电气控制与PLC原理、应用实践三菱电机FX5U系列课件 第1章 常用低压电器

第一章第1章常用低压电器第一章1.1概述

低压电器是电力拖动控制系统中最基本的组成元素。电气工程相关技术人员须熟悉常用低电压电器的结构、原理以及相关主要技术参数，掌握其使用和维修等方面的知识。第一章1.1.1低压电器的分类及用途1．低压电器的分类低压电器品种繁多，功能多样，且应用广泛。分类方法通常有下面几种。（1）按用途或控制对象划分1）低压配电电器。主要用于低压配电系统中。如刀开关、转换开关、熔断器、断路器等。2）低压控制器。主要用于电气传动系统中。如接触器、继电器、电磁铁等。第一章（2）按动作方式划分1）自动切换电器。根据自身参数的变化或外部信号的作用，自动完成接通或分断等动作。如接触器、中间继电器、速度继电器等。2）非自动切换器。需要使用外力（如人力）直接操作来进行切换的电器。如刀开关、转换开关、按钮等。（3）按工作原理划分1）电磁式电器。根据电磁感应原理实现控制功能的电器。如交流、直流接触器，电磁铁等。第一章2）非电量控制电器。依靠外力或非电量信号（如速度、压力等）的变化而实现控制功能的电器。如行程开关、速度继电器等。2．低压电器的用途低压电器在电路中的主要用途：根据外部控制信号或控制要求，通过一个或多个器件组合，自动（或手动）接通、分断电路，连续（或断续）地改变电路状态，实现电路的切换、控制、保护、检测以及调节。第一章1.1.2低压电器型号的表示方法及代号意义我国对各种低压电器都按规定要求编制型号，通过类别代号、组别代号、设计代号、基本规格代号和辅助代号几部分构成低压电器全型号。每一级代号后面可根据需要派生代码。产品代号示意图如图1-1所示。图1-1产品代号示意图低压电器型号必须使用规定符号或者文字标示，各部位代号含义见如下说明。第一章1．类组代号类组代号包括类别代号和组别代号，用汉语拼音表示，代表低压电器所属的类别以及一类电器中所属的组别，详细说明见表1-1。表1-1低压电器产品型号类组代号代号HRDKCQJLZBTMA名称刀开关和转换开关熔断器断路器控制器接触器启动器继电器主令电器电阻器变阻器调整器电磁铁其他A按钮式按钮触电保护器B板形元器件插销C插入式磁力冲片元器件旋臂式灯D刀开关铁铬铝带型元器件电压第一章1．类组代号表1-1低压电器产品型号类组代号代号HRDKCQJLZBTMA名称刀开关和转换开关熔断器断路器控制器接触器启动器继电器主令电器电阻器变阻器调整器电磁铁其他G鼓形高压管形元器件H封闭式负荷开关汇流排式接线盒J交流减压接近开关K开启式负荷开关主令控制器L螺旋式电流励磁电铃M封闭管式灭磁第一章1．类组代号表1-1低压电器产品型号类组代号代号HRDKCQJLZBTMA名称刀开关和转换开关熔断器断路器控制器接触器启动器继电器主令电器电阻器变阻器调整器电磁铁其他P平面中频频敏Q启动牵引R熔断器式刀开关热S刀形转换开关快速快速时间手动时间主令开关烧结元器件石墨T有填料管式凸轮通用通用足踏开关铸铁元器件启动调速U油浸旋钮油浸启动第一章1．类组代号表1-1低压电器产品型号类组代号代号HRDKCQJLZBTMA名称刀开关和转换开关熔断器断路器控制器接触器启动器继电器主令电器电阻器变阻器调整器电磁铁其他W框架式温度万能转换开关液体启动起重X其他限流限流星三角行程开关电阻器滑线式Y其他其他其他其他其他其他其他其他其他液压Z组合开关塑料外壳式直流综合中间制动第一章1.1.2低压电器型号的表示方法及代号意义2．设计代号设计代号表示同一类低压电器不同设计序列，数字表示，具体数字位数不限，其中两位或者两位以上的首位数字根据功能可在下面几个数字中选择：5表示用于化工；6表示作用于农业；7表示纺织用途；8表示防爆；9表示船用。3．基本规格代号基本规格代号用数字表示，数字位数不限，用来表示同一系列产品中不同规格参数的品种。4．辅助规格代号辅助规格代号用数字表示，位数不限，表示相同系列、相同规格产品中有所区别的不同产品。5．派生代号派生代号一般是用汉语拼音字母表示，最好一位字母，表示同系列中个别变化的特征，加注通用派生字母见表1-2。第一章5．派生代号表1-2通用派生代号派生代号代表意义备注ABCD…结构设计稍有改进或变化C插入式J交流、防溅式Z直流、自动复位、防震、重任务、正向W无灭弧装置、无极性N可逆、逆向S有锁住机构、手动复位、防水式、三相、三个电源、双线圈P电磁复位、防滴式、单相、两个电源、电压的K保护式、带缓冲装置第一章5．派生代号表1-2通用派生代号派生代号代表意义备注H开启式M密封式、灭弧、母线式Q防尘式、手车式L电流的F高返回、带分励脱扣T按（湿热带）临时措施制造此派生代码加注在全型号之后TH湿热带TA干热带类组代号与设计代号组合表示的是产品的系列，同系列低压电器的用途、工作原理和结构基本是相同的，规格和容量会根据具体应用而设计生产。例如：国产人民电器JR36是热继电器的系列号，同属于该系列的热继电器结构和工作原理上都是一致的，但是额定电流根据需求选择项非常多。第一章1.1.3低压电器主要技术参数工作电压或者电流等级不同、通断频次不同，负载大小及性质不同等因素，对低压电器的技术指标要求也有较大的差异性。掌握低压电器的技术性能指标及参数对正确选用器件至关重要。1．使用类别根据现行国家标准GB/T14048.4-2020规定，常用的接触器或电动机起动器选用的类别见表1-3。