《机电控制技术》-单元五

项目１概述任务１继电器的原理继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器的继电特性：当继电器的输入信号ｘ从零开始连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值ｘｘ时，继电器的输出信号立刻从ｙ＝０跳跃到ｙ＝ｙｍ，即常开触点从断开到接通。一旦触点闭合，即使输入量ｘ继续增大，输出信号ｙ将不再变化。当输入量ｘ从某一大于ｘｘ值下降到ｘｆ时，继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入－输出特性，对应的图形也称之为继电环。如图５－１所示。下一页返回项目１概述释放值ｘｆ与动作值ｘｘ的比值叫做反馈系数，即触点上输出的控制功率Ｐｃ与线圈吸收的最小功率Ｐ０之比叫做继电器的控制系数，即任务２继电器的分类阶段１按作用原理分１）电磁继电器在输入电路内电流的作用下，由于机械部件的相对运动而受到预定响应的一种继电器。上一页下一页返回项目１概述它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器和节能功率继电器。（１）直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。（２）交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。(3)磁保持继电器：将磁钢引入磁回路中，当继电器线圈断电后，继电器的衔铁仍能保持在线圈通电时的状态，具有两个稳定状态。（４）极化继电器：状态的改变取决于输入激励量的极性的一种直流继电器。上一页下一页返回项目１概述（５）舌簧继电器：利用密封在管内，具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换线路的继电器。（６）节能功率继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器，它的电流大（一般为30～100Ａ），体积小，有节电功能。２）固态继电器输入、输出的功能由电子元件完成而无机械运动部件的一种继电器。３）时间继电器当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定的时间才闭合或断开其被控线路的继电器。４）温度继电器上一页下一页返回项目１概述当外界温度达到规定值时而动作的继电器。５）速度继电器当检测速度达到一定值时，才接通或断开被控电路的继电器。６）加速度继电器当运动物体的加速度达到规定值时，才接通或断开被控电路的继电器。７）其他类型的继电器如光继电器、声继电器、热继电器等。阶段２按外形尺寸分上一页下一页返回项目１概述（１）微型继电器最长边尺寸不大于１０ｍｍ的继电器。（２）超小型继电器最长边尺寸大于１０ｍｍ，但不大于２５ｍｍ的继电器。（３）小型继电器最长边尺寸大于２５ｍｍ，但不大于５０ｍｍ的继电器。阶段３按触点负载分（１）微功率继电器：小于０.２Ａ的继电器。（２）弱功率继电器：０.２～２Ａ的继电器。（３）中功率继电器：２～１０Ａ的继电器。上一页下一页返回项目１概述（４）大功率继电器：１０Ａ以上继电器。（５）节能功率继电器：２０～１００Ａ的继电器。阶段４按防护特征分（１）密封继电器：采用焊接或其他方法，将触点和线圈等密封在金属罩内，是泄漏率较低的继电器。（２）塑封继电器：采用封胶的方法，将触点和线圈等密封在塑料罩内，是泄漏率较低的继电器。（３）防尘罩继电器：用罩壳将触点和线圈等封闭并加以防护的继电器。（４）敞开继电器：不用防护罩来保护触点和线圈等的继电器。上一页下一页返回项目１概述阶段５按用途分（１）通信继电器（包括高频继电器）：该类继电器触点负载范围从低电平到中等电平，其环境使用条件要求不高。