常用低压电器分析解析.ppt

1、2020/9/24,低压电器,自动化系 刘彬,电器,高压电器：电力系统运行中使用,电网切换、传输、保护时多用,低压电器：交流50Hz，额定电压1200V，直流1500A及以下的电路中使用,电路中起通断、保护、控制或调节作用,2.1 概述,低压电器种类繁多，用途广泛，按应用场所提出的不同要求可以分为配电电器与控制电器两大类。,配电电器主要用于低压配电系统中。 配电系统对电器的要求是：在系统发生故障的情况下，动作准确，工作可靠，有足够的热稳定性和电稳定性。常见的配电电器有低压隔离器（刀开关）、熔断器、断路器等。 控制电器主要用于电力拖动控制系统和用电设备的通断控制。 对控制电器的要求是：工作准确可

2、靠，操作频率高，寿命长等。,一、电器的定义,是一种根据外界施加的信号和技术要求，能手动或自动地断开或接通电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的电工器械。,二、电器的分类,按工作电压等级分类: 高压电器：AC1200V、DC1500V及以上电路中的电器。 低压电器：AC1200V、DC1500V以下电路中的电器。 按动作原理分类： 手动电器：通过人的操作发出动作指令的电器。 自动电器：产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器。 按有无触点分类： 有触点 无触点 混合式,按使用场合分类 一般工业用电器 特殊工矿用电器 农用电器 其他场合（航空、船舶）

3、用电器 按使用系统分类： 电力拖动用电器 电力系统用电器 自动化通讯用电器,按用途分类： 控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。 要求：有一定的通断能力，操作频率高，寿命长 如: 接触器、继电器、启动器、电磁阀等 配电电器：用于电能的输送和分配的电器。 要求：分断能力强、限流效果好、动稳定及热稳定性 能好。 如：刀开关、自动开关、隔离开关、低压断路器。, 主令电器：用于自动控制系统中发送动作指令的电器。 要求：操作频率高、抗冲击、寿命长 如：按钮、主令开关、行程开关、万能转换开关 保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。 要求：有一定的通断能力，反应灵敏、可靠性高 如：熔断器、热继电器、

4、电压继电器、电流继电器 执行电器：用于完成某种动作或传送功能的电器。 如：电磁铁、电磁离合器,随着电子技术和计算机技术的进步，近几年又出现了利用集成电路或电子元件构成的电子式电器，利用单片机构成的智能化电器，以及可直接与现场总线连接的具有通信功能的电器。,三、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。 (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

5、用：低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，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：利用电器的控制、保护等功能，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：在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行。以实现功能切换，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。,2.2 电磁式电器结构及工作原理,（一）电磁机构,电磁机构的结构型式,电磁机构：由吸引线圈、铁心、衔铁组成。,图1-1 常用电磁机构的结构形式 a) 直动式电磁机构 b) 拍合式电磁机构 1-衔铁 2-铁心

6、3-线圈,双E形直动式铁心,多用于交流接触器、继电器中,沿棱角转动的拍合式铁心，主要应用于直流电磁机构,沿轴转动的拍合式铁心，多用于触点容量较大的交流电磁机构,铁心及线圈,铁心,直流电磁电器：铁心多用整块钢材或工业纯铁,交流电磁电器：多用硅钢片叠铆而成,线圈,通入电流种类不同,在电路中的接入形式,直流线圈：无骨架、高而薄，铁心与线圈直接接触，易于散热,交流线圈：有骨架、短而厚，铁心存在磁滞和涡流损耗，会发热,串联线圈：阻抗小，导线粗，匝数少 ，主要用于电流检测类电磁电器,并联线圈：阻抗大，导线细，匝数多,（二）电磁吸力及其特性,反力特性与吸力特性,电磁吸力由电磁机构产生。当电磁线圈断电时使触点

7、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)。,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)； 气隙宽度(m)； F电磁吸力(N)； 0真空磁导率，04 10-7H/m。,电磁吸力公式为：,a) 反力特性,反力特性如图1所示，其中1为电磁机构气隙的初始值； 2为动、静触头开始接触时的气隙长度。由于超行程机构的弹力作用，反力特性在2处有一突变。,b) 直流电磁机构吸力特性,直流电磁机构的励磁电流是恒定不变的直流，其磁动势也是恒定不变的。但随着衔铁的吸合，空气隙变小

