低压电器及其控制系统课件

1、2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,1,电器原理及控制技术,主讲：李中伟 联系电话：86413623Email: lzw,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,2,电器原理及控制技术 绪论,电器的定义 传统电器的基本定义： 电器是根据外界指定信号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数或状态以实现对电路或非电对象进行切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备。 智能电器定义： 智能电器是以微控制器为核心，除具有切换、控制、保护、检测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及

2、与外界通信等功能的电器产品。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,3,二. 低压电器定义,低压电器是用于交流电压为1200V、直流电压为1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,4,三. 低压电器分类,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,5,三. 低压电器分类,低压配电电器 低压配电系统(也称低压电网)或动力装置中用来进行电能分配、完成接通和分断电路及对配电线路和设备进行保护的电器。 低压控制电器 用于低压电力拖动系统或其它各种控制系统中对电动机或被控电路进行控制、调节与保

3、护的电器。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,6,四. 我国低压电器发展历程与发展趋势,发展历程 我国截至2003年底，低压电器元件获3C认证13000多个单位，低压成套装置获3C认证6000多个单位，生产的低压电器产品近1000个系列、产值约200亿人民币。 目前市场销售的产品可谓四代同堂。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,7,第一代产品,开发年代：上世纪60年代70年代初； 开发方针：自行开发，填补空白； 主要产品：由上海电器科学研究所组织统一设计，以DW10（万能式断路器）、DZ10（塑壳断路器）、CJ10（交流接触器）等系列产品为代表的

4、17个系列； 性能水平：相当于国外上世纪50年代水平，其中主要产品DW10、DZ10、CJ10、JR16B等现已列入行业第16批落后淘汰产品； 技术特征：性能指标低、体积大、耗材、耗能、保护特性单一、规格及品种少。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,8,第二代产品,开发年代：上世纪70年代末80年代； 开发方针：全国更新换代（分自行开发、技术引进、达标攻关三条线进行）； 主要产品：自行开发产品以DW15、DZ20、CJ20为代表，共56个系列，技术引进产品以ME（德国AEG）、TG（日本寺崎电气）、3TB（德国西门子）、B（德国BBC）系列为代表，共34个系列，达标攻关

5、产品40个系列； 产品水平：上世纪70年代末80年代初； 技术特征：技术指标明显提高，保护特性比较完善，体积缩小，结构上适应成套装置要求。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,9,第三代产品,开发年代：上世纪90年代； 开发方针：抓住主要系列，跟踪国外先进技术； 主要产品： DW45、S（小型化S系列塑壳断路器）、CJ45（CJ40）等系列产品； 产品水平：上世纪90年代初； 技术特征：高性能、小型化、电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,10,第四代产品,跟踪国外新技术发展，努力研究与开发我国第四代产品智能

6、化、可通信电器。根据国外新技术、新产品的发展趋向以及面临的市场形势，在积极完成第三代产品开发的同时，有必要不失时机地提出开发我国第四代低压电器产品的设想，并付诸实施。其主要目的是： （1）适应低压配电、控制系统与成套装置（现场总线系统）的发展需要。 （2）促进我国第三代产品推广。 （3）与国外低压电器先进水平的差距不致重新拉大。 （4）提高低压电器技术含量，增强产品市场竞争能力。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,11,第四代产品,主要特征： 高性能 高可靠性 可维护性高 可通信、网络化,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,12,第四代产品,202

7、0/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,13,国内外低压电器技术发展趋势,(1)现代设计技术的应用 现代设计技术主要表现在三维计算机辅助设计系统与制造软件系统的引入、电器开关特性的计算机模拟和仿真、现代化的样机测试手段等3个方面。 (2)低压电器专用计算机应用软件 如磁系统三维分析、计算软件包、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（西安交大）、电弧产生与熄灭过程的动态仿真（较难）、样机测试等软件包。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,14,国内外低压电器技术发展趋势,(3)计算机网络系统的应用 微处理机技术和计算机技术的引入及计算机

