第1章　常用低压电器

1.1　低压电器常识

电器对电能的生产、输送、分配和使用，起控制、调节、检测、转换及保护作用，是所有电工器械的简称。我国现行标准将工作在交流50 Hz、额定电压1 200 V及以下和直流额定电压1 500 V及以下电路中的电器称为低压电器。低压电器种类繁多，它作为基本元器件已广泛用于发电厂、变电所、工矿企业、交通运输和国防工业等电力输配电系统和电力拖动控制系统中。随着科学技术的不断发展，低压电器将会沿着体积小、质量轻、安全可靠、使用方便及性价比高的方向发展。

1.1.1　分类

低压电器的品种、规格很多，作用、构造及工作原理各不相同，因而有多种分类方法。

1．按用途分

低压电器按它在电路中所处的地位和作用可分为控制电器和配电电器两大类：控制电器是指电动机完成生产机械要求的启动、调速、反转和停止所用的电器；配电电器是指正常或事故状态下接通或断开用电设备和供电电网所用的电器。

2．按动作方式分

低压电器按它的动作方式可分为自动切换电器和非自动切换电器两大类：前者是依靠本身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作；后者主要是用手直接操作来进行切换。

3．按有无触点分

低压电器按它有无触点可分为有触点电器和无触点电器两大类：有触点电器有动触点和静触点之分，利用触点的合与分来实现电路的通与断；无触点电器没有触点，主要利用晶体管的导通与截止来实现电路的通与断。

4．按工作原理分

低压电器按它的工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器两大类：电磁式电器由感受部分（即电磁机构）和执行部分（即触点系统）组成。它由电磁机构控制电器动作，即由感受部分接受外界输入信号，使执行部分动作，实现控制目的；非电量控制电器由非电磁力控制电器触点的动作。

1.1.2　型号表示法

国产常用低压电器的型号组成形式如下：

低压电器型号各部分必须使用规定的符号或数字表示，其含义如下。

类组代号：包括类别代号和组别代号，用汉语拼音字母表示，代表低压电器元件所属的类别以及在同一类电器中所属的组别。

设计代号：用数字表示，代表同类低压电器元件的不同设计序列。

系统派生代号：表示全系列产品的变化特征，用1～2个汉语拼音字母表示。

基本规格代号：用数字表示，代表同一系列产品中不同的规格品种。

品种派生代号：表示系列内个别品种的变化特征，用1～2个汉语拼音字母表示。

辅助规格代号：用字母或数字表示，代表同一系列、同一规格中的有某种区别的不同产品。

特殊环境条件派生代号：表示产品的环境适应特性，用汉语拼音字母表示。

低压电器型号中的类组代号与设计代号的组合代表产品的系列，一般称为电器的系列号。同一系列的电器元件的用途、工作原理和结构基本相同，而规格、容量则根据需要可以有许多种。例如：JR16是热继电器的系列号，同属这一系列的热继电器的结构、工作原理都相同，但其热元件的额定电流从几安培到几百安培，有十几种规格。其中辅助规格代号为3D的热继电器，表示有三相热元件，装有差动式断相保护装置，因此能对三相异步电动机有过载和断相保护功能。低压电器类组代号及派生代号的含义见表1-1和表1-2。

表1-1　低压电器产品型号类组代号

名称	刀开关和转换开关	熔断器	自动开关	控制器	接触器	启动器	控制继电器	主令电器	电阻器	变阻器	电压调整器	电磁铁	其他
代号	H	R	D	K	C	Q	J	L	Z	B	T	M	A
A						按钮式		按钮
B									板式元件				触电保护器
C		插入式			磁力式	电磁式			线状元件	旋臂式			插销
D	刀开关							漏电	带型元件		电压		灯具
E												阀用
G				鼓形	高压				管型元件
H	封闭式负荷开关	汇流排式											接线盒
J					交流	减压		接近开关
K	开启式负荷开关				真空			主令控制器
L		螺旋式					电流			励磁			电铃
M		封闭式	灭弧		灭磁
P				平面	中频		频率			频繁
Q										启动		牵引
R	熔断器式刀开关						热
S	转换开关	快速	快速		时间	手动	时间	主令开关	烧结元件	石墨
T		有填料管式		凸轮	通用		通用	脚踏开关	铸铁元件	启动调速
U						油浸		旋钮		油浸启动
W			框架式				温度	万能转换开关		液体启动		启动
X		限流	限流			星三角		行程开关	电阻器	滑线式
Y	其他	其他	其他	其他	其他	其他	其他	其他	其他	其他		液压
Z	组合开关	自复	塑料外壳式		直流	综合	中间					制动

表1-2　低压电器产品型号派生代号

派 生 字 母	含 义
A,B,C,D,…	结构设计稍有改进或变化
C	插入式
J	交流，放溅式
Z	直流，自动复位，防震，重任务，正向
W	无灭弧装置，无极性
N	可逆，逆向
S	有锁住机构，手动复位，防水式，三相，3个电源，双线圈
P	电磁复位，防滴式，单相，两个电源
K	开启式
H	保护式，带缓冲装置
M	密封式，灭磁，母线式
Q	防尘式，手车式
L	电流的
F	高返回，带分励脱扣
T	按（湿热带）临时措施制造（此项派生字母加注在全型号之后）
TH	湿热带型（此项派生字母加注在全型号之后）
TA	干热带型

1.1.3　主要技术数据

为保证电器设备安全可靠工作，国家对低压电器的设计、制造制定了严格的标准，合格的电器产品必须具有国家标准规定的技术要求。我们在使用电器元件时，必须按照产品说明书中规定的技术条件选用，低压电器的技术指标主要有以下几项。

1．额定电流

① 额定工作电流：在规定条件下，保证开关电器正常工作的电流值。

② 额定发热电流：在规定条件下，电器处于非封闭状态，开关电器在8 h工作制下，各部件温升不超过极限值时所能承载的最大电流值。

③ 额定封闭发热电流：在规定条件下，电器处于封闭状态，在所规定的最小外壳内，开关电器在8 h工作制下，各部件的温升不超过极限值时所能承载的最大电流值。

④ 额定持续电流：在规定的条件下，开关电器在长期工作制下，各部件的温升不超过规定极限值时所能承载的最大电流值。

2．额定电压

① 额定工作电压：在规定条件下，保证电器正常工作的电压值。

② 额定绝缘电压：在规定条件下，用来度量电器及其部件的绝缘强度、电气间隙和漏电距离的标称电压值。除非另有规定，一般为电器最大额定工作电压。

③ 额定脉冲耐受电压：反映电器在其所在系统发生最大过电压时所能耐受的能力。额定绝缘电压和额定脉冲耐受电压共同决定绝缘水平。

3．绝缘强度

指电器元件的触点处于分断状态时，动静触点之间耐受的电压值（无击穿或闪络现象）。

4．耐潮湿性能

指保证电器可靠工作的允许环境潮湿条件。

5．极限允许温升

电器的导电部件通过电流时将引起发热和温升。极限允许温升指为防止过度氧化和烧熔而规定的最高温升值（温升值＝测得实际温度−环境温度）。

6．操作频率及通电持续率

开关电器每小时内可能实现的最高操作循环次数称为操作频率。通电持续率是电器工作于断续周期工作制时负载时间与工作周期之比，通常以百分数表示。

7．机械寿命和电气寿命

机械开关电器在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作次数，称为机械寿命。在正常工作条件下，机械开关电器无需修理或更换零件的负载操作次数称为电气寿命。

对于有触点的电器，其触点在工作中除机械磨损外，尚有比机械磨损更为严重的电磨损。因而，电器的电气寿命一般小于其机械寿命。设计电器时，要求其电气寿命为机械寿命的20%～50%。

