1、2020/9/12,1,電器原理及控制技術(shù),主講：黃曉磊 徐州達一鍛壓設(shè)備有限公司,2020/9/12,2,電器原理及控制技術(shù) 緒論,電器的定義 傳統(tǒng)電器的基本定義： 電器是根據(jù)外界指定信號和要求，自動或手動接通和斷開電路，斷續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)或狀態(tài)以實現(xiàn)對電路或非電對象進行切換、控制、保護、檢測、變換和調(diào)節(jié)的電氣設(shè)備。 智能電器定義： 智能電器是以微控制器為核心，除具有切換、控制、保護、檢測、變換和調(diào)節(jié)功能外，還具有顯示、外部故障和內(nèi)部故障診斷與記憶、運算與處理以及與外界通信等功能的電器產(chǎn)品。,2020/9/12,3,二. 低壓電器定義,低壓電器是用于交流電壓為1200V、直流電壓為15

2、00V及以下的電路中起通斷、保護、控制或調(diào)節(jié)作用的電器。,2020/9/12,4,三. 低壓電器分類,2020/9/12,5,三. 低壓電器分類,低壓配電電器 低壓配電系統(tǒng)(也稱低壓電網(wǎng))或動力裝置中用來進行電能分配、完成接通和分斷電路及對配電線路和設(shè)備進行保護的電器。 低壓控制電器 用于低壓電力拖動系統(tǒng)或其它各種控制系統(tǒng)中對電動機或被控電路進行控制、調(diào)節(jié)與保護的電器。,2020/9/12,6,四. 我國低壓電器發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢,發(fā)展歷程 我國截至2003年底，低壓電器元件獲3C認證13000多個單位，低壓成套裝置獲3C認證6000多個單位，生產(chǎn)的低壓電器產(chǎn)品近1000個系列、產(chǎn)值約200億

3、人民幣。 目前市場銷售的產(chǎn)品可謂四代同堂。,2020/9/12,7,第一代產(chǎn)品,開發(fā)年代：上世紀60年代70年代初； 開發(fā)方針：自行開發(fā)，填補空白； 主要產(chǎn)品：由上海電器科學研究所組織統(tǒng)一設(shè)計，以DW10（萬能式斷路器）、DZ10（塑殼斷路器）、CJ10（交流接觸器）等系列產(chǎn)品為代表的17個系列； 性能水平：相當于國外上世紀50年代水平，其中主要產(chǎn)品DW10、DZ10、CJ10、JR16B等現(xiàn)已列入行業(yè)第16批落后淘汰產(chǎn)品； 技術(shù)特征：性能指標低、體積大、耗材、耗能、保護特性單一、規(guī)格及品種少。,2020/9/12,8,第二代產(chǎn)品,開發(fā)年代：上世紀70年代末80年代； 開發(fā)方針：全國更新?lián)Q代（

4、分自行開發(fā)、技術(shù)引進、達標攻關(guān)三條線進行）； 主要產(chǎn)品：自行開發(fā)產(chǎn)品以DW15、DZ20、CJ20為代表，共56個系列，技術(shù)引進產(chǎn)品以ME（德國AEG）、TG（日本寺崎電氣）、3TB（德國西門子）、B（德國BBC）系列為代表，共34個系列，達標攻關(guān)產(chǎn)品40個系列； 產(chǎn)品水平：上世紀70年代末80年代初； 技術(shù)特征：技術(shù)指標明顯提高，保護特性比較完善，體積縮小，結(jié)構(gòu)上適應成套裝置要求。,2020/9/12,9,第三代產(chǎn)品,開發(fā)年代：上世紀90年代； 開發(fā)方針：抓住主要系列，跟蹤國外先進技術(shù)； 主要產(chǎn)品： DW45、S（小型化S系列塑殼斷路器）、CJ45（CJ40）等系列產(chǎn)品； 產(chǎn)品水平：上世紀9

