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第1章 电器的基本知识,第1章 电器的基本知识,电器概述,1.1,电器的基本理论,1.2,什么是电器?,电器 电气器具。,电器的定义:指能依据操作信号或外界现场信号的要求,自动或手动接通和断开电路,连续或断续地改变电路参数,以实现对电路或用电设备的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电工装置。,电器 一种能控制电的工具。,第1章 电器的基本知识,1.1.1 电器的分类,1. 按工作电压等级分,低压电器:工作电压在交流1200V或直流1500V以下的各种电器。,高压电器:工作电压高于交流1200V或直流1500V的各种电器。,1.1 电器概述,也有以交流1000V或直流1200V作分界线。,安全电压,安全电压:为防止触电事故而采用特定电源供电的电压系列。,我国GB3805-83安全电压标准规定:安全电压的额定值为42、36、24、12、6V。,42V可供有触电危险的场所使用,如手持式电动工具等的使用; 36V可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等场合下使用; 24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带电体的设备选用。,2. 按动作原理分,手动电器:需要人工直接操作才能完成指令任务的电器。如刀开关、控制按钮、控制器、转换开关等。,自动电器:不需要人工操作,而是按照电或非电信号自动完成指令任务的电器。如交直流接触器、继电器、高压断路器等。,3. 按用途分,控制电器:用于各种控制电路和控制系统的电器。,主令电器:用于自动控制系统中发送控制指令的电器。,保护电器:用于保护电路及用电设备的电器。,配电电器:用于电能的输送和分配的电器。,执行电器:用于完成某种动作或传动功能的电器。,4. 按工作原理分,电磁式电器:依据电磁感应原理来工作的电器。,非电量控制电器:电器的工作是依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。,5. 按电器的执行机构特点分,有触点电器:电器通断电路的功能由触点来实现。,无触点电器:电器通断电路的功能不是通过机械接触,而是根据输出信号的高低实现的(即半导体器件的开关效应,如可控硅的导通和阻断、三极管的饱和与截止来实现电路的通断)。,1.1.2 电器产品的发展,1. 我国电器产品的发展历程,低压电器产品大致可分为三代:,20世纪6070年代: 第一代电器产品 完全模仿前苏联的基础上设计开发的。,特点:结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理想、品种规格不齐全。,CJ10交流接触器,DZ10断路器,DW10多油断路器,第一代电器产品,20 世纪7080 年代: 第二代电器产品 更新换代和引进国外先进技术制造的。,特点:技术指标明显提高,保护特性较完善,体积缩小,结构上适应成套装置要求。,第二代电器产品,CJ20接触器,DZ20断路器,DW15断路器,第二代电器产品,20 世纪90 年代: 第三代电器产品 跟踪国外新技术自行开发试制的。,特点:产品性能优良、工作可靠、体积小,具有电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化。,第三代电器产品,CJ40接触器,DZS断路器,DW45断路器,第三代电器产品,国外从20世纪90年代后期就推出了智能化、可通信的第四代产品。,我国预计用10年左右时间完成第四代低压电器主要系列产品开发与推广(2008年中国电器行业分会) 。,第四代产品,我国从90年代起开发的第三代产品已带有智能化功能,但是单一智能化电器在传统的低压配电、控制系统中很难发挥其优越性,产品价格相对较高,难以全面推广。,我国第4代低压电器总体发展思路,第1批4个项目:新一代智能型万能式断路器、新一代小型化塑料外壳式断路器、新一代小型化控制与保护开关电器、带选择性保护小型断路器,2009年完成研发工作。 第2批项目初步确定为新一代交流接触器、新一代电动机起动器、新一代双电源转换开关、专用系列低压浪涌保护器。2010年启动、2013年完成。 第3批项目重点是各类新型电器,预计2013 2014 年启动、2018年完成。