1.1.4　选择注意事项

低压电器品种规格较多，在选择时首先考虑安全原则，安全可靠是对任何电器的基本要求，保证电路和用电设备的可靠运行是正常生活与生产的前提。其次是经济性，即电器本身的经济价值和使用该电器产生的价值。另外，在选择低压电器时还应注意以下几点。

① 明确控制对象及其工作环境。

② 明确控制对象的额定电压、额定功率、操作特性、启动电流及工作方式等相关的技术数据。

③ 了解备选电器的正常工作条件，如环境温度、湿度、海拔高度、振动和防御有害气体等方面的能力。

④ 了解备选电器的主要技术性能，如额定电流、额定电压、通断能力和使用寿命等。

1.2　电磁机构及触点系统

低压电器一般都有两个基本部分，即感受部分和执行部分。感受部分感受外界信号，并做出反应。自控电器的感受部分大多由电磁机构组成；手动电器的感受部分通常为电器的操作手柄。执行部分根据控制指令，执行接通或断开电路的任务。下面简单介绍电磁式低压电器的电磁机构和触点系统。

1.2.1　电磁机构

电磁机构一般由线圈、铁芯及衔铁等几部分组成。按通过线圈的电流种类分有交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分有E形和U形两种；按衔铁的运动形式分有拍合式和直动式两大类，如图1-1所示。图1-1（a）所示为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，铁芯材料为电工软铁，主要用于直流电器中；图1-1（b）所示为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，主要用于触点容量大的交流电器中；图1-1（c）所示为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯，多用于中、小容量的交流电器中。

图1-1　常用的电磁机构
1—衔铁；　2—铁芯；　3—线圈

1．铁芯

交流电磁机构和直流电磁机构的铁芯（衔铁）有所不同，直流电磁机构的铁芯为整体结构，以增加磁导率和增强散热；交流电磁机构的铁芯采用硅钢片叠制而成，目的是减少铁芯中产生的涡流（涡流使铁芯发热）。此外，交流电磁机构的铁芯有短路环，以防止电流过零时电磁吸力不足使衔铁振动。

2．线圈

线圈是电磁机构的心脏，按接入线圈电源种类的不同，可分为直流线圈和交流线圈。根据励磁的需要，线圈可分串联和并联两种，前者称为电流线圈，后者称为电压线圈。从结构上看，线圈可分为有骨架和无骨架两种。交流电磁机构多为有骨架结构，主要用来散发铁芯中的磁滞和涡流损耗产生的热量，直流电磁机构的线圈多为无骨架的。

① 电流线圈：通常串接在主电路中，如图1-2所示。电流线圈常采用扁铜条带或粗铜线绕制，匝数少，电阻小。衔铁动作与否取决于线圈中电流的大小，衔铁动作不改变线圈中的电流大小。

图1-2　电流线圈

② 电压线圈：通常并联在电路中，如图1-3所示。电压线圈常采用细铜线绕制，匝数多，阻抗大，电流小，常用绝缘较好的电线绕制。

图1-3　电压线圈

③ 交流电磁铁的线圈：线圈形状做成矮胖形（考虑到铁芯中有磁滞损耗和涡流损耗，为便于散热之故）。

④ 直流电磁机构的线圈：线圈形状做成瘦长形。

3．工作原理

当线圈中有工作电流通过时，通电线圈产生磁场，于是电磁吸力克服弹簧的反作用力使衔铁与铁芯闭合，由连接机构带动相应的触点动作。

4．短路环的作用

交流电磁机构一般都有短路环，如图1-4所示，其作用是将磁通分相，使合成后的吸力在任一时刻都大于反力，消除振动和噪声。

图1-4　接触器短路环示意图
1—铁芯；　2—短路环

1.2.2　触点系统

触点是用来接通或断开电路的，其结构形式有很多种。下面介绍常见的几种分类方式。

1．按其接触形式分

触点按其接触形式分为点接触、线接触和面接触3种，如图1-5所示。图1-5（a）所示为点接触的桥式触点，图1-5（b）所示为面接触的桥式触点，图1-5（c）所示为线接触的指形触点。点接触允许通过的电流较小，常用于继电器电路或辅助触点；面接触和线接触允许通过的电流较大，常用于大电流的场合，如刀开关、接触器的主触点等。

图1-5　常见的触点结构

2．按控制的电路分

触点按控制的电路分为主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流。辅助触点用于接通或断开控制电路，只允许通过较小的电流。

3．按原始状态分

触点按原始状态分为常开触点和常闭触点。当线圈不带电时，动、静触点是分开的称为常开触点；当线圈不带电时，动、静触点是闭合的称为常闭触点。

1.2.3　电弧的产生与熄灭

1．电弧的产生

当动、静触点分开瞬间，两触点间距极小，电场强度极大，在高热及强电场的作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极，这些自由电子在电场中运动时撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子，这些电子在强电场作用下继续向阳极移动，同时撞击其他中性分子，因此，在触点间隙中产生了大量的带电粒子，使气体导电形成了炽热的电子流即电弧。电弧产生高温并有强光，可将触点烧损，并使电路的切断时间延长，严重时可引起事故或火灾。

2．电弧的分类

电弧分直流电弧和交流电弧，交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。

3．灭弧的方法

① 机械灭弧：通过机械将电弧迅速拉长，用于开关电路。

② 磁吹灭弧：在一个与触点串联的磁吹线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，电弧被冷却熄灭。

③ 窄缝灭弧：在电弧形成的磁场、电场力的作用下，将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝中，使其分成数段并迅速熄灭，如图1-6所示，该方式主要用于交流接触器中。

图1-6　窄缝灭弧室的断面

④ 栅片灭弧：当触点分开时，产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅片而被分成数段，彼此绝缘的金属片相当于电极，因而就有许多阴阳极压降，对交流电弧来说，在电弧过零时使电弧无法维持而熄灭，如图1-7所示，交流电器常用栅片灭弧。

图1-7　金属栅片灭弧示意图

1.3　接触器

接触器属于控制类电器，是一种适用于远距离频繁接通、分断交直流主电路和控制电路的自动控制电器。其主要控制对象是电动机，也可用于其他电力负载，如电热器、电焊机等。接触器具有欠压保护、零压保护、控制容量大、工作可靠、寿命长等优点，它是自动控制系统中应用最多的一种电器，其实物图如图1-8所示。

图1-8　接触器实物图

1.3.1　结构

接触器由电磁系统、触点系统、灭弧系统、释放弹簧及基座等几部分构成，如图1-9所示。电磁系统包括线圈、静铁芯和动铁芯（衔铁）；触点系统包括用于接通、切断主电路的主触点和用于控制电路的辅助触点；灭弧装置用于迅速切断主触点断开时产生的电弧（一个很大的电流），以免使主触点烧毛、熔焊，对于容量较大的交流接触器，常采用灭弧栅灭弧。

图1-9　CJ10-20型交流接触器的结构示意图及图形符号

1.3.2　工作原理

接触器的工作原理是利用电磁铁吸力及弹簧反作用力配合动作，使触点接通或断开。当吸引线圈通电时，铁芯被磁化，吸引衔铁向下运动，使得常闭触点断开，常开触点闭合；当线圈断电时，磁力消失，在反力弹簧的作用下，衔铁回到原来位置，也就使触点恢复到原来状态，如图1-10所示。

图1-10　交流接触器工作原理图

1.3.3　常用接触器

1．空气电磁式交流接触器

在接触器中，空气电磁式交流接触器应用最广泛，产品系列和品种最多，但其结构和工作原理相同，目前常用国产空气电磁式接触器有CJ0、CJ10、CJ12、CJ20、CJ21、CJ26、CJ29、CJ35、CJ40等系列交流接触器。

2．机械连锁交流接触器

机械连锁交流接触器实际上是由两个相同规格的交流接触器再加上机械连锁机构和电气连锁机构所组成的，保证在任何情况下两个接触器不能同时吸合。常用的机械连锁接触器有CJX1-N、CJX2-N、CJX4-N等，CJX1系列连锁接触器如图1-11所示。

