第一篇 电气控制技术 第一章 常用低压电器..

第一篇电气控制技术电气控制技术是由生产机械的驱动装置——电动机为控制对象、以微电子装置为核心、以电力电子装置为执行机构而组成的电气控制系统。

该系统按照一定的规律控制电动机，使之满足生产工艺的要求，同时又达到提高效率、降低能耗、提高产品质量、降低劳动强度的最终目的。

电气控制技术在工业生产、科学研究以及其他各个领域的应用十分广泛，已经成为实现生产过程自动化的重要技术手段之一。

本篇主要以电动机和其他执行电器为控制对象，介绍电气控制中常用的低压电器、基本线路以及电气控制系统的分析和设计方法。

第一章常用低压电器通常对一个或多个器件组合，能手动或自动分合，额定电压在直流1500V、交流1200V 及其以下的电路，以及能够实现电路中被控制对象的控制、调节、变换、检测、保护等作用的基本器件称为低压电器。

低压电器是组成各种电气控制成套设备的基础配套组件，它的正确使用是低压电力系统可靠运行、安全用电的基础，也是电气控制线路设计的重要保证。

本章主要介绍常用低压电器的结构、工作原理、用途及其图形符号和文字符号，为正确选择和合理使用这些电器及进行电气控制线路的设计打下基础。

第一节电器的功能、分类和工作原理一、电器的功能电器是一种能根据外界的信号(机械力、电动力和其他物理量)和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。

电器的控制作用就是手动或自动地接通、断开电路，“通”称为“开”，“断”也称为“关”。

因此，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。

二、电器的分类低压电器种类繁多，功能多样，用途广泛，结构各异。

其分类方法亦很多，常用分类方法有以下几种。

1．按工作电压等级分(1) 高压电器用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上的电路中的电器，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)额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V 及以下的电路中的电器，例如接触器、继电器等。

2．按动作原理分(1) 手动电器人手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。

3．按用途分(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、电动机启动器等。

- 2 -(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。

三、电磁式电器的基本原理低压电器中大部分为电磁式电器，其基本结构由电磁机构和触头系统组成。

触头系统存在接触电阻和电弧等物理现象，对电器的安全运行影响较大；而电磁机构的电磁吸力与反力是决定电器性能的主要因素之一。

低压电器的主要技术性能指标与参数就是在这些基础上制定的。

因此，触头结构的设计、电弧的产生、灭弧装置的设计以及电磁吸力和反力等问题是低压电器的基本问题，也是研究电器元件结构和工作原理的基础。

(一)电磁机构电磁机构是电磁式电器的感测元件，它将电磁能转换为机械能，从而带动触头动作。

1．电磁机构的结构形式电磁机构由线圈、铁心和衔铁三部分组成，其结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式。

图1-1和图1-2是直动式和拍合式电磁机构的常用结构形式。

1衔铁：2铁心：3线圈 1衔铁：2铁心：3线圈 图1-1 直动式电磁机构 图1-2 拍合式电磁构机线圈的作用是将电能转换为磁能，即产生磁通，衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使铁心吸合。

通入直流电的线圈称直流线圈，通入交流电的线圈称交流线圈。

直流线圈通电，铁心不会发热，只有线圈发热，因此使线圈与铁心直接接触，易于散热。

线圈一般做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。

铁心和衔铁由软钢或工程纯铁制成。

对于交流线圈，除线圈发热外，由于铁心中有涡流和磁滞损耗，铁心也会发热。

为了改善线圈和铁心的散热情况，在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨架的矮胖型。

铁心用硅钢片叠成，以减少涡流。

另外，根据线圈在电路中的连接方式可分为串联线圈(即电流线圈)和并联线圈(即电压线圈) a) 串联电磁机构 b) 并联电磁机构 如图1-3所示。

串联(电流)线圈串接在线路中， 图1-3 电磁机构中线圈的连接方式 流过的电流大,为减少对电路的影响，线圈的导线粗，匝数少，线圈的阻抗较小。

并联(电压)线圈并联在线路上，为减少分流作用，需要较大的阻抗，因此线圈的导线细且匝数多。

2．电磁机构的工作原理- 3 -电磁铁工作时，线圈产生的磁通作用于衔铁，产生电磁吸力，并使衔铁产生机械位移，衔铁复位时复位弹簧将衔铁拉回原位。

因此作用在衔铁上的力有两个：一个是电磁吸力，另一个是反力。

电磁吸力由电磁机构产生，反力由复位弹簧和触头等产生。

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。

(1) 吸力特性 电磁机构的电磁吸力F 与气隙δ的关系曲线称为吸力特性。

电磁吸力可按下式求得S B F 27810π= (1-1) 式中，F 为电磁吸力，N ；B 为气隙磁感应强度，T ；S 为磁极截面积，m 2。

当铁心截面积S 为常数时，电磁吸力F 与B 2成正比，也可认为F 与气隙磁通Ф 2成正比。

励磁电流的种类对吸力特性有很大影响。

对于具有电压线圈的交流电磁机构，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，若电阻忽略不计，则U ≈E = 4.44f ФN (1-2) ФfNU 44.4= (1-3) 式中，U 为线圈外加电压；E 为线圈感应电动势；f 为电压频率；Ф为气隙磁通；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Ф也为常数，则电磁吸力也为常数，即F 与气隙δ大小无关。

