电气控制,主 编 汪明添主 审 邵良成,西南交通大学出版社,第1章 常用低压电器1.1 低压电器的基本知识电器是所有电工器械的简称。即凡是根据外界特定的信号和要求自动或手动接通与断开电路，断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节的电工器械称为电器。低压电器通常指工作在交流1200 V以下，直流1500V以下电路中的电器。工作电压高于交流1200V，直流1500V以上的各种电器则属于高压电器。1.1.1 低压电器的分类1. 按有无触点的结构特点分：可分为有触点电器和无触点电器。2. 按动作方式分1）自动切换电器。2）非自动切换电器。,3. 按用途分1）控制电器2）主令电器3）保护电器4）配电电器5）执行电器4. 按工作原理分1）电磁式电器2）非电量控制电器1.1.2 低压电器的电磁系统低压电器一般由两个基本部分组成，即感测机构和执行机构。感测机构感受外界信号的变化，作出有规律的反应；而执行机构则是根据指令信号，执行电路的通、断控制。在各种低压电器中,感测机构是电磁系统，执行机构则是触点系统及灭弧系统。,图1.1.1(a)为衔铁绕棱角转动的拍合式结构 图1.1.1(b)为衔铁绕轴转动的拍合式结构 图1.1.1(c)为衔铁直线运动的螺管式结构,图1.1.1 (a) 图1.1.1(b) 图1.1.1(c),1. 电磁系统结构和工作原理电磁系统由铁心、衔铁和线圈等部分组成。其作用原理是：当线圈中有电流通过时，产生电磁吸力：电磁吸力克服弹簧的反作用力，使衔铁与铁心闭合，衔铁带动连接机构运动，从而带动相应触点动作，完成通、断电路的控制作用。接触器常用的电磁系统结构如图1.1.1所示。,电磁式电器分为直流与交流两大类。直流电磁铁铁心由整块铸铁铸成，而交流电磁铁的铁心则用硅钢片叠成，以减小铁损(磁滞损耗及涡流损耗)。图1.1.1中线圈的作用是将电能转化为磁场能。按通入线圈电流性质的不同，分为直流线圈和交流线圈两种。实际运用中，由于直流电磁铁仅有线圈发热，所以线圈匝数多、导线细，制成细长型，且不设线圈骨架，线圈与铁心直接接触，利于线圈的散热。而交流电磁铁由于铁芯和线圈均发热，所以线圈匝数少、导线粗，制成短粗型，吸引线圈设有骨架，且铁心与线圈隔离，利于铁心和线圈的散热。,图1.1.2 反力特性,2. 电磁系统吸力特性和反力特性1) 反力特性 电磁系统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，如图1.1.2所示。弹簧的反力与其变形量x成正比，其反力特性可写为：弹簧的反力特性： Ff1=K1x （1.1.1）自重的反力特性： Ff2=M （1.1.2）,2) 吸力特性 吸力可近似地按下式求得：F=4105B2S (1.1.3)即：F 2S (1.1.4) 交流电磁机构的吸力特性 UE=4.44fN (1.1.5)= U4.44fN (1.1.6)当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，由式(1.1.6)可知，磁通亦为常数。由于线圈外加电压U与气隙的变化无关，因此其吸力F亦与气隙的大小无关。其吸力特性如图1.1.3所示。虽然交流电磁机构的气隙磁通近似不变，但气隙磁阻随气隙长度而变化。,(1.1.7),由式(1.1.7)可知，交流励磁线圈的电流I与气隙成正比。一般U形交流电磁机构的励磁线圈通电而衔铁尚未动作时，其电流可达到吸合后额定电流的56倍；E形电磁机构则达到1015倍额定电流，如果衔铁卡住不能吸合或者频繁动作，交流励磁线圈很可能因过电流而烧毁。所以，在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。,图1.1.3 交流吸力特性, 直流电磁机构的吸力特性直流电磁机构的励磁电流不受气隙变化的影响；其吸力与气隙的平方成反比，所以吸力特性曲线比较陡峭，如图1.1.4所示。 剩磁的吸力特性剩磁的吸力随气隙的增大而减小。剩磁的吸力特性如图1.1.5曲线4所示。