8、，吸合后空气隙将消失，磁路的磁阻显著减小，因而磁通要增大。由F表达式可知，吸合后的电磁力要比吸合前大得多。,对于依靠弹簧复位的电磁铁来说，在线圈断电时，由于剩磁产生吸力，使复位比较困难，会造成一些保护用继电器的性能不能满足要求。在吸力较小的直流电压型电器中，衔铁上一般都装有一片0.lmm 厚非磁性磷钢片，增加在吸合时的空气间隙，使衔铁易于复位。在吸力较大的直流电压型电器中，如直流接触器，铁心的端面上加有极靴，减小在闭合状态下的吸力，使衔铁复位自如。,交流电磁机构的励磁电流是交变的，它所产生的磁场也是交变的，因此电磁力的大小也是交变的。 设空气隙处的磁通为 将其代入F表达式中，可得交流电磁机构的

9、电磁吸力为,式中 为电磁 吸力的最大值。,c) 交流电磁机构吸力特性,而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。,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)。,外加电压一定的条件下，交流磁路中主磁通的最大值 基本不变。,又因为外加电压一定的条件下，交流磁路中主磁通的最大值 基本不变。因此，交流电磁铁在吸合衔铁的过程中，电磁吸力的平均值随空气隙的变化较小。基本为一条直线（与气隙长度无关），如图中2线所示。,在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，吸合电流随的变化成正比变化，为衔铁吸合后的额定电

10、流的很多倍，U形电磁机构可达56 倍，E 形电磁机构可达1015 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。,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。,解决办法：,因此对单相交流电磁机构，可在铁心端面上，取一部分截面嵌入一个闭合的短路环。利用该短路环的感生电流建立的磁场（比原磁场滞后）与原磁

11、场共同作用，克服磁场过零点，才能保持足够的电磁吸力，使电磁机构工作稳定。,电磁机构吸力特性与反力特性的配合 1-直流吸力特性 2-交流吸力特性 3-反力特性 4-剩磁吸力特性,（三）电弧的产生及灭弧方式,（1）电器的触头,触头系统由主触头和辅助触头组成。主触头接在控制对象的主回路中（常常串在低压断路器之后）控制其通断，辅助触头一般容量较小，用来切换控制电路。每对触头均由静触头和动触头共同组成，动触头与电磁机构的衔铁相连，当接触器的电磁线圈得电时，衔铁带动动触头动作，使接触器的常开触头闭合，常闭触头断开。,主触头：接通或断开电路 辅助触头：接通和断开控制电路,触头的分类：,常开触头：动合 常闭触

12、头：动断,动触头：与机械联动 静触头：固定不动,桥式触头： 指形触头：,触头的接触形式,触头的接触形式 a) 点接触 b) 线接触 c) 面接触,点接触：常用于电流小，触头压力小的场合 线接触：接电次数多，电流大的场合 面接触：大电流场合,触头的结构形式,触头的结构形式 a) 点接触桥式触头 b) 面接触桥式触头 c) 线接触指形触头,减小接触电阻的方法,触头材料选用电阻系数小的材料，使触头本身的电阻尽量减小，触头材料一般有铜和银，银质触头更好；,增加触头的接触压力，一般在动触头上安装触头弹簧；,改善触头表面状况，尽量避免或减小表面氧化膜形成，在使用过程中尽量保持触头清洁。,（2）电弧的产生与

13、灭弧,当一个较大电流的电路突然断电时，如触头间的电压超过一定数值，触头间空气在强电场的作用下会产生电离放电现象，在触头间隙产生大量带电粒子，形成炽热的电子流，被称为电弧。电弧伴随高温、高热和强光，可能造成电路不能正常切断、烧毁触头、引起火灾等其它事故，因此对切换较大电流的触头系统必须采取灭弧措施。,灭弧的基本方法,（1）拉长电弧，从而降低电场强度；,（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，增加维持电弧所需的临极电压降,常用的灭弧装置,（1）电动力吹弧,双断口电动力吹弧 1-静触头 2-动触头 3

