第1讲 常用低压电器

1、常用电气控制技术,信息学院 李鸿儒,2,参考教材,邱道尹主编，S7-300/400 PLC入门和应用分析 ，北京：中国电力出版社 胡健主编，西门子S7-300 PLC应用教程 ，北京：机械工业出版社 廖常初主编，S7-300/400PLC应用技术，北京：机械工业出版社 王永华主编，现代电气控制及PLC应用技术，北京：北京航空航天大学出版社,3,绪 论,目前的工业生产过程，能源以电能为主，且使用广泛。 只要用到电的地方，就有电器的存在。 生产过程的自动化意味着带有电气拖动的许多工作枢钮间密切和可靠地组合。它们间的密切联系和相互配合已不能光靠机械的装置去完成，而更多地借助于电器。,4,绪 论,电器

2、是电气控制的主要器件 电气控制随处可见 控制过程可以简单地分为 人工控制过程 需要人工参与，使被控对象进行工作 自动控制过程 在没有人直接参与的情况下，使被控对象按照预定的生产规律工作,5,绪 论,我们身边的各种控制系统 宾馆的电梯 中央空调 罗克韦尔自动化实验室 施耐德联合电气实验室 自动化基础实验室 轧钢重点实验室,6,绪 论,电气控制技术是随技术进步和工艺需求的变化而发展的 控制方法：手动自动 控制功能：简单复杂 操作方式：笨重灵巧 实现手段：硬件软件,7,绪 论,常用电气控制的发展 工业革命以前，手工操作 20世纪以前，气动控制 1969年前，继电接触式控制系统 1969年到20世纪末

3、期，PLC控制系统 21世纪，现代控制技术 以PLC、CAD/CAM、Robot为三大支柱 数控技术为重要分支 FCS（Fieldbus Control System）为未来发展趋势,8,绪 论,课程设置的目的 常用电气控制技术是一门专业基础课，它是建立在电子技术基础、微型机原理及应用、电机原理及电机拖动等课程基础上 智能化、模块化、网络化自动控制系统的使用，只是在简化接线、降低故障、提高可靠性、提高产品功能的有效集成等方面发挥其重要的作用，但是它的规划、使用、维护等还必须有具有低压电气控制技术的专业人员来完成,9,绪 论,课程设置的目的（续） 自动化编程 自动化计算机 电气控制技术是基础 工

4、业现场还有大量的电气控制装置在运行 必须进行各种电气控制线路功能、结构的设计和规划,10,绪 论,课程的教学方法 电气控制部分多记 PLC部分多理解（结合微机原理）,11,1 常用低压电器,1.1 电器的基本知识 1.2接触器 1.3 继电器 1.4 开关 1.5 主令电器,12,1.1 电器的基本知识,1.1.1 控制电器的定义和分类 1.1.2 电磁式低压电器的基本结构和工作原理,13,1.1.1 控制电器的定义和分类,1.1.1 控制电器的定义和分类 （1）电器的定义 （2）控制电器的定义 （3）控制电器的分类 （4）常用低压电器,14,（1）电器的定义,电器是一种能够根据外界的信号（如

5、机械力、电动力等）和要求，自动或手动地接通或断开电路，从而断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节的电气元件和设备的总称,15,（2） 控制电器的定义,能够按照外界指定信号手动或自动地接通和断开电路，实现对电路控制的电器称为控制电器,16,（2） 控制电器的定义（续1）,熔断器、开关等即为控制电器。 控制电器的功能是接通或断开电路，与外界指定的讯号有关 外界指定讯号对控制电器的作用即为控制电器的输入 控制电器对电路的通、断功能即为控制电器的输出,17,（2） 控制电器的定义（续2）,控制电器是一种双态元件 因为控制电器的输出只有通断二种状态，其输入也只能有二

6、种状态。 控制电器可以被看成为一种逻辑元件。 把控制电器接通电路的状态记作输出置“l”状态，断开电路记作输出置“0”状态,18,（3）控制电器的分类,工作电压 输出形式（接触点形式） 用途 在电器控制系统中的作用,19,（3）控制电器的分类（续1）,按照工作电压分（以交流1000V、直流1200V为界） 高压控制电器 低压控制电器,20,（3）控制电器的分类（续2）,按照输出形式（接触点形式）分 有触点控制电器电器通断电路的功能由触点来实现，如刀开关、接触器等 无触点控制电器电器通断电路的功能不是通过接触，而是根据输出信号的高低电平来实现的，如可控硅的导通与截止等 混合式控制电器,21,（3）

