第一章《电气控制技术》讲义.docx
- 文档编号:29508522
- 上传时间:2023-07-24
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:831.35KB
第一章《电气控制技术》讲义.docx
《第一章《电气控制技术》讲义.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第一章《电气控制技术》讲义.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第一章《电气控制技术》讲义
《电气控制技术》讲义
参考书:
低压电器继电器及其控制系统,佟为明编著,哈尔滨工业大学出版社
电力拖动与控制,
张爱玲编著,机械工业出版社
电气控制技术,
任振辉编,中国水利水电出版社
本课程的主要内容
内容:
低压线路及其对低压电器的基本要求;
低压电器的特性及原理;
电气控制系统的分析和设计方法;
本课程的主要要求
要求
(1):
掌握电气控制技术的基本原理;
了解常用电器控制器件的含义和功能;
掌握低压线路与电器的分析方法;
具体体现在以下一些方面:
图例1(常用电器控制器件的含义和功能)
是什么?
为何每个房间一个?
为何用铁门?
门里面是什么?
图例2
每个器件的用途?
零线在哪?
零线接地?
零线的用途有那些?
开关(合/断)状态的显示单相空开(合/分)的状态
没电时,如何正确合闸通电?
与前者的区别?
要断电应该先考虑什么?
断电时先断哪个?
图例3:
控制柜上的电器
每个器件的名称是?
如何操作的?
本课程内容的性质
1与人或设备的用电安全密切相关
2身边的用电常识性知识
3介绍设备安全用电的方法
4介绍如何利用电器自动按照人的思路工作
本课程的要求
(2):
掌握一般电气控制电路的分析方法;
能读懂一般电气控制系统图;
理解一般电气控制系统图表达的操作工业流程;
具体图例如下:
图例1
图中每个符号的含义是?
为何要画该图?
整个图表达的含义?
图例2
每个符号的含义?
画图的用途?
整个图表达的含义?
本课程的要求(3):
掌握电气控制电路的设计方法;
能根据给定的工业任务要求,设计合理的电气控制系统图;
了解可编程控制器及其应用。
本课程的学习和考试方式
多媒体讲解与说明
侧重认知和理解,有问题怎么办?
考试记分方式
考试题型:
填空或简答、分析说明、综合设计
电气控制技术
电气控制技术的含义?
1.电气与电器的区别?
2.电气控制=由电器元件实现的控制
3.技术:
工业生产中利用电器实现控制的相关知识、方法和技巧
工业生产中人控制的是什么?
是:
工艺流程
人直接操作的是什么?
是:
很少量的启动/停止按钮等
其它的按钮/开关谁操作?
是:
由中间继电器等自动完成
工业控制流程用何方式体现?
用:
电气控制图
看明白电气控制图的条件是?
1)符号表示的电器含义
2)内在的逻辑流程关系
即:
工业电器的符号表示方法、
工业生产工艺流程的描述方法
电气控制技术
绪论
一、工业生产机械的组成
二、电气控制系统的发展与分类
三、本课程的主要内容及要求
一、工业生产机械的组成
生产机械,一般由工作机构、传动机构、原动机三部分组成。
随着电气元件和计算机的应用,以电气为主的自动控制系统则构成了现代化生产机械的第四个组成部分。
生产机械的“自动控制”是指在没有(或少有)人直接的情况下,利用自动控制系统,使被控对象(或生产过程),自动地按预定的规律去进行工作。
实现自动控制的手段是多种多样的,可以用电气的方法来实现,
也可以用机械的、液压的等方法来实现自动控制。
二、电气控制系统的分类
1.逻辑控制系统
2.连续控制系统
3.混合控制系统
2.连续控制系统
又称模拟控制系统:
是对物理量(如电压、转速等)进行连续自动控制的系统。
特点:
1)一般是具有负反馈的闭环控制系统
2)精度高、抗干扰能力强
例如:
直流电动机的调速系统
3.混合控制系统
同时采用逻辑控制和模拟控制的系统。
例如:
数控机床
