42874建筑电气控制技术电子课件第1章

建筑电气控制技术

电气是电能的生产、传输、分配、使用和电工装备制造等学科或工程领域的统称。是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学，涵盖电能的转换、利用和研究三方面，包括基础理论、应用技术、设施设备等。

电器泛指所有用电的器具，从专业角度讲，主要指用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路或用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和元件。从普通民众的角度来讲，主要是指家用的为生活提供便利的用电设备，如电视机，空调，冰箱，洗衣机，各种小家电等等。电器中电是指：交流电、直流电、高压电、低压电。故电器有交流电器、直流电器、高压电器、低压电器、家用电器、工业电器等等。第一章

常用低压电器电能在工农业生产、国防、交通等领域以及人们的日常生活中起着越来越重要的作用，而在这些领域中，大多采用的是低压供电。低压供电的输送、分配和保护，以及电气设备的运行和控制靠各类低压电器来实现的，因此低压电器的应用十分广泛。低压电器是构成电气控制系统最常用的器件本章内容：电力拖动自动控制系统中常用的低压电器，如接触器、继电器、主令电器等，旨在为电气控制系统和PLC控制系统的设计奠定基础。1.1

低压电器的定义与分类1.1.1

低压电器的定义

低压电器是指工作在交、直流额定电压1200V以下，能根据外界信号（如机械力、电动力或其他物理量）和要求，自动或手动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节作用的电气设备。

低压电器是构成控制系统的最基本元件，其性能的优劣、状态的好坏、维修是否方便将直接影响到控制系统能否正常工作。1.1.2

低压电器的分类通常按用途可将低压电器划分为以下几类：

低压配电电器

低压控制电器

低压主令电器

低压保护电器

低压执行电器（1）低压配电电器：用于低压供电系统，完成电能输送和分配的电器。主要技术要求是分断能力强，限流效果好，动稳定性能及热稳定性能好。如低压断路器、隔离开关、刀开关、自动开关及转换开关等。（2）低压控制电器：用于电力拖动自动控制系统设计的电器。主要技术要求是有一定的通断能力，操作频率高，电器的机械寿命长。如接触器、继电器、电磁阀和各种控制器等。（3）低压主令电器：控制系统中用于发送控制指令的电器。主要技术要求是操作频率要高，抗冲击能力强，电器的机械寿命长。如按钮、主令控制器、行程开关和万能转换开关等。（4）低压保护电器：用于对控制线路和电气设备实施电气保护的电器。主要技术要求是有一定的通断能力，可靠性要高，反应要灵敏。如熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器和安全继电器等。（5）低压执行电器：用于执行某种动作和传动功能的电器。如电磁铁、电磁离合器等。低压电器的其它分类方式按使用场合分:一般工业用电器、特殊工矿用电器、安全电器、农用电器等；按操作方式分:手动电器和自动电器；按工作原理分:电磁式低压电器、非电量控制低压电器等。

电磁式低压电器是采用电磁现象完成信号的检测和工作状态转换的，这类电器是低压电器中应用为广泛、结构最典型的一类。1.1.3

常用的低压控制电器常用的低压电器1.2

电磁式低压电器

电磁式电器是低压电器中最典型也是应用最广泛的一种电器。电磁式低压电器的构造和工作原理基本相同。

常用的电磁式电器:接触器和继电器.

电磁式低压电器的组成：感测部分（电磁机构）和执行部分（触点系统）1.2.1

电磁机构

电磁机构是电磁式低压电器的关键部分，其作用是通过电磁感应原理将电能转换成机械能，带动触点动作，以完成接通或断开电路的功能。电磁机构组成：吸引线圈、铁心和衔铁。其结构形式按衔铁相对铁心的运动方式可分为直动式和拍合式。拍合式又分为衔铁沿棱角转动和衔铁沿轴转动两种形式。图1-2直动式电磁机构1－衔铁2－铁心3－吸引线圈图1-3拍合式电磁机构直动式电磁机构多用于交流接触器和交流继电器中。衔铁沿棱角转动的拍合式电磁机构多用于直流低压电器中。衔铁沿轴转动的拍合式电磁机构的铁心形状有E形和U形两种，多用于触头容量较大的交流低压电器中。吸引线圈的作用:将电能转换为磁能。按照线圈通入电流种类的不同，分为直流线圈和交流线圈。直流线圈交流线圈铁心不发热发热（由于铁心存在涡流和磁滞损耗）线圈发热发热线圈形状无骨架、高而薄的瘦高形，使线圈与铁心直接接触，易于线圈散热。线圈设有骨架，将线圈制成短而厚的矮胖形，并将铁心与线圈隔开，以增加铁心的散热面积。铁心材料铸钢、铸铁或软钢由硅钢片迭压铆成，以减小交变磁场在铁心中产生的涡流及磁滞损耗按照线圈在电路中的连接形式，分为串联线圈（电流型线圈）和并联线圈（电压型线圈）。串联线圈串接在线路中，可用于电流检测，为减少对电路分压的影响，串联线圈采用的导线较粗，匝数少，线圈的阻抗较小。并联线圈并接在线路中，为减少电路的分流作用，需较大的阻抗，通常线圈的导线细，匝数多。1.2.2

触点系统及常用的灭弧装置

触点也称为触头，是电磁式低压电器的执行部分，用于接通或断开被控制的电路。1．触点的接触形式

触点按其接触形式可分三种：点接触、线接触和面接触。图1-6触点的接触形式

点接触形式:触点间的接触面小，常用于通断电流较小的路，如继电器触点。

线接触形式:触点间的接触区域为一条直线，这类触点也称为指形触点，为保证良好接触常采用滚动接触的方法。这类触点多用于中等容量电器中，如接触器的主触点。

面接触形式:触点间接触面很大，允许通过较大的电流。

通常一对触点由动触点和静触点组成。2．电接触状态与接触电阻

触点在闭合时（动、静触点完全接触）有工作电流通过的状态，称为电接触状态。

电接触状态的好坏将影响触点的可靠性和使用寿命。由于触点表面的不平整或氧化膜的存在，使得动、静触点闭合后，不可能完全紧密地接触。从微观上看，仅是在一些凸起点周围存在着有效接触，形成收缩状的电流线。局部区域电流密度的加大，使得该区域的电阻远远大于金属导体的电阻，这种电阻称为接触电阻。

