电气控制与PLC朱程辉.pptx

本章提要本章提要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 固态继电器使用的注意事项2.1.1 固态继电器的分类与工作原理固态继电器的分类与工作原理 固态继电器（简称SSR）是采用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，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、抗干扰能力强和动作可靠等一系列特点，当控制端无信号时，其主回路呈阻断状态，当施加控制信号时，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，中间采用隔离器件，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）和交流固态继电器（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）按控制触发信号方式分，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 光电耦合式交流固态继电器原理图 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，可直接与弱电回路连接。常用的产品有DJ系列固态继电器。2.1.2 固态继电器使用的注意事项固态继电器使用的注意事项1）固态继电器的选择应根据负载的类型来确定，并要采用有效的过压保护。2）输出端要采用RC浪涌吸收回路或非线性压敏电阻吸收瞬变电压。3）过流保护应采用专门保护半导体器件的熔断器或用动作时间小于10ms的断路器。4）安装时采用散热器，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 智能继电器智能继电器 所谓智能继电器，就是以微处理器为中央控制元件，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、控制、处理，实现对电动机的保护，并能与上级控制计算机进行通信，完成信息交换。2.2.1 智能继电器的结构与工作原理2.2.2 E3 Plus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的结构与工作原理 智能继电器实际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，从控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提供必要的控制作用。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保护。当电动机的运行状态满足一定脱扣条件时，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保护。电动机的保护应根据电动机的类型、功率大小、使用场合以及所拖功的负载等因素决定。对于频繁起、制动和要求正反转的电动机，热继电器不宜使用。这是因为热继电器主要采用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化装置，它通过模拟电动机的实际温升来判断是否需要脱扣，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）电动机的保护电动机的额定电流也被称为满载电流（Full-load current）。对于传统继电器而言，不同额定电流的电动机就需要相应满载电流值的继电器与之配套使用，而对于智能继电器，可以通过设置继电器的满载电流值来保护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，如果脱扣级别不通，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保护。（4）脱扣级别图2-5 智能继电器脱扣动作图2.2.2 E3 Plus智能过载继电器智能过载继电器 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。E3 P1us是E3型的增强型。E3和E3 P1us除了提供比SMP-3更为强大的状态监控功能外，还有预报警保护和电流测量。图2-6 E3 Plus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，控制电流由E供给，RP为调节控制电流I大小的调节电阻。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非常微弱，不能直接传给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2-8 RMS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的特性所决定了智能继电器采用与DeviceNet连接的网络通信。图2-9 DeviceNet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，其标志主要是大型化、高速化、连续化和自动化，设备变得更加精密和复杂，设备故障造成的经济损失和影响也越来越大，设备的维修方式和监控方法更加受到关注。设备维修方式从它出现至今主要有三种类型：故障后维修、定期维修和状态维修。利用在线监控技术的状态维修是如今最先进的一种维修方式。（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直接进行观察，也可以通过设备网DeviceNet进行远程在线观察。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。用户可以观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 智能接触器一般由基本的电磁接触器及附件构成。附件包括智能控制模块、辅助触头组，机械联锁机构、报警模块、测量显示模块、通信接口模块等，所有智能化功能都集成在一块以微处理器或单片机为核心的控制板上。2.3.1 智能化电磁系统2.3.2 双向通信与控制接口2.3.1 智能化电磁系统智能化电磁系统 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控制单元，它对接触器的整个动态工作过程进行实时控制，根据动作过程中检测到的电磁系统的参数。1智能控制原理 采用接通过程电磁机构的变电流控制方法实现吸合过程的智能控制。图2-10所示为该方法的控制电压、线圈电流及对应的吸力特性曲线示意图。图2-10 可变电流控制的电压、线圈电流与吸力特性曲线智能控制单元的结构如图2-11所示。2智能控制单元结构图2-11 智能控制单元结构示意图智能控制单元中的滤波整流模块对交流输入电压进行滤波整流后输出直流电压控制接触器线圈，硬件上采用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5 V和12 V的电压给系统供电，电源模块采用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驱动模块采用功率开关器件完成对接触器线圈的斩波控制。2.3.2 双向通信与控制接口双向通信与控制接口 智能接触器通过通信接口直接与自动控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控制计算机及可编程序控制器（PLC）的控制指令，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央控制室的计算机上。2.4.1 智能断路器的结构2.4.2 智能断路器的通信与控制接口2.4.1 智能断路器结构智能断路器结构 智能断路器是指具有智能化控制单元的低压断路器。这种智能型控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保护功能（如短路保护、过流过热保护、漏电保护、缺相保护等），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控制接口智能断路器的通信与控制接口 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分配电能和作为线路及电源设备的控制与保护，亦可用作三相笼型异步电动机的控制。图2-14 智能断路器外形智能控制器具有以下功能：l）四段保护功能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、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。