电控.ppt
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1、09:15,1,电气控制技术,2,教学安排,本课程总学时为56学时,学分为3.5学分 课堂教学50学时,实验12学时(含PLC实验) 实验成绩和平时成绩占总成绩30% 平时成绩包括考勤和作业 继电接触部分实验(第5章完/第五周) 地点:B区机电楼304(自控实验室) 具体时间联系侯志伟老师:15902357973 PLC实验(第7章完/第八周) 联系张立群老师落实PLC实验时间、地点。 电话:13647683360 本课程助教:栗安鑫老师。电话13629723076,3,课程的目的、性质和任务,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。 着重学习常用的各种高低压电器、新型电器及可编
2、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。 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。,4,电器的基本知识,第 二 章,5,本章学习要求及学习重点,电器的基础知识 掌握电器的分类 了解电器产品的发展趋势 电器的基本理论 掌握电磁式电器的工作原理 了解电接触理论 了解电弧的产生过程 掌握开关电器的常用灭弧装置,6,本章作业,P.47 2.1,2.3,2.10,7,
3、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。,8,2.1 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。,9,安全电压,安全电压定义: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
4、、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。,10, 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,11, 按用途分,控制电器:用于各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:
5、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。,12, 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。,13, 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)。,14,2.1.2 电器产品的发展, 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
6、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。,15,CJ10交流接触器,DZ10断路器,DW10多油断路器,第一代电器产品,16,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。,17,CJ20接触器,DZ20断路器,DW15断路器,第二代电器产品,18,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、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。,19,CJ40接触器,
7、DZS断路器,DW45断路器,第三代电器产品,20, 电器产品的发展趋势,有触点电器:结构原理、结构设计和新材料、新工艺方面 新型无触点电器 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。,21,2.1.3 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,22,2.2 电器的基本理论,控制角度,结构上,23,2.2.1 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,2
8、4,1.感测和判断部分(电磁机构),铁心,吸引线圈,衔铁,弹簧,动触头,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。,25,(1)电磁机构的工作特性,电磁吸力/反力 VS 气隙,26,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。,27,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。,28,1)直流电磁铁的吸力特性,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。,直流电压(
9、电流)激励 直流线圈(阻性) 电压不变,电流不变 电流大 线圈发热,铁心不发热,29,直流电磁机构的吸力特性,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。,电流认为变化不大,与气隙无关。,30,当气隙相同时,安匝数N大的电磁铁其电磁吸力越大。,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。,31,2)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:,32,交流电磁吸力,交流电磁铁电磁吸力的大小是随时间周期性的变化。,33,交流电磁吸力的平均值,交流电磁铁电磁吸力(平均值描述):,
10、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。,34,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 。,35,结 论,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。 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。 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。,36,电磁机构可能存在的问题, 问题 衔铁粘住 直流电磁机构 衔铁闭合后,磁路磁阻较
11、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?,37,避免“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)。,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。,38, 问题 振动和噪声产生原因,吸力最大,吸力为0,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; 当电磁吸力大于弹簧反作用力
12、时,衔铁又被吸合。,瞬时吸力曲线,反力,39,短路环,解决交流电磁铁产生振动和噪音的措施,40,41,短路环的作用,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。 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。,42,3)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:,43,4)直流电磁机构剩磁的吸力特性,当电磁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
13、特性,44,吸力和反力的配合,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。 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。,45,吸力特性与反力特性的配合(图),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。,46,5)电磁机构的输入输出特性,输入量x 线圈电压或电
