常用低压电器

第1章常用低压电器教学导航知识重点1、了解常用低压电器的结构、工作原理。2、掌握常用低压电器的功能和图形文字符号。3、熟悉常用低压电器的型号和选用方法。知识难点常用低压电器的工作原理。建议学时12学时推荐学习方法结合本章内容，通过自我查找资料、观察总结，了解低压电器的结构、工作原理，为今后分析电气控制系统读图打下良好的基础。必须掌握的理论知识必须掌握的技能第1章常用低压电器教学导航1、低压电器基本概念。2、常用低压电器的分类方法。3、接触器和继电器4、其它低压开关和控制电器。2、主要低压电器的选用。1、认识常用的低压电器。第1章常用低压电器知识分布网络第1章常用低压电器章节导读低压电器的定义与分类、低压电器的基本用途、低压电器的结构要求、电磁式控制电器的基本原理。开关和保护类电器：刀开关、负荷开关、熔断器式刀开关、熔断器、断路器、漏电保护器、双电源切换装置、电涌保护器。控制类电器：主令电器、接触器、继电器、控制与保护开关电器、电动机控制器、软起动器、变频器。第1章常用低压电器1.1概述在我国经济建设事业和人民生活中，电能的应用越来越广泛，大多采用低压供电。为了安全、可靠地使用电能，电路中就必须装有各种起调节、分配、控制和保护作用的各类断路器、接触器、继电器等低压电器。即无论是低压供电系统还是控制生产过程的电力拖动控制系统，都是由用途不同的各类低压电器所组成。随着科学技术和生产的发展，低压电器的种类不断增多，用量也不断增大，用途更为广泛。第1章常用低压电器我国现行标准将工作电压交流1200V、直流1500V以下的电气线路中起通断、保护、控制或调节作用的电器称为低压电器。低压电器的种类繁多，工作原理也各异，因而有不同的分类方法。以下介绍三种分类方式：1、按用途和控制对象不同，可将低压电器分为开关保护类电器和控制类电器。1）用于低压电力网的开关保护类电器2）低压控制电器1.1.1低压电器的定义与分类2、按操作方式不同，可将低压电器分为自动电器和手动电器。1）自动电器2）手动电器第1章常用低压电器1.1.1低压电器的定义与分类3、按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器1）电磁式电器2）非电量控制电器第1章常用低压电器在输送电能的输电线路和各种用电的场合，需要使用不同的电器来控制电路通、断，并对电路的各种参数进行调节。低压电器在电路中的用途就是根据外界控制信号或控制要求，通过一个或多个器件组合，自动或手动地接通、分断电路，连续或断续地改变电路状态，对电路进行切换、控制、保护、检测和调节。1.1.2低压电器的基本用途第1章常用低压电器1.1.3低压电器的结构要求低压电器产品的种类多、数量大，用途极为广泛。为了保证不同产地、不同企业生产的低压电器产品的规格、性能和质量一致，通用和互换性好，低压电器的设计和制造必须严格按照国家的有关标准，尤其是基本系列的各类开关电器必须保证执行:三化即标准化、系列化、通用化，四统一即型号规格、技术条件、外形及安装尺寸、易损零部件统一的原则。我们在购置和选用低压电器元件时，也要特别注意检查其结构是否符合标准，防止给今后的运行和维修工作留下隐患和麻烦。第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理电磁式控制电器是低压电器中最典型也是应用最广泛的一种电器。控制系统中的接触器和电磁式继电器就是两种最常用的电磁式电器。虽然电磁式电器的类型很多，但它的工作原理和构造基本相同。其基本结构是由电磁机构和触头系统组成。触头是电磁式电器的执行部分，电器就是通过触头的动作来分合被控的电路的。触头在闭合状态下，动、静触头完全接触，并有工作电流通过时，称为电接触。电接触时会存在接触电阻，动、静触头在分离时，会产生电弧，触头系统存在的接触电阻和电弧的物理现象，对电器系统的安全运行影响较大；另外电磁机构的电磁吸力和反力特性又是决定电器性能的主要因素之一。第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理触头结构、电孤、灭弧装置以及电磁吸力和反力特性等是构成低压电器的基本问题，也是研究电器元件结构和工作原理的基础。