电器理论基础
概论
§0－1 电器的定义和分类
1定义：在动力电路中用以实现电路通断、转换、控制、计量、保护的器件。
2分类：
按工作职能(功能)：
(1)手动操作电器：刀开关、转换开关、按钮、隔离开关；
(2)自动切换电器：高压断路器、低压断路器；
(3)自动控制电器：交流接触器、控制继电器；
(4)起动调速电器：电磁铁、星－三角起动器；
(5)自动保护电器：熔断器、保护继电器、避雷器；
(6)稳压与调压电器：自动调压器、自动稳压器；
(7)测量放大与变换元件：传感器、磁放大器、互感器；
(8)牵引与传动元件：牵引电磁铁、电磁离合器
按结构工艺：
(1)高压开关电器
(2)低压开关电器
(3)自动电磁元件
(4)成套电器和自动化装置
按用电系统：
(1)电力网系统用电器
(2)电力拖动自动控制系统用电器
(3)自动化通信用电器
按使用场合和工作条件：
(1)一般工业用电器
(2)特殊工业企业用电器
(3)农用电器
(4)热带用电器和高原电器
(5)牵引、船舶、航空电器
按执行技能和转换深度：
(1)有触点电器
(2)无触点电器
(3)混合式电器
第一篇电器的热平衡与电动电力
第1章电器导体的发热计算
§1－1 电器的允许温升
1温升概念：温度、绝对温度、环境温度、温升
2温升对电器的影响：导体、绝缘材料
3电器的允许温升
产品的绝缘等级由所选择的所有材料中耐热等级最低的决定§1－2 电器中的热源
1电阻损耗：
P=K f I2R
K f—附加损耗系数
R－由导体电阻和接触电阻组成
K f－·集肤效应·邻近效应
2铁磁损耗
·涡流损耗·磁滞损耗
3介质损耗
p=2πfCU2tanδ
式中f—电场交变频率
C—介质的电容
U—外加电压
δ—介质损耗角
·电场强度·频率
§1－3 电器中的散热方式
1热传导：物质基本质点的内能、质点间的相互作用与能量传递形成热传导
q=-λgradθ
λ—热导率gradθ—温度梯度
不同材料的热导率不同，电器主要利用热传导通过导线将热量传出。
2热对流：热对流主要在流体（液体或气体）中存在，对流的实质是粒子的彼此相互移动而产生热能转移。
·流体的比热容·层流、紊流和表面形状的关系
热对流是电器另一种散热方式
3热辐射：热辐射是由电磁波传播能量
电器通过热辐射散出的能量
§1－4 电器的温升公式—牛顿公式
P s=K T Aτ牛顿散热公式
式中P s—总散热功率
A—有效散热面积
τ—发热体的温升
K T—综合散热系数
§1－5 电器工作制与温升的关系
1长期工作制：电器工作时间大于8小时（大于4T－时间常数）。
2间断长期工作制：电器工作时间等于8小时（大于4T）。
PΔt=K T Aτdt+cmdτ能量平衡
式中P
—在dt时间内电器的总发热量
Δt
K T Aτdt—在dt时间内电器的总散热量
cmdτ—在dt时间内电器温度升高dτ所吸收的热量
c—比热容
m—发热体质量
当τ＝0τ0＝0公式可以简化为
τ＝τω(1-e-t/T)
上式表明，电器通电后，温升随时间按指数规律增长，
当t＝4T时τ＝0.98τ
ω接近稳定温升。
，当t＝T时τ＝0.632τω
式中T＝cm/(K T A)时间常数
时间常数的物理含义：电器在绝热条件下温升达到τ
ω所需的时间。
3短时工作制：电器的通电和断电的时间小于4T
·功率过载系数p p=T/t
功率过载系数与热时间常数成正比，与工作时间成反比。
4反复短时工作制：电器在通电和断电交替情况下工作，电器的通电和断电的时间小于4T
·通电持续率TD%=t1/t
t=t1+ t2
·功率过载系数p p=1/(TD%)
小结
●电器的散热有传导、对流、辐射三种方式。
●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、短时工
作制四种。
●电器的热时间常数T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。
●电器的长期工作制和短时工作制的分界点为4T。
●功率过载系数与热时间常数成正比，与工作时间成反比。
第2章电动力
§2－1 电器中的电动力
电动力:由于电流产生磁场，因此载流体之间也要受到力的作用，这种力称为电动力
1电动力的产生和特点：电磁感应产生电动力，所以电动力的大小号方向与电流种类、大小、方向、回路状况、相互位置、介质、导体截面形状有关。
2电动力的危害：结构损坏、触头弹开
3电动力的利用：拉长电弧增加触头压力
§2－2 电动力的基本规律