5、0年代初； 技術(shù)特征：高性能、小型化、電子化、智能化、組合化、模塊化、多功能化。,2020/9/12,10,第四代產(chǎn)品,跟蹤國外新技術(shù)發(fā)展，努力研究與開發(fā)我國第四代產(chǎn)品智能化、可通信電器。根據(jù)國外新技術(shù)、新產(chǎn)品的發(fā)展趨向以及面臨的市場形勢，在積極完成第三代產(chǎn)品開發(fā)的同時，有必要不失時機地提出開發(fā)我國第四代低壓電器產(chǎn)品的設(shè)想，并付諸實施。其主要目的是： （1）適應低壓配電、控制系統(tǒng)與成套裝置（現(xiàn)場總線系統(tǒng)）的發(fā)展需要。 （2）促進我國第三代產(chǎn)品推廣。 （3）與國外低壓電器先進水平的差距不致重新拉大。 （4）提高低壓電器技術(shù)含量，增強產(chǎn)品市場競爭能力。,2020/9/12,11,第四代產(chǎn)品,主要特

6、征： 高性能 高可靠性 可維護性高 可通信、網(wǎng)絡(luò)化,2020/9/12,12,第四代產(chǎn)品,2020/9/12,13,國內(nèi)外低壓電器技術(shù)發(fā)展趨勢,(1)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的應用 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)主要表現(xiàn)在三維計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)與制造軟件系統(tǒng)的引入、電器開關(guān)特性的計算機模擬和仿真、現(xiàn)代化的樣機測試手段等3個方面。 (2)低壓電器專用計算機應用軟件 如磁系統(tǒng)三維分析、計算軟件包、低壓電器合閘和分斷過程動態(tài)仿真、電磁機構(gòu)和觸頭運動過程動態(tài)仿真（西安交大）、電弧產(chǎn)生與熄滅過程的動態(tài)仿真（較難）、樣機測試等軟件包。,2020/9/12,14,國內(nèi)外低壓電器技術(shù)發(fā)展趨勢,(3)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應用 微處理機技術(shù)和計算

7、機技術(shù)的引入及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息通信技術(shù)的應用，一方面使低壓電器智能化，另一方面使智能化電器與中央控制計算機進行雙向通信。低壓電器與控制系統(tǒng)已統(tǒng)一形成了智能化監(jiān)控、保護與信息網(wǎng)絡(luò)。它由智能化電器、監(jiān)控器、中央計算機及網(wǎng)絡(luò)元件4部分組成。,2020/9/12,15,國內(nèi)外低壓電器技術(shù)發(fā)展趨勢,(4)可靠性技術(shù) 可靠性物理研究（產(chǎn)品失效機制研究）-基礎(chǔ) 低壓電器可靠性指標及考核方法研究-核心 低壓電器可靠性試驗裝置研制-必備條件 可靠性提高措施研究-實現(xiàn)手段 (5)新的滅弧系統(tǒng)和限流技術(shù),2020/9/12,16,本課程講述的主要內(nèi)容,配電線路及用電設(shè)備對低壓電器的基本要求 主要典型電器的結(jié)構(gòu)原

8、理及特性參數(shù) 低壓電器及繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng),2020/9/12,17,第1章 低壓線路及其對低壓電器的基本要求,1.1 概述 在低壓線路中應用著各種類型的低壓電器，它們對配電線路或用電設(shè)備起保護、控制與調(diào)節(jié)作用。圖1.1所示為一工礦企業(yè)的典型配電線路，線路上設(shè)置了各種低壓電器。,第一編 低壓電器,接觸器,中央配電盤,動力配電盤,K2,T,QS1,QF1,FU2,饋電線路2,QS2,FR2,QF3,KM2,分支線路1,3,QF2,M2,FR1,KM1,饋電線路1,M1,分支線路2,QS3,FU1,3,圖1.1 工礦企業(yè)典型配電線路圖,供電 變壓器,低壓 斷路器,隔離開關(guān),熔斷器,熱繼電器,電動

9、機,K1,K3,主線路,2020/9/12,19,這個線路分為三個區(qū)： 供電變壓器至中央配電盤母線這一區(qū)間的線路稱主線路； 中央配電盤母線至車間動力配電盤這一區(qū)間的線路稱分支線路； 動力配電盤至負載(一般為電動機)這一區(qū)間的線路稱饋電線路。 在這三個區(qū)間各裝置了一些低壓電器。 前面兩個區(qū)間裝置的低壓電器大多屬于配電電器，如圖中的斷路 器QF1、QF2和隔離開關(guān)QS1、QS2等； 后面一個區(qū)間的低壓電器，如接觸器KM是用于控制和操作負載 的，屬于控制電器；但這個區(qū)間也裝有配電電器，如熔斷器FU。 斷路器用于保護，接觸器用于控制，隔離開關(guān)用于維修線路。,圖1.1 說明,2020/9/12,20,電