接触电阻带来的问题:

由于接触电阻的存在，不仅会造成一定的电压损失，还会增加铜耗，造成触点温度升高。温度升高又会加快触点表面的氧化过程，使接触电阻增加。极端情况下易使触点产生熔焊现象，既影响电路工作的可靠性，又降低了触点的寿命。因此实际中应采取必要的措施来减少接触电阻。（1）增加动、静触点的接触压力，使接触时的凸起点发生形变而增加有效接触面积，减少接触电阻。通常可在动触点上安装触点弹簧，如图所示。（2）触点材料的电阻系数越小，接触电阻也越小。金属中银的电阻系数最小，其氧化物与金属银的导电率非常接近。但金属银的价格较高，所以常采用在铜质底座上镀银或嵌银的方法，以减小接触电阻。三点解决措施：（3）采用滚动接触的指形触点

温度的升高会加速触点金属表面的氧化过程，尤其在大容量的低压电器中，严重的氧化会使接触点之间形成绝缘而导致电路断路。可采用滚动接触的指形触点，每次闭合时动、静触点间的相对摩擦过程可有效去除氧化膜，从而增加了触点的导电性。

另外，现场恶劣的工作环境也有可能影响触点的导电性，如环境中的尘埃、悬浮在空气中的油渍等。所以应定期使用无水乙醇或其他药水进行擦拭，保持触点表面的清洁。3．触点的分类按照可承担负载电流的大小，可将触点分为主触点和辅助触点。主触点允许流过的电流大。按照动作特点划分，可将触点分为常开触点和常闭触点。

常开触点也称为动合触点，此类触点在线圈失电时（电磁机构不动作）处于断开状态，而在线圈得电时处于闭合状态。

常闭触点也称为动断触点，此类触点在线圈失电时处于闭合状态，而在线圈得电时处于断开状态。4．电弧的产生及常用的灭弧装置

当触点切断电路时，如果被断开电路的电流（或电压）超过一定数值，就会在动、静触点间由于气体放电而产生强烈的火花，称为电弧。

电弧会产生高温并发出强光，通常会烧损触点表面，影响电器的工作状态，降低电器的使用寿命，严重时会引起火灾或人身伤害事故。因此，在电器中应采取适当的措施尽可能快地熄灭电弧。

为使电弧熄灭，应设法降低电弧的温度和电场强度，如增大电弧长度、加大散热面积等。低压电器中常用的灭弧装置有：磁吹式灭弧装置、灭弧栅、多断点灭弧（1）磁吹式灭弧装置

吹弧线圈产生的磁场由导磁夹板引向触点周围，其方向如图中“×”符号所示。触点间产生电弧时，设其磁场方向如“

”和“

”所示。电弧下方两磁通叠加，电弧上方两磁通抵消，因此产生向上运动的力F将电弧拉长，并通过引弧角吹入灭弧罩中，热量传递给罩壁，促使电弧熄灭。

磁吹式灭弧装置是利用电弧电流来灭弧的，因而电弧电流越大，吹弧的能力也越强，灭弧效果也越好。它广泛应用于直流低压电器中。1－铁心2－绝缘管

3－吹弧线圈

4－导磁夹板5－引弧角6－灭弧罩7－静触点8－动触点

（2）灭弧栅

灭弧栅由一组薄钢片组成，彼此间绝缘，安放在触点上方。当电弧靠近栅片时，引起电弧磁场的变化（图b，下密上疏），在该磁场作用下使电弧受到力F的作用而向上运动，进入栅片后被分割成许多串联的短电弧。在交流电路中，当电压过零时电弧自然熄灭，而电弧重燃必须有150V～250V的电压。对于所有的短电弧来说，若想重燃，每段短电弧都必须有这么大的电压。而电源电压不足以维持电弧重燃，再加上栅片的散热作用，电弧进入栅片后很快被熄灭。

灭弧栅是一种常用的交流灭弧装置。1－长电弧2－短电弧3－灭弧栅片4－静触点5－动触点（3）多断点灭弧

如图的桥式触点，触点在断开时本身就具有吹弧能力。因为相邻的两根导体通入方向相反的电流时，两导体相互排斥。两侧的电弧在力F的作用下被向外拉长，因此也称为电动力吹弧。同时由于有两处断开点，对于交流电路每处断点要使电弧熄灭后重燃均需150V～250V的电压，显然电源电压也无法维持。这种方法不需要任何附加装置，常用于交流电路中。为加强灭弧效果，可将同一电器的两个或多个触点串联起来当作一个触点使用，这组触点便形成多断点。1－静触点2－动触点3－电弧1.2.3

电磁吸力与反力特性

电磁机构工作时由于线圈通电产生磁通并作用于衔铁，产生电磁吸力；线圈断电时，衔铁在复位弹簧拉力作用下复位。所以作用于衔铁的力有两个：电磁吸力和反力。电磁机构的工作情况可由吸力特性和反力特性来表征。1．吸力特性电磁机构产生的电磁吸力与气隙之间的关系称为吸力特性。电磁吸力表示：

（1-1）

F为电磁吸力（N）；B为气隙磁感应强度（T）；S为磁极（或气隙）的截面积（m2）。当S为常数时，F与B2成正比。对于直流电磁机构，外加电压和线路电阻恒定时，流过线圈的电流为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律：I为线圈中流过的电流（A）；N为线圈匝数。由于

