自动控制原理 2.docx
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自动控制原理2
、整套电气控制实训装置中用到了那些种类的断路开关，总结它们的各自的基本构成、工作原理、电气符号、用途是什么？
在本次电气控制实训装置中用到了以下断路器：
序号
名称
型号
符号
功能
备注
1
断路器
C65N4PC16A
QF01
注电器柜中电源的接通和切断，额定电流为16A
内分励线圈
MXDC分励脱扣线圈DC24V
LV429390
远程控制断路器断电
线圈额定电压为24V
2
漏电保护断路器
VIGIC654P40
QF02
在电路中骑漏电保护，漏电保护电流30mA
小型断路器
C654PC16A
3
小型断路器
C654PC4A
QF03
柜内照明灯控制开关
C652PC4A
QF04
直流24V电源开关
C652PC2A
QF05
直流24V控制回路电源开关
4
电动机断路器
GV2-ME04C0.4-0.63A
QM21
控制搅拌机点击启动
有过载保护，短路保护
GV2-ME04C0.4-0.63A
QM31
控制开盖点击启动
GV2-ME06C1-0.63A
QM32
控制加热器启动
其中用到的断路器分为两种：
低压断路器和漏电断路器
（一）低压断路器
1、低压断路器的基本构成
（1）主触点
（2）自由脱扣机构
（3）过电流脱扣器
（4）分励扣器脱
（5）热脱扣器
（6）欠电压脱扣器
（7）停止按钮
2、低压断路器的工作原理
1）断路器作合、分电路时，依靠扳动其手柄或采用电动机操作机构使动、静触头闭合或断开。
2）在正常情况下，触头能接通和分断电流；当出现过载时，通过热继电器或双金属元件受热变形、弯曲，使锁扣脱扣，使断路器跳闸；当出现短路时，一定值的短路电流会使短路脱扣器动铁心被吸合，带动断路器分断。
3）要远距离控制断路器可采用分励脱扣器，分励脱扣器通电时，其衔铁被吸合，带动断路器分断。
4）在出现各种故障时，动、静触头分断，触头之间产生强烈的电弧。
灭弧室内的铁质栅片被磁化，产生吸力，把电弧引向灭弧室，将电弧分隔成短弧，利用铁栅片对电弧的冷却，以提高电弧电阻和电弧电压，将电弧熄灭。
低压断路器的作用一般作用：
保护配电线路；保护电动机和照明线路；保护人身安全；防止火灾、爆炸事故的发生；保护财产（设备）安全。
3、低压断路器的电器符号
4、低压断路器的用途
一般作用：
保护配电线路；
（1）保护电动机和照明线路。
（2）保护人身安全；防止火灾、爆炸事故的发生。
（3）保护财产（设备）安全。
具体作用主要有：
（1）在正常情况下，做不频繁合、分电路或启动、停止电动机。
（2）当线路或电动机发生过载、短路或欠电压等故障时，能自动切断电路，予以保护。
（二）漏电保护断路器
1、
漏电保护断路器的基本构成
漏电保护断路器的主要部件是个磁环感应器，火线和零线采用并列绕法再磁环上缠绕几圈，在次换有个次级线圈当同一相的零线或者火线再正常工作时，电流产生的磁通正好抵消，在次级线圈就不会产生感应电动势，如果有一根线漏电则零线和火线的电流不相等产生的磁通量不能抵消次级线圈产生感应电动势通过电磁铁使得断路器动作切断线路实现跳闸。
2、漏电保护断路器的工作原理
电路中漏电电流超过预定值时能自动动作的开关。
常用的漏电断路器分为电压型和电流型两类，而电流型又分为电磁型和电子型两种。
电磁式漏电保护器。
主要由高导磁材料制造的零序电流互感器、漏电脱扣器和带有过载及短路保护的断路器组成。
在被保护电路有漏电或人体触电时，只要漏电（或触电）电流达到漏电动作电流值，零序电流互感器的二次绕组就输出一个信号，并通过漏电脱扣器使断路器在0.1s内切断电源，从而起到漏电和触电保护作用。
3、漏电保护断路器的电气符号
4、漏电保护断路器的用途
防止电气设备和线路等漏电引起人身触电事故，它能够在设备漏电、外壳呈现危险的对地电压自动切断电源。
二、电气、控制实训装置中的行程开关、限位开关在哪里，他们是如何工作的？
行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。
利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。
通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
在本实训设备中用到了TZ-8111行程开关包括SL71（开盖行程限制）和SL72（合盖行程限制）分别位于盖子刚好开启和刚好合住的位置上，当盖子接触到两个行程开关中的一个时，行程开关动作使得开盖电机停止运行。
这样使得盖子在两个行程开关之间运行。
三、电器控制实训装置中温度检测、物料检测是怎样实现的？
（1）温度检测
PT100是一个温度传感器，是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器，可以工作在-200℃至650℃的范围。
电阻式温度检测器（RTD,ResistanceTemperatureDetector）是一种物质材料作成的电阻，它会随温度的上升而改变电阻值，如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻系数，如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。
大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性...，最受工业界采用。
PT100温度感测器是一种以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器，属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系式如下：
R=Ro（1+αT）其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值），T为摄氏温度。
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
（2）物料检测
如果料筒内有物料时，我们需要自动启动加热器，并且要求启动30秒停止30秒，温度达到40℃时，自动停止加热器。
通过这种方式来实现一个小型自动头，给系统供电；将选择开关SA52和SA53打到ON位置；1．接通主电源：
按顺序闭合QF01，QF02，QF03，QF04，QF05，QM31。
