电气控制与plc第一章

第1篇电气控制与PLC电气控制技术合肥工业大学王建平朱程辉编写第1章电气控制与PLC常用低压电器

本章摘要1.1低压电器概述1.2接触器1.3控制继电器1.4其他常用低压电器1.1低压电器概述

电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用。在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中电器的应用极为广泛。随着电子技术、自动控制技术和计算机应用技术的迅猛发展，一些电器元件可能被电子电路所取代。

由于电器元件本身也朝着新的领域扩展，例如：电器元件性能的提高；新型电器元件的产生；机、电、仪一体化电器元件的实现；电器元件应用范围的扩展等，而且有些电器元件有其特殊性，因此电器元件是不可能完全被取代的，以继电器、接触器等工业电器为基础的电气控制技术仍具有相当重要的地位。

所谓电器是一种根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备。低压电器通常指工作在交流电压1200V、直流电压1500V以下的电路中的电气设备。

本章主要介绍电气控制系统中常用的各种低压电器元件的结构、工作原理和技术规格，不涉及元器件的设计，而着重于元件的应用。1.1.1低压电器的分类1.1.2

电气控制系统常用低压电器1.1.3

国内低压电器的发展概述1.1.1低压电器的分类分类方法：按工作电压等级分类按动作原理分类按用途分类按工作电压等级分类1)高压电器：用于交流电压1200V、直流1500V及以上电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。2)低压电器：用于交流50Hz（或60Hz）额定电压1200V一下、直流额定电压1500V以下的电路内起通断、保护、控制或调节作用的电器，例如接触器、继电器等。按动作原理分类1)手动电器：通过人的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。按用途分类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、低压断路器等。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。1.1.2电气控制系统常用低压电器接触器：交流接触器直流接触器继电器：电磁式继电器：电压继电器、电流继电器、中间继电器

时间继电器：直流电磁式、空气阻尼式、半导体式其他继电器：热继电器、干簧继电器、速度继电器熔断器：瓷插式螺旋式有填料封装管式无填料封装管式快速熔断器自复式低压断路器：框架式塑料外壳式快速直流断路器限流式漏电保护器位置开关：制动式滚动式微动式按钮、刀开关等1.1.3国内低压电器的发展概述国内低压电器的发展概况低压控制电器的发展趋势1)国内低压电器的发展概况

低压电器可分为低压配电电器和低压控制电器。

第一代产品：20世纪60～70年代初，仅有17个系列，自行开发，填补我国低压电器工业空白，市场占有率约15﹪；

第二代产品：20世纪70年代末～80年代初，产品进入更新换代的时期，开发新产品技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，适应成套装置要求，市场占有率约45﹪；

第三代产品：20世纪90年代，抓住主要产品系列，跟踪国外先进技术，开发生产高性能、小型化、电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化产品，市场占有率约40﹪。2)低压控制电器的发展趋势1)电力电子技术与微电子技术在低压电器中的应用范围越来越广。2)应用电子技术改造传统电器。3)低压电器的小型化、多功能化和组合化。4)研究限流新技术，提高分断能力和限流能力。5)低压电器测试技术的数字化和电磁兼容技术的研究。1.2接触器什么是接触器？

接触器是电力拖动和自动控制系统中使用量大面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和断开交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护。1.2.1结构与工作原理1.2.2交流接触器1.2.3直流接触器1.2.4主要技术参数与选用原则1.2.1结构与工作原理

一）接触器的结构

接触器主要由电磁机构、触头系统和灭弧装置组成，其结构简图如图1-1所示。

l-动触头2-静触头

3-动铁心4-反力弹

5-线圈6-静铁心

7-垫毡

8-接触弹簧

9-灭弧罩

10-触头压力簧片

图1-1接触器结构图（1）电磁机构

电磁机构是接触器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开。电磁机构包括动铁心（衔铁）、静铁心和电磁线圈三部分。电磁机构类型1)按衔铁的运动方式分为：

①衔铁绕棱角转动，如图1-2a所示。衔铁绕磁轭的棱角而转动，磨损较小，铁芯用软铁，适用于直流接触器。

②衔铁绕轴转动，如图1-2b所示。衔铁绕轴转动，铁芯用硅钢片叠成，用于交流接触器。

③衔铁直线运动，如图1-2c所示。衔铁在线圈内作直线运动，多用于交流接触器中。

图1-2常用电磁机构的形式

l―铁心2―线圈3―衔铁2)按铁心形状分类，电磁机构可分为U形（如图1-2a所示）和E

形（如图1-2b和c所示）。3)按线圈的连接方式分类，可分为并联（电压线圈）和串联（电流线圈）两种。4)按吸引线圈的种类分类，可分为直流线圈和交流线圈两种。(a)

吸力特性

电磁机构的吸力与气隙的关系曲线称为吸力特性。吸力特性随励磁电流种类(交流或直流)、线圈连接方式(串联或并联)的不同而有所差异。电磁机构的吸力可近似地按下式求得： （1-1）

式中，F为电磁吸力（N）；B为气隙磁感应强度（T）；S为铁心截面积（m2）。

当铁心截面积S为常数时，电磁吸力F与B2成正比，也可认为F与气隙磁通Φ2成正比，即F∝Φ2。由于励磁电流的种类对吸力特性有很大影响，所以下面分别对交、直流电磁机构的吸力特性进行讨论。交流电磁机构的吸力特性

