现代电气控制第一章().ppt

第1章常用低压电器,常用低压电器的工作原理和用途,重点：,1.1常用低压电器的定义及分类,一.电器的定义,一种能根据外界的信号和要求，手动和自动地通断电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节作用的电工器械。,二.电器的分类,按工作原理分：手动操作电器、自动化控制电器按电压等级分：高压电器、低压电器(AC1200V、DC1500V)按有无触点分：有触点电器、无触点电器按使用系统分：电力拖动自动控制系统用电器电力系统用电器,常用低压电器：接触器：交流接触器、直流接触器继电器：电磁式继电器(电压继电器、电流继电器)时间继电器(空气阻尼式、晶体管式等)信号继电器(速度继电器、温度继电器、液位继电器、干簧继电器等)中间继电器、固态继电器、热继电器等保护电器：熔断器(管式、螺旋塞式、快速式等)低压断路器主令电器：按钮、刀闸开关、万能转向开关行程开关(直动式、滚动式、微动式),配电&控制柜,1.2电磁式控制电器的结构与基本原理,电磁式控制电器：采用电磁原理实现控制功能的电器。结构主要由触点、灭弧装置和电磁机构组成。,一.触点,触点是电磁式控制电器的执行部件。该类电器通过触点的动作接通或断开被控制的电路。,按触点所控制的电路分：主触点、辅助触点按触点的原始状态分：常开触点、常闭触点按触点的接触形式分：点接触、线接触、面接触按触点的结构形式分：单断点指形触点、双断点桥式触点,二.灭弧装置,1.电弧的产生,一种气体放电现象。当触点断开瞬间，由于极小的触点间距和极大的电场强度，触点间产生大量的带电粒子，形成炙热的电子流，产生弧光放电形成电弧。,2.电弧的危害,防碍电路正常分断、严重腐蚀触点,3.灭弧原则,设法降低电弧区温度和电场强度常用的方法有：拉长电弧、切断或分割电弧,4.常用的灭弧装置,多断点灭弧：适用于交流继电器和小电流接触器。磁吹式灭弧：利用电弧电流本身灭弧，电弧电流越大，吹弧能力越强，且不受电路电流方向影响。适用于直流接触器中。灭弧栅：利用镀铜薄钢片组成的栅片隔弧、降温。常用的交流灭弧装置。灭弧罩：用陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。起隔弧、降温功能。适用于交流和直流电弧。,三.电磁机构,电磁机构是电磁式接触器和继电器的感测部分。它将电磁能转换为机械能，带动静触点使之闭合和断开。电磁机构由激磁线圈、铁心和衔铁等几部分组成。电磁机构按流过激磁线圈的电流种类分为：交流线圈和直流线圈。由此电磁式控制电器也分为交流和直流两类。它们都利用电磁铁的原理制成。交流激磁线圈中产生的交变磁通穿过铁心时，将产生涡流和磁滞损耗，使铁心发热；为减少铁心发热，交流电磁式控制电器的铁心用硅钢片冲压而成。直流电磁式控制电器的铁心不会产生涡流和磁滞损耗，铁心不会发热；因此直流电磁式控制电器的铁心由整块钢材制成。,电磁机构的吸力特性和反力特性,1.吸力特性,电磁机构使衔铁吸合的力F与气隙的关系曲线。,电磁吸力近似表达式：F=4105B2S,当S一定时：FB22。寻找与的关系。,(1)直流电磁机构的吸力特性,IN/RmIN：磁势Rm：磁阻Rm,直流电磁线圈电流决定于线圈电压U和线圈电阻R。当U和R一定时：,IN/Rm1/Rm,F21/Rm21/2,吸力F与气隙2成反比。,(2)交流电磁机构的吸力特性,交流电磁线圈电流决定于线圈电压U和线圈电抗。电阻可忽略不计。在交流电磁线圈中UE=4.44fNU/4.44fN,当U、f、N一定时,一定，F一定。,即：吸力F与气隙大小无关。,考虑漏磁，F随减小略有增加。同时：一定，IN/I,可靠性要求高或频繁动作控制系统采用直流电磁机构而不采用交流电磁机构。,2.反力特性,电磁机构使衔铁释放的力F反与气隙的关系曲线。反力通常由弹簧力、衔铁自身重量和摩擦力构成。,吸力特性与反力特性的配合：a.整个吸合过程中，吸力反力b.但不能过大或过小过大：过小：,3.