7、控制电器的分类（续3）,按照用途分 控制电器用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器和继电器等 配电电器用于电能的输送和分配的电器，如断路器等 主令电器用于自动控制系统中发送动作指令的电器，如按钮、开关等 保护电器用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器等 执行电器用于完成某一类动作或传递动能的电器，如电磁铁、电磁离合器等,22,（3）控制电器的分类（续4）,按照控制电器在电器控制系统中的作用分 信号元件把非电量（如机械位移、压力、温度等）的变化转换为电信号。这类元件有按钮、行程开关、热继电器、速度继电器等 控制元件是一种电器逻辑门。常见的为“是门”和“非门”，其输入和输出都是电信号

8、。这类元件有电磁式继电器、接触器等。,23,（4） 常用低压电器,接触器 继电器 开关电器 行程开关 熔断器 主令电器,24,1.1.2 电磁式控制电器的基本结构和工作原理,基本组成,触点 灭弧装置 电磁机构,灭弧装置 主触点 辅助触点,电磁机构,25,（1）触点,触点又称触头 触点是一切有触点电器的执行单元 有触点电器通过触点的动作来接通/断开控制电路 触点由动触点和静触点组成,26,（a）触点的接触形式,点接触 线接触 面接触,27,（a）触点的接触形式（续1）,点接触 球面对球面、球面对平面等，适合于小电流电器，如接触器的辅助触点,28,（a）触点的接触形式（续2）,线接触 圆柱对平面、

9、圆柱对圆柱等 ，适合于中等电流电器，如接触器的主触点,29,（a）触点的接触形式（续3）,面接触 适合于大电流电器,30,（b）触点的结构形式,单断点指形触点 双断点桥式触点,31,（b）触点的结构形式 单断点指形触点,只有一个断口 适合于做接触器的主触点 其优点为 闭合、断开过程中能自动清除表面的氧化物 触点接触压力大，电动稳定性高 触点参数较易调节 其缺点是 触点开距大，从而增大了电器体积 触点闭合时冲击能量大，并有软连接，不利于机械寿命的提高,32,（b）触点的结构形式 双断点指形触点,其优点是 具有两个有效灭弧区域，灭弧效果很好 触点开距小，使电器结构紧凑，体积小 触点闭合时冲击能量小

10、，有利于提高机械寿命。 其缺点是 触点不能自动净化，触点材料用银或银基合金 每个触点的接触压力小，电动稳定性较低 触点参数不易调节,适合于作继电器的触点及小电流接触器的主触点,33,（2）电弧的产生及灭弧方法,电弧的产生 触点接通过程及电接触原理 灭弧原理 灭弧装置,34,（a）电弧的产生,在通电状态下，触点分开瞬间，当被分断的电流超过某一数值（与触点材料有关，0.21A）或分段后加在触点间隙两端的电压超过某一数值（1220V）时，触点间产生电弧 电弧的实质是触点间气体在强电场下产生的气体放电现象，产生高温并发出火花,35,（b）触点接通过程及电接触原理,触点一般都选用导电率高的金属材料做成，

11、如银、银铜合金等 触点接触处的电阻为接触电阻 触点的接触面积越大，触点的接触电阻越小，触点接通电路的性能越好 金属在空气中氧化或硫化，使得触点接触处的电阻增大 两个金属接触面总是凹凸不平的，只有少数的点才真正接触上的。因此，当触点接通电路时，触点实际上通电截面很小,36,（b）触点接通过程及电接触原理（续1）,接触电阻的大小与触点的接触形式、接触压力、触点材料电阻率、机械性能、表面状况有关,37,（b）触点接通过程及电接触原理（续2）,触点在从分离到闭合的接通过程中，经常发生机械振动 触点是通过弹簧机构来保证有一定的接触压力，使接触可靠。在触点闭合瞬间，动触点弹簧被压缩。一旦弹簧的张力大于该反

12、作用力，动触点又被推向与静触点接触。这样，动静触点又碰撞、反弹 触点电流仅从两触点间少数触点流过，形成收缩状电流线，触点间的收缩电流产生的电动力也能导致触点振动，特别是当接通较大电流时，电动力的影响更加显著,38,（b）触点接通过程及电接触原理（续3）,触点的电气磨损 触点的机械振动会使触点表面产生电气磨损。即触点弹跳时两触点间形成电弧，致使触点表面有部分金属被熔化，每次接触过程中动静触点间的相对滑动将熔化的金属带走；此外，熔化了的金属还可能喷溅或蒸发，而金属蒸气有可能被气流或磁吹作用所冲走，使触点材料越来越少，形成电气磨损的后果。,39,（b）触点接通过程及电接触原理（续4）,熔焊现象 当触

