低压电气基本原理

前言现代生产机械一般由工作机构,传动机构,电动机及控制系统等几部分组成.为满足加工工艺的要求,常要电动机完成起动,制动,反向运行,调速等电气控制.此控制装置多采用继电---接触器控制来完成,需要由继电器,接触器,按钮,行程开关来完成.但该控制形式是固定线路,固定功能,通用性和灵活性较差,又由于是有触点的硬件开关控制,体积大,功耗大,使用寿命和可靠性都有明显限制.随着PLC控制系统的普及,在控制领域,不仅可以对电器进行断续,开环的控制,亦可进行连续的,闭环的控制.在另一方面,许多控制要求不太复杂的场合,继电---接触器控制方法仍在广泛使用.比如:电动机的通断,仍由接触器作为执行电器来完成,其他,,如机床控制,电力设备控制,多采用继电---接触器控制.第1页，共55页。第1章低压电器的基本原理1.1低压电器的基本结构1.2低压电器的主要技术性能和参数1.3电气控制技术中常用的图形和文字符号第2页，共55页。低压电器定义:交流1200V及以下和直流1500V以下,在电路中起通断,控制,保护和调节作用的电器设备.分类:采用电磁原理构成的低压电器元件称为电磁式低压电器;采用集成电路或电子元件构成的称为电子式低压电器;采用现代控制原理构成的低压电器元件或装置称为自动化电器或智能电器等.作用:低压电器是现代工业自动化的重要基础元件,是构成电器成套设备的基础.一套自动生产线的电器设备中,可能需要几万件低压电器,其投资费用可能接近或超过主机的投资.1.1低压电器的基本结构第3页，共55页。电磁式电器在电气控制线路中使用量最大,其类型也很多,其结构主要由两部分组成,即感测部分(电磁机构)和执行部分(触头系统).第4页，共55页。1.1.1电磁机构电磁机构是电磁式电器的主要组成部分，其工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动执行部分---触头动作。电磁机构由吸引线圈(励磁线圈)和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧拉力时，衔铁才可靠地被铁心吸住。其结构型式按铁心型式分有单E型、螺管型等；按动作方式分有直动式、转动式等，见图1-1。第5页，共55页。图1-1电磁机构的几种形式(a)单E型电磁铁；(b)螺管型电磁铁；(c)转动式衔铁吸引线圈铁心第6页，共55页。

铁心

电磁式电器分为直流与交流两大类,都是利用电磁铁的原理而制成.通常直流电磁铁的铁心由整块钢材或工程纯铁制成,而交流电磁铁的铁心由硅钢片构成.

