1.1　低壓電器概述

1.1.1　電器的定義和分類

電器就是根據外界施加的信號和要求，能手動或自動地斷開或接通電路，斷續或連續地改變電路參數，以實現對電或非電對象的切換、控制、檢測、保護、變換和調節的電氣元件或設備。電器的用途廣泛，功能多樣，種類繁多，構造各異，其分類方法有按工作電壓分和按用途分等幾種。本節主要介紹在電力拖動系統和自動控制系統中發揮重要作用的一些常用低壓電器，如接觸器、繼電器、行程開關、熔斷器等，介紹它們的工作原理、選用原則等內容，為學習和設計可編程控制器控制系統打下基礎。

低壓電器通常指工作在交流電壓1200V以下、直流電壓1500V以下的電器。采用電磁原理完成上述功能的低壓電器稱做電磁式低壓電器。

常用低壓電器的分類如圖1-1所示。

1.1.2　電磁式低壓電器的基本結構

電磁式低壓電器在電氣控制線路中使用量最大，其類型很多，但工作原理和構造基本相同。在最常用的低壓電器中，接觸器、中間繼電器、斷路器等就屬于電磁式低壓電器。就其結構而言，大都由三個主要部分組成，即電磁機構、觸頭、滅弧裝置。

（1）電磁機構

電磁機構是電磁式低壓電器的感測部件，它的作用是將電磁能量轉換成機械能量，帶動觸頭動作，使之閉合或斷開，實現電路的接通或分斷。

電磁機構由磁路和激磁線圈兩部分組成。磁路主要包括鐵芯、銜鐵和空氣隙。激磁線圈通以電流后激勵磁場，通過氣隙把電能轉換為機械能，帶動銜鐵運動，完成觸點的閉合或斷開。

如圖1-2所示，常用的磁路結構分為三種形式。圖1-2（a）所示為銜鐵沿棱角轉動的拍合式鐵芯，這種形式廣泛應用于直流電器中。圖1-2（b）所示為銜鐵沿軸轉動的拍合式鐵芯，其鐵芯形狀有“E”形和“U”形兩種，這種結構多用于觸點容量較大的交流電器中。圖1-2（c）所示為銜鐵直線運動的雙“E”形直動式鐵芯，它多用于交流接觸器、繼電器中。

激磁線圈的作用是將電能轉換成磁場能量。按通入激磁線圈電流種類的不同，分為直流線圈和交流線圈，與之對應的有直流電磁機構和交流電磁機構。

對于直流電磁機構，因其鐵芯不發熱，只有線圈發熱，所以直流電磁機構的鐵芯通常用整塊鋼材或工程純鐵制成，而且它的激磁線圈制成高而薄的瘦高型，且不設線圈骨架，使線圈與鐵芯直接接觸，易于散熱。

對于交流電磁機構，由于其鐵芯存在磁滯和渦流損耗，鐵芯和線圈都發熱。所以，通常交流電磁機構的鐵芯用硅鋼片疊鉚而成，激磁線圈設有骨架，使鐵芯與線圈隔離，并且將線圈制成短而厚的矮胖型，有利于鐵芯和線圈散熱。

（2）單相交流電磁機構短路環的作用

對于單相交流電磁機構，電磁吸力是一個兩倍于電源頻率的周期性變量。電磁機構在工作中，銜鐵始終受到反力Fr的作用。由于交流磁通過零時吸引力也為零，吸合后的銜鐵在反力Fr作用下被拉開。磁通過零后吸力增大，當吸力反力時，銜鐵又被吸合。這樣，在交流電的每個周期內，銜鐵吸力要兩次過零，如此周而復始，使銜鐵產生強烈的振動并發出噪聲，甚至使鐵芯松散。因此，必須采取有效措施予以克服。

具體辦法是在鐵芯端部開一個槽，槽內嵌入稱做短路環（或稱分磁環）的銅環，如圖1-3所示。短路環把鐵芯中的磁通分為兩部分，即不穿過短路環的Φ1和穿過短路環的Φ2。Φ2為原磁通與短路環中感生電流產生的磁通的疊加，且在相位上Φ2滯后Φ1，電磁機構的吸力F為它們產生的吸力F1、F2的合力，如圖1-4所示。此合力始終大于反力，所以銜鐵的振動和噪聲就消除了。

