烟机设备操作工基础知识-第四章电器基础知识

第四章

电器基础知识

第一节常用低压电器

第二节变压器

第三节电动机

第四节电气控制基础知识

第五节自动控制基础知识

学习要点：

1.常用低压电器的原理与内部构造。

2.变压器的工作原理。

3.电动机的工作原理与分类。

4.电气控制线路的分类。

5.pLC及监控组态系统的组成。

第一节常用低压电器

凡是对电能的生产、输送、分配和应用能起到切换、控制、调节、检测以及

保护等作用的电工器械均称为电器。低压电器通常是指在交流电压1200V及以

下、直流电压1500v及以下的电路中使用的电器。

一、低压电器的分类

低压电器的品种繁多，分类的方法也很多。

(一)按动作性质分类，电器可分为自动电器和非自动电器

(1)自动电器。这类电器有电磁铁等动力机构，按照指令、信号或参数变化而

自动动作，使工作电路接通和切断，如接触器、自动开关等.

(2)非自动电器。这类电器没有动力机构，依靠人力或其他外力来接通或切断

电路，如刀开关、转换开关等。

按工作原理分类，电器可分为电磁式电器和非电量控制器

(1)电磁式电器。电磁式电器是依据电磁感应原理来工作的电器，如交直流接

触器、各种电磁式继电器等。

(2)非电量控制器。电器根据外力或某种非电物理量的变化而动作，如刀开

关、行程开关、按钮、速度维电器、压力继电器、温度继电器等。

(三)按照用途分类，电器可分为控制电器、保护电器和执行电器

(1)控制电器。用来控制电动机的启动、正反转、制动、调速等动作的电器，如

开关、信号控制电器、接触器、继电潜、电磁启动器等。

(2)保护电器。用于保护电路及用电设备，使其安全运行的电器，如熔断器、

电流继电器、热继电器等。

（3）执行电器。用来驱动机械运行或保持机械装置在指定位置的电器。如电磁

阀、电磁离合器、电磁制动器等。

大多数电器既可作控制电器，也可作保护电器，它们之间没有明显的界限。

例如，电流继电器可按“电流”参量来控制电动机，又可用来保护电动机不致过

载；又如行程开关既可用来控制工作台的加、减速及行程长度，又可作为终端开

关保护工作台不致闯到导轨外面去。

二、低压电器的基本结构

从组成上看，低压电器一般都具有两个基本组成部分，即感测部分和执行部

分。感测部分大多是电磁机构，执行部分一般是触头。当触头分断大电流电路时,

一般还需要灭弧装置。

（一）电磁机构

电磁机构是各种电磁式电器的感测部分，其作用是将电磁能转换成机械能从

而带动触头的闭合或分断。

电磁机构一般由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。根据动作方式的不同分为直动式

和转动式（见图4-1-1）o

电磁机构的工作原理是线圈通电流后产生磁场，磁通经铁芯、衔铁和工作气

隙形成闭合回路，产生的电磁吸力克服复位弹簧的反作用力，将衔铁吸向铁芯；

线圈断电后，衔铁在复位弹簧的作用下恢复原始状态。电磁铁分为直流电磁铁和

交流电磁铁。

（二）触头

触头用来接通和断开电路，是一切有触头的电器的执行元件。对触头的要求

一般是：接通时导电性能好、不跳（振）动、噪声小、不过热；断开时能可靠地

刀开关的额定电压一般为交流500V、直流440V以下，额定电流有10A、

15A、20A、30A、60A、100A、200A、400A、600A、1000A及1500A等。

刀开关体积大，操作费力，每小时允许接通次数低。因此，刀开关主要用作

车间配电线路中电源的引入开关或隔离开关，起到隔离电源却分断负载的作用。

常用的刀开关有胶盖刀开关和铁壳开关，通常都带有熔断器以起短路保护作用

（见图4-1-4）o

进线座

（二）组合开关

组合开关经常作为转换开关使用，但在电气控制线路中也作为隔离开关使

用，起不频繁接通和分断电气控制线路的作用。组合开关与刀开关不同，其操作

是左右旋转的平面操作，所以又称为转换开关。按用途分为单电源开关、两电源

或两电路换接开关、三电路换接开关、四电路换接开关、控制小容量交流电动机

开关、电焊机开关。按安装形式分为板前接线式、板后接线式。按极数可分为单

极、二极、三极、四极。按节数可分为一节、二节、三节、四节、五节、六节。

额定电流有10A、15A、20A、40A、60A等几个等级，如图4一1一5所示。

普通类型的组合开关，各极是同时接通或同时分断的。在机床控制电路中，

这种组合开关主要作为电源弓人开关，有时也用来启动那些不经常启、停的小型

电机（W5kw）,如小型砂轮机、冷却泵电机或小型通风机等。

组合开关也可以做成在一个操作位置上，使总极数中的一部分接通、一部分

断开的结构，即所谓交替通断的类型。谓两位转换类型。这两类组合开关可作为

控制小型鼠笼形感应电动机的正、反转，星一三角启动或多速电动机的换速之用。

组合开关外形和结构如图4-1-6所示，组合开关沿转轴4自下而上分别安

装了3层开关组件，每层上均有一个动触头8、一对静触头9及一对接线柱1,

各层分别控制一条支路的通与断，形成

组合开关的三极。当手柄3每转过一定

