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1、电气控制技术 *1课程的目的、性质和任务n本课程是电气工程与自动化专业本科学生的一门专业选修课 。n着重学习常用的各种高低压电器、新型电器及可编程序控制 器（PLC）的基本结构、工作原理和选用原则，组成电器控 制线路的基本规律，PLC控制系统软硬件设计方法和各种基 本控制线路的原理分析及设计方法。n加强学生基本技能和动手能力的训练。教学中通过理论联系 实际，着眼于培养学生分析问题、处理问题的能力、理论联 系实际的设计能力。为学生从事与电气工程有关的各项工作 打下良好的基础。2电器的基本知识第 二 章3本章学习要求及学习重点l电器的基础知识n掌握电器的分类n了解电器产品的发展趋势l电器的基本理论
2、n掌握电磁式电器的工作原理n了解电接触理论n了解电弧的产生过程n掌握开关电器的常用灭弧装置4本章作业P.47 2.1，2.3，2.105什么是电器？ 电器 电气器具。 电器的定义：指能依据操作信号或外界现场信号的 要求，自动或手动接通和断开电路，连续或断续地 改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、 控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电 工装置。 电器 一种能控制电的工具。 62.1 电器概述2.1.1 电器的分类 按工作电压等级分低压电器：工作电压在交流1200V或直流1500V以下 的各种电器。高压电器：工作电压高于交流1200V或直流1500V的各 种电器。7安全电压安全电压
3、定义：为防止触电事故而采用特定电源供 电的电压系列。 我国GB3805-83安全电压标准规定：安全电压的额 定值为42、36、24、12、6V。 42V / 可供有触电危险的场所使用，如手持式电 动工具等的使用； 36V / 可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯 等场合下使用； 24V、12V、6V / 供某些人体可能偶然触及的带 电体的设备选用。8 按动作原理分手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务 的电器。如刀开关、控制按钮、控制器、转换开 关等。自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电 信号自动完成指令任务的电器。如交直流接触器 、继电器、高低压断路器等9 按用途分控制电器：用于各
4、种控制电路和控制系统的电器。主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器 。保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。配电电器：用于电能的输送和分配的电器。执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。10 按工作原理分电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器。非电量控制电器：电器的工作是依靠外力或某种 非电物理量的变化而动作的电器。11 按电器的执行机构特点分有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现 。无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械接 触，而是根据输出信号的高低实现的（即半导体器 件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三极管的 饱和截止来实现电路的通断）。122.1.2 电器产品的
5、发展 我国电器产品的发展历程低压电器产品大致可分为三代： 20世纪6070年代：第一代电器产品 完全模仿前苏联的基础上设计开发的。特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理 想、品种规格不齐全。 13CJ10交流接触器DZ10断路器DW10多油断路器第一代电器产品14第二代产品 20 世纪7080 年代：第二代电器产品 更新换代和引进国外先进技术制造的。特点：技术指标明显提高，保护特性较完善，体积 缩小，结构上适应成套装置要求。 15CJ20接触器DZ20断路器DW15断路器 第二代电器产品16第三代产品 20 世纪90 年代：第三代电器产品 跟踪国外新技术自行开发试制的。特点：产品性能优良、
6、工作可靠、体积小，具有电 子化、智能化、组合化、模块化、多功能化。 17CJ40接触器DZS断路器DW45断路器 第三代电器产品18 电器产品的发展趋势l 有触点电器：结构原理、结构设计和新材料、新工艺方面l 新型无触点电器l 组合化、成套化和智能化 国外 / 20世纪90年代后期/ 推出了智能化、可通信的第四代 产品；国内 / 低压电器也已进入第四代的开发和应用。192.1.3 新技术在电器设计和开发中的应 用 三维计算机辅助设计系统 低压电器专用计算机应用软件 计算机网络系统的应用 可靠性技术 新的灭弧系统和限流技术202.2 电器的基本理论控制角度输入部分输出部分结构上感测部分判断部分执
7、行机构212.2.1 电磁式电器的工作原理 电磁式电器的组成： 感测和判断部分 电磁机构 执行机构 触头 221.感测和判断部分(电磁机构)铁心吸引线圈衔铁弹簧动触头静触头n 将电磁能量转换为机械能量，带动触头工作，完 成接通和分断电路。23（1）电磁机构的工作特性电磁吸力/反力 VS 气隙24电磁吸力 麦克斯韦电磁力（磁场均匀分布）真空的磁导率 当端面面积S为常数时，电磁吸力与B2或2成正比。 25电磁机构的工作特性: 吸力特性和反力特性。 吸力特性：电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸引衔铁 的电磁吸力与气隙的关系曲线。 反力特性：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线 。 261）直流电磁铁
8、的吸力特性空气隙的磁阻 在IN一定时，电磁吸力Fat与气隙大小的平方成反比 。 l直流电压（电流）激励l直流线圈（阻性）l电压不变，电流不变l电流大l线圈发热，铁心不发热27直流电磁机构的吸力特性n未吸合时，气隙较大 ，电磁吸力Fat较小； 吸合后，气隙减小，吸 力增大。直流电磁机构适用可靠性高或频繁动作的控制系统。 n 电流认为变化不大， 与气隙无关。28n 当气隙相同时，安匝数N大的电磁铁其电磁吸力 越大。n 励磁电压 U （励磁电流 I ）和气隙决定了吸力特 性，影响电磁铁的工作。292）交流电磁铁的吸力特性磁感应强度按正弦规律变换： 吸力瞬时值： 30交流电磁吸力交流电磁铁电磁吸力的大
