0311第1章常用低压电器.docx
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0311第1章常用低压电器
0绪论
现代机械一般由工作机构、传动机构、原动机及控制系统等几部分组成。
当原动机为电动机时，为满足加工艺要标，常把能使电动机完成起动、制动、反向、调速、快速定位等电气控制和电气操作的部分称为电气自动控制或称电气自动控制装置。
最初，采用手动电器来控制执行电器。
适用于一些容量小、操作单一的场合。
继电——接触器控制系统：
主要是由一些继电器、接触器、按钮、行程开关等组成。
结构简单，价格低廉，维护方便。
可以实现生产过程自动化、集中控制和远距离控制。
PLC：
出现20世纪七十年代，具有运算功能和功率输出能力。
是由CPU、大规模集成电路、电子开关、功率输出器件等组成的专用微型电子计算机，用于取代继电——接触器控制。
可以实现开关量（数字量）的控制，也能实现连续量（模拟量）的控制。
其设计思想源于继电——接触器控制。
1常用低压电器
凡是对电能的生产、输送、分配及使用起控制、调节、检测、转换和保护作用的电工器械均可称为电器。
电器能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节。
电器的控制作用就是手动或自动地接通、断开电路。
“通”称为“开”，“断”也称为关。
因此，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能，
1.1电器的分类
1、按工作电压等级分
1）．高压电器用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上电路中的电器。
2）．低压电器用于交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V及以下电路的电器
2、按动作原理分
1）．手动电器人手操作发出动作指令的电器，例如刀开关、按钮等。
2）．自动电器产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器，例如接触器、继电器、电磁阀等。
3、按用途分
1）．控制电器用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等。
2）．配电电器用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器。
3）．主令电器用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等。
4）．保护电器用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等。
5）．执行电器用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。
1.2电磁式电器的结构及工作原理
电磁式电器主要由感测部分（电磁机构）、执行部分（触头系统）组成。
1、电磁机构
电磁机构是电磁式电器的感测部分，它的主要作用是将电能转化为机械能，带动触头动作，从而完成电路的接通或分断。
电磁机构由铁心、衔铁和吸引线圈等几部分组成。
电磁机构的工作原理：
当线圈中有电流通过时，将产生足够的磁动势使铁心获得足以克服弹簧的反作用力的电磁力，使得衔铁与铁心闭合，带动触头动作。
2、触头系统
触头是用来接通或断开电路的。
因此就有闭合状态、分断过程、接通过程三种工作状态。
触头系统有两种结构：
桥式、指式。
触头按其控制的电路可分为主触头、辅助触头。
主触头用于接通主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。
触头按其原始状态可分为：
常开触头、常闭触头。
触头动作指：
常开闭合；常闭断开。
触头复位指：
回复到原始状态。
3、灭弧系统
动静触头在分断过程中，由于瞬间的电荷密度极高，导致动、静触头间形成大量炽热的电荷流，即电弧。
直流电弧依靠拉长电弧和冷却电弧来灭弧；交流电由于有自然过零，比直流电弧容易熄灭。
低压控制电器常用的灭弧方法有：
（1）.电动力灭弧
（2）.磁吹灭弧
（3）.金属栅片灭弧
1.3接触器
1.3.1接触器
接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器。
接触器在结构上由电磁系统、触头系统、灭弧装置组成。
接触器按其主触点控制的电路中电流种类分类，有直流接触器和交流接触器。
对于重要场合使用的交流接触器，为了工作可靠，其线圈可采用直流励磁方式。
图1-1万能式低压断路器结构图
交直流接触器的触头按其所控制的电路可分为：
主触头：
可用于主电路和控制电路。
辅助触头：
用于控制电路。
主触头和辅助触头一般情况下采用双断点的桥式触头，由于双断点的桥式触头具有电动力吹弧的作用，所以10A以下交流接触器一般无灭弧装置，而10A以上的交流接触器则采用栅片灭弧罩灭弧。