角度，就带动固定在转轴上的3层开关

组件中的3个动触头同时转动至一个新

位置，在新位置上分别与各层的静触头

接通或断开。

根据组合开关在电路中的不同作

用，组合开关图形与文字符号有两种。

当在电路中用作隔离开关时，其图形符

号如图4一1一7所示，其文字标注

符为Qs,有单极、双极和三极之分，1.接线柱2.绝缘柄3.手柄4.转轴

机床电气控制线路中一般采用三极组合5.弹簧6.凸轮7.绝缘垫板8.动触头9.静触头

图4-1-6组合开关示意图

开关。

(a)单极(b)双极(c)三极

004-1-7组合开关图形符号

图4-1-8所示是组合开关作转换开关使用时

LlL2L3

的图形符号，图示是一个三极组合开关，图中I与

II分别表示组合开关手柄转动的两个操作位置，I

位置线上的3个空点右方画了3个黑点，表示当SA

n

手柄转动到I位置时，LI、LZ与L3支路线分别

与、、支路线接通；而位置线上个空TTT

UVWn3UVW

点右方没有相应黑点，表示当手柄转动到n位置

图4-1-2组合开关作转换

时，LI、L2与L3支路线与U、V、W支路线处于开关时的图形符号

断开状态。

（三）转换开关

转换开关在电气控制线路中常用于skw以下电动机的启动、停止、变速、换

向和星一三角启动，还可用于电气测量仪表的转换。

图4-1-9所示是专用作小容量异步电动机的正反转控制转换开关。开关右侧

装有3副静触头，标注号分别为LI、L2和W,左侧也装有3副静触头，标注

号分别为U、V、L3。转轴上固定有两组共6个动触头。开关手柄有“倒”“停”

“顺”3个位置，当手柄置于“停”位置时，两组动触头与静触头均不接触。

（a）外形（b）结构

1.动触头2.静触头3.调节螺钉4.触头压力弹簧

图4-1-9转换开关

图4TT0所示是转换开关的图形符号。图中小黑点表示开关手柄在不同位置上

各支路的通断状况。开关手柄置于“停”位置时支路1—6均不接通，置于“顺”

位置时支路1、么3接通，置于“倒”位置时则支路4、5、6接通。

（四）低压断路器

低压断路器又称自动开关、空气开关，不但LlL2L3

能用于正常情况时不频繁接通和断开电路，而且|

当电路中出现过载、短路等故障时，能自动切断LI.3臣5[6]顺

故障电路，有效地保护串接在后面的电气设备，1F'"7广-1

因此在电气控制线路中使用广泛。「「I「I

低压断路器的种类很多，按其结构形式可分uVW

为框架式（万能式）和塑料外壳式（装置式）；图4-1-10转换开关图形符号

按操作可分为手动、电动和液压传动操作；按触

头数目可分为单极、双极和只极；按动作速度可分为延时动作、普通速度和快速

动作等。

低压断路器的额定电流和额定电压应不低于电气控制线路中设备正常工作

电流和工作电压，极限通断能力应不低于电路的最大短路电流，欠电压脱扣器的

额定电压应等于电气控制线路的额定电压，过电流脱扣器的额定电流应不低于电

气控制线路的最大负载电流。

图4-1・11所示是低压断路器结构示意图。主触头1由操作机构手动或电

动合闸，在合闸位置上自由脱扣机构2将主触头锁扣在闭合状态。电气控制线

路正常工作时，过电流脱扣器3线圈所产生吸力不能将上方的摆杆吸合，电气

控制线路中出现短路故障，短路过电流使过电流脱扣器线圈吸力增加，将线圈上

方的摆杆式衔铁吸合使之绕支点逆时针转动，自由脱扣机构上升并和主触头脱

扣，主触头在拉簧作用下左移分断电路。

1.主触头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.失压脱扣器7.按钮

图4-1-11低压断路器结构示意图

电气控制线路中出现过载故障时，热脱扣器5的线圈因发热对上方的双金

属片进行加热，因双金属片的下层金属材料的膨胀系数大于上层，加热后双金属

片产生上翘，推动自由脱扣机构上升而使主触头脱扣分

断电路。电气控制线路中出现失压现象时，失压脱扣器

6线圈的吸力减少而不能吸合上方的衔铁，从而使衔铁

上升导致自由脱扣机构随之上升，主触头脱扣而分断电

路。分励脱扣器4则作为远程控制分断电路用，受按钮

7控制，合上远地的按钮，则分励脱扣器线圈吸合卜方

的摆杆式衔铁，自由脱扣机构上升，使主触头分断电路。图4-1-12低压断路器

低压断路器在电气原理图中的图形符号如图4一1一图形符号

12所示。

（五）按钮

按钮是机床电气设备中常用的一类手动电器。由于这类电器主要用来发布电

气控制的“命令”，以控制其他电器的动作，所以又称为主令电器。

按钮开关的外观和结构示意图如图4-113所示。

4.常开触头5.常闭触头

图4-1-13按钮及其结构

按钮经常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关，通过远距离控制接触

器、继电器等电器来控制电动机的启动、反转和停转。因此，一个按钮盒内常包

括两个以上的按钮元件，在线路中起不同的作用。最常见的是由两个按钮元件组

成“启动”“停止”的双联按钮，以及由3个按钮元件组成的“正转”“反转”

