电气控制基础知识

1第三章电气控制基础知识第一节电气控制一、常用低压电器低压电器被广泛地应用于工业电气和建筑电气控制系统中，它是实现继电——接触器控制的主要电器元件。1.常用低压电器的分类常用低压电器是按照电器的工作电压等级进行划分的。通常将工作电压直流1200V，交流1000V以下的电器元件称为低压电器。电器是用来完成对被控对象实施控制、调节、检测和保护等作用的电气设备（器件）的总称。主要应用于电能的产生、输送、分配和电气控制。低压电器的分类由低压配电电器和低压控制电器两类组成。低压配电电器包括断路器、漏电保护器、熔断器、刀开关、转换开关等。低压控制电器包括接触器、继电器、起动器、控制器、主令电器、电阻器、变阻器、电磁铁等。在我国低压电器目前有国家产品、合资产品、进口产品。相比之下进口和合资的产品价格偏高，在设计和使用的过程中，不一定非要追求品牌，现在国产品牌大多都经过了ISO9002的质量认证，在质量上也很过关。具有很高的性能价格比。(1)低压配电电器的分类低压配电电器的分类包括断路器、漏电保护器、熔断器、刀开关、转换开关等，主要用来实现电能的分配和电气保护（短路、过载、欠压、防漏电等）。(2)低压控制电器的分类低压控制电器的分类包括接触器、继电器、起动器、控制器、主令电器、电阻器、变阻器、电磁铁等，主要用来实现电路的接通和断开（实现被控对象的运行和停止）。2.低压断路器低压断路器是用于线路和设备保护的电气产品，它具有短路、过载、欠压等保护功能。按种类划分低压断路器有保护配电线路、保护电动机、保护照明负载和漏电保护四种用途，按结构划分有框架式和装置式。(1)低压断路器的组成低压断路器主要由触头系统、灭弧装置、操作机构以及各种脱扣机构组成。1)触头系统和灭弧装置。触头系统是低压断路器的执行机构，主触头用于实现主电路的接通和断开，其配套的辅助触头用于控制电路中的联锁控制。灭弧装置用于主触头的熄弧。22)操作机构和自由脱扣机构。操作机构和自由脱扣机构是低压断路器的机械传动部分，主要实现低压断路器主触头和辅助触头的接通和断开，其操作形式有手柄操作、杠杆操作、电磁铁操作和电动机操作。低压断路器的自动脱扣由短路、过载、欠压等三种保护装置实现，当电路传来故障信号时，相应的脱扣装置动作，最终顶主杠杆上移，主杠杆驱动自由脱扣机构而使其挂勾摘除，主触头靠反力弹簧的作用实现分断，电路得到了保护。3)电磁脱扣器。电磁脱扣器是由开口铁心和励磁线圈组成（如图3-1所示），主触头闭合后，工作电流流过主触头和电磁脱扣器的励磁线圈，当电路正常工作时（工作电流不大于电磁脱扣器整定的电流值），电磁脱扣器的衔铁不吸合，电路发生短路故障时，电路中的短路电流会剧增（一般是工作电流的5～7、10～14倍），电磁脱扣器的衔铁吸合并推动主杠杆上移，图3-1低压断路器动作原理图主杠杆驱动自由脱扣机构使低压断路器分断。短路时，1—弹簧2—主触头其动作是靠电磁力的影响，所以动作时间很快。3、4、5—自由脱扣机构分断时间应在0.02s以内完成。6、8—电磁脱扣器7—主杠杆4)过载脱扣器。9、10、11—欠压脱扣器过载脱扣器由发热元件和双金属片组成。主触12、13—过载脱扣器头闭合后，工作电流流过加热元件，当电路正常工作时（工作电流不大于过载整定的电流值），双金属片虽发生变形。但不足以推动主杠杆。电路发生过载故障时，发热元件产生的热量增加致使双金属片发生较大的变形并推动主杠杆上移，主杠杆驱动自由脱扣机构使低压断路器分断。过载时，发热元件和双金属片的动作受惯性的影响而不能瞬间动作，其动作时间和当前电流值成反时限特性。5)欠压脱扣器。欠压脱扣器是由开口铁心和励磁线圈组成。当有外电压时（电压应来自于主触头的上口），欠压脱扣器的励磁线圈有电流流过，衔铁吸合且不影响低压断路器的正常分断，外电压失压或电压偏低时，衔铁释放并推动主杠杆上移，主杠杆驱动自由脱扣机构使低压断路器分断，此时低压断路器不能接通。