，电磁吸力F与磁阻

的平方成反比，所以F与气隙

的平方也成反比，故吸力特性为二次曲线形状，如图1-4中曲线1所示。它表明衔铁闭合前后吸力的变化很大。对于交流电磁机构，由于外加交变电压，当气隙一定时，其气隙磁感应强度也为交变量，按正弦规律变化，即：

（1-4）由吸力公式得：

（1-5）电磁吸力按正弦函数平方的规律变化，其最小值为零，最大值为

（1-6）交流电磁机构其励磁电流与气隙成正比，在动作过程中为恒磁通工作，但考虑到漏磁通的影响，其吸力随气隙的减小略有增加，所以吸力特性比较平坦，如图1-4中的曲线2。图1-4吸力特性与反力特性1－直流电磁机构吸力特性2－交流电磁机构吸力特性3－反力特性2．反力特性

衔铁受到的反作用力（包括电磁机构转动部分的静阻力）与气隙之间的关系称为反力特性。

反力的大小与复位弹簧、摩擦阻力及衔铁的重量有关。反力特性如图1-4中曲线3所示。

为了保证电磁机构能正常工作，其吸力特性与反力特性必须配合恰当。

在衔铁吸合过程中，其吸力必须始终大于反力，也就是要保证吸力特性高于反力特性。但要注意不能过大，否则会影响到电磁机构的寿命。

在使用中可以通过调节复位弹簧或触点的初压力来改变反力特性，使之与吸力特性良好配合。3．单相交流电磁机构中短路环的使用

对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通为零时电磁吸力也为零，此时吸合后的衔铁会在反力的作用下被拉开。即由于交流电源频率的变化，电磁吸力每个周期有两次过零点。而磁通过零后吸力又有随之增大，当吸力大于反力时衔铁又再次吸合。所以衔铁将产生强烈的振动或噪音（嗡嗡声），甚至导致铁心松动使电器无法正常工作。解决方法:在铁心的端部开一个槽，槽内嵌入铜环（或闭合的线圈），称为短路环（或分磁环），如图1-5所示。短路环将铁心端面分成S1和S2两部分，其中S1部分穿过短路环。当线圈通入交流电后，在短路环中就有感应电流（涡流）产生，进而产生磁通

。根据电磁感应定律，在

与

的作用下，铁心端面上产生两个相位不同的交变磁通

和

，相应的电磁吸力为

和

，则作用在衔铁上的吸力合力为

。由于两个磁通不同时为零，所以合力始终大于零。只要此合力始终大于反力，衔铁的振动现象就会消除。图1-5短路环结构及工作原理1－铁心2－短路环磁通

和

之间的相位差

可通过改变开槽位置或短路环的匝数来调整，进而调整吸力合力的大小。1.2.4

电磁式接触器

接触器是用来接通和断开电动机或其他负载主电路的一种控制电器，它具有控制容量大、过载能力强、寿命长、操作频率高、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制系统中重要的控制电器之一。

电磁式接触器的使用最为广泛。

接触器的触点系统按可承载电流的大小可分为主触点和辅助触点。

主触点允许流过的电流较大，用于通、断负载主电路；辅助触点允许流过的电流较小，常用在控制电路中。

接触器按其主触点所控制的电路电流种类可分为交流接触器与直流接触器。接触器线圈的电流种类可以与其主触点电流种类相同，也可以不同。

接触器按其主触点的个数来分，直流接触器有单极和双极两种；而交流接触器有三极、四极、五极三种。1．接触器的结构和工作原理交流接触器的结构示意图，它由以下四个部分组成：（1）电磁机构。电磁机构由线圈、铁心和衔铁组成，其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力，吸引衔铁运动并带动触点系统动作。（2）触点系统。包括主触点和辅助触点。主触点通常为常开触点并带有灭弧装置；辅助触点容量较小，无灭弧装置，一般有多对常开触点和常闭触点。（3）灭弧装置。容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。（4）其他辅助部件。包括反作用弹簧、释放弹簧、触点压力弹簧、传动机构、支架及外壳等。

当接触器线圈得电后，在铁心中产生磁通及电磁吸力，衔铁在电磁吸力的作用下带动动触点移动，使常开触点闭合、常闭触点打开。当线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔铁释放，触点系统复位。1－动触点2－静触点3－衔铁4－复位弹簧5－线圈6－铁心7－垫毡8－触头弹簧

9－灭弧罩10－触头压力弹簧

直流接触器的结构和工作原理与交流接触器基本相同，仅在电磁机构上有所不同。

接触器的图形符号如图所示，文字符号为KM。2．接触器的基本技术参数

接触器的基本技术参数:

主触点的个数、电流种类、额定电压

额定电流、额定通断能力

线圈额定电压、允许操作频率

机械寿命和电寿命、使用类别。（1）主触点的个数。按接触器主触点的个数（极数）来分，有两极、三极、四极和五极接触器。（2）额定工作电压。接触器铭牌的额定电压是指主触点的额定工作电压。常用的电压等级为：

直流接触器：110V、220V、440V、660V

交流接触器：220V、380V、500V、660V（3）额定电流。接触器铭牌的额定电流是指主触点的额定工作电流。常用的电流等级为：

直流接触器：25A、40A、60A、80A、100A、150A、250A、400A、600A

交流接触器：5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A（4）通断能力。是指接触器主触点在规定条件下能可靠接通和断开的电流值。在此电流值下接通电路时，主触点不应造成熔焊；断开电路时，主触点不应发生长时间燃弧。

根据接触器使用类别不同，对主触点的通断能力要求也不一样。电力拖动控制系统中，常用的接触器使用类别及用途如表1-1所示。

电流种类使用类别典型用途交流（AC）AC1无感或微感负载、电阻炉AC2绕线式电动机的起动和停止AC3鼠笼式电动机的起动和停止AC4鼠笼式电动机的起动、反接制动、反向和点动直流（DC）DC1无感或微感负载、电阻炉DC3并励电动机的起动、反接制动、反向和点动DC5串励电动机的起动、反接制动、反向和点动表1-1常见接触器使用类别及典型用途

