工厂电气控制技术概述.docx
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工厂电气控制技术概述
概述
电器与电气的区别
计划授课时间：
2013.9.10
电器
泛指所有用电的器具，比如：
电视机、电冰箱、风扇、电脑，从专业角度上来讲，主要指用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路或用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和元件。
按工作原理分类。
1）电磁式电器 依据电磁感应原理来工作，如接触器、各种类型的电磁式继电器等。
2）非电量控制电器 依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等。
按动作原理分类
（1）手动电器用手或依靠机械力进行操作的电器，如手动开关、控制按钮、行程开关等主令电器。
（2）自动电器借助于电磁力或某个物理量的变化自动进行操作的电器，如接触器、各种类型的继电器、电磁阀等。
电气
电气就是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学，涵盖电能的转换、利用和研究三方面，包括基础理论，应用技术，设施设备等。
电气含义
电气是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造的/维持于改善限制空间空间和环境的一门科学，叫“电气”只要是以电能传输以及使用的途径只要有两种：
一是直接的电的联系，每个电压等级内的所有用电设备，通过导线、断路器或者隔离开关等，均有电的直接联系。
二是没有电的直接联系，而是通过气隙内的磁场进行能量交换（传输），比如说变压器的各绕组之间，就是通过气隙联系的。
比如电机定子之间也都是通过气隙来联系的。
电气是指电气工程的弱电部分，只要研究信息的处理、变换；电子又可分为两块：
电子电路和电子系统。
电子电器（电子原件：
制作电路板和电子设计的电子零部件，如二极管、三极管、硅类、LED灯。
电子器件：
有单个和多个电路板组成的一个电子功能器件），电子系统：
由电子设备组成的一个系统即——弱电工程系统
电气之于电器，该怎么理解呢？
电气/电气工程（EE），其外延涵盖了微电子，光子学，以及微机应用技术。
但似乎又与我们谈论的电气有所偏差。
但，可以肯定一点，大家所认同的是，电器是具体的物体形象，电气是不可触摸的分类概念！
电气包含电器。
“电气”者,外文翻译之词也，盖西方工业之初，动力机械均由蒸汽轮机驱动，后来则有了电，故“电气”者，开始泛指工业动力者也，然现在也无蒸汽轮机了，故干脆以电气泛指电了。
电气：
根据字面的含义，感觉就是不可触摸的东西而有些却是能看到摸不着的，上面提到的以前的蒸汽机驱动，还有以前的蒸汽机火车。
从字面上的意思我认为电气在汽车上所包括的：
汽车空调系统、汽车气囊、以及汽车上的一些辅助设备，空气净化器等一些设备原件。
还包括一些用空气来来连接的一些开关。
电气：
电气是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学。
电气设备指的是使用强电的设备，电子设备指的是使用弱电的设备。
电器：
凡是根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通或断开电路，继续或连续地改变电路参数，实现对电路的切换、控制、保护、检测及调节的电气设备均称为电器。
电器的范围要狭隘一些，而电气更为宽泛，与电有关的一切相关事物都可用电气表述，而电器一般是指保证用电设备与电网接通或关断的开关器件。
电器侧重于个体，是元件和设备，而电气则涉及到整个系统或者系统集成。
电气是广义词，指一种行业，一种专业，不具体指某种产品。
电气也指一种技术，比如电气自动化专业，包括工厂电气（如变压器，供电线路）、建筑电气等；电器是实物词，指有具体的物质，比如电视机，空调等。
低压电器的作用与分类
控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。
低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。
总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。
在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。
