ZDS-I型智能电器实验装置

1、ZDSZDSI I 型智能电器实验装置型智能电器实验装置研研制制报报告告辽宁工程技术大学电气与控制工程学院辽宁工程技术大学电气与控制工程学院2007 年 8 月辽宁工程技术大学实验室建设项目目目 录录一、智能电器实验装置的研制目的与意义一、智能电器实验装置的研制目的与意义.3二、智能电器实验装置的研制目标二、智能电器实验装置的研制目标.5（一） 、基本研制目标.5（二） 、主要设计原则.5（三） 、主要实验项目.6三、三、ZDS-IZDS-I 型智能电器实验装置的构成及工作原理型智能电器实验装置的构成及工作原理.8（一） 、实验装置的整机结构.8（二） 、实验操作台.9（三） 、实验电源面板.

2、10（四） 、实验分立件面板.11（五） 、实验电路板.13四、智能电器实验项目的实验方案设计四、智能电器实验项目的实验方案设计.15（一） 、控制变压器变比测量实验.15（二） 、交流电压传感器特性测量实验.17（三） 、交流电流传感器特性测量实验.18（四） 、交直流继电器和真空接触器特性实验.20（五） 、交流固态继电器特性实验.22（六） 、数字量输入通道实验.24（七） 、数字量输出驱动真空接触器实验.25（八） 、三相异步电动机起停控制实验.27（九） 、模拟量输入通道实验.29（十） 、电压保护实验.30（十一） 、电流保护实验.35（十二） 、漏电闭锁保护实验.41（十三） 、

3、三相异步电动机远方控制实验.45（十四） 、电动机运行参数计算机监测实验.50（十五） 、三相异步电动机联机控制实验.53（十六） 、三相异步电动机传统控制电路设计.59（十七） 、三相异步电动机正反转数字控制电路设计.60五、五、ZDS-IZDS-I 型智能电器实验装置的使用及维护型智能电器实验装置的使用及维护.63（一） 、ZDS-I 型智能电器实验装置的使用方法.63（二） 、ZDS-I 型智能电器实验装置的维护.65六、研制人员六、研制人员.69一、一、智能电器实验装置的研制目的与意义智能电器实验装置的研制目的与意义电器智能化控制是当今国内外工矿企业的的发展趋势，电气工程相关专业的大学

4、生、研究生有必要了解智能化工矿电器设备的基本结构和基本原理，以及它所具有的传统电器设备无法实现的功能，如通信、故障存储与查询、友好的人机交互界面等。智能电器及其相关课程是实践性很强的专业理论课，为了增强智能电器课程的教学效果，智能电器课程需要配备相应的实验室并开设相应的实验项目，但是目前市面上却缺少此类智能电器实验设备。因此，研制一套智能电器实验装置就显得由为重要。ZDS-I 型智能电器实验装置的研制，使其既具备智能电器的基本实验功能，又可以模拟工矿智能电器设备的具有的工矿特色。该实验装置在硬件构成、实验内容方面均做了充考虑，从根本上改变了以往实验单纯验证理论的状况，在加强工程实践能力基础训练

5、的同时,更有利于培养学生的动手能力和创新能力。ZDSI 型智能电器实验装置具有操作安全、功能丰富、支持用户二次开发的特点，可设置不同层次的实验项目，借助相应的程序，用户既可以直接应用本研制报告中所列的实验项目，也可以利用一些常用的电力电子器件、高低压电器器件、检测元件设计出检测技术、高低压电器、电机拖动及微机接口等课程的实验项目。此外，ZDSI型智能电器实验装置是开放式的实验系统，它带有在线调试器，它支持编程、在线调试和程序烧写，除了完成教学实验外，它还可以用作研究生的综合设计性实验系统或用作单片机产品的开发系统，为开展学生科技活动和科研工作提供有利的硬件基础。通过 ZDSI 型智能电器实验装

6、置可以设计出矿用智能型真空磁力起动器样机，通过进行样机的连接实验、功能演示，可以使学生深刻理解工矿企业广泛应用的智能型磁力起动器的基本结构和基本原理，并认识智能化电器设备操作简便、可靠性高等优点，这将有利于激发学生的科研兴趣和增强他们的专业技能。本研制报告详细介绍 ZDSI 型智能电器实验装置的研制过程与使用方法，并对本装置能完成的部分实验项目进行设计。研制报告介绍的全部问题有如下几个方面：第一介绍了智能电器实验装置的研制目的与意义；第二介绍智能电器实验装置的研制目标与设计原则；第三主要介绍 ZDSI 型智能电器实验装置的组成、工作原理；第四介绍了智能电器实验项目的设计，其中有基础性实验、综合

7、性实验和设计性实验，可根据实际的教学需要来选择实验项目；第五介绍了 ZDS-I 型智能电器实验装置的使用及维护。附录部分针对本智能实验装置的 PIC16F877A 微处理器做一简要介绍，主要是以附表的形式列出此款 CPU 芯片的硬件资源、特殊功能寄存器以及指令系统等。此外，我们还制作光盘一张，内含 PIC 单片机开发工具 MAPLAB 的安装程序、PIC 单片机在线调试器 MAPLAB ICD2 中文使用手册以及本书中所列实验项目的源程序等资料。二、智能电器实验装置二、智能电器实验装置的研制目标的研制目标（一）（一） 、基本研制目标、基本研制目标 ZDSI 型智能电器实验装置是辽宁工程技术大学

