机电一体化 电气设备的接地及浮地毕业设计Word文件下载.docx
《机电一体化 电气设备的接地及浮地毕业设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化 电气设备的接地及浮地毕业设计Word文件下载.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
这里所说的“浮地”是指控制器不接大地。
我想说明何时与如何接地：
（1）、干扰需要一定能量，当控制器彻底与大地隔离（浮地）时，工频干扰回路阻抗极大，流过控制器及其内部的干扰电流极小，不足以干扰控制器。
（2）、当控制器外壳与大地完好连接，由于控制器与大地等电位，工频干扰电流被控制器外壳接地点所旁路，无法进入控制器内部，从而也无法干扰。
（3）、当控制器外壳与大地处于上述两者之间时，就会有工频干扰
（4）、如果控制器的使用可能存在安全问题时，外壳必须很好接地
（5）、多个设备的理想接地是尽量一点接大地，以避免设备间地线干扰
（6）、有时具体问题需具体分析。
一般情况下，控制器外壳最好良好的接地。
当外壳与内部电路间完全浮地时，由于它们间仍存在电容藕合效应，外壳与内部电路间仍将存在工频漏电流。
这时：
1）、要求还不是很高时，可以不管。
2）、当你的电路要求很高时，就必须将内部电路与外壳一点接地，同时，千万注意，同时，必须将外壳良好接大地。
3）、为防止内部电路与外壳一点连接地时，内部输出万一碰到外壳而造成短路（如电源设备），内部电路与外壳间用容量足够大的电容相连，这样，对工频干扰来说，内部与外壳间是等电位的，对直流输出来说，是隔离的。
接地按作用来分可分为保护接地和工作接地两种：
1、为保证人身安全，避免发生人体触电事故，把电气设备的金属外壳与接地装置连接的方式称为保护接地。
2、设备的正常和事故情况下可靠的工作而进行的接地称为工作接地。
在没有中性接地点的三相三线制电力系统中，当一相碰壳时，人触及外壳，接地电流Id通过人体和电网对绝缘电阻形成回路，对人就构成了单相触电。
对其保护接地后，漏电设备对地电压主要取决于保护接地电阻的大小。
由于接地电阻小于人体的电阻，则大部分电流经过接地装置流入地，流经人体的电流很小，对人比较安全。
在中性点接地的系统中，为了防止触电的发生，可将电气设备的外壳接至该网络的零线上。
当某一相带电部分与金属外壳相碰时，通过设备的外壳形成相对零线的单相触电，短路电流能促使线路上保护装置（如保险丝）快速动作，从而切断故障部分的电源，消除触电危险。
二、电容降压及稳压二极管的简介
2.1电容降压的简介
将交流电转换为低压直流电的常规方法是采用变压器降压再整流滤波，当受到体积和成本等因素的限制时，则选用最简单实用的方法电容降压法。
由于本设计多处用到电容降压，所以在此介绍一下电容降压的工作原理。
图2.1电容降压式简易电源的基本电路
如图2.1所示，C1为降压电容，C2为滤波电容，D2为半波整流二极管，D1是在交流电的负半周期给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1电荷泄放电阻。
在实际中常常采用图2.2所示的电路。
当需要向负载提供较大的电流时，可采用图2.3所示的电路。
图2.2常用电容降压式简易电源的基本电路图2.3较大电流电容降压式简易电源的基本电路
整流后未经稳压的直流电压一般不会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流的应用场合。
如图2.4，C1为降压电容，一般为0.33~3.3uF。
假设C1=2uF，其容抗XCL=1/（2PI*fC1）=1592。
由于整流管的导通电阻只有几欧姆，稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右，限流电阻R1及负载电阻RL一般为100~200，而滤波电容一般为100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。
若用R代表除C1以外所有元器件的等效电阻，可以画出图2的交流等效电路。
同时满足了XC1>
R的条件,所以可以画出电压向量图。
图2.4最简单的电容降压直流供电电路及其等效电路
由于R甚小于XC1，R上的压降VR也远小于C1上的压降，所以VC1与电源电压V近似相等，即VC1=V。
根据电工原理可知：
整流后的直流电流平均值Id,与交流电平均值I的关系为Id=V/XC1。
若C1以uF为单位，则Id为毫安单位，对于220V，50赫兹交流电来说，可得到Id=0.62C1。
由此可以得出以下两个结论：
（1）在使用电源变压器作整流电源时，当电路中各项参数确定以后，输出电压是恒定的，而输出电流Id则随负载增减而变化；
（2）使用电容降压作整流电路时，由于Id=0.62C1,可以看出，Id与C1成正比，即C1确定以后，输出电流Id是恒定的，而输出直流电压却随负载电阻RL大小不同在一定范围内变化。
RL越小输出电压越低，RL越大输出电压也越高。
C1取值大小应根据负载电流来选择，比如负载电路需要9V工作电压，负载平均电流为75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF。
考虑到稳压管VD5的损耗，C1可以取1.5uF，此时电源实际提供的电流为Id=93毫安。
稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压，其稳定电流的选择也非常重要。
由于电容降压电源提供的是恒定电流，近似为恒流源，因此一般不怕负载短路，但是当负载完全开路时，R1及VD5回路中将通过全部的93毫安电流，所以VD5的最大稳定电流应该取100毫安为宜。
由于RL与VD5并联，在保证RL取用75毫安工作电流的同时，尚有18毫安电流通过VD5，所以其最小稳定电流不得大于18毫安，否则将失去稳压作用。
限流电阻取值不能太大，否则会增加电能损耗，同时也会增加C2的耐压要求。
如果是R1=100欧姆，R1上的压降为9.3V,则损耗为0.86瓦,可以取100欧姆1瓦的电阻。
滤波电容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐压的选择前已述及,负载电压为9V,R1上的压降为9.3V,总降压为18.3V,考虑到留有一定的余量,因此C2的耐压值取25V以上为好。
为保证C1的可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
在前面我们已经知道，电容降压，其输出电流是恒定的，它的输出电压通常可在几伏到几十伏，取决于所使用的齐纳二极管。
所能提供的电流大小正比于降压电容容量。
采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：
I（AV）=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C=0.44*220*2*3.14*50*C
