电工与电子技术基础-第7章

7.1常用低压控制电器常用的低压控制电器种类很多。按操作方式可分为手动电器和自动电器两类。手动电器（也称主令电器）是由操作人员用手操纵的。一、手动电器常用手动电器有刀开关、转换开关和控制按钮等。1.低压刀开关低压刀开关（也称闸刀开关）是传统的手动电器设备，主要用做电源隔离开关，分断小容量的低压配电线，或者用来接通或切断小容量电动机。刀开关是手动电器中最常用构造最简单的一种。它由闸刀刀片（动触点）、刀座、刀夹（静触点）、胶木盖等组成。下一页返回7.1常用低压控制电器低压刀开关有多种分类方式，按闸刀的极数可分为单极、双极和三极等几种，常用的三极刀开关电路符号如图7-1所示。选择刀开关时注意以下几点：（1）开关极数等于电源进线数。（2）开关的额定电压应大于或等于电源电压，额定电流应大于或等于控制设备的额定电流。常用的额定电压值为500V和250V。额定电流则有很大范围的选择空间，小电流刀开关在10～60A，大电流刀开关在100～1500A。（3）安装刀开关时刀开关要装入开关箱内，竖立在墙体上。电源线应从上方接入，接在刀座（静触点）上方，负载线应接在刀片（动触点）下方。这样可以避免一些误动作。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器2.组合开关组合开关又称转换开关，图7-2给出了三相组合开关的结构示意图（图7-2（a））和电路符号（图7-2（b））。它是一种结构更为紧凑、封闭更加良好的手动开关电器。其构造核心是内部有一根转动的方轴，轴上有三个动触片，当顺时针转动手柄90°时方轴带动动触片旋转，使三个动触片插入对应的三个静触片中（静触片固定在外壳体上），使三对静触点接通。显然，逆时针转动手柄就能使动静触点分开，切断电路。每对静触点接在电源和负载之间。组合开关作为用电设备的电源引入开关，也常用于不频繁直接起停的小型电动机上。如小型砂轮机、台钻或小型通风机等。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器选择组合开关主要考虑极数和额定电流。极数分为单、双、三、四极几种，额定电流在10～100A。考虑到安全因素，当工作电流超过100A时不易采用组合开关。另外，当用组合开关控制鼠笼式异步电动机（4kW以下）直接启停时，若操作频繁，开关的额定电流也应选大些，一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。3.按钮按钮是一种结构简单、操作方便的机床等设备中最常用的一种手动开关。它主要用于短时接通或断开电流较小的控制电路，如用于接通或断开接触器的吸引线圈等。图7-3（a）是按钮结构示意图，图7-3（b）是按钮的电路符号。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器从图7-3（a）可以看出，当不触摸按钮时，触桥在复位弹簧作用下与上面一对静触点相接触，称为常闭触点，而下面的一对静触点这时处于断开状态，称为常开触点；当用力按下按钮时，触桥随着推杆一起往下移动，直至和下面一对静触点接触，于是常闭触点断开、常开触点闭合。在松开（释放）按钮时，复位弹簧使触桥复位，此时常开触点恢复开断状态，常闭触点恢复闭合状态。由于不可能长时间按下按钮，所以按钮的主要作用是在较短的时间内发出“接通”或“断开”信号。所谓“常开”、“常闭”触点，是以电器未动作、无电压和无外力作用下触点所处的状态来命名的。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器此外还应注意到，一般电器在外力作用下动作时，常闭触点先断开，常开触点后闭合；外力消失后，常开触点先断开，常闭触点后闭合。它们存在很小的时间差。这对分析一些控制电路的详细过程十分重要。二、自动电器按照指令、信号或某个物理量发生变化而自动动作的电器称为自动电器。常用的自动电器有各种继电器、接触器和行程开关等。1.交流接触器（KM）接触器是一种依靠电磁铁的电磁吸力使触点闭合或断开的电磁开关。它用来控制电动机或其他电器设备主电路的通断。图7-4（a）为接触器的结构示意图，它主要由电磁系统和触点系统两部分组成。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器电磁系统主要包括静铁芯、动铁芯（衔铁）和吸引线圈，而触点系统可分为静触点和动触点。吸引线圈和静铁芯与外壳固定为一体，为不动部分，动铁芯在电磁力作用下可处于吸合或断开状态，它存在机械运动。接触器的吸引线圈及触点的电路符号如图7-4（b）所示。交流接触器的动作原理如下：当按下按钮时，吸引线圈通电，铁芯线圈产生电磁吸力，使动铁芯克服弹簧反力而被吸合，由于动触点通过绝缘框架固定在动铁芯上，因此动铁芯带动三对动触点与三对静触点接触，接通三条主电路。释放按钮时，接触器吸引线圈断电，吸力消失，动铁芯在恢复弹簧作用下与静铁芯分离，切断三条主电路。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器接触器的触点还可分成主触点和辅助触点，主触点用来通断主电路中的大电流，而辅助触点用来通断控制电路中的小电流，进而达到所需的控制要求。CJ10系列交流接触器通常有三对常开主触点，有两对常开和两对常闭辅助触点。另外，工作电流较大的接触器还装有专门的灭弧装置，这是因为交流接触器在切断大电流时，触点间会产生电弧。电弧不仅使切断电路的时间延长，而且易烧坏触点，造成工作不可靠。选择接触器的原则是首先根据电动机的额定电压和电流确定接触器的额定电压和电流。其次根据控制电路的需要确定主触点和辅助触点的对数。CJ10系列交流接触器的主触点额定电流范围为5～150A，而辅助触点的额定电流一般都为5A。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器需要指出的是在直流控制系统中要用专门的直流接触器。2.熔断器（FU）熔断器（俗名保险丝）是电路中最常用的简便而有效的短路保护电器。熔断器有插入式、管式、螺旋式等多种类型，虽然它们结构不同，但都有熔断器的核心部分——熔体。熔体常用低熔点的合金材料制成。使用时，熔断器要串联在电源与负载之间。在电路发生短路或严重过载时，通过熔体的电流超过一定值，熔体将立即熔断以切断电源，从而保护电源和电气设备。熔断器的保护特性具有反时限特性（也称安秒特性），即通过的短路电流或过载电流越大，保护动作的时间越短，熔断时间与电流的平方成反比关系。熔断器的电路符号如图7-5所示。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器选择低压熔断器主要考虑两个参数：一是额定电压，其值应大于或等于负载线路的额定电压。二是额定电流。对于无启动过程的电热设备和照明线路（包括无冲击电流的负载），熔体的额定电流IFUN

