1-电器的发热
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一、高性能
额定短路分断能力与额定短时耐受电流不断提高。
二、高可靠性
可以满容量长期使用而不会发生过热，从而实现安全运行。
三、电子化
现代化企业已经采用PC、PLC控制系统代替由电气—机械元件组成 的系统，已是机械电气控制系统的主流。该系统要求电器产品具有高可 靠性、高抗干扰性，还要求触点能可靠接通低电压、弱电流，触头断开 时的电弧不能干扰电子电路的正常运行。
2015/5/4
31
热传导基本定律：
• 一般来说，热导率： 0 (1 )
λ0 ： 发热体温度为 0℃ 时的热导率； θ ： 发热体的温度； βλ ： 热传导温度系数。
• 热导率范围很大，如银为425， 铜为390，铝为210， 黄铜为85，某些气体为0.006。 • 常用散热器材料 ：铝、铝铜混合，铜
2015/5/4
23
三、电介质损耗
在交变电磁场的作用下，绝缘层内将出现电介质损耗：
Pd CU 2 tan
其中： ω： C： U： 电压的角频率； 绝缘层的电容； 绝缘件上的电压；
tanδ：绝缘材料介质损耗角的正切。
介质损耗角与材料的品种规格、温度、环境以及 处理工艺有关，可在有关手册中查到。
五、网络化
低压电器新一代产品实现了可通信、网络化，能与多种开放式的现 场总线连接，进行双向通信，实现电器产品的遥控、遥信、遥测、遥调 功能。
六、模块化、组合化
低压电器组合化是实现电器产品多功能化的重要途径。将不同功能 的模块按不同的需求组合成模块化组合电器，是当今低压电器行业的发 展方向。
七、采用绿色材料
额定电流（长期）、故障电流下的温升，电动力可 能引起的机械损伤； 主要参数：额定电流、热稳定电流和动稳定电流等。
2015/5/4
12
对电器设备的要求和参数-cont.
较高的通断能力
主要参数：接通电流、分断电流和通断电流（或容 量等）。 机械寿命 触头的电寿命 故障检测、故障保护（自身保护，系统保护）。
2015/5/4
a. 电流密度
b. 电流相位
a. 电流反向
b. 电流同向
21
考虑集肤效应和邻近效应的能量损耗计算
由于集肤效应和邻近效应的出现，在计算交流电的损耗时 要比通入同样电流的直流电的损耗大。附加损耗（周围的 交变磁场变化） 由于形状复杂，理论分析比较困难。 具体在计算时可以先在不考虑这两种效应的基础上计算， 然后用乘一附加损耗系数Ka来校正。 Ka = Ks×Kn
dQr K (T 4 T04 )dt
电器原理与应用
孙丹 浙江大学 电气工程学院
sundan@zju.edu.cn
2015/5/4 1
什么是电器？
2
什么是电器？
电器，是所有电工器械的简称，但不包括电机； 电器，简单的说，就是各种电路的“开关”，可通过控制 信号，来控制电路的接通和分断； 电气：早在清朝“电”科学传入中国，当时称作电气（据 说是相对于以前的蒸汽）。简单讲，电气就是电，而且是 强电，与弱电（电子，通信等）相对。 工业所说的电器是指：
能够根据外界施加的信号或要求 自动或手动地接通和分断电路 断续或连续地改变电路参数 以实现对电路或非电量对象的变换、检测、控制、保护、调节和 传递信息用的电气器件。
2015/5/4
3
简单的电器控制
A
B
C
停止 按钮 起动 按钮
刀闸起隔离作用
考虑： • 小电流控制大电流； • 机械电器面临的问题； • 电子电器的局限性。
电器中热源有：
1.铜耗： 2.铁耗： 导体通过电流产生的热损耗； 铁磁材料在交流磁场下产生的铁损耗；
3.介质损耗：绝缘体内的介质损耗； 4.机械损耗：机械摩擦等产生的热源。
机械摩擦产生的热损耗相比其它三种较小，常不考虑， 本节只介绍其它三种热源产生的机理与计算方法。
2015/5/4
18
一、导体通过电流时的能量损耗
会使金属导体变形，影响正常工作； 电器损坏，影响系统工作； 软化点：极限强度开始明显下降的温 度。
3加热时间为 10s时的铝材