第一章表1-3接触器或电动机起动器主电路通常选用的使用类别及其代号电流使用类别代号附加类别名称典型用途举例ACAC-1一般用途镇流器白炽灯无感或微感负载AC-2绕线式感应电动机或电阻式和感应式混合负载，包括中度过载AC-3笼型感应电动机的d起动、运行中分断、可逆aAC-3cc具有更高堵转转子电流的笼型感应电动机c的起动、运行中分断、可逆aAC-4笼型感应电动机d的起动、反接制动或反向运行、点动AC-5a放电灯AC-5bAC白炽灯AC-6a变压器AC-6b电容器组AC-7ac家用电器和类似用途的低感负载AC-7bc家用的电动机负载AC-8a具有手动复位过载脱扣器的密封制冷压缩机中的电动机b控制AC-8b具有自动复位过载脱扣器的密封制冷压缩机中的电动机b控制第一章电流使用类别代号附加类别名称典型用途举例DCDC-1白炽灯无感或微感负载DC-3并励电动机的起动、反接制动或反向运行、点动、电动机在动态中分断DC-5串励电动机的起动、反接制动或反向运行、点动、电动机在动态中分断DC-6DC白炽灯aAC-3使用类别可用于不频繁的点动或在有限的时间内反接制动，例如机械的移动；在有限的时间内操作次数不超过1min内5次或10min内10次。b密封制冷压缩机是由压缩机和电动机构成的，这两个装置都装在同一外壳内，无外部传动轴或轴封，电动机在冷却介质中操作。c使用类别AC-7a和AC-7b参见GB／T17885-2016。d符合GB／T21210-2016的N型和H型异步电动机。e符合GB／T21210-2016的NE型和HE型异步电动机，具有比N型和H型更高的堵转转子视在功率和电流，达到符合GB／T32891.1的更高效率等级。表1-3接触器或电动机起动器主电路通常选用的使用类别及其代号第一章1.1.3低压电器主要技术参数2．额定工作电压和工作电流额定工作电压是指在规定条件下，保证电器正常工作的电压值。一般指触点额定电压值，电磁式电器有电磁线圈额定工作电压参数指标（国内常见交流220V、380V或者直流24V）。额定工作电流根据具体使用条件下确定。额定工作电流与额定工作电压、电网频率、额定工作值、使用类别、触点寿命及防护参数等诸多因素有关，同一型号开关电器使用条件不同，工作电流也不同。3．通断能力通断能力是以控制额定负载时所能通断的电流值来衡量的。其中接通能力是指开关闭合时，不会造成触点熔焊的性能指标。断开能力是指开关断开时，可靠灭弧的性能指标。4．操作频率操作频率指的是低压电器在单位时间内允许操作的最高次数。开关电器通常会规定在一小时内允许出现的最高循环操作次数。5．使用寿命低压电器的使用寿命包括机械寿命和电寿命两项指标。机械寿命是指在零电流下能正常操作的次数。电寿命是在规定的正常工作条件下，无需更换零件或者修理的负载操作次数。第一章1.2常用低压电器的基本知识工作在交流1200V以下，直流1500V以下电路中的电器称之为低压电器。常用的低压电器有断路器、接触器、按钮、继电器等。1.2.1低压电器的电磁机构低压电器基本由两部分组成，即感应机构和执行机构。感应机构是感受外界信号的变化，而能做出相应反应。执行机构是根据命令信号，执行电路的通断控制。大多数的低压电器采用电磁感应原理实现电路的通断控制，感受机构是电磁系统，而执行机构是触点系统。电磁系统是电磁式低压电器的感受机构，将电磁能量转换为机械能量，从而驱动触点动作，实现电路的通断。电磁系统通常由铁芯、衔铁和线圈等部分组成。线圈有电流通过时，产生电磁吸力，电磁吸力克服弹簧的反作用力，衔铁和铁芯闭合，衔铁驱动连接机构动作，实现触点的接通和断开，从而实现电路通断控制。接触器常用电磁系统结构如图1-2所示。第一章1.2.1低压电器的电磁机构（a）衔铁绕棱角转动拍合式（b）衔铁绕轴转动拍合式（c）衔铁直线运动螺管式图1-2接触器电磁系统结构图第一章1.2.2低压电器的触点机构1．触点接触电阻触点闭合是不可能完全无缝接触，微观角度看，是部分凸起点之间的接触，因此工作电流只流经接触的凸起点，因此有效导电面积减少，电阻增大。此类由触点闭合时形成的电阻，称为接触电阻。接触电阻不仅会造成一定的电压损耗，而且使铜耗增加，造成触点温升，导致触点表面的“膜电阻”进一步增加以及触点周边绝缘材料的老化，严重时可使触点熔焊，造成电气系统事故。2．触点的接触形式触点的接触形式及结构形式多种多样。按接触形式将触点分为三种：点接触、线接触和面接触。如图1-3所示，面接触实际接触面比线接触大，线接触的接触面比点接触大。第一章2．触点的接触形式（a）点接触（b）线接触（c）面接触图1-3触点的接触形式图1-3（a）所示为点接触，由两个半球形触点或一个半球形与一个平面形触点构成。该结构有利于提高单位面积压力，减小触点表面电阻，适用于小电流电器触点，如接触器的辅助触点及继电器触点。图1-3（b）所示为线接触，通常设计成指形触点结构，接触区是一条直线。触点通、断过程是滚动接触并产生滚动摩擦，利于去氧化膜。适用于通电次数多，电流大的场合，多用于中等容量电器。图1-3（c）所示为面接触，此类触点一般在接触表面镶有合金，以减小触点的接触电阻，触点的抗熔焊、抗磨损能力强，允许通过较大的电流。适用于中小容量接触器的主触点。第一章2．触点的接触形式为了使触点接触得更加紧密，减小接触电阻，并消除开始接触时产生的振动，一般在触点上装有接触弹簧。触点接触时，由于安装时弹簧预先压缩了一段，因此产生一个初压力，如图1-4（b）所示。随着触点闭合，触点间的压力将逐渐增大。