常用低压电器分析解析.ppt
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1、低压电器低压电器自动化系 刘彬3/7/2023电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系电器高压电器:电力系统运行中使用电网切换、传输、保护时多用低压电器:交流50Hz,额定电压1200V,直流1500A及以下的电路中使用电路中起通断、保护、控制或调节作用电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系2.1 概述 低压电器种类繁多,用途广泛,低压电器种类繁多,用途广泛,按应用场所提出的不同要求可以分按应用场所提出的不同要求可以分为为配电电器配电电器与与控制电器控制电器两大类。两大类。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系配电电器主要用于低压配电系统中。配电电器主要用于低压配电系统中。配电系统对
2、电器的要求是:配电系统对电器的要求是:在系统发生在系统发生故障的情况下,动作准确,工作可靠,故障的情况下,动作准确,工作可靠,有足够的热稳定性和电稳定性。有足够的热稳定性和电稳定性。常见的常见的配电电器有低压隔离器(刀开关)、熔配电电器有低压隔离器(刀开关)、熔断器、断路器等。断器、断路器等。控制电器主要用于电力拖动控制系统和控制电器主要用于电力拖动控制系统和用电设备的通断控制。用电设备的通断控制。对控制电器的要求是:对控制电器的要求是:工作准确可靠,工作准确可靠,操作频率高,寿命长等。操作频率高,寿命长等。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系一、电器的定义 是一种根据外界施加的信号和技
3、术是一种根据外界施加的信号和技术要求,能手动或自动地断开或接通电路,要求,能手动或自动地断开或接通电路,断续或连续地改变电路参数,以实现对断续或连续地改变电路参数,以实现对电或非电对象的切换、控制、检测、保电或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的电工器械。护、变换和调节的电工器械。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系二、电器的分类按工作电压等级分类按工作电压等级分类:高压电器:高压电器:AC1200V、DC1500V及以上电路中的电器。及以上电路中的电器。低压电器:低压电器:AC1200V、DC1500V以下电路中的电器。以下电路中的电器。按动作原理按动作原理分类分类:手动电器
4、:手动电器:通过人的操作发出动作指令的电器通过人的操作发出动作指令的电器。自动电器:自动电器:产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器。按有无触点按有无触点分类分类:有触点有触点 无触点无触点 混合式混合式 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系按使用场合分类按使用场合分类 一般工业用电器一般工业用电器 特殊工矿用电器特殊工矿用电器 农用电器农用电器 其他场合(航空、船舶)用电器其他场合(航空、船舶)用电器按使用系统按使用系统分类分类:电力拖动用电器电力拖动用电器 电力系统用电器电力系统用电器 自动化通讯用电器自动化通讯用电器 电器与可编程控制器技术太原工业
5、学院自动化系按用途分类:按用途分类:控制电器:控制电器:用于各种控制电路和控制系统的电器。用于各种控制电路和控制系统的电器。要求:有一定的通断能力,操作频率高,寿命长要求:有一定的通断能力,操作频率高,寿命长 如如:接触器、继电器、启动器、电磁阀等接触器、继电器、启动器、电磁阀等 配电电器:配电电器:用于电能的输送和分配的电器。用于电能的输送和分配的电器。要求:分断能力强、限流效果好、动稳定及热稳定性要求:分断能力强、限流效果好、动稳定及热稳定性 能好。能好。如:刀开关、自动开关、隔离开关、低压断路器。如:刀开关、自动开关、隔离开关、低压断路器。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 主令
6、电器:主令电器:用于自动控制系统中发送动作指令的电器。用于自动控制系统中发送动作指令的电器。要求:操作频率高、抗冲击、寿命长要求:操作频率高、抗冲击、寿命长如:按钮、主令开关、行程开关、万能转换开关如:按钮、主令开关、行程开关、万能转换开关 保护电器:保护电器:用于保护电路及用电设备的电器。用于保护电路及用电设备的电器。要求:有一定的通断能力,反应灵敏、可靠性高要求:有一定的通断能力,反应灵敏、可靠性高 如:熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器如:熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器 执行电器:执行电器:用于完成某种动作或传送功能的电器。用于完成某种动作或传送功能的电器。如:电磁铁、电