设线圈外加电压U不变，交流电磁线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻忽略不计，则

（1-2）（1-3）

式中，U为线圈外加电压（V）；E为线圈感应电动势（V）；f为电压频率（Hz）；Φ为气隙磁通(Wb)；N为电磁线圈的匝数。

当电压频率f、电磁线圈的匝数N和线圈外加电压U为常数时，气隙磁通Φ也为常数，则电磁吸力也为常数，即F与气隙δ大小无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，电磁吸力F随气隙δ的减小略有增加。交流电磁机构的吸力特性如图1-3所示。由于交流电磁机构的气隙磁通Φ不变，IN随气隙磁阻(也即随气隙δ)的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I与气隙成正比变化。

图1-3交流电磁机构的吸力特性

直流电磁机构的吸力特性

由于线圈外加电压U和线圈电阻不变，所以流过线圈的电流I也为常数，即不受气隙δ变化的影响，根据磁路定律有：（1-4）

式中，Rm为气隙磁阻（H-1），则（1-5）

即电磁吸力F与气隙δ的平方成反比。直流

电磁机构的吸力特性如图1-4所示。

由于一般U形交流电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，电流将达到吸合后额定电流的5～6倍，E形电磁机构将达到10～15倍。如果衔铁卡住不能吸合，或者频繁动作，线圈可能烧毁。这就是对于可靠性高或频繁动作的控制系统一般采用直流电磁机构，而不采用交流电磁机构的原因。图1-4直流电磁机构的吸力特性（b）反力特性

电磁机构转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特性。阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁重量有关。（c）吸力特性与反力特性之间的配合

吸力特性与反力特性的配合如图1-5所示。

电磁机构欲使衔铁吸合，在整个吸合过程中，吸力都必须大于反力；但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命。反映在特性图上，就是要保证吸力特性曲线在反力特性曲线上方。当切断电磁机构的激磁电流以释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当，才有助于电器性能的改善。在实际应用中，可调整反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好配合。上述配合对于继电器同样适用。

在δ1～δ2的区域内，反力随气隙减小略有增大。到达δ2的位置，动触点开始与静触点接触，这时触点上的初压力作用到衔铁上，反力骤增，曲线突变。其后在δ2到0的区域内，气隙越小触点压得越紧，反力越大，其曲线较δ1～δ2段陡。

图1-5吸力特性和反力特性

1-直流接触器吸力特性2-交流接触器吸力特性3-反力特性

对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反作用弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后吸力增大，当吸力大于反力时，衔铁又吸合。由于交流电源频率的变化，衔铁的吸力随之每个周波二次过零，因而衔铁产生强烈振动与噪声，甚至使铁心松散。

为了避免衔铁振动，如图1-6所示在铁心端面上安装一个铜制的分磁环（或称短路环），其包围铁心端面约2/3的面积。当电磁机构的交变磁通穿过短路环所包围的截面S2时，环中产生涡流。根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通Φ2在相位上落后于截面S1中的磁通Φ1。这样，铁心中有两个不同相位的磁通Φ1和Φ2，电磁机构的吸力为它们产生的吸力F1和F2之和。只要此合力始终大于反力，衔铁的振动现象就消失了。图1-6加短路环后的磁通和电磁吸力曲线

a)磁通示意图b)电磁吸力曲线（2）触头系统

触头（触点）是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制的电路。

触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，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。

触头按其结构形式可分为桥型触头和指型触头。

触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头；原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态时闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。

按触头接触形式可分为三种，即点接触、线接触和面接触。点接触指两个半球形触点或一个半球形与一个平面形触点构成。它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点或继电器触点。线接触指两个带弧面的矩形触头相接触，它的接触区域是一条直线。触点在通断过程中是滚动接触，这样，可以自动清除触点表面的氧化膜，同时长期工作的位置不是在易烧灼的接触点，从而保证了触点的良好接触。这种滚动线接触多用于中等容量的触头，如接触器的主触头。面接触指两个平面触头相接触，它可允许通过较大的电流。这种触点一般在接触表面上镶有合金，以减小触点接触电阻和提高耐磨性，多用作较大容量接触器的主触点。

由于触点表面的不平与氧化层的存在，两个触点的接触处有一定的电阻。为了减小此接触电阻，需在触点间加一定压力。当动触点与静触点接触时，由于安装时弹簧被预先压缩了一段，因而产生一个初压力F1，如图1-7b所示。触点闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一终压力F2如图1-7c所示。弹簧压缩的距离l称为触点的超行程，即从静、动触点开始接触到触点压紧，整个触点系统向前压紧的距离。有了超行程，在触点磨损情况下，仍具有一定压力。磨损严重时应予更换。图1-7触点的位置示意图

a)最终拉开位置b)刚刚接触位置c)最终闭合位置（3）灭弧装置

当触头断开瞬间，触头间距离极小，电场强度极大，触头间产生大量的带电粒子，形成炽热的电子流，产生弧光放电现象，称为电弧。电弧的存在既妨碍了电路及时可靠地分断，又会使触头受到磨损。因此，必须采取适当且有效的措施，以保护触头系统，降低它的磨损，提高它的分断能力，从而保证整个电器的工作安全可靠。

1）磁吹式灭弧装置。其原理如图1-8所示。由于这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧的能力也越强，且不受电路电流方向影响。它广泛应用于直流接触器中。图1-8磁吹式灭弧装置