吸引线圈

线圈是电磁铁的心脏,吸引线圈的作用是将电能转换成磁场能量.按通入吸引线圈的电流类型,可分为直流线圈和交流线圈.第7页，共55页。当交流电磁线圈接通交流电源时，铁心中有磁滞损失与涡流损失。为了减小由此造成的能量损失和温升，铁心和衔铁用硅钢片叠成，而且线圈粗短并有线圈骨架将线圈与铁心隔开，以免铁心发热传给线圈，使其过热而烧毁。当直流电磁线圈接通直流电源时，铁心中没有磁滞损失与涡流损失，只有线圈本身的铜损，所以直流电磁铁线圈没有骨架，且成细长形，铁心和衔铁可以用整块电工软钢做成。第8页，共55页。吸力特性与反力特性的配合电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。电磁机构使衔铁吸合的力与气隙(衔铁与铁心间)的关系曲线称为吸力特性。电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线称为反力特性。为了使电磁铁能正常工作，衔铁在吸合时，吸力必须始终大于反力，即吸力特性始终处于反力特性的上方；衔铁释放时，吸力特性必须处于反力特性的下方。图1-10为吸力特性与反力特性的配合情况。第9页，共55页。图1-10吸力特性与反力特性的配合3-------反力特性第10页，共55页。1.1.2触头和电弧1.触头的接触电阻触头亦称触点，起接通和分断电路的作用。在有触头的电器元件中，电器元件的基本功能是靠触头来完成的，所以要求触头导电、导热性能良好。触头通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时也在铜触头表面电镀锡、银或镍。铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜，它将增大触头的接触电阻，使触头的损耗增大，温度上升。所以，有些特殊用途的电器，如微型继电器和小容量的电器，触头常采用银质材料。银触头具有较低且稳定的接触电阻。第11页，共55页。如果触头之间的接触电阻较大，则会在电流流过触头时造成较大的电压降，这对弱电控制系统影响较严重。另外，电流流过触头时电阻损耗大，将使触头发热而致温度升高，导致触头表面的“膜电阻”进一步增加及相邻绝缘材料老化，严重时可使触头熔焊，造成电气系统故障。因此，对各种电器的触头都规定了它的最高环境温度和允许温升。第12页，共55页。除此之外，触头在运行时还存在触头磨损的情况。触头的磨损包括电磨损和机械磨损。电磨损是由于在通断过程中触头间的放电作用使触头材料发生物理性能和化学性能变化而引起的。电磨损的程度决定于放电时间内通过触头间隙的电荷量的多少及触头材料的性质等。电磨损是引起触头材料损耗的主要原因之一。机械磨损是指由于机械作用而使触头材料产生的磨损和消耗。机械磨损的程度取决于材料硬度、触头压力及触头的滑动方式等。第13页，共55页。为了使接触电阻尽可能地小，要注意三个方面的问题：1要选用导电性好、耐磨性好的金属材料作触头，使触头本身的电阻尽量减小；2要使触头接触得紧密一些；3在使用过程中尽量保持触头清洁，在有条件的情况下应定期清理触头表面。第14页，共55页。2.触头的接触形式触头的接触形式及结构形式很多，通常按其接触形式归为三种，即点接触、线接触和面接触，如图1-11所示。显然，面接触时的实际接触面要比线接触的大，而线接触的又要比点接触的大。触头的结构形式有指形触头和桥形触头等。第15页，共55页。图1-11触点的三种接触形式(a)点接触；(b)线接触；(c)面接触第16页，共55页。图a为点触头,这种结构容易提高单位面积上的压力,减小触头表面电阻,常用于小电流容器.图b为指形触头,接触面是一条直线,线触头的通断过程是滚动接触,并产生滚动摩擦,以利于去掉氧化膜,保证了触头的良好工作.图c为面接触,这种触头一般在接触表面镶有合金,以减少触头的接触电阻,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.第17页，共55页。图1-12桥式触头闭合过程位置示意图(a)最终断开位置；(b)初始接触位置；(c)最终闭合位置超行程L使得触头磨损时,仍能将触头接触紧密以减少接触电阻.第18页，共55页。触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。原始状态时断开(即线圈未通电)，线圈通电后闭合的触头叫常开触头。原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。线圈断电后所有触头复原。按触头控制电路的不同可将其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。第19页，共55页。3.电弧的产生在自然环境中断开电路时，如果被断开电路的电流(电压)超过某一数值(根据触头材料的不同，其值约在0.25～1A，12～20V)，则触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头在断开时,触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。所谓气体放电，就是触头间隙中的气体被游离而产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘气体就变成了导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，发出光和热的效应，产生高温及强光，使触头烧损，并使电路切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。第20页，共55页。电弧对电器的影响主要有以下几个方面：(1)触头虽已打开，但由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开。(2)电弧的温度很高，严重时可使触头熔化。(3)电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至造成短路，引起火灾。第21页，共55页。4灭弧方法熄灭电弧的基本途径有：(1)拉长电弧以降低电场强度。(2)用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧柱周围的温度。(3)将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中以冷却电弧。(4)将电弧分成许多串联的短弧，增加对维持电弧所需的临界电压降的要求。(5)将电弧密封于高气压或真空的容器中。第22页，共55页。5.常用的灭弧方法和装置1)桥式结构双断口灭弧流过触头两端的电流方向相反，将产生互相推斥的电动力。当触头打开时，在断口中产生电弧。电弧电流在两电弧之间产生图中以“⊕”表示的磁场，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并拉长，电弧电流迅速穿越冷却介质而使电弧加快冷却并熄灭。

交流接触器常采用这种灭弧方法。第23页，共55页。图1-13桥式触头灭弧原理第24页，共55页。2)栅片灭弧灭弧栅一般由多片镀铜薄钢片(称为栅片)和石棉绝缘板组成，它们安放在电器触头上方的灭弧室内，彼此之间互相绝缘，片间距离约为2～5mm。当触头分断电路时，在触头之间产生电弧，电弧电流产生磁场。由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此，电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集。这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧室中。当电弧进入灭弧室后，被灭弧栅分割成数段串联的短弧，这样，每两片灭弧栅片都可以看做一对电极。维持每对电极间的电弧都需要一定的电压，同时栅片吸收电弧热量。当栅片间的电压不足以维持电弧燃烧电压时，电弧迅速冷却并很快熄灭。第25页，共55页。图1-14栅片灭弧示意图第26页，共55页。3)磁吹灭弧

在触头电路中串入一个磁吹线圈,它产生的磁通经过导磁夹板引向触头周围,当触头断开产生电弧时,电弧电流产生的磁通在弧柱下方相加,而在弧柱上方相减.因此,电弧在下强上弱的磁场作用下,被拉长并吹到灭弧罩,将热量传递给罩壁,使电弧冷却熄灭.

