低压电器-控制电器.ppt

1、低压电器 河北工业大学 苏秀苹 教授 2006.12.23,主要内容,一、绪论 二、继电器 三、接触器 四、起动器,一 绪 论,低压电器的用途广泛，种类很多，可应用于各种低压配电线路和控制线路。 典型的配电线路和控制线路如下：,典型配电线路,典型控制电路,由此可见低压电器从应用场所提出的不同要求可以分成配电电器与控制电器两大类。 配电电器：主要用于配电系统中 要求：在正常工作及在故障情况下，工作可靠，有足够的热稳定与动稳定性。 主要产品有：刀开关、断路器、熔断器及继电器。 控制电器：主要用于电力拖动控制系统和用电设备中 要求：工作准确可靠、操作频率高、寿命长等。 主要产品有：接触器、控制继电器

2、、主令电器、起动器、电磁铁等。,二 继电器,（一）分类 控制继电器的用途广泛，种类繁多。按动作原理可分为 电压继电器 反映电路电压变化而动作的电器。如用于电动机失压或欠压保护的交、直流电压继电器；用于对绕线式电动机进行制动和反转控制的交流电压继电器；用于控制直流电动机的反转及反接制动的直流电压继电器。 电流继电器 反映电路电流变化而动作的电器。它用于电动机或其他负载的过载及短路仍户、度比电机磁场控制或夫确保护等。 时间继电器 从接受信号至执行元件动作具有一定的时间间隔。 热继电器 用于交流电动机的过载保护。 温度继电器 用于各种设备的过热保护或温度控制。 中间继电器 用来增加控制电路中信号数量

3、，或将信号放大的继电器，其输入量一般为电压。,（二）继电器的继电特性,继电器的继电特性可用图2-1表示。当输入量X从0开始增加，在XXc的整个过程中，输出量Y不变(Y=Ymin，在有触点的继电器中为0)。当X到达Xc时，Y突然从Ymin变到Ymax。再进一步增加X， Y不再变动，而保持在Ymax。当X从Xmax开始减小，在XXf 的整个过程中，Y仍保持不变(等于Ymax)。当X降低到Xf 时，Y突然从Ymax降到Ymin，再进一步减小X，Y保持不变。图2-1中的Xc称为继电器动作值, Xf 称为继电器的返回值。,（三）控制继电器主要技术参数,额定参数 额定电压、额定电流 动作参数 动作值、返回

4、值 整定参数 可调整的参数 返回系数 kf=Xf/Xc1 灵敏度 动作功率、动作安匝 吸合时间和释放时间 额定工作制 机械寿命、电寿命及操作次数 触点的接通分断能力,（四）典型电磁继电器工作原理,1一电流线圈 2一铁心 3衔铁 4一止动螺钉 5一反作用力调节螺母 6、11一静触点 7、10一动触点 8一触点弹簧 9一绝缘支架 12反作用弹簧,1 电磁式电流继电器的结构原理图,继电器主要参数对设计所提出的要求,整定值（动作电流）：调节反力弹簧可调动作电流 返回系数 调节反作用弹簧时，整定值改变，返回系数也改变。 整定值减小时，返回系数增大 整定值增大时，返回系数减小,动作时间： 影响因素： 快速

5、动作：0.2s 0、Ic、T减小时，t减小 Iw增加时， t减小 消耗功率 P与IN的平方成正比 (IN)c代表了继电器的灵敏度 (IN)c代表小， P小，Fx小 即设计时选取的反力及触头压力就小，触头容量小。,2 中间继电器,1一外壳 2一反作用弹簧 3一挡铁 4一线圈 5一可动铁心 6一动触点支架 7横梁,特点： 螺管式结构 触头对数多 无整定参数 无灵敏度要求 返回系数无要求,（五）热继电器工作原理,热继电器是利用测量元件被加热到一定程度而动作的一种继电器。 热继电器的测量元件通常用双金属片制成，串联在主电路中。当线路电流增大后，双金属片受热弯曲到一定程度使触点发生转换。 热继电器主要用

