电机拖动与电气控制 第2版 教案 第5章常用低压电器

电机拖动与电气控制课程教案章节名称第5章常用低压电器5.1常用低压电器的基本知识5.2开关电器授课时数2授课形式教学目标①了解低压电器分类，电磁式电器电机工作原理和结构，开关电器和熔断器的种类、用途、图形符号和文字符号。②能按照国家标准选用开关电器和熔断器，按照操作规范正确进行开关电器和熔断器的装配和检测。③尊重标准，自觉学习，树立民族自信教学重点难点电磁式低压电器结构和原理，开关电器的图形符号和文字符号。教学内容5.1常用低压电器的基本知识一、低压电器电器：根据外界特定的信号和要求自动或手动接通或断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的通断、切换、保护、检测、控制、调节作用的设备。低压电器：指工作在交流50HZ1200V、直流1500V及以下的电路中，以实现对电路或电气设备的切换、执行部件的控制、电路的保护、信号的检测等作用的电器。1.低压电器元件的分类按动作原理分类手动电器：如刀开关、组合开关及按钮等。自动电器：如接触器、继电器、熔断器和行程开关等。按用途和所控制的对象分类低压控制电器：如接触器、继电器等。低压配电电器：如刀开关、转换开关、熔断器和自动开关、低压断路器等。低压主令电器：如按钮、转换开关等。低压保护电器：如熔断器、热继电器等。低压执行电器：如电磁铁、电磁离合器等。按工作环境分类一般用途低压电器特殊用途电器：如防爆电器、船舶电器、化工电器、热带电器、高原电器以及牵引电器等。2.低压电器的组成低压电器一般由感受部分和执行部分两部分组成二、电磁式电气的结构、工作原理主要由三个部分组成，即电磁机构、灭弧装置和触头组成。(1)电磁机构电磁机构——将电磁能转换为机械能并带动触头动作。原理：线圈通入电流，产生磁场，经铁芯、衔铁和气隙形成回路，产生电磁力，将衔铁吸向铁芯。短路环——减小衔铁吸合时产生的振动和噪音。（2）触头系统——通过触头的开合控制电路通、断。（3）灭弧系统电弧的危害：延长了切断故障的时间；高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏；形成飞弧造成电源短路事故。灭弧措施：吹弧、拉弧、长弧割短弧、多断口灭弧、利用介质灭弧、改善触头表面材料。5.2开关电器一、刀开关作用：隔离电源，不频繁通断电路。组成：手柄、触刀、静插座和绝缘底座组成。分类：按刀的级数分:单极、双极和三极按灭弧装置分:带灭弧装置和不带灭弧装置按刀的转换方向分为:单投和双投按操作方式分为:手柄操作、杠杆操作机构式和远电动操作机构式。电路符号和文字符号：二、组合开关(转换开关)结构：静触头一端固定在胶木盒内，另一端伸出盒外，与电源或负载相连。动触片套在绝缘方杆上，绝缘方轴每次做90°正或反方向的转动带动、静触头通断。用途：电源的引入开关;通断小电流电路，控制5KW以下电动机。三、低压断路器功能：不频繁通断电路，并能在电路过载、短路及失压时自动分断电路结构：触头系统、操作机构、保户元件。结构图如下：1-主触点2-自由脱扣机构3-过电流脱扣器4-热脱扣器5-欠电压脱扣器6-分励脱扣器工作原理：断路器的主触点1是靠操作机构手动或电动合闸的，并由自动脱扣机构2将主触点锁在合闸位置上。如果电路发生故障，自动脱扣机构2在有关脱扣器的推动下动作，使钩子脱开，于是主触点在弹簧的作用下迅速分断。过电流脱扣器3的线圈和热脱扣器4的线圈与主电路串联，欠电压脱扣器5的线圈与主电路并联，当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁被吸合，使自动脱扣机构动作；当电路过载时，过载脱扣器的热元件产生的热量增加，使双金属片向上弯曲，推动自动脱扣机构2动作；当电路失压时，欠压脱扣器5的衔铁释放，也使自动脱扣机构动作。分励脱扣器6则作为远距离分断电路使用，根据操作人员的命令或其他信号使线圈通电，从而使断路器跳闸。低压断路器符合如图所示：低压断路器的主要技术参数：1）额定电压断路器的额定工作电压在数值上取决于电网的额定电压等级，我国电网标准规定为AC220、380、660及1140V，DC220、440V等。同一断路器可以规定在几种额定工作电压下使用，但相应的通断能力并不相同。2）额定电流断路器的额定电流指断路器长期工作时的允许持续电流。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最大电流值，也称为额定短路分断能力。4）分断时间指切断故障电流所需的时间，它包括固有的断开时间和燃弧时间。