第1篇 基礎知識

第1章 低壓電器基礎知識

論題1 低壓電器概述

電能的應用越來越廣泛。為了安全、可靠地使用電能，電路中必須裝有各種起調節、分配、控制和保護作用的電氣設備，這些電氣設備統稱為電器。電器可分為高壓電器和低壓電器兩大類。我國的現行標準是將工作電壓在交流1200V以下、直流1500V以下的電氣線路中的電氣設備稱為低壓電器。

1. 低壓電器的分類

低壓電器的種類繁多，按其結構、用途及所控制的對象的不同，分類方法也不同。以下介紹3種分類方法。

1）按用途和控制對象分 按用途和控制對象的不同，低壓電器可分為配電電器和控制電器。

（1）用于低壓電力網的配電電器：這類電器包括刀開關、轉換開關、空氣斷路器和熔斷器等。對配電電器的主要技術要求是斷流能力強，限流效果好，在系統發生故障時保護動作準確，工作可靠，有足夠的熱穩定性和動穩定性。

（2）用于電力拖動及自動控制系統的控制電器：這類電器包括接觸器、起動器和各種控制繼電器等。對控制電器的主要技術要求是操作頻率高，壽命長，有相應的轉換能力。

2）按操作方式分 按操作方式的不同，低壓電器可分為自動電器和手動電器。

（1）自動電器：通過電磁（或壓縮空氣）做功來完成接通、分斷、起動、反向或停止等動作的電器稱為自動電器。常用的自動電器有接觸器、繼電器等。

（2）手動電器：通過人力做功來完成接通、分斷、起動、反向或停止等動作的電器稱為手動電器。常用的手動電器有刀開關、轉換開關和主令電器等。

3）按工作原理分 按工作原理的不同，低壓電器可分為電磁式電器和非電量控制電器。

（1）電磁式電器是依據電磁感應原理來工作的電器，如接觸器、各類電磁式繼電器等。

（2）非電量控制電器是靠外力或某種非電物理量的變化而動作的電器，如行程開關、速度繼電器等。

另外，低壓電器按工作條件還可分為一般工業電器、船用電器、化工電器、礦用電器、牽引電器及航空電器等。對應于不同類型低壓電器的防護型式，對其耐潮濕、耐腐蝕、抗沖擊等性能的要求是不同的。

2. 低壓電器的基本結構

電磁式低壓電器大都由兩個主要部分組成，即感測部分（電磁機構）和執行部分（觸頭系統）。

1）電磁機構 電磁機構的主要作用是將電磁能量轉換成機械能量，帶動觸頭動作，從而接通或分斷電路。

電磁機構由吸引線圈、鐵心和銜鐵3個基本部分組成。常用的電磁機構可分為3 種形式，如圖1-1所示。

圖1-1 常見的電磁機構示意圖

（1）銜鐵沿棱角轉動的拍合式鐵心，如圖1-1（a）所示。這種形式廣泛應用于直流電器中。

（2）銜鐵沿軸轉動的拍合式鐵心，如圖1-1（b）所示。其鐵心形狀有“E”形和“U”形兩種。此種結構多用于觸點容量較大的交流電器中。

（3）銜鐵沿直線運動的雙“E”形直動式鐵心，如圖1-1（c）所示。此種結構多用于交流接觸器、繼電器中。

① 直流電磁鐵和交流電磁鐵：按吸引線圈所通電流性質的不同，電磁鐵可分為直流電磁鐵和交流電磁鐵。

直流電磁鐵通入的是直流電，其鐵心不發熱，只有線圈發熱，因此線圈與鐵心接觸有利于散熱。線圈制成無骨架、高而薄的瘦高型，可以改善線圈自身的散熱。鐵心和銜鐵由軟鋼和工程純鐵制成。

交流電磁鐵通入的是交流電，鐵心中存在磁滯損耗和渦流損耗，這樣會使線圈和鐵心都發熱，因此交流電磁鐵的吸引線圈設有骨架，使鐵心與線圈隔離，并將線圈制成短而厚的矮胖型，這樣有利于鐵心和線圈的散熱。鐵心用硅鋼片疊壓而成，以減小渦流損耗。

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。銜鐵在復位彈簧的作用下復位。因此，作用在銜鐵上的力有兩個，即電磁吸力與反力。電磁吸力由電磁機構產生，反力則由復位彈簧和觸頭彈簧產生。鐵心吸合時，要求電磁吸力大于反力，即銜鐵位移的方向與電磁吸力方向相同；而銜鐵復位時，要求反力大于電磁吸力。直流電磁鐵的電磁吸力表達式為

式中，F為電磁吸力（單位為N）；B為氣隙磁感應強度（單位為T）；S為磁極截面積（單位為m2）。

由式（1-1）可知，當線圈中通以直流電時，B不變，F為恒值；當線圈中通以交流電時，磁感應強度為

由式（1-1）和式（1-2）可得：

由式（1-3）可知，交流電磁鐵的電磁吸力在0（最小值）～ Fm（最大值）之間變化，其吸力曲線如圖1-2所示。在一個周期內，當電磁吸力的瞬時值大于反力時，鐵心吸合；當電磁吸力的瞬時值小于反力時，鐵心釋放。當電源電壓變化一個周期時，電磁鐵吸合兩次、釋放兩次，使電磁機構產生劇烈的振動和噪聲，因而不能正常工作。

② 短路環的作用：為了消除交流電磁鐵產生的振動和噪聲，可在鐵心的端面開一個小槽，在槽內嵌入銅制短路環，如圖1-3所示。加上短路環后，磁通被分成大小相近、相位相差約90°的兩相磁通Φ1 和Φ2，使兩相磁通不會同時為零。由于電磁吸力與磁通的平方成正比，因此由兩相磁通產生的合成電磁吸力較為平坦，在電磁鐵通電期間電磁吸力始終大于反力，使鐵心牢牢吸合，從而消除振動和噪聲。

2）觸頭系統 觸頭是電器的執行部分，起接通和分斷電路的作用。觸頭通常用銅材料制成。由于銅制觸頭表面易產生氧化膜，使觸頭的接觸電阻增大，從而使觸頭的損耗也增大，因此有些小容量電器的觸頭采用銀制材料來減小接觸電阻。

觸頭主要有兩種結構形式，即橋式觸頭和指形觸頭，如圖1-4所示。

橋式觸頭（見圖1-4（a）和（b））的兩個觸頭串聯于同一條電路中，電路的通/斷由兩個觸頭共同完成。橋式觸頭多為面接觸，常用于大容量電器中。

指形觸頭（見圖1-4（c））的接觸區為一直線，觸頭接通或分斷時將產生滾動摩擦，以利于去掉氧化膜，同時也可緩沖觸頭閉合時的撞擊能量，改善觸頭的電氣性能。

為了使觸頭接觸得更加緊密，以減小接觸電阻，并消除開始接觸時產生的振動，可在觸頭上安裝接觸彈簧。

3. 滅弧系統

在大氣中分斷電路時，由于電場的存在，觸頭表面的大量電子溢出會產生電弧。電弧一經產生，就會產生大量熱能。電弧的存在既燒蝕了觸頭的金屬表面，降低了電器的使用壽命，又延長了電路的分斷時間，所以必須迅速把電弧熄滅。

為使電弧熄滅，可采用將電弧拉長、使弧柱冷卻、把電弧分成若干短弧等方法。滅弧裝置就是基于這些原理來設計的。

1）電動力滅弧 圖1-5所示的是一種橋式結構雙斷口觸頭系統。當觸頭分斷時，在斷口處將產生電弧。電弧電流在兩個電弧之間產生如圖1-5所示的磁場。根據左手定則，電弧電流要受到一個指向外側的電動力F的作用，使電弧向外運動并拉長，同時也使電弧溫度降低，有助于熄滅電弧。

該滅弧裝置是利用電弧電流本身滅弧的，因而電弧電流越大，吹弧能力也越強。它廣泛應用于直流接觸器中。

2）磁吹滅弧 磁吹滅弧示意圖如圖1-6所示。在觸頭電路中串入一個磁吹線圈，該線圈產生的磁通經過導磁夾板引向觸頭周圍。由圖可見，在弧柱下方，兩個磁通是相加的，而在弧柱上方是彼此相減的，因此在下強上弱的磁場作用下，電弧被拉長并吹入滅弧罩中。引弧角與靜觸頭相連接，其作用是引導電弧向上運動，將熱量傳遞給罩壁，使電弧冷卻熄滅。

