常用低压电器与可编程序控制器第1章.ppt
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1、第1章 低压电器的基本原理 第1章 低压电器的基本原理 1.1 低压电器的基本结构低压电器的基本结构 1.2 低压电器的主要技术性能和参数低压电器的主要技术性能和参数 1.3 电气控制技术中常用的图形和文字符号电气控制技术中常用的图形和文字符号 第1章 低压电器的基本原理 1.1 低压电器的基本结构低压电器的基本结构 1.1.1 电磁机构电磁机构 电磁机构是电磁式电器的主要组成部分,其工作原理是将电磁能转换成为机械能,从而带动执行部分触头动作。电磁机构由吸引线圈(励磁线圈)和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后,产生磁场,磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路,产生
2、电磁吸力,将衔铁吸向铁心。与此同时,衔铁还要受到反作用弹簧的拉力,只有当电磁吸力大于弹簧拉力时,衔铁才可靠地被铁心吸住。其结构型式按铁心型式分有单E型、螺管型等;按动作方式分有直动式、转动式等,见图1-1。第1章 低压电器的基本原理 图1-1 电磁机构的几种形式(a)单E型电磁铁;(b)螺管型电磁铁;(c)转动式 第1章 低压电器的基本原理 电磁机构按吸引线圈的通电种类可分为直流电磁线圈和交流电磁线圈。当交流电磁线圈接通交流电源时,铁心中有磁滞损失与涡流损失。为了减小由此造成的能量损失和温升,铁心和衔铁用硅钢片叠成,而且线圈粗短并有线圈骨架将线圈与铁心隔开,以免铁心发热传给线圈,使其过热而烧毁
3、。当直流电磁线圈接通直流电源时,铁心中没有磁滞损失与涡流损失,只有线圈本身的铜损,所以直流电磁铁线圈没有骨架,且成细长形,铁心和衔铁可以用整块电工软钢做成。第1章 低压电器的基本原理 线圈是电磁铁的心脏,也是电能与磁场能量转换的场所。大多数电磁铁线圈并接在电源电压两端,称为电压线圈。它的特点是匝数多,线径较细,阻抗大,电流小,常用绝缘性能好的电磁线绕制而成。当需反映电路电流时,则将线圈串接于电路中,成为电流线圈。它的特点是匝数少,线径较粗,常用扁铜带或粗铜线绕制。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关
4、系曲线称为反力特性。第1章 低压电器的基本原理 1.直流电磁铁的电磁吸力直流电磁铁的电磁吸力 直流电磁铁的电磁吸力根据麦克斯韦公式计算:(1-1)式中:F电磁铁磁极的表面吸力(N);B工作气隙磁感应强度(T);S铁心截面积(m2);气隙磁通;磁路空气隙。第1章 低压电器的基本原理 图1-2 直流电磁铁的吸力特性 第1章 低压电器的基本原理 图1-3 直流线圈并联放电电路 第1章 低压电器的基本原理 2.交流电磁铁的电磁吸力交流电磁铁的电磁吸力 交流电磁铁的电磁吸力公式为(1-2)第1章 低压电器的基本原理 式中:Bm为B的最大值。由式(1-2)可知,虽然交流电磁铁磁感应强度是正、负交变的,但电
5、磁吸力却是脉动的、方向不变的。电磁吸力由两项组成:第一项为平均吸力Fav,其值为最大吸力的一半;第二项为以电源频率两倍变化的交变分量,如图1-4所示。第1章 低压电器的基本原理 图1-4 交流电磁铁吸力的变化情况 第1章 低压电器的基本原理 即式(1-2)中的第二项为 (1-3)交流电磁吸力是在最大值为2Fav和最小值为0的范围内以两倍于电源频率周期地变化的,因此在每一个周期内,必然有某一段时刻的吸力小于弹簧产生的反作用力。这时衔铁在反力作用下将开始释放,而当吸力再次大于反力时,衔铁又被吸合。如此周而复始,衔铁会产生振动。这种振动对电器工作十分不利,同时还会发出噪声。为此,必须采取措施消除振动
6、。第1章 低压电器的基本原理 3.短路环的作用短路环的作用 在单相交流电磁铁铁心极面上加装短路环可消除振动和噪声。设将铁心极面上的磁通分成两部分和,其相应的截面积为S1和S2。若使这两部分交变磁通间有一个相位差,则两部分磁通所产生的吸力间也有一个相位差。这样,虽然每部分吸力都有到达零值的时刻,但二者合成后的吸力却无零值的时刻。如果合成吸力在任一时刻都大于反力,就可消除振动和噪声。在一部分铁心极面上安装短路环即可达到磁通的分相作用,如图1-5所示。第1章 低压电器的基本原理 图1-5 短路环 第1章 低压电器的基本原理 图1-6 有短路环的局部等效磁路 第1章 低压电器的基本原理(1-4)第1章
