低压电器及其控制系统.pptx

2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所1电器原理及控制技术电器原理及控制技术 主讲：网络与电气智能化研究所主讲：网络与电气智能化研究所 李中伟李中伟 联系电话：联系电话：86413623 Email: 2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所2第第5章章 电磁式继电器电磁式继电器5.1 电磁式继电器的机械特性电磁式继电器的机械特性电磁式继电器机械特性的定义电磁式继电器机械特性的定义电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所3电磁式继电器机械特性的定义电磁式继电器机械特性的定义继继电电器器的的机机械械特特性性是是其其簧簧片片系系统统的的反反作作用用力力（或或力力矩矩）在在气气隙隙处处的的归归算算值值与与衔衔铁铁行行程程/工作气隙（或衔铁转角）之间的关系。工作气隙（或衔铁转角）之间的关系。机机械械特特性性中中的的反反作作用用力力均均系系指指气气隙隙处处的的归归算算值，这是为了便于与电磁吸力相比较。值，这是为了便于与电磁吸力相比较。继继电电器器簧簧片片系系统统的的结结构构是是多多种种多多样样的的，因因此此继继电电器器的的机机械械特特性性亦亦为为多多种种类类型型，但但一一般般均均由若干折线组成。由若干折线组成。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所4电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念衔铁衔铁/动簧片运动过程中气隙动簧片运动过程中气隙 的变化：的变化：（1）动触点与动断静触点完全接触）动触点与动断静触点完全接触初始位置：初始位置：（2）动触点与动断静触点刚刚分离：）动触点与动断静触点刚刚分离：（3）动触点与动合静触点刚刚接触：）动触点与动合静触点刚刚接触：（4）动触点与动合静触点完全接触）动触点与动合静触点完全接触最终位置：最终位置：电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念开开距距：动动触触点点和和静静触触点点间间的的最最大大距距离离。开开距距分分为为动动合合开距与动断开距。开距与动断开距。n动动合合开开距距：动动触触点点与与动动合合静静触触点点之之间间的的最最大大距距离离，即即衔衔铁铁处处于于初初始始位位置置()、动动触触点点与与动动断断静静触触点点完完全全接接触触时时，动动触触点点与与动动合合静静触触点点之之间的距离。间的距离。n若无特别说明，开距若无特别说明，开距 一般即指动合开距。一般即指动合开距。开开距距：动动触触点点和和静静触触点点间间的的最最大大距距离离。开开距距分分为为动动合与开距动断开距。合与开距动断开距。动动断断开开距距：动动触触点点与与动动断断静静触触点点之之间间的的最最大大距距离离，即即衔衔铁铁处处于于最最终终位位置置()、动动触触点点与与动动合合静静触触点点完完全全接接触触时时，动动触触点点与与动动断断静触点之间的距离。静触点之间的距离。电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念 超超程程：触触点点的的超超额额行行程程。超超程程分分为为动动合合超超程程与与动动断超程。断超程。n动动合合超超程程：动动触触点点从从与与动动合合静静触触点点刚刚刚刚接接触触时时起起运运动动到到最最终终位位置置()时的位移。时的位移。n一般超程即指动合超程。一般超程即指动合超程。电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念 超程超程：触点的超额行：触点的超额行程。超程分为动合超程。超程分为动合超程与动断超程。程与动断超程。动断超程动断超程：动触点从：动触点从初始位置初始位置()运运动到与动断静触点刚动到与动断静触点刚刚离开时的位移。刚离开时的位移。电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念n 触触点点动动断断初初压压力力：初初始始位位置置()时时动动触触点点与与动动断断静静触触点点间间的的压压力力，有有时时也也简称为触简称为触点初压力。点初压力。电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念触触点点动动合合终终压压力力：最最终终位位置置()时时动动触触点点与与动动合合静静触触点点间间的的压压力力，有有时时也也简简称为触点终压力。称为触点终压力。电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的有关概念电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型1.无初始跳跃的三段式机械特性无初始跳跃的三段式机械特性机械特性及有关参数在在 到到 的距离内的距离内1段段 反力组成：弹簧力，正反力；动断静触点压力，负反力组成：弹簧力，正反力；动断静触点压力，负 反力。反力。电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型1.无初始跳跃的三段式机械特性无初始跳跃的三段式机械特性机械特性及有关参数在在 到到 的距离内的距离内2段段反力组成：弹簧力，正反力。反力组成：弹簧力，正反力。电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型1.