低压电器及其控制系统.ppt

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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:10/27/20221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10/27/202226.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作 用永久磁铁操作干簧管可进行的控制用永久磁铁操作干簧管可进行的控制 用永久磁铁操作干簧管时影响干簧管状态的因素用永久磁铁操作干簧

2、管时影响干簧管状态的因素 用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式6.干簧继电器的设计干簧继电器的设计 动合继电器的设计动合继电器的设计 用动合干簧管设计动断继电器用动合干簧管设计动断继电器 用动合干簧管设计保持继电器用动合干簧管设计保持继电器10/27/20223 干式干式舌簧继电器舌簧继电器用永久磁铁操作干簧管可进行的控制：用永久磁铁操作干簧管可进行的控制：按钮控制按钮控制 限位控制限位控制 行程控制行程控制 接近控制接近控制 检测控制检测控制用永久磁铁操作干簧管时影响干簧管触点闭合与断开的因素：用永久磁铁操作干簧管时影响干簧管触点闭合与断开的因素：永久磁铁

3、的材料（决定其磁性强弱）永久磁铁的材料（决定其磁性强弱）永久磁铁的结构（棒形、环形等）永久磁铁的结构（棒形、环形等）永久磁铁的尺寸永久磁铁的尺寸 干簧管的参数干簧管的参数 永久磁铁与干簧管间的相对位置永久磁铁与干簧管间的相对位置 永久磁铁和干簧管周围是否存在铁磁性材料永久磁铁和干簧管周围是否存在铁磁性材料5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作10/27/20224干簧管式自动水位控制装置干簧管式自动水位控制装置 干式干式舌簧继电器舌簧继电器10/27/20225干簧管式门控自动照明灯干簧管式门控自动照明灯 干式干式舌簧继电器舌簧继电器10/27/20226干簧管式产品产量自动计数干簧管式产品产量

4、自动计数 干式干式舌簧继电器舌簧继电器10/27/20227 干式舌簧继电器干式舌簧继电器5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作 由于永久磁铁与干簧管之间的磁场分布情况及由于永久磁铁与干簧管之间的磁场分布情况及其变化规律相当复杂，因此要对使干簧管的触点闭其变化规律相当复杂，因此要对使干簧管的触点闭合或断开的两者之间的位置关系进行定量计算是比合或断开的两者之间的位置关系进行定量计算是比较困难的。目前，在实际使用中通常是根据一定的较困难的。目前，在实际使用中通常是根据一定的经验数据来确定二者之间的位置关系，并通过实验经验数据来确定二者之间的位置关系，并通过实验进行调整，以保证干簧管的触点在永久磁铁的

5、操作进行调整，以保证干簧管的触点在永久磁铁的操作下产生所需要的闭合和断开动作。下产生所需要的闭合和断开动作。10/27/202286.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器 5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作 图图6.15(a)、(b)分分别别为为永永久久磁磁铁铁与与干干簧簧管管平平行行放放置及垂直放置时干簧管的动作区域。置及垂直放置时干簧管的动作区域。闭闭合合区区域域是是指指永永久久磁磁铁铁与与干干簧簧管管的的相相对对位位置置在在该该区域内时，干簧管的触点闭合；区域内时，干簧管的触点闭合；断断开开区区域域是是指指当当两两者者之之间间的的相相对对位位置置在在该该区区域域内内时，干簧管的触点断开；时

6、，干簧管的触点断开；保保持持区区域域是是指指当当干干簧簧管管的的触触点点闭闭合合(断断开开)后后，若若将将永永久久磁磁铁铁移移远远(移移近近)，但但两两者者之之间间的的相相对对位位置置在在该域内时，干簧管的触点仍保持闭合该域内时，干簧管的触点仍保持闭合(断开断开)。10/27/20229注：图中干簧管的操作区域是相对动合干簧管的注：图中干簧管的操作区域是相对动合干簧管的(a)永久磁铁与干簧管平行放置永久磁铁与干簧管平行放置(b)永久磁铁与干簧管垂直放置永久磁铁与干簧管垂直放置图图6.15 干簧管的操作区域干簧管的操作区域10/27/2022106.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器5.干簧管的永

7、磁操作干簧管的永磁操作用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式：用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式：往复运动往复运动 旋转运动旋转运动 偏磁式动作偏磁式动作 屏蔽式动作屏蔽式动作10/27/202211(a)永久磁铁与干簧管平行放置永久磁铁与干簧管平行放置(b)永久磁铁与干簧管垂直放置永久磁铁与干簧管垂直放置图图6.16 永久磁铁作往复运动时干簧管的通断情况永久磁铁作往复运动时干簧管的通断情况10/27/2022126.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式：用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式：旋转运动旋转运动(a)棒形磁铁棒形