(2)低压断路器的型号种类低压断路器的结构和型号种类很多，目前我国常用的有DW和DZ系列。DW型也叫万能式空气开关，DZ型叫塑料外壳式空气开关，其产品代号含义如下：3应注意的是，不同型号的低压断路器分别具有不同的保护机构和参数的整定方法，使用时应根据电路的保护要求选择其型号并进行参数的整定。(3)万能式低压断路器DW16系列万能式低压断路器是适用于交流50Hz、额定电流100A至4000A、额定工作电压400V或690V的配电网中。可实现电能的分配，保护线路和电源设备的过载、欠电压、短路。额定电流160A至690A的断路器也可作为变压器中性点直接接地的TN电网中单相金属性对地短路保护之用。还可在交流50HZ、380V网络中用作电动机的不频繁起动及过载、欠电压和短路保护之用。DW16型万能式低压断路器结构如图3-2、3-3所示。图3-2DW16系列万能式低压断路器结构图3-3DW16系列万能式低压断路器保护特性曲线图3-3（左图）是热—电磁式过电流脱扣器的保护特性曲线，它采用长延时电流整定调4节范围（0.64~1的In），保护特性为反时限特性，即瞬时动作电流越大，动作时间越短。一般瞬时电流达到整定电流的1.2倍时,动作时间应不大于20分钟,瞬时电流达到整定电流的1.5倍时,动作时间应不大于2分钟。它只能用来保护电动机的过载。图3-3（右图）是保护电动机用过电流的保护特性曲线，它采用的是瞬时过电流整定调节范围（10的In），当瞬时电流达到电磁脱扣器整定电流的10倍时，动作时间应不大于0.02秒。一般用来作电动机的短路保护。DW16断路器的操作有手动、杠杆传动和电动方式。电磁式瞬间过电流脱扣器实现短路保护，过载长延时脱扣器由电流互感器和双金属片组合后实现过载保护，断路器的主触头选用特殊的合金材料，灭弧罩采用耐弧塑料和栅片灭弧方式，提高了断路器的短路分断能力和抗熔焊性能。DW16断路器的技术参数见表3-1。表3-1DW16系列万能空气断路器的技术参数型号触点额定最大电流A额定工作电流In/A额定工作电压Ue/V脱扣电流整定倍数热—电磁式电磁式保护电动机接地机械寿命长延时瞬时瞬时DW16—630630100、160、200、250、315、400、6304006900.64～1In3～6In1～3In5～10In0.25～0.5In10000次630ADW16—20002000800、1000、1600、20005000次2000ADW16—400040002500、3200、40003000次4000A表3-2C32系列塑料外壳式低压断路器的技术参数型号最大电流A额定电流In/A额定电压Ue/V脱扣电流整定倍数机械寿命通—断可配附件C型D型C32N1、2、3、4极631、2、3、4、6、10、16、20、25、32、40、50、633805～10In10～14In20000次SD、OF、MX+OF、MN(4)塑料外壳式低压断路器C32型系列断路器是适用于交流50HZ，额定电流从1A至63A，额定工作电压380(400)V及以下的电路中。在民用低压配电中有很大的用量，另外，也可以作为电动机的不频繁起动。5C32型断路器的技术参数见表3-2。塑料外壳式低压断路器目前种类很多，如C32、C45、C65、NSC、3VE、TO、TG、H等系列。塑料外壳式低压断路器同样具有过载、短路保护功能，一般欠电压保护是作为附件进行配置的。在电动机保护控制电路中，可以由断路器来完成电动机的过载保护，而不需要再另加热继电器，但也有的用户在使用过程中，为了保险而重复加入热继电器。热过载保护采用的是加热元件和双金属片的组合。塑料外壳式低压断路器分1极、2极、3极、4极。和3极整体式，可直接安装在控制板上，也可通过35mm标准卡轨进行卡接安装。(5)低压断路器的容量选择低压断路器的容量选择要综合考虑短路、过载时的保护特性。1)单台电动机的过流保护应按下式计算：ISZD≥KISN式中ISZD——瞬时或短时过电流脱扣器整定电流值（A）；K——可靠系数，对动作时间大于0.02s的断路器，K取1.35，对动作时间小于0.02s的断路器，K取1.7～2.0；ISN——电动机的起动电流（A）。