工业电气控制技术(第二版)

第1章 电器的基本知识 什么是电器？广义地说，凡是电气器具均可称为电器。但工业上所说的电器是指能依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动接通或断开电路，连续或断续地改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备及电工装置。简而言之，电器就是一种能控制电的工具。按我国电工行业的习惯，电机和变压器属于生产和变换电能的机械，不包括在电器之列。 1.1 电器概述 1.1.1 电器的分类 电器是伴随着电能的产生和应用而产生的，电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用，它是输配电和用电系统可靠运行的基础和重要保证，在国民经济中，有着不可代替的地位和作用。如今电器已成为现代工业过程自动化的重要基础元件，是组成电气成套设备的基础配套元件。无论是在工业、农业和交通运输业，还是科研、军事部门都需要大量的各种各样的电器。具有如此广泛用途的电器，其品种规格和分类方法必然很多。 1.按工作电压等级分 (1)低压电器：工作电压在交流1200V或直流1500V以下的各种电器，如接触器、控制器、启动器、刀开关、自动开关、低压熔断器、继电器、电阻器、主令电器等。 (2)高压电器：工作电压高于交流1200V或直流1500V的各种电器，如高压断路器、隔离开关、高压熔断器、避雷器等。 特别值得一提的是在用电过程中，必须注意电器安全，如果稍有麻痹或疏忽，就可能造成设备事故甚至造成严重的人身触电事故，或者引起火灾或爆炸，给国家和人民带来极大的损失。人们可根据场所特点，采用我国GB3805—1983安全电压标准。安全电压是防止触电事故而采用特定电源供电的电压系列。标准规定的安全电压额定值为42V、36V、24V、12V、6V，适用的情况为： (1)42V可供有触电危险的场所使用，如手持式电动工具等的使用。 (2)36V可供在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等使用。 (3)24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带电体的设备选用。 例如，为了确保人身安全，在大型锅炉、金属容器内工作时一定要使用12V或6V低压行灯；理发用的电推子，儿童的电动玩具都采用12V和24V的安全电压。注意GB3805—1983安全电压标准的安全电压等级系列不适用于水下等特殊场所，也不适用于插入人体内部的带电医疗设备。 2.按动作原理分 (1)手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务的电器，如刀开关、控制按钮、控制器、转换开关等。 (2)自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电信号自动完成指令任务的电器，如交直流接触器、继电器、高压断路器等。 3.按用途分 (1)控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器、各种控制继电器、控制器、启动器等。 (2)主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器，如控制按钮、行程开关、万能转换开关等。 (3)保护电器：用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器、各种保护电器、避雷器等。 (4)配电电器：用于电能的输送和分配的电器，如高压断路器、隔离开关、刀开关、断路器、自动开关等。 (5)执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。 4.按工作原理分 (1)电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器，如交直流接触器、各种电磁式继电器等。 (2)非电量控制电器：电器的工作是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、压力继电器、温度继电器等。 5.按电器的执行机构特点分 (1)有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现，如刀开关、接触器等。 (2)无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械接触，而是根据输出信号的高低实现的；半导体器件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三极管的饱和截止来实现电路的通断，如固态继电器、接近开关等。 1.1.2 电器产品的发展 1.我国电器产品的发展历程 我国20世纪50年代以前几乎没有电器的制造业，因此目前我国的低压电器产品大致可分为三代。 20世纪60～70年代：我国推出的**代电器产品是在完全模仿苏联的基础上设计开发的，以交流接触器、断路器CJ10、DZ10、DW10为代表，如图1.1所示，它们为我国低压配电和控制系统的发展起到了开创作用。这一代产品的特点是结构尺寸大、材料消耗多、性用于自动控制系统中发送控制指令的电器，如控制按钮、行程开关、万用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器、各种保护电用于电能的输送和分配的电器，如高压断路器、隔离开关、刀开关、断能指标不理想、品种规格不齐全，约有29个系列产品。总体技术性能相当于国外50年代水平，有的甚至是40年代的水平，**代产品将逐步退出历史舞台。 图1.1 **代电器 20世纪70～80年代：第二代产品以交流接触器、断路器CJ20、DZ20、DW15为代表共56个系列，如图1.2所示。第二代产品是更新换代和引进国外先进技术制造的，除了传统低压电器外，新型电器主要发展限流电器、真空电器、漏电电器、电子电器，其技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，结构上适应成套装置要求。这批产品总体技术性能水平相当于国外70年代末、80年代初的水平，是我国低压电器的支柱产品。 图1.2 第二代路器 20世纪90年代：第三代产品是以交流接触器、断路器CJ40、DZS、DW45为代表的10多个系列，如图1.3所示。