图1-11　CJX1-32/22连锁接触器

3．切换电容接触器

切换电容接触器专用于低压无功补偿设备中，投入或切除电容器组，以调整电力系统功率因数。切换电容接触器在空气电磁式接触器的基础上加入了抑制浪涌的装置，使合闸时的浪涌电流对电容的冲击和分闸时的过电压得到抑制。常用的产品有CJ16、CJ19、CJ41、CJX4、CJX2A等，CJ16切换电容接触器如图1-12所示。

图1-12　CJ16切换电容接触器

4．真空交流接触器

真空交流接触器以真空为灭弧介质，其主触点密封在真空开关管内。真空开关管以真空作为绝缘和灭弧介质，当触点分离时，电弧只能由触点上蒸发出来的金属蒸气来维持。因为真空具有很高的绝缘强度且介质恢复速度很快，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，在第一次电压过零时电弧就能熄灭。常用的国产真空接触器有CKJ、NC9等系列，其实物图如图1-13所示。

图1-13　NC9真空交流接触器

5．直流接触器

直流接触器结构上有立体布置和平面布置两种结构，电磁系统多采用绕棱角转动的拍合式结构，主触点采用双断点桥式结构或单断点转动式结构。常用的直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22、CZ0等，CZ0实物图如图1-14所示。

图1-14　CZ0直流接触器

6．智能化接触器

智能化接触器内装有智能化电磁系统，并具有与数据总线和其他设备通信的功能，其本身还具有对运行工况自动识别、控制和执行的能力。智能化接触器由电磁接触器、智能控制模块、辅助触点组、机械连锁机构、报警模块、测量显示模块、通信接口模块等组成，它的核心是微处理器或单片机。

1.3.4　接触器的选用

选择接触器时应注意以下几点。

① 接触器主触点的额定电压大于等于负载额定电压。

② 接触器主触点的额定电流大于等于1.3倍负载额定电流。

③ 接触器线圈额定电压。当线路简单、使用电器较少时，可选用220 V或380 V；当线路复杂、使用电器较多或在不太安全的场所时，可选用36 V、110 V或127 V。

④ 接触器的触点数量、种类应满足控制线路要求。

⑤ 操作频率（每小时触点通断次数）。当通断电流较大且通断频率超过规定数值时，应选用额定电流大一级的接触器型号；否则会使触点严重发热，甚至熔焊在一起，造成电动机等负载缺相运行。

1.4　继电器

继电器是一种根据某种输入信号的变化而接通或断开控制电路实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触点的接通或断开。继电器一般不用来直接控制有较大电流的主电路，而是通过接触器或其他电器对主电路进行控制。因此，同接触器相比较，继电器的触点断流容量较小，一般不需灭弧装置，但对继电器动作的准确性则要求较高。

继电器的种类很多，按其用途可分为控制继电器、保护继电器、中间继电器；按动作时间可分为瞬时继电器、延时继电器；按输入信号的性质可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等；按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；按输出形式可分为有触点继电器、无触点继电器。下面介绍几种常用的继电器。

1.4.1　热继电器

电动机在实际运行中，常常遇到过载的情况。若过载电流不太大且过载时间较短，电动机绕组温升不超过允许值，这种过载是允许的。但若过载电流大且过载时间长，电动机绕组温升就会超过允许值，这将会加剧绕组绝缘的老化，缩短电动机的使用年限，严重时会使电动机绕组烧毁，这种过载是电动机不能承受的。因此，常用热继电器作为电动机的过载保护。

1．结构

热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成，其外形、结构及图形符号如图1-15所示。

图1-15　热继电器外形、结构及图形符号

2．工作原理

热继电器的工作原理如图1-16所示。图中热元件是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中。双金属片是由两种受热后有不同热膨胀系数的金属碾压而成的，其中下层金属的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量使双金属片中的下层金属的膨胀变长速度大于上层金属的膨胀速度，从而使双金属片向上弯曲。经过一定时间后，弯曲位移增大，使双金属片与扣扳分离（脱扣）。扣扳在弹簧的拉力作用下，将常闭触点断开。常闭触点是串接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。若要使热继电器复位，则按下复位按钮即可。热继电器就是利用电流的热效应原理，当电动机出现不能承受的过载时切断电动机电源电路，是为电动机提供过载保护的保护电器。

图1-16　热继电器的工作原理示意图

由于热惯性，当电路短路时，热继电器不能立即动作使电路立即断开。因此，在控制系统主电路中，热继电器只能用作电动机的过载保护，而不能起到短路保护的作用。在电动机启动或短时过载时，热继电器也不会动作，这可避免电动机不必要的停车。

3．选用

热继电器型号的选用应根据电动机的接法和工作环境决定。当定子绕组采用星形接法时，选择通用的热继电器即可；如果绕组为三角形接法，则应选用带断相保护装置的热继电器。在一般情况下，可选用两相结构的热继电器；在电网电压的均衡性较差、工作环境恶劣或维护较少的场所，可选用三相结构的热继电器。

4．整定

热继电器动作电流的整定主要根据电动机的额定电流来确定。热继电器的整定电流是指热继电器长期不动作的最大电流，超过此值即开始动作。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。一般过载电流是整定电流的1.2倍时，热继电器动作时间小于20 min；过载电流是整定电流的1.5倍时，动作时间小于2 min；过载电流是整定电流的6倍时，动作时间小于5 s。热继电器的整定电流通常与电动机的额定电流相等或是额定电流的0.95～1.05倍。如果电动机拖动的是冲击性负载或电动机的启动时间较长时，热继电器整定电流要比电动机额定电流高一些。但对于过载能力较差的电动机，则热继电器的整定电流应适当小些。

1.4.2　时间继电器

时间继电器是电路中控制动作时间的继电器，它是一种利用电磁原理或机械动作原理来实现触点延时接通或断开的控制电器。按其动作原理与构造的不同可分为电磁式、电动式、空气阻尼式和晶体管式等类型。

时间继电器有通电延时和断电延时两种类型。通电延时型时间继电器的动作原理是：线圈通电时使触点延时动作，线圈断电时使触点瞬时复位。断电延时型时间继电器的动作原理是：线圈通电时使触点瞬时动作，线圈断电时使触点延时复位。时间继电器的图形符号如图1-17所示，文字符号用KT表示。

图1-17　时间继电器的图形符号

1．空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器是利用空气的阻尼作用获得延时的。此类继电器结构简单，价格低廉，但是准确度低，延时误差大（±20%），因此在现代控制系统中已经很少使用。

2．电子式时间继电器

电子式时间继电器的种类很多，最基本的有延时吸合和延时释放两种，它们大多是利用电容的充放电原理来达到延时的目的。JS20系列电子式时间继电器具有延时长、线路简单、延时调节方便、性能稳定、延时误差小、触点容量较大等优点，其实物图如图1-18所示。

图1-18　电子式时间继电器

1.4.3　电磁式继电器

电磁式继电器是应用最早同时也是应用最多的一种继电器，其实物图如图1-19所示。

图1-19　电磁式继电器实物图

电磁式继电器由电磁机构和触点系统组成，如图1-20所示。铁芯和铁轭的作用是加强工作气隙内的磁场；衔铁的作用主要是实现电磁能与机械能的转化；极靴的作用是增大工作气隙的磁导；反作用力弹簧和簧片是用来提供反作用力。当线圈通电后，线圈的励磁电流就产生磁场，从而产生电磁吸力吸引衔铁。一旦磁力大于弹簧反作用力，衔铁就开始运动，并带动与之相连的触点向下移动，使动触点与其上面的动断触点分开，而与其下面的动合触点吸合。最后，衔铁被吸合在与极靴相接触的最终位置上。若在衔铁处于最终位置时切断线圈电源，磁场便逐渐消失，衔铁会在弹簧反作用力的作用下脱离极靴，并再次带动触点脱离动合触点，返回到初始位置。电磁式继电器的种类很多，如电压继电器、中间继电器、电流继电器、电磁式时间继电器和接触器式继电器都属于这一类。