应等于或稍大于负载的额定电流IL，即对于有冲击电流的负载，例如，异步电动机，熔断器的选择则必须以防止电动机因启动电流而将熔体烧断为原则。熔断器用于保护长期运行的单台电动机时用于保护频繁启动的电动机时上一页下一页返回7.1常用低压控制电器熔体的额定电流有2～200A等数十种。3.热继电器（FR）电动机在运行过程中会出现过载情况，若长时间过载，绕组温升超过允许值时，将造成绕组绝缘老化速度加快，缩短电动机的使用寿命，严重过载时甚至烧毁绕组。热继电器就是利用负载电流流过时产生的热效应使触点断开的一种保护电器，主要对电动机等进行过载保护。图7-6是一种热继电器的结构原理图和电路符号。热继电器的动作原理如下：使用热继电器时要将它与负载串联，负载电流要流经发热元件1。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器当负载电流小于等于额定电流时，由于产生的热量较小，双金属片几乎不发生弯曲，热继电器的常闭触点不动作。当负载电流超过额定电流时（指过载时），发热元件1产生的热量使双金属片2的自由端受热而不断向左弯曲（左侧金属膨胀系数小，右侧金属膨胀系数大）。推动导板5向左移动，并带动杠杆6沿顺时针方向偏转，凸盘10脱扣，弹簧4使凸盘顺时针转动，常闭触点8断开。此常闭触点的断开可使电动机停止运行。要使常闭触点8重新闭合，需要在双金属片降温之后，按下复位按钮11即可。有些热继电器的常闭触点可以自动复位。用热继电器保护电动机过载时，应将热继电器的动作电流（称为整定电流）整定为电动机的额定电流。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器动作电流由调节旋钮12进行调节，调节范围为热继电器额定电流的66%～100%。动作电流是指发热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应在20min内动作。一般过载电流超过动作电流的1.2～1.6倍时，热继电器动作，因此，热继电器只能保护过载，不能保护短路。选择热继电器的主要技术数据是动作电流。其值一般在2～200A。三、电气图形符号与文字符号设计、分析、维护继电接触控制线路，一般都要用到电气原理图。所以工程技术人员必须掌握有关规定和了解电气原理图的绘制原则。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器电气原理图是用规定的电气图形符号和文字符号（采用国标GB4728—1985图形符号和文字符号）来标记和绘制。原理图完整地反映了整个电路电器与电器连接关系，对分析整个电路的工作原理、电器动作过程、判断故障位置等十分重要。电气原理图一般分为主电路（又称动力电路）和辅助电路（又称控制和信号电路）。主电路是完成主要功能的电气线路，如电动机、启动电器以及与它们相连接的接触器的触点等的连接线路，主电路中一般有大电流流过。辅助电路是指用来连接完成辅助功能的电气线路，如控制、检测、指令、保护、报警、照明等功能，辅助电路的主要任务是完成各种控制和显示功能，一般流动电流较小（一般为5A以下）。上一页下一页返回7.1常用低压控制电器绘制电气原理图的一般规定是：（1）主电路要用粗实线绘制，常画于左方（或上方）。辅助电路用细实线画于右方（或下方）。（2）所有电器必须按规定的图形符号绘制，同一电器上的不同部分可分别画在不同的位置上，但为了表明是同一电器，需用相同的文字符号标示。（3）辅助电路基本上按动作的先后顺序自上而下（或自左而右）平行绘制。