“停止”的三联按钮，即复合按钮。此外还有一种紧急式按钮一装有凸出的蘑

菇形钮帽，常作为“急停”按钮。

按钮开关的图形与文字符号如图4TT4所示。

SB

常开

图47-14按钮开关的图形与文字符号

（四）行程开关

行程开关也称为限位开关，它把接收到的机械位移信号转变为电信号，完成

电动机及电路的控制。行程开关的作用是控制电动机按照既定的行程启动、停止、

反转、变速和循环，形成机械运动控制和安全保护。

行程开关的作用过程：行程开关内部设置有类似于微动开关的元件，可以在

接收到机械力时，对开关内部的触头进行作用使其发生转换。行程开关的控制钮

在工作时会受到工作机械的碰触，微动开关作用触头，触头状态的改变使工作机

械的运动动方向发生改变，在机械力信号消失后，行程开关复位。

行程开关所控制的工作机械，通常会在运动部件上的固定位置配有特殊的

触块，它的作用是更清晰的将机械信号传递给行程开关。行程开关的控制钮通常

可以直接接触到触块，部分情况下也有行程开关是由传动杆接触触块，再将机械

信号传递给控制钮的。

行程开关主要可以分为两个种类，直动式行程开关和旋转式行程开关。行

程开关的这两个种类的基本结构相似，部件都包括操作机构、传动系统、触头系

统和外壳，其中区别是在于两种行程开关的传动系统不同。

直动式行程开关也叫按钮式行程开关，顾名思义它的动作原理与按钮有很

多相似之处。旋转式行程开关的结构是由挡铁压动滚轮，滚轮传动杆带动转轴转

动，再以凸轮撞击撞块令触头断开和闭合，当挡铁移开后，做头在复位弹簧作用

下复位。旋转式行程开关中的双滚轮式设计，是不具有自动复位功能的。双滚轮

式行程开关在与触块脱离之后，不会自动复位，而是等待触块做往返运动直至再

次与滚轮接触，借助触块的外力完成复位过程。

常用行程开关有直动式、单轮旋转式和双轮旋转式等。其图形与文字符号如

图4_1_15所示。

（a）直动式（b）单轮旋转式（c）双轮旋转式（a）常开式（b）常闭式

图4-1-15行程开关的图形与文字符号

直动式行程开关结构如图4-1

-16所示，当运动机械的挡铁撞到行

程开关的顶杆1时，顶杆受压触动

使常闭触头3断开，常开触头5闭

合；顶杆上的挡铁移走后，顶杆在弹

簧2作用下复位，各触头回至原始

通断状态。

1.顶杆2.弹簧3.常闭触头4.触头弹簧S.常开触头

图4-1-16直动式行程开关结构

旋转式行程开关结构如图4-1-17所示，当

运动机械的挡铁撞到行程开关的滚轮1时，行程

开关的杠杆2连同转轴3、凸轮4一起转动，

凸轮将撞块5压下，当撞块被压至一定位置时便

推动微动开关7动作，使常闭触头断开，常开触

头闭合；当滚轮上的挡铁移走后，复位弹簧8就

使行程开关各部件恢复到原始位置。行程开关触

头图形与文字符号如图4-1T8所示。

1.滚轮2.杠杆3.转轴

4.凸轮5.撞块6.调节螺钉

7.微动开关8.复位弹簧

图4-1-17旋转式行程开关结构

(a)行程开关常闭触头(b)行程开关常开触头

图4-1-18行程开关触头图形与文字符号

行程开关选用时根据使用场合和控制对象确定行程开关种类。例如当机械运

动速度不太快时通常选用一般用途的行程开关，在机床行程通过路径上不宜装直

动式行程开关而应选用凸轮轴转动式行程开关。行程开关额定电压与额定电流则

根据控制电路的电压与电流选用。

为克服直动式结构的缺点，常采用具有弯片状弹簧的瞬动机构的微动开关，

其图形及原理如图4・1・19所示。

】•操作钮2.弹簧3.弹簧片4.常闭触头S.常开触头6.拉钩

图47-19微动开关的图形及原理

当推杆被压下时，弹簧片发生变形，储存能量并产生位移，当达到预定的临

界点时，弹簧片连同动触点产生瞬时跳跃，从而导致电路的接通、分断或转换。

同样，减小操作力时，弹簧片释放能量并产生反向位移，当通过另一临界点时，

弹簧片向相反方向跳跃。采用瞬动机构可以使开关触点的接触速度不受推杆压下

速度的影响，这样不仅可以减轻电弧对触点的烧蚀，而且也能提高触点动作的准

确性。微动开关的体积小、动作灵敏，适合在小型机构中使用，但由于推杆所允

许的极限行程很小，以及开关的结构强度不高，因此在使用时必须对推杆的最大

行程在机构上加以限制，以免压坏开关。

（七）非接触式行程开关

前述行程开关和微动开关均属接触式行程开关，工作时均有挡块与推杆的机

械碰撞和触点的机械分合，在动作频繁时，容易发生故障，工作可靠性较低。近

年来，随着电子器件的发展和控制装置的需要，一些非接触式行程开关应运而生,

这类产品的特点是，当挡块运动时，无须与开关的部件接触即可发出电信号，故

以其使用寿命长、操作频率高、动作迅速可靠而得到了广泛的应用。这类开关有

接近开关、光电开关等。

1.接近开关

为了克服有触点行程开关可靠性较差，使用寿命短和操作频率低的缺点，采

用了无触点式行程开关，也叫电子接近开关。目前晶体管无触点电子开关正获得

越来越多的应用。接近开关大多由一个高频振荡器和一个整形放大器组成，接近

开关工作原理如图4-1-20所示。振荡器振荡后，在开关的感应面上产生交变磁

场，当金属物体接近感应面时，金属体产生涡流，吸收了振荡器的能量，使振荡

器减弱以致停振。振荡与停振是两种不同的状态，由整形放大器转换成二进制的

开关信号，从而达到检测位置的目的。

图4-1-20接近开关工作原理

接近开关外形结构多种多样，电子电路装调后用环氧树脂密封，具有良好的防潮、防腐

性能。它既能无接触又无压力地发出检测信号，又具有灵敏度高、频率响应快、重复定位精

度高、工作稳定可靠、使用寿命长等优点。在自动控制系统中已获得广泛应用。其图形与文

字符号如图4T-21所示。

o\SQO-

图4-1-21接近开关图形与文字符号

2.光电开关

开关内部有发光及受光器件，半导体光源经脉冲调制发射出一定周期的脉冲

光,经检测物的反射或遮光后被光敏元件接收,把经过光电变换的信号进行放大、

选通、检波、整形后再放大输出。其外形多种多样，如图4-1-22所示。

trinr

B4-1-22光电开关⑶检收肝

国1光申开关T作云意闻

光电开关具有体积小、可靠性高、检测精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS

电路兼容的优点。光电开关的光源可采用红外线、可见光、光纤等，其按工作原

