继电器。3）按限制触发信号方式分，有过零型和非过零型，有源触发型和无源触发型。2．固态继电器的工作原理图2-2光电耦合式沟通固态继电器原理图图中B、C间虚线为用户自接。固态继电器的输入端仅需较小的电压和电流就能切换几安培甚至几百安培的大电流，且与晶体管TTL、CMOS电路有较好的兼容性，可干脆与弱电回路连接。常用的产品有DJ系列固态继电器。2.1.2固态继电器运用的留意事项1）固态继电器的选择应依据负载的类型来确定，并要接受有效的过压疼惜。2）输出端要接受RC浪涌吸取回路或非线性压敏电阻吸取瞬变电压。3）过流疼惜应接受特地疼惜半导体器件的熔断器或用动作时间小于10ms的断路器。4）安装时接受散热器，要求接触良好，且对地绝缘。5）切忌负载侧两端短路，以免固态继电器损坏。2.2智能继电器所谓智能继电器，就是以微处理器为中心限制元件，完成物理信号的输入输出，信号的转换，按预定规律算法进行计算、限制、处理，实现对电动机的疼惜，并能与上级限制计算机进行通信，完成信息交换。2.2.1智能继电器的结构与工作原理2.2.2E3Plus智能过载继电器2.2.1智能继电器的结构与工作原理智能继电器事实上是一个专用的微型计算机系统，由硬件和软件两大部分组成。（1）硬件智能继电器的硬件从模拟信号源接收电压、电流等数据，从限制电路中接收接点通断状态数据，然后由硬件处理这些数据并通过接点或固态开关的通断供应必要的限制作用。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路和标准通信接口等。图2-3智能继电器结构框图

智能继电器通常要有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。这个功能有两方面的作用：一是人对智能继电器进行状态干预和数据设置；二是智能继电器向人报告运行状态和处理结果。（2）软件智能继电器的软件是指存放在ROM中的系统程序，类似于计算机的操作系统。系统程序包括监控程序、逻辑处理程序、系统诊断程序、通信管理程序等。2．智能继电器的工作原理主要利用微处理器技术实现对电动机的疼惜。当电动机的运行状态满足确定脱扣条件时，智能继电器将会自动脱扣，再反馈至主回路，来完成对对电动机的疼惜。电动机的疼惜应依据电动机的类型、功率大小、运用场合以及所拖功的负载等因素确定。对于频繁起、制动和要求正反转的电动机，热继电器不宜运用。这是因为热继电器主要接受金属弹簧片等物理器件制成的，反应不够灵敏。而智能继电器是数字扮装置，它通过模拟电动机的实际温升来推断是否须要脱扣，因此就轻易地避开了电动机的起动电流，弥补了热继电器的上述缺陷。（1）电动机的疼惜电动机的额定电流也被称为满载电流（Full-loadcurrent）。对于传统继电器而言，不同额定电流的电动机就须要相应满载电流值的继电器与之配套运用，而对于智能继电器，可以通过设置继电器的满载电流值来疼惜不同额定电流的电动机。（2）满载电流（FLC）从继电器满足脱扣条件到继电器响应的时间称为脱扣延迟时间。图2-4继电器的安—秒特性（3）安－秒特性曲线脱扣级别是指当电动机承受6倍额定电流时继电器的最大脱扣延时时间（以秒为单位）。实际脱扣延迟时间应从相应脱扣级别所对应的安－秒特性曲线中查找得出，每种脱扣级别对应一个安－秒特性曲线。即使电动机承受相同的电流，假如脱扣级别不通，实际脱扣延迟时间也是不同的。因此不同的电动机运行状态应设置相应的脱扣级别进行疼惜。（4）脱扣级别图2-5智能继电器脱扣动作图2.2.2E3Plus智能过载继电器罗克韦尔自动化公司的智能继电器产品主要有SMP-3和E3两大系列。E3P1us是E3型的增加型。E3和E3P1us除了供应比SMP-3更为强大的状态监控功能外，还有预报警疼惜和电流测量。图2-6E3Plus智能继电器1．方均根（RMS）电流测量（1）霍尔传感器霍尔元件的基本电路如图2-7所示，限制电流由E供应，RP为调整限制电流I大小的调整电阻。霍尔电动势表示为：图2-7霍尔元件的基本电路主回路电流经霍尔传感器采集并转换成电压信号，霍尔传感器输出的电压信号UH特殊微弱，不能干脆传给A/D转换器。UH经信号处理电路对信号进行放大、滤波等处理后，转变成A/D转换器能接收的标准电压信号，再经A/D转换器转换成数字信号送入专用芯片。图2-8RMS电流测量流程图（2）测量流程方均根电流的计算公式如下：2．网络通信在罗克韦尔自动化公司的网络体系中，DeviceNet的特性所确定了智能继电器接受与DeviceNet连接的网络通信。图2-9DeviceNet通信连接图3．状态监控（1）电动机监控的必要性随着生产的发展，生产装备更为先进和现代化，其标记主要是大型化、高速化、连续化和自动化，设备变得更加精密和困难，设备故障造成的经济损失和影响也越来越大，设备的修理方式和监控方法更加受到关注。设备修理方式从它出现至今主要有三种类型：故障后修理、定期修理和状态修理。利用在线监控技术的状态修理是如今最先进的一种修理方式。（2）智能继电器的监控功能E3系列智能继电器对状态地监视有两个方面。首先是对智能继电器本身状态的监视，例如，继电器输入/输出端子的状态、脱扣与报警的状态、网络通信的状态，这些可以通过智能继电器的界面面板干脆进行视察，也可以通过设备网DeviceNet进行远程在线视察。其次是对电动机运行状态的监视，这只能通过设备网在上位机上实现。用户可以视察到电动机的单相电流、平均电流、已用热容量百分比、电流不平衡百分比、接地故障电流、最近五次脱扣记录等重要参数。2.3智能接触器智能接触器一般由基本的电磁接触器及附件构成。附件包括智能限制模块、帮助触头组，机械联锁机构、报警模块、测量显示模块、通信接口模块等，全部智能化功能都集成在一块以微处理器或单片机为核心的限制板上。2.3.1智能化电磁系统

