低压控制电器基础

低压控制电器基础第1页/共45页前言随着电气控制新元件、新器件的不断涌现和计算机控制技术的发展，生产设备的控制策略、控制方法、控制手段日新月异，越来越多地采用了可编程序控制器（PLC）、数字控制等先进的控制技术。但由于传统的继电-接触器控制系统，结构简单，价格便宜，并为广大的工程技术人员所熟悉，加上新型电器元件的采用，提高了系统的可靠性，因而目前仍然还在大量使用，传统与现代并存的局面还会长期存在。第2页/共45页鉴于此，立足工程实际，从应用的角度出发，本书力图对生产设备的电气自动控制技术给予较全面地阐述。本书以典型的生产设备为例，系统地阐述了：常用低压控制电器与现代控制电器及典型环节的电气控制技术典型生产机械电气控制系统分析电气控制系统的设计数字控制技术可编程序控制器控制技术共五章第3页/共45页期望给读者一个生产设备电气控制系统的完整的概念。立足于工程实际，突出思路、方法，落实于具体控制电路的分析及设计，培养学生能综合应用所学专业知识分析问题、解决问题的能力和创新能力。与传统教材相比:本书取材内容先进，立足点高；从具体的生产设备入手，顺序展开论述；将传统与现代电气控制技术结合,体现了现代电气控制技术的发展方向；第4页/共45页将矿山提升机的控制系统选入教材，能更好培养学生综合应用知识的能力，也是对生产设备控制系统分析的概括和总结；对控制系统的分析，采用因果法，简单明了，避免了冗长的文字叙述；参与编写的人员，都是多年从事具体教学经验丰富的教师，本书可以说是他（她）们多年知识的积累和教学经验的总结。第5页/共45页主要参考书任振辉等.电气控制技术.水电出版社，2003.郑萍.现代电气控制技术.重大出版社，2001.顾永辉等.煤矿电工手册（三分册）.煤炭出版社，1980.王润孝等．机床数控原理与系统．西工大出版社，1997.杨有君．数字控制技术与数控机床．机工出版社，1999.

第6页/共45页廉元国等．加工中心设计与应用．机工出版社，1995.富士可编程控制器用户手册.邓则名.电器与可编程控制器应用技术.机工出版社，1997.廖常初.可编程控制器的编程方法与工程应用.重大出版社，2001.钟肇新.可编程控制器原理及应用.华南理工大出版社，2000.

第7页/共45页1电气控制技术1.1低压控制电器基础电器是对电能的生产、输送、分配和应用进行切换、调节、检测及保护等控制作用的工具的总称，如开关、熔断器、接触器、继电器等。电器是自动控制的重要元件之一。根据需要将电器按一定的逻辑关系组合起来，实现生产设备的自动化及半自动化。第8页/共45页电器种类繁多，用途也很广，常用低压电器主要有配电电器、控制电器。这里主要介绍自动控制系统用低压电器。按电压等级分：工作电压以交流1000V、直流1200V为界划分为高压电器、低压电器。按使用系统分：电力系统用电器、电力拖动及自动控制系统用电器、自动化通信系统用电器。按电器组合分：单个电器、成套电器与自动化装置。第9页/共45页按工作职能分：手动操作电器、自动控制电器（自动切换电器、自动控制电器、自动保护电器）、其它电器（稳压及调压电器、起动与调速电器、检测与变换电器、牵引与传动电器）。按电器的输出形式分：有触头（点）电器——通断电路的功能由触头来实现，如刀开关、接触器等。无触头电器——通断功能不是通过接触，而是根据输出信号的高低电平来实现的，如晶闸管的导通与截止、三极管的导通与截止等。第10页/共45页按使用场合分：一般工业用电器、特殊工矿用电器、农用电器、家用电器、其它场合（如航空、船舶、热带、高原）用电器。按控制系统作用分：信号电器——是将非电量，如位移、压力、温度等的变化转化为电信号的电器。这类电器有按钮、压力继电器、行程开关、热继电器等；控制电器——是一种电器逻辑门。常见的为“与门”、“或门”和“非门”，其输入和输出都是电信号，如电磁式继电器、接触器等。第11页/共45页电器的分类方法很多，且相互交叉、覆盖。即某一电器按不同分类方法，分属于不同的种类。如工作电压为380伏的交流接触器，按不同分类方法分属：低压电器、有触头电器、电器控制系统用电器。从结构上看，电器一般都具有两个基本组成部分：感测部分与执行部分。对于有触头的电磁式电器，感测部分大都是电磁机构，而执行部分是触头。对于非电磁式的自动电器，感测部分因其工作原理不同而各有差异，但执行部分仍是触头。第12页/共45页1.1.1电磁式控制电器的电磁机构1.1.1.1电磁机构的组成电磁机构是各种自动化电磁式电器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触头使之闭合或断开。电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁、铁轭和空气隙。电磁机构分类如下：按衔铁的运动方式分类：