7、 低压电器的基本原理 式中:Xm2短路环的磁抗();r短路环的电阻();磁通与的相位差;W短路环匝数,通常W=1。磁通 、可表示为(1-5)(1-6)第1章 低压电器的基本原理 则由式(1-4)可得 和 在衔铁上产生的电磁吸力分别为 (1-7)(1-8)第1章 低压电器的基本原理 由F1和F2相加构成的合成吸力即为电磁铁的电磁力,图1-7所示为 、和 、的关系曲线。图中,Fmax为合成电磁吸力的最大值,Fmin为合成电磁吸力的最小值,Fr为反力,只要FminFr,即可满足消除振动和噪声的要求。但必须指出,即使满足FminFr,吸力仍是脉动的。为减小脉动,应取=5080,而S2/S134。短路环
8、应采用导电性能好、机械强度高的材料制作。第1章 低压电器的基本原理 图1-7 有短路环时的吸力变化曲线 第1章 低压电器的基本原理 4.交流电磁机构的吸力特性交流电磁机构的吸力特性 交流电磁机构励磁线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗(电阻相对很小),则 (1-9)(1-10)式中:U线圈电压(V);E线圈感应电势(V);f线圈外加电压的频率(Hz);气隙磁通(Wb);W线圈匝数。第1章 低压电器的基本原理 当频率、匝数和外加电压为常数时,由式(1-10)可知,磁通亦为常数,因此电磁吸力的幅值也为常数。由于线圈外加电压与磁路空气隙的变化无关,因此电磁吸力亦与气隙的大小无关。实际上,考虑到漏磁通的影响
9、,吸力随气隙的减小会略有增加。其吸力特性如图1-8所示。第1章 低压电器的基本原理 图1-8 交流吸力特性 第1章 低压电器的基本原理 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。根据磁路定律:得出交流励磁线圈的电流与气隙成正比。(1-11)第1章 低压电器的基本原理 一般当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形电磁机构电流则达到额定电流的1015倍。因此,当衔铁卡住不能吸合或者频繁动作时,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。第1章 低压电器的基本原理 5.吸力特
10、性与反力特性的配合吸力特性与反力特性的配合 电磁铁中的衔铁除受电磁吸力作用外,同时还受到与电磁吸力方向相反的作用力。这些反作用力通常包括反作用弹簧力、触点弹簧所产生的力、运动部分的重力与摩擦力等几部分。若不计后两种力,则反力特性如图1-9所示。为了使电磁铁能正常工作,衔铁在吸合时,吸力必须始终大于反力,即吸力特性始终处于反力特性的上方;衔铁释放时,吸力特性必须处于反力特性的下方。图1-10为吸力特性与反力特性的配合情况。第1章 低压电器的基本原理 图1-9 反力特性 第1章 低压电器的基本原理 图1-10 吸力特性与反力特性的配合 第1章 低压电器的基本原理 1.1.2 触头和电弧触头和电弧
11、1.触头的接触电阻触头的接触电阻 触头亦称触点,起接通和分断电路的作用。在有触头的电器元件中,电器元件的基本功能是靠触头来完成的,所以要求触头导电、导热性能良好。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电镀锡、银或镍。铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜,它将增大触头的接触电阻,使触头的损耗增大,温度上升。所以,有些特殊用途的电器,如微型继电器和小容量的电器,触头常采用银质材料。这不仅因为其导电和导热性能均优于铜触头,更主要的原因是其氧化膜电阻率很低,仅是纯铜的十几分之一,甚至还小,而且要在较高的温度下才会形成,并容易粉化。因此,银触头具有较低且稳定的接触电阻。在大、中容量的低压电
12、器结构设计上,触头采用滚动接触,可将氧化膜去掉,这种结构的触头常采用铜质材料。第1章 低压电器的基本原理 触头之间的接触电阻包括“膜电阻”和“收缩电阻”。“膜电阻”是触头接触表面在大气中自然氧化而生成的氧化膜造成的。氧化膜的电阻要比触头本身的电阻大几十到几千倍,导电性能极差,甚至不导电,而且受环境的影响较大。“收缩电阻”是由于触头的接触表面不光滑造成的。在接触时,实际接触的面积总是小于触头原有的可接触面积,这样使有效导电截面减小,当电流流经时,就会产生电流收缩现象,从而使电阻增加及接触区的导电性能变差。第1章 低压电器的基本原理 如果触头之间的接触电阻较大,则会在电流流过触头时造成较大的电压降