（２）机床继电器：在机床中使用的继电器，触点负载功率大，寿命长。（３）家电用继电器：在家用电器中使用的继电器，要求安全性能好。（４）汽车继电器：在汽车中使用的继电器，该类继电器切换负载功率大，抗冲击、抗振性高。上一页下一页返回项目１概述任务３继电器的作用继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分），有能对被控电路实现通、断控制的执行机构（输出部分），在继电器的输入部分和输出部分之间，还有能对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：上一页下一页返回项目１概述（１）扩大控制范围。（２）放大。（３）综合信号。（４）自动、遥控、监测。上一页返回项目２电压与电流继电器任务１过量与欠量继电器电压与电流继电器是以电压与电流为动作对象而工作的，属于电磁式继电器的一种，分为过量继电器与欠量继电器，二者并没有本质的区别，都是对应两个值。过量继电器对应于超量值与正常值，欠量继电器对应于欠量值与正常值，且都在小值时处于释放状态，大值时处于吸合状态。不同的是，过量继电器正常工作时是处于小值（正常值）状态的，所以释放；而欠量继电器在正常工作时是处于大值（正常值）状态的，所以吸合。下一页返回项目２电压与电流继电器任务２继电器的返回系数电压电流继电器的返回系数：对于一般要求低的继电器的返回系数，其值应在０.１～０.４之间，这样当输入量波动较大时不致引起误动作。对于欠量继电器要求高的返回系统。也即其继电特性曲线要窄些的返回系统，当返回系数在０.１～０.４之间时，能使测控值减小到离正常值不太远的规定量时将继电器释放。任务３继电器的操作频率继电器的吸合与释放时间：一般的继电器为０.０５～０.１５ｓ，快速继电器为０.００５～０.０５ｓ，它的大小影响继电器的操作频率。上一页下一页返回项目２电压与电流继电器从继电器的动作时间可以看出，即便以最小动作时间０.００５ｓ来算，其工作频率也不超过１００Ｈｚ。相比无触点静态型继电器来说相差甚远，所以当工作频率不能满足要求时，要选用静态型继电器。任务４通用电磁继电器通用电磁继电器是主要用于工业电气控制中的中间继电器，通用直流电磁继电器通常在电气传动控制系统中作为电压、电流、时间等继电器用。通用电磁继电器分为单线圈单稳态、双线圈单稳态、双线圈双稳态、单线圈双稳态、灵敏型单线圈单稳态、灵敏型双线圈单稳态等产品形式。上一页下一页返回项目２电压与电流继电器一般分别以英文字母Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ来命名和区别。Ａ类单线圈单稳态：这是应用最为普遍的一种继电器。所谓的单稳态是指，在线圈失电时可以保持的稳定状态的数目只有一个。它只有一个工作线圈，电源交直流均可，属于电平控制型，即当线圈得电时继电器吸合，线圈失电时继电器释放。单稳态继电器的缺点是需要电能来维持继电器的吸合状态，节能上不够理想，但这种继电器控制方便，且具有断电保护性能。Ｂ类双线圈单稳态：这种继电器有两个或三个线圈，设置有专门的吸合转换电压线圈和保持电压线圈，或吸合电压线圈和保持电流线圈。上一页下一页返回项目２电压与电流继电器前者用一个线圈吸合转换，用两个线圈串联保持（用另一个得电保持），后者是用电压线圈吸合，用电流线圈保持，这种继电器也是属于电平控制型的。不同于Ａ类的是，Ｂ类继电器相对较为节能，但控制上有些复杂。Ｃ类双线圈双稳态：这里所谓的双稳态指在线圈失电的情况下，可以保持的稳定状态的数目是两个。这两个稳定状态一种是通过机械锁定装置实现的；另一种是通过永磁体实现的。由于不加电时也可以保持这两个状态，且不需要电能的维持，所以电能在这里只起到一个转换的作用。