第13页/共45页衔铁绕棱角转动的拍合式铁心：衔铁绕铁轭的棱角而转动，磨损较小。铁心用软铁，适用于直流接触器、继电器。衔铁绕轴转动的拍合式铁心：衔铁绕轴转动，用于触头容量较大的交流接触器，铁心用硅钢片叠成。衔铁直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内作直线运动，多用于交流接触器中。按磁系统形状分类：电磁机构可分为U形和E形两种。按线圈的连接方式分类：可分为并联（电压线圈）和串联（电流线圈）两种。第14页/共45页按吸引线圈电流的种类分类：可分为直流线圈和交流线圈两种。直流电磁机构，铁心不发热，只线圈发热，因而吸引线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。交流电磁机构，其铁心存在磁滞和涡流损耗，线圈和铁心都发热，因而吸引线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，有利于铁心和线圈散热。第15页/共45页1.1.1.2电磁机构的吸力特性

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表征。吸力与气隙的关系称为吸力特性。吸力F为（1-1）式中F——电磁吸力（N）；

B——气隙中磁感应强度（T）；

S——磁极截面积（m2）；μ0＝4π×10－7H／m。当S为常数时，F与B2成正比。第16页/共45页（1）直流电磁机构的吸力特性因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律

（1-2）（1-3）吸力F与R2m成反比，亦即与气隙δ2成反比，故吸力特性为二次曲线形状，如图1-2。衔铁闭合前后吸力变化很大。

第17页/共45页激励线圈断电时，磁势NI急速变为接近零，磁通也发生相应的急速变化，因而会在线圈中感生很大的反电动势，此反电势可达线圈额定电压的10~20倍，易使线圈因过电压而损坏。为此在激励线圈上并联一个放电电阻R。在线圈断电时，该电阻与线圈形成一个放电电路，使原储存于磁场中的能量转换成热能消耗于电阻，不致产生过电压。第18页/共45页从降低过电压出发，电阻宜小些，为解决这个矛盾，可以与电阻串一个二极管使正常工作时放电电路不工作。通常放电电阻可取线圈电阻的6～8倍。直流电磁机构适合于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力大，工作可靠性好。（2）交流电磁机构的吸力特性若外加电压不变，线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻可忽略，则第19页/共45页当频率f、匝数N和电压U均为常数时，φ为常数，由式（1-3）知F亦为常数，说明F与δ大小无关。实际上考虑到漏磁的作用，F随δ的减小略有增加。当气隙δ变化时，由于φ不变时由式（1-2）可知IN将随Rm（亦即δ）正比变化，I与δ呈线性关系。（1-4）（1-5）第20页/共45页由上述结论可看出，对于可靠性高或频繁动作的控制系统一般采用直流电磁机构，而不采用交流电磁机构。一般U形交流电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，电流将达到吸合后额定电流的5~6倍，E形电磁机构将达到10~15倍。如果衔铁卡住不能吸合或者频繁动作，就可能烧毁线圈。由于铁磁物质有剩磁，它使电磁机构的激励线圈失电后仍有一定的磁性吸力存在。剩磁的吸力随气隙的增大而减小。剩磁的吸力特性如图1-5中曲线4。第21页/共45页1.1.1.3电磁机构的反力特性

电磁机构转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特性。阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁质量有关。电磁机构使衔铁释放的力有两种：利用弹簧的反力利用衔铁自身的重力F反1＝K1x