8、电气与控制工程学院为了满足智能电器及其相关课程的教学需要而研制的教学实验设备。整套实验装置包括实验操作台和微型计算机等几个组成部分。它能够满足电气工程专业智能电器、低压电器、检测技术、微机接口技术等课程实验教学的需要，可以开设如课程设计和毕业设计（智能电器应用、单片机开发等方面）等综合性较强的实验。该装置应功能丰富、性能价格比高、操作安全，维护方便，体积小巧、外形美观，具有适合用作高校电气专业本科生的实验装置的特点。（二）（二） 、主要设计原则、主要设计原则1 1、完善的安全保护措施、完善的安全保护措施应设置过流及漏电保护；机壳可靠接地；设有自锁的急停按钮；实验所有使用的电器接点以图形符号的形

9、式接在面板的接线端子上；电机的转动部分也做了良好的隔离；使用了标准的测试导线来作为实验连接线，保证全部实验的安全可靠。2 2、开放式设计、开放式设计装置配备在线调试器，可用于调试和烧写程序，支持用户二次开发，当用户用作产品开发时，可以对程序进行加密烧写。3 3、实验操作面板采用模块化设计、实验操作面板采用模块化设计操作面板包括电源面板和分立件面板。电源面板由三相电源、直流电源、三相调压器、常用仪表及控制开关组成；分立件面板上包括了矿山智能电器中常用的电器元件，在实验过程中用户只需根据实验内容选用相应的元器件即可，充分体现出实验项目设计的灵活性。4 4、实验电路板功能丰富、实验电路板功能丰富该电

10、路板上包含常用的数字集成电路，如光电耦合器、CPU 模块、输出口驱动芯片、大容量 FLASH 存储芯片、高精度时钟芯片、人机接口电路、RS232 及 RS485 通信接口电路等。此外，在电路板上为用户预留了芯片接口、面包板等器件，方便于用户进行实验项目的二次开发或创新设计。（三）（三） 、主要实验项目、主要实验项目ZDSI 型智能电器实验装置应能够完成智能电器及其相关课程的实验项目。在此列出部分实验项目包括 9 个基础性实验、6 个综合性实验和 2 个设计性实验：基础性实验：基础性实验：1 1、控制变压器变比测量实验2 2、交流电压传感器特性测量实验3 3、交流电流传感器特性测量实验4 4、交

11、直流继电器和真空接触器特性实验5 5、交流固态继电器特性实验6 6、数字量输入通道实验7 7、 数字量输出驱动真空接触器实验8 8、三相异步电动机起停控制实验9 9、模拟量输入通道实验综合性实验：综合性实验：1 1、电压保护实验2 2、电流保护实验3 3、 漏电闭锁保护实验4 4、 三相异步电动机远方控制实验5 5、电动机运行参数计算机监测实验6 6、三相异步电动机联机控制实验设计性实验：设计性实验：1 1、三相异步电动机传统控制电路设计2 2、三相异步电动机正反转数字控制电路设计上述实验项目中，基础性实验的内容主要包括认识智能电器系统常用器件的特性，验证简单的控制电路和了解简单的程序设计方法

12、，能在课堂上完成；综合性实验的内容主要是针对矿山智能电器设备的典型保护功能，介绍其电路原理和实现方法，综合性比较强，电路相对比较复杂，适合用作课程设计。设计性实验是利用给定的电器元件进行电路设计，实现某种功能，用于培养学生的创新能力，对于这种实验，本书附有参考方案和相应的程序。ZDSI 型智能电器实验装置除了能完成以上实验项目外，还能完成以下实验项目：电流互感器特性测量实验整流电路特性实验交流滤波器抑制高频干扰实验8255 接口实验多路双向模拟开关特性实验DAC0832 数模转换实验集成运算放大器特性实验用运放构成典型运算电路实验把直流继电器改装成数字时间继电器电路设计接触器分合闸时间测量电路

13、设计三、三、ZDS-IZDS-I 型智能电器实验装置的构成及工作原理型智能电器实验装置的构成及工作原理（一）（一） 、实验装置的整机结构、实验装置的整机结构ZDSI 型智能电器实验装置的外观及总体结构如图 1 所示。由图 1 可见，整套实验装置主要由实验台 1、实验分立件面板 2、实验电源面板 3、实验电路板 4、计算机5 共五个模块构成。1实验台2实验分立件面板3实验电源面板4实验电路板5计算机图 1ZDSI 型智能电器实验装置外观及总体结构图在以上五个模块中，实验台 1 主要用来固定和装设整套实验装置的所有元器件，起着固定、支撑的作用，同时也为用户提供了实验空间；实验电源板 3、实验操作面

14、板2 和实验电路板 4 是实验操作区域，也是整套实验装置的核心，用户主要在这三个区域内设计实验内容、连接实验线路并完成实验项目。其中实验电源面板 3 在实验中用来提供交直流电源；实验操作面板 2 为以图形符号表示分立元件，它们在实验中作为实验对象、开关元件或检测元件，而实验电路板 4 则主要构成控制电路。微机系统 5 用来编写、在线调试实验程序以及系统升级，有时也作为实验的一个元件，如在监测实验中作为接受终端设备。组成 ZDSI 型智能电器实验装置的每个模块都由若干个部件构成，而每个部件本身在整套实验装置中所起的作用也不尽相同。下面将针对该实验装置内部的每个部分做出详细介绍，以使用户对其有更深

15、刻的了解。（二）（二） 、实验操作台、实验操作台1、结构及功能实验操作台的主视图如图 2 所示，操作台的各部分名称及其功能如表 2-1 所示。 (a) 操作台外观图 (b) 操作台局部放大图图 2实验操作台结构图表 2-1 实验操作台各部分名称及功能一览表标号名称功能简介及注意事项6装置标牌标明实验装置的名称和辽宁工程技术大学的校徽7装置铭牌标明实验装置的基本参数：装置名称、额定电压、外形尺寸、重量、研制单位及研制日期8实验分立件面板、电源面板用图形符号表示电源线路和实验分立件，并在内部把各元件的引脚接到面板的接线柱上9实验装置接地使操作台的机壳接地。注：实验操作前，必须确保实验装置已经可靠接

