低压电器的基本原理1综述

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1、第1章 低压电器的基本原理 第1章 低压电器的基本原理 1.1 低压电器的基本结构 1.2 低压电器的主要技术性能和参数 1.3 电气控制技术中常用的图形和文字符号 第1章 低压电器的基本原理 1.1 低压电器的基本结构 1.1.1 电磁机构 电磁机构是电磁式电器的主要组成部分，其工作原理是将电 磁能转换成为机械能，从而带动执行部分触头动作。 电磁机构由吸引线圈(励磁线圈)和磁路两部分组成。磁路包 括铁心、衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁 通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔 铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到反作用弹簧的拉力，只有 当电磁吸力大于弹簧拉力时

2、，衔铁才可靠地被铁心吸住。其结构 型式按铁心型式分有单E型、螺管型等；按动作方式分有直动式 、转动式等，见图1-1。 第1章 低压电器的基本原理 图1-1 电磁机构的几种形式 (a) 单E型电磁铁；(b) 螺管型电磁铁；(c) 转动式 第1章 低压电器的基本原理 电磁机构按吸引线圈的通电种类可分为直流电磁线圈和交 流电磁线圈。当交流电磁线圈接通交流电源时，铁心中有磁滞 损失与涡流损失。为了减小由此造成的能量损失和温升，铁心 和衔铁用硅钢片叠成，而且线圈粗短并有线圈骨架将线圈与铁 心隔开，以免铁心发热传给线圈，使其过热而烧毁。当直流电 磁线圈接通直流电源时，铁心中没有磁滞损失与涡流损失，只 有线

3、圈本身的铜损，所以直流电磁铁线圈没有骨架，且成细长 形，铁心和衔铁可以用整块电工软钢做成。 第1章 低压电器的基本原理 线圈是电磁铁的心脏，也是电能与磁场能量转换的场所。 大多数电磁铁线圈并接在电源电压两端，称为电压线圈。它的 特点是匝数多，线径较细，阻抗大，电流小，常用绝缘性能好 的电磁线绕制而成。当需反映电路电流时，则将线圈串接于电 路中，成为电流线圈。它的特点是匝数少，线径较粗，常用扁 铜带或粗铜线绕制。 电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。电 磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。电磁 机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线称为反力特性。 第1章 低压电器的基本原理

4、 1.1.2 触头和电弧 1. 触头的接触电阻 触头亦称触点，起接通和分断电路的作用。在有触头的电器 元件中，电器元件的基本功能是靠触头来完成的，所以要求触头 导电、导热性能良好。触头通常用铜、银、镍及其合金材料制成 ，有时也在铜触头表面电镀锡、银或镍。铜的表面容易氧化而生 成一层氧化铜，它将增大触头的接触电阻，使触头的损耗增大， 温度上升。所以，有些特殊用途的电器，如微型继电器和小容量 的电器，触头常采用银质材料。这不仅因为其导电和导热性能均 优于铜触头，更主要的原因是其氧化膜电阻率很低，仅是纯铜的 十几分之一，甚至还小，而且要在较高的温度下才会形成，并容 易粉化。因此，银触头具有较低且稳定

5、的接触电阻。在大、中容 量的低压电器结构设计上，触头采用滚动接触，可将氧化膜去掉 ，这种结构的触头常采用铜质材料。 第1章 低压电器的基本原理 触头之间的接触电阻包括“膜电阻”和“收缩电阻”。“膜电 阻”是触头接触表面在大气中自然氧化而生成的氧化膜造成的 。氧化膜的电阻要比触头本身的电阻大几十到几千倍，导电 性能极差，甚至不导电，而且受环境的影响较大。“收缩电阻” 是由于触头的接触表面不光滑造成的。在接触时，实际接触 的面积总是小于触头原有的可接触面积，这样使有效导电截 面减小，当电流流经时，就会产生电流收缩现象，从而使电 阻增加及接触区的导电性能变差。 第1章 低压电器的基本原理 如果触头之