8、磁铁(b)双极环形磁铁双极环形磁铁图图6.17 永久磁铁作旋转运动时干簧管的通断情况永久磁铁作旋转运动时干簧管的通断情况10/27/2022136.1 干式舌簧继电器干式舌簧继电器5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作用永久磁铁操作干簧管可用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式：采用的运动方式：偏磁式动作偏磁式动作 在干簧管的一侧放置一个磁偏磁在干簧管的一侧放置一个磁偏磁铁，永久磁铁在干簧管的另一侧铁，永久磁铁在干簧管的另一侧作往复运动，使干簧管的触点接作往复运动，使干簧管的触点接通与断开通与断开。加磁偏磁铁时干簧管的通断情况加磁偏磁铁时干簧管的通断情况10/27/202214 干式舌簧继电器干式

9、舌簧继电器5.干簧管的永磁操作干簧管的永磁操作用永久磁铁操作干簧管用永久磁铁操作干簧管可采用的运动方式：可采用的运动方式：屏蔽式动作屏蔽式动作永久磁铁与干簧管间放有一永久磁铁与干簧管间放有一块屏蔽铁板块屏蔽铁板，当屏蔽铁板作，当屏蔽铁板作往复运动时，干簧管的通断往复运动时，干簧管的通断情况如图所示。情况如图所示。图图6.19 屏蔽铁板作往复运动时屏蔽铁板作往复运动时 干簧管的通断情况干簧管的通断情况10/27/202215 干式舌簧继电器干式舌簧继电器6.干簧继电器的设计干簧继电器的设计用动合干簧管设计动断继电器的条件：用动合干簧管设计动断继电器的条件：（1）永久磁铁放在动合干簧管的闭合区内。

10、）永久磁铁放在动合干簧管的闭合区内。（2）线圈（控制）磁通与永磁磁通方向相反。）线圈（控制）磁通与永磁磁通方向相反。10/27/202216 干式舌簧继电器干式舌簧继电器6.干簧继电器的设计干簧继电器的设计用动合干簧管设计保持继电器的条件：用动合干簧管设计保持继电器的条件：（1）永久磁铁放在动合干簧管的保持区内。）永久磁铁放在动合干簧管的保持区内。（2）使动合干簧管的触点闭合时，线圈磁通与永磁磁通方向相同；使）使动合干簧管的触点闭合时，线圈磁通与永磁磁通方向相同；使 动合干簧管的触点断开时，线圈磁通与永磁磁通方向相反。动合干簧管的触点断开时，线圈磁通与永磁磁通方向相反。10/27/202217

11、干簧管式自动水位控制装置干簧管式自动水位控制装置 干式干式舌簧继电器舌簧继电器10/27/202218干簧管式门控自动照明灯干簧管式门控自动照明灯 干式干式舌簧继电器舌簧继电器10/27/202219干簧管式产品产量自动计数干簧管式产品产量自动计数 干式干式舌簧继电器舌簧继电器10/27/202220第第7章章 带永久磁铁的继电器带永久磁铁的继电器7.1 概概 述述带永久磁铁的继电器包括以下几种：带永久磁铁的继电器包括以下几种：带永磁的舌簧继电器带永磁的舌簧继电器极化磁系统继电器极化磁系统继电器 极化磁系统电磁继电器极化磁系统电磁继电器 极化继电器极化继电器 磁保持继电器磁保持继电器磁电式继电

12、器磁电式继电器永磁返回式继电器永磁返回式继电器10/27/2022217.2 永磁材料的去磁曲线与回复线永磁材料的去磁曲线与回复线1.永磁材料的去磁曲线永磁材料的去磁曲线 永永磁磁材材料料也也称称“硬硬磁磁材材料料”，具具有有磁磁滞滞现现象象，它它的的矫矫顽顽力力Hc远远比比软软磁磁的的高高，可可达达几几百百甚甚至至几几千千A/cm(软软磁磁材材料料Hc的的一一般般小小于于1A/cm)，而而它它的的剩剩磁磁感感应应强强度度却却并并不不一一定比软磁的高，因此它定比软磁的高，因此它具有很宽的磁滞回线具有很宽的磁滞回线。10/27/2022227.2 永磁材料的去磁曲线与回复线永磁材料的去磁曲线与回

