常用低压电器及电气控制系统图的设计分析

第二章常用低压电器及电气控制系统图的设计主要内容•2.1电器的基本知识•2.2常用低压电器•2.3电气控制系统图•2.4电气控制的基本电路•2.5三相异步电动机速度控制电路•2.6变频调速控制电路•2.7电气控制电路分析基础2.1电器的基本知识2.1.1电器的定义及分类1．电器的定义根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通和断开电路，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气元件统称为电器。2．电器的分类（1）按工作电压等级分类:低压电器高压电器（2）按用途分类:控制电器配电电器执行电器（3）按工作原理分类:电磁式电器非电量控制电器（4）按工作方式分类:机械式电器电子式电器电磁式电器主要由电磁机构、触点和灭弧装置组成1．电磁机构（1）结构与工作原理由吸引线圈、铁芯、衔铁等几部分组成.它的主要作用是将电磁能量转换为机械能量并带动触点动作，完成电路接通和分断。当线圈通过工作电流时，产生足够的磁动势，在磁路中形成磁通，使衔铁获得足够的电磁力，克服反作用力与铁芯吸合，由连接机构带动相应的触点动作。2.1.2电磁式电器的工作原理与结构特点（2）吸力特性与反力特性衔铁是否能够正常工作，是由电磁机构的吸力特性与反力特性决定的。电磁机构使衔铁吸合的力与气隙长度的关系曲线称为吸力特性。它随励磁电流种类（交流或直流）、线圈连接方式（串联或并联）的不同而有所差异。电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙长度的关系曲线称为反力特性。反力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁质量有关。1）吸力特性SBSBF2720810212F，为气隙磁通密度，为吸力处的铁芯截面积。当为常数时，F与成正比，也可认为与气隙磁通的平方成正比，即。mH/10470BSS2B①直流电磁机构的吸力特性SINSINRINm00)/(2221BF直流电磁机构的吸力与气隙的平方成反比当频率f、匝数N和电压U均为常数时，为常数，F亦为常数，说明F与δ大小无关。(实际上由于漏磁通的存在，F随着δ的减小略有增加)NfEU44.4②交流电磁机构的吸力特性NfU44.42）反力特性电磁机构使衔铁释放的力主要是弹簧的反力3）反力特性与吸力特性的配合触点是电器的执行部分，用于接通和分断电路。触点主要由动触点和静触点组成工作原理：当电磁机构中的衔铁与铁芯吸合时，动触点在连动机构的带动下动作，动触点和静触点闭合或断开。（1）触点的接触形式：点接触、线接触和面接触2触点（2）触点的结构形式3.电弧的产生和灭弧方法电弧是触点间气体在强电场作用下产生的放电现象。当动静触点在通电状态下分开的瞬间，动静触点的间隙很小,于是在触点间形成很强的电场(E=U/S,其中S为间隙）。在高热和强电场作用下，金属内部的自由电子从阴极表面电离出来，向阳极加速移动，这些自由电子在运动中撞击中性气体分子，使它们产生正离子和电子。于是，在触点间隙产生大量的带电粒子，使气体导电，形成了炽热的电子流，绝缘的气体变成了导体。电路通过这个游离区时消耗的电能转换为热能和光能，发出光和热的效应，产生高温并发出强光，即电弧。（1）电弧产生的条件当被分断电路的电流超过0.25～1A，分断后加在触点间隙两端的电压超过12～20V（根据触点材质的不同取值）时，在触点间隙中会产生电弧。（2）电弧的危害延长电路的分断时间；将触点烧坏；严重时,会引起电器和周围设备的损坏,甚至造成火灾（3）灭弧方法1)机械性拉弧：分断触点时，迅速增加电弧长度，使单位长度内维持电弧燃烧的电场强度不够而熄弧2）双断口灭弧效果较弱，一般多用于小功率的电器中3）磁吹灭弧电弧电流越大，灭弧能力越强。它广泛用于直流灭弧装置中4）灭弧栅灭弧这种灭弧装置常用于交流灭弧5）利用有机固体介质的狭缝灭弧6）利用真空灭弧2.2常用低压电器2.2.1开关电器1.