第1 章 常用低压电器.pdf

第 1 章 常用低压电器 电器分为高压电器和低压电器。低压电器一般是指在交流 50Hz、额定电压 1200V、直流额定电压 1500V 及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。由于在大多数用电行业及人们的日常生活中一般都使用低压设备，采用低压供电。而低压供电的输送、分配和保护，以及设备的运行和控制是靠低压电器来实现的，因此低压电器的应用十分广泛，直接影响低压供电系统和控制系统的质量。本章主要介绍用于电力拖动及控制系统领域中的常用低压电器。1.1 概 述 低压电器是构成控制系统最常用的器件，了解它的分类、作用和用途，对设计、分析和维护控制系统都是十分必要的。1.1.1 电器的分类 电器的用途广泛，功能多样，种类繁多，结构各异，工作原理也各有不同。电器有多种分类方法：按工作电压的等级可分为高压电器和低压电器；按动作原理可分为手动电器和自动电器；按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器；按用途可分为以下几类。1)配电电器 配电电器主要用于供、配电系统中，进行电能输送和分配。这类电器有刀开关、自动开关、隔离开关、转换开关以及熔断器等。对这类电器的主要技术要求是分断能力强，限流效果好，动稳定及热稳定性能好。2)控制电器 控制电器主要用于各种控制电路和控制系统。这类电器有接触器、继电器、转换开关、电磁阀等。对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力，操作频率要高，电器和机械寿命要长。3)主令电器 主令电器主要用于发送控制指令。这类电器有按钮、主令开关、行程开关和万能转换开关等。对这类电器的主要技术要求是操作频率要高，抗冲击，电器和机械寿命要长。4)保护电器 保护电器主要用于对电路和电气设备进行安全保护。这类低压电器有熔断器、热继电器、安全继电器、电压继电器、电流继电器和避雷器等。对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力，反应要灵敏，可靠性要高。5)执行电器 执行电器主要用于执行某种动作和传动功能。这类低压电器有电磁铁、电磁离合器等。随着电子技术和计算机技术的进步，近几年又出现了利用集成电路或电子元件构成的电器与 PLC 控制技术 2 2 电子式电器，利用单片机构成的智能化电器，以及可直接与现场总线连接的具有通信功能的电器。1.1.2 电器的作用 电器是构成控制系统的最基本元件，它的性能将直接影响控制系统能否正常工作。电器能够依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动地改变系统的状态、参数，实现对电路或被控对象的控制、保护、测量、指示、调节。它的工作过程是将一些电量信号或非电信号转变为非通即断的开关信号或随信号变化的模拟量信号，实现对被控对象的控制。电器的主要作用如下。(1)控制作用。如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。(2)保护作用。能根据设备的特点，对设备、环境以及人身安全实行自动保护，如电动机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。(3)测量作用。利用仪表及与之相适应的电器，对设备、电网或其他非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度、压力等。(4)调节作用。低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如电动机速度的调节、柴油机油门的调整、房间温度和湿度的调节、光照度的自动调节等。(5)指示作用。利用电器的控制、保护等功能，显示检测出的设备运行状况与电气电路工作情况。(6)转换作用。在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行。以实现功能切换，如被控装置操作的手动与自动的转换、供电系统的市电与自备电源的切换等。当然，电器的作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能、新设备会不断出现。常用低压电器的主要种类及用途见表 l-1。