单相交流电磁机构上短路环的作用,i,i是2产生的感应电流是i产生的感应磁通,F=F1+F2F反,1.3接触器,接触器是用来接通和切断电动机主电路或其它负载电路的一种电磁式控制电器。,一.作用与分类,接触器按其主触点通断电流的种类不同分为：交流接触器和直流接触器。,二.结构,触点系统：主触点、辅助触点常开触点（动合触点）常闭触点（动断触点）电磁系统：动、静铁芯，吸引线圈和反作用弹簧灭弧系统：灭弧罩及灭弧栅片灭弧,交流接触器结构图,绝缘支架,静铁芯,线圈,灭弧罩,主触点,动铁芯,辅助常开触点,辅助常闭触点,三.工作原理,接触器激磁线圈通电后，衔铁气隙处产生吸力，在衔铁的带动下，主触点闭合，接通主电路。同时衔铁还带动辅助触点，产生相应的动作。当线圈断电，吸力消失，衔铁在反力作用下释放，主(辅助)触点恢复初始状态。,四.接触器的主要技术参数、符号和选用原则,1.主要技术参数,a.额定电压：主触点的额定电压交流接触器：127、220、380、500V直流接触器：110、220、440、660V,b.额定电流：主触点的额定电流交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A直流接触器：40、80、100、150、250、400、600A,c.激磁线圈的额定电压：交流接触器：36、110（127）、220、380V直流接触器：24、48、220、440V,d.额定操作频率：每小时接通次数e.触头数目:f.机械寿命和电气寿命:无载/有载操作次数g.接通和分断能力（使用类别）:,2.接触器符号,激磁线圈,常开触点,常闭触点,3.选用原则,根据主电路电流种类确定选择交流接触器还是直流接触器。根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。（如：AC-3,AC-4)根据负载功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。根据接触器主触头接通与分断主电路电压等级来决定接触器的额定电压。接触器线圈额定电压必须与接入此线圈的控制电路的额定电压相等，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但对于频繁动作的交流负载，可选用带直流电磁线圈的交流接触器。接触器的触头数目和种类应能满足主电路和控制电路的要求。小技巧,1.4继电器,一.继电器的作用与分类,一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力或使输出状态发生阶跃变化，从而通过其触点或突变量促使在同一电路或另一电路中的其他器件或装置动作的一种控制元件。它用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。,按输入量的物理性质：电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器、温度继电器、压力继电器等；按动作原理：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等；按动作时间：瞬时继电器（快速、一般）、延时继电器；按执行环节作用原理：有触点继电器、无触点继电器；,二.继电器的输入输出特性(继电特性),特性曲线为跳跃式的回环特性。,Xc:继电器吸合值；Xf:继电器释放值,Kf=Xf/Xc继电器的返回系数,继电器返回系数Kf一般在0.10.4之间,继电器的吸合时间和释放时间：影响继电器的操作频率一般继电器的吸合时间与释放时间为0.050.15s,三.电磁式继电器,电压继电器、电流继电器、中间继电器,1.电磁式继电器结构和工作原理：,无灭弧装置,a)线圈一般符号b)过电流、欠电流继电器线圈c)过电压、欠电压继电器线圈d)常开、常闭触头,2.电压继电器,反映电压信号。使用时，激磁线圈与负载并联，匝数多而线径细。常有欠(零)压继电器、过压继电器。