课外拓展利用电工技能与实训仿真教学系统仿真软件查看开关电器元件结构，浏览相关资源，完成相关作业或任务，巩固学习成果，提升综合素养。电机拖动与电气控制课程教案章节名称第5章常用低压电器5.3熔断器5.4接触器授课时数2授课形式教学目标①理解熔断器、接触器的作用、结构、工作原理。熔断器、接触器的种类、用途、图形符号和文字符号。②能按照国家标准选用熔断器、接触器，按照操作规范正确进行熔断器、接触器的检测和使用。③培养认真严谨的学习态度和规范操作的意识。教学重点难点熔断器、接触器的作用、结构、电气符号。交流接触器的工作原理。教学内容5.3熔断器一、作用：主要起短路保护作用或严重的过载保护。二、分类：1.按结构形式的不同开启式、封闭式和半封闭式。2.按按有无填料分为有填充和无填料。三、结构熔断器主要由熔体、熔管和绝缘底座构成。四、工作原理当电路发生短路或者严重过载时，过大的电流通过熔体，熔体因自身产生的热量积累到一定程度而自行熔断,从而切断电路，起到保护作用。五、电气符号六、主要技术参数1.额定电压熔断器长期工作或分断后能承受的电压。2.额定电流各部件温升不超过规定值所能承受的电流。3.极限分断能力在规定电压和功率因数条件下，能分断的最大短路电流值。七、选用原则1.熔断器的安秒特性熔断器的动作是靠熔体的熔断来实现的,当电流较大时,熔体熔断所需的时间就较短;电流较小时,熔体熔断所需用的时间就较长,甚至不会熔断。对熔体来说,其动作电流与动作时间特性即为熔断器的安秒特性,它为反时限特性。每一熔体都有一最小熔化电流。相应于不同的温度,最小熔化电流也不同。虽然该电流受外界环境的影响,但在实际应用中可以不加考虑。一般定义熔体的最小熔断电流与熔体的额定电流之比为最小熔化系数,常用熔体的熔化系数大于1.25,也就是说额定电流为10A的熔体在电流12.5A以下时不会熔断。2.熔断器的选择主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。对于容量小的电动机和照明支线,常采用熔断器作为过载及短路保护,因而希望熔体的熔化系数适当小些。通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器;对于较大容量的电动机和照明干线,则应着重考虑短路保护和分断能力,通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器;当短路电流很大时,宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器。在确定熔断器的种类后，就必须对熔断器的额定参数作出正确的选择。⑴熔断器额定电压UN的选择熔断器额定电压应大于或等于线路的工作电压，⑵熔断器的额定电流IN的选择实际上就是选择支持件的额定电流,其额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流⑶熔体额定电流的选择按照熔断器保护对象的不同,熔体额定电流的选择方法也有所不同。主要有:①当熔断器保护电阻性负载时,熔体额定电流等于或稍大于电路的工作电流即可②当熔断器保护一台电动机时熔体的额定电流可按下式选择IRN≥Ist/K式中Ist为电动机起动电流,一般为(4～7)IN即为电动机额定电流的4～7倍。K为比例系数。一般为1.5～2.5。对不经常起动的电动机,取2.5,对频繁起动的电动机应取1.5。绕线式电动机起动电流较小,所取系数可降低为1.25。③当熔断器保护多台电动机时,额定电流可按下式计算,即：IRN≥(1．5～2．5)IMN＋∑IN式中,IMN为容量最大的电动机额定电流;∑IN为其余电动机额定电流之和,系数的选取方法同前。注意事项：1.熔断器的保护特性应与被保护对象的过载特性相适应,考虑到可能出现的短路电流,选用相应分断能力的熔断器。2.熔断器的额定电压要适应线路电压等级,熔断器的额定电流要大于或等于熔体额定电流。3.线路中各级熔断器熔体额定电流要相应配合,保持前一级熔体额定电流必须大于下一级熔体额定电流。4.熔断器的熔体要按要求使用相配合的熔体,不允许随意加大熔体或用其他导体代替熔体。总结：1.理解熔断器的作用、分类、结构和工作原理。2.识记熔断器的电气符号。3.根据熔断器技术参数和选用原则会选取、使用熔断器。5.4接触器接触器是一种自动化的控制电器，广泛应用于自动控制电路中，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。一、作用可以频繁地接通、分断电动机或其它主电路。二、分类1.