（4）图形符号标示的是在未动作、无电压和无外力作用下的状态。上一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路一、点动控制点动控制就是按下按钮时（短时间）电动机转动，松开时电动机就停转。许多生产机械调整试车或运行时要求电动机做到点动控制，如摇臂钻床立柱的放松和夹紧、起重机吊钩、小车和大车运行的操作控制等均是点动控制。点动控制线路如图7-7所示。它由电动机、交流接触器、刀开关、按钮等组成，其主电路是：三相电源→开关QS→熔断器FU→接触器主触点KM→电动机三相定子绕组。控制电路（辅助电路）是：1点→启动按钮SB→接触器吸引线圈KM→2点。下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路其控制过程是：闭合电源刀开关QS，按下启动按钮SB，接触器KM吸引线圈带电，常开主触点KM闭合，电动机通电运行；松开按钮，接触器KM线圈断电，其衔铁复位，KM常开主触点断开，电动机断电停转。主电路用三相50Hz、380V的电源供电；三相刀开关QS用以隔离电源；熔断器FU起短路保护作用。二、直接启停控制对鼠笼式异步电动机进行直接启动、停止控制时，可采用直接起停控制。图7-8是最常用的直接启停控制电路。与图7-7点动控制线路相比，增加了热继电器、停止按钮SB1，并在启动按钮SB2两端并联上接触器的常开辅助触点KM。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路其控制过程是：先合上刀开关QS，接通电源，按下启动按钮SB2，接触器KM吸引线圈带电，接触器主触点闭合，电动机带电旋转。与此同时，接触器KM辅助触点闭合，旁路了启动按钮SB2，因此松开启动按钮后，接触器吸引线圈仍然带电，使电动机连续运行。KM常开辅助触点在这里起着保持吸引线圈带电的作用，称为自锁，该并联辅助常开触点也称为自锁触点。自锁作用保证了释放按钮后电动机仍能够连续运行。要使电动机停止转动，按下停止按钮SB1，接触器KM吸引线圈失电，接触器主触点断开，电动机断电停转。同时，辅助常开触点断开，所以松开停止按钮后控制电路仍为断电状态，电动机保持停转。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路该控制电路除具有短路、过载保护之外，还具有失压（零压）、欠压保护作用。当电源暂时停电或电源电压偏低（欠压）时，接触器KM吸引线圈产生的吸力为零或不足，衔铁释放，使接触器主触点断开，电动机自动失电而停车。当电源电压恢复时，如果不重新按下启动按钮SB2，电动机不能自行启动（因为自锁触点已经断开）。如果电动机是直接用三相刀开关控制的，电源暂时停电又未及时拉断开关，当电源电压恢复时，电动机便自行启动，可能会造成事故。这一点是继电器接触器控制的优点。三、连续与点动控制许多机床设备要求主电动机既能连续工作，又能点动控制。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路只要在电动机启停控制线路的基础上，将自锁触点支路串联上一个手动开关SA即可。当需要自锁连续工作时，将SA闭合；当需要点动控制时，将SA打开，切断自锁电路，就成为如图7-9（a）所示的最简单的连续与点动控制线路。这种控制电路的缺点是操作时需记住开关SA的位置。图7-9（b）中的控制电路是在直接启停控制线路的基础上，增加了一个复式按钮SB3来达到连续与点动控制的目的。按钮SB2

