低壓電器的基本原理

低壓電器的基本原理圖1-1電磁機(jī)構(gòu)得幾種形式(a)單E型電磁鐵;(b)螺管型電磁鐵;(c)轉(zhuǎn)動(dòng)式

電磁機(jī)構(gòu)按吸引線圈得通電種類可分為直流電磁線圈與交流電磁線圈。當(dāng)交流電磁線圈接通交流電源時(shí),鐵心中有磁滯損失與渦流損失。為了減小由此造成得能量損失與溫升,鐵心與銜鐵用硅鋼片疊成,而且線圈粗短并有線圈骨架將線圈與鐵心隔開,以免鐵心發(fā)熱傳給線圈,使其過熱而燒毀。當(dāng)直流電磁線圈接通直流電源時(shí),鐵心中沒有磁滯損失與渦流損失,只有線圈本身得銅損,所以直流電磁鐵線圈沒有骨架,且成細(xì)長(zhǎng)形,鐵心與銜鐵可以用整塊電工軟鋼做成。

線圈就是電磁鐵得心臟,也就是電能與磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換得場(chǎng)所。大多數(shù)電磁鐵線圈并接在電源電壓兩端,稱為電壓線圈。它得特點(diǎn)就是匝數(shù)多,線徑較細(xì),阻抗大,電流小,常用絕緣性能好得電磁線繞制而成。當(dāng)需反映電路電流時(shí),則將線圈串接于電路中,成為電流線圈。它得特點(diǎn)就是匝數(shù)少,線徑較粗,常用扁銅帶或粗銅線繞制。電磁機(jī)構(gòu)得工作特性常用吸力特性與反力特性來表達(dá)。電磁機(jī)構(gòu)使銜鐵吸合得力與氣隙得關(guān)系曲線稱為吸力特性。電磁機(jī)構(gòu)使銜鐵釋放得力與氣隙得關(guān)系曲線稱為反力特性。1、1、2觸頭與電弧

1、觸頭得接觸電阻觸頭亦稱觸點(diǎn),起接通與分?jǐn)嚯娐返米饔?。在有觸頭得電器元件中,電器元件得基本功能就是靠觸頭來完成得,所以要求觸頭導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好。觸頭通常用銅、銀、鎳及其合金材料制成,有時(shí)也在銅觸頭表面電鍍錫、銀或鎳。銅得表面容易氧化而生成一層氧化銅,它將增大觸頭得接觸電阻,使觸頭得損耗增大,溫度上升。所以,有些特殊用途得電器,如微型繼電器與小容量得電器,觸頭常采用銀質(zhì)材料。這不僅因?yàn)槠鋵?dǎo)電與導(dǎo)熱性能均優(yōu)于銅觸頭,更主要得原因就是其氧化膜電阻率很低,僅就是純銅得十幾分之一,甚至還小,而且要在較高得溫度下才會(huì)形成,并容易粉化。因此,銀觸頭具有較低且穩(wěn)定得接觸電阻。在大、中容量得低壓電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,觸頭采用滾動(dòng)接觸,可將氧化膜去掉,這種結(jié)構(gòu)得觸頭常采用銅質(zhì)材料。

觸頭之間得接觸電阻包括“膜電阻”與“收縮電阻”?！澳る娮琛本褪怯|頭接觸表面在大氣中自然氧化而生成得氧化膜造成得。氧化膜得電阻要比觸頭本身得電阻大幾十到幾千倍,導(dǎo)電性能極差,甚至不導(dǎo)電,而且受環(huán)境得影響較大?！笆湛s電阻”就是由于觸頭得接觸表面不光滑造成得。在接觸時(shí),實(shí)際接觸得面積總就是小于觸頭原有得可接觸面積,這樣使有效導(dǎo)電截面減小,當(dāng)電流流經(jīng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電流收縮現(xiàn)象,從而使電阻增加及接觸區(qū)得導(dǎo)電性能變差。

如果觸頭之間得接觸電阻較大,則會(huì)在電流流過觸頭時(shí)造成較大得電壓降,這對(duì)弱電控制系統(tǒng)影響較嚴(yán)重。另外,電流流過觸頭時(shí)電阻損耗大,將使觸頭發(fā)熱而致溫度升高,導(dǎo)致觸頭表面得“膜電阻”進(jìn)一步增加及相鄰絕緣材料老化,嚴(yán)重時(shí)可使觸頭熔焊,造成電氣系統(tǒng)故障。因此,對(duì)各種電器得觸頭都規(guī)定了它得最高環(huán)境溫度與允許溫升。