=30000C=30000*0.000001=0.03A=30mA
如果是全波整流可得到双倍的电流（平均值）为：
I（AV）=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C=0.89*220*2*3014*50*C
=60000C=60000*0.000001=0.06A=60mA
一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型差，所以用的更少。
使用这种电路时要注意，降压电容接于火线，耐压要求足够大（大于400）。
注意齐纳管功耗，严禁齐纳管短开运行。
2.2稳压二极管简介
稳压二极管在电路中常用“ZD”加数位表示，如：
ZD5表示编号为5的稳压管。
稳压二极管的稳压原理：
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。
这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
其故障特点为：
稳压二极管的故障主要表现在开路、短路后稳压值不稳定。
在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；
后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。
表2-2常用稳压二极管的型号及稳压值
型号
1N4728
1N4729
1N4730
1N4732
1N4734
稳压值
3.3V
3.6V
3.9V
4.7V
5.6V
1N4735
1N4744
1N4750
1N4751
1N4761
6.2V
15V
27V
30V
75V
三、变压器的简介
变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合不同的用途变压器的绕制工艺会有所不同的要求。
变压器的功能主要有：
电压变换；
阻抗变换；
隔离；
稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。
3.1变压器的基本原理
当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。
在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。
为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。
如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。
当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。
如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。
变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。
3.2变压器的损耗
当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好像一个旋涡所以称为“涡流”。
这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。
由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。
另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。
所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。
由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述，η=输出功率/输入功率。
3.3变压器的材料
要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识，为此这里我就介绍一下这方面的知识。
3.3.1铁心材料
变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。
我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000，
3.3.2绕制变压器通常用的材料
漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。
对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。
一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。
3.3.3绝缘材料
在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离
3.3.4浸渍材料
变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料。
四、电路分析
通过以上的介绍，对电工实验台保护系统所采的元器件有了一定的了解之后，我将在下面介绍它的工作原理及电路分析。
4.1工作流程图
表4-1电工台工作流程图
主回路图——→空气开关——→钥匙开关——→主继电器—
—→10A保险丝——→隔离变压器——→自耦变压器
主回路大体上由上面的部分组成，其它的保护电路被连在电路中。
4.2电流型漏电保护
电气设备上所使用的漏电保护器又称漏电断路器，它是一种新型的安全保护措施，日本工业标准把它作为电力系统的安全措施之一。
4.2.1漏电断路器的工作原理
它是通过检测低压电路的对地漏电或短路电流，带动脱扣机构，自动切断电源并发出指示。
其检出故障的方式有两种，分为电流动作式和电压动作式。
下面我们对其进行简单的介绍。
电流动作式使用零序变压器，它通过检测出对地电流或短路电流Ig，在次级输出信号使断路器动作，而电压动作式靠的是对地漏电电流或短路电流产生的一个电压降，来实现断路器的动作。
具体电路见图6.1。
在实际应用中一般多用电压动作式而
图4.1电流动作式使用零序变压器
少用电流动作式。
4.2.2漏电断路器的各项工作指标及型号结构
目前，在市场上有很多型号的断路器可供选择，其各项技术指标都是经过严格的实验得到的，因此，我们从中选用一种型号即可。
本次设计中所使用的是由DZ47LE系列漏电脱扣器与DZ47—63系列组成的漏电断路器（以下简称断路器）。
它适用于交流50HZ三相380V及单相220V的电路中，作为人身触电保护之用，并可以用于线路的过载及短路保护以及在正常情况下作为线路的不频繁转化和电动机的不频繁操作。
正常工作条件:
最高温度+40℃，最低空气温度为-5℃；
海拔高度不得超过2000m；
空气相对湿度不大于90%；
安装位置的外磁场，在任何情况下不得超过地磁的5倍；
放置在无显著摇动和振动的地方；
断路器适用的污染指数为2级.
