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1、1.1.1 概述,在人类生活的各个领域中，电能的应用愈来愈广泛。低压电器是构成控制系统最常用的器件，了解它的分类、作用和用途，对设计、分析和维护控制系统都是十分必要的。,1.1.1.1 电器的定义,电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力和其它物理量），自动或手动接通和断开电路，从而断续或连续地改变电路参数或状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节用的电气元件或设备。,1.1 低压电器的基础知识,1.1.1 概述,1.1.1.2 低压电器的分类,1.低压电器按所控制的对象分类分为低压配电电器和低压控制电器。（1）低压配电电器。用于低压供配电系统中，如低压断路器、低压隔离器等。
2、（2）低压控制电器。用于电气控制线路中，如继电器、接触器等。,根据其工作电压高低，电器可分为高压电器和低压电器。低压电器：常指工作在交流额定电压1200V及以下，直流额定电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器设备。,1.1 低压电器的基础知识,1.1.1 概述,2.按所起作用分类可分为控制电器、主令电器、保护电器和执行电器。（1）控制电器。用来控制电路的通断，如开关、继电器、接触器等。（2）主令电器。用来发送控制指令以控制其它自动电器的动作，如按钮、主令开关、行程开关等。（3）保护电器。用于对电路和电气设备进行安全保护，如熔断器、热继电器、避雷器等。（4）执行电器。用来
3、执行某种动作或传动功能，如电磁铁、电磁离合器等。,1.1 低压电器的基础知识,1.1.1 概述,3.按动作性质分类依据电器的动作性质可分为自动控制电器和非自动控制电器。（1）自动控制电器。按照电信号或非电信号的变化而自动动作的电器，如继电器、接触器等。（2）非自动控制电器。由人工直接操作而动作的电器，如按钮、开关等。4.按工作原理分类分为电磁式电器和非电量控制电器。（1）电磁式电器。根据电磁感应原理来工作的电器，如继电器、接触器等。（2）非电量控制电器。依靠外力或非电量的变化而动作的电器，如按钮、温度继电器等。,1.1 低压电器的基础知识,常用低压电器分类：,1.1.1 概述,1.1.1.4
4、低压电器发展概况,新一代产品除了高性能、小型化、电子化、智能化、模块化、组合化外，其主要特征是可通信、高可靠、维护性能好、符合环保要求等。特别是新一代产品能与现场总线系统连接，能实现网络化。其特点如下。1引入现场总线技术现场总线系统发展与应用将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置，同时给传统低压电器产品注入高新技术，使低压电器产品功能发生质的飞跃。,1.1 低压电器的基础知识,1.1 低压电器的基础知识,2固态低压电器进入实用阶段电力电子技术的发展与应用使固态低压电器产品进入实用阶段。利用晶闸管(双向可控硅)作为主回路发展的固态接触器、固态继电器、软启动器等产品已进入商品化阶段。目前国
5、外软启动器已进入中国市场，国内许多企业也正在开发此类产品。柔性电器技术低压电器上的应用和混合式开关电器是低压电器产品发展的又一个方向。,1.1.1 概述,1.1.1 概述,3低压真空电器进一步发展真空技术的发展与应用，使低压真空电器获得进一步发展。20世纪90年代中期，由于真空电器大电流分断技术取得新的突破，使低压真空断路器开始进入实用阶段。低压真空断路器关键技术主要涉及以下三个方面：大电流分断技术、灭弧室结构设计、触头材料及真空工艺等；提高真空电器短时耐受电流技术；降低高分断能力真空灭弧室制造成本。4传统产品向两极发展传统低压电器产品在提高产品综合性的同时，开始向高性能与经济型两极发展。新一
6、代经济产品仍保留我国第三代产品的基本特征，但控制适度、合理的技术指标，产品进一步小型化与低成本，重点针对中国市场。,1.1 低压电器的基础知识,1.1.1 概述,5发展环保产品环保产品的发展与应用是低压电器产品发展的又一个动向。环保电器的定义是制造与使用时不污染环境，废旧产品便于回收。环保电器的基本要求包括：触头与灭弧系统分断电弧时不产生有害气体；选用材料无污染且便于回收，根据这一要求，国外新一代塑壳断路器开始采用热塑性工程塑料；降低低压电器产品运行时的机械干扰(噪声)与电磁干扰(符合IMC要求)，提倡发展无飞弧电器、真空电器与固态电器。,1.1 低压电器的基础知识,1.1.1 概述,6防雷技