1、电磁机构电磁机构是电磁式继电器和接触器等低压器件的主要组成部件之一，工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动触头动作。电磁机构的结构形式如图1-1所示。图1-1常用电磁机构的型式第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理1.电磁机构:电磁机构是由吸引线圈（励磁线圈）和磁路两部分组成。其中磁路包括铁心、铁轭、衔铁和空气隙。当吸引线圈通过一定的电压或电流时，产生激励磁场及吸力，并通过气隙转换为机械能，从而带动衔铁运动使触头动作，以完成触头的断开和闭合。图11是几种常用的电磁机构结构示意图。由图可见，衔铁可以直动，也可以绕支点转动。按磁系统形状分类，电磁机构可分为U形（见图l-1（a）)和E形（见图1-1（b）两种。图1-1常用电磁机构的型式第1章常用低压电器1）衔铁沿棱角转动的拍合式铁心如图1-1（a）所示，其衔铁绕铁轭的棱角转动，磨损较小，铁心一般用电工软铁制成，适用于直流继电器和接触器。2）衔铁沿轴转动的拍合式铁心如图1-1（b）所示，其衔铁绕轴转动，铁心一般用硅钢片叠成，常用于较大容量交流接触器。3）衔铁作直线运动的直动式铁心如图1-1（c）所示，衔铁在线圈内成直线运动，较多用于中小容量交流接触器和继电器中。吸引线圈按其通电种类一般分为交流电磁线圈和直流电磁线圈。1.1.4电磁式控制电器的基本原理图1-1常用电磁机构的型式第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理2．电磁机构的工作原理电磁机构使衔铁释放的力与气隙之间的关系曲线称为反力特性。磁机构使衔铁释放的力一般有两种：一种是利用弹簧的反力，一种是利用衔铁的自身重力。弹簧的反力与其机械形变的位移量x成正比，其反力特性可写成：Ffl=K1x（11)自重的反力与气隙大小无关，如果气隙方向与重力一致，其反力特性可写成：Ff2=-K2（12)第1章常用低压电器图1-2反力特性考虑到常开触头闭合时超行程机构的弹力作用，上述二种反力特性曲线如图1-2所示。其中δ1为电磁机构气隙的初始值；δ2为动、静触头开始接触时的气隙长度。由于超行程机构的弹力作用，反力特性在δ1处有一突变。1.1.4电磁式控制电器的基本原理第1章常用低压电器3、吸力特性电磁机构的吸力与气隙之间的关系曲线称为吸力特性。电磁机构的吸力与很多因素有关，当铁心与衔铁端面互相平行，且气隙δ比较小，吸力可近似地按下式求得F=４×105B2S=4×105φ2/S（13)式中B——气隙间磁通密度（T)；S——吸力处气隙端面积（m2)；F——电磁吸力（N)。当端面积S为常数时，吸力F与磁通密度B2成正比，即F与磁通φ2成正比，反比于端面积S，即F∝φ2/S1.1.4电磁式控制电器的基本原理第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理电磁机构的吸力特性反映的是其电磁吸力与气隙的关系，而励磁电流的种类不同，其吸力特性也不一样。如图1-3所示为交流和直流吸力特性曲线。图1-3吸力特性（a）交流吸力特性；（b）直流吸力特性第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理4、触头系统触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触点。原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触点。线圈断电后所有触点复原。1）触头的接触电阻当动、静触头闭合后，不可能是完全紧密地接触，从微观看，只是一些凸起点之间的有效接触，因此工作电流只流过这些相接触的凸起点，使有效导电面积减少，该区域的电阻远大于金属导体的电阻。这种由于动、静触头闭合时形成的电阻，称为接触电阻。第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理2）触头的接触形式触头的接触形式及结构形式很多，通常按其接触形式分为三种：即点接触、面接触和线接触。如图1-4所示。