13、点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，使动静触点粘在一起，再也不能分开，而发生熔焊现象。,40,（b）触点接通过程及电接触原理（续5）,电气磨损会缩短触点的使用期限，熔焊更使电器不能正常工作 预防的方法是减少触点的振动 减小触点振动的主要措施是适当地给定弹簧的初压力,41,（c）灭弧原理,触点通电状态下脱离会产生电弧，电弧的存在既妨碍了电路及时可靠地分断，又会使触点受到磨损。必须采取适当且有效的措施 欲使电弧熄灭，应设法降低电弧区温度、降低触点间的电场强度及加强消电离作用 常用的灭弧方法有拉长电弧、切断或分隔电弧等,42,（d）灭弧装置

14、,多断点灭弧 磁吹式灭弧 灭弧栅 灭弧罩,43,（d）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点，这种触点有二个断点。交流电路在过零后，若一个断点处电弧重燃需要150250V电压，则二个断点就需要300500V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。一般交流继电器和小电流接触器采用桥式触点灭弧，而不再设其它灭弧装置。,44,（d）灭弧装置 磁吹式灭弧,灭弧机理：使电弧处于磁场中间，电磁场力“吹”长电弧，使其进入冷却装置，加速电弧冷却，促使电弧迅速熄灭。,磁场由与触点电路串联的吹弧线圈3产生，当电流逆时针流经吹弧线圈时，产生磁通，电弧在磁场中受到力F的作用向上运动

15、，被拉长并吹入灭弧罩。灭弧角和静触点相连接，引导电弧向上运动，将热量传递给灭弧罩壁，促使电弧熄灭,45,（d）灭弧装置 磁吹式灭弧（续）,这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧 电弧电流越大，吹弧能力越强，且不受电路电流方向影响（当电流方向改变时，磁场方向随之改变，结果电磁力方向不变） 广泛地被应用于直流接触器中,46,（d）灭弧装置 灭弧栅,灭弧栅3是由许多镀铜薄钢片组成，片间距离23mm，安放在触点上方的灭弧罩内,有电弧时电弧周围产生磁场，电弧被吸入栅片，分割成许多串联的短电弧 交流电压过零时，电弧熄灭；电弧重燃须在栅片两端有150250V电弧压降 由于电源电压不足以维持电弧，栅片的散热作用，

16、电弧自然熄灭后很难重燃 这是常见的交流灭弧方式,47,（d）灭弧装置 灭弧罩,磁吹式灭弧装置和灭弧栅灭弧装置都带有灭弧罩 用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成 作用一是分隔各路电弧，以防止发生短路；二是使电弧与灭弧罩的绝缘壁接触，使电弧迅速冷却而熄灭。,48,（3）电磁机构,作用与组成 工作机理 常见电磁机构的形式 电磁机构的工作原理,49,（a）作用与组成,作用 将电磁能转换成机械能，带动静触点使之闭合或断开 组成 磁路 铁芯、衔铁和空气隙，为电磁机构提供磁场回路 励磁线圈 将电能转换为磁场能量,50,（b）工作机理,激磁线圈通以电流后产生磁场，利用空气隙把电磁能转换为机械能，带动衔铁运动，实

17、现触点的断开和闭合,51,（c）常见电磁机构的形式,衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯 衔铁沿轴转动的拍合式铁芯 衔铁作直线运动的直动式铁芯 按磁系统形状 按激磁线圈的种类,52,衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯,衔铁绕铁轭的棱角转动，磨损较小 铁芯用软铁制成 适用于直流继电器和接触器,53,衔铁沿轴转动的拍合式铁芯,衔铁绕轴而转动 铁芯用硅钢片制成 适用于交流接触器,54,衔铁作直线运动的直动式铁芯,衔铁在线圈内成直线运动 较多用于交流继电器和接触器中,55,按磁系统形状,有U形铁芯和E形铁芯 多用于触点容量较大的交流电器中,56,按激磁线圈的种类,可分为交流线圈和直流线圈， 与之对应的有直流电磁机构和交

18、流电磁机构,57,（d）电磁机构的工作原理,使衔铁释放的力 吸力特性和反力特性定义 反力特性 吸力特性 剩磁吸力特性 吸力特性与反力特性的配合 电磁机构的继电特性,58,使衔铁释放的力,电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,59,吸力特性和反力特性定义,电磁机构使衔铁吸合的力与气隙长度之间的关系曲线为吸力特性 电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙长度之间的关系曲线为反力特性,60,反力特性,弹簧的反力与其形变的位移x成正比，其反力特性为F反=Kx,1为电磁机构气隙的初始值；2为动静触点开始接触时的气隙长度。,1-2区间内，反力随气隙减少略有增大，到2