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控制电路。2.5.1 软起动器的工作原理2.5.2 软起动器的控制功能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。主要由三相交流调压电路和控制电路构成。其基本原理是利用晶闸管的移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角，改变其输出电压，达到通过调压方式来控制起动电流和起动转矩的目的。控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，控制其输出电压，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，属开环控制方式。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转矩控制及起动电流限制起动方式 转矩控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，属闭环控制方式。由于控制目标为转矩，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 转矩控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，起动转矩逐渐增加，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根据电动机负载情况调整设定。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，控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，通过控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。此种控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100 ms。在起动开始阶段，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，转入转矩控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转矩控制软停车方式 软停车方式通过调节软起动器的输出电压逐渐降低而切断电源，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。转矩控制软停车方式，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所示为转矩控制软停车特性曲线。减速时间t1一般是可设定的。图 2-19 转矩控制软停车方式 5制动停车方式 当电动机需要快速停机时，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，因此很容易通过改变晶闸管的控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2-21 HPS2DB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，可选择功能简单、价格较低、操作方便的软启动器。对于启动负荷比较重的设备，应该选用启动功能比较多、有限流起动功能、自身保护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，选用断路器做短路保护装置不能有效保护晶闸管元件。建议选用快速熔断器做短路保护装置。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须可靠熔断。按下述可也经验公式计算选用：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交流接触器就能满足要求。注意接线时，软起动器与接触器必须同相连接。4过负荷保护装置的选择 软起动的过负荷保护装置应该选用具有过载保护、断相保护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，工作时容易过载的设备，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变压器负载能力及保护整定值校验如果变压器已接近满载，要慎重选用软起动设备，更要核对校验变压器的荷载能力和保护的整定值。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 变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，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 变频器的控制方式2.6.3 变频器的分类与选型注意事项图 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工作原理 变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变成频率、电压都连续可调的三相交流电源。按照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的工作原理 交直交变频器先将工频交流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交流电源。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。根据输入电源的不同，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）根据贮能元件不同，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个三极管按其导通顺序分别用 VT1VT6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）逆变单元同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，电路简单，效率高。2）采用了恰当的PWM控制技术，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，直接将电网固定频率的恒压恒频（CVCF）交流电源变换成变压变频（VVVF）交流电源的变频器，因此称之为“直接式”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可逆线路。2交交变频器的工作原理图 2-24 交-交变频器主电路a)每相可逆线路 b)三相交交电路交交变频器输出正弦电压及电流波形如图2-25所示。图2-25 交-交变频器输出电压及电流波形 2.6.2 变频器的控制方式变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下几代。1正弦波脉宽调制（SPWM）控制方式2电压空间矢量（SVPWM）控制方式3矢量控制（VC）方式4直接转矩控制（DTC）方式5矩阵式交交控制方式2.6.3 变频器的分类与选型注意事项变频器的分类与选型注意事项1变频器的分类1）变频器按其供电电压分为低压变频器（220V和380V）、中压变频器（660V和1140V）和高压变频器（3KV、6KV、6.6KV、10KV）。2）变频器按其功能分为恒功率变频器、平方转矩F1500P系列变频器、简易型变频器、通用型ZY-G800系列变频器、电梯专用变频器等。3）变频器按直流电源的性质分为电流型变频器和电压型变频器。4）变频器按输出电压调节方式分为 PAM 输出电压调节方式变频器和 PWM 输出电压调节方式变频器。5）变频器按控制方式分为 U/f 控制方式和转差频率控制方式两种。6）变频器按主开关器件分为IGBT、GOT、BJT三种。7）变频器按外型分为塑壳变频器（小功率）、铁壳变频器（多为中功率）、柜式变频器（大功率）。2变频器选型注意事项（1）负载类型和变频器的选择1）风机和水泵是最普通的负载2）起重机类负载3）不均衡负载4）大惯性负载（2）其他注意事项1）必须采用加大减速比的方式或改用6级电机，使电机运转在较高频率附近。2）变频器安装地点必需符合标准环境的要求，变频器与驱动马达之间的距离一般不超过50米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。