2．接通后中间继电器KA51上电，其常开接点KA51闭合，QM31闭合，中间继电器KA92未上电，其常闭接点KA92闭合。
若搅拌刀片在定轴位置，则中间继电器KA136上电，其常开接点KA136闭合，否则无法启动。
3．将转换开关SA81打到AUTO位置。
四、整套电器控制实训装置中用到了那些种类的继电器、接触器，总结他们的各自基本构成、工作原理、电器符号、用途是什么？
（一）中间继电器
实训装置中用到的继电器如下表：
1、中间继电器的主要构造及工作原理
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
电气文字符号（KA）
电气图形符号如左图
2、中间继电器的用途
代替小型接触器
中间继电器的触点具有一定的带负荷能力，当负载容量比较小时，可以用来替代小型接触器使用，比如电动卷闸门和一些小家电的控制。
这样的优点是不仅可以起到控制的目的，而且可以节省空间，使电器的控制部分做得比较精致。
增加接点数量
这是中间继电器最常见的用法。
在电路控制系统中一个接触器的接点A需要控制多个接触器或其他元件时（图中接点A需要控制一个接触器，两个指示灯），一般不接成图1a的形式，因为这样不利于维修（有时一个接点容量也不够），而是在线路中增加一个中间继电器，不仅不会改变控制形式，而且便于维修。
增加接点容量
我们知道，中间继电器的接点容量虽然不是很大，但也具有一定的带负载能力，同时其驱动所需要的电流又很小，因此可以用中间继电器来扩大接点容量。
转换接点类型
在工业控制线路中，常常会出现这样的情况，控制要求需要使用接触器的常闭接点才能达到控制目的，但是接触器本身所带的常闭接点已经用完，无法完成控制任务。
这时可以将一个中间继电器与原来的接触器线圈并联，用中间继电器的常闭接点去控制相应的元件，转换一下接点类型，达到所需要的控制目的。
用作开关
在一些控制线路中，一些电器元件的通断常常使用中间继电器，用其接点的开闭来控制，如图4所示。
转换电压
在工业控制线路控制线路中电压是DC24V。
接触器KM2需控制电磁阀KT的通断，而电磁阀的线圈电压是AC220V。
消除电路中的干扰
在工业控制或计算机控制线路中，虽然有各种各样的干扰抑制措施，但干扰现象还是或多或少地存在着。
（二）热继电器
1.热继电器的基本结构及工作原理
它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。
发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。
双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。
图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。
当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。
由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。
电气文字符号（FR）
电气图形符号如左图
2.热继电器的用途
快速反应切除过载设备，防止过载造成的设备故障。
实训装置中用到的接触器如下：
（三）交流接触器
1.交流接触器主要构造
1）电磁系统─铁心、吸引线圈和短路环。
2）触头系统─主触头和辅助触头，还可按吸引线圈得电前后触头的动作状态，分常开（动合）、常闭（动断）两类。
3）消弧系统─在切断大电流的触头上装有灭弧罩，以迅速切断电弧。
4）接线端子，反作用弹簧等。
接触器用以接通和分断负载。
它与热过载继电器组合，保护运行中的电气设备。
它与继电控制回路组合，远控或联锁相关电气设备。
2.交流接触器工作原理
交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。
主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。
交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。
交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场，电磁铁芯由两个「山」字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定铁芯，套有线圈，工作电压可多种选择。
为了使磁力稳定，铁芯的吸合面加上短路环。
交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。
另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的闭合断开。
20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用电路断开时产生的电磁力，快速拉断电弧，保护接点。
接触器具可高频率操作，做为电源开启与切断控制时﹐最高操作频率可达每小时1200次。
接触器的使用寿命很高﹐机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则为数十万次至数百万次。
3.交流接触器电气符号
4.交流接触器用途
交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。
它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。
主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。
交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。
五、电器元件布局有哪些讲究？
一般来说各个电器元件都有要求，从左向右，从上到下，按照电路电气元件的顺序安装，通常接线排在最下面。
遇到变压器或电抗器等较沉的电器元件，要放在电柜底部。
例如接触器、变频器、PLC、断路器它们都有安装要求你可以参照电器元件的说明书给各个元件定位确定安装方式；至于走线要本着强电和弱电尽量分开，特别是要求高的得做好屏蔽接地，通讯线受外界影响比较明显所以更得考虑好，还有就是受电磁干扰明显的尽量不要靠近线圈变频器。
电磁辐射是任何电器都会存在的，而强电的电磁辐射影响大于弱电的电磁辐射，所以在实际应用中，往往会出现弱电信号、通讯信号不稳定的情况（大多是被周围的电磁辐射干扰所致）。