14、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,47,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。,48,(2)电磁机构分类,1铁心 2吸引线圈 3衔铁 虚线磁路,49,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。 衔铁沿轴转动的拍合式铁心:铁心一般用硅钢片叠成,常用于大容量交流接触器中。 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。,50,(3)吸引线圈,吸引线圈:将电能
15、转换为磁场能。,吸引线圈的分类:,51,按吸引线圈电流的种类分:,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。 交流线圈:由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗,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。,52,2. 执行机构,执行机构电器的触头系统。,触头(又称触点)的作用接通和分断电路。,53,对触头的要求,导电、导热性良好,接触电阻小,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。,触头上装
16、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,54,常开触头和常闭触头,触头按其原始状态可分为:常开/常闭触头。,/ 原始状态 吸引线圈未通电时的状态。,常闭触头,常开触头,55,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; 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。,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,56,主触头和辅助触头,按触头控制的电路分为:主触头和辅助触头。,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
17、灭弧罩; 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。,57,触头的结构型式,桥式触头,58,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。,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; 面接触型式适用于大电流的场合,这种触头一般在接触表面上镶有合金,以减小触点的接触电阻提高耐磨性,多用于较大容量接触器的主触头。,59,指形触头:触头的接触区为一直线,触头接通或分断时产生滚动摩擦,既利于去掉氧化膜,又可以缓冲触头闭合时的撞击能量,改善触头的电器性能。 /适用于通电次数多,电流大的场合,常用于刀开关。,60,2.2.2 电
18、接触理论, 触头在闭合状态下动、静触点完全接触,并有工作电流通过时,称为电接触。,61,1.电接触的基本概念,电接触理论:研究导体接触过渡区产生的各种物理、化学现象。,在工程实际应用中 电接触:指接触导体的具体结构或接触导体本身,接触导体接触元件。,电接触情况的好坏将影响触头的工作可靠性和使用寿命。,62,(1)电接触的结构形式,按接触工作的原理分:,固定接触:两接触元件在工作时间内固定接触,无相对运动也不分离。如母线的螺栓连接或铆接,电子设备和仪器中的插接件、连接器和插头等。,滚动和滑动接触:两接触元件能作相对滚动和滑动,但不相互分离。如变阻器的滑动头、电机的电刷和滑环、电气机车的馈电弓和馈
19、电线等。,63,可分、合接触:两接触元件可随时分离或闭合。,可分、合的接触元件通常称为触头或触点。 在任何利用触头实现电路通、断的电器中都有这类电接触类型。,可分、合接触按控制电流的大小又可分为: 弱电流触头:电流在几安以下,继电器触点一般属于弱电流范围。 中电流触头:电流从几安到几百安,大部分低压电器触头属于中电流范围。 强电流触头:几百安以上高压断路器和低压自动开关一般属于强电流范围。,64,(2)电接触的任务和基本要求,电接触的主要任务:传导电流,保证电接触能长时间的可靠稳定地工作。,2-9,65,基本要求:,长期通过额定电流的电接触其温升不能超过国家标准规定的数值,且温升稳定; 电接触
20、在通过短时的短路电流或脉冲电流时,接触处不会发生熔焊或松驰现象; 可分、合接触在断开过程中,触头材料损失应尽量小; 可分、合接触在闭合过程中,接触处不应出现不能断开的熔焊现象,而且触头表面不会出现严重损伤和变形。,2-10,66,对接触元件的基本要求: 接触时接触元件为良好的导体; 分离后应为良好的绝缘体。,存在的问题: 当两导体相互接触流过电流时,接触处会出现局部高温,严重时可达到接触导体材料的熔点,在接触处出现熔焊现象。 在电接触中普遍存在接触电阻、接触温升、接触熔焊和电磨损等问题。,2-11,67,2. 触头的接触电阻,名义平面的相互接触,在显微镜下观察都是凹凸不平的,68,接触斑点,视
21、在接触面,在接触表面中那些真正发生接触的凸起的点或小面称为机械接触斑点或简称接触斑点。,F,69,在实际接触的小面中,只有膜被压破裂的地方才可能形成金属与金属的直接接触,称这些真正能导电的金属接触点为导电斑点,国际通用术语称为a斑点。,氧化膜,70,导电斑点的总面积又要比实际接触斑点的面积小得多,直径只有m到零点几mm的数量级。,71,(1)接触电阻,收缩电阻由于电流线在导电斑点附近发生收缩,使电流流过的路径增加,在接触内表面出现的局部附加电阻。,导电斑点附近电流线收缩示意图,2-12,72,表面膜电阻当电流通过导电斑点时,使电流受到一定的阻碍而导致产生另一附加电阻。,接触电阻收缩电阻与表面膜
22、电阻之和。,73,(2)接触电阻的计算,电接触简化模型,a、b间的电阻应为:,恒定电流I,74,由于接触处附近的导体电阻远远小于接触电阻。 在工程上常近似定义:,Rs1接触元件C1一边的收缩电阻; Rb接触面间的膜电阻; Rs2接触元件C2一边的收缩电阻。,但,要在理论上精确地计算接触电阻比较困难。,75, 工程实际应用中常用估算和借助实验导出的经验公式计算接触电阻。,Rj接触电阻,单位; F接触压力,单位N; m与接触形式有关的指数; 点接触 m0.5 线接触 m0.51,约为0.7 面接触 m1 K与触头材料、接触面加工情况以及表面状况有关的系数见表。,2-14,76,系数K值,77,(3
23、)影响接触电阻的因素,1)接触元件的材料,触头材料的电阻系数越大接触电阻就越大; 材料屈服点越小(即材料越软,越易发生塑性形变即抗压强度越小),则实际接触面积就越大,接触电阻也就越小。,常在接触连接处,用较软的金属覆盖在硬金属上,以减小接触电阻。,78,2)表面粗糙度,接触面越粗糙,越容易被污染和氧化,也就越容易生成膜电阻,因而接触电阻也就越大。,3)接触压力,接触面受压后总有弹性及塑性形变,使接触面积增大。,压力较小时,接触电阻受压力变化的影响较大,加大压力可减小收缩电阻与膜电阻,则接触电阻将变小; 压力达到一定值,接触电阻受压力变化的影响很小。,79,4)接触形式,接触形式分为:点接触、线
24、接触和面接触。,接触形式对收缩电阻的影响主要与接触点数目有关。,80,说明,点接触实际上指在一个小面积内的若干个接触点,而并非仅仅接触于一点。表面上看似乎面接触的接触电阻最小,但若接触压力不大,面接触时a斑点多,每个斑点上的压力反而很小,以致接触电阻增大很多。,接触形式对接触电阻的影响,视接触压力的大小而异。,81,面接触:固定接触常采用此形式,且采用螺钉或铆钉等压紧以加大压力,使接触电阻减小。由于面接触的散热面积及热容量大,多用于大电流。,点接触:虽然膜电阻小,但是散热面积及热容量均小,所以多于用小电流。,线接触:压力集中,实际接触压力强度较大,在中等压力时接触电阻较小,线接触的优点还表现在
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