16、地10电源插座三相四线制电源插座和单相电源插座各一个，用于为实验台外部的实验设备提供工作电源 注：该电源不受漏电保护器 11 的控制11漏电保护器对整套实验装置进行漏电保护 注：实验操作前，必须先对其进行合闸操作，此时总电源灯亮，三相电源进线的接线柱带电；为安全起见，实验结束后应立即断开漏电保护器，切断总电源12实验装置总电源进线端将外部三相四线制电源引至漏电保护器的输入端 注：接入该实验电源前，必须确保此电源为三相四线制且额定电压为 380V13实验电路板实验电路板为信号处理电路部分，在实验中构成控制电路，它具有独立的电源开关14程序在线调试器与实验电路板和微机配合使用，通过六芯电缆，对实验

17、项目的源程序进行烧写和在线调试，具体使用方法见 ICD2 使用说明。15实验台桌面右侧用于放置微机的显示器、鼠标等部件；前侧为用户做实验提供实验空间16抽屉放置实验用标准插接线，实验仪表及实验工具等17键盘托盘放置计算机键盘18计算机主机摆放区放置计算机主机19交流调压器摆放区放置三相交流调压器，实现对输入的 380V 交流电压进行调压输出（0450V）注：如果实验使用调压器，上电前必须检查调压器初始输出是否符合实验要求，以防电压过高20交流真空接触器、异步电动机摆放区单独固定交流真空接触器和三相异步电动机，有效隔离大功率传动的部分，以确保操作安全，该区可增设电动机速度传感器等元器件2、工作原

18、理在确保此实验装置的接地线可靠连接后，将整套装置的总电源线接入外部三相四线制 380V 电源，闭合漏电保护器，三相电源即可引到电源面板上，此时总电源指示灯亮。（三）（三） 、实验电源面板、实验电源面板1、结构及功能实验电源面板结构的主视图如图 3 所示，该面板各部分名称及其功能如表 2-2 所示。图 3 实验电源面板外观图表 2-2 实验电源面板各部分名称及功能一览表标号名称功能简介及注意事项21总电源指示灯指明实验装置的漏电保护器已经合闸，电源面板的三相四线制电源输入端 23 处于带电状态2224V 直流电源产生 24V 直流电压，输出最大电流 1A 注：当电源面板上电时，该电源也开始工作；

19、该电源的负极与实验电路板的负极（地）是相连的 23电源进线380V 三相四线制供电方式245A 熔断器三个 5A 熔断器对三相电路进行过流保护25交流接触器作为二级供电开关，受控于起动按钮 34、急停按钮 35，对实验电源面板的供电状态进行控制26三相电源指示灯当交流接触器主触点闭合，三个指示灯亮，表示实验电源面板三相电源输出端 27 处于带电状态27三相电源输出端注：实验电路必须把该输出作为电源进线，以便于在紧急情况下能利用急停按钮断电标号名称功能简介及注意事项28三相交流调压器的输入端注：当需要使用三相调压器时，此端只能与三相电源输出端 27 相连接29三相交流调压器输出端调压输出 AC

20、0450V，其中 U，V 两相接有电压表，显示调压器输出电压注：三相交流调压器最大输出电流为 4A30交流电压表 1量程为 0450V，用于显示三相交流调压器 U、V 两相的输出电压31交流电压表 2量程为 0450V,供用户在实验过程中选用注：不要超量程使用该电压表32交流电流表 1量程为 01A,供用户在实验过程中选用注：不要超量程使用该电流表33交流电流表 2量称为 05A,供用户在实验过程中选用注：不要超量程使用该电流表34开机按钮它是实验电源面板工作电源的起动按钮,在急停按钮解锁状态下，按下开机按钮，控制交流接触器合闸，三相电源指示灯亮，使三相电源输出端带电 注：在急停按钮处于闭锁状

21、态时，该按钮无效。使用中，禁止旋转或硬拔此按钮，否则将损坏按钮35急停按钮它是实验电源面板工作电源的停止按钮,按下此按钮交流接触器分闸，切断电源面板及电路板的工作电源。急停按钮具有闭锁功能，按下后，不马上弹起，处于闭锁状态，此时开机按钮无效；只有顺时针拧过一个角度，急停按钮自动弹起后才能解除闭锁，此时开机按钮有效 注：使用时，禁止逆时针旋转或硬拔按钮，否则将损坏按钮2、工作原理在确保实验装置已经可靠接地后，闭合漏电保护器 11，则装置总电源指示灯 21 亮，表明 380V 三相四线制电源输入端 23 已经处于带电状态。在急停按钮 35 解锁状态下，按下开机按钮 34，则三相电源指示灯 26 亮

22、，表明三相电源输出端 27 已经处于带电状态，此时，24V 直流电源也处于工作状态。当用户需要切断实验电源面板的工作电源时，只需按动急停按钮即可。注：在急停按钮处于闭锁状态时，开机按钮无效。（四）（四） 、实验分立件面板、实验分立件面板实验分立件面板各元器件之间相互独立，并以图形符号的形式表示，各元件的接线端都引到面板的接线柱上，易损坏的元件具有相应的保护，用户可以根据不同的实验内容，选用不同的实验元器件，直观方便，使用灵活。实验分立件面板结构图如图所示，该面板各部分的名称及其参数说明如表 2-3 所示。图 4 实验分立件面板外观图表 2-3 实验分立件面板各部分名称及功能、参数一览表标号名称

