常用控制器件

第2章常用控制器件

接触器继电器熔断器低压隔离器主令电器电力电子器件固态继电器传感开关1.接触器用途接触器是一种用来频繁接通和断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。它具有低压释放保护功能，可进行频繁操作，实现远距离控制，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。

符号(a)线圈(b)常开触头(c)常闭触头2.1.1结构和工作原理接触器的主要部分是电磁系统、触点系统和灭弧装置，其外形和结构如图所示。1.结构交流接触器有两种工作状态：得电状态（动作状态）和失电状态（释放状态）。接触器主触头的动触头装在与衔铁相连的绝缘连杆上，其静触头则固定在壳体上。当线圈得电后，线圈产生磁场，使静铁心产生电磁吸力，将衔铁吸合。衔铁带动动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，分断或接通相关电路。当线圈失电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧的作用下释放，各触头随之复位。2.工作原理2.1.2交、直流接触器的特点按电流种类通常分为交流接触器和直流接触器两类。交流接触器特点：交流线圈、有短路环、采用双断口触头。直流接触器特点：直流线圈、滚动指型触头。2.2

继电器定义

继电器是一种根据电量（电流、电压）或非电量（时间、速度、温度、压力等）的变化自动接通和断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。

与接触器的区别继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作。继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此，继电器触头容量较小（不大于5A），且无灭弧装置。2.2

继电器分类按反应的参数可分为：电压继电器、电流继电器、中间继电器、热继电器、时间继电器和速度继电器等。按动作原理可分为：电磁式、电动式、电子式和机械式等。2.2

继电器常用的继电器电磁式继电器电流继电器电压继电器中间继电器时间继电器热继电器速度继电器2.2.1电压、电流继电器电流继电器

电流继电器是根据输入电流大小而动作的继电器。按用途可以分为过电流继电器和欠电流继电器。过电流继电器：当电路发生短路及过流时立即将电路切断。欠电流继电器：当电路电流过低时立即将电路切断。电压继电器电压继电器是根据输入电压大小而动作的继电器。按用途可分为过电压继电器和欠电压继电器。2.2.2中间继电器中间继电器实质上是电压继电器的一种，它的触点数多，触点电流容量大，动作灵敏。其主要用途是当其他继电器的触点数或触电容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触电容量，从而起到中间转换的作用。2.2.3时间继电器用途

时间继电器是利用电磁原理或机械原理实现触点延时闭合或延时断开的自动控制电器。

分类

常用的种类有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式。

延时方式

通电延时和断电延时空气阻尼式时间继电器的结构及工作原理结构a）外形图b）结构图1—线圈2—反力弹簧3—衔铁4—静铁心5—弹簧片6、8—微动开关

7—杠杆9—调节螺钉10—推杆11—活塞杆12—宝塔弹簧空气阻尼式时间继电器的结构及工作原理工作原理它是利用空气阻尼的原理获得延时的。时间继电器的符号文字符号

KT图形符号（a）线圈（d）延时闭合常闭触头（b）延时闭合常开触头（c）延时断开常闭触头（e）延时断开常开触头2.2.4热继电器用途

热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路中用作电动机的过载保护。图形和文字符号

b）常闭触点a）热元件结构热继电器种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，其外形及结构如图所示，主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。a）外形b）结构图1—电流整定装置2—主电路接线柱3—复位按钮4—常闭触头5—动作机构6—热元件31—常闭触头接线柱32—公共动触头接线柱33—常开触头接线柱结构1—主触头2—主双金属片3—热元件4—推动导板5—补偿双金属片6—常闭触头7—常开触头8—复位调节螺钉9—动触头10—复位按钮11—偏心轮12—支撑件13—弹簧工作原理主双金属片与加热元件串接在接触器负载端（电动机电源端）的主回路中。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，但还不足以使继电器动作。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量增加，使双金属片产生的弯曲位移增大，主双金属片推动导板，并通过补偿双金属片与推杆将触点（即串接在接触器线圈回路的热继电器常闭触点）分开，以切断电路保护电动机。2.2.5速度继电器用途