F反2＝K2mg

第22页/共45页反力特性曲线如图1-5曲线3所示。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。这时触头上的初压力作用到衔铁上，由于超行程机构的弹力作用，反力特性在δ2处有一突变。在δ2~0的区域内，气隙越小，触头压得越紧，反力越大。第23页/共45页1.1.1.4电磁机构吸力特性与反力特性的配合电磁机构在整个吸合过程中，吸力需大于反力，吸力特性在反力特性的上方,这样触头才能闭合接通电路。但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命。当切断电磁机构的激励电流释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放。

第24页/共45页对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开。磁通过零后吸力增大，当吸力大于反力时，衔铁又吸合。由于交电源频率的变化，衔铁的吸力随之每个周波二次过零，因而衔铁产生强烈振动与噪声，甚至使铁心松散。因此交流接触器铁心端面上都安装一个铜制的分磁环（或称短路环），使铁心通过两个在时间上不相同的磁通，矛盾就解决了。

图1-6加短路环后的磁通和电磁吸力图（a）磁通示意图（b）电磁吸力图

φ

Fωt

O

1F12F2F电磁机构的交变磁通穿过短路环所包围的截面S2，在环中产生涡流此涡流产生的磁通φ2在相位上落后于截面S1中的磁通φ1由φ1、φ2产生吸力为F1+F2，只要此合力始终超过其反力，衔铁的振动现象就消失。第25页/共45页1.1.1.5电磁机构的输入-输出特性

x=0↑<xc时，y=0，当x≥xc

时,y=1。x≥xc

↓

时，y=1，当x≤

xf时，y=0。xc—吸合值，xc—释放值。—返回系数电磁机构激励线圈的电压或电流为其输入量x，衔铁的位置为其输出量y，y=f（x）称为输入-输出特性。这类矩形特性曲线统称为继电特性。第26页/共45页1.1.2执行机构低压电器的执行机构一般由触头及其灭弧装置组成。1.1.2.1触头触头（触点）是电器的执行部分，起接通和分断电路的作用。触头通常由动、静触头组合而成。触头的接触形式有点接触如球面对球面、球面对平面等；线接触如圆柱对平面、圆柱对圆柱等和面接触如平面对平面三种，如图l-8所示。第27页/共45页球形-球形球形-平面它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触头或继电器触头。圆柱-平面圆柱-圆柱多用于中等容量的触头，如接触器的主触头开始接触时，动静触头在A点接触，靠弹簧的压力经B点滚到C点（工作电）；断开时作相反运动。这样可以清除触头表面的氧化膜。平面-平面允许通过大电流。触头接触表面上镶有合金，以减小触头接触电阻和提高耐磨性，多用于较大容量接触器主触头。

第28页/共45页在常用继电、接触器中，触头的结构形式主要有单断点指形和双断点桥式触头。单断点该触头的特点是只有一个断口，一般多用于接触器的主触头。其优点为：合、断过程有滚滑运动，自动清除表面的氧化物。可采用铜或铜基合金触头材料；触头接触压力大，电动稳定性高；触头参数较易调节。其缺点是：触头开距大，从而增大了电器体积；触头闭合时冲击能量大，并有软连接，不利于机械寿命的提高。第29页/共45页双断点桥式触头的优点：具有两个有效灭弧区域，灭弧效果很好。小容量交流接触器或继电器采用这种触头时，有利于熄弧；触头开距小，使电器结构紧凑，体积小；触头闭合时冲击能量小，无软连接，有利于提高机械寿命。缺点：触头不能自动净化，触头材料必须用银或银基合金；每个触头的接触压力小，电动稳定性较低；触头参数不易调节。

第30页/共45页触头一般都是选用导电率高的金属材料做成的，两个金属接触面总是凹凸不平的，只有少数的点才能真正接触上。当触头接通电路时，触头实际上通电截面很小。此外，金属在空气中不免要氧化或硫化，在其表面生成氧化膜或硫化膜，而后者的电阻率比金属本体大得多，这都使得触头接触处的电阻增大。此电阻称为触头接触电阻。希望接触电阻尽量小些。接触面积大、接触压力大、触头材料电阻率小、塑性形变好、表面光滑的触头接触电阻较小。