1-铁心

2-绝缘管

3-吹弧线圈

4-导磁颊片

5-灭弧罩

6-熄弧角

2）灭弧栅。灭弧栅灭弧原理如图1-9所示。电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，当交流电压过零时电弧自然熄灭，两栅片间必须有150～250V电压，电弧才能重燃。一方面电源电压不足以维持电弧，同时由于栅片的散热作用，电弧自然熄灭后很难重燃。这是一种很常用的交流灭弧装置。

图1-9灭弧栅灭弧原理

a)栅片灭弧原理

b)电弧进入栅片的图形

1-静触点2-短电弧3-灭弧栅片4-动触点5-长电弧

3）灭弧罩。比灭弧栅更为简单的是采用一个用陶土和石棉水泥做的耐高温的灭弧罩，用以降温和隔弧。可用于交流和直流灭弧。

4）多断点灭弧。在交流电路中也可采用桥式触点，如图1-10所示。有两处断开点，相当于两对电极，若有一处断点处要使电弧熄灭后重燃需要150～250V，现二处断点就需要2×(150～250)V，所以有利于灭弧。若采用双极或三极接触器控制一个电路时，可灵活地将二个极或三个极串联起来作为一个触点使用，这组触点便成为多断点，灭弧效果将大大提高。

图1-10桥式触头

a)闭合状态b)断开状态

1-动触头2-静触头3-电弧二）接触器的工作原理

当接触器线圈通电后，在铁心中产生磁通。由此在衔铁气隙处产生吸力，使衔铁产生闭合动作，主触头在衔铁的带动下也闭合，于是接通了主电路。同时衔铁还带动辅助触头动作，使原来打开的辅助触头闭合，而使原来闭合的辅助触头打开。当线圈断电或电压显著降低时，吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧作用下，主、辅触头又恢复到原来状态。这就是接触器的工作原理。接触器的图形、文字符号如图1-11所示。

图1-11接触器图形、文字符号a)线圈

b)主触头

c)常开辅助触头

d)常闭辅助触头1.2.2交流接触器

交流接触器线圈通以交流电（或直流电），主触头接通、分断交流主电路，如图1-12所示。当交流磁通穿过铁心时，将产生涡流和磁滞损耗，使铁心发热。为减少铁损，铁心用硅钢片冲压而成。为便于散热，线圈做成短而粗的圆筒状绕在骨架上。

图1-12交流接触器

a)CJ10-60交流接触器b)CJX2-N系列交流接触器c)CJ12系列接触器1.2.3直流接触器

直流接触器线圈通以直流电流，主触头接通、切断直流主电路，直流接触器外形如图1-13所示。因为线圈通入的是直流电，铁心中不会产生涡流和磁滞损耗，所以不会发热。图1-13CZ0-150G直交流接触器

直流接触器灭弧较困难，一般采用灭弧能力较强的磁吹灭弧装置。

对于250A以上的直流接触器往往采用串联双绕组线圈，直流接触器双绕组线圈接线如图1-14所示。线圈1为起动线圈，线圈2为保持线圈，接触器的一个常闭辅助触头与保持线圈并联连接。在电路刚接通瞬间，保持线圈被常闭触头短接，可使起动线圈获得较大的电流和吸力。当接触器动作后，常闭触头断开，两线圈串联通电，由于电源电压不变，所以电流减小，但仍可保持衔铁吸合，因而可以节电和延长电磁线圈的使用寿命。图1-14直流接触器双绕组线圈接线图1.2.4主要技术参数与选用原则接触器的主要技术参数接触器的型号及代表含义接触器的选用原则1、接触器的主要技术参数（1）额定电压：接触器的额定电压是指主触头的额定电压。常用电压等级分为交流接触器380、660及1140V；直流接触器220、440、660V。（2）额定电流：接触器的额定电流是指主触头的额定电流。CJ20系列交流接触器额定电流等级有10、16、32、55、80、125、200、315、400、630A。CZ18系列直流接触器额定电流等级有40、80、160、315、630、1000A。（3）电磁线圈的额定电压：电磁线圈的额定电压是指保证衔铁可靠吸合的线圈工作电压。常用电压等级分为交流线圈36、127、220、380V；直流线圈24、48、110、220V。（4）触头数目：各种类型的接触器触头数目不同。交流接触器的主触头有三对（常开触头），一般有四对辅助触头（两对常开、两对常闭），最多可达到六对（三对常开、三对常闭）。直流接触器主触头一般有两对（常开触头）；辅助触头有四对（两对常开、两对常闭）。（5）接通和分断能力：指主触头在规定条件下能可靠地接通和分断的电流值。在此电流值下，接通时主触头不应发生熔焊；分断时主触头不应发生长时间燃弧。（6）额定操作频率：接触器额定操作频率是指每小时接通次数。通常交流接触器为600次/h；直流接触器为1200次/h。（7）机械寿命和电气寿命。机械寿命是指接触器在需要修理或更换机构零件前所能承受的无载操作次数。电气寿命是在规定的正常工作条件下，接触器不需修理或更换的有载操作次数。（8）使用类别。接触器用于不同负载时，其对主触头的接通和分断能力要求不同，按不同使用条件来选用相应使用类别的接触器便能满足其要求。在电力拖动控制系统中，常见的接触器使用类别及典型用途如表1-1所示。2、接触器的型号及代表含义

