电器理论基础复习范围Word格式.docx
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（1）有触点电器—电器通断的执行功能由触点来实现;
（2）无触点电器—通断的执行功能不是由触点结构来实现，而是根据开关元件输出信号的高低电平来实现。
在执行通断任务的转换过程中，引入转换深度的概念
式中：
RDK—断开或截止时执行电路的电阻值，
RJT—接通或导通时执行电路的电阻值。
对有触点电器，h=1010~1014、而对无触点电器，h=104~107。
（3）混合式电器—有触点和无触点结合的电器，它的转换深度介乎两者之间。
（2）典型结构
从控制角度观察，电器必须具有输入和输出两大部分，在结构上具有感测器官和执行器官。
继电器、接触器
二、发热与电动力（有计算题，例题见书上）
1、三种损耗：
导体（铜）的阻抗损耗
交变电磁场在导磁体（铁）中产生的磁滞与涡流损耗
绝缘材料的介质损耗。
结果：
⑴
散失到周围介质；
⑵其余用来加热电器。
2、“电器各部件极限允许温升”的定义：
电器各部件极限允许温升=极限允许温度-工作环境温度
我国标准规定周围空气的温度范围为±
40℃
3、电器各部件的极限允许温升制定依据：
保证电器的绝缘不致因温度过高而损坏
不致因温度过高使工作寿命过分降低
导体和结构部分不致因温度过高而降低其机械性能
4、软化点:
机械强度开始显著下降时的温度称为材料的软化点。
5、电器散热有三种形式，即热传导、热对流和热辐射。
热传导是固态物质传热的主要方式，温差的存在是热交换的必要条件！
（2）牛顿公式
电器表面稳定温升与工作制有关。
计算电器表面稳定温升时，一般是将三种散热方式合在一起，用牛顿热计算公式求电器表面的稳定温升值，即：
式中，
Ps：
总散热功率；
A：
有效散热面积；
：
发热体温升，
＝θ-θ0，θ和θ0是发热体温度和周围环境温度。
KT：
导体表面综合散热系数，
（3）、短时工作制和长时工作制
1.“热稳定电流”定义：
在规定的使用和性能条件下，开关电器在指定短时间内、于闭合位置上所能承受的电流。
电器的散热有传导、对流和辐射三种方式，可以用一个综合的散热系数来考虑，这就是牛顿公式。
计算电器温升的基本方程是热平衡方程，其中包含发热、散热和吸热三项。
在稳定状态下吸热项为零，短时发热时可不考虑散热项。
电器的工作制有长期工作制、间断长期工作制、反复短时工作制和短时工作制四种。
电器加热和冷却对应的温度上升和下降的过程是指数曲线。
表征温度上升和下降快慢的是热时间常数，热时间常数与发热体的质量和比热成正比，与散热系数和散热面积成反比。
（4）电动力计算
1、电动力：
载流导体（有电流通过的导体）在磁场中所受到的磁场对电流的作用力。
它既有大小，也有方向！
电动力的大小和方向与电流的种类、大小和方向有关，也与电流经过的回路形状、回路的相互位置、回路间的介质、导体截面形状等有关。
2、公式（记公式并会应用，见课本）
3、电器的电动稳定性：
指电器能承受短路电流电动力的作用而不致破坏或产生永久变形的能力。
对触头而言，是指短路电流通过时触头不应被电动力斥开和产生熔焊。
表示方式：
电器的电动稳定性常用电器能承受的最大冲击电流的峰值，或峰值电流与额定电流的比值表示。
二、直流电弧
1、“电弧”的定义：
在大气中开断电路时，当电源电压U>
U0=（12～20）Ｖ，被开断电流Ｉ>
（0.25～1）Ａ时，触头间隙中产生的一团温度极高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。
2、电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（Plasma）。
3、电弧具有温度高和发强光的性质，被广泛用于焊接、熔炼和强光源等各个技术领域。
但是，在开关电器中，电弧的存在却具有两重性。
一方面它可给电路中磁能的泄放提供场所，从而降低电路开断时产生的过电压，另一方面它延迟电路的开断、烧损触头，在严重的情况下甚至可能引起开关电器的着火和爆炸。
4、气体放电:
是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。
气体放电的前提：
气体电离化。
电弧是气体放电的一种形式。
5、气体电离方式可以分为：
表面发射和空间电离。
6、去电离：
也叫消电离；