上一页下一页返回项目２电压与电流继电器也就是说，双稳态继电器属于脉冲转换型继电器，它的最大特点是非常节能。它的工作过程是，给一个线圈加电脉冲使其稳定在一个状态，然后给另一个线圈加电，这种稳定状态则转换为另外一个稳定状态，当然这两个线圈是不能同时加电的。双稳态继电器不具有断电保护功能。Ｄ类单线圈双稳态：它就是所谓的极化继电器，是通过永磁体来维持两个状态的。永磁体吸持衔铁时是一个稳定状态，释放时是另一个稳定状态。上一页下一页返回项目２电压与电流继电器它的吸合与释放是通过对唯一的线圈加不同极性的脉冲电压来实现的，也就是说线圈上不同极性的脉冲电压对应不同的稳定状态，显然这种继电器只可能是直流的。Ｅ类灵敏型单线圈单稳态继电器和Ｆ类单线圈双稳态继电器的工作原理与对应的Ａ类和Ｂ类没什么大的不同，只是它的功耗小于０.３Ｗ，故称为灵敏型继电器。上一页返回项目３时间继电器任务１时间继电器的定义及分类１.定义当继电器的感管接受外界信号后，经过一段时间，执行机构才动作的继电器称为时间继电器。它可以用各种原理来实现，其中有通过硬件实现的也有通过软件实现的。２.分类１）按延时方式分类（１）通电延时型。继电器在触发信号的作用下得电，即开始延时，延时到设定值时，输出另一个信号。下一页返回项目３时间继电器（２）断电延时型。继电器在触发信号的作用下失电，即开始延时，延时到设定值时，输出另一个信号。２）按动作原理分类可分为电磁式、空气阻尼式、电动式、电子式。任务２时间继电器的图形文字符号１.通电延时型（１）瞬时触头如图５－２所示。上一页下一页返回项目３时间继电器其动作情况同一般的继电器的触头动作情况完全相同，但并不是每一种时间继电器都具有瞬时触头的。（２）通电延时闭合常开触头如图５－３所示。左右两个触头在应用上是等效的，其动作过程是：时间继电器线圈得电后延时到设定时间即闭合，当线圈失电时立即断开。（３）通电延时分断常闭触头如图５－４所示。左右两个触头在应用上是等效的，其动作过程是：时间继电器线圈得电后延时到设定时间即断开，当线圈失电时立即闭合。（４）通电延时型时间继电器线圈如图５－５所示。上一页下一页返回项目３时间继电器２.断电延时型（１）瞬时触头如图５－２所示。（２）断电延时分断常开触头如图５－６所示。左右两个在应用上等效，其动作过程是，时间继电器线圈得电即闭合，失电后延时到设定时间才断开。３）断电延时闭合常闭触头如图５－７所示。左右两个触头在应用上是等效的，其动作过程是：时间继电器线圈得电即断开，失电后延时到设定的时间才闭合。（４）断电延时型时间继电器线圈如图５－８所示。上一页下一页返回项目３时间继电器时间继电器的延时触头的动作时序的区别，可以用两句话总结：通电延时型触头在线圈通电时延时转换，断电时立即转换；断电延时型触头在线圈通电时立即转换，在断电时延时转换。通电与断电延时型时间继电器在应用上没有本质的区别，都可以应用到同一个场合中去。但断电延时型时间继电器多用于电动机的制动控制中，而通电延时型时间继电器的应用更为广泛。任务３空气阻尼式时间继电器其结构如图５－９所示。１.工作原理上一页下一页返回项目３时间继电器通过改变阻尼小孔的大小，从而改变进入气囊的气体的流量，也即改变了延时时间，达到延时的目的。２.特点结构简单、延时范围大、不受电源电压及频率的影响、价格低，但延时精度较差。空气式时间继电器的延时范围较大，有０.４～６０ｓ和０.４～１８０ｓ两种。多用于电动机的降压启动和制动过程。任务４电动式时间继电器１.定义是由微型同步电动机拖动减速机构，经机械机构获得触点延时动作的继电器。上一页下一页返回项目３时间继电器２.结构及工作原理其结构及工作原理如图５－１０所示。３.特点延时范围大，不受电源电压及频率的影响，精度高，延时直观但结构复杂。任务５电子式时间继电器电子式时间继电器，广义来说指非机械式时间继电器，狭义来说电子式断电器又分为模拟式、数字式、计算机式（单片机）时间继电器。