触点闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一个终压力，如图1-4（c）所示。弹簧被压缩的距离称为触点的超行程，即从触点开始接触到触点压紧，整个触点系统向前压紧的距离。因为超行程的存在，在触点有磨损情况下，仍具有一定压力，磨损严重时超行程将失效，触点损坏。（a）最终断开位置（b）刚刚接触位置（c）最终闭合位置图1-4桥式触点闭合过程位置示意图第一章1.2.2低压电器的触点机构触点按其原始状态可分为常开触点和常闭触点。原始状态断开，线圈通电后闭合的融头叫常开触点；原始状态闭合，线圈通电后断开的触点叫常闭触点。线圈断电后所有触点恢复到初始状态。触点按其所控制的电路可分为主触点和辅助触点。主触点主要用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触点用于接通或断开控制电路，主要用于通过较小的电流。1.2.3低压电器的灭弧机构1．电弧的产生自然环境中分断通电电路时，若电路的电压（或电流）超过某一数值时(因触点材料的不同而差异，该数值约为0.25～1A，12～20V)，分断的时候在触点之间会产生放电电弧。第一章1．电弧的产生电弧，是指触点间气体在强电场作用下产生的电离放电现象。气体放电现象是指触点间隙中的气体被电离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子（电子带负电、离子带正电）作定向运动，从而原本绝缘的气体就变成了导体。图1-5电弧的产生电流流经该电离区消耗的电能转换为光能和热能，产生光和热的效应，容易导致触点烧损，并使电路切断时间延长，甚至无法有效切断，造成严重安全生产事故。因此，必须采取有效措施熄灭或削弱电弧。第一章2．灭弧方法2．灭弧方法执行大电流通断的电器，如低压断路器、接触器等，必须配置有效的灭弧装置。对于小容量低压电器，如中间继电器、微动开关等，因其触点执行小电流电路通断，因此没有强制要求配置灭弧系统。常用灭弧装置和方法如下。栅片灭弧（如图1-6所示），灭弧栅一般是由多片镀铜薄片（称为栅片）和石棉绝缘板组成，通常固定在触点上方灭弧室内，栅片之间互相绝缘。分断电路时，触点间产生电弧，电弧电流产生磁场，由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此电弧上方磁通稀疏，下方磁通密集，上疏下密的磁场结构促使电弧被推进灭弧室内，电弧进入灭弧栅之后，被分割成若干短电弧。每两片灭弧栅片看似一对电极，电极间均具有一定的绝缘强度，因此整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，而每对栅片间的电压没有达到电弧燃烧电压，同时栅片能够吸收电弧热量，从而使各段短电弧迅速冷却而迅速熄灭。第一章2．灭弧方法磁吹灭弧。该方法利用电弧在磁场中受力，电弧拉长，并使电弧在冷却灭弧罩窄缝中运动，产生较强的消电离作用，从而熄灭电弧。其原理如图1-7所示。图1-6栅片灭弧示意图

图1-7磁吹式灭弧装置1灭弧栅片2触点3电弧1铁芯2绝缘管3吹弧线圈4导磁颊片5灭弧罩6引弧角7静触点8动触点9电弧电流磁场10磁吹线圈磁场第一章2．灭弧方法电动力吹弧。图1-8所示一种桥式双断口触点，流过两处触点的电流方向相反，将产生互相排斥的电动力。当触点断开瞬间，两处断口产生电弧。电弧电流在两处电弧间产生图中以“⊕”表示的磁场，根据左手定则，电弧电流将受到指向外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并拉伸，使其迅速穿越冷却介质，从而加快电弧冷却并熄灭。该方法一般用于小功率低压电器中，当配合栅片灭弧时，可用于大功率的电器中。交流接触器通常采用此方法。图1-8桥式触点灭弧原理1-动触点2-静触点4）油冷灭弧装置。油冷灭弧是将电弧置于液体介质（一般为变压器油）中，电弧将油气化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。若要再提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于油中的灭弧能力比大气中灭弧能力强得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。第一章2．灭弧方法5）气吹灭弧。气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧，可以很好地冷却电弧，提高电弧区的压力，很快带走残余的游离气体，所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向，它可以分为横吹和纵吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂，电流小时横吹过强会引起很高的过电压，故已被淘汰。图1-9表示了纵吹（径向吹）的一种形式。压缩空气沿电弧径向吹入，然后通过动触头的喷口、内孔向大气排出，电弧的弧根能很快被吹离触头表面，因此触头接触表面不易烧损。由于气吹灭弧的灭弧能力较强，故一般运用在高压电器中，如电力机车的空气断路器（主断路器）。1-9气吹灭弧装置1动触头2灭弧室磁罩3静触头4压缩空气5电弧第一章2．灭弧方法6）真空灭弧。