接触器的使用类别通常标注在产品铭牌上或产品手册中。

按照规定，AC1和DC1类允许通断额定电流；AC2、DC3和DC5类允许通断4倍的额定电流；AC3类允许接通6倍的额定电流和断开4倍的额定电流；AC4类允许通断6倍的额定电流。（5）线圈额定电压。是指接触器正常工作时线圈上所加的电压值。选用时，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但对动作频繁的交流负载可采用使用直流线圈的交流接触器。

常用的电流等级为：

直流线圈：24V、48V、110V、220V、440V

交流线圈：36V、110V、127V、220V、380V

直流接触器断开时产生的过电压可达10～20倍，所以不宜采用高电压等级。但电压太低可能导致触点动作不可靠，故常采用110V和220V。（6）操作频率。是指接触器每小时允许的操作次数。交流接触器最高为600次／小时，直流接触器最高为1200次／小时。操作频率会影响到接触器的电寿命和灭弧罩的工作条件，交流接触器还会影响到线圈的温升。（7）寿命。主要包括电气寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命可达一千万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%～20%。

机械寿命是保证继电器不因为内部机械来回动作而造成动簧或哪个部分因为多次动作而损坏的时间。

电气寿命是保证继电器不因触头烧蚀，线圈烧断，绝缘老化造成损坏的时间。3．接触器的型号

接触器的型号定义如图1-13所示。

我国常用的交流接触器主要有CJ10、CJ12、CJXI、CJ20等系列及其派生系列产品。直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22、CZ10和CZ2等系列。

引进的产品应用较多的有德国西门子公司的3TB系列和BBC公司的B系列，法国TE公司的LC1系列等。 4．接触器的选用

（1）接触器极数与电流种类的确定。主电路的电流种类决定了是选择直流接触器还是交流接触器。三相交流系统中一般选用三极接触器，当需要同时控制中性线时，选用四极交流接触器。单相交流和直流系统中常选用两极或三级并联，一般场合选用电磁式接触器，易燃易爆场合应选用防爆型及真空接触器。

（2）根据接触器所控制的负载的类型选择相应使用类别的接触器。如负载是一般任务则选用AC3类别；负载为重任务则应选用AC4类别；如负载是一般任务与重任务混合时，则可根据实际情况选用AC3或AC4类接触器。

（3）根据负载的功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级。当接触器使用类别与所控制负载的工作任务相对应时，可按控制负载电流值来决定接触器主触点的额定电流值；若不对应，应降级使用。

（4）根据接触器主触点接通与断开主电路的电压等级来决定接触器的额定电压。

（5）接触器吸引线圈的额定电压由所连接的控制电路确定。

（6）接触器的触点数（主触点和辅助触点）和种类（常开或常闭）应按照主电路和控制电路的具体要求来选用。1.2.5

电磁式继电器

继电器是根据某种特定输入信号的变化来接通或断开电路的控制电器。与接触器不同，继电器不能用于接通或断开负载主电路，只能用于控制电路中，实现电路的自动控制和保护功能。

继电器的输入参量可以是电压、电流等电气量，也可以是温度、压力、时间、速度等非电气量。

继电器的主要技术参数包括额定参数、吸合时间和释放时间、整定参数（继电器的动作值和释放值，大部分控制继电器的动作值是可调的）、触点的通断能力和使用寿命等。

继电器按输入参量的种类来分有电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、温度继电器、压力继电器等。

按线圈电流种类来分有交流继电器和直流继电器。

按动作原理来分有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器、热继电器等。

按动作时间来分有瞬动式继电器和时间继电器。

在控制系统中，使用最多的是电磁式继电器，本书主要介绍电磁式电压继电器、电流继电器，时间继电器和中间继电器。 1．电磁式继电器的结构

电磁式继电器与接触器类似，是由电磁机构、触点、释放弹簧等组成。

电磁式继电器的工作原理与接触器相同，线圈通电后铁心上产生磁通，在电磁吸力的作用下衔铁带动触点运动，使得常开触点闭合，常闭触点断开，从而接通或断开控制电路。继电器仅用于控制电路中，流过触点的电流较小，故不需要灭弧装置。1－铁心2－线圈3－旋转棱角

4－释放弹簧5－调节螺母6－衔铁7－非磁性垫片8－静触点9－动触点

2．继电器特性

继电器的输入-输出特性，又称继电特性，如图。称为继电器的释放值称为继电器的吸合值继电器返回系数：不同场合下要求不同的返回系数值。例如一般继电器要求较低的返回系数，

值在0.1～0.4之间，这样当继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作；欠电压继电器则要求较高的返回系数，

值通常在0.6以上。设某继电器

，若吸合电压为额定电压的90%，则当电压低于额定电压的60％时，继电器释放，起到欠电压保护作用。

返回系数值的调节：调节释放弹簧的松紧程度（拧紧时，

与

同时增大，

也随之增大；放松时，

减小）或调整铁心与衔铁间非磁性垫片的厚度（增厚时

与

同时增大，

增大；减薄时

减小）。

电磁式继电器的另一个重要参数：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0.05s～0.15s，快速继电器为0.005s～0.05s，其大小可影响继电器的操作频率。3．继电器的符号表示

一般的电磁式电压、电流继电器的图形符号和文字符号如图所示。图1-16一般电磁式电压、电流继电器的图形符号和文字符号 4．中间继电器

中间继电器实质上是一种电压继电器，其特点是触点数量多（可达8对之多），触点的容量较大（5A～10A），动作灵敏，在电路中主要起增加触点数量和功率放大的作用。常用的中间继电器有JZ7系列。型号触点额定电压（V）触点额定电流（A）额定操作频率（次／h）吸引线圈电压（V）触点个数常开常闭JZ7-4450051200交流50Hz时为：12、36、127、220、38044JZ7-6262JZ7-8080中间继电器的图形符号和文字符号与一般电磁式继电器相同表1-3JZ7系列中间继电器的技术数据 1.2.6时间继电器