广泛应用于直流接触器中.第27页，共55页。图1-15磁吹灭弧原理(a)磁吹线圈对电弧产生推力；(b)顶视图第28页，共55页。4)窄缝灭弧:常用于交流和直流接触器.窄缝灭弧通过灭弧室灭弧。灭弧室由耐弧陶土、石棉、水泥或耐弧塑料制成，用来引导电弧纵向吹出并防止相间短路，同时通过电弧与灭弧室的绝缘壁接触，使其迅速冷却，使电弧熄灭。为此制成窄缝灭孤室，如图1-16所示。图1-16窄缝灭弧室第29页，共55页。低压电器根据其在线路中的作用常分为两大类,主电路开关和辅助电路控制电器.主电路开关电器指用于电气控制中配电线路或系统主电路中的开关电器及其组合,主要包括:刀开关,隔离器,断路器,熔断器,接触器和启动器等.主电路开关电器的选择首先要满足电路负载要求.辅助电路控制电器指在电路中起发布命令,控制,转换和联络作用的开关电器,包括各种主令控制器,控制继电器,传感器等.主电路开关电器上的辅助触头也包括在辅助电路控制电器范围之内.1.2低压电器的主要技术性能和参数第30页，共55页。1.2.1开关电器的通断工作类型及相关参数

1．主开关的形式在开关装置中,一般有下列开关:隔离.空载通断,有载通断,电动机通断和断路用开关.(1)隔离用开关。隔离指开关电器具有将电器设备和电源“隔开”的功能，在对电器设备的带电部分进行维修时以确保人员和设备的安全。能满足隔离功能的开关电器是隔离器。第31页，共55页。(2)无载(空载)通断开关。无载通断指接通或分断电路时无电流，分开的两触头间不会出现明显电压的情况。选用无载通断的开关电器时，必须有其他措施可以保证不会出现有载通断的可能性，否则有造成事故，损坏设备，甚至危及人身安全的危险。无载通断的开关电器仅在某些专门场所使用，如隔离器。第32页，共55页。(3)有载通断开关。有载通断是相对于无载通断而言的，其开关电器需接通和分断一定的负载电流(具体负载电流的数据因负载类型而异)。有的隔离器产品也能在非故障条件下接通和分断电路，其通断能力大致和其需要通断的额定电流相同。产品样本中,隔离器和熔断器的通断能力常按额定电流的倍数给出，因此，有些隔离器也能分断各种工作过电流，如电动机的启动电流。第33页，共55页。(4)电动机通断用开关。控制电动机通断通常指电动机开关。电动机开关是指用来接通和分断电动机的开关电器或电路，其通断能力应能满足各种型号的电动机按不同工作制(如点动和反接)工作的控制要求。电动机开关有控制开关、电动机用负荷开关、接触器、电动机用断路器及其组合控制电路等。第34页，共55页。(5)断路用开关。

断路器就是用来既能分断负载电流,电动机电流和过载电流,又能分断短路电流的开关电器.