（a）点接触（b)面接触（c）线接触图1-4触头的接触形式第1章常用低压电器图1-4a所示为点接触型，它由两个半球形触头或一个半球形与一个平面形触头构成，这种结构有利于提高单位面积上的压力，减小触头表面电阻。它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触头和继电器触头。图14b所示为面接触，这种触头一般在接触表面上镶有合金，以减小触头的接触电阻，以提高触头的抗熔焊、抗磨损能力，允许通过较大的电流。中小容量的接触器的主触头多采用这种结构。图14c所示为线接触，通常被做成指形触头结构，其接触区是一条直线。触头通、断过程是滚动接触并产生滚动摩擦，以利于去掉氧化膜。这种滚动线接触适用于通电次数多，电流大的场合，多用于中等容量电器。1.1.4电磁式控制电器的基本原理第1章常用低压电器触头在接触时，为了使触头接触得更加紧密，以减小接触电阻，消除开始接触时产生的振动，一般在触头上都装有接触弹簧，当动触头刚与静触头接触时，由于安装时弹簧预先压缩了一段，因此产生一个初压力F1，如图1-5（b）所示。并且随着触头闭合，逐渐增大触头间的压力。触头闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一终压力F2，如图1-5（c）所示。弹簧被压缩的距离称为触头的超行程，即从静、动触头开始接触到触头压紧，整个触头系统向前压紧的距离。有了超行程，在触头磨损情况下，仍具有一定压力，磨损严重时超行程将失效。（a)最终断开位置（b）刚刚接触位置（c）最终闭合位置图1-5桥式触头闭合过程位置示意图第1章常用低压电器5、电弧的产生及灭弧方法1）电弧的产生及其物理过程在自然环境中分断电路时，如果电路的电流（或电压）超过某一数值时（根据触头材料的不同，此值约为0.25~1A，12~20V），触头在分断的时候就会产生电弧。1.1.4电磁式控制电器的基本原理电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。第1章常用低压电器1.1.4电磁式控制电器的基本原理电弧产生的原因主要经历以下四个物理过程：（1）强电场放射触头开始分离时，其间隙很小，电路电压几乎全部降落在触头间很小很小的间隙上，因此该处电场强度很高，每米可达几亿伏，此强电场将触头阴极表面的自由电子拉出到气隙中，使触头间隙中存在较多的电子，这种现象就是所谓的强电场放射。（2）撞击电离触头间隙中的自由电子在电场作用下，向正极加速运动，它在前进途中撞击气体原子，该原子被分裂成电子和正离子。电子再向正极运动过程中，又将撞击其它原子，使触头间隙中气体中的电荷越来越多，这种现象称为撞击电离。触头间隙中的电场强度越强，电子在加速过程中所走的路程越长，它所获得的能量就越大，故撞击电离的电子就越多。第1章常用低压电器（3）热电子发射撞击电离产生的正离子向阴极运动，撞击在阴极上会使阴极温度逐渐升高，使阴极金属中电子动能增加，当阴极温度达到一定程度时，一部分电子有足够动能将从阴极表面逸出，再参与撞击电离。由于高温使电极发射电子的现象称为热电子发射。（4）高温游离当电弧间隙中气体的温度升高时，气体分子热运动速度加快。当电弧的温度达到3000℃或更高时，气体分子将发生强烈的不规则热运动并造成相互碰撞，结果使中性分子游离成为电子和正离子。这种因高温使分子撞击所产生的游离称为高温游离。当电弧间隙中有金属蒸气时，高温游离大大增加。另外，伴随着电离的进行，还存在着消电离作用。要使电弧熄灭，一方面要减弱电离作用，另一方面是增强消电离作用。1.1.4电磁式控制电器的基本原理第1章常用低压电器2）电弧的熄灭及灭弧的方法对于需要通断大电流电路的电器，如接触器、低压断路器等，要有较完善的灭弧装置。对于小容量继电器、主令电器等，由于它们的触头是通断小电流电路的，因此不要求有完善的灭弧装置。根据以上分析的原理，常用的灭弧方法和装置有以下几种。1.1.4电磁式控制电器的基本原理(1)电动力吹弧(2)栅片灭弧(3)磁吹灭弧第1章常用低压电器2）电弧的熄灭及灭弧的方法1-动触头;2-静触头图1-6桥式触头灭弧原理1-灭弧栅片2-触头3-电弧图1-7栅片灭弧示意图1—铁心2—绝缘管3—吹弧线圈4—导磁颊片5—灭弧罩6—引弧角7—静触点8—动触点图1-8磁吹式灭弧装置第1章常用低压电器6、电