理分为透光型和反射型两种。

（八）接触器

接触器是一种根据外来输入信号利用电磁铁操作，频繁地接通或断开交、直

流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。主要用于控制电动机、电焊机、电

热设备、电容器组等。其工作原理为：当电磁铁线圈得电，电磁铁吸合时，带动

接触器触头闭合，使电路接通。线圈失电时，电磁铁在弹簧力作用下释放，接触

器触头断开，使电路切断。

接触器不仅能实现远距离集中控制，而且操作频率高、控制容量大，具有低

压释放保护、工作可靠、使用寿命长和体积小等优点，是继电器一接触器控制系

统中最重要和最常用的元件之一。

接触器的基本参数包括：主触头的额定电压、主触头允许切断电流、触头数、

线圈电压、操作频率、机械寿命和电寿命等。现代生产的接触器，其额定电流最

大可达2500A,允许接通次数为150-1500次/h,总寿命可达到1500万

-2000万次。接触器的外形妇图4-1-23所示，图形和文字符号如图4-1-24所

Zj\o

BB4-1-24接触器的图形和文字符号

1.交流接触器

交流接触器常用于远距离接通或

断开电压至1140V、电流至63OA的

交流电路，以及频繁控制交流电动机。

接触器可分为两种状态，即常开状态

和常闭状态。接触器一般由电磁系统、

触头系统、灭弧装置、弹簧和支架底

座等部分组成（见图4-1-25）。

L触动桥2.静触头3.衔铁4.缓冲弹簧5.电磁线圈

6.铁芯7.垫苞8.触头弹簧9.灭弧罩10.触头压力黄片

图4-1-25接触器结构示意图

(1)电磁系统

交流接触器的电磁系统采用交流

电磁机构，当线圈通电后，衔铁在电磁吸力的作用下，克服复位弹簧的反力与铁

芯吸合，带动触头动作，从而接通或断开相应电路。线圈断电后，衔铁及触头恢

复常态。

(2)触头系统

根据用途的不同，接触器的触头可分为主触头和辅助触头。主触头用来通断

电流较大的主电路，一般由3对动合触头组成；辅助触头用来通断小电流的控

制电路，由成对的动合、动断触头组成。

(3)灭弧装置

接触器通常用于通断大电流，因此，有效地灭弧是十分重要的。交流接触器

通常采用电动力灭弧和灭弧栅灭弧。

(4)其他部分

包括复位弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构、接线柱和外壳等。常

用的交流接触器产品：国内有N才3(CJ46)、CJ12、CJ10X.CJ20、CJX1、

CJX2等系列；引进国外技术生产的有B系列、3TB、3TD>LC-D等系列。

2.直流接触器

直流接触器主要用来远距离接通或断开电压至440V、电流至630A的直流电

路，其组成部分和工作原理与交流接触器基本相同，只是采用了直流电磁机构(为

了保证铁芯的可靠释放，常在磁路中夹有非磁性垫片以减小剩磁的影响)。由于

直流接触器的线圈通以直流电，所以没有冲击的启动电流，也不会产生铁芯猛烈

撞击现象，因而它的寿命长，更适用于频繁启动、制动的场合。目前常用的直流

接触器型号有CZO、CZ18等系列。

直流接触器常用纵缝和磁吹装置灭弧(图4-1-26)o

XX线圈的磁场

匕触动点移动速度

(a)纵缝灭孤(b)被吹灭弧

0B4-1-26直流接触器的灭通奘・

（1）纵缝灭弧纵缝灭弧装置如图4-1-26（a）所示其原理为依靠磁场

产生的电动力将电弧拉人用耐弧材料制成的夹缝中，加快散热冷却，从而达到灭

弧目的。（2）磁吹灭弧磁吹灭弧装置如图4-1-26（h）所示）触头回路（主

回路）中串接有吹弧线圈（较粗的几匝导线，其间穿以铁芯增加导磁性），通电

后会产生较大的磁通。触头分断的瞬间产生的电弧就是载流体，它在磁通的作用

下产生电磁力州寄电弧拉长并冷却从而灭弧。由于电磁电流越大，吹弧的能力越

大，且磁吹力的方向与电流方向无关，故一般应用于直流接触器中。

（九）继电器

继电器是一种利用输人信号（电流、电压、时间、温度等）的变化来接通或

断开所控制的电路，以实现自动控制或完成保护任务的自动电器。与接触器不同，

继电器主要用于反映控制信号，其触点数目多、容量小（只能通过小电流），触

点通常接在控制电路中。

继电器的种类很多，分类方法也很多，常用的分类力法有：

按输人量的物理性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器和温度继

电器等；

按动作原理分为：电磁式继电器、干簧继电器、电动式继电器、热继电器和

电子式继电器等。

按动作时间分为：快速继电器、延时继电器和一般继电器

按执行环节的作用原理分为：有触点继电器和无触点继电器。

电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，

故在机床电气控制中应用很广，但随着科技的进步，固态继电器有逐步取代传统

电磁式继电器之势。

电磁式继电器有交流和直流之分，两者的主要结构和工作原理与接触器基本

相同。

1中间继电器

中间继电器又称为辅助继电器，它本质上是电压继电器，但它的触头较多（触

头多达6对甚至更多，触头没有主、辅之分），触头能承受的电流也较大（额

定电流5—10A）,动作灵敏（动作时间小于0.055）

中间继电器的主要用途是当其他继电器的触头数或触头容量不够时，可借助

中间继电器来扩大触头数或触头容量，起到中间转换的作用

中间继电器的常用型号有Jzls、JZ14、Jzl7（交流和直流）及JZ7、JZS

（交流）。中间继电器的图形与文字符号如图4—1一27所示

2.时间继电器

图4-1-27中间继电器图形与文字符号

时间继电器是种接收信号(线圈通电或断电)，经过一定的延时才'能输出

信〃号，实现触头延时动作的控制电器，适用于定时控制。时间继电器的图形与

文字符号如图4-1-28所示。

图4-1-28时间继电器图形与文字符号

按延时方式分，时间继电器可分为通电延时型和断电延时型；按动作原理与

构造的不同分，时间继电器可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等类型。

(1)空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式通电延时型时间继电器结构如图4T-29(a)所示，当线圈1