23、功能简介及参数说明36交流电流传感器组由三个相同的交流电流传感器组成，实现由交流电流信号向直流电压信号的变换输入：AC 05A 输出：DC 01V 工作电压：DC 24V 37交流电压传感器组由三个相同的交流电压传感器组成，实现由交流电压信号向直流电压信号的变换输入：AC 0100V 输出：DC 01V 工作电压：DC 24V38控制变压器容量 100VA，一次侧输入为：AC 220V、380V 两种电压等级二次侧输出为：AC 6V、12V、24V、36V 四种电压等级注：二次侧的 0V 输出端接有 3A 熔断器，用于二次电流保护39电流互感器组由两个相同的电流互感器组成，实现由大电流向小电流

24、交流信号的变换输入：AC 30A 输出：AC 5V 注：使用时禁止电流互感器二次开路40整流器模块起整流作用，35A41交流滤波器起滤波作用，250V/6A42报警器工作电压：AC 220V43交流真空接触器额定参数：660V/1140V 80A 线圈工作电压：AC 36V44交流真空接触器合闸指示灯指示交流真空接触器 43 主触点的工作状态，主触点闭合则该指示灯亮45三相异步电动机380V/370W，星型接法，内部设有过压吸收电路标号名称功能简介及参数说明46直流继电器 1触点：250V/10A 线圈电压：DC 24V，线圈续流二极管已内部连接47交流继电器触点：250V/10A 线圈电压：

25、AC 220V，线圈压敏电阻已内部连接48直流继电器 2触点：250V/10A 线圈电压：DC 24V，线圈续流二极管已内部连接49交流固态继电器输入：DC 332A 输出：AC 380V/10A，输出端内设过压吸收电路50远控开关包括远控起动按钮 52、远控停止按钮 51 和 5K、2K、200 欧三个检测电阻，电阻的功率为 1/4W51远控停止按钮常开 注：使用时，禁止旋转或硬拔按钮，否则将损坏按钮52远控起动按钮常开 注：使用时，禁止旋转或硬拔按钮，否则将损坏按钮以上所有分立元件，在实验过程中，要在其额定参数条件使用。（五）（五） 、实验电路板、实验电路板实验电路板外观图如图 5 所示，

26、电路板各部件的名称及其参数说明如表 2-4 所示。图 5 实验电路板外观图表 2-4 实验电路板模块各部件名称及功能一览表标号名称功能简介及注意事项53电路板工作电源区该区由电源开关、电路板电源指示灯和电路板电源输出接线端几个元器件构成，为电路板提供5V、15V 三种工作电源和地 GND注:电路板的工作电源可独立控制，电路板电源开关接通时，电路板电源指示灯亮，电路板上电标号名称功能简介及注意事项54插接线转换接口组由 18 个标准插接线转换接口构成,而每个转换接口内的两个插接孔之间已经在电路板内部接好，主要用来实现操作面板中的 6 与电路板中的 1 两种标准接口之间的转换55光电耦合芯片组由

27、3 片光电耦合芯片 TLP-521 构成，分别记为 TLP-521(1)、TLP-521（2）和 TLP-521（3）注：光电耦合 TLP-521(1)、TLP-521（2）芯片和 TLP-521（3）在电路板内部的连接方式不相同（见图 6）568255 芯片组由两片 8255 芯片构成，分别记为 8255（1）和 8255（2）,属于单片机的 I/O 引脚扩展芯片。8255（1）的 C 口已被用作键盘接口，8255（2）的 B 口已被用作液晶显示器接口,故不能再做其它用途注：两片 8255 芯片的 RESET、VCC 和 GND 引脚以及 VCC 与 GND 之间的去耦电容在电路板内部已经接

28、好，两片 8255 的数据线 D0D7 也已经连接到 PIC16F877A 的 RD 端口57PIC16F877A 芯片作为微处理器的 PIC16F877A 芯片是整个实验电路板的核心元件注：此芯片的 VCC 和 GND 引脚、VCC 与 GND 之间的去耦电容、晶振系统、复位系统及其与在线调试器端口之间的连接都已在电路板内部接好；芯片的 34 和 35 引脚已被接至 OCMJ 系列液晶显示器，芯片的 RD 端口被用作 8255 芯片组的数据线，故这些端口不能再做其它用途 58 主要外围芯片主要包括存储芯片 FM24C64、时钟芯片 HT1380、多路开关 CD4051芯片、测量放大器芯片 A

29、D620、反相驱动芯片 ULN2003、MAX232 和MAX485 通信接口芯片 注：以上芯片电源与地（GND）均已连接，且部分引脚也已经连接，详细连接情况请参照附六59OCMJ 系列液晶显示器模块此模块主要由 OCMJ 系列液晶显示器、显示器的复位按钮、去耦电容和背光调节电位器构成注：该模块已在电路板内部接好，占用 8255（2）B 口，用户不必自行连接。一旦接通了电路板的工作电源，则液晶显示器的背光灯亮，如果需要改变此显示器的背光亮度，只需调节该显示器附近的电位器6044 键盘模块此模块主要由 16 个独立的小按键构成注：该模块已在电路板内部接好，占用 8255（1）C 口，用户不必自行

30、连接。61在线调试器接口由一个 6 芯水晶座接口构成，连接微处理器 PIC16F877A 芯片 57 和在线调试器 14，实现对实验源程序的编译和在线调试功能62实验扩展模块该模块配备了实验面包板 1 块、8 位拨码开关 1 个、8 位 LED1 个、七段数码管 2 片、DIP16 芯片座 3 组、DIP8 芯片座 1 组、D/A 转换芯片 DAC0832 和运放芯片 LM324 各 1 片、1 个通信接口 DB9 以及常用的电阻、电位器、电容和二极管等元器件。用户可以根据需要扩展实验项目注：LM324 芯片和 DAC0832 芯片的电源和地引脚在电路板内部没有连接，使用时需用户自己连接标号名