当检测元件获得信号后，执行元件要延时一段时间才动作的电器叫时间继电器。

对于根据电磁感应原理动作的时间继电器，是指从得到输入信号（即线圈通电或断电）开始，经过一定的延时后才有输出信号（延时触点状态的变化）的继电器。

时间继电器可分为通电（或得电）延时时间继电器和断电延时时间继电器。

时间继电器的延时时间与继电器本身的动作时间（吸合和释放时间）是完全不同的两个概念。（1）时间继电器的触点系统和动作原理

时间继电器的触点可分为延时触点和非延时触点（或瞬动触点）。

非延时触点的动作原理与一般继电器相同。

延时触点有通电延时和断电延时之分。

对于通电延时时间继电器，当线圈得电后时间继电器的延时触点需要经过一段时间的延迟后才能动作，即：延时常开触点闭合，延时常闭触点断开；当线圈断电时，其动作的延时触点瞬时复位，即：闭合的延时常开触点断开，断开的延时常闭触点闭合。所以通电延时时间继电器可由“延时动作、瞬时恢复”来表征。

对于断电延时时间继电器，当线圈得电后其延时触点瞬时动作，即：延时常开触点闭合，延时常闭触点断开；当线圈断电时，其动作的延时触点需要经过一段时间的延迟后才能恢复，即：闭合的延时常开触点断开，断开的延时常闭触点闭合。所以断电延时时间继电器可由“瞬时动作、延时恢复”来表征。

通电延时时间继电器的延时常开触点也称为延时闭合常开触点，其延时常闭触点也称为延时断开常闭触点；断电延时时间继电器的延时常开触点也称为延时断开常开触点，其延时常闭触点也称为延时闭合常闭触点。（2）空气阻尼式时间继电器

时间继电器的种类:直流电磁式、空气阻尼式、电动机式和电子式等。本书主要介绍利用电磁原理工作的空气阻尼式时间继电器。

空气阻尼式时间继电器又称为气囊式时间继电器，它是利用空气阻尼原理达到延时的目的，由电磁机构、延时机构和触点系统组成。

空气阻尼式时间继电器的电磁机构有交流和直流两种。

按延时方式有通电延时时间继电器和断电延时时间继电器，两种继电器的结构和原理基本相同，只是改变电磁机构的位置，将电磁铁翻转180°安装即可。当衔铁位于铁心和延时机构之间时为通电延时型；当铁心位于衔铁和延时机构之间时为断电延时型。图1-23JS7－A系列时间继电器（空气阻尼式）结构图1－线圈2－铁心3－衔铁4－反力弹簧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

空气阻尼式时间继电器的优点是延时范围大、结构简单、寿命长、价格低廉。缺点是延时精度较差，很难精确地整定延时时间，所以在延时精度要求高的场合不宜使用。表1-2JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的技术数据。型号吸引线圈电压（V）触点额定电压（V）触点额定电流（A）延时范围（s）延时触点非延时触点通电延时断电延时常开常闭常开常闭常开常闭JS7-1A24、36、110、127、220、380、42038050.4～600.4～18011JS7-2A1111JS7-3A11JS7-4A1111

1.2.7感应式速度继电器

速度继电器是根据电磁感应原理对电动机的转速进行间接测量的一种控制电器。常用于按照速度原则进行设计的电气控制线路中，如异步电动机的反接制动控制电路，所以也称为反接制动继电器。图1-24感应式速度继电器结构示意图1－定子2－转轴3－装有永久磁铁的转子4－定子绕组5－定子柄6－静触点7－动触点8－簧片

通常速度继电器的动作速度设定为120r/min左右，其触点复位时速度设定为100r/min以下，可认为接近零速。其在3000r/min～3600r/min转速范围内能可靠地工作，允许的操作频率不超过30次/h。

由于电动机可以正反向运行，所以速度继电器的触点系统有正向和反向之分，在安装接线时应格外注意。1.3

主令电器

主令电器是作用于控制电路，专门用于发布控制命令或信号的电器。如电力拖动系统中电动机的起动命令、停止命令、系统工作方式或工作状态的转换等。主令电器只能用于控制电路中，它不允许分断负载主电路。

常用的主令电器:控制按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。

电气控制系统的基本工作形式就是由主令电器发布控制命令，通过接触器、继电器等控制电器，按照预先设计的逻辑功能接通或断开负载主电路，从而实现对生产机械和设备进行控制的目的。1.3.1

控制按钮

控制按钮简称按钮，是一种结构非常简单的手动主令电器。按钮一般由按钮帽（按压部件）、复位弹簧、触点系统和外壳等部分组成，其结构如图。图1-35控制按钮结构示意图1－按钮帽2－复位弹簧

3－常闭触点4－桥式动触点5－常开触点

控制按钮在结构上分为按钮式、旋钮式、钥匙式、紧急式和指示灯式等，可根据使用场合和具体的用途来选用。

控制按钮可做成单式（一个按钮）、复式（两个按钮）和三联式（3个按钮）的形式。每个按钮中触点的动作形式和数量可根据需要装配成1常开、1常闭到6常开、6常闭的形式。同时为便于识别，避免手动误操作，通常在按钮帽上用不同标志或不同颜色加以区分。如用红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮等。

复合触点动作时其常开、常闭触点的变化是有先后的，按钮按下时常闭触点先断开，常开触点后闭合；按钮松开时，闭合的常开触点先断开，断开的常闭触点后闭合。1.3.2

行程开关

行程开关也称为位置开关，它是一种根据生产机械运动部件的行程位置来发布控制命令、实现电路切换的控制电器，常用于控制电动机或其它生产设备的运行方向、行程大小及限位保护等。

行程开关按其结构可分为直动式、滚动式和微动式。

滚动式行程开关又分为单滚轮自动复位和双滚轮（羊角式）非自动复位式，由于双滚轮式行程开关具有两个稳态位置，在某些情况下可使控制电路简化。图1-37直动式行程开关结构原理图1－顶杆2－复位弹簧3－常闭触点4－触点弹簧5－常开触点

