电机及电气控制技术教案：第10讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第10讲标题：电子电器1（2学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的了解电器的发展趋势，电子电器的优缺点。电子式时间继电器的特点、原理及应用。教学目标能力（技能）目标知识目标能依据系统特点正确选择电子电器和传统电器（有触头电器）能正确完成电子式时间继电器在线路中的接线；能对电子式时间继电器进行正确的调试和维护。掌握电子电器的优缺点；了解电子式时间继电器的组成、种类；理解电子式时间继电器的工作原理。重点难点及解决方法参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：2分钟）电子电器发展的现状。【步骤二】新知识讲解（时间：35分钟）一、电子电器的定义、组成及作用1.电子电器的定义电子电器是电子化或半电子化的电器，换句话说，就是由全部或部分电子元件和电子线路按特定功能所构成的电器元件或装置，又称半导体无触头电器或简称无触头电器。2.电子电器的优缺点电子电器与传统的有触头开关电器相比有一系列的优点，但也存在一定的缺点。（1）优点电子电器开关速度高，一般半导体无触头开关的动作时间只有数微秒至数十微秒甚至仅有数十纳秒，而有触头电器开关的固有动作时间为数十毫秒左右，即使是快速开关也需要几毫秒，在现代控制系统中，如某些开关量调节系统、电子计算机备用电源的切换开关等，就需要这种高速的开关电器来执行对系统进行调节和电路的切换，以达到控制的目的；电子电器操作频率高，以晶闸管开关为例，其操作频率可达每分钟数百次以上，而一般有触头电器是不可能达到的；电子电器寿命长，半导体开关只要在规定的电压和电流的极限范围内使用，其寿命几乎是无限的，而有触头电器因受到机械和电气性能的影响寿命不是很高；电子电器某些环境适应能力强，可在有机械振动、多粉尘、易燃、易爆的恶劣环境下工作；电子电器控制功率小，采用场效应晶体管或MOS集成器件为电子电器的输入级，信号源几乎不负担电流；电子电器功能强，不仅具有开关功能，而且还能进行功率放大，交、直流调压，交、直流电动机的软起动和调速等；电子电器经济性能好，采用模块式结构，这样就使得各种电控装置或系统的设计与安装变成若干标准模块的积木式组装，从而使电控装置或系统体积小、重量轻、成本低，有利于制造、维修。（2）缺点电子电器导通后的管压降大，如晶闸管的正向压降及大功率晶体管的饱和压降约为1.2V，因而造成耗损功率较大，为了散发由此耗损转变成的热量必须加装散热装置，故导致其体积比同容量的有触头电器大；电子电器不能实现理想的电隔离，如晶闸管关断后却仍然有数毫安的漏电流，造成电隔离不彻底；电子电器过载能力低，当用于控制电动机时，则需按电动机的起动电流来选择元件的容量；电子电器温度特性及抗电磁干扰能力差，易受温度及电磁干扰的影响，需采用温度补偿、散热、屏蔽、滤波、光电隔离等一些措施，此处有改动才能使电子电器在恶劣的环境中可靠地工作。此处有改动综上所述，电子电器有其一系列的优点，因而在二十世纪60年代末国内外曾发生了一场是否用无触头电器来取代有触头电器的学术争论。但事实证明电子电器也存在一些缺点，近十几年来电子电器有了一个快速的发展，其用量也越来越大，但也是不能完全取代有触头电器的，它们之间不应是相互排斥，相互取代，而应是相辅相成，互为补充。应根据技术要求和经济效益来选择最佳方案。3．电子电器的组成许多电子电器在基本原理和电路结构方面存在很多共性问题。图2-55为光电继电器电路原理图，图2-56为温度继电器电路原理图。比较此二种继电器原理图，可见二者在基本原理和电路结构上类同，所不同是采用了不同的感辨机构即成了不同类型的电器。