32362《电力拖动与控制(第2版)》李岚第六章

电力拖动与控制常用低压电器第六章主要内容概述常用低压电器基本问题接触器继电器配电电器主令电器电磁执行机构第一节概述低压电器：工作在交流1200V,直流1500V的电器。电器：根据外界特定的信号和要求，自动或手动地接通与断开电路，断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节用的电气设备。采用电磁原理构成的低压电器元件，称为电磁式低压电器。采用集成电路或电子元件构成的低压电器元件，称为电子式低压电器。利用现代控制原理构成的低压电器元件或装置，称为自动化电器、智能化电器或可通信电器。一、低压电器的作用、分类作用：控制、调节、转换、通断和保护低压电器常用的分类方法有：1.按用途分类（1）控制电器主要用于电力拖动、自动控制系统和用电设备中，它控制设备使其达到预期的工作状态。属于这一类的电器有接触器、继电器、起动器、主令电器等。（2）配电电器主要用于配电系统中，它对电路及设备进行保护以及通断、转换电源或负载。属于这一类的电器有刀开关、转换开关、熔断器、低压断路器等。（3）执行电器主要用于完成某种动作或传送功能。属于这一类的电器有电磁铁、电磁离合器等。（1）一般用途低压电器：这类电器用于电力系统冶金企业、机器制造工业以及其它工业的配电系统、电力拖动系统及自动控制系统。（2）矿用低压电器：具有防爆功能，适用于含煤尘及甲烷等爆炸性气体的环境。2.按应用场合分类（3）化工用低压电器：具有防腐蚀功能，适用于有腐蚀性气体和粉尘的场所。（4）船用低压电器：具有耐颠簸、振动和冲击功能，能在很大的倾斜条件下工作，而且耐潮湿,能抵抗盐雾和霉菌的侵蚀。（5）牵引低压电器：常用于电力机车，其工作环境温度较高，能耐倾斜、振动和冲击。（6）航空低压电器：能在任何位置上可靠地工作，耐冲击和振动，而且体积小、重量轻。（2）自动电器：有接触器,继电器,断路器等。（1）手动电器：属于非自动切换的开关电器，包括按钮、刀开关、转换开关、行程开关和主令电器等。3.按操作方式分类操作方式有人力操动、人力储能操动、电磁铁操动、电动机操动、空气压缩操动等。4.按使用系统分类（1）自动控制电力拖动系统用电器:有接触器,起动器,控制继电器等。对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力、操作频率高、电气和机械寿命长等。（2）电力系统用电器:有断路器、熔断器、自动开关等。对这类电器的主要技术要求是通断能力强、限流效应好、电动稳定性高、保护性能完善等。（2）无触点电器:电器通断根据输出信号的逻辑电平来实现。（1）有触点电器:电器通断由触点来实现。5.按电器执行功能分类（3）自动化通讯系统用电器:有微型继电器、晶体管逻辑元件等。对这类电器的主要技术要求是动作时间快、灵敏度高、抗干扰能力强等。（3）混合电器:有触点和无触点结合的电器。6.按电力拖动自动控制系统用电器分类(1)接触器：交流、直流、晶闸管等。(2)继电器：电压、电流、时间、速度等。(3)主令电器：按钮、指示灯、微动开关等。(4)执行电器：电磁铁、电磁离合器等。(5)熔断器：插入式、螺旋式、快速等。(6)成套电器：低压控制屏、低压配电屏等。(7)低压断路器：万能式、装置式、智能化等。(8)刀开关、转换开关：单极、双极、三极等。二、低压电器的应用在电力拖动控制系统中，低压电器主要用于对电动机进行控制、调节和保护。在低压配电电路或动力装置中，低压电器主要用于对电路和设备进行保护以及通断、转换电源或负载。图6-1所示为一工矿企业的典型配电线路，线路上设置了各种低压电器。图6-1工矿企业典型配电线路TM—配电变压器QF—低压断路器QS—刀开关FU—熔断器KM—接触器FR—热继电器M1、M2—电动机这个线路分为三个区间：1)降压变压器至中央配电盘母线的线路称为主线路；2)中央配电盘母线至车间动力配电盘母线的线路称为分支线路；3)车间动力配电盘母线至负载的线路称为馈电线路。在这三个区间中各装置了一些低压电器。刀开关QS1、QS2、QS3、QS4：用于维修线路隔离电源，以保证维修工作安全进行。