一般情况下，交流接触器工作时，当施加于线圈上的交流电压大于线圈额定电压值的85%时，接触器能够可靠地吸合。
触头动作时，常闭先断开，常开后闭合，主触头和辅助触头是同时动作的。
接触器有一定的失压保护功能：
当线圈中电压值降到某一数值时，铁心中的磁通下降，吸力减小到不足以克服复位弹簧的反力时，衔铁就在复位弹簧的反力作用下复位，各触点复位。
接触器的图形、文字符号见图1-1：
线圈
XG
常开主触点
常开主触点
辅助常开触点
辅助常闭触点
图1-3交直流接触器实物图
图1-2接触器图形及文字符号
交直流借出去主触点用于主电路或大电流的控制电路。
辅助触点用于控制电路。
接触器选用原则
（1）．额定电压接触器的额定电压是指主触头的额定电压，应等于负载的额定电压。
（2）．额定电流接触器的额定电流是指主触头的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流（按接触器设计时规定的使用类别来确定）。
（3）．电磁线圈的额定电压电磁线圈的额定电压等于控制回路的电源电压。
使用时，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但对于频繁动作的交流负载，可选用带直流电磁线圈的交流接触器。
接触器的主要技术指标
额定电压
交流接触器：
127、220、380、500V
直流接触器：
110、220、440V
额定电流
交流接触器：
5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A
直流接触器：
40、80、100、150、250、400、600A
吸引线圈额定电压
交流接触器：
36、110（127）、220、380V
图1-4继电器实物图
直流接触器：
24、48、220、440V
1.3.2继电器
继电器是一种根据某种输入信号的变化，使其自身的执行机构动作的自动控制电器。
它具有输入电路（又称感应元件）和输出电路（又称执行元件），当感应元件中的输入量（如电压、电流、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制电路。
实物图见图1-4。
分类方法有：
按用途分：
有控制继电器和保护继电器；
按动作原理分：
有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器。
按输入信号的不同来分：
有电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。
原理图见1-6
图1-5继电特性曲线
图1-6继电器原理图
继电器的主要特性是输入—输出特性，即继电特性。
继电特性曲线如图1-5所示。
当继电器输人量，由零增至x2以前，输出量y为零。
当输入量x增加到x2时，继电器吸合，输出量为y1，若x2再增大，y1值保持不变。
当x减小到x1，时，继电器释放，输出量由y1降至零。
x再减小，y值均为零。
图中，x2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须大于或等于此值；x1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输人量必须小于或等于此值。
k＝xl／x2称为继电器的返回系数，它是继电器的重要参数之一。
继电器的另一个重要参数是吸合时间和释放时间。
吸合时间是指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。
一般继电器的吸合时间与释放时间为0.05～０.15s，快速继电器为０.０05～０.05s，它的大小影响着继电器的操作频率。
无论继电器的输入量是电量或非电量，继电器工作的最终日的总是控制触头的分断或闭合，而触头又是控制电路通断的，就这一点来说接触器与继电器是相同的。
但是它们又有区别，主要表现在以下两个方面。
（1）.所控制的线路不同继电器用于控制小电流电路及控制电路；接触器用于控制电动机等大功率、大电流电路及主电路。
（2）.输入信号不同继电器的输入信号可以是各种物理量，如电压、电流、时间、压力、速度等，而接触器的输入量只有电压。
１、电流继电器
电流继电器反映的是电流信号。
在使用时电流继电器的线圈和负载串联，其线圈匝数少而线径粗。
这样，线圈上的压降很小，不会影响负载电路的电流。
常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。
欠电流继电器：
电路正常工作时，欠电流继电器吸合动作，当电路电流减小到某一整定值以下时，欠电流继电器释放，对电路起欠电流保护作用。
电流继电器的图形、文字符号见图1-7：
线圈 常开触点 常闭触点
图1-7电流继电器图形及文字符号
过电流继电器：
电路正常工作时，过电流继电器不动作，当电路中电流超过某一整定值时，过电流继电器吸合动作，对电路起过流保护作用。
当电路发生过载或短路故障时，过电流继电器吸合，吸合后立即使所控制的接触器或电路分断，然后自己也释放。
因此过电流继电器具有短时工作的特点。