7、术成熟随着终端用电设备大量采用高灵敏电子设备、电脑及网络系统广泛采用，雷电对低压配电系统及终端用电设备，乃至人身安全造成的危害越来越引起有关部门和专家的重视。国外低压配电系统电泳保护技术已基本成熟。7成套装备有新要求低压成套装备逐步向紧凑型、智能化、可通信、高防护发展。8触头材料不断翻新无污染触头材料、无银特种电触头材料以及纳米技术在电触头上得到广泛应用。,1.1 低压电器的基础知识,1.1 低压电器的基础知识,电磁式电器是电气控制系统中最常见的低压电器，从其基本结构上看，大部分由电磁机构、触头系统和灭弧装置三个部分组成，如图1.1所示。,图1.1 电磁式电器工作原理示意图,1.1 低压电器的
8、基础知识,1.1.2 电磁机构,1.电磁机构的结构形式电磁机构是电磁式低压电器的感测部分，其作用是将电磁能转换为机械能，从而带动触头动作，达到接通或分断电路的目的。电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组成。其中磁路包括铁心、衔铁和空气隙。其工作原理是：当吸引线圈通入一定的电压或电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，衔铁即被吸向铁心，从而带动衔铁上的触头动作，以完成触头的断开和闭合。电磁机构的结构型式按铁心型式分有单型、单型、螺管型、双型等；按动作方式分有直动式、转动式等。,1.1 低压电器的基础知识,根据吸引线圈通电电流的性质不同，可分为直流电磁线圈和交流电磁线圈。
9、对于直流电磁线圈，铁心和衔铁可以用整块电工软钢制成。对于交流电磁线圈，为了减少因涡流等造成的能量损失和温升，铁心和衔铁用硅钢片叠成。当线圈并联于电路工作时，称为电压线圈，其特点是线圈的匝数多，线径细；当线圈串联于电路工作时，称为电流线圈，其特点是线圈的匝数少，线径粗。2.电磁机构的工作原理电磁机构的工作原理常用吸力特性和反力特性来描述，如图1.2所示。吸力特性：是指电磁吸力随衔铁与铁芯间气隙变化的关系曲线。,1.1 低压电器的基础知识,反力特性：是指反作用力Fr（使衔铁释放的力）与气隙的关系曲线。,图1.2 吸力特性与反力特性的配合,1.1 低压电器的基础知识,反力特性：是指反作用力Fr（使衔
10、铁释放的力）与气隙的关系曲线。1)反力特性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；另一种是利用衔铁的自身重力(可忽略)。弹簧的反力与其形变的位移X成正比，其反力特性可写成(1.2.1)2)吸力特性电磁机构的电磁吸力可以按下式求得(1.2.2)式中，F为电磁吸力(N)，B为气隙中的磁感应强度(T)，S为磁极截面积(m2)。,1.1 低压电器的基础知识,(1)直流电磁铁的吸力特性直流电磁线圈通入的是恒定的直流电流，即在外加电压和线圈电阻R一定的条件下其电流值也一定，与空气气隙的大小无关。(1.2.3)但作用在衔铁上的吸力F却与空气气隙的大小有关。(1.2.4)当电磁铁刚启动时，空气
11、气隙最大，此时磁路中磁阻最大，磁感应强度较小，故吸力最小；当衔铁完全吸合后，空气气隙最小，此时磁路中磁阻最小，磁感应强度较大，吸力最大。,1.1 低压电器的基础知识,(2)交流电磁线圈交流电磁线圈通入的是交变电流，磁感应强度为交变量，即(1.2.5)由式(1.2.2)和式(1.2.5)可得(1.2.6)可见电磁吸力最大值为：电磁吸力最小值为：。,1.1 低压电器的基础知识,由于吸力是脉动的，使得衔铁以两倍电源频率在振动，既会引起噪声，又会使电器结构松散，触头接触不良，容易被电弧火花熔焊与蚀损。因此，必须采取有效措施，使得线圈在交流电变小和过零时仍有一定的电磁吸力以消除衔铁的振动。为此，在磁极的
12、部分端面上嵌入一个铜环称为短路环(或分磁环)，如图1.3所示。,图1.3 交流电磁铁的短路环,1.1 低压电器的基础知识,当磁极的主磁通发生变化时，由于在短路环中产生感应电流和磁通，将阻碍主磁通的变化，使得磁极两部分中的磁通之间产生相位差，因而磁极各部分的磁通不会同时降为零，磁极一直具有一定的电磁吸力，这就消除了衔铁的振动，也除去了噪声。交流电磁铁刚启动时，气隙最大，磁阻最大，电感和感抗为最小，因而这时的电流为最大；在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈电感和感抗增大，电流逐渐减小。当衔铁完全吸合后，电流为最小。在电磁铁启动时，线圈的电流虽为最大，但这时的磁阻要增大到几百倍，而线圈的电流
