1低壓電氣基本原理

1、第1章 低壓電器的基本原理 前言 現(xiàn)代生產(chǎn)機械一般由工作機構(gòu),傳動機構(gòu),電動機及控制系統(tǒng)等幾部分組成.為滿足加工工藝的要求,常要電動機完成起動,制動,反向運行,調(diào)速等電氣控制.此控制裝置多采用繼電-接觸器控制來完成,需要由繼電器,接觸器,按鈕,行程開關(guān)來完成.但該控制形式是固定線路,固定功能,通用性和靈活性較差,又由于是有觸點的硬件開關(guān)控制,體積大,功耗大,使用壽命和可靠性都有明顯限制. 隨著PLC控制系統(tǒng)的普及,在控制領(lǐng)域,不僅可以對電器進行斷續(xù),開環(huán)的控制,亦可進行連續(xù)的,閉環(huán)的控制. 在另一方面,許多控制要求不太復(fù)雜的場合,繼電-接觸器控制方法仍在廣泛使用.比如:電動機的通斷,仍由接觸器

2、作為執(zhí)行電器來完成,其他,如機床控制,電力設(shè)備控制,多采用繼電-接觸器控制.第1章 低壓電器的基本原理 第1章 低壓電器的基本原理 1.1 低壓電器的基本結(jié)構(gòu)低壓電器的基本結(jié)構(gòu) 1.2 電氣控制技術(shù)中常用的圖形和文字符號電氣控制技術(shù)中常用的圖形和文字符號 第1章 低壓電器的基本原理 低壓電器低壓電器定義定義:交流1200V及以下和直流1500V以下,在電路中起通斷,控制,保護和調(diào)節(jié)作用的電器設(shè)備.分類分類:采用電磁原理構(gòu)成的低壓電器元件稱為電磁式低壓電器;采用集成電路或電子元件構(gòu)成的稱為電子式低壓電器;采用現(xiàn)代控制原理構(gòu)成的低壓電器元件或裝置稱為自動化電器或智能電器等.作用作用: 低壓電器是現(xiàn)

3、代工業(yè)自動化的重要基礎(chǔ)元件,是構(gòu)成電器成套設(shè)備的基礎(chǔ)。1.1 低壓電器的基本結(jié)構(gòu)低壓電器的基本結(jié)構(gòu) 第1章 低壓電器的基本原理 電磁式低壓電器電磁式低壓電器 電磁式電器在電氣控制線路中使用量最大,其類型也很多。在最常用的低壓電器中，接觸器、中間繼電器、斷路器等就屬于電磁式的低壓電器。 其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成,即電磁機構(gòu)、觸頭和滅弧裝置。第1章 低壓電器的基本原理 1.1.1 電磁機構(gòu)電磁機構(gòu) 電磁機構(gòu)是電磁式電器的主要組成部分，其工作原理是將電磁能轉(zhuǎn)換成為機械能，從而帶動執(zhí)行部分觸頭動作。 電磁機構(gòu)由吸引線圈(勵磁線圈)和磁路兩部分組成。磁路包括鐵心、銜鐵和空氣隙。當吸引線圈通入電流后，產(chǎn)生磁

4、場，磁通經(jīng)鐵心、銜鐵和工作氣隙形成閉合回路，產(chǎn)生電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心。與此同時，銜鐵還要受到反作用彈簧的拉力，只有當電磁吸力大于彈簧拉力時，銜鐵才可靠地被鐵心吸住。 其結(jié)構(gòu)型式按鐵心型式分有單E型、螺管型等；按動作方式分有直動式、轉(zhuǎn)動式等，見圖1-1。 第1章 低壓電器的基本原理 (a)(b)(c)圖1-1 電磁機構(gòu)的幾種形式(a) 單E型電磁鐵；(b) 螺管型電磁鐵；(c) 轉(zhuǎn)動式 銜鐵吸引線圈鐵心第1章 低壓電器的基本原理 鐵心 電磁式電器分為直流與交流兩大類,都是利用電磁鐵的原理而制成.通常直流電磁鐵的鐵心由整塊鋼材或工程純鐵制成,而交流電磁鐵的鐵心由硅鋼片構(gòu)成. 吸引線圈 線圈是電

