正文 第一章 常用低壓電器元件(2 / 3)

(二)電弧的產生與危害

1.電弧的產生

當接觸器觸點切斷電路時,如電路中電壓超過10~12V或電流超過80~100mA,在打開的兩個觸點之間將會出現強烈火花,這實際上是一種氣體放電現象,通常稱為“電弧”。電弧就是在觸點斷開瞬間,由於動靜觸點間距離極小,電場強度極大,動靜觸點間產生大量的帶電粒子,加速運動後形成灼熱的電子流,產生弧光放電現象。

2.電弧的危害性

電弧的存在對電器和電路都會造成不良影響。在觸點斷開時所產生的電弧,使要斷開的電路實際上並沒有及時斷開而影響控製的準確性;電弧產生的高溫會使觸點氧化和燒灼;嚴重的時候,電弧向四周噴濺也會損壞電器及其它設備,甚至造成短路事故。

(三)滅弧及滅弧裝置

1.滅弧

欲使電弧熄滅,應該設法降低電場強度和電弧的溫度以加強消電離速度並減弱電離速度。當電離速度大大低於消電離速度時,電弧就會很快熄滅。由此,采用了各種滅弧措施,設計了各種滅弧裝置。

2.滅弧裝置及其適用場合

根據上述滅弧原則,常用的滅弧裝置有以下幾種。

(1) 磁吹式滅弧裝置 這種滅弧裝置是由磁吹線圈3、滅弧罩5、滅弧角6等部分組成的。磁吹線圈由扁銅條彎成並串在負載電路中,中間裝有鐵芯1,它們之間有絕緣套筒2;鐵芯兩端裝有兩片鐵質的導磁夾板4,放在滅弧罩內的觸點就處在夾板之間。磁吹線圈和觸點串聯,流過觸點的負載電流也流過磁吹線圈。觸點剛一打開時產生電弧,電弧電流在電弧四周形成一個磁場,其方向可以用右手螺旋法則來確定。在電弧上方磁通方向是離開紙麵的,用⊙來表示;在電弧下方磁通方向是進入紙麵的,用來表示。流過磁吹線圈的電流在鐵芯1中產生磁通並經過一邊夾板,穿過夾板的間隙進入另一邊夾板而形成閉合磁路,用×來表示。這樣,在電弧上方,流過磁吹線圈的電流形成的磁通方向與電弧電流所產生的磁通方向正好相反,於是電弧上方的磁通被削弱而減小;而在電弧的下方,則由於兩個磁通的方向相同,磁通增強。受到磁場力F的作用,電弧將從磁場強的一邊拉向磁場弱的一邊。這樣一來,電弧就向上運動而被拉長。滅弧角6與靜觸點相接,其作用是引導電弧向上快速運動。由於電弧自下而上地迅速拉長並和空氣發生了相對運動,這就不僅相當於降低電場強度,還實際使電弧溫度降低,起到冷卻和去遊離的作用,促使電弧熄滅。此外,電弧在向上運動時被不斷拉長,相當於不斷降低電場強度。當電源電壓不足以維持電弧燃燒時,電弧熄滅。

由上可見,磁吹式滅弧裝置的滅弧原理是靠磁吹力的作用,使電弧在空氣中迅速拉長並同時進行冷卻從而使電弧熄滅的。因此,電弧電流越大,滅弧能力也越強。當電流方向改變時,磁場方向也同時改變,但電弧受到的磁吹力方向不變,電弧仍向上移動,其滅弧作用相同。這種滅弧裝置廣泛用於直流接觸器中。原因是直流接觸器滅弧較難,一般用滅弧能力較強的磁吹式滅弧裝置;而交流接觸器滅弧容易(交流過零),通常可用滅弧柵和滅弧罩滅弧。

(2)滅弧柵滅弧裝置 滅弧柵是由許多鍍銅薄鋼片組成,片間距離為2 ~ 3mm,把它安放在觸點上方的滅弧罩中。一旦觸點打開並產生電弧,電弧周圍產生磁場,導磁鋼片就將電弧吸入柵片之間。電弧被柵片分割成許多串聯的短電弧,當交流電壓過零時電弧自然熄滅。兩柵片間必須有150~250V的電弧電壓時,電弧方能重新燃燒。這樣,一方麵電源電壓不足以維持電弧,同時由於柵片及滅弧罩的散熱冷卻作用,電弧自然熄滅後很難重燃起來。這種滅弧方法多用於交流接觸器中。

(3)滅弧罩比滅弧柵更為簡單的是采用一個用陶土和石棉水泥製成的耐高溫的滅弧罩裝置,用以降低電弧的溫度和隔離電弧,並有效地防止電弧噴濺而損壞電器及其它設備。滅弧罩可用於交流和直流滅弧。

(4)多斷點滅弧多斷點滅弧又稱橋式觸點滅弧。在交流電路中多采用橋式觸點來增強滅弧能力。它有兩處斷開點,相當於兩對電極,若有一處斷開點要使電弧熄滅後重燃需要150~250Ⅴ,現兩處斷點就需要2×(150~250)V,所以有利於滅弧。若采用雙極或三極接觸器控製一個電路時,根據需要可靈活地將兩個極或三個極串聯起來當做一個觸點使用,這組觸點便成為多斷點,加強了滅弧效果。

