第一章1 低压电器概述

第一章常用低压电器（低压电器的电磁机构及执行机构）第一节低压电器概述凡是对电能的生产、输送、分配和使用起控制、调节、检测、转换及保护作用的电工器械称为电器。用于交流50Hz额定电压1200V以下,直流额定电压1500V以下的电路内起通断保护、控制、检测、调节和传递信息作用的电器称为低压电器。一、电器的基本结构电器的基本结构主要由三个环节组成：1.感应机构主要任务是接受输入信号，如电压、电流、功率、频率等。2.中间机构主要任务是将输入信号变换、放大及传递等给执行机构。3.执行机构主要任务是接受中间机构传递来的信号而动作，以实现变换控制、保护、检测电路等职能。图1-1电器基本构成框图二、低压电器的分类1．按元件与系统的关系分（1）低压配电电器包括刀开关、转换开关、熔断器和断路器等，主要用于低压配电系统中，实现电能的输送和分配，以及系统保护，要求这类电器动作准确、工作可靠、稳定性能良好。（2）低压控制电器包括接触器、继电器、起动器、主令电器等，主要用于电气控制系统，要求这类电器工作准确可靠、操作频率高、寿命长、而且体积小、重量轻。2．按操作方式分：（1）自动电器这类电器依靠电器本身的参数变化或外来信号（如电流、电压、温度、压力、速度、热量等）而自动接通、分断电路或使电动机进行正转、反转及停止等动作，如接触器、断路器及各种继电器等。（2）手动电器这类电器依靠外力（人工）直接操作来进行接通、分断电路等动作，如各种开关、按钮、主令电器等。3．按低压电器的执行机构分：（1）有触点电器这类电器具有机械可分动的触点系统，利用动、静触点的接触和分离来实现电路的通断。（2）无触点电器这类电器没有可分机械触点，主要利用功率晶体管的开关效应，即导通或截止来控制电路的阻抗，以实现电路的通断与保护。图1-2电动机的起动控制系统三、低压电器的主要技术参数1．额定电压在规定条件下，保证电器正常工作的工作电压值。2．额定电流在规定条件下，保证开关电器正常工作的电流值。3．操作频率与通电持续率开关电器每小时内可能实现的最高操作循环次数称为操作频率。通电持续率TD%是电器工作于断续周期工作制时有载时间t1与工作周期t之比，通常以百分数表示，TD%=t1/t。4．机械寿命和电寿命机械开关电器在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作次数，称为机械寿命。在正常工作条件下，机械开关电器无需修理或更换零件的负载操作次数称为电寿命。四、低压电器的型号表示法国产常用低压电器的全型号组成形式如下：五、低压电器的选用原则1．安全原则安全可靠是对任何电器的基本要求，保证电路和用电设备的可靠运行是正常生活与生产的前提。例如用手操作的低压电器要确保人身安全；金属外壳要有明显接地标志等等。2．经济原则经济性包括电器本身的经济价值和使用该种电器产生的价值。前者要求合理适用，后者必须保证运行可靠，不能因故障而引起各类经济损失。3．选用低压电器的注意事项（1）明确控制对象的分类和使用环境。（2）明确有关的技术数据，如控制对象的额定电压、额定功率、操作特性、起动电流倍数和工作制等。（3）了解电器的正常工作条件，如周围温度、湿度、海拔高度、震动和防御有害气体等。（4）了解电器的主要技术性能，如用途、种类、控制能力、通断能力和使用寿命等。五、对低压电器提出的主要要求对低压电器提出的主要要求可以概括为：一对矛盾：开与关——工作可靠性；两项要求：机械寿命和电寿命；三个环节：感应机构、中间机构和执行机构；四种状态：闭合状态、开断过程、断开状态、关合过程。第二节低压电器的电磁机构及执行机构一、执行机构（一）接触系统有触点电器的接触系统是可分合接触联结，其可动部分叫做动触头，而另一部分叫做静触头。按触头的接触形式可划分为点接触、线接触和面接触三种。点接触允许通过的电流较小，常用于继电器电路或辅助触点。线接触和面接触允许通过的电流较大，常用于大电流场合，如刀开关、接触器的主触点等。