断路器QF1、QF2、QF3：进行过载、短路、失压或欠压保护。接触器KM1、KM2：用于正常工作条件下频繁地接通和分断线路，但不能分断短路电流。热继电器FR1、FR2：对电动机进行过载保护。熔断器FU1、FU2：对线路进行短路保护。1）八小时工作制：电器的导电电路通以一稳定电流，通电时间足够长以达到热平衡，但超过八小时必须分断。2）不间断工作制：电器的载流回路通以稳定电流，而且通电时间超过八小时也不分断。3）短时工作制：有载时间与空载时间互相交替，且前者比后者短的工作制。4）断续周期工作制：有载时间与空载时间循环交替，且有一定比值。1.额定工作制三、低压电器额定工作制及正常工作条件2.正常工作条件（1）周围空气温度为－5℃～＋40℃，24h内其平均值不超过＋35℃。（2）安装地点的海拔不超过2000m。（3）安装地点的空气最高温度＋40℃时，其相对湿度不超过50％。（4）用来确定电气间隙和爬电距离的微观环境污染等级可分为四级。四、低压电器的发展⒈低压电器的发展概况我国低压电器发展经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、技术引进、跟踪国外新产品、自主研发等几个时期。目前已经形成了较完整的体系，就产品的规格、性能、生产能力来看，基本上满足了我国国民经济发展的需要。目前，我国低压电器的发展正向着更高层次迈进，按照国际标准积极开发、研制新产品，提高传统电器产品的性能。2.低压电器的发展展望低压电器发展方向主要取决于电力系统的发展需要和新工艺、新材料、新技术的研究与应用。三维计算机辅助设计系统的应用与发展使其集设计、制造和分析于一体(CAD、CAM、CAE)，为低压电器产品试制跨越模型阶段创造了条件。（1）现代设计技术1）三维计算机辅助设计CAD和CAE的运用大大缩短了产品试制时间和产品开发周期，提高了企业市场竞争能力。为了提高设计效率，国家还重点开发了一批低压电器专用分析、计算软件(CAE)。计算机图形技术的发展，将虚拟仿真技术引入低压电器的设计领域，使得低压电器的设计、研究达到了一个崭新阶段。2）新的灭弧系统和限流技术目前国内外都致力于研究新的灭弧系统和限流技术，实现低压开关电器“无飞弧”。3）可靠性技术在可靠性研究中，可靠性物理学的研究是提高产品可靠性的基础性措施，其次是加速寿命试验的研究、可靠性设计方面的研究、可靠性试验和试验装置的研制等。随着低压电器系统的大型化和复杂化，系统元件越来越多，集成化程度越来越高，低压电器的可靠性显得越来越重要。4）产品性能测试技术新型低压电器测试技术是由计算机和PLC控制的，试验参数的采集和处理技术采用瞬态记录仪，将被测信号经A/D转换器采集后变成数字量，经计算机和PLC处理后，直接显示各实验数值，使测试精度、深度和广度向前迈进了一步。（2）智能化低压电器将微处理器技术运用于低压电器中，可以实现低压电器的高性能、多功能和智能化。智能化低压电器的发展主要集中在万能式断路器、塑料外壳式断路器、交流接触器及电动机控制器等产品。例如：智能化断路器装有智能脱扣器，具有各种保护、自诊断、自动报警、故障动作记忆及显示、电路参数测定等功能。（3）可通信低压电器低压配电系统的网络化，要求大力发展有通信功能的低压电器。可通信低压电器必须满足下列基本要求：带通信接口、通信归约标准化，可以直接挂在总线上及符合低压电器标准和相关EMC要求。通过现场总线技术，由智能化电器与计算机构成的自动化通信网络正从集中式控制向分布式控制发展。（4）模块化和组合化低压电器模块化电器通过不同的功能模块积木似地组合，使电器获得不同的功能，其制造过程简化，拆装迅速。组合化使不同功能的电器组合于一体，电器结构变得紧凑，减少线路中所需元件品种,并使保护特性得到良好配合。低压电器产品结构上采用模块化和组合化,易于实现标准化、通用化与系列化，制造灵活、使用方便且可靠性高。总之，我国低压电器产品应向智能化、可通信、网络化、高性能、高可靠性方向发展，同时应同步开发基于现场总线的低压配电与控制系统相关产品，这两方面产品的组合，将成为我国新一代低压电器产品的发展方向。