是指电离气体中的带电粒子离开电离区域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。
去电离方式：
包括复合与扩散。
7、复合：
两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。
具体有以下两种方式：
a、表面复合：
四种。
电子进入阳极；
正离子接近阴极后从阴极取得电子，自身变为中性粒子；
负离子接近阳极后将电子移给阳极，自身变为中性粒子。
还有，走向未带电金属的带电粒子在金属表面感应出相反的电荷，由于库伦力的作用它被吸附到金属表面。
如果此时再有另一异号带电粒子也走向金属表面，则两个粒子通过金属分别交出和取得电子而变成一个或两个中性粒子。
b、空间复合：
两种
直接复合：
正离子和电子在空间相遇后形成一个中性粒子
间接复合：
电子粘在中性粒子上形成负离子，再与正离子相遇复
8、电弧产生的场合：
1）电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，会产生电弧；
2）触头闭合过程中，因动触头“弹跳”，在一定条件下产生电弧；
3）触头分离时，电弧产生过程。
9、电弧是热和电的统一体，具有“热-电效应”。
热方面，熄灭电弧的关键是创造条件使电弧迅速冷却，使输入热功率小于散失功率；
离子动平衡方面，使去电离强度大于电离强度，可使电弧熄灭。
10、按照电压沿弧长的分布情况，电弧分为三个区域：
近阴极区、近阳极区和弧柱区。
按照弧柱区的长短，电弧分为长孤和短弧。
短弧的Uh几乎不随Ik变化，长弧的Uh＝El。
四、交流电弧
1、介质恢复过程：
弧隙中电离气体从导电状态迅速变为绝缘状态，使弧隙能承受电压作用而不发生电弧重燃的过程。
2、电压恢复过程：
熄弧后电路将被开断，电源电压加到弧隙两端触头上的过程。
3、近阴极效应：
电流过零期间，弧隙两端电压也过零，此时弧隙中的正负带电粒子由于热运动而处于均匀分布状态。
电流过零后，当弧隙两端电压极性改变时，电子迅速向正极方向运动，而离子由于质量很大，加速缓慢，如果新阴极较冷，要产生电弧电子只能靠阴极表面处存在的高电场进行发射，要求E0大于一定值（如106v/cm）。
电场E0随着电极上电压Uj的增大而增大，所以Uj必须大于一定值；
否则，E0就不足以产生场致发射，电弧便不能再产生。
4、交流电弧熄灭条件：
在交流电流过零后，弧隙中的实际介质恢复强度特性总是高于加在弧隙上的实际恢复电压特性，即实际的ujf（t）>
实际的uhf（t）。
五、灭弧装置
（1）、灭弧装置
1．简单开断；
2．磁吹灭弧装置；
3．纵缝灭弧装置；
4．绝缘栅片灭弧装置；
5．金属栅片灭弧装置；
6．固体产气灭弧装置，
7．石英砂灭弧装置；
8．变压器油灭弧装置；
9．压缩空气灭弧装置；
10．SF6灭弧装置；
11．真空灭弧装置。
（2）辅助方法：
1．在弧隙两瑞并联电阻；
2.附加同步开断装置；
3．附加晶闸管装置。
1、灭弧装置的灭弧原理主要有：
（1）在大气中依靠触头分开时的机械拉长，使电弧增大；
（2）利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场，使电弧迅速移动和拉长；
（3）依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加强电弧的冷却和消电离；
（4）用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧；
（5）在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，产生气体，以提高灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进行吹弧；
（6）
利用电弧自身能量，使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高的压力，再利用此压力推动冷油和气体去吹弧；
（7）
利用压缩空气吹弧；
（8）
利用SF6气体吹弧；
（9）
在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧；
（10）利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。
六、电接触
（1）电接触的定义和分类：
1、定义：
电接触是导体与导体的接触处；