当生产机械运动部件移动速度低于0.4m/min时，触点断开的速度太慢，易受电弧灼烧。

图1-38滚动式行程开关1－滚轮2－上转臂3－盘形弹簧4－套架5、12－弹簧6、7－压板8－触点推杆9、10－触点系统11－小滑轮

当外力消失时，在弹簧的作用下自动复位。这样做减少了电弧对触点的损伤，并保证了动作的可靠性。这类行程开关适合于低速运动的机械。

当生产机械的行程较小或作用力较小时，还可采用具有弯形片状弹簧结构的，行程短、操作力小、瞬时动作的微动开关，其结构如图。图1-39微动式行程开关结构原理图1－推杆2－弯形片状弹簧3－常开触点4－常闭触点5－复位弹簧

随着半导体元件的发展，产生了一种非接触式的行程开关——接近开关。当生产机械接近它到一定距离范围之内时，它能发出控制信号，实现对生产机械的控制。

接近开关又称为无触点行程开关，它是通过其感应头与被测物体间介质能量的变化来取得信号的。接近开关除可应用于一般的行程位置控制和限位保护外，还可用于高速计数、测速、液面检测、检测金属物体是否存在以及其尺寸大小的检测等。接近开关用于行程控制时，其定位精度、操作频率、使用寿命及对恶劣环境的适应能力要比普通机械式行程开关高。图1-40行程开关的图形符号和文字符号1.3.3

万能转换开关

万能转换开关是由多组相同结构的触点组件叠装而成的多档位、多回路低压控制电器，主要用于各种控制线路工作方式或电气设备工作状态的转换。其结构如图，主要由手动操作机构、定位装置和触点系统组成。图1-41万能转换开关结构原理图1－转轴2－凸轮3－常开触点4－触点弹簧

万能转换开关按手柄的操作方式可分为自复式和定位式两种。所谓自复式是指用手转动手柄至某一档位时，相应触点接通，但手松开后，手柄会自动返回原位；定位式是指手柄被置于某档位后，将手松开手柄不会返回原位，而是停留在该档位。

不同型号的万能转换开关，其手柄有不同的档位（操作位置），其各触点的分合状态与手柄所处的档位有关。

万能转换开关的通断能力不高，只能控制小容量电动机的起动、停止、调速和转向。

目前应用较多的是LW5和LW6系列。LW5系列只能控制5.5kW及以下的小容量电动机；LW6系列只能控制2.2kW及以下的电动机。当用于可逆控制时，只有在电动机停车后才允许反向起动。

万能转换开关的两种表示方法，一种是图形方法，用虚线表示档位，而用有无实心点“●”表示触点在该档位的分合状态，如图（a）。另一种方法是以表格的形式（称为接通表）描述手柄处于不同档位时各触点的分合状态，如图（b），表中符号“×”表示触点处于闭合状态。图1-42万能转换开关的图型符号和文字符号1.3.4

主令控制器

主令控制器是一种能频繁地接通或断开较为复杂的控制电路的多回路低压控制电器，由触点系统、凸轮、定位机构、转轴、面板及其支撑件等部分组成。其动作过程与万能转换开关类似，也是通过一个可转动的凸轮来带动触点系统动作。它与万能转换开关相比，触点的容量较大，能操纵的档位也比较多。

主令控制器的图形符号以及操作手柄位于不同档位时触点的分合状态表示方法与万能转换开关相似。

主令控制器操作轻便，每小时允许的接电次数较多，适合于按顺序操作的多回路控制。如轧钢及其他生产机械的电力拖动系统，以及各类起重机械的电力拖动控制系统中。图1-43主令控制器结构原理图1－凸轮轴2－动触点3－静触点4－触点接线端子5－支杆6－转动轴7－凸轮块8－小轮

1.4

低压保护电器

在电气控制线路设计中，需要对主电路及控制电路设置相应的保护措施，以便发生事故时及时切断电路，确保用电设备的安全运行。常用的保护措施有短路保护、过载保护、过电流保护、过电压保护、失压保护等。1.4.1

熔断器

熔断器是利用熔化作用切断电路的一种保护电器。其结构简单、使用方便，在电气控制线路中主要用于电路和电气设备的短路保护，有时对长时间的或较为严重的过载也能起到保护作用。1

熔断器的结构和分类

熔断器主要由熔体和熔断管组成。熔体既是检测元件又是执行元件。熔体俗称保险丝，通常由熔点较低的金属材料（如铅、锡、锌、铜、银及其合金等）制成，其形状有丝状、带状、片状或笼状等；熔断管的作用是安装熔体及在熔体熔断时熄灭电弧，多由硬质纤维或陶瓷绝缘材料制成，其形状多为管状。

熔断器按用途分为一般工业用熔断器、半导体器件保护用快速熔断器和特殊熔断器（如具有两段保护特性的快慢动作熔断器、自复式熔断器等）。

按热惯性（发热时间常数）分为无热惯性、小热惯性和大热惯性。热惯性越小，熔化越快。

按结构可分为半封闭瓷插式、螺旋式、无填料密封管式和有填料密封管式。图1-26半封闭插入式熔断器1－动触点2－熔体

3－瓷插件4－静触点

5－瓷座图1-27螺旋式熔断器1－底座2－熔体3－瓷帽2

熔断器的安秒特性

熔断器的作用原理可由安秒特性或保护特性来描述。安秒特性是指熔体的熔化电流和熔化时间之间的关系，如图示。 的值越小，越有利于小倍数的过载保护。但也不能太小，当接近1时，熔体在额定状态下的工作温度会过高，长时间情况下有可能发生熔断现象，影响熔断器工作的可靠性。图1-28熔断器安秒特性Ire为熔体的额定电流Ir为称为熔断器最小熔断电流。最小熔断电流与熔体额定电流之比称为熔断器的熔断系数