交流接触器型号的含义如下：

例如：CJ12-250/3为CJ12系列交流接触器，额定电流250安，三个主触点。部分CJ20系列交流接触器主要技术数据如表1-2所示。常用的CZ18系列直流接触器主要技术数据如表1-3所示。直交流接触器型号的含义如下：3、接触器的选用原则根据主电路电流种类确定选择交流接触器还是直流接触器。根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。根据负载功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。根据接触器主触头接通与分断主电路电压等级来决定接触器的额定电压。接触器线圈额定电压必须与接入此线圈的控制电路的额定电压相等，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。接触器的触头数目和种类应能满足主电路和控制电路的要求。1.3控制继电器概述电磁式电流、电压及中间继电器干簧继电器时间继电器热继电器速度继电器1.3.1概述

继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力或使输出状态发生阶跃变化，从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其他器件或装置动作的一种控制元件。它用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。继电器的分类1)按输入量的物理性质分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器、温度继电器等；2)按动作原理分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等；3)按动作时间分为快速继电器、延时继电器、一般继电器；4)按执行环节作用原理分为有触点继电器、无触点继电器；5)按用途分为电器控制系统用继电器、电力系统用继电器。本节主要介绍电器控制系统用的电磁式继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等。继电特性图1-15继电特性曲线

继电器的主要特性是输入/输出特性，电磁式继电器的特性如图1-15所示，这一矩形曲线统称为继电特性曲线。

当继电器输入量x由零增至x1以前，继电器输出量y为零。当输入量增加到x2时，继电器吸合，通过其触点的输出量为y1，若x再增加，y值不变。当x减少到x1时，继电器释放，输出由y1降到零，x再减小，y值均为零。

在图1-15中，x2称为继电器吸合值，欲使继电器动作，输入量必须大于此值；x1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于此值。K=x1/x2称为继电器的返回系数。它是继电器重要参数之一。不同场合要求不同的K值。例如一般继电器要求低返回系数，K值在0.1～0.4之间，这样当继电器吸合后，输入值波动较大时不致引起误动作；欠电压继电器则要求高返回系数，K值在0.6以上。

继电器的另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是从线圈接受电信号到衔铁完全吸合时所需的时间；释放时间是从线圈失电到衔铁完全释放时所需的时间。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。1.3.2电磁式电流、电压及中间继电器电磁式继电器的结构与工作原理电流继电器电压继电器中间继电器1.电磁式继电器的结构与工作原理

图1-16电磁式继电器原理图1-铁心2-旋转棱角3-释放弹簧4-调节螺母5-衔铁6-动触头7-静触头8-非磁性垫片9-线圈

电磁式继电器的结构是由铁心、衔铁、线圈、释放弹簧和触头等部分组成，如图1-16所示。由于继电器用于控制电路，所以流过触头的电流较小，故不需要灭弧装置。

图1-17电磁式继电器图形、文字符号

a)线圈一般符号

b)过电流、欠电流继电器线圈

c)过电压、欠电压继电器线圈

d)常开、常闭触头2.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，而导线粗电流大仍可获得需要的磁势。常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。

在电路正常工作时，欠电流继电器吸合动作，当电路电流减小到某一整定值（0.3～0.65IN）以下时，欠电流继电器释放，对电路起欠电流保护作用。

在电路正常工作时，过电流继电器不动作，当电路中电流超过某一整定值（1.1～4IN）时，过电流继电器吸合动作，对电路起过电流保护作用。3.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。

在电流正常工作时，欠电压继电器吸合动作，当电路电压减小到某一整定值以下（0.3～0.5UN）时，欠电压继电器释放，对电路实现欠电压保护。

零电压继电器是当电路电压降低到（0.05～0.25UN）时释放，对电路实现零电压保护。

在电流正常工作时，过电压继电器不动作，当电路电压超过某一整定值（1.05～1.2UN）时，过电压继电器吸合，对电路实现过电压保护。4.中间继电器

中间继电器实质上式一种电压继电器。它的特点是触头数目较多，电流容量可增大，起到中间放大（触头数目和电流容量）作用。表1-5（p15）列出了JZ7系列中间继电器技术数据。1.3.3干簧继电器

干簧继电器可以反映电压、电流、功率以及电流极性等信号，在检测、自动控制、计算计算、通信等领域中得到广泛的应用。

干簧继电器主要由干簧管和励磁线圈组成，其结构原理如图1-18所示。干簧管由一组或几组导磁舌簧片封装在惰性气体（如氦、氮等气体）的玻璃管中组成开关元件，舌簧片的接触部分通常镀以贵金属如金、铑、钯等，具有良好的导电性能。由于触点密封在充有惰性气体的玻璃管中与外界隔绝，减小了触头的电腐蚀，提高了工作可靠性。干簧继电器的图形、文字符号如图1-19所示。图1-18干簧电磁式继电器原理图

图1-19干簧继电器图形、文字符号

1-舌簧片2-线圈3-玻璃管4-骨架a)常开触头b)常闭触头当线圈通电后，管中两舌簧片的自由端分别被磁化成N极和S极而相互吸引，因而接通了被控制的电路。线圈断电后，舌簧片在本身的弹力作用下分开并复位，控制电路亦被切断。可见，导磁的舌簧片又兼作接触簧片，即控制触头，或者说，一组舌簧片起开关电路和磁路双重作用。干簧继电器外形如图1-20所示。图1-20TRR型干簧继电器干簧继电器的特点1）吸合功率小，灵敏度高。一般舌簧继电器吸合与释放时间均在0.5～2ms以内，小型的甚至小于1ms，与电子线路的动作速度相近。2）触头密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染，动片质量小，动作速度快，触头寿命长，一般可达108次左右。3）结构简单，体积小。4）价格低廉，维修方便。