电流继电器的线圈的图形、文字符号也可以明确表达出是过电流继电器、还是欠电流继电器。
见图1-8。
过电流继电器线圈 欠电流继电器线圈
图1-8过、欠电流继电器线圈符号
２、电压继电器
电压继电器反映的是电压信号。
使用时，电压继电器的线圈与负载并联，其线圈匝数多而线径细。
常用的有欠（零）电压继电器和过电压继电器两种。
与电流继电器相似：
欠电压继电器：
电路正常工作时，欠电压继电器吸合，当电路电压减小到某一整定值以下时，欠电压继电器释放，对电路实现欠电压保护。
过电压继电器：
电路正常工作时，过电压继电器不动作，当电路电压超过某一整定值时，过电压继电器吸合，对电路实现过电压保护。
零电压继电器：
本质上来说属于欠电压继电器，只是其整定值较欠电压继电器的值小得多。
当电路电压降低到5％～25％UN时释放，对电路实现零电压保护。
电压继电器的图形、文字符号为图1-9：
线圈 常开触点 常闭触点
图1-9电压继电器的图形、文字符号
电压继电器的线圈的图形、文字符号也可以明确表达出是过电压继电器、还是欠电压继电器。
图形及文字符号见图1-10
过电压继电器线圈 电压继电器线圈 零电压继电器线圈
>表示过电压 <表示欠电压
abc
图1-10过、欠电压继电器的图形、文字符号
1.3.3中间继电器
中间继电器实质上是一种电压继电器，中间继电器外形如图所示。
它的特点是触点数目较多，电流容量可增大，起到中间放大（触头数目和电流容量）的作用。
中间继电器的图形、文字符号见图1-11，实物图见图1-12。
线圈 常开触点 常闭触点
图1-11中间继电器的图形、文字符号
1.3.4时间继电器
在自动控制系统中，需要有瞬时动作的继电器，也需要延时动作的继电器。
时间继电器就是利用某种原理实现触头延时动作的自动电器。
图1-12中间继电器实物图
时间继电器是一种从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触头的闭合或断开）的继电器。
时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器。
时间继电器的延时方式有两种：
图1-7电流继电器图形及文字符号
通电延时：
线圈通电后延迟一定的时间，触点动作；断电后，触点瞬时复位。
断电延时：
线圈通电后，触点瞬时动作；断电后，延迟一定的时间，触点才复位。
时间继电器有空气式、电子式、电动机式等几种形式。
（1）.空气式时间继电器
利用空气阻尼作用而达到延时的目的。
特点：
结构简单，价格低廉，延时范围0.4～180s，但是延时误差较大，难以精确地整定延时时间
（2）.电子式时间继电器
电子式时间继电器是利用ＲＣ电路中电容电压不能跃变，只能按指数规律逐渐变化的原理——电阻尼特性获得延时的。
特点：
延时范围广（最长可达3600s），精度高（一般为５％左右），体积小，耐冲击震动、调节方便。
（3）.电动机式时间继电器
利用微型同步电动机带动减速齿轮系获得延时的。
特点：
延时范围宽，可达７２小时，延时准确度可１％，同时延时值不受电压波动和环境温度变化的影响。
电动机式时间继电器的延时范围与精度是其它时间继电器无法比拟的，缺点是结构复杂、体积大、寿命低、价格贵，准确度受电源频率影响。
时间继电器文字符号为KT，时间继电器线圈、触点的图形见图1-13：
图1-13时间继电器线圈、触点图形
（a）线圈一般符号（b）通电延时线圈（c）断电延时线圈（d）通电延时闭合动合（常开）触点（e）通电延时断开动断（常闭）触点（f）断电延时断开动合（常开）触点（g）断电延时闭合动断（常闭）触点（h）瞬动触点
时间继电器的各种延时动作的触点符号的记忆方法：
注意：
左括弧表示通电延时，右括弧表示断电延时。
配合通电延时和断电延时的定度来记忆。
时间继电器中也有一些无延时功能的触点，其在时间继电器线圈得电时立即动作，时间继电器线圈断电时立即复位。
符号与普通的常开、常闭符号完全一样，只是用KT来表示属于时间继电器的，见图1-10。
时间继电器瞬时动作常开触点时间继电器瞬时动作常闭触点
1.3.5热继电器
热继电器在电路中起过载保护。
三相异步电动机在实际运行中，经常会遇到过载情况：
（1）.短时过载是许可的，只要电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。
（2）.但过载时间太长，温升超进了许可值，将会使电动机损坏，这种过载是不允许的。
此时需要使用热继电器对电动机进行过载保护。
热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能了承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。
热继电器可以根据过载电流的大小自动调整动作时间，具有反时限保护特性，即过载电流大，动作时间短；过载电流小，动作时间长。
当电动机的工作电流为额定电流时，热继电器应长期不动作。
热继电器主要由热元件、双金属片、触头三部分组成，见图1-11。
双金属片是热继电器的感测元件，由两种线膨胀系数不同的金属片用机械碾压而成。
热元件一般为电阻丝绕在双金属片外面，串接在电动机的定子绕组中。
