激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第二章第一節(jié)講解

1、第二章常用傳統(tǒng)低壓電器低壓電器作為基本器件，廣泛應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高， 低壓電器的使用范圍也日益擴(kuò)大， 其品種規(guī)格不 斷增加。作為電氣技術(shù)人員必須熟練掌握低壓電器的結(jié)構(gòu)、工作原理、并能正確選用和維護(hù)低壓電器。第一節(jié)低壓電器的基本知識(shí)一、低壓電器的定義及分類(lèi)1低壓電器的定義凡是根據(jù)外界特定的信號(hào)或要求，自動(dòng)或手動(dòng)接通和斷開(kāi)電路，斷續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路或非電對(duì)象的切換、控制、保護(hù)、檢測(cè)和調(diào)節(jié)的電氣設(shè)備均稱(chēng)為電器。而 工作在交流額定電壓 1200V及以下，直流額定電壓 1500V及以下的電器稱(chēng)為低壓電器。2低壓電器的分類(lèi)（

2、1）按控制的對(duì)象和用途可分為低壓控制電器和低壓配電電器兩大類(lèi)。低壓控制電器包括接觸器、繼電器、電磁鐵等，主要用于電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中， 圖2-1是常用的低壓控制電器實(shí)物圖。（a）接觸器（b）繼電器（c）電磁鐵圖2-1低壓控制電器實(shí)物圖低壓配電電器包括刀開(kāi)關(guān)、組合開(kāi)關(guān)、熔斷器和斷路器等， 主要用于低壓配電系統(tǒng)及動(dòng)力設(shè)備中，圖2-2是常用的低壓配電電器實(shí)物圖。（2）按低壓電器的動(dòng)作方式可分為自動(dòng)切換電器和非自動(dòng)切換電器兩類(lèi)。自動(dòng)切換電器依靠電器本身參數(shù)的變化或外來(lái)信號(hào)的作用，自動(dòng)完成接通或分?jǐn)嗟葎?dòng) 作，如接觸器、繼電器等。非自動(dòng)切換電器依靠外力（如手控）直接操作來(lái)進(jìn)行切換，如刀開(kāi)關(guān)、主令電器等

3、。(3) 按低壓電器的執(zhí)行和結(jié)構(gòu)可分為有觸頭電器和無(wú)觸頭電器兩類(lèi)。有觸頭電器具有可分離的動(dòng)觸頭和靜觸頭。利用動(dòng)、靜觸頭的接觸和分離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的通斷控制的電器叫有觸頭電器，如接觸器、繼電器、斷路器等。(a)刀開(kāi)關(guān)(b )組合開(kāi)關(guān)A(c)熔斷器(d)斷路器2圖2-2 低壓配電電器實(shí)物圖靜觸頭。主要利用半導(dǎo)體元器件的開(kāi)關(guān)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路速度繼電器號(hào),用(觸頭系統(tǒng))無(wú)觸頭電器沒(méi)有可分離的動(dòng)、 的通斷控制，如接近開(kāi)關(guān)等。(4) 按工作原理 可分為電磁式低壓電器和非電量控制低壓電器兩類(lèi)。 電磁式低壓電器根據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)工作，如交直流接觸器、各種電磁式斷路器等。 非電量控制低壓電器依靠外力或某種非電物理

4、量的變化而動(dòng)作，如刀開(kāi)關(guān)、等。二、電磁機(jī)構(gòu)電磁式低壓電器主要由兩部分組成，即感測(cè)部分和執(zhí)行部分。感測(cè)部分為電磁機(jī)構(gòu)， 來(lái)接受外界輸入的信號(hào)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換、放大與判斷作出一定的反應(yīng)，使執(zhí)行部分 動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)控制的目的。圖 2-3為常用的結(jié)構(gòu)形式。1. 電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式電磁機(jī)構(gòu)是各類(lèi)電磁式電器的重要組成部分，是各種電磁式電器完成動(dòng)作的能量來(lái)源， 主要作用是將電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量。電磁機(jī)構(gòu)由線(xiàn)圈、鐵心(靜鐵心)、銜鐵(動(dòng)鐵心)三部分組成，其結(jié)構(gòu)形式有以下三種：（a）銜鐵沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)的拍合式（b）銜鐵沿棱角轉(zhuǎn)動(dòng)的拍合式（c）直動(dòng)式圖2-3 常用電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式1-銜鐵2-鐵芯3-吸引線(xiàn)圈（1） 銜鐵沿