F1,2=(μ0/4π)I1I2k k k c
式中k k—两导体间的回路系数
k C—导体的截面系数
§2－3 交流回路电动力的特点
F= CI2- CI2cos2ωt
式中CI2定义为F-恒定分量
- CI2cos2ωt定义为F～交变分量
单向稳态交流电动力为两个分量组成：恒定分量（为平均值）、交变分量（2倍电源频率变化）。
§2－4 三相正弦交流下的电动力
三相导体直列对称布置，工频每一周期，B 相受力向左右两次。
B 相受力最大，为A、C相的1.07倍。
§2－5 电器电动稳定性
电器能够承受短路电流电动力的作用而不致破坏或承受永久变形的能力称之为电器的电动稳定性
如果电动力的作用频率与导体系统的固有振荡频率相等，导体就会发送机械共振现象，这将对导体系统产生很大的破坏力。
小结
●电器中的载流导体会受到电动力的作用。
有的电动力对电器产生危害，有
的电动力被用来改善电器的性能。
●单相稳态交流电动力以2倍电流频率在零和峰值间变化。
●三相稳态交流电动力当导体直列布置时，中间相受力最大，并以2倍频率
在正、负峰值间变化。
●如果电动力的作用频率与导体系统的固有振荡频率相等，导体就会发生机
械共振现象，这将对导体系统产生很大的破坏力。
第二篇电弧与电接触
第3章电弧的基本特性
1特点
·高温：6000 ～12000K
·高亮度
·可移动性
2电弧的生成条件（气体电离方式）·能量输入：I=0.25～1A U=12～20V ·高温形成的热电离
·强电场激发的电离
3电弧的熄灭条件（气体消电离方式）·减小输入能量
·降温
·降低电场强度
4气体放电的几个阶段
气体放电间隙的伏－安特性
0～C 非自持放电阶段
C～F 自持放电阶段
B～D 汤姆逊放电区
D～E 辉光放电阶段
E～F 弧光放电阶段
5电弧的物理特性
•开断电路时电弧的产生过
•电弧近极区和弧柱区的特性
近阴极区：长度0.001cm 电场强度大
压降4 ～20V
近阳极区：长度0.01cm 电场强度大
压降6 ～11V
弧柱区：温度高6000 ～12000K
压降与长度成正比
第4章典型灭弧装置
1.拉长电弧：机械、弧角电动力、气吹、磁吹、绝缘栅片灭弧室
2.冷却电弧：纵缝灭弧室、迷宫灭弧室、绝缘栅片灭弧室、气吹、磁吹
3.短弧理论：栅片灭弧室、栅柱灭弧室
4.其它：真空灭弧室、SF6灭弧室、石英砂灭弧室、变压器油灭弧室
小结
●电弧是气体放电的一种形式。
具有高温、高亮度、高流动性的特点。
●电弧分三个区：近阴极区、近阳极区、弧柱区。
●开关电器的灭弧装置大体有
1）简单开断
2）磁吹线圈
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）石英沙灭弧装置
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
第5章电接触理论
接触形式与要求
1.接触形式：固定连接、滚动和滑动接触、可分合接触
2.要求：温升、不熔焊、磨损量小
接触理论与对策
1.接触理论：导电连接处的实际接触面只是少数的点组成，有效接触面
与·接触压力·导电材料及表面状况相关
2.对策：·合理选用接触压力·增加接触压力点·设定合理的接触面·采用
导电粘接济·采用抗氧化的电镀层
触头接触理论与对策
1.接触理论：触头压力、跳动与电磨损
2.对策：触头材料、符合触头、合理的吸反力配合
小结
●触头跳动是产生电磨损的主要原因，因此减少触头跳动是增加电寿命的重
要途径。
第三篇电磁系统
第6章电磁系统的基本概念
电磁系统是由磁系统（动、静铁芯、气隙）和线圈组成，用以进行电磁转换的电器组件或部件。
电器的电磁系统主要作用是借线圈激磁使磁系统磁化，产生磁吸力吸引衔铁，使之运动输出机械功，从而达到某些预定目的。
第7章电磁系统特性分析
电磁系统的基本概念
1.主要组成部分：磁扼、衔铁、非磁性气隙、线圈
1.吸力特性
直流电磁系统
已知：U1=24V W1=1000匝d1=Ф0.31
U2=12V 求W2 d2
条件：N1I1= N2I2
U1/U2= I2/I1= N1/N2= R1/R2=d22/d12
所以：W2=W1/U1×U2=1000/24×12=500
d22= U1/U2×d12U=IR IN=
d22=2×0.312
d2＝Ф0.44
交流电磁系统
U=4.44fNФ
2.反力特性
小结
●电磁系统由磁扼、衔铁、非磁性气隙、线圈等组成
●电磁系统的基本类型：转动式（拍合式）、直动式、螺管式●电磁系统吸、反力合理配合可以通过电器寿命。