表 1-1 常用低压电器的主要种类及用途表 序 号 类 别 主要品种 主要用途 框架式断路器 塑料外壳式断路器 快速直流断路器 限流式断路器 1 断路器 漏电保护式断路器 主要用于电路的过负载、短路、欠电压、漏电保护，也可用于不需要频繁接通和断开的电路 交流接触器 2 接触器 直流接触器 主要用于远距离频繁控制负载，切断带负荷电路 电磁式继电器 时间继电器 温度继电器 热继电器 速度继电器 3 继电器 干簧继电器 主要用于控制电路中，将被控量转换成控制电路所需电量或开关信号 瓷插式熔断器 螺旋式熔断器 有填料封闭管式熔断器 无填料封闭管式熔断器 快速熔断器 4 熔断器 自复式熔断器 主要用于电路短路保护，也用于电路的过载保护 第 1 章 常用低压电器 33(续)序 号 类 别 主要品种 主要用途 控制按钮 位置开关 万能转换开关 5 主令电器 主令控制器 主要用于发布控制命令，改变控制系统的工作状态 胶盖闸刀开关 封闭式负荷开关 6 刀开关 熔断器式刀开关 主要用于不频繁地接通和分断电路 组合开关 7 转换开关 换向开关 主要用于电源切换，也可用于负荷通断或电路切换 凸轮控制器 8 控制器 平面控制器 主要用于控制回路的切换 电磁起动器 星/三角起动器 9 起动器 自耦减压起动器 主要用于电动机的启动 制动电磁铁 起重电磁铁 10 电磁铁 牵引电磁铁 主要用于起重、牵引、制动等场合 1.2 电磁式电器结构及工作原理 电磁式电器是低压电器中最典型也是应用最广泛的一种电器。控制系统中的接触器和继电器就是两种最常用的电磁式电器。虽然电磁式电器的类型很多，但它的工作原理和构造基本相同。其结构大都是由两个主要部分组成，即感应部分(电磁机构)和执行部分(触头系统)。1.2.1 电磁机构原理 1电磁机构 电磁机构由线圈、铁心和衔铁组成，主要作用是通过电磁感应原理将电能转换成机械能，带动触头动作，完成接通或分断电路的功能。根据衔铁相对铁心的运动方式，电磁机构可分为直动式和拍合式两种，如图 1.1 及图 1.2 所示。在图 1.2 中，拍合式又分为衔铁沿棱角转动和衔铁沿轴转动两种。图 1.1 直动式电磁机构 图 1.2 拍合式电磁机构 1衔铁；2铁心；3吸引线圈 1衔铁；2铁心；3吸引线圈 电器与 PLC 控制技术 4 4 直动式电磁机构多用于交流接触器、继电器中。衔铁沿棱角转动的拍合式电磁机构广泛应用于直流电器中。衔铁沿轴转动的拍合式电磁机构的铁心形状有 E 形和 U 形两种，多用于触头容量大的交流电器中。电磁式电器分为直流和交流两类，都是利用电磁铁的原理而制成。通常，直流电磁铁的铁心是用整块钢材或工程纯铁制成，而交流电磁铁的铁心则是用硅钢片叠铆而成。2吸引线圈 吸引线圈的作用是将电能转换为磁能。按通入电流种类不同可分为直流型线圈和交流型线圈。直流型线圈一般做成无骨架、高而薄的瘦高型，使线圈与铁心直接接触，易于散热；交流型线圈由于铁心存在磁滞和涡流损耗，铁心会发热。为了改善线圈和铁心的散热情况，线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离，并将线圈制成短而厚的矮胖型。另外，根据线圈在电路中的连接形式，可分为串联线圈和并联线圈。串联线圈主要用于电流检测类电磁式电器中，大多数电磁式电器线圈都按照并联接入方式设计。为减少对电路电压分配的影响，串联线圈采用粗导线制造，匝数少，线圈的阻抗较小。并联线圈为减少电路的分流作用，需要较大的阻抗，一般线圈的导线细，匝数多。1.2.2 电磁吸力及其特性 电磁吸力由电磁机构(如图 1.3 所示)产生。当电磁线圈断电时使触点恢复常态的力称为反力。电磁电器中反力由复位弹簧和触头产生，衔铁吸合时要求电磁吸力大于反力，衔铁复位时要求反力大于电磁吸力(此时是剩磁产生的电磁吸力)。电磁式电器是根据电磁铁的基本原理设计的，电磁吸力是决定其能否可靠工作的一个重要参数。电磁吸力 FB2S(B 为气隙磁感应强度)，可由式(1-1)表示。222SFI N02=(1-1)式中：I线圈中通过的电流(A)；N线圈的匝数(匝)；S气隙截面积(m2)；气隙宽度(m)；F电磁吸力(N)；0真空磁导率，0410-7H/m。1直流电磁机构的电磁吸力特性 从式(1-1)可以看出，对于固定线圈通以恒定直流电流时，其电磁力 F 仅与2成反比。吸力特性曲线如图 1.4 所示。由此看出，衔铁闭合前后吸力很大，气隙越小，吸力越大。但衔铁吸合前后吸引线圈励磁电流不便，故直流电磁机构适用于运动频繁的场合，且衔铁吸合后电磁吸力大，工作可靠。