6、间的接触电阻较大，则会在电流流过触头时造 成较大的电压降，这对弱电控制系统影响较严重。另外，电 流流过触头时电阻损耗大，将使触头发热而致温度升高，导 致触头表面的“膜电阻”进一步增加及相邻绝缘材料老化，严重 时可使触头熔焊，造成电气系统故障。因此，对各种电器的 触头都规定了它的最高环境温度和允许温升。 第1章 低压电器的基本原理 除此之外，触头在运行时还存在触头磨损的情况。触头的 磨损包括电磨损和机械磨损。电磨损是由于在通断过程中触头 间的放电作用使触头材料发生物理性能和化学性能变化而引起 的。电磨损的程度决定于放电时间内通过触头间隙的电荷量的 多少及触头材料的性质等。电磨损是引起触头材料损耗

7、的主要 原因之一。机械磨损是指由于机械作用而使触头材料产生的磨 损和消耗。机械磨损的程度取决于材料硬度、触头压力及触头 的滑动方式等。为了使接触电阻尽可能地小，要注意三个方面 的问题：一是要选用导电性好、耐磨性好的金属材料作触头， 使触头本身的电阻尽量减小；二是要使触头接触得紧密一些； 另外，在使用过程中尽量保持触头清洁，在有条件的情况下应 定期清理触头表面。 第1章 低压电器的基本原理 2. 触头的接触形式 触头的接触形式及结构形式很多，通常按其接触形式归 为三种，即点接触、线接触和面接触，如图1-11所示。触头 的结构形式有指形触头和桥形触头等。显然，面接触时的实 际接触面要比线接触的大，

8、而线接触的又要比点接触的大。 第1章 低压电器的基本原理 图1-11 触点的三种接触形式 (a) 点接触；(b) 线接触；(c) 面接触 第1章 低压电器的基本原理 图1-12 桥式触头闭合过程位置示意图 (a) 最终断开位置；(b) 初始接触位置；(c) 最终闭合位置 第1章 低压电器的基本原理 触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。原始状态 时断开(即线圈未通电)，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。按触头控制电路的不同可将其分为主触头和 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

9、断开控制电路，只能通过较小的电流 。 第1章 低压电器的基本原理 3. 触头的工作过程 触头的工作可分为三种工作状态：闭合过程、闭合状态和分 断过程。 1) 载流情况下触头的闭合 在触头闭合的过程中，往往会发生运动部分的弹跳，而触 头的这一机械振动又使触头表面产生电气磨损，严重时将发生 触头熔焊。为此，可适当增大触头弹簧的初压力，减小触头质 量，降低触头的接通速度，即采用指式触头等。 第1章 低压电器的基本原理 2) 闭合状态运行的触头 触头闭合工作时，由于“收缩电阻”及氧化膜的影响，致使 损耗增大，温度升高；而温度的升高又反过来使触头表面氧 化膜加剧。因此，触头工作在闭合状态时的主要问题是减

10、小 接触电阻，限制温升。 第1章 低压电器的基本原理 3) 载流情况下触头的分断 两触头之间的接触实质上是许多个点的接触，触头在分断 时最终将出现一个点接触的现象。这时，该点处的电流密度可 达到1071012 A/m2，致使金属熔化，并随着触头的分离形成 熔化了的高温金属液桥。一旦触头完全分开，金属液桥被拉断 ，会在断口处产生电弧。因此，在载流情况下触头分断时的主 要问题是电弧的熄灭。 第1章 低压电器的基本原理 4. 电弧的产生及灭弧方法 在自然环境中断开电路时，如果被断开电路的电流(电压) 超过某一数值(根据触头材料的不同，其值约在0.251 A，12 20 V)，则触头间隙中就会产生电弧

11、。电弧实际上是触头间气 体在强电场作用下产生的放电现象。所谓气体放电，就是触头 间隙中的气体被游离而产生大量的电子和离子，在强电场作用 下，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘气体就变成了导体 。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，发 出光和热的效应，产生高温及强光，使触头烧损，并使电路切 断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。电弧对电器的影 响主要有以下几个方面： 第1章 低压电器的基本原理 (1) 触头虽已打开，但由于电弧的存在，使要断开的电路实 际上并没有断开。 (2) 电弧的温度很高，严重时可使触头熔化。 (3) 电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至 造成短路，

