常用的低压电器

第1章电气控制系统中常用低压电器电器分为:高压电器和低压电器。低压电器一般是指在交流50Hz、额定电压1200V、直流额定电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。在大多数用电行业及人们的日常生活中一般都使用低压设备，采用低压供电。因此低压电器的应用十分广泛，直接影响低压供电系统和控制系统的质量。本章主要介绍用于电力拖动及控制系统领域中的常用低压电器。●1.1概述●1.2电磁式电器结构及工作原理●1.3电磁式接触器●1.4电磁式继电器●1.5热继电器本章内容●1.6信号继电器●1.7主令电器●1.8熔断器●1.9低压开关和低压断路器●1.10常用电子电器本章内容1.1概述1.1.1电器的分类按工作电压的等级可分为:高压电器和低压电器；按动作原理可分为:手动电器和自动电器；按工作原理可分为:电磁式电器和非电量控制电器；按用途可分为以下几类。1)配电电器主要用于供、配电系统中，进行电能输送和分配。如刀开关、自动开关、隔离开关、转换开关以及熔断器等。对这类电器的主要技术要求是分断能力强，限流效果好，动稳定及热稳定性能好。2)控制电器主要用于各种控制电路和控制系统。这类电器有接触器、继电器、转换开关、电磁阀等。对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力，操作频率要高，电器和机械寿命要长。3)主令电器主要用于发送控制指令。如按钮、主令开关、行程开关和万能转换开关等。对这类电器的主要技术要求是操作频率要高，抗冲击，电器和机械寿命要长。1.1概述4)保护电器主要用于对电路和电气设备进行安全保护。如熔断器、热继电器、安全继电器、电压继电器、电流继电器和避雷器等。对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力，反应要灵敏，可靠性要高。5)执行电器主要用于执行某种动作和传动功能。如电磁铁、电磁离合器等。1.1.2电器的作用(1)控制作用。如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。1.1概述(2)保护作用。能根据设备的特点，对设备、环境以及人身安全实行自动保护，如电动机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。(3)测量作用。利用仪表及与之相适应的电器，对设备、电网或其他非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度、压力等。(4)调节作用。如电动机速度的调节、柴油机油门的调整、房间温度和湿度的调节、光照度的自动调节等。(5)指示作用。显示检测出的设备运行状况与电气电路工作情况。(6)转换作用。如被控装置操作的手动与自动的转换、供电系统的市电与自备电源的切换等。当然，电器的作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能、新设备会不断出现。常用低压电器的主要种类及用途见表l-1。表1-1常用低压电器的主要种类及用途表序号类别主要品种主要用途1断路器框架式断路器主要用于电路的过负载、短路、欠电压、漏电保护，也可用于不需要频繁接通和断开的电路塑料外壳式断路器快速直流断路器限流式断路器漏电保护式断路器2接触器交流接触器主要用于远距离频繁控制负载，切断带负荷电路直流接触器1.1概述序号类别主要品种主要用途3继电器电磁式继电器主要用于控制电路中，将被控量转换成控制电路所需电量或开关信号时间继电器温度继电器热继电器速度继电器序号类别主要品种主要用途4熔断器瓷插式熔断器主要用于电路短路保护，也用于电路的过载保护螺旋式熔断器有填料封闭管式熔断器无填料封闭管式熔断器快速熔断器自复式熔断器序号类别主要品种主要用途5主令电器控制按钮主要用于发布控制命令，改变控制系统的工作状态位置开关万能转换开关主令控制器序号类别主要品种主要用途6熔断器瓷插式熔断器主要用于电路短路保护，也用于电路的过载保护螺旋式熔断器有填料封闭管式熔断器无填料封闭管式熔断器快速熔断器自复式熔断器序号类别主要品种主要用途6刀开关胶盖闸刀开关主要