5、軸轉(zhuǎn)動(dòng)的拍合式如圖2-3（a）所示，多用在觸頭容量較大的交流電器中， 其鐵心形狀有U型和E型兩種。（2） 銜鐵沿棱角轉(zhuǎn)動(dòng)的拍合式如圖2-3（b）所示，這種形式廣泛應(yīng)用于直流繼電器 和直流接觸器中。（3） 銜鐵直線(xiàn)連動(dòng)的 E形直動(dòng)式 如圖2-3（ c）所示，這種形式分單 E形（僅鐵心為 E形）和雙E形（銜鐵、鐵心均為 E形）兩種，多用于交流接觸器、繼電器以及其他交流電磁機(jī)構(gòu)的電磁系統(tǒng)。2. 線(xiàn)圈線(xiàn)圈的作用是將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量。根據(jù)勵(lì)磁的需要，線(xiàn)圈可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類(lèi)。其中串聯(lián)型線(xiàn)圈為電流線(xiàn)圈，并聯(lián)型線(xiàn)圈為電壓線(xiàn)圈。電流線(xiàn)圈使用時(shí)串接在電路中， 為保證其分壓足夠小，應(yīng)使其具有較小的阻抗，所以

6、用較粗的銅線(xiàn)或扁銅條繞制而成，且匝數(shù)較少，故其特點(diǎn)是粗而短；電壓線(xiàn)圈使用時(shí)并接在電源上，為使其分流足夠小， 線(xiàn)圈用較細(xì)的絕緣性能良好的漆包線(xiàn)繞制而成，且匝數(shù)較多，故其特點(diǎn)是細(xì)而長(zhǎng)。按通入電流種類(lèi)不同，線(xiàn)圈又可分為交流和直流兩種。對(duì)于直流線(xiàn)圈，因其鐵心不發(fā)熱，只有線(xiàn)圈發(fā)熱，所以 直流電磁鐵的線(xiàn)圈不設(shè)線(xiàn)圈骨架，且把線(xiàn)圈做成高而薄的細(xì)長(zhǎng)型，使線(xiàn)圈與鐵心直接接觸， 利于線(xiàn)圈散熱；而交流電磁鐵的線(xiàn)圈多制成短而厚的矮胖型，且用骨架將線(xiàn)圈和鐵心隔開(kāi)， 這是因?yàn)榻涣麟姶盆F的鐵心存在磁滯和渦流損耗，鐵心和線(xiàn)圈都發(fā)熱。對(duì)于使用者而言，電流線(xiàn)圈一定要串聯(lián)在電路中， 并通過(guò)種類(lèi)和大小合適的電流；電壓線(xiàn)圈一定要并聯(lián)在電

7、路中，并施加種類(lèi)和大小合適的電壓。3. 電磁機(jī)構(gòu)的吸力與吸力特性電磁機(jī)構(gòu)按其線(xiàn)圈中通過(guò)的電流種類(lèi)分為直流與交流兩大類(lèi)，分別叫直流電磁機(jī)構(gòu)和交流電磁機(jī)構(gòu)，也叫直流電磁鐵和交流電磁鐵。通常直流電磁鐵的鐵心是用整塊的鑄鐵或鑄鋼制成，而交流電磁鐵因鐵心存在磁滯和渦流損耗，其鐵心用硅鋼片疊壓而成。電磁吸力與氣隙的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為電磁鐵的吸力特性。（1）直流電磁鐵的吸力特性當(dāng)給直流電磁鐵的線(xiàn)圈加上直流電壓時(shí)，線(xiàn)圈中便有了勵(lì)磁電流，使磁路中產(chǎn)生了密集的磁通，該磁通作用于銜鐵， 在電磁吸力作用下使銜鐵與鐵心吸合并作功。圖2-4（ a）為直流電磁鐵的吸力特性。圖中曲線(xiàn)1為（IN ） !磁動(dòng)勢(shì)下的吸力特性，曲線(xiàn)2為（