2) 吸力特性与反力特性的配合电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力特性之间，如图1.1.5所示。,图1.1.5 吸力特性和反力特性,图1.1.4 直流电磁机构的吸力特性,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,3) 交流电磁系统的短路环闭合状态的电磁机构都必须产生大于反力弹簧反力的吸力。直流电磁机构在这方面毫无问题，但对于交流电磁铁来说，铁芯中的磁通量及吸力是一个周期函数，其未加短路环时的磁通与吸力曲线如图1.1.6(a)所示。电磁机构在工作时，衔铁始终受到反作用弹簧、触头弹簧等反作用力的作用。尽管电磁吸力的平均值大于反力，但在某些时候，电磁吸力仍小于反力，衔铁开始释放，当电磁吸力大于反力时，衔铁又被吸合。如此周而复始，从而使衔铁产生振动，发出噪声。,图1.1.6(a) 未加短路环时磁通与电磁吸力 图1.1.6(b)加短路环后磁通与电磁吸力,消除振动和噪声。具体办法是在铁芯端部开一个槽，槽内嵌入称为短路环(或称分磁环)的铜环，如图1.1.7所示。当励磁线圈通入交流电时，短路环把铁芯中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的1和穿过短路环的2。由于短路环的作用，使1与2产生相移，即不同时为零，2滞后于1，使合成吸力始终大于反作用力，从而消除了振动和噪声，如图1.1.6(b)所示。,图1.1.7 交流电磁铁的短路环,1.1.3 低压电器的触点系统1. 触点系统材料1)电器的触头系统触头的接触电阻触头亦称触点，是电器的主要执行部分，起接通和分断电路的作用。通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时也在铜触头表面电镀锡、银或镍。2)触头系统结构形式和接触形式触头的结构形式有单断点指形触头(如图1.1.8(e)和双断点桥式触头(如图1.1.9)两类。小型继电器中常采用分裂触头和片簧型式，如图1.1.8(f)、(g)所示。触头的接触形式归为三种：即点接触、线接触和面接触。,图1.1.8 触头的接触形式 1-固定件； 2-簧片； 3-两个触点,触头在接触时，其基本性能要求接触电阻尽可能小，为了使触头接触得更加紧密，以减小接触电阻，并消除开始接触时产生的振动，一般在制造时，在触头上装有接触弹簧，并在安装时将弹簧预先压缩了一段，使动触头刚与静触头接触时产生一个初压力F1，如图1.1.9(b)所示。触头闭合后，由于弹簧在超行程内继续变形而产生一终压力F2，如图1.1.9(c)所示。,(a)最终断开位置 (b)刚刚接触位置 (c)最终闭合位置图1.1.9 桥式触头闭合过程位置示意图,1.1.4 低压电器的灭弧系统1. 电弧的产生在大气中开断电路时，如果被开断电路的电流超过某一数值，开断后加在触头间隙两端电压超过某一数值(根据触头材料的不同其值在0.251 A、1220 V间)时，则触头间隙中就会产生电弧。实际上电弧是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象，即当触头间刚出现分断时，电场强度极高，在高热和强电场作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极，这些自由电子在电场中运动时撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子。因此，在触头间隙中产生大量的带电粒子，使气体导电形成了炽热电子流即电弧。电弧产生后，伴随高温产生并发出强光，将触头烧损，并使电路的切断时间延长甚至无法真正断开，严重时会引起火灾、触头熔焊或其他事故，因此，在电器中应采取适当措施熄灭电弧。,图1.1.10双断点和电动力灭弧 图1.1.11 电动力灭弧,2. 灭弧方法1）多断点灭弧 如图1.1.10所示有两个断口。