图1-20　电磁式继电器机构图
1—静触点；2—动触点；3—簧片；4—衔铁；5—极靴； 6—空气气隙；7—反力弹簧；8—铁轭；9—线圈；10—铁芯

1．电磁式电压继电器

电磁式电压继电器的动作与线圈所加电压大小有关，使用时和负载并联。电压继电器的线圈匝数多、导线细、阻抗大。电压继电器又分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。

（1）过电压继电器。在电路中用于过电压保护，当其线圈为额定电压值时，衔铁不产生吸合动作，只有当电压高于额定电压105%～115%时才产生吸合动作，当电压降低到释放电压时，触点复位。

（2）欠电压继电器。在电路中用于欠电压保护，当其线圈在额定电压下工作时，欠电压继电器的衔铁处于吸合状态。如果电路出现电压降低，并且低于欠电压继电器线圈的释放电压时，其衔铁打开，触点复位，从而控制接触器及时切断电气设备的电源。

通常，欠电压继电器的吸合电压的整定范围是额定电压的30%～50%，释放电压的整定范围是额定电压的10%～35%。

2．电磁式电流继电器

电磁式电流继电器的动作与线圈通过的电流大小有关，使用时和负载串联。电流继电器的线圈匝数少、导线粗、阻抗小。电流继电器又分为欠电流继电器和过电流继电器。

（1）欠电流继电器。正常工作时，欠电流继电器的衔铁处于吸合状态。如果电路中负载电流过低，并且低于欠电流继电器线圈的释放电流时，其衔铁打开，触点复位，从而切断电气设备的电源。

通常，欠电流继电器的吸合电流为额定电流值的30%～65%，释放电流为额定电流值的10%～20%。

（2）过电流继电器。过电流继电器线圈在额定电流值时，衔铁不产生吸合动作，只有当负载电流超过一定值时才产生吸合动作。过电流继电器常用于电力拖动控制系统中起保护作用。

通常，交流过电流继电器的吸合电流整定范围为额定电流的1.1～4倍，直流过电流继电器的吸合电流整定范围为额定值的0.7～3.5倍。

1.5　熔断器

熔断器是一种结构简单、使用维护方便、体积小、价格便宜的保护电器，广泛用于照明电路中的过载和短路保护及电动机电路中的短路保护，其实物如图1-21所示。

图1-21　熔断器

熔断器由熔体（熔丝或熔片）和安装熔体的外壳两部分组成，起保护作用的是熔体，图形符号如图1-21（d）所示。低压熔断器按形状可分为管式、插入式、螺旋式和羊角保险式等；按结构可分为半封闭插入式、无填料封闭管式和有填料封闭管式等。

1．特点及用途

常用熔断器的特点及用途如表1-3所示。

表1-3　常用熔断器的特点及用途

名 称	类 别	特点、用途	主要技术数据
瓷插式 熔断器	RC1A	价格便宜，更换方便。广泛用于照明和小容量电动机短路保护	额定电流Ige从5～200 A分7种规格
螺旋式 熔断器	RL	熔丝周围的石英砂可熄灭电弧，熔断管上端红点随熔丝熔断而自动脱落。体积小，多用于机床电气设备中	RL1系列额定电流Ige有4种规格：15 A、60 A、100 A、200 A
无填料封闭管式熔断器	RM	在熔体中人为引入窄截面熔片，提高断流能力。用于低压电力网络和成套配电装置中的短路保护	RM-10系列额定电流Ige从15～1 000 A，分7种规格
有填料封闭管式熔断器	RTO	分断能力强，使用安全，特性稳定，有明显指示器。广泛用于短路电流较大的电力网或配电装置中	RTO系列额定电流Ige从50～1 000 A，分6种规格
快速熔断器	RLS	用于小容量硅整流元件的短路保护和某些过载保护	I=4ITe，0.2 s内熔断；I=6ITe，0.02 s内熔断
	RSO	用于大容量硅整流元件的保护	I= (4～6 )ITe，0.02 s内熔断
	RS3	用于晶闸管元件短路保护和某些适当过载保护

2．主要参数

低压熔断器的主要参数如下。

① 熔断器的额定电流I _ge表示熔断器的规格。

② 熔体的额定电流I _Te表示熔体在正常工作时不熔断的工作电流。

③ 熔体的熔断电流I _b表示使熔体开始熔断的电流，I _b>(1.3～2.1)I _Te。

④ 熔断器的断流能力I _d表示熔断器所能切断的最大电流。

如果线路电流大于熔断器的断流能力，熔丝熔断时电弧不能熄灭，可能引起爆炸或其他事故。低压熔断器的几个主要参数之间的关系为：I_d>I_b>I_ge≥I_Te。

3．选型

熔断器的选型主要是选择熔断器的形式、额定电流、额定电压以及熔体额定电流。 熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如表1-4所示。

表1-4　 熔体额定电流选择

负 载 性 质		熔体额定电流（ITe）
电炉和照明等电阻性负载		ITe≥IN（负载额定电流）
单台 电动机	线绕式电动机	ITe≥(1～1.25)IN
	笼型电动机	ITe≥(1.5～2.5)IN
	启动时启动长的某些笼型电动机	ITe≥3IN
	连续工作制直流电动机	ITe=IN
	反复短时工作制直流电动机	ITe=1.25IN
多台电动机		ITe≥(1.5～2.5)INmax+∑Ide（INmax为最大一台电动机额定电流，∑Ide为其他电动机额定电流之和）

4．注意事项

在安装、更换熔体时，一定要切断电源，将刀开关拉开，不要带电作业，以免触电。熔体烧坏后，应换上和原来同材料、同规格的熔体，千万不要随便加粗熔体，或用不易熔断的其他金属丝去替换。

1.6　开关电器

开关电器属于配电电器，用于电能的分配和小型电器设备的控制，被广泛应用于各类设备上。它包括刀开关、负荷开关、断路器和漏电保护开关等。

1.6.1　刀开关

刀开关又称闸刀开关，常用于手动控制、容量较小、启动不频繁的电器设备及隔离电源，其实物图如图1-22所示，常用的有瓷底式刀开关和封闭式负荷开关。

图1-22　各类刀开关和隔离开关

① 瓷底式刀开关：又称胶盖闸刀开关，是由刀开关和熔丝组合而成的一种电器，其内部结构如图1-23所示。刀开关作为手动不频繁地接通和分断电路用，熔丝作为保护用。刀开关结构简单，使用维修方便，价格便宜，在小容量电动机中得到广泛应用。

图1-23　HK2系列瓷底开启式负荷开关

② 封闭式负荷开关：负荷开关是刀开关上加装快速分断机构和简单的灭弧装置，以保证可靠分断电流。封闭式负荷开关又称铁壳开关，是由刀开关、熔断器、速断弹簧等组成的，并装在金属壳内，其结构如图1-24所示。开关采用侧面手柄操作，并设有机械连锁装置，使箱盖打开时不能合闸，合闸时箱盖不能打开，保证了用电安全。手柄与底座间的速断弹簧使开关通断动作迅速，灭弧性能好，因此可用于粉尘飞扬的场所。

图1-24　封闭式负荷开关

1.6.2　低压断路器

低压断路器（又称为自动开关）可用来分配电能、不频繁启动电动机、对供电线路及电动机等进行保护。用于正常情况下的接通和分断操作以及严重过载、短路及欠压等故障时的自动切断电路，在分断故障电流后，一般不需要更换零件，且具有较大的接通和分断能力，因而获得了广泛应用。低压断路器按用途分有配电（照明）、限流、灭磁、漏电保护等几种；按动作时间分有一般型和快速型；按结构分有框架式（万能式DW系列）和塑料外壳式（装置式DZ系列），其实物图如图1-25所示。

