低壓電器的基本原理1

1、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 低壓電器的基本結構低壓電器的基本結構 1.2 低壓電器的主要技術性能和參數(shù)低壓電器的主要技術性能和參數(shù) 1.3 電氣控制技術中常用的圖形和文字符號電氣控制技術中常用的圖形和文字符號 第1章 低壓電器的基本原理 1.1 低壓電器的基本結構低壓電器的基本結構 1.1.1 電磁機構電磁機構 電磁機構是電磁式電器的主要組成部分，其工作原理是將電磁能轉換成為機械能，從而帶動執(zhí)行部分觸頭動作。 電磁機構由吸引線圈(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)生磁場，磁通經(jīng)鐵心、銜鐵和工作氣隙形成閉合回路，產(chǎn)

2、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。其結構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 電磁機構的幾種形式(a) 單E型電磁鐵；(b) 螺管型電磁鐵；(c) 轉動式 第1章 低壓電器的基本原理 電磁機構按吸引線圈的通電種類可分為直流電磁線圈和交流電磁線圈。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

3、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 線圈是電磁鐵的心臟，也是電能與磁場能量轉換的場所。大多數(shù)電磁鐵線圈并接在電源電壓兩端，稱為電壓線圈。它的特點是匝數(shù)多，線徑較細，阻抗大，電流小，常用絕緣性能好的電磁線繞制而成。當需反映電路電流時，則將線圈串接于電路中，成為電流線圈。它的特點是匝數(shù)少，線徑較粗，常用扁銅帶或粗銅線繞制。 電磁機構的工作特性常用吸力特性和反力特性來表達。電磁機構使銜鐵吸合的力與氣隙的關系曲線稱為吸力特性。

4、電磁機構使銜鐵釋放的力與氣隙的關系曲線稱為反力特性。 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，所以要求觸頭導電、導熱性能良好。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。這不僅因為其導電和導熱性能均優(yōu)于銅觸頭，更主要的原因是其氧化膜電阻率很低，僅是純銅的十幾

5、分之一，甚至還小，而且要在較高的溫度下才會形成，并容易粉化。因此，銀觸頭具有較低且穩(wěn)定的接觸電阻。在大、中容量的低壓電器結構設計上，觸頭采用滾動接觸，可將氧化膜去掉，這種結構的觸頭常采用銅質(zhì)材料。 第1章 低壓電器的基本原理 觸頭之間的接觸電阻包括“膜電阻”和“收縮電阻”?！澳る娮琛笔怯|頭接觸表面在大氣中自然氧化而生成的氧化膜造成的。氧化膜的電阻要比觸頭本身的電阻大幾十到幾千倍，導電性能極差，甚至不導電，而且受環(huán)境的影響較大?！笆湛s電阻”是由于觸頭的接觸表面不光滑造成的。在接觸時，實際接觸的面積總是小于觸頭原有的可接觸面積，這樣使有效導電截面減小，當電流流經(jīng)時，就會產(chǎn)生電流收縮現(xiàn)象，從而使電阻

6、增加及接觸區(qū)的導電性能變差。 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。觸頭的磨損包括電磨損和機械磨損。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

7、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。為了使接觸電阻盡可能地小，要注意三個方面的問題：一是要選用導電性好、耐磨性好的金屬材料作觸頭，使觸頭本身的電阻盡量減?。欢且褂|頭接觸得緊密一些；另外，在使用過程中盡量保持觸頭清潔，在有條件的情況下應定期清理觸頭表面。 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構形式很多，通常按其接觸形式歸為三種，即點接觸、線接觸和面接觸，如圖1-11所示。觸頭的結構形式有指形觸頭和橋形觸頭等

8、。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。 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 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 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原。按觸頭控制電路的不同可將