10、動機控制與保護電路,圖1.2 控制和保護籠型電動機的線路,SB2、SB1啟動和停止按鈕；KM接觸器； FR熱繼電器；FU熔斷器；M電動機,FU,FR,FR,KM,SB1,SB2,KM,FR,FR,M,KM,2020/9/12,21,圖1.2是由接觸器KM和熱繼電器FR組成的控制線路，用于控制和 保護籠型電動機。圖中SB2 和SB1為啟動和停止按鈕，是一種用來下達 操作指令的主令電器。 按下啟動按鈕SB2 ，接觸器KM線圈通電，它的操作電磁鐵帶動觸 頭系統(tǒng)，主觸頭接通主回路，電動機開始啟動。并聯(lián)在按鈕SB2兩端的 常開聯(lián)鎖觸頭KM閉合，使啟動按鈕SB2松開后，接觸器線圈自保持通 電狀態(tài)。 當運行

11、中的電動機發(fā)生過載時，過載電流流過串聯(lián)在主回路中的 熱繼電器的FR熱元件，熱元件發(fā)熱到足夠溫度，雙金屬片發(fā)生彎曲， 使串聯(lián)在接觸器線圈回路中的常閉觸頭斷開。接觸器釋放而切斷電動 機電源。 在電動機正常運轉(zhuǎn)時，按下停止按鈕SB1 ，可使電動機停轉(zhuǎn)。,圖1.2說明,2020/9/12,22,圖1.1和圖1.2的簡要分析,從圖1.1和圖1.2線路中各種電器的作用來看，低壓電器主要用于配電線路和用電設(shè)備的保護和控制。在線路中，不同的電器所承擔的任務是不同的，因此，對不同低壓電器的技術(shù)要求也各不相同。 有些低壓電器的技術(shù)要求與使用線路的工作要求有關(guān)，比如與配電線路的短路電流有關(guān)。 所謂短路是指相與相之間

12、通過較小阻抗的一種非正常短接，或通過電孤的短接，或相與地之間的接通。,2020/9/12,23,短路的幾種形式,圖1.3 短路的幾種形式,Rjd接地電阻；R電阻；X電抗,(a)三相短路,(b)兩相短路,(c)單相短路,2020/9/12,24,1.2 短路電流的分析與計算,一. 低壓線路短路電流的一般概念 實際運行的配電系統(tǒng)具有一定的容量及系統(tǒng)阻抗。當?shù)蛪合到y(tǒng)發(fā)生短路時，由于有限的容量及系統(tǒng)阻抗，使系統(tǒng)端電壓下降。系統(tǒng)容量越大，阻抗越小，系統(tǒng)端變化越小(無窮大容量、零阻抗、端電壓不變)。 對于1000V以下的低壓線路，當系統(tǒng)阻抗不超過短路回路總阻抗的510時，則可以不考慮系統(tǒng)阻抗，認為系統(tǒng)端電

13、壓不變。,2020/9/12,25,以單相短路為例,設(shè)短路產(chǎn)生前的負載電流為零，短路線路阻抗Z=R+jX 系統(tǒng)容量為無限大，不計系統(tǒng)阻抗。單相短路 相當于感性負載與電源接通(見圖1.4)。,圖1.4 單相短路等效電路,2020/9/12,26,以單相短路為例,電源電壓： 短路電流周期分量： 短路電流非周期分量：,短路產(chǎn)生瞬間的電壓相位角（合閘相位角）；,功率因數(shù)角；,T 時間常數(shù)；,由上式可知，短路電流的非周期分量 與短路瞬間電壓相位角有關(guān)。當 時 達到最大值，即,短路電流 i = +,2020/9/12,27,單相短路電流波形,圖1.5 單相短路電流波形,2020/9/12,28,二. 電力

14、系統(tǒng)中各元件的阻抗,計算短路電流時，須知電力系統(tǒng)中各元件的阻抗值。在高壓線路的短路電流計算中，一般只考慮主要元件的電抗，如同步電動機、電力變壓器、電抗器、架空輸電線及電纜等的電抗，各主要元件的電阻僅在電阻大于總電抗值的1/3時才計入。 在低壓線路的計算中，不僅要考慮各主要元件的電阻和電抗，且要考慮母線和電纜的阻抗、電流互感器的阻抗、低壓斷路器的過電流線圈的阻抗和開關(guān)觸頭的接觸電阻等。 為了簡化計算，使短路電流值的計算偏于安全，允許不考慮占回路總阻抗值小于10的元件。因此，在一般情況下，只需計及饋電電纜、長度超過10m的母線及300/5A以下的電流互感器的阻抗值。,2020/9/12,29,1.