按操作方式：电磁接触器、气动接触器和电磁气动接触器；2.按灭弧介质：空气电磁式接触器、油浸式接触器等；3.按主触头控制的电流性质：交流接触器、直流接触器；4.按电磁机构的励磁方式：直流励磁操作、交流励磁操作。三、结构交流接触器主要由电磁机构、触点系统和灭弧装置组成。电磁机构由静铁心、衔铁和通电线圈等部分构成。触点系统包括常开主触点、常开辅助触点和常闭辅助触点。四、工作原理交流接触器线圈得电后，线圈产生磁场，使静铁心产生电磁吸力，将衔铁吸合，衔铁带动动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，分断或接通相关电路。当线圈失电，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧的作用下释放，各触头复位。五、电气符号六、主要技术参数1.额定电压指主触点额定工作电压,应等于负载的额定电压。一只接触器常规定几个额定电压,同时列出相应的额定电流或控制功率。通常,最大工作电压即为额定电压。常用的额定电压值为220V、380V、660V等。2.额定电流接触器触点在额定工作条件下的电流值。380V三相电动机控制电路中,额定工作电流可近似等于控制电流的两倍。常用额定电流等级为5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。3.通断能力可分为最大接通电流和最大分断电流。最大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值;最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。一般通断能力是额定电流的5～10倍。当然,这一数值与开断电路的电压等级有关,电压越高,通断能力越小。4.动作值可分为吸合电压和释放电压。吸合电压是指接触器吸合前,缓慢增加吸合线圈两端的电压,接触器可以吸合时的最小电压。释放电压是指接触器吸合后,缓慢降低吸合线圈的电压,接触器释放时的最大电压。一般规定,吸合电压不低于线圈额定电压的85％,释放电压不高于线圈额定电压的70%5.吸引线圈额定电压接触器正常工作时,吸引线圈上所加的电压值。一般该电压数值以及线圈的匝数、线径等数据均标于线包上,而不是标于接触器外壳铭牌上,使用时应加以注意。6.操作频率接触器在吸合瞬间,吸引线圈需消耗比额定电流大5～7倍的电流,如果操作频率过高,则会使线圈严重发热,直接影响接触器的正常使用。为此,规定了接触器的允许操作频率,一般为每小时允许操作次数的最大值。7.寿命包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次以上,电气寿命约是机械寿命的5%～20％。七、选用原则：1.额定电压指主触头额定电压，应等于负载额定电压。通常分级为：交流接触器有380、660、1140V；直流接触器有220、440、660V。2.额定电流指主触头额定电流，应与负载额定电流一致。CJ20系列交流接触器的电流等级有10、32、80、125、200、315、400、630A；CZ18直流接触器电流等级有40、80、160、315、630、1000A。3.电磁线圈额定电压交流线圈电压等级有36、127、220、380V；直流线圈电压等级有24、48、110、220V。4.触头数目其常开、常闭触头数目应能满足控制需求。5.额定操作频率通常交流接触器为600次/h；直流接触器为1200次/h。总结：1.理解交流接触器的作用、分类、结构和工作原理。2.识记交流接触器的电气符号。3.根据交流接触器技术参数和选用原则会选取、使用交流接触器。课外拓展利用电工技能与实训仿真教学系统仿真软件巩固熔断器和接触器电器元件结构和原理，浏览相关资源，完成相关作业或任务，巩固学习成果，提升综合素养。电机拖动与电气控制课程教案章节名称第5章常用低压电器5.5继电器授课时数4授课形式教学目标①了解低压电器分类，电磁式电器电机工作原理和结构，开关电器和熔断器的种类、用途、图形符号和文字符号。②能按照国家标准选用开关电器和熔断器，按照操作规范正确进行开关电器和熔断器的装配和检测。③严格执行规范，团结协作。教学重点难点电磁式低压电器结构和原理，开关电器的图形符号和文字符号。教学内容一、电流继电器反映输入量为电流的继电器称称为电流继电器。使用时电流继电器的线圈串联在被测电路中，根据通过线圈电流值的大小而动作。电流继电器线圈的导线粗、匝数少、线圈阻抗小。电流继电器分为过电流继电器和欠电流继电器。