5、磁鐵的心臟,吸引線圈的作用是將電能轉(zhuǎn)換成磁場能量.按通入吸引線圈的電流類型,可分為直流線圈和交流線圈.第1章 低壓電器的基本原理 當交流電磁線圈接通交流電源時，鐵心中有磁滯損失與渦流損失。為了減小由此造成的能量損失和溫升，鐵心和銜鐵用硅鋼片疊成，而且線圈粗短并有線圈骨架將線圈與鐵心隔開，以免鐵心發(fā)熱傳給線圈，使其過熱而燒毀。 當直流電磁線圈接通直流電源時，鐵心中沒有磁滯損失與渦流損失，只有線圈本身的銅損，所以直流電磁鐵線圈沒有骨架，且成細長形，鐵心和銜鐵可以用整塊電工軟鋼做成。 第1章 低壓電器的基本原理 吸力特性與反力特性的配合吸力特性與反力特性的配合 電磁機構(gòu)的工作特性常用吸力特性和反力特

6、性來表達。電磁機構(gòu)使銜鐵吸合的力與氣隙(銜鐵與鐵心間)的關(guān)系曲線稱為吸力特性。電磁機構(gòu)使銜鐵釋放的力與氣隙的關(guān)系曲線稱為反力特性。 為了使電磁鐵能正常工作，銜鐵在吸合時，吸力必須始終大于反力，即吸力特性始終處于反力特性的上方；銜鐵釋放時，吸力特性必須處于反力特性的下方，才能保證銜鐵可靠釋放。第1章 低壓電器的基本原理 1.1.2 觸頭和電弧觸頭和電弧 1. 觸頭的接觸電阻觸頭的接觸電阻 觸頭亦稱觸點，起接通和分斷電路的作用。在有觸頭的電器元件中，電器元件的基本功能是靠觸頭來完成的，所以要求觸頭導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好。 觸頭通常用銅、銀、鎳及其合金材料制成，有時也在銅觸頭表面電鍍錫、銀或鎳。 銅的表

7、面容易氧化而生成一層氧化銅，它將增大觸頭的接觸電阻，使觸頭的損耗增大，溫度上升。 所以，有些特殊用途的電器，如微型繼電器和小容量的電器，觸頭常采用銀質(zhì)材料。銀觸頭具有較低且穩(wěn)定的接觸電阻。第1章 低壓電器的基本原理 如果觸頭之間的接觸電阻較大，則會在電流流過觸頭時造成較大的電壓降，這對弱電控制系統(tǒng)影響較嚴重。 另外，電流流過觸頭時電阻損耗大，將使觸頭發(fā)熱而致溫度升高，導(dǎo)致觸頭表面的“膜電阻”進一步增加及相鄰絕緣材料老化，嚴重時可使觸頭熔焊，造成電氣系統(tǒng)故障。 因此，對各種電器的觸頭都規(guī)定了它的最高環(huán)境溫度和允許溫升。 第1章 低壓電器的基本原理 除此之外，觸頭在運行時還存在觸頭磨損的情況。觸頭

8、的磨損包括電磨損和機械磨損。 電磨損電磨損是由于在通斷過程中觸頭間的放電作用使觸頭材料發(fā)生物理性能和化學性能變化而引起的。電磨損的程度決定于放電時間內(nèi)通過觸頭間隙的電荷量的多少及觸頭材料的性質(zhì)等。電磨損是引起觸頭材料損耗的主要原因之一。 機械磨損機械磨損是指由于機械作用而使觸頭材料產(chǎn)生的磨損和消耗。機械磨損的程度取決于材料硬度、觸頭壓力及觸頭的滑動方式等。第1章 低壓電器的基本原理 為了使接觸電阻盡可能地小，要注意三個方面的問題： 1 要選用導(dǎo)電性好、耐磨性好的金屬材料作觸頭，使觸頭本身的電阻盡量減?。?2 要使觸頭接觸得緊密一些； 3 在使用過程中盡量保持觸頭清潔，在有條件的情況下應(yīng)定期清理