在加热以前，两金属片长度基本一致。
当串在电动机定子电路中的热元件有电流通过时，热元件产生的热量使两金属片伸长。
由于线膨胀系数不同，且因它们紧密结合在一起，双金属片就会发生弯曲。
当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使热继电器的触头动作。
当电动机过载时，双金属片弯曲位移增大，推动导板使热继电的触头电动机控制电路以起保护作用。
图1-11热继电器原理图
热继电器动作后，经过一段时间的冷却即能自动或手动复位。
热继电器动作电流的调节可以借助旋转凸轮于不同位置来实现。
在三相异步电动机电路中，一般采用两相结构的热继电器，即在两相主电路中串接热元件。
如果发生三相电源严重不平衡、电动机绕组内部短路或绝缘不良等故障，使电动机某一相的线电流比其它两相要高，而这一相没有串接热元件的话，热继电器也不能起保护作用，这时需采用三相结构的热继电器。
对于三相感应电动机，定子绕组为△联结的电动机必须采用带断相保护的热继电器。
因为将热继电器的热元件串接在△联结的电动机的电源进线中，并且按电动机的额定电流来选择热继电器，当故障线电流达到额定电流时，在电动机绕组内部，电流较大的那一相绕组的故障相电流将超过额定相电流。
但由于热元件串接在电源进线中，所以热继电器不会动作，但对电动机来说就有过热危险了。
对△联结的电动机进行断相保护，必须将三个热元件分别串接在电动机的每相绕组中。
热继电器的图形、文字符号见图1-12：
线圈常闭触头常开触头
图1-12热继电器的图形、文字符号
热继电器的选择原则：
主要根据电动机的额定电流来确定其型号及热元件的额定电流等级。
其整定电流通常等于或稍大于电动机的额定电流。
注意：
由于热惯性的原因，热继电器不能作短路保护。
因为发生短路事故时，要求电路立即断开，而热继电器于热惯性却不能立即动作。
在电动机起动或短时过载时，热继电器不会动作，从而保证了电动机的正常工作。
1.3.6速度继电器
速度继电器主要用在三相异步电动机的反接制动、能耗制动控制电路中，用来在异步电动机反接制动转速过零时，自动切断反相序电源。
速度继电器组成：
定子、转子和触头三部分，见图1-13。
速度继电器的轴与电动机的轴相连接。
转子固定在轴上，定子与轴同心。
当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，绕组切割磁场产生感应电动势和电流，此电流和永久磁铁的磁场作用产生转矩，使定子向轴的转动方向偏摆，通过定子柄拨动触头，使常闭触头断开、常开触头闭合。
当电动机转速下降到接近零时，转矩减小，定子柄在弹簧力的作用下恢复原位，触头也复原。
参数：
动作转速：
>120rpm
复位转速：
<100rpm
图1-13速度继电器结构原理图
速度继电器有两组触头（各有一对常开触头和一对常闭触头），可分别控制电动机正、反转的反接制动。
速度继电器根据电动机的额定转速进行选择。
其图形及文字符号如图1-13所示。
转子常开触头常闭触头
图1-13速度继电器图形及文字符号
1.4、熔断器
熔断器在电路中主要起短路保护作用。
熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管（绝缘座）组成。
使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路正常工作时，熔体允许通过其额定电流而不熔断；当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。
熔断器：
瓷插式、螺旋式、有填料封闭管式、无填料密闭管式、快速熔断器、自复式。
在电气控制中，常用螺旋式熔断器，它有明显的分断指示和不用任何工具就可以取下或更换熔体的优点。
熔断器的选择应根据使用情况和条件确定其类型、额定电压、额定电流、熔体额定电流。
熔断器的额定电流应小于它所安装的熔体的额定电流。
熔体额定电流的选择：
①对于电炉、照明等电阻性负载的短路保护，熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流。
②在配电系统中，通常有多级熔断器保护，发生短路故障时，远离电源端的前级熔断器应先熔断。
所以一般后一级熔体的额定电流比前一级熔体的额定电流至少大一个等级，以防止熔断器越级熔断而扩大停电范围。
③保护单台电动机时，考虑到电动机受起动电流的冲击，熔断器的额定电流应按下式计算：
IRN≥（1．5～2．5）IN
式中，IRN为熔体的额定电流；IN为电动机的额定电流，轻载起动或起动时间短时，系数可取近1.5，带重载起动或起动时间较长时，系数可取2，5。
④保护多台电动机，熔断器的额定电流可按下式计算：
IRN≥（1．5～2．5）INmax+ΣIN
式中INmax一为容量最大的一台电动机的额定电流；ΣIN为其余电动机额定电流之和。
熔断器的图形、文字符号为图1-14。
图1-14熔断器图形及文字符号
1.5、低压隔离器
低压隔离器主要是在电源切除后，将线路与电源明显隔离开来。
1.5.1刀开关