当继电器中的电流高于某整定值时动作的为过电流继电器，通过正常工作电流时，衔铁释放，用于频繁和重载启动场合，作为电动机和主电路的短路和过载保护。当继电器中的电流低于某整定值释放的为欠电流继电器，通过正常工作电流时，衔铁吸合，触点动作，一般用于直流电动机欠励磁保护。电流继电器的电路符号a）过电流继电器b）欠电流继电器电流继电器和电磁低压电器动作原理相似。电流继电器的技术参数为：1)动作电流Ｉq使电流继电器开始动作所需的电流值；2)返回电流Ｉf电流继电器动作后返回原状态时的电流值；3)返回系数Ｋf返回值与动作值之比，Ｋf＝Ｉf/Ｉq。二、电压继电器电压继电器是反映输入量为电压的继电器。使用时，电压继电器的线圈并联在被测电路中，根据线圈两端电压的大小接通或断开电路。电压继电器线圈的匝数多、导线细。电压继电器分为过电压继电器和欠电压继电器和零压继电器，常用于交流电路中作过电压、欠电压和失压保护。电压继电器的结构、原理和内部接线与电流继电器类似。电压继电器的文字符号用KV表示，图形符号如图所示。与电流继电器一样在线圈中用大于和小于符号来区分过电压继电器和欠电压继电器。二、中间继电器中间继电器是用来增加控制电路中的信号数量或将信号放大的继电器。其实质是一种电压继电器，结构和工作原理与接触器相同。中间继电器触头数量较多，没有主辅之分，各对触头允许通过的电流大小相同，多数为5A。因此对于工作电流小于5A的电气控制线路，可用中间继电器代替接触器实施控制。中间继电器的文字符号用KA表示，图形符号如图所示，与接触器的电路符号相似。四、热继电器1.分类用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行保护和其它电气设备发热状态的控制。热继电器有多种型式，其中常用的有：1)双金属片式利用双金属片受热弯曲推动杠杆使触头动作。2)热敏电阻式利用电阻值随温度变化的特性制成的热继电器。3)易熔合金式利用过载电流发热使易熔合金达到某一温度值时，合金熔化而使继电器动作。2.结构和原理低压电气控制系统常用的是双金属片式热继电器。主要由双金属片、发热元件、触点系统、动作机构、整定调整装置及手动复位装置等组成。发热元件绕在双金属片上。两种金属片的热膨胀系数不同，膨胀系数大的为主动片，膨胀系数小的为被动片。动画展示。通电，双金属片弯曲，推动导板是常闭触点断开，常开触点闭合。因此如果将三相热继电器的热元件分别串接在电动机三相主电路中，当电动机正常运行时，热元件产生的热量不会使触点系统动作；当电动机过载时，流过热元件的电流加大，经过一定的时间，热元件产生的热量使双金属片的弯曲程度超过一定值，通过导板推动热继电器的触点动作断开主电路，保护电机。一般用热继电器的常闭触点串接在接触器线圈电路来保护电动机主电路。热继电器的文字符号为FR，这是热元件与常闭触点的图形符号。3.主要技术参数1）额定电压指热继电器正常工作允许接的电源电压。2）热继电器额定电流允许装入的热元件的最大额定电流值。3）热元件的额定电流指发热元件长期工作允许通过的电流值。4）整定电流是指热继电器的热元件允许长期通过，但又刚好不至引起热继电器动作的电流值。4.选用原则1）按实际安装情况选择安装型式。2）热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。3）在不频繁起动的场合，要保证热继电器在电动机起动过程中不产生误动作。4）三角形接法的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。5）当电动机工作于重复短时工作制时，要注意确定热继电器的允许操作频率。四、时间继电器1.作用主要起延时的作用，分为通电延时和断电延时。信号输入后，经一定的延时，才有输出信号。对于电磁式时间继电器，当电磁线圈通电或断电后，经一段时间，延时触都头状态才发生变化，即延时触头才动作。2.分类1）按动作原理分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式。2）按延时方式分为通电延时型、断电延时型。（1）直流电磁式时间继电器在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜套,即可构成时间继电器。它是利用电磁阻尼原理产生延时的,由电磁感应定律可知,在继电器线圈通断电过程中铜套内将感应电势,并流过感应电流,此电流产生的磁通总是阻止原磁通变化。（2）空气阻尼式时间继电器空气阻尼式时间继电器也叫空气式时间继电器或气囊式时间继电器，是利用空气阻尼原理获得延时的。