低壓電器的基本原理

關(guān)于低壓電器的基本原理第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1低壓電器的基本結(jié)構(gòu)1.1.1電磁機(jī)構(gòu)電磁機(jī)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(jī)械能，從而帶動(dòng)執(zhí)行部分觸頭動(dòng)作。電磁機(jī)構(gòu)由吸引線圈(勵(lì)磁線圈)和磁路兩部分組成。磁路包括鐵心、銜鐵和空氣隙。當(dāng)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)生電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心。與此同時(shí)，銜鐵還要受到反作用彈簧的拉力，只有當(dāng)電磁吸力大于彈簧拉力時(shí)，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(dòng)作方式分有直動(dòng)式、轉(zhuǎn)動(dòng)式等，見圖1-1。第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-1電磁機(jī)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(dòng)式第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁機(jī)構(gòu)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(dāng)交流電磁線圈接通交流電源時(shí)，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(dāng)直流電磁線圈接通直流電源時(shí)，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(xì)長形，鐵心和銜鐵可以用整塊電工軟鋼做成。第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

線圈是電磁鐵的心臟，也是電能與磁場能量轉(zhuǎn)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(diǎn)是匝數(shù)多，線徑較細(xì)，阻抗大，電流小，常用絕緣性能好的電磁線繞制而成。當(dāng)需反映電路電流時(shí)，則將線圈串接于電路中，成為電流線圈。它的特點(diǎn)是匝數(shù)少，線徑較粗，常用扁銅帶或粗銅線繞制。電磁機(jī)構(gòu)的工作特性常用吸力特性和反力特性來表達(dá)。電磁機(jī)構(gòu)使銜鐵吸合的力與氣隙的關(guān)系曲線稱為吸力特性。電磁機(jī)構(gòu)使銜鐵釋放的力與氣隙的關(guān)系曲線稱為反力特性。第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2觸頭和電弧

1.觸頭的接觸電阻觸頭亦稱觸點(diǎn)，起接通和分?jǐn)嚯娐返淖饔?。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(shí)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?yàn)槠鋵?dǎo)電和導(dǎo)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，僅是純銅的十幾分之一，甚至還小，而且要在較高的溫度下才會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，觸頭采用滾動(dòng)接觸，可將氧化膜去掉，這種結(jié)構(gòu)的觸頭常采用銅質(zhì)材料。第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(dǎo)電性能極差，甚至不導(dǎo)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(shí)，實(shí)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(dǎo)電截面減小，當(dāng)電流流經(jīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流收縮現(xiàn)象，從而使電阻增加及接觸區(qū)的導(dǎo)電性能變差。第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果觸頭之間的接觸電阻較大，則會(huì)在電流流過觸頭時(shí)造成較大的電壓降，這對(duì)弱電控制系統(tǒng)影響較嚴(yán)重。另外，電流流過觸頭時(shí)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(jìn)一步增加及相鄰絕緣材料老化，嚴(yán)重時(shí)可使觸頭熔焊，造成電氣系統(tǒng)故障。因此，對(duì)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8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

除此之外，觸頭在運(yùn)行時(shí)還存在觸頭磨損的情況。觸頭的磨損包括電磨損和機(jī)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(xué)性能變化而引起的。電磨損的程度決定于放電時(shí)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(jī)械磨損是指由于機(jī)械作用而使觸頭材料產(chǎn)生的磨損和消耗。機(jī)械磨損的程度取決于材料硬度、觸頭壓力及觸頭的滑動(dòng)方式等。為了使接觸電阻盡可能地小，要注意三個(gè)方面的問題：一是要選用導(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小；二是要使觸頭接觸得緊密一些；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(yīng)定期清理觸頭表面。第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2.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(diǎn)接觸、線接觸和面接觸，如圖1-11所示。觸頭的結(jié)構(gòu)形式有指形觸頭和橋形觸頭等。顯然，面接觸時(shí)的實(shí)際接觸面要比線接觸的大，而線接觸的又要比點(diǎn)接觸的大。第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-11觸點(diǎn)的三種接觸形式(a)點(diǎn)接觸；(b)線接觸；(c)面接觸第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(shí)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(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13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3.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?jǐn)噙^程。