該滅弧裝置是利用電弧電流本身滅弧的，因而電弧電流越大，吹弧能力也越強。它廣泛應用于直流接觸器中。

3）金屬柵片滅弧 圖1-7所示為金屬柵片滅弧裝置示意圖。滅弧柵是由多片鍍銅薄鋼片（稱為柵片）組成的，它們安放在電器觸頭上方的滅弧柵內，彼此之間互相絕緣。當電器的觸頭分離時，所產生的電弧在吹磁電動力作用下被推向滅弧柵內。當電弧進入柵片后，被分割成一段段串聯的短弧，而柵片就是這些短弧的電極。每兩片滅弧柵片之間都有150～250V 的絕緣強度，使整個滅弧柵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。除此之外，柵片還能吸收電弧熱量，使電弧吸收冷卻。基于上述原因，電弧進入柵片后就會很快熄滅。由于柵片滅弧裝置的滅弧效果在交流時要比直流時強得多，因此在交流電器中常采用柵片滅弧。

論題2 開關電器及其選用

1. 刀開關

刀開關是一種手動電器，在低壓電路中用于不頻繁地接通和分斷電路，或用于隔離電路與電源，故又稱為隔離開關。

1）刀開關的結構和安裝 刀開關是一種結構較為簡單的手動電器，主要由閘刀（動觸頭）和刀座（靜觸頭）及絕緣底板等組成，如圖1-8所示。接通或切斷電路是由人工操縱閘刀完成的。容量大的刀開關一般都裝在配電盤的背面，通過連桿手柄操作。用刀開關切斷電流時，由于電路中電感和空氣電離的作用，刀片與刀座在分離時會產生電弧，特別是當切斷較大電流時，電弧持續不易熄滅。因此，為安全起見，不允許用無隔弧、無滅弧裝置的刀開關切斷大電流。在繼電器—接觸器控制系統中，刀開關一般作為隔離電源用，而用接觸器接通和斷開負載。

注意

刀開關在切斷電源時會產生電弧。在安裝刀開關時應將手柄朝上，不得倒裝或平裝。安裝的方向正確，作用在電弧上的電動力和熱空氣的上升方向一致，就能使電弧迅速拉長而熄滅；反之，若二者方向相反，電弧將不易熄滅，嚴重時會使觸頭及刀片燒傷，甚至造成極間短路。另外，如果倒裝，手柄可能因自動下落而引起誤動作合閘，將可能造成人身和設備安全事故。接線時，應將電源線接在上端，負載接在下端，這樣拉閘后，閘刀與電源隔離，可防止意外事故的發生。

2）常用刀開關 常用刀開關有HD系列及HS 系列刀開關、HK 系列開啟式負荷開關和HH系列封閉式負荷開關。

（1）HK 系列開啟式負荷開關。HK 系列開啟式負荷開關又稱為膠蓋瓷底刀開關，它不設專門的滅弧裝置，僅利用膠蓋的遮護來防止電弧灼傷人手，因此不宜帶負載操作，適用于接通或斷開有電壓而無較大負載電流的電路。其結構簡單、操作方便、價格便宜，在一般的照明電路和功率小于5．5kW的電動機控制電路中仍可采用。操作時，動作應迅速，使電弧較快熄滅，既能避免灼傷人手，也能減少電弧對動觸頭和靜觸頭的灼傷。

HK 系列開啟式負荷開關的技術參數見表1-1。

（2）HH 系列封閉式負荷開關。HH系列封閉式負荷開關因其外殼為鐵制殼，故俗稱鐵殼開關。鐵殼開關由安裝在鐵殼內的刀開關、速斷彈簧、熔斷器及操作手柄等組成，通常可用以控制28kW以下的電動機。鐵殼開關和膠蓋瓷底刀開關中都裝有熔斷器，因此都具有短路保護作用。鐵殼開關的滅弧性能，操作及通/斷負載的能力，以及安全防護性能都優于HK系列的膠蓋瓷底刀開關，但其價格較貴。

HH系列鐵殼開關的操作機構具有以下兩個特點。

① 采用了彈簧儲能分/合閘方式，其分/合閘的速度與手柄的操作速度無關，從而提高了開關通/斷負載的能力。

② 設有聯鎖裝置，保證開關在合閘狀態下開關蓋不能開啟，開關蓋開啟時又不能合閘，充分發揮了外殼的防護作用，并保證了更換熔絲等操作的安全。

刀開關常用于不頻繁接通和切斷電源的場合。選用刀開關時應根據電源及負載的情況確定其極數、額定電壓和額定電流。用刀開關控制電動機時，其額定電流要大于電動機額電流的3 倍，然后根據表1-1所示的技術參數，確定刀開關的具體型號。兩極刀開關和三極刀開關本身均配有熔斷器。

刀開關型號的含義和電氣符號如圖1-9所示。

2. 低壓斷路器

低壓斷路器（曾稱為自動開關）是一種不僅可以接通和分斷正常負荷電流和過負荷電流，還可以接通和分斷短路電流的開關電器。低壓斷路器在電路中除起控制作用外，還具有一定的保護功能，如過負荷、短路、過載、欠電壓和漏電保護等。低壓斷路器可以手動直接操作或電動操作，也可以遠方遙控操作。

1）低壓斷路器的結構和工作原理

（1）低壓斷路器的結構。低壓斷路器主要由觸頭系統、滅弧系統、操動機構和保護裝置等組成，如圖1-10所示。

①觸頭系統。觸頭（靜觸頭和動觸頭）在斷路器中用于實現電路接通或分斷。觸頭的基本要求如下所述。

能安全可靠地接通和分斷極限短路電流及以下的電路電流

能通過長期工作制的工作電流

在規定的電壽命次數內，接通和分斷后不會嚴重磨損

常用斷路器的觸頭形式有對接式觸頭、橋式觸頭和插入式觸頭。對接式和橋式觸頭多為面接觸或線接觸，在觸頭上都焊有銀基合金鑲塊。大型斷路器每相除主觸頭外，還有副觸頭和弧觸頭。

斷路器觸頭的動作順序是：斷路器閉合時，弧觸頭先閉合，然后是副觸頭閉合，最后才是主觸頭閉合；斷路器分斷時卻相反。主觸頭承載負荷電流，副觸頭的作用是保護主觸頭，弧觸頭用于承擔切斷電流時的電弧燒灼，即電弧只在弧觸頭上形成，從而保證了主觸頭不被電弧燒蝕，能長期穩定地工作。

② 滅弧系統。滅弧系統用于熄滅觸頭之間在斷開電路時產生的電弧。滅弧系統包括兩個部分：一是強力彈簧機構，可使斷路器觸頭快速分開；二是在觸頭上方設置的滅弧室。

③ 操動機構。斷路器操動機構包括傳動機構和脫扣機構兩大部分。

傳動機構按斷路器操作方式的不同可分為手動傳動、杠桿傳動、電磁鐵傳動、電動機傳動；按閉合方式的不同可分為儲能閉合和非儲能閉合。

④ 保護裝置。斷路器的保護裝置由各種脫扣器組成。

自由脫扣機構的功能是實現傳動機構和觸頭系統之間的聯系。

斷路器的脫扣器形式有欠電壓脫扣器、分勵脫扣器、過電流脫扣器等。

欠電壓脫扣器用于監視工作電壓的波動。當電網電壓降低至70%～ 35%額定電壓或電網發生故障時，斷路器可立即分斷；當電源電壓低于35%額定電壓時，能防止斷路器閉合。帶延時動作的欠電壓脫扣器，可防止因負荷陡升引起的電壓波動造成的斷路器不適當地分斷，其延時時間可為1s、2s和5s

分勵脫扣器用于遠距離遙控或熱繼電器動作分斷斷路器

過電流脫扣器用于防止過載和負載側短路

一般斷路器還具有短路鎖定功能，用于防止斷路器因短路故障分斷后，故障未排除前再次合閘。在短路條件下，斷路器分斷，鎖定機構動作，使斷路器機構保持在分斷位置，鎖定機構未復位前，斷路器合閘機構不能動作，無法接通電路。