,3.电流继电器,反映电流信号。使用时，激磁线圈与负载串联，匝数少而线径粗。常有欠流继电器、过流继电器。,4.中间继电器,实质上式一种电压继电器。特点是触头数目较多，电流容量可增大，起到中间放大（触头数目和电流容量）作用。,电流继电器,电压继电器,中间继电器,四.干簧继电器,干簧管：导磁簧片封装在充有水银或惰性气体的玻璃管。,利用线圈产生的磁场驱动继电器动作，接通电路。磁场消失后，簧片靠自身弹力分开。,特点：灵敏、小巧、耐用。可方便反映电压、电流、功率等各种物理量，特别适用于电子电路。,1-舌簧片2-线圈3-玻璃管4-骨架a)常开触头b)常闭触头,五.时间继电器,获得输入信号后，执行元件要延时一段时间才动作的一种继电器。常有空气阻尼式、电动机式和晶体管式等。,通电延时：常开触点延时闭合、常闭触点延时断开断电延时：常开触点延时断开、常闭触点延时闭合,时间继电器符号,空气阻尼式时间继电器：气囊式时间继电器。延时范围较宽。,电动机时间继电器：继电器内的同步电动机通电后，通过减速齿轮带动动触点经约定延时与静触点闭合。延时范围宽。,电子（晶体管）式时间继电器：利用电容对电压变化的阻尼作用来延时。体积小、功率小、精度高、延时范围宽、调节范围宽。,基本原理：电源E通过R对C充电，Uc按指数规律上升。当Uc上升到门限电压Ud时，继电器动作。延时时间由充电时间常数RC、E、Ud及电容初始电压UC0决定。,数字式时间继电器：,计数继电器,时控开关,六.速度继电器,一种按速度原则动作的继电器。主要应用于三相笼型异步电动机的反接制动中，又称为反接制动继电器。,结构：主要由定子(硅钢片冲压而成并装有笼型绕组)、转子(永久磁铁)和触点组成。,原理：速度继电器轴与电动机同轴，电动机转动时，同轴转动的转子产生旋转磁场。定子内笼型绕组切割磁力线产生感应电动势和电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随旋转方向偏摆。转速越大，转矩越大，偏摆越大。通过定子柄拨动触点，使继电器动作。,电动机转速下降接近零速时，触点在簧片作用下复位。,1-转子2-转轴3-定子4-绕组5-定子柄6-静触点7-动触点8-簧片,七.热继电器,一种利用电流的热效应原理工作的继电器。主要应用于三相笼型异步电动机的长期过载保护中。非短路保护。,电动机的过载问题：短时过载、长期过载。,结构：主要由热元件、双金属片和触点组成。,三相异步电动机在使用中断相占其损坏的70%以上造成断相运行的原因：熔断器一相熔断；电源引线或电动机绕组一相断线；电动机绕组引出线与电源端子接触不良；隔离开关、熔断器、断路器或接触器的一相触点接触不良；,Y接法UL=3UPIL=IP正常情况下ZA=ZB=ZC=ZUAB=UBC=UCA=ULIA=IB=IC=IP=ILP=3UPIPCos=3ULILCos,断相保护分析,故障情况下，设UB=0，那么即：P=ULICos,若断相前后，功率保持不变，则有：P=P,即：3ULILCos=ULICos,则：,结论：Y接法三相交流电机运行中发生断相事故时，在功率不变条件下，另外两相绕组中流过的线电流I是正常线电流IL的K倍，且K1.732。由于Y接法时，IL=IP，因而，过载的相电流可以准确的反映在线电流上，因此，对Y接法交流异步电机，无论采用三相或两相的热继电器，均可实现断相保护。,接法UL=UPIL=3IP正常情况下ZA=ZB=ZC=ZUAB=UBC=UCA=UL=UPIA=IB=IC=ILP=3UPIPCos=3ULILCos,故障情况下，设UB=0，则：,IC,结论：接法的三相交流电机运行中发生断相事故时，在线电流不变条件下，电机绕组内的相电流发生了严重的不平衡，跨接全压的一相绕组内流过的故障电流是其额定相电流1.15倍这时，由于通过热继电器热元件的故障电流仍小于热元件的动作整定值，热继电器不会动作，致使电机绕组过热，严重时，将烧毁电机。因此，接法的电机在选用热继电器作过载断相保护时，必须选用三元件并具有断相保护功能的热继电器。