1)載流情況下觸頭的閉合在觸頭閉合的過程中，往往會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)部分的彈跳，而觸頭的這一機(jī)械振動(dòng)又使觸頭表面產(chǎn)生電氣磨損，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生觸頭熔焊。為此，可適當(dāng)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14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2)閉合狀態(tài)運(yùn)行的觸頭觸頭閉合工作時(shí)，由于“收縮電阻”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(shí)的主要問題是減小接觸電阻，限制溫升。第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3)載流情況下觸頭的分?jǐn)鄡捎|頭之間的接觸實(shí)質(zhì)上是許多個(gè)點(diǎn)的接觸，觸頭在分?jǐn)鄷r(shí)最終將出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)接觸的現(xiàn)象。這時(shí)，該點(diǎn)處的電流密度可達(dá)到107～1012A/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(huì)在斷口處產(chǎn)生電弧。因此，在載流情況下觸頭分?jǐn)鄷r(shí)的主要問題是電弧的熄滅。第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4.電弧的產(chǎn)生及滅弧方法在自然環(huán)境中斷開電路時(shí)，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0.25～1A，12～20V)，則觸頭間隙中就會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧實(shí)際上是觸頭間氣體在強(qiáng)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(qiáng)電場作用下，大量的帶電粒子作定向運(yùn)動(dòng)，于是絕緣氣體就變成了導(dǎo)體。電流通過這個(gè)游離區(qū)時(shí)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(qiáng)光，使觸頭燒損，并使電路切斷時(shí)間延長，甚至不能斷開，造成嚴(yán)重事故。電弧對(duì)電器的影響主要有以下幾個(gè)方面：第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)觸頭雖已打開，但由于電弧的存在，使要斷開的電路實(shí)際上并沒有斷開。

(2)電弧的溫度很高，嚴(yán)重時(shí)可使觸頭熔化。

(3)電弧向四周噴射，會(huì)使電器及其周圍物質(zhì)損壞，甚至造成短路，引起火災(zāi)。第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1)電弧的產(chǎn)生過程強(qiáng)電場放射。(2)撞擊電離。(3)熱電子發(fā)射。(4)高溫游離。第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2)滅弧方法電離和消電離作用是同時(shí)存在的，當(dāng)電離速度大于消電離速度時(shí)，電弧就增強(qiáng)；當(dāng)電離速度與消電離速度相等時(shí)，電弧就穩(wěn)定燃燒；當(dāng)消電離速度大于電離速度時(shí)，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(qiáng)消電離作用。實(shí)際上，作為減弱電離作用的措施，同時(shí)也往往是增強(qiáng)消電離作用的途徑。第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

熄滅電弧的基本途徑有：

(1)拉長電弧以降低電場強(qiáng)度。

(2)用電磁力使電弧在冷卻介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，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(duì)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21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月5.常用的滅弧方法和裝置1)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(dòng)力。當(dāng)觸頭打開時(shí)，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，電弧電流要受到一個(gè)指向外側(cè)的電動(dòng)力F的作用，使電弧向外運(yùn)動(dòng)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(gè)電弧分為兩個(gè)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(dāng)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22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-13橋式觸頭滅弧原理第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2)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2～5mm。當(dāng)觸頭分?jǐn)嚯娐窌r(shí)，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(dāng)電弧進(jìn)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(duì)電極。維持每對(duì)電極間的電弧都需要一定的電壓，同時(shí)柵片吸收電弧熱量。當(dāng)柵片間的電壓不足以維持電弧燃燒電壓時(shí)，電弧迅速冷卻并很快熄滅。第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-14柵片滅弧示意圖第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)觸頭上加交流電壓時(shí)，產(chǎn)生的交流電弧要比直流電弧容易熄滅。因?yàn)榻涣麟妷好總€(gè)周期有兩次過零點(diǎn)，顯然電壓為零時(shí)電弧容易熄滅。另外，滅弧柵對(duì)交流電弧還有“陰極效應(yīng)”，更有利于電弧熄滅，即當(dāng)電弧電流過零后，間隙中的電子和正離子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)(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150～250V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26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3)磁吹滅弧圖1-15磁吹滅弧原理(a)磁吹線圈對(duì)電弧產(chǎn)生推力；(b)頂視圖第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4)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(dǎo)電弧縱向吹出并防止相間短路，同時(shí)通過電弧與滅弧室的絕緣壁接觸，使其迅速冷卻，增強(qiáng)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。圖1-16窄縫滅弧室第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2低壓電器的主要技術(shù)性能和參數(shù)1.2.1開關(guān)電器的通斷工作類型及相關(guān)參數(shù)