7、磁离合器如:电磁铁、电磁离合器随着电子技术和计算机技术的进步,近几年又出现了利用集成电路或电子元件构成的电子式电器,利用单片机构成的智能化电器,以及可直接与现场总线连接的具有通信功能的电器。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系三、电器的作用(1)控制作用:控制作用:如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。(2)保护作用:保护作用:能根据设备的特点,对设备、环境以及人身安全实行自动保护,如电动机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。(3)测量作用:测量作用:利用仪表及与之相适应的电器,对设备、电网或其他非电参数进行测量,如电流、电压、功率、转速、温度、压力等。电器与可编程控制器技术
8、太原工业学院自动化系(4)调节作用:调节作用:低压电器可对一些电量和非电量进行调整,以满足用户的要求,如电动机速度的调节、柴油机油门的调整、房间温度和湿度的调节、光照度的自动调节等。(5)指示作用指示作用:利用电器的控制、保护等功能,显示检测出的设备运行状况与电气电路工作情况。(6)转换作用转换作用:在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行。以实现功能切换,如被控装置操作的手动与自动的转换、供电系统的市电与自备电源的切换等。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系2.2 电磁式电器结构及工作原理(一)电磁机构(一)电磁机构(一)电磁机构(一)电磁机构电磁机构的结构型式电磁机构的结
9、构型式电磁机构的结构型式电磁机构的结构型式电磁机构:由吸引线圈、铁心、衔铁组成。电磁机构:由吸引线圈、铁心、衔铁组成。图图1-1 常用电磁机构的结构形式常用电磁机构的结构形式a)直动式电磁机构直动式电磁机构 b)拍合式电磁机构拍合式电磁机构1-衔铁衔铁 2-铁心铁心 3-线圈线圈双双E形直动式铁心形直动式铁心,多用于交流接触器、继电器多用于交流接触器、继电器中中沿棱角转动的拍合式铁心,主要应用于直流电磁机构沿棱角转动的拍合式铁心,主要应用于直流电磁机构沿轴转动的拍合式铁心,多用于触点容量较大的交流电磁机构沿轴转动的拍合式铁心,多用于触点容量较大的交流电磁机构 电器与可编程控制器技术太原工业学院
10、自动化系铁心及线圈铁心及线圈铁心及线圈铁心及线圈铁心铁心铁心铁心直流电磁电器直流电磁电器直流电磁电器直流电磁电器:铁心多用整块钢材或工业纯铁:铁心多用整块钢材或工业纯铁:铁心多用整块钢材或工业纯铁:铁心多用整块钢材或工业纯铁交流电磁电器交流电磁电器交流电磁电器交流电磁电器:多用硅钢片叠铆而成:多用硅钢片叠铆而成:多用硅钢片叠铆而成:多用硅钢片叠铆而成线圈线圈线圈线圈通入电流通入电流通入电流通入电流种类不同种类不同种类不同种类不同在电路中的在电路中的在电路中的在电路中的接入形式接入形式接入形式接入形式直流线圈直流线圈直流线圈直流线圈:无骨架、高而薄,铁心与:无骨架、高而薄,铁心与:无骨架、高而薄
11、,铁心与:无骨架、高而薄,铁心与线圈直接接触,易于散热线圈直接接触,易于散热线圈直接接触,易于散热线圈直接接触,易于散热交流线圈交流线圈交流线圈交流线圈:有骨架、短而厚,铁心存:有骨架、短而厚,铁心存:有骨架、短而厚,铁心存:有骨架、短而厚,铁心存在磁滞和涡流损耗,会发热在磁滞和涡流损耗,会发热在磁滞和涡流损耗,会发热在磁滞和涡流损耗,会发热串联线串联线串联线串联线圈圈圈圈:阻抗小,导线粗,匝数少:阻抗小,导线粗,匝数少:阻抗小,导线粗,匝数少:阻抗小,导线粗,匝数少 ,主要用于电流检测类电磁电器,主要用于电流检测类电磁电器,主要用于电流检测类电磁电器,主要用于电流检测类电磁电器并联线并联线并
12、联线并联线圈圈圈圈:阻抗大,导线细,匝数多:阻抗大,导线细,匝数多:阻抗大,导线细,匝数多:阻抗大,导线细,匝数多电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系(二)电磁吸力及其特性(二)电磁吸力及其特性(二)电磁吸力及其特性(二)电磁吸力及其特性反力特性与吸力特性反力特性与吸力特性反力特性与吸力特性反力特性与吸力特性电磁吸力由电磁机构产生。当电磁线圈断电时使触点恢复常态的力称为反力。电磁电器中反力由复位弹簧和触头产生,衔铁吸合时要求电磁吸力大于反力,衔铁复位时要求反力大于电磁吸力(此时是剩磁产生的电磁吸力)。式中:I线圈中通过的电流(A);N线圈的匝数(匝);S气隙截面积(m2);气隙宽度(m)
13、;F电磁吸力(N);0真空磁导率,04 10-7H/m。电磁吸力公式为:电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系a)a)反力特性反力特性l反力特性如图反力特性如图1所示,所示,其中其中1 1为电磁机构气隙为电磁机构气隙的初始值;的初始值;2 2为动、静为动、静触头开始接触时的气隙长触头开始接触时的气隙长度。由于超行程机构的弹度。由于超行程机构的弹力作用,反力特性在力作用,反力特性在2 2处有一突变。处有一突变。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系b)b)直流电磁机构吸力特性直流电磁机构吸力特性l直流电磁机构的励磁电流直流电磁机构的励磁电流是恒定不变的直流,其磁动是恒定不变的直流,其磁动