2)多台电动机的过流保护应按下式计算：ISZD≥1.35(ISNMAX+ΣI)式中ISNMAX——最大的电动机起动电流（A）；ΣI——其余电动机工作电流之和（A）。3)单台电动机的过载保护应按下式计算：Igzd＞KIjs式中Igzd——过载电流的整定值（A）；K——可靠系数，一般取0.9～1.1；Ijs——线路的计算电流或实际电流（A）。4)欠电压保护是保护当加在电气设备上的工作电压为零或过低时，防止电气设备损坏的一种保护措施。当线路的实际电压低于额定电压的15%时，低压断路器将跳闸。3.漏电保护器漏电保护器是用于保护人类防止触电和保护电气设备避免发生火灾的保护电器。漏电保护器分单独器件和组合器件两种，组合器件主要是和低压断路器组合。漏电保护器按动作原理分有电压型、电流型和脉冲型，按结构分有电磁式和电子式，目前常用的是电流型。漏电保护器的工作原理如图3-5所示。6图3-5漏电保护器工作原理图在图3-5中是通过检测穿过零序电流互感器的3根相线和1根N线的电流相量和是否达到漏电保护器的动作电流值来决定其是否脱扣。对于正常工作的三相四线配电系统，不论其所带负载如何，均有ia+ib+ic+iN=0，漏电保护器不动作。一旦发生接地故障时，故障相有一部分电流经故障点流入大地，此时零序电流互感器内电流相量和不等于零，即ia+ib+ic+iN≠0，漏电保护器动作，切断故障回路，从而保证人身安全。漏电保护器的额定漏电流有10mA、30mA、50mA、100mA、300mA、500mA、其中10mA用来保护动物、儿童、浴室、游泳池、医院中外科手术器械等，30mA是用来保护正常人的生命安全，50mA以上主要是保护设备和厂房避免发生火灾。漏电保护器应每隔6个月进行一次性能指标的测试，测试应使用专用测试仪器。不合格的漏电保护器可以降级使用。4.低压熔断器低压熔断器是一种结构简单、价格便宜、使用方便的保护电器。主要用于配电线路和电动机的快速过载和短路保护。低压熔断器由熔断管、熔体和插座三部分组成。当瞬时电流超过规定值并经过足够时间后，使熔体熔化。低压熔断器一般串接在电气回路中，当熔体熔断后，回路开路，电气设备从电源中分离出来，从而起到保护作用。熔断器有螺旋式、无填料管式、有填料管式、瓷插式等。这些通常在低压电气控制回路中选用，半导体元件、可控硅元件、大功率晶体管的短路保护通常选用快速熔断器来做保护。(1)低压熔断器的选择类型选择熔断器可依据负载的保护特性、短路电流的大小和使用场合。一般按电网电压选用相应电压等级的熔断器、按配电系统中可能出现的最大短路电流选择有相应分断能力的熔断器、根据被保护负载的性质和容量选择熔体的额定电流。(2)低压熔断器的容量选择可依据不同的电气设备和线路进行。1)照明回路冲击电流很小，所以熔断器的选用系数应尽量小一些。IRN≥I或IRN=（1.1～1.5）I式中IRN——熔体的额定电流（A）；7I——电器的实际工作电流（A）。2)单台电动机负载电气回路中有冲击电流，熔断器的选用系数应尽量大一些。IRN≥（1.5～2.5）I3)多台电动机负载电气回路中，应考虑电动机有同时起动的可能性，所以熔断器的选用应按下列原则选用。IRN=（1.5～2.5）INm+ΣIN式中INm——设备中最大的一台电动机的额定电流（A）；IN——设备中去除对大一台电动机后其他电动机的额定电流之和（A）。低压熔断器在选用时应严格注意级间的保护原则，切忌发生越级保护的现象，选用中除了依据供电回路短路电阻外，还应适当地考虑上下级的级差，一般级差在1～2个级差。5.交流接触器交流接触器可以完成对电气设备的频繁操作控制，通常由主令电器进行远距离的操作控制。交流接触器由主触头、辅助触点、铁芯、衔铁、线圈、弹簧、拉杆等组成。其结构原理见图3-6、图3-7所示。(1)交流接触器的结构和工作原理交流接触器是采用