无初始跳跃的三段式机械特性无初始跳跃的三段式机械特性机械特性及有关参数机械特性及有关参数在在 到到 的距离内的距离内 3段段反力组成：弹簧力，正反力；动合静触点压力，反力组成：弹簧力，正反力；动合静触点压力，正反力。正反力。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所14电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型2.有初始跳跃的三段式机械特性有初始跳跃的三段式机械特性初始位置反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，初始位置反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力；刚性限位点压力，负反力。负反力；刚性限位点压力，负反力。1段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力。负反力。2段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力。段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力。3段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，正反力。正反力。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所15电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型3.有初始跳跃的四段式机械特性有初始跳跃的四段式机械特性初始位置反力组成：弹簧力，正反力；刚性限位点压力，负反力。初始位置反力组成：弹簧力，正反力；刚性限位点压力，负反力。1段反力组成：弹簧力，正反力。段反力组成：弹簧力，正反力。2段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力。负反力。3段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力。段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力。4段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，正反力。正反力。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所16电磁式继电器机械特性的类型电磁式继电器机械特性的类型4.有初始跳跃的五段式机械特性有初始跳跃的五段式机械特性初始位置反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，初始位置反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力；刚性限位点压力，负反力。负反力；刚性限位点压力，负反力。1段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力。段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力。2段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力；段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动断静触点压力，负反力；限位片压力，正反力。限位片压力，正反力。3段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力。段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力。4段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，正反力；段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，正反力；限位片压力，负反力。限位片压力，负反力。5段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，段反力组成：弹簧力，正反力；动簧片压力，正反力；动合静触点压力，正反力。正反力。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所17第第6章章 舌簧继电器舌簧继电器6.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器特点特点结构与材料结构与材料工作原理工作原理基本关系式基本关系式干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作干簧继电器的设计干簧继电器的设计2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所186.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器1.特点特点 优点：优点：(1)触触点点密密封封于于充充有有有有利利于于灭灭弧弧的的惰惰性性气气体体的的玻玻璃璃管管中中，大大大大减减少少了了触触点点开开闭闭过过程中火花引起的碳化和氧化作用，程中火花引起的碳化和氧化作用，触点工作可靠性高触点工作可靠性高。(2)动作时间短：动作时间短：(0.4 2)ms，特别适用于远距离话路的传输设备及检测采样。，特别适用于远距离话路的传输设备及检测采样。