不足之处是触头易冷焊粘住，过载能力低，触点开距小，耐压低，断开瞬间触头易抖动。1.3.4时间继电器

从敏感元件得到输入信号起，到产生相应的输出信号（

如触头的通断等），有一个符合一定准确度的延时过程的继电器，称为时间继电器。时间继电器的延时方式有两种：

通电延时——接受输入信号后要延迟一段时间，输出信号才发生变化。当输入信号消失后，输出瞬时复原。

断电延时——当接受输入信号时，立即产生相应的输出信号。当输入信号消失后，继电器需经过一定的延时，输出才复原。时间继电器种类较多，常用的有：电磁式、空气阻尼式、半导体式等。

图1-21时间继电器图形符号及文字符号

a)线圈一般符号b)通电延时线圈c)断电延时线圈d)瞬时常开触点e)瞬时常闭触点

f)延时闭合的常开触点g)延时断开的常开触点h)延时断开的闭合触点i)延时闭合的常闭触点1.直流电磁式时间继电器

直流电磁式时间继电器在铁心上增加了一个阻尼铜套。其结构示意如图1-22所示。由电磁感应定律可知在继电器通断电过程中铜套内将感生涡流，它将反对穿过铜套的磁通变化，因而对原吸合磁通起了阻尼作用。

图1-22带有阻尼铜套的铁心

1-铁心2-阻尼铜套3-线圈4-绝缘层2.空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器又称气囊式时间继电器，它是利用空气阻尼作用达到延时目的的。它由电磁结构、延时结构和触头组成。

空气阻尼式时间继电器的电磁结构有交、直流两种。延时方式有通电延时型和断电延时型。其外观区别在于：当衔铁位于铁心和延时结构之间时为通电延时型；当铁心位于衔铁和延时结构结构之间时为断电延时型。JS7-A系列时间继电器结构原理如图1-23所示。

图1-23JS7—A系列空气阻尼式时间继电器结构原理图

a)通电延时型b)断电延时型

1—线圈2—铁心3—衔铁4—反作用力弹簧5—推板6—活塞杆

7—杠杆8—塔形弹簧9—弱弹簧10—橡皮膜11—空气室壁

12—活塞13—调节螺钉14—进气孔15、16—微动开关

以通电延时型为例，当线圈1的电后，衔铁3吸合，活塞杆6在塔形弹簧8作用下带动活塞12及橡皮膜10向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄，形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小决定。经一段延时后，活塞杆通过杠杆7压动微动开关15，使其触头动作，起到通电延时作用。

当线圈断电时，衔铁释放，橡皮膜下方空气室内的空气通过活塞肩部所形成的单向阀迅速地排出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。由线圈得电到触头动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，其大小可以通过调节螺钉13调节进气孔气隙大小来改变。空气阻尼式时间继电器具有结构简单、延时范围较大（0.4～180s）、价格较低的优点，但其延时精度较低，没有调节指示，适用于延时精度要求不高的场合。国产JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的外形如图1-24所示，技术数据如表1-7（p19）所示。图1-24JS7-A系列空气阻尼时间继电器3.半导体时间继电器

随着电子技术的发展，半导体时间继电器也迅速发展。这类时间继电器体积小，延时范围宽、延时精度高、寿命长，已得到广泛应用。以JSJ系列半导体时间继电器为例，如图l-25所示。图1-25JSJ系列半导体时间继电器工作原理图

半导体时间继电器是利用RC电路电容充放电原理实现延时的。图1-25中有两个电源；主电源是由变压器二次侧的18V电压经整流、滤波得到；辅助电源是由变压器二次侧的12V电压经整流、滤波获得。当电源变压器接上电源时，晶体管V1导通、V2截止，继电器KA不动作。两个电源分别向电容C充电，a点电位随时间按指数规律上升。当a点点位高于b点电位时，晶体管V1截止、V2导通，V2集电极电流通过继电器KA的线圈，KA各触头动作输出信号。图中KA的常闭触头断开充电电路，常开触头闭合，使电容放电，为下次工作作好准备。调节电位器RP，就可以改变延时的时间长短。此电路延时范围为0.2～300s。

半导体时间继电器的输出形式有两种：有触头式和无触头式，前者是用晶体管驱动小型电磁式继电器，后者是采用晶体管或晶闸管输出。JSZ3半导体时间继电器如图1-26所示。图1-26JSZ3半导体时间继电器1.3.5热继电器

热继电器是利用电流流过发热元件产生热量来使检测元件受热弯曲，进而推动机构动作的一种保护电器。由于发热元件具有热惯性，所以在电路中不能用于瞬时过载保护，更不能做短路保护，主要用作电动机的长期过载保护。1.热继电器的结构与工作原理

热继电器主要由热元件、双金属片和触头等组成，其结构示意如图1-27所示。热元件由发热电阻丝做成。

图1-27热继电器结构示意图

1-推杆2-主双金属片3-加热元件4-导板

5-补偿双金属片6-静触点7-常开静触头

8-复位螺钉

9-动触头10-按钮11-调节旋钮12-支撑件13-压簧

14-推杆

双金属片由两种不同热膨胀系数的金属辗压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。使用时，热元件3串接在电动机定子绕组中，电动机绕组电流即为流过热元件的电流。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片2弯曲，但还不足以使继电器动作；当电动机过载时，热元件产生的热量增大，使双金属片变形弯曲位移增大，经过一定时间后，双金属片弯曲到推动导板4，并经过补偿双金属片5与推杆14将触头9和6分开，触头9和6为热继电器串于接触器线圈回路的常闭触头，断开后使接触器失电，接触器的常开触头将电动机与电源断开，起到保护电动机的作用。