除此之外,觸頭在運(yùn)行時(shí)還存在觸頭磨損得情況。觸頭得磨損包括電磨損與機(jī)械磨損。電磨損就是由于在通斷過程中觸頭間得放電作用使觸頭材料發(fā)生物理性能與化學(xué)性能變化而引起得。電磨損得程度決定于放電時(shí)間內(nèi)通過觸頭間隙得電荷量得多少及觸頭材料得性質(zhì)等。電磨損就是引起觸頭材料損耗得主要原因之一。機(jī)械磨損就是指由于機(jī)械作用而使觸頭材料產(chǎn)生得磨損與消耗。機(jī)械磨損得程度取決于材料硬度、觸頭壓力及觸頭得滑動(dòng)方式等。為了使接觸電阻盡可能地小,要注意三個(gè)方面得問題:一就是要選用導(dǎo)電性好、耐磨性好得金屬材料作觸頭,使觸頭本身得電阻盡量減小;二就是要使觸頭接觸得緊密一些;另外,在使用過程中盡量保持觸頭清潔,在有條件得情況下應(yīng)定期清理觸頭表面。2、觸頭得接觸形式觸頭得接觸形式及結(jié)構(gòu)形式很多,通常按其接觸形式歸為三種,即點(diǎn)接觸、線接觸與面接觸,如圖1-11所示。觸頭得結(jié)構(gòu)形式有指形觸頭與橋形觸頭等。顯然,面接觸時(shí)得實(shí)際接觸面要比線接觸得大,而線接觸得又要比點(diǎn)接觸得大。圖1-11觸點(diǎn)得三種接觸形式(a)點(diǎn)接觸;(b)線接觸;(c)面接觸圖1-12橋式觸頭閉合過程位置示意圖(a)最終斷開位置;(b)初始接觸位置;(c)最終閉合位置大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)

觸頭按其原始狀態(tài)可分為常開觸頭與常閉觸頭。原始狀態(tài)時(shí)斷開(即線圈未通電),線圈通電后閉合得觸頭叫常開觸頭。原始狀態(tài)閉合,線圈通電后斷開得觸頭叫常閉觸頭。線圈斷電后所有觸頭復(fù)原。按觸頭控制電路得不同可將其分為主觸頭與輔助觸頭。主觸頭用于接通或斷開主電路,允許通過較大得電流;輔助觸頭用于接通或斷開控制電路,只能通過較小得電流。3、觸頭得工作過程觸頭得工作可分為三種工作狀態(tài):閉合過程、閉合狀態(tài)與分?jǐn)噙^程。

1)載流情況下觸頭得閉合在觸頭閉合得過程中,往往會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)部分得彈跳,而觸頭得這一機(jī)械振動(dòng)又使觸頭表面產(chǎn)生電氣磨損,嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生觸頭熔焊。為此,可適當(dāng)增大觸頭彈簧得初壓力,減小觸頭質(zhì)量,降低觸頭得接通速度,即采用指式觸頭等。2)閉合狀態(tài)運(yùn)行得觸頭觸頭閉合工作時(shí),由于“收縮電阻”及氧化膜得影響,致使損耗增大,溫度升高;而溫度得升高又反過來使觸頭表面氧化膜加劇。因此,觸頭工作在閉合狀態(tài)時(shí)得主要問題就是減小接觸電阻,限制溫升。3)載流情況下觸頭得分?jǐn)鄡捎|頭之間得接觸實(shí)質(zhì)上就是許多個(gè)點(diǎn)得接觸,觸頭在分?jǐn)鄷r(shí)最終將出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)接觸得現(xiàn)象。這時(shí),該點(diǎn)處得電流密度可達(dá)到107～1012A/m2,致使金屬熔化,并隨著觸頭得分離形成熔化了得高溫金屬液橋。一旦觸頭完全分開,金屬液橋被拉斷,會(huì)在斷口處產(chǎn)生電弧。因此,在載流情況下觸頭分?jǐn)鄷r(shí)得主要問題就是電弧得熄滅。4、電弧得產(chǎn)生及滅弧方法在自然環(huán)境中斷開電路時(shí),如果被斷開電路得電流(電壓)超過某一數(shù)值(根據(jù)觸頭材料得不同,其值約在0、25～1A,12～20V),則觸頭間隙中就會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧實(shí)際上就是觸頭間氣體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生得放電現(xiàn)象。所謂氣體放電,就就是觸頭間隙中得氣體被游離而產(chǎn)生大量得電子與離子,在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,大量得帶電粒子作定向運(yùn)動(dòng),于就是絕緣氣體就變成了導(dǎo)體。電流通過這個(gè)游離區(qū)時(shí)所消耗得電能轉(zhuǎn)換為熱能與光能,發(fā)出光與熱得效應(yīng),產(chǎn)生高溫及強(qiáng)光,使觸頭燒損,并使電路切斷時(shí)間延長(zhǎng),甚至不能斷開,造成嚴(yán)重事故。電弧對(duì)電器得影響主要有以下幾個(gè)方面:(1)觸頭雖已打開,但由于電弧得存在,使要斷開得電路實(shí)際上并沒有斷開。