6、作三相交流感应电动机的过载保护。,双金属片受热弯曲原理,热继电器结构示意图,1一电流调节凸轮 2a、2b一片簧 3一手动复位按钮 4一弓簧 5主双金属元件 6一外导板 7一内导板 8-常闭静触头 9-动触头 10-杠杆 11复位调节螺钉 12一补偿双金属片 13推杆 14-连杆 15压簧,热继电器的温度补偿,S3,S1,S2,应使静触头所在的导电杆2也采用与1相同的材料和结构参数，那么，当介质温度发生变化时(例如由1升高到3)，间距S3就能因1、2同时产生相同程度的弯曲，而仍然和S1相等。于是，就避免了因介质温度变化引起的误差。这就是温度补偿措施。, =1, =2, =3,差动式断相保护装置动

7、作原理图,末通电前的位置,三相均通有额定电流时,三相均衡过载时,一相断线时（例如C相）,三 接触器,（一）接触器的用途、分类、工作原理 接触器是用来频繁地远距离接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的控制电器。 它不同于刀开关类手动切换电器，因为它具有手动切换电器所不能实现的远距离操作功能，同时又具备手动切换电器所没有的失压保护功能； 它也不同于自动开关，因为它虽然具有一定的过载能力，但却不能切断短路电流，也不具备过载保护的功能。,分类,接触器可以按其主触头所控制的电路中电流的种类分为直流接触器和交流接触器，其中交流接触器还可再分为工频(50Hz或60Hs)的和中频(如400Hz等)的两种。

8、接触器又可按其电磁系统的激磁方式分为直流激磁操作和交流激磁操作两种。 接触器还可以按其主触头的极数分为单极、双极、三极、四极和五极的几种，直流接触器一般为单极的或双极的；交流接触器大多数是三极的；在双回路控制时，要用四极的接触器；五极式接触器用于多速电动机控制或者自动式自耦减压起动器中。,工作原理,接触器工作原理示意图,1动作值 所谓动作值就是接触器的接通电压和释放电压。 规定：在接触器电磁线圈业已发热稳定时，如果给它加上85%额定电压，其衔铁应能完全可靠地吸合，无任何中途停滞现象；反之，如果在工作中电网电压过低或者突然消失，衔铁亦应完全可靠地释放，不停顿地返回原始位置。,(二) 接触器的主要

9、技术参数,交流并激电磁线圈电流,2接通与分断能力 接触器的接通与分断能力，是指它的主触头在工作情况下所能可靠地接通和分断的电流值。在上一节里已经提到过，接触器所控制的负载是各式各样的，所以对用于不同种类负载的接触器的要求也各不相同。 在低压电器基本标准中，针对控制电器的接通与通断能力，按其不同的用途作了规定，用途分类也叫使用类别，不同系列的接触器就是根据这个使用类别来设计的。,交流接触器使用类别 AC-1 无感或微感负载 AC-2 绕线转子异步电 动机起动、分断 AC-3 鼠笼型异步电动机 起动、运转中分断 AC-4 鼠笼型异步电动机 起动、反接制动、 反向运转、点动,t,I,0,t,0,I,

10、4-8Ie,4-8Ie,3电气寿命与机械寿命 在理想情况下，控制电器的电气寿命和机械寿命应当同它们的控制对象一样，但这在实际上是办不到的，特别是主触头，由于在工作过程中总是会遭致电弧烧损，其电气寿命远较机械寿命为低。一般来说，电气寿命是机械寿命的5-20%，机械寿命越高，这个百分数就越小。 对接触器电寿命的要求是因其使用类别而异的。接触器一般都是按照一定的使用类别而设计的。 触头的磨损量在一定范围内近似与分断电流平方成正比 AC-3时 电寿命 300万次 AC-4时 电寿命 不到10万次,4操作频率 所谓操作频率就是每小时的操作次数，它因控制对象而异。例如，用于控制排灌站水泵拖动电动机的接触器

11、等，其操作频率就相当低；用于控制大型机床主传动电动机的接触器，其操作频率也不会太高；只有控制一般机床拖动电动机，特别是自动机床拖动电动机的接触器，其操作频率才是特别高的。目前，交流接触器和直流接触器的允许操作频率一般分为300、600、1200次小时等几种。 操作频率能直接影响到电器的电气寿命，因为在提高操作频率的情况下，触头的电气寿命并不是简单地按比例随次数增加，而是因灭弧条件的劣化变得严重得多。此外，操作频率的提高还加重交流线圈的工作。因此，接触器的操作频率是不允许随意提高的。,5工作制 接触器(以及其他电器)的工作制有如下四种： 长期工作制 接触器长期连续通电的工作制，其持续通电时间一般