9、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. 觸頭的工作過程觸頭的工作過程 觸頭的工作可分為三種工作狀態(tài)：閉合過程、閉合狀態(tài)和分斷過程。 1) 載流情況下觸頭的閉合載流情況下觸頭的閉合 在觸頭閉合的過程中，往往會發(fā)生運動部分的彈跳，而觸頭的這一機械振動又使觸頭表面產(chǎn)生電氣磨損，嚴重時將發(fā)生觸頭熔焊。為此，可適當增大觸頭彈簧的初壓力，減小觸頭質(zhì)量，降低觸頭的接通速度，即采用指式觸頭等。 第1章 低壓電器的基本原理 2) 閉合狀態(tài)運行的觸頭閉合狀態(tài)運行的觸頭 觸頭閉合工作時，由于“收縮

10、電阻”及氧化膜的影響，致使損耗增大，溫度升高；而溫度的升高又反過來使觸頭表面氧化膜加劇。因此，觸頭工作在閉合狀態(tài)時的主要問題是減小接觸電阻，限制溫升。 第1章 低壓電器的基本原理 3) 載流情況下觸頭的分斷載流情況下觸頭的分斷 兩觸頭之間的接觸實質(zhì)上是許多個點的接觸，觸頭在分斷時最終將出現(xiàn)一個點接觸的現(xiàn)象。這時，該點處的電流密度可達到1071012 A/m2，致使金屬熔化，并隨著觸頭的分離形成熔化了的高溫金屬液橋。一旦觸頭完全分開，金屬液橋被拉斷，會在斷口處產(chǎn)生電弧。因此，在載流情況下觸頭分斷時的主要問題是電弧的熄滅。 第1章 低壓電器的基本原理 4. 電弧的產(chǎn)生及滅弧方法電弧的產(chǎn)生及滅弧方法

11、 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體。電流通過這個游離區(qū)時所消耗的電能轉換為熱能和光能，發(fā)出光和熱的效應，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。電弧對電器的影響主要有以下幾個方面： 第1章 低壓電器的基本原理 (1) 觸頭雖已打開，但由于電弧的存在，使要斷開的

12、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。 第1章 低壓電器的基本原理 1) 電弧的產(chǎn)生過程電弧的產(chǎn)生過程強電場放射。(2) 撞擊電離。 (3) 熱電子發(fā)射。 (1) (4) 高溫游離。 第1章 低壓電器的基本原理 2) 滅弧方法滅弧方法 電離和消電離作用是同時存在的，當電離速度大于消電離速度時，電弧就增強；當電離速度與消電離速度相等時，電弧就穩(wěn)定燃燒；當消電離速度大于電離速度時，電弧就熄滅。因此，熄滅電弧一方面是減弱電離作用，另一方面是增強消電離作用。實際上，作為減弱電離作用的措施，同時也往

13、往是增強消電離作用的途徑。 第1章 低壓電器的基本原理 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. 常用的滅弧方法和裝置常用的滅弧方法和裝置 1) 橋式結構雙斷口滅弧橋式結構雙斷口滅弧 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)

14、左手定則，電弧電流要受到一個指向外側的電動力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。此外，還可將一個電弧分為兩個來削弱電弧的作用。這種滅弧方法效果較弱，故一般多用于小功率的電器中。但是，當其配合柵片滅弧后，也可用于大功率的電器中。交流接觸器常采用這種滅弧方法。 第1章 低壓電器的基本原理 圖1-13 橋式觸頭滅弧原理FFI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(稱為柵片)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，片間距離約為25 mm。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

15、場。由于鋼片磁阻比空氣磁阻小得多，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，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，電弧迅速冷卻并很快熄滅。 第1章 低壓電器的基本原理 圖1-14 柵片滅弧示意圖1滅弧柵片；2觸頭；3電弧F123第1章 低壓電器的基本原理 當觸頭上加交流電壓時，產(chǎn)生的交流電弧要比直流電弧容易熄滅。因為交流電壓每個周期有兩次過零點，顯然電壓為零時電弧容易熄滅。另外，滅弧柵對交流電弧