速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制。

符号b）常开触点

c）常闭触点a）转子2.2.5速度继电器结构和工作原理2.3

熔断器用途主要用作短路保护。

结构熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管两部分组成。熔体由易熔金属材料铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，通常做成丝状或片状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。

工作原理熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断。当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断切断电路，从而实现保护目的。分类插入式、螺旋式、封闭管式、快速熔断式符号FU2.3

熔断器用途主要用作短路保护。

结构熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管两部分组成。熔体由易熔金属材料铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，通常做成丝状或片状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。

分类插入式、螺旋式、封闭管式、快速熔断式。2.3

熔断器工作原理熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断。当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断切断电路，从而实现保护目的。符号2.4低压隔离器低压隔离器也称刀开关。低压隔离器是低压电器中结构比较简单、应用十分广泛的一类手动操作电器。品种主要有低压刀开关、熔断式刀开关和组合开关三种。隔离器主要是在电源切除后，将线路与电源明显地隔开，以保障检修人员的安全。2.4.1刀开关用途

普通刀开关是一种结构最简单且应用最广泛的手控低压电器，广泛用在照明电路和小容量（5.5kW）、不频繁起动的动力电路的控制电路中。符号b）双极

c）三极a）单极

2.4.1刀开关结构图1-7胶盖瓷底刀开关的结构1—出线盒2—熔丝3—动触头4—手柄5—静触头6—电源进线座7—瓷座8—胶盖9—接用电器2.4.1刀开关注意事项

刀开关安装时，瓷底应与地面垂直，手柄向上，易于灭弧，不得倒装或平装。倒装时手柄可能因自重落下而引起误合闸，危及人身和设备安全。2.4.2组合开关定义它实质上也是一种特殊刀开关，只不过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而已。

用途多用在机床电气控制线路中，作为电源的引入开关，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。符号a）双极

b）三极2.4.2组合开关结构1—手柄2—转轴3—弹簧4—凸轮5—绝缘垫板6—动触点7—静触点8—绝缘方轴9—接线柱2.4.3低压断路器用途它集控制和多种保护功能于一身，除能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、过载、失压等故障进行保护。

符号2.4.3低压断路器结构1、9—弹簧2—触点3—锁键4—搭钩5—轴6—过电流脱扣器7—杠杆8、10—衔铁11—欠电压脱扣器

12—双金属片13—电阻丝2.4.3低压断路器工作原理

脱扣器是自动开关的主要保护装置，包括电磁脱扣器（作短路保护）、热脱扣器（作过载保护）、失压脱扣器以及由电磁和热脱扣器组合而成的复式脱扣器等种类。电磁脱扣器的线圈串联在主电路中，若电路或设备短路，主电路电流增大，线圈磁场增强，吸动衔铁，使操作机构动作，断开主触点，分断主电路而起到短路保护作用。电磁脱扣器有调节螺钉，可以根据用电设备容量和使用条件手动调节脱扣器动作电流的大小。热脱扣器是一个双金属片热继电器。它的发热元件串联在主电路中。当电路过载时，过载电流使发热元件温度升高，双金属片受热弯曲，顶动自动操作机构动作，断开主触点，切断主电路而起过载保护作用。5.主令器件主令器件的介绍按钮行程开关2.5主令电器主令电器是指在电气自动控制系统中用来发出信号指令的电器。它的信号指令将通过继电器、接触器和其它电器的动作，接通和分断被控制电路，以实现对电动机和其它生产机械的远距离控制。2.5.1按钮用途

按钮又称控制按钮或按钮开关，是一种手动控制电器。它只能短时接通或分断5A以下的小电流电路，向其它电器发出指令性的电信号，控制其它电器动作。由于按钮载流量小，不能直接用于控制主电路的通断。符号a）常开按钮

b）常闭按钮

c）复位按钮2.5.1按钮结构及工作原理在按下按钮帽令其动作时，首先断开动断触点，再通过一定行程后才接通常开触点；松开按钮帽时，复位弹簧先将常开触点分断，通过一定行程后常闭触点才闭合。2.5.1按钮注意事项选择使用时应从使用场合、所需触点数及按钮帽的颜色等因素考虑。一般红色表示停止，绿色表示起动，黄色表示干预。2.5.2行程开关用途