第31页/共45页触头在从分离到闭合的接通过程中，经常发生机械振动，即触头的闭合-分离-再闭合过程的重复。触头闭合瞬间，动触头撞击静触头，动触头在反力作用下被反弹，压缩动触头弹簧被。一旦弹簧的张力大于反作用力，动触头又被推向与静触头接触。这样，动静触头又碰撞、反弹。但弹回的距离一次比一次小，直到弹跳完全停歇，触头完全闭合。除机械碰撞外，触头电流仅从两触头间少数接触点流过，形成收缩状电流线，触头间的收缩电流产生的电动力也能导致触头振动，特别是当接通较大电流时，电动力的影响更加显著。

第32页/共45页触头的机械振动会使触头表面产生电气磨损，当触头接触表面有熔化的金属时，一旦机械振动过程结束后，熔化了的金属便因失去电弧产生的大量热量而凝固，使动、静触头粘在一起，再也不能分开，而发生熔焊现象。适当增大触头弹簧的初压力、减小触头质量、降低触头的接通速度都可减少振动。

为了减小接触电阻及减弱接触头的振动，需要在触头间加一定的压力。此压力一般由弹簧产生。第33页/共45页当动触头与静触头刚接触时，由于安装时动触头的弹簧已经被预压了一段，因而产生一个初压力FC，初压力削弱接触振动，通过调节触头弹簧预压缩量来增减。触头闭合后弹簧在运动机构作用下被进一步压缩，运动机构运动终止时，弹簧产生终压力FZ。终压力减小接触电阻。第34页/共45页弹簧被进一步压缩的距离l称为触头的超程，超程越大终压力亦越大。有了超程，使触头在被磨损的情况下仍具有一定的接触压力，使之能继续正常工作。1.1.2.2

灭弧装置

两个触头之间的接触，本质上说是许多个点的接触。因此，在两个触头分开时，势必最终要出现只有一个点在接触的现象，此时该点处的电流密度可达103~108A／cm2，致使触头金属熔化，并随着触头的互相分离形成高温金属液桥。第35页/共45页金属液桥被拉断，触头才能完全分开，这时在断口处立即产生电弧，随着触头的分离，电弧被熄灭，相应的电路才被断开。（1）电弧的产生

电弧实际上是一种气体放电现象，就是气体中有大量的带电质点作定向运动。当触头分离的瞬间，动、静触头的间隙很小，电路电压几乎全部降落在触头之间，在触头间形成很高的电场强度，以致发生场发射。发射的自由电子在电场作用下向阳极加速运动。高速运动的电子撞击气体原子时产生“撞击电离”

。第36页/共45页电离出的电子在向阳极运动过程中又将撞击其它原子，使其它原子电离。撞击电离的正离子则向阴极加速运动，撞在阴极上会使阴极温度逐渐升高，到达一定温度时，会发生“热电子发射”

。在高温下，触头间的气体原子已很高的速度做不规则运动并相互剧烈撞击，结果原子也将造成电离，称为“热游离”

。撞击电离、热电子发射、热游离的结果，在触头间隙中形成了炽热的电子流即电弧。第37页/共45页显然，电压越高、电流越大，即电弧功率越大、弧区温度越高、游离程度越烈，电弧亦越强。

伴随着电离的进行也存在着消电离的现象。消电离主要是通过正质点的复合进行的。温度越低，带电质点运动越慢，越容易复合。带电触头的分断过程就是电弧形成及抑制的过程。电弧产生后，伴随高温产生并发出强光，将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时还会引起火灾或其他事故。应采取措施熄灭电弧。第38页/共45页根据上述电弧产生的物理过程可知，欲使电弧熄灭，应设法降低电弧温度和电场强度，以加强消电离作用。当电离速度低于消电离速度，则电弧熄灭。根据上述灭弧原则，常用的灭弧方法及装置有：（2）灭弧方法及灭弧装置

多断点灭弧：在交流继电器和接触器中常采用桥式触头（如图l-10所示），这种触头有两个断点。交流电路在过零后，若一对断点处电弧重燃需要150~250V电压，则两对断点就需要300~500V电压。若断点电压达不到此值，电弧过零后因不能重燃而熄灭，所以有利于灭弧。第39页/共45页一般交流继电器和小电流接触器采用桥