8、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，另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信。低压电器与控制系统已统一形成了智能化监控、保护与信息网络。它由智能化电器、监控器、中央计算机及网络元件4部分组成。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,15,国内外低压电器技术发展趋势,(4)可靠性技术 可靠性物理研究（产品失效机制研究）-基础 低压电器可靠性指标及考核方法研究-核心 低压电器可靠性试验装置研制-必备条件 可靠性提高措施研究-实现手段 (5)新的灭弧系统和限流技术,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,16,本课程讲述的主要内容,配电

9、线路及用电设备对低压电器的基本要求 主要典型电器的结构原理及特性参数 低压电器及继电器构成的控制系统,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,17,第1章 低压线路及其对低压电器的基本要求,1.1 概述 在低压线路中应用着各种类型的低压电器，它们对配电线路或用电设备起保护、控制与调节作用。图1.1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。,第一编 低压电器,接触器,中央配电盘,动力配电盘,K2,T,QS1,QF1,FU2,馈电线路2,QS2,FR2,QF3,KM2,分支线路1,3,QF2,M2,FR1,KM1,馈电线路1,M1,分支线路2,QS3,FU1,3,

10、图1.1 工矿企业典型配电线路图,供电 变压器,低压 断路器,隔离开关,熔断器,热继电器,电动机,K1,K3,主线路,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,19,这个线路分为三个区： 供电变压器至中央配电盘母线这一区间的线路称主线路； 中央配电盘母线至车间动力配电盘这一区间的线路称分支线路； 动力配电盘至负载(一般为电动机)这一区间的线路称馈电线路。 在这三个区间各装置了一些低压电器。 前面两个区间装置的低压电器大多属于配电电器，如图中的断路 器QF1、QF2和隔离开关QS1、QS2等； 后面一个区间的低压电器，如接触器KM是用于控制和操作负载 的，属于控制电器；但这个区间

11、也装有配电电器，如熔断器FU。 断路器用于保护，接触器用于控制，隔离开关用于维修线路。,图1.1 说明,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,20,电动机控制与保护电路,图1.2 控制和保护笼型电动机的线路,SB2、SB1启动和停止按钮；KM接触器； FR热继电器；FU熔断器；M电动机,FU,FR,FR,KM,SB1,SB2,KM,FR,FR,M,KM,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,21,图1.2是由接触器KM和热继电器FR组成的控制线路，用于控制和 保护笼型电动机。图中SB2 和SB1为启动和停止按钮，是一种用来下达 操作指令的主令电器。 按下

12、启动按钮SB2 ，接触器KM线圈通电，它的操作电磁铁带动触 头系统，主触头接通主回路，电动机开始启动。并联在按钮SB2两端的 常开联锁触头KM闭合，使启动按钮SB2松开后，接触器线圈自保持通 电状态。 当运行中的电动机发生过载时，过载电流流过串联在主回路中的 热继电器的FR热元件，热元件发热到足够温度，双金属片发生弯曲， 使串联在接触器线圈回路中的常闭触头断开。接触器释放而切断电动 机电源。 在电动机正常运转时，按下停止按钮SB1 ，可使电动机停转。,图1.2说明,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,22,图1.1和图1.2的简要分析,从图1.1和图1.2线路中各种电器的

13、作用来看，低压电器主要用于配电线路和用电设备的保护和控制。在线路中，不同的电器所承担的任务是不同的，因此，对不同低压电器的技术要求也各不相同。 有些低压电器的技术要求与使用线路的工作要求有关，比如与配电线路的短路电流有关。 所谓短路是指相与相之间通过较小阻抗的一种非正常短接，或通过电孤的短接，或相与地之间的接通。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,23,短路的几种形式,图1.3 短路的几种形式,Rjd接地电阻；R电阻；X电抗,(a)三相短路,(b)两相短路,(c)单相短路,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,24,1.2 短路电流的分析与计算,一.