通电后，铁芯2将衔铁3吸合，推板5使微动开关16立即动作，而活塞杆6在

塔形弹簧7作用下将带动活塞13及橡皮膜9向上移动。

(a)通电延时原理(b)断电不延时原理(c)断电延时原理

L线圈2.铁芯3.衔铁4.复泣弹簧，推板6.活塞杆7.塔形弹簧&弱弹簧。.橡皮膜

10.空气室壁II.调衍螺杆12.进气孔13.活塞14、16.微动开关】5.杠杆

图4-1-29空气阻尼式时间继电器原理

由于橡皮膜下气室空气须经进气孔12缓慢补充，因此橡皮膜下气室短期内

形成负压，导致活塞杆不能迅速上移产生延时，活塞杆缓慢升到最上端时才能通

过杠杆巧触动微动开关14,延时时间长短取决于进气孔12的大小，可通过调

节螺杆H调节。图4-1-29(b)所示是断电不延时工作原理。当线圈1断电时,

衔铁3在复位弹簧4作用下将活塞13推至最下端的状态。由于橡皮膜下气室

内的空气可通过活塞杆6与橡皮膜之间的间隙顺利进人上气室，上、下气室间

不形成负压，因此微动开关14与16都迅速复位。

图4・1・29(C)所示是将电磁机构倒置安装构成断电延时型时间继电器示意

图。断电时微动开关14将在延时后触动。

空气阻尼式时间继电器延时精度较低，不能精确设定延时时间，延时精度要

求较高的电气控制线路中不宜采用。

(2)电子式时间继电器

电子式时间继电器可分为晶体管式时间继电器和数字式时间继电器。晶体管

式时间继电器具有延时范围广、体积小、精度高、调节方便以及寿命长等优点，

因而得到了广泛的应用。

晶体管式时间继电器分为通电延时型、断电延时型和带瞬动触点的通电延时

型。它们均是利用RC电路充放电原理构成延时。

数字式时间继电器采用数字脉冲计数电路，较之晶体管式时间继电器来说，

延时范围更大，精度更高，主要用于各种需要精确延时和延时时间较长的场合。

这类时间继电器功能特别强，有通电延时、断电延时、定时吸合、循环延时4种

延时形式和十几种延时范围供用户选择，这是晶体管式时间继电器无可比拟的。

电子式时间继电器常用产品有JS、JSB、JJSB、JS14、JS20等系列。

(3)时间继电器选用

时间继电器选用时主要考虑延时范围、延时类型、延时精度及工作条件等。

3.压力继电器

压力继电器是将流体压力信号转变为电信号的转换元件，常用于气动、液压

控制系统或多机床自动线中，也用于气路中的连锁装置、机床上的气动卡盘中,

如图4-1-30所示。

图4-1-30压力继电器

压力继电器有柱塞式、膜片式、弹簧管式和波纹管式4种结构形式。柱塞式

压力继电器的结构如图4-1-31所示，由柱塞、弹簧、调节螺母和微动开

关等组成。微动开关与顶杆间的距离一般大于0.2mmo

压力继电器安装在气

路、水路或油路的分支管路

中。当管路的压力超过整定

值时，通过缓冲器、橡皮膜

抬起顶杆，使微动开关动

作。管路压力低于整定值

时，顶杆脱离微动开关，触

头复位。通过调节螺母，可

调节整定压力。压力继电器

必须放在压力有明显变化进油口

柱塞式压力继电器结构

的地方才能输出电信号。例

如若将压力继电器接在回油路中，因回油路接油箱，压力无变化，压力继电器将

不会工作。常用的压力继电器有YJ系列、TE52系列和YT-1226系列等。

4.固态继电器

固态继电器是由半导体元件组成的无触头开关器件，它较之电磁式继电器具

有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关

速度快、无火花、无动作噪声和使用方便等一系列优点，因而具有很宽的应用领

域，有逐步取代传统电磁式继电器之势，并进一步扩展到许多传统电磁式继电器

无法应用的领域，如计算机的输人输出接口、外围和终端设备。在一些要耐振、

耐潮、耐腐蚀、防爆等特殊工作环境中以及要求高、可靠的工作场合，都较之传

统的电磁式继电器有无可比拟的优越性，固态继电器的缺点是过载能力低，易受

温度和辐射影响，通断阻抗比小。

固态继电器是一种两个接线端为输人端，另两个接线端为输出端的四端器件,

中间采用隔离器件实现输人、输出的电隔离。

固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关形式可分为常开

型和常闭型。按隔离形式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔

离型为最多。

（+）保护电器

1.熔断器

熔断器是一种简单有效而价廉的保护电器，是利用金属的熔化作用来切断电

路的。它串接在所保护的电路中，作为电路及用电设备的短路或严重过载的保护

元件。熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和放置熔体的绝缘管（有利于熔断器的

灭弧）或绝缘底座（亦称熔壳）组成，熔体是由易熔金属铅、锡、锌、铜、银及

其合金制成，有丝状、片状及笼状等形式。正常工作情况下，负载电流流过熔体,

熔体电阻引起的损耗使其发热，但发热温度低于熔体的熔化温度，故长期不会熔