⑤ 其他。斷路器除上述4 類裝置外，還具有輔助觸點，一般有常開觸點和常閉觸點。輔助觸點供信號裝置和智能式控制裝置使用。另外，斷路器還有框架（萬能式斷路器）、塑料底座和外殼（塑殼式斷路器）。

（2）工作原理。如圖1-10所示，斷路器的主觸頭依靠操動機構手動或電動合閘，主觸頭閉合后，自由脫扣機構將主觸頭鎖定在合閘位置上。此時，短路脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件串聯在主電路中，欠電壓脫扣器的線圈并聯在電路中。當電路發生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器線圈中的電流急劇增加，銜鐵吸合，使自由脫扣機構動作，主觸頭在彈簧作用下分開，從而切斷電路。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件使雙金屬片向上彎曲，推動自由脫扣機構動作。當電路發生失壓故障時，電壓線圈中的磁通下降，使電磁吸力下降或消失，銜鐵在彈簧力作用下向上移動，推動自由脫扣機構動作。分勵脫扣器用做遠距離分斷電路。

2）低壓斷路器的分類 低壓斷路器的分類方式很多，按使用類別分，有選擇型（保護裝置參數可調）和非選擇型（保護裝置參數不可調）；按結構形式分，有萬能式（又稱框架式）和塑殼式斷路器；按滅弧介質分，有空氣式和真空式（目前國產多為空氣式）；按操作方式分，有手動操作、電動操作和彈簧儲能機械操作；按極數分，可分為單極式、二極式、三極式和四極式；按安裝方式分，有固定式、插入式、抽屜式和嵌入式等。低壓斷路器容量范圍很大，最小為4A，而最大可達5000A。

低壓斷路器廣泛應用于低壓配電系統各級饋出線，各種機械設備的電源控制和用電終端的控制和保護電路中。

（1）萬能式斷路器（標準形式為DW）：又稱為框架式斷路器。其特點是具有一個鋼制框架，所有部件都裝于框架內，導電部分需加絕緣，部件大都設計成可拆裝式的，便于安裝和制造。由于其保護方案和操動方式較多，裝設地點也很靈活，因此有“萬能式”之稱。

萬能式斷路器容量較大，可裝設多種脫扣器，輔助觸點的數量也較多，不同的脫扣器組合可形成不同的保護特性，故可作為選擇性、非選擇性或具有反時限動作特性的電動機保護。它通過輔助觸點可實現遠方遙控和智能化控制。其額定電流為630～5000 A，一般用于400 V 變壓器側出線總開關、母線聯絡開關，或者大容量饋線開關和大型電動機控制開關。

我國自行開發的萬能式斷路器系列有DW15、DW16、CW系列；引進技術的產品有德國AEG公司的 ME系列（DW17），日本寺崎公司的 AH 系列（DW914），日本三菱公司的 AE 系列（DW19），西門子公司的3WE系列等，以及目前國內各生產廠以各自產品命名的高新技術開關。

（2）塑料外殼式斷路器（標準形式為DZ）：簡稱塑殼式低壓斷路器，原稱裝置式自動空氣斷路器，其主要特征是所有部件都安裝在一個塑料外殼中，沒有裸露的帶電部分，提高了使用的安全性。新型的塑殼斷路器也可制成選擇型。小容量的斷路器（50A 以下）采用非儲能式閉合，手動操作；大容量的斷路器的操作機構采用儲能式閉合，可以手動操作，也可由電動機操作。電動機操作可實現遠方遙控操作。其額定電流一般為6～630A，有單極式、二極式、三極式和四極式。目前已有額定電流為800～3000A 的大型塑殼式斷路器。塑殼式斷路器一般用于配電饋線控制和保護，小型配電變壓器的低壓側出線總開關，動力配電終端控制和保護，以及住宅配電終端控制和保護，也可用于各種生產機械的電源開關。

我國自行開發的塑殼式斷路器系列有 DZ5 系列、DZ15 系列、DZ20 系列、DZ25 系列；引進技術生產的有日本寺崎公司的 TO、TG 和 TH—5 系列，西門子公司的3VE 系列，日本三菱公司的 M 系列，ABB 公司的 M611（DZ611）和 SO60 系列，施耐德公司的 C45N （DZ47）系列等，以及生產廠以各自產品命名的高新技術塑殼式斷路器。

其派生產品有DZX系列限流斷路器，帶剩余電流保護功能（漏電保護功能）的剩余電流動作保護斷路器及缺相保護斷路器等。

（3）漏電保護斷路器：分為電磁式電流動作型、電壓動作型和晶體管電流動作型等。電磁式電流動作型剩余電流保護斷路器是常用的漏電保護斷路器，其原理如圖1-11所示。其結構是在一般的塑料外殼式斷路器中增加了一個能檢測剩余電流的感應元件和剩余電流脫扣器。在正常運行時，各相電流的相量和為零，檢測電流互感器二次側無輸出。當出現漏電或人身觸電時，在檢測電流互感器二次線圈上會感應出剩余電流。剩余電流脫扣器受此電流激勵，使斷路器脫扣而斷開電路。

電磁式剩余電流保護斷路器是直接動作型的，動作較可靠，但體積較大，制造工藝要求也高。晶體管或集成電路式剩余電流保護斷路器是間接動作型的，因而可使檢測電流互感器的體積大大縮小，從而也縮小了斷路器的體積。隨著電子技術的發展，現在越來越多地采用了集成電路剩余電流保護斷路器。

3）低壓斷路器的主要技術參數 我國低壓電器標準規定低壓斷路器應有下列特性參數。

（1）形式：斷路器形式包括相數、極數、額定頻率、滅弧介質、閉合方式和分斷方式。

（2）主電路額定值：有額定工作電壓、額定電流、額定短路接通能力、額定短路分斷能力等。

萬能式斷路器的額定電流還分為主電路的額定電流和框架等級的額定電流。

（3）額定工作制：斷路器的額定工作制可分為8小時工作制和長期工作制兩種。

（4）輔助電路參數：斷路器輔助電路參數主要為輔助接頭特性參數。萬能式斷路器一般具有常開接頭、常閉接頭各3對，供信號裝置及控制回路使用；塑殼式斷路器一般不具備輔助接頭。

（5）其他：斷路器特性參數除上述各項外，還包括脫扣器形式、特性及使用類別等。DZ20系列塑料外殼式斷路器的主要技術參數見表1-2。

4）低壓斷路器的選擇 額定電流在600A以下，且短路電流不大時，可選用塑料外殼式斷路器；額定電流較大，短路電流也較大時，應選用萬能式斷路器。一般的選用原則如下所述。

（1）斷路器額定電壓不小于電源和負載的額定電壓；

（2）斷路器額定電流不小于負載工作電流；

（3）斷路器極限通/斷能力不小于電路最大短路電流；

（4）熱脫扣器的整定電流應與所控制的電動機的額定電流或負載額定電流一致；

（5）斷路器欠電壓脫扣器額定電壓等于線路額定電壓；

（6）線路末端單相對地電流不小于斷路器瞬時或短路時脫扣器整定電流的1．25倍。斷路器的型號含義和電氣符號如圖1-12所示。

5）智能化低壓斷路器 將微處理機和計算機技術引入低壓電器，一方面使低壓電器具有了智能化功能；另一方面使低壓開關電器通過中央控制系統，進入了計算機網絡系統。

將微處理器引入低壓斷路器，使斷路器的保護功能大大增強，它的3段保護特性中的短延時可設置成I-t特性，以便與后一級保護更好地匹配，并可實現接地故障保護。

帶微處理器的智能化脫扣器的保護特性可方便地進行調節，還可設置預警特性。智能化斷路器可反映負載電流的有效值，消除輸入信號中的高次諧波，避免高次諧波造成的誤動作。

采用微處理器還能提高斷路器的自身診斷和監視功能，可監視檢測電壓、電流和保護特性，并用液晶顯示。當斷路器內部溫升超過允許值，或觸頭磨損量超過限定值時能發出警報。

智能化斷路器能保護各種起動條件的電動機，并具有很高的動作準確性，整定調節范圍寬，可以保護電動機不受過載、斷相、三相不平衡、接地等故障的影響。

智能化斷路器通過與控制計算機組成網絡來自動記錄斷路器運行情況，并可實現遙測、遙控和遙信功能。

智能化斷路器是傳統低壓斷路器改造、提高、發展的方向。近年來，我國的斷路器生產廠也已開發生產了各種類型的智能化控制的低壓斷路器，相信今后智能化斷路器在我國一定會有更大的發展。