但是对于依靠弹簧复位的电磁铁来说，在线圈断电时，由于剩磁产生吸力，使复位比较困难，会造成一些保护用继电器的性能不能满足要求。在吸力较小的直流电压型电器中，衔铁上一般都装有一片 0.lmm 厚非磁性磷钢片，增加在吸合时的空气间隙，使衔铁易于复位。在吸力较大的直流电压型电器中，如直流接触器，铁心的端面上加有极靴，减小在闭合状态下的吸力，使衔铁复位自如。第 1 章 常用低压电器 55 图 1.3 电磁机构 图 1.4 电磁吸力特性 1直流电磁机构 2交流电磁机构 3反力特性 2交流电磁机构的电磁吸力特性 与直流电磁机构相比，交流电磁机构的吸力特性有较大的不同。交流电磁机构多与电路并联使用，当外加电压 U 及频率 f 为常数时，忽略线圈电阻压降。UE4.44 fN (1-2)式中：U 线圈电压(V)；E 线圈感应电动势(V)；f线圈电压的频率(Hz)；N 线圈匝数；气隙磁通(Wb)。当外加电压 U、频率 f 和线圈匝数 N 为常数时，则气隙磁通也为常数，由式(1-1)可知电磁吸力 FB2S 也为常数，即交流电磁机构的吸力特性为一条与气隙长度无关的直线。实际上，考虑衔铁吸合前后漏磁的变化时，F 随 的减小而略有增加。对于并联电磁机构，由磁路欧姆定律 NIRm 可知(Rm 为气隙磁阻，随 的变化成正比变化)，在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，吸合电流随 的变化成正比变化，为衔铁吸合后的额定电流的很多倍，U 形电磁机构可达 56 倍，E 形电磁机构可达 1015 倍。若衔铁卡住不能吸合，或衔铁频繁动作，交流励磁线圈很可能因电流过大而烧毁。所以，在可靠性要求较高或要求频繁动作的控制系统中，一般采用直流电磁机构而不采用交流电磁机构。电磁机构的复位是依靠弹簧的弹力实现的，因此在吸合过程中，电磁吸力必须克服弹簧的弹力 Fr。电磁吸力 F 与弹力 Fr相比应大一些，但不宜相差太大。对于交流电磁机构，由于电流是交变的，吸力也是脉动的，电流为 0 时，吸力也为 0。所以 50Hz 的电源加在线圈上时，吸力为 100Hz 的脉动吸力。当脉动的吸力 F 小于弹力 Fr时，衔铁将在弹簧的作用下移动，而当吸力 F 大于弹力 Fr时，衔铁将克服弹簧力而吸合。如此周而复始，使衔铁产生振动，发出噪声，不能正常工作。实际吸力曲线如图 1.5 所示。解决该问题的具体办法是在铁心端部开一个槽，槽内嵌入称为短路环(或称分磁环)的铜环，如图 1.6 所示。当励磁线圈通入交流电后，在短路环中就有感应电流产生，该感应电流又会产生一个磁通。短路环把铁心中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的1和穿过短路环的中2，由于短路的作用，使1与2产生相移，即不同时为零，使合成吸力始终大于反作用力，从而消除了振动和噪声。电器与 PLC 控制技术 6 6 图 1.5 交流电磁机构实际吸力曲线 图 1.6 交流电磁铁的短路环 1衔铁 2铁心 3线圈 4短路环 3反力特性 电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。图 1.4 中所示曲线 3 即为反力特性曲线。为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好，如图 1.4 所示。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，但不能过大或过小。吸力过大，动、静触头接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹跳，导致触头熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命；吸力过小，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当。在实际应用中，可调整反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好配合。1.2.3 电弧的产生及灭弧方法 1电器的触头 触头是电磁式电器的执行部分，起接通或断开电路的作用。触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。电磁式电器触头在线圈未通电状态时有常开(或动合)和常闭(或动断)两种状态，分别称为常开(或动合)触头和常闭(或动断)触头。