1、电气工程基础第五章 第 五 章 常 用 低 压 电 器 元 件 在 这 一 章 里 ， 主 要 讨 论 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 中 常 用 电 器 元 件 的 结 构 特 点 和 基 本 工 作 原 理 。 在 此 基 础 上 ， 再 讨 论 控 制 电 器 元 件 的 选 型 和 整 定 。 电 器 元 件 种 类 繁 多 ， 这 里 只 介 绍 用 于 电 力 拖 动 自 动 控 制 领 域 中 的 低 压 电 器 元 件（ 低 压 指 以 下 ） ， 即 所 谓 “ 控 制 电 器 ” 。 控 制 电 器 是 自 动 控 制 系 统 不 可 缺 少 的 组 成 部 分 。
2、 无 论 是 传 统 的 还 是 新 式 自 动 控 制 系 统 ， 都 或 多 或 少 要 使 用 控 制 电 器 来 改 变 主 回 路 的 工 作 状 态 ， 以 满 足 工 艺 过 程 对 系 统 提 出 的 各 项 要 求 。 电 器 的 功 能 和 分 类 一 、 电 器 的 功 能 电 器 是 一 种 能 根 据 外 界 的 信 号 和 要 求 ， 手 动 或 自 动 地 接 通 、 断 开 电 路 ， 断 续 或 连 续 地 改 变 电 路 参 数 ， 以 实 现 电 路 或 非 电 对 象 的 切 换 、 控 制 、 保 护 、 检 测 、 交 换 和 调 节 用 的 电 气
3、 设 备 。 简 单 地 说 ， 电 器 是 电 的 一 种 控 制 工 具 。 控 制 作 用 就 是 自 动 或 手 动 接 通 或 者 断 开 电 路 ， 使 电 路 中 的 电 流 “ 通 ” 或 “ 断 ” 。 “ 通 ” 也 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 。 二 、 电 器 的 分 类 电 器 的 种 类 很 多 ， 分 类 方 法 也 各 不 相 同 ， 下 面 介 绍 的 是 一 般 常 见 的 电 器 分 类 方 法 。 （ ） 按 工 作 职 能 分 类
4、 （1） 手 动 操 作 电 器 ； （2） 自 动 控 制 电 器 ； a. 自 动 切 换 电 器 b. 自 动 保 护 电 器 。 (3) 其 它 电 器 ： a. 起 动 与 调 速 电 器 b. 稳 压 与 调 压 电 器 c. 牵 引 与 传 动 电 器 出 检 测 与 交 换 电 器 。 （ 二 ） 按 电 压 高 低 分 类 (1 ） 低 压 电 器 （ 以 下 ） ； （ ） 高 压 电 器 （ 高 于 ） 。 （ 三 ） 按 电 器 配 置 分 类 (1 ） 单 个 电 器 ； （ ） 成 套 电 器 和 自 动 化 装 置 。 （ 四 ） 按 电 器 有 无 触 点 分
5、类 (1 ) 无触 点 电 器 ； （ ） 有 触 点 电 器 ； （ ） 混 合 式 电 器 。 （ 五 ） 按 应 用 系 统 分 类 （1 ） 电 力 系 统 用 的 电 器 ； （ ） 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 用 的 电 器 ； （3 ） 通 信 电 路 系 统 用 的 电 器 。 （ 六 ） 按 应 用 场 合 分 类 （1 ） 一 般 工 业 用 电 器 ； （ ） 特 殊 工 矿 用 电 器 ； （ ） 农 用 电 器 ； （ ） 其 它 场 合 用 电 器 （ 例 如 ， 航 空 用 和 船 舶 用 的 电 器 等 ） 。 下 面 介 绍 本 书 涉 及 的 电