2.3.2双向通信与限制接口2.3.1智能化电磁系统接触器的工作过程可分为吸合过程、保持过程、分断过程三部分。智能接触器的核心是智能限制单元，它对接触器的整个动态工作过程进行实时限制，依据动作过程中检测到的电磁系统的参数。1．智能限制原理接受接通过程电磁机构的变电流限制方法实现吸合过程的智能限制。图2-10所示为该方法的限制电压、线圈电流及对应的吸力特性曲线示意图。图2-10可变电流限制的电压、线圈电流与吸力特性曲线智能限制单元的结构如图2-11所示。2．智能限制单元结构图2-11智能限制单元结构示意图智能限制单元中的滤波整流模块对沟通输入电压进行滤波整流后输出直流电压限制接触器线圈，硬件上接受TVS管、瓷片电容和电桥来完成。整流后的直流电压输入到电源模块后输出5V和12V的电压给系统供电，电源模块接受成熟的电源管理芯片和高频变压器来完成电压转换的功能。后端的IGBT驱动模块接受功率开关器件完成对接触器线圈的斩波限制。2.3.2双向通信与限制接口智能接触器通过通信接口干脆与自动限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限制计算机及可编程序限制器（PLC）的限制指令，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。图2-12智能接触器外形2.4智能断路器

随着自动化技术不断发展，智能断路器和现场总线技术已在高、低压配电系统中发挥着越来越重要的作用。开关量、电量参数都可通过现场总线传送到中心限制室的计算机上。2.4.1智能断路器的结构

2.4.2智能断路器的通信与限制接口2.4.1智能断路器结构智能断路器是指具有智能化限制单元的低压断路器。这种智能型限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疼惜功能（如短路疼惜、过流过酷疼惜、漏电疼惜、缺相疼惜等），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）。图2-13智能断路器原理框图2.4.2智能断路器的通信与限制接口国产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支配电能和作为线路及电源设备的限制与疼惜，亦可用作三相笼型异步电动机的限制。图2-14智能断路器外形智能限制器具有以下功能：l）四段疼惜功能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2.5软起动器在一些对起动要求较高的场合，可选用软起动装置。软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种疼惜功能于一体的新颖 电机限制装置。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子限制电路。2.5.1软起动器的工作原理

2.5.2软起动器的限制功能

2.5.3软起动器的选用2.5.1软起动器的工作原理如图2-15所示为软起动器内部原理图。主要由三相沟通调压电路和限制电路构成。其基本原理是利用晶闸管的移相限制原理，通过限制晶闸管的导通角，变更其输出电压，达到通过调压方式来限制起动电流和起动转矩的目的。限制电路按预定的不同起动方式，通过检测主电路的反馈电流，限制其输出电压，可以实现不同的起动特性图2-15软起动器原理示意图2.5.2斜坡升压起动方式斜坡升压起动特性曲线如图2-16所示。此种起动方式一般可设定起动初始电压Uqo和起动时间t1。这种起动方式断开电流反馈，属开环限制方式。这种起动方式主要用于一台软起动器并接多台电机或电动机功率远低于软起动器额定值的应用场合。

