《电气控制与可编程控制器技术》电子课件  南京师范大学 电气与自动化工程学院 电气工程系史国生 第一篇 电气控制技术第一章 常用低压电器  1.1  电器的功能、分类和工作原理 1.2  电气控制中常用电器 1.3  主令电器 1.4   动力线路中常用电器  1.5   智能电器     1.1  电器的功能、分类和工作原理  一、电器的功能       电器是一种能根据外界的信号（机械力、 电动力和其它物理量）和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气元件或设备。       电器的控制作用就是手动或自动地接通、断开电路，“通”称为“开”，“断”也称为“关”。因此，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。   1.1  电器的功能、分类和工作原理 二、电器的分类         1．按工作电压等级分 （1）高压电器  用于交流电压1200V、直流1500V及以上电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。 （2）低压电器  用于交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V及以下的电路中的电器，例如接触器、继电器等。   2．按动作原理分   （1）手动电器  人手操作发出动作指令的电器，例如刀开关，按钮等。   （2）自动电器  产生电磁力而自动完成动作指令的电器，例如接触器、继电器、电磁阀等。  3．按用途分   （1）控制电器  用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等。     （2）配电电器  用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器等。    （3）主令电器  用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等。    （4）保护电器  用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等。     （5）执行电器  用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。    三、电磁式电器的基本原理       低压电器中大部分为电磁式电器，各类电磁式	电器的工作原理基本相同，由检测部分（电磁机构）和执行   部分（触头系统）两部分组成。  （一）电磁机构   1．电磁机构的结构形式      电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁组成，其结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式。图1-1和图1-2是直动式和拍合式电磁机构的常用结构形式。         吸引线圈的作用是将电能转换为磁能，即产生磁通，衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使铁心吸合。通入直流电的线圈称直流线圈，通入交流电的线圈称交流线圈。      直流线圈通电，铁心不会发热，只有线圈发热，因此线圈与铁心接触以利散热。线圈做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。铁心和衔铁由软钢或工程纯铁制成。         对于交流线圈，除线圈发热外，由于铁心中有涡流和磁滞损耗，铁心也会发热。为了改善线圈和铁心的散热情况，在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨架的矮胖型。铁心用硅钢片叠成，以减少涡流。       另外，根据线圈在电路中的联接方式可分为串联线圈（即电流线圈）和并联线圈（即电压线圈）。   2．电磁机构的工作原理       电磁铁工作时，线圈产生的磁通作用于衔铁，产生电磁吸力，并使衔铁产生机械位移，衔铁复位时复位弹簧将衔铁拉回原位。因此作用在衔铁上的力有两个：电磁吸力和反力。电磁吸力由电磁机构产生，反力由复位弹簧和触头等产生。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。  （1）吸力特性           电磁机构的电磁吸力F与气隙δ的关系曲线称为吸力特性。     电磁吸力可按下式求得        当铁心截面积S为常数时，电磁吸力 F与B2成正比，也可认为F 与气隙磁通φ2成正比。励磁电流的种类对吸力特性有很大影响。       对于具有电压线圈的交流电磁机构，设线圈外加电压U不变，交流电磁线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，若电阻忽略不计，则        当电压频率f、电磁线圈的匝数N和线圈外加电压U为常数时，气隙磁通φ也为常数，则电磁吸力F也为常数，即F与气隙δ大小无关。       实际上，考虑到漏磁通的影响，电磁吸力F 随气隙δ的减少略有增加。交流电磁机构的吸力特性如图1-3所示。由于交流电磁机构的气隙磁通φ不变，IN随气隙磁阻(也即随气隙δ)的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I与气隙δ成正比变化。        对于具有电压线圈的直流电磁机构，其吸力特性与交流电磁机构有所不同。因外加电压U和线圈电阻不变，则流过线圈的电流I为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律        故其吸力特性为二次曲线形状，如图1-4所示。   （2）反力特性       电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。图1-5中所示曲线3即为反力特性曲线。   1-直流接触器吸力特性    2-交流接触器吸力特性    3-反力特性  （3）反力特性与吸力特性的配合       为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好，如图1-5所示。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，即吸力特性高于反力特性，但不能过大或过小，吸力过大时，动、静触头接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹跳，导致触头的熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命；   吸力过小时，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当 。      3．交流电磁机构上短路环的作用                             (a)结构图               (b)电磁吸力图                   图1-6  单相交流电磁铁铁心的短路环 *         由于单相交流电磁机构上铁心的磁通是交变的，故当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。这样，交流电源频率的变化，使衔铁产生强烈振动和噪声，甚至使铁心松散。因此交流电磁机构铁心端面上都安装一个铜制的短路环。短路环包围铁心端面约2/3的面积，如图1-6所示。              当交变磁通穿过短路环所包围的截面积S2在环中产生涡流时，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通Φ2 在相位上落后于短路环外铁心截面S1中的磁通Φ1 ，由Φ1、Φ2产生的电磁吸力为F1、F2 ，作用在衔铁上的合成电磁吸力是F1+ F2，只要此合力始终大于其反力，衔铁就不会产生振动和噪声。  （二）触头系统       触头（触点）是电磁式电器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。       触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头，。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。         触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头（线圈断电后所有触头复原）。                触头按其接触形式可分为点接触、线接触  和面接触三种，如图1-8所示。  （三）灭弧工作原

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