机器人的控制驱动系统
1.逻辑控制系统
又称开关量或断续控制系统,
是采用具有两个稳定工作状态(0或1)的各种电器和电子器件构成各种逻辑控制系统,
逻辑代数是它的理论基础。
逻辑控制系统的分类
按自动化程度的不同又分为:
手动逻辑控制和自动逻辑控制,
对于自动逻辑控制,按其控制原理与采用电气元件的不同又可分为:
(1)继电接触器自动控制系统;
(2)顺序控制器;
(3)数字控制系统;
(1)继电接触器自动控制系统
是由继电器、接触器、按钮开关等电器元件组成的自动控制系统。
优点:
电路直观、易掌握、易维护;
缺点:
功耗大、体积大、改变控制工序循环较为困难(如要改变,需重新设计电路);
(2)顺序控制器
是由集成电路组成的控制器,具有程序变更容易、通用性强等优点,例如PLC(ProgrammableLogicController),
可代替大量的继电器,且功耗小、重量轻。
(3)数字控制系统
是电子技术、计算技术、现代控制理论、精密测量等近代科学技术的产物,具有使用灵活、精度高等优点,在数控机床领域既有强大的生命力和发展空间。
第一章低压线路及其
对低压电器的基本要求
1.1低压配电线路的组成和结构
低压配电线路由低压电器(低压配电电器、低压控制电器)、线路和用电设备组成。
低压电器是用于交流电压为1200V、直流电压为1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。
低压电器分为低压配电电器和低压控制电器两大类。
低压配电电器主要用于低压配电电路(也称低压电网)或动力装置中对电路和设备进行保护以及通断、转换电源或负载的电器。
低压控制电路主要用于低压电力拖动系统中对电动机的运行控制、调节与保护。
典型配电线路结构
分为三个区间:
供电变压器至中央配电盘母线称主线路;
中央配电盘母线至车间动力配电盘称分支线路;
动力配电盘至负载(一般为电动机)称馈电线路。
如下图所示:
配电线路—主线路配电线路—分支和馈电线路
常用低压电器符号
1)配电电力电路开关器件(Q)
断路器(QF)、隔离开关(QS)
自动开关(QA)、保护开关(QM)
基本文字符号
单字母:
Q
双字母:
QF、QS、QA、QM
断路器(QF)电路中的符号:
隔离开关(QS)电路中的符号:
一般三极刀开关(QA)
开关器件(Q)实物照片如下所示:
断路器(QF)
三极隔离开关(QS)一般三极刀开关(或刀闸)的模型
2)控制电路中开关器件(S)
控制开关(SA)、按钮开关(SB)
限位开关(SQ)
复合按钮开关(SB)符号如下:
1.2低压电器元件的作用
1)配电线路的运行工作状态有几种?
有:
正常运行状态、故障状态
线路故障类型有几种?
线路过载、短路或欠电压等故障
线路出现故障后该如何操作?
由谁完成?
断开电路、由断路器(QF)完成
断路器(QF)的作用是:
当线路出现故障时,能自动分断故障线路,也可以用于正常运行操作时不频繁地接通和分断电力线路;
隔离开关(QS)的作用是:
检修电路时隔离电源,它有明显的断口,以保证维修工作安全进行;
隔离开关的断口
接触器(KM)的实物模型
接触器(KM)的作用是?
接触器(KM)是一种应用最广泛的控制电器,也是一种远距离操作的电器;
用于在正常工作条件下频繁地接通或分断线路,不能分断短路电流。
在馈电线路中接触器后发生短路时,由谁断开线路?
由接触器KM前的断路器(QF)
或熔断器(FU)断开线路
ABC三相线路发生短路故障的种类?
单相接地短路、两相短路
和三相短路故障;
短路故障中哪种最严重?
为什么?
三相短路;因为:
单相接地短路有中性点接地电阻Rj
两相短路的阻抗是三相短路的一倍
短路故障的危害是什么?
发生短路时,短路电流超过该线路的额定电流很多倍,
大容量的低压配电系统中,短路电流可能达到几万到几十万安培。
短路电流产生的巨大热效应和电动力会使导体变形、绝缘破坏、电气元件损坏、系统误动作等。
为了减轻短路的影响,应尽快地按需要切除线路的故障部分。
判断线路短路故障的依据是短路电流,如何计算短路电流?