31、称功能简介及注意事项63中继接口共有 26 个 1 的标准插接座，它们在电路板上分 3 组进行布局，第一组由 10 个插接座组成，位于 DAC0832 芯片的右侧；第二组由8 个插接座组成，位于芯片 ULN2003 和芯片 CD4051 之间；第三组由8 个插接座组成，位于芯片 LM324 和芯片 MAX232 之间。中继接口的作用是：当在实验电路板上连接实验线路的过程中，因某个插接座上并联连接的插接线过多而造成实验操作不方便时，或者当实验线路中某些实验线路过长而造成单根标准插接线的长度不够时，可以通过这些接口进行中继转接(a)光耦芯片 TLP521(1)、(2)的电路连接图 (b)光耦芯片

32、TLP521(3)的电路连接图 (c)电路板上光耦芯片 TLP521(1)、(2)的外观符号 (d)电路板上光耦芯片 TLP521(3)的外观符号(1)5K4 电阻排 (2)光电耦合器芯片 (3)8 个 1 的标准插接座图 6电路板模块中三片光电耦合器芯片的连接电路及其外观符号图在实验电路板模块中，光电耦合芯片组 55 中三片 TLP521 芯片具有两种不同的电路连接方式，为更好地了解每种连接方式，有必要对其详述。电路板中三片光电耦合芯片的连接电路及其外观符号图如图 6 所示。在实验电路板内部是按图 6 中的(a)、(b)图进行线路连接的，而(c)、(d)图的外观符号只起标注和解释作用，而不起

33、电气连接的作用，这样的外观符号一方面可以使学生更加深刻地理解光电耦合器的工作原理，另一方面也方便用户连接实验线路。四、智能电器实验四、智能电器实验项目的实验方案设计项目的实验方案设计（一）（一） 、控制变压器变比测量实验、控制变压器变比测量实验实验目的实验目的：1、掌握控制变压器的结构和基本特性。2、掌握控制变压器变比的测量方法。3、学会使用控制变压器。实验仪器和设备实验仪器和设备：序号设备名称及参数数量在实验中的用途1控制变压器（100VA 输入：380/220V,输出：6/12/24/36V）1 台实验对象2三相交流调压器（3KVA，4A）1 台调节控制变压器的输入电压3万用表1 块测量控

34、制变压器的输出电压原理简述原理简述：控制变压器与普通变压器有着相同的基本结构，如图 1 所示。一次线圈和二次线圈绕在同一个铁心上，一次侧电压 U1以电磁耦合的方式在二次侧产生电压 U2，在铁心不饱和的情况下，U1与 U2的比值关系由两个线圈的匝数决定，即,其中KNNUU2121K 称为变压器的变比，是变压器最重要的参数之一。由于主要用于控制场合，控制变压器与供电用的电力变压器有一定的差别，它主要不是用于电能的传送，而是用于电压信号的转换。控制变压器容量较小，一般具有多路电压输出，根据不同的应用场合，输入电压也可以有多个电压等级，如图 2 所示。控制变压器的二次侧电压与一次侧电压之间有着良好的线

35、性关系，以适应控制要求。在智能化电器设备中，控制变压器常用于提供电压信号，或者经整流稳压后为电子电路提供直流电源，或者直接控制低压电器设备如继电器等。 图 1 变压器基本结构图 图 2 多抽头控制变压器结构图控制变压器在出厂时标定了额定容量、一次侧额定输入电压和二次侧额定输出电压。在理论上，可以直接通过控制变压器的标定参数数据计算出它的各个变比 K，但是在实际应用中，控制变压器在输入额定电压时，实际输出电压与标定的额定输出电压之间总会存在误差。因此对于控制要求比较高的场合，特别是用作电压信号处理时，需要对所采用的控制变压器的变比进行实际测量，并用实际测量值代替理论值。根据变比 K 的计算公式,

36、只要测量出控制变压器的输入电压 U1和对应的输2 .1UUK 出电压 U2,便可以求得控制变压器的变比 K。实验内容和步骤实验内容和步骤：1、按照图 3 在实验台上连接测量电路。图 3 实验线路连接图2、上电前检查线路，确保线路连接正确。三相调压器归零，同时将数字万用表调到“交流 200V 档” 。3、上电，逐渐升高三相调压器的输入电压 U1，U1每升高 50V 时用数字万用表测量控制变压器各输出端的电压值，并填写表 1。测量过程中，为提高测量精度，当输出电压 U2小于 20V 时，可以将万用表调到“交流 20V 档” 。4、实验完毕，断电，调压器归零。拆除实验连接线并整理实验台。表 1 38

37、0V 电压等级时控制变压器各输出端的输出电压值输入电压 U1（V）()df(v)U1(V)501001502002503003506V 档12V 档24V 档输出电压U2 (V)36V 档（二）（二） 、交流电压传感器特性测量实验、交流电压传感器特性测量实验实验目的实验目的：1、理解交流电压传感器的特性及测量其转换系数的方法。2、学会使用交流电压传感器。实验仪器和设备实验仪器和设备：序号设备名称及参数数量在实验中的用途1交流电压传感器（输入：1 个实验对象AC0100V；输出：DC01V）2三相交流调压器（3KV，4A）1 台调节输入电压324V 直流电源（24V/1A）1 个交流传感器的工作

38、电源4控制变压器（100VA）1 台限制输入电压在 050V5万用表1 块测量交流电压传感器的输入电压和输出电压原理简述原理简述：交流电压传感器是模块化的交流电压检测元件，把交流电压变压后，经过隔离转换，输出与被测电压成正比的直流电压、电流或频率等可以直接由电子电路接收处理的标准信号。采用交流电压传感器可以简化信号处理电路。因此，它广泛应用于智能电器设备中，实现交流电压的测量、监视和保护等功能。本实验采用的交流电压传感器在直流电源供电下，把输入的交流电压 U1,转换成直流电压 U2，设交流电压的有效值为 U1，则，其中 K 为转换系数，在传感器12KUU的测量范围内，K 为常数。只要测量出 U

