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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 2.1，2.3，2.10,7,什么是电器？,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、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：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,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,24,1.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（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）：, 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）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可以使触头在闭合过程中有相对运动而自动净化、便于调整。因此广泛用于接触器、自动开关及高压开关电器的触头中。,82,3. 触头的发热和熔焊,当电流流过两导体的接触处时，由于接触电阻的存在，将会使接触处的温度升高。 温度的升高又会促使表面膜的生长，使接触电阻增加，从而使温度进一步上升； 严重时接触点的温度可达接触元件材料的软化点、熔化点甚至沸腾点，最后使两接触面产生金属焊接。 当开关电器发生金属性的熔焊后，触头就不能正常分断，开关也就失去作用。,2-18,83,（1）触头的发热,触头闭合状态下，当电流流过导电斑点时，电流线收缩达到极限，电流密度最大（可达1011A/m2）,由于转化为热量的功率损耗与电流密度的平方成正比，所以导电斑点功率损耗最大。又由于导电斑点的传热面积最小，因此导电斑点处的温度最高。 离导电斑点越远，电流密度越小，传热面积越大，温度低，直至与远处的导体温度相等。,由于导电斑点的尺寸很小，仅有m到零点几mm的数量级，因此要测量导电斑点和附近区域的温度是非常困难。,84,（2）触头的熔焊,触头工作时因温度升高而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象称为触头的熔焊或热焊。,/ 熔焊分为：静熔焊和动熔焊：,静熔焊：是在通过大电流时由接触电阻发热使导电斑点及其邻域内的金属熔化并焊为一体的现象。 /特征：发生过程一般无电弧产生。 /一般出现在固定接触或闭合状态下且接触压力足够大的转换触头中。,2-19,85,动熔焊：是电弧的高温使接触区局部熔化发生的熔焊现象。 /特征：发生过程有电弧产生。 /一般出现在触头闭合过程中或闭合状态且接触压力较小的触头中。,86,1）触头开始熔化电流和焊接电流,开始熔化电流Imin刚开始使触头熔化时的电流。,开始熔化电流使处于闭合状态触头接触内表面的导电斑点处薄层金属刚开始熔化，若此时切断电流，触头很容易分开，还可观察到接触表面有轻微的熔化痕迹。,87,开始熔化电流与触头材料、接触形式和压力、通电时间等许多因素有关。 但，迄今为止开始熔化电流尚无可信的计算公式。 工程上对于不同情况下的触头通常采用实验方法来确定开始熔化电流。,88,如果流入闭合状态触头的电流超过开始熔化电流的2030，则导电斑点及其附近的金属将有较大面积的熔化，触头开始焊接，此时的电流称为焊接电流。,焊接力触头焊接后需要拉开触头的力，它等于焊接处金属的抗拉强度与焊接面积的乘积。,金属的抗拉强度越大，焊接面积越大则焊接力也越大。,材料电阻率越大，接触电阻越大，发热量越大，焊接面积也越大；而，材料的熔化温度越高，熔焊面越小。