熔断器的安秒特性具有反时限特性，流过熔体的电流越大，熔体熔化时间越短。如果被保护电路发生短路现象，熔体将瞬间熔断。所以熔断器在电路中主要起短路保护作用。图1-29熔断器的图形符号和文字符号3

熔断器的技术数据

（1）额定电压：指熔断器长期工作时和断开后能够承受的电压，其值应大于或等于电气设备的额定电压。

（2）额定电流：指熔断器长期工作时，被保护设备或部件的温升不超过规定值时所能承受的电流。

熔断器的额定电流分为熔断管额定电流和熔体熔断电流。通常生产厂家为减少熔断管额定电流的规格，熔断管的额定电流等级比较少，而熔体的额定电流等级比较多，所以可在一个额定电流等级的熔断管中安装多个额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流不能超过熔断管的额定电流。

（3）极限分断能力：指熔断器在规定的额定电压和功率因数（或时间常数）的条件下，能断开的最大电流值。在电路中出现的最大电流一般是指短路电流。因此极限分断能力反映了熔断器分断短路电流的能力。

（4）熔断电流：是指能使熔体熔化的最小电流。4

熔断器的选用

选用熔断器时应从熔断器的类型、额定电压和额定电流等方面考虑。 1．熔断器类型的选择

选择熔断器类型时，主要根据负载的保护特性和短路电流的大小来选择。对于容量小的电动机和照明线路，常采用熔断器作为过载及短路保护，因此熔体的熔化系数可适当小些；对于较大容量的电动机和照明线路，则应着重考虑短路保护和分断能力，通常选用具有较高分断能力的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的熔断器。 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被保护电路或电气设备的额定电压。3．熔体的额定电流的选择

熔断器额定电流的选择方法根据负载的不同而不同。（1）对于保护无起动过程的平稳负载时，如照明电路、电阻电炉等，由于电流比较平稳，熔体的额定电流可略大于或等于负载的额定电流。即：

（1-9）

式中

为熔体额定电流，

为负载额定电流。（2）对于保护单台长期工作的电动机，熔体电流可按最大起动电流选取，即：

～

（1-10）

式中

为电动机的额定电流。轻载起动或起动时间较短时，系数可取小些；而重载起动或起动时间较长，系数应取大些。（3）对于保护频繁起动的电动机（或供电支线），可根据下式计算：

～

（1-11）（4）对于保护多台长期工作的电动机（或供电干线），应保证在出现尖峰电流时熔体也不应熔断可采用下式计算：

～

＋

（1-12）

式中

为多台电动机中容量最大的一台电动机的额定电流，

是其余电动机额定电流之和。

为防止发生越级熔断，还要考虑供电上、下级（即供电干线和支线）熔断器之间的良好配合。选用时，应使上级熔断器的熔体额定电流比下级的大1～2个级差。1.4.2

热继电器

电动机在运行过程中常会遇到过载现象。如果过载不严重，或过载时间短，电动机绕组不超过允许的温升，这种情况是允许的；但如果过载情况严重，或长时间过载，电动机绕组的温度就会逐渐升高，不仅会加速绕组绝缘层的老化，严重的甚至会烧毁电动机，因此必须进行过载保护。电力拖动自动控制系统中常用热继电器实现电动机的过载保护。1

热继电器的结构及工作原理

热继电器主要由热元件、双金属片和触点系统组成。

热元件也称为发热元件，使用时将其串接于被保护电路中。热元件常由发热电阻丝做成，负载电流流过时用以产生热效应。

双金属片是热继电器的感测元件，它由两个热膨胀系数不同的金属片压轧而成。膨胀系数大的称为主动层，膨胀系数小的称为被动层。双金属片受热后膨胀，由于膨胀系数不同而发生形变，并向被动层弯曲。负载电流越大，通过热元件产生的热量就越多，双金属片弯曲的越厉害。当弯曲到一定程度时，就会带动触点系统动作，从而切断电路。可见，热继电器的检测元件是由热元件和双金属片共同组成的，由它们能间接地反映被保护电路的负载电流。

双金属片的受热方式主要有四种:

直接受热方式是用双金属片直接作为热元件；

间接受热方式是将热元件绕在双金属片上，但要确保二者绝缘；

复合受热方式介于上述两种方式之间；

电流互感器受热方式的发热元件不直接串接在负载电路中，而是接于电流互感器的二次侧，这种方式多用于负载电流较大的场合，以减少通过发热元件的电流。图1-30双金属片的受热方式

调节和复位

调节旋钮11是一个偏心轮，它与支撑件12构成一个杠杆，转动偏心轮，改变其半径即可改变补偿双金属片5与导板4的接触距离，从而达到整定热继电器动作电流的目的。此外，调节复位螺钉8来改变常开触点7的位置可使热继电器能工作在手动复位和自动复位两种工作状态。调试手动复位时，在故障排除后要按下复位按钮10才能使触点系统恢复。图1-31热继电器结构原理图1－双金属片固定支点2－双金属片3－热元件4－导板5－补偿双金属片6－常闭触点7－常开触点8－复位螺钉9－动触点10－复位按钮11－调节旋钮12－支撑件13－压簧14－推杆

从热继电器的工作过程可以看出，它可随电动机的过载程度改变触点的动作时间。但由于双金属片受热存在热惯性，所以在电路中不能做短路保护或瞬时的过载保护。图1-32热继电器的图型符号和文字符号2热继电器的保护方式

