低压电器的基本原理

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。
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3. 触头的工作过程 触头的工作可分为三种工作状态：闭合过程、闭合状态和分 断过程。
1) 载流情况下触头的闭合 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。
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1.1 低压电器的基本结构
1.1.1 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。
(b)
(c)பைடு நூலகம்
图1-11 触点的三种接触形式 (a) 点接触；(b) 线接触；(c) 面接触
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F1
F1
F2
F2
L
(a)
(b)
(c)
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
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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。
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2. 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。
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A
B C
(a)
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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。
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系曲线称为反力特性。
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1.1.2 触头和电弧
1. 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。
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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，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。
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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。
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(a)
(b)
(c)
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。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。