电气结构与维修第一章课件

第一章第一章 车辆电器基础知识车辆电器基础知识第一节概述电器：电器：凡是根据外界特定信号，自动或手动地接通或断开电源，对电路或非电对象起开关、控制、保护与检测作用的电工设备，统称为电器。接触网直流注意：城轨车辆牵引电动机电能机械能第三轨交流一、车辆电器的基本结构感应机构（电磁机构）：接收信号基本结构基本结构执行机构（触电系统）：进行相应动作灭弧机构：熄灭电器触电二、车辆电器的分类车辆电器分类车辆电器分类按电器接入电路：主电路电器、辅助电路电器、控制电路电器按电器用途：控制电器、保护电器、检测电器、受流器按传动方式：手动电器、电空传动电器、电磁传动电器按执行机构：有触点电器、无触点电器按电压高低和工艺特点：高压开关电器、低压开关电器、自动电磁元件一、车辆电器的主要技术参数 技术参数技术参数二、主要问题及解决方案额定电压：正常工作电压额定电流：正常工作电流额定发热电流：不超过极限温升时的最大电流额定持续电流：长期工作中，极限温升不超过规定值的最大电流机械寿命：无负载下，电器零部件无损坏的极限动作次数电气寿命：带负载下，电器零部件无损坏的极限动作次数振动问题工作环境问题操作频率问题空间安装位置问题主要问题主要问题第二节电器的发热及冷却2、交流电通过导体的电阻损耗集肤效应对电流分布的影响a)电流密度分布 b)电流相位分布邻近效应对电流分布的影响a)两电流异向 b)两电流同向二、电器的散热冷却电器的散热方式有：热传导、对流以及辐射。第三节电器执行机构触点是电器的执行机构，用来直接接通或断开被控电路。在电路中通过触点相互接触的地方称为电接触。一、触点的定义及其工作特点 在有触点电器中，直接接通和断开电路的零件称之为触点，触点是成对出现的，固定不动的叫静触点，可以活动的叫动触点。二、触点分类触点分类触点分类按工作情况分：有载开闭触点、无载开闭触点；按电路中用途分：主触点、辅助触点（联锁触点：常开和常闭）；按工作状态分：常开触点、常闭触点；按结构形式分：指形触点、桥形触点；按接触形式分：点接触、线接触、面接触；三、对触点的基本要求1、动、静触点要可靠接触，接触电阻要小；2、有足够的电动稳定性与热稳定性；3、导电性好；4、结构简单、紧凑，动作灵敏准确；5、耐磨损；6、连续工作时，不应超过规定的允许温升。四、触点的主要参数触点的参数主要有：开距、超程、压力和研距。五、触点的工作情况触点闭合过程机械振动减小机械振动，减小触点磨损，避免熔焊触点处于闭合电流通过，控制温升控制触点发热，减小接触电阻触点分断过程产生电弧熄灭电弧，减小触点电磨损触点断开（保证足够的开距）六、触点的接触电阻 当动、静触点接触时，除两触点的电阻外，还在它们的接触处产生一个附加电阻，这个附加电阻就是接触电阻。1、接触电阻的产生2、影响接触电阻的因素影响因素3、减小接触电阻的方法1）增加接触点数目；2）采用电阻系数小且不易氧化、膜电阻较小的材料作为接触导体，或作为接触面的覆盖层；3）触点在开闭过程中应有研磨过程，以擦去氧化膜。接触压力：增大压力，导体弹性变形增大，有效接触面积增加，收缩电阻减小；温度：接触点温度升高，电阻率增大，收缩电阻增大；材料硬度下降，有效接触面积增大，收缩电阻减小；化学腐蚀：导体接触面在空气中被氧化，使膜电阻增大。触点表面粗糙度：影响接触电阻；大中功率电器，表面加工采用锉刀，小功率电器采用机械、电或化学抛光；触点材料：材料不同，电阻系数不同，抗压强不同，接触面积不同。七、触点的振动在振动过程中，若碰撞后触点不会分开，则不产生电弧，为无害振动；若触点分开，在触点间隙会出现金属桥，造成触点磨损或熔焊，甚至产生电弧，严重影响触点寿命，为有害振动。2、减小振动的方法1）增大触点的初压力；2）增大触点弹簧的刚度；3）减小动触点的闭合速度；4）减小动触点系统的质量。八、触点的磨损触点磨损形式机械磨损：触点的研磨和机械撞击化学磨损：氧化及电腐蚀电磨损：触点振动及高温电弧液桥的形成和金属转移电弧对触点的影响减小触点磨损的方法减小触点分断时的电弧减小触点闭合过程中的磨损选择合适的灭弧系统参数交流电器采用去离子栅灭弧系统采用熄灭火花电路正确选用触点材料第四节电弧的形成与熄灭一、电弧的特点及分类概念：概念：电器在切断负载电流或短路电流时，只要加在动静触点间的电压大于10-12V，其间的电流大于80-100mA，在动静触点间就会出现电弧电弧。