2) 电动力灭弧电弧在触点回路电流I磁场的作用下，受到电动力F作用拉长，使之与陶土灭弧罩相接触，将热量传递给灭弧罩，促使电弧熄灭，如图1.1.11所示。,3) 磁吹灭弧 磁吹灭弧的原理如图1.1.12所示。 4) 纵缝灭弧室 纵缝灭弧室如图1.1.13所示。,图1.1.12 磁吹灭弧 图113纵缝灭弧室,1-磁吹线圈 2-铁芯 3-引弧角 4-电弧 5-磁性甲板 6-动触头 7-静触头,5) 栅片灭弧室 栅片灭弧室如图1.1.14所示。 6) 真空灭弧室 真空灭弧室如图1.1.15所示。,图1.1.14栅片灭弧室 1-动触头 2-电弧,1.2 接触器接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器。在功能上接触器除能自动切换外，还具有远距离操作功能和失压(或欠压)保护功能，但没有过载和短路保护功能。接触器按主触头控制的电流种类分，有交流接触器、直流接触器等。图1.2.1为几种常用接触器实物图。,(a) CJ20型交流接触器 (b) CJT1型交流接触器 (c) 直流接触器图1.2.1 接触器实物图,1.2.1 接触器的结构和工作原理1. 交流接触器的结构图1.2.2所示为交流接触器结构示意图，主要由电磁系统、触点系统、灭弧装置和其他辅助部件四部分组成。,图1.2.2 交流接触器结构示意图 1动触点；2静触点；3衔铁；4缓冲弹簧；5电磁线圈；6铁心；7垫毡；8触点弹簧；9灭弧罩；10触点压力簧片,2. 交流接触器的工作原理交流接触器工作原理如下：接触器电磁机构的线圈通电后，在铁芯中产生磁通。在衔铁气隙处生产吸力，使衔铁产生闭合动作，主触头在衔铁的带动下也闭合，于是接通了电路。与此同时，衔铁还带动辅助触头动作，使常开触头闭合，常闭触头断开。当线圈断电或电压显著降低时，吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧作用下打开，主、辅触头又恢复到原来状态。这就是电磁接触器的简单工作原理。图1.2.3所示为CJ10-20交流接触器结构图,图1.2.3 CJ1O-20交流接触器 l灭弧罩 2触头压力弹簧片 3主触头 4反作用弹簧 5线圈 6短路环 7静铁芯 8弹簧 9动铁芯 10辅助常开触头,1.2.2 接触器的主要技术参数接触器的主要技术参数有额定电压、额定电流、寿命、操作频率等。(1) 额定电压是指接触器主触点的额定电压。(2) 额定电流是指接触器主触点的额定工作电流。 (3) 吸引线圈的额定电压交流有36 V、127 V、220 V和380 V。直流有24 V、48 V、220 V和440 V。(4) 机械寿命和电气寿命(5) 线圈消耗功率(6) 额定操作频率(7) 动作值是指接触器的吸合电压和释放电压。规定接触器的吸合电压大于线圈额定电压的85时应可靠吸合，释放电压不高于线圈额定电压的70。,1.2.3 接触器的常用型号及电气符号 1. 接触器的常用型号表1.2.1CJ20系列交流接触器主要技术数据,2. 接触器的电气符号接触器的图形符号和文字符号如图1.2.4所示。,(a)线圈 (b)主触常开、常闭触点 (c)辅助常开、常闭触点图1.2.4 接触器的符号,1.2.4 接触器的选择主要考虑以下几方面：(1)根据负载性质选择接触器类型。(2)额定电压应不小于主电路工作电压。(3)额定电流应不小于被控电路额定电流。 (4)吸引线圈的额定电压与频率与所控制电路的选用电压、频率相一致。1.3 继电器继电器是一种根据电气量(电压、电流等)或非电气量(温度、压力、转速、时间等)的变化接通或断开控制电路的自动切换电器。继电器与接触器的主要区别在于：接触器的输入量只要电压，而继电器的输入可以是各种物理量；接触器的主要任务是控制主电路的通断，所以它强化执行功能，而继电器实现对各种信号的感测，并且通过比较确定其动作值，所以它强化感测的灵敏度、动作的准确性及反应的快速性，其触点通常接在小容量的控制电路中，一般不采用灭弧装置。继电器按工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。,