3. 組合開關

組合開關主要用做電源引入，分為單極、雙極、三極和四極4 種，額定電流有10A、25A、60A、100A等幾個等級。

1）結構 常用的有3組觸頭，其中3對靜觸頭分別裝在3層絕緣墊板上，并附有接線柱伸出盒外，以便與電源、用電設備連接。

3個動觸頭是由兩個磷銅片或硬紫銅片和滅弧性能良好的絕緣墊板鉚合而成的，它套在附有手柄的絕緣桿上，當手柄每次轉動一定角度時，帶動3個動觸頭分別使3對靜觸頭接通或斷開，實現對用電設備的控制，其具體結構如圖1-13所示。

2）特點 HZ10—10/3 型組合開關具有壽命長、使用方便、可靠、結構簡單等優點，但其轉換次數每小時不許超過15 ～20 次。

3）選用 HZ10—10/3型組合開關常用于交流380V及以下、直流220V及以下的電源引入，5kW以下電動機的直接起動、正/反轉控制及機床照明控制電路中。在控制電動機正/反轉時，一定要使電動機必須先經過完全停止的位置后才能再接通反向旋轉電路。

組合開關是根據電源種類、電壓等級、所需觸頭數、電動機的容量進行選用的。其中組合開關的額定電流一般取電動機額定電流的1.5～2.5 倍。組合開關的符號如圖1-14所示。

論題3 接觸器及其選用

接觸器是一種應用廣泛的開關電器。它主要用于頻繁接通或分斷交、直流主電路和大容量的控制電路。它可遠距離操作，配合繼電器實現定時操作，聯鎖控制及各種定量控制，以及失壓保護，被廣泛應用于自動控制電路中。其主要控制對象是電動機，也可用于控制其他電力負載，如電熱器、照明、電焊機和電容器組等。

接觸器按流過接觸器主觸頭的電流的性質分為直流接觸器和交流接觸器。

1. 接觸器的分類和結構

接觸器主要由電磁系統、觸頭系統、滅弧系統（圖中未畫出）及其他部分組成，如圖1-15所示。

1）電磁系統 電磁系統包括電磁線圈、鐵心和銜鐵，是接觸器的重要組成部分，依靠它帶動觸點的閉合與斷開。

2）觸頭系統 觸頭是接觸器的執行部分，它包括主觸點和輔助觸點。主觸點的作用是接通和分斷主回路，控制較大的電流；而輔助觸點在控制回路中，以滿足各種控制方式的要求。

3）滅弧系統 滅弧裝置用于保證在觸點斷開電路時產生的電弧能可靠地熄滅，減少電弧對觸點的損傷。為了迅速熄滅斷開時的電弧，通常接觸器都裝有滅弧裝置，一般采用半封閉式縱縫陶土滅弧罩，并配有強磁吹弧回路。

4）其他部分 其他部分包括絕緣外殼、彈簧、短路環傳動機構等。

2. 接觸器的工作原理及其選用

1）工作原理 如圖1-15所示，當接觸器線圈通電后，線圈電流產生磁場，使鐵心產生電磁吸力吸引銜鐵，并帶動觸頭動作；常閉觸點斷開，常開觸點閉合，二者是聯動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在自重和釋放彈簧的作用下釋放，使觸點復原，即常開觸點斷開，常閉觸點閉合。接觸器的觸點數目應能滿足控制線路的要求。

2）直流接觸器 直流接觸器的結構與工作原理基本上與交流接觸器相同，即由線圈、鐵心、銜鐵、觸頭、滅弧裝置組成。所不同的是，除觸頭電流和線圈電壓為直流外，其觸頭大都采用滾動接觸的指形觸頭，輔助觸頭則采用點接觸的橋形觸頭。鐵心由整塊鋼或鑄鐵制成，線圈則制成長而薄的圓筒形。為保證銜鐵可靠地釋放，常在鐵心與銜鐵之間墊有非磁性墊片。

由于直流電弧不像交流電弧那樣有自然過零點，更難熄滅，因此直流接觸器常采用磁吹式滅弧裝置。

3）接觸器的主要技術參數和選擇

（1）主要技術參數。

額定電壓：接觸器銘牌上的額定電壓是指主觸頭的額定電壓，交流有127V、220V、380V、500V，直流有110V、220V、440V

額定電流：接觸器銘牌上的額定電流是指主觸頭的額定電流，有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A

吸引線圈額定電壓：交流有36V、110V、127V、220V、380V，直流有24V、48V、220V、440V

電氣壽命和機械壽命：接觸器的電氣壽命是在規定使用類別的正常操作條件下，不需修理或更換零件的負載操作次數，其數值應小于機械壽命的1/20。

額定操作頻率：額定操作頻率（次/h）即允許的每小時接通的最多次數。交流接觸器最高為600次/h，直流接觸器可高達1200次/h

常見接觸器有CJ10系列、CJ20系列、3TH和 CJX1（3TB）系列。其中，3TH和CJX1 （3TB）系列是從德國西門子公司引進制造的新型接觸器。3TH系列接觸器適用于交流50Hz或60Hz，交流電壓至660V及直流電壓至600V的控制電路，用于控制各種電磁線圈，以使信號得到放大或將信號傳送給有關控制元件。CJX1（3TB）系列接觸器適用于交流50Hz或60Hz，額定電壓為600V的控制電路，用做遠距離接通及分斷電路，并適用于頻繁地起動或控制交流電動機。

（2）接觸器的選擇。

接觸器類型選擇：接觸器的類型應根據負載電流的類型和負載的輕重來選擇，即是交流負載還是直流負載，是輕負載、一般負載還是重負載

主觸頭額定電流的選擇：接觸器的額定電流應不小于被控回路的額定電流。對于電動機負載，可根據下列經驗公式計算

INC≥PNM/（1 ～1．4）UNM

式中，INC為接觸器主觸頭電流（單位為A）；PNM為電動機的額定功率（單位為 W）；UNM為電動機的額定電壓（單位為V）。

若接觸器控制的電動機起動、制動或正/反轉頻繁，一般要將接觸器主觸頭的額定電流降一級使用。

額定電壓的選擇：接觸器主觸頭的額定電壓應不小于負載回路的電壓

吸引線圈額定電壓的選擇：線圈額定電壓不一定等于主觸頭的額定電壓，當線路簡單，使用電器少時，可直接選用380V或220V的電壓；若線路復雜，使用電器超過5個，可用24V、48V或110V電壓（1964 年國標規定為36V、110V或127V）。吸引線圈允許在額定電壓的80%～105%范圍內使用

接觸器的觸頭數量、種類選擇：其觸頭數量和種類應滿足主電路和控制線路的要求。各種類型的接觸器觸點數目不同。交流接觸器的主觸點有3 對（常開觸點），輔助觸點一般有4對（兩對常開、兩對常閉），最多可達到6對（3對常開、3對常閉）。直流接觸器的主觸點一般有兩對（常開觸點），輔助觸點有4對（兩對常開、兩對常閉）

4）真空交流接觸器 真空接觸器以真空為滅弧介質，其主觸點密封在特制的真空滅弧管內。當操作線圈通電時，銜鐵吸合，在觸點彈簧和真空管自閉力的作用下使觸點閉合；操作線圈斷電時，反力彈簧克服真空管自閉力使銜鐵釋放，觸點斷開。接觸器分斷電流時，觸點間隙中會形成由金屬蒸氣和其他帶電粒子組成的真空電弧，因真空介質具有很高的絕緣強度，且介質恢復速度很快，所以真空中的燃弧時間一般小于10ms。