图1－3触头的三种接触形式a)点接触b）线接触c）面接触图1-4不同接触形式的触头结构a)采用点接触的桥式触头b)采用面接触的桥式触头c)采用线接触的指形触头（二）接触系统的静态机械特性与参数触头每工作一次（接通与断开），经历四个工作状态：1.断开状态如图1-5a所示，要求动、静触头间的距离S1足够大，保证在线路规定的容许电压与电流作用下，不致发生击穿或电弧重燃现象。2.关合过程如图1-5b、c、d所示，从断开状态到闭合状态的转换过程，要求动触头具有一定的关合速度V1，藉以保证触头迅速可靠地接通，而不致引起严重的碰撞弹跳现象。3.闭合状态如图1-5d所示，要求触头稳定可靠地接通负载线路，并且要求触头在通过容许电流值时，不致发生熔焊、烧损，甚至不导通现象。4.开断过程如图1-5c、b、a所示，从闭合状态到断开状态的转换过程，要求动触头具有一定的开断速度，以保证触头迅速可靠地分开及切断负载线路。在工作过程中，触头具有下列四个主要参数：（1）触头间隙指动、静触头间的最短距离，如图1-5a中S1所示，它主要取决于工作线路中电压与电流值，还受工作环境的影响，如周围气体的性质、密度、温度等。（2）触头超行程从动、静触头刚接触开始到衔铁完全吸合为止，触头弹簧又被压缩的一段长度，如图1-5a、d中Δ所示，它保证触头经过一定程度的磨损及遭受振动时，仍能可靠地接通线路。（3）触头的初压力Fc1指动、静触头刚刚接触时，两触头之间的互压力。（4）触头的终压力Fc2指在完全闭合位置时，动、静触头之间的互压力。如果考虑到触头弹簧、恢复弹簧与运动部分质量时，则可得出接触系统的静态机械特性，如图1-6所示，将触头弹簧特性和恢复弹簧与运动部分质量特性相叠加即得机械特性。图1-5触头系统工作的四个工作状态a)断开状态b)、c)工作过程d)闭合状态图1-6接触系统的机械特性（三）载流触头的开断过程当载流触头间刚出现断口时，两触头间距离极小，电场强度极大，在高热和强电场作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极。这些自由电子在电场中运动时撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子，这些电子在强电场作用下继续向阳极移动时还要撞击其他中性分子。因此，在触头间隙中产生了大量的带电粒子，使气体导电形成了炽热的电子流即电弧。电弧产生高温并发出强光，它常常造成触头的烧损、熔焊等故障，延长了电路的切断时间。应采取措施熄灭或减少有害电弧。（四）常用灭弧措施1.电动力灭弧一般用于交流接触器等交流电器。桥式结构双断口触头系统就是在一个回路中有两个产生和断开电弧的间隙。当触点打开时，在断口中产生电弧。触头1和2在弧区内产生图中所示的磁场，根据左手定则，电弧电流受到一个向外的力F的作用，迅速离开触点而熄灭。电弧的这种运动：（1）使电弧本身被拉长；（2）电弧穿越冷却介质时，受到较强的冷却作用；这都有助于熄灭电弧。最主要的还是两断口处的每一电极近旁，在交流过零时都能出现150～250V的介质绝缘强度。图1-7双断口结构的电动力吹弧效应1－静触头2－动触头3—电弧图1-8磁吹灭弧原理1－磁吹线圈2－铁芯3－导磁夹板4－引弧角5－灭弧罩6－动触头7－磁场方向8－静触头2.磁吹灭弧装置灭弧装置设有与触点串联的磁吹线圈，电弧在吹弧线圈的作用下受力拉长，从触点间吹离，加速了冷却而熄灭。为了加强灭弧效果，在线圈中央穿有铁芯，其两端平行地设置夹着灭弧室的导磁钢板。串联磁吹线圈的吹弧效果仅在触头分断大电流时很明显，分断小电流时则效果较差，往往要同时采取几种灭弧措施。3.弧罩与纵缝灭弧装置灭弧罩通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。作用：（1)引导电弧纵向吹出，防止发生相间短路；(2)使电弧与灭弧室的绝缘壁接触（窄缝），从而迅速冷却，增强去游离作用，迫使电弧熄灭。4.栅片灭弧装置分为绝缘栅片与金属栅片两种。（1）绝缘栅片：借助它拉长电弧，并在与绝缘栅片紧密接触的过程中迅速冷却；（2）金属栅片：片间是互相绝缘的，电弧进入栅片后，被截割成多段短弧，使每段短弧上的电压达不到燃弧电压。