用于不频繁地接通和分断电路封闭式负荷开关熔断器式刀开关序号类别主要品种主要用途7转换开关组合开关主要用于电源切换，也可用于负荷通断或电路切换换向开关8控制器凸轮控制器主要用于控制回路的切换平面控制器序号类别主要品种主要用途9起动器电磁起动器主要用于电动机的启动星/三角起动器自耦减压起动器10电磁铁制动电磁铁主要用于起重、牵引、制动等场合起重电磁铁牵引电磁铁电磁式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中间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。其结构大都是由两个主要部分组成，即感应部分(电磁机构)和执行部分(触头系统)。1.2电磁式低压电器基础知识1.2.1电磁机构原理1．电磁机构电磁机构由线圈、铁心和衔铁组成，主要作用是通过电磁感应原理将电能转换成机械能，带动触头动作，完成接通或分断电路的功能。根据衔铁相对铁心的运动方式，电磁机构可分为直动式和拍合式两种，1.2电磁式低压电器基础知识图1.1直动式电磁机构图1.2拍合式电磁机构1－衔铁；2－铁心；3－吸引线圈1－衔铁；2－铁心；3－吸引线圈直动式电磁机构多用于交流接触器、中间继电器。衔铁沿棱角转动的拍合式电磁机构广泛应用于直流电器中。1.2电磁式低压电器基础知识电磁式电器分为直流和交流两类，都是利用电磁铁的原理而制成。通常，直流电磁铁的铁心是用整块钢材或工程纯铁制成，而交流电磁铁的铁心则是用硅钢片叠铆而成。2．吸引线圈吸引线圈的作用是将电能转换为磁能。按通入电流种类不同可分为直流型线圈和交流型线圈。直流型线圈一般做成无骨架、高而薄的瘦高型，使线圈与铁心直接接触，易于散热；交流型线圈由于铁心存在磁滞和涡流损耗，铁心会发热。为了改善线圈和铁心的散热情况，线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离，并将线圈制成短而厚的矮胖型。另外，根据线圈在电路中的连接形式，可分为串联线圈和并联线圈。串联线圈主要用于电流检测类电磁式电器中，大多数电磁式电器线圈都按照并联接入方式设计。为减少对电路电压分配的影响，串联线圈采用粗导线制造，匝数少，线圈的阻抗较小。并联线圈为减少电路的分流作用，需要较大的阻抗，一般线圈的导线细，匝数多。1.2.2电磁吸力及其特性电磁吸力由电磁机构产生。当电磁线圈断电时使触点恢复常态的力称为反力。电磁电器中反力由复位弹簧和触头产生，衔铁吸合时要求电磁吸力大于反力；衔铁复位时要求反力大于电磁吸力(此时是剩磁产生的电磁吸力)。电磁式电器是根据电磁铁的基本原理设计的，电磁吸力是决定其能否可靠工作的一个重要参数。电磁吸力F∝B2S(B为气隙磁感应强度)，可由式(1-1)表示。(1-1)式中：I——线圈中通过的电流(A)；N——线圈的匝数(匝)；S——气隙截面积(m2)；δ——气隙宽度(m)；F——电磁吸力(N)；µ0——真空磁导率，µ0＝0.4π×10-6H/m。22μ2SFIN1．直流电磁机构的电磁吸力特性从式(1-1)可以看出，对于固定线圈通以恒定直流电流时，其电磁力F仅与成反比。吸力特性曲线如图1.4所示。由此看出，衔铁闭合前后吸力很大，气隙越小，吸力越大。但衔铁吸合前后吸引线圈励磁电流不变，故直流电磁机构适用于运动频繁的场合，且衔铁吸合后电磁吸力大，工作可靠。图1.3电磁机构图1.4电磁吸力特性1—直流电磁机构2—交流电磁机构3—反力特性2．交流电磁机构的电磁吸力特性与直流电磁机构相比，交流电磁机构的吸力特性有较大的不同。交流电磁机构多与电路并联使用，当外加电压U及频率f为常数时，忽略线圈电阻压降。U≈E＝4.44(1-2)式中：U——线圈电压(V)；E——线圈感应电动势(V)；f——线圈电压的频率(Hz)；N——线圈匝数；——气隙磁通(Wb)。fN当外加电压U、频率f和线圈匝数N为常数时，则气隙磁通也为常数，由式(1-1)可知电磁吸力F∝B2S也为常数，即交流电磁机构的吸力特性为一条与气隙长度无关的直线。实际上，F随δ的减小而略有增加。