图1-25　各类断路器

1．结构

低压断路器主要由触点系统、灭弧装置、保护装置和操作机构等组成。低压断路器的触点系统一般由主触点、弧触点和辅助触点组成。灭弧装置采用栅片灭弧方法，灭弧栅一般由长短不同的钢片交叉组成，放置在是由绝缘材料组成的灭弧室内，构成低压断路器的灭弧装置。保护装置由各类脱扣器（过流、失电及热脱扣器等）构成，以实现短路、失压、过载等保护功能。低压断路器有较完善的保护装置，但构造复杂，价格较贵，维修麻烦。

2．工作原理

低压断路器的工作原理如图1-26所示。图中，低压断路器的3副主触点串联在被保护的三相主电路中，由于搭钩钩住弹簧，使主触点保持闭合状态。当线路正常工作时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力不能将它的衔铁吸合。当线路发生短路时，电磁脱扣器的吸力增加，将衔铁吸合，并撞击杠杆把搭钩顶上去，在弹簧的作用下切断主触点，实现了短路保护；当线路上电压下降或失去电压时，欠电压脱扣器的吸力减小或失去吸力，衔铁被弹簧拉开，撞击杠杆把搭钩顶开，切断主触点，实现了失压保护；当线路过载时，热脱扣器的双金属片受热弯曲，也把搭钩顶开，切断主触点，实现了过载保护。

图1-26　低压断路器工作原理图

3．常用低压断路器

目前，常用的低压断路器有塑壳式断路器和框架式断路器。塑壳式断路器是低压配电线路及电动机控制和保护中的一种常用的开关电器，其常用型号有DZ5和DZ10系列。DZ5-20表示额定电流为20 A的DZ5系列塑壳式低压断路器，如图1-27所示。框架式断路器常见型号有DW10、DW4、DW7等系列。目前在工厂、企业最常用的是DW10系列，它的额定电压为交流380 V、直流440 V，额定电流有200 A、400 A、600 A、1 000 A、1 500 A、2 500 A及4 000 A共7个等级。操作方式有直接手柄式杠杆操作、电磁铁操作和电动机操作等，其中2 500 A和4 000 A需要的操作力太大，所以只能用电动机来代替人工操作。DZ系列低压断路器的动作时间低于0.02 s，DW系列低压断路器的动作时间大于0.02 s。

图1-27　DZ5-20型低压断路器内部结构

4．选型

对于不频繁启动的笼型电动机，只要在电网允许范围内，都可首先考虑采用断路器直接启动，这样可以大大节约电能，还没有噪声。低压断路器的选型要求如下。

① 额定电压不小于安装地点电网的额定电压。

② 额定电流不小于长期通过的最大负荷电流。

③ 极数和结构形式应符合安装条件、保护性能及操作方式的要求。

1.6.3　漏电保护开关

漏电保护开关是一种最常用的漏电保护电器中其实物图如图1-28所示。它既能控制电路的通与断，又能保证其控制的线路或设备发生漏电或人身触电时迅速自动掉闸，切断电源，从而保证线路或设备的正常运行及人身安全。

图1-28　三相和单项漏电保护开关

1．结构

漏电保护开关由零序电流互感器、漏电脱扣器和开关装置3部分组成。零序电流互感器用于检测漏电电流；漏电脱扣器将检测到的漏电电流与一个预定基准值比较，从而判断漏电保护开关是否动作；开关装置通过漏电脱扣器的动作来控制被保护电路的闭合或分断。

2．保护原理

漏电保护开关的原理图如图1-29所示。正常情况下，漏电保护开关所控制的电路没有发生漏电和人身触电等接地故障时，I_相=I_零（I_相为相线上的电流，I_零为零线上的电流），故零序电流互感器的二次回路没有感应电流信号输出，也就是检测到的漏电电流为零，开关保持在闭合状态，线路正常供电。当电路中有人触电或设备发生漏电时，因为I_相=I_负+I_人，而I_零=I_负，所以，I_相>I_零，通过零序电流互感器铁芯的磁通φ_相−φ _零≠0，故零序电流互感器的次级线圈感生漏电信号，漏电信号输入到电子开关输入端，促使电子开关导通，磁力线圈通电产生吸力断开电源，完成人身触电或漏电保护。

图1-29　漏电保护开关原理图

3．技术参数

漏电保护开关的技术参数如下。

① 额定电压（V），规定为220 V或380 V。

② 额定电流（A），被保护电路允许通过的最大电流，即开关主触点允许通过的最大电流。

③ 额定动作电流（mA），漏电保护开关必须动作跳开时的漏电电流。

④ 额定不动作电流（mA），开关不应动作的漏电电流，一般为额定动作电流的一半。

⑤ 动作时间（s），从发生漏电到开关动作断开的时间，快速型在0.2 s以下，延时型一般为0.2～2 s。

⑥ 消耗功率（W），开关内部元件正常情况下所消耗的功率。

4．选型

漏电保护开关的选型主要根据其额定电压、额定电流以及额定动作电流和动作时间等几个主要参数来选择。选用漏电保护开关时，其额定电压应与电路工作电压相符。漏电保护开关额定电流必须大于电路最大工作电流。对于带有短路保护装置的漏电保护开关，其极限通断能力必须大于电路的短路电流。漏电动作电流及动作时间的选择可按线路泄漏电流大小选择，也可按分级保护方式选择。

在正常条件下，家庭用户的线路、临时接线板、电钻、吸尘器、电锯等均可安装漏电动作电流为30 mA、动作时间为0.1 s的漏电保护开关。在狭窄的危险场所使用220 V手持电动工具，或在发生人身触电后同时可能发生二次性伤害的地方（如在高空作业或在河岸边）使用电气工具，可安装漏电动作电流为15 mA、动作时间在0.1 s以内的漏电保护开关。

1.7　主令电器

主令电器主要用来接通、分断和切换控制电路，即用它来控制接触器、继电器等电器的线圈得电与失电，从而控制电力拖动系统的启动与停止以及改变系统的工作状态，如正转与反转等。由于它是一种专门发号施令的电器，故称为主令电器。主令电器应用广泛，种类繁多，常用的主令电器有按钮开关、位置开关、转换开关、凸轮控制器等。

1.7.1　按钮开关

按钮开关俗称按钮，是一种结构简单，应用广泛的主令电器，一般情况下它不直接控制主电路的通断，而在控制电路中发出手动“指令”去控制接触器、继电器等电器，再由它们去控制主电路，也可用来转换各种信号线路与电气连锁线路等。按钮开关的实物图和结构图如图1-30所示，其图形符号如图1-31所示，其文字符号为SB。

图1-30　按钮开关
1—按钮帽；2—复位弹簧；3—动触点；4—常开触点静触点；5—常闭触点静触点

图1-31　按钮开关的图形符号

常开（动合）按钮开关，未按下时，触点是断开的，按下时触点闭合接通；当松开后，按钮开关在复位弹簧的作用下复位断开。

常闭（动断）按钮开关与常开按钮开关相反，未按下时，触点是闭合的，按下时触点断开；当手松开后，按钮开关在复位弹簧的作用下复位闭合。

复合按钮开关是将常开与常闭按钮开关组合为一体的按钮开关。未按下时，常闭触点是闭合的，常开触点是断开的。按下时常闭触点首先断开，继而常开触点闭合；当松开后，按钮开关在复位弹簧的作用下，首先将常开触点断开，继而将常闭触点闭合。