6、 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 常 用 电 器 分 类 方 法 。 自 动 空 气 开 关 （1） 装 置 式 （ ） 自 动 空 气 开 关 ； （ ） 敞 开 式 （ ） 自 动 空 气 开 关 。 接 触 器 （1） 直 流 接 触 器 ； （ ） 交 流 接 触 器 。 熔 断 器 （1 ） 按 熔 断 体 形 状 分 类 ： a. 丝 状 （ 保 险 丝 ） 片 状c. 笼 状 （ 栅 状 ） 。 （ ） 按 支 架 结 构 分 类 ： a. 螺 旋 塞 式 b. 管 式 。 (3 ) 按 照 惯 性 （ 发 热 时 常 数 ） 分 类 ： 无 热 惯 性 （ 快 速 式 ）
7、.小热 惯 性 大 热 惯 性 。 主 令 电 器 (1) 自 动 复 位 行 程 开 关 ： a. 直 动 式b.滚 动 式 c. 微 动 式 。 （ ） 生 令 控 制 器 ： a. 非 调 整 式b. 调 整 式 。 （ ） 按 钮 。 继 电 器 (1) 电 磁 式 继 电 器 ； a. 电 压 式 （ 过 压 或 欠 压 ） 继 电 器 b. 电 流 式 （ 过 流 或 欠 流 ） 继 电 器 c.直 流 继 电 器 交 流 继 电 器 。 （ ） 磁 电 式 继 电 器 ； (3) 时间继 电 器 ； a. 直 流 电 磁 式 b. 空 气 阻 尼 式 c.电 动 机 式 半 导
8、体 式 。 （ ） 中间继 电 器 ； （ ） 速 度 继 电 器 ； （ ） 热 继 电 器 。 其 它 电 器 触 点 和 电 弧 一 、 触 点 在 有 触 点 的 电 器 元 件 中 ， 电 器 元 件 的 基 本 功 能 是 靠 触 点 来 执 行 的 。 即 用 触 点 来 接 通 或 断 开 被 控 制 的 电 路 。 触 点 的 结 构 形 式 很 多 ， 按 其 接 触 形 式 可 分 为 三 种 ， 即 点 接 触 、 线 接 触 和 面 接 触 。 如 图 所 示 。 图 （ a ） 所 示 为 点 接 触 ， 它 由 两 个 半 球 形 触 点 或 一 个 半 球 形
9、与 一 个 平 面 形 触 点 构 成 。 它 常 用 于 小 电 流 的 电 器 中 ， 如 接 触 器 的 辅 助 触 点 或 继 电 器 触 点 。 图 （ 所 示 为 线 接 触 ， 它 的 接 触 区 是 一 条 直 线 。 触 点 通 断 过 程 是 滑 动 接 触 ， 如 图 所 示 。 开 始 接 触 时 ， 静 动 触 点 在 点 接 触 靠 弹 簧 压 力 经 点 滑 动 到 点 。 断 开 时 作 相 反 运 行 ， 这 样 可 以 自 动 清 除 触 点 表 面 的 氧 化 膜 。 同 时 ， 长 时 期 工 作 的 位 置 不 是 在 易 烧 灼 的 点 而 是 在
10、点 ， 保 证 了 触 点 的 良 好 接 触 。 这 种 滑 动 线 接 触 多 用 于 中 等 容 量 的 触 点 ， 如 接 触 器 的 主 触 点 。 图 （ c） 所 示 的 面 接 触 ， 它 可 允 许 通 过 较 大 的 电 流 。 这 种 触 点 的 接 触 电 阻 和 提 高 耐 磨 性 ， 多 用 作 较 大 容 量 的 接 触 器 的 主 触 点 。 触 点 在 接 触 时 ， 其 基 本 性 能 要 求 接 触 电 阻 尽 可 能 小 。 但 由于 触 点 表 面 的 不 平 和 氧 压 层 的 存 在 ， 使 两 个 触 点 的 接 触 处 有 一 定 的 电 阻