刀开关与组合开关手柄操作式单级开关示意图1-手柄2-刀夹座（静触点）3-闸刀（动触点）4-铰链支座5-接线端子6-绝缘底板（1）HD型单投刀开关和HS型双投刀开关HK系列胶盖瓷底刀开关结构图胶盖瓷底刀开关实物图1-熔丝接头2-瓷底3-静触点4-瓷柄5-动触点6-胶盖（2）HK型开启式负荷开关HH系列封闭式负荷开关实物图HH系列封闭式负荷开关结构图1-手柄2-速断弹簧3-熔断器4-灭弧罩5-闸刀（3）HH系列封闭式负荷开关（4）HZ型组合开关组合开关结构图1-静触片2-动触3-绝缘垫板4-凸轮5-弹簧6-转轴7-手柄8-绝缘杆9-接线柱（5）熔断器式刀开关HR3熔断器式刀开关、具有刀开关和熔断器的双重功能在正常运行时，熔断器不脱扣，当线路发生故障时，其熔断体熔断采用这种开关电器可以简化配电装置结构，作为导线及电气设备的过载和短路保护，以及用于在电网正常馈电的情况下，不频繁地接通或分断电路。刀开关的型号及含义刀开关的图形和文字符号2.低压断路器低压断路器实物图低压断路器俗称自动空气开关，是低压配电网中的主要开关电器之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。（1）低压断路器的结构和工作原理主要由触点系统、灭弧系统、各种脱扣器和开关机构等组成。脱扣器包括过电流脱扣器、失压（欠压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣结构。1-主触点2-自由脱扣机构3-过电流脱扣器4-分励脱扣器5-热脱扣器6-失压脱扣器7-按钮（2）低压断路器典型产品1）装置式断路器2）框架式低压断路器3）智能化断路器4）漏电保护断路器（3）断路器的主要技术参数1）额定电压:低压断路器长时间运行所能承受的工作电压，称额定电压。2）额定电流:低压断路器长时间运行时的允许持续电流。3）分断能力:是指在规定条件下能够接通和分断的短路电流值。通常采用额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力两种表示法。4）限流能力:限流式低压断路器，当电路出现故障时，动触点受短路电流产生的电动斥力的作用快速打开，动作速度快，约在8～10ms内全部断开，要求限流电器的固有动作时间不大于3ms。一般要求限流系数K（限流系数K指实际分断电流峰值与预期短路电流峰值之比）在0.3～0.6之间。5）动作时间从网络出现短路的瞬间开始至触点分离后电弧熄灭，电路完全分断所需的时间，称全分断时间或动作时间。框架式和塑壳式低压断路器的动作时间一般为30～60ms；限流式和快速低压断路器一般小于20ms。（4）低压断路器的型号意义（5）断路器的图形及文字符号2.2.2熔断器低压熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统中，主要起严重过载和短路保护作用，同时也是单台电器设备的重要保护元件之一。1.熔断器的结构和工作原理熔断器结构上一般由熔断管（或座）、熔断体、填料及导电部件等部分组成。使用时熔体与被它保护的线路及电气设备串联，当通过熔体的电流为正常工作电流时，熔体的温度低于材料的熔点，熔体不熔化；当电路中发生过载或短路故障时，通过熔体的电流增加，熔体的电阻损耗增加，使其温度上升，达到熔体金属的熔点，于是熔体自行熔断，故障电路被分断，完成保护任务。2.熔断器分类(1)螺旋式熔断器常用于机床电气控制设备中1-底座2-熔体3-瓷帽(2)有填料密封管式熔断器常用于大容量的配电线路中1-瓷底座2-弹簧片3-管体4-绝缘手柄5-熔体(3)无填料管式熔断器常用于低压电力线路或成套配电设备中的连续过载和短路保护。1-铜圈2-熔断管3-管帽4-插座5-特殊垫圈6-熔体7-熔片（4）快速熔断器主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护（5）自复熔断器自复式熔断器只能限制短路电流，却不能真正切断电路，故常与断路器配合使用。它的优点是不必更换熔体，可重复使用。（6）插入式熔断器一般用在380V及以下电压等级低压照明线路末端或分支电路中作短路保护及高倍过流保护之用1-动触点2-熔体3-瓷插件4-静触点5-瓷座熔断器的图形符号和文字符号熔断器的型号意义2.2.3主令电器控制系统中，主令电器是一种发布电气控制指令的电器。