短路是指在某个时刻线路突然短路,单相短路等效电路如下,
短路电流稳态周期分量如何计算?
根据一阶电路的三要素法,短路电流可分为短路电流暂态分量和稳态分量。
1.2短路电流稳态周期分量的计算
稳态是何含义?
指:
假设短路故障点不被切除一直存在,无穷时间t后,
该点的电流i正弦稳态解。
计算短路电流时的简化单线线路图
1)短路时,单相等效电路
与单相短路等效电路的区别?
三相短路电流周期分量有效值
给定短路点的总合成阻抗、电阻及电抗;
(1)系统电抗:
Xx,
(2)变压器阻抗:
RT、XT
(3)线路阻抗:
XL、RL
各元件的参数在何情况下可忽略?
在高压线路的短路电流计算中,一般只考虑主要元件的电抗,如变压器、电抗器、架空线等的电抗,
各主要元件的电阻仅在电阻值大于总电抗值的1/3时才计入;
当系统阻抗不超过短路回路总阻抗的10%时,则可以不考虑系统阻抗;
在低压线路的短路电流计算中,不仅要考虑各主要元件的电阻和电抗,而且要
考虑母线和电缆的阻抗、电流互感器的阻抗、低压断路器的过电流线圈的阻抗和开关触头的接触电阻等;
为了简化计算,使短路电流值的计算偏于安全,允许不考虑占回路总阻抗值小于10%的元件;
一般可以认为高压侧供电电源容量为无限大,因而可略去高压侧的系统阻抗;
2)单相、二相、三相短路时,单相等效电路及短路电流的区别?
二相短路时,
三相短路时,
单相、二相、三相短路电流之间的关系?
1.3短路瞬间,短路电流的计算?
单相等效电路如下:
用何方法如何求i(t)=?
一阶电路,用三要素法求时域解
假设:
短路前,线路空载,线路电流为0;即:
短路电流周期分量:
短路电流非周期分量:
A相短路电流波形,iA
B相短路电流波形,iB
C相短路电流波形,iC
短路电流的最大值是多少?
1)何时出现最大值?
2)最大值等于多少?
短路电流周期分量最大值?
冲击电流=短路电流的最大值
冲击电流的波形图
Kch短路电流冲击系数
A、B、C三相短路电流之间的关系
三相短路时,由于各相相位角ψ-不同,各相电压瞬时值不同,
因而各相短路电流周期分量和非周期分量的初始值不同,故短路电流也不同;
如某一相具有最大的非周期分量起始值,则最大冲击电流值将出现在这一相,而其它两相的短路电流冲击值将小于这一相。
所以三相短路时,仅在一相出现最大冲击短路电流值,其他两相短路冲击电流幅值较低。
但由于周期分量仅决定于电源电压和系统总阻抗,所以各相的短路电流周期分量相等。
4)电动机对短路点的注入电流
当低压线路发生短路故障时,连在短路点上的异步电动机工作于发电机状态,向电网回馈电流,
在短路点增加一个回馈冲击电流,这一回馈电流是衰减非常快的冲击电流,根据经验,该电流为6.5倍电机额定电流。
距短路点较远的异步电动机,对短路冲击电流值影响较小,可不予考虑。
只有当短路点附近连接单台容量超过20KW的异步电动机时,才需计入它的回馈冲击电流。
1.3配电系统对开关电器的要求
低压配电线路最严重的故障就是三相短路,所以短路一旦发生,要求线路中用于短路保护的低压配电电器,例如:
断路器和熔断器等,立即分断故障电流,断开故障线路。
断路器的分断能力如何表示?
1)断路器的额定短路分断能力
是指:
在规定电压、频率以及一定的功率因数(或时间常数)下电器能够分断的短路电流,
交流电器是用短路电流周期分量有效值来表示。
短路接通能力是何含义?