断；当电路发生过载或短路时，电流大于熔体允许的正常发热电流，熔体温度急

剧上升，超过熔体的熔点使熔体熔断，从而切断电路，保护了其他电气设备。更

换新熔体后，电路又可重新工作。

熔体允许长期通过1.2倍额定电流。但当电路发生短路及严重过载时，熔

体中产生的热量与通过电流的平方及通过电流的时间成正比，即通过电流越大，

熔体熔断的时间越短。

熔断器的类型有瓷插式、螺旋式和密封管式3种。熔断器的图形与文字符号

如图4-1-32所示。

图4-1-32熔断器图形与文字符号

选择熔断器时，主要考虑以下几个主要技术参数。

(1)额定电压

这是从灭弧角度出发，规定熔断器所在电路工作电压的极限。如果熔断器的

实际工作电压超过该额定电压，一旦熔体熔断时，可能发生电弧不能及时熄灭的

现象。

(2)熔体额定电流

这是指熔体长期通电而不会熔断的最大电流。厂家生产的熔体有大小不同的

若干标准值，可根据负载电流的大小来选定。

(3)熔断器额定电流

这是熔断器长期工作所允许的由温升决定的电流值。该额定电流应不小于所

选熔体的额定电流，并且在该额定电流范围内的不同规格的熔体可装人同一熔壳

内。

(4)极限分断能力

极限分断能力是指熔断器所能分断的最大短路电流值。它取决于熔断器的灭

弧能力，与熔体的额定电流大小无关。一般有填料的熔断器分断能力较大，可大

至数十千安到数百千安。较重要的负载或距离变压器较近时，应选用分断能力较

大的熔断器。

2.热继电器

热继电器是根据被控对象的温度变化而动作的继电器，主要用来保护电动机

的过载。电动机工作时允许短时过载，但长期过载、欠电压运行或缺相运行时，

电动机的温升就会超过额定工作温升，导致绕组绝缘损坏，降低电动机的寿命，

必须予以保护。但熔断器和过电流继电器只能保护电动机不超过允许的最大电

流，并不能反映电动机的发热状况。因此，常采用

热继电器进行保护(见图4-1-33)o

(1)热继电器的结构和工作原理

热继电器由加热元件、双金属片、触头系统等

组成(见图4—1—34),其中双金属片是关

键的测量元件。双金属片由两种热膨胀系数不同的

金属通过机械碾压形成一体，热膨胀系数大的一侧

称为主动层，小的一侧称为被动层。双金属片受热

困4-1-33热继电器

后产生热膨胀，但由于两层金属的热膨胀系数不

同，且两层金属又紧密地结合在一起，致使双金属

片向被动层一侧弯曲，因受热而弯曲的双金属片产生的机械力就带动动触头产生

分断电路的动作。

热继电器原理图中加热元件13串接在电动机定子绕组中，电动机绕组电流

即为流过加热元件的电流。

L固定柱2.双金属片3.导板4、6弹触头5.动触头连杆7.螺钉8.复位按钮

9.簧片10.弹簧11.支撑杆12.调节偏心轮13.加热元件14.补偿双金属片

图4-1-34热继电器原理图

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，但不足以

使热继电器动作，只有当电动机过载时，加热元件产生大量热量使双金属片弯曲

位移增大从而推动导板3左移，通过补偿双金属片14与簧片9将动触头连杆5

和静触头4分开。

动触头连杆5和静触头4是热继电器串接于接触器电气控制线路中的常闭

触头，一旦两触头分开，就使接触器线圈断电，再通过接触器的常开主触头断开

电动机的电源，使电动机获得保护。热继电器文字符号如图4T-35所示。

图4-1-35热继电器文字符号

(2)热继电器的选择

主要根据电动机的额定电流来确定热继电器的型号和热元件的额定电流等

级。例如某电动机的额定电流为14.6A,额定电压为380V,如果选用JRI0一

40型热继电器，则可选择热元件的电流等级为16A,其电流调节范围为10—

16A,因此可将其电流整定为14.6Ao

3.电流继电器

电流继电器根据电流信号动作，是使用最多的基础继电器之一。电流继电器的线

圈是电流线圈，其特点是匝数少、导线粗、阻抗小、能通过较大电流，串接于被

保护电路中。电流继电器分为欠电流继电器和过电流继电器两类。大于线圈额定

电流值而动作的为过电流继电器，小于线圈额定电流值而动作的为欠电流继电

器，两者结构、原理大致相似。电流继电器的图形及结构，如图4-卜36所示。

5.电流线图6.常开触头7.常闭触头

图4-1-36电流继电器的图形及结构

过电流继电器广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机的控制电路中，用

于频繁、重载启动的场合，作为电动机或主回路的过载、短路保护；欠电流继电

器主要用于直流电动机中，对电动机进行弱磁保护（防止励磁电流过小，电动机

因转速过高或电枢电流过大而损坏）。

欠电流继电器的吸引电流通常是线圈额定电流的30%-65%,释放电流

为额定电流的10%-20%,因此，电路正常工作时，衔铁是吸合的；当电流

低于某一整定值时，继电器释放，输出信号。过电流继电器在电路正常工作时不

动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.1—4倍额定电