是连续工作按钮，而按钮SB3

是专门的点动按钮。按下SB3时，它的常闭触点首先断开，切断了自锁电路，紧接着常开触点闭合，使电动机开始点动运行；上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路一旦松开点动按钮SB3，它的常开触点首先断开，使接触器KM吸引线圈断电，主触点断开，电动机断电停止转动，同时接触器自锁触点复原断开，而后SB3

的常闭触点才复原闭合，电路点动完毕。需要强调的一点是，在采用图7-9（b）所示的控制电路时，控制电路中的交流接触器必须动作灵敏，否则点动操作不灵敏。四、正反转控制很多生产机械要求有正、反两个方向的运动，如机床工作台的进退、刨床的往复运动、起重机的升降等都是由电动机的正反转来实现的。图7-10（a）是一种正反转控制电路。根据三相异步电动机的工作原理，只需改变电动机电源的相序（三相中任意对调两相），就可以改变电动机的转向。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路所以主电路中有两个接触器主触点，接触器KM1

保证正相序电压加在电动机上，接触器KM2

保证负相序电压加在电动机上，从而实现了控制电动机正反转的目的。该电路的控制过程是：闭合电源刀开关QS，按下正转按钮SB2，正转接触器KM1

线圈带电，辅助常开触点KM1

闭合，按钮SB2自锁；同时，KM1

主触点闭合，电动机正转。应该注意到，正转接触器KM1的另一辅助常闭触点串接在反转接触器KM2

的线圈支路中，当KM1

带电动作后，就切断了KM2

线圈电路，使KM2不可能动作。按下停止按钮SB1，电动机停止运行。需要反转时，按下反转按钮SB3，反转接触器KM2线圈带电，KM2

的辅助常开触点闭合自锁，同时，KM2

主触点闭合，电动机带电反转。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路KM2的辅助常闭触点打开，切断了KM1