11、。 减 小 此 接 触 电 阻 的 方 法 之 一 是 需 要 在 触 点 间 加 一 定 压 力 ， 当 动 触 点 刚 与 静 触 点 接 触 时 ， 由 于安 装 时 弹 簧 被 预 先 压 缩 了 一 段 ， 因 而 产 生 一 个 初 压 力 F1 ，如 图 （ ） 所 示 。 触 点 闭 合 后 由 于 弹 簧 在 超 行 程 内 继 续 变 形 而 产 生 一 种 压 力 1， 如 图 （ c ） 所 示 。 弹 簧 压 缩 的 距 离 称 为 称 为 触 点 的 超 行 程 ， 即 从 静 、 动 触 点 开 始 接 触 到 触 点 压 缩 ， 整 个 触 点 系 统 向 前
12、压 紧 的 距 离 。 有 了 超 行 程 ， 在 触 点 磨 损 情 况 下 ， 仍 具 有 一 定 压 力 ， 磨 损严 重 时 应 予 更 换 。 触 点 之 间 的 接 触 电 阻 包 括 “ 膜 电 阻 ” 和 “ 收 缩 电 阻 ” 。 “ 膜 电 阻 ” 是 触 点 接 触 表 面 上 的 氧 化 膜 造 成 的 ， 氧 化 膜 的 电 阻 要 比 触 点 本 身 的 电 阻 大 几 十 到 几 千 倍 。 “ 收 缩 电 阻 ” 是 由 于 触 点 的 接 触 面 不 是 十 分 光 滑 的 ， 在 接 触 时 ， 实 际 接 触 的 面 积 总 是 小 于 触 点 原 有 接
13、 触 面 积 ， 这 样 有 效 导 电 截 面 减 小 ， 从 而 使 电 阻 增 加 ， 这 部 分 增 加 的 电 阻 即 为 “ 收 缩 电 阻 ” 。 如 果 上 述 的 电 阻 较 大 的 话 ， 则 在电流过触点时要造成较大的电压降落，这对控制系统影响较严重。另外电流流过触点时电阻损耗大，将触点发热而温度升高，导致触点表面的“膜电阻”增加，相邻绝缘材料的老化，严重时可使触点熔焊。因此对各种电器的触点都规定了它的允许温升。为了减小接触电阻，要求经常维护触点使之保持清洁与光滑，特别在发生短路事故后，应立即对触点进行清理。 为了使接触电阻小，应尽量减小触点本身的电阻，即选用导电性好，耐
14、磨的金属合金材料做触点。 二、电弧的产生与熄灭 （一）电弧的产生 当触点在切断电器时刻，如电路中电压超过1012V和电流超过80100mA，在拉开的两个触点之间将出现强烈火花，这实际上是一种气体放电的现象，通常称为“电弧”。电弧对电器的影响有三个方面： (1）解点虽已打开，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，严重时可使触点熔化。 (3）电弧向四周喷射，会使电器和周围物质损坏，还会造成短路，甚至造成火灾。所以必须采取措施熄灭或减小电弧，为此要了解电弧的物理本质，即电弧产生原因。 电弧是一种气体放电现象。所谓气体放电就是触点间隙间的气体被游离产生大量的电子和离
15、子，在电场作用下，大量的电子作定向运动，于是绝缘的气体就变成了导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，因此发出光和热的效应。那么触点间隙内怎么会产生大量的电子和离子呢？这主要有以下四种原因：（1）强电场放射。触点开始分离时，其间隙很小，电路电压几乎全部降落在触点很小很小的间隙上，因此该电场强度很高，可达几亿Vm，此强电场将阴极表面的自由电子拉出到气隙中，使触点间隙气体存在较多的电子。这种现象即所谓强电场放射。 （2）撞击电离。触点间隙中的自由电子在电场作用下，向正极加速运动，经过一定路程后获得足够的动能，它在前进途中撞击气体原子，该原子被分裂成电子和正离子。电子在向正极运动过程
16、中又将撞击其他原子，使触点间隙中气体的电荷越来越多，这种现象称为撞击电离。所以电场强度越强，电子在加速过程中所走的路程越大，它所获得的能量就越大，故撞击电离的电子就越多。 （3）热电子发射。撞击电离产生的正离子向阴极（与电源负极连接的触点）运动，撞击在阴极上会使阴极温度逐渐升高，使阴极金属中电子动能增加，当阴极温度达到一定程度时，一部分电子有足够动能将从阴极表面选出再参与撞击电离。由于高温使电极发射电子的现象称为热电子发射。 （4）高温游离。当电弧间隙中气体的温度升高时，气体分子热运动速度加快。当电弧温度达到3000或更高时，气体分子强烈的不规则热运动造成的碰撞，结果使中性分子游离成为电子和正