13、受到漏阻抗的限制，不能增加相应的倍数。因此启动时磁动势的增加小于磁阻的增加，于是磁通、磁感应强度减小，吸力较小，当衔铁吸合后，磁阻减小较多，磁动势减小较小，于是磁通、磁感应强度增大，吸力增大。,1.1 低压电器的基础知识,交流电磁铁工作时，衔铁与铁心之间一定要吸合好。如果由于某种机械故障，衔铁或机械可动部分被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈中流过超过额定值的较大电流，将使线圈严重发热，甚至烧坏。3)电磁机构吸力特性与反力特性的配合在衔铁吸合过程中，其吸力特性必须始终处于反力特性上方，即吸力要大于反力；反之衔铁释放时，吸力特性必须位于反力特性下方，即反力要大于吸力(此时的吸力是由剩磁产生的)。在吸
14、合过程中还须注意吸力特性位于反力特性上方不能太高，否则会影响到电磁机构寿命。,1.1 低压电器的基础知识,1.1.3 触点系统,触点是电器的执行机构，它在衔铁的带动下起接通和分断电路的作用。触点在闭合状态下动、静触点完全接触，并有工作电流通过时，称为电接触。电接触的情况将影响触点的工作可靠性和使用寿命。影响电接触工作状况的主要因素是触点的接触电阻，因为接触电阻大时，易使触点发热而温度升高，从而使触点易产生熔焊现象，这样既影响工作可靠性又降低了触点的寿命。触点的接触电阻不仅与触点的接触形式有关，而且还与接触压力、触点材料及表面状况有关。,1.1 低压电器的基础知识,1.触点的接触形式触头接触形式
15、有点接触、面接触、线接触三种，如图1.4所示，点接触式适用于小电流；面接触式适用于大电流；线接触式（又称指形接触）适用于通断次数多、大电流的场合。,（a）点接触（b）点接触（c)线接触图1.4 触头的三种接触形式,1.1 低压电器的基础知识,2触点的分类 按触点的运动情况分为动触点和静触点；按触点的职能分为主触点和辅助触点；按触点的状态可分为常开触点和常闭触点。如图1.5所示，固定不动的称为静触点，由连杆带着移动的称为动触点。电器触点在电器未通电或没有受到外力作用时处于闭合位置的称为常闭(又称动断)触点，常态时相互分开的动、静触点称为常开(又称动合)触点。,图1.5 触头的分类,1.1 低压电
16、器的基础知识,1.1.4 灭弧系统,电器触头在闭合或断开的瞬间，都会在触头间隙中由电子流产生弧状的火花，亦称电弧。炽热的电弧会烧坏触头，还会因电弧造成短路、火灾或其他事故，故应采取适当的措施熄灭电弧。在低压控制电器中，常用的灭弧方法和装置有：电动力灭弧、磁吹灭弧、栅片灭弧、灭弧罩灭弧几种。1电动力灭弧图1.6所示为一双断口桥式触头。当触头打开时，在断口处产生电弧。两个电弧相当于平行载流导体，产生互相推斥的电动力，使电弧向外运动，电弧被拉长并接触冷却介质使电弧冷却而熄灭。,1.1 低压电器的基础知识,这种灭弧方法不要专门灭弧装置，但电流较小时，电动力也小，多用在小容量的交流接触器中。当交流电流过
17、零时，电弧更易熄灭。,图1.6 电动力灭弧示意图,1.1 低压电器的基础知识,2.磁吹灭弧 如图1.7所示，在触头回路串一电流线圈，回路电流及其产生的磁通的方向如图所示。当触头分断产生电弧时，根据左手定则，电弧受到由纸面向里面的电磁力，使电弧拉长迅速冷却而熄灭。这种串联磁吹灭弧，电流越大，灭弧力越强。当线圈绕制方向定好后，磁吹力与电流方向无关。也可用并联磁吹线圈，这时应注意线圈的极性。,图1.7 磁吹灭弧示意图,1.1 低压电器的基础知识,3.栅片灭弧图1.8为栅片灭弧示意图，在耐热绝缘罩内卡放一组镀锌钢片称为灭弧栅片。当触头分开时所产生的电弧由于电动力作用被推向灭弧栅片，电弧与金属片接触易于冷却，并且电弧被分割成许多段，每一个栅片相当于一个电极，当交流电弧过零时在新阴极表面产生阴极压降，使电弧被熄灭。栅片灭弧效果用在交流时比直流时好得多，交流电器多采用栅片灭弧。,图1.7 磁吹灭弧示意图,1.1 低压电器的基础知识,4灭弧罩灭弧比灭弧栅片更为简单的是采用一个陶土和石棉水泥做成的耐高温的灭弧罩。电弧进入灭弧罩后，可以降低弧温和隔弧。在直流接触器的触点上广泛采用这种灭弧装置。,