实际上，考虑到漏磁通的影响，电磁吸力F 随气隙δ的减少略有增加。

交流电磁机构的吸力特性如图1-4所示。

由于交流电磁机构的气隙磁通Ф不变，IN 随气隙磁阻(也即随气隙δ)的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I 与气隙δ成正比变化。

对于具有电压线圈的直流电磁机构，其吸力特性与交流电磁机构有所不同。

因外加电压U 和线圈电阻不变，则流过线圈 图1-4 交流电磁机构的吸力特性 的电流I 为常数，与磁路的气隙大小无关。

根据磁路定律 Фm m R R IN 1∝=(1-4) 则 F ∝Ф2221)1(δ∝∝m R (1-5) 故其吸力特性为二次曲线形状，如图1-5所示。

在一些要求可靠性较高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构而采用直流电磁机构, 这是因为一般U 形铁心的交流电磁机构的励磁线圈通电而衔铁尚未吸合的瞬间，电流将达到衔铁吸合后额定电流的5～6倍；E 形铁心电磁机构则达到额定电流的10～15倍。

如果衔铁卡住不能吸合或者频繁操作时，交流励磁线圈则有可能被烧毁。

(2)反力特性 电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称 图1-5 直流电磁机构的吸力特性- 4 -为反力特性。

反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。

图1-6中所示曲线1-为直流接触器吸力特性；2-为交流接触器吸力特性；3-即为反力特性曲线。

图中δ1为起始位置，δ2为动、静触头接触时的位置。

在δ1～δ2区域内，反作用力随气隙减小而略有增大，到达δ2位置时，动、静触头接触，这时触头上的初压力作用到衔铁上, 反作用力骤增，曲线发生突变。

在δ2～0区域内，气隙越小, 触头压得越紧, 反作用力越大, 其曲线比δ1～δ2段越陡。

(3)反力特性与吸力特性的配合 保证使衔铁能牢牢吸合，重要是要保证反力特性与吸力特性配合，如图1-6所示。

在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，即吸力特性高于反力特性，但不能过大或过小，吸力过大时，动、静触头接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹 图1-6 吸力特性和反力特性跳，导致触头熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命；吸力过小时，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。

因此，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。

3．交流电磁机构上短路环的作用因单相交流电磁机构上铁心的磁通是交变的，故当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。

由于交流电源频率的变化，使衔铁容易产生强烈振动和噪声，甚至使铁心松散。

因此，交流电磁机构铁心端面上都安装一个铜制的短路环。

短路环包围铁心端面约2／3的面积，如图1-7所示。

图1-7 交流电磁铁铁心的短路环当交变磁通穿过短路环所包围的截面积S 2在环中产生涡流时，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通Ф2在相位上落后于短路环外铁心截面S 1中的磁通Ф1，由Ф1、Ф2产生的电磁吸力为F 1、F 2，作用在衔铁上的合成电磁吸力是F 1+F 2，只要此合力始终大于其反力，衔铁就不会产生振动和噪声。

(二) 触头系统触头(触点)是电磁式电器的执行部件，用来接通或断开被控制电路。

1． 触头的结构形式按其所控制的电路可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- 5 -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。

触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：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)。

触头按其结构形式可分为桥形触头和指形触头，如图1-8所示。

2． 触头接触形式触头按其接触形式可分为点接触、线接触和面接触三种，如图1-9所示。

图1-9(a)为点接触，它由两个半球形触头或一个半球形与一个平面形触头构成．常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触头或继电器触头。

图1-8 触头结构形式 图1-9 触头接触形式 图1-9(b)为线接触，它的接触区域是一条直线，触头的通断过程是滚动式进行的。

开始接通时，静、动触头在A 点处接触，靠弹簧压力经B 点滚动到C 点，断开时做相反运动。

这样可以自动清除触头表面的氧化物，触头长期正常工作的位置不是在易灼烧的A 点，而是在工作点C 点，保证了触头的良好接触。

线接触多用于中容量的电器，如接触器的主触头。

图1-9(c)为面接触，它允许通过较大的电流。

这种触头一般在接触表面上镶有合金，以减少触头接触电阻并提高耐磨性，多用于大容量接触器的主触头。

3． 触头的分类固定不动的称为静触头，能由联杆带着移动的称为动触头，触头通常以其初始位置，即“常态"位置来命名的。