线圈电路，使正转接触器KM1不可能动作。由于图7-10（a）中接入了KM1、KM2

的常闭触点，保证了在误操作时（如同时按下SB2和SB3），两个接触器不会同时带电，避免了电源短路事故的发生。接触器KM1、KM2的两个辅助常闭触点就是为此目的而设置的，称为联锁触点（或互锁触点）。其作用就是当正转控制电路工作时反转控制电路绝对不能工作，反之亦然。图7-10（b）的线路又增加了复式按钮的机械联锁，即将两个启动按钮的常闭触点分别串联到另一个接触器线圈的控制支路中。电路提供了机械的和电器的双重联锁，制约更为可靠。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路该电路的另一个特点是当电动机正在正转时，如需电动机反转，可直接按下反转按钮SB3，电动机就可以直接反转，而不必像图7-10（a）电路那样，先按停止按钮SB1，再按反转按钮SB3。实际工作中一般要根据电动机所带动的生产设备要求，合理选择两图之一。图7-11（a）是图7-10（a）对应的状态转换图，图7-11（b）是图7-10（b）对应的状态转换图。五、顺序控制有些生产机械要求几台电动机按顺序工作。主要有按顺序启动、按顺序停止、不同时工作等。按照一定时间顺序依次接通或断开多台电动机控制电路称为顺序控制。图7-12所示是两台异步电动机1M和2M的顺序控制线路。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路该电路的控制过程是：接通QS，按下SB2，KM1带电，1M启动、运行；按下SB4，KM2带电，使2M运行。显然此线路的控制要求是1M启动后，2M才能启动。如果接通QS后，直接按下SB4，由于此时按钮SB2

和它的KM1

自锁触点均为断开状态，KM2不会带电。所以2M不会超越1M先启动。此控制线路在过载、短路和失压保护基础上，还具有避免误操作造成事故的功能。需要指出的是，两个热继电器的常闭触点FR1、FR2

串接在两个并联控制电路的公共电路中，一旦两台电动机中任何一台过载动作，两台电动机同时断电。上一页下一页返回7.2电气控制的基本控制电路及保护电路图7-12（b）是另一种常用的顺序控制电路（读者可参照图7-12（a）自行分析）。它主要是将第一个接触器的另一个常开辅助触点串联在接触器KM2线圈的线路中，达到顺序控制的目的。采用这种控制方式可以轻松地实现多重顺序控制。上一页返回7.3行程控制行程控制就是以行程为信号接通或断开某些线路，实现控制目的。行程信号一般由行程开关发出，它是行程控制的关键电器。一、行程开关行程开关又称位置开关，是实现位置控制、行程控制、限位保护和程序控制的自动电器，它的作用与按钮开关的相同，都是对控制电路发出接通、断开或信号转换等指令的电器。区别只是其触点的动作不是靠手指按动来完成，而是利用生产机械某些运动部件的碰撞或接触使其触点动作，达到控制要求。各种系列行程开关的基本结构类似，触点系统相同。区别仅在于使位置开关动作的传动装置不同。下一页返回7.3行程控制一般有旋转式、按钮式等几种。图7-13（a）是按钮式位置开关结构示意图。当预装在生产机械运动部件上的挡铁撞到推杆1时，使固定在推杆1上的常闭触点3断开，常开触点4闭合，从而起到切换电路的作用。当挡铁离开推杆1时，依靠恢复弹簧使推杆和触点复位。行程开关的电路符号如图7-13（b）所示。二、行程控制图7-14所示线路是一种典型的行程控制电路，它可使跑车只工作在规定的行程范围内。其控制过程是：预先闭合QS开关，按下前进启动按钮SB2，接触器KM1

线圈带电，KM1

主触点闭合，电动机正转启动，跑车向前运行；上一页下一页返回7.3行程控制当跑车运行到终端位置时，跑车上的挡铁碰撞行程开关ST1，使ST1

的常闭触点断开，接触器KM1

线圈断电，电动机断电，跑车停止运行。此时，即使再按下前进启动按钮SB2，接触器KM1

的线圈也不会带电，保证了跑车不会超过ST1所在位置。跑车后退时的情况与前进时的完全相同，请读者自行分析。三、自动往返位置控制有些生产机械如铣床，要求工作台在一定距离内能连续自动往返，以便连续加工工件。图7-15（a）为铣床工作台往返运动的示意图和控制电路图，行程开关ST1、ST2

分别固定在铣床床身上，确定铣床工作台往返距离。上一页下一页返回7.3行程控制挡铁A、B可调节地固定在工作台上，随着工作台的移动，可分别压下位置开关ST1、ST2

，改变控制线路的通断状态，以实现往返运动。从图7-15可以看出，实现工作台自动往返的关键是行程开关的两对常开、常闭触点，它们通断与工作台左右移动相对应。当工作台运动到所限位置时，行程开关动作，自动切换电动机正反转控制电路，通过机械传动机构，使工作台自动往返运动。行程开关ST3、ST4

