1.1 低压控制电器基础

1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术现代电气自动控制技术杨世兴黄向慧黄梦涛汪梅编幻灯片制作：杨世兴1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术前言随着电气控制新元件、新器件的不断涌现和计算机控制技术的发展，生产设备的控制策略、控制方法、控制手段日新月异，越来越多地采用了可编程序控制器（PLC）、数字控制等先进的控制技术。但由于传统的继电-接触器控制系统，结构简单，价格便宜，并为广大的工程技术人员所熟悉，加上新型电器元件的采用，提高了系统的可靠性，因而目前仍然还在大量使用，传统与现代并存的局面还会长期存在。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术鉴于此，立足工程实际，从应用的角度出发，本书力图对生产设备的电气自动控制技术给予较全面地阐述。本书以典型的生产设备为例，系统地阐述了：常用低压控制电器与现代控制电器及典型环节的电气控制技术典型生产机械电气控制系统分析电气控制系统的设计数字控制技术可编程序控制器控制技术共五章1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术期望给读者一个生产设备电气控制系统的完整的概念。立足于工程实际，突出思路、方法，落实于具体控制电路的分析及设计，培养学生能综合应用所学专业知识分析问题、解决问题的能力和创新能力。与传统教材相比:本书取材内容先进，立足点高；从具体的生产设备入手，顺序展开论述；将传统与现代电气控制技术结合,体现了现代电气控制技术的发展方向；1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术将矿山提升机的控制系统选入教材，能更好培养学生综合应用知识的能力，也是对生产设备控制系统分析的概括和总结；对控制系统的分析，采用因果法，简单明了，避免了冗长的文字叙述；参与编写的人员，都是多年从事具体教学经验丰富的教师，本书可以说是他（她）们多年知识的积累和教学经验的总结。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术主要参考书任振辉等.电气控制技术.水电出版社，2003.郑萍.现代电气控制技术.重大出版社，2001.顾永辉等.煤矿电工手册（三分册）.煤炭出版社，1980.王润孝等．机床数控原理与系统．西工大出版社，1997.杨有君．数字控制技术与数控机床．机工出版社，1999.1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术廉元国等．加工中心设计与应用．机工出版社，1995.富士可编程控制器用户手册.邓则名.电器与可编程控制器应用技术.机工出版社，1997.廖常初.可编程控制器的编程方法与工程应用.重大出版社，2001.钟肇新.可编程控制器原理及应用.华南理工大出版社，2000.1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1电气控制技术1.1低压控制电器基础电器是对电能的生产、输送、分配和应用进行切换、调节、检测及保护等控制作用的工具的总称，如开关、熔断器、接触器、继电器等。电器是自动控制的重要元件之一。根据需要将电器按一定的逻辑关系组合起来，实现生产设备的自动化及半自动化。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术电器种类繁多，用途也很广，常用低压电器主要有配电电器、控制电器。这里主要介绍自动控制系统用低压电器。按电压等级分：工作电压以交流1000V、直流1200V为界划分为高压电器、低压电器。按使用系统分：电力系统用电器、电力拖动及自动控制系统用电器、自动化通信系统用电器。按电器组合分：单个电器、成套电器与自动化装置。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术按工作职能分：手动操作电器、自动控制电器（自动切换电器、自动控制电器、自动保护电器）、其它电器（稳压及调压电器、起动与调速电器、检测与变换电器、牵引与传动电器）。按电器的输出形式分：有触头（点）电器——通断电路的功能由触头来实现，如刀开关、接触器等。无触头电器——通断功能不是通过接触，而是根据输出信号的高低电平来实现的，如晶闸管的导通与截止、三极管的导通与截止等。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术按使用场合分：一般工业用电器、特殊工矿用电器、农用电器、家用电器、其它场合（如航空、船舶、热带、高原）用电器。按控制系统作用分：信号电器——是将非电量，如位移、压力、温度等的变化转化为电信号的电器。这类电器有按钮、压力继电器、行程开关、热继电器等；控制电器——是一种电器逻辑门。常见的为“与门”、“或门”和“非门”，其输入和输出都是电信号，如电磁式继电器、接触器等。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术电器的分类方法很多，且相互交叉、覆盖。即某一电器按不同分类方法，分属于不同的种类。如工作电压为380伏的交流接触器，按不同分类方法分属：低压电器、有触头电器、电器控制系统用电器。从结构上看，电器一般都具有两个基本组成部分：感测部分与执行部分。对于有触头的电磁式电器，感测部分大都是电磁机构，而执行部分是触头。对于非电磁式的自动电器，感测部分因其工作原理不同而各有差异，但执行部分仍是触头。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1.1.1电磁式控制电器的电磁机构1.1.1.1电磁机构的组成电磁机构是各种自动化电磁式电器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触头使之闭合或断开。电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁、铁轭和空气隙。电磁机构分类如下：按衔铁的运动方式分类：1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术衔铁绕棱角转动的拍合式铁心：衔铁绕铁轭的棱角而转动，磨损较小。铁心用软铁，适用于直流接触器、继电器。衔铁绕轴转动的拍合式铁心：衔铁绕轴转动，用于触头容量较大的交流接触器，铁心用硅钢片叠成。衔铁直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内作直线运动，多用于交流接触器中。按磁系统形状分类：电磁机构可分为U形和E形两种。按线圈的连接方式分类：可分为并联（电压线圈）和串联（电流线圈）两种。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术按吸引线圈电流的种类分类：可分为直流线圈和交流线圈两种。直流电磁机构，铁心不发热，只线圈发热，因而吸引线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。