(四)電磁機構及其工作原理

1.電磁機構的作用和組成

電磁機構是接觸器的主要組成部分之一,它將電磁能轉換成機械能,帶動觸點使之閉合或斷開,從而接通或斷開被控製的電路。電磁機構由吸引線圈和磁路兩部分組成。磁路係統包括鐵芯、銜鐵、鐵軛和空氣隙。

2.電磁機構的分類

(1)按銜鐵的運動方式分

1)銜鐵繞棱角轉動。銜鐵繞鐵軛的棱角而轉動,磨損較小,鐵芯用軟鐵製成。適用於直流接觸器。

2)銜鐵繞軸轉動。銜鐵繞軸轉動,鐵芯用矽鋼片疊成。用於交流接觸器。

3)銜鐵作直線運動。銜鐵在線圈內作直線運動,鐵芯用矽鋼片疊成。多用於交流接觸器。

(2)按磁路係統形狀分電磁機構可分為U形和E形。

(3)按吸引線圈的連接方式分可分為並聯(電壓)線圈和串聯(電流)線圈兩種。

(4)按吸引線圈的電流種類分可分為直流線圈和交流線圈兩種。

3.電磁機構的工作原理

電磁機構的工作原理可以用其吸力特性和反力(亦稱阻力)特性來描述。

(1)電磁機構的吸力特性電磁機構的吸力F與氣隙δ之間的關係曲線稱為吸力特性。

電磁機構的吸力大小隨勵磁電流的種類(交流或直流)、吸引線圈的連接方式(串聯或並聯)的不同而有所差異。

1)具有電壓線圈的直流電磁機構吸力特性,因外加直流電壓和線圈的電阻不變,所以流過吸引線圈的電流為常數,它與磁路係統的氣隙大小無關。

可見,電磁機構的吸力與磁阻平方成反比,即與氣隙平方成反比。這樣吸力特性為二次曲線形式,它表明銜鐵閉合前後吸力變化很大,而線圈電流為常數不變。由此可知直流接觸器的吸力特性較好。

2)具有電壓線圈的交流電磁機構吸力特性:設外加交流電壓不變,交流吸引線圈的阻抗主要取決於線圈的電抗,即其電阻可以忽略不計。

當電源頻率f、電源電壓U和線圈匝數N均為常數時,磁通Φ為常數,即磁通密度B為常數,故吸力F也為常數。它說明交流電磁機構的吸力F與氣隙δ的大小無關。但是實際上,由於漏磁的大小隨著氣隙大小而略有變化,所以吸力F隨氣隙δ的減小略有增加。當氣隙δ變化時,為保持磁通Φ不變,線圈的電流I與氣隙δ成線性關係。一般U形交流電磁機構在線圈剛一通電而銜鐵尚未吸合瞬間,其電流可達到吸合後額定電流的5~6倍,E形電磁機構將達到10~15倍。如果銜鐵因故被卡住不能吸合,或頻繁動作,線圈就可能過熱燒毀。實際使用中,對於可靠性要求高、或頻繁動作的控製係統采用直流電磁機構,而不采用交流電磁機構。

(2)電磁機構的反力特性反力特性又稱阻力特性,它是電磁機構轉動部分的靜阻力F0與氣隙δ的關係特性。阻力的大小與作用彈簧、摩擦力及銜鐵重量等有關。在δ1~δ2區域內,阻力數值隨氣隙減小略有增加;到達δ2位置時因動觸點剛與靜觸點接觸,把動觸點上的彈簧初壓力作用到靜觸點上,造成阻力突然增大,曲線突變;在δ2~0區域內,氣隙越小,觸點壓得越緊,阻力也越大,曲線較前更陡些。

(3) 吸力特性與反力特性的配合關係 要保證銜鐵可靠吸合,在整個吸合過程中吸力必須處處大於反力,但又不能大得太多,否則,造成銜鐵與鐵芯每次吸合時都會狠狠撞擊而影響機器的機械壽命。上述特性關係對繼電器也同樣適用。

在使用過程中,常常調整反力彈簧或觸點的初壓力、以改變反力特性來保證吸力特性與反力特性的良好配合。

4.短路環及其應用

在單相交流電磁機構中,由於電源電壓是交流變化的,其形成的磁通也是交變的。當電壓過零時磁通也過零,它產生的吸力也為零,吸合了的銜鐵在反力作用下將被拉開;當磁通過零後又增大時吸力也增大,在吸力大於反力後銜鐵又吸合。由於交流電源頻率為50Hz,所以吸力隨之每個周波有兩次過零,因而銜鐵將會產生強烈振動與噪聲,嚴重時會使鐵芯鬆散。這不僅影響電器的機械壽命,而且影響被控製電路可靠接通。但是,隻要在交流接觸器的鐵芯端麵上安裝一個銅製的短路環(又稱分磁環),使鐵芯通過兩個在時間上不相同的磁通就可以了。