我国在将来应加快现场总线与可通信低压电器相关产品的研制与推广，同步开发基于现场总线的低压配电与控制系统的相关产品,以适应现代化建设的发展。第二节常用低压电器的基本问题一、电磁机构结构：电磁机构，触点系统（1）按衔铁的运动方式分1.电磁机构的结构形式衔铁绕棱角转动拍合式衔铁绕轴转动拍合式衔铁直线运动直动式由电磁线圈，铁心，衔铁三部分组成。图6-2电磁机构的形式1-铁心2-线圈3-衔铁（3）按线圈的连接方式分（2）按磁路形状分串联电磁机构：电流线圈，电流型电器并联电磁机构：电压线圈，电压型电器U形（如图a、b、c所示）E形（如图d、e、f和g所示）串联电磁机构并联电磁机构（4）按电磁线圈的种类分直流线圈，交流线圈图6-3电磁机构中线圈的连接方式（1）吸力特性2.电磁机构的特性吸力特性：使衔铁吸合的力与气隙的关系反力特性：使衔铁释放的力与气隙的关系2012FBS式中,F－电磁吸力；B－气隙磁通密度；S－吸力处的铁心截面积；µ0－空气导磁系数，µ0=1.25×106H/m。交流电磁机构的吸力特性：F2∝当铁心截面积S为常数时，电磁吸力F与磁通密度B的平方成正比，也可认为电磁吸力F与气隙磁通Ф的平方成正比，即UE=4.44fN当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，磁通Ф=常数。所以，F=常数实际上，F随δ的减小略有增加。磁路定律:00()()mINININSRSФ=常数,电流I与气隙δ成正比图6-4交流电磁机构的吸力特性通常U型交流电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合时，电流可达到吸合后额定电流的5～6倍；E型电磁机构则可达到额定电流的10～15倍。如果衔铁卡住不能吸合，或者频繁动作，线圈可能因为过电流而烧毁。所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。直流电磁机构的吸力特性：I=常数)F22∝∝(1/图6-5直流电磁机构的吸力特性因外加电压和线圈电阻不变，故：直流电磁机构衔铁闭合前后电磁吸力变化很大，气隙越小，电磁吸力越大。由于电磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力较大，工作可靠性好。直流电磁机构的电磁吸力F与气隙δ的平方成反比。当直流电磁机构电磁线圈断电时，由于磁通急剧变化,在线圈中会感应很大的反电势,其值可达线圈额定电压的10～20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。为了减小此反电势，一般在电磁线圈上并联一个放电回路。通常放电电阻的阻值取线圈直流电阻的6～8倍。图6-6直流线圈的放电回路（2）反力特性反力产生原因：释放弹簧、触点弹簧、重力。反力特性见图6-7曲线3。起始点:δ1，释放弹簧起作用。δ1～δ2区间:随着δ↓，反力↑接触点:δ2，释放弹簧与触点弹簧共同起作用,反力突增。δ2～0区间:随着δ↓，反力↑↑（3）吸力特性与反力特性的配合1－直流电磁机构吸力特性2－交流电磁机构吸力特性3－反力特性图6-7吸力特性和反力特性吸力不能过大，否则铁心端面造成严重机械磨损，触点产生弹跳现象。吸力不能过小，否则铁心吸合速度降低，难以保证高操作频率的要求。实际中，改变反力弹簧松紧实现吸力特性与反力特性的配合。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反力，即吸力特性高于反力特性。212F1F↑1分磁环单相交流电磁机构，在铁心端面安装分磁环。图6-8加短路环后的磁通和电磁吸力加入分磁环，磁通的一部分穿过分磁环，在环中产生涡流，根据电磁感应定律，该涡流所产生的磁通Φ2比未穿过分磁环的磁通Φ1相位上滞后，其合力F1+F2﹥F反，可消除振动。F∝Ф2,Φ正弦交变,变化曲线如图。Φ为零时,F也为零,动铁心在F反作用下断开。随着Φ增大,F也在增大，当F﹥F反时,动铁心吸合,因此使动铁心振动。二、触点系统1.触点的接触形式触点：电磁式电器的执行元件，电器就是通过触点的工作来通断被控制的电路。按所控制的电路可分为主触点和辅助触点