灭弧室内高真空度下的气压约1.3×10-4～1.3×10-5Pa，仅有少量气体分子存在，电极间绝缘强度高，且有很快的绝缘强度恢复速度（高达20KV/us），触头间隙小，电弧能量小，真空中电弧容易熄灭。触点断开电路电流时，电流收缩到触头刚刚分离的某一点或某几点，触头间电阻急剧增大，温升迅速提高，直至触头金属蒸发，同时形成极高强度电场，导致强烈的场强发射和间隙击穿，继而形成真空电弧。当电流过零时，由于周围真空中气体分子极少，且触头在电流通过时产生一个磁场，电弧在磁场作用下沿着触头表面切线方向迅速扩散，因此电弧金属蒸气及所携带质点很快向周围扩散到金属屏蔽罩，被冷却而重新凝结起来，使触头间隙在电流过零后几微妙内，就重新恢复到比较高的真空状态，从而恢复到很高的绝缘强度，使得电弧在电流第一次过零时就能熄灭而不重燃。典型灭弧室结构如图1-10所示。图1-10典型真空灭弧室结构第一章1.3控制电器1.3.1接触器接触器主要是实现通断电动机主电路或其他负载电路的控制电器，可以实现频繁（有限制频率）的远距离自动控制，广泛应用于现代工业生产设备中。1．交流接触器的结构图1-10(a)为交流接触器的结构剖面示意图，由五个主要部分构成。图1-10(b)为某型号接触器实物图片。(a)结构剖面示意图(b)接触器实物图图1-10交流接触器1动触点2静触点3衔铁4弹簧5线圈6铁心7垫毡8触点弹簧9灭弧罩10触点压力弹簧第一章1．交流接触器的结构（1）电磁机构：电磁机构主要由铁芯、线圈和衔铁组成。铁芯一般采用双E形衔铁直动式电磁机构，也有一类接触器衔铁采用绕轴转动的拍合式电磁机构。（2）主触点和灭弧系统：根据主触点的容量大小，常用桥式触点和指形触点两种结构形式。直流接触器以及电流在20安培以上的交流接触器均配置灭弧罩，部分类型接触器还带有栅片或其它灭弧装置。（3）辅助触点：有常开和常闭辅助触点之分，在结构上常采用桥式双断点形式，其容量较小。辅助触点的主要目的是使其在电路中实现联动控制作用，应用在和接触器相关的逻辑控制电路中。辅助触点一般不设灭弧装置，不可用于主电路通断。（4）反力装置：该装置由释放弹簧和触点弹簧构成。（5）支架和底座：用于接触器内部零件的固定和安装。第一章2．交流接触器的工作原理交流接触器线圈通电后，铁芯中产生磁通，继而在铁芯与衔铁的气隙间产生磁吸力，使衔铁与铁芯闭合，接触器主触点在衔铁的牵引下闭合，接通主电路；衔铁还同时驱动辅助触点动作，使常闭辅助触点断开，常开辅助触点闭合。当线圈断电或电压显著降低时，磁吸力消失或减弱（小于弹簧反力），衔铁在释放弹簧作用脱离铁芯，主、辅触点恢复到初始状态。3．接触器的技术参数（1）额定电压：指主触点的额定电压，接触器的铭牌均具体标注。常见规格有：交流220V、380V和660V；直流110V、220V和440V。（2）额定电流：指主触点的额定电流，接触器的铭牌均具体标注。在一定的条件（额定电压、使用类别和操作频率等）下具体规定，常见规格有：6A、10A、20A、40A、63A、100A、150A、200A、400A、630A以及800A等。（3）线圈的额定电压：指加载到线圈两端的电压。常见线圈电压规格有：交流220V和380V;直流24V和220V。（4）接通和分断能力：指主触点在规定条件下能可靠接通和分断的电流值。使用该规格电流，正常导通工作时主触点不会发生熔焊，分断电路时主触点不会发生长时间燃弧。第一章3．接触器的技术参数接触器使用类别不同时，主触点接通和分断能力的要求也不一样，而接触器的使用类别可根据其不同控制对象（负载）的控制方式而定。常见的接触器使用类别及其典型用途对应关系见前述章节表1-3。接触器的使用类别代号通常标注在铭牌上。表1-3中要求接触器主触点达到的接通和分断能力指标分别为：1）AC1和DC1类允许接通和分断1倍额定电流；2）AC2、DC3和DC5类允许接通和分断4倍的额定电流；3）AC3类允许接通6倍的额定电流和分断1倍额定电流；4）AC4类允许接通和分断6倍的额定电流。（5）额定操作频率：该指标是指接触器每小时允许的操作次数。不同厂家产品该参数均不一样。操作频率决定器件的使用寿命，影响交流接触器线圈的温升。第一章4．接触器选用原则接触器的选用需要根据其负载类别、负载参数指标等条件进行综合考虑。总体来说，交流负载选用交流接触器，直流负载选用直流接触器。器件选用主要依据以下几个指标。（1）使用类别根据负载的类型选择合适的接触器。例如，中小容量的笼型式异步电动机，其大部分负载是一般任务，AC3类适用。对于控制机床电动机的接触器，其负载情况比较复杂，既有AC3类的，也有AC4类的，可能存在AC1类和AC4类混合的负载，属于重任务范畴，则应选用AC4类接触器。（2）主触点电流规格根据负载的功率和工作任务确定接触器主触点的电流规格。当接触器的使用类别与所控制负载的工作任务相匹配时，一般应使主触点的电流规格与所控制的负载相当，或稍大一些。若不匹配，例如用AC3类的接触器控制AC3与AC4混合类负载时，则必须降低电流规格使用。（3）线圈电压规格接触器的线圈电压与控制电路的电压类型和规格必须相同。第一章（5）常用接触器常用接触器：不可逆式接触器，采用新型集成端子盖，具备指触保护安全特性并减少高达50%的线圈，而且适用于微小负载。可逆式接触器，适用于交流电动机正向或逆向旋转，如输送线等，采用机械互锁，安全性更佳；机械闭锁型接触器，采用机械锁存继电器，在切断电源等情况时仍可维持功率恒定，适用于配电板、建筑核心系统的记忆电路以及其他用途。