也称电接触是2个或n个导体通过机械方式连接，使电流得以通过的状态。
2、电接触的分类1：
按结构形式不同，分三种。
（1）固定电接触：
用螺钉、铆钉等将母线与母线固定连接在一起，是既无相对移动也无相对分合的电接触方式。
（2）滑动和滚动电接触：
触头能作相对滑动和滚动，但不相互分离，它们的相对运动方向与接触表面平行。
（3）可分、合电接触：
①
定义：
可分合电接触又叫触头或触点，是指可随时分开和闭合的电接触，常由动、静触头组成。
为防止电弧将主触头烧损，有时是将主、副和弧触头并联在一起使用。
②
触头根据控制电流的大小分为：
弱电流触头（几个培以下，如继电器的触头）、中电流触头（几个安培~几百个安培，如低压断路器的触头）和强电流触头（几百个安培以上，如高压断路器和部分低压断路器）。
（2）为保证电接触长期稳定而可靠工作，必须做到：
1、电接触在长期通过额定电流时，温升不超过国家标准规定的数值，而且温升长期保持稳定；
2、电接触在短时通过短路电流或脉冲电流时，接触处不发生熔焊或松弛；
3、可分合接触在开断过程中，接触材料损失尽量小；
4、可分、合接触在闭合过程中。
接触处不应发生不能断开的熔焊，且触头表面不应有严重损伤或变形。
（3）电流通过两导体点接触的主要现象是接触处出现局部高温。
产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻，称之为接触电阻。
1、由于电流线收缩，流过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电截面减小，因而电阻值相应增大。
这个因电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻，是构成接触电阻的一个分量。
2、其次，由于金属表面上有膜的存在，如果实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有另一附加电阻，称膜电阻，它是构成接触电阻的另一个分量。
（4）不同的金属材料在不同的环境下会生出各种不同的表面膜，但从膜的性质来看，表面膜主要有导电膜和绝缘膜。
导电膜的面电阻率很小，厚度极薄。
这类膜由“吸附”效应产生，故也叫吸附膜，它的膜薄由电子“隧道效应”导电；
绝缘膜电阻率非常大，厚度较大，有氧化物、硫化物、聚合物膜、玻璃状绝缘膜等。
（5）绝缘暗膜击穿的机理：
电方面：
1、电击穿：
电场内部电子发射，形成电子云，使金属表面局部加热直至熔化，由于强大静电力作用，液态金属被吸入放电通道而桥接，最后形成金属的电流通路。
2、热击穿：
由于膜的不均匀性，使电流集中通过局部电导率较高的点，引起半导体膜的温度升高，电导率增大，又使电流更加集中和加大，以致发生最终的热击穿，被熔化的金属最后引入击穿通道而桥接。
机械方面：
在接触元件上施加一定的外力，从而使实际接触面微观凸丘接触处获得极高的应力。
当凸丘受压变形时，膜亦随之破裂。
或者在两接触面受压的同时，使两表面作相对滚滑，将膜磨碎并剥离。
膜的机械破坏要求实际接触面上作用有很高的局部压力，并且边面膜比本体金属应具有大得多的硬度和脆性。
为此需要接触表面有一定的粗糙度，使接触斑点有小的接触面积，以获得高的局部接触压力，同时选用适当的接触材料和结构。
（6）
【例题】
已知触头材料为一镀锡的铜；
接触形式为线接触，玫瑰触头有六对触指，每个触指压力为38N。
计算玫瑰触头的接触电阻。
【解】查表6-1，K=100，线接触，m=0.7，每对触指的接触电阻Rj可由式（6－24）求得。
玫瑰触头总的接触电阻R为六个Rj的并联值，即
（7）电器触头的三种结构：
第1类
在动触头边装弹簧，静触头为刚性连接；
第2类
在静触头边装弹簧，动触头为刚性连接；
第3类
在动、静触头边都装有弹簧。
（8）无危险振动：
如果触头第一次碰撞后反跳的最大距离xm小于触头的变形距离xd，则触头虽有振动但不分离，这种状态下的振动我们称之为无危险振动
实现无危险振动方法：
如果采用较大的触头压力、刚度较大的触头弹簧，减小动触头闭合速度，减轻动触头质量，选K接近于1的触头材料，即可实现触头的无危险振动。
（9）熔焊：
1、静熔焊：
是电阻熔焊，原因是导电斑点及其附近因存在电阻的发热，导致触头熔焊。
2、动熔焊：
是电弧熔焊。
是由于电弧高温作用，使触头表面金属熔化和气化，导致触头熔焊。
它由短路或短时大电流产生。
而且多半是触头闭合过程中或接触力较小的闭合状态触头出现的。
减小触头熔焊的方法：
?