9、觸頭表面。第1章 低壓電器的基本原理 2. 觸頭的接觸形式觸頭的接觸形式 觸頭的接觸形式及結(jié)構(gòu)形式很多，通常按其接觸形式歸為三種，即點接觸點接觸、線接觸線接觸和面接觸面接觸，如圖1-11所示。顯然，面接觸時的實際接觸面要比線接觸的大，而線接觸的又要比點接觸的大。 觸頭的結(jié)構(gòu)形式有指形觸頭和橋形觸頭等。第1章 低壓電器的基本原理 (a)(b)(c)ABC圖1-11 觸點的三種接觸形式(a) 點接觸；(b) 線接觸；(c) 面接觸 第1章 低壓電器的基本原理 圖a為點觸頭,這種結(jié)構(gòu)容易提高單位面積上的壓力,減小觸頭表面電阻,常用于小電流容器.圖b為指形觸頭,接觸面是一條直線,線觸頭的通斷過程是滾動

10、接觸,并產(chǎn)生滾動摩擦,以利于去掉氧化膜,保證了觸頭的良好工作.圖c為面接觸,這種觸頭一般在接觸表面鑲有合金,以減少觸頭的接觸電阻,提高觸頭的抗熔焊,抗磨損能力,允許通過較大的電流,中小容量的接觸器的主觸頭多采用這種結(jié)構(gòu).第1章 低壓電器的基本原理 在常用的繼電器和接觸器中，觸頭的結(jié)構(gòu)形式主要有單斷點指形觸頭單斷點指形觸頭和雙斷點橋式觸頭雙斷點橋式觸頭兩種。 上圖b中為單斷點指形觸頭單斷點指形觸頭。該觸頭的特點是只有一個斷口，一般多用于接觸器的主觸點。其優(yōu)點是閉合、斷開過程中有滾滑運動，能自動清除表面的氧化物，觸頭接觸壓力大，電動穩(wěn)定性高。其缺點是：觸頭開距大，增大了電器體積；觸頭閉合時沖擊能量

11、大，影響機械壽命。 另一種是雙斷點橋式觸頭雙斷點橋式觸頭，這種觸頭的優(yōu)點是：具有兩個有效滅弧區(qū)域，滅弧效果很好。觸點開距小，使電器結(jié)構(gòu)緊湊、體積??；觸頭閉合時沖擊能量小，有利于提高機械壽命。其缺點是：觸頭不能自動凈化，觸頭材料必須是銀或銀的合金；每個觸頭的接觸壓力小，電動穩(wěn)定性較低。第1章 低壓電器的基本原理 F1F1F2F2L(a)(b)(c)圖1-12 橋式觸頭閉合過程位置示意圖(a) 最終斷開位置；(b) 初始接觸位置；(c) 最終閉合位置 超行程L使得觸頭磨損,仍能將觸頭接觸緊密以減少接觸電阻.第1章 低壓電器的基本原理 觸頭按其原始狀態(tài)可分為常開觸頭和常閉觸頭。原始狀態(tài)時斷開(即線圈