危害：危害：产生的高温足以融化触点，烧损绝缘材料，烧伤触点表面。当电弧不能及时熄灭，容易烧坏电器部件及附近电气设备，引起短路甚至火灾。电弧的存在说明电路中有电流，电弧电流的主要特征：1）电弧能量集中，温度极高，亮度很强；2）电弧由阴极区、阳极区和弧柱区组成；阴极区和阳极区的电压称为极旁压降极旁压降，弧柱区的电压称为弧柱压降弧柱压降（弧柱出的温度最高，可达几千度）。3）电弧的气体放电是自持放电；4）电弧是一束游离的气体。二、电弧产生的物理过程电弧产生过程：电弧产生过程：触点之间电弧燃烧的区域叫弧隙弧隙，当弧隙中原来为中性的气体分解为电子和离子，即气体被游离，此过程称为气体游离过程气体游离过程。气体游离出来的电子和离子在电场作用下各自向对应的电极运动，便形成电流，使吹点分断后电路并未切断。弧隙中电子和离子的产生形式：1、电子热发射、电子热发射触点分离接触压力减小接触电阻增大接触部位发热阴极表面温度剧烈升高发射电子2、强电场发射（阴极冷发射）、强电场发射（阴极冷发射）在动静触点分离瞬间，触点间电场强度极大，触点材料内部的电子在强电场作用下被拉出来，从而形成强电场发射。3、碰撞游离、碰撞游离电子向阳极高速运动，在此过程中不断碰撞中性气体分子或原子，使其最外层电子脱离原子核束缚称为自由电子，则原来的原子和分子称为正离子，即气体被游离，如此反复，在外加电场作用下，气体介质被击穿形成电弧放电。4、热游离、热游离弧隙间电弧燃烧产生高温，弧柱中气体分子在高温下剧烈碰撞，被游离形成电子和正离子。三、电弧熄灭的物理过程电弧中发生游离的同时，也存在着相反的过程，即消游离消游离，若消游离作用大于游离作用，则电弧电流减小，电弧熄灭。消游离包括两个过程：1、复合：复合：带异性电荷的粒子相遇后中和，形成中性粒子的过程。游离过程中电子和正离子相互吸引形成中性粒子称为直接复合直接复合，电子在高速运动过程中撞击中性分子，附着在中性分子上形成负离子，负离子由于质量大，因此速度减慢，与正离子接近时，中和称为中性粒子，称为间接复合间接复合。2、扩散：扩散：电弧表面带电粒子从电弧区转移到冷却介质中的现象。扩散的方向是从密度大、温度高的区域向密度小、温度低的区域，扩散出的带电粒子因冷却二相互结合形成中性粒子。四、直流电弧及其熄灭1、直流电弧的伏安特性 直流电弧的伏安特性是指当直流电弧稳定燃烧时，电弧两端电压与电弧中通过的电流的关系。根据电流变化快慢，伏安特性分为动、静伏安特性。静伏安特性曲线：静伏安特性曲线：曲线上每一点都是在电弧稳定燃烧状态下测得。动伏安特性曲线动伏安特性曲线：在电弧电流高速变化情况下测得。静伏安特性曲线1与纵轴交点处电压称为燃弧电压燃弧电压，是产生电弧所需的最小电压；动伏安特性曲线2与纵轴交点处电压称为熄弧电压熄弧电压，是熄灭电弧燃烧所需的最大电压。影响电弧伏安特性的因素：1）电弧长度的影响（在相同冷却条件下）电弧长度的影响（在相同冷却条件下）在同一电流下，电弧长度增加，电弧单位长度电阻不变，总电阻增加，维持电弧燃烧所需电压增大，伏安特性曲线上移。在相同冷却条件下，电弧越长，越易熄灭。2）冷却条件的影响（在电弧长度相同的条件下）冷却条件的影响（在电弧长度相同的条件下）在良好的冷却和通风条件下，电弧中的复合与扩散加强，游离作用加强，弧隙间带点粒子密度减小，电阻增加，维持电弧燃烧的电压提高，伏安特性曲线上移。所以冷却条件越好，电弧越易熄灭。2、直流电弧熄灭方法方法：采用机械力拉长电弧，再利用磁吹、气吹或电动力使电弧迅速冷却。五、交流电弧及其熄灭1、交流电弧的特性在一个周期内交流电弧电流、电压随时间的变化情况如下图：由图可知，电流小时，电弧电压高；电流大时，电弧电压减小且接近常数。交流电弧在交流电自然过零时将自动熄灭，在下半周电压升高时，电弧会重燃。如果电流过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。