大多数非数字式电子电器的组成如图2-57所示。并非所有电子电器的电路都完全遵循这一结构形式，在感辨机构和出口电路之间，许多电子电器根据其特殊的矛盾和规律，在信息的处理上或多或少会有些差异。有的需要增加一些电路，有的则可以减少一些电路，如有些电子电器需具有延时功能，故需增加延时电路；而有些电子电器采用有源传感器，故不需变换电路等。另外对有些较简单的电子电器其一个局部电路实际起到了图2-57中几个电路的作用。如图2-55中晶体管V2和晶体管V4等共同组成一个射极耦合触发器就起到了放大电路兼鉴别电路的双重作用。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：5分钟）电子电器的优缺点。【步骤四】新知识讲解（时间：35分钟）二、电子式时间继电器传统的时间继电器存在价格高、结构复杂、延时精度低、延时范围窄、延时调整麻烦等缺点。利用模拟和数字电子技术都可以实现延时，因此电子式时间继电器便应运而生。更由于电子产品加工技术的现代化，使电子式时间继电器在克服传统时间继电器一些缺点的同时更具价格优势。1.电子式时间继电器的特点与分类电子式时间继电器和传统的时间继电器一样，都是机电设备控制系统中的重要的元件。它具有延时范围广、精度高、体积小、耐冲击和振动、控制功率小、调节方便、寿命长等许多优点，所以发展很快，使用也日益广泛。电子式时间继电器的品种规格较多，构成原理各异。按构成原理分为阻容式和数字式两类；按延时的方式分为通电延时型、断电延时型、带瞬动触头的通电延时型等。2.阻容式晶体管时间继电器阻容式晶体管时间继电器是利用电的阻尼，即电容对电压变化的阻尼作用作为延时的基础。根据电压鉴幅器电路的不同，阻容式晶体管延时继电器大致可以分为三类：一类是采用单结晶体管的延时继电器；另一类是采用不对称双稳态电路的延时继电器；逐有一类是采用MOS型场效应晶体管的延时继电器。下面以具有代表性的JS20系列阻容式晶体管时间继电器为例，介绍其结构和电路的工作原理。JS20系列采用插座式结构，所有元器件都装在印制电路板上，然后用螺钉将其与插座紧固，再装入塑料罩壳内固定，组成本体部分。在罩壳顶面装有铭牌、整定电位器旋钮和指示灯。铭牌上有该时间继电器最大延时时间的十等分刻度。使用时旋转旋钮即可调整延时时间，当延时动作后指示灯亮。外接式的整定电位器不装在继电器的本体内，而用导线引接到所需的控制板上。JS20系列的安装方式有两种；装置式备有带接线端子的胶木底座，它与继电器本体部分间采用接插连接，并用扣环锁紧，以防松动；面板式可直接把时间继电器安装在控制台的面板上。它与装置式的结构大体相同，只是将通用大八脚插座替代装置式的胶木底座。JS20单结晶体管时间继电器的电路由延时环节、鉴幅器、出口电路、指示灯和电源等组成，图2-58为其电路原理图。电源的稳压环节由电阻R1和稳压管V3组成，只给延时环节和鉴幅器供电，出口电路中的V4和K则由整流电源直接供电。电容器C2的充电回路有两条，一条是通过主充电电路的电阻RP1+R2；另一条是通过由低电阻值电阻RP2、R4、R5组成的分压器经二极管V2向电容器C2提供的预充电电路。请注意修改下文章内容的正斜体的修改请注意修改下文章内容的正斜体的修改当接通电源后，（L接火线，N接零线），交流电由变压器T变压，再由二极管V1整流、电容器C1滤波以及稳压管V3稳压后给电路提供直流电压。通过RP2、R4、V2预充电电路向电容器C2以极小的时间常数快速预充电。预充电的幅度为U'C0，高于电容器C2上残存电压UC0，其值取决于RP2、R4、R5的分压值。