13、复线1.永磁材料的去磁曲线永磁材料的去磁曲线（1）永久磁铁的制造过程和极限磁滞回线）永久磁铁的制造过程和极限磁滞回线 图图所所示示的的开开口口永永久久磁磁铁铁环环上上均均匀匀地地绕绕着着磁磁化化线线圈圈，以以保保证证环环中中各各截截面面的的磁磁感感应应强强B一一致致，在在环环的的开开口口处处加加上上一一软软磁磁材材料料的的磁磁化化铁铁块块，以以使使磁磁路路容容易易饱饱和和，从从而而减减小小激激磁磁电电流流。图图中中，。给给线线圈圈通通以以足足够够大大的的电电流流i，使使磁磁环环磁磁化化至至非非常常饱饱和和，其其磁磁场强度的值应为场强度的值应为 （）（）反反复复改改变变电电流流i的的方方向向若若

14、干干次次后后，永永久久磁磁铁铁的的工工作作点点就就在在一一稳稳定定的的极极限限磁磁滞滞回回线线(图图7.2)上变化。上变化。图图7.1 永久磁铁的制造过程永久磁铁的制造过程 图图7.2 极限磁滞回线极限磁滞回线10/27/2022237.2 永磁材料的去磁曲线与回复线永磁材料的去磁曲线与回复线1.永磁材料的去磁曲线永磁材料的去磁曲线（2）永久材料的去磁曲线永久材料的去磁曲线切断激磁电流，则由安培环路定律切断激磁电流，则由安培环路定律 即即 （）（）由于磁化铁块由软磁材料制成，故可认为其磁导率由于磁化铁块由软磁材料制成，故可认为其磁导率 为无穷大，即为无穷大，即有有 ，由式，由式(7.2)可得，

15、可得，；而；而H0时，永久磁铁的磁时，永久磁铁的磁感应强度感应强度 或或 ，因此，因此切断激磁电流后，永久磁铁的工作点切断激磁电流后，永久磁铁的工作点就应在就应在(0，Br)上或上或(0，-Br)上。上。10/27/2022247.2 永磁材料的去磁曲线与回复线永磁材料的去磁曲线与回复线1.永磁材料的去磁曲线永磁材料的去磁曲线（2）永久材料的去磁曲线永久材料的去磁曲线为建立工作气隙磁场，取下磁化铁块，应有为建立工作气隙磁场，取下磁化铁块，应有 （）（）或或 （）（）因因 （）（）故故 （）（）式中式中 气隙磁导，气隙磁导，。上式表明，建立气隙磁场后，安培环路定律便要求永久磁铁内的磁感应强度上式

16、表明，建立气隙磁场后，安培环路定律便要求永久磁铁内的磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H的比值为一负数，即的比值为一负数，即B、H一正一负一正一负(在永久磁铁内部，在永久磁铁内部，与与 方向相反方向相反(见图见图7.1)，只能处于极限磁滞回线的第二象限或第四象限上。，只能处于极限磁滞回线的第二象限或第四象限上。B与与H的关系在的关系在B-H平面内为一通过原点的直线平面内为一通过原点的直线(图图7.2)，斜率为，斜率为 该直线称为该直线称为负载线负载线或或磁导线磁导线，它与极限磁滞回线的交点，它与极限磁滞回线的交点 或或 即是即是永久磁铁永久磁铁的工作点的工作点。10/27/2022257.2 永

17、磁材料的去磁曲线与回复线永磁材料的去磁曲线与回复线1.永磁材料的去磁曲线永磁材料的去磁曲线（2）永久材料的去磁曲线永久材料的去磁曲线 由于永磁材料的工作点只能由于永磁材料的工作点只能处于极限磁滞回线的第二象限部处于极限磁滞回线的第二象限部分或第四象限部分，而这两部分分或第四象限部分，而这两部分是对称的，因此我们一般只讨论是对称的，因此我们一般只讨论永磁材料工作于永磁材料工作于第二象限第二象限的情的情况。况。永磁材料极限磁滞回线永磁材料极限磁滞回线第二第二象限象限的部分称为的部分称为去磁曲线去磁曲线(或或退退磁曲线磁曲线)，如图中，如图中BrmmHc 所所示。示。各种永磁材料的去磁曲线可各种永磁

18、材料的去磁曲线可以用实验方法求得。以用实验方法求得。图图 去磁曲线和回复线去磁曲线和回复线10/27/2022267.2 永磁材料的去磁曲线与回复线永磁材料的去磁曲线与回复线2、回复线和回复磁导率回复线和回复磁导率 若永磁材料退磁到若永磁材料退磁到m点后，再使退磁磁场减小到零，则磁状态点后，再使退磁磁场减小到零，则磁状态不是沿去磁曲线回升，而是沿不是沿去磁曲线回升，而是沿mpr曲线曲线回升，当回升，当H为零时回升到为零时回升到点点r(低于低于Br)。若再度加上退磁磁场，则磁状态的改变是沿。若再度加上退磁磁场，则磁状态的改变是沿rqm曲线回到接近曲线回到接近m的工作点。多次反复后形成的工作点。多