采用电阻率小、抗拉强度小和熔焊温度高的材料
在材料中加入少量其他元素使熔焊处最后的凝固面变成强度较低的脆性材料。
这样断裂处将出现在熔焊的交界面上，不致拉伤底层触头材料，且断面光滑，拉断触头所需的能量很小。
尽量减小触头振动。
触头电磨损
定义：
触头电磨损指触头在开断与闭合电路时，产生金属液桥、电弧与火花放电等，引起金属转移、喷溅和气化，使触头材料损耗和变形的现象。
触头电磨损的两种主要形式：
桥磨损和电弧磨损。
触头磨损有机械的、电的（热的）和化学的三方面原因，电的原因是主要的。
触头电磨损有金属桥和电弧磨损之分。
金属桥和小电流电弧磨损的特点是材料定向的转移，而强电流电弧磨损常因触头强烈气化和喷溅造成净损失。
消除桥磨损的主要方法是材料配对，减轻电弧磨损的主要方法是选用复合材料，加磁场使弧根运动和使电弧迅速熄灭。
八、电磁系统
1、继电器：
1）类型：
电磁式与非电磁式（气囊式、受热等）;
2）名称:
电流继电器、电压继电器、热继电器、时间继电器、光继电器、压力继电器、速度继电器等。
3）重要元件：
感测元件，操动机构，辅助触头。
2、接触器
分直流接触器、交流接触器、真空接触器等。
3、电磁铁的分类原则与类型：
1）.按衔铁运动方式分：
直动式和转动式。
2）.按导磁体形状分：
Ｕ形、Ｅ形和螺管式。
3）.按线圈电流种类分：
交流和直流电磁铁
4、电器中电磁铁的作用：
１、可远距离及自动控制电动机；
２、作感应元件；
３、作分励脱扣器和合闸电磁铁；
４、作为独立电器，如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁、电磁吸盘和电磁离合器等。
5、电磁特性
1）电磁铁的吸力特性
有静态和动态特性两种，条件是是否考虑电路参数在过渡过程中的变化。
表示电磁吸力与衔铁的机械行程的关系：
Fx=f（δ）——直动式电磁铁。
这个特性表征了电磁系统带动负载的吸引能力，习惯上被称为吸力特性。
2）反力特性：
电磁系统的衔铁在运动过程中要克服机械负载的作用力作功。
即电磁系统的主要任务是克服这种反作用力，因此，机械负载特性的反作用力Ff与衔铁行程δ之间的关系Fx=f（δ）称为反力特性。
3）输入-输出特性：
指输入量与输出量的关系
电磁系统的输入量是电量（电流或电压），输出量则可能是机械量（行程等）。
但实际上有用的只有两种形式的输入—输出特性：
继电特性、控制特性。
4）时间特性：
工作循环包括动作过程和释放过程。
所谓时间特性是指上述两过程中动作时间和释放时间与衔铁行程的关系。
1、动作过程又分为两个阶段，触动阶段和吸合运动阶段（图7-6）。
2、释放时间分开释时间和返回时间阶段。
6、为保障电磁系统可靠的工作，在衔铁吸合过程中，动作电流或电压的吸力特性应高于反力特性；
反之，在衔铁释放过程中，反力特性应高于动作电流或电压的吸力特性。
7、磁路与电路的异同
磁路与电路有许多相似之处，表现在：