（a）不可逆式接触器（b）可逆式接触器（c）机械闭锁型接触器图1-11常用交流接触器第一章5．接触器的电气图形符号和文字符号接触器的电气图形符号和文字符号如图1-12所示。(a)线圈(b)主触点(c)辅助常开和常闭触点图1-12接触器的电气图形符号和文字符号第一章1.3.2电磁式继电器1．电磁式继电器的结构及工作原理电磁式继电器的结构及工作原理与接触器相似，由电磁机构、触点系统以及释放弹簧等部分组成。图1-13为电磁式继电器结构剖面示意图。（a）电磁式继电器结构图（b）典型电磁式继电器实物图图1-13电磁式继电器1线圈2铁心3磁轭4弹簧5调节螺母6调节螺钉7衔铁8非磁性垫片9动断触点10动合触点第一章2．电流继电器电磁式继电器可分类为电流继电器和电压继电器，两者在结构上的区别主要是线圈构造不同。电流继电器线圈匝数少、导线截面大；电压继电器线圈匝数多、导线截面积小。电流继电器根据输入电流大小而动作。其线圈串接在被控电路中，反映电路电流的变化。根据功能划分，可分为欠电流继电器和过电流继电器；根据线圈电流性质划分,可分为交流继电器和直流继电器。线圈电流低于整定值时执行控制动作的电流继电器称为欠电流继电器。欠电流继电器用于电路的欠电流保护或控制。使用时，一般将其动合触点串接在接触器的线圈电路中。该器件正常工作状态时，电路中负载电流大于电流继电器的闭合电流，衔铁处于闭合状态。当电路中负载电流降低至释放电流时，衔铁释放，其动合触点回到断开状态，使接触器线圈失电，从而切断电气设备的电源，从而实现欠电流保护作用。第一章2．电流继电器线圈电流高于整定值时执行控制动作的电流继电器称为过电流继电器。过电流继电器主要用于电路过电流保护和控制，一般将其动断触点串接在接触器的线圈电路中。该器件正常工作时，衔铁非闭合状态，当电路电流超过其整定值时，衔铁闭合驱动动断触点断开，接触器线圈失电，从而切断电气设备的主电源，从而实现过电流保护作用。3．电压继电器电压继电器根据输入电压大小而动作。根据功能划分，可分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。线圈电压高于整定值时执行控制动作的电压继电器称为过电压继电器。过电压继电器主要用于电路的过电压保护；通常将其动断触点串接在接触器的线圈电路中。其线圈在额定电压时衔铁非闭合，当线圈电压超过其整定值时，衔铁闭合，其动断触点断开，使其所控制的接触器线圈失电，切断电气设备的主电源。线圈电压低于整定值时执行控制动作的电压继电器称为欠电压继电器。欠电压继电器主要用于电路的欠电压保护；使用时，通常将其动合触点串接在接触器的线圈电路中。其线圈在额定电压时衔铁处于闭合状态，当线圈电压降低至释放电压时，衔铁释放并驱动动合触点恢复到断开状态，使其所控制的接触器线圈失电，切断电气设备的主电源。零电压继电器用于电路的零电压或接近零电压保护，当继电器线圈电压降低至额定电压的5%～25%时，继电器执行控制动作。第一章4．中间继电器中间继电器实质是一种电压继电器，其辅助触点数量相对较多（一般无主辅触点之分），但触点容量较大(额定电流5-10A)。当采用一个输入信号（线圈）控制多个输出信号（触点）或信号容量需要放大时（线圈小容量，触点大容量），可通过这类继电器来实现。中间继电器实物如图1-14所示。图1-14中间继电器实物图第一章5．电磁式继电器技术参数（1）继电特性继电器的主要特性是输入——输出特性，如图1-15所示；该曲线通常称之为继电特性。图中，在继电器输入量由零增大至之前，输出量为零。输入量增大至时，继电器闭合，输出量为。继续增大输入量，输出值不变。输入量减小至时，继电器释放，输出量降至零；若输入量继续减小，输出量仍为零。图1-15继电器特性曲线第一章5．电磁式继电器技术参数称为继电器的闭合值，要使继电器动作，输入量必须大于此值。称为继电器的释放值，要使继电器释放，输入量必须小于此值。称为继电器返回系数。值越大，继电器灵敏度越高；值越小，灵敏度越低。值可以调节（常用的中间继电器值出厂时已经固定），不同应用对值的要求不同。例如常用继电器要求低返回系数，值设置在0.1～0.4之间,继电器闭合后，当输入量波动幅度较大时不致引起误动作。（2）额定电压和额定电流1）电压继电器：线圈额定电压为其额定电压。2）电流继电器：线圈额定电流为其额定电流。（3）闭合电压和释放电压、闭合电流和释放电流电压继电器：使衔铁开始动作时，线圈两端的电压称为闭合电压；使衔铁开始释放时，线圈两端的电压称为释放电压。电流继电器：使衔铁开始动作时，流经线圈的电流称为闭合电流；使衔铁开始释放时，流经线圈的电流称为释放电流。（4）闭合时间和释放时间闭合时间是指从线圈接受电信号至衔铁完全闭合所需时间；释放时间是从线圈掉电至衔铁完全释放所需时间。第一章6．继电器的选用原则6．继电器的选用原则继电器选用需考虑其使用条件、功能特点、额定工作电压和额定工作电流等因素，该器件的主要选用规则如下：（1）根据用途，区别选择过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器或者中间继电器等。（2）继电器线圈额定电压或电流规格符合控制电路的需求。（3）按电流性质，区别选用交流继电器或直流继电器。（4）根据控制电路的要求，区别选择触点的数量、容量和类型（常开或常闭）。7．