15、3 系統(tǒng)對開關(guān)電器的要求,一. 配電電器的通斷能力和通斷條件 低壓配電線路最嚴重的故障就是短路所以短路一發(fā)生，就要求線路中用于短路保護的低壓配電電器(如斷路器和熔斷器等)立即工作(不是動作？)，分斷短路電流。 其次，有時會出現(xiàn)這樣的情況，即在系統(tǒng)存在故障的情況下開關(guān)電器合閘（？），因此要求一些配電電器具有接通短路電流的能力。,2020/9/12,30,額定短路接通和分斷能力定義,電器的短路接通能力與短路電流最大峰值(短路沖擊電流)有關(guān)。因為沖擊電流產(chǎn)生的電動力可能使觸頭在接通過程中斥開（？），引起觸頭熔焊（？）。 額定短路接通能力：表明配電電器的接通能力，該能力是指在規(guī)定的試驗電壓和規(guī)定的參數(shù)

16、條件下電器能夠接通的最大短路電流峰值。規(guī)定參數(shù)是指，對交流電器而言是試驗回路的功率因數(shù)，對直流電器是時間常數(shù)。 交流電器的接通能力：一般用額定短路分斷電流Ic乘以表1.3所規(guī)定的峰值系數(shù)n來表示。 額定短路分斷能力：在規(guī)定電壓、頻率以及一定的功率因數(shù)(或時間常數(shù))下電器能夠分斷的短路電流Ic ，交流電器是用周期分量有效值表示。 交流電器的分斷能力和接通能力所要求的功率因數(shù)相同，如表1.3所示，它的值隨分斷短路電流值的增大而減小。,2020/9/12,31,表1.3 交流配電電器額定短路分斷能力與功率因數(shù)和峰值系數(shù)n的關(guān)系,注：峰值系數(shù)n是指短路電流的第一半波最大峰值與其周期分量有效值之比,20

17、20/9/12,32,二. 電器的電動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,短路效應 短路電流產(chǎn)生的電動力會導致電器破壞； 短路電流產(chǎn)生的熱效應會使電器溫升過高，導致導電接觸系統(tǒng)和絕緣部分的損壞。 電器的電動穩(wěn)定性 電器的電動穩(wěn)定性：電器承受短路電流的電動力作用而不致破壞或產(chǎn)生永久變形的能力。 由于電動力與電流瞬時值的平方成正比，因此電器的電動穩(wěn)定性可用允許通過它的電流的峰值(沖擊電流)來表示：對交流電器取短路電流的沖擊值，對直流電器取短路電流的最大值。,2020/9/12,33,電器的熱穩(wěn)定性,電器的熱穩(wěn)定性：在一定時間內(nèi)電器承受短路電流引起的熱效應而不致?lián)p壞的能力。 短路電流包含周期分量和非周期分量兩部分，低

18、壓線路中電阻一般較大，線路的時間常數(shù)較小，通常在0.01s 以下，因而非周期分量衰減很快，實際上不到0.03s就已消失。 所以，短路電流的發(fā)熱，可以不計電流非周期分量的影響。為此，熱穩(wěn)定電流用短路電流周期分量有效值表示。 短路電流的發(fā)熱取決于電流平方值與時間的乘積( )，因此電器的熱穩(wěn)定性應以通電時間的熱穩(wěn)定電流表示，低壓電器基本標準是取1s熱穩(wěn)定電流。但各電器元件實際承受短路電流的時間各不相同，不同短路持續(xù)時間t的熱穩(wěn)定電流 It 可用與給定的1s熱穩(wěn)定電流的 乘積保持相等來換算，即,電器的熱穩(wěn)定電流也稱短時耐受電流。,2020/9/12,34,三. 控制電器的通斷能力,控制電器用來控制用電