按钮开关使用时应注意触点间的清洁，防止油污、杂质进入造成短路或接触不良等事故，在高温下使用的按钮开关应加紧固垫圈或在接线柱螺钉处加绝缘套管。带指示灯的按钮开关不宜长时间通电，应设法降低指示灯电压以延长其使用寿命。在工程实践中，绿色按钮开关常用作启动，红色按钮开关常用作停止按钮，不能弄反。

1.7.2　转换开关

转换开关（又称组合开关）用于换接电源或负载、测量三相电压和控制小型电动机正反转。转换开关由多节触点组成，手柄可手动向任意方向旋转，每旋转一定角度，动触片就接通或分断电路。由于采用了扭簧贮能，开关动作迅速，与操作速度无关。HZ10-10/3型转换开关的外形和内部结构如图1-32所示。

图1-32　HZ10-10/3型转换开关

1.7.3　位置开关

位置开关（又称限位开关或行程开关），其作用与按钮开关相同，是对控制电路发出接通或断开、信号转换等指令的。不同的是位置开关触点的动作不是靠手来完成，而是利用生产机械某些运动部件的碰撞使触点动作，从而接通或断开某些控制电路，达到一定的控制要求。为适应各种条件下的碰撞，位置开关有很多构造形式，用来限制机械运动的位置或行程以及使运动机械按一定行程自动停车、反转或变速、循环等，以实现自动控制的目的。常用的位置开关有LX-19系列和JLXK1系列。各种系列位置开关的基本结构相同，都是由操作点、触点系统和外壳组成，区别仅在于使位置开关动作的传动装置不同。位置开关一般有旋转式、按钮式等数种。常见位置开关外形如图1-33所示，其图形符号如图1-34所示，其文字符号为SQ。

图1-33　位置开关实物图

图1-34　位置开关图形符号

位置开关可按下列要求进行选用。

① 根据应用场合及控制对象选择种类。

② 根据安装环境选择防护形式。

③ 根据控制回路的额定电压和电流选择系列。

④ 根据机械位置开关的传力与位移关系选择合适的操作形式。

使用位置开关时安装位置要准确牢固，若在运动部件上安装，接线应有套管保护，使用时应定期检查防止接触不良或接线松脱造成误动作。

1.8　其他新型电器

前面介绍的低压电器为有触点的电器，利用其触点闭合与断开来接通或断开电路，以达到控制目的。随着开关速度的加快，依靠机械动作的电器触点有的难以满足控制要求；同时，有触点电器还存在着一些固有的缺点，如机械磨损、触点的电蚀损耗、触点分合时往往颤动而产生电弧等，因此，较容易损坏，开关动作不可靠。随着微电子技术、电力电子技术的不断发展，人们应用电子元件组成各种新型低压控制电器，可以克服有触点电器的一系列缺点。下面简单介绍几种较为常用的新型电子式无触点低压电器。

1.8.1　接近开关

接近开关又称无触点位置开关，其实物如图1-35所示。接近开关的用途除行程控制和限位保护外，还可作为检测金属体的存在、高速计数、测速、定位、变换运动方向、检测零件尺寸、液面控制及用作无触点按钮等。它具有工作可靠、寿命长、无噪声、动作灵敏、体积小、耐振、操作频率高和定位精度高等优点。

图1-35　接近开关

接近开关以高频振荡型最常用，它占全部接近开关产量的80%以上。电路形式多样，但电路结构不外乎由振荡、检测及晶体管输出等部分组成。它的工作基础是高频振荡电路状态的变化。

当金属物体进入以一定频率稳定振荡的线圈磁场时，由于该物体内部产生涡流损耗，使振荡回路电阻增大，能量损耗增加，以致振荡减弱直至终止。因此，在振荡电路后面接上放大电路与输出电路，就能检测出金属物体存在与否，并能给出相应的控制信号去控制继电器，以达到控制的目的。

使用接近开关时应注意选配合适的有触点继电器作为输出器，同时应注意温度对其定位精度的影响。

1.8.2　温度继电器

在温度自动控制或报警装置中，常采用带电触点的汞温度计或热敏电阻、热电偶等制成的各种形式的温度继电器，其实物图如图1-36所示。

图1-36　欧姆龙E5C温度继电器

图1-37所示为用热敏电阻作为感温元器件的温度继电器。晶体管VT1、VT2组成射极耦合双稳态电路。晶体管VT3之前串联接入稳压管VZ1，可提高反相器开始工作的输入电压值，使整个电路的开关特性更加良好。适当调整电位器RP2的电阻，可减小双稳态电路的回差。RT采用负温度系数的热敏电阻器，当温度超过极限值时，使A点电位上升到2～4 V，触发双稳态电路翻转。

图1-37　电子式温度继电器的原理图

电路的工作原理：当温度在极限值以下时，RT呈现很大电阻值，使A点电位在2 V以下，则VT1截止，VT2导通，VT2的集电极电位约为2 V，远低于稳压管VZ1 5 V～6.5 V的稳定电压值，VT3截止，继电器KA不吸合。当温度上升到超过极限值时，RT阻值减小，使A点电位上升到2～4 V，VT1立即导通，迫使VT2截止，VT2集电极电位上升，VZ1导通，VT3导通，KA吸合。该温度继电器可利用KA的常开或常闭（动合或动断）触点对加热设备进行温度控制，实现电动机的过热保护。此外，还可通过调整电位器RP1的阻值来实现对不同温度的控制。

1.8.3　固态继电器

固态继电器（SSR）是近年发展起来的一种新型电子继电器，具有开关速度快、工作频率高、质量轻、使用寿命长、噪声低和动作可靠等一系列优点，不仅在许多自动化装置中代替了常规电磁式继电器，而且广泛应用于数字程控装置、调温装置、数据处理系统及计算机I/O接口电路，其实物图如图1-38所示。

图1-38　三相和单相固态继电器

固态继电器按其负载类型分类，可分为直流型（DC）SSR和交流型（AC）SSR。常用的JGD系列多功能交流固态继电器工作原理如图1-39所示。当无信号输入时，光耦合器中的光敏晶体管截止，晶体管VT1饱和导通，晶闸管VT2截止，晶体管VT1经桥式整流电路引入的电流很小，不足以使双向晶闸管VT3导通。

图1-39　多功能交流固态继电器工作原理图

有信号输入时，光耦合器中的光敏晶体管导通，当交流负载电源电压接近零点时，电压值较低，经过VD1～VD4整流，R3和R4分压，不足以使晶体管VT1导通。而整流电压却经过R5为晶闸管VT2提供了触发电流，故VT2导通。这种状态相当于短路，电流很大，只要达到双向晶闸管VT3的导通值，VT3便导通。VT3一旦导通，不管输入信号存在与否，只有当电流过零才能恢复关断。电阻R7和电容C1组成浪涌抑制器。

JDG型多功能固态继电器按输出额定电流划分共有4种规格，即1 A、5 A、10 A、20 A，电压均为220 V，选择时应根据负载电流确定规格。

① 电阻型负载，如电阻丝负载，其冲击电流较小，按额定电流80%选用。

② 冷阻型负载，如冷光卤钨灯，电容负载等，浪涌电流比工作电流高几倍，一般按额定电流的50%～30%选用。

③ 电感性负载，其瞬变电压及电流均较高，额定电流要按冷阻性选用。

固态继电器用于控制直流电动机时，应在负载两端接入二极管，以阻断反电势。控制交流负载时，则必须估计过电压冲击的程度，并采取相应保护措施（如加装RC吸收电路或压敏电阻等）。当控制电感性负载时，固态继电器的两端还需加压敏电阻。

1.8.4　光电继电器

光电继电器如图1-40所示，是利用光电元件把光信号转换成电信号的光电器材，广泛用于计数、测量和控制等方面。光电继电器分亮通和暗通两种电路，亮通是指光电元件受到光照射时，继电器触点吸合；暗通是指光电元件无光照射时，继电器触点吸合。