电磁式继电器的电气图形符号和文字符号继电器的电气图形符号和文字符号如图1-16所示线圈触点线圈触点线圈触点(a）电压继电器(b）电流继电器(c）中间继电器图1-16电磁式继电器的图形符号和文字符号第一章1.4开关及主令电器1.4.1按钮开关1．按钮开关的结构及工作原理按钮开关根据结构分类，可分自复位式、自锁式、旋钮式、钥匙式、紧急式以及保护式等。按钮可以根据需求配置指示灯（常见直流24V或者交流220V）。旋钮式和钥匙式的按钮也称之为选择开关，常见双位选择开关，也有多位选择开关。选择开关和一般按钮的最大区别是不可自动复位，复位需要手动旋转。其中钥匙式开关具有安全保护功能，没有钥匙的操作人员无法操作该开关，只有将钥匙插入后，旋钮才可被旋转，常用于设备总电源或控制系统的启停（常见于数控机床操作面板）。一般按钮开关由按钮帽、动触点、静触点、复位弹簧和外壳等部分组成。可分类为动合按钮（常开按钮）、动断按钮（常闭按钮）和复合按钮。第一章1．按钮开关的结构及工作原理动合按钮：未按下钮帽时，触点是断开的；按下钮帽时，触点接通；松开后，触点在复位弹簧作用下复位而断开。动合按钮在控制电路中常用作启动或点动按钮。动断按钮：未按下钮帽时，触点是闭合的；按下钮帽时，触点断开；松开后，触点在复位弹簧作用下复位而闭合。动断按钮在控制电路中常用作停止按钮。复合按钮：如图1-20所示，未按下钮帽时，动断触点是闭合的，动合触点是断开的；当按下钮帽时，先断开动断触点，后接通动合触点；松开后，触点在复位弹簧作用下全部复位。复合按钮在控制电路中常用于电气联锁。按钮的结构形式非常多。紧急式按钮装有突出的红色蘑菇形钮帽，用于紧急停止操作；旋钮式按钮用于旋转切换操作；指示灯式按钮在透明的钮帽内装有信号灯，用作信号指示；钥匙式按钮须插入钥匙方可操作，用于防止误动作。此处不再逐一分析。(a)实物图(b)结构示意图图1-20复合按钮开关实物图与结构示意图1、2动断静触点3、4动合静触点5桥式动触点6复位弹簧7按钮帽第一章2．按钮开关技术参数为了避免误操作，钮帽通常采用不同的颜色以示区别，主要有红、绿、黑、蓝、黄、白等颜色。一般停止按钮采用红色，启动按钮采用绿色，急停按钮采用红色蘑菇头按钮。2．按钮开关技术参数按钮开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、结构形式、触点对数和颜色等。3．按钮开关的选用原则（1）依据使用场合确定按钮开关的形式，如自复位式、紧急式、旋钮式或者指示灯式。（2）依据使用环境确定按钮开关的种类，如防水式、防腐式等。（3）依据工作状态和功能确定按钮开关的颜色。4．按钮开关的电气图形符号和文字符号按钮及选择开关的图形符号和文字符号如图1-21所示。(a)动合按钮(b)动断按钮(c)复合按钮(d)选择开关(e)钥匙开关图1-21按钮的图形及文字符号第一章1.4.2组合开关1．组合开关的结构及工作原理组合开关由动触点、静触点、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分构成，其动、静触点分别叠装在多层绝缘壳内。根据动触片和静触片的不同组合，组合开关有多种接线方式。图1-22所示为某型组合开关实物图。转动旋转手柄就可对3对触点同时接通或断开。2．组合开关的主要技术参数组合开关的主要技术参数有额定电压、额定电流以及极对数等。常见有单极、双极以及三极组合开关。3．组合开关的选用原则（1）组合开关作为电动机等负载的电源接入开关时，其额定电流应大于电动机或其他负载的额定电流之和。（2）组合开关控制小容量电动机的启动、停止时，其额定电流应不小于电动机额定电流的3倍。图1-22组合开关实物图第一章1.4.3行程开关1．行程开关的结构及工作原理行程开关品种丰富，根据器件的结构分类，可分为直动式、滚动式以及微动式。（1）直动式行程开关直动式行程开关主要由执行机构、触点系统和外壳等部分构成，图1-23为典型直动式行程开关结构示意图。直动式行程开关工作原理与自复位按钮类似，采用运动部件的撞块碰撞行程开关的推杆，类似按钮操作时操作人员手动按压。此类器件结构简单、不足之处是触点的分合速度取决于撞块的移动速度，如果撞块移动太慢，则触点不能迅速切断电路，电弧在触点处停留时间过长，容易烧蚀触点。图1-23直动式行程开关图1-24微动式行程开关1动触点2静触点3推杆1壳体2弓簧片3动合触点4动断触点5动触点6-推杆第一章(2)微动开关微动开关采用具有弯片状弹簧的瞬动机构，结构示意如图1-24所示。当推杆6被压下时，弹簧片2发生变形，蓄能并产生位移，当达到预定的临界点时，弹簧片以及动触点产生瞬时跳动，从而实现电路的接通、分断或转换。同样，减小作用力时，弹簧片会向相反方向跳动，恢复初始状态。微动开关体积小、动作灵敏，适合在小型机构中作为行程开关使用。2．行程开关的选用原则（1）依据功能要求确定行程开关形式和型号。（2）依据控制要求确定触点的对数。（3）依据控制回路的电压、电流确定行程开关的额定电压和额定电流。3．行程开关的电气图形符号及文字符号行程开关电气图形符号及实物图如图1-25所示。(a)常开触点(b)常闭触点(c)实物图片图1-25行程开关的电气图形符号及文字符号第一章1.4.4感应开关1．接近开关接近开关被称之为无触点开关。当运动的物体在与之接近到一定范围内时（常见3mm、5mm、10mm、15mm、20mm等），接近开关就会发出因物体接近而“动作”的输出信号。