因为冲击电流产生的热效应和电动力可能引起断路器的触头熔焊,使触头在通断过程中斥开;
为了保证触头在通断短路电流过程中不被熔焊,定义了触头在设计、制造和安装完成后的短路接通能力
短路接通能力
即指:
在规定的实验电压和规定的参数条件下电器能够通过的最大短路电流峰值。
交流电器的短路接通能力一般用额定短路分断电流乘以表1.3中所规定的峰值系数n来表示。
功率因数.熄弧方式.分断能力
功率因数的大小有可能影响断路器的分断能力。
交流断路器在分断短路电流时,非截流特性的断路器是靠电流过零后限制电弧重燃而熄灭电弧;
若功率因数小,工频恢复电压变大,可能导致其产生振荡过程,使熄弧困难。
截流灭弧特性的断路器
而具有截流特性的断路器则在电流达到预期短路电流峰值之前,强行熄灭电弧;受功率因数的影响不大。
2)电器的电动及热稳定性
从短路故障发生到切除该故障,通过短路电流的各电器都要承受短路电流的考验。
短路电流的效应有两种:
一是短路电流产生的电动力会导致电器破坏;二是短路电流产生的热效应会使电器温升过高,导致导电接触系统和绝缘部分的损坏。
电动稳定性
电动稳定性是电器承受短路电流的电动力作用而不致破坏或产生永久变形的能力。
由于电动力与电流瞬时值的平方成正比,所以电器的电动稳定性可用允许通过它的电流的峰值(即冲击电流)来表示,对交流配电电器取短路电流的冲击值,对直流电器取短路电流的最大值。
电器的热稳定性
是指在一定时间内电器承受短路电流引起的热效应而不致损坏的能力。
短路电流包含周期分量和非周期分量两部分,低压线路中电阻一般比较大,线路的时间常数较小?
,通常在0.01s以下,因而非周期分量衰减很快,实际上不到0.03s就已消失。
所以短路电流的发热,可以不计电流非周期分量的影响。
为此,热稳定电流用短路电流周期分量有效值表示。
热稳定电流
短路电流的发热量取决于电流平方值与时间的乘积,所以电器的热稳定性应以通电时间的热稳定电流表示。
低压电器基本标准是取1s通电时间的热稳定电流。
但各电器元件实际承受短路电流的时间各不相同,不同短路持续时间t的热稳定电流可表示为:
短时耐受电流
电器的热稳定电流也称短时耐受电流,我国低压电器基本规定:
电器的电动稳定性可用短时耐受电流与表1.3所列峰值系数的乘积作为允许通过的短路冲击电流值。
所以低压电器用短时耐受电流来综合描述电动和热稳定性。
3)接触器通断能力,电机运行方式
接触器是一种控制电器,用来控制设备正常运行时的接通和分断。
不同用电设备在不同运行方式下接通和分断时的工作特点不同,对控制电器的要求也不同。
鼠笼型异步电动机是控制电器的主要控制对象,其常见的不同运行方式下的接通和断开电流各不相同。
(1)鼠笼异步电动机的启动和停止
启动电流一般为额定电流的5-6倍,正常运行时,定子电流为额定电流。
分断电动机时,触头两端的电压与运行状况有关,定子绕组断开时,转子绕组中感应一个很大的电流,阻止磁路中磁通变化,这个与转子绕组一起旋转的磁通在定子绕组中产生一个感应电势,作用于接触器触头间的电压为电源电压与这个反电势之差。
若分断正常运转的电动机,则产生的反电势近于电源电压,因而触头间电压很低,实验表明仅为电源电压的0.16倍左右。
若断开刚启动的电动机,这时转子的转速很低,电动机产生的反电势很小,所以触头分断时加在它两端的电压近似为额定电源电压。
由此可知,控制接触器触头的接通和断开参数:
接通电流为5-6IN,电压为UN;断开电流为IN,电压为0.16UN
(2)电动机的正反转
有些鼠笼电动机需要工作于正反转状态,此时反转接触器接通电流更大,达7-8倍,而断开则与情况
(1)类似,故接触器触头的接通和断开参数:
