建筑电气控制技术(第一部分)

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1、建筑电气控制技术 第一部分(常用低压电器),厦门工学院电信学院,第一部分 常用低压电器 1.1 常用低压电器的一些名词术语和电磁式电器 1.1.1 常用低压电器的一些名词术语1.低压电器的定义凡是能根据外界施加的信号和要求，自动或手动地断开 或接通电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电路或 非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节目的电气 设备统称为电器。 电器可分为高压电器和低压电器两大类，我国现行标准 是将工作在交流1000V（50Hz)以下、直流1200V以下的电 气设备称为低压电器。,低压电器的基本用途在输送电能的输电线路和各种用电的场合，需要使用不 同的电器来控制电路通、断，

2、并 对电路的各种参数进行调 节。低压电器在电路中的用途就是根据外界控制信号或控制 要求， 通过一个或多个器件组合，自动或手动地接通、分断 电路，连续或断续地改变电路状态，对电路进行切换、控 制、保护、检测和调节。,2.低压电器的作用（1）控制作用：如电梯轿厢的上下移动，快、慢速自动 切换与自动平层等。（2）保护作用：能根据设备的特点，对设备、环境以及 人身实行自动保护，如电动机的过热保护、电网的短路保 护、漏电保护等。（3）测量作用：利用仪表及与之相适应的电器，对设备或其它非电参数进行测量，如电流、电压、功率、频率、转速、温度、湿度等。,（4）调节作用：低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以

3、满足用户的要求。（5）指示作用：利用低压电器的控制、保护等功能，检测出设备运行状况与电气电路工作情况。（6）转换作用：在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路，分时投入运行，以实现功能切换。,3.低压电器的分类（1）按工作电压等级分类1）高压电器：用于交流1000V及以上、直流1500V及 以上电路中的电器。2）低压电器：用于交流1000V（50Hz或者60Hz)以 下、直流1500V以下电路中的电器。,（2）按动作原理分类1）手动电器：用手或依靠机械力进行操作的电器。2）自动电器：借助于电磁力或某个物理量的变化自 动进行操作的电器。,（3）按工作原理分类1）电磁式电器：依据电磁感应原理来工作

4、的电器。2）非电量控制电器：电器的工作是靠外力或某种非电 物理量的变化而动作的电器。（4）按用途分类1）控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。2）主令电器。用于自动控制系统中发送控制指令的电 器。3）保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。 4）配电电器：用于电能输送和分配的电器。5）执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。 6）指示电器：用于工作状态指示或者其他指示用途的 电器。,4. 常用低压电器,低压电器的定义与分类、低压电器的基本用途、低压电 器的结构要求、电磁式控制电器的基本原理。开关和保护类电器：刀开关、负荷开关、熔断器式刀开 关、熔断器、断路器、漏电保护器、双电源切换装

5、置、电涌 保护器。控制类电器：主令电器、接触器、继电器、控制与保护 开关电器、电动机控制器、软起动器、变频器。按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器 1）电磁式电器 2）非电量控制电器,1.1.2 电磁式电器的工作原理及结构特点,电磁式电器是低压电器中最典型应用最广泛的一种电 器。控制系统中的接触器和继电器是两种最常用的电磁式电 器。虽然电磁式电器的类型很多，但它的工作原理和构造基 本相同，主要由三部分组成：电磁机构、触头系统和灭弧装 置。电磁式控制电器的基本原理:电磁式控制电器是低压电器中最典型也是应用最广泛的一种电器。控 制系统中的接触器 和电磁式继电器就是两种最常用的电磁式电器。虽然

6、 电磁式电器的类型很多，但它的工作原理和构造基本相同。其基本结构 是由电磁机构和触头系统组成。触头是电磁式电器的执行部分，电器就是通过触头的动作来分合被 控的电路的。触头在闭合状态下，动、静触头完全接触，并有工作电流 通过时，称为电接触。电接触时会存在接触电阻，动、静触头在分离 时，会产生电弧，触头系统存在的接触电阻和电弧的物理现象，对电器 系统的安全运行影响较大；另外电磁机构的电磁吸力和反力特性又是决 定电器性能的主要因素之一。,1. 电磁机构,电磁机构主要由线圈、静铁芯和衔铁（动铁芯）三部分组成。其主要作用是利用电磁感应原理将电磁能转换成机械能。当电磁线圈的通电或断电时，使衔铁和静铁芯吸合