刀开关由操作手柄、触刀、静插座、绝缘底板等组成。
刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。
倒装时，手柄有可能因自动下滑而引起误合闸，造成人身事故。
接线时，应将电源线接在上端，负载接在熔丝下端。
这样，拉闸后刀开关与电源隔离，便于更换熔丝。
选用刀开关时，刀的极数要与电源进线相数相等；刀开关的额定电压应大于所控制的线路额定电压；刀开关的额定电流应大于负载的额定电流
刀开关的图形、文字符号为图1-15：
图1-15刀开关图形及文字符号
QS
1.5.2组合开关
组合开关也是一种刀开关，不过它的刀片是转动式的。
组合开关在机床电气设备中用作电源引入开关，也可用来直接控制小容量三相异步电动机非频繁正、反转。
组合开关由动触头、静触头、方形转轴、手柄、定位机构和外壳组成，见图1-16。
它的动触头分别叠装于数层绝缘座内。
当转动手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动，并使静触头插入相应的动触片中，接通电路。
图1-16组合开关的结构
组合开关的图形、文字符号为图1-17。
图1-17组合开关图形及文字符号
1.6低压断路器
低压断路器又称为自动空气开关。
低压断路器多用于不频繁地转换及起动电动机，对线路、电器设备及电动机实行保护，当它们发生严重过载、短路及欠电压等故障时能自动切断电路，因此，低压断路器是低压配电网中一种重要的保护电器。
低压断路器具有多种保护功能（过载、短路、欠电压保护等）、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。
1、结构和工作原理
低压断路器由操作机构、触头、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。
低压断路器工作原理图如图1-18所示。
1．主触头2．自由脱扣器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．按钮
图1-18低压断路器工作原理
手动合闸后，动、静触点闭合，脱扣联杆9被锁扣7的锁钩钩住，它又将合闸联杆5钩住，将触点保持在闭合状态。
发热元件14与主电路串联，有电流流过时产生热量使热脱扣器6的下端向左弯曲，发生过载时，热脱扣器6弯曲到将脱扣锁钩推离开脱扣联杆9，从而松开合闸联杆5，动、静触点10、11受脱扣弹簧3的作用而迅速分开。
电磁脱扣器8有一个匝数很少的线圈与主电路串联。
当发生短路时部的吸力大于弹簧的反力，脱扣锁钩向左转动，最后也使触点断开。
如果要求手动脱扣时．按下手动脱扣按钮2就可使触点断开。
脱扣器可以对脱扣电流进行整定，只要改变热脱扣器所需要的弯曲程度和电磁脱扣器铁心机构的气隙大小就可以了。
热脱扣器和电磁脱扣器互相配合，热脱扣器担负主电路的过载保护，电磁脱扣器担负短路故障保护。
当低压断路器由于过载而断开后，应等待2—3min才能重新合闸，以使热脱扣器回复原位。
2、低压断路器的类型
（1）．万能式断路器
（2）．塑料外壳式断路器
（3）．快速断路器
（4）．限流断路器
使用低压断路器来实现短路保护比熔断器优越，因为当三相电路短路时，很可能只有一相的熔断器熔断，造成单相运行。
对于低压断路器来说，只要造成短路都会使开关跳闸，将三相同时切断。
3、低压断路器的选用
①断路器的额定电压和额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。
②断路器的极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。
③欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。
④过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。
低压断路器的图形、文字符号见图1-19。
1.7主令电器
图1-19低压断路器图形及文字符号
主令电器是用来发布命令、改变控制系统工作状态的电器，它可以直接作用于控制电路，也可以通过电磁式电器的转换对电路实现控制，其主要类型有按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器、脚踏开关等。
1.7.1按钮
按钮是最常用的主令电器，在低压控制电路中用于手动发出控制信号。
其典型结构如图1-20所示，它由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。
1、2——常闭触头；3、4——常开触头；5——桥式触头；
6——复位弹簧；7——按钮帽；
图1-20按钮结构图
技用途和结构的不同，分为启动按钮、停止按钮和复合按钮等。
启动按钮带有常开触头，手指按下按钮帽，常开触头闭合，手指松开，常开触头复位。
启动按钮的按钮帽采用绿色。
停止按钮带有常闭触头，手指按下按钮，常闭触头
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