真空接觸器與真空斷路器具有以下共同的特點。

分斷能力強：分斷電流可達額定電流的10 ～20 倍

壽命長：電壽命達數十萬次，機械壽命可達百萬次

體積小，質量輕，無飛弧距離，安全可靠

維修簡便，主觸點無須維修，運行噪聲小，運行不受惡劣環境影響

可頻繁操作

接觸器的型號含義及電氣符號如圖1-16所示。

論題4 繼電器及其選用

繼電器是根據一定的信號（如電流、電壓、時間和速度等物理量）的變化來接通或分斷小電流電路和電器的自動控制電器。

繼電器實質上是一種傳遞信號的電器，它根據特定形式的輸入信號而動作，從而達到控制的目的。繼電器一般不用于直接控制主電路，而是通過接觸器或其他電器來對主電路進行控制，因此同接觸器相比較，繼電器的觸頭通常接在控制電路中，觸頭斷流容量較小，一般不需要滅弧裝置，但對繼電器動作的準確性則要求較高。

繼電器一般由3個基本部分組成，即檢測機構、中間機構和執行機構。

檢測機構的作用是接受外界輸入信號并將信號傳遞給中間機構；中間機構對信號的變化進行判斷、物理量轉換、放大等；當輸入信號變化到一定值時，執行機構（一般是觸頭）動作，從而使其所控制的電路狀態發生變化，接通或斷開某部分電路，達到控制或保護的目的。

繼電器種類很多，按輸入信號可分為電壓繼電器、電流繼電器、功率繼電器、速度繼電器、壓力繼電器、溫度繼電器等；按工作原理可分為電磁式繼電器、感應式繼電器、電動式繼電器、電子式繼電器、熱繼電器等；按用途可分為控制繼電器和保護繼電器；按輸出形式可分為有觸點繼電器和無觸點繼電器。

繼電器的型號含義和電氣符號如圖1-17所示。

1. 中間繼電器

中間繼電器實質上是一種電壓繼電器，只是它的觸點對數較多，容量較大，動作靈敏，主要起擴展控制范圍或傳遞信號的中間轉換作用。

2. 時間繼電器

在自動控制系統中，有時需要繼電器得到信號后不立即動作，而是要延遲一段時間后再動作，并輸出控制信號，以達到按時間順序進行控制的目的。時間繼電器就可以滿足這種要求。時間繼電器按工作原理可分為電磁式、空氣阻尼式（氣囊式）、晶體管式、電動機式等；按延時方式可分為通電延時型、斷電延時型和通/斷電延時型等。

1）空氣阻尼式時間繼電器 空氣阻尼式時間繼電器利用空氣通過小孔時產生阻尼的原理獲得延時。它由電磁系統、延時機構和觸頭系統組成，其動作原理如圖1-18所示。其電磁機構為雙E直動式，觸頭系統為微動開關，延時機構采用氣囊式阻尼器。

空氣阻尼式時間繼電器既有通電延時型，也有斷電延時型。只要改變電磁機構的安裝方向，便可實現不同的延時方式。當銜鐵位于鐵心和延時機構之間時為通電延時型（如圖1-18（a）所示）；當鐵心位于銜鐵和延時機構之間時為斷電延時型（如圖1-18（b）所示）。

圖1-18（a）所示為通電延時型時間繼電器。當線圈1通電后，鐵心2將銜鐵3吸合，活塞桿6在塔形彈簧的作用下，帶動活塞12及橡皮膜10向上移動，由于橡皮膜下方氣室空氣稀薄，形成負壓，因此活塞桿6不能上移。當空氣由進氣孔14進入時，活塞桿6才逐漸上移。移到最上端時，杠桿7才使微動開關動作。其延時時間即為自電磁鐵吸引線圈通電時刻起到微動開關動作時刻止的這段時間。通過調節螺釘13（調節進氣口的大小），就可以調節延時時間。當線圈1斷電時，銜鐵3在恢復彈簧4的作用下將活塞12推向最下端。因活塞被往下推時，橡皮膜下方氣孔內的空氣都通過橡皮膜10、彈簧9 和活塞12 肩部所形成的單向閥，經上氣室縫隙而被順利排掉，因此延時與不延時的微動開關15與16都迅速復位。

空氣阻尼式時間繼電器的優點是結構簡單、壽命長、價格低廉。缺點是準確度低、延時誤差大，在延時精度要求高的場合不宜采用。

2）晶體管式時間繼電器 晶體管式時間繼電器常用的有阻容式時間繼電器，它利用RC電路中電容電壓不能躍變，只能按指數規律逐漸變化的原理獲得延時。因此，只要改變充電回路的時間常數即可改變延時時間。因為調節電容比調節電阻困難，所以多用調節電阻的方式來改變延時時間，其原理圖如圖1-19所示。

晶體管式時間繼電器具有延時范圍廣、精度高、體積小及壽命長等優點，但抗干擾性能差。

3）時間繼電器的電氣符號 時間繼電器的圖形符號及文字符號如圖1-20所示。

對于通電延時時間繼電器，當線圈得電時，其延時動合觸點要延時一段時間才閉合，延時動斷觸點要延時一段時間才斷開；當線圈失電時，其延時常開觸點迅速斷開，延時常閉觸點迅速閉合。

對于斷電延時時間繼電器，當線圈得電時，其延時動合觸點迅速閉合，延時動斷觸點迅速斷開；當線圈失電時，其延時常開觸點要延時一段時間再斷開，延時常閉觸點要延時一段時間再閉合。

3. 其他形式繼電器

1）速度繼電器 速度繼電器是利用轉軸的轉速來切換電路的自動電器。它主要用做籠型異步電動機的反接制動控制中，故稱為反接制動繼電器。

圖1-21所示為速度繼電器的原理示意圖。它主要由轉子、定子和觸頭3部分組成。

轉子是一個圓柱形永久磁鐵，定子是一個籠型空心圓環，由硅鋼片疊成，并裝有籠型的繞組。速度繼電器與電動機同軸相連，當電動機旋轉時，速度繼電器的轉子隨之轉動，在空間產生旋轉磁場，切割定子繞組，在定子繞組中感應出電流。此電流又在旋轉的轉子磁場作用下產生轉矩，使定子隨轉子轉動方向而旋轉，和定子裝在一起的擺錘推動動觸頭動作，使常開觸點閉合，常閉觸點斷開。當電動機速度低于某一值時，動作產生的轉矩減小，動觸頭復位。

常用的速度繼電器有YJ1和JFZ0—2型。速度繼電器的電氣符號如圖1-22所示。

2）固態繼電器 固態繼電器（Solid State Releys，SSR），是一種新型無觸點繼電器。固態繼電器（SSR）與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動、不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，它利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應管、單向晶閘管和雙向晶閘管等器件的開關特性，來達到無觸點、無火花地接通和斷開被控電路。

（1）固態繼電器的組成。固態繼電器由3 部分組成，即輸入電路、隔離（耦合）電路和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交/直流輸入電路3種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正/負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入電路與輸出電路的隔離和耦合方式有光耦合和變壓器耦合兩種。固態繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路、交流輸出電路和交/直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個晶閘管或一個雙向晶閘管，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。

（2）固態繼電器的工作原理。交流固態繼電器SSR是一種無觸點通/斷電子開關，為4端有源器件。其中的兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，中間采用光隔離，作為I/O之間的電氣隔離（浮空）。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態轉變成導通狀態（無信號時呈阻斷狀態），從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點，可實現與常用的機械式電磁繼電器一樣的功能。

SSR固態繼電器按觸發形式可分為零壓型（Z）和調相型（P）兩種。在輸入端施加合適的控制信號Uin時，P型SSR立即導通。當Uin撤銷后，負載電流低于雙向晶閘管的維持電流（交流換相）時，SSR關斷。Z型SSR內部包括過零檢測電路，在施加輸入信號Uin時，只有當負載電源電壓達到過零區時，SSR才能導通，并有可能造成電源半個周期的最大延時。Z型SSR關斷條件同P型，但由于其負載工作電流近似于正弦波，高次諧波干擾小，因此應用廣泛。

由于固態繼電器是由固體元件組成的無觸點開關元件，因此與電磁繼電器相比具有工作可靠、壽命長，對外界干擾小，能與邏輯電路兼容，抗干擾能力強，開關速度快和使用方便等一系列優點，因而具有很寬的應用領域，有逐步取代傳統電磁繼電器之勢，并可進一步擴展到傳統電磁繼電器無法應用的計算機等領域。