,89,说明,熔焊的根本原因是通过触头的电流产生的热量，因此触头熔焊一般发生在严重过载或短路的情况下，而不可能发生在额定电流下。,触头的焊接现象与电流关系很大，但是如果线路电压很高也会导致熔焊发生。,线路电压对静熔焊的影响表现为电流的影响，对动熔焊则表现为电压越高越易燃弧，且电弧能量越大。,90,开始熔化电流Imin与通电时间的关系,91,注意,当触头通过短路电流时，若其接触电压小于开始熔化时的接触电压Umin则触头不致熔焊。,触头材料开始熔化时的接触电压Umin,92,2）触头闭合过程的机械振动,触头的接通过程并不是动、静触头第一次接触就能完成，一般都伴随着机械振动。,设动触头上装有弹簧，并以速度v1朝静触头运动。,接触时发生机械碰撞,触头表面开始变形或压扁,动触头的动能一小部分消耗在接触时的摩擦和介质阻尼上，大部分都转换为触头表面材料的弹性变形能和塑性变形能。,93,当触头表面达到最大变形时，相应地变形能也达到最大，这时动触头的动能变为0，运动停止。,此后触头的变形开始恢复，释放弹性变形能，使动触头反弹并以速度v2朝相反方向运动。,在动触头反弹运动期间使弹簧压缩并将动能储存在弹簧中。当动触头反跳的力等于弹簧被压缩的伸张力时，动触头便停止反方向运动。,94,动触头在弹簧张力的作用下，又开始向静触头方向运动而闭合，于是又发生第二次碰撞和反跳。,由于每碰撞一次都要损失部分能量，故振动幅度将逐渐减小，如此周而复始，直到振动完全消失。,95,说明,触头的每一次跳动都相当于一次分、合操作，这将会导致开关不能准确接通电路，而且在触头分离时，接触面的间隙内会产生电弧，使触头熔焊和烧损，严重时会影响到触头的工作。,只要使第一次碰撞的反弹距离小于或等于触头接触面的形变距离，则触头在整个振动过程中接触面就永远不会分离，振动就是无害的。,通过力学分析可知，适当减小动触头的质量和运动速度、增大触头初压力或选用K值接近1的触头材料，可实现触头的无害振动，但要完全消除触头接通时的振动是不可能的。,96,3）触头间的电动斥力,当电流通过触头，由于自身磁场与平行于视在接触面的电流分量相互作用会产生电动斥力，这个电动斥力会减小触头的有效接触力，增大触头闭合过程的振动，使触头容易产生熔焊。,大功率电器中，为减小触头间的电动斥力常采用多个触头并联的结构，使流过各每个并联触头的电流仅为总电流的 ，则每个并联触头间承受的电动斥力也只有一个触头时的 。,97,4）触头的冷焊,冷焊是指闭合触头未通电时在室温或冷态下出现的粘结现象。 冷焊常常发生在用贵金属材料如金和金合金等制成的小型或高灵敏的继电器触点中。,由于贵金属表面不易形成氧化膜，纯洁的金属接触面在触头压力作用下，由于金属分子或原子之间化学亲和力的作用，使两个触头表面牢固地结合在一起，产生冷焊现象。,98,虽然冷焊产生的触头间粘接力很小，但是在小型或高灵敏继电器中，由于使触头分开的力也很小，一般小于10g时就不能把冷焊粘接在一起的触头弹开，常常造成触头粘住而不释放的故障。而弱电触头又常密封在外壳中，又很难用其他手段使之分离。,99,冷焊的防止,目前为防止冷焊发生，一般在不显著增大接触电阻的前提下，在触头上镀一层很薄的润滑膜。,100,（3）触头的电磨损,触头在分断过程中，由于存在触头间金属的转移、液态金属的溅射以及金属蒸汽的扩散等现象，会使触点表面逐步损坏。 其结果是接触面变得凹凸不平或出现深坑、凸起、变形、龟裂等触头材料转移或损失。 触头材料在工作中的转移或损失称为触头电磨损。 触头电磨损到一定程度，触头的工作性能将得不到保证，因此触头电磨损将直接导致触头和整个电器的使用期限缩短。,101,触头电磨损的两种形式：,桥磨损：,当分断触头时，最后分断点的电流密度可高达（1071012 A/m2）。 此时该点及其附近的触头表面金属材料将熔化，并在动触头继续分离时形成液态金属桥。,2-21,102,若触头再继续分开，金属桥就被拉细直至断裂。 