39、1和 U2，便可以求得 K。实验内容和步骤实验内容和步骤：1、按照图 1 所示，连接实验线路。图 1 交流电压传感器特性测量实验电路连接图2、检查实验电路，确保三相交流调压器归零。3、实验电路无误后上电，万用表拨到交流电压档，测量 A、B 两点电压，即交流电压传感器的输入电压 U1，顺时针平稳地旋转三相调压器的调压旋钮，使万用表的示数逐渐增加，当达到表 1 中的数值时，将万用表拨到直流电压档后测量 a、b 两点的电压，即为交流电压传感器的输出电压 U2。注意：注意：在测量交直流电压时，万用表必须先换档，再测量，否则将损坏万用表。表 1 交流电压传感器测量数据表输入电压 U1（V）5101520

40、25303540输出电压 U2（V）iiiU12UK 转换系数K8KK81ii4、实验完毕。断电后，将调压器归零，拆除实验连接线，整理实验台。（三）（三） 、交流电流传感器特性测量实验、交流电流传感器特性测量实验实验目的实验目的：1、了解交流电流传感器的特性及测量其转换系数的方法。2、学会使用交流电流传感器。3、学会使用钳型电流表。实验仪器和设备实验仪器和设备：序号设备名称及参数数量在实验中的用途1交流电流传感器（输入：AC05A；输出：DC01V）1 个实验对象2三相交流调压器（3KV，4A）1 台调节电流324V 直流电源（24V/1A）1 个交流传感器的工作电源4控制变压器（100VA）

41、1 台用作负载5钳型电流表1 个测量传感器的输入电流6万用表1 块测量传感器的输出电压原理简述原理简述：交流电流传感器是模块化的交流电流检测元件，它与电流互感器的最大的不同是，它的输出不是较小的交流电流，而是与输入电流成正比的直流电压或频率等可直接由电子电路接收处理的标准信号。采用交流电流传感器可以简化信号处理电路，因此它广泛应用于智能电器设备中，实现电流测量、监视和保护等功能。本实验采用的交流电流传感器在直流电源供电下，把输入的交流电流 i,转换成直流电压 U，设交流电流的有效值为 I，则，其中 K 为转换系数，在传感器的测量KIU 范围内，K 为常数。只要测量出 U 和 I，便可以求得 K

42、。实验内容和步骤实验内容和步骤：1、按照图 1 所示，连接实验线路。图 1 交流电流传感器特性测量实验电路连接图2、检查实验电路，确保三相交流调压器归零。将钳型电流表拨到交流“20A”档，并接到测量位置；将万用表拨到“直流 2V 档” 。3、确保实验电路正确后上电，一边观察钳型电流表的读数，一边顺时针平稳地旋转三相调压器的调压旋钮，使电流增加，当电流达到表 1 中的数值时，用万用表测量a、b 两点的电压 U，即为交流传感器的输出电压。注意：注意：若调整调压器时，钳型电流表的读数无明显变化，停止旋转调压器旋钮，并检查钳型电流表测量位置是否正确。表 1 交流电流传感器测量数据表输入电流 I（A）0

43、.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4输出电压 U（V）iiiIUK转换系数K12KK121ii注意：注意：输入电流不能超过 2.5A4、测量完毕。断电后，将调压器归零，拆除实验连接线，整理实验台。（四）（四） 、交直流继电器和真空接触器特性实验、交直流继电器和真空接触器特性实验实验目的实验目的：1、了解交直流继电器的动作特性。2、认识交流真空接触器的结构并理解其工作原理及动作特性。实验仪器和设备实验仪器和设备：序号设备名称及参数数量在实验中的用途1交流继电器（线圈 220VAC）1 个实验对象2直流继电器（线圈 24VDC）1 个实验对象3交流真空接触器（驱动

44、电压36VAC，1140V/660V， 80A）1 台实验对象424V 直流电源（24V/1A）1 个为直流继电器线圈供电5控制变压器（100VA）1 台为真空接触器线圈供电6实验电路板1 块提供指示灯7万用表1 块测量触点通断原理简述原理简述：交、直流继电器为低压开关电器，它们的额定触点容量一般较小，主要用于低压控制电路，利用继电器可以实现信号电路对功率电路的控制。本实验采用的交直流继电器属于电磁式，其结构简单，主要部件是电磁线圈，其实它就是一个电磁铁，当线圈上电后，电磁铁产生吸力，通过传动机构使继电器常闭触点断开、常开触点闭合。本实验利用指示灯来观察继电器触点的动作特性。交流真空接触器的基

45、本工作原理与继电器相同，也属于电磁式电器。由于真空接触器的主触点封闭于真空灭弧室内，有很强的电流分断能力，因此主触点的容量较大，小的几十安，大的上千安，同时它也带有若干个辅助触点。本实验所用的交流真空接触器可用于 660V 或 1140V 电压等级，主触点的额定电流为 80A。它的驱动电源为AC36V，经自带的整流桥后驱动线圈，再经过传动机构带动主触点和辅助触点动作：常闭触点断开，常开触点闭合。本实验利用万用表测量交流真空接触器触点的通断。实验内容和步骤实验内容和步骤：1 1、交流继电器特性实验、交流继电器特性实验(1)按照图 1 所示，连接实验线路。注意：注意：与交流继电器线圈并联的压敏电阻