12、引起火灾。 第1章 低压电器的基本原理 1) 电弧的产生过程 (1) 强电场放射。 (2) 撞击电离。 (3) 热电子发射。 (4) 高温游离。 第1章 低压电器的基本原理 2) 灭弧方法 电离和消电离作用是同时存在的，当电离速度大于消电离 速度时，电弧就增强；当电离速度与消电离速度相等时，电 弧就稳定燃烧；当消电离速度大于电离速度时，电弧就熄灭 。因此，熄灭电弧一方面是减弱电离作用，另一方面是增强 消电离作用。实际上，作为减弱电离作用的措施，同时也往 往是增强消电离作用的途径。 第1章 低压电器的基本原理 熄灭电弧的基本途径有： (1) 拉长电弧以降低电场强度。 (2) 用电磁力使电弧在冷却

13、介质中运动，降低弧柱周围的温度 。 (3) 将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中以冷却电弧。 (4) 将电弧分成许多串联的短弧，增加对维持电弧所需的临界 电压降的要求。 (5) 将电弧密封于高气压或真空的容器中。 第1章 低压电器的基本原理 5. 常用的灭弧方法和装置 1) 桥式结构双断口灭弧 流过触头两端的电流方向相反，将产生互相推斥的电动力。当 触头打开时，在断口中产生电弧。电弧电流在两电弧之间产生图 中以“”表示的磁场，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向 外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并拉长，电弧电流迅速 穿越冷却介质而使电弧加快冷却并熄灭。此外，还可将一个电弧 分为两个来削弱电弧的作用

14、。这种灭弧方法效果较弱，故一般多 用于小功率的电器中。但是，当其配合栅片灭弧后，也可用于大 功率的电器中。交流接触器常采用这种灭弧方法。 第1章 低压电器的基本原理 图1-13 桥式触头灭弧原理 第1章 低压电器的基本原理 2) 栅片灭弧 灭弧栅一般由多片镀铜薄钢片(称为栅片)和石棉绝缘板组成 ，它们安放在电器触头上方的灭弧室内，彼此之间互相绝缘，片 间距离约为25 mm。当触头分断电路时，在触头之间产生电弧 ，电弧电流产生磁场。由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此， 电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集。这种上疏 下密的磁场将电弧拉入灭弧室中。当电弧进入灭弧室后，被灭弧 栅分割成数段

15、串联的短弧，这样，每两片灭弧栅片都可以看做一 对电极。维持每对电极间的电弧都需要一定的电压，同时栅片吸 收电弧热量。当栅片间的电压不足以维持电弧燃烧电压时，电弧 迅速冷却并很快熄灭。 第1章 低压电器的基本原理 图1-14 栅片灭弧示意图 第1章 低压电器的基本原理 当触头上加交流电压时，产生的交流电弧要比直流电弧容易 熄灭。因为交流电压每个周期有两次过零点，显然电压为零时电 弧容易熄灭。另外，灭弧栅对交流电弧还有“阴极效应”，更有利 于电弧熄灭，即当电弧电流过零后，间隙中的电子和正离子的运 动方向要随触头电极极性的改变而改变。由于正离子比电子质量 大得多，因此在触头电极极性改变后(即原阳极变

16、为新阴极，原 阴极变为新阳极)，原阳极附近的电子能很快地回头向相反的方 向运动(走向新阳极)，而正离子几乎还停留在原来的地方，这样 使得新阴极附近缺少电子而造成断流区，从而使电弧熄灭。若要 使电压过零后电弧重新燃烧，两栅片间必须要有150250 V的电 压，显然灭弧栅总的重燃电压所需值将大于电源电压，因此电弧 自然熄灭后就很难重燃。所以，灭弧栅装置常用作交流灭弧。 第1章 低压电器的基本原理 3) 磁吹灭弧 图1-15 磁吹灭弧原理 (a) 磁吹线圈对电弧产生推力；(b) 顶视图 第1章 低压电器的基本原理 4) 窄缝灭弧 窄缝灭弧通过灭弧室灭弧。灭弧室由耐弧陶土、石棉、水 泥或耐弧塑料制成，用来引导电弧纵向吹出并防止相间短路， 同时通过电弧与灭弧室的绝缘壁接触，使其迅速冷却，增强去 游离作用，使电弧熄灭。为此制成窄缝灭孤室，如图1-16所示 。 图1-16 窄缝灭弧室 第1章 低压电器的基本原理 1.2 低压电器的主要技术性能和参数 1.2.1 开关电器的通断工作类型及相关参数 1开关电器的通断工作类型 (1) 隔离。隔离指开关电器具有将电器设备和电源“隔开”的