14、 低压线路短路电流的一般概念 实际运行的配电系统具有一定的容量及系统阻抗。当低压系统发生短路时，由于有限的容量及系统阻抗，使系统端电压下降。系统容量越大，阻抗越小，系统端变化越小(无穷大容量、零阻抗、端电压不变)。 对于1000V以下的低压线路，当系统阻抗不超过短路回路总阻抗的510时，则可以不考虑系统阻抗，认为系统端电压不变。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,25,以单相短路为例,设短路产生前的负载电流为零，短路线路阻抗Z=R+jX 系统容量为无限大，不计系统阻抗。单相短路 相当于感性负载与电源接通(见图1.4)。,图1.4 单相短路等效电路,2020/6/30,哈

15、尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,26,以单相短路为例,电源电压： 短路电流周期分量： 短路电流非周期分量：,短路产生瞬间的电压相位角（合闸相位角）；,功率因数角；,T 时间常数；,由上式可知，短路电流的非周期分量 与短路瞬间电压相位角有关。当 时 达到最大值，即,短路电流 i = +,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,27,单相短路电流波形,图1.5 单相短路电流波形,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,28,二. 电力系统中各元件的阻抗,计算短路电流时，须知电力系统中各元件的阻抗值。在高压线路的短路电流计算中，一般只考虑主要元件的电抗，如同步

16、电动机、电力变压器、电抗器、架空输电线及电缆等的电抗，各主要元件的电阻仅在电阻大于总电抗值的1/3时才计入。 在低压线路的计算中，不仅要考虑各主要元件的电阻和电抗，且要考虑母线和电缆的阻抗、电流互感器的阻抗、低压断路器的过电流线圈的阻抗和开关触头的接触电阻等。 为了简化计算，使短路电流值的计算偏于安全，允许不考虑占回路总阻抗值小于10的元件。因此，在一般情况下，只需计及馈电电缆、长度超过10m的母线及300/5A以下的电流互感器的阻抗值。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,29,1.3 系统对开关电器的要求,一. 配电电器的通断能力和通断条件 低压配电线路最严重的故障就

17、是短路所以短路一发生，就要求线路中用于短路保护的低压配电电器(如断路器和熔断器等)立即工作(不是动作？)，分断短路电流。 其次，有时会出现这样的情况，即在系统存在故障的情况下开关电器合闸（？），因此要求一些配电电器具有接通短路电流的能力。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,30,额定短路接通和分断能力定义,电器的短路接通能力与短路电流最大峰值(短路冲击电流)有关。因为冲击电流产生的电动力可能使触头在接通过程中斥开（？），引起触头熔焊（？）。 额定短路接通能力：表明配电电器的接通能力，该能力是指在规定的试验电压和规定的参数条件下电器能够接通的最大短路电流峰值。规定参数是指

18、，对交流电器而言是试验回路的功率因数，对直流电器是时间常数。 交流电器的接通能力：一般用额定短路分断电流Ic乘以表1.3所规定的峰值系数n来表示。 额定短路分断能力：在规定电压、频率以及一定的功率因数(或时间常数)下电器能够分断的短路电流Ic ，交流电器是用周期分量有效值表示。 交流电器的分断能力和接通能力所要求的功率因数相同，如表1.3所示，它的值随分断短路电流值的增大而减小。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,31,表1.3 交流配电电器额定短路分断能力与功率因数和峰值系数n的关系,注：峰值系数n是指短路电流的第一半波最大峰值与其周期分量有效值之比,2020/6/3

19、0,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,32,二. 电器的电动稳定性和热稳定性,短路效应 短路电流产生的电动力会导致电器破坏； 短路电流产生的热效应会使电器温升过高，导致导电接触系统和绝缘部分的损坏。 电器的电动稳定性 电器的电动稳定性：电器承受短路电流的电动力作用而不致破坏或产生永久变形的能力。 由于电动力与电流瞬时值的平方成正比，因此电器的电动稳定性可用允许通过它的电流的峰值(冲击电流)来表示：对交流电器取短路电流的冲击值，对直流电器取短路电流的最大值。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,33,电器的热稳定性,电器的热稳定性：在一定时间内电器承受短路电流引起的热效

20、应而不致损坏的能力。 短路电流包含周期分量和非周期分量两部分，低压线路中电阻一般较大，线路的时间常数较小，通常在0.01s 以下，因而非周期分量衰减很快，实际上不到0.03s就已消失。 所以，短路电流的发热，可以不计电流非周期分量的影响。为此，热稳定电流用短路电流周期分量有效值表示。 短路电流的发热取决于电流平方值与时间的乘积( )，因此电器的热稳定性应以通电时间的热稳定电流表示，低压电器基本标准是取1s热稳定电流。但各电器元件实际承受短路电流的时间各不相同，不同短路持续时间t的热稳定电流 It 可用与给定的1s热稳定电流的 乘积保持相等来换算，即,电器的热稳定电流也称短时耐受电流。,2020

