1.2 电磁式低压电器的工作原理（课件）《工厂电气控制设备》同步精品课堂（机械工业出版社·第3版）

1.2电磁式低压电器的工作原理 工厂电气控制设备（第3版） 同步精品课堂 1 目录 01 一、电磁机构工作原理 02 二、电弧的产生和灭弧方法 一、电磁机构工作原理 01 新知学习 一、电磁机构工作原理 (1)电磁机构反力特性与吸力特性 线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。 与此同时，衔铁还受到弹簧的反作用拉力，只有当电磁吸力大于弹簧反作用拉力时，衔铁才可靠地被铁心吸住。 而当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在弹簧作用下与铁心脱离，即衔铁释放。 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构的工作特性常用反力特性和吸力特性来表述，如图所示。 a)反力特性b)直流电磁机构吸力特性c)交流电磁机构吸力特性 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构使衔铁释放(复位)的力与气隙的关系曲线称为反力特性。线圈通电后，铁心吸引衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。 1)反力特性。电磁机构使衔铁释放的力大多是利用弹簧的反力，由于弹簧的反力F与其机械变形的位移量δ成正比，故其反力特性可写成： 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构使衔铁释放(复位)的力与气隙的关系曲线称为反力特性。线圈通电后，铁心吸引衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。 考虑了常开触头闭合时超行程机构的弹力作用后，弹簧的反力特性曲线如图14a所示。 其中δ₁为电磁机构气隙的初始值；δ₂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δ₂处有一突变。 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构使衔铁释放(复位)的力与气隙的关系曲线称为反力特性。线圈通电后，铁心吸引衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。 2)吸力特性。直流电磁机构和交流电磁机构的吸力特性分别如图所示。 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 ①直流电磁机构的吸力特性。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较小时，吸力可按下式求得 式中，F为电磁机构衔铁所受的吸力(N); B为气隙中的磁感应强度(T); S为吸力处端面积(m²)。 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 当端面积S为常数时，吸力F与B²成正比，也可以认为F与磁通ز成正比，与端面积S成反比，即 直流电磁机构当直流励磁电流处于稳态时，直流磁路对直流电路无影响 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 励磁电流不受磁路气隙的影响，即其磁势IN不受磁路气隙的影响，根据磁路欧姆定律： 而电磁吸力 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 励磁电流不受磁路气隙的影响，即其磁势IN不受磁路气隙的影响，根据磁路欧姆定律： 而电磁吸力 即直流电磁机构的吸力F与气隙δ的平方成反比。由此看出，衔铁闭合前后吸力变化很大，气隙越小、吸力越大。 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 ①直流电磁机构的吸力特性。 为此，常在线圈两端并联一个放电电阻与一个硅二极管，形成一个放电回路。 但当直流电磁机构线圈断电时，由于电磁感应，线圈中将会产生很大的反电势，其值可达线圈额定电压的十多倍，将使线圈因过电压而损坏 但衔铁吸合前后线圈励磁电流不变，且衔铁吸合后电磁吸力大，工作可靠，故直流电磁机构适用于动作频繁的场合。 