繼電器特性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與制作

杜偉偉

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡438002）

關(guān)鍵字：繼電器；試驗(yàn)臺(tái)；調(diào)試

隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，電氣設(shè)備也不斷地向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，電氣行業(yè)對(duì)高校學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和技能的要求也越來越高。當(dāng)前在電氣專業(yè)實(shí)際教學(xué)和學(xué)習(xí)中，廣泛應(yīng)用的各種一體化綜合試驗(yàn)臺(tái)，這種試驗(yàn)臺(tái)由高校直接從生產(chǎn)教學(xué)設(shè)備的企業(yè)購(gòu)買，功能比較齊全，采用試驗(yàn)端子接線比較簡(jiǎn)便，但是批量生產(chǎn)的教學(xué)儀器不能完全滿足日常教學(xué)的要求，學(xué)生通過綜合試驗(yàn)臺(tái)的訓(xùn)練不能全面地掌握各種繼電器的工作原理及應(yīng)用[1]。

因此，我們利用實(shí)訓(xùn)室的調(diào)壓器、繼電器、互感器、儀表等電氣元件設(shè)計(jì)制作了一款小型繼電器特性試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)體積小，測(cè)試靈活，操作方便，便于學(xué)生進(jìn)行小組試驗(yàn)，有利于學(xué)生熟練掌握多種繼電器的特性和試驗(yàn)操作方法，還可以鍛煉學(xué)生對(duì)電氣控制設(shè)備的安裝、接線和調(diào)試能力。

1 設(shè)計(jì)制作要完成的主要任務(wù)

電路設(shè)計(jì)：依據(jù)試驗(yàn)要求完成繼電器特性試驗(yàn)臺(tái)模擬電壓源和模擬電流源回路設(shè)計(jì)，完成過電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)。

殼體設(shè)計(jì)：根據(jù)電路中元器件的尺寸，設(shè)計(jì)嵌入式安裝的面板開孔圖，設(shè)計(jì)合理的柜體尺寸，聯(lián)系鈑金加工部門定制生產(chǎn)。

采購(gòu)清單：依據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖，列出元器件清單，標(biāo)明每種元器件的型號(hào)和數(shù)量，按清單采購(gòu)。

安裝接線：柜體制作完成后，進(jìn)行元件安裝固定，并按照電路圖紙進(jìn)行二次回路接線。

通電調(diào)試：試驗(yàn)臺(tái)組裝完畢以后進(jìn)行通電調(diào)試，保證產(chǎn)品安裝接線正確，能夠完成繼電器特性試驗(yàn)全部功能。

2 繼電器特性試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)主要是完成各種繼電器特性的試驗(yàn)功能，下面針對(duì)過電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器分別進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

2.1 過電壓繼電器特性試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

過電壓繼電器是一種當(dāng)輸入電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開的電器。當(dāng)被測(cè)電壓為正常范圍時(shí)繼電器不動(dòng)作，當(dāng)被測(cè)試電壓大于或等于設(shè)定值時(shí)，繼電器觸點(diǎn)發(fā)生改變，通過控制電路切斷主電路，以實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)；當(dāng)電壓降低到設(shè)定值以下時(shí)，繼電器再恢復(fù)到原始狀態(tài)。

將交流220 V電源接入自耦調(diào)壓器，調(diào)壓器的輸出接端子，同時(shí)輸出端并聯(lián)電壓表，要測(cè)試過電壓繼電器的性能，就將電壓繼電器的線圈接入端子，通過調(diào)整自耦調(diào)壓器的輸出電壓，調(diào)節(jié)過電壓繼電器線圈兩端的電壓。記錄過電壓繼電器的動(dòng)作值和返回值，通過計(jì)算得到過電壓繼電器的返回系數(shù)（返回系數(shù)=返回值/動(dòng)作值），就可以得到過電壓繼電器的動(dòng)作特性，具體內(nèi)部接線如圖1所示。

圖1 過電壓繼電器試驗(yàn)電路

所用到的元件清單及型如表1所示。

表1 過電壓繼電器試驗(yàn)電路元件清單

2.2 電流繼電器特性試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

電流繼電器是根據(jù)檢測(cè)電路的二次電流大小來做出判斷，從而保護(hù)被檢測(cè)電路的一種繼電器。當(dāng)被測(cè)電路的電流大于設(shè)定電流時(shí)，繼電器觸點(diǎn)發(fā)生改變，通過控制電路切斷被測(cè)電路電流，從而起到保護(hù)作用。當(dāng)被測(cè)電路電流低于設(shè)定電流值一定范圍時(shí)，電流繼電器自動(dòng)返回，恢復(fù)到原始狀態(tài)。