加剧电器中电接触表面与周围大气中 某些 气体的化学反应，出现氧化， 加大接触电阻，形成恶行循环。 对电接触的稳定必须加以限制。
4长期加热时的铝 材
2015/5/4
29
一、热传导
两等温线的温差Δθ与等温线间距Δn 之比的极限称为 温度梯度，也可理解为温度变化最快的方向。
lim ( ) grad n 0 n n
在单位时间内通过垂直于热流方向单位面积的热量称为 热流密度， Q 即：q
At
Q： 热量； A： 面积； t： 时间。
2015/5/4
24
第二节 电器的允许温度和温升
电器产生的热量，几乎全部直接转换为热能：
一部分通过表面，散发到周围的环境中； 一部分用于电器本身的温度升高；
2015/5/4
25
第二节 电器的允许温度和温升
温度超过极限后产生的影响
1加热时间为 10s时铜材 2长期加热 时的铜材
材料机械强度下降。
16
第一章 电器的发热与电动力
各种电器设备都有载流系统，因而都会有：
热效应 电动力效应
在短路故障情况下，这两种效应有可能导致设备破坏； 本章主要讨论：
发热过程和载流体受到的电动力的计算方法； 载流体在大电流下热稳定性和电动稳定性的计算方法。
2015/5/4
17
第一节 电器中的基本热源
2015/5/4
32
二、对流
借液体或气体粒子的移动传输热能的现象，称为对流。 对流一般总与热传导共存。 只有在粒子能方便移动的流体中才能实现对流。 影响对流的因素很多，包括粒子运动的本质和状态、介质 的物理性质以及发热体的几何参数和状态。
2015/5/4
33
二、对流
对流传递热量的过程随流体的性质而异，直接影响该过程 的因素有热导率、比热容、密度和粘滞系数等。 对流的热交换可按下经验公式计算：
9. 大作业（20分），实验（20分），考试（60分）
2015/5/4 8
课程目的
了解/掌握 主要电器 的
工作原理，基本结构； 主要指标及物理意义； 选择、计算与应用。
培养学生对电气控制系统的基本的分析和设计能力，能够 阅读和设计一般的电器线路。
2015/5/4
9
第一篇 电器的理论基础
四、智能化
随着专用集成电路和高性能的微处理器的出现，内部纯机械的电器 向电子电器发展。 例如断路器部分采用电子器件，使断路器的保护功能加强，可实现 过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地、欠压保护等功能，还可在 断路器上显示电压、电流、频率、有功、无功功率、功率因数等参数。
2015/5/4 6
电器技术的发展趋势
第三节 电器的散热与综合散热系数
热传导 对流 辐射
三种散热方式
2015/5/4
28
一、热传导
热能从物体的一部分向另一部分，或从物体向与之接触的 另一物体传递的现象，称为热传导，它是借分子的热运动 而实现的。 热传导是固态物质传热的主要方式。 温差的存在是热交换的充要条件。
2015/5/4
参考书：《控制电器及其应用》第二章
4. 常用半导体式控制电器
参考书：《控制电器及其应用》第三章
5. 电器控制典型环节的分析
参考书：《控制电器及其应用》第四章
6. 变频器与伺服控制器
参考书：《变频器使用指南》康梅，第二、三章
7. 智能控制电器
参考书：《控制电器及其应用》第七章
8. 电器控制电路设计
参考书：《控制电器及其应用》第六章
良好的机械性能
必要的电寿命
完善的保护功能
2015/5/4
13
电器设备的工作条件
环境温度
最高、最低工作温度（高温考虑温升、额定电流；低温考 虑油、润滑剂等）
（长期工作温度与绝缘寿命、橡胶等使用寿命的关系）
海拔高度
高压电器使用环境的海拔高度为1000m 低压电器使用环境的海拔高度为2000m 高海拔地区：气压低，散热能力和耐压都有下降 （青藏铁路，航空电器）
dQ K c ( 0 ) Adt
dQ ： θ 、 θ0 ： A ： Kc ： 在dt 时间内以对流方式散出的热量； 发热体和周围介质的温度； 散热面的面积 对流散热系数
电器表面的主要散热方式之一 !!!
