电气控制与PLC：第一章 常用低压电器.ppt

第第 1 篇篇电气控制与PLC电气控制技术电气控制技术第第 1 章章电气控制与PLC常用低压电器常用低压电器 本章摘要1.1 低压电器概述1.2 接触电器1.3 控制继电器1.4 其他常用低压电器1.1 低压电器概述低压电器概述 电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中电器的应用极为广泛随着电子技术、自动控制技术和计算机应用技术的迅猛发展，一些电器元件可能被电子电路所取代 由于电器元件本身也朝着新的领域扩展，例如：电器元件性能的提高；新型电器元件的产生；机、电、仪一体化电器元件的实现；电器元件应用范围的扩展等，而且有些电器元件有其特殊性，因此电器元件是不可能完全被取代的，以继电器、接触器等工业电器为基础的电气控制技术仍具有相当重要的地位 所谓电器是一种根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备低压电器通常指工作在交流电压1200V、直流电压1500V以下的电路中的电气设备 本章主要介绍电气控制系统中常用的各种低压电器元件的结构、工作原理和技术规格，不涉及元器件的设计，而着重于元件的应用。

1.1.1 低压电器的分类1.1.2 电气控制系统常用低压电器1.1.3 国内低压电器的发展概述1.1.1 低压电器的分类低压电器的分类分类方法：n按工作电压等级分类n按动作原理分类n按用途分类按工作电压等级分类1) 高压电器：用于交流电压1200V、 直流1500V及以上电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等2) 低压电器：用于交流50Hz（或60Hz）额定电压1200V一下、直流额定电压1500V以下的电路内起通断、保护、控制或调节作用的电器，例如接触器、继电器等按动作原理分类1)手动电器：通过人的操作发出动作指令的电器，例如刀开关、按钮等2)自动电器：产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器，例如接触器、继电器、电磁阀等按用途分类1) 控制电器，用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等2) 配电电器，用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器、低压断路器等3) 主令电器，用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等4) 保护电器，用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等5) 执行电器，用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。

1.1.2 电气控制系统常用低压电器电气控制系统常用低压电器接触器：交流接触器 直流接触器继电器：电磁式继电器：电压继电器、电流继电器、中间继电器 时间继电器：直流电磁式、空气阻尼式、半导体式 其他继电器：热继电器、干簧继电器、速度继电器熔断器：瓷插式 螺旋式 有填料封装管式 无填料封装管式 快速熔断器 自复式低压断路器：框架式 塑料外壳式 快速直流断路器 限流式 漏电保护器位置开关： 制动式 滚动式 微动式按钮、刀开关等1.1.3 国内低压电器的发展概述国内低压电器的发展概述n国内低压电器的发展概况n低压控制电器的发展趋势1) 国内低压电器的发展概况 低压电器可分为低压配电电器和低压控制电器 第一代产品：20世纪6070年代初，仅有17个系列，自行开发，填补我国低压电器工业空白，市场占有率约15； 第二代产品：20世纪70年代末80年代初，产品进入更新换代的时期，开发新产品技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，适应成套装置要求，市场占有率约45； 第三代产品：20世纪90年代，抓住主要产品系列，跟踪国外先进技术，开发生产高性能、小型化、电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化产品，市场占有率约40。

2) 低压控制电器的发展趋势1) 电力电子技术与微电子技术在低压电器中的应用范围越来越广2) 应用电子技术改造传统电器3) 低压电器的小型化、多功能化和组合化4) 研究限流新技术，提高分断能力和限流能力5) 低压电器测试技术的数字化和电磁兼容技术的研究1.2 接触器接触器什么是接触器？ 接触器是电力拖动和自动控制系统中使用量大面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和断开交直流主回路和大容量控制电路主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护1.2.1 结构与工作原理1.2.2 交流接触器1.2.3 直流接触器1.2.4 主要技术参数与选用原则1.2.1 结构与工作原理结构与工作原理 一）接触器的结构 接触器主要由电磁机构、触头系统和灭弧装置组成，其结构简图如图1-1所示 l-动触头 2-静触头 3-动铁心 4-反力弹 5-线圈 6-静铁心 7-垫毡 8-接触弹簧 9-灭弧罩 10-触头压力簧片 图1-1 接触器结构图（1）电磁机构 电磁机构是接触器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开电磁机构包括动铁心（衔铁）、静铁心和电磁线圈三部分电磁机构类型1) 按衔铁的运动方式分为： 衔铁绕棱角转动，如图1-2a所示。

衔铁绕磁轭的棱角而转动，磨损较小，铁芯用软铁，适用于直流接触器 衔铁绕轴转动，如图1-2b所示衔铁绕轴转动，铁芯用硅钢片叠成，用于交流接触器 衔铁直线运动，如图1-2c所示衔铁圈内作直线运动，多用于交流接触器中 图1-2 常用电磁机构的形式 l铁心 2线圈 3衔铁2) 按铁心形状分类，电磁机构可分为U形（如图1-2a所示）和E 形（如图1-2b和c所示）3) 按线圈的连接方式分类，可分为并联（电压线圈）和串联（电流线圈）两种4) 按吸引线圈的种类分类，可分为直流线圈和交流线圈两种a) 吸力特性 电磁机构的吸力与气隙的关系曲线称为吸力特性吸力特性随励磁电流种类(交流或直流)、线圈连接方式(串联或并联)的不同而有所差异电磁机构的吸力可近似地按下式求得： （1-1） 式中，F为电磁吸力（N）；B为气隙磁感应强度（T）；S为铁心截面积（m2） 当铁心截面积S为常数时，电磁吸力F与B2成正比，也可认为F与气隙磁通2成正比，即F2由于励磁电流的种类对吸力特性有很大影响，所以下面分别对交、直流电磁机构的吸力特性进行讨论交流电磁机构的吸力特性 设线圈外加电压U不变，交流电磁线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻忽略不计，则 （1-2） （1-3） 式中，U为线圈外加电压（V）；E为线圈感应电动势（V）；f为电压频率（Hz）；为气隙磁通(Wb)；N为电磁线圈的匝数。