交流电磁机构，其铁心存在磁滞和涡流损耗，线圈和铁心都发热，因而吸引线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，有利于铁心和线圈散热。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1.1.1.2电磁机构的吸力特性电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表征。吸力与气隙的关系称为吸力特性。吸力F为SBSBμF252010421×==（1-1）式中F——电磁吸力（N）；B——气隙中磁感应强度（T）；S——磁极截面积（m2）；μ0＝4π×10－7H／m。当S为常数时，F与B2成正比。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术（1）直流电磁机构的吸力特性因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律mmRRINΦ1∝=（1-2）221)(mRΦF∝∝（1-3）吸力F与R2m成反比，亦即与气隙δ2成反比，故吸力特性为二次曲线形状，如图1-2。衔铁闭合前后吸力变化很大。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术激励线圈断电时，磁势NI急速变为接近零，磁通也发生相应的急速变化，因而会在线圈中感生很大的反电动势，此反电势可达线圈额定电压的10~20倍，易使线圈因过电压而损坏。为此在激励线圈上并联一个放电电阻R。在线圈断电时，该电阻与线圈形成一个放电电路，使原储存于磁场中的能量转换成热能消耗于电阻，不致产生过电压。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术从降低过电压出发，电阻宜小些，为解决这个矛盾，可以与电阻串一个二极管使正常工作时放电电路不工作。通常放电电阻可取线圈电阻的6～8倍。直流电磁机构适合于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力大，工作可靠性好。（2）交流电磁机构的吸力特性若外加电压不变，线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻可忽略，则1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术当频率f、匝数N和电压U均为常数时，φ为常数，由式（1-3）知F亦为常数，说明F与δ大小无关。实际上考虑到漏磁的作用，F随δ的减小略有增加。当气隙δ变化时，由于φ不变时由式（1-2）可知IN将随Rm（亦即δ）正比变化，I与δ呈线性关系。NΦfEU444.=≈NfUΦ444.=（1-4）（1-5）1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术由上述结论可看出，对于可靠性高或频繁动作的控制系统一般采用直流电磁机构，而不采用交流电磁机构。一般U形交流电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，电流将达到吸合后额定电流的5~6倍，E形电磁机构将达到10~15倍。如果衔铁卡住不能吸合或者频繁动作，就可能烧毁线圈。由于铁磁物质有剩磁，它使电磁机构的激励线圈失电后仍有一定的磁性吸力存在。剩磁的吸力随气隙的增大而减小。剩磁的吸力特性如图1-5中曲线4。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1.1.1.3电磁机构的反力特性电磁机构转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特性。阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁质量有关。电磁机构使衔铁释放的力有两种：利用弹簧的反力利用衔铁自身的重力F反1＝K1xF反2＝K2mg1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术反力特性曲线如图1-5曲线3所示。δ1为电磁机构气隙的初始值δ2为动静触头开始接触时的气隙长度。这时触头上的初压力作用到衔铁上，由于超行程机构的弹力作用，反力特性在δ2处有一突变。在δ2~0的区域内，气隙越小，触头压得越紧，反力越大。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1.1.1.4电磁机构吸力特性与反力特性的配合电磁机构在整个吸合过程中，吸力需大于反力，吸力特性在反力特性的上方,这样触头才能闭合接通电路。但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命。当切断电磁机构的激励电流释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开。磁通过零后吸力增大，当吸力大于反力时，衔铁又吸合。由于交电源频率的变化，衔铁的吸力随之每个周波二次过零，因而衔铁产生强烈振动与噪声，甚至使铁心松散。因此交流接触器铁心端面上都安装一个铜制的分磁环（或称短路环），使铁心通过两个在时间上不相同的磁通，矛盾就解决了。图1-6加短路环后的磁通和电磁吸力图（a）磁通示意图（b）电磁吸力图φFωtO1F12F2F电磁机构的交变磁通穿过短路环所包围的截面S2，在环中产生涡流此涡流产生的磁通φ2在相位上落后于截面S1中的磁通φ1由φ1、φ2产生吸力为F1+F2，只要此合力始终超过其反力，衔铁的振动现象就消失。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1.1.1.5电磁机构的输入-输出特性x=0↑xc时，y=0，当x≥xc时,y=1。x≥xc↓时，y=1，当x≤xf时，y=0。xc—吸合值，xc—释放值。cfxx—返回系数电磁机构激励线圈的电压或电流为其输入量x，衔铁的位置为其输出量y，y=f（x）称为输入-输出特性。这类矩形特性曲线统称为继电特性。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术1.1.2执行机构低压电器的执行机构一般由触头及其灭弧装置组成。1.1.2.1触头触头（触点）是电器的执行部分，起接通和分断电路的作用。触头通常由动、静触头组合而成。触头的接触形式有点接触如球面对球面、球面对平面等；线接触如圆柱对平面、圆柱对圆柱等和面接触如平面对平面三种，如图l-8所示。1.1低压控制电器基础YXSH现代电气自动控制技术球形-球形球形-平面它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。圆柱-平面圆柱-圆柱多用于中等容量的触头，如接触器的主触头开始接触时，动静触头在A点接触，靠弹簧的压力经B点滚到C点（工作电）；断开时作相反运动。这样可以清除触头表面的氧化膜。平面-平面允许