2.1 電器的功能、分類和工作原理

2.1.1 電器的功能

電器是一種能根據外界的信號（機械力、電動力和其他物理量）和要求，手動或自動地接通、斷開電路，以實現對電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測、變換和調節的元件或設備。

電器的控制作用就是手動/自動地接通或斷開電路，“通”稱為“開”，“斷”稱為“關”。因此，“開”和“關”是電器最基本和典型的功能。

2.1.2 電器的分類

1.按工作電壓等級分類

（1）高壓電器。用于交流電壓1200V、直流電壓1500V及以上電路中的電器，如高壓斷路器、高壓隔離開關、高壓熔斷器等。

（2）低壓電器。用于交流50Hz（或60Hz）額定電壓為1200V以下、直流額定電壓為1500V及以下的電路中的電器，如接觸器、繼電器等。

2.按動作原理分類

（1）手動電器。人手操作發出動作指令的電器，如刀開關，按鈕等。

（2）自動電器。產生電磁力而自動完成動作指令的電器，如接觸器、繼電器、電磁閥等。

3.按用途分類

（1）控制電器。用于各種控制電路和控制系統的電器，如接觸器、繼電器、電動機啟動器等。

（2）配電電器。用于電能的輸送和分配的電器，如高壓斷路器等。

（3）主令電器。用于自動控制系統中發送動作指令的電器，如按鈕、轉換開關等。

（4）保護電器。用于保護電路及用電設備的電器，如熔斷器、熱繼電器等。

（5）執行電器。用于完成某種動作或傳送功能的電器，如電磁鐵、電磁離合器等。

2.1.3 電磁式電器的工作原理

低壓電器中大部分為電磁式電器，各類電磁式電器的工作原理基本相同，由檢測部分（電磁機構）和執行部分（觸點系統）組成。

1.電磁機構

1）電磁機構的結構形式

電磁機構由線圈、鐵芯和銜鐵組成，其結構形式按銜鐵的運動方式可分為直動式和拍合式。圖2-1和圖2-2分別是直動式電磁機構和拍合式電磁機構的常用結構形式。

線圈的作用是將電能轉換為磁能，即產生磁通，銜鐵在電磁吸力作用下產生機械位移使鐵芯吸合。通入直流電的線圈稱為直流線圈，通入交流電的線圈稱為交流線圈。

直流線圈通電，鐵芯不會發熱，只有線圈發熱。因此，線圈與鐵芯接觸有利于散熱。線圈做成無骨架、高而薄的瘦高型，以改善線圈自身散熱。鐵芯和銜鐵由軟鋼或工程純鐵制成。

對于交流線圈，除了線圈發熱，由于鐵芯中有渦流和磁滯損耗，鐵芯也會發熱。為了改善線圈和鐵芯的散熱情況，在鐵芯與線圈之間留有散熱間隙，而且把線圈做成有骨架的矮胖型。鐵芯用硅鋼片疊成，以減少渦流。

另外，根據線圈在電路中的連接方式可分為串聯線圈（電流線圈）和并聯線圈（電壓線圈）。串聯（電流）線圈串接在電路中，流過的電流大，為減少對電路的影響，線圈的導線粗，匝數少，線圈的阻抗較小。并聯（電壓）線圈并聯在電路上，為減少分流作用，需要較大的阻抗，因此線圈的導線細且匝數多。

2）電磁機構的工作原理

電磁鐵工作時，線圈產生的磁通作用于銜鐵，產生電磁吸力，并使銜鐵產生機械位移；銜鐵復位時，復位彈簧將銜鐵拉回原位。

當線圈中有工作電流通過時，電磁吸力克服彈簧的反作用力，使得銜鐵與鐵芯閉合，由連接機構帶動相應的觸點動作。在交流電流產生的交變磁場中，為避免因磁通過零點而造成銜鐵的抖動，需要在交流電器鐵芯的端部開槽，嵌入一個銅制的短路環，使環內感應電流產生的磁通與環外磁通不同時過零點，使電磁吸力F總是大于彈簧的反作用力，因而可以消除交流鐵芯的抖動。

2.觸點系統

觸點是電磁式電器的執行元件，用來接通或斷開被控制電路。觸點的結構形式很多，按觸點控制的電路分類，可分為主觸點和輔助觸點。主觸點用于接通或斷開主電路，允許通過較大的電流；輔助觸點用于接通或斷開控制電路，只能通過較小的電流。

按觸點原始狀態分類，可分為常開觸點和常閉觸點：原始狀態時（線圈未通電）斷開，線圈通電后閉合的觸點稱為常開觸點；原始狀態閉合，線圈通電后斷開的觸點稱為常閉觸點（線圈斷電后所有觸點復原）。

按觸點結構形式分類，可分為橋式觸點和指式觸點，如圖2-3所示。

按觸點接觸形式分類，可分為點接觸、線接觸和面接觸3種，如圖2-4所示。

3.滅弧工作原理

在通電狀態下動、靜觸點脫離接觸時，由于電場的存在，使觸點表面的自由電子大量溢出而產生電弧。電弧的存在既燒損觸點金屬表面、降低電器的使用壽命，又延長了電路的分斷時間，因此必須迅速消除。

1）常用的滅弧方法

（1）迅速增大電弧長度。電弧長度增加，使觸點間隙增加，電場強度降低。同時又使散熱面積增大，降低電弧溫度，使自由電子和空穴復合的運動加強，因而電荷容易熄滅。

（2）冷卻。使電弧與冷卻介質接觸，帶走電弧產生的熱量，也可使復合運動得以加強，從而使電弧熄滅。

2）常用的滅弧裝置

（1）電動力滅弧裝置（見圖2-5）。雙斷點橋式觸點在分斷時具有電動力滅弧功能，不用任何附加裝置，便可使電弧迅速熄滅。這種滅弧方法多用于小容量交流接觸器中。

（2）磁吹滅弧裝置。利用永久磁鐵或電磁鐵產生的磁場對電流的作用力拉長電弧，或者利用氣流使電弧拉長和冷卻被熄滅。

（3）柵片滅弧裝置。用于滅弧的柵片是一組鍍銅薄鋼片，它們相互絕緣。電弧進入柵片后被分割成一段段串聯的短弧，而柵片就是這些短弧的電極。每兩個柵片之間都有150～250V的絕緣強度，使整個柵片的絕緣強度大大加強，以致外加電壓無法維持，電弧迅速熄滅。

由于柵片滅弧裝置在交流電下的滅弧效果比直流電下的滅弧效果強得多，因此在交流電器中常采用柵片滅弧，如圖2-6所示。