,第4代低压电器的结构特征及基本功能,产品中装有微处理器 带有通信接口,能与现场总线连接 采用标准化结构,具有互换性,内部可更换部件采用模块化结构 保护功能齐全 外部故障记录显示 参数显示 内部故障自诊断 能进行双向通信,2. 电器产品的发展趋势,1.1.2 电器产品的发展,(1)在开发第4代低压电器同时,进一步拓展低压电器领域。重点放在新能源(如风力发电、太阳能发电)配套用电器设备以及配电与控制系统;节能、环保产品;电网安全等。这批项目采用元件与系统相结合方针。,(2)全面实现低压电器主要产品网络化、智能化、可通信:要求我国第3代低压电器主要产品、第4代低压电器全部实现网络化、智能化、可通信,能与多种现场总线连接,也可直接与工业以太网连接。对部分安装通信电缆有困难的场合或网络扩展需要,可采用无线通信技术。,在实现低压电器网络化、可通信同时,要进一步开发并完善智能网络配电与控制系统配套产品。完善各类配套产品规格、品种,实现系列化、标准化并完成智能网络系统主站开发工作。,(3)在开发新一代高性能、小型化、智能化产品同时,积极探讨并大力发展新一代经济型产品。发展新一代经济型产品既是原材料大幅度上涨对低压电器提出节材、节能的需要;也是第1代、第2代低压电器逐步淘汰后为满足中、低端市场的需要。,从节能、节材要求考虑,新一代经济型低压电器不应在第1代、第2代低压电器上改进、派生,而应该在第3代、第4代低压电器派生或重新开发的新一代经济型产品。,(4)全面淘汰第1代产品;逐步淘汰第2代产品,部分产品完善、改进、提高;第3代产品深化二次开发。 通过全行业共同努力,经过5年左右时间实现我国低压电器总体技术水平上一个新的台阶。,在发展4代半产品同时,积极探索我国第5代低压电器的可行性,逐步清晰第5代低压电器定位、产品特点、发展目标与主要研究内容。,(5) 在第4代低压电器研发完成并推向市场后,根据国外低压电器新产品、新技术、新标准、新材料、新工艺最新发展以及市场反馈信息,对第4代低压电器进行完善与改进,部分发展成为4代半产品,以不断满足国民经济与市场发展的需要,也是跟踪新技术、新产品发展需要。,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,1. 三维计算机辅助设计系统,三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体,设计者可在三维空间完成零部件设计和装配,实现设计和制造的自动化与优化,并在此基础上自动生成工程图纸。,2. 低压电器专用计算机应用软件,数据、符号、标准元件库。,软件包: 专用分析、计算软件,如磁系统三维分析、计算软件包、电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电器合闸和分断过程动态仿真、电磁机构和触头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程的动态仿真、样机测试等软件包。,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,3. 计算机网络系统的应用,低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护与信息网络。,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,包括,监控器:在网络中起参数测量、显示和某些保护功能,还具有通信接口的作用,代替了传统的指令电器、信号电器和测量仪表。,网络元件:用于形成通信网络,主要有现场总线、操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等。,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术的应用 一方面使低压电器智能化,提高了低压配电与控制系统的自动化程度; 另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信,使低压配电、控制系统的调度、操作和维护实现了四遥(遥控、遥信、遥测、遥调),提高了整个系统的可靠性。,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,4. 可靠性技术,可靠性物理研究,即产品失效机理研究; 可靠性指标与考核方法研究; 可靠性实验装置研究; 提高可靠性水平研究。