1.2电磁式低压电器基础知识对于并联电磁机构，由磁路欧姆定律NI≈Rm可知(Rm为气隙磁阻，随δ的变化成正比变化)，在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，吸合电流随δ的变化成正比变化，为衔铁吸合后的额定电流的很多倍，U形电磁机构可达5～6倍，E形电磁机构可达10～15倍。若衔铁卡住不能吸合，或衔铁频繁动作，交流励磁线圈很可能因电流过大而烧毁。所以，在可靠性要求较高或要求频繁动作的控制系统中，一般采用直流电磁机构而不采用交流电磁机构。衔铁振动与噪声的产生：对于交流电磁机构，由于电流是交变的，吸力也是脉动的，电流为0时，吸力也为0。所以50Hz的电源加在线圈上时，吸力为100Hz的脉动吸力。当脉动的吸力F小于弹力Fr时，衔铁将在弹簧的作用下移动，而当吸力F大于弹力Fr时，衔铁将克服弹簧力而吸合。如此周而复始，使衔铁产生振动，发出噪声，不能正常工作。解决方法：解决该问题的具体办法是在铁心端部开一个槽，槽内嵌入称为短路环(或称分磁环)的铜环。当励磁线圈通入交流电后，在短路环中就有感应电流产生，该感应电流又会产生一个磁通。短路环把铁心中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的和穿过短路环的中。由于短路环的作用，使与产生相移，即不同时为零，使合成吸力始终大于反作用力，从而消除了振动和噪声。图1.5交流电磁机构实际吸力曲线图1.6交流电磁铁的短路环1—衔铁2—铁心3—线圈4—短路3．反力特性电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，但不能过大或过小。吸力过大，动、静触头接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹跳，导致触头熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命；吸力过小，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当。在实际应用中，可调整反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好配合。1．电器的触头触头是电磁式电器的执行部分，起接通或断开电路的作用。可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。1.2.3电弧的产生及灭弧方法电磁式电器触头在线圈未通电状态时有常开(或动合)和常闭(或动断)两种状态，分别称为常开(或动合)触头和常闭(或动断)触头。当电磁线圈有电流通过，电磁机构动作时，触头改变原来的状态，常开(动合)触头将闭合，使与其相连的电路接通；常闭(动断)触头将断开，使与其相连的电路断开。能与机械联动的触头称动触头，固定不动的触头称静触头。(1)桥式触头。电磁式电器通常同时具有常开和常闭两种触头，桥式常闭触头与常开触头结构及动作对称，一般在常开触头闭合时，常闭触头断开。静触头的两个触点串接于同一条电路中，当衔铁被吸向铁心时，与衔铁固连在一起的动触头也随着移动，当与静触头接触时，便使同静触头相连的电路接通。电路的接通与断开由两个触头共同完成。(2)指形触头触头接通或分断时产生滚动摩擦，以利于去掉触头表面的氧化膜。指形触头适用于接电次数多、电流大的场合。(a)桥式触头(b)桥式触(c)指形触头(线接触)图1.7触头的结构形式2．电接触触头在闭合状态下，动、静触头完全接触，并有电流通过时，称为电接触。电接触时触头的接触电阻大小将影响其工作情况。接触电阻大时触头易发热，温度升高，从而使触头易产生熔焊现象，既影响工作的可靠性，又降低了触头的寿命。触头接触电阻的大小主要与触头的接触形式、接触压力、触头材料及触头的表面状况有关。触头的接触形式有点接触、线接触和面接触3种。点接触适用于电流不大，触头压力小的场合；线接触适用于接电次数多，电流大的场合；面接触适用于大电流的场合。(a)点接触(b)线接触(c)面接触图1.8触头的接触形式减小触头接触电阻的方法(1)增加接触压力可使触点的接触面积增加，从而减小接触电阻。一般在动触点上安装一个触点弹簧。(2)选择电阻系数小的材料减小接触电阻。如在触点上镀银或嵌银，以减小接触电阻。(3)改善触点的表面状况，尽量避免或减少触头表面氧化物形成