(3)簧簧片片的的接接触触部部分分触触点点采采用用贵贵金金属属或或贵贵金金属属合合金金镀镀层层，使使触触点点耐耐磨磨性性提提高高，簧片弯曲轻微，簧片弯曲轻微，寿命较长，可达寿命较长，可达107108次次。(4)接触电阻低而稳定接触电阻低而稳定，为（，为（50200）。(5)吸合功率小，吸合功率小，灵敏度高灵敏度高。(6)在多触点继电器中，在多触点继电器中，属小型属小型(体积小体积小)。(7)轴向结构，轴向结构，高频传输特性好高频传输特性好。(8)可通过线圈反应各种电的信号，还可通过永久磁铁可通过线圈反应各种电的信号，还可通过永久磁铁反应各种非电信号反应各种非电信号。(9)使用过程中不需调整，使用过程中不需调整，维护方便维护方便。(10)结构简单，零件少，易于实现自动化生产，结构简单，零件少，易于实现自动化生产，生产效率极高生产效率极高。(11)价格低廉价格低廉。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所196.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器1.特点特点 缺点：缺点：(1)触点易产生冷焊而出现粘牢现象。触点易产生冷焊而出现粘牢现象。(2)触点切换容量低。触点切换容量低。(3)过载能力低过载能力低(镀层薄所致镀层薄所致)，不耐大电流冲击。，不耐大电流冲击。(4)因触点开距小，故耐压较低，只适用于电压较低的电路。因触点开距小，故耐压较低，只适用于电压较低的电路。(5)具有多组触点的干簧继电器存在触点不同时接触的现象。具有多组触点的干簧继电器存在触点不同时接触的现象。(6)簧片在断开时有机械颤抖现象。簧片在断开时有机械颤抖现象。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所206.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器2.结构与材料结构与材料图图6.1所示为具有一对动合触点的干簧继电器的结构简图。所示为具有一对动合触点的干簧继电器的结构简图。图图6.1 干簧继电器结构简图干簧继电器结构简图1屏蔽罩；屏蔽罩；2干簧管；干簧管；3线圈；线圈；4引出线引出线2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所216.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器2.结构与材料结构与材料干簧管是干簧继电器的核心部分，它可以做成动合干簧管是干簧继电器的核心部分，它可以做成动合(常开常开)(H型或型或A型型)、动断、动断(常常闭闭)(D型型)与转换与转换(Z型或型或C型型)三种型式，其结构如图三种型式，其结构如图6.2所示。所示。图图6.2 干簧管结构简图干簧管结构简图(a)H型型(A型型)(b)D型型(c)Z型型(C型型)1(d)Z型型(C型型)22024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所226.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器2.结构与材料结构与材料干簧管由一组舌簧片干簧管由一组舌簧片(其形似舌，故称为舌簧片，舌簧继电器即由此得其形似舌，故称为舌簧片，舌簧继电器即由此得名名)与玻璃封结而成，管内充以与玻璃封结而成，管内充以惰性气体惰性气体(一股为一股为氮气氮气)。簧片簧片兼有兼有导导磁磁、导电导电及作为及作为弹性元件弹性元件等多种作用，它是等多种作用，它是触点触点又是又是磁驱动磁驱动部分。部分。因此，簧片材料应按下列原则来选取：因此，簧片材料应按下列原则来选取：(1)饱和饱和(最大最大)磁感应强度要大，矫顽力要小。磁感应强度要大，矫顽力要小。(2)导电性好。导电性好。(3)有良好的弹性。有良好的弹性。(4)能与玻璃实现气密性封结，工艺加工性好。能与玻璃实现气密性封结，工艺加工性好。通常采用通常采用IJ50铁镍合金丝铁镍合金丝作为簧片材料。作为簧片材料。可用作干簧簧片丝的材料还有可用作干簧簧片丝的材料还有IJ79及含金钴合金及含金钴合金的材料。但由于这些的材料。但由于这些材料在处理工艺上有难度和价格等因素，因此工业生产中极少采用。材料在处理工艺上有难度和价格等因素，因此工业生产中极少采用。簧片与玻璃管的封结方法有三种：火焰加热法；红外线聚光封结法；簧片与玻璃管的封结方法有三种：火焰加热法；红外线聚光封结法；电加热法。电加热法。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所236.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器3.工作原理工作原理上上图图所所示示的的动动合合舌舌簧簧片片是是分分别别固固定定在在玻玻璃璃管管的的两两端端的的，当当线线圈圈通通电电后后，在在线线圈圈内内部部及及其其周周围围空空间间产产生生磁磁场场，簧簧片片在在磁磁场场中中被被磁磁化化，两两簧簧片片处处于于管管中中的的自自由由端端呈呈现现出出相相反反的的极极性性，即即一一端端为为N极极、另另一一端端为为S极极，因因此此两两簧簧片片相相互互吸吸引引，当当吸吸引引力力大大于于反反力力时时，两两簧簧片片的的自自由由端端就就吸吸合合在在一一起起而而相相互互接接触触，从从而而将将被被控控的的外外电电路路接接通通。当当线线圈圈断断电电时时，磁磁场场消消失失，两两簧簧片片间间的的吸吸引引力力随随之之消消失失，两两簧簧片片在在其其本本身身弹弹力力的的作作用用下下分分开开而脱离接触、返回原位，被控电路便被切断。而脱离接触、返回原位，被控电路便被切断。