金属栅片为钢质，具有冷却作用，使电弧迅速熄灭。如图1-10所示。多用于低压交流开关电器。图1-9窄缝灭弧室的断面图图1-10栅片灭弧装置1－动触头2－静触头3－栅片4－栅片剖面5.喷流熄弧法压力流弧技术是灭弧的一种新观念。灭弧罩采用新材料(如BMC材料)，在电弧高温环境作用下产生气体和压力喷流。采用带有出气口的半封闭灭弧小室，使产生的气体返回出气口，在室内形成压差驱动电弧，喷流熄弧。该方法常与栅片灭弧装置组合使用，如日本富士SC系列新型接触器、三菱电机的断路器等。其它：6.真空灭弧：真空断路器；7.石英砂灭弧：有填料式熔断器；8.变压器油灭弧：少油断路器。二、电磁机构电磁机构由线圈、铁心和衔铁组成，如图1-11所示。原理：当线圈通入电流之后，铁心和衔铁的端面上出现了不同极性的磁极，彼此相吸，使衔铁向铁心运动，由连动机构带动触头动作。（一）铁心和衔铁的结构形式常用的结构形式有E形、螺管式和拍合式等。1.E形（含U形）电磁机构有单E形和双E形之分。多用于交流继电器、交流接触器等交流电磁机构中。大容量的多采用U形，也有单U形和双U形之分。图1-11电磁机构的结构形式a)螺管式b)单E形c)拍合式d)装甲螺管式e)单U形f)单U形转动式g)双E形转动式2.螺管式电磁机构多用作牵引电磁铁和自动开关的操作电磁铁，但也有少数过电流继电器采用这种形式的电磁铁。3.拍合式电磁机构广泛用于直流继电器和直流接触器。有时也用于交流继电器。（二）线圈按通入线圈电源的种类不同，分为直流线圈和交流线圈。按励磁形式，可分串联和并联两种。电流线圈串接在主电路中，匝数较少，电流较大，常用扁铜条或粗铜线绕制；电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，电流较小，常用绝缘较好的电磁线绕制。从结构上来看，线圈可分为有骨架的和无骨架的两种。**交流电磁机构与直流电磁机构的区别：（1）从结构上来看，交流电磁铁的线圈有骨架式；因为铁心中有磁滞损耗和涡流损耗，为防止热量传给线圈。直流电磁铁的线圈多是无骨架的。（2）交流电磁铁的结构：粗短型（减少铁心与线圈的接触面，以满足散热的需要）；直流：细长型。（3）交流电磁铁的铁心由硅钢片叠加，以减少涡流、磁滞损耗；直流电磁铁的铁心一般由整块钢制成。（三）电磁吸力与吸力特性电磁机构线圈通电后，铁心吸引衔铁的力称为电磁吸力。根据能量平衡得电磁吸力计算公式为：（1-1a）式中F—电磁吸力（N）；Uδ—气隙磁压降（AT）；Λδ—气隙总磁导（H）；δ—气隙（m）。ddUF221在恒安匝下，假定气隙磁场接近于均匀，则U=INδ，（1-1b）式中INδ───气隙中的励磁安匝（T）；S0───磁极截面积（m2）；δ0───空气磁导率，δ0=1.25×10-6（H/m）。00S200Sdd20221SINF麦克斯韦电磁吸力计算公式：电磁吸力大小与气隙中磁通的平方成正比，与气隙磁极的截面积成反比，即（1-2）式中φδ—气隙中的磁通（Wb）Bδ—气隙中的磁感应强度（T）；公式（1-2）只适用于气隙较小处，气隙磁场接近于均匀的场合；而公式（1-1）一般宜用于气隙不是很小处。00200222SBSF1.直流电磁机构的静态吸力特性特点：电磁吸力与气隙大小的平方成反比，气隙越大，电磁吸力越小；反之，气隙越小，电磁吸力越大。显然，当气隙相同时，安匝数大的电磁铁，其电磁吸力也大。直流电磁机构的励磁安匝IN大者，其静态吸力特性(图1-12中的曲线1)位于励磁安匝IN小者的上方(图1-12中的曲线2)。图1-12直流电磁机构的静态吸力特性2.交流电磁铁的吸力特性(1-4)交流电磁铁的电磁吸力与磁感应强度最大值的平方成正比，与气隙截面积成正比。交流电磁铁电磁吸力的大小是随时间而变化的。当磁通为零时，电磁吸力为零；当磁通Φ为最大值时，电磁吸力达最大值。当电磁吸力小于作用在衔铁上弹簧的反作用力时，衔铁分断；当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁吸合。0020'41SdtFTFmT随着电磁吸力的脉动，