8、IN） 2磁動(dòng)勢(shì)下的吸力特性，且（IN ） 1 （ IN） 2。由于直流電磁鐵的線(xiàn)圈電阻為 常數(shù)，當(dāng)外加工作電壓不變時(shí)， 線(xiàn)圈電流也是常數(shù)，其磁動(dòng)勢(shì)（勵(lì)磁電流與線(xiàn)圈匝數(shù)的乘積， 單位為安匝）為常數(shù)，在這種情況下，其電磁吸力與氣隙大小的平方成反比，氣隙越大， 電磁吸力越小；相反，氣隙越小，電磁吸力越大。即直流電磁鐵在恒定磁動(dòng)勢(shì)下只與氣隙S2成反比，因此吸力特性為二次曲線(xiàn)狀。圖中S 1為銜鐵閉合后的氣隙，S 2為銜鐵打開(kāi)后的氣隙，銜鐵氣隙減小的過(guò)程是電磁吸力加大的過(guò)程。 當(dāng)通過(guò)外加電壓使電磁鐵的勵(lì)磁安匝增 大時(shí)，其在行程中任一位置上的電磁吸力也增大。 應(yīng)當(dāng)注意的是在銜鐵吸合的過(guò)程中及其吸 合以后的

9、線(xiàn)圈電流基本不變。由直流電磁鐵的吸力特性可知，線(xiàn)圈勵(lì)磁電壓的高、低，銜鐵行程的長(zhǎng)、短，都將影響 電磁鐵的吸力特性，從而影響電磁鐵的工作性能。4#（a）直流電磁鐵的吸力特性（b）交流電磁鐵的吸力特性圖2-4電磁鐵的吸力特性（2）交流電磁鐵的吸力特性交流電磁鐵在線(xiàn)圈工作電壓一定的情況下，鐵心中的磁通幅值基本不變，所以鐵心與銜鐵間的電磁吸力也基本不變。因而交流電磁鐵的吸力特性一般比較平坦，如圖 2-4（ b）所示。它與直流電磁鐵的區(qū)別在于：一是在電壓（有效值）已 定的情況下，勵(lì)磁電流（有效值）的大小主要取決于線(xiàn)圈的感抗，在電磁鐵吸合的過(guò)程中， 隨著氣隙的減小，磁阻減小，線(xiàn)圈的感抗增大，勵(lì)磁電流減小，

10、即勵(lì)磁電流的大小是隨著氣 隙的改變而變化的。 在線(xiàn)圈吸合的過(guò)程中，線(xiàn)圈電流逐漸減小，至吸合后達(dá)到穩(wěn)定電流，因 此在吸合過(guò)程中存在較大的瞬時(shí)沖擊電流，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)穩(wěn)定電流的十倍以上。故交流電磁鐵如果在吸合的過(guò)程中出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)不暢等現(xiàn)象，就比較容易被燒毀；二是由于交流電磁鐵的在吸合后，勵(lì)磁電壓是按正弦規(guī)律變化的，所以其氣隙磁通也按正弦規(guī)律變化，而電磁吸力與磁通的平方正比，故其吸力曲線(xiàn)如圖2-5所示。電磁機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，銜鐵始終受到反作用彈簧、觸頭彈簧的反作用力及其他阻力 之和F r的作用。盡管電磁吸力的平均值 Fo大于Fr,但在某些時(shí)候，吸力仍將小于（圖2-5 中畫(huà)有陰影線(xiàn)的部分）。這將使銜鐵產(chǎn)

11、生釋放趨勢(shì)（因吸力的平均值大于反力，且脈動(dòng)的頻 率較高，不可能產(chǎn)生釋放效果），從而使銜鐵產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出噪聲，應(yīng)采取措施加以消除。圖2-5交流電磁機(jī)構(gòu)吸力曲線(xiàn)#為消除振動(dòng)和噪聲，在電磁鐵的鐵心和銜鐵的兩個(gè)不同端部各開(kāi)一個(gè)槽，槽內(nèi)嵌裝一#個(gè)用銅、康銅或鎳鉻合金材料制成的短路環(huán)（又稱(chēng)減振環(huán)或阻尼環(huán)），如圖2-6所示。短路環(huán)把鐵心中的磁通分為兩部分，即不穿過(guò)短路環(huán)的0 1和穿過(guò)短路環(huán)的0 2，且0 2滯后0 1 ,即0 1和0 2不同時(shí)為零，則由0 1和0 2產(chǎn)生的電磁吸力也不同時(shí)為零，如果短路環(huán)設(shè)計(jì)的 合適，使0 1和0 2的相位差也較為合適， 這就保證了合成吸力變的比較平直且始終大于反作 用力，從

