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第2章 电器的基本知识 什么是电器？ 电器 —— 电气器具 电器的定义：指能依据操作信号或外界现场信号的 要求，自动或手动接通和断开电路，连续或断续地 改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、 控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电 工装置 电器 —— 一种能控制电的工具 2.1 电器概述2.1.1 电器的分类1. 按工作电压等级分低压电器：工作电压在交流1200V或直流1500V以 下的各种电器高压电器：工作电压高于交流1200V或直流1500V的 各种电器安全电压安全电压定义：为防止触电事故而采用特定电源供 电的电压系列 我国GB3805-83安全电压标准规定：安全电压的 额定值为42、36、24、12、6V1. 42V可供有触电危险的场所使用，如手持式电动 工具等的使用； 2. 36V可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等 场合下使用； 3. 24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带 电体的设备选用2. 按动作原理分手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务 的电器如刀开关、控制按钮、控制器、转换开 关等自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电 信号自动完成指令任务的电器。

如交直流接触器 、继电器、高压断路器等3. 按用途分控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电 器保护电器：用于保护电路及用电设备的电器配电电器：用于电能的输送和分配的电器执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器4. 按工作原理分电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器非电量控制电器：电器的工作是依靠外力或某种 非电物理量的变化而动作的电器5. 按电器的执行机构特点分有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现 无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械接 触，而是根据输出信号的高低实现的（即半导体器 件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三极管的 饱和截止来实现电路的通断）2.1.2 电器产品的发展1. 我国电器产品的发展历程低压电器产品大致可分为三代： 20世纪60～70年代：第一代电器产品 完全模仿前苏联的基础上设计开 发的特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理 想、品种规格不齐全 CJ10交流接触器DZ10断路器DW10多油断路器第一代电器产品第二代产品 20 世纪70～80 年代：第二代电器产品 更新换代和引进国外先进技术制 造的。

特点：技术指标明显提高，保护特性较完善，体积 缩小，结构上适应成套装置要求 CJ20接触器DZ20断路器DW15断路器 第二代电器产品第三代产品 20 世纪90 年代：第三代电器产品 跟踪国外新技术自行开发试制的特点：产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电 子化、智能化、组合化、模块化、多功能化 CJ40接触器DZS断路器DW45断路器 第三代电器产品2. 电器产品的发展趋势传统的有触点电器：在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺 方面不断创新和完善 真空电器 半导体电器 新型电器 机电一体化电器有触点电器电器产品向着组合化、成套化和智能化发展 2.1.3 新技术在电器设计和开发中的 应用1. 三维计算机辅助设计系统三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一 体，设计者可在三维空间完成零部件设计和装配， 实现设计和制造的自动化与优化，并在此基础上自 动生成工程图纸 2. 低压电器专用计算机应用软 件数据、符号、标准元件库软件包： • 专用分析、计算软件，如磁系统三维分析、 计算软件包 • 电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电 器合闸和分断过程动态仿真、电磁机构和触 头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程 的动态仿真、样机测试等软件包。

3. 计算机网络系统的应用低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护 与信息网络 智能化电器监控器中央计算机包括可编程序控制器（PLC）网络元件监控器：在网络中起参数测量、显示和某些保护 功能，还具有通信接口的作用，代替了传统的指 令电器、信号电器和测量仪表网络元件：用于形成通信网络，主要有现场总线、 操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术 的应用一方面使低压电器智能化，提高了低压配电与控 制系统的自动化程度；另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双 向通信，使低压配电、控制系统的调度、操作和 维护实现了四遥（遥控、遥信、遥测、遥调）， 提高了整个系统的可靠性 4. 可靠性技术① 可靠性物理研究，即产品失效机理研究；② 可靠性指标与考核方法研究；③ 可靠性实验装置研究；④ 提高可靠性水平研究；5. 新的灭弧系统和限流技术• 实现开关电器“无飞弧” • 电子灭弧装置• 实现无弧分断电路 国外从20世纪90年代后期就推出了智能化、可通 信的第四代产品如今，我国低压电器也已进入第四代的开发传统低压电器向着高性能、高可靠、小型化、多 功能、组合化、模块化、电子化、智能化和零部 件通用化的方向发展。

2.2 电器的基本理论电器的组成： 从控制的角度看电器输入部分输出部分结构上电器感测部分判断部分执行机构2.2.1 电磁式电器的工作原理电磁式电器的组成：感测和判断部分 —— 电磁机构执行机构 —— 触头 1.感测和判断部分电磁机构：铁心吸引线圈衔铁弹簧动触头静触头动画将电磁能量转换为机械能量，带动触头 工作，完成接通和分断电路1）电磁机构的工作特性输入电能→磁场能量↑→Φ↑→↓电磁吸力 如果空气隙中的磁场均匀分布，根据麦克斯韦电磁 力计算公式：真空的磁导率 当端面面积S为常数时，电磁吸力与B2或Φ2成正比 电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来描 述吸力特性：电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸 引衔铁的电磁吸力与气隙的关系曲线反力特性：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关 系曲线 1）直流电磁铁的吸力特性空气隙的磁阻 在IN一定时，电磁吸力Fat与气隙大小δ的平方成反比 直流电磁机构的吸力特性电磁铁未吸合时，磁路 中有空气隙δ磁路中的 磁阻较大，所以磁通较 小，电磁吸力Fat也较 小；电磁铁吸合后，气隙δ 减小磁路中的磁阻也减 小，磁通增大电磁吸力 也增大在直流电磁铁吸合过程中，电磁吸力是逐渐增加，完 全吸合时电磁吸力最大。