17、离子。这种因高温使分子撞击所产生的游离称为高温游离。当电弧间隙中有金属蒸气时，高温游离大大增加。 在触点分断的过程中，以上四种引起电离原因的作用是不一致的。在触点刚开始分离时，首先是强电场放射，这是产生电弧的起因。当触点完全打开时，由于触点间距离增加，电场强度减小，维持电弧主要靠热电子发射，撞击电离和高温游离，而其中又以高温游离作用最大。 应该指出，伴随着电离的进行，还存在着消电离作用。消电离是指正负带电粒子的结合为中性粒子。消电离可分为复合和扩散两种方式： 复合。当正离子和电子彼此接近时，由于异性电荷的吸力结合在一起，成为中性的气体分子。另外，电子附在中性原子上成为负离子，负离子与正离子相遇
18、就复合为中性分子。这种复合只有在带电粒子的运动速度低时才有可能。因此利用液体或气体人工冷却电弧，或将电弧挤入绝缘壁做成的窄缝里，迅速导出电弧内部的热量，降低温度，减小了离子的运动速度，可以加强复合过程。 扩散。弧柱内的电子、正离子、负离子要从浓度大、温度高的地方扩散到周围的冷介质中去。扩散出来的电子、离子互相结合又成为中性分子。因此将低弧往周围的温度，或用人工方法减小电弧直径，使电弧内部电子、离子的浓度增加，就可以增强扩散作用。 （二）电弧的熄灭 电离和消电离作用是同时并存的。当电离速度快于消电离速度，电弧就发展；当电离与消电离相等时，电弧就稳定燃烧；当消电离速度大于电离速度时，电弧就要熄灭。
19、因此，欲使电弧熄灭可以从两方面着手：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。为熄灭电弧，其基本方法有： 拉长电弧，以降低电场强度。 用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧往周围的温度；将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中以冷却电弧。 将电弧分成许多串联的短弧，增加维持电弧所需的临极电压降的要求。 将电弧密封于高气压或真空的容器中。 三、几种常用的灭弧装置 （一）灭弧栅 灭弧栅由安装在与电弧轴垂直方向上并在电弧前上端的若干片彼此互相绝缘的导磁镀铜薄钢片组成，片间距离约23mm，固定在触点上方的灭弧罩内，如图54所示，图中未画出灭弧罩
20、。 当电弧在触点间隙中形成后，电弧在周围产生磁场，由于栅片是钢质导磁体，就产生感应磁场而对电弧电流产生电磁吸力，将电弧很快技入灭弧栅内。电弧进入灭弧栅后就被分割成许多串联的短弧，此时搬片就成为短弧的电极。要维持电弧燃烧必须在电极附近有一定的电压降，称为临极压降，一对临极压联约为 12 2 OV。这样，这些串联短弧使维持电弧所需的总的电压降增大，若它大于电源电压，电弧就不能继续维持下去。另外，由于钢质栅片吸收电弧的热量，加强了消电离的作用，故电弧能被迅速熄灭。当触点上所加的电压是交流时，交流电所产生的交流电弧要比直流电弧容易熄灭。因为交流电每个周期有两次过零点，显然电压为零时自然容易熄灭。另外，
21、灭弧概对交流电弧还有所谓“阴极效应”更有利于熄灭交流电弧，阴极效应是：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点电极极性的改变而改变。由于正离子比电子质量大得多，因此在触点电极极性改变后（即原阳极变为新阴极，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。这样使得新阳极附近缺少电子而造成断流区，如图55所示，从而使电弧熄灭。若要使交流电压过零后，电弧重新燃烧，两栅片间必须有15025OV电压，显然灭弧栅总的重燃电压所需值将大于电源电压，则电弧自然熄灭后就很难重燃，因此，灭弧栅装置常用作交流灭弧。 （二）磁吹式灭弧装置