当电压频率f、电磁线圈的匝数N和线圈外加电压U为常数时，气隙磁通也为常数，则电磁吸力也为常数，即F与气隙大小无关实际上，考虑到漏磁通的影响，电磁吸力F随气隙的减小略有增加交流电磁机构的吸力特性如图1-3所示由于交流电磁机构的气隙磁通不变，IN随气隙磁阻(也即随气隙)的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I与气隙成正比变化 图1-3 交流电磁机构的吸力特性 直流电磁机构的吸力特性 由于线圈外加电压U和线圈电阻不变，所以流过线圈的电流I也为常数，即不受气隙变化的影响，根据磁路定律有： （1-4） 式中，Rm为气隙磁阻（H-1），则 （1-5） 即电磁吸力F与气隙的平方成反比直流 电磁机构的吸力特性如图1-4所示 由于一般U形交流电磁机构，圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，电流将达到吸合后额定电流的56倍，E形电磁机构将达到1015倍如果衔铁卡住不能吸合，或者频繁动作，线圈可能烧毁这就是对于可靠性高或频繁动作的控制系统一般采用直流电磁机构，而不采用交流电磁机构的原因图1-4 直流电磁机构的吸力特性（b）反力特性 电磁机构转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特性阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁重量有关。

c）吸力特性与反力特性之间的配合 吸力特性与反力特性的配合如图1-5所示 电磁机构欲使衔铁吸合，在整个吸合过程中，吸力都必须大于反力；但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命反映在特性图上，就是要保证吸力特性曲线在反力特性曲线上方当切断电磁机构的激磁电流以释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放因此，吸力特性与反力特性必须配合得当，才有助于电器性能的改善在实际应用中，可调整反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好配合上述配合对于继电器同样适用 在12的区域内，反力随气隙减小略有增大到达2的位置，动触点开始与静触点接触，这时触点上的初压力作用到衔铁上，反力骤增，曲线突变其后在2到0的区域内，气隙越小触点压得越紧，反力越大，其曲线较12段陡 图1-5 吸力特性和反力特性 1-直流接触器吸力特性 2-交流接触器吸力特性 3-反力特性 对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反作用弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后吸力增大，当吸力大于反力时，衔铁又吸合由于交流电源频率的变化，衔铁的吸力随之每个周波二次过零，因而衔铁产生强烈振动与噪声，甚至使铁心松散。

为了避免衔铁振动，如图1-6所示在铁心端面上安装一个铜制的分磁环（或称短路环），其包围铁心端面约2/3的面积当电磁机构的交变磁通穿过短路环所包围的截面S2时，环中产生涡流根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通2在相位上落后于截面S1中的磁通1这样，铁心中有两个不同相位的磁通1和2，电磁机构的吸力为它们产生的吸力F1和F2之和只要此合力始终大于反力，衔铁的振动现象就消失了 图1-6 加短路环后的磁通和电磁吸力曲线 a) 磁通示意图 b) 电磁吸力曲线（2）触头系统 触头（触点）是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制的电路 触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头主触头和辅助触头主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流 触头按其结构形式可分为桥型触头桥型触头和指型触头指型触头 触头按其原始状态可分为常开触头常开触头和常闭触头常闭触头；原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态时闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头 按触头接触形式可分为三种，即点接触点接触、线接触线接触和面面接触接触点接触指两个半球形触点或一个半球形与一个平面形触点构成。

它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点或继电器触点线接触指两个带弧面的矩形触头相接触，它的接触区域是一条直线触点在通断过程中是滚动接触，这样，可以自动清除触点表面的氧化膜，同时长期工作的位置不是在易烧灼的接触点，从而保证了触点的良好接触这种滚动线接触多用于中等容量的触头，如接触器的主触头面接触指两个平面触头相接触，它可允许通过较大的电流这种触点一般在接触表面上镶有合金，以减小触点接触电阻和提高耐磨性，多用作较大容量接触器的主触点 由于触点表面的不平与氧化层的存在，两个触点的接触处有一定的电阻为了减小此接触电阻，需在触点间加一定压力当动触点与静触点接触时，由于安装时弹簧被预先压缩了一段，因而产生一个初压力F1，如图1-7b所示触点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1-7c所示弹簧压缩的距离l称为触点的超行程，即从静、动触点开始接触到触点压紧，整个触点系统向前压紧的距离有了超行程，在触点磨损情况下，仍具有一定压力磨损严重时应予更换 图1-7 触点的位置示意图 a)最终拉开位置 b)刚刚接触位置 c)最终闭合位置（3）灭弧装置 当触头断开瞬间，触头间距离极小，电场强度极大，触头间产生大量的带电粒子，形成炽热的电子流，产生弧光放电现象，称为电弧。

电弧的存在既妨碍了电路及时可靠地分断，又会使触头受到磨损因此，必须采取适当且有效的措施，以保护触头系统，降低它的磨损，提高它的分断能力，从而保证整个电器的工作安全可靠 1）磁吹式灭弧装置其原理如图1-8所示由于这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧的能力也越强，且不。