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3.2 常用电气元件

3.2.1 主令电器

主令电器是用来闭合和断开控制电路,用以控制电力拖动系统中电动机的启动、停止、制动及调速等。主令电器可直接作用于控制电路,也可以通过电磁式电器间接作用于控制电路。在控制电路中由于它是一种专门发布命令的电器,故称为主令电器。主令电器不允许分合电路。

主令电器应用广泛、种类繁多。按其作用可分为控制按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器(如脚踏开关、钮子开关、紧急开关)等。

1.控制按钮

控制按钮简称按钮,是一种结构简单、适用范围广泛的手动主令电器,在控制电路中做远距离手动控制电磁式电器用,也可以用来转换各种信号电路和电气联锁电路等。

控制按钮按用途和结构的不同,分为起动按钮、停止按钮、复合按钮等。起动按钮带有常开触头,手指按下按钮帽,常开触头闭合;手指松开,常开触头复位。起动按钮的按钮帽采用绿色。停止按钮常带有常闭触头,手指按下按钮帽,常闭触头断开;手指松开,常闭触头复位。停止按钮的按钮帽采用红色。复合按钮常带有常开触头和常闭触头,手指按下按钮帽,先断开常闭触头再闭合常开触头;手指松开,常开触头和常闭触头先后复位。

2.行程开关

按照生产机械的行程发出命令以控制其运行方向或行程长短的主令电器,称为行程开关。若将行程开关安装于生产机械行程终点处,以限制其行程,则称为限位开关或终点开关。

在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,可实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器。行程开关广泛用于各类机床和起重机械,控制其行程、进行终端限位保护。

由于半导体元件的出现,产生了一种非接触式的行程开关,这就是接近开关。接近开关是一种无须与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关,当物体接近开关的感应面到动作距离时,不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作,从而驱动直流电器或给计算机(PLC)装置提供控制指令。

行程开关的结构、工作原理与控制按钮相同。区别是行程开关不靠手动而是利用运动部件上的挡块碰压而使触头动作,有自动复位和非自动复位两种。

从原理上看,接近开关有高频振荡型、感应电桥型、霍尔效应型、光电型、永磁及磁敏元件型、电容型及超声波型等多种形式,其中以高频振荡型为最常用,占全部接近开关产量的80%以上。我国生产的接近开关也是高频振荡型的,它包括感应头、振荡器、开关器、输出器和稳压器等几部分。

3.万能转换开关

万能转换开关是由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器。

万能转换开关手柄的操作位置是以角度来表示的,不同型号的万能转换开关,其手柄有不同的操作位置,不同型号的万能转换开关,其手柄操作位置可从电气设备手册中万能转换开关的“定位特征表”中查找到。

4.主令控制器

主令控制器(又称主令开关),主要用于电气传动装置中,按一定顺序分合触头,达到发布命令或其他控制线路联锁、转换的目的。适用于频繁对电路进行接通和切断,常配合磁力起动器对绕线式异步电动机的起动、制动、调速及换向实行远距离控制,广泛用于各类起重机械的拖动电动机的控制系统中。

3.2.2 继电器

继电器主要用于控制与保护电路或用于信号转换。当输入量变化达到某一定值时,继电器动作,其触头接通或断开交、直流小容量的控制回路。随着现代科技的高速发展,继电器的应用越来越广泛。为了满足各种使用要求,人们研制了一批新结构、高性能、高可靠性的继电器。

继电器的种类很多。常用的分类方法有:

1)按输入量的物理性质分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器、温度继电器等。

2)按动作原理分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等。

3)按动作时间分为快速继电器、延时继电器、一般继电器。

4)按执行环节作用原理分为触点继电器、无触点继电器。

这里主要介绍电器控制系统用的电磁式继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等。

继电器的主要特性是输入-输出特性,又称为继电特性,继电特性曲线为跳跃式的回环特性,如图3-1所示。

当继电器输入量 x 由零增至 x 2 以前,继电器输出量 y 为零。当输入量增加到 x 2 时,继电器吸合,输入量为 y 1 ,若 x 再增大, y 1 值保持不变。当 x 减少到 x 1 时,继电器释放,输出量由 y 1 降至零, x 再减小, y 值均为零。 x 2 称为继电器吸合值,欲使继电器吸合,输入量必须大于或等于 x 2 x 1 称为继电器的释放值,欲使继电器释放,输入量必须等于或小于 x 1

继电器的返回系数 K f = x 1 / x 2 ,它是继电器的重要参数之一。 K f 值可以通过调节释放弹簧的松紧程度(拧紧时 K f 增大,放松时 K f 减少)或调整铁心与衔铁之间非磁性垫片的厚度(增厚时, K f 增大;减薄时, K f 减小)来达到所要求的值。不同场合要求不同的 K f 值,如一般继电器要求低的返回系数, K f 值应在0.1~0.4之间,这样当继电器吸合后,输入量波动较大时不至于引起误动作;欠电压继电器则要求高的返回系数, K f 值应该在0.6以上。设某继电器 K f =0.66,吸合电压为额定电压的90%,则电压低于额定电压的60%时,继电器释放,起到欠电压保护作用。

