漫谈低压电器之1——交流接触器的主触头参数与线圈有关吗?

作为电气工作者,不知道交流接触器的人应当不多。交流接触器主要用作低压电动机的控制电器。

图1:交流接触器的外形与内部结构图

下图是交流接触器用于控制电动机的具体电路图:

图2:交流接触器在电动机控制电路中的运用

在图2中,KM就是交流接触器。我们在图2左侧的主回路中看到交流接触器的主触头,在右侧辅助回路的下方看到交流接触器的线圈,在右侧辅助回路的上方看到交流接触器的辅助触点。

当我们按下辅助回路中的控制按钮SB1,交流接触器的线圈得电,接触器进入吸合阶段,主触头也随之闭合,同时与SB1并联的交流接触器辅助触点闭合,实现自保持功能。所谓自保持,指的是合闸控制按钮SB1随着人手松开而返回后,辅助触点能维持交流接触器线圈带电状态。于是,电动机进入到起动和运行状态。

当我们按下辅助回路中的控制按钮SB2,交流接触器线圈失压,接触器释放,主触头也打开返回,电动机失去电能供应而进入停止运行状态。

上述过程对于电气工作者来说应当是再熟悉不过了,现在我们来仔细推敲一番,看看能不能挖掘出什么来。

第一:接触器主触头属于主回路,接触器线圈属于辅助回路

所谓主回路,指的是电能传输和控制的回路。主回路又叫做一次回路;所谓辅助回路,指的是实施控制、信号传递、信号放大和电参量采集的回路。辅助回路又叫做二次回路。

第二:接触器主触头在开合瞬间到底发生了什么?

当接触器主触头闭合瞬间,在主触头上有哪些作用力存在?我们看图3:

图3:交流接触器在闭合瞬间触头上的作用力分析

图3中,我们看到主触头上有线圈给予的电磁合闸吸力Fx,有反力弹簧给予的反力Ff,有触头导电杆C形结构施加的斥力Fc,有触头电流收缩到接触点而产生的霍姆斥力Fh,还有磁路衔铁与铁芯吸合撞击反弹力作用在主触头上的作用力Ft。可见,主触头的吸合过程并非仅仅与线圈有关。

撞击反弹作用的时间大约在5毫秒左右。当触头接触后被弹开时,动静触头之间会出现电弧烧蚀现象。触头材料会因此而熔融和蒸发,产生金属蒸汽。金属蒸汽的出现更加剧了电弧作用。

随着反弹作用的消失,触头再次闭合后,霍姆力开始出现。

图4是用来分析霍姆力的图:

图4的左图可见触头中电流线的分布情况,图4右图中可见右侧电流线产生的磁场以及受力情况分析。

右图下方是静触头中的电流,我们注意到电流线Ix,用右手螺旋定则可以判断出它产生的磁力线方向,注意到右侧为进入纸面方向。再看动触头的电流线Is,我们用左手定则可以判断出它受到的电动力方向为图中的Fs。Fs可以分解为水平方向的作用力Fsx和垂直方向的作用力Fsy。我们看到,水平方向的作用力会被另外一条对称电流线产生的作用力抵消,但垂直方向的作用力却得到增强。这垂直方向的力就是霍姆力,它是由西门子公司的电气工程师霍姆发现的。

霍姆力表现为斥力,在一般情况下它的值不大,但在出现较大的电流(例如电动机的起动冲击电流和短路电流)时霍姆力可以达到很大的值,并使得触头被斥开,而斥开后霍姆力消失,触头再次闭合,随之再次因为霍姆力而被斥开。几次过后,触头会因为电弧烧蚀而发生材料喷溅和蒸发,甚至出现动静触头熔焊。也因此,霍姆力的作用被称为开关电器的动稳定性。

上述这些作用参加我的系列文章:原来如此——低压电器触头在闭合前后发生的若干物理现象(1)之一到之五。

看到这里,我们发现接触器的触头开断不但与各种力有关,与电弧的关系也十分密切。

我将在下一篇文章来讨论接触器触头与电弧的关系,以及接触器的若干主要技术参数背后的知识。



来源:知乎 www.zhihu.com
作者:Patrick Zhang

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