结果在一边触头的表面形成一根针刺，而另一边触头表面形成一个凹坑。,液态金属桥断裂使触头材料从极向另一极转移的现象称为桥磨损或桥转移。,103,一些高灵敏继电器的触头工作时常常被桥转移形成的针刺和凹坑“卡住”而影响其可靠性。 由于卡住现象主要决定针刺的高度，因此可以采取以下方法来阻止针刺的生长：,在触头回路中附加电流回路使触头工作在零转移电流下； 触头采用高温时易氧化的金属或合金：当桥折断后残桩氧化，触头下次闭合时残桩绝缘，迫使电流由其它接触点通过； 在触头基底金属表面镀一层贵金属，以限制针刺的高度； 用两种金属的触头组“补偿触头对”，使桥液温度分布接近对称，减小桥体积。,104,电弧磨损,触头电弧磨损两种不同的机理：,触头断开瞬间，作用在触头间的电压较高（如大于300V）但通过的电流小于维持电弧放电的最小电流，则触头间不会出现电弧但会产生火花放电，这时带电粒子在电场的作用下轰击电极，使表面材料蒸发损失；,2-22,105,触头断开一般先出现液态金属桥，如果电路的电压和电流大于维持电弧的最小值，则当金属桥拉断后会出现电弧，电弧两极斑点的电流密度大且温度高，不仅使弧根附近的触头材料大量气化，而且熔化的金属在电动力吹弧作用和强烈的金属蒸汽热浪的冲击作用下，把液态金属从触头表面吹出，向周围飞溅造成触头材料的损失。,为了减少电弧磨损，触头一般选择熔点和气化点高的材料，如钨、钼及其合金。,106,4. 触头材料,电器触头的性能如接触电阻、温升、抗熔焊能力和抗电磨损能力等均与触头材料性能密切相关。 因此，采用具有性能优异的触头材料可以改善电器性能并制造出高技术经济指标的电器产品。,107,对触头材料性能的综合要求,电气性能：要求电导率高、生弧参数大； 热性能：要求熔点高、沸点高、导热性好、热容量大、电弧作用下金属压力小； 机械性能：要求适当的硬度及可塑性、抗压和抗剪强度高、摩擦系数小； 化学性能：要求耐腐蚀、化学生成膜的分解温度系数低且机械强度、电强度小。,另外，还应考虑材料的可加工性能好、价格便宜、经济适用。,108,常用的触头材料： 纯金属材料 金属合金材料 复合材料,复合材料：是一种机械混合物。采用高导电材料和高熔点材料制成粉末后烧结而成，其制造方法类似于陶瓷，所以也称粉末合金材料或金属陶瓷材料。,复合材料既有较低的接触电阻，又耐弧、耐磨损和抗熔焊。一般作大容量触头材料。,109,2.2.3 开关电弧理论,电弧开关触头在大气中断开电路时，如果电路的电流超过0.251A，电路断开后加在触头间的电压超过1220V，则在触头间隙（又称弧隙）中便会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体。,110,触头分离瞬间 接触处的金属首先熔化,1. 触头间的电弧,电弧的形成过程,触头开始分离,接触面积逐渐减小,接触处的电流密度逐渐增大,接触处的金属强烈发热,形成液态金属桥,111,形成液态的金属桥,一部分变成金属蒸气 进入触头弧隙中,炽热的金属表面又使电子从阴极逸出,由于高温使电极发射电子的现象称为热电子发射。,112,使原子分裂成带负电的电子和带正电的离子,触头分离瞬间，电路电压几乎全部降落在触头之间，在距离极小的触头间隙形成很高的电场强度，阴极中的自由电子还会逸出到弧隙中并向阳极加速运动。,电子进入阳极与正电荷 复合,释放出能量加热阳极,自由电子在前进途中会撞击气体原子,撞击出的电子又将去撞击其他原子,这种现象称为撞击电离或电场电离,113,撞击电离使弧隙中产生更多的电子和正离子,被撞击出的正离子向阴极运动,一部分正离子撞在阴极上,复合 并释放能量,阴极温度升高,又将从阴极逸出电子 （二次电子发射）,再次参与撞击电离,在触头间隙中产生大量的带电粒子，使气体导电形成炽热的电子流。,114,撞击电离使弧隙中产生更多的电子和正离子,被撞击出的正离子向阴极运动,一部分正离子撞在阴极上,另一部分正离子在弧隙中和电子 复合,释放出的能量以光的形式辐射或增加气体热运动，使弧隙中气体的温度迅速升高。