磁路中的磁势、磁通、磁压降、磁阻抗等参量与电路中的电势、电流、电压降、电阻、和阻抗等参量是一一对应的。
磁路的欧姆定律和基尔霍夫定律与电路同名定律之间存在一定的对应关系。
然而，它们之间又有本质上的差异，主要表现:
由于磁导体的相对磁导率通常并非常数，而是磁场强度B的函数，在一般情况磁路是非线性的。
电路问题中虽然也有泄漏电流，但由于电导体与电介质的电导率相差极大（比值可高达1020~1021），故在非高压及非高频场合，忽略漏泄电流对工程计算结果几乎没有影响。
磁路则不然。
磁导体与一般媒质的磁导率比值通常只有103~104。
因此忽略漏磁通时会给工程计算结果带来相当大的误差。
电流和泄漏电流在电阻上要产生电—热能的转换，而磁通和漏磁通并不会在磁阻上进行磁能与热能的转换，即它们不会产生焦耳热损耗。
磁导体外部（如工作气隙和漏磁通的路径）的磁通管的几何参数一般均未知，故与它相关的磁路参数（工作气隙的磁导和漏磁通）均应该根据磁场的基本性质和基本定律来确定。
由于必须考虑磁通，磁路中的磁势和磁阻等都是分布参数，所以磁路是分布参数性质的路。
8、对于通过衔铁运动作机械功的一类电磁系统，气隙是必不可少的。
由于气隙中空气的磁导率远小于磁导体的磁导率，故气隙磁阻远比同尺寸的磁导体的磁阻大。
此外，气隙磁阻计算较复杂，不易提高其准确度。
因此，整个电磁系统计算的准确度，往往由气隙（特别是工作气隙）磁导的计算准确度所决定。
9、计算方法
★气隙磁导的计算方法有解析法、图解法、磁场分割法、经验公式法以及数值方法等。
由于磁极边缘效应的影响以及磁极侧面磁通扩散的影响，气隙磁场的分布十分复杂。
工程计算中常要通过合理假设将问题简化，然后再作具体运算。
★
解析法只适用于均匀磁场、也即边缘效应和磁通扩散可以忽略不计时的计算，这种场合不多，所以很少单独实际应用，但解析法是以严格的电磁场理论和数学方法为基础的，所以可以说是其他各种方法的基础。
图解法是在正确描绘磁场图景的基础上计算气隙磁导的一种方法，它原则上可用于任何场合。
由于作图过程是个反复修改的过程，工作量很大，同时准确度还决定于作图者的技巧、经验和熟练程度，故除非气隙几何形状过于复杂，一股不采用图解法。
磁场分割法是兼具解析法的严格性和图解法能考虑到磁场分布的空间性的一种综合方法。
它立足于估计磁通的可能路径,把磁场分割为若干具有规则形状的磁通管，然后以解析法求这些磁通管的磁导，最后总其成得到气隙磁导。
因此，以磁场分割法求气隙磁导既方便、又能保证工程计算所需的准确度。
在各种气隙磁导计算方法中，磁场分割法是最常使用的。
数值方法具有适应性强和准确度高的优点，但计算成本高，故宜用于难度高而又需作大宗运算的场合。
综上所述，在计算气隙磁导时：
若气隙值甚小，允许忽略边缘效应和磁通扩散，可采用解析法（当磁场形状规则时）；
否则，就应采用磁场分割法；
若磁场形状很复杂，则应采用图解法或数值方法。
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