7、或释放，从而带动动触点与静触点闭合或分断，实现接通或断开电路的目的。按通过线圈的电流种类分有交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分有E形和U形两种；按衔铁的运动形式分有拍合式和直动式两大类。图1-1（a）为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，广泛应用于直流电器中；图1-1（b）为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，多应用于触头容量大的交流电器中；图1-1（c）为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯多用于交流接触器、继电器中。,电磁机构,（a）衔铁沿棱角转动 （b）衔铁沿轴转动,（c）衔铁直线运动1-衔铁 2-铁芯 3-线圈图1-1 常用的电磁机构,交流电磁机构和直流电磁机构的铁芯（衔铁）有所不同，直流电磁机构

8、的铁芯为整体结构，以增加磁导率和增强散热；交流电磁机构的铁芯采用硅钢片叠制而成，目的是减少在铁芯中产生的涡流，使铁芯发热。此外交流电磁机构的铁芯有短路环，如图1-2所示，以防止电流过零时（滞后90）电磁吸力不足使衔铁振动。,（a）磁通示意图 （b）电磁吸力图图1-2 加短路环后的磁通和电磁吸力图,线圈的作用是将电能转化磁场能。按通入电流种类不同可分为直流型线圈和交流型线圈。按线圈的接线形式分为电压线圈和电流线圈。,2.触头系统,触头是有触点电器的执行部分，通过触头的动作控制电路的通、断。触头通常由动、静触点组合而成。（1）触点的接触形式：触点的接触形式有点接触（如球面对球面、球面对平面等）、面

9、接触（如平面对平面）和线接触（如圆柱对平面、圆柱对原柱）三种。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点。原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触点。线圈断电后所有触点复原。 当 动、静触头闭合后，不可能是完全紧密地接触，从微观看，只是一些凸起点之间的有效接触，因此工作电流只流过这些相接触的凸起点，使有效导电面积减少，该区域的电阻远大于金属导体的电阻。这种由于动、静触头闭合时形成的电阻，称为接触电阻。,（2）触头的结构形式：在常用的继电器和接触器中，触头的结构形式主要有单断点指形触头和双断点桥式触头两种。如图1-3所示。（a)点接

10、触桥式触头 （b)面接触桥式触头 （c)线接触指形触头图1-3 触头的结构形式,2.触头系统,（3）触头按控制的电路分分为主触头和辅助触头。 （4）触头按原始状态分为常开触头和常闭触头。,3.灭弧装置,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。电弧的存在既烧蚀触头的金属表面，降低电器使用寿命，又延长了切断电路的时间，还容易形成飞弧造成电源短路事故，所以必须迅速将电弧熄灭。常用的灭弧方法有下面几种：,4 电磁式控制电器的基本原理,(1)电磁机构的工作原理电磁机构使衔铁释放的力与气隙之间的关系曲线称为反力特性。 磁机构使衔铁释放的力一般有两种：一种是利用弹簧的反力，一种是利用衔铁的自身重

11、力。弹簧的反力与其机械形变的位移量 x 成正比，其反力特性可写成：,Ffl=K1x （11) 自重的反力与气隙大小无关，如果气隙方向与重力一致，其反力特性可写成： Ff2= -K2 （12),图1-2反力特性,考虑到常开触头闭合时超行程机构的弹力作用，上述二种反力特性曲线如图 1-2所示。其中 1 为电磁机构气隙的初始值；2 为动、静触头开始接触时的气隙长度。由于超行程机构的弹力作用，反力特性在 1 处有一突变。,(2)、吸力特性 电磁机构的吸力与气隙之间的关系曲线称为吸力特性。电磁机构的吸力与很多因素有关，当铁心与衔铁端面互相平行，且气隙 比较小，吸力可近似地按下式求得F=105B2 S=4

