低压电器指的是在交流1200V及以下和直流1500V及以下电路中起通断、控制、保护、检测、变换和调节作用的元件或设备。根据不同条件,低压电器有不同的分类方法。低压电器的发展,取决于国民经济的发展和现代工业自动化发展的需要,以及新技术、新工艺、新材料研究与应用,目前,正朝着高性能、高可靠性、小型化、数模化、模块化、组合化和零部件通用化的方向发展。
按电器所在的系统可以分为低压配电电器和低压控制电器两类。
(1)低压配电电器主要是用在低压电网或动力装置中,对电路和设备进行保护及通断、转换电源或负载的电器,如熔断器、刀开关等。
(2)低压控制电器主要是用于低压电力拖动系统中,对电动机的运行进行控制、调节、检测和保护的电器,如接触器、继电器、主令按钮等。
按电器动作时的原理可以分为手动电器和自动电器两类。
(1)手动电器是由人为操作发出动作指令,如刀开关、按钮等。
(2)自动电器是由电磁吸力使电器自动完成动作指令,如接触器、继电器、电磁阀等。
按电器在系统中所起的作用可以分为控制电器、检测电器、运算电器、保护电器和执行电器。
(1)控制电器是用于各种控制电路和控制系统中的电器,如接触器、继电器等。
(2)检测电器是用于系统中反馈各种信号及发出各种信号的电器,如电磁感应器、行程开关等。
(3)运算电器是用于把各种信号根据需要进行转换的电器,如中间继电器等。
(4)保护电器是用于对电路、系统、设备及人身安全起保护作用的电器,如漏电断路器、熔断器、热继电器等。
(5)执行电器是用于执行整个电路或系统的要求动作的电器,如电磁阀、电磁离合器等。
本章将主要介绍以下常用低压电器的结构、原理、主要性能和参数、选用原则及市场上的常用型号。
(1)熔断器:插入式熔断器、螺旋式熔断器、有填料密封式熔断器、无填料密封式熔断器、快速熔断器、自复式熔断器。
(2)低压隔离器:低压刀开关、熔断器式刀开关、组合开关。
(3)主令电器:控制按钮、行程开关、接近开关、转换开关、主令控制器。
(4)接触器:交流接触器、直流接触器。
(5)继电器:电磁式继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器。
(6)低压断路器:万能式断路器、装置式断路器、快速式断路器、限流式断路器。
中国的低压电器工业,从1953年起步至今,经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、技术引进、跟踪国外新产品等几个阶段。形成了比较完善的体系、品种、规格、性能。产量上基本满足中国国民经济的发展需要。在发展过程中主要有三代产品的形成。
第一代是从20世纪60年代到70年代初期。中国自行开发、研制、设计了系列产品,以CJ10、DZ10、DW10为代表,约29个系列。这代产品目前已经被淘汰,但作为新中国第一批工业产品,在中国低压配电系统和控制系统的发展过程中起了重要的作用,也是中国工业建设全面开始的一个标志。
第二代是从20世纪70年代后期到80年代。中国的低压电器与国外先进技术相结合完成了更新换代的产品。在这期间主要产品有CJ20、DZ20、DW15等系列为代表的56个系列。引进国外技术的产品主要有德国AEC公司的ME系列,国内型号为DW17系列;德国西门子公司的3WE系列和3TB系列,国内型号为CJX3XIELIE系列;德国ABB公司的B系列;法国TE公司的LC1-D系列,国内型号为CJX4系列等。一共引进了34个系列。这批产品目前的市场占有率约为50%,随着新产品的不断出现,市场占有率呈现下降趋势。这一时期的工业产品充分体现出改革开放后技术革新的思想。在自主开发的同时大量地引用了国外的先进设计制造技术,全面快速地提升了中国低压电器产品的技术水平。
第三代是从20世纪90年代至今。这个阶段主要的思想是跟踪国外新技术、新产品并自行开发、研制产品。自行设计的产品主要是以DW40、DW45、DZ40、DJ40、S系列等为代表的10多个系列。引进国外的产品主要有法国施耐德公司的M系列,德国F-G公司的F系列,德国西门子公司的3TE系列等产品。
如今中国低压电器制造工业有了飞速发展,新产品已经发展到12大类,380个系列,1 200多个品种,几万种规格,随着几代人的努力,很多引进的技术也实现了国产化。今后中国的低压电器制造将会有更好的发展。
随着计算机技术的发展,先进制造技术的引进,低压电器产品从设计、制造到开发都受到了相应的影响。
现代计算机三维辅助设计技术的应用为产品设计提供了方便快捷的平台,从原始的手工平面制图到计算机立体图形的生成,使产品设计方式发生了质的变化。制造软件系统的引入,现代化的样机测试手段都使产品的生命过程从研发到成品完全通过计算机进行模拟,大大地缩短了产品设计、研发的周期。
低压电器专用计算机软件的广泛应用,使产品的性能在样品出现之前就得到测试。例如,应用ANSYS有限元分析软件可以进行触点灭弧系统和脱扣器的磁场分析,以及电器机壳的强度分析;应用ADAMS软件可进行操纵机构的动态特性分析等。
随着低压电器系统的复杂化和大型化,系统元件越来越复杂,集成化程度越来越高,低压电器的可靠性显得越来越重要。可靠性的研究主要有以下几个方面:
(1)可靠性物理研究,即产品失效机理研究;
(2)可靠性指标与考核方法研究;
(3)可靠性实验装置研究;
(4)提高可靠性研究。
随着新的灭弧系统和限流技术的应用,对低压开关电器提出了高性能和小型化的要求,因此,传统的灭弧技术已经不能满足要求。目前,国内外都致力于研究新的灭弧系统和限流技术,实现开关电器的“无飞弧”。
随着计算机网络技术的发展应用,可通信的低压电器也应运而生。低压电器与上位机或中央控制计算机进行通信,为了实现双向通信,低压电器必须面向电子化、集成化、智能化及机电一体化方向发展。可编程控制器(PLC)可以说是这个方向的典型产品。目前低压电器通信采用的方案主要有带通信功能的接口电路;传统电器上派生或增加联网接口和通信接口;直接带计算机接口和通信接口功能的电器。
综上所述,传统低压电器的发展是朝着高性能、高可靠性、小型化、模块化、模/数化、组合化、零部件通用化、网络化的方向不断前进的。