12、而消除了振動(dòng)和噪聲。圖2-6交流電磁鐵的短路環(huán)1-銜鐵 2-鐵心 3-線(xiàn)圈 4-短路環(huán) 5二、觸頭系統(tǒng)電磁式低壓電器的觸頭（也稱(chēng)觸點(diǎn)，本書(shū)統(tǒng)一稱(chēng)為觸頭）按接觸方式可分為點(diǎn)接觸式、 線(xiàn)接觸式和面接觸式三種，分別如圖2-7 （ a）、（b）和（c）所示。按觸頭的結(jié)構(gòu)形式劃分有橋式和指形觸頭兩種，如圖 2-8 （玄）和（b）所示。其中橋式觸頭分雙斷口點(diǎn)接觸橋式觸頭和雙斷口面接觸橋式觸頭。雙斷口就是兩個(gè)觸 頭串于同一電路中， 電路的接通與分?jǐn)嘤蓛蓚€(gè)觸頭共同完成。點(diǎn)接觸型式適用電流不大，且觸頭壓力小的場(chǎng)合，面接觸型式適用于大電流的場(chǎng)合。指形觸頭的接觸區(qū)為一條直線(xiàn)，觸頭在接通或分?jǐn)鄷r(shí)將產(chǎn)生滾滑摩擦，能將氧

13、化膜去 掉。因此這種型式適用于通電頻繁高、電流大的場(chǎng)合。a）點(diǎn)接觸（b）線(xiàn)接觸（c）面接觸圖2-7觸頭的三種接觸形式（a）雙斷點(diǎn)橋式觸頭（b）指形觸頭圖2-8觸頭的結(jié)構(gòu)形式1-靜觸頭 2-動(dòng)觸頭 3-觸頭壓力彈簧觸頭是低壓電器的執(zhí)行部分， 起接通和分?jǐn)嚯娐返淖饔谩?因此要求觸頭導(dǎo)電、 導(dǎo)熱性能良好，通常用銅制成。但銅在空氣中容易被氧化而生成一層導(dǎo)電性能很差的氧化銅，增大觸頭的接觸電阻，使觸頭損耗加大，溫度升高；而溫度升高，反過(guò)來(lái)又使觸頭表面氧化加劇，導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以對(duì)觸頭要求較高的電器，其觸頭采用銀質(zhì)或銀基合金材料，這不僅在于其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能均優(yōu)于銅質(zhì)觸頭，更主要的是其氧化膜對(duì)接觸電阻影響不

14、大，而且這種氧化層要在較高的溫度下才會(huì)形成，且易粉化。因此，銀質(zhì)觸頭具有較低和較穩(wěn)定的接觸電阻。對(duì)于大、中容量低壓電器的觸頭，如果觸頭采用滾動(dòng)接觸，可將氧化膜去掉，所以這種結(jié)構(gòu) 的觸頭，通常采用銅質(zhì)材料。為了使觸頭在閉合時(shí)能接觸的更加緊密以減小接觸電阻，并消除開(kāi)始接觸時(shí)產(chǎn)生的振 動(dòng)，可以采用增大觸頭彈簧的初壓力，減小觸頭質(zhì)量、降低觸頭的接通速度以及選擇較硬的觸頭材料等方法。對(duì)于大多數(shù)低壓電器，觸頭是較為貴重和易出現(xiàn)故障的地方，要注意維護(hù)和保養(yǎng)。四、電弧及滅弧裝置電器在斷開(kāi)大電流或高電壓電路時(shí)，在動(dòng)、靜觸頭之間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電弧。電弧實(shí)際上是觸頭間氣體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。它的形成過(guò)程是這

15、樣的： 當(dāng)觸頭間剛出現(xiàn)分?jǐn)鄷r(shí)，由于兩觸頭間距離很小，因此產(chǎn)生很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，在高熱和強(qiáng)電場(chǎng)作用下，金屬內(nèi)部的自由電子從陰極表面逸出，奔向陽(yáng)極；這些自由電子在電場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)要撞擊中性氣體分子，使之激勵(lì)和游離，產(chǎn)生離子和電子，而電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下繼續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并撞擊其他的中性氣體分子。這樣在觸頭間就產(chǎn)生了大量的正負(fù)離子和電子，從而使氣體導(dǎo)電， 形成了熾熱電子流，即電弧。電弧一方面會(huì)燒蝕觸頭，降低觸頭的使用壽命，另一方面會(huì)使電路的切斷時(shí)間延長(zhǎng)， 甚至造成弧光短路或引起其他事故。因此應(yīng)限制電弧的產(chǎn)生和使其盡快熄滅。常用的滅弧方法有以下幾種：1.雙斷口電動(dòng)力滅弧如圖2-9所示，這種滅弧方法是將整個(gè)電