变频器产生的是高次谐波干扰，这是干扰源里比较强烈的一种，它对弱电信号的干扰更猛烈。
所以，在主电气柜内，如果既有强电设备又有弱电设备时，一定要注意用电设备的合理布局，以最大限度的消除干扰的影响。
变频器的干扰一般分为变频器自身干扰、外界设备产生的电磁波对变频器干扰、变频器对其它弱电设备干扰三类情况。
变频器本身就是一个干扰源，众所周知，变频器由主回路和控制回路两大部分组成，变频器主回路主要由整流电路、逆变电路、控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成，电力、电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，因而产生高次谐波，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。
无论是哪一种干扰类型，高次谐波是变频器产生干扰的主要原因。
变频器本身就是谐波干扰源，所以对电源侧和输出侧的设备会产生影响。
与主回路相比，控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其它装置产生的干扰。
干扰的解决办法一般分为以下几种：
1.容易受影响的设备，应尽量远离变频器安装；
2.容易受影响的信号线，应尽量远离变频器和它的输入输出线；
3.避免信号线和动力线平行布线或成束布线；
4.在变频器的输入输出侧分别加装线性滤波器（一般变频器厂家均已加装），可以抑制电线的辐射噪声；
5.动力电缆尽量使用铠装电缆并且越短越好，信号电缆尽量使用屏蔽电缆，如果分别套入金属管，效果更好；
6.保护接地PE（电源地）越短越好，并且保证接地良好。
7.功能接地TE（信号地）不要与PE混接，并且近端接地，远端悬空。
根据主电气柜内的用电设备的不同作用、主回路上进下出的原则、考虑干扰的影响以及使用操作的方便程度，一般来说，柜内设备的布局自上而下应该是：
断路器、接触器、热继电器、中间继电器，变频器。
如果有弱电设备，那么弱电设备尽量放在断路器的右侧和断路器并排放置，尽量远离变频器。
在布线时，动力电缆从左侧布置，弱电电缆从右侧布置。
六、总结变频器的工作原理、用途；变频器在本实训装置中是怎样控制搅拌电机动作的？
（1）变频器的工作原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：
n＝60f（1－s）/p
（1）式中n＝异步电动机的转速；f＝异步电动机的频率；s＝电动机转差率；p＝电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：
n＝60f（1－s）/p
（1）式中n＝异步电动机的转速；f＝异步电动机的频率；s＝电动机转差率；p＝电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
（2）变频器的用途
我国电网的频率是50Hz，交流电机的工作频率也是这个数值，且交流电机的转速，在极数固定的前提下，取决于频率。
在允许的范围内，频率越高，转速越高，反之亦然。
通常的交流电机都是固定转速运转，这就极大的限制了它的用途。
很多需要改变转速的场合，就很难适合。
变频器不仅仅是改变电机的转速，因为转速的下降，势必带来力矩的改变，所以变频器借助现代电子技术，在功能上得以更加完善，他已经是工业上必不可少的设备，被广泛采用。
（3）变频器的控制方式;
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交变直变交电路。
其控制方式经历了以下几代。
1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2）空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
3）矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
4）直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5）矩阵式交变交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交变直变交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交变交变频应运而生。
由于矩阵式交变交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是：
（1）控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
（2）自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；（3）算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；（4）实现Band变Band控制按磁链和转矩的Band变Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交变交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括速度时），可输出150％～200％转矩。
七、分析第2张、第3张、第5张原理图
（1）第二张：
按标号插上航空插头，将系统各部分连接；插上外部进线插头，给系统供电；将选择开关SA52和SA53打到ON位置；1．接通主电源：
按顺序闭合QF01，QF02，QF03，QF04，QF05，QM31。
2．接通后中间继电器KA51上电，其常开接点KA51闭合，QM31闭合，中间继电器KA92未上电，其常闭接点KA92闭合。
若搅拌刀片在定轴位置，则中间继电器KA136上电，其常开接点KA136闭合，否则无法启动。
3．将搅拌机转换开关SA91打到AUTO位置。
（2）第三张：
执行机构上的旋钮SA61处于AUTO位置，开盖器处于打开位置，按下PLC控制柜上的按钮SB122,开盖器自动关闭。
当检测到开盖器关到位，开盖电机停止，搅拌电机自91动启动，进行物料搅拌。
当搅拌过程中，按下PLC控制柜上的按钮SB121,搅拌电机自动降速。
检测到刀片位置时，搅拌电机停止，开盖器自动打开。
当检测到开盖器开到位，开盖电机停止，过程结束。
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