热继电器按工作电源的相数或热元件的个数可分为单相式、双相式和三相式3种类型，每种类型按发热元件的额定电流又有不同的规格和型号；

按照保护功能来分有不带断相保护和带断相保护两种类型。

电力拖动系统中常用的是三相交流电动机，对其进行过载保护时常采用两相式或三相式保护形式，如图示。如果条件允许，应尽可能

采用三相保护方式，

即电动机的每相绕

组均串接有热元件。图1-33三相交流电动机的过载保护3．热继电器的整定

电动机过载保护时，热继电器的动作电流通常是按电动机的额定电流（即线电流）进行整定的。热继电器的整定可以通过调节导板和触点间的距离来实现。4

带断相保护的热继电器

三相电动机的缺相运行是造成烧坏电动机的主要原因之一，也是常见的事故之一。

电动机过载保护时，热继电器的动作电流通常是按电动机的额定电流（即线电流）进行整定的。如果电动机是星形接法（Y），线电流等于相电流，当任意一相断路时，另外两相的电流便增大很多。由于流过电动机绕组的电流和流过热继电器热元件的电流同比例增加，所以星形接法时采用两相或三相热继电器就可以起到保护作用。

如果电动机是三角形接法（△），当发生断相时，由于电动机的相电流与线电流不相等，流过电动机绕组的电流和流过热元件的电流增加的比例不相同，而热元件又串接在电动机的电源进线中，按线电流整定时的值较大。所以当故障线电流达到整定值时，在电动机绕组内部，电流较大的那一相绕组可能由于故障电流过大，便有过热被烧毁的危险。所以三角形接法的电动机必须采用带断相保护的热继电器。图1-34带断相保护的热继电器动作原理图1－上导板2－下导板3－双金属片

4－杠杆5－常闭触点5

热继电器的选用

选用时应按电动机形式、工作环境、起动情况及负荷情况等几方面综合加以考虑。

（1）原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。对于过载能力较差的电动机，选用的热继电器（主要是发热元件）额定电流可适当小些。通常选取热继电器的额定电流（发热元件的额定电流）为电动机额定电流的60％～80％。

（2）在不频繁起动的场合，要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作。通常，当电动机起动电流为其额定电流的6倍，以及起动时间不超过6s时，若很少连续起动，则可按电动机的额定电流选取热继电器。

（3）当电动机为重复短时工作时，要注意确定热继电器的允许操作频率。因为热继电器的操作频率是很有限的，如果用它保护重复工作频率较高的电动机，效果很不理想，有时甚至不能使用。所以对于频繁通断且可逆运行的电动机，不宜采用热继电器保护，必要时为防止电动机绕组温度升过高，可在电动机内部装入温度继电器。1.4.3

电压保护继电器

电磁式电压继电器

触点的动作与线圈的动作电压大小有关的继电器称为电压继电器。

使用时电压继电器的线圈并接在电路上，对所接电路的电压做出反应，常用于电气控制系统的电压保护和控制。

按线圈电流种类可分为交流电压继电器和直流电压继电器。

按吸合电压的大小分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。（1）过电压继电器

在额定工作电压时，过电压继电器的衔铁不产生动作；只有当线圈电压高于被保护电路的额定值并达到过电压继电器的吸合整定值时，衔铁带动触点系统动作，接通或断开相应的控制电路。由于直流电路不会产生波动较大的过电压现象，所以无直流过电压继电器。

当电路出现过电压现象时，可利用过电压继电器来及时切断电路。这一保护动作是在过电压继电器动作时完成的，所以用常闭触点实现。图1-17过电压继电器的图形符号和文字符号（2）欠电压继电器

欠电压继电器也称为低电压继电器。在额定工作电压时，欠电压继电器的衔铁可靠吸合；当线圈电压低于被保护电路额定电压并降至欠电压继电器的释放整定值时，衔铁释放，触点系统复位，接通或断开相应的控制电路。

当电路出现低电压现象时，可利用欠电压继电器来及时切断电路。这一保护动作是在欠电压继电器释放（恢复）时完成的，所以用常开触点实现。交流过电压继电器的吸合电压（整定值）调整范围为被保护电路额定工作电压的1.05～1.2倍。直流欠电压继电器吸合电压与释放电压的调节范围分别是额定工作电压的0.3～0.5倍和0.07～0.2倍；交流欠电压继电器吸合电压与释放电压的调节范围分别是额定工作电压的0.6～0.85倍和0.1～0.35倍。（3）零电压继电器

零电压继电器在额定电压下吸合，当线圈电压达到额定电压的5％～25％时释放。零电压继电器常用于电路的零电压保护（失压保护）。

电压继电器可通过调节释放弹簧的松紧程度来整定，电路如图。

对继电器吸合值的整定可先调节变阻器R的值，使Ux为需要整定的电压值，然后拧紧释放弹簧，使继电器不动作（指示灯HL灭），再慢慢放松释放弹簧，直至继电器KV刚刚吸合（指示灯亮）为止。

对于释放值的整定，可先调节变阻器R的值，使Ux为需要整定的电压值，然后放松释放弹簧，使继电器动作（指示灯HL亮），再慢慢拧紧释放弹簧，直至继电器KV刚刚释放（指示灯灭）为止。（4）电磁式电压继电器的一种整定方法1.4.4

电流保护继电器

触点的动作与线圈的动作电流大小有关的继电器称为电流继电器。

使用时电流继电器的线圈与负载串联，对所接电路的电流做出反应，常用于电气控制系统的电流保护。

按流过线圈的电流种类可分为交流电流继电器和直流电流继电器.

按动作电流的大小分为过电流继电器和欠电流继电器。（1）过电流继电器

正常工作时，过电流继电器线圈中流过负载电流，但不产生吸合动作。当线圈电流高于被保护电路的额定值并达到过电流继电器的吸合整定值时，衔铁带动触点系统动作，接通或断开相应的控制电路。

在电力拖动系统中，常会发生冲击性的过电流现象，此时可采用过电流继电器来及时切断电路，实现电路的过电流保护。这一保护动作是在过电流继电器动作时完成的，所以用常闭触点实现。

（2）欠电流继电器

欠电流继电器也称为低电流继电器。在额定工作电流时，欠电流继电器的衔铁处于吸合状态；当线圈电流低于被保护电路额定电流并降至欠电流继电器的释放整定值时，衔铁释放，触点系统复位，接通或断开相应的控制电路。

当电路出现低电流现象或负载电流