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。
制造技术发展方向
近几年低压电器行业出现了前所未有的发展机遇。
预计2001年到2010年每年新增装机容量为21GW左右。
按照经验配套比计算，每年需要低压框架断路器约48万台，塑壳断路器482万台。
加之国家鼓励机电产品出口，出口量稳步增长。
所以，我国低压电器市场容量是巨大的，而且处于上升阶段，前景非常乐观。
一：
低压电器的分类
1.按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器
2.按操作方式不同，可将低压电器分为自动电器和手动电器
（1）自动电器
通过电磁（或压缩空气）作功来完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为自动电器。
常用的自动电器有接触器、继电器等。
（2）手动电器
通过人力做功来完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为手动电器。
常用的手动电器有刀开关、转换开关和主令电器等。
3.按用途和控制对象不同，可将低压电器分为配电电器和控制电器
（1）用于低压电力网的配电电器
这类电器包括刀开关、转换开关、空气断路器和熔断器等。
对配电电器的主要技术要求是断流能力强、限流效果在系统发生故障时保护动作准确，工作可靠；有足够的热稳定性和动稳定性。
（2）用于电力拖动及自动控制系统的控制电器
这类电器包括接触器、起动器和各种控制继电器等。
对控制电器的主要技术要求是操作频率高、寿命长，有相应的转换能力。
另外，低压电器按工作条件还可划分为一般工业电器、船用电器、化工电器、矿用电器、牵引电器及航空电器等几类，对不同类型低压电器的防护型式、耐潮湿、耐腐蚀、抗冲击等性能的要求不同。
低压电器的作用
低压电器能够依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动地改变电路的状态、参数，实现对电路或被控对象的保护、控制、调节、指示、测量、转换。
二：
低压电器的作用有：
（1）保护作用
能根据设备的特点，对设备、环境、以及人身实行自动保护，如电机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。
（2）控制作用
如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。
（3）调节作用
低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如柴油机油门的调整、房间温湿度的调节、照度的自动调节等。
（4）指示作用
利用低压电器的控制、保护等功能，检测出设备运行状况与电气电路工作情况，如绝缘监测、保护掉牌指示等。
（5）测量作用
利用仪表及与之相适应的电器，对设备，电网或其它非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度、湿度等。
（6）转换作用
在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行，以实现功能切换，如励磁装置手动与自动的转换，供电的市电与自备电的切换等。
三：
低压电器的主要技术指标
1.耐潮湿性能
指保证电器可靠工作的允许环境潮湿条件。
2.极限允许温升
电器的导电部件，通过电流时将引起发热和温升，极限允许温升指为防止过度氧化和烧熔而规定的最高温升值（温升值＝测得实际温度－环境温度）。
3.寿命
电器的寿命包括电寿命和机械寿命两项指标。
电寿命：
指电器元件的触头在规定的电路条件下，正常操作额定负荷电流的总次数。
机械寿命：
指电器元件在规定使用条件下，正常操作的总次数。
4.操作频率
电器元件在单位时间（1小时）内允许操作的最高次数。
5.绝缘强度
低压电器产品发展趋势
近年来，我国低压电器行业获得快速发展，产品进出口贸易活跃。
但今年受金融危机影响，低压电器出口增速出现下滑。
中国机电产品进出口商会电工产品分会近日首次发布了我国低压电器出口预测，对低压电器行业现状进行了分析。
一把握低压电器产品智能化趋势
国内电力建设的快速发展，对低压电器的需求大幅增加，为全行业提供了广阔的发展空间。
目前，国际上部分先进低压电器生产企业在发展高档产品的同时，正积极开发经济型低压电器产品，并通过各种渠道抢滩国内中低档市场。