22、 磁吹装置是利用电弧在磁场中受力，将电弧拉长，并使电弧在冷却的灭弧罩缝隙中运动，产生强烈的消电离作用，从而将电弧熄灭。其原理如图 56所示。图 56（a）， 56（b）说明了 磁吹灭弧的原理。导磁体（软钢）2固定于薄钢板。和b之间，在它上面绕有线圈（吹弧线圈）3，线圈可做成与触头电路串联，主电流1通过线圈3产生磁通中，根据有手螺旋定则可知该磁从导磁体2通过导磁夹 片b两夹片间隙到达夹片a，在触点间隙中形成磁场，图中“X”符号表示。方向为进入纸面。触头打开时产生电弧，它自身也形成一个磁场，该磁场在电弧上侧，方向为从纸面出来，用“”符号表示，它与线圈产生的磁场方向相反。而在电弧下侧，电弧磁场方向进
23、入纸面，用“”符号表示，它与线圈的磁场方向相同。两侧的合成磁通就不相等，下侧大于上侧，因此，产生强烈的电磁力将电弧向上侧推动，并使电弧急速进入灭弧罩。灭弧罩多用陶瓷或石棉、水泥做成，因电弧被拉长并受到冷却而很快被熄灭。这种方法的优点是，当触点中的电流方向改变时，由于外磁场的方向也跟着改变，而电弧受力的方向不变。磁吹灭弧的吹力在设计时可以控制其大小，容易做到吹力大，灭弧效果好。磁吹灭弧装置通常用于直流灭弧装置。应注意的是，对于线圈与触头串联的系统，其吹力与电流平方成正比，当电流减小时，吹力成平方减小，结果使灭弧效果大大减弱。因此用大容量的磁吹灭弧装置来控制小功率系统是不可行的。反之，用小容量的磁
24、吹灭弧装置来控制大功率系统亦将造成危险，也不可行。 对于使用并联线圈的磁吹装置，可以做到由外加固定电源供电而使线圈的磁通稳定不变，因而吹力大小不受触头电源大小的影响。但要注意线圈的极性和触头的极性，如果将两者的极性接错，则使电弧吹向内侧，以致烧坏电器。（三）桥式触头灭弧 图57是桥式触头的结构原理图。它是利用流过触头两端的电流方向相反产生互相推斥的力来使电弧向两外侧运动而灭弧的。这种灭弧方法效果较弱，故一般多用在小功率的电器中。但是,当配合栅片灭弧后，也可用于大功率的接触器中.这种灭弧方法也具有将一个电弧分为两个来削弱电弧的作用。 （四）熄灭花电路 控制电器的触点在切断具有电感负载的电路时，由
25、于电流由某一稳定值突然降为零，电流的变化率di/dt很大，就会在触点间隙产生较高的电压，此电压超过27030OV时，就会在触点间隙产生火工化放电现象。火花放电与电弧不同之处是：火花放电的电压高，电流小，而且是在局部范围产生不稳定的火花亮线。火花放电将使触点产生电磨损以至缩短它的寿命。另外火花放电造成的高频干扰信号将影响无线电通信和干扰弱电控制系统的正常工作，为此需要消除由于过电压引起的火花放电现象。下面介绍两种常用的熄火花电路。 （1）用半导体二极管与电感负载并联 如图58所示，在触点K闭合时，电感负载L中流有稳定的电流，当触点突然打开时，由于二极管V的存在，使电流不是从某一稳定值突然降为零，
26、而是由电感L和二极管D组成放电回路使电流逐渐降为零，即减小了电流的变化率工，从而减小了电感L产生的过电压（e=一L di/dt）。这样使触点K的间隙不会产生火花放电，另外也使电感L的绝缘不会因过电压而击穿。 （2）用串联的电容、电阻环节与触点并联。 如图59所示，在触点突然打开时，电感的磁场能量就转为电容的电场能量，此时表现为对电容器的充电。因此，触点突然打开时，电感L的电流也是不立刻降为零，而是随着电容器逐渐充满电而降为零，电感L就不会产生过电压。 触点在通断过程中将产生电弧，电弧会烧损触点和引起其它故障，为此，需要采取必要的灭弧措施。对于通断大电流电路的电器，如接触器等，这个问题更为突出，