因为断相的不确定性，采用两元件的热继电器已不能很好地起到保护作用。,热继电器的选用主要根据电动机的额定电流来确定其型号及热元件的额定电流等级。对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些。在不频繁起动场合，要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作。当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。对于可逆运行和频繁通断的电动机，不宜采用热继电器保护，必要时可采用装入电动机内部的温度继电器。,八.温度继电器,九.液位继电器,某些场合需根据液位高低的变化来控制水泵电动机的启停，这一控制可由液位继电器来实现。,十.固态继电器(SSR_SolidStateRelay),一种采用固体半导体元件组成的无触点型继电器。具有开关速度快、工作频率高、寿命长、噪声低和可靠性高等优点。已在许多自动控制装置中替代了常规电磁式继电器，尤其适用于动作频繁、防爆耐潮和耐腐蚀等场合。,单相交流固态继电器,单相交流SSR内部结构框图,三相交流固态继电器,1.5主令电器,一.控制按钮,主令电气：通断控制电路，发出命令的电器。,一种结构简单、使用广泛的手动主令电器。常在控制电路中作远距离手动控制。,按其用途一般分为启动(绿、黑)按钮、停止(红)按钮和复合按钮。,按其结构有按钮式、自锁式、指示式、钥匙式、旋钮式、紧急式和防爆式等。,二.行程开关,依照生产机械的行程发出命令以控制其运动方向或行程长短的主令电器。若将行程开关安装与生产机械行程终点处，则称为限位开关。按其结构可分为：直动式、滚动式和微动式。广泛用于各类机床、起重机械和轻工机械的的行程控制。,三.接近开关,无触点(非接触）行程开关。当某种物体(通常限于金属)与之接近到一定距离(通常较近)时发出动作信号。接近开关的应用已远超出一般的行程控制和限位保护，如用于高速计数、液面控制、检测金属体的存在等。按其原理有高频振荡型、电容型、电磁感应型、光电型、超声波型和霍尔效应型等。,LJ2系列晶体管接近开关的电路开关的振荡器为电容耦合型，由晶体管VQ1、电感振荡线圈L及电容C1C3组成。振荡器输出经电容C4耦合加至晶体管VQ2的基极上，放大后再经二极管VD1、VD2整流成直流信号，然后送至晶体管VQ3基极，使VQ3导通。晶体管VQ4、VQ5组成一个施密特单稳电路。VQ3导通，VQ4基极经R10接低电平，故VQ4截止。VQ4截止，VQ5就导通，并使末级晶体管VQ6截止，其集电极无信号输出。如果有金属物体接近振荡线圈L，则在金属物体中产生涡流，涡流产生磁场反过来使振荡电路的谐振阻抗和谐振频率发生变化而停振。也可以说这是由于金属物体的涡流吸收了振荡回路的能量而使之停振。振荡回路停振，使晶体管VQ2VQ6的状态与前相反，此时VQ6导通，产生输出信号，继电器KA线圈通电，改变其触点通断状态。,四.光电开关,接近开关的一种，除克服接触式行程开关的缺点，还克服了接近开关作用距离短、不能直接检测非金属物体等缺点。具有体积小、寿命长、多功能、精度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点。可非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、透明体、黑体、烟雾等物质地状态和动作。,按其检测方式可分为对射式、反射式两种。,五.万能转换开关,由多组相同结构的触头组件叠装而成的多档位多回路的主令电器。由操作机构、定位装置和触头系统三部分组成。,六.主令控制器,又称主令开关，用来频繁切换复杂的多回路控制电路的主令电器，主要用作起重机、轧钢机的主令控制。主令控制器一般由触头、凸轮、定位机构、转轴、面板及其支承件等部分组成。操作轻便，允许每小时接通次数较多，适用于按顺序操作多个控制回路。