9、小是随时间周期性的变化。 31交流电磁吸力的平均值交流电磁铁电磁吸力（平均值描述）： 理想情况下，当励磁电压U、频率f和线圈匝数N不 变时，交流电磁铁的电磁力F0也不变。 32交流电磁机构的吸力特性F0=f()i=f() 交流电磁铁吸合前后m的值可认为不变，故电磁力F0也不 变；考虑到漏磁的影响，其吸力随气隙的减小略有增加。 交流励磁电流 I 将随气隙长度成正比增大 。33结 论l交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚未 动作时，电流比额定工作电流大得多。l若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流线 圈将可能因过电流而烧毁。l 在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用 交流电磁机构。
10、34电磁机构可能存在的问题 问题 衔铁粘住q直流电磁机构 衔铁闭合后，磁路磁阻较小，线 圈断电后由于导磁体剩磁所产生的吸力有可能足 以克服释放弹簧的反力，会使衔铁打不开。交流电磁机构？35避免“衔铁衔铁 粘住” 为了避免“衔铁粘住”现象，通常在吸力较小的直 流电磁机构(如直流继电器)的衔铁上装一非磁性垫 片(厚度为0.1mm的磷铜片)，在吸力较大的直流 电磁机构(如直流接触器)的铁心柱端面上加装极靴 ，以增加衔铁闭合后的气隙（磁阻）。n 交流并联电磁机构的吸力特性曲线比较平坦，且导 磁体不存在有剩磁，所以在线圈断电时不会产生“衔 铁粘住”现象。36 问题 振动和噪声产生原因吸力最大吸力为0l
11、电磁吸力为零将小于弹簧的反作用力，衔铁将从与铁 心闭合处被拉开；l 当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁又被吸合。 瞬时吸力曲线反力37短路环短路环铁心吸引线圈衔铁解决交流电磁铁产生振动和噪音的措施3839短路环的作用n 只要合成吸力始终大于弹簧反作用力Ff，就能消 除衔铁的振动，从而消除噪音。n 短路环通常包围的铁心截面，一般用铜、康铜 或铬合金等材料制成。 403）反力特性电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧 的弹力、触点弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦 力统称为电磁机构的反力。 电磁机构使衔铁释放的力 主要是利用弹簧反力 。弹簧的反力特性： 414）直流电磁机构剩磁的吸力特性当电磁
12、机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁 使其仍有一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙的增 大而减小。剩磁吸力特性42吸力和反力的配合n电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力须大于反力， 但不宜过大，否则会影响电器的机械寿命。n在释放衔铁时，其反力须大于剩磁吸力才能保证衔 铁可靠释放。要求电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和 剩磁吸力特性之间。43释放时最大吸 力特性F mk吸合时最小 吸力特性吸力特性与反力特性的配合(图)n吸力特性与反力特性曲 线之间这块面积代表了 衔铁在运动过程中积聚 的能量。面积越大，能 量越大，动作速度越大 ，衔铁和铁心接触、动 触点和静触点接触时的 冲击力也越大，严重时
13、 会导致衔铁和铁心间的 严重机械磨损及触点的 熔焊与烧损。 吸力特性与反力特性应尽 可能靠近，以利于改善 电器的性能。 445）电磁机构的输入输出特性输入量x 线圈电压或电流输出量y 衔铁的位置 衔铁吸合时 的动作值x0当输入信号下降 到复归值xr时， 衔铁释放 45返回系数复归值 xr 与动作值 x0 之比称为返回系数或恢复系数Kf ：电磁机构的返回系数一般小于1。46（2）电磁机构分类1铁心 2吸引线圈 3衔铁 虚线磁 路47n衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：衔铁绕铁轭的棱 角转动。这种形式磨损小，铁心一般用电工软铁制 成，广泛用于直流电器和接触器中。n衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅
14、钢片叠 成，常用于大容量交流接触器中。n衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内做直 线运动，多用于中小容量的交流接触器和继电器中 。 48（3）吸引线圈n 吸引线圈：将电能转换为磁场能。吸引线圈的分类：按线圈的联接方式分：l电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，但 电流较小，所以常用绝缘较好的电线绕制。l电流线圈：串接在主电路中，匝数少，电流较大，所以常 用扁铜线或粗铜线绕制。49按吸引线圈电流的种类分：l直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈 发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线 圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。l交流线圈：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流
15、 损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所以其 线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短 而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈散热。502. 执行机构n 执行机构电器的触头系统。n 触头（又称触点）的作用接通和分断电路。动触头静触头灭弧装置导电部件触 头51对触头的要求导电、导热性良好，接触电阻小n 材料：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镀一层锡、银或镍。n 触头上装有接触弹簧，使动 触头刚与静触头接触时就产生 一个初压力。作用：接触得更 紧密，减小接触电阻，消除开 始接触时产生的振动。 接触弹簧52常开触头和常闭触头n 触头按其原始状态可分为：常开/常闭触头。/
16、 原始状态 吸引线圈未通电时的状态 。常闭触头常开触头53n 常开触头：当线圈未通电时触头断开，而线圈通电 后触头闭合的触头又称为动合触头；n 常闭触头：当线圈未通电时触头闭合，线圈通电后 触头断开的触头又称为动断触头。n 触头的复位线圈断电后触头回复到原始状态。动作顺序：先断后合54主触头和辅助触头n 按触头控制的电路分为：主触头和辅助触头。n 主触头：用于接通和断开主电路，允许通过较 大的电流，一般装有灭弧罩；n 辅助触头：用于接通和断开控制电路，只允许 通过较小的电流。55触头的结构型式 桥式触头 56n 桥式触头：桥式触头的两个触点串于同一条电路 中，电路的接通和断开由两个触点共同完成。n点接触型式适用于电流不大，且触头压力 小的场合，如继电器电路、辅助触点；n面接触型式适用于大电流的场合，这种触 头一般在接触