,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,5. 新的灭弧系统和限流技术,实现开关电器“无飞弧” 电子灭弧装置 实现无弧分断电路,1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用,1.2 电器的基本理论,电器的组成:,1.2.1 电磁式电器的工作原理,电磁式电器的组成: 感测和判断部分 电磁机构 执行机构 触头,1. 感测和判断部分,电磁机构:,铁心,吸引线圈,衔铁,弹簧,动触头,将电磁能量转换为机械能量,带动触头工作,完成接通和分断电路。,动画演示,1. 感测和判断部分,铁心,吸引线圈,衔铁,弹簧,动触头,当吸引线圈两端施加一定电压或通以一定电流时,在电磁机构的磁路产生磁场,并通过气隙转换成机械能,当施加在衔铁上的电磁吸力大于电磁机构的反力时,衔铁就带动动触头运动,完成触头的闭合和断开,实现电路的接通和分断。,结 论,交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚未动作时,电流比额定工作电流大得多。 若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作,交流线圈将可能因过电流而烧毁。 在可靠性要求高或频繁操作的场合,一般不采用交流电磁机构。,电磁机构分类,1铁心 2吸引线圈 3衔铁,衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心:这种形式磨损小,铁心一般用电工软铁制成,广泛用于直流电器和接触器中。 衔铁沿轴转动的拍合式铁心:铁心一般用硅钢片叠成,常用于大容量交流接触器中。 衔铁做直线运动的直动式铁心:衔铁在线圈内做直线运动,多用于中小容量的交流接触器和继电器中。,吸引线圈,吸引线圈:将电能转换为磁场能。,吸引线圈的分类,按吸引线圈电流的种类分:,直流线圈:因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈发热,所以其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。 交流线圈:由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗,不仅线圈要发热而且铁心也要发热,所以其线圈设有骨架,使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型,这样做有利于铁心和线圈散热。,吸引线圈,2. 执行机构,执行机构电器的触头系统。,触头(又称触点)的作用接通和分断电路。,对触头的要求:导电、导热性良好,接触电阻小。,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镀一层锡、银或镍。,触头上装有接触弹簧,并在安装时将弹簧预先压缩一段,使动触头刚与静触头接触时就产生一个初压力。,接触弹簧,作用:触头接触得更加紧密,减小接触电阻,消除开始接触时产生的振动。,2. 执行机构,常开触头和常闭触头,触头按其原始状态可分为:常开触头和常闭触头。,原始状态 吸引线圈未通电时的状态。,常闭触头,常开触头,2. 执行机构,常开触头:当线圈未通电时触头断开,而线圈通电后触头闭合的触头,又称为动合触头; 常闭触头:当线圈未通电时触头闭合,线圈通电后触头断开的触头,又称为动断触头。,触头的复位线圈断电后所有触头回复到原始状态。,动作顺序:先断后合。,2. 执行机构,主触头和辅助触头,按触头控制的电路分为:主触头和辅助触头。,主触头:用于接通和断开主电路,允许通过较大的电流,一般装有灭弧罩; 辅助触头:用于接通和断开控制电路,只允许通过较小的电流。,2. 执行机构,触头的结构型式,桥式触头,2. 执行机构,桥式触头:桥式触头的两个触点串于同一条电路中,电路的接通和断开由两个触点共同完成。,点接触型式适用于电流不大,且触头压力小的场合,如继电器电路、辅助触点; 面接触型式适用于大电流的场合,这种触头一般在接触表面上镶有合金,以减小触点的接触电阻,提高耐磨性,多用于较大容量接触器的主触头。,2. 执行机构,指形触头:触头的接触区为一直线,触头接通或分断时产生滚动摩擦,既利于去掉氧化膜,又可以缓冲触头闭合时的撞击能量,改善触头的电器性能。 