图2-16斜坡升压起动方式

1．斜坡升压起动方式2．转矩限制及起动电流限制起动方式转矩限制及起动电流限制特性曲线如图2-17所示。这种起动方式引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属闭环限制方式。由于限制目标为转矩，故软起动器输出电压为非线性上升。但转速曲线为恒加速度上升。图2-17转矩限制及起动电流限制起动方式在电动机起动过程中，保持恒定的转矩使电动机转速以恒定加速度上升，实现平稳起动。在电动机起动的初始阶段，起动转矩渐渐增加，当转矩达到预先所设定的限幅值后保持恒定，直至起动完毕。在起动过程中，转矩上升的速率可以依据电动机负载状况调整设定。斜坡陡，转矩上升速率大，即加速度上升速率大，起动时间短。当负载较轻或空载起动时，所需起动转矩较低，可使斜坡缓和一些。由于在起动过程中，限制目标为电动机转矩，即电动机的加速度，即使电网电压发生波动或负载发生波动，通过限制电路自动通过增大或减小起动器的输出电压，也可以维持转矩设定值不变，保持起动的恒加速度。此种限制方式可以使电动机以最佳的起动加速度、以最快的时间完成平稳的起动，是应用最多的起动方式。3．电压提升脉冲起动方式此种起动方式一般可设定电压提升脉冲限幅UL1。升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。在起动起先阶段，晶闸管在极短时间内按设定升压幅值起动，可得到较大的起动转矩，此阶段结束后，转入转矩限制及起动电流限制起动。该起动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。图2-18电压提升脉冲起动方式

4．转矩限制软停车方式软停车方式通过调整软起动器的输出电压渐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且一般大于自由停车时间，故称为软停车方式。转矩限制软停车方式，是在停车过程中，匀速调整电动机转矩的下降速率，实现平滑减速。图2-19所示为转矩限制软停车特性曲线。减速时间t1一般是可设定的。图2-19转矩限制软停车方式5．制动停车方式当电动机须要快速停机时，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，因此很简洁通过变更晶闸管的限制方式而得到直流电。图2-20所示为制动停车方式特性曲线图2-20制动停车方式2.5.3软起动器的选用HPS2DB型智能经济型软起动器如图2-21所示

图2-21HPS2DB软起动器1．软启动器选型选择软启动器时除了技术、性能、价格比较外，还要考虑设备现场的电网容量、设备启动负荷轻重、启动频繁程度等具体条件。对于水泵类起动负载较轻的设备，可选择功能简洁、价格较低、操作便利的软启动器。对于启动负荷比较重的设备，应当选用启动功能比较多、有限流起动功能、自身疼惜比较齐全的软启动器。2．隔离器和熔断器选择由于软起动器中晶闸管的浪涌焦耳积分（I2t）值有限，选用断路器做短路疼惜装置不能有效疼惜晶闸管元件。建议选用快速熔断器做短路疼惜装置。快速熔断器额定电流的选用原则是设备起动时不会熔断，设备安装处发生最小短路电流时必需牢靠熔断。按下述可也阅历公式计算选用：式中，Ifn为快速熔断器额定电流（A）；Ie为电动机额定电流（A）。3．旁路接触器的选择软起动结束时，电动机已在额定电压上运行，因此按电动机的额定电流选用沟通接触器就能满足要求。留意接线时，软起动器与接触器必需同相连接。4．过负荷疼惜装置的选择软起动的过负荷疼惜装置应当选用具有过载疼惜、断相疼惜和温度补偿功能的热过载继电器。具体选用时，要使电动机的工作电流在热元件整定电流范围以内，工作时简洁过载的设备，要使电动机的额定电流值靠近热元件整定电流范围的下限。5．变压器负载实力及疼惜整定值校验假如变压器已接近满载，要慎重选用软起动设备，更要核对校验变压器的荷载实力和疼惜的整定值。增加软起动设备后，变压器二次侧断路器的短路短延时脱扣器的整定值Ir2为：计算出的Ir2应小于变压器二次侧断路器目前的实际短路短延时脱扣器的整定值，否则在新增加设备启动时，变压器二次侧断路器会分断跳闸。2.6变频器变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的沟通电源，以实现电机变速运行的电器设备。2.6.1变频器的工作原理

2.6.2变频器的限制方式

2.6.3变频器的分类与选型留意事项图2-22变频器外形a)丹弗斯变频器b)三菱变频器c)西门子变频器d)施耐德变频器2.6.1变频器的工作原理变频器的功能就是将频率、电压都固定的沟通电源变成频率、电压都连续可调的三相沟通电源。依据变换环节有无直流环节可以分为交－交变频器和交－直－交变频器。1.交－直－交变频器的工作原理

交－直－交变频器先将工频沟通电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的沟通电源。称为间接式的变频器。图2-23交-直-交变频器主电路交－直－交变频器可以分为以下几部分：（1）整流电路（交－直部分）整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。依据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。（2）中间环节（滤波电路）依据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。（3）逆变电路（直－交部分）逆变电路是交－直－交变频器的核心部分，其中6个三极管按其导通依次分别用VT1～VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。当前应用最广的是PWM变频器。PWM变频器的应用具有如下的一系列优点：1）逆变单元同时调整电压和频率，结构简洁。接受全控型的功率开关器件，电路简洁，效率高。2）接受了恰当的PWM限制技术，提高了系统的调速范围和稳态性能。3）逆变器同时实现调压和调频，系统的动态性能也得以提高。4）电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。交－交变频器是指无直流中间环节，干脆将电网固定频率的恒压恒频（CVCF）沟通电源变换成变压变频（VVVF）沟通电源的变频器，因此称之为“干脆式”变压变频器或交－交变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconverter）。常用的交－交变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的