當(dāng)流過電流繼電器線圈中的電流增大到一定數(shù)值時(shí)，施加于銜鐵上的電磁力大于彈簧的反作用力，繼電器觸點(diǎn)位置發(fā)生改變，從而起到控制二次回路的作用。一般情況下主電路的電流都比較大，所以通常是通過電流互感器（TA）將主電路的大電流按比例轉(zhuǎn)換為二次小電流送入電流繼電器進(jìn)行檢測(cè)，具體內(nèi)部接線如圖2所示。所用到的元件清單及型號(hào)如表2所示。

圖2 電流繼電器試驗(yàn)電路

表2 電流繼電器試驗(yàn)電路元件清單

2.3 中間繼電器特性試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

中間繼電器的作用是增大觸點(diǎn)的數(shù)量和容量，對(duì)于容量較小的電動(dòng)機(jī)或其他電氣元器件也可直接用中間繼電器進(jìn)行控制。中間繼電器是電壓繼電器的一種，他們的工作原理是完全相同的，區(qū)別在于中間繼電器有更多的觸點(diǎn)，或者觸點(diǎn)容量更大，用來增加觸點(diǎn)的數(shù)量，或者增大被控制電路的容量，具體內(nèi)部接線如圖3所示。

圖3 中間繼電器試驗(yàn)電路

所用到的元件清單及型號(hào)如表3所示。

表3 中間繼電器試驗(yàn)電路元件清單

2.4 時(shí)間繼電器特性試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

時(shí)間繼電器是指在收到外部信號(hào)輸入后，輸出信號(hào)不會(huì)立即發(fā)生改變，而是經(jīng)過一定的時(shí)間延時(shí)后觸頭才動(dòng)作的一種繼電器。時(shí)間繼電器一般用在電氣控制系統(tǒng)中作為選擇判斷的重要依據(jù)，通過時(shí)間繼電器的延時(shí)來進(jìn)行選擇判斷，可以提高判斷的精確性，以滿足電路選擇性的要求。

當(dāng)線圈兩端有電壓輸入時(shí)，延時(shí)閉合或斷開觸點(diǎn)不會(huì)立即發(fā)生狀態(tài)改變，通過機(jī)械延時(shí)機(jī)構(gòu)或者電子延時(shí)元件，使得達(dá)到設(shè)定時(shí)間后延時(shí)觸點(diǎn)才發(fā)生瞬動(dòng)改變，具體內(nèi)部接線如圖4所示。

圖4 時(shí)間繼電器試驗(yàn)電路

所用到的元件清單及型號(hào)如表4所示。

表4 時(shí)間繼電器試驗(yàn)電路元件清單

3 試驗(yàn)臺(tái)殼體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，面板上需要安裝的電氣元件主要有：電流繼電器、過電壓繼電器、中間繼電器、時(shí)間繼電器、電壓表、電流表、指示燈、按鈕和試驗(yàn)端子。在平面布置圖設(shè)計(jì)時(shí)，主要遵循整體美觀和操作方便的原則。

為了保證試驗(yàn)臺(tái)布局合理、美觀，在制作實(shí)物之前應(yīng)用AutoCAD制作了試驗(yàn)臺(tái)殼體三維仿真模型，如圖5所示。

圖5 三維仿真模型西南視角效果

4 試驗(yàn)臺(tái)安裝、接線與調(diào)試

試驗(yàn)臺(tái)殼體定制完成后，依據(jù)開孔示意圖安裝好面板上的漏電斷路器、按鈕、指示燈、儀表、嵌入式繼電器和端子等元件，內(nèi)部安裝電流互感器和電阻器等元件，然后按照前面的電路設(shè)計(jì)圖（圖1～4）進(jìn)行接線。

當(dāng)所有電氣線路連接完成后，要檢查元件的安裝和接線是否準(zhǔn)確、規(guī)范；判斷線路是否存在短路和斷路；對(duì)設(shè)計(jì)圖紙存在不合理的地方及時(shí)進(jìn)行修改，并與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，在檢查確定無誤后才可以對(duì)裝置進(jìn)行通電調(diào)試，以防止可能發(fā)生的意外情況。

下面對(duì)過電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器、時(shí)間繼電器分別進(jìn)行調(diào)試。

4.1 過電壓繼電器特性試驗(yàn)電路調(diào)試

用萬用表檢查線路正確后，首先設(shè)定過電壓繼電器動(dòng)作值80 V，然后將調(diào)壓器輸出電壓調(diào)整到最低，合上試驗(yàn)臺(tái)單相交流電源開關(guān)和直流電源開關(guān)，此時(shí)過電壓繼電器的動(dòng)作指示燈處于熄滅狀態(tài)。