2015/5/4 34
三、热辐射
物体用电磁波的形式把热能向外散发的热传方式：热辐射。 具有二重性：将热能转换为辐射能，再将辐射能转换为热 能。热辐射能在真空中传递。 热辐射计算公式：
0 (1 2 3 )
ρ0：导体材料0oC时的电阻率； α、β、γ：电阻温度系数。
工程上：
0 (1 )
当导体温度变化较大时，必须考虑电阻随温度变化的影响!
2015/5/4
20
注意二：集肤效应和邻近效应
集肤效应 当一正方形截 面导体通入交流电 时，电流密度分布 会向边界集中。集 肤效应导致电阻增 大。 邻近效应 当构成回路的 二平行导线通过交 流电流时，由于磁 场间的相互作用， 出现导线电流分布 不均。
Ks：集肤效应影响系数，Kn：邻近效应影响系数。 具体数值可通过查阅手册得到。
2015/5/4
22
二、非载流铁磁质零部件的损耗
非载流铁磁材料在交变电磁场的作用下产生的损耗称为铁 损PFe, 包含磁滞损耗Pn和涡流损耗Pe两部分，即： PFe= Pn+ Pe
f： 电源频率
Bm： 铁磁材料中的磁感应强度幅值 ρ： 铁磁材料的密度 V： 铁磁材料零部件体积 σn、σe：磁滞损耗系数和涡流损耗系数， 与材料有关，可查表得到。
2015/5/4
30
热传导基本定律：
• 热传导基本定律——傅立叶定律确立了热流密度与温度梯 度之间的关系：
q grad
比例系数 λ 称为热导率或导热系数。
• 由于热量是向温度降低的方向扩散，而温度梯度则是指向 温度升高的方向，故上式有一负号。 • 比例系数 λ 称为热导率或导热系数，其单位为W/(mK)。 相当于沿热流方向单位长度上的温差为1K时，单位时间内 通过单位面积的热量。
焦耳定律：当导体通过电流 I 时，其中的能量损耗为：
W I 2 Rdt
0 t
R：导体电阻； t： 通电时间； I： 交流电时为有效值。
一、电阻值R会随温度的变化而变化 注意二点 二、集肤效应和邻近效应
2015/5/4
19
注意一：电阻值R随温度而变化 l
直流情况下，电阻 R
A
A、l： 分别为导体的横截面积和长度； ρ： 导体材料的电阻率，与温度有关，即
2015/5/4
10
主要研究电器的共性问题
电器的要求、参数和工作条件 电器的发热与电动力 电接触与电弧理论 电磁机构理论
2015/5/4
11
对电器设备的要求和参数
安全可靠的绝缘
主要参数：额定电压、最高工作电压、工频试验电 压和冲击试验电压； 绝缘老化，安全距离等。
必要的载流能力
产品材料的选用、制造过程及使用过程不污染环境，符合欧盟环保 RosH认证——《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》 。
2015/5/4
Baidu Nhomakorabea
7
课程内容与参考书
1. 电器的基础理论
参考书：《电器学》第一篇 电器的理论基础 第一、二、三章
2. 常用有触点控制电器
参考书：《控制电器及其应用》第一章
3. 常用有触点保护电器
2015/5/4
M 3~ 自保持
4
电器分类——多种方式
高压电器
3KV及以上线路的开关、保护、控制和测量等； 主要用于电力系统。
低压电器（又称控制电器）
交流1200V和直流1500V及以下； 用于配电系统和电气控制系统。
课程重点：用于电气控制系统的各种低压电器。
2015/5/4
5
电器技术的发展趋势
2015/5/4
14
电器设备的工作条件-cont.