它们是我国跟踪国外新技术自行开发试制的，产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化等特点，其总体技术性能达到或接近国外80年代末、90年代初水平。 图1.3 第三代电器 2.电器产品的发展趋势 近年来，电器的设计、研制和开发进入了一个崭新的时代。传统的有触点电器在结构原理、*佳结构设计和应用新材料、新工艺方面不断创新和完善，型电器以及微电子技术和电器技术相结合的机电一体化电器也在开拓发展中。随着计算机信息网络的发展，低压配电系统和电动机控制已统一形成了智能化监控、保护与信息网络系统。一方面使低压电器具有智能化的功能，另一方面采用计算机网络控制的低压电器均要求能与中央控制计算机进行通信，为此，各种基于现场总线技术，具有通信功能的可通信电器应运而生，电器产品向着组合化、成套化和智能化发展。 1.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用 1.三维计算机辅助设计系统 三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体，设计者可在三维空间完成零部件设计和装配，实现设计与制造的自动化与优化，并在此基础上自动生成工程图纸。三维计算机辅助设计系统的应用不仅能大幅度缩短开发周期与开发费用，提高产品性能与缩小体积，它的辅助制造部分还能自动完成零件的模具设计和加工工艺，并生成相应的数控代码，直接带动数控机床。 三维计算机辅助设计系统的分析仿真部分可对产品进行应力分析、对产品的机构进行静态和动态特性分析，甚至能进行热场和电磁场的计算，并能通过分析使产品的设计达到优化，获得*佳的性能和*小的体积。 2.低压电器专用计算机应用软件 为了完善和提高设计效率，除建立必需的数据、符号、标准元件库外，还需要一些专用分析、计算软件，如磁系统三维分析、计算软件包、电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电器合闸和分断过程动态仿真、电磁机构和触头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程的动态仿真、样机测试等软件包。 3.计算机网络系统的应用 进入20世纪90年代，随着计算机通信网络的发展，低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护与信息网络。它由智能化电器、监控器、中央计算机包括可编程控制器(PLC)及网络元件四部分组成。 监控器：在网络中起参数测量、显示和某些保护功能，还具有通信接口的作用，代替了传统的指令电器、信号电器和测量仪表。 网络元件：用于形成通信网络，主要有现场总线、操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等。 微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术的应用，一方面使低压电器智能化，提高了低压配电与控制系统的自动化程度，另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信，使低压配电、控制系统的调度、操作和维护实现了四遥（遥控、遥信、遥测、遥调），提高了整个系统的可靠性。 4.可靠性技术 随着低压配电和控制系统的大型化、复杂化，系统元件越来越多，一个元件故障可能会引发系统瘫痪。因此对电器的可靠性研究已成为一个重要工作。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。它对产品怎样失效及为什么失效的物理、化学过程进行研究，从而找出失效的真正原因，它是提高产品可靠性的基础性措施。 (2)可靠性指标与考核方法研究。影响电器可靠性的因素很多，根据不同产品的使用场合及常见故障、早期故障，科学地确定可靠性指标，它是可靠性研究的核心问题。 (3)可靠性实验装置研究。根据电器的可靠性指标及考核方法，研制相应的试验装置，它是提高电器可靠性的**条件。 (4)提高可靠性水平研究。根据可靠性考核中所暴露的问题，通过失效机理分析，提出改进措施，从而提高产品可靠性。 5.新的灭弧系统和限流技术 由于电力系统发展的需要，对低压开关电器提出了高性能和小型化的要求，传统意义上的灭弧系统已不能满足对低压开关电器开断能力的要求。人们正致力于研究新的灭弧系统和限流技术，实现开关电器，无飞弧。如采用一种三维磁场集中驱弧技术来提高塑壳断路器的开断性能）采用旋转式双断点的限流结构，并在前后级保护特性配合方面实现，能量匹配，以提高开关电器开断能力的新概念）采用新的绝缘材料抑制由于电极的金属蒸气扩散至绝缘器壁上形成的金属粒子堆积层，加强对电弧的冷却作用）应用电力电子技术的电子灭弧装置实现无弧分断电路等。 国外从20世纪90年代后期就推出了智能化、可通信的第四代产品。如今我国低压电器也已进入第四代的开发，传统低压电器正朝着高性能、高可靠性、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化和零部件通用化的方向发展。从90年代中期，我国低压电器产品的开发设计也开始逐步采用了计算机辅助设计、辅助制造和辅助分析。将电器技术与计算机网络技术相结合的各种可通信智能化电器、模数化终端组合电器及节能电器，也在研制开发、推广应用和生产中。而且我国部分先进企业已经大量引进国外高精度数控模具加工设备，某些关键材料外国公司也已经在中国建厂生产，使得模具制造和电器产品的关键材料已不再是阻碍我国低压电器产品发展的主要因素，目前我国电器新产品已发展到12大类、380个系列、1200多个品种、几万种规格。 但是，由于目前我国研究和开发的投入仅为国外著名公司的1%，因而迄今为止低压电器的设计仍未摆脱仿制为主的形式，属于原创性技术、具有自主知识产权的产品并不多。另一个阻碍我国低压电器产品发展的主要原因是零部件制造工艺、关键设备和生产过程在线检测设备与国外相比存在较大的差距。因此，随着国外大公司高性能产品逐步进入中国市场，我国第二代产品的市场占有率正在明显下降，第三代产品目前市场占有率还较低。但是随着自主开发的不断深入，在不久的将来我国电器产品与先进国家的差距势必会大大缩短并超过先进国家的水平。 1.2 电器的基本理论 电器在电力系统和传动系统中是线路的一个元件，从控制的角度看，电器应具有输入和输出部分，在结构上，电器一般由三个部分组成，即感测部分、判断部分和执行机构。感测部分接受外界输入的信号，通过转换、放