19、次反复后形成mprqm回线回线，称为，称为局部磁滞回线或回复回线局部磁滞回线或回复回线。由于回复回线的两个分支非常接近，因此一般可近似地用由于回复回线的两个分支非常接近，因此一般可近似地用直线直线mr代替该回线，代替该回线，mr 线即称为回复线线即称为回复线，其斜率，其斜率tan称为称为回复磁导回复磁导率率uret(也称也称回复系数回复系数)。对应于不同的工作点如。对应于不同的工作点如m点，将有点，将有不同的回复线和回复磁导率，但实验表明，不同点的回复磁导不同的回复线和回复磁导率，但实验表明，不同点的回复磁导率相差不大，并且近似等于在率相差不大，并且近似等于在Br点对去磁曲线所作的切线点对去磁

20、曲线所作的切线(见图见图7.3)的斜率。的斜率。10/27/2022277.4 永磁磁路的计算永磁磁路的计算1.永久磁铁的两种工作状态永久磁铁的两种工作状态永久磁铁的工作状态有两种：永久磁铁的工作状态有两种：（1）工作点位于去磁曲线上，有时称为静态式；）工作点位于去磁曲线上，有时称为静态式；（2）工作点位于回复线上，有时称为动态式。）工作点位于回复线上，有时称为动态式。在在计计算算永永磁磁磁磁路路时时，首首先先应应明明确确永永磁磁的的工工作作状态。状态。10/27/202228(1)永久磁铁的工作点位于去磁曲线上永久磁铁的工作点位于去磁曲线上 图图所所示示的的充充磁磁完完毕毕的的永永久久磁磁铁

21、铁环环在在取取下下磁磁化化铁铁块块而而建建立立工工作作气气隙隙磁磁场场后后，如如果果气气隙隙磁磁阻阻是是不不变变的的，则则永永久久磁磁铁铁的的工工作作点点就就在在去去磁磁曲曲线线上上(图图中中的的点点a)，其其 负负 载载 线线 的的 斜斜 率率 由由 式式(7.6)所确定。所确定。现现再再以以图图所所示示的的永永磁磁磁磁路为例来说明这种情况。路为例来说明这种情况。图图 永磁磁系统永磁磁系统10/27/202229(1)永久磁铁的工作点位于去磁曲线上永久磁铁的工作点位于去磁曲线上 如如图图7.9(a)所所示示，首首先先将将棒棒状状永永久久磁磁铁铁置置于于充充磁磁机机内内磁磁化化，使使之之工工作

22、作在在极极限限磁磁滞滞回回线线上上。然然后后断断开开充充磁磁机机线线圈圈电电流流，此此时时永永久久磁磁铁铁的的工工作作点点在在去去磁磁曲曲线线的的Br点点。将将已已充充磁磁的的永永久久磁磁铁铁从从充充磁磁机机上上取取下下来来以以前前，先先用用一一块块软软磁磁材材料料的的短短路路器器将将其其两两个个磁磁极极短短路路(见见图图7.9(b)，使使其其在在取取出出后后的的工工作作点点仍仍在在Br附附近近。将将永永久久磁磁铁铁装装入入图图所所示示的的磁磁系系统统后后再再取取去去短短路路器器。这这时时，由由于于工工作作气气隙隙磁磁阻阻的的影影响响，永永久久磁磁铁铁内内的的磁磁通通(或或B值值)将将会会沿沿

23、着着去去磁磁曲曲线线下下降降，即即其其工工作作点点在在去去磁磁曲曲线线上。上。（a）充磁机）充磁机 （b）短路器）短路器 图图7.9 充磁机与短路器充磁机与短路器10/27/202230(1)永久磁铁的工作点位于去磁曲线上永久磁铁的工作点位于去磁曲线上注意：在上述情况下，只有在工作过程中磁路注意：在上述情况下，只有在工作过程中磁路内的磁阻（主要取决于气隙磁阻）不变，且磁内的磁阻（主要取决于气隙磁阻）不变，且磁系统不再经受磁性稳定的退磁处理时，永久磁系统不再经受磁性稳定的退磁处理时，永久磁铁才能稳定地工作于去磁曲线上。铁才能稳定地工作于去磁曲线上。归纳起来，永磁工作在去磁曲线上的条件是：归纳起来