相对湿度
（金属件等锈蚀，绝缘材料受潮，海运，东南亚地区）
其他条件
影响电器工作的其他条件尚有污染等级、振动、介质中是 否含易爆气体以及是否有风霜雨雪等天气条件。
2015/5/4
15
第一篇 电器的理论基础
第一章 电器的发热与电动力
2015/5/4
26
温升：
考察电器的质量时一般以温升作为指标，即零部件温度与 周围介质温度之差。 我国一般 35oC 作为基准环境温度来计算温升（注：不同 国家有不同标准）。 温升 Δt = 实际温度 t - 35oC
短路时的短时允许温度
热稳定性：电器承受短时短路电流的热效应而不致损坏的能力。
2015/5/4 27
额定短路分断能力与额定短时耐受电流不断提高。
二、高可靠性
可以满容量长期使用而不会发生过热，从而实现安全运行。
三、电子化
现代化企业已经采用PC、PLC控制系统代替由电气—机械元件组成 的系统，已是机械电气控制系统的主流。该系统要求电器产品具有高可 靠性、高抗干扰性，还要求触点能可靠接通低电压、弱电流，触头断开 时的电弧不能干扰电子电路的正常运行。
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31
热传导基本定律：
• 一般来说，热导率： 0 (1 )
λ0 ： 发热体温度为 0℃ 时的热导率； θ ： 发热体的温度； βλ ： 热传导温度系数。
• 热导率范围很大，如银为425， 铜为390，铝为210， 黄铜为85，某些气体为0.006。 • 常用散热器材料 ：铝、铝铜混合，铜
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三、电介质损耗
在交变电磁场的作用下，绝缘层内将出现电介质损耗：
Pd CU 2 tan
其中： ω： C： U： 电压的角频率； 绝缘层的电容； 绝缘件上的电压；
tanδ：绝缘材料介质损耗角的正切。
介质损耗角与材料的品种规格、温度、环境以及 处理工艺有关，可在有关手册中查到。
五、网络化
低压电器新一代产品实现了可通信、网络化，能与多种开放式的现 场总线连接，进行双向通信，实现电器产品的遥控、遥信、遥测、遥调 功能。
六、模块化、组合化
低压电器组合化是实现电器产品多功能化的重要途径。将不同功能 的模块按不同的需求组合成模块化组合电器，是当今低压电器行业的发 展方向。
七、采用绿色材料
额定电流（长期）、故障电流下的温升，电动力可 能引起的机械损伤； 主要参数：额定电流、热稳定电流和动稳定电流等。
2015/5/4
12
对电器设备的要求和参数-cont.
较高的通断能力
主要参数：接通电流、分断电流和通断电流（或容 量等）。 机械寿命 触头的电寿命 故障检测、故障保护（自身保护，系统保护）。
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a. 电流密度
b. 电流相位
a. 电流反向
b. 电流同向
21
考虑集肤效应和邻近效应的能量损耗计算
由于集肤效应和邻近效应的出现，在计算交流电的损耗时 要比通入同样电流的直流电的损耗大。附加损耗（周围的 交变磁场变化） 由于形状复杂，理论分析比较困难。 具体在计算时可以先在不考虑这两种效应的基础上计算， 然后用乘一附加损耗系数Ka来校正。 Ka = Ks×Kn
dQr K (T 4 T04 )dt
电器原理与应用
孙丹 浙江大学 电气工程学院
sundan@zju.edu.cn
2015/5/4 1
什么是电器？
2
什么是电器？
电器，是所有电工器械的简称，但不包括电机； 电器，简单的说，就是各种电路的“开关”，可通过控制 信号，来控制电路的接通和分断； 电气：早在清朝“电”科学传入中国，当时称作电气（据 说是相对于以前的蒸汽）。简单讲，电气就是电，而且是 强电，与弱电（电子，通信等）相对。 工业所说的电器是指：
能够根据外界施加的信号或要求 自动或手动地接通和分断电路 断续或连续地改变电路参数 以实现对电路或非电量对象的变换、检测、控制、保护、调节和 传递信息用的电气器件。
2015/5/4
3
简单的电器控制
A
B
C
停止 按钮 起动 按钮
刀闸起隔离作用
考虑： • 小电流控制大电流； • 机械电器面临的问题； • 电子电器的局限性。
电器中热源有：
1.铜耗： 2.铁耗： 导体通过电流产生的热损耗； 铁磁材料在交流磁场下产生的铁损耗；
3.介质损耗：绝缘体内的介质损耗； 4.机械损耗：机械摩擦等产生的热源。
机械摩擦产生的热损耗相比其它三种较小，常不考虑， 本节只介绍其它三种热源产生的机理与计算方法。
2015/5/4
18
一、导体通过电流时的能量损耗