空气阻尼式时间继电器的特点是：延时精度低且受周围环境影响较大，但延时时间长、价格低廉、整定方便，主要用于延时精度要求不高的场合。（3）电子式时间继电器电子式时间继电器在时间继电器中已成为主流产品,电子式时间继电器是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成.目前已有采用单片机控制的时间继电器。电子式时间继电器具有延时范围广、精度高、体积小、耐冲击和耐振动、调节方便及寿命长等优点,所以发展很快,应用广泛。半导体时间继电器的输出形式有两种:有触点式和无触点式,前者是用晶体管驱动小型磁式继电器,后者是采用晶体管或晶闸管输出。3.空气阻尼式时间继电器结构空气阻尼式时间继电器的结构由电磁机构、触点系统和空气阻尼器三部分组成。断电延时断电延时通电延时断电延时4.空气阻尼式时间继电器工作原理动画展示。当给线圈通电后吸合衔铁，活塞杆在弹簧作用下带动活塞及橡皮膜向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄而形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小来决定。经一段时间延时后，活塞杆通过杠杆压动微动开关使其动作，延时完成。当线圈断电时，衔铁释放，橡皮膜下方空气室的空气通过活塞肩部所形成的单向阀迅速排放，使活塞杆、杠杆、微动开关迅速复位。通过调节进气孔气隙大小可改变延时的时间。通过改变电磁机构在继电器上的安装方向可以做成通电延时型,也可做成断电延时型。5.电气符号1）文字符号：KT2）图形符号：通电延时线圈延时闭合常开触点延时断开常闭触点断电延时线圈延时断开常闭触点延时闭合常闭触点6.主要技术参数1）触点额定电压、电流指时间继电器触点工作的电压、电流。2）触点对数指时间继电器的瞬动触点对数和延时触点对数。3）线圈电压指线圈的工作电压。4）延时范围一般0.4~180秒。5）额定操作频率指每小时操作次数。7.选用原则1）根据安装的场合、对触点的要求、延时的时间范围、延时的精度选择时间继电器的类型。2）根据控制电路的工作电压选择空气阻尼式时间继电器的触点额定电压、电流和线圈电压。3）根据控制电路的复杂程度选择空气阻尼式时间继电器的触点数。4）根据控制要求选择空气阻尼式时间继电器的触点数。四、速度继电器速度继电器是根据速度的大小通断电路的。1．速度继电器的结构速度继电器主要由定子、转子和触点等部分组成，转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼形空心圆环，并装有笼形绕组。速度继电器的文字符号为SR。2．速度继电器的工作原理速度继电器的转轴和电动机的轴通过联轴器相连，当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，定子内的绕组便切割磁力线，形成环内电流，此电流与磁铁磁场相作用，产生电磁转矩，圆环在此力矩的作用下带动摆杆，克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动，并拨动触点，改变其通断状态。当电动机转速低于某一值或停转时，定子产生的转矩会减小或消失，触点在弹簧的作用下复位。速度继电器的动作转速一般不低于120r／min，复位转速约在100r／min以下，工作时允许的转速高达1000～3900r／min。五、其他继电器我们常见的还有光电继电器、温度继电器、压力继电器、液位继电器等。总结：1.理解各类继电器的作用、分类、结构和工作原理。2.识记各类继电器的电气符号。3.根据继电器技术参数和选用原则会选取、使用继电器。课外拓展利用电工技能与实训仿真教学系统仿真软件查看开关电器元件结构，浏览相关资源，完成相关作业或任务，巩固学习成果，提升综合素养。电机拖动与电气控制课程教案章节名称第5章常用低压电器5.6主令电气授课时数2授课形式教学目标①了解主令开关电器工作原理和结构，主令开关电器的种类、用途、图形符号和文字符号。②能按照国家标准选用主令开关电器，按照操作规范正确进行主令开关电器检测。③尊重标准，自觉学习，树立民族自信教学重点难点主令开关电器结构和原理，开关电器图形符号和文字符号。教学内容主令电器是发送控制命令或信号的电器，常用于控制电力拖动系统中电动机的起动、停车、制动、调速等。常用主令电器有控制按钮、万能转换开关、主令控制器和行程开关等。一、按钮开关控制按钮简称按钮，是最常用的主令电器。按钮为手动控制，可作远距离电气控制使用。按钮触点允许通过的电流很小，一般不超过5A，不能直接控制主电路的通断。按钮开