当电磁线圈有电流通过，电磁机构动作时，触头改变原来的状态，常开(动合)触头将闭合，使与其相连的电路接通；常闭(动断)触头将断开，使与其相连的电路断开。能与机械联动的触头称动触头，固定不动的触头称静触头。触头的结构主要有如图 1.7 所示的几种形式。(1)桥式触头。电磁式电器通常同时具有常开和常闭两种触头，桥式常闭触头与常开触头结构及动作对称，一般在常开触头闭合时，常闭触头断开。图 1.7 中静触头的两个触点串接于同一条电路中，当衔铁被吸向铁心时，与衔铁固连在一起的动触头也随着移动，当与静触头接触时，便使同静触头相连的电路接通。电路的接通与断开由两个触头共同完成。(2)指形触头。触头接通或分断时产生滚动摩擦，以利于去掉触头表面的氧化膜。指形触头适用于接电次数多、电流大的场合。2电接触 触头在闭合状态下，动、静触头完全接触，并有电流通过时，称为电接触。电接触时触头的接触电阻大小将影响其工作情况。接触电阻大时触头易发热，温度升高，从而使触第 1 章 常用低压电器 77头易产生熔焊现象，既影响工作的可靠性，又降低了触头的寿命。触头接触电阻的大小主要与触头的接触形式、接触压力、触头材料及触头的表面状况有关。(a)桥式触头 (b)桥式触头 (c)指形触头(线接触)图 1.7 触头的结构形式 触头的接触形式有点接触、线接触和面接触 3 种，如图 1.8 所示。点接触适用于电流不大，触头压力小的场合；线接触适用于接电次数多，电流大的场合；面接触适用于大电流的场合。(a)点接触 (b)线接触 (c)面接触 图 1.8 触头的接触形式 减小触头接触电阻的方法主要如下。(1)增加接触压力可使触点的接触面积增加，从而减小接触电阻。一般在动触点上安装一个触点弹簧。(2)选择电阻系数小的材料减小接触电阻。如在触点上镀银或嵌银，以减小接触电阻。(3)改善触点的表面状况，尽量避免或减少触头表面氧化物形成，注意保持触头表面清洁，避免聚集尘埃。3电弧的产生 在大气中断开电路时，如果被断开电路的电流超过某一数值，断开后加在触头间隙(或称弧隙)两端电压超过某一数值时，触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象，会产生高温并发出强光，将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故，因此，在电器中应采取适当措施熄灭电弧。4常用的灭弧方法(1)电动力灭弧。该方法如图 l.9 所示。桥式触头在分断时具有电动力吹弧功能。当触头打开时，在断口中产生电弧，同时也产生如图 1.9 所示的磁场。根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的力 F 的作用，使其向外运动并拉长，迅速离开触头而熄灭。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器等交流电器中。(2)磁吹灭弧。在触点电路中串入吹弧线圈，如图 1.10 所示。该线圈产生的磁场由导磁夹板引向触点周围，其方向由右手定则确定(为图 1.10 中所示)，触点间的电弧所产生的电器与 PLC 控制技术 8 8 磁场，其方向为和所示。这两个磁场在电弧下方方向相同(叠加)，在弧柱上方方向相反(相减)，所以弧柱下方的磁场强于上方的磁场。在下方磁场作用下，电弧受力的方向为 F所指的方向，在 F 的作用下，电弧被吹离触点，经引弧角引进灭弧罩，使电弧熄灭。图 1.9 电动力灭弧示意图 图 1.10 磁吹灭弧示意图 1静触头 2动触头 1磁吹线圈 2绝缘套 3铁心 4引弧角 5磁导夹板 6灭弧罩 7动触头 8静触头 (3)栅片灭弧。灭弧栅是一组薄钢片，它们彼此间相互绝缘，如图 1.11 所示。当电弧进入栅片时被分割成一段段串联的短弧，而栅片就是这些短弧的电极，这样就使每段短弧上的电压达不到燃弧电压。同时每两片灭弧片之间都有 150V250V 的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，以致外加电压无法维持，电弧迅速熄灭。此外，栅片还能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却。基于上述原因，电弧进入栅片后就会很快熄灭。由于栅片灭弧装置的灭弧效果在电流为交流时要比直流时强得多，因此在交流电器中常采用栅片灭弧。(4)窄缝灭弧。这种灭弧方法是利用灭弧罩的窄缝来实现的。