预充电的作用是使主充电电路每次都能从一个较低的恒定电压U'C0开始，以消除电容器C2上无规律的残存电压UC0引起的延时误差；与此同时通过主充电电路RP1、R2也向电容器C2充电，但其充电时间常数要比预充电电路充电时间常数大很多，RP1是可变电阻，调节其大小，即改变了延时时间。电容器C2上的电压UC在预充电压U'C0的基础上按指数规律逐渐上升，当此电压大于单结晶体管V5的发射极峰点电压UP时，单结晶体管V5导通，输出脉冲电压提供给晶闸管V4控制极一个触发脉冲，使晶闸管V4导通，执行继电器K线圈通电，衔铁吸合，其触头将接通或分断外电路，执行延时控制。在电路中利用其一对并联在氖灯H两端的常闭触头断开，使氖灯H起辉，以指示延时已动作，同时其另一对常开触头闭合，将C2短接，使之迅速放电，为下一次工作作好准备，同时使C2不再充电，V5也停止工作，因而也提高了C2和V5的使用寿命。当切断电源时，继电器K线圈断电，衔铁释放，触头复位，电路恢复原来状态，等待下次工作。JS20系列时间继电器的主要参数见表2-21此处有改动。此处有改动JS20系列时间继电器主要技术数据如下：延时范围。每种延时等级的最大延时值应大于其标称延时值，但小于标称延时值的110%；最小延时值应小于该等级标称延时值的10%。如一个180s的时间继电器，它的最大延时时间，即将调节电位器旋至最大值，不应小于180s，但也不应大于198s；其最小延时间，即将电位器旋至零，不应大于18s。延时误差。延时重复误差范围为±3%；当电源电压在额定电压的85%~105%范围内变动时，延时误差范围为±5%；当周围空气温度在+10~50℃范围内变化时，其延时误差范围为±10%；当继电器动作12万次后，其延时的误差范围为±10%。3．数字式时间继电器阻容式晶体管时间继电器由于其特定的延时原理，使它具有许多自身难以克服的不足之处，如延时时间不可能太长；延时精度易受电压、温度的影响，造成其延时精度较低；延时过程不能显示等。随着半导体集成电路技术的高速发展和应用领域的渗透，为解决这一矛盾，出现了数字式时间继电器。这种数字式时间继电器延时的基本原理，就是采用对标准频率的脉冲进行分频和计数的延时环节来取代RC充、放电的延时环节。从而使时间继电器的各种性能指标得以大幅度地提高。同时，由于电子产品制造技术的发展，数字式的时间继电器反而具有价格优势。数字式时间继电器是从70年代初开始发展起来的，目前最先进的数字式时间继电器中应用了微处理器，使其除了具有延时长、精度高、延时过程有数字显示外，还具有其他许多功能，如延时方法可以选择多达11种，包括有延时闭合、延时断开、间隔计时、通电循环延时、通电延时闭合，再延时断开等等，再如状态指示，其除了可显示延时过程，还可指示无激励、延时和响应三种状态等等。目前，国内外数字式时间继电器按标准时基电路构成原理的不同可分为三种类型，即电源分频型、RC振荡型、晶体振荡分频型。下面仅以电源分频型数字式时间继电器为例分析数字式时间继电器的工作原理。图2-59为具有4位数字设定的电源分频型数字式时间继电器的电路原理框图。电源分频型数字式时间继电器的标准时基电路是利用交流市电的50Hz频率的电压，经降压、半波整流和波形整形后得到一列周期为0.02s的脉冲，作为标准时基脉冲。再经时基分频器产生0.ls、1s、10s的标准时基脉冲，供实际使用选用。本电路的特点：延时精度高，延时精度基本上不受电压、温度变化的影响。延时范围宽，当时基变换开关QS位于l位置上，可获得0.l~999.9s的延时范围；位于2位置上，可获得1~9999s的延时范围；位于3位置上，可获得10~99990s的延时范围；只要增多计数器和数字开关，就可获得宽的延时范围。整定、使用方便，电路中的数字开关是采用带有机械译码器的8-4-2-1拨码数字开关来整定延时时间，这样既可省去一套译码电路，使体积减小，又使整定方便和直观，如需整定延时时间为1357s，只需将时基转换开关QS置在2