会使金属导体变形，影响正常工作； 电器损坏，影响系统工作； 软化点：极限强度开始明显下降的温 度。
3加热时间为 10s时的铝材
加剧电器中电接触表面与周围大气中 某些 气体的化学反应，出现氧化， 加大接触电阻，形成恶行循环。 对电接触的稳定必须加以限制。
4长期加热时的铝 材
2015/5/4
29
一、热传导
两等温线的温差Δθ与等温线间距Δn 之比的极限称为 温度梯度，也可理解为温度变化最快的方向。
lim ( ) grad n 0 n n
在单位时间内通过垂直于热流方向单位面积的热量称为 热流密度， Q 即：q
At
Q： 热量； A： 面积； t： 时间。
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24
第二节 电器的允许温度和温升
电器产生的热量，几乎全部直接转换为热能：
一部分通过表面，散发到周围的环境中； 一部分用于电器本身的温度升高；
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第二节 电器的允许温度和温升
温度超过极限后产生的影响
1加热时间为 10s时铜材 2长期加热 时的铜材
材料机械强度下降。
16
第一章 电器的发热与电动力
各种电器设备都有载流系统，因而都会有：
热效应 电动力效应
在短路故障情况下，这两种效应有可能导致设备破坏； 本章主要讨论：
发热过程和载流体受到的电动力的计算方法； 载流体在大电流下热稳定性和电动稳定性的计算方法。
2015/5/4
17
第一节 电器中的基本热源
2015/5/4
32
二、对流
借液体或气体粒子的移动传输热能的现象，称为对流。 对流一般总与热传导共存。 只有在粒子能方便移动的流体中才能实现对流。 影响对流的因素很多，包括粒子运动的本质和状态、介质 的物理性质以及发热体的几何参数和状态。
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33
二、对流
对流传递热量的过程随流体的性质而异，直接影响该过程 的因素有热导率、比热容、密度和粘滞系数等。 对流的热交换可按下经验公式计算：
9. 大作业（20分），实验（20分），考试（60分）
2015/5/4 8
课程目的
了解/掌握 主要电器 的
工作原理，基本结构； 主要指标及物理意义； 选择、计算与应用。
培养学生对电气控制系统的基本的分析和设计能力，能够 阅读和设计一般的电器线路。
2015/5/4
9
第一篇 电器的理论基础
四、智能化
随着专用集成电路和高性能的微处理器的出现，内部纯机械的电器 向电子电器发展。 例如断路器部分采用电子器件，使断路器的保护功能加强，可实现 过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地、欠压保护等功能，还可在 断路器上显示电压、电流、频率、有功、无功功率、功率因数等参数。
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电器技术的发展趋势
第三节 电器的散热与综合散热系数
热传导 对流 辐射
三种散热方式
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一、热传导
热能从物体的一部分向另一部分，或从物体向与之接触的 另一物体传递的现象，称为热传导，它是借分子的热运动 而实现的。 热传导是固态物质传热的主要方式。 温差的存在是热交换的充要条件。
2015/5/4
参考书：《控制电器及其应用》第二章
4. 常用半导体式控制电器
参考书：《控制电器及其应用》第三章
5. 电器控制典型环节的分析
参考书：《控制电器及其应用》第四章
6. 变频器与伺服控制器
参考书：《变频器使用指南》康梅，第二、三章
7. 智能控制电器
参考书：《控制电器及其应用》第七章
8. 电器控制电路设计
参考书：《控制电器及其应用》第六章
良好的机械性能
必要的电寿命
完善的保护功能
2015/5/4
13
电器设备的工作条件
环境温度
最高、最低工作温度（高温考虑温升、额定电流；低温考 虑油、润滑剂等）
（长期工作温度与绝缘寿命、橡胶等使用寿命的关系）
海拔高度
高压电器使用环境的海拔高度为1000m 低压电器使用环境的海拔高度为2000m 高海拔地区：气压低，散热能力和耐压都有下降 （青藏铁路，航空电器）
dQ K c ( 0 ) Adt
dQ ： θ 、 θ0 ： A ： Kc ： 在dt 时间内以对流方式散出的热量； 发热体和周围介质的温度； 散热面的面积 对流散热系数
电器表面的主要散热方式之一 !!!