热继电器动作后，一般不能自动复位，要等双金属片冷却后，按下复位按钮10才能复位。调节旋钮11是一个偏心轮，它与支撑件12构成一个杠杆，13是一压簧转动偏心轮，改变它的半径即可改变补偿双金属片5与导板4的接触距离，因而达到调节整定动作电流的目的。此外，靠调节复位螺钉8来改变常开触头7的位置，使热继电器能工作在手动复位和自动复位两种工作状态。图1-28JR36B热继电器外形2.热继电器的主要技术参数

热继电器的图形、文字符号如图1-29所示。热继电器型号表示意义如下：图1-29热继电器的图形及文字符号

a)热元件

b)常闭触头

热继电器的选用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。具体的说：（1）对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些。（2）在不频繁起动场合，要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作。（3）当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。此外，对于可逆运行和频繁通断的电动机，不宜采用热继电器保护，必要时可采用装入电动机内部的温度继电器。1.3.6速度继电器

速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制，也称反接制动继电器。速度继电器是依靠电磁感应原理实现触头动作的，因此，它的电磁系统与一般电磁式电器是不同的，它与交流电动机的电磁系统相似，即由定子和转子组成其电磁系统。其结构主要由定子、转子和触头三部分组成，如图1-30所示。

图1-30JY1速度继电器结构图

a)结构示意图

b)外形

1-转子

2-转轴

3-定子

4-绕组

5-定子柄6-静触点7-动触点8-簧片

常用的速度继电器有JY1和JFZ0两个系列。JY1系列能在3000r/min以下可靠地工作。JFZ0系列有两对常开、常闭触头，其触点动作速度不受定子柄偏摆的影响，两组触点改用两组微动开关。JFZ0-1型适用于300～1000r/min，JFZ0-2型适用于1000～3600r/min。一般速度继电器转轴在120r/min左右时触头即能正常工作。

速度继电器的图形及文字符号如图1-31所示。图1-31速度继电器的图形和文字符号

a)转子b)常开触头c)常闭触头1.4其他常用低压电器熔断器低压断路器与低压开关主令电器1.4.1熔断器熔断器的结构与分类熔断器的主要特性熔断器的选择1.熔断器的结构与分类

熔断器是当电路发生短路或过载故障时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时熔体自行熔断，从而分断故障电路。在电路中主要起短路保护作用。

熔断器主要由熔断管（或盖、座）、熔体及导电部件等部分组成。其中熔体是主要部分，它既是敏感元件又是执行元件，因此熔断器结构比较简单。常用的熔断器瓷插式熔断器：如图1-32所示，常用于低压分支电路的短路保护。螺旋式熔断器：如图1-33所示。常用于机床电气控制设备中。无填料密闭管式熔断器：如图1-34所示。它常用于低压电力网或成套配电设备中。有填料密闭管式熔断器：如图1-35所示。常用于大容量的电力网或配电设备中。快速熔断器：它主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低，只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。自复熔断器：采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当短路发生短路故障时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而限制了短路电流。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。

我国还生产了一种熔断信号器，型号为RX2-1000。它并联于熔断器，本身对线路不起保护作用，一旦熔体熔断，信号器随之立即动作，指示器以足够的力推动与之相联的微动开关，接通信号源报警或作用于其它开关电器的感测元件，使三极开关分断，防止线路的断相运行。熔断器的图形、文字符号如图1-36所示。图1-36熔断器图形及文字符号2.熔断器的主要特性（1）安秒特性

它是指流过熔体的电流I与熔体熔断时间t的关系曲线，称为“安秒特性”，如图1-37所示。

熔断器的安秒特性为反时限特性，即短路电流值越大，熔断时间越短，这就能满足短路保护的要求。图中Imin为最小熔化电流或称临界电流，当熔体电流小于临界电流时，熔体不会熔断，所以最小熔断电流必须大于线路额定电流。最小熔化电流Imin与熔体额定电流IN之比称为熔断器的熔化系数，即K=Imin/IN。图1-37熔断器的安秒特性（2）极限分断能力

通常是指在额定电压及一定的功率因数（或时间常数）下切断短路电流的极限能力，常用极限断开电流值（周期分量的有效值）来表示。熔断器的极限分断能力必须大于线路中可能出现的最大短路电流。3.熔断器的选择（1）熔断器类型的选择

主要根据负载的保护特性和短路电流大小。用于保护照明电路和电动机的熔断器，一般考虑它们的过载保护，要求熔断器的熔化系数适当小些。对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时的分断电流能力。（2）熔断器额定电压的选择

熔断器的额定电压应大于或等于所接电路的额定电压。（3）熔体、熔断器额定电流的选择

熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。

对于负载平稳无冲击电流的照明电路、电热电路等可按负载电流大小来确定熔体的额定电流；对于有冲击电流的电动机负载，为起到短路保护作用，又保证电动机的正常起动，对三相龙型电动机，其熔断器熔体的额定电流为