另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间;释放时间是指线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为0.05~0.15s,它的大小影响到继电器的操作频率。

1.电磁式继电器

常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器等。电磁式继电器由电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成,电磁式继电器结构原理如图3-2所示。

1)电磁机构。直流继电器的电磁机构形式为U形拍合式。铁心和衔铁均为电工软铁制成。为了增加闭合后的气隙,在衔铁的内侧面上装有非磁性垫片,铁心铸在铝基座上。交流继电器的电磁机构形式有U形拍合式、E形直动式、空心或装甲螺管式等结构型式。U形拍合式和E形直动式的铁心及衔铁均由硅钢片叠成且在铁心柱端上面装有分磁环。

图3-1 继电特征曲线

图3-2 电磁式继电器结构示意图

1—线圈 2—铁心 3—磁轭 4—弹簧 5—调节螺母 6—调节螺钉 7—衔铁 8—非磁性垫片 9—动断触点 10—动合触点

2)触点系统。交、直流继电器的触点由于均接在控制电路上,且电流小,故不装设灭弧装置。其触点一般为桥式触点,有常开和常闭两种形式。

另外,为了实现继电器动作参数的改变,继电器一般还具有改变和释放弹簧松紧及改变衔铁打开气隙大小的调节装置,如调节螺母。

2.时间继电器

从得到输入信号(线圈的通电到断电)开始,经过一定的延时后才输出信号(触点的闭合或断开)的继电器,称为时间继电器。

时间继电器的延时方式有两种:

1)通电延时。接受输入信号后延迟一定的时间,输出信号才会发生变化;当输入信号消失后,输出瞬时复原。

2)断电延时。接受输入信号时,瞬间产生相应的输出信号;当输入信号消失后,延迟一定的时间,输出才复原。

时间继电器的种类很多,常用的有电磁式、空气阻尼式、半导体式等。

(1)直流电磁式时间继电器

直流电磁式时间继电器在铁心上增加一个阻尼铜套,带有阻尼铜套的铁心结构如图3-3所示。由电磁感应定律可知,在继电器通电、断电过程中铜套内将感应涡流,阻碍穿过铜套内的磁通变化,因而对原磁通起了阻尼作用。

当继电器吸合时,由于衔铁处于释放位置,气隙大、磁阻大、磁通小、铜(铝)套阻尼作用相对小,因此铁心闭合的延时不显著(一般忽略不计)。因当继电器断电时磁通量变化量大、铜套阻尼作用也大,因此这种继电器仅用作断电延时。相应地其延时触点也只有常开触点延时打开、常闭触点延时闭合两种。

(2)空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式继电器是利用空气阻尼作用而达到延迟的目的,它由电磁机构、延时机构和触头机构组成。

(3)半导体式时间继电器

半导体式时间继电器又称电子式时间继电器,是利用半导体元件做成的时间继电器,具有适用范围广、延时精度高、调节方便、寿命长等一系列的优点,被广泛地应用于自动控制系统中。半导体延时电路大致可分为阻容式(电阻与电容构成)

图3-3 带有阻尼铜(铝)套的铁心结构

1—铁心 2—阻尼铜(铝)套 3—线圈 4—绝缘层

和数字式两大类。如果延时电路的输出是有触点的继电器则称为触点输出,若输出是无触点元件则称为无触点输出。

3.热继电器

热继电器是利用电流流过热元件时产生的热量,使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。它主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运动的保护及其他电气设备发热状态的控制。热继电器还常和交流接触器配合组合成电磁启动器,广泛用于三相异步电动机的长期过载保护。

热继电器的工作原理如图3-4所示。热元件是由膨胀系数不同的两张金属片压轧而成。热元件1串接在电动机定子绕组中,电动机绕组电流即为流过热元件的电流。当电动机正常运行时,热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲的位移增大,经过一定时间后,双金属片弯曲到推动导板2,并通过补偿双金属片3与推杆6将触点5和4分开,触点5和4为热继电器串联于接触器线圈回路的常闭触点,断开后使接触器失电,接触器的常开触点断开电动机的电源以保护电动机。

图3-4 热继电器的工作原理图

1—热元件 2—推动导板 3—补偿双金属片 4、5—触点 6—推杆

3.2.3 断路器

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流,并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压电器。

断路器可用来分配电能,不频繁地起动异步电动机,对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载或者短路及欠电压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式开关与过载或欠电压热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。

低压断路器由操作机构、触头、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。使用低压断路器来实现短路保护比熔断器优越,因为当三相电路短路时,很可能只有一相的熔断器熔断,造成单相运行。对于低压断路器来说,只要造成短路都会使开关和跳闸三相同时切断。低压断路器还有其他自动保护作用,所以性能优越。但它结构复杂,操作频率低,价格较高,因此适用于要求较高的场合,如电源总配电盘。 MaWIj4Q1SnYemp/nOzDMn1u7OQrtaCLB2KQp5LlVAypfTnSldUSKtTmGHqDIKEj5

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