19、时，触点接触，此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，反力剧增，曲线出现突变，在20区段内，气隙越少，触头压得越紧，反力越大,61,吸力特性,吸力特性基本概念 交流电磁机构的吸力特性 直流电磁机构的吸力特性,62,吸力特性基本概念,吸力特性是描述电磁吸力和气隙的关系曲线 吸力特性随激磁电流的种类、激磁线圈的连接方式的不同而不同 吸力特性可以近似地描述如下 F=4105 B2S 式中，B为气隙磁通密度，S为铁芯截面积，F为电磁吸力,63,吸力特性基本概念（续）,当S为常数，有 FB22 式中， 为气隙磁通 该式表明电磁机构的吸力特性反映的是其电磁吸力与气隙的关系 激磁电流的种类

20、对吸力特性的影响很大，分别对交流电磁机构和直流电磁机构的吸力特性进行讨论,64,交流电磁机构的吸力特性,交流电磁机构激磁线圈的电阻相对很小，因此阻抗主要取决于线圈的电抗，则有,U线圈电压 E线圈感应电势 f线圈外加电压的频率 气隙磁通 N线圈匝数,65,交流电磁机构的吸力特性（续1）,吸力F与气隙的大小无关 当f、N和U为常数时，磁通亦为常数，电磁吸力F为常数（F2） 线圈外加电压U与气隙的变化无关 考虑到漏磁通的影响，吸力F随气隙的减小略有增加,66,交流电磁机构的吸力特性（续2）,气隙磁阻随气隙长度而变化。由磁路定律可知，交流激磁线圈的电流I与气隙成正比,67,交流电磁机构的吸力特性（续3

21、）,一般U型交流电磁机构，激磁线圈通电而衔铁尚未动作时，其电流达到吸合后额定电流的56倍，E型电磁机构则达到1015倍额定电流。如果衔铁卡住不能吸合或者频繁动作，交流激磁线圈很可能烧毁。 在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。,68,直流电磁机构的吸力特性,直流电磁机构由直流电流激磁。稳态时，磁路对电路无影响，可以认为其激磁电流不受气隙变化的影响。即其磁势NI不受气隙变化的影响。,69,直流电磁机构的吸力特性 （续1）,直流电磁机构的吸力F与气隙的平方成反比。其吸力特性如所示。它表明衔铁闭合前后吸力变化很大，气隙越小，吸力越大。,70,直流电磁机构的吸力特性 （续2）,衔铁闭

22、合前后激磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适于动作频繁的场合；且吸合后电磁吸力大，工作可靠性好。,71,剩磁吸力特性,由于铁磁物质有剩磁，它使电磁机构的激磁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。,72,吸力特性与反力特性的配合,欲使衔铁吸合，在吸合过程中，吸力都必须大于反力；反映在特性图上，就是要保证吸力特性在反力特性的上方。 当切断激磁电流释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放。在特性图上，电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力特性之间。,73,电磁机构的继电特性,继电特性又称为输入输出特性 衔铁位置与激磁线圈的电压（或电流）的关系称

23、为输入一输出特性。,使衔铁吸合的输入量须大于动作值；使衔铁释放的输入量须小于返回值,74,1.2 接触器,接触器是用来接通或分段电动机主电路或其他负载电路的控制电器 主要用来控制电动机的运行 接触器是一种执行电器 接触器一般都拥有能通断大电流电路的主触点和只能通断较小电流电路的辅助触点,75,1.2 接触器电磁式接触器,具有电磁式低压电器的全部特征 触点分为主触点和辅助触点 主触点用来完成大电流的接通和断开的控制 辅助触点用来在控制电路中联动作用 具有常开触点和常闭触点 因为主触点要接通和切断大电流电路，所以一般都设有专门的灭弧装置,76,1.2 接触器电磁式接触器,图形文字符号 KM,77,1.2 接触器电磁式接触器,主要技术参数 额定电压 额定电流 线圈的额定电压 接通和分段能力 接触器的选择 根据负荷选择接触器 确定主触点的电流等级 确定线圈的电压及类型,78,1.3 继电器,继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现控制和保护功能的控制电器 输入量可以是电压、电流、温度、速度、位置等非电量 输出量是触点的动作或电路参数的变化,79,1.3 继电器电压继电器