电子式时间继电器一般靠电容电路的过渡过程来工作的，分为阻容耦合延时部分、比较部分、放大部分和输出部分。上一页下一页返回项目３时间继电器由于电容电路的过渡过程不够稳定，所以精度上不够高，工作方式也不够灵活，但时间上可以达到很长的延时。数字电路式的时间继电器是靠一个精准的晶体振荡器发出的时间脉冲计数来实现延时的，可以达到很高的精度和很长的延时时间，但工作方式不够灵活；计算机式（单片机）的时间继电器，则是在时基的基础上通过单片机的程序控制来实现延时的。从精度、时长、工作方式、工作环境、持久性、性价比来说都非常理想，所以单片机式时间继电器是未来的一个发展方向。上一页返回项目４热继电器任务１热继电器的结构和工作原理双金属片热继电器的结构如图５－１１所示，主要有热元件、双金属片、触头系统、调节系统、复位按钮和温度补偿系统等部分组成。１.双金属片结构的工作原理（１）结构：由主动层和被动层组成。主动层材料的热膨胀系数较大，被动层材料的热膨胀系数较小，主动层与被动层通过热和压力结合成双金属片。（２）原理：双金属片的加热方式有直接加热、间接加热和复式加热三种。双金属片受热弯曲，通过中间机构使触点动作，完成对电路的控制。下一页返回项目４热继电器２.热继电器的工作原理双金属片串联于主电路中，通电后双金属片受热向左弯曲，推动导板向左移动，导板推动补偿双金属片沿轴旋转。之后推杆推动片簧向右，片簧向右到一定位置时，弓簧动作，分断触头，实现对控制电路的控制。３.热继电器的型号及图形文字符号（１）型号：ＪＲ２０－２５／３Ｄ。（２）图形文字符号如图５－１２所示。任务２热继电器的主要技术要求１.应具有合理而可靠的保护特性上一页下一页返回项目４热继电器既充分发挥了电动机的过载能力又不烧毁电动机绕组，其安秒曲线应在电动机容许过载特性曲线之下。２.具有一定的温度补偿为避免环境温度对热继电器的影响，应设置温度补偿装置。３.具有手动复位及自动复位功能要求热继电器动作２ｍｉｎ后能可靠地手动复位，５ｍｉｎ后能可靠地自动复位。４.热继电器的动作电流应在热元件额定电流的６６％～１００％范围内进行调整５.具有断相保护功能上一页下一页返回项目４热继电器（１）三相感应电动机运转时，发生一相断路。若绕组是星形连接的，由于线电流等于相电流，当一相断路时，其他两相电流将过载，热继电器动作，切断故障电路。若绕组是三角形连接的，正常情况下，线电流是相电流的倍。因而可能有这种情况出现：电动机在５８％额定负载以下运行时，若发生一相断路，未断路相的线电流正好等于额定线电流，而全电压下的那一相绕组的相电流可达１.１５倍的额定相电流，电动机处于过载状态。此时通过热继电器的电流却小于其动作电流，不会动作，致使电动机烧毁。为解决这一问题，人们发明了带差动机构的热继电器。（２）断相保护式热继电器差动机构的工作原理如图5－13所示。上一页下一页返回项目４热继电器任务３热继电器的选用（１）一般情况下可选用两相结构的热继电器。对于电网电压均衡性较差，无人看管的电动机或共用一组熔断器的大容量电动机来说，宜选用三相结构的热继电器。（２）绕组为三角形接法的电动机，选用带断相保护的热继电器。（３）热元件的额定电流一般是电动机额定电流的１.１～１.２５倍。（４）由热元件的额定电流确定热继电器的额定电流。（５）整定电流的选取：上一页下一页返回项目４热继电器①一般情况下，整定电流应与电动机的额定电流相等；②过载性能较差的电动机，其整定电流为电动机额定电流的６０％～８０％；③如果电动机的启动时间长且是重载启动，其整定电流为电动机额定电流的１.１～１.２５倍。（６）整定电流的校核。校核原则：热继电器通一个试验电流，由表５－１确定其整定电流的准确性。（７）热继电器连接线的选取如表５－２所示。上一页下一页返回项目４热继电器（８）热继电器的安装与使用。