（3）固態繼電器的應用。固態繼電器可直接用于三相電動機的控制，如圖1-23所示。最簡單的方法是采用兩只SSR作電動機通/斷控制，用4 只SSR 作電動機換相控制，第3相不控制。用做電動機換相時應注意，由于電動機的運動慣性，必須在電動機停穩后才能換相，以避免產生類似電動機堵轉情況，而引起較大的沖擊電壓和電流。在控制電路設計上，要注意任何時刻都不應產生換相SSR 同時導通的情況。上、下電路時序，應采用先加后斷控制電路電源，后加先斷電動機電源的時序。換相SSR之間不能簡單地采用反相器連接方式，以避免一相SSR未關斷，而另一相SSR又導通所引起的相間短路事故。此外，電動機控制中的熔斷器、缺相和溫度繼電器，也是保證系統正常工作的保護裝置。

論題5 主令電器及其選用

主令電器主要用于閉合或斷開控制電路，以發出命令或信號，達到對電力拖動系統的控制或實現程序控制。常用的主令電器有控制按鈕、行程開關、接近開關、萬能轉換開關等。

1. 按鈕

控制按鈕是一種短時接通或斷開小電流電路的電器，它不直接控制主電路的通/斷，而在控制電路中發出“指令”去控制接觸器、繼電器等電器，再由它們去控制主電路。

控制按鈕由鈕帽、復位彈簧、橋式觸頭和外殼等組成，通常做成復合式，即具有常開觸點和常閉觸點，其結構示意圖如圖1-24所示。

指示燈式按鈕內可裝入信號燈顯示信號；緊急式按鈕裝有蘑菇形鈕帽，以便于緊急操作；旋鈕式按鈕用于扭動旋鈕來進行操作。

常見按鈕有LA系列和LAY1系列。LA系列按鈕的額定電壓為交流500V、直流440V，額定電流為5A；LAY1系列按鈕的額定電壓為交流380V、直流220V，額定電流為5A。帽有紅、綠、黃、白等顏色，一般紅色用做停止按鈕，綠色用做起動按鈕。按鈕的選擇主要根據所需要的觸點數、使用場合及顏色來決定。鈕帽顏色的含義見表1-3。

控制按鈕的型號含義和電氣符號如圖1-25所示。

2. 行程開關

行程開關又稱為位置開關或限位開關。它的作用與按鈕相同，只是其觸點的動作不是靠手動操作，而是利用生產機械某些運動部件上的擋鐵碰撞其滾輪使觸頭動作來實現接通或分斷電路。

行程開關的結構分為3個部分，即操動機構、觸頭系統和外殼。行程開關的外形圖如圖1-26所示。行程開關分為單滾輪、雙滾輪及徑向傳動桿等形式。其中，單滾輪和徑向傳動桿行程開關可自動復位，雙滾輪為碰撞復位。

常見的行程開關有LX19系列、LX22系列、JLXK1系列和JLXW5系列。其額定電壓為交流500V、380V，直流440V、220V，額定電流為20A、5A和3A。

在選用行程開關時，主要根據機械位置對開關形式的要求，控制線路對觸頭數量和觸頭性質的要求，閉合類型（限位保護或行程控制）和可靠性，以及電壓、電流等級確定其型號。

行程開關的型號含義和電氣符號如圖1-27所示。

3. 萬能轉換開關

萬能轉換開關是一種多擋式、控制多回路的主令電器，一般可作為多種配電裝置的遠距離控制，也可作為電壓表、電流表的換相開關，還可作為小容量電動機的起動、制動、調速及正/反向轉換的控制。由于其觸頭擋數多，換接線路多，用途廣泛，故有“萬能”之稱。

萬能轉換開關主要由操動機構、面板、手柄及數個觸點座等部件組成，用螺栓組裝成整體。觸點座可有1 ～10 層，每層均可裝3 對觸點，并由其中的凸輪進行控制。由于每層的凸輪可做成不同的形狀，因此當手柄轉到不同位置時，通過凸輪的作用，可使各對觸點按需要的規律接通和分斷。

常見的萬能轉換開關的型號為LW5系列和LW6系列。選用萬能開關時，可從以下幾方面入手：若用于控制電動機，則應預先知道電動機的內部接線方式，根據內部接線方式、接線指示牌及所需要的轉換開關斷/合次序表，畫出電動機的接線圖，只要電動機的接線圖與轉換開關的實際接法相符即可；其次，需要考慮額定電流是否滿足要求。若用于控制其他電路，則只需考慮額定電流、額定電壓和觸頭對數。

萬能轉換開關的原理圖和電氣符號如圖1-28所示。

論題6 保護電器及其選用

1. 熔斷器

熔斷器是一種結構簡單、使用方便、價格低廉、控制有效的短路保護電器。它串聯在電路中，當電路或用電設備發生短路時，熔體能自身熔斷，切斷電路，阻止事故蔓延，因而能實現短路保護。無論是在強電系統還是弱電系統中，熔斷器都得到了廣泛的應用。

1）熔斷器的結構和工作原理 熔斷器主要由熔體（俗稱保險絲）和安裝熔體的熔管（或熔座）組成。熔體是熔斷器的主要部分，其材料一般由熔點較低、電阻率較高的金屬材料鋁-銻合金絲、鉛-錫合金絲或銅絲制成。熔管是裝熔體的外殼，由陶瓷、絕緣鋼紙或玻璃纖維制成，在熔體熔斷時兼有滅弧作用。

熔斷器的熔體與被保護的電路串聯。當電路正常工作時，熔體允許通過一定大小的電流而不熔斷；當電路發生短路或嚴重過載時，熔體中流過很大的故障電流，一旦電流產生的熱量達到熔體的熔點，熔體熔斷，切斷電路，從而達到保護電路的目的。

電流流過熔體時產生的熱量與電流的平方和電流通過的時間成正比，因此電流越大，則熔體熔斷的時間越短。這一特性稱為熔斷器的保護特性（或安秒特性），如圖1-29所示。熔斷器的保護特性為反時限特性，即短路電流越大，熔斷時間越短，這樣就能滿足短路保護的要求。由于熔斷器對過載反應不靈敏，因此不宜用于過載保護，而主要用于短路保護。表1-4列出了某熔體的保護特性數值關系。

2）熔斷器的分類 熔斷器的類型很多，按結構形式可分為插入式熔斷器、螺旋式熔斷器、封閉管式熔斷器、快速熔斷器和自復式熔斷器等。

（1）插入式熔斷器：常用的插入式熔斷器有 RC1A 系列，其結構如圖1-30所示。它由瓷蓋、瓷座、觸頭和熔絲4 部分組成。由于其結構簡單、價格便宜、更換熔體方便，因此廣泛應用于380V及以下的配電線路末端，作為動力、照明負荷的短路保護。

（2）螺旋式熔斷器：常用的螺旋式熔斷器是 RL1 系列，其外形與結構如圖1-31所示。它由瓷座、瓷帽和熔斷管組成。熔斷管上有一個標有顏色的熔斷指示器，當熔體熔斷時，熔斷指示器會自動脫落，顯示熔絲已熔斷。

在裝接使用時，電源線應接在下接線座，負載線應接在上接線座，這樣在更換熔斷管（旋出瓷帽）時，金屬螺紋殼的上接線座便不會帶電，保證了維修者的安全。它多應用于機床配線中，作為短路保護。

（3）封閉管式熔斷器：主要用于負載電流較大的電力網絡或配電系統中，其熔體采用封閉式結構。它有兩個作用：一是可防止電弧的飛出和熔化金屬的滴出；二是在熔斷過程中，封閉管內將產生大量的氣體，使管內壓力升高，從而使電弧因受到劇烈壓縮而很快熄滅。封閉式熔斷器有無填料式和有填料式兩種，常用的型號有RM10系列和RT0系列。

（4）快速熔斷器：快速熔斷器是在RL1系列螺旋式熔斷器的基礎上，為保護晶閘管半導體元件而設計的，其結構與RL1 完全相同。常用的型號有RLS系列、RS0 系列等。RLS系列主要用于小容量晶閘管元件及其成套裝置的短路保護；RS0系列主要用于大容量晶閘管元件的短路保護。