的作用是实现位置极限保护。它们安装在ST1、ST2

的外侧。由于ST1、ST2连续工作，ST1和ST2

就容易失灵，从电路可见，当ST1和ST2失灵时，电动机继续通电，工作台继续前进，就会引发事故。上一页下一页返回7.3行程控制ST3

和ST4

的常闭触点与停止按钮SB1

串联，作用是在ST1或ST2失灵时使工作台停止在左或右端极限位置。这类控制电路如果发生运行时自动停车现象时，只要电源带电一般就可判断为ST1和ST2失灵，要对ST1或ST2进行检修。只有将行程开关ST1或ST2修好后，工作台才能重新工作。若分别将ST3常闭触点与KM1线圈串联，ST4

常闭触点与KM2

线圈串联，控制功能就有所改变。上一页返回7.4时间控制在自动控制系统中常常需要定时控制。时间继电器就是按照所需时间间隔，来自动接通或断开控制电路的自动电器。一、时间继电器（KT）时间继电器的种类很多，有电磁式、电动式、钟表式、空气阻尼式及电子式等。这里只介绍自动控制线路中应用较为普遍的空气阻尼式（气囊式）时间继电器。它是在接收到动作指令后，利用空气的阻尼作用，使触点延时一段时间（控制时间）闭合或打开，完成控制时间间隔的自动控制电器。时间继电器根据触点延时的特点，可以分为通电延时动作和断电延时复位两种。时间继电器还可以配置无延时的瞬时动作触点。下一页返回7.4时间控制图7-16为通电延时的空气阻尼式时间继电器原理图。其动作过程是：当线圈1带电，动铁芯2迅速吸合，固定在动铁芯上的托板向下运动，使下方的微动开关13瞬时动作，即触点DE立即断开（称为瞬时断开的常闭触点），触点DF立即闭合（称为瞬时闭合的常开触点），在释放弹簧4作用下活塞杆3开始向下移动，进气口7不断进气使活塞杆3缓慢下移（进气口进气量决定了延迟时间，进气的快慢可通过调节螺钉10来调整），当活塞杆经过一定时间移动到底部时，带动杠杆8撞压微动开关9，使触点AB闭合（称为延时闭合常开触点）、触点AC断开（称为延时断开常闭触点）。可见触点AB、AC是在时间继电器的吸引线圈带电后经过一定时间延时接通或断开的，所以称为通电延时时间继电器。上一页下一页返回7.4时间控制当线圈1断电时，在恢复弹簧11作用下，通过活塞杆3将迅速上移，气室内的空气绝大部分通过单向阀12迅速排掉，使得微动开关9和13瞬间复位。即此种时间继电器在断电时没有延时过程。图7-17是断电延时型的时间继电器。通过前面分析不难理解其主要动作特点是当线圈带电时，所有触点瞬时动作，没有延时；当线圈断电时，瞬时触点立刻复位，延时触点延时复位。触点AB是延时闭合的常闭触点，触点AC是延时断开的常开触点。断电延时与通电延时两种时间继电器经过简单重新安装后可以互换。但要注意它们的功能是截然不同的，使用时不可互换。时间继电器的电器符号如图7-16和图7-17中所示。需要指出的是还可以制成通电、断电都延时的时间继电器。上一页下一页返回7.4时间控制二、时间控制实例1.鼠笼式异步电动机Y—△启动控制线路图7-18为采用通电延时时间继电器控制的鼠笼式异步电动机Y—△换接降压启动控制线路。图中交流接触器用于电动机的启、停控制，KMY和KM△分别用于控制电动机的形和△形运行，时间继电器KT的通电延时常闭触点断开触点控制KMY、KM△和KM，完成Y—△换接过程。根据Y—△换接降压启动原理可知，接触器K