这就要求国内企业准确把握产品的发展趋势。
未来几年，全行业生产技术的不断创新，尤其是电子、微电子技术和计算机的迅速发展，将对低压电器元件带来深远的影响，以智能化为主要特征的新一代低压电器将填补国产高档低压电器产品的空白。
未来低压电器产品的发展将呈现三大发展趋势：
1.低压电器产品智能化。
现代化变电站和工矿企业已广泛采用电子计算机监控系统，对配套的低压断路器提出了高性能、智能化的要求，并要求产品具有保护、监测、试验、自诊断、显示等功能。
2.产品电子化。
在现代化企业中，采用PC控制系统代替由电气—机械元件组成的系统，已是机械电气控制系统的主流发展趋势。
该系统要求电器产品具有高可靠性、高抗干扰性，还要求触点能可靠接通低电压、弱电流，触头断开时的电弧不能干扰电子电路的正常运行。
3.产品组合化、模块化。
将不同功能的模块按不同的需求组合成模块化组合电器，是当今低压电器行业的另一种发展方向。
在接触器的本体上加装辅助触头组件、延时组件、自锁组件、接口组件、机械连锁组件及浪涌电压组件等，可以适应不同场合的要求，从而扩大产品适用范围，简化生产工艺，方便用户安装、使用与维修。
与此同时，还将进一步提高产品的可靠性和产品质量。
我国低压电器行业面临六大问题
低压电器出口增速下滑，这一方面显示了金融危机的影响，另一方面则暴露了我国低压电器行业存在的问题。
这些问题包括：
企业规模偏小，数量过多。
我国低压电器生产企业中，年销售收入和总资产均在5亿元以上企业较少，绝大多数都是中小企业，这导致企业缺乏竞争力。
我国低压电器生产企业共2000多家，企业数量过多，导致经济资源过于分散，生产缺乏效率。
区域结构趋同，重复建设严重。
我国低压电器行业由于盲目上项目、铺摊子，地区产业趋同化现象严重，低水平重复建设，造成产品生产过剩，能源、原材料利用率低，经济效益低下以及地区保护、恶性竞争等后果。
低压电器产品主要原材料价格不断上涨，使低压电器产品的利润空间明显缩小。
我国低压电器产品出口价格虽然也有所提高，但增幅不大。
具有自主知识产权高端产品的企业不多，技术与生产设备相对落后。
近年来，部分优秀企业虽然进行了一些技术投入，但研发设计能力仍严重不足，缺乏自主创新开发能力，许多企业没有自己的拳头产品。
外资企业利用其品牌、技术、产品优势，进一步增加了产品在我国低压电器市场的比重。
伪劣产品在低压电器行业依旧普遍存在。
零部件以次充好的情况屡有发生，低压电器产品的质量问题较为突出。
虽然近年来情况有所改善，但仍需进一步治理。
伪劣产品一旦走出国门，必然会对我国低压电器行业的外贸发展造成严重打击。
低压电器标准快速发展与更新，特别是相关指令与法规的颁布，必须引起全行业的重视与关注。
例如，增加环境保护的要求，增加特殊环境实验的要求，对电磁兼容更严密和具体的要求，家用剩余电流保护器的可靠性要求，可通信、网络化低压电器的相关要求等。
单从目前情况看，国内企业尚未对此做好准备。
国内市场低压电器竞争激烈
电力、石化、建筑等产业的发展，给低压电器制造业的发展提供了很好的机遇。
但是企业数量太多，再加上国外一些电器公司纷纷进入中国，使国内市场竞争更加激烈。
与此同时，根据调查，各种不平等竞争的现象也出现在低压电器产品的各个供销环节中。
值得注意的是，在科技含量较高的产品的竞争中，原来的骨干企业（或重点企业）与民营企业相比仍占有很大优势。
在国内低压电器市场中，国有企业的产品仍占有30%以上的市场份额，国企仍是主力军。
这些企业经过50年的发展，设计和制造水平有了很大提高，自行设计和制造的产品基本能满足国民经济的需求。
与国有企业三分天下的，是合资企业和民营企业。
合资企业通常是外方出技术及装备，中方出厂房及劳动力。
产品的起点高，系列化、工装模具好，经济实力与技术实力比较强大。
但是，由于合资企业建立的时间尚短，规模也比较小，合资企业的产品价格又高，在竞争中并不占上风。
我国民营企业实力从1985年开始就增长很快，但目前出现了增速趋缓的情况。
从事低压电器的民营企业一般规模很小，产品品种规格不多，但近几年部分企业经济规模不断扩大，经济效益愈加明显。
这类企业中有一些已达到国家大中型企业的规模，其产品成本低，产品售价有优势，经营思路符合市场经济的规律，销售系统强大、有效。
但这类企业的不足之处是设计、制造工装的能力往往不强，开发新产品的能力不强，技术力量相对较弱。
电磁式低压电器的基本知识
电磁式电器是低压电器中最典型也是应用最广泛的一种电器（如接触器、继电器等）。
电磁式电器三大基本组成部分：