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 ①直流电磁机构的吸力特性。 一般情况下，放电电阻阻值取线圈直流电阻的6~8倍。 而当线圈断电时，放电回路导通，将原先贮存在线圈中的磁场能量释放出来消耗在电阻上，不至于产生过电压。 正常励磁时，因二极管处于截止状态，放电回路不起作用； 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 ②交流电磁机构的吸力特性。交流电磁机构线圈的电阻值远比其感抗值要小，在忽略线圈电阻和漏磁情况下，线圈电压与磁通的关系为 式中，U为线圈电压(V);E为线圈感应电势(V);f匝数；Φm为气隙磁通最大值(Wb)。 新知学习 一、电磁机构工作原理 2)吸力特性。 ②交流电磁机构的吸力特性。 另一部分为以两倍电源频率变化的交流分量F_=4B²S×10⁵cos2wt。所以交流电磁机构电磁吸力F=Fav-F_ 经分析可知，交流磁感应强度B虽按正弦规律变化，但其交流电磁吸力却是脉动的，且方向不变，并由两部分组成：一部分为平均吸力F,其值为最大吸力的一半，即F=4B²S×10⁵; 当线圈电压U、频率f和线圈匝数N为常数时，气隙磁通Dm亦为常数。当交流励磁时，电压、磁通都随时间作正弦规律变化，电磁吸力也相应的作周期性变化。 新知学习 一、电磁机构工作原理 随时间变化情况如图所示。吸力在0和最大值Fm=8B²S×10⁵的范围内以两倍电源频率变化。 新知学习 一、电磁机构工作原理 由上分析可知，交流电磁机构的吸力特性具有以下特点： F(t)是脉动的，在50Hz的工频下，1s内有100次过零点，因而引起衔铁的振动，产生机构噪声和机械损坏，应加以克服； 1 因U=4.44fNp,当U一定时，更m也一定，也就是不管有无气隙，Φm基本不变，所以交流电磁机构吸力平均值基本不变，即平均吸力亦与气隙δ的大小无关(实际上，考虑到漏磁通的影响，平均吸力F随气隙δ的减少而略有增加); 2 新知学习 一、电磁机构工作原理 由上分析可知，交流电磁机构的吸力特性具有以下特点： 交流电磁机构在衔铁未吸合时，磁路中因气隙磁阻较大，维持同样的磁通Φm所需的励磁电流(线圈电流)比吸合后无气隙时所需的电流大得多。 3 对于U形交流电磁机构来说，衔铁尚未动作时的励磁电流为衔铁吸合后的额定电流的5~6倍； 4 新知学习 一、电磁机构工作原理 由上分析可知，交流电磁机构的吸力特性具有以下特点： 对于E形电磁机构则高达10~15倍。所以，交流电磁机构的线圈通电后，衔铁因卡住而不能吸合，或交流电磁机构频繁合断，都将因励磁电流过大而烧坏线圈。 5 所以交流电磁机构不适用于可靠性要求高与操作频繁的场合。 6 新知学习 一、电磁机构工作原理 ③ 剩磁的吸力特性。铁磁物质存有剩磁，导致电磁机构的励磁线圈断电后仍有一定的剩磁吸力，剩磁吸力随气隙δ增大而减小，其特性如图中曲线4所示。 1-直流电磁机构吸力特性 2—交流电磁机构吸力特性 3—反力特性 4—剩磁吸力特性 新知学习 一、电磁机构工作原理 (2)交流电磁机构短路环的作用 交流电磁机构的电磁吸力是一个周期函数，该周期函数由 直流分量和频率为2f的正弦分量组成。 1 虽然交流电磁机构中的磁感应强度是正、负交变的，但电磁吸力总是正的，它在最大值2F 和最小值 0的范围内脉动变化。 2 新知学习 一、电磁机构工作原理 (2)交流电磁机构短路环的作用 因此在每一个周期内，必然有某一段时刻吸力小于反力，这时衔铁释 放；而当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。 3 这样，在f=50Hz时，电磁机构就出现了频率为2f 的持续抖动和撞击，发出噪声，容易损坏铁心。 4 新知学习 一、电磁机构工作原理 为了避免衔铁振动，通常在铁心端面开一小槽，在槽内嵌入铜质短路环， 如图所示。 新知学习 一、电磁机构工作原理 为了避免衔铁振动，通常在铁心端面开一小槽，在槽内嵌入铜质短路环。 短路环把端面S 分成两部分，即环内部分S, 与 环外部分S₂, 短路环仅包围了磁路磁通φ的一部分。 这样，铁 心端面处就有二个不同相位的磁通Φ₁和Φ₂,它们分别产生电 磁吸力F, 和 F₂, 而且这两个吸力之间也存在一定的相位差。 