接近开关常用于运动机构的行程控制、限位保护等。接近开关具有定位精度高（部分产品可检测接近物体的具体距离参数，并采用总线方式输出）、功率损耗小、寿命长、使用面广、能适应恶劣工作环境（部分产品耐高温耐腐蚀）等优点，其主要技术参数有工作电压、输出电流、检测距离及工作响应频率等。接近开关的电气图形符号、文字符号及实物如图1-26所示。(a)常开触点(b）常闭触点(c）实物图片图1-26接近开关的图形和文字符号第一章2．光电开光光电开关利用物体对光束的遮蔽、吸收或反射作用，检测物体的位置、形状、标志等。光电开关的核心器件是光电元器件，其作用是将光照强弱的变化转换为电信号。常见光电元器件有发光二极管、光敏电阻以及光电晶体等。光电开关的电路一般由投光器和受光器两部分组成，常见光电开关的结构有两种形态，一种是投光器和受光器相互分离，另一种是投光器和受光器组成一体，选择哪种结构的光电开关根据具体应用需求决定。依据检测方式划分，光电开关可分为对射式、反射式以及镜面式三种类型。光电开关的电气图形符号及文字符号如图1-27a所示，实物如图1-27b所示。(a)表示符号(b)实物图片图1-27光电开关第一章1.5保护电器1.5.1断路器1．低压断路器结构及工作原理低压断路器主要由三部分组成：触点、灭弧装置及各种功能脱扣器。脱扣器包括过电流脱扣器、热脱扣器、失压（欠电压）脱扣器以及分励脱扣器等（注：并非所有类型的低压断路器均具有上述全部脱扣器）。图1-28（a）是低压断路器结构示意图。低压断路器的开关是通过手动或电动合闸的，触点闭合后，自由脱扣器将触点锁定在合闸位置。当电路发生故障时，通过各类脱扣器使自由脱扣机构动作，自动跳闸实现保护作用。图1-28（b）为低压断路器实物图片。(a)低压断路器工作原理示意图

(b)实物图片图1-28低压断路器的工作原理示意图1主触点2自由脱扣机构3过电流脱扣器4分励脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器7分励脱扣按钮第一章1．低压断路器结构及工作原理（1）过电流脱扣器：流经断路器的电流在整定值以内时，过电流脱扣器所产生的吸力不足以拉动衔铁。电流超过整定值时，强磁场产生更大的吸力，从而克服弹簧的拉力拉动衔铁，使自由脱扣机构动作，断路器跳闸，实现过流保护。（2）失压脱扣器：失压脱扣器的工作过程与过流脱扣器相反。当电源电压在额定电压时，失压脱扣器产生的磁力将衔铁闭合，使断路器保持在合闸状态。当电源电压下降到低于整定值时，在弹簧的作用下衔铁释放，自由脱扣机构动作而切断电源。（3）热脱扣器：热脱扣器的作用和工作原理与后续介绍的热继电器相同，读者可提前学习该项重要的器件。。（4）分励脱扣器：分励脱扣器应用于远距离操作。在正常工作时，其线圈是断电的；在需要远程操作时，按动按钮使线圈通电，其电磁机构使自由脱扣机构动作，断路器跳闸断电。上述是断路器可以实现的功能，并非说一个断路器都具有所有功能。有的断路器没有分励脱扣器、热保护脱扣器或失压脱扣器等。但断路器都具备过电流（短路）保护功能。第一章2．断路器主要技术参数（1）额定电压断路器额定电压包括额定工作电压、额定绝缘电压和额定脉冲电压。断路器的额定工作电压取决于电网的额定电压等级，我国电网的标准电压为交流220V、380V、660V、1140V以及直流220V、440V等。断路器的额定绝缘电压是断路器的设计电压值，一般额定绝缘电压大于或者等于断路器的最大额定工作电压，当某断路器有多种额定工作电压时，额定绝缘电压取高值。断路器工作时可能要承受系统中产生的过电压，额定脉冲电压应大于或等于系统中可能出现的最大过电压峰值。额定绝缘电压和额定脉冲电压决定了断路器的绝缘水平，是非常重要的性能指标。（2）额定电流断路器额定电流指额定持续工作电流，也即过电流脱扣器能长期通过的电流，对可调式脱扣器则为可长期通过的最大电流。（3）通断能力通断能力是指断路器在额定电压下接通和分断的最大电流值。第一章3．低压断路器的选择（1）额定电流和额定电压应不低于所保护电路、设备的正常工作电压和电流。（2）热脱扣器的整定电流应与所控制负载的额定电流一致。（3）欠电压脱扣器的稳定电压等于电路的额定电压。（4）过电流脱扣器的整定电流应不低于所保护电路的最大负载电流。对于单台电动机来说，可按下式计算Iop≥KIst式中为安全系数，可取1.5～1.7；为电动机的启动电流。对于多台电动机来说，可按下式计算Iop≥KIstmax+∑IN式中取1.5～1.7；为最大功率电动机的启动电流；为其他电动机的额定电流之和。【举例说明1】：有一个照明电路，总负荷为1.8kW，选用一个合适的断路器作为其总电源开关。解：因为常用家用照明电路额定电压为220V，选择断路器的额定电压为220V。计算电路的额定电流为：,可选择断路器定电流为10A。常规照明电路可根据负载的额定电压和额定电流选择合适的断路器。第一章（5）常用低压断路器常用低压断路器有以下几类：塑壳断路器、小型断路器、低压空气断路器以及电动机断路器。常用塑壳断路器如图1-29所示。塑壳断路器能够在电流超过跳脱设定值时自动切断电流。塑壳指的是用塑料绝缘体作为装置的外壳，用来隔离导体之间以及接地金属部分。塑壳断路器通常含有热磁跳脱单元（过载和短路保护），而大型号的塑壳断路器会配备固态跳脱传感器。（a）三菱MX系列塑壳断路器

（b）电路保护器

（c）WS-V系列塑壳断路器