第35页，共55页。2．开关电器的相关参数(1)通电持续率：电器的有载时间与工作时间之比，常用百分数表示。(2)通断能力：开关电器在规定的条件下，能在给定的电压下接通和分断的预期电流值。(3)分断能力：开关电器在规定的条件下，能在给定的电压下分断的预期分断电流值。(4)接通能力：开关电器在规定的条件下，能在给定的电压下接通的预期接通电流值。第36页，共55页。1.2.2与低压电器有关的电网参数在按短路强度和额定通断能力选用开关电器时，短路点处的短路电流值是一个决定性因素，常用以下指标来衡量。1)峰值耐受(短路)电流Ip(动稳定短路强度)2)额定短时耐受电流Is(热稳定短路强度)3)额定短路分断能力4)额定短路通断能力5)约定脱扣电流6)约定熔断电流第37页，共55页。1.2.3与开关电器动作时间有关的参数(1)断开时间。开关电器从断开操作开始瞬间起到所有极的弧触头都分开瞬间为止的时间间隔。(2)燃弧时间。电器分断电路过程中，从触头断开或熔断体熔断出现电弧的瞬间开始，至电弧完全熄灭为止的时间间隔。(3)分断时间。从开关电器的断开时间开始起到燃弧时间结束为止的时间间隔。第38页，共55页。(4)接通时间。开关电器从闭合操作开始瞬间起到电流开始流过主电路瞬间为止的时间间隔。(5)闭合时间。开关电器从闭合操作开始瞬间起到所有极的触头都接触瞬间为止的时间间隔。(6)通断时间。从电流开始在开关电器一个极流过瞬间起到所有极的电弧最终熄灭瞬间为止的时间间隔。第39页，共55页。1.2.4颜色标志为了保证正确操作，防止事故，对各个电器元件与装备之间的接线、配线、敷线和相对安装位置及它们之间的电连接关系易于识别，方便设备的操作和维护，及时排除故障以及确保人身和设备的安全，需要对各种绝缘导线的连接标记、颜色、指示灯的颜色及接线端子的标记做出统一规定。表1-1列出了指示灯的颜色及含义，表1-2列出了按钮的颜色及含义。指示灯和按钮的选色原则是，依指示灯被接通(发光、闪光)后所反映的信息或按钮被操作(按压)后所引起的功能来选色。第40页，共55页。表1-1指示灯的颜色及含义

第41页，共55页。表1-2按钮的颜色及含义

第42页，共55页。指示灯的作用是借以指示某个指令、某种状态、某些条件或某类演变正在执行或已被执行，从而引起操作者注意或指示操作者应做的某种操作。指示灯的闪光信息则引起操作者进一步注意或需立即采取行动等。对于按钮的颜色，红色按钮用于停止、断电；绿色按钮优先用于启动或通电，但也允许选用黑、白或灰色按钮；一钮双用的，如启动与停止、通电与断电或交替按压后改变功能的，应用黑、白或灰色按钮；按压时运动，抬起时停止运动(如点动、微动)，应用黑、白、灰或绿色按钮，最好是黑色按钮；用于单一复位功能的，用蓝、黑、白或灰色按钮；同时有复位、停止与断电功能的，用红色按钮。灯光按钮不得用作事故按钮。第43页，共55页。1.3电气控制技术中常用的图形和文字符号表1-3常用电气图形和文字符号表

第44页，共55页。表1-3常用电气图形和文字符号表

第45页，共55页。表1-3常用电气图形和文字符号表

第46页，共55页。表1-3常用电气图形和文字符号表

第47页，共55页。表1-3常用电气图形和文字符号表

第48页，共55页。在绘制电气控制线路时，应遵循电流方向自上而下(垂直方位画时)或自左向右(水平方位画时)的原则；绘制动合触头和动断触头时，应遵循左开右闭(垂直方位画时)、下开上闭(水平方位画时)的原则，即静触头在上或左，动触头在下或右。对于开关电器，如果按图面布置的需要，采用的图形符号的方位与表1-3中所示的一致，则直接采用；若方位不一致，应遵循按图例逆时针旋转90°的原则绘制，但文字和指示方向不得颠倒。图形符号的矩形长边和圆的直径宜设计为2M的倍数，一般取M=2.5mm。对于较小的图形符号，则可选用1.5M、1.0M或0.5M。第49页，共55页。在国家标准中，电气技术中的文字符号分为基本文字符号(单字母或双字母)和辅助文字符号。在GB7159—1987《电气技术中的文字符号制订通则》中，单字母符号等同于IEC750《电气技术中项目代号》标准中的种类代号，双字母符号等同于IEC204《项目代号、图解、简图、表格和说明举例》中的双字母代码。因此，上述单字母和双字母符号在国际上是通用的。第50页，共55页。基本文字符号中的单字母符号按拉丁字母将各种电气设备、装置和元器件划分为23个大类，每个大类用一个专用单字母符号表示。如“K”表示继电器、接触器类，“F”表示保护器件类等。单字母符号应优先采用。双字母符号是由一个表示种类的单字母符号与另一字母组成，其组合形式应以单字母符号在前，另一字母在后的次序列出。只有当用单字母符号不能满足要求，容易混淆，需要将大类进一步划分时，才采用双字母符号，以便较详细和更具体地表述电气设备、装置和元器件。如“F”表示保护器件类，而“FU”表示熔断器，“FR”表示热继电器等。双字母符号的第一位字母只允许按GB7159—