2015/5/4 34
三、热辐射
物体用电磁波的形式把热能向外散发的热传方式：热辐射。 具有二重性：将热能转换为辐射能，再将辐射能转换为热 能。热辐射能在真空中传递。 热辐射计算公式：
0 (1 2 3 )
ρ0：导体材料0oC时的电阻率； α、β、γ：电阻温度系数。
工程上：
0 (1 )
当导体温度变化较大时，必须考虑电阻随温度变化的影响!
2015/5/4
20
注意二：集肤效应和邻近效应
集肤效应 当一正方形截 面导体通入交流电 时，电流密度分布 会向边界集中。集 肤效应导致电阻增 大。 邻近效应 当构成回路的 二平行导线通过交 流电流时，由于磁 场间的相互作用， 出现导线电流分布 不均。
Ks：集肤效应影响系数，Kn：邻近效应影响系数。 具体数值可通过查阅手册得到。
2015/5/4
22
二、非载流铁磁质零部件的损耗
非载流铁磁材料在交变电磁场的作用下产生的损耗称为铁 损PFe, 包含磁滞损耗Pn和涡流损耗Pe两部分，即： PFe= Pn+ Pe
f： 电源频率
Bm： 铁磁材料中的磁感应强度幅值 ρ： 铁磁材料的密度 V： 铁磁材料零部件体积 σn、σe：磁滞损耗系数和涡流损耗系数， 与材料有关，可查表得到。
2015/5/4
30
热传导基本定律：
• 热传导基本定律——傅立叶定律确立了热流密度与温度梯 度之间的关系：
q grad
比例系数 λ 称为热导率或导热系数。
• 由于热量是向温度降低的方向扩散，而温度梯度则是指向 温度升高的方向，故上式有一负号。 • 比例系数 λ 称为热导率或导热系数，其单位为W/(mK)。 相当于沿热流方向单位长度上的温差为1K时，单位时间内 通过单位面积的热量。
焦耳定律：当导体通过电流 I 时，其中的能量损耗为：
W I 2 Rdt
0 t
R：导体电阻； t： 通电时间； I： 交流电时为有效值。
一、电阻值R会随温度的变化而变化 注意二点 二、集肤效应和邻近效应
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19
注意一：电阻值R随温度而变化 l
直流情况下，电阻 R
A
A、l： 分别为导体的横截面积和长度； ρ： 导体材料的电阻率，与温度有关，即
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主要研究电器的共性问题
电器的要求、参数和工作条件 电器的发热与电动力 电接触与电弧理论 电磁机构理论
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对电器设备的要求和参数
安全可靠的绝缘
主要参数：额定电压、最高工作电压、工频试验电 压和冲击试验电压； 绝缘老化，安全距离等。
必要的载流能力
产品材料的选用、制造过程及使用过程不污染环境，符合欧盟环保 RosH认证——《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》 。
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Baidu Nhomakorabea
7
课程内容与参考书
1. 电器的基础理论
参考书：《电器学》第一篇 电器的理论基础 第一、二、三章
2. 常用有触点控制电器
参考书：《控制电器及其应用》第一章
3. 常用有触点保护电器
2015/5/4
M 3~ 自保持
4
电器分类——多种方式
高压电器
3KV及以上线路的开关、保护、控制和测量等； 主要用于电力系统。
低压电器（又称控制电器）
交流1200V和直流1500V及以下； 用于配电系统和电气控制系统。
课程重点：用于电气控制系统的各种低压电器。
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电器技术的发展趋势
2015/5/4
14
电器设备的工作条件-cont.
相对湿度
（金属件等锈蚀，绝缘材料受潮，海运，东南亚地区）
其他条件
影响电器工作的其他条件尚有污染等级、振动、介质中是 否含易爆气体以及是否有风霜雨雪等天气条件。
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第一篇 电器的理论基础
第一章 电器的发热与电动力
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温升：
考察电器的质量时一般以温升作为指标，即零部件温度与 周围介质温度之差。 我国一般 35oC 作为基准环境温度来计算温升（注：不同 国家有不同标准）。 温升 Δt = 实际温度 t - 35oC
短路时的短时允许温度
热稳定性：电器承受短时短路电流的热效应而不致损坏的能力。
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