12、不少于 8h，此时接触器所有零部件已达到稳定温度。 间断长期工作制 接触器持续通电的时间不超过8h，但在此时间内其所有零部件的温升均能达到稳定值，并且在此之后，接触器要断开和接通不少于三次，然后再重新通电工作。 短时工作制 在接触器通电的时间内，其零部件的温度并未达到稳定值，而在分断之后，它们的温度却都能恢复到周围介质的温度。 反复短时工作制 接触器在通电和分断两种状态循环交替的情况下工作，在通电的时间内，其零部件的温度达不到稳定值，在分断后其零部件的温度也降不到周围介质温度。,（三）接触器的典型结构形式,双断点直动式交流接触器 杠杆传动双断点交流接触器 杠杆传动单断点结构形式,1 双断点直动

13、式交流接触器,结构组成、工作原理,上图为一台双断点直动式的交流接触器，电磁系统通过支架直接带动触头作直线运动。线圈14通电后，衔铁12吸向铁心13，衔铁12带动支架4使触头8与静触头9闭合，支架4同时带动置于两侧的辅助触头15动作。线圈断电后，在反作用弹簧16的作用下，衔铁12被释放，同时使触头8与9分断。触头接通和分断时产生的电弧，用装有灭弧栅片l0的灭弧室5熄灭。,2 杠杆传动双断点交流接触器,3 杠杆传动单断点形式,（四）接触器的触头结构形式及特点,优点： 具有两个有效的灭弧区域，灭弧效果好。 一般额定电压为220V及以下、额定电流为10-20A的小容量交流接触器利用电流过零时在两个断口

14、上的近极效应熄灭电弧，只用简单灭弧室，而不需要特殊灭弧装置。 在额定电流为20-80A的交流接触器，可加装引弧片或利用回路电动力吹弧，在双断口的配合下能可靠的工作。 而额定电流大于80A的交流接触器需要加装栅片或其他形式的灭弧室。 双断口的结构较为紧凑，体积较小，触头的开距较小，不用软连接线有利于提高机械寿命。,双断点桥式触头,优点：单断口触头在闭合过程中，易于产生滚滑运动，清除表面的氧化物，保证接触可靠、故触头材料可采用铜或铜基材料。 缺点：触头的滚滑运动会使触头磨损增大。由于只有一个断口，所以触头的开距比双断口的大。,单断点指形触头,缺点： 触头参数调节不便，一般闭合时不产生滚滑运动，不能

15、清除触头表面的氧比物，因此触头材料用银或银基材料,（五）提高接触器机械寿命与电寿命的措施,触头的磨损一是在接通过程中发生，一是在分断过程中发生。 分断时产生电弧，可采取一定的灭弧措施，减小电弧烧损。 触头的磨损在接通过程中要比在分断过程中大好几倍，这主要由于触头在接触瞬间的机械振动。在接通过程中触头会产生两次振动：第一次发生在动、静触头相遇的时候；第二次发生在衔铁与铁心相遇的时侯。由实验结果发现，尽管第二次振动历时较第一次为短，但发生第二次振动时触头上瞬间电流却比第一次振动时的大得多。一般来说，触头的磨损量是同i2 t电流的平方与通电时间之积成正比，所以第二次振动招致的电磨损较严重。 触头、铁

16、心碰撞时产生振动的程度与碰撞时的相对速度有关，碰撞速度越大，撞击能量越大，振动越严重。,1 使吸力特性与反力特性良好配合,为了减小吸合时动能，可以设计成静态吸力特性与反力特性部分相交。图中的曲线1为85额定控制电压下的静态吸力特性，它与反力特性相交于D、E两点， 由于ABC的面积大于DBE的面积，故衔铁可以依靠惯性冲过反力大于吸力的一段行程，并吸合到底。图中曲线2，因ACG面积小于FBG面积，所以不能使衔铁吸合到而停留在G点，从而出现触头的弹跳使触头熔焊或烧毁。,吸力特性与反力特性的良好配合原则为： 吸力特性应高于反力特性 吸力特性不应比反力特性高得太多，应尽量接近反力特性,2 采用迎击式铁心