图1-40　光电继电器

图1-41所示为JG-D型光电继电器电原理图。此电路属亮通电路，适合于自动控制系统中，指示工件是否存在或所在位置。继电器KA的动作电流大于1.9 mA，释放电流小于1.5 mA，发光头EL与接收头VT1的最大距离可达50 m。

图1-41　JG-D型光电继电器电原理图

工作原理：220 V交流电经变压器T降压、二极管VD1整流、电容器C滤波后作为继电器的直流电源。T的次级另一组6 V交流电源直接向发光头EL供电。晶体管VT2、VT3组成射级耦合双稳态触发器。在光线没有照射到接收头光敏晶体管VT1时，VT2基极处于低电位而导通，VT3截止，继电器KA不吸合。当光照射到VT1上时，VT2基极变为高电位而截止，VT3就导通，KA吸合，因此能准确地反应被测物是否到位。

光电继电器安装、使用时，应避免振动及阳光、灯光等其他光线的干扰，以免产生误动作及影响其精度。

1.8.5　电动机保护器

电动机保护器是以金属电阻电压效应原理来实现电动机的各种保护的，区别于热继电器的金属电阻热效应原理，也区别于穿芯式电流互感器磁效应原理，其实物图如图1-42所示。

图1-42　电动机保护器

其优点：①体积小，方便实现与热继电器互换；②不存在热继电器容易出现热疲劳及技术参数难以恢复到初始状态等问题，其保护参数稳定，重复性好，使用寿命长；③具有多种保护功能，如断相、过载、堵转、轴承磨损、过压、欠压等；④使用范围广，被广泛应用在石油、钢铁、冶金、纺织、化工、水泥、矿山等各行各业。

1.8.6　信号继电器

信号继电器是一种保护电器，其实物图如图1-43所示。一般作监控保护用，在高压配电柜二次保护回路上应用较多。例如，变压器油温度过高，则温度继电器常开触点闭合，由于这个触点串在信号继电器的线圈回路上，导致信号继电器线圈吸合，信号继电器动作，高压开关断开，卸掉该台变压器的负载，从而保护变压器。不过信号继电器也分很多种，有的直接就是蜂鸣或者闪光作为报警信号输出。

图1-43　信号继电器

1.8.7　其他电器

1．计数器

主要适用于交流50 Hz（60 Hz），额定工作电压380 V及以下或直流额定工作电压24 V的控制电路中作计数元件，按预置的数字接通和分断电路，如图1-44所示。计数信号输入方式：触点信号输入计数；电平信号输入计数（5～30 V）；传感器信号输入计数。

图1-44　计数器

2．交直流电流继电器

交直流电流继电器其特点是交直流通用，是一种过电流瞬时动作的电磁式继电器，用于工频交流380 V以下及直流440 V以下、电流小于1 200 A的一次回路中，作为电力系统中的过电流保护元件，其实物图如图1-45所示。

图1-45　交直流继电器

3．电脑时控开关

适用于在交流50 Hz、电压220 V作延池定时元件。可按预定的时间接通或断开各种控制电路的电源，适用于路灯、霓虹灯、广告招牌灯、广播电视设备以及各种家用电器，其实物如图1-46所示。时控开关采用8位微处理器，直接封装在PCB板上，具有LCD显示、大功率继电器输出、后备电源时钟等。

图1-46　电脑时控开关

4．电流—时间转换器

电流—时间转换器可以取代一个电流继电器或一个时间继电器，其实物图如图1-47所示，本装置主要用于交流电动机降压启动（如-△启动、电阻降压启动、自耦变压器降压启动、电抗器降压启动等）过程中，根据启动电流或启动时间进行自动控制的转换装置，也可用于间断周期性工作时的笼型电动机的堵转保护，还可单独作为电流继电器或时间继电器使用。

图1-47　电流—时间转换器

5．断相与相序保护继电器

断相与相序保护继电器用于三相交流电动机的断相保护及供电线路的相序保护，该电器适用范围广、使用方便，其实物图如图1-48所示。

图1-48　断相与相序保护继电器

6．电子式液位继电器

电子式液位继电器用于水塔水位自动控制，其实物图如图1-49所示。通常液位继电器需要连接3个探针，其中1个探针放置于参考位置（最低位），另外2个探针分别放置于高水位和低水位，其输出为继电器节点输出。

图1-49　电子式液位继电器

随着技术的进步，新型电器的种类将不断增加，功能不断完善，可靠性不断提高，以满足自动控制的各种要求。

1.9　电动机

1.9.1　三相异步电动机

三相异步交流电动机的应用很广，占到用电设备的75%以上，下面介绍三相异步电动机的结构、工作原理等方面的知识。

1．结构

三相异步电动机分为两个基本部分：定子（固定部分）和转子（旋转部分），如图1-50所示。

图1-50　三相异步电动机的构造

（1）定子。三相异步电动机定子由机座（铸铁或铸钢制成）、圆筒形铁芯（由互相绝缘的硅钢片叠成）以及嵌放在铁芯内的三相对称定子绕组（接成星形或三角形）组成。

（2）转子。根据构造上的不同，三相异步电动机的转子分为两种类型：笼型和绕线型。

① 笼型的转子绕组做成鼠笼状，就是在转子铁芯的槽中嵌入铜条，其两端用端环连接，或者在槽中浇铸铝液，其外形像一个鼠笼，如图1-51所示。由于构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便，笼型电动机被广泛应用。

图1-51　笼型转子

② 绕线转子异步电动机的构造如图1-52所示，它的转子绕组同定子绕组一样，也是三相的，一般连成星形。每相的始端连接在3个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上，在环上用弹簧压着碳质电刷。启动电阻和调速电阻是借助于电刷同滑环和转子绕组连接的。

图1-52　绕线转子异步电动机的构造

2．工作原理

三相异步电动机转动原理如下：三相交流电通入定子绕组，产生旋转磁场。磁力线切割转子导条使导条两端出现感应电动势，闭合的导条中便有感应电流流过。在感应电流与旋转磁场相互作用下，转子导条受到电磁力并形成电磁转矩，从而使转子转动。

（1）旋转磁场产生。三相对称交流电流的相序（即电流出现正幅值的顺序）为U→V→W。不同时刻，三相电流正负不同，也就是三相电流的实际方向不同。在某一时刻，将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。不同时刻合成磁场的方向也不同，如图1-53所示。

图1-53　三相电流产生的旋转磁场（p=1）

由图1-53可知，当定子绕组中通入三相交流电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着的，这就是旋转磁场。

（2）转动原理。三相异步电动机转子转动原理示意图如图1-54所示。图中N、S表示由通入定子的三相交流电产生的两极旋转磁场。转子中只表示出分别靠近N极和S极的两根导条（铜或铝）。当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势，闭合的导条中就有感应电流。感应电流的方向可以根据右手定则来判断，判断的结果如图1-54所示。导条中的感应电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力F。电磁力的方向可以由左手定则确定。靠近N极和S极的两根导条产生的电磁力形成电磁转矩，使转子转动起来。

图1-54　转子转动原理示意图

3．转向与转速

（1）电动机正反转。当通入电动机定子绕组的三相电流相序为U→V→W时，三相电流产生的旋转磁场是顺时针方向旋转。这时由图1-53可知，转子转动方向也是顺时针方向。由上面分析可知，电动机的转子转动方向和磁场旋转的方向是相同的，而磁场的旋转方向与通入定子绕组的三相电流相序有关。当通入电动机定子绕组的三相电流相序变为U→W→V时，三相电流产生的旋转磁场将从原来顺时针方向（正转）变为逆时针方向旋转（反转），如图1-55所示。电动机的转子转动方向也跟着变为逆时针方向（反转）。