其产品型号标注为：
DZ47LEⅡ32□□30
30…………………………额定漏电动作电流（单位:
mA）
□（后一个）………………带有不可分断的中性线
□（前一个）………………极数
32……………………………壳架等级额定电流
LE………………派生产品代号（电子式漏电断路器）
47……………………………设计代号
DZ……………………………塑料外壳式断路器
4.2.3漏电断路器型式及技术参数
见表4-1和表4-2
表4-1断路器过流电流脱扣特性表
实验电流A
额定电流
规定
时间
预期结果
起始
状态
备注
1.3In
所有额定值
t≥1h
不脱扣
冷态
1.45
In
所有额定
值
t<
1h
脱扣
电流在5s内稳定的上升至规定值
2.55
>
32
ts<
120s
闭合辅助开关接通电源
≤32
60s
5
t>
0.1s
10
壳架等级额定电流InMA
极
数
加
中
性
线
额定电流
InA
额定短路通断能力
过电
流瞬
时脱
扣类
型
额定
漏电
动作
电流
mA
不动
作电
流
额定漏电
分断时间s
电压
v
通断
能力
CosΦ
1
N
6
16
20
25
220
380
6000
0．7
C
30
15
<
0．1
2
3
4
4000
0．8
D
50
40
表4-2短路器额定通断能力及基本参数
4.3隔离变压器前后漏电保护的实现
设计中共有两个漏电保护，漏电保护1（以下简称漏1）和漏电保护2（以下简称漏2）。
其中，漏1用于交流漏电的保护，它位于隔离变压器之前，漏2在隔离变压器之后，用于实现对隔离变压器后部的电路进行保护。
4.3.1漏电保护1
首先，我们来看看漏1的电路图（图4.2）
●
图4.2漏电保护1电路图
电压通过060、000接入220V的电压，经过电容C1的降压（关于电容降压的部分将在后面进行阐述），再经桥式整流，稳压管稳压后得到一个大致等于10V的电压，由于开始没有漏电，三极管9014的基极没有电压，致使9014截止，由于555构成的施密特触发器2、6脚处于高电平状态，3脚未被触发，所以其3脚后面的继电器及发光二极管都不工作。
当产生漏电时，致使机壳上带上了一定的电压，在经过R1、R2及桥式整流中的一个二极管到000之间构成了一个闭合的回路。
致使在R1上产生了一个电压降，这个电压降被加在了9014的基极和发射极之间，由于9014
图4.3报警保护电路示例图
基极连有一个二极管和电阻，所以只有在R2上的电压降到了一定的大小时，9014才会导通。
例如图4.3所示电路
因为二极管正向导通电压为0.7V，
所以在U1=1.4时，9014才有可能会临界导通
而U1=R2/（R1+R2）*（U-0.7）
所以820/68.82K*（U-0.7）=1.4
得出U=118.2v
即在U大于118.2v时，9014才有可能导通
当9014导通后，使U2输出一个低电平，送给555构成的施密特触发器，当施密特触发器得到一个低电平后，它就会触发，使3脚输出一个高电平，这样发光二极管及继电器在高电平的驱动下工作，发光二极管，继电器吸合。
继电器吸合后，使KL1常闭触电断开，使主继电器供电回路被切断，因而KM开关断开，使隔离变压器原边失电，不能正常工作，从而实现了报警保护作用。
4.3.2施密特触发器
关于由555构成的施密特触发器如图6.3所示
图4.3由555构成的施密特触发器
将555定时器的阀值输入端和触发输入端连在一起，便构成了施密特触发器，如图4.3所示。
当v1输入低电平时，555内部比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器置1，放电三极管截止，输出端V0为高电平。
我们就利用这样的原理来实现漏1的保护。
4.3.3漏电保护2