17、结构,如果能使两次振动发生的时间靠得非常近，即在动、静触头接触之后，衔铁也紧接着同铁心接触，则由于第二次振动瞬间触头电流相对地小了，触头磨损自然就减轻了。然而，这在简单的直动式接触器是办不到的：一则触头超程不能随意减小；再则铁心在结构上是固定不动的。为解决这个矛盾，就要打破“静”铁心固定不动的老框框，使它处于弹性固定状态，从而能够主动迎击衔铁，提前与之接触，使触头在第二次振动时的电流值相应低些。,迎击式铁心结构工作原理,图中Ffc是反作用弹簧系统的初始作用力，Ffz是该系统的终作用力；Fhc是缓冲弹簧的初始作用力，Fhz是缓冲弹簧的终作用力；曲线abcd是电磁铁的吸引特性，s是触头行程，s是触

18、头超程， 是迎击运动的行程。在吸引特性的ab段，仅衔铁向下运动，铁心是静止的。在吸引特性的b点，由于电磁吸力已等于并开始大于缓冲弹簧的反力，“静”铁心也开始向上运动，迎击衔铁。在吸引特性的c点，动、静铁心相遇，此时，缓冲弹簧的反力也达到了它的终值Fhz。在cd段，动、静铁心结合为一体，在缓冲弹簧作用下向下运动，直到给触头以规定的超程为止。,由于对电磁铁吸引特性所作的这种调整，接触器的动、静铁心相撞时衔铁的末速度已大为降低，与此同时。缓冲弹簧又吸收掉铁心相撞时的一部分动能，因而不仅提高了触头的电寿命，还提高了整个接触器的机械寿命。,3 采用杠杆传动机构,图中，A是电磁吸力的作用点，B是主触头的受

19、力点，O是传动杠杆的转动中心。如果把AO与OB的长度比称为杠杆比，且以k表示，则通过使k1(即AOOB)的办法，就能使得主触头的运动速度Vb小于电磁铁的运动速度Va。这么一来，衔铁与静铁心之间发生撞击时已因缓冲及迎击作用被减小了的振动，反映在触头上就更加微小了。这就是采用杠杆传动式结构的主要原因。另外，同转动式结构比较，采用杠杆传动式结构，触头仍能采取双断点形式，这对电弧电流要自然过零的交流电弧来说，无疑是有好处的。,A,B,O,Va,Vb,4 采用合理的触头回路,接通时,电流环路使触头压力减小 无电流环路，触头压力不减小,电流环路,无电流环路,电动斥力,分断时,电流环路使电弧向外运动,磁极板

20、使电弧向外运动,灭弧时,电弧拉长,电弧进入磁极板，形成电流环路，加强对电弧的磁吹作用,（六）交流电磁系统的设计,结构特征 交流电磁系统的设计点的选择 基本尺寸的确定 分磁环设计,交流电磁系统的结构特征,导磁体 导磁体必须采用高电阻率的硅钢片叠制而成。 铁心柱只能做成矩形的或正方形的。 极面上加分磁环 为了克服因电磁吸力过零而产生的振动和噪声，单相交流电磁系统的铁心柱端面上总要装设分磁环，分磁环采用导电性能好的短路环。合理地设计分磁环，可使得闭合位置处合成的电磁吸力的最小值大于反力值，消除衔铁在闭合位置的振动，降低噪声。 去磁间隙 对于E型电磁系统，可将其中间磁极的端面磨削的略低于两旁磁极的高度

21、，即在其中间磁极处设一个去磁间隙。对于U型电磁系统，则可在铁心中加入一个去磁间隙。 电磁线圈 导磁体有铁损，为了防止或者减少来自导磁体的热量，交流电磁系统的线圈通常要做成有骨架的方形形式，并且在几何形状方面一般是矮而粗的。,交流电磁系统的设计点的选择,一般设计点选为反力特性上的关键点,K0： 考虑计算和制造中产生 的偏差，引入的安全系数,设计点吸力：,基本尺寸的确定,交流电磁系统的核心部分,关键尺寸： a、b、h、N、d,吸力方程式 电路方程式 衔铁吸合位置时的磁势方程式 线圈发热方程式,基本关系式：,吸力方程式,一个气隙交流电磁系统的平均吸力,将设计点处的吸力代入，可求得铁心截面为,宽度a：,