接通电流为7-8倍IN,电压为UN;断开电流为IN,电压为0.16UN
(3)电动机的点动
例如:
天车上的提升电动机、车床对刀时等,
点动时电动机尚处于启动阶段就停止,接通电流为5~6倍IN,又因此时电动机转速低,反电势很低,触头间电压近似于UN,故接触器触头间的参数为:
接通电流为5~6IN,电压为UN;断开电流为5~6倍IN,电压为UN
(4)电动机的反接制动
如同正反转的接通状态,但断开时电动机转速为零,电流也近于启动电流,断开电压为,所以接触器触头参数:
反接制动时接通电流为7-8倍IN,电压为UN;断开电流为5-6倍IN,电压为UN。
小结
用电设备的不同工作条件,对接触器的工作要求有较大影响。
对接触器的基本要求是操作频率高、电寿命长。
要求用于主回路的接触器既能适应各种负载情况,又要有高的操作和长的电寿命。
在设计与生产时把接触器按用途分成几类,不同使用类别有不同的通断和寿命要求。
1.4配电线路与设备的保护
当发生故障时,设置在低压配电线路上的各种低压保护电器就按需要及时开断主线路,切除故障。
保护主要分两大类:
1保证线路及设备的安全;2保证人身安全。
具体有:
①过电流保护;②欠压与失压保护;③电动机的断相保护;④漏电保护。
常用保护电器有低压断路器,又称自动开关,熔断器以及各种保护继电器。
一、过电流保护
过电流指电流超过负载额定电流,它包括过载和短路,是低压系统最常见的故障。
过电流保护特性是指保护电器动作时间t与通过它的过电流的函数关系,又叫安秒特性。
动作时间是指从短路或过载开始到切除故障所需的时间。
过电流可以用通过电流与保护元件额定电流之比来表示,所以过电流保护特性可以写成
过载特性
过载时,一般需积累一定时间才会引起设备损坏,因此并不是一发生过载,便要立即切除过载线路;
每种电气设备在过载条件下的允许工作时间与其过载倍数有关。
被保护电器设备在过载时的允许工作时间与其过载倍数之间的关系称为电气设备的过载特性。
1.保护特性与过载特性的配合
过载特性一般具有反时限特性,
也就是电气设备过载越重,发热越快,允许工作时间就越短。
为了充分利用被保护对象的过载能力,又不使它发热超过允许值,要求
保护电器的保护特性尽量接近并略低于被保护电气设备的允许过载特性。
过载保护特性曲线
过载特性具有反时限特性,保护特性曲线也具有反时限特性;
保护电器的最小动作过载倍数对应的电流称之为临界动作电流,
临界过载电流倍数一般在(1-1.2)IN之间。
临界动作时间t1=?
2.分级选择性保护
线路上某点出现短路故障时,保护电器应尽快动作予以切除。
但并不要求所有的保护电器都动作,要有选择地保护切断。
为了达到逐级的选择性保护,可采用各级保护电器动作时间有差别的办法,使越靠近电源的电器的动作时间越长。
在这种情况下,发生故障时,靠近短路点的保护电器由于动作时间短而首先动作,
而其上一级的电器因动作时间长而来不及动作。
对图1.1的线路,一般可取馈电线路的保护电器为瞬时动作,
而分支线路和主线路的保护电器具有短延时动作特性。
3.低压断路器的三种保护特性
断路器是一种具有多种保护性能的保护电器,主要有三种:
其一为反时限特性,用于过载保护;
其二为瞬时动作特性,用于短路保护;
其三定时限特性,用于选择性短路保护。
a)反时限特性,用于过载保护
动作时间t从何时开始累加记时?
过载保护特性曲线如何实现的?
b)反时限与瞬时动作特性曲线
对应哪种保护?
过载保护、短路保护
曲线在k2应该是连续的么?
Tg最短固有动作时间
c)反时限与短延时动作特性曲线
对应哪种保护?
过载保护、选择性短路保护
d)反时限、短延时与瞬时
对应哪种保护?