单台长期工作电动机：

（1-6）式中，INp为熔体额定电流（A）；INM为电动机额定电流（A）。

单台频繁起动电动机：

（1-7）

多台电动机共用一熔断器保护：

（1-8）式中，INMmax为多台电动机中容量最大一台电动机的额定电流（A）；ΣINM为其余各台电动机额定电流之和（A）。

在式（1-6）与式（1-8）中，对轻载起动或起动时间较短时，式中系数取1.5；重载起动或起动时间较长时，系数取2.5。当熔体额定电流确定后，根据熔断器额定电流大于或等于熔体额定电流来确定熔断器额定电流。

（4）熔断器额定电流的校验对上述选定的熔断器类型及熔体额定电流，还须校验熔断器的保护能力，看其与保护对象的过载特性是否有良好的配合。同时，熔断器的极限分断能力是否大于或等于保护电路可能出现的短路电流，这样才可获得可靠的短路保护。对于供电电路上的熔断器，为防止越级熔断，上、下级（即供电干、支线）熔断器间应有良好的协调配合，一般上一级熔断器的熔体额定电流比下一级熔体额定电流大1～2个级差。1.4.2低压断路器与低压开关低压断路器漏电保护器低压开关组合开关1.低压断路器

低压断路器俗称自动空气开关，是一种既有手动开关作用，又能对欠电压、过载和短路等故障进行自动保护的开关电器，它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、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，因此目前被广泛应用。（1）低压断路器的结构和工作原理

低压断路器由主触头及灭弧装置、各种脱扣器、自由脱扣机构和操作机构等组成，其结构原理图如图1-38所示。断路器外形如图1-39所示。

图1-38断路器结构原理图

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-欠电压脱扣器7-按钮

图1-39断路器外形

a)DZ158-100小型断路器

b)NM1系列塑料外壳式断路器主触头及灭弧装置：主触头是断路器的执行元件，用来接通和分断主电路，为提高其分断能力，主触头上装有灭弧装置。脱扣器：脱扣器是断路器的感受元件，当电路出现故障时，脱扣器感测到故障信号后，经由自由脱扣器使主触头分断，从而起到保护作用。脱扣器有分励脱扣器、欠电压脱扣器、过电流脱扣器、热脱扣器等。自由脱扣机构和操作机构：自由脱扣机构是用来联系操作机构和主触头的机构，当操作机构处于闭合位置时，也可操作分励脱扣机构进行脱扣，将主触头断开。操作机构是实现断路器闭合、断开的机构。通常电力拖动控制系统中的断路器采用手动操作机构。（2）低压断路器的类型万能式断路器：又称敞开式电压断路器，具有绝缘衬底的框架结构底座，所有的构件组装在一起，用于配电网络的保护。主要型号有DW10和DW15两个系列。塑料外壳式断路器：又称装置式低压断路器，具有用模压绝缘材料制成的封闭型外壳将所有构件组装在一起。用作配电网络的保护和电动机、照明电路及电热器等控制开关。主要型号有DZ5、DZ10、DZ20等系列。快速断路器：具有快速电磁铁盒强有力的灭弧装置，最快动作时间可在0.02s以内，用于半导体整流元件和整流装置的保护。主要型号有DS系列。限流断路器：利用短路电流产生的巨大点动斥力，使触头迅速断开，能在交流短路电流尚未达到峰值之前就把故障电路切断。用于短路电流相当大（高达70kA）的电路中。主要型号有DWX15和DWX10两个系列。（3）低压断路器的选用1）断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和电流。2）断路器的极限通断能力应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。5）长延时电流整定值等于电动机额定电流。6）瞬时整定电流：对保护笼型异步电动机的断路器，瞬时整定电流为8～15倍电动机额定电流；对于保护绕线转子电动机的断路器，瞬时整定电流为3～6倍电动机额定电流。

图1-40低压断路器的图形与文字符号

低压断路器的图形、文字符号如图1-40所示。2.漏电保护器

当低压电网发生人身触电或设备漏电时，漏电保护器能迅速自动切断电源，从而避免造成事故，它是最常用的一种漏电保护电器。

漏电保护器按其检测故障信号的不同，可分为电压型和电流型两类。由于电压型漏电保护器存在可靠性差等缺点，目前已被淘汰。这里仅介绍电流型漏电保护器。（1）结构与工作原理

漏电保护器结构上一般由零序电流互感器、漏电脱扣器、开关装置三部分组成。零序电流互感器用于检测漏电流的大小；漏电脱扣器能将检测到的漏电流与一个预定基准值相比较，从而判断是否动作；开关装置是受漏电脱扣器控制的能接通和分断被保护电路的机构。