漏2的报警保护电路图如图4.4所示，它基本上与漏1相同，只是多了一个报警蜂鸣电路，图a的继电器是用来控制图b中的继电器和蜂鸣器的动作的，而对漏电保护，切断主回路电流是靠图b中的继电器来实现的，且图b中有一个自保持回路，如果不按复位，主回路就无法再启动，鸣叫也不会停止。
图b的13.5V是不经过KM开关而直接在前端变压得到的，因此既是漏2报警保护把主回路KM开关切断了，报警电路也还是运行的，即蜂鸣声要一直响到复位按钮被按下才会停止。
图4.4漏电保护2的报警保护电路图
在图b及后面我们要介绍的电路中，有多处用到了自保持回路，所以下面我们就对自保持回路进行一个简单的介绍。
自保持回路是用来实现当使继电器动作的第一个因素消失时，使继电器能继续工作的一个回路，它的工作原理很简单，继电器的工作先要靠三极管导通，然后它才能工作，当它工作后，它自己会把一个自带的自保持触点吸合，这样就构成了一个自保持回路，既使三极管截止了，它也能保持工作。
只有人为的把复位按钮按下，继电器才会失电。
4.4超量程报警
4.4.1电路图及分析（图4.5）
该电路与漏2保护中的图b极其相似，其原理是相同的，只是它的继电器吸合由来自仪表的超量程报警控制，只要有其中的一块仪表发生超量程报警，该电路就会动作，切断主回路的电流。
所以下面我们先对仪表的超量程报警电路进行介绍。
。
图4.6直流电压表的电路图
图4.5超量程报警电路图
4.4.2仪表报警的实现
4.4.2.1直流电压表的电路图见图4.6
由于我们只是对仪表的超量程报警进行研究分析，所以对于表仪表超量程报警的主电路由一个TL084构成，它在内部构成一个跟随器和两个比较器，跟随器起一个增加带负载能力的作用，并且，它还起一个防干扰的作用，它的增益为1。
两个比较器的作用是用来实现正负报警。
正负报警可调节的基准电压在（2/4.9）*5到（2.2/4.9）*5即在2.04到2.24之间。
根据实际情况可设置基准在适当位置，当设置在2.1到2.2之间时，可满足电压超量程报警在电压超出满量程的1.05到1.1之时可以动作。
当报警电路动作后，9014就导通，从而带动了发光二极管和继电
图4.7直流电流表电路图
器的动作当仪表报警后，闭合的开关使超量程报警电路中的继电器得电，蜂鸣器也因得电而发出蜂鸣声，使常闭开关KC被断开，从而断开了主继电器的供电回路。
4.4.2.2直流电流表的具体电路见图4.7所示
在直流电流表中有一个LM324，它是四运放集成电路，该电路只取了其中的两个运放。
LM324采用14脚双列直插塑料封装，外形如下图所示
图4.8四运放集成电路LM324外形图
它的内部包含四组完全相同的运算放大器，除了电源以外，四组运放相互独立，每一组运放可用图a所示的符号表示，它有5个引脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正负电源端，“V0”为输出端。
两个信号输入端中，vi-为反向输入端，表示运放输入端V0的信号与该输入端的相位相反；
vi+为同向输入端，表示运放输入端V0的信号与该输入端的相位相同。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功率小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此被广泛用于各种电路中。
4.5交流过流、过压保护的实现
4.5.1交流过流保护（图4.8）
电路采用每相两个取样电路，其中一个可调，另一个不可调，它们的位置一个位于调压器之前，一个位于调压器之后，两个取样电路共享一个比较器进行控制，只要有一个超过了预定的电压值，比较器就会输出一个高电平，使报警部分动作，而取样靠的是电流的变化感应出电压的大小，我们可以用电流互感器或者磁罐来实现取样
升级会员 