16、還有“陰極效應”，更有利于電弧熄滅，即當電弧電流過零后，間隙中的電子和正離子的運動方向要隨觸頭電極極性的改變而改變。由于正離子比電子質(zhì)量大得多，因此在觸頭電極極性改變后(即原陽極變?yōu)樾玛帢O，原陰極變?yōu)樾玛枠O)，原陽極附近的電子能很快地回頭向相反的方向運動(走向新陽極)，而正離子幾乎還停留在原來的地方，這樣使得新陰極附近缺少電子而造成斷流區(qū)，從而使電弧熄滅。若要使電壓過零后電弧重新燃燒，兩柵片間必須要有150250 V的電壓，顯然滅弧柵總的重燃電壓所需值將大于電源電壓，因此電弧自然熄滅后就很難重燃。所以，滅弧柵裝置常用作交流滅弧。 第1章 低壓電器的基本原理 3) 磁吹滅弧 +.F電流(a)(b

17、)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 4) 窄縫滅弧窄縫滅弧 窄縫滅弧通過滅弧室滅弧。滅弧室由耐弧陶土、石棉、水泥或耐弧塑料制成，用來引導電弧縱向吹出并防止相間短路，同時通過電弧與滅弧室的絕緣壁接觸，使其迅速冷卻，增強去游離作用，使電弧熄滅。為此制成窄縫滅孤室，如圖1-16所示。 磁性夾板滅弧室壁電弧圖1-16 窄縫滅弧室 第1章 低壓電器的基本原理 1.2 低壓電器的主要技術性能和參數(shù)低壓電器的主要技術性能和參數(shù) 1.2.1 開關電器的通斷工作類型及相關參數(shù)開關電器的通斷工作類型及相關參數(shù) 1開關電器的通斷工作類型 (1)

18、 隔離。隔離指開關電器具有將電器設備和電源“隔開”的功能，在對電器設備的帶電部分進行維修時以確保人員和設備的安全。隔離不僅要求各電流通路之間、電流通路和鄰近的接地零部件之間應保持規(guī)定的電氣間隙，而且要求電器的動、靜觸頭之間也應保持規(guī)定的電氣間隙。能滿足隔離功能的開關電器是隔離器。如果在維修期間需要確保電器設備一直處于無電狀態(tài)，應選用操作機構分斷位置能上鎖的隔離器。 第1章 低壓電器的基本原理 (2) 無載(空載)通斷。無載(空載)通斷指接通或分斷電路時不分斷電流，分開的兩觸頭間不會出現(xiàn)明顯電壓的情況。選用無載通斷的開關電器時，必須有其他措施可以保證不會出現(xiàn)有載通斷的可能性，否則有造成事故，損壞

19、設備，甚至危及人身安全的危險。無載通斷的開關電器僅在某些專門場所使用，如隔離器。 第1章 低壓電器的基本原理 (3) 有載通斷。有載通斷是相對于無載通斷而言的，其開關電器需接通和分斷一定的負載電流(具體負載電流的數(shù)據(jù)因負載類型而異)。有的隔離器產(chǎn)品也能在非故障條件下接通和分斷電路，其通斷能力大致和其需要通斷的額定電流相同。產(chǎn)品樣本中隔離器和熔斷器式隔離器的通斷能力常按額定電流的倍數(shù)給出，因此，有些隔離器也能分斷各種工作過電流，如電動機的啟動電流。 第1章 低壓電器的基本原理 (4) 控制電動機通斷?？刂齐妱訖C通斷通常指電動機開關。電動機開關是指用來接通和分斷電動機的開關電器或電路，其通斷能力應

20、能滿足各種型號的電動機按不同工作制(如點動和反接)工作的控制要求。電動機開關有控制開關、電動機用負荷開關、接觸器、電動機用斷路器及其組合控制電路等。 (5) 在短路條件下通斷。在短路條件下通斷負載應選用有短路保護功能的開關電器。斷路器就是一種不僅可以接通和分斷正常負載電流、電動機工作電流和過載電流，而且可以接通和分斷短路電流的開關電器。 第1章 低壓電器的基本原理 1.3 電氣控制技術中常用的圖形和文字符號電氣控制技術中常用的圖形和文字符號 名 稱一 般 三極 電 源開 關圖 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Q