12、1052/S （13)式中 B气隙间磁通密度（T)； S吸力处气隙端面积（m2 )； F电磁吸力（N)。 当端面积S为常数时，吸力F与磁通密度B2成正比，即F与磁通2成正比，反比于端面积S，即 F2 /S,电磁机构的吸力特性反映的是其电磁吸力与气隙的关系，而励磁电流的种类不同，其吸 力特性也不一样。如图 1-3所示为交流和直流吸力特性曲线。,图1-3 吸力特性,（a）交流吸力特性；,（b）直流吸力特性,2）触头的接触形式触头的接触形式及结构形式很多，通常按其接触形式分为三种：即点接触、面接触和线接触。如图 1-4所示。,（a）点接触 （b)面接触 （c）线接触,图1-4 触头的接触形式,图1-

13、4a所示为点接触型，它由两个半球形触头或一个半球形与一个平面形触头构成，这种结构有利于提高单位面积上的压力，减小触头表面电阻。它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触头和继电器触头。图 14b所示为面接触，这种触头一般在接触表面上镶有 合金，以减小触头的接触电阻，以提高触头的抗熔焊、抗磨损能力，允许通过较大的电流。中小容量的接触器的主触头多采用这种结构。图 14c所示为线接触，通常被做成指形触头结构，其接触区是一条直线。触头通、断过程是滚动接触并产生滚动摩擦，以利于去掉氧化膜。这种滚动线接触适用于通电次数多，电流大的场合，多用于中等容量电器。,3.灭弧装置,（2）纵缝灭弧,3.灭弧装置,（3）

14、栅片灭弧,3.灭弧装置,（4）磁吹式灭弧,1.2开关和保护类电器,1、分类与作用 刀开关的主要类型有隔离开关、负荷开关、熔断器式刀开关等。常用的产品有HD14、HD17、HS13系列刀开关，HK2、HD13BX系列开启式负荷开关，HRS、HR5系列熔断式刀开关。,2、刀开关的型号及意义:,为了使用方便和减少体积，在刀开关上安装熔丝或熔断器，组成兼有通断电路和保护作用的开关电器，如开启式负荷开关，熔断器式刀开关等。,3、刀开关的主要技术参数刀开关的主要技术参数详见表14。,表14 HD17系列刀开关的主要技术参数,1.2.1刀开关,刀开关又称闸刀开关，是一种结构最简单、应用最广泛的手动电器。在低

15、压电路中，作为不频繁接通和分断电路用，或用来将电路与电源隔离。图1-5所示为刀开关的典型结构。,图15 刀开关的典型结构,（a)单极 （b)双极 （c)三极图1-6 刀开关的符号,刀开关的种类很多，按刀的极数可分为单极、双极和三极，其图形表示符号见图1-6。,按刀的转换方向可分为单掷和双掷；按灭弧情况可分为带灭弧罩和不带灭弧罩；按操作方式可分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按接线方式可分为板前接线式和板后接线式。刀开关主要有开启式负荷开关、封闭式负荷开关、熔断器式刀开关、板形刀开关、组合开关等五种。,1.开启式负荷开关 开启式负荷开关又称为瓷底胶盖刀开关。生产中常用的是HK系

16、列开启式负荷开关，适用于照明和小容量电动机控制线路中，供手动不频繁接通和分断电路，并起短路保护作用。常用的开启式负荷开关型号有HK1、HK2两种，,1.2.1刀开关,HK系列负荷开关由刀开关和熔断器组合而成，结构如图1-7 所示。开启式负荷开关型号含义如下：,图1-7 HK系列开启式负荷开关结构,2.封闭式负荷开关封闭式负荷开关又叫铁壳开关，是在开启式负荷开关的基础上改进设计的一种开关。可用于手动不频繁的接通和断开带负载的电路以及作为线路末端的短路保护，也可用于控制15kW以下的交流电动机不频繁的直接起动和停止。,2.封闭式负荷开关常用的封闭式负荷开关有HH3、HH4系列。其中HH4系列为全国统一设计产品，它的结构如图1-8所示。它主要由触头灭弧系统、熔断器及操作机构等三部分组成。,