这样，虽然这两部分电磁吸力各自都有到达零值的时候，但到 零值的时刻已错开，二者的合力就大于零，只要总吸力始终大 于反力，衔铁便被吸牢，也就能消除衔铁的振动。 新知学习 一、电磁机构工作原理 (3)电磁机构的输入一输出特性 电磁机构的线圈加上电 压(或通入电流),产生电磁吸力，从而使衔铁吸合。 因此， 也可将线圈电压(或电流)作为输入量x, 而将衔铁的位置作 为输出量y 这样电磁机构衔铁位置(吸合与释放)与线圈电 压(或电流)的关系称为电磁机构的输入一输出特性，通常称 为“继电特性”。 新知学习 一、电磁机构工作原理 (3)电磁机构的输入一输出特性 若将衔铁处于吸合位置记作y=1, 处于释放位置记作y=0。由上分析可知，当吸力特性处于反力特性上方时，衔铁被吸合；当吸力特性处于反力特性下方时，衔铁被释放。 将吸力特性处于反力特性上方的最小输入量用x。表示，称为 电磁机构的动作值； 将吸力特性处于反力特性下方的最 大输人量用x,表示，称为电磁机构的复归值。 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构的输人一输出特性如图所示，当输入量 x<x 。时衔铁不动作，其输出量y=0; 当 x=x 。 时，衔铁 被吸合，输出量y 从“0”跃变为“1”;再进一步增大输 入量使x>x₀, 输出量仍为y=1 。 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构的输人一输出特性如图所示，当输入量 x<x 。时衔铁不动作，其输出量y=0; 当输入量x 从 x。减小的 时候，在x>x, 的过程中，虽然吸力特性向下降低，但因 衔铁吸合状态下的吸力仍比反力大，衔铁不会被释放，其输出量y=1 。 新知学习 一、电磁机构工作原理 电磁机构的输人一输出特性如图所示，当输入量 x<x 。时衔铁不动作，其输出量y=0; 当 x=x, 时，因吸力小于反力，衔铁被释放，输出量由“1”变为“0”;再 减小输入量，输出量仍为“0”。所以，电磁机构的输人一输出特性或“继电特性”为一矩 形曲线。动作值与复归值均为继电器的动作参数，电磁机构的继电特性是电磁式继电器的重 要特性。 二、电弧的产生和灭弧方法 01 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (1)电弧的产生过程 触头在自然环境下开断电路时，如果被开断电路的电流(电压) 超过某一数值(根据触头材料的不同其值约在0.25~1A,12~20V 之间),在触头间隙中就 会产生电弧。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。 这时触头间隙中的 气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子作定向运动，使绝缘 的气体变成了导体。 电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，由于光和热的 效应，产生高温并发出强光，使触头烧蚀，并使电路切断时间延长，甚至不能断开，造成严 重事故。为此，必须采取措施熄灭或减小电弧。 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (2)电弧的产生原因 电弧产生的原因主要经历4个物理过程： 1)强电场放射 强电场将触头阴极表面的自由电子拉出到气 隙中，使触头间隙的气体存在较多的电子，这种现象称为强电场放射。 触头在通电状态下开始分离时，其间隙很小，电路电压几乎全部降落 在触头间很小的间隙上，使该处电场强度很高 01 02 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (2)电弧的产生原因 电弧产生的原因主要经历4个物理过程： 2)撞击电离 电子在向正极运 动过程中又撞击其他原子，使触头间隙中的气体电荷越来越多，这种现象称为撞击电离。 触头间的自由电子在电场作用下，向正极加速运动，经一定路程后获得足 够大的动能，在其前进途中撞击气体原子，将气体原子分裂成电子和正离子。 01 02 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (2)电弧的产生原因 电弧产生的原因主要经历4个物理过程： 3)热电子发射 由于高温使电极发射电子的现象称为热电子发射。 