緩慢升高調(diào)壓器輸出電壓，觀察電壓表的讀數(shù)接近80 V時(shí)，注意降低升壓速度，直至過電壓繼電器動(dòng)作指示燈點(diǎn)亮，記錄動(dòng)作值。

緩慢降低調(diào)壓器輸出電壓，使其電壓緩慢降低，當(dāng)指示燈熄滅時(shí)，停止調(diào)節(jié)調(diào)壓器，記下當(dāng)前電壓，就得到過電壓繼電器的返回值。

實(shí)驗(yàn)完成后，將調(diào)壓器輸出調(diào)為0 V，斷開所有電源開關(guān)。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)電路工作正常，過電壓繼電器返回系數(shù)0.8532符合說明書要求。

表5 過電壓繼電器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 電流繼電器特性試驗(yàn)電路調(diào)試

用萬用表檢查線路正確后，首先設(shè)定電流繼電器的動(dòng)作值為5 A，然后將調(diào)壓器輸出電壓調(diào)整到最低，合上試驗(yàn)臺(tái)單相交流電源開關(guān)和直流電源開關(guān)，此時(shí)過電壓繼電器的動(dòng)作指示燈處于熄滅狀態(tài)。

緩慢升高調(diào)壓器輸出電壓，觀察電流表的讀數(shù)接近5 A時(shí)，注意降低升壓速度，直至過電壓繼電器動(dòng)作指示燈點(diǎn)亮，記錄動(dòng)作值。

緩慢降低調(diào)壓器輸出電壓，使其電流表讀數(shù)緩慢降低，當(dāng)指示燈熄滅時(shí)，停止調(diào)節(jié)調(diào)壓器，記下當(dāng)前電流值，就得到過電流繼電器的返回值。

實(shí)驗(yàn)完成后，使調(diào)壓器輸出為0 V，斷開所有電源開關(guān)。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 電流繼電器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)電路工作正常，電流繼電器返回系數(shù)0.8515符合說明書要求。

4.3 中間繼電器特性試驗(yàn)電路調(diào)試

按圖接好線路。合上單相電源，按下按鈕；信號(hào)燈亮，說明回路接線正確；試驗(yàn)完成后，斷開所有電源開關(guān)。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如下表7所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)電路工作正常，中間繼電器工作參數(shù)符合說明書要求。

表7 時(shí)間繼電器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.4 時(shí)間繼電器特性試驗(yàn)電路調(diào)試

用萬用表檢查線路正確后，將時(shí)間繼電器的線圈接在交流電壓端子上，拆掉時(shí)間繼電器外殼，調(diào)整時(shí)間整定旋鈕，將指針對(duì)準(zhǔn)設(shè)定時(shí)間的刻度中心位置。合上交流電源開關(guān)，同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，當(dāng)指示燈點(diǎn)亮?xí)r，迅速停止計(jì)時(shí)，記錄指示燈從電源合閘到指示燈點(diǎn)亮所用的時(shí)間，既得到時(shí)間繼電器的實(shí)際延時(shí)時(shí)間。

試驗(yàn)完成后，斷開所有電源開關(guān)。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如下表8所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)電路工作正常，時(shí)間繼電器延時(shí)數(shù)據(jù)符合說明書要求。

表8 時(shí)間繼電器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 試驗(yàn)臺(tái)制作成本分析

試驗(yàn)臺(tái)的制作主要分如下流程：殼體的鈑金加工制作；元器件的采購(gòu)；元器件安裝接線，具體價(jià)格如表9所示。

表9 元件采購(gòu)價(jià)格表

試驗(yàn)臺(tái)制作過程中的所用號(hào)碼管、銅導(dǎo)線均取自實(shí)訓(xùn)室耗材庫(kù)，安裝接線是團(tuán)隊(duì)利用課余時(shí)間手工完成，成本不計(jì)，最后得到制作試驗(yàn)臺(tái)的價(jià)格為1625.80元。

所設(shè)計(jì)制作的試驗(yàn)臺(tái)目前在市場(chǎng)上找不到同類產(chǎn)品，學(xué)校采購(gòu)的多功能綜合試驗(yàn)臺(tái)的價(jià)格為1.84萬元，除去多功能儀表部分的價(jià)格，繼電器特性測(cè)試部分的成本也在6000元左右，所以此款試驗(yàn)臺(tái)既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)常用繼電器——電流繼電器、電壓繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器進(jìn)行特性分析試驗(yàn)，直觀展示電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基本原理，為電力專業(yè)學(xué)生提供了繼電保護(hù)知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)平臺(tái)。本試驗(yàn)臺(tái)體積小，購(gòu)置成本低，學(xué)?？梢岳脤?shí)訓(xùn)室已有條件自行采購(gòu)殼體安裝制作，為電氣專業(yè)繼電保護(hù)方面的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐練習(xí)提供良好條件。