（5）自復式熔斷器：RZ1型自復式熔斷器是一種新型熔斷器，其結構熔體如圖1-32所示，它采用金屬鈉作熔體。在常溫下，鈉的電阻很小，允許通過正常的工作電流。當電路發生短路時，短路電流產生的高溫使鈉迅速氣化，氣態鈉電阻變得很高，從而限制了短路電流。當故障消除時，溫度下降，氣態鈉又變為固態鈉，恢復其良好的導電性。自復式熔斷器的優點是動作快，能重復使用，無須備用熔體。缺點是它不能真正分斷電路，只能利用高阻閉塞電路，故常與自動開關串聯使用，以提高組合分斷性能。

3）熔斷器的選擇 在選用熔斷器時，應根據被保護電路的需要，首先確定熔斷器的類型，然后選擇熔體的規格，再根據熔體確定熔斷器的規格。

（1）熔斷器類型的選擇：選擇熔斷器的類型時，主要根據線路要求、使用場合、安裝條件、負載要求的保護特性和短路電流的大小等來進行。電網配電一般用管式熔斷器；電動機保護一般用螺旋式熔斷器；照明電路一般用瓷插入式熔斷器；保護晶閘管元件則應選擇快速熔斷器。

（2）熔斷器額定電壓的選擇：熔斷器的額定電壓應不小于線路的工作電壓。

（3）熔斷器熔體額定電流的選擇：

對于變壓器、電爐和照明等負載，熔體的額定電流IfN應略大于或等于負載電流I，即

保護一臺電動機時，考慮起動電流的影響，可按下式選擇熔體的額定電流：

式中，IN為電動機額定電流（單位是A）。

保護多臺電動機時，可按下式計算熔體的額定電流：

式中，INmax為容量最大的一臺電動機的額定電流；∑IN 為其余電動機的額定電流之和。

（4）熔斷器額定電流的選擇：必須不小于所裝熔體的額定電流。

熔斷器的型號含義和電氣符號如圖1-33所示。

2. 熱繼電器

熱繼電器是利用電流熱效應原理工作的電器，主要用于三相異步電動機的過載、缺相及三相電流不平衡的保護。

1）熱繼電器的結構和工作原理 熱繼電器的形式有多種，其中以雙金屬片式為最多。雙金屬片式熱繼電器主要由熱元件、雙金屬片和觸頭3部分組成，其工作原理示意圖如圖1-34所示。雙金屬片是熱繼電器的感測元件，由兩種膨脹系數不同的金屬片碾壓而成。當串聯在電動機定子繞組中的熱元件有電流流過時，熱元件產生的熱量使雙金屬片伸長，由于膨脹系數不同，致使雙金屬片發生彎曲。電動機正常運行時，雙金屬片的彎曲程度不足以使熱繼電器動作。當電動機過載時，流過熱元件的電流增大，再加上時間效應，從而使雙金屬片的彎曲程度加大，最終使雙金屬片推動導板而使熱繼電器的觸頭動作，切斷電動機的控制電路。

熱繼電器由于存在熱慣性，當電路短路時不能立即動作而使電路斷開，因此不能用做短路保護。同理，在電動機起動或短時過載時，熱繼電器也不會馬上動作，從而可避免電動機不必要的停車。

2）熱繼電器的分類及常見規格 熱繼電器按熱元件數分為兩相和三相結構。三相結構中又分為兩種，即帶斷相保護裝置型和不帶斷相保護裝置型。

（1）JR16和JR16D：后者是帶斷相保護型，目前使用較多。其額定電流主要有3個規格，即20A、60A和150A，熱元件電流值為0.25～160A。特點是帶斷相保護和溫度補償，可手動或自動復位，但沒有動作靈活性檢查裝置及動作后指示裝置，目前已屬淘汰產品。

（2）JR20 型：額定電流有8 種，范圍為6.3 ～630A，熱元件電流值為0.1 ～630A。它與JR16的不同之處是帶有動作靈活性檢查裝置和動作指示裝置。但這種型號的熱繼電器質量不太穩定。

（3）T系列：它是從德國引進的，可與B系列交流接觸器配套成 MSB 系列電磁起動器，規格品種較多。

（4）3UA系列：這是SIEMENS公司產品，目前國內可由蘇州西門子電器有限公司生產。3UA59 系列是63A以下產品，使用較為廣泛。

熱繼電器的型號含義和圖形符號如圖1-35所示。

3）熱繼電器的選擇 選用熱繼電器時，必須了解被保護對象的工作環境、起動情況、負載性質、工作制及電動機允許的過載能力。選擇原則是熱繼電器的保護特性位于電動機過載特性之下，并盡可能接近。

（1）熱繼電器的類型選擇：若用熱繼電器作為電動機缺相保護，應考慮電動機的接法。對于接法的電動機，當某相斷線時，其余未斷相繞組的電流與流過熱繼電器電流的增加比例相同。一般的三相式熱繼電器，只要整定電流調節合理，是可以對接法的電動機實現斷相保護的；對于△接法的電動機，某相斷線時，流過未斷相繞組的電流與流過熱繼電器的電流增加比例則不同，也就是說，流過熱繼電器的電流不能反映斷相后繞組的過載電流。因此，一般的熱繼電器，即使是三相式也不能為△接法的三相異步電動機的斷相運行提供充分保護。此時，應選用三相帶斷相保護的熱繼電器。帶斷相保護的熱繼電器的型號后面有 D、T或3UA字樣。

（2）熱元件的額定電流選擇：應按照被保護電動機額定電流的1.1～1.15 倍選取熱元件的額定電流。

（3）熱元件的整定電流選擇：一般將熱繼電器的整定電流調整為等于電動機的額定電流；對過載能力差的電動機，可將熱元件的整定值調整到電動機額定電流的0.6～0.8 倍；對起動時間較長、拖動沖擊性負載或不允許停車的電動機，熱元件的整定電流應調整到電動機額定電流的1.1 ～1.15 倍。

3. 其他保護電器

1）電流繼電器 電流繼電器是通過電路中電流的變化而起保護作用的保護電器。在使用時，電流繼電器的線圈和被保護的設備串聯，其線圈匝數少而線徑粗、阻抗小，不會影響電路的正常工作。常用的有欠電流繼電器和過電流繼電器兩種。

欠電流繼電器在正常工作時銜鐵是吸合的，當通過其的電流降到某一值時（一般為額定電流的20 %～30 %），銜鐵釋放，帶動觸點動作并輸出信號，起到了欠電流保護的作用。

過電流繼電器在正常工作時不動作，當通過的電流超過某一整定電流值時繼電器吸合，帶動觸點動作并輸出信號，起到了過電流保護的作用。

在機床電氣控制電路中，JL14、JL15、JL9、JL10 等型號的電流繼電器用的較多。

電流繼電器的圖形符號和文字符號如圖1-36所示。

2）電壓繼電器 電壓繼電器是通過電路中電壓的變化而起保護作用的保護電器。在使用時，電壓繼電器的線圈和被保護的設備并聯，其線圈匝數多而線徑細。常用的有欠電壓繼電器、過電壓繼電器和零電壓繼電器。

（1）過電壓繼電器在電路電壓為其額定電壓的105%～ 120%以上吸合動作，起到了過電壓保護的作用。

（2）欠電壓繼電器正常時吸合，當電路電壓減小到其額定值的30%～ 50%時釋放，起到了欠電壓保護的作用。

（3）零電壓繼電器在電路電壓降到其額定值的25%時釋放，起到了零電壓保護的作用。

在機床電氣控制電路中，JT3、JT4 型號的電壓繼電器用的較多。

電壓繼電器的圖形符號和文字符號如圖1-37所示。

論題7 電氣控制電路圖的認知

各種機床或機械設備都有不同的電氣控制電路，要準確而迅速地排除機床或機械設備的電氣控制電路的故障，必須熟悉它們的工作原理。

眾所周知，機床電氣控制電路主要由各種電氣元件（如開關、按鈕、接觸器等）和電動機等用電設備，按某種要求用導線連接而成的。為了表達電氣控制系統的組成和功能、電氣設備的工作原理，以及設計、裝修和維護的使用信息，需要用統一的工程語言，即用工程圖的形式來表達，這種工程圖就是電氣工程圖（簡稱電氣圖）。為使電氣圖更加簡明、更具有通用性，電氣圖必須使用國家規定的統一的圖形符號和文字符號，并按國家電氣制圖標準來繪制。