,1.6低压开关、熔断器和低压断路器,一.胶壳刀开关,一种结构简单、使用广泛的手动主令电器。常用作电路的电源开关和小容量电动机非频繁启动的操作开关。,刀开关安装时，手柄要向上，不得平装和倒装。接线时电源线接上端，负载接熔断器下边。,a)单级b)双极c)三极,又称封闭式负荷开关。用于非频繁起动、28kW以下的三相异步电动机。铁壳开关主要由钢板外壳、触刀、操作机构、熔丝等构成。铁壳开关一般具有机械联锁。当铁盖打开时，刀开关被卡住，不能操作合闸。铁盖合上，操作手柄使开关合闸后，铁盖不能打开。,二.铁壳开关,一种利用熔体（丝）熔断来切断电路的保护电器。由熔体和熔管组成。在电路中起严重过载和短路保护作用。,熔断器的保护特性(安秒特性)：流过熔体的电流与熔体熔断时间的关系。具有反时限特性。Imin：最小熔断电流或称临界电流。当熔体电流小于临界电流时，熔体不会熔断，所以最小熔断电流必须大于线路额定电流。最小熔化系数：最小熔断电流Imin与熔体额定电流IRN。（1.25),三.熔断器,极限分断能力：在额定电压和一定功率因数下切断短路电流的极限能力。其值必须线路可能出现的最大短路电流。,瓷插式,按其结构可分为插入式、螺旋式、无填料密封管式、有填料密封管式、快速式和自恢复式等。,螺旋式,有填料式,无填料密封式,快速式,自恢复式,瓷插式熔断器：常用于低压分支电路的短路保护。螺旋式熔断器：常用于机床电气控制设备中。无填料密闭管式熔断器：常用于低压电力网或成套配电设备中。有填料密闭管式熔断器：常用于大容量的电力网或配电设备中。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。由于半导体元件的过载能力很低，只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。自恢复熔断器：采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当短路发生短路故障时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而限制了短路电流。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。,熔断器的选用原则：,（1）熔断器类型的选择根据负载的保护特性和短路电流大小。用于保护照明电路和电动机的熔断器，一般考虑它们的过载保护，要求电容器的熔化系数适当小些。对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时的分断电流能力。（2）熔断器额定电压的选择熔断器的额定电压所接电路的额定电压。,熔断器的选用原则：,a.对于保护平稳负载(照明、电炉):IRNIN。多级熔断器时，既要保证保护的选择性，又要考虑到后备保护。,b.对于保护单台长期工作的电动机（供电支线)：考虑到电动机起动时熔断器不应熔断，IRN(1.52.5）IN,c.对于保护频繁起动的电动机（供电支线)：考虑到电动机频繁起动时发热熔断器不应熔断，IRN(33.5）IN,d.对于保护多台电动机（供电干线)：考虑出现尖峰电流时熔断器不应熔断，IRN(1.52.5）INmax+IN,（3）熔体、熔断器额定电流的选择熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关,快速熔断器的选用原则,快速熔断器的选择与其接入电路的方式有关，常见的接入方式有：接入交流侧、接入整流桥臂和接入直流侧。,熔断器接在交流侧或直流侧：IRNK1I,其中I为整流电路的最大整流电流。K1为与整流电路形式及导通角有关的系数，在不可控整流电路中，K1与整流电路形式有关，如单相桥式K11.11、三相桥式K10.816。在可控整流电路中，K1还与导通角有关。具体参数可查阅相关手册。,熔断器接在整流桥臂：IRN1.5IN，其中为整流元件的额定电流。,四.低压断路器,低压断路器又称自动空气开