16、弧分割成兩段，同時(shí)利用觸頭回路本身的電動(dòng)力F把電弧向相反的兩個(gè)方向拉長(zhǎng)，使電弧在拉長(zhǎng)的過(guò)程中加快冷卻并熄滅。該方法一般用于容量較小的交流接觸器等低壓電器中。圖2-9雙斷口電動(dòng)力滅弧示意圖1-靜觸頭 2-動(dòng)觸頭2. 縱縫滅弧如圖2-10所示，這種滅弧方法是利用滅弧罩的窄縫來(lái)實(shí)現(xiàn)滅弧的。滅弧罩是由耐熱陶 土、石棉、水泥等絕緣材料制成。滅弧罩內(nèi)每相都有一個(gè)縱縫，縫的下部寬以便放置觸頭； 上部窄，以便壓縮電弧，使電弧與滅弧室壁緊密接觸。當(dāng)觸頭分?jǐn)鄷r(shí)，電弧被外磁場(chǎng)或電動(dòng)力吹入縱縫內(nèi)，其熱量被縫壁迅速吸收，使電弧迅速冷卻熄滅。該方法常用于交、直流接觸器上。圖2-10縱縫滅弧裝置3. 柵片滅弧柵片滅弧裝置的

17、結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2-11所示。金屬柵片由鍍銅或鍍鋅薄鐵片制成，它們插在滅弧罩內(nèi)，各片之間互相絕緣。當(dāng)動(dòng)、靜觸頭分?jǐn)鄷r(shí)，在觸頭間產(chǎn)生電弧，在電弧 電流周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。由于金屬柵片磁阻比空氣磁阻要小的多，因此在靠近柵片的電弧上部的磁通很容易通過(guò)金屬柵片而形成閉合磁路，這樣便造成了電弧周?chē)諝庵械拇艌?chǎng)上疏下密。 這樣的磁場(chǎng)對(duì)電弧產(chǎn)生向上的作用力，將電弧拉入柵片內(nèi)，柵片將電弧分割成若干個(gè)串聯(lián)的短電弧，而柵片就是這些短電弧的電極，將總電弧壓降分成幾段， 柵片間的電壓都低于燃弧電壓，同時(shí)，柵片將電弧導(dǎo)出，使電弧迅速冷卻，促使電弧盡快熄滅。柵片滅弧多用于容量 較大的交流接觸器中。圖2-11柵片滅弧裝置1-靜

18、觸頭 2-短電弧 3-滅弧柵片 4-滅弧罩 5-電弧 6-動(dòng)觸頭4. 磁吹滅弧其結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。當(dāng)動(dòng)觸頭與靜觸頭分?jǐn)鄷r(shí)，在觸頭間產(chǎn)生電弧，這個(gè)電弧在短 時(shí)間內(nèi)通過(guò)自身仍維持負(fù)載電流I而存在，此時(shí)該電流在電弧未熄滅前形成兩個(gè)磁場(chǎng)，一個(gè)是該電流在電弧周?chē)纬傻拇艌?chǎng)，另一個(gè)是該電流流過(guò)磁吹線(xiàn)圈在兩導(dǎo)磁夾板間形成的磁 場(chǎng)。由圖可見(jiàn)，在電弧的上方，兩磁場(chǎng)方向相反，磁場(chǎng)強(qiáng)度削弱；在電弧的下方兩個(gè)磁場(chǎng)方 向相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。因此，電弧將從磁場(chǎng)強(qiáng)的一邊被拉向弱的一邊，向上運(yùn)動(dòng)。電弧在 向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中被拉長(zhǎng)并吹入滅弧罩內(nèi)，使電弧溫度降低，促使電弧迅速熄滅。 另外，電弧在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在靜觸頭上的弧根將逐漸轉(zhuǎn)移到引弧角上從而減輕了觸頭的灼傷。引弧角引導(dǎo)弧根向上移動(dòng)的同時(shí)又使電弧被繼續(xù)拉長(zhǎng)，當(dāng)電源電壓低于燃弧電壓時(shí)，電弧就熄滅。5圖2-12 磁吹式滅弧裝置