根据结构不同，目前常用的电流型漏电保护器分为电磁式和电子式两种。

1）电磁式电流型漏电保护器。

电磁式电流型漏电保护器的特点是把漏电电流直接接通漏电脱扣器来操作开关装置，它由开关装置、试验回路、电磁式漏电脱扣器和零序电流互感器组成。其结构如图1-41所示。

图1-41电磁式电流型漏电保护器结构原理图

1-电源变压器2-主开关3-试验回路

4-零序电流互感器5-电磁式漏电脱扣器图1-42NM1LE系列漏电保护器2）电子式电流型漏电保护器。电子式电流型漏电保护器的特点是把漏电电流经过电子放大线路后才能使漏电脱扣器动作，从而操作开关装置。电子式漏电保护器的工作原理与电磁式的大致相同。只是当漏电电流超过基准值时，立即被放大并输出具有一定驱动功率的信号使漏电脱扣器动作。图1-42所示为NM1LE系列漏电保护器，它适用于交流50Hz，额定工作电压至400V，额定工作电流16A～630A的配电网络电路中作为漏电保护之用。亦可作为电动机的不频繁起动及过载、短路保护。（2）漏电保护器的选用漏电保护器的主要技术参数有：1）额定电压。指漏电保护器的使用电压。规定为220V或380V。2）额定电流。被保护电路允许通过的最大电流。3）额定动作电流。在规定的条件下，必须动作的漏电电流值，单位是mA。当漏电电流等于此值时，漏电保护器必须动作。4）额定不动作电流。在规定的条件下，不动作的漏电电流值，单位是mA。当漏电电流小于或等于此值时，保护器不应动作。此电流值一般为额定动作电流的一半。5）动作时间。从发生漏电到保护器动作断开的时间。快速型在0.2s以下，延时型一般为0.2～2s。漏电保护器的选用原则1）手持电动工具、移动电器、家用电器应选用额定漏电动作电流不大于30mA的快速动作的漏电保护器（动作时间不大于0.1s）。2）单台电机设备可选用额定漏电动作电流为30mA及以上、100mA以下快速动作的漏电保护器。3）有多台设备的总保护应选用额定漏电动作电流为100mA及以上快速动作的漏电保护器。3．低压开关（1）胶壳刀开关

胶壳刀开关是一种结构简单、应用广泛的手动电器。用作电路的电源开关和小容量电动机频繁起动的操作开关。胶壳刀开关由操作手柄、熔丝、触刀、触刀座和底座组成，如图1-43所示。

图1-43胶壳刀开关的结构图

1-胶盖2-胶盖固定螺钉3-进线座4-静插座

5-熔丝6-瓷底板7-出线座8-动触刀9-瓷柄

图1-44刀开关的图形与文字符号

a)单级b)双极c)三极

（2）铁壳开关

铁壳开关也称封闭式负荷开关。用于非频繁起动、28kW以下的三相异步电动机。铁壳开关主要由钢板外壳、触刀、操作机构、熔丝等造成，其结构如图1-45所示。操作机构具有两个特点：

1）采用储能合闸方式，在手柄转轴与底座间装有速断弹簧，以执行合闸或分闸操作，在速断弹簧的作用下，动触刀与静触刀分离，使电弧迅速拉长而熄灭。

2）具有机械联锁，当铁盖打开时，刀开关被卡住，不能操作合闸。铁盖合上，操作手柄使开关合闸后，铁盖不能打开。

图1-45铁壳开关的结构图

1-熔断器2-夹座3-触刀

4-手柄5-转轴6-速动弹簧4.组合开关

组合开关又称转换开关，实质上也是一种特殊刀开关，所不同的是，一般刀开关的操作手柄是在垂直安装面的平面内向上或向下转动，而组合开关的操作手柄则是平行于安装面的平面内向左或向右转动。

组合开关多用在机床电气控制线路中，作为电源的引入开关，一般用于交流380V、直流220V，电流100A以下的电路中做电源开关。也可以用作不频繁地接通和断开电路、换接电源和负载以及控制5kW以下的小容量电动机的正、反转和星三角起动等。

组合开关的外形、内部结构和图形与文字符号如图1-46所示。组合开关由若干动触片和静触片分别装于数层绝缘座内而成，动触片安装在手柄的转轴上，当转动手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动，并使静触片插入相应的动触片中，可实现多条线路、不同联接方式的转换。图1-46HZ10-10/3型组合开关

a)外形图b)结构图c)图形与文字符号

1-手柄2-转轴3-扭簧4-凸轮5-绝缘垫板6-动触片7-静触片8-绝缘杆9-接线柱1.4.3主令电器主令电器主要用来接通或断开控制电路，以发布命令或信号，改变控制系统工作状态的电器。常用的主令电器有控制按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。控制按钮行程开关万能转换开关主令控制器1.控制按钮

控制按钮是一种结构简单应用广泛的主令电器。主要用于远距离操作具有电磁线圈的电器，如接触器、继电器等，也用在控制电路中发布执行命令和执行电气联锁。

控制按钮一般由按钮、复位弹簧、触头和外壳等部分组成，其结构示意图如图1-47所示。每个按钮中的触头形式和数量可根据需要装配成一常开一常闭到六常开六常闭等形式。按下按钮时，先断开常闭触头，后接通常开触头。当松开按钮时，在复位弹簧的作用下，常开触头先断开，常闭触头后闭合。

控制按钮按用途分为起动按钮（带有常开触头）、停止按钮（带有常闭触头）和复合按钮（带有常开触头、常闭触头）等。按保护形式分为开启式、保护式、防水式和防腐式等。按结构形式分为嵌压式、紧急式、钥匙式、带信号灯、带灯揿钮式、带灯紧急式等。按钮颜色有红、黑、绿、黄、白、蓝等。按钮的图形、文字符号如图1-48所示。

图1-47控制按钮图

a)结构图b)外形图

1-按钮帽2-复位弹簧3-动触头4-常闭静触头5-常开静触头

图1-48控制按钮的图形与文字符号

a)起动按钮b)停止按c)复合按钮2.行程开关

行程开关也称位置开关，它是利用运动部件的行程位置实现控制的电器。若将行程开关安装于生产机械行程的终点处，用以限制其行程，则称为限位开关或终端开关。

行程开关按结构分为机械结构的接触式有触头行程开关和电气结构的非接触式接近开关。（1）有触头行程开关

机械结构的接触式行程开关是依靠移动机械上的撞块碰撞其可动部件，使常开触头闭合，常闭触头断开来实现对