,115,当温度达到30004000K以上时，触头间的原子以很高的速度作不规则的热运动，并相互剧烈撞击使原子电离，这种 因高温使原子撞击所产生的电离称为 热电离。,撞击电离、热电子发射和热电离的结果，使触头间呈现大量向阳极飞驰的电子流，这就是所谓的电弧。,116,气体放电的几个阶段,电弧产生时触头间的气体由绝缘状态变为导电状态，使电流得以通过。这种现象，也叫气体放电。 气体放电可以分为： 非自持放电：去除外界电离因素，仅靠电场的作用不能使放电继续下去。 自持放电：除去外界电离因素仍可借空间的碰撞电离维持放电。,117,电弧的构造,电弧是存在于触头（电极）间隙内的团光度极强、温度极高的火焰。 弧光放电可分成近阴极区、弧柱区、近阳极区。,118,电弧的温度分布,119,电弧（弧光）放电实际上是自持放电的最终形式。,物理过程可归纳为： 在外加电压作用下，由阴极区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热电离，最后电子进入阳极区被阳极所吸收。,电弧是产生于气体中的炽热电流、是高温气体中的离子化放电通道，是充满着电离过程和消电离过程的热电统一体。,120,气体消电离方式,电离气体中带电粒子自身消失或失去电荷转变为中性粒子的现象称为 消电离。,气体的消电离的两种方式： 复合 扩散,两个带有异性电荷的粒子彼此相遇后，由于电子和正离子电磁场的相互作用将失去电荷成为中性粒子的现象叫做 复合。 复合的方式：有表面复合和空间复合。,121,带电粒子在复合过程中将释放出部分能量 / 在表面复合情况下，释放出的能量多用于加热物体的表面；/ 在空间复合的情况下，释放出的能量将加速中性粒子的运动并以光的形式向周围空间辐射。,电离气体中的带电粒子，由于热运动从高浓度区域移向低浓度区域的现象称为 扩散。 扩散能使电离空间内的带电离子减少，所以有助于熄灭电弧。,122,由于电离与消电离作用同时存在于电弧中，所以根据弧隙中带电粒子数的增减可以判别电弧燃烧是趋于炽烈、熄灭还是稳定。,若令电离强度代表弧隙带电粒子的增加率，消电离强度代表弧隙带电粒子的消失率， 则： 电离强度消电离强度，电弧变大； 电离强度消电离强度，电弧稳定燃烧； 电离强度消电离强度，电弧趋于熄灭。,123, 2. 开关电器典型灭弧装置,1）简单灭弧,在大气中分开触头时，借机械力或电弧电流本身产生的电动力拉长电弧，使之在运动中不断与新鲜空气接触为其冷却，使电弧熄灭。,刀开关和直动式交流接触器均为简单灭弧。,124,桥式双断开触点,两处断开点相当于两对电极，若要使该处电弧熄灭后重燃需要2×（150250）V电压，而通常低压电器断点间的电压达不到此值，实际上起到了灭弧的作用。,125,2）磁吹灭弧装置,磁吹线圈,铁心,磁吹线圈磁场,动触头,电动力F,当电弧需要较大的电动力吹入灭弧室时，就要采用专门的磁吹装置,126,3）弧罩与纵缝灭弧装置,常用耐弧塑料（如陶土、石英、三聚氰胺和MP-1塑料）制造的具有纵缝的灭弧室来限制弧区扩展并加速冷却以削弱热电离。,127,4）栅片灭弧装置,栅片灭弧装置有绝缘栅片与金属栅片两种： 绝缘栅片灭弧装置：是利用电弧自身磁场产生的电动力拉长电弧，并使电弧在与绝缘栅片紧密接触的过程中迅速冷却； 金属栅片灭弧装置：是将电弧分割为多段短弧、利用增大近极区电压降（特别是交流时的近阴极效应）来加强灭弧效果。栅片灭弧装置适用于高低压直流和交流开关电器，以低压交流开关电器用得较多。,128,灭弧栅,灭弧栅片由许多镀铜薄钢片组成。一旦出现电弧，电弧周围产生磁场，电弧被导磁钢片吸入栅片内，且被栅片分割成许多串联的短弧。当交流电压过零时电弧自然熄灭，两栅片间必须有150V250V电压，电弧才能重燃。这样，一方面电源电压不足以维持电弧，同时由于栅片的散热作用，电弧熄灭后就很难重燃。它常用于交流接触器。