电弧重燃弧重燃过程：程：从O点开始，电弧还未产生，所以随着电压的增加只有小的从阴极发射产生的电流；到A点时，电弧点燃，随着电流的增大，电弧电阻减小，电弧压降也减小，到B点时，弧电流达到峰值；到达B点后，随着电流的减小，电弧电阻增大，电弧压降上升；变化到C点时，电弧电流趋近于0，电压达到熄弧电压，电弧熄灭。由于热惯性作用，电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化。2、交流电弧熄灭条件（1）弧隙介质强度的恢复过程）弧隙介质强度的恢复过程能过承受外加电压而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙介质强度。交流电弧过零熄灭后，由于外部条件的变化，弧隙内消游离作用加强，使得原来的导电状态向绝缘状态转变，这个转变过程为介质强度恢复过程。（2）弧隙电压恢复过程）弧隙电压恢复过程电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增大，直到恢复电源电压，这一过程种的弧隙电压称为恢复电压。触点两端电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程称为电压恢复过程。（3）交流电弧熄灭条件）交流电弧熄灭条件弧隙介质强度的恢复大于弧隙电压的恢复速度。六、常见的灭弧方法常见的灭弧方法有：常见的灭弧方法有：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置在特殊介质中、增大电弧周围气体介质的压力等。灭弧装置灭弧装置机械力拉长：沿电弧轴向拉长、沿垂直于轴向方向拉长回路电动力拉长磁吹灭弧：常用于直流电器灭弧罩：用于分断大电流电器触点纵缝灭弧罩横向栅片灭弧装置气吹灭弧装置真空灭弧装置在城轨车辆上，交流电器的灭弧方法主要采用金属灭弧栅灭弧、绝缘灭弧栅灭弧、吹弧灭弧和真空灭弧第五节电器的电磁机构电磁机构电磁机构又称为电磁铁，是各种电磁式电磁的感测部分，它的主要作用是将电磁能转换为机械能，使触点动作，完成接通和分断电路的任务。一、电磁机构的主要组成和工作原理1、主要组成电磁机构主要由吸引线圈、铁心和衔铁组成，吸引线圈是电磁机构产生磁通的核心部件。2、工作原理线圈通电产生磁场，铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路。在铁心和衔铁断面产生不同极性的磁极，即电磁吸力将衔铁吸向铁心。二、电磁机构的分类1、按吸引按吸引线圈供圈供电形式分形式分：直流电磁机构、交流电磁机构；2、按按衔铁运运动方式分方式分：直动式电磁机构、转动式电磁机构；3、按按电磁机构的磁机构的结构分构分：E形或U形电磁机构、螺管形电磁机构三、直流电磁机构 从图1-23可以看出，电磁吸力与气隙大小成反比，气隙越大，电磁力越小，反之，气隙越小，电磁力越大。四、交流电磁机构第六节电空传动机构一、基本概念 电空传动机构是用压缩空气推动活塞（或传动薄膜）运动，以操控电器触点的分合。电空传动机构由压缩空气驱动装置和电空阀（电磁阀）组成，空气驱动装置包括气缸、活塞等部件。压缩空气进入和排出气缸是由电空阀控制。电空传动机构用于长行程、大传动力、大功率、高电压、大电流的传动场合，如车辆车门系统、空调系统等。二、电空阀的结构及作用原理 电空阀由电磁机构和气阀两部分组成。电磁机构由铁心座、磁轭、衔铁、线圈、接线座等组成。按电磁铁的形式将电空阀分为吸合式和螺管式；按作用原理分为开式和闭式。1、开、闭式电空阀闭式电空阀是线圈无电时压缩空气气源与传动气缸间被阻断的阀；开式电空阀是线圈无电时压缩空气气源与传动气缸间相通的阀。开式开式闭式闭式电空阀故障包括：电磁方面故障，表现为衔铁不吸合，应检查衔铁动作是否灵活，有否卡住，线圈是否断路，吸合电压是否正常；气阀方面故障，表现为漏气，可能原因是有污垢、沙子等。2、M23型电空阀工作原理：电磁阀得电时，吸引衔铁动作，压下上阀和下阀，打开给风口，关闭排风口，压缩空气进入传动风缸。电磁线圈失电时，在阀弹簧作用下，衔铁释放，上阀和下阀复原，关闭给风口，打开排风口，压缩空气从传动风缸排向大气。三、薄膜传动装置工作原理：当压缩空气进入气孔时，压迫薄膜，克服弹簧张力，使活塞右移，带动触点动作。反之，触点在弹簧作用下打开。