12、未通電)，線圈通電后閉合的觸頭叫常開觸頭。原始狀態(tài)閉合，線圈通電后斷開的觸頭叫常閉觸頭。線圈斷電后所有觸頭復(fù)原。 按觸頭控制電路的不同可將其分為主觸頭和輔助觸頭。主觸頭用于接通或斷開主電路，允許通過較大的電流；輔助觸頭用于接通或斷開控制電路，只能通過較小的電流。 第1章 低壓電器的基本原理 3. 電弧的產(chǎn)生電弧的產(chǎn)生 在自然環(huán)境中斷開電路時，如果被斷開電路的電流(電壓)超過某一數(shù)值(根據(jù)觸頭材料的不同，其值約在0.251 A，1220 V)，則觸頭間隙中就會產(chǎn)生電弧。 電弧實際上是觸頭在斷開時,觸頭間氣體在強電場作用下產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。所謂氣體放電，就是觸頭間隙中的氣體被游離而產(chǎn)生大量的電子和離

13、子，在強電場作用下，大量的帶電粒子作定向運動，于是絕緣氣體就變成了導(dǎo)體。電流通過這個游離區(qū)時所消耗的電能轉(zhuǎn)換為熱能和光能，發(fā)出光和熱的效應(yīng)，產(chǎn)生高溫及強光，使觸頭燒損，并使電路切斷時間延長，甚至不能斷開，造成嚴重事故。第1章 低壓電器的基本原理 電弧對電器的影響主要有以下幾個方面： (1) 觸頭雖已打開，但由于電弧的存在，使要斷開的電路實際上并沒有斷開。 (2) 電弧的溫度很高，嚴重時可使觸頭熔化。 (3) 電弧向四周噴射，會使電器及其周圍物質(zhì)損壞，甚至造成短路，引起火災(zāi)。 第1章 低壓電器的基本原理 4 滅弧方法滅弧方法熄滅電弧的基本途徑有： (1) 拉長電弧以降低電場強度。 (2) 用電磁

14、力使電弧在冷卻介質(zhì)中運動，降低弧柱周圍的溫度。 (3) 將電弧擠入絕緣壁組成的窄縫中以冷卻電弧。 (4) 將電弧分成許多串聯(lián)的短弧，增加對維持電弧所需的臨界電壓降的要求。 (5) 將電弧密封于高氣壓或真空的容器中。 第1章 低壓電器的基本原理 5. 常用的滅弧方法常用的滅弧方法u橋式結(jié)構(gòu)雙斷口滅弧橋式結(jié)構(gòu)雙斷口滅弧u柵片滅弧柵片滅弧u磁吹滅弧磁吹滅弧u滅弧罩滅弧罩第1章 低壓電器的基本原理 1) 橋式結(jié)構(gòu)雙斷口滅弧橋式結(jié)構(gòu)雙斷口滅弧 流過觸頭兩端的電流方向相反，將產(chǎn)生互相推斥的電動力。當觸頭打開時，在斷口中產(chǎn)生電弧。電弧電流在兩電弧之間產(chǎn)生圖中以“ ”表示的磁場，根據(jù)左手定則，電弧電流要受到一

15、個指向外側(cè)的電動力F的作用，使電弧向外運動并拉長，電弧電流迅速穿越冷卻介質(zhì)而使電弧加快冷卻并熄滅。 交流接觸器常采用這種滅弧方法。 FFI圖1-13 橋式觸頭滅弧原理第1章 低壓電器的基本原理 2) 柵片滅弧柵片滅弧 滅弧柵一般由多片鍍銅薄鋼片滅弧柵一般由多片鍍銅薄鋼片(稱為柵片稱為柵片)和石棉絕緣板組成，它們安放在電器觸頭上方和石棉絕緣板組成，它們安放在電器觸頭上方的滅弧室內(nèi)，彼此之間互相絕緣，片間距離約的滅弧室內(nèi)，彼此之間互相絕緣，片間距離約為為25 mm。當觸頭分斷電路時，在觸頭之間。當觸頭分斷電路時，在觸頭之間產(chǎn)生電弧，電弧電流產(chǎn)生磁場。由于鋼片磁阻產(chǎn)生電弧，電弧電流產(chǎn)生磁場。由于鋼片