46、已在内部连接，主要用于抑制交流继电器分断时线圈产生的过电压。图 1交流继电器特性实验电路连接图(2)检查电路。(3)确认电路连接正确后上电，观察按钮按下前后指示灯的变化。(4)实验结束，断电，拆除连接线。2、直流继电器特性实验、直流继电器特性实验(1)按图 2 连接实验线路。注意：注意：直流继电器线圈反并联的二极管已经在内部连接，主要用于分断时续流，以抑制线圈产生的过电压。图 2直流继电器特性实验电路连接图(2)检查电路。(3)确认电路连接正确后上电，观察按钮按下前后指示灯的变化。(4)实验结束，断电，拆除连接线。3、交流真空接触器特性实验、交流真空接触器特性实验(1) 打开操作台下面的小门，

47、观察交流真空接触器的外部结构，包括真空灭弧室、驱动线圈和辅助触点等。(2) 按图 3 连接实验电路。万用表拨到“通断测试档” 。图 3交流真空接触器特性实验电路连接图(3) 检查电路。(4)确认电路连接正确，测量主触点 a1,b1，辅助触点 a2,b2,a3,b3的通断情况。(5)实验电路上电，再次测量主触点 a1,b1，辅助触点 a2,b2,a3,b3的通断情况。(6)实验结束，断电，拆除连接线，整理实验台。（五）（五） 、交流固态继电器特性实验、交流固态继电器特性实验实验目的实验目的：1、了解交流固态继电器的工作特性。2、学会使用交流固态继电器。实验仪器和设备实验仪器和设备：序号设备名称及

48、参数数量在实验中的用途1固态继电器（输入：DC332，输出：AC380V/10A）个实验对象2交流继电器（线圈 220AC）1 个负载3直流继电器（线圈 24DC）1 个负载424V 直流电源（24V，1A）1 个固态继电器的触发输入5实验电路板1 块提供指示灯原理简述原理简述：固态继电器 SSR（Solid State Relay）是一种无触点的电子开关，分为交流固态继电器和直流固态继电器两种。固态继电器与电磁式有触点的继电器相比，由于无触点，它在分断时不产生火花，对外界干扰小。无电火花，对于那些用于易爆环境的设备尤其重要（如煤矿井下的设备） ，在这种场合，固态继电器将成为首选对象。另外，固

49、态继电器能与逻辑电路兼容，有良好的隔离性能，抗干扰能力强、开断速度快和寿命长等特点。本实验讨论的对象是交流固态继电器，它的输出端只能接交流负载，否则无法正常工作。交流固态继电器的工作原理可以用光控双向晶闸管的原理来说明。它的输入端与输出端只通过光信号进行连接，没有物理连接，如图 1 所示。当输入端加上直流电压 U1,使发光二极管发光时，输出侧的双向晶闸管被触发导通，负载 Rl 得到电源电压 U,即 Ul=U。当输入端失电，I1=0,发光二极管不发光，双向晶闸管将失去触发信号，但它不能马上关断，而只能在正弦电压过零点附近关断，如图 2 所示。如果交流固态继电器输出端接有直流负载，它将只能触发导通

50、而无法关断。图双向光控晶闸管原理图图 2交流固态继电器动作特性本实验采用交直流两种继电器作为负载验证交流固态继电器的特性。实验内容和步骤实验内容和步骤：1、直流负载关断失效实验、直流负载关断失效实验(1)按图 3 连接实验电路。图 3直流负载关断失效实验电路连接图(2)检查电路。(3)确认电路连接正确后上电，观察按钮按下前后指示灯的变化，并记录该现象。(4)实验结束，断电，拆除连接线。2、驱动交流负载实验、驱动交流负载实验(1)按图 4 连接实验电路。图 4驱动交流负载实验电路连接图(2)检查电路。(3) 确认电路连接正确后上电，观察按钮按下前后指示灯的变化，并记录该现象。(4)实验结束，断电

51、，拆除连接线，整理实验台。（六）（六） 、数字量输入通道实验、数字量输入通道实验实验目的实验目的：1、了解光电耦合器的工作特性。2、理解数字量输入通道的构成。3、了解 I/0 口扩展的方法。实验仪器和设备实验仪器和设备：序号设备名称及参数数量在实验中的用途1按钮（红、绿）2 个产生数字量2实验电路板1 块连接控制电路3万用表1 块测量光电耦合器输出原理简述原理简述：智能电器设备在系统运行时，要对开关、按钮或其他一次设备的通断状态进行监视，而这些设备产生的接通、分断信号即开关量信号，必须通过相应的变换电路转换成与处理电路输入电平相兼容的逻辑信号，才能被正确接收处理。有些开关信号来自高压设备，电磁

52、干扰也较强。为了隔离高压和避免干扰，在设计数字量输入通道时要加入电隔离，常用光电隔离。此外，一台智能电器设备要采集的开关量往往很多，而处理器的 I/O 口却有限，这时只能采用 I/O 口扩展芯片如 8255 来增加 I/O 口的数量。本实验用两个按钮 K1 和 K2 产生开关信号，经过 TLP521 光电隔离电路产生逻辑电平，送到 8255 接口电路，共用到 2 片 8255 芯片，其中 8255（1）用于扩展开关量的输入接口，而 8255（2）用于扩展开关量的输出接口，处理器定时扫描按钮的状态并显示在显示器上，如图 1。实验的主要程序流程图如图 2。图 1 数字量输入通道设计实验电路接线图说

53、明说明：上图仅画出控制芯片的必要连接线，部分引脚已在内部连接好，欲知芯片的详细连接情况，请参见附录六。图 2 数字量输入实验主要程序流程图实验内容和步骤实验内容和步骤：1、按照图 1 连接实验电路。2、检查电路。万用表拨到直流电压 20V 档。3、确保电路正确无误后上电。用万用表测量按钮按下前后 a,b 两点的电压,并观察显示器上的开关状态变化。4、实验完毕，断电，拆除实验连接线并整理实验台。（七）（七） 、数字量输出驱动真空接触器实验、数字量输出驱动真空接触器实验实验目的实验目的：1、 理解数字量输出电路的基本构成。2、 掌握数字信号电路与功率电路接口的方法。实验仪器和设备实验仪器和设备：序