,灭弧栅灭弧原理 1灭弧栅片；2触点； 3电弧,129,5）固体产气灭弧装置,固体产气灭弧装置：是利用能产生气体的固体绝缘材料如钢纸、有机玻璃等兼作绝缘管和灭弧室。 电弧产生时的高温使绝缘材料迅速分解汽化，产生大量含氢及其化合物的高压气体，将电弧分成若干串联短弧，同时产生的气体使绝缘管内的压力增加，则电弧便在近阴极效应和高压气态介质共同作用下很快熄灭。 固体产气灭弧装置主要用于高、低压熔断器中。,130,6）石英砂灭弧装置,石英砂充填在绝缘管内作为灭弧介质。 石英砂灭弧装置也是主要用于高、低压熔断器。 熔断器的熔体熔化后产生的金属蒸气受周围石英砂的限制无法自由扩散，遂形成高压气体，使电离了的金属蒸气扩散在石英砂缝隙内，并在弧隙中冷却和消电离。 这种装置灭弧能力强，限流作用很显著。,131,7）油吹灭弧装置,油吹灭弧装置是以变压器油为介质。 产生电弧后，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧，使电弧在其中燃烧。利用氢气的高导热性和低粘度加强对弧柱的冷却作用，使电弧的热量散发。另外，由于存在着温度差，使气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。 若再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向运动，这就是 油吹灭弧。 由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。,132,8）气吹灭弧装置,气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。 开断电路时，将预先储备好的压缩空气用管道引向燃弧区猛烈吹弧。 压缩空气作用于电弧，一方面带走大量热量、降低弧区温度，另一方面则吹散电离气体用新鲜高压气体补充空间。,133,六氟化硫（SF6）气体,用六氟化硫（SF6）气体来代替空气进行气吹灭弧。 六氟化硫具有优良的电绝缘性和灭弧特性，相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧能力为空气的100倍。所以用SF6气体吹弧时，可采用不太高的压力和吹弧速度，就能在高电压下断开相当大的电流。 此外在SF6气体中工作的触头由于不和氧气接触，不会发生氧化，接触电阻可以保持稳定。同时由于不需要采取措施去氧化层所以可以减少触头的磨损。 SF6气体灭弧已广泛用于高压断路器，同时SF6气体还广泛用于全封闭式高压组合及成套设备中作为灭弧和绝缘的介质。,134,9）真空灭弧装置,当真空度为510mm汞柱时，电子的自由行程达43 m。自由电子在弧隙中作定向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞，也就不会发生撞击电离或电场电离。,将触头置于真空中断开时产生的电弧只能是由阴极发射电子和产生的金属蒸气形成的。当电弧电流接近零时，阴极发射的电子和金属蒸气减少，弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散，弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。,采用真空灭弧触头使用期限长，尤其适用于操作频繁的场合。其缺点是限流能力过强，灭弧时易产生很高的过电压。,135,10）无弧分断,实现无弧分断一般有两种方法： 在交流电流自然过零时，以极快的速度使动静触头分离，使触头分断过程中电弧能量最小，致使电弧很弱或根本无法产生电弧，以达到无弧分断电路的目的。 采用电子灭弧装置。在触头的两端并联晶闸管，让晶闸管承担电路的通断，在触头断开时将其电压控制在极低的范围内，从而避免电弧的产生。,136,电磁式电器无弧分断检测电路工作原理框图,137,电子灭弧装置的原理框图,