流。

比较常见的欠电流继电器有JT3、JT4、JT9、JT10,过电流继电器有

JL3、JT4、JL14、JL15等型号。选择电流继电器时主要根据电路内的电流种

类和额定电流的大小。

4.电压继电器

电压继电器根据电压信号动作，也是使用数量最多的基础继电器之一（见图4T

-37）o根据动作电压的不同有过电压继电器、欠（零）电压继电器之分。

图4-1-37电压继电器

（I）过电压继电器

当控制线路出现超过所允许的正常电压时（一般是额定电压的110%—115%）,继电

器动作而控制切换电器（接触器），使电动机等停止工作，以保护电气设备不致

因过高的电压而损坏。

（2）欠（零）电压继电器

当控制线圈电压过低，使控制系统不能正常工作（如异步电动机因TocU「

不宜在电压过低的情况下工作），此时利用欠电压继电器电压过低时动作，使控

制系统或电动机脱离不正常的工作状态，这种保护称欠（零）压保护。通常，欠

电压继电器在电压为额定电压的40%—70%时动作；零电压继电器当电压降

低到额定电压的5%-25%时动作。

欠（零）电压继电器常用于交流电动机的欠压和零压保护以及制动和反转控制等;

过电压继电器常用于直流电动机放大机控制系统中，防止放大机因过高的电压而

损坏。

电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是其线圈为电压线圈，线圈匝

数多、导线细、阻抗大，与相应电源并联。常用的电压继电器有JT系列、JY系

列等。选择电压继电器时根据线路电压的种类和大小。

5.速度继电器

速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。主要用于电动机反接制动

控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。速度继

电器的图形及结构如图4/・38所示。

L转子2.电动机轴3.定子4.笼形绕组

5.定子柄6.动触头7.反力弹簧

图4-1-38速度继电器固形及结构

转子是一块固定在轴上的永久磁铁。浮动的定子与转子同心，而且能独自偏

摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼形绕组。速度继电器的轴与电动机轴相连，电

动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼形绕组切割磁力线而产生感

应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转动方向

偏摆，定子柄推动相应触头动作。定子柄推动触头的同时，也压缩反力弹簧，其

反作用阻止定子继续转动。当转子的转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力

弹簧的反作用力矩，定子返回原来位置，对应的触头恢复原始状态。调整反力弹

簧的拉力即可改变触头动作的转速。

一般速度继电器的动作转速为120r/min,

触头复位转速为100r/min以下。速度继电4w

器的文字符号如图4-1-39所示。常开、触点常闭触点

图4-1-39速度继电器文字符号

（十一）执行电器

1.电磁铁

电磁铁是一种通电以后对铁磁物质产生引力，把电磁能转换为机械能的电器。

在控制电路中，电磁铁主要应用于两个方面：一是用作控制元件，例如用电

磁铁控制摩擦制动器（电磁制动器）、用电磁铁控制液压阀（电磁阀）等；二是

用于电磁牵引工作台，它起着夹具的作用。

电磁铁由励磁线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈通电后产生磁场，吸合衔

铁，使与衔铁相连接的机械装置动作。线圈中通以直流电的称为直流电磁铁，通

以交流电的称为交流电磁铁。

直流电磁铁的线圈通直流电，产生恒定磁通，铁芯中没有磁滞损耗与涡流损

耗，只有线圈本身的铜损。因此，铁芯用电工纯铁或铸钢制成圆环形，线圈无骨

架。而交流电磁铁为减少交变磁场在铁芯中产生的涡流损耗和磁滞损耗，铁芯一

般采用硅钢片叠压后抑成，线圈有骨架，呈短粗形以增加散热面积。

（1）直流电磁铁的特点及应用

直流电磁铁的线圈电流与衔铁位置无关，但电磁吸力与气隙长度关系很大，

所以衔铁工作行程不能很大，由于线圈电感大，线圈断电时会产生过高的自感电

势，故使用时要采取措施消除自感电势（常在线圈两端并联一个二极管或电阻）。

直流电磁铁的工作可靠性高、动作平稳（吸合时间0.05—0.085）、允许

的切换频率较高（一般为120次/min,最高可达300次/min）,且冲击小、

体积小、寿命比交流电磁铁长，适用丁动作频繁、工作平稳可靠的执行机构。直

流电磁铁的缺点是需要直流电源，成本较高。常用的直流电磁铁有MZZIA31ZZZS

系列直流制动电磁铁和MWI>MwZ系列起重电磁铁。

（2）交流电磁铁的特点及应用

交流电磁铁启动力较大，无须专门电源，吸合快（动作时间0.01—0.