24、，永磁工作在去磁曲线上的条件是：磁系统的部分装配磁导大于完全装配磁导；磁系统的部分装配磁导大于完全装配磁导；磁系统在工作过程中无去磁效应磁系统在工作过程中无去磁效应(电流去磁或磁电流去磁或磁导去磁导去磁)。10/27/202231(2)永久磁铁的工作点位于回复线上永久磁铁的工作点位于回复线上 大大多多数数电电器器和和电电机机中中永永久久磁磁铁铁的的工工作作点点都都不不在在去去磁磁曲曲线线上上，而而在在回回复复线线上上，因因为为工工作作在在去去磁磁曲曲线线上上很很容容易易受受到到外外界界磁磁场场的的干干扰扰而而改改变变其其工工作作点点，原因如下：原因如下：假假定定永永久久磁磁铁铁原原来来工工作作

25、于于去去磁磁曲曲线线上上的的点点a，其其磁磁感感应应强强度度为为Ba,如如图图所所示示。如如果果有有一一干干扰扰磁磁场场使使永永久久磁磁铁铁去去磁磁，导导致致工工作作点点沿沿去去磁磁曲曲线线下下降降至至点点c，那那么么当当此此干干扰扰磁磁场场消消失失后后，永永久久磁磁铁铁的的工工作作点点不不会会再再回回到到点点a，而而是是沿沿以以点点c为为起起始始点点的的回回复复线线cc上上升升到到a点点(设设气气隙隙磁磁导导不不变变，即即负负载载线线斜斜率率不不变变)，此此时时磁磁感感应应强强度度为为Ba。可可见见，在在干干扰扰磁磁场场作作用用后后，永永久久磁磁铁铁的的磁磁感感应应强强度度由由Ba下下降降为

26、为Ba，因因而而使工作气隙中的磁通发生变化。使工作气隙中的磁通发生变化。图图7.10 干扰磁场对工作点的影响干扰磁场对工作点的影响10/27/202232(2)永久磁铁的工作点位于回复线上永久磁铁的工作点位于回复线上为为了了使使永永久久磁磁铁铁的的工工作作点点不不受受外外界界干干扰扰磁磁场场的的影影响响，往往往往在在装装配配后后要要对对电电器器进进行行一一次次所所谓谓“交交流流去去磁磁”的的处处理理，使使永永久久磁磁铁铁工工作作于于一一条条稳稳定定的的回回复复线线上，例如图上，例如图中的中的cc。交交流流去去磁磁的的方方法法是是，将将磁磁系系统统放放入入通通有有交交流流电电的的空空心心螺螺管管

27、线线圈圈中中，并并使使交交流流电电所所产产生生的的磁磁力力线线方方向向顺顺着着永永久久磁磁铁铁的的磁磁化化方向。方向。图图7.11 交流去磁时的工作点交流去磁时的工作点10/27/2022332.永磁磁路的计算永磁磁路的计算不计漏磁和铁心磁阻的永磁磁路计算不计漏磁和铁心磁阻的永磁磁路计算图图7.14 不计漏磁和铁心磁阻时的磁路不计漏磁和铁心磁阻时的磁路10/27/202234由安培环路定理由安培环路定理式中式中H,L分别为永磁内的磁场强度和永磁长度分别为永磁内的磁场强度和永磁长度.令永磁内的磁感应强度和永磁截面积令永磁内的磁感应强度和永磁截面积分别为分别为B和和S,则有则有式中式中 工作气隙磁

28、导工作气隙磁导.由上式得由上式得 式中式中(7.24)(7.25)(7.26)为归化为归化(归算到永磁中的归算到永磁中的)气隙磁导率，其物理意义为，将气隙的尺寸变为永磁尺寸后气隙磁导率，其物理意义为，将气隙的尺寸变为永磁尺寸后的等值的等值(不变不变)磁导率磁导率.负载线斜率负载线斜率(7.27)2.永磁磁路的计算永磁磁路的计算10/27/202235(a)(b)图图7.15 图磁路的图解图磁路的图解永磁工作于去磁曲线上和回复线上的图解示于图永磁工作于去磁曲线上和回复线上的图解示于图7.15(a)(b).图图7.15(b)中的中的m点点为最大去磁点为最大去磁点(回复线的起始点回复线的起始点),由部分装配由部分装配(完全装配前完全装配前)和完全装配下的最小磁导和完全装配下的最小磁导率率(绝对值绝对值)所决定所决定(当由磁导去磁决定最大去磁点时当由磁导去磁决定最大去磁点时),或由交流去磁电流的最大或由交流去磁电流的最大值所决定值所决定(当由交流去磁决定最大去磁点时当由交流去磁决定最大去磁点时).2.永磁磁路的计算永磁磁路的计算10/27/202236