16、磁阻比空氣磁阻小得多，因此，電弧上方的磁通非比空氣磁阻小得多，因此，電弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通卻非常密集。這種上疏常稀疏，而下方的磁通卻非常密集。這種上疏下密的磁場將電弧拉入滅弧室中。當電弧進入下密的磁場將電弧拉入滅弧室中。當電弧進入滅弧室后，被滅弧柵分割成數(shù)段串聯(lián)的短弧，滅弧室后，被滅弧柵分割成數(shù)段串聯(lián)的短弧，這樣，每兩片滅弧柵片都可以看做一對電極。這樣，每兩片滅弧柵片都可以看做一對電極。維持每對電極間的電弧都需要一定的電壓，同維持每對電極間的電弧都需要一定的電壓，同時柵片吸收電弧熱量。當柵片間的電壓不足以時柵片吸收電弧熱量。當柵片間的電壓不足以維持電弧燃燒電壓時，電弧迅速冷卻并很

17、快熄維持電弧燃燒電壓時，電弧迅速冷卻并很快熄滅。滅。 1滅弧柵片；2觸頭；3電弧F123圖圖1-14 柵片滅弧示意圖柵片滅弧示意圖第1章 低壓電器的基本原理 3) 磁吹滅弧磁吹滅弧 在觸頭電路中串入一個磁吹線圈在觸頭電路中串入一個磁吹線圈,它產(chǎn)生的磁通經(jīng)過導(dǎo)磁夾它產(chǎn)生的磁通經(jīng)過導(dǎo)磁夾板引向觸頭周圍板引向觸頭周圍,當觸頭斷開產(chǎn)生電弧時當觸頭斷開產(chǎn)生電弧時,電弧電流產(chǎn)生的磁通電弧電流產(chǎn)生的磁通在弧柱下方相加在弧柱下方相加,而在弧柱上方相減而在弧柱上方相減.因此因此,電弧在下強上弱的磁電弧在下強上弱的磁場作用下場作用下,被拉長并吹到滅弧罩被拉長并吹到滅弧罩,將熱量傳遞給罩壁將熱量傳遞給罩壁,使電弧冷

18、卻使電弧冷卻熄滅熄滅. 廣泛應(yīng)用于直流接觸器中廣泛應(yīng)用于直流接觸器中.+.F電流(a)(b)ab+圖1-15 磁吹滅弧原理(a) 磁吹線圈對電弧產(chǎn)生推力；(b) 頂視圖 第1章 低壓電器的基本原理 滅弧罩滅弧罩 以上提及的磁吹式滅弧和滅弧柵滅弧都帶有滅弧罩，它通常用以上提及的磁吹式滅弧和滅弧柵滅弧都帶有滅弧罩，它通常用耐弧陶土、石棉水泥等制成。耐弧陶土、石棉水泥等制成。 其作用一是分割各路電弧，以防止發(fā)生短路；二是使電弧與滅其作用一是分割各路電弧，以防止發(fā)生短路；二是使電弧與滅弧罩的絕緣壁接觸，使電弧迅速冷卻而熄滅?；≌值慕^緣壁接觸，使電弧迅速冷卻而熄滅。第1章 低壓電器的基本原理 1.2 電氣控制技術(shù)中常用的圖形和文字符號電氣控制技術(shù)中常用的圖形和文字符號 名 稱一般三極電源開關(guān)圖形符號文字符號名 稱圖形符號文字符號名 稱圖形符號文字符號FRKMKV低壓斷路器QSQF接觸器主觸頭常開輔助觸頭常閉輔助觸頭K、KM欠電壓繼電器線圈中間繼電器線圈常閉觸頭熱繼電器表1-3 常用電氣圖形和文字符號表 第1章 低壓電器的基本原理 KA相應(yīng)繼電器符號常開觸頭位置開關(guān)常閉觸頭復(fù)合觸頭SQ速度繼電器助觸頭常開助頭常閉助頭線圈BV常閉觸頭常開觸頭過電流繼電器線圈線圈繼電器n