(a)H型型(A型型)2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所246.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器3.工作原理工作原理图图(b)所所示示的的动动断断舌舌簧簧片片是是固固定定在在玻玻璃璃管管的的同同一一端端的的，它它们们在在通通电电线线圈圈所所产产生生的的磁磁场场的的作作用用下下，其其自自由由端端所所呈呈现现的的磁磁极极性性相相同同(图图(b)中中均均为为S极极)，因因此此就就“同同性性相相斥斥”而而断断开开。在在动动断断舌舌簧簧片片的的基基础础上上再再加加一一个个动动合合舌舌簧簧片片，就就构构成成了了转转换换型型式式的触点，如图的触点，如图(c)所示。所示。(b)D型型(c)Z型型(C型型)12024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所256.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器3.工作原理工作原理图图(d)给给出出的的转转换换型型干干黄黄管管的的工工作作原原理理如如下下：动动断断舌舌簧簧片片a中中的的自自由由端端是是由由非非导导磁磁材材料料制制成成的的，其其长长度度为为a2，由由于于a2大大于于动动合合舌舌簧簧片片b与与动动舌舌簧簧片片c之之间间的的气气隙隙a1，因因此此线线圈圈通通电电后后，通通过过a1的的磁磁通通大大于于通通过过a2的的磁磁通通，这这使使得得动动合合舌舌簧簧片片b与与动动舌舌簧簧片片c之之间间的的电电磁磁吸吸力力F1大大于于动动断断舌舌簧簧片片a与与动动舌舌簧簧片片c之之间间的的电电磁磁吸吸力力F2，当当F1增增加加到到大大于于F2与与动动舌舌簧簧片片c的的簧簧片片反力反力F3之和之和(F1 F2+F3)时，时，b与与c就会吸合在一起。就会吸合在一起。(d)Z型(C型)22024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所266.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器3.工作原理工作原理图图6.3 水久磁铁驱动干簧管水久磁铁驱动干簧管干干簧簧管管触触点点的的开开闭闭不不但但可可用用线线圈圈的的通通电电与与断断电电来来控控制制，也也可可用用永永久久磁磁铁铁(通通常常所所说说的的磁磁钢钢)来来控控制制，如如图图6.3所所示示。图图中中永永久久磁磁铁铁所所产产生生的的磁磁通通使使簧簧片片磁磁化化，当当永永久久磁磁铁铁移移近近至至一一定定距距离离时时，两簧片的自由端就吸合；当永久磁铁远离干簧管至一定距离两簧片的自由端就吸合；当永久磁铁远离干簧管至一定距离时，两簧片将返回原位。时，两簧片将返回原位。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所276.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器4.基本关系式基本关系式(a)磁场分布磁场分布 (b)等效磁路等效磁路 图图6.4干簧继电器的磁场分布与等效磁路干簧继电器的磁场分布与等效磁路研究干簧继电器的磁路及电磁吸力、簧片反力和触点压力的基本关系式。研究干簧继电器的磁路及电磁吸力、簧片反力和触点压力的基本关系式。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所286.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器4.基本关系式基本关系式式中式中 IN 线圈磁势；线圈磁势；线圈外部空间磁通路径的磁阻；线圈外部空间磁通路径的磁阻；簧片的磁阻；簧片的磁阻；簧片间气隙磁阻。簧片间气隙磁阻。（6.2）（6.1）式中式中 簧片间气隙长度；簧片间气隙长度；簧片宽度；簧片宽度；簧片搭接部分长度簧片搭接部分长度(见下图见下图)，称为簧片重叠度；，称为簧片重叠度；比例系数，其值与气隙大小有关，气隙较小时，比例系数，其值与气隙大小有关，气隙较小时，。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所296.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器4.基本关系式基本关系式簧片间的簧片间的电磁吸力可电磁吸力可Fx 近似用麦克斯韦电磁力计算公式近似用麦克斯韦电磁力计算公式（6.3）式中式中 簧片搭接部分的面积，簧片搭接部分的面积，；气隙中的磁感应强度，气隙中的磁感应强度，；真空中的磁导率，真空中的磁导率，。2024/4/10 周三哈尔滨工业大学网络与电气智能化研究所306.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器4.基本关系式基本关系式簧片受电磁吸力作用而相互吸引后产生弯曲变形，由此产生企图使簧簧片受电磁吸力作用而相互吸引后产生弯曲变形，由此产生企图使簧片回到原位的片回到原位的簧片反力簧片反力Ff，Ff由下式给出由下式给出（6.5）式中式中 E 簧片材料的弹性模量（簧片材料的弹性模量（MPa）；）；J 簧片截面对中性铀的惯性矩簧片截面对中性铀的惯性矩(截面惯性矩截面惯性矩)，；l 簧片自由端至固定端的长度（簧片自由端至固定端的长度（mm）；）；y 簧片自由端的挠度（簧片自由端的挠度（mm）。）。触点压力触点压力Fz等于两簧片端部相互吸合后的吸力等于两簧片端部相互吸合后的吸力Fx与簧片反力与簧片反力Ff 之差，即之差，即（6.6）