图1-55　旋转磁场的反转

所以，要使电动机反转，只要将三相电源的任意两相对调，即改变通入定子绕组的三相电流的相序，电动机就改变转动方向。

（2）电动机转速。三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又取决于磁场的极数，旋转磁场的极数与定子绕组的安排有关。

① 旋转磁场转速n ₀。当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为

n ₀=60f ₁/p (r/min)

因此，旋转磁场的转速n ₀决定于电动机电源频率f ₁和磁场的极对数p。对于某一异步电动机来说，f ₁和p通常是一定的，所以磁场转速n ₀是个常数，常称为同步转速。

旋转磁场极对数p决定于三相绕组的安排情况。如果每个绕组有一个线圈，那么3个绕组的始端之间相差120°空间角，则产生的旋转磁场具有一对极（即p=1），如图1-53所示。如果每个绕组有两个线圈串联，如图1-56所示，那么3个绕组的始端之间相差60°空间角，则产生的旋转磁场具有两对极（即p=2），如图1-57所示。

图1-56　产生四极旋转磁场的定子绕组

图1-57　三相交流电流产生的旋转磁场（p=2）

② 电动机转速。即转子转速n，如图1-54所示，电动机转速n与旋转磁场转速n ₀之间必须要有差别，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。这样，转子就不可能继续以n的转速转动。这就是异步电动机名称的由来。

③ 转差率s。转子转速n与旋转磁场转速n₀相差的程度用转差率s来表示，即

s=(n_0-n)/n₀

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。转子转速越接近旋转磁场转速，则转差率越小。由于三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以它的转差率很小，通常异步电动机在额定负载时的转差率为1%～9%。当n=0时（启动初始瞬间），s=1，这时转差率最大。

4．铭牌数据

三相异步电动机铭牌数据的意义如下。

（1）型号。为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用各种型号表示。型号说明如下：

三相异步电动机机座长度代号表示为：S—短机座；M—中机座；L—长机座。

（2）电压。铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压有效值。一般规定电动机的工作电压不应高于或低于额定值的5%。

（3）电流。铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流有效值。

（4）功率与效率。铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值。一般笼型电动机在额定运行时的效率为72%～93%，在额定功率的75%左右运行时效率最高。

（5）功率因数。三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时为0.7～0.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.2～0.3。因此，必须正确选择电动机的容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载的时间。

（6）温升与绝缘等级。温升是指电动机在运行时，其温度高出环境的温度，即电动机温度与周围环境温度之差。一般规定环境温度为40℃，若电动机的允许温升为75℃，则在运行时，电动机的温度不能超过115℃。电动机的允许温升取决于电动机的绝缘材料的耐热性能，即绝缘等级。

（7）接法。接法是指定子三相绕组（U1U2、V1V2、W1W2）的接法。如果U1、V1、W1分别为三相绕组的始端（头），则U2、V2、W2是相应的末端（尾）。笼型电动机的接线盒中有三相绕组的6个引出线端，连接方法有星形（）连接和三角形（△）连接两种，如图1-58所示。通常3kW以下的三相异步电动机连成星形，4kW及以上的连成三角形。

图1-58　定子绕组的星形（）连接和三角形（△）连接

1.9.2　单相电动机

1．结构

单相电动机一般是指用单相交流电源（AC 220V）供电的小功率单相异步电动机。一般单相异步电动机的转子都采用鼠笼型转子，它的定子都有一套工作绕组，称为主绕组，还有一套辅助绕组，称为副绕组或启动绕组，其外形和结构如图1-59所示。

图1-59　单相异步电动机

2．工作原理

当单相正弦交流电通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间按正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个转速相同、旋转方向相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样就打破了平衡，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。

因此，要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中增加一个启动绕组，启动绕组与主绕组在空间上相差90°，并在启动绕组上串接一个适当的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差 90°，即所谓的分相原理。这样在时间上相差90°的两个电流分别通入在空间上相差90°的两个绕组，就会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动启动，启动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将启动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作，因此，启动绕组可以做成短时工作方式。但很多时候，启动绕组并不断开，这种电动机称为单相电动机，要改变这种电机的转向，只要把辅助绕组的接线端调换一下即可。

通常根据电动机的启动和运行方式的特点，将单相异步电动机分为单相电阻启动异步电动机、单相电容启动异步电动机、单相电容运转异步电动机、单相电容启动和运转异步电动机、单相罩极式异步电动机5种。

1.9.3　直流电机

直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流发电机将机械能转换为电能，直流电动机将电能转换为机械能。直流电动机虽然比三相异步电动机的结构复杂，维护也不方便，但是由于它的调速性能好、启动转矩较大，因此，常用于对调速要求较高的生产机械（如龙门刨床、镗床、轧钢机等）或需要较大启动转矩的生产机械（如起重机械和电力牵引设备等）。直流电动机按励磁方式分为并励电动机、串励电动机、复励电动机和他励电动机4种。下面介绍直流电动机的有关知识。

1．构造

直流电动机主要由磁极、电枢和换向器组成，如图1-60所示。

图1-60　直流电动机的组成示意图

（1）磁极。直流电动机的磁极如图1-61所示，是用硅钢片叠成的，固定在机座（即电动机外壳）上，是磁路的一部分，它分成极芯和极掌两部分。极芯上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组。机座也是磁路的一部分，通常用铸钢制成。

图1-61　直流电动机的磁极及磁路

（2）电枢。直流电动机的电枢是旋转的，是电动机中产生感应电动势的部分。电枢铁芯呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。电枢和电枢铁芯片示意图如图1-62所示。

图1-62　电枢和电枢铁芯片示意图

（3）换向器。换向器是直流电动机的构造特征，装在电动机转轴上，如图1-63所示。换向器由锲形换向铜片组成，铜片间用云母（或塑料）垫片绝缘。换向铜片放在套筒上，用压圈固定，压圈本身又用螺母固紧。电枢绕组的导线按一定规则与换向片相连接。换向器的凸出部分是焊接电枢绕组的。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来。

图1-63　直流电动机换向器示意图

2．基本工作原理

为了讨论直流电动机的工作原理，现把复杂的直流电动机简化为图1-64所示的工作原理图。电动机具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。

图1-64　直流电动机工作原理图

直流电机作电动机运行时，将直流电源接在两电刷之间，电流方向为：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向由于换向片而同时改变，而电磁力的方向不变，因此，电动机就连续运行。

思考题

1．什么是低压电器？按用途如何分类？其主要的技术参数有哪些？

2．低压电器的电磁机构由哪几部分组成？

3．触点的形式有哪几种？灭弧的形式主要有哪几种？

4．低压熔断器有哪几种类型？试写出各种熔断器的型号。

5．简单说明接触器的组成及工作原理。

6．交流接触器线圈过热的原因有哪些？

7．电流继电器与电压继电器有什么区别？

8．为什么热继电器只能作过载保护，而不能作短路保护？

9．接近开关适用什么场合？有什么优点?

10．叙述热继电器的工作原理、用途和特点。

11．常用的继电器有哪些？

12．固态继电器适用什么场合？有什么优点？

13．无触点电器有何优点？电气控制系统中常用的有哪些？

14．叙述时间继电器的工作原理、用途和特点。

15．三相异步电动机的工作原理是什么？

16．一台三相异步电动机铭牌上写明，额定电压为380 V/220 V，定子绕组接法为/△，试回答以下问题。

（1）使用时，如果将定子绕组接成三角形，接于380 V的三相电源上，能否空载或带载运行，会发生什么现象？为什么？

（2）使用时，如果将定子绕组接成星形，接于220 V的三相电源上，能否空载运行或带额定负载运行，会发生什么现象？为什么？

17．三相异步电动机一相断电为什么转动不起来？原来运转的三相异步电动机一相断电为什么转速变慢？电动机若带额定负载继续运行将会产生什么问题？

18．简述单相异步电动机的工作原理，如何实现单相异步电动机的反转？