感测部分、执行部分和保护部分。
感测部分是电磁机构，执行部分一般是触头，保护部分一般是灭弧装置。
一、电磁机构
电磁机构的主要作用是将电能转换为机械能。
一般由铁芯、衔铁和线圈等组成。
其结构形式按动作方式的不同，分为拍合式和直动式两大类。
电磁机构的线圈分为直流线圈和交流线圈两类。
1.常用电磁机构的结构
（a）衔铁沿棱角转动的拍和式铁芯；（b）衔铁沿轴转动的拍合式铁芯；（c）衔铁直线运动的直动式铁芯
1—衔铁；2—铁芯；3—吸引线圈
（1）按衔铁的运动方式分
衔铁绕棱角转动拍合式
衔铁绕轴转动拍合式
衔铁直线运动直动式
（2）按磁路方式分U形、E形
1-铁心2-线圈3-衔铁
（3）按线圈的连接方式分
串联电磁机构：
电流线圈，电流型电器
并联电磁机构：
电压线圈，电压型电器
串联电磁机构并联电磁机构
（4）按电磁线圈的种类分
电压线圈、电流线圈
直流线圈——恒定磁通，铁芯中无磁滞损耗和涡流损耗，只有铜损，因此铁芯材料由电工软铁或铸钢制成，而且线圈无骨架，成细长型。
交流线圈——交变磁场，铁芯中有涡流与磁滞损耗，铁芯一般采用硅钢片叠压后铆成，线圈有骨架，且成短粗型，以增加散热面积。
铁芯形状有E形和U形两种，多用于触头容量较大的交流电器中。
衔铁直线运动的直动式铁芯，多用于触头为中、小容量的交流接触器和继电器中。
同时为了避免交变磁场的磁通过零点时引起衔铁的抖动，需在铁芯的端部开槽，嵌入一铜短路环，使环内感应电流产生的磁通与环外磁通不同时过零，达到电磁吸力始终大于弹簧反作用力的目的，消除了交流铁芯的抖动。
交流电磁铁的短路环
1—衔铁；2—铁心；3—线圈；4—短路环
2、电磁机构的特性
吸力特性：
使衔铁吸合的力与气隙的关系
反力特性：
使衔铁释放的力与气隙的关系
（1）吸力特性
1）交流电磁机构的吸力特性
设外加电压U、频率f、匝数N不变时
Φ=常数
∴F=常数
实际上，F随δ的减小略有增加
磁路定律：
Φ=常数,电流I与气隙δ成正比
2）直流电磁机构的吸力特性
I=常数
（2）反力特性
反力产生：
释放弹簧、触点弹簧、重力。
起始点：
δ1，接触点：
δ2
δ1-δ2区间，随着δ↓，反力↑
δ2点，反力突增
δ2-0区间，随着δ↓，反力↑↑
（3）吸力特性与反力特性的配合
交流吸力特性
反力特性
直流吸力特性
吸力过大，铁心端面磨损，触点弹跳。
吸力过小，铁心吸合速度降低。
实际中，改变弹簧松紧实现吸力特性与反力特性的配合。
单相交流电磁机构，在铁心端面安装分磁环。
F∝Φ2，Φ正弦交变。
Φ为零时，F也为零，动铁心在F反作用下断开。
Φ增大时，F也增大。
当F﹥F反时，动铁心吸合，因此使动铁心产生振动。
加入分磁环，磁通的一部分穿过分磁环，在环中产生涡流，根据电磁感应定律，该涡流所产生的磁通Φ2比未穿过分磁环的磁通Φ1相位上滞后，其合力F1+F2始终大于F反，可消除振动。
二、触点系统
触头——是电磁式电器的执行部分，接通或断开电路
主触头和辅助触头：
主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。
常开（或动合）触头和常闭（或动断）触头。
桥式触头与指式触头两种，其中桥式触头又分为点接触式和面接触式，指形触头在接通或分断时产生滚动摩擦，以利于去掉触头表面的氧化膜。
指形触头适用于接电次数多、电流大的场合。
结构形式：
桥式触点，指形触点
根据接触形式不同可分为点接触、线接触和面接触三类。
点接触适用于电流不大，触头压力小的场合；线接触适用于接电次数多，电流大的场合；面接触适用于大电流的场合
1.触点的接触形式
触点结构形式
（a）点接触（b）线接触（c）面接触
点接触、线接触、面接触
线接触
面接触
点接触
2.触点的接触电阻
接触电阻大时触头易发热，温度升高，从而使触头易产生熔焊现象，既影响工作的可靠性，又降低了触头的寿命。
触头接触电阻的大小主要与触头的接触形式、接触压力、触头材料及触头的表面状况有关。
减小触头接触电阻的方法主要如下：
（1）增加接触压力，增加接触面积。
可在动触点上安装一个触点弹簧。
（2）选择电阻系数小的材料。
在触点上镀银或嵌银，以减小接触电阻。
（3）改善触点的表面状况，尽量避免或减少触头表面氧化物形成，注意保持触头表面清洁，避免聚集尘埃。
产生原因：
接触面不光滑，产生电流收缩现象。
定义：
由于动、静触点在过渡区域形成的电阻，称接触电阻。
减小接触电阻：
选用性能好的金属材料、触点上装设接触弹簧。
三、电弧的产生和常用的灭弧方法
1.电弧的产生