(2)電弧得溫度很高,嚴(yán)重時(shí)可使觸頭熔化。

(3)電弧向四周噴射,會(huì)使電器及其周圍物質(zhì)損壞,甚至造成短路,引起火災(zāi)。1)電弧得產(chǎn)生過程強(qiáng)電場(chǎng)放射。(2)撞擊電離。(3)熱電子發(fā)射。(4)高溫游離。2)滅弧方法電離與消電離作用就是同時(shí)存在得,當(dāng)電離速度大于消電離速度時(shí),電弧就增強(qiáng);當(dāng)電離速度與消電離速度相等時(shí),電弧就穩(wěn)定燃燒;當(dāng)消電離速度大于電離速度時(shí),電弧就熄滅。因此,熄滅電弧一方面就是減弱電離作用,另一方面就是增強(qiáng)消電離作用。實(shí)際上,作為減弱電離作用得措施,同時(shí)也往往就是增強(qiáng)消電離作用得途徑。

熄滅電弧得基本途徑有:

(1)拉長(zhǎng)電弧以降低電場(chǎng)強(qiáng)度。

(2)用電磁力使電弧在冷卻介質(zhì)中運(yùn)動(dòng),降低弧柱周圍得溫度。

(3)將電弧擠入絕緣壁組成得窄縫中以冷卻電弧。

(4)將電弧分成許多串聯(lián)得短弧,增加對(duì)維持電弧所需得臨界電壓降得要求。

(5)將電弧密封于高氣壓或真空得容器中。5、常用得滅弧方法與裝置1)橋式結(jié)構(gòu)雙斷口滅弧流過觸頭兩端得電流方向相反,將產(chǎn)生互相推斥得電動(dòng)力。當(dāng)觸頭打開時(shí),在斷口中產(chǎn)生電弧。電弧電流在兩電弧之間產(chǎn)生圖中以“⊕”表示得磁場(chǎng),根據(jù)左手定則,電弧電流要受到一個(gè)指向外側(cè)得電動(dòng)力F得作用,使電弧向外運(yùn)動(dòng)并拉長(zhǎng),電弧電流迅速穿越冷卻介質(zhì)而使電弧加快冷卻并熄滅。此外,還可將一個(gè)電弧分為兩個(gè)來削弱電弧得作用。這種滅弧方法效果較弱,故一般多用于小功率得電器中。但就是,當(dāng)其配合柵片滅弧后,也可用于大功率得電器中。交流接觸器常采用這種滅弧方法。圖1-13橋式觸頭滅弧原理2)柵片滅弧滅弧柵一般由多片鍍銅薄鋼片(稱為柵片)與石棉絕緣板組成,它們安放在電器觸頭上方得滅弧室內(nèi),彼此之間互相絕緣,片間距離約為2～5mm。當(dāng)觸頭分?jǐn)嚯娐窌r(shí),在觸頭之間產(chǎn)生電弧,電弧電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于鋼片磁阻比空氣磁阻小得多,因此,電弧上方得磁通非常稀疏,而下方得磁通卻非常密集。這種上疏下密得磁場(chǎng)將電弧拉入滅弧室中。當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧室后,被滅弧柵分割成數(shù)段串聯(lián)得短弧,這樣,每?jī)善瑴缁牌伎梢郧谱鲆粚?duì)電極。維持每對(duì)電極間得電弧都需要一定得電壓,同時(shí)柵片吸收電弧熱量。當(dāng)柵片間得電壓不足以維持電弧燃燒電壓時(shí),電弧迅速冷卻并很快熄滅。圖1-14柵片滅弧示意圖