54、号设备名称及参数数量在实验中的用途1控制变压器（100VA）1 个为真空接触器线圈提供电源2交流真空接触器（660/1140V，80A）1 台控制对象324V 直流电源（24V，1A）1 个直流继电器的工作电源4实验电路板1 块组成数字控制电路原理简述原理简述：数字量输出电路是智能电器设备的控制电路中常用的电路。它输出数字量，可用于显示、报警或驱动其它负载。数字量输出电路形式多样，但均具有一个共同特点，即放大接口的驱动能力使数字信号可以驱动大功率的负载，有的数字量输出电路还具有隔离功能，以保护信号处理电路。本实验将在实验电路板上连接控制电路，如图 1。数字量由实验电路板拨码开关 K 的开合产生

55、，ULN2003 为达林顿接口芯片，相当于反相器，输入高电平时，输出端能灌入最大 500mA 的电流，它将直接驱动直流继电器 KM2,用 KM2 的常开触点来控制真空接触器的线圈与控制变压器的连接，从而达到控制真空接触器的目的。当拨码开关 K 断开时，ULN2003 的 1 脚被 10K 电阻下拉为低电平，16 脚输出高电平，直流继电器线圈的 24电源无法灌入电流，常开触点断开，真空接触器线圈与控制变压器断开，无法合闸；当拨码开关 K 合上时，ULN2003 的 1脚为高电平，16 脚则输出低电平，直流继电器线圈的 24V 电源通过 16 脚形成回路，直流继电器线圈上电，常开触点吸合，真空接触

56、器线圈与控制变压器接通，真空接触器合闸。图 1数字量输出驱动真空接触器实验电路连接图说明：说明：本图只画出了控制芯片的必要连接线，欲了解芯片的详细连接情况请参照附录六。实验内容和步骤实验内容和步骤：1、按图 1 连接实验电路。2、检查电路。3、确认电路连接正确后，上电。拨动拨码开关 K,使真空接触器合闸或分闸。4、实验结束，断电，拆除实验连接线，整理实验台。（八）（八） 、三相异步电动机起停控制实验、三相异步电动机起停控制实验实验目的实验目的：1、 学会综合运用数字量输入和输出实现电动机起停控制。2、 理解数字控制电路的工作原理。3、 了解三相异步电动机起停控制程序软件的设计方法。实验仪器和设

57、备实验仪器和设备：序号设备名称及参数数量在实验中的用途1 三相异步电动机（380V370W）1 台被控对象2真空接触器（6601140V，80A）1 台控制三相异步电动机3控制变压器（100VA）1 台为真空接触器线圈提供电源4直流继电器（线圈 24V,250V/10A）1 个控制真空接触器线圈524V 直流电源（24V1A）1 个为直流继电器线圈供电6按钮（红、绿）2 个用作起、停按钮7实验电路板1 块连接控制电路原理简述原理简述：1、硬件电路分析、硬件电路分析本实验要实现电动机起停的数字控制。实验电路如图 1 所示。图中，三相电源经过真空接触器的主触点与三相异步电动机相连，只要真空接触器合

58、闸，电动机就可以运行。控制变压器采用 220V 输入，输出为 36V，经直流继电器的常开触点与真空接触器线圈相连接。8255（2）RA0 引脚经过反向驱动器 ULN2003 与直流继电器线圈相连，处理器在 8255（2）的 RA0 引脚输出高电平时，ULN2003 的 16引脚为低电平，24V 电源向它灌入电流，直流继电器线圈 KM2 上电，常开触点闭合，否则常开触点断开，从而控制真空接触器的分闸与合闸。按钮 QA、TA 和接触器常开辅助触点构成三路开关信号，其中 QA 产生起动信号，TA 产生停止信号，真空接触器的常开辅助触点用于返回真空接触器的开合状态，这三个开关量经光电隔离后产生逻辑电平

59、分别送到 8255（1）的 RB0、RB1 和 RB2 引脚，当它们断开时在相应的引脚上产生逻辑“1”,闭合时产生逻辑“0” 。图 1 三相异步电动机起停控制实验接线图说明说明：上图仅画出控制芯片的必要连接线，部分引脚已在内部连接好，欲知芯片的详细连接情况，请参见附录六。2 2、软件设计、软件设计三相异步电动机起停控制软件设计流程图如图 2 所示。程序首先对两片 8255 扩展芯片进行初始化，把 8255（1）的 B 口设置成输入，8255（2）的 A 口设置成输出，然后定时读取 8255（1）的 B 口数据，为了防止干扰，程序加入消抖延时，只有前后两次读取的 B 口数据相同，才认为数据有效，

60、否则无效。在处理有效的 B 口数据时，先判断 8255（1）口的 B2 的值，因为它反映当前真空接触器状态，如果 B21，即分闸状态，则下一步判断 B0,即是否有起动信号，若 B00，有起动信号，将向 8255（2）的 A0 引脚输出 1,驱动直流继电器，使真空接触器合闸，电机运行；如果 B20，即合闸状态，则下一步判断 B1，即是否有停止信号，若B10，即有停止信号，将向 8255（2）A0 引脚输出 0,使直流继电器线圈断电，真空接触器分闸，电机停止运行。图 2三相异步电动机起停控制程序流程图实验内容和步骤实验内容和步骤：1、按图 1,连接实验线路。2、检查电路。3、确认电路连接无误后上电