撞击电离产生的正离子向阴极运动，撞击在阴极上使阴极温度逐渐升 高，并使阴极金属中电子动能增加，当阴极温度达到一定程度时，一部分电子将有足够动能 从阴极表面逸出，再参与撞击电离。 01 02 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (2)电弧的产生原因 电弧产生的原因主要经历4个物理过程： 4)高温游离 这种因高温使分子撞击所产生的游离称为高温游离。 当电弧间隙中的气体温度升高时，气体分子热运动速度加快，当电弧温 度达到或超过3000℃时，气体分子进行强烈的不规则热运动并相互碰撞，使中性分子游离 成为电子和正离子。 01 02 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (2)电弧的产生原因 在触头刚开始分断时，首先是强电场放射。当触头完全打开时，由于 触头间距离增加，电场强度减弱，维持电弧存在主要靠撞击电离，热电子发射和高温游离， 而其中又以高温游离作用最大。 但是在气体分子电离的同时，还存在消电离作用。消电离是 指正负带电粒子复合成为中性粒子。对于消电离只有在带电粒子运动速度较低时才有可能。 因此冷却电弧，或将电弧挤入绝缘的窄缝里，迅速导出电弧内部热量，降低温度，减小离子 的运动速度，以便加强复合过程。同时，高度密集的高温离子和电子，向周围密度小、温度 低的地方扩散，使弧隙中的离子和电子浓度降低，电弧电流减小，也使高温游离大为减弱。 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (3)灭弧的基本方法 当电离速度大于消电离速度时，电弧会持续燃烧；反之电弧会 熄灭。灭弧的基本方法有： 1)快速拉长电弧。降低触头间的电场强度，使电弧电压不足以维持电弧的燃烧，从而 使电弧熄灭。 2)冷却，使电弧与冷却介质接触，带走电弧热量，从而使离子运动速度减慢，同时又 使离子的复合速度加快，使电弧熄灭。 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (3)灭弧的基本方法 当电离速度大于消电离速度时，电弧会持续燃烧；反之电弧会 熄灭。灭弧的基本方法有： 3)窄缝灭弧。将电弧挤入窄缝，使电弧与固 体介质接触以加强扩散和冷却的作用，减小离子 运动速度，加快离子复合速度，使电弧熄灭。 4)短弧灭弧。将长电弧分割成几段，就增加 了维持电弧燃烧所需的电压要求，而且增加了散 热面积，使触头间电压不足以击穿各段的所有气隙，短电弧同时熄灭，不再重燃。 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 1)电动力吹弧。图所示是一种桥式结构双断口触头的双断口电动力吹弧。当触头 断开电路时，在断口处产生电弧，电弧电流在两电弧之间产生图所示的磁场，根据左手定则，电弧电流将受到指向外侧的电动力F 的作用，使电弧向外运动并拉长，迅速冷却 并熄灭。此外，也具有将一个电弧分为两个 电弧的作用。这种灭弧方法常用于小容量的 交流接触器中。 1—静触头2一动触头3—电弧 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 2)磁吹灭弧。为加强弧区的磁场强度， 以获得较大的电弧运动速度，在触头电路中 串人磁吹线圈，磁吹灭弧原理如图所示。 该线圈产生的磁场由导磁夹板引向触头周围。磁吹线圈磁场与电弧电流磁场相互叠加，这 两个磁场在电弧下方方向相同，在电弧上方 方向相反，所以电弧下方的磁场强于上方的 磁场。 在下方磁场作用下，电弧受力方向为F 所指的方向，在F 的作用下，电弧被吹离触 头，经引弧角引进灭弧罩，使电弧熄灭。这 种灭弧方法常用于直流灭弧装置。 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 1—磁吹线圈2—铁心3—导磁夹板 4—引弧角5—灭弧罩6—磁吹线圈磁场 7—电弧电流磁场8一动触头 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 3)栅片灭弧。灭弧栅是由多片镀铜薄钢片(称为栅片)和石棉绝缘板组成，它们安放 在电器触头上方的灭弧室内，彼此之间互相绝缘，片间距离约2~5mm 。