适用于通电次数多,电流大的场合,常用于刀开关。,2. 执行机构,1.2.2 电接触理论,触头在闭合状态下动、静触点完全接触,并有工作电流通过时,称为电接触。,电接触:导体和导体之间的连接处。,电接触情况的好坏将影响触头的工作可靠性和使用寿命。,电接触的结构形式,按接触工作的原理分:,固定接触:两接触元件在工作时间内固定接触,无相对运动也不分离。如母线的螺栓连接或铆接,电子设备和仪器中的插接件、连接器和插头等。,滚动和滑动接触:两接触元件能作相对滚动和滑动,但不相互分离。如变阻器的滑动头、电机的电刷和滑环、电气机车的馈电弓和馈电线等。,可分、合接触:两接触元件可随时分离或闭合。,可分、合的接触元件通常称为触头或触点。 在任何利用触头实现电路通、断的电器中都有这类电接触类型。,电接触的任务,传导电流,保证电接触能长时间的可靠稳定地工作。,基本要求,长期通过额定电流的电接触其温升不能超过国家标准规定的数值,且温升稳定; 电接触在通过短时的短路电流或脉冲电流时,接触处不会发生熔焊或松驰现象; 可分、合接触在断开过程中,触头材料损失应尽量小; 可分、合接触在闭合过程中,接触处不应出现不能断开的熔焊现象,而且触头表面不会出现严重损伤和变形。,对接触元件的基本要求: 接触时接触元件为良好的导体; 分离后应为良好的绝缘体。,存在的问题: 当两导体相互接触流过电流时,接触处会出现局部高温,严重时可达到接触导体材料的熔点,在接触处出现熔焊现象。 在电接触中普遍存在接触电阻、接触温升和电磨损等问题。,接触形式,点接触:多用于小电流。,线接触:广泛用于接触器、自动开关及高压开关电器的触头中。,面接触:固定接触常采用此形式,多用于大电流。,触头的发热和熔焊,当电流流过两导体的接触处时,由于接触电阻的存在,将会使接触处的温度升高。 温度的升高又会促使表面膜的生长,使接触电阻增加,从而使温度进一步上升。 严重时接触点的温度可达接触元件材料的软化点、熔化点甚至沸腾点,最后使两接触面产生金属焊接。 当开关电器发生金属性的熔焊后,触头就不能正常分断,开关也就失去作用。,纯金属材料 金属合金材料 复合材料,常用的触头材料,复合材料:是一种机械混合物。采用高导电材料和高熔点材料制成粉末后烧结而成,其制造方法类似于陶瓷,所以也称粉末合金材料或金属陶瓷材料。,复合材料既有较低的接触电阻,又耐弧、耐磨损和抗熔焊。一般作大容量触头材料。,1.2.3 开关电弧理论,电弧开关触头在大气中断开电路时,如果电路的电流超过0.251A,电路断开后加在触头间的电压超过1220V,则在触头间隙(又称弧隙)中便会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体。,高压开关分断时产生电弧,电弧的影响,在开关电器中,电弧的存在虽然可以给电路中磁能的泄放提供场所,从而降低电路开断时产生的过电压,但当开关触头间产生电弧时,它会延长电路的切断时间,电弧的高温还会烧坏触头,严重时甚至引起开关电器着火和爆炸,形成火灾影响电力系统的安全运行。,开关电器典型灭弧装置,1)简单灭弧,在大气中分开触头时,借机械力或电弧电流本身产生的电动力拉长电弧,使之在运动中不断与新鲜空气接触为其冷却,使电弧熄灭。,低压电器中的刀开关和直动式交流接触器均为简单灭弧。,桥式双断开触点,两处断开点相当于两对电极,若要使该处电弧熄灭后重燃需要2(150250)V电压,而通常低压电器断点间的电压达不到此值,实际上起到了灭弧的作用。,2)磁吹灭弧装置,磁吹线圈,铁心,磁吹线圈磁场,动触头,电动力F,当电弧需要较大的电动力吹入灭弧室时,就要采用专门的磁吹装置,3)弧罩与纵缝灭弧装置,常用耐弧塑料(如陶土、石英、三聚氰胺和MP-1塑料)制造的具有纵缝的灭弧室来限制弧区扩展并加速冷却以削弱热电离。,4)栅片灭弧装置,栅片灭弧装置有绝缘栅片与金属栅片两种: 绝缘栅片灭弧装置:是利用电弧自身磁场产生的电动力拉长电弧,并使电弧在与绝缘栅片紧密接触的过程中迅速冷却; 金属栅片灭弧装置:是将电弧分割为多段短弧、利用增大近极区电压降(特别是交流时的近阴极效应)来加强灭弧效果。 栅片灭弧装置适用于高低压直流和交流开关电器,以低压交流开关电器用得较多。,5)固体产气灭弧装置,固体产气灭弧装置:是利用能产生气体的固体绝缘材料如钢纸、有机玻璃等兼作绝缘管和灭弧室。 电弧产生时的高温使绝缘材料迅速分

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