14、势也是恒定不变的。但随着势也是恒定不变的。但随着衔铁的吸合,空气隙变小,衔铁的吸合,空气隙变小,吸合后空气隙将消失,磁路吸合后空气隙将消失,磁路的磁阻显著减小,因而磁通的磁阻显著减小,因而磁通要增大。由要增大。由F表达式可知,表达式可知,吸合后的电磁力要比吸合前吸合后的电磁力要比吸合前大得多。大得多。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系l对于依靠弹簧复位的电磁铁来说,在线圈断电时,由于剩磁产生吸力,使复位比较困难,会造成一些保护用继电器的性能不能满足要求。在吸力较小的直流电压型电器中,衔铁上一般都装有一片0.lmm 厚非磁性磷钢片,增加在吸合时的空气间隙,使衔铁易于复位。在吸力较大的直流
15、电压型电器中,如直流接触器,铁心的端面上加有极靴,减小在闭合状态下的吸力,使衔铁复位自如。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系交流电磁机构的励磁电流是交变的,它所产生的磁交流电磁机构的励磁电流是交变的,它所产生的磁场也是交变的,因此电磁力的大小也是交变的。场也是交变的,因此电磁力的大小也是交变的。设空气隙处的磁通为设空气隙处的磁通为 将其代入将其代入F表达式中,可得交流电磁机构的电磁吸表达式中,可得交流电磁机构的电磁吸力为力为式中式中 为为电磁电磁吸力的最大值。吸力的最大值。c)c)交流电磁机构吸力特性交流电磁机构吸力特性电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系而交流电磁机构多与电路并
16、联使用,当外加电压U及频率f 为常数时,忽略线圈电阻压降。式中:U 线圈电压(V);E 线圈感应电动势(V);f线圈电压的频率(Hz);N 线圈匝数;气隙磁通(Wb)。外加电压一定的条件下,交流磁路外加电压一定的条件下,交流磁路中主磁通的最大值中主磁通的最大值 基本不变。基本不变。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系l又因为外加电压一定又因为外加电压一定的条件下,交流磁路中的条件下,交流磁路中主磁通的最大值主磁通的最大值 基本不变。因此,交流基本不变。因此,交流电磁铁在吸合衔铁的过电磁铁在吸合衔铁的过程中,电磁吸力的平均程中,电磁吸力的平均值随空气隙的变化较小。值随空气隙的变化较小。基本
17、为一条直线(与气基本为一条直线(与气隙长度无关),如图中隙长度无关),如图中2 2线所示。线所示。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系l在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间,吸合电流随的变化成正比变化,为衔铁吸合后的额定电流的很多倍,U形电磁机构可达56 倍,E 形电磁机构可达1015 倍。若衔铁卡住不能吸合,或衔铁频繁动作,交流励磁线圈很可能因电流过大而烧毁。所以,在可靠性要求较高或要求频繁动作的控制系统中,一般采用直流电磁机构而不采用交流电磁机构。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系l50Hz 的电源加在线圈上时,吸力为100Hz 的脉动吸力。当脉动的吸力F小于弹力Fr时,衔铁将在弹簧
18、的作用下移动,而当吸力F 大于弹力Fr时,衔铁将克服弹簧力而吸合。如此周而复始,使衔铁产生振动,发出噪声,不能正常工作。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系解决办法:因此对单相交流电磁机构,可在铁心端面上,取因此对单相交流电磁机构,可在铁心端面上,取一部分截面嵌入一个闭合的短路环。利用该短路环一部分截面嵌入一个闭合的短路环。利用该短路环的感生电流建立的磁场(比原磁场滞后)与原磁场的感生电流建立的磁场(比原磁场滞后)与原磁场共同作用,克服磁场过零点,才能保持足够的电磁共同作用,克服磁场过零点,才能保持足够的电磁吸力,使电磁机构工作稳定。吸力,使电磁机构工作稳定。电器与可编程控制器技术太原工
19、业学院自动化系电磁机构吸力特性与反力特性的配合电磁机构吸力特性与反力特性的配合 1-1-直流吸力特性直流吸力特性 2-2-交流吸力特性交流吸力特性 3-3-反力特性反力特性 4-4-剩磁吸力特性剩磁吸力特性电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系(三)电弧的产生及灭弧方式(三)电弧的产生及灭弧方式(三)电弧的产生及灭弧方式(三)电弧的产生及灭弧方式(1 1)电器的触头)电器的触头)电器的触头)电器的触头触头系统由主触头和辅助触头组成。主触头接在控触头系统由主触头和辅助触头组成。主触头接在控制对象的主回路中(常常串在低压断路器之后)控制对象的主回路中(常常串在低压断路器之后)控制其通断,辅助触
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