当触头分断电路 时，在触头之间产生电弧，电弧电流产生磁场。由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，使灭弧栅 上方的磁通非常稀疏，而灭弧栅处的磁通非常密集，这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧罩中，电弧进入灭弧栅后，被分割成一段段串联的短弧，如图1-11所示。 1—灭弧栅片2—触头3—电弧 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 3)栅片灭弧。 同时，栅片还能吸收电弧热量，使电弧 迅速冷却，也利于电弧熄灭。由于灭弧栅对交流电弧更有效，故灭弧栅装置常用于交流灭 弧 。 这样每两片灭弧栅 片可看作一对电极，而每对电极间都有150~250V 的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度 大大加强，以致外加电压无法维持，电弧迅速熄灭。 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 4)窄缝灭弧。这种灭弧方法是利用灭弧罩的窄缝来实现的。灭弧罩内有一个或数个纵 缝，缝的下部宽上部窄，如图1-12所示。 1 — 纵缝2 — 介质3 — 磁性夹板4 — 电弧 新知学习 二、电弧的产生和灭弧方法 (4)常用的灭弧装置 4)窄缝灭弧。 加强冷却和消游离作用，同时也加大了电弧运动的阻力，使电弧运动速度下降，迅速熄灭。 灭弧罩通常用陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。 当触头断开时，电弧在电动力的作用下进入缝内， 窄缝可将弧柱分成若干个直径较小的电弧，同时将电弧直径压缩，使电弧同缝壁紧密接触 随堂练习 电弧产生的必要条件是（ ）。 A. 强电场 B. 高温 C. 金属蒸汽 D. 自由电子 答案：D 解析： 电弧的产生需要自由电子作为导电的初始条件。在触头分离时，由于强电场的作用，阴极表面的电子会被拉出，形成自由电子，进而引发碰撞游离，产生电弧。 随堂练习 触头间电弧的维持主要依赖于（ ）。 A. 碰撞游离 B. 热游离 C. 场强发射 D. 热电发射 答案：B 解析： 热游离是维持电弧燃烧的主要因素。电弧产生后，弧柱温度极高，导致弧隙中的中性质点发生热游离，产生大量正负带电质点，使电弧得以持续。 随堂练习 下列哪种情况会加剧电弧的产生？ A. 触头快速分离 B. 触头材料熔点高 C. 触头间距离增大 D. 触头间气压降低 答案：D 解析： 触头间气压降低时，气体密度减小，质点间距离增大，碰撞游离减弱，但扩散作用增强，这会加剧电弧的产生。 随堂练习 利用灭弧介质的灭弧原理是（ ）。 A. 降温，进而抑制电弧 B. 增强去游离能力 C. 加快弧隙电压恢复速度 D. 加快离子扩散和复合 答案：B 解析： 灭弧介质（如六氟化硫气体、真空）能够增强去游离能力。六氟化硫气体的电负性强，能迅速吸附电子形成稳定的负离子，而真空环境中中性质点很少，不易发生碰撞游离。 随堂练习 下列哪种方法不能有效消灭电弧？ A. 吹弧 B. 缓慢分断 C. 采用多断口灭弧 D. 使电弧在周围介质中迅速移动 答案：B 解析： 缓慢分断会使电弧持续时间延长，难以迅速降低电弧温度和增强去游离，因此不能有效灭弧。 随堂练习 狭缝灭弧的原理是（ ）。 A. 加快电弧冷却和去游离 B. 增大电弧长度 C. 提高电弧电压 D. 增加电弧电流 答案：A 解析： 狭缝灭弧通过将电弧引入固体介质的狭缝中，使电弧与介质表面紧密接触，加速电弧的冷却和去游离过程，从而达到灭弧的目的。 随堂练习 电磁吹弧的原理是（ ）。 A. 利用磁场力拉长电弧 B. 利用热效应灭弧 C. 利用介质恢复电压 D. 利用触头材料特性 答案：A 解析： 电磁吹弧利用电弧在磁场中的运动，使电弧拉长并扩散，从而加速电弧的冷却和熄灭。 随堂练习 真空灭弧的优点是（ ）。 A. 灭弧介质强度高 B. 灭弧速度快 C. 无火灾隐患 D. 以上都是 答案：D 解析： 真空灭弧具有介质强度高、灭弧速度快、无火灾隐患等优点。真空环境中的中性质点很少，不易发生碰撞游离，有利于电弧的迅速熄灭。 课堂小结 课后练习 (1)简述电磁机构工作原理? (2)交流电磁机构的吸力特性是什么? 感谢观看 $$