短路環通常包圍2/3的鐵芯截面，它一般用黃銅、康銅或鎳鉻合金等材料制成。它是一相無斷點的銅環，且沒有焊縫。

（3）觸頭

觸頭是一切有觸點電器的執行部件。這些電器通過觸頭的動作來接通或斷開被控制電路。觸頭通常由動、靜觸點組合而成。

①觸點的接觸形式　觸點的接觸形式有點接觸、線接觸和面接觸三種，如圖1-5所示。

在三種接觸形式中，點接觸形式的觸點只能用于小電流的電器中，如接觸器的輔助觸點和繼電器的觸點；面接觸形式的觸點允許通過較大的電流，一般在接觸表面上鑲有合金，以減小觸點電阻和提高耐磨性，多用于較大容量接觸器的主觸點；線接觸形式的觸點接觸區域是一條直線，其觸點在通斷過程中有滾動動作，如圖1-5（d）所示。開始接觸時，動、靜觸點在A點接觸，靠彈簧的壓力經B點滾到C點；斷開時做相反運動，以清除觸點表面的氧化膜。

②觸頭的結構形式　圖1-6所示為不同接觸形式的觸頭結構形式。圖（a）所示為采用點接觸的橋式觸頭，圖（b）所示為采用面接觸的橋式觸頭，圖（c）所示為采用線接觸的指形觸頭。

（4）滅弧系統

①電弧的產生　電弧的形成過程：當觸頭間剛出現斷口時，兩個觸頭間距離極小，電場強度極大，在高熱和強電場作用下，金屬內部的自由電子從陰極表面逸出，奔向陽極。這些自由電子在電場中運動時撞擊中性氣體分子，使之激勵和游離，產生正離子和電子。電子在強電場作用下繼續向陽極移動，并撞擊其他中性分子。因此，在觸頭間隙中產生了大量的帶電粒子，使氣體導電形成了熾熱的電子流，即電弧。電弧產生高溫并發出強光，將觸頭燒損，使電路的切斷時間延長，嚴重時會引起火災或其他事故，因此應采取滅弧措施。

②常用滅弧方法

a.電動力吹弧。電動力吹弧一般用于交流接觸器等交流電器。圖1-7所示是一種橋式結構雙斷口觸頭系統。雙斷口就是指在一個回路中有兩個產生和斷開電弧的間隙。當觸點打開時，在斷口中產生電弧。觸頭1和2在弧區內產生圖中所示的磁場，根據左手定則，電弧電流受到一個指向外側的力F的作用而向外運動，迅速離開觸點而熄滅。電弧的這種運動，一是使電弧本身被拉長；二是電弧穿越冷卻介質時受到較強的冷卻作用，這都有助于熄滅電弧。最主要的是在兩個斷口處的每一個電極近旁，在交流過零時都能出現150～250V介質絕緣強度。

b.磁吹式滅弧。這種滅弧的原理是使電弧處于磁場中間，電磁場力“吹”長電弧，使其進入冷卻裝置，加速電弧冷卻，促使電弧迅速熄滅。

圖1-8所示是磁吹式滅弧的原理圖，其磁場由與觸點電路串聯的吹弧線圈1產生。當電流逆時針流經吹弧線圈時，產生的磁通經鐵芯3和導磁夾板5引向觸點周圍。觸點周圍的磁通方向為由紙面流入，如圖中“×”符號所示。由左手定則可知，電弧在吹弧線圈磁場中受一個向上方向的力F的作用，電弧向上運動，被拉長并被吹入滅弧罩6。引弧角4和靜觸點8相連接，引導電弧向上運動，將熱量傳遞給滅弧罩壁，促使電弧熄滅。

這種滅弧裝置是利用電弧電流本身滅弧的，電弧電流越大，吹弧能力越強，且不受電路電流方向影響（當電流方向改變時，磁場方向隨之改變，電磁力方向不變）。它廣泛地應用于直流接觸器中。

c.滅弧柵。滅弧柵的原理如圖1-9所示。滅弧柵片1由鍍銅薄鋼片組成。滅弧柵由許多滅弧柵片組成，片間距離2～3mm，安放在觸點上方的滅弧罩內（圖中未畫出滅弧罩）。一旦產生電弧，電弧周圍產生磁場，導磁的鋼片將電弧吸入柵片，電弧被柵片分割成許多串聯的短電弧。交流電壓過零時，電弧自然熄滅。電弧要重燃，兩個柵片間必須有150～250V電弧壓降。這樣，一方面電源電壓不足以維持電弧；另一方面由于柵片的散熱作用，電弧自然熄滅后很難重燃。這是一種常用的交流滅弧裝置。

d.滅弧罩。上面提到的磁吹式滅弧和滅弧柵滅弧都帶有滅弧罩，它通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。其作用一是分隔各路電弧，防止發生短路；二是使電弧與滅弧罩的絕緣壁接觸，使電弧迅速冷卻而熄滅。