触点分断时，触点间电压达12-20V，电流达0.25-1A时，触点间隙内就产生电弧。
电弧对电器的影响：
使要断开的电路没有断开、使触点熔化、造成相间短路，甚至火灾。
2.常用的灭弧方法
低压控制电器常用的灭弧方法有：
电动力灭弧、磁吹灭弧、窄缝（纵缝）灭弧、栅片灭弧、机械灭弧等。
（1）灭弧栅灭弧
灭弧栅由多片表面镀铜的薄钢片组成。
置于灭弧罩内的触点上方，彼此之间互相绝缘，一旦发生电弧，被吸入栅片内，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，当交流电压过零时电弧自然熄灭。
这种灭弧装置常用于交流灭弧。
触点
电弧
栅片灭弧装置：
1—灭弧栅片；2—触点；3—电弧
灭弧栅是一组相互绝缘薄钢片，当电弧进入栅片时被分割成一段段串联的短弧，而栅片就是这些短弧的电极，这样就使每段短弧上的电压达不到燃弧电压。
同时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。
此外，栅片还能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却。
在交流电器中常采用栅片灭弧。
（2）灭弧罩灭弧
窄缝（纵缝）灭弧装置
灭弧罩内有一个或数个纵缝，缝的下部宽，上部窄，是利用灭弧罩的窄缝来实现的。
当触头断开时，电弧在电动力的作用下进入缝内，窄缝可将电弧柱分成若干直径较小的电弧，同时可将电弧直径压缩，使电弧同缝紧密接触，加强冷却和去游离作用，使电弧熄灭加快。
灭弧罩通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。
电弧进入灭弧罩后，电弧与灭弧罩接触，能使电弧迅速冷却而熄灭。
这种灭弧装置可用于交流和直流灭弧。
（3）磁吹灭弧
与触点电路串联的吹弧线圈，产生的磁场由导磁夹板引向触点周围，其方向由右手定则确定（为图中×所示），触点间的电弧所产生的磁场，其方向为+和⊙所示。
这两个磁场在电弧下方方向相同（叠加），在弧柱上方方向相反（相减），所以弧柱下方的磁场强于上方的磁场。
在下方磁场作用下，电弧受力的方向为F所指的方向，在F的作用下，电弧被吹离触点，经引弧角引进灭弧罩，使电弧熄灭。
触点电路中串入一吹弧线圈，触点电流通过吹弧线圈时要产生磁场，在磁场的作用下会产生电磁力，电弧被拉长并吹入灭弧罩中，电弧电流越大，灭弧能力越强。
广泛用于直流灭弧。
磁吹灭弧示意图
1—磁吹线圈；2—绝缘套；3—铁心；4—引弧角；5—磁导夹板；6—灭弧罩；7—动触头；8—静触头
（4）双断口灭弧
适用于桥式触点。
触点1和触点2的载流体在弧区产生磁场电弧电流在磁场中受力，使电弧向外运动，并拉长，一般多用于小功率的电器中。
动触点2
静触点1
桥式触头在分断时具有电动力吹弧功能。
当触头打开时，在断口中产生电弧，同时也产生如图中所示的磁场。
根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的力F的作用，使其向外运动并拉长，迅速离开触头而熄灭。
这种灭弧方法多用于小容量交流接触器等交流电器中。
工作原理
线圈中工作电流——磁场——磁路——电磁吸力——+复位弹簧的反作用力——衔铁吸向铁芯——衔铁铁芯可靠闭合——连接机构——相应触头动作；
什么是接触电阻?
它有哪些危害?
答:
连接器接触件的表面金属尽管镀金层十分光滑，但在显微镜下仍能观察到5～10微米的凸起部分。
因此，当动静触点闭合时插合的一对接触件的接触，并不整个面的与接触面的接触，而是散布在接触面一些点上的接触。
这些凸起的接触起着承载电流的作用，在这些接触部位形成了收缩状的电流线，使有效导电面积变得很小，触头接触处的电阻变得很大。
这种主要由于电流收缩增加的电阻叫做收缩电阻。
另外，在金属表面在空气中的氧化和硫化在触头表面形成一层导电性很差的金属膜或非金属覆盖层也增大了触头接触处的电阻，这种电阻叫做膜电阻。
这样，在动静触头接触处就形成了由收缩电阻和膜电阻构成的电阻，且它比金属本身的固有电阻大很多，叫做接触电阻。
接触电阻的产生，会使电流流过触头时造成一定的电压损失，还会使触头发热严重时形成熔焊，甚至发生电气系统故障所以，接触电阻是有害的但也是无法避免的应采取有效措施尽甩减小。
接触电阻有2种一个点接触一个面接触其受接触面积受力大小影响增大接触面积增大接触压力。
A、磨光或扩大接触面B、加大接触部分压力C、采用铜铝过渡夹
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