①热继电器与被保护电动机的环境温度应保持一致；②连接线的型号及规格应与设计说明书相吻合；③使用中每年应校验一次；④热继电器应安装在其他电器的下方。上一页返回项目５速度继电器速度继电器是用来检测电动机主轴转速的变化，进而控制触头系统的动作，从而实现对控制电路的控制的继电器。一般用于反接制动控制的电路中，用于及时地把反接制动电源从制动结束的电动机上切除掉，以防止电动机反向启动。在星三角降压启动中，当电动机的转速接近额定值时，通过触头切换来控制电动机使其转为正常运转状态，如星三角转换式的降压启动、单相电容启动式的电动机启动。不过单相电动机启动依据的是离心力的原理，此处讲述的是依据电磁力的原理工作的感应式速度继电器。此外，还有一种测速发电机它能输出连续的模拟量，所以可以更灵活的对任一速度进行电路的转换控制。下一页返回项目５速度继电器速度继电器的结构及工作原理如图５－１４所示。中央的转子随被测对象带动永磁体一块旋转，此时就会产生一个旋转磁场，同时在定子导体上便产生感应电动势和感应电流。我们知道感应电流会受到旋转方向上的一个力的作用，这个力的大小与转速有关，转速越高力度越大。如果这个力大于定子上弹簧的反作用力，那么转子就会转过一个角度，并同时触发触头系统发生转换，从而使电路发生状态的转换，这个过程反之亦然。速度继电器在电路中的图形文字符号如图５－１５所示，常用的速度继电器有ＪＹ１型和ＪＦＺ０型两种。上一页下一页返回项目５速度继电器它们都有两对常开、常闭触点，可以分别控制电动机的正反转运行。触头容量不大于２Ａ，工作电压不高于５００Ｖ，其最小动作值一般为１５０ｒ／ｍｉｎ，最大返回值为１００ｒ／ｍｉｎ，并可以进行调节。ＪＹ１型的工作范围为７００～３６００ｒ／ｍｉｎ，ＪＦＺ０－１型适用于３００～１０００ｒ／ｍｉｎ，ＪＦＺ０－2适用于１０００～３０００ｒ／ｍｉｎ范围，ＪＦＺ０系统的触头为微动开关，触头动作速度不受摆杆动作速度的影响。上一页返回项目６继电器的选择１.按使用环境选型使用环境条件主要指温度（最大与最小）、湿度（一般指４０℃下的最大相对湿度）、低气压（使用高度１０００ｍ以下可不予考虑）、振动和冲击。此外，还有封装方式、安装方法、外形尺寸和绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异。在超过产品标准规定的环境力学条件下使用时，有可能损坏继电器，因此要按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围，最好不要选用交流电激励的继电器。选用直流继电器要选用带线圈瞬态抑制电路的产品。那些用固态器件或电路提供激励及对尖峰信号比较敏感的地方，也要选择有瞬态抑制电路的产品。下一页返回项目６继电器的选择２.按输入信号不同确定继电器种类按输入信号是电、温度、时间还是光信号来确定选用相应的电磁、温度、时间和光电继电器。这里要特别说明的是电压、电流继电器的选用。若整机供给继电器线圈的是恒定的电流，应选用电流继电器；如果是恒定电压值则选用电压继电器。３.按输入参量选型与用户密切相关的输入量是线圈的工作电压（或电流），而吸合电压（或电流）则是继电器制造厂控制继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数。对用户来讲，它只是一个工作下极限参数值。上一页下一页返回项目６继电器的选择控制安全系数指的是工作电压（电流）／吸合电压（电流）的值。如果在吸合值下使用继电器，这是不可靠的、不安全的，而环境温度升高或处于振动、冲击的条件下，也将使继电器工作不可靠。整机设计时，不能以空载电压作为继电器工作电压的依据，而应将线圈接入作为负载来计算实际电压值，特别是电源内阻大时更是如此。当用三极管作为开关元件控制线圈通断时，三极管必须处于开关状态，对于６ＶＤＣ以下工作电压的继电器来讲，还应扣除三极管的饱和压降。４.按负载情况选择继电器触点的种类和