21、/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,34,三. 控制电器的通断能力,控制电器用来控制用电设备的接通和分断。常用的用电设备有电阻炉、各种类型的交直流电动机。不同的用电设备（被控设备）在接通或分断时的工作特点不同，对控制电器的要求也不相同。 笼型电动机是控制电器的主要控制对象，其常见工作状态的接通与断开电流各不相同。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,35,笼型电动机控制电器的通断能力,通常的启动与停止 对于通常的启动与停止，控制接触器触头的接通和断开参数：接通电流为56倍IN（电动机额定电流），电压为UN（电动机额定电压）；断开电流为IN ，电压为0.16U

22、N 。 正反转 接通电流为78倍IN，电压为UN；断开电流为IN，电压为0.16UN。 点动 接通电流为56倍IN，电压为UN；断开电流为56倍IN，电压为UN。 反接制动 接通电流为78倍IN，电压为UN；断开电流为56倍IN，电压为UN。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,36,1.4 配电线路与用电设备的保护,保护的主要作用： 一、保证在故障工作状态下线路及设备的安全。 二、保证人身安全。 保护主要包括： (1)过电流保护; (2)欠压与失压保护 ; (3)电动机的断相保护; (4)漏电保护。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,37,一.

23、过电流保护,保护特性与过载特性的配合 过电流系指电流超过负载额定电流，它包括过载和短路，是低压系统最常见的故障。 低压电器过电流保护性能可以用它的保护特性来描述。 过电流保护特性：保护电器动作时间 t 与通过它的电流 I 的函数关系，又叫时间-电流特性，以前也称为安秒特性。 动作时间：从短路或过载开始到切除故障所需的时间。 过电流可以用通过电流 I 与保护元件额定电流 IN 之比来表示，因此过电流保护特性可以写成 。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,38,一. 过电流保护,保护特性与过载特性的配合 被保护电气设备的允许工作时间与其过载倍数之间的关系称为其过载特性，一般

24、具有反时限特性。 反时限特性：电气设备过载越重，发热越快，允许工作时间就越短。 保护特性与过载特性的配合：为了充分利用被保护对象的过载能力，又不使它发热超过允许值，要求保护电器的保护特性尽量接近并略低于被保护对象的允许过载特性，如图1.10所示。 保护电器的最小动作过载倍数对应的电流称为临界动作电流(图1.10中I0），对继电器而言，I0/IN值一般在11.2之间。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,39,图1.10 保护电器与被保护对象的特性配合,1一保护电器的保护特性； 2一被保护对象的允许过载特性,保护电器与被保护对象的特性配合,2020/6/30,哈尔滨工业大学

25、网络与电气智能化研究所,40,2. 选择性保护,选择性保护：在哪一级发生短路，就由该级的保护电器动作，将故障切除，保证配电系统正常工作。 为了达到逐级的选择性保护，可采用各级保护电器动作时间有差别的办法，使越靠近电源的保护电器的动作时间越长。这样，发生故障时，靠近短路点的保护电器由于动作时间短而首先动作，而其上一级的保护电器因动作时间长而来不及动作。 对图1.1的线路，一般可取馈电线路的保护电器为瞬时动作，而分支线路和主线路的保护电器具有短延时动作特性。,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,41,接触器,中央配电盘,动力配电盘,K2,T,QS1,QF1,FU2,馈电线路2

26、,QS2,FR2,QF3,KM2,分支线路1,3,QF2,M2,FR1,KM1,馈电线路1,M1,分支线路2,QS3,FU1,3,图1.1 工矿企业典型配电线路图,供电 变压器,低压 断路器,隔离开关,熔断器,热继电器,电动机,K1,K3,主线路,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,42,3. 低压断路器的三种保护特性,（1）反时限特性，用于过载保护； （2）瞬时动作特性，用于短路保护； （3）定时限特性，用于选择性短路保护。,图1.11 断路器的保护特性,(a)反时限,(b)反时限与瞬时,(c)反时限与短延时,(d)反时限,短延时与瞬时,2020/6/30,哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所,43,二. 欠压