21、SQF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相應繼電器符號常 開觸 頭位置開關常 閉觸 頭復 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nn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 表1-3 常用電氣圖形和文字符號表 KAFUQSQS轉換開關起動停止復合按鈕SASB時間繼電器常開延時閉合觸頭常閉延時打開觸頭常閉延時閉合觸頭常開延

22、時打開觸頭熔斷器式隔離開關熔斷器式刀開關熔斷器KT欠電流繼電器線圈第1章 低壓電器的基本原理 表1-3 常用電氣圖形和文字符號表 名 稱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橋式整流裝置蜂鳴器信號燈VCHHLMTV三相繞線轉子異步電動機三相籠型異步電動機NPN型三極管PNP型三極管三相自耦變壓器接觸器線圈熱繼電器K、KM熱元件FR熔斷器式負荷開關QMM3第1章 低壓電器的基本原理 表1-3 常用電氣圖形和文字符號表 電阻器接插器電磁鐵電磁吸盤串勵直流電動機復勵直流電動機RXYAYHMMGTTCRP電位器控制電路電源用變壓器照明變壓器整流變壓器單相變壓器直流發(fā)電機并勵直流電

23、動機他勵直流電動機接近開關動合觸頭磁鐵接近時動作的接近開關的動合觸頭接近敏感開關動合觸頭半導體二極管晶閘管(陰極側受控)GMMMM或第1章 低壓電器的基本原理 在繪制電氣控制線路時，應遵循電流方向自上而下(垂直方位畫時)或自左向右(水平方位畫時)的原則；繪制動合觸頭和動斷觸頭時，應遵循左開右閉(垂直方位畫時)、下開上閉(水平方位畫時)的原則，即靜觸頭在上或左，動觸頭在下或右。對于開關電器，如果按圖面布置的需要，采用的圖形符號的方位與表1-3中所示的一致，則直接采用；若方位不一致，應遵循按圖例逆時針旋轉90的原則繪制，但文字和指示方向不得顛倒。圖形符號的矩形長邊和圓的直徑宜設計為2M的倍數(shù)，一般

24、取M = 2.5 mm。對于較小的圖形符號，則可選用1.5M、1.0M或0.5M。 第1章 低壓電器的基本原理 在國家標準中，電氣技術中的文字符號分為基本文字符號(單字母或雙字母)和輔助文字符號。在GB71591987電氣技術中的文字符號制訂通則中，單字母符號等同于IEC750電氣技術中項目代號標準中的種類代號，雙字母符號等同于IEC204項目代號、圖解、簡圖、表格和說明舉例中的雙字母代碼。因此，上述單字母和雙字母符號在國際上是通用的。 第1章 低壓電器的基本原理 基本文字符號中的單字母符號按拉丁字母將各種電氣設備、裝置和元器件劃分為23個大類，每個大類用一個專用單字母符號表示。如“K”表示繼

25、電器、接觸器類，“F”表示保護器件類等。單字母符號應優(yōu)先采用。雙字母符號是由一個表示種類的單字母符號與另一字母組成，其組合形式應以單字母符號在前，另一字母在后的次序列出。只有當用單字母符號不能滿足要求，容易混淆，需要將大類進一步劃分時，才采用雙字母符號，以便較詳細和更具體地表述電氣設備、裝置和元器件。如“F”表示保護器件類，而“FU”表示熔斷器，“FR”表示熱繼電器等。雙字母符號的第一位字母只允許按GB71591987電氣技術中的文字符號制訂通則中單字母所表示的種類使用，見表1-4。 第1章 低壓電器的基本原理 表1-4 單字母和雙字母符號的使用規(guī)則 基本文字符號 基本文字符號 單字母 雙字母 項目種類