1．開關(guān)電器的通斷工作類型

(1)隔離。隔離指開關(guān)電器具有將電器設(shè)備和電源“隔開”的功能，在對(duì)電器設(shè)備的帶電部分進(jìn)行維修時(shí)以確保人員和設(shè)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(yīng)保持規(guī)定的電氣間隙，而且要求電器的動(dòng)、靜觸頭之間也應(yīng)保持規(guī)定的電氣間隙。能滿足隔離功能的開關(guān)電器是隔離器。如果在維修期間需要確保電器設(shè)備一直處于無電狀態(tài)，應(yīng)選用操作機(jī)構(gòu)分?jǐn)辔恢媚苌湘i的隔離器。第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)無載(空載)通斷。無載(空載)通斷指接通或分?jǐn)嚯娐窌r(shí)不分?jǐn)嚯娏?，分開的兩觸頭間不會(huì)出現(xiàn)明顯電壓的情況。選用無載通斷的開關(guān)電器時(shí)，必須有其他措施可以保證不會(huì)出現(xiàn)有載通斷的可能性，否則有造成事故，損壞設(shè)備，甚至危及人身安全的危險(xiǎn)。無載通斷的開關(guān)電器僅在某些專門場所使用，如隔離器。第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)有載通斷。有載通斷是相對(duì)于無載通斷而言的，其開關(guān)電器需接通和分?jǐn)嘁欢ǖ呢?fù)載電流(具體負(fù)載電流的數(shù)據(jù)因負(fù)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?jǐn)嚯娐?，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?jǐn)喔鞣N工作過電流，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)控制電動(dòng)機(jī)通斷?？刂齐妱?dòng)機(jī)通斷通常指電動(dòng)機(jī)開關(guān)。電動(dòng)機(jī)開關(guān)是指用來接通和分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)的開關(guān)電器或電路，其通斷能力應(yīng)能滿足各種型號(hào)的電動(dòng)機(jī)按不同工作制(如點(diǎn)動(dòng)和反接)工作的控制要求。電動(dòng)機(jī)開關(guān)有控制開關(guān)、電動(dòng)機(jī)用負(fù)荷開關(guān)、接觸器、電動(dòng)機(jī)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(fù)載應(yīng)選用有短路保護(hù)功能的開關(guān)電器。斷路器就是一種不僅可以接通和分?jǐn)嗾Ｘ?fù)載電流、電動(dòng)機(jī)工作電流和過載電流，而且可以接通和分?jǐn)喽搪冯娏鞯拈_關(guān)電器。第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3電氣控制技術(shù)中常用的圖形和文字符號(hào)表1-3常用電氣圖形和文字符號(hào)表

第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-3常用電氣圖形和文字符號(hào)表

第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-3常用電氣圖形和文字符號(hào)表

第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-3常用電氣圖形和文字符號(hào)表

第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-3常用電氣圖形和文字符號(hào)表

第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

在繪制電氣控制線路時(shí)，應(yīng)遵循電流方向自上而下(垂直方位畫時(shí))或自左向右(水平方位畫時(shí))的原則；繪制動(dòng)合觸頭和動(dòng)斷觸頭時(shí)，應(yīng)遵循左開右閉(垂直方位畫時(shí))、下開上閉(水平方位畫時(shí))的原則，即靜觸頭在上或左，動(dòng)觸頭在下或右。對(duì)于開關(guān)電器，如果按圖面布置的需要，采用的圖形符號(hào)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(yīng)遵循按圖例逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的原則繪制，但文字和指示方向不得顛倒。圖形符號(hào)的矩形長邊和圓的直徑宜設(shè)計(jì)為2M的倍數(shù)，一般取M=2.5mm。對(duì)于較小的圖形符號(hào)，