它直接或通过电磁式电器间接作用于控制电路。常用来控制电力拖动系统中电动机的起动、停车、调速及制动等。常用的主令电器有：控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器等。1．按钮控制按钮是一种结构简单、使用广泛的手动主令电器，它可以与接触器或继电器配合，对电动机实现远距离的自动控制。是一种短时间接通或断开小电流电路的手动控制指令电器。按钮的触点形式:动合按钮(常开触点)动断按钮(常闭触点)复合按钮按钮的结构按钮实物图按钮结构图1-按钮帽2-复位弹簧3-常闭触点4-常开触点按钮的型号含义按钮的图形文字符号行程开关（位置开关），是一种短时接通或断开小电流电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。2．行程开关直动式行程开关滚轮式行程开关微动式行程开关1-推杆2-弹簧1-推杆2-片状弹簧3-常闭触点3-常开触点4-常开触点4-常闭触点5-恢复弹簧行程开关型号的含义行程开关图形符号及文字符号3．接近开关接近开关又称无触点行程开关，当某种物体与之感应头接近到一定距离时就发出动作信号，它不像机械行程开关那样需要施加机械力，而是通过其感应头与被测物体间介质能量的变化来获取信号。接近开关分类（1）涡流式接近开关（2）电容式接近开关（3）霍尔接近开关（4）光电式接近开关（5）热释电式接近开关4．万能转换开关万能转换开关是一种多档式、控制多回路的主令电器。万能转换开关主要用于各种控制线路的转换、电压表、电流表的换相测量控制、配电装置线路的转换和遥控等。万能转换开关还可以用于直接控制小容量电动机的起动、调速和换向。万能转换开关的结构及图形符号万能转换开关万能转换开关的图形符号一层结构示意图5.主令控制器主令控制器是一种频繁对电路进行接通和切断的电器。凸轮式主令控制器结构原理图1-凸轮块2-接线端子3-静触点4-动触点5-支杆6-转动轴7-凸轮块8-小轮2.2.4接触器接触器是一种适用于频繁地接通和断开电动机主电路或其他负载电路的控制电器。结构:由电磁线圈、铁芯、衔铁、触点和固定支架组成。工作原理:当接触器的电磁线圈通入电流时，会产生很强的磁场使衔铁被吸附，安装在衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，触点在弹簧的作用下恢复到断开的状态。电磁接触器按其主触点通过电流的种类不同可分为直流和交流接触器两种，目前在控制电路中多数采用交流接触器。1．交流接触器（1）交流接触器的结构:电磁系统、触点系统和灭弧装置及其它部件等四部分组成1-铁芯2-衔铁3-线圈4-复位弹簧5-绝缘支架6-动触点7-静触点8-触点弹簧（2）交流接触器的工作原理（3）交流接触器的基本参数1）额定电压2）额定电流3）通断能力4）动作值5）吸引线圈额定电压6）操作频率7）寿命2．直流接触器直流接触器结构:由电磁机构、触点系统和灭弧装置等部分组成。1－铁芯2－线圈3－衔铁4－静触点5－动触点6－辅助触点7、8－接线柱9－反作用弹簧10－底板3.接触器的图形符号和文字符4.接触器的型号说明2.2.5继电器继电器是根据某种输入量的变化，接通或断开小电流控制电路，实现远距离自动控制和保护的自动控制电器。1.继电器的特性继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性2.继电器的主要参数1）额定参数：指输入的额定值及触点的额定电压和额定电流2）动作参数：指继电器的动作值和返回值3）返回系数：Kf=f/c，称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。4）动作时间：它指继电器的吸合时间和释放时间。5）整定值：指对动作参数的人为调整值，一般根据用户使用要求进行调节的。3.继电器的分类1）按动作原理分：电磁式继电器、感应式继电器、热继电器、机械式继电器、电动式继电器或电子式继电器等。2）按反应参数分：电流继电器、电压继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器等。3）按动作时间分：