14、-电弧,桥式触头在分断时具有电动力吹弧功能。当触头打开时，在断口中产生电弧，同时也产生如图所示的磁场。根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的力F 的作用，使其向外运动并拉长，迅速离开触头而熄灭。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器等交流电器中。,（2）磁吹灭弧,磁吹灭弧原理 1-磁吹线圈 2-铁心 3-导磁夹板 4-引弧角 5-灭弧罩 6-磁吹线圈磁场 7-电弧电流磁场 8-动触头,在触点电路中串入吹弧线圈，由线圈产生的磁场通过导磁夹板引向触电周围，与电弧的磁场相互作用，加强触头下方磁场，减小上方磁场，使电弧向外吹离触点，经引弧角进入灭弧罩，使电弧熄灭。,（3）栅片灭弧,栅片灭弧示意图 1-

15、灭弧栅片 2-触头 3-电弧,灭弧栅是一组薄钢片，它们彼此间相互绝缘，当电弧进入栅片时被分割成一段段串联的短弧，而栅片就是这些短弧的电极，这样就使每段短弧上的电压达不到燃弧电压，以致外加电压无法维持，电弧迅速熄灭。此外，栅片还能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却。由于栅片灭弧装置的灭弧效果在电流为交流时要比直流时强得多，因此在交流电器中常采用栅片灭弧。,（4）窄缝灭弧,窄缝灭弧 1-纵缝 2-介质 3-磁性夹板 4-电弧,利用灭弧罩的窄缝来实现的。灭弧罩内有一个或数个纵缝，缝的下部宽，上部窄，当触头断开时，电弧在电动力的作用下进入缝内，窄缝可将电弧柱分成若干直径较小的电弧，同时可将电弧直径压缩，使电

16、弧同缝紧密接触，加强冷却和去游离作用，使电弧熄灭加快。灭弧罩通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。,2.3 电磁式接触器,接触器是一种用于中远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动开关电器。,主要控制对象是电动机，也可以是电热设备，电焊机，电容器组，特点是容量大，过载能力强，寿命长，简单经济。,交流接触器外形图、原理图及电气符号,按操作方式分有：,电磁接触器、气动接触器和电磁气动接触器；,按灭弧介质分有：,空气电磁式接触器、油浸式接触器和真空接触器等；,按主触头控制的电路种类分有：,交流接触器、直流接触器 、切换电容接触器等 ；,按电磁机构的励磁方式分有：,直流励磁操作与

17、交流励磁操作两种 。,一、接触器的结构及工作原理,1-主触点 2-常闭辅助触点 3-常开辅助触点 4-动铁心 5-线圈 6-静铁心 7-灭弧罩 8-弹簧,电磁接触器结构示意图,电磁机构：将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动作.,触点：接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。,灭弧装置：熄灭触点分断电流瞬间触点之间气隙中产生的电弧。,其它：包括释放弹簧机构、支架与底座等。,动铁心（衔铁） 静铁心 电磁线圈,按所控制电路 主触点 辅助触点 按原始状态 常开触点 常闭触点,灭弧罩 灭弧栅 磁吹灭弧装置,接触器根据电磁原理工作： 当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引

18、衔铁，并带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，即常开触点断开，常闭触点闭合。,电磁接触器工作原理,接触器主要技术参数：,（1）接触器的极数和电流种数 按接触器主触头的个数确定其极数，有两极、三极和四极接触器；按主电路的电流种类分有交流接触器和直流接触器。,（2）额定电压 按触器铭牌上额定电压是指主触头的额定工作电压，其等级有： 直流接触器：220V，440V，660V。 交流接触器：220V，380V，500V，660V，1140V。,（3）额定电流 接触器铭牌上额定电流是指在正常工作 条件下主触头中允许通过

19、的长期工作电流，一般按下面 等级制造： 直流接触器：25A，40A，60A，100A，150A，250，400A，600A。 交流接触器：10，15，25，40，60，100，150，250，400，600A。,（4）线圈的额定电压 其等级有： 直流线圈：24V，48V，220V。 交流线圈：36V，127V，220V，380V。,（5）动作值 是指接触器的吸合电压与释放电压。部颁标准规定接触器在额定电压85%以上时，应可靠吸合。释放电压不高于线圈额定电压的70%。 （6）接通与分断能力 指接触器的主触头在规定的条件下能可靠地接通和分断的电流值，而不应该发生熔焊，飞弧和过分磨损等。 （7）机械寿命和电气寿命 接触器是频繁操作电器，应有较长的机械寿命和电器寿命。目前有些接触器的机械寿命已达一千万次以上；电