19、設(shè)備的接通和分斷。常用的用電設(shè)備有電阻爐、各種類型的交直流電動機。不同的用電設(shè)備（被控設(shè)備）在接通或分斷時的工作特點不同，對控制電器的要求也不相同。 籠型電動機是控制電器的主要控制對象，其常見工作狀態(tài)的接通與斷開電流各不相同。,2020/9/12,35,籠型電動機控制電器的通斷能力,通常的啟動與停止 對于通常的啟動與停止，控制接觸器觸頭的接通和斷開參數(shù)：接通電流為56倍IN（電動機額定電流），電壓為UN（電動機額定電壓）；斷開電流為IN ，電壓為0.16UN 。 正反轉(zhuǎn) 接通電流為78倍IN，電壓為UN；斷開電流為IN，電壓為0.16UN。 點動 接通電流為56倍IN，電壓為UN；斷開電流為5

20、6倍IN，電壓為UN。 反接制動 接通電流為78倍IN，電壓為UN；斷開電流為56倍IN，電壓為UN。,2020/9/12,36,1.4 配電線路與用電設(shè)備的保護,保護的主要作用： 一、保證在故障工作狀態(tài)下線路及設(shè)備的安全。 二、保證人身安全。 保護主要包括： (1)過電流保護; (2)欠壓與失壓保護 ; (3)電動機的斷相保護; (4)漏電保護。,2020/9/12,37,一. 過電流保護,保護特性與過載特性的配合 過電流系指電流超過負載額定電流，它包括過載和短路，是低壓系統(tǒng)最常見的故障。 低壓電器過電流保護性能可以用它的保護特性來描述。 過電流保護特性：保護電器動作時間 t 與通過它的電流

21、 I 的函數(shù)關(guān)系，又叫時間-電流特性，以前也稱為安秒特性。 動作時間：從短路或過載開始到切除故障所需的時間。 過電流可以用通過電流 I 與保護元件額定電流 IN 之比來表示，因此過電流保護特性可以寫成 。,2020/9/12,38,一. 過電流保護,保護特性與過載特性的配合 被保護電氣設(shè)備的允許工作時間與其過載倍數(shù)之間的關(guān)系稱為其過載特性，一般具有反時限特性。 反時限特性：電氣設(shè)備過載越重，發(fā)熱越快，允許工作時間就越短。 保護特性與過載特性的配合：為了充分利用被保護對象的過載能力，又不使它發(fā)熱超過允許值，要求保護電器的保護特性盡量接近并略低于被保護對象的允許過載特性，如圖1.10所示。 保護電

22、器的最小動作過載倍數(shù)對應的電流稱為臨界動作電流(圖1.10中I0），對繼電器而言，I0/IN值一般在11.2之間。,2020/9/12,39,圖1.10 保護電器與被保護對象的特性配合,1一保護電器的保護特性； 2一被保護對象的允許過載特性,保護電器與被保護對象的特性配合,2020/9/12,40,2. 選擇性保護,選擇性保護：在哪一級發(fā)生短路，就由該級的保護電器動作，將故障切除，保證配電系統(tǒng)正常工作。 為了達到逐級的選擇性保護，可采用各級保護電器動作時間有差別的辦法，使越靠近電源的保護電器的動作時間越長。這樣，發(fā)生故障時，靠近短路點的保護電器由于動作時間短而首先動作，而其上一級的保護電器因動作時間長而來不及動作。 對圖1.1的線路，一般可取饋電線路的保護電器為瞬時動作，而分支線路和主線路的保護電器具有短延時動作特性。,2020/9/12,41,3. 低壓斷路器的三種保護特性,（1）反時限特性，用于過載保護； （2）瞬時動作特性，用于短路保護； （3）定時限特性，用于選擇性短路保護。,圖1.11 斷路器的保護特性,(a)反時限,(b)反時限與瞬時,(c)反時限與短延時,(d)反時限,短延時與瞬時,2020/9/12,42,二. 欠壓和失壓保護,臨界電壓 電動機疲倒時的電源電壓稱為臨界電壓。 欠壓保護 當線路電壓下降到臨界電壓時，要求保護電器動作，叫做欠壓保護。