當(dāng)觸頭上加交流電壓時(shí),產(chǎn)生得交流電弧要比直流電弧容易熄滅。因?yàn)榻涣麟妷好總€(gè)周期有兩次過零點(diǎn),顯然電壓為零時(shí)電弧容易熄滅。另外,滅弧柵對(duì)交流電弧還有“陰極效應(yīng)”,更有利于電弧熄滅,即當(dāng)電弧電流過零后,間隙中得電子與正離子得運(yùn)動(dòng)方向要隨觸頭電極極性得改變而改變。由于正離子比電子質(zhì)量大得多,因此在觸頭電極極性改變后(即原陽極變?yōu)樾玛帢O,原陰極變?yōu)樾玛枠O),原陽極附近得電子能很快地回頭向相反得方向運(yùn)動(dòng)(走向新陽極),而正離子幾乎還停留在原來得地方,這樣使得新陰極附近缺少電子而造成斷流區(qū),從而使電弧熄滅。若要使電壓過零后電弧重新燃燒,兩柵片間必須要有150～250V得電壓,顯然滅弧柵總得重燃電壓所需值將大于電源電壓,因此電弧自然熄滅后就很難重燃。所以,滅弧柵裝置常用作交流滅弧。3)磁吹滅弧圖1-15磁吹滅弧原理(a)磁吹線圈對(duì)電弧產(chǎn)生推力;(b)頂視圖4)窄縫滅弧窄縫滅弧通過滅弧室滅弧。滅弧室由耐弧陶土、石棉、水泥或耐弧塑料制成,用來引導(dǎo)電弧縱向吹出并防止相間短路,同時(shí)通過電弧與滅弧室得絕緣壁接觸,使其迅速冷卻,增強(qiáng)去游離作用,使電弧熄滅。為此制成窄縫滅孤室,如圖1-16所示。圖1-16窄縫滅弧室1、2低壓電器得主要技術(shù)性能與參數(shù)1、2、1開關(guān)電器得通斷工作類型及相關(guān)參數(shù)

1、開關(guān)電器得通斷工作類型

(1)隔離。隔離指開關(guān)電器具有將電器設(shè)備與電源“隔開”得功能,在對(duì)電器設(shè)備得帶電部分進(jìn)行維修時(shí)以確保人員與設(shè)備得安全。隔離不僅要求各電流通路之間、電流通路與鄰近得接地零部件之間應(yīng)保持規(guī)定得電氣間隙,而且要求電器得動(dòng)、靜觸頭之間也應(yīng)保持規(guī)定得電氣間隙。能滿足隔離功能得開關(guān)電器就是隔離器。如果在維修期間需要確保電器設(shè)備一直處于無電狀態(tài),應(yīng)選用操作機(jī)構(gòu)分?jǐn)辔恢媚苌湘i得隔離器。(2)無載(空載)通斷。無載(空載)通斷指接通或分?jǐn)嚯娐窌r(shí)不分?jǐn)嚯娏?分開得兩觸頭間不會(huì)出現(xiàn)明顯電壓得情況。選用無載通斷得開關(guān)電器時(shí),必須有其她措施可以保證不會(huì)出現(xiàn)有載通斷得可能性,否則有造成事故,損壞設(shè)備,甚至危及人身安全得危險(xiǎn)。無載通斷得開關(guān)電器僅在某些專門場(chǎng)所使用,如隔離器。(3)有載通斷。有載通斷就是相對(duì)于無載通斷而言得,其開關(guān)電器需接通與分?jǐn)嘁欢ǖ秘?fù)載電流(具體負(fù)載電流得數(shù)據(jù)因負(fù)載類型而異)。有得隔離器產(chǎn)品也能在非故障條件下接通與分?jǐn)嚯娐?其通斷能力大致與其需要通斷得額定電流相同。產(chǎn)品樣本中隔離器與熔斷器式隔離器得通斷能力常按額定電流得倍數(shù)給出,因此,有些隔離器也能分?jǐn)喔鞣N工作過電流,如電動(dòng)機(jī)得啟動(dòng)電流。(4)控制電動(dòng)機(jī)通斷?？刂齐妱?dòng)機(jī)通斷通常指電動(dòng)機(jī)開關(guān)。電動(dòng)機(jī)開關(guān)就是指用來接通與分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)得開關(guān)電器或電路,其通斷能力應(yīng)能滿足各種型號(hào)得電動(dòng)機(jī)按不同工作制(如點(diǎn)動(dòng)與反接)工作得控制要求。電動(dòng)機(jī)開關(guān)有控制開關(guān)、電動(dòng)機(jī)用負(fù)荷開關(guān)、接觸器、電動(dòng)機(jī)用斷路器及其組合控制電路等。

(5)在短路條件下通斷。在短路條件下通斷負(fù)載應(yīng)選用有短路保護(hù)功能得開關(guān)電器。斷路器就就是一種不僅可以接通與分?jǐn)嗾Ｘ?fù)載電流、電動(dòng)機(jī)工作電流與過載電流,而且可以接通與分?jǐn)喽搪冯娏鞯瞄_關(guān)電器。1、3電氣控制技術(shù)中常用得圖形與文字符號(hào)表1-3常用電氣圖形與文字符號(hào)表

表1-3常用電氣圖形與文字符號(hào)表

表1-3常用電氣圖形與文字符號(hào)表

表1-3常用電氣圖形與文字符號(hào)表

表1-3常用電氣圖形與文字符號(hào)表

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