13、,这对弱电控制系统影响较严重。另外,电流流过触头时电阻损耗大,将使触头发热而致温度升高,导致触头表面的“膜电阻”进一步增加及相邻绝缘材料老化,严重时可使触头熔焊,造成电气系统故障。因此,对各种电器的触头都规定了它的最高环境温度和允许温升。第1章 低压电器的基本原理 除此之外,触头在运行时还存在触头磨损的情况。触头的磨损包括电磨损和机械磨损。电磨损是由于在通断过程中触头间的放电作用使触头材料发生物理性能和化学性能变化而引起的。电磨损的程度决定于放电时间内通过触头间隙的电荷量的多少及触头材料的性质等。电磨损是引起触头材料损耗的主要原因之一。机械磨损是指由于机械作用而使触头材料产生的磨损和消耗。机械
14、磨损的程度取决于材料硬度、触头压力及触头的滑动方式等。为了使接触电阻尽可能地小,要注意三个方面的问题:一是要选用导电性好、耐磨性好的金属材料作触头,使触头本身的电阻尽量减小;二是要使触头接触得紧密一些;另外,在使用过程中尽量保持触头清洁,在有条件的情况下应定期清理触头表面。第1章 低压电器的基本原理 2.触头的接触形式触头的接触形式 触头的接触形式及结构形式很多,通常按其接触形式归为三种,即点接触、线接触和面接触,如图1-11所示。触头的结构形式有指形触头和桥形触头等。显然,面接触时的实际接触面要比线接触的大,而线接触的又要比点接触的大。第1章 低压电器的基本原理 图1-11 触点的三种接触形
15、式(a)点接触;(b)线接触;(c)面接触 第1章 低压电器的基本原理 图1-12 桥式触头闭合过程位置示意图(a)最终断开位置;(b)初始接触位置;(c)最终闭合位置 第1章 低压电器的基本原理 触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。原始状态时断开(即线圈未通电),线圈通电后闭合的触头叫常开触头。原始状态闭合,线圈通电后断开的触头叫常闭触头。线圈断电后所有触头复原。按触头控制电路的不同可将其分为主触头和辅助触头。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。第1章 低压电器的基本原理 3.触头的工作过程触头的工作过程 触头的工作可分为
16、三种工作状态:闭合过程、闭合状态和分断过程。1)载流情况下触头的闭合载流情况下触头的闭合 在触头闭合的过程中,往往会发生运动部分的弹跳,而触头的这一机械振动又使触头表面产生电气磨损,严重时将发生触头熔焊。为此,可适当增大触头弹簧的初压力,减小触头质量,降低触头的接通速度,即采用指式触头等。第1章 低压电器的基本原理 2)闭合状态运行的触头闭合状态运行的触头 触头闭合工作时,由于“收缩电阻”及氧化膜的影响,致使损耗增大,温度升高;而温度的升高又反过来使触头表面氧化膜加剧。因此,触头工作在闭合状态时的主要问题是减小接触电阻,限制温升。第1章 低压电器的基本原理 3)载流情况下触头的分断载流情况下触
17、头的分断 两触头之间的接触实质上是许多个点的接触,触头在分断时最终将出现一个点接触的现象。这时,该点处的电流密度可达到1071012 A/m2,致使金属熔化,并随着触头的分离形成熔化了的高温金属液桥。一旦触头完全分开,金属液桥被拉断,会在断口处产生电弧。因此,在载流情况下触头分断时的主要问题是电弧的熄灭。第1章 低压电器的基本原理 4.电弧的产生及灭弧方法电弧的产生及灭弧方法 在自然环境中断开电路时,如果被断开电路的电流(电压)超过某一数值(根据触头材料的不同,其值约在0.251 A,1220 V),则触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。所谓气体放电,就
18、是触头间隙中的气体被游离而产生大量的电子和离子,在强电场作用下,大量的带电粒子作定向运动,于是绝缘气体就变成了导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能,发出光和热的效应,产生高温及强光,使触头烧损,并使电路切断时间延长,甚至不能断开,造成严重事故。电弧对电器的影响主要有以下几个方面:第1章 低压电器的基本原理 (1)触头虽已打开,但由于电弧的存在,使要断开的电路实际上并没有断开。(2)电弧的温度很高,严重时可使触头熔化。(3)电弧向四周喷射,会使电器及其周围物质损坏,甚至造成短路,引起火灾。第1章 低压电器的基本原理 1)电弧的产生过程电弧的产生过程(1)强电场放射。(2)(2)
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