1. 電路圖中的代表符號和接線端子

電路圖中的代表符號分為圖形符號和文字符號兩種。

1）圖形符號 為了在電路圖中描述和區分這些電氣元件和電氣設備的名稱、功能、特征、相互關系及電氣連接情況等，要逐一畫出它們的實物圖是不可能的，一般都是用一些簡單的圖形符號來表示的。

用于電路圖中表示一個設備（如電動機）、元器件（如開關）或一個概念（如接地）的圖形、標志或字符的符號稱為圖形符號。

2）文字符號 為了更明確地區分不同的設備、元器件，特別是區分同類設備或元器件中不同功能的設備或元器件，還必須在圖形符號旁標注相應的文字符號。

文字符號通常由基本符號、輔助符號和數字組成。

（1）基本文字符號：基本文字符號分為單字母符號和雙字母符號。單字母符號表示電氣設備、裝置和元器件的大類，如“K”表示接觸器、繼電器等這一大類電器；雙字母符號由一個表示大類的單字母后跟著另一個表示該器件某些特性的字母組成，如“KM”表示接觸器，“KT”表示時間繼電器等。

（2）輔助文字符號：輔助文字符號是用于進一步表示電氣設備、裝置、元器件及線路的功能、狀態和特性的。通常用英文的縮寫或前一兩個字母來表示，如“DC”表示直流，“ON”表示閉合等。

電路圖中常用電器的圖形符號和基本文字符號及輔助符號見附錄A。

（3）文字符號的組合：文字符號的組合形式一般是由基本符號（或輔助符號）加數字符號組成，如“KA1”表示第1個中間繼電器，“FR2”表示第2個熱繼電器。

（4）特殊用途文字符號：電路圖中一些特殊用途的接線端子、導線等，通常采用一些專用文字符號來表示，如“L1、L2、L3、N”表示三相交流電源的第1相、第2相、第3相及中性線；“PE”表示保護接地等。

常用的一些特殊文字符號可查閱相關標準。

3）接線端子標志 電路圖中各電器的接線端子用字母和數字符號標志。國家規定：三相電動機繞組的首端用 U1、V1、W1標志，其尾端用 U2、V2、W2標志，其中間抽頭用U3、V3、W3標志等。

控制電路各線號采用數字編號，標注方法按“等電位”原則進行，其順序一般為從左到右、從上到下，凡是被線圈、觸頭、電阻、電容等元件所隔離的接線端子，都應標以不同的線號。

2. 電路圖的定義及種類

常用于機床設備的電氣工程圖有以下3種。

1）電路圖 電路圖是用圖形符號和文字符號按工作順序詳細表示電路、設備控制系統的基本組成和連接關系，而不考慮其實際位置的一種簡圖。電路圖主要表示電氣控制系統的工作原理，所以又稱為電氣原理圖（新的國家標準稱為電路圖）。其用途有：幫助詳細理解電路、設備或成套裝置及其組成部分的工作原理；為測試和尋找故障提供信息；作為編制接線圖的依據。因此，無論在設計部門還是生產現場，電路圖都得到廣泛的應用。

2）電器位置圖 電器位置圖是表示各項目（如元器件、組件、成套設備等）在機械設備和電氣控制柜中的實際安裝位置的圖。各項目的安裝位置是由機械結構和工作要求決定的，如電動機要與被拖動的機械部件在一起；行程開關應放在要取得信號的地方；操作元件放在便于操作的地方；一般電氣元件應放在控制柜內等。另外，圖中各項目的文字符號必須與有關電路圖中的符號相同。

3）電器接線圖 電器接線圖是實際接線的依據和準則，也是檢查電路和維修不可或缺的技術文件。根據表達對象和用途的不同，接線圖有單元接線圖、互連接線圖和端子接線圖等。圖中一般表示的內容有項目的相對位置、項目代號、端子號、導線號、導線截面積、屏蔽或導線膠合等。

繪制接線圖時應把各電氣元件的各個部分（如觸頭與線圈）畫在一起；文字符號、元件連接順序、線路號碼編制都必須與電路圖一致。

接線圖上所有表示的電氣連接，一般并不表示其實際的走線，在實際配線時，由操作者根據經驗選擇最佳途徑。

3. 繪制電路圖的基本規則

下面結合圖1-38說明繪制電路圖的基本規則。

（1）電路圖一般分為主電路和輔助電路兩部分。主電路就是從電源到電動機定子繞組的大電流通過的路徑，用粗實線表示，畫在圖的左邊（或上邊）；輔助電路包括控制電路、照明電路、信號電路及保護電路等（也有主、控等電路的分法），它由接觸器的線圈和輔助觸頭、按鈕、照明燈等電氣元件組成，用細實線表示，畫在圖的右邊（或下邊）。

（2）電路圖中，各電氣元件都采用國家規定的統一標準的圖形符號來畫，文字符號也必須符合國家標準。屬于同一電器的線圈和觸頭，都要用同一文字符號表示。當使用多個相同類型的電器時，可在文字符號后加注阿拉伯數字序號來區分。

（3）電路圖中，各電氣元件的導電部件如線圈和觸頭的位置，應根據便于閱讀和分析的原則來安排，繪在它們完成作用的地方。同一電器元件的各個部件可以不畫在同一部分電路中，此時應用文字符號來統一識別。

（4）電路圖中，所有電器的觸頭符號都應按沒有通電或沒有外力作用時的分斷或閉合狀態畫出，如接觸器的觸頭按其線圈未通電時的狀態來畫；按鈕的觸頭按其不受外力作用時的狀態來畫；控制器按手柄處于零位時的狀態來畫等。

（5）圖面區域的劃分（見圖1-38）。圖中下方的自然數列是圖區橫向編號，它是為了便于檢索電氣線路，方便閱讀分析而劃分的區域。圖中上方對應下方區域的文字，表明下方對應區域中的元件或電路的功能，以利于理解全電路的工作原理。

（6）在電路圖中的接觸器或繼電器線圈的下方，給出了每個電器所有觸頭的位置符號圖。圖中的符號“×”表示未使用的觸頭；對于接觸器的觸頭位置符號圖有3個區域，左欄為主觸頭所在圖區號，中欄為輔助常開觸頭所在圖區號，右欄為輔助常閉觸頭所在圖區號。而對于繼電器的觸頭位置符號圖只有兩個區域，左欄為常開觸頭所在圖區號，右欄為常閉觸頭所在圖區號。

小結

本章主要介紹了接觸器、繼電器、低壓斷路器、刀開關、保護及主令電器等常用低壓電器的基本結構、工作原理及其主要參數、型號與圖形符號。電氣元件的技術參數是選用的主要依據，需要時可查閱產品樣本和電工手冊。

思考題

（1）拆裝常用低壓電器，了解其結構和各部件的作用。

（2）滅弧的基本原理是什么？低壓電器常用的滅弧方法有哪幾種？

（3）熔斷器有哪些用途？一般應如何選用？在電路中應如何連接？

（4）刀開關、萬能轉換開關的作用是什么？它們分別如何選擇？

（5）交流接觸器主要由哪些部分組成？在運行中，交流接觸器有時會產生很大的噪聲，試分析產生該故障的原因。

（6）交流電磁線圈誤接入直流電源，或者直流電磁線圈誤接入交流電源，會出現什么情況？為什么？

（7）交流接觸器的主觸頭、輔助觸頭和線圈各接在什么電路中？應如何連接？

（8）什么是繼電器？它與接觸器的主要區別是什么？在什么情況下，可用中間繼電器代替接觸器起動電動機？

（9）空氣阻尼式時間繼電器是利用什么原理達到延時目的的？如何調整延時時間的長短？

（10）熱繼電器有何作用？如何選用熱繼電器？在實際使用中應注意哪些問題？

（11）兩相熱繼電器和三相熱繼電器能互相代替使用嗎？為什么？

（12）低壓斷路器具有哪些脫扣裝置？試分別敘述其功能。

（13）什么是速度繼電器？其作用是什么？速度繼電器內部的轉子有什么特點？若其觸頭過早動作，應如何調整？