27、因此要有较完善的灭弧装置。对于继电器，主要电器等，由于它们的触点是通断小电流电路的，因此不要求有完善的灭弧装置。 53 动力线路中常用电器元件 在电力拖动控制系统中可以分成两大部分，一部分是开断，接通和控制主电机运转状态的主电路系统，由于它担负着较大的能量传输任务，又叫动力线路系统；另一部分电路的任务是根据给定的指令，依据自动控制系统的规律和具体工艺需求对主电路系统进行控制，叫做控制电路系统或控制线路。 由于动力线路和控制线路传送的能量和职能不同，对电器元件的要求也不同。为使读者有一个比较明确的概念，本章也将控制电器按用于动力线路和用于控制线路的性质分开讨论。这一节介绍用于动力线路中的主要电器
28、元件。 一、自动空气开关 自动空气开关主要用在低压动力线路中，它能够手动或自动接通动力电源，并且除了能够手动断开动力电源外，还能自动地切断短路，过载和欠压故障，对系统起保护作用。所以，自动空气开关是一般低压控制系统中用得比较多的电器元件。 自动空气开关不能连续频繁的进行通断操作。为了能迅速切断短路电流，它具有较强大的熄灭电弧的能力和开断机构。 自动空气开关配置了某些附件后，可以扩展功能。这些附件主要是欠压脱扣器，分励脱扣器、辅助触头和电动操作机构等。 欠压脱扣器用于那些对电压值要求较高的系统中，当电源电压低于某一值时，欠压脱扣器将使空气开关打开，切断电源。 分励脱扣器用于实现远距离控制空气开关
29、切断电源。 辅助触头用于空气开关的控制和信号传送。 电动操作机构用于对空气开关进行远距离操作。 （一）自动空气开关的简单原理和参数 (1）原理 图510用示意的结构表示了自动空气开关的工作原理，实际的空气开关结构比图510要复杂的多。 手动合闸后，动静触头闭合，脱扣联杆9为锁钩钩住，它又将合间联杆5钩住，将触头保持在闭合状态。 发热元件14与主电路串联，有电流流过时发出热量使脱扣器6的下端向左弯曲。发生过载时脱扣器6弯曲到将脱扣锁钩推离开脱扣联杆；动静触头受弹簧3的作用而迅速分开。 电磁脱扣器有一个匝数很少的线圈与生电路串联，发生短路时，它使铁蕊对脱扣锁构上部的吸力大于弹簧的反力，脱扣锁钩向左
30、转动，最后也使触头断开。 如果要求手动脱扣时，按下按钮2就可使触头断开。 热脱扣器和短路电流脱扣器都可以对脱扣电流值进行整定，这时只要改变热脱扣器所需要的弯曲程度和电磁脱扣器铁蕊与脱扣机构的气隙大小就行了。 热脱扣器和电磁脱机器互相配合，热脱扣器担负主电路的过载保护，电磁脱扣器担负短路故障保护。 当空气开关由于过载而断开后，应等待23min才能重新合闸，以使热脱扣器回复原位。 自动空气开关的主触头由耐电弧合金（为银钨合金）制成，采用灭弧栅片加陶瓷罩来熄灭电弧。 我国采用DZ和DW表示自动空气开关的型号、DZ表示装置式自动开关、DW表示开敞式自动开关。 （2）参数 自动空气开关的主要参数有额定电
31、流、热脱扣额定电流和整定范围以及电磁脱扣器整定范围。 装置式自动空气开关常用的有DZ 4、DZ 5和 DZIO系列三种。前两种为小容量（额定电流有 25A和 50A两种）。 DZ10系列的额定电流有 100A、250A、500A三个等级。极限开断电流（在额定电压下能开断的最大短路电流）在直流电压为 220V时可达 700025000A在交流电压为 380V时为 700050000A。 自动空气开关的型号亦意如下。 在辅助D触头代号中，“ 0”表示无辅助触头；“ 2”表示有辅助触头。在脱扣器代号中，“ 0”表示没有脱扣器；“ 1”表示有热脱扣器；“2”表示有电磁脱扣器；“3”表示有热脱扣器和电磁脱扣器的复式脱扣式。 例DZ10250