行程开关又称限位开关或位置开关，它利用生产机械运动部件的碰撞，使其内部触点动作，分断或切换电路，从而控制生产机械行程、位置或改变其运动状态。

符号a）常开触点

b）常闭触点2.5.2行程开关结构6.电力电子器件普通晶闸管双向晶闸管全控型器件2.6.1普通晶闸管符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）。外形：螺栓形和平板形两种。晶闸管内部管芯结构图。1.结构2.工作原理（1）当晶闸管承受反向电压（A接负、K接正）时，不论门极G的电压极性如何，晶闸管都处于阻断状态。2.6.1普通晶闸管2.工作原理（2）晶闸管导通的条件有两个：一是阳极、阴极间必须加上正向电压（A接正、C接负），二是门极、阴极间必须加上适当的正向门极电压（G接正、C接负）和电流。即晶闸管从阻断状态转变为导通状态必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压。2.6.1普通晶闸管2.工作原理（3）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。不论门极电压如何变化，只要阳极、阴极间维持正向电压，晶闸管仍然保持导通。（4）晶闸管在导通的情况下，欲使其关断，必须使流经晶闸管的电流减小到维持电流以下。2.6.1普通晶闸管2.6.2双向晶闸管双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极，其结构如图所示。

符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。1.结构2.6.2双向晶闸管双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以使双向晶闸管导通。2.工作原理2.6.3全控型器件普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。

1.可关断晶闸管GTO2.6.3全控型器件可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，外部引出阳极A、阴极K和门极G。正脉冲使其导通，负脉冲使其关断。

1.可关断晶闸管GTO2.6.3全控型器件电力晶体管按英文GiantTransistor直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大。

其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。

GTR在正偏(Ib＞0)时大电流导通；反偏(Ib＜0＝时处于截止状态。2.电力晶体管GTR2.7固态继电器固态继电器简写为SSR，是一种全部由固态电子元件(如光电耦合器、晶体管、可控硅、电阻、电容等)组成的无触点开关器件。与普通继电器一样，它的输入侧与输出侧之间是电绝缘的。而且SSR体积小，开关速度快，无机械触点，因而没有机械磨损，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动、冲击，使用寿命长。它在通、断时没有火花和电弧，有利于防爆，干扰小(特别对微弱信号回路)。SSR的驱动电压低，电流小，易于与计算机接口。因此SSR作为自动控制的执行部件得到越来越广泛的应用。特别那些要求防爆、防震、防腐蚀的地方。1.固态继电器的分类直流SSR(简写为DCSSR)DCSSR用于接通或断开直流电源供电的电路。交流SSR(简写为ACSSR)交流过零型SSR交流非过零型SSR

ACSSR用于接通或断开交流电源供电电路。过零型SSR不论外加控制信号相位如何，总是在交流电源电压为零附近时SSR的输出端才导通，导通时产生的射频干扰很小。非过零型是在交流电源的任意相位上开启或关闭。2.结构和工作原理图2.30是固态继电器的结构框图。图2.30固态继电器的结构框图它由耦合电路、触发电路、开关电路、过零控制电路和吸收电路五部分构成。这五部分被密封在一起成为一个整体，外面只有A，B，C和D四个引线脚(对于交流SSR)或五个引线脚(对于部分DCSSR)。2.结构和工作原理图2.30是固态继电器的结构框图。图2.30固态继电器的结构框图

如果是过零型SSR就包括“过零控制电路”部分，对于非过零型SSR就没有这部分电路。“吸收电路”部分有的产品被封装在外壳内，有的需外接，选用时应注意，现在大部分产品在封装内有吸收电路。1）DCSSR的结构和工作原理引脚其中④和⑤用于输入控制电压VIN