对于要求可靠性高或频繁动 作的控制系统常采用直流电磁机构 当气隙δ相同时，安匝数大的电磁铁其电磁吸力越 大当然电磁线圈的励磁电压U的升高或降低，即励磁 电流I的增大或减小，以及气隙的大小都将影响到 电磁铁的吸力特性，从而影响电磁铁的工作2）交流电磁铁的吸力特性设，气隙中的电磁感应强度按正弦规律变换 交流电磁铁吸力瞬时值的表达式： 交流电磁吸力交流电磁铁电磁吸力的大小是随时间周期性的变化 交流电磁吸力的平均值交流电磁铁电磁吸力的大小取决于电流变化的一个 周期内电磁吸力的平均值 当励磁电压U、频率f和线圈匝数N不变时，交流电磁铁 的电磁力F0也不变 交流电磁机构的吸力特性F0=f(δ)i=f(δ)交流电磁铁吸合前后Φm的值是不变的，故电磁力F0 也不变考虑到漏磁的影响，其吸力随气隙的减小略 有增加， 交流励磁电流I将随气隙长度δ成正比增大 气隙磁阻Rm要随气隙长度δ的加大成正比增加当励磁电压U、频率f和线圈匝数N不变时，交流电磁 铁的磁通最大值Φm几乎不变 结论• 交流电磁机构的励磁电流圈已通电但衔铁尚未 动作时，电流比额定工作电流大得多• 若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流线 圈将可能因过电流而烧毁。

• 在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用交 流电磁机构 瞬时吸力吸力最大吸力为0电磁吸力为零将小于弹簧的反作用力，衔铁将从与铁心 闭合处被拉开； 当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁又被吸合 短路环短路环铁心吸引线圈衔铁解决交流电磁铁产生振动和噪音的措施短路环的作用只要合成吸力始终大于弹簧反作用力Ff，就能消除 衔铁的振动，从而消除噪音短路环通常包围的铁心截面，一般用铜、康铜或铬 合金等材料制成 3）反力特性电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧 的弹力、触点弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦 力统称为电磁机构的反力 电磁机构使衔铁释放的力 主要是利用弹簧反力 弹簧的反力特性： 4）剩磁的吸力特性当电磁机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁 使其仍有一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙δ的 增大而减小剩磁吸力 特性吸力和反力的配合电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力必须大于反力 ，但不宜过大，否则会影响电器的机械寿命在释放衔铁时，其反力必须大于剩磁吸力才能保证 衔铁可靠释放要求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5）电磁机构的输入－输出特性输入量x —— 线圈电压或电流输出量y —— 衔铁的位置。

衔铁吸合时 的动作值x0当输入信号下降 到复归值xr时， 衔铁释放 返回系数复归值xr与动作值x0之比称为返回系数或恢复系数 Kf：电磁机构的返回系数一般小于12）电磁机构分类1——铁心 2——吸引线圈 3——衔铁 虚线——磁路• 衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：衔铁绕铁 轭的棱角转动这种形式磨损小，铁心一般用 电工软铁制成，广泛用于直流电器和接触器中 • 衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅 钢片叠成，常用于大容量交流接触器中• 衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁圈 内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器 和继电器中 （3）吸引线圈吸引线圈：将电能转换为磁场能吸引线圈的分类：按线圈的联接方式分：• 电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗 大，但电流较小，所以常用绝缘较好的电线绕制• 电流线圈：串接在主电路中，匝数少，电流较大， 所以常用扁铜线或粗铜线绕制按吸引线圈电流的种类分：• 直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热只有线 圈发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不 设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热 • 交流线圈：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡 流损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所 以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈 制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈 散热。

2. 执行机构执行机构——电器的触头系统触头（又称触点）的作用——接通和分断电路动触头静触头灭弧装置导电部件触 头对触头的要求导电、导热性良好，接触电阻小触头通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时 也在铜触头表面镀一层锡、银或镍触头上装有接触弹簧，并在安 装时将弹簧预先压缩一段，使 动触头刚与静触头接触时就产 生一个初压力接触弹簧作用：触头接触得更加紧密，减小接触电阻，消除 开始接触时产生的振动 常开触头和常闭触头触头按其原始状态可分为：常开触头和常闭触头原始状态 —— 吸引线圈未通电时的状态常闭触头常开触头常开触头：当线圈未通电时触头断开，而线圈通电后 触头闭合的触头又称为动合触头；常闭触头：当线圈未通电时触头闭合，线圈通电后触 头断开的触头又称为动断触头触头的复位——线圈断电后所有触头回复到原始状态动作顺序：先断后合主触头和辅助触头按触头控制的电路分为：主触头和辅助触头主触头：用于接通和断开主电路，允许通过较大 的电流，一般装有灭弧罩；辅助触头：用于接通和断开控制电路，只允许通 过较小的电流触头的结构型式 桥式触头 桥式触头：桥式触头的两个触点串于同一条电路 中，电路的接通和断开由两个触点共同完成。

• 点接触型式——适用于电流不大，且触头压力 小的场合，如继电器电路、辅助触点；• 面接触型式——适用于大电流的场合，这种触 头一般在接触表面上镶有合金，以减小触点的 接触电阻提高耐磨性，多用于较大容量接触器 的主触头指形触头 ：触头的接触区为一直线，触头接通或分 断时产生滚动摩擦，既利于去掉氧化膜，又可以缓 冲触头闭合时的撞击能量，改善触头的电器性能适用于通电次数多，电流大的场合，常用于刀开关 2.2.。