035）；但是，若电源电压下降15%以上，则吸力明显减小，若电磁铁不动作,

干式电磁铁会在10〜15min后烧坏线圈（湿式为1〜1.5h）,且冲击较大,

寿命低，因而实际使用中允许的切换频率一般为10次/min,不得超过30次

/mino交流电磁铁适用于操作不太频繁、行程较大和动作时间短的执行机构，

常用的交流电磁铁有MQZ系列牵引电磁铁、MZDI系列单和制动电磁铁和MZSI

系列三相制动电磁铁。

2.电磁离合器

电磁离合器是利用表面摩擦或电磁感应来传递两个转动体间转矩的执行电

器，由于能实现远距离操纵，控制能量小，便于实现机床自动化，同时动作快，

结构简单，故获得了广泛应用。常用的电磁离合器有摩擦片式电磁离合器、电磁

粉末离合器、电磁转差离合器等。图4-1-40所示是电磁多片摩擦离合器的结构

图。主动轴1与装有励磁线圈4、集流环5和一组可沿轴线方向移动的摩擦片

的磁扼7固连，从动轴9与上面装有另一组摩擦片的套筒固连，两组摩擦片相

间排列。在电磁离合器没有动作之前，主动轴由原动机带动旋转，从动轴则不转

动。当励磁线圈4通以电流后，电流经正电刷、集流环流人线圈，并由另一集

流环从负电刷返回电源，电磁吸力吸引盘形衔铁2克服复位弹簧3的阻力向右

运动，通过压块6使两组摩擦片压紧，主、从动轴处于接合状态，两者一起转

动。当电流切断时，磁力消失，依靠复位弹簧将衔铁推开，使两组摩擦片松开，

离合器处于分离状态。

1.主动轴2.衔铁3.复位弹费4.励磁线圈

5.集流环6.压块7.磁糖8.摩擦片组9.从动轴

图4-1-40电磁多片摩擦离合器结构图

电磁离合器除了用于传动外，也常用于制动。制动时，靠电磁离合器的作用

使主轴与电动机脱离，同时又将主轴压紧在机身上，从而使主轴迅速制动。调整

电磁离合器的励磁电流大小就可改变制动力的大小。

目前，国产的电磁多片摩擦离合器有DIM0—DIMS等系列产品，其工作频

率在20次/min以下。

第二节变压器

变压器是一种用于电能转换的电器设备，它可以把一种电压、电流的交流电

能转换成相同频率的另一种电压、电流的交流电能。变压器的功能主要有电压变

换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。

最基本的变压器，是以电感方式藕合在一起的两组绕有导线的线圈。当交流

电流（具有某一已知频率）流于其中一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有

相同频率的交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈藕合及磁交链的程度。连

接交流电源的线圈称为“一次线圈”（也称为初级线圈），跨于此线圈的电压称

为“一次电压”；同样的，另一组线圈称为“二次线圈”（也称为次级线圈），所

感应的电压为“二次电压”。二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，这

是由一次线圈与二次线圈间的“匝数比”所决定的。因此，变压器分为升压变压

器与降压变压器两种。

变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式

变压器、干式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、防雷变

压器、箱式变压器和箱式变电器等。

一、变压器的基本原理

变压器的工作原理如图4-2所示，当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两

端时，导线中就有交变电流II并产生交变磁通动①1,它沿着铁芯穿过初级线

圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2,同时中1也

会在初级线圈上感应出一个自感电势E1,E1的方向与所加电压U1方向相反而

幅度相近，从而限制了11的大小。为了保持磁通功,的存在就需要有一定的电

能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中

仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。

如果次级接上负载，次级线圈就产生电流人，并因此而产生磁通动①2,①2的

方向与中1相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使

初级自感电压Ei减少，其结果使几增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。

当次级负载电流加大时II增加，①1也增加，并且中1增加部分正好补充了被

①2所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损

耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电

功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改

变允许负载消耗的功率。

图4-2变压器工作原理

二、变压器的损耗

当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁芯流动，因为铁芯本身

也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁芯的断面上形

成闭合回路并产生电流，好像一个旋涡所以称为“涡流”。这个“涡流”使变压

器的损耗增加，并且使变压器的铁芯发热，变压渊的温升增加。由“涡流”所产

生的损耗我们称为“铁损”。另外要绕制变压器需要用大量的铜导线，这些铜导

线存在着电阻，电流流过时电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而

消耗，我们称这种损耗为“铜损”。所以变压器的温升主要是由铁损和铜损产生

的。

由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输人功率，为此

我们引人了一个效率的参数来对此进行描述，M二输出功率/输人功率。

三、变压器铭牌的主要技术参数

(1)额定容量：变压器长时间所能连续输出的最大功率。单位是KVAo

(2)额定电压：变压器长时间运行时所能承受的工作电压(铭牌值为中间分接

头的值)。单位是KV0

(3)额定电流：变压器在额定电压下允许长期通过的电流。单位是Ao

(4)容量比：变压落各侧额定容量之比(各侧的额定容量不一定相同)。

(5)电压比：变压器各侧额定电压之比。

(6)阻抗(或短路)电压(%)：把变压器二次绕组短路，在一次绕组上逐渐

压到二次绕组的短路电流达额定值时，一次绕组所施加的电压值。常用额定电压

的百分数来表示。

(7)短路损耗(即铜损)：把变压器二次绕组短路，在一次绕组通人额定电流

时变压器消耗的功率。单位是kWO

(8)空载损耗(即铁损)：变压器在额定电压下，二次空载(开路)时变压器

铁芯(励磁和涡流)所产生的损耗。单位是kW0

（9）空载电流（％）:变压器在额定电压下，二次空载（开路）时在一次绕组

通过的（励磁）电流。常用额定电流的百分数来表示。

（10）接线（或联结）组别：用于标明变压器各侧三相绕组的连接顺序、绕向和

极性以及各侧线电压相互关系的时钟表示方法。对高压绕组用符号Y（星形）、

D（三角形）、Z（曲折形）；中、低压侧用y、d