（d）隔离开关图1-29塑壳断路器第一章常用低压断路器小型断路器又称微型断路器（MicroCircuitBreaker），图1-30所示为一种小型断路器。适用于交流50/60Hz，额定电压230/400V，额定电流最大至63A线路的过载和短路保护之用，也可以作为线路的不频繁操作转换之用。低压空气断路器是一种既能够接通或分断正常负载电流和过载电流，又可以接通或分断短路电流的开关电器，一种实物如图1-31所示。低压空气断路器不仅能够实现控制作用，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。该器件广泛应用于低压配电系统，各类机械设备的电源控制及用电终端的控制与保护。电动机断路器适合用于电动机烧损保护，实现电动机的过载、缺相、短路电流保护功能。实物如图1-32所示。图1-30小型断路器

图1-31低压空气断路器

图1-32电动机断路器第一章4．断路器图形符号及文字符号低压断路器的图形符号及文字符号如图1-33所示。图1-33低压断路器的电气图形及文字符号第一章1.5.2熔断器1．熔断器结构及工作原理熔断器主要由绝缘底座和熔体两部分构成。熔体的材质常见两类：一类由铅、锌、锡以及锡铅合金等低熔点金属制成，主要应用于小功率电路；另一类由银或铜等较高熔点金属制成，应用于大功率电路保护。熔断器种类丰富，常用的器件包括有无填料瓷插式熔断器、无填料封闭管式熔断器、有填料螺旋式熔断器和快速熔断器等。（1）瓷插式熔断器瓷插式熔断器又称之为插入式熔断器，由瓷盖、瓷底座、静触点和熔体组成。图1-34所示为某型瓷插熔断器结构示意图。该熔断器结构简单，主要用于低压分支电路的保护，常见于早期照明电路中，现在已经不多见。图1-34瓷插式熔断器结构示意图1瓷盖2熔丝3动触头4瓷体5静触头6空腔第一章（2）螺旋式熔断器螺旋式熔断器由瓷帽、熔管、瓷套及瓷座等部分组成。图1-35所示为某型螺旋式熔断器的结构示意图。螺旋式熔断器具有体积小、灭弧能力强、有熔断指示和防振等特点，早期在配电及机电设备中大量使用，目前也已经不多见，被列入淘汰生产工艺产品。（3）封闭管式熔断器封闭管式熔断器分为无填料管式、有填料管式和快速熔断器三种。图1-36为无填料封闭管式和有填料封闭管式熔断器的外形与结构示意图。图1-35螺旋式熔断器的结构示意图

图1-36无填料封闭管式熔断器1瓷座2下接线座3上接线座4瓷套5熔断管6瓷帽1铜圈2熔断管3管帽4插座1瓷底座2弹簧片3管体第一章封闭管式熔断器无填料封闭管式熔断器通常由熔断器、熔体和静插座等部分组成。主要用于经常发生过载和短路的场合，作为低压配电电路或成套配电装置的连续过载及短路保护，目前也被列入淘汰生产工艺产品。刀型触头熔断器（又称gG/gL型或NH熔断器）是现代工业领域最主流、最常用的熔断器。属于有填料封闭管式熔断器，填料为石英砂，用来冷却和熄灭电弧，常用于大容量配电网络或配电装置中，能安全分断高达100kA甚至以上的短路电流。圆柱形管状熔断器，外观圆柱形，带有金属帽。可以分为快熔型和慢熔化型两大类，快熔型熔断器主要用于半导体功率元器件的短路保护。（a）RT0系列有填料封闭管式熔断器

（b）RGS4b快速熔断器图1-37封闭管式熔断器第一章2．熔断器主要技术参数（1）额定电压熔断器长期工作时的电压，一般不低于所保护电气设备的额定电压。（2）额定电流熔断器长期正常工作的电流，即长期通过熔体且不使其熔断的最大电流。不低于所装熔体的额定电流。（3）极限分断电流熔断器在额定电压下能可靠分断的最大短路电流。该参数取决于熔断器的灭弧能力，与熔体额定电流无关。3．熔断器选用原则熔断器选择应考虑以下几个因素：（1）熔断器类型的选择依据负载的特性和短路电流的大小，选择合适的熔断器。例如，负载为照明或容量较小的电动机，一般需要考虑电路的过载保护，可采用熔体熔化系数较小的熔断器；用于低压配电电路时，一般需要考虑短路时的分断能力。（2）熔体额定电流的选择1）针对电动机类负载，因其启动电流大，熔断器适宜作电路短路保护而不能作过载保护。熔体的额定电流计算如下：对于单台电动机，熔体的额定电流()应为电动机额定电流()的1.5～2.5倍，即=(1.5～2.5)；轻载启动或启动时间较短时，系数可取1.5；重负载启动、启动时间较长或启动停止较频繁时，系数可取2.5。对于多台电动机，熔体的额定电流()应为最大功率电动机的额定电流（）的1.5～2.5倍，再加上同时使用的其他电动机额定电流之和(∑)，即=(1.5～2.5)+∑。第一章3．熔断器选用原则2）针对阻性负载，熔断器用作过载保护和短路保护，熔体的额定电流应略大于或等于负载的额定电流。3）针对容性负载，熔体的额定电流应为负载额定电流的1.5倍左右。（3）熔断器的额定电压及额定电流熔断器的额定电压及额定电流应不小于电路的额定电压和所装熔体的额定电流。（4）额定分断能力该指标必须大于电路中可能出现的最大短路电流。（5）熔断器的上、下级配合为防止越级熔断，上下级（即供电干线、支线）熔断器之间应有良好的协调配合。为此，在实际应用中，要求上、下级熔断器的熔体额定电流的比值不小于1.6：1。【举例说明1】：某台设备上有一台非频繁启停的三相异步电机，没有反转或者反接制动，轻载启动，该电动机的额定功率为2.5kW，额定电压380V，选用合适的熔断器。解：第一步：计算电动机的额定电流。三相异步电动机的额定电流计算公式为：Ie=P/(1.732×U×cosφ×η)。其中，P=2500W