，②和③是输出。4N25是耦合电路，其余为触发电路。当VIN大于发光二极管正向压降(约1.5V)时，便有IIN流过，于是有IOUT流过。VIN越大，IOUT也越大，直至饱和。图2.31是DCSSR的结构图。图2.31SSR结构图1）DCSSR的结构和工作原理图中的外接二极管Dl用于在感性负载（如电机、电磁阀等）情况下，防止由于DCSSR突然截止所引起的过高的电压。D2用于防止接反电源而击穿晶体管。如果把D1也封装在DCSSR的外壳内，需要把①脚也引出，便是有五个引出脚的DCSSR。图2.31是DCSSR的结构图。图2.31SSR结构图2）非过零型ACSSR的结构和工作原理只要VIN>0且足够大，就可触发SCR，因而触发BCR，并不需要等到①，②间电压接近于零才触发。图2.32是—种非零压开关型ACSSR的原理结构图。图2.32非零压开关型ACSSR结构图3）零压开关型ACSSR图2.33是—种零压开关型ACSSR的原理结构图。

在图2.33中，当VIN>0且大于某值后，使VT1截止，如果此时VT2不与单向可控硅相连，那么图2.33与图2.32相同。但是由于图2.33中实际上VT2的集电极与SCR的控制极相连，情况就不同了。如果选择的电阻值适当，使加于SCR的电压大于某值以上VT2截止，那么就可保证在加于SCR的电压接近于零时，因而也是①，②间电压接近于零时SCR才被触发，因而BCR才被触发，当①，②间电压较大时，尽管VIN较大，BCR也不会被触发。故图2.33是一种零压开关型ACSSR。3.SSR应用中应注意的问题

1)DCSSR与ACSSR的用途不同，不可用错。

2)ACSSR有零压开关型与非零压开关型两种。在要求射频干扰小的场合应选用零压开关型。

3)使用ACSSR应有吸收电路，以防电压涌浪对电路的危害。有的电路把吸收电路做在器件内，有的需要外接。

4)SSR的输入均为发光二极管，可直接由TTL驱动，也可以用CMOS电路再加一级跟随器(由晶体管承担)驱动。驱动电流约(5～10)mA时输出端导通，1mA以下输出端断开。5)ACSSR是按工频正弦波设计的，f=(40~60)Hz。如果实际条件与此不符，应具体情况具体对待。3.SSR应用中应注意的问题

6)选用SSR时，电压和电流是两个最重要的参数。目前各厂家对电压和电流的标法不一，选择时应注意。

7)为了减小SSR的射频干扰，可以在电源变压器原边处，与电源引线并联约0.047µF电容(直接接在两电源输入线，或每电源输入线与地之间接电容)。切忌负载短路，否则将造成SSR永久损坏。ACSSR断开时仍有约10mA电流，这是正常的。2.8传感开关冲击开关1.永磁钢球式2.偏心转子3.偏心轮式4.钢球弹簧式水银开关温控开关

1．温控水银开关2.双全属温控开关3.聚合热开关4.热舌簧开关

2.8.1冲击开关冲击开关也称为开关式加速度传感器，主要用在一些安全装置上，并作为开关器件或发火机构，它们都是利用加速度作用时产生的惯性力，使传感器内的惯性零件运动，从而接通或断开电路，输出开关信号。2.8.1冲击开关永磁钢球式冲击开关的结构如图2-34所示。平时钢球在磁铁吸力的作用下位于传感器的下方，输出端子为常开状态。当传感器受到加速度作用且钢球产生的惯性大于磁铁的吸力时，钢球在惯性力的作用下向前运动，接通触点，使输出由常开状态转为闭合状态。1.永磁钢球式2.8.1冲击开关偏心转子式冲击开关的结构如图2-35所示。平时偏心转子上的质量块在扭力簧的作用下，顶靠在与外壳相连的止动片上，此时固定触点和旋转触点脱开，传感器的输出端子为常开状态。当传感器受到加速度作用时，偏心转子在惯性力的作用下，克服扭力簧弹性力面开始旋转，直至旋转触点和固定触点接触，传感器输出端子由常开状态转为闭合状态。2.偏心转子式2.8.1冲击开关偏心轮式冲击开关的结构如图2-36所示。平时偏心轮上的卡销由杆在扭力簧作用下锁定，触点A和触点B不接通，传感器输出端子为常开状态。当传感器受到加速度作用时，偏心轮在惯性力的作用下绕轴按