过载、选择性短路和短路保护
常用术语:
低压断路器中产生反时限动作的部件称为长延时过电流脱扣器。
短路故障时能瞬时动作的部件称为瞬时过电流脱扣器;
短路故障时作短延时动作的部件称为短延时过电流脱扣器。
二、欠压与失压保护
由于过载、短路等原因,线路电压会大幅度下降甚至消失,造成线路和用电设备的损坏,其原因是:
1)电压降低到某一程度时,用电设备电动机就会堵转,使大批电动机同时出现几倍的过电流;
2)有时电压经短时降低又复原,会造成已停转电动机的再启动,大量电动机同时启动,会重新导致线路电压大幅度下降。
欠压与失压保护的定义
电动机堵转时的电源电压称为临界电压。
当线路电压下降到临界电压时,要求保护电器动作,叫做欠压保护。
当线路电压低于或大大低于临界电压时的保护叫做失压(零压)保护。
临界电压对应的转矩特性曲线
欠压保护电压定值的选择
根据运行中的统计数据,一般规定欠压保护动作的电压值为0.7-0.35UN。
对于失压保护动作定值,只要能在零电压时可靠释放即可。
考虑到接触器磁系统存在因剩磁粘住而不释放的现象,低压电器GB标准规定:
交流接触器的释放电压应不大于0.75UN,而直流接触器应不低于0.1UN,以保证失压保护动作的可靠性。
三、电动机的断相保护
由于三相异步电动机在使用中单相运行是其损坏的主要原因之一,造成单相运行的原因:
熔断器一相熔断;电源引线或电动机绕组一相断线;电动机绕组引出线与电源端子接触不良;刀开关、熔断器、断路器或接触器的一相触头接触不良;变压器原边或副边一相开路等。
断相时,电动机电流增大,功率因数降低,电动机定、转子铜损均较正常运转时增加很多。
同时,转子受接近100Hz的逆序磁场交变磁化,铁损也增加,定、转子温升剧增,使绝缘破坏,导致电动机损坏。
当电动机断相时,必须采用断相保护。
三相异步电动机的断相保护有多种方案,如:
采用热继电器、鉴相保护器等。
四、漏电保护
电气绝缘损坏而引起的漏电,不但会酿成火灾,而且容易导致人体触电。
触电使人的受害程度与电流通过人体部位、电流大小和通过的时间有关。
触电电流通过心脏时的危险最大。
触电危及生命的主要原因是:
心室颤动,它使心室各部分肌肉发生不协调的颤动,导致心脏不能有节律地进行整体收缩而停止跳动。
漏电保护设计定值
在400V以下的低压线路中,触电电流危险值为几十至几百毫安。
心室颤动与触电电流大小和作用时间有关,当触电电流为30~50mA时,通电数分钟才会发生心室颤动,
当电流为50至数百毫安时,发生心室颤动所需持续时间只要几个心脏脉动周期。
目前大多数国家采用电流时间积30mA·s,作为安全的临界值,它也是设计漏电保护电器的依据。
中性点不接地系统的触电回路
电动机因绝缘损坏而使一相碰壳,人触及电机外壳时,触电电流就经过大地和线路的对地电容构成回路。
当线路较短时,分布电容小,不会有危险的电流通过人体;
但当线路很长时,因线路对地分布电容增加,通过分布电容构成的回路电流增大,人体就有触电危险。
中性点接地系统的触电回路
1.5低压设备的电源系统
电源系统按其接地方式可分为三种类型,即TT系统、IT系统和TN系统。
1)TT系统的特点
TT系统是我国采用的接地保护方式。
IEC首先推荐采用漏电保护装置。
若设备绝缘损坏而使外壳带电,人体触及外壳,形成:
设备接地电阻rd与接设备的人体电阻rR并联的情况,由于rd的分流,对人体影响较小
TT系统触电电路
TT系统触电等效电路
单相接地短路时的短路电流=?
若电源和外壳地接地电阻都为4欧姆,
Id=Up/(r0+rd)=220/(4+4)=27.5A,
由于接地电流不太大,断路器不动作,然而外壳上却有110V
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电气控制技术 第一章 电气控制 技术 讲义