灭弧罩内有一个或数个纵缝，缝的下部宽，上部窄，如图 1.12 所示，当触头断开时，电弧在电动力的作用下进入缝内，窄缝可将电弧柱分成若干直径较小的电弧，同时可将电弧直径压缩，使电弧同缝紧密接触，加强冷却和去游离作用，使电弧熄灭加快。灭弧罩通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。图 1.11 栅片灭弧示意图 图 1.12 窄缝灭弧罩的断面 1灭弧栅片 2触头 3电弧 第 1 章 常用低压电器 991.3 电磁式接触器 接触器是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或分断交直流负载电路，并可实现中远距离控制。其主要控制对象是电动机，也可用于电热设备、电焊机、电容器组等其他设备。它还具有低电压释放保护功能。接触器具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制电路中使用最广泛的电器元件之一。接触器按操作方式分为电磁接触器、气动接触器和电磁气动接触器；按灭弧介质分为空气电磁接触器、油浸式接触器和真空接触器等。最常用的分类是按照接触器主触头控制的电路种类来划分，即将接触器分为交流接触器和直流接触器两大类。1.3.1 接触器的结构及原理 1交流接触器的结构 图 1.13 为交流接触器结构示意图，交流接触器由以下 4 部分组成。(1)电磁机构。电磁机构由线圈、动铁心(衔铁)和静铁心组成，其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力，带动触头动作。(2)触头系统。包括主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，通常为 3 对常开触头。辅助触头用于控制电路，起控制其他元件接通或分断及电气联锁作用，故又称联锁触头，一般有多对常开、常闭触头。(3)灭弧装置。容量在 10A 以上的接触器都有灭弧装置，对于小容量的接触器，常采用双断口触头灭弧、电动力灭弧、相间弧板隔弧及陶土灭弧罩灭弧。对于大容量的接触器，采用窄缝灭弧及栅片灭弧。(4)其他辅助部件。包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构、支架及外壳等。图 1.13 交流接触器结构 1动触头 2静触头 3衔铁 4弹簧 5线圈 6铁心 7垫毡 8触头弹簧 9灭弧罩 10触头压力弹簧 电器与 PLC 控制技术 10 10 2电磁式接触器的工作原理 当线圈得电后，在铁心中产生磁通及电磁吸力，衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，同时带动动触头移动，使常闭触头打开，常开触头闭合。当线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔铁释放，触头机构复位，断开电路或解除互锁。直流接触器的结构和工作原理与交流接触器基本相同，接触器的图形符号如图 1.14 所示，文字符号为 KM。(a)线圈 (b)常开触头 (c)常闭触头 图 1.14 接触器的图形符号 3直流接触器 直流接触器的结构和工作原理基本上与交流接触器相同，结构上也是由电磁机构、触头系统和灭弧装置等部分组成，但在电磁机构方面有所不同。由于直流电弧比交流电弧难以熄灭，直流接触器常采用磁吹式灭弧装置灭弧。1.3.2 接触器的主要技术参数 接触器的主要技术参数有极数和电流种类，额定电压、额定电流、额定通断能力、线圈额定电压、允许操作频率、寿命、使用类别等。(1)接触器的极数和电流种数。按接触器主触头的个数确定其极数，有两极、三极和四极接触器；按主电路的电流种类分有交流接触器和直流接触器。(2)额定工作电压。指主触头之间正常工作电压值，也就是主触头所在电路的电源电压。直流接触器的额定电压有 110V、220V、440V、660V；交流接触器的额定电压有 220V、380V、500V、660V 等。(3)额定电流。接触器触头在额定工作条件下的电流值。直流接触器的额定电流有 40A、80A、100A、150A、250A、400A 及 600A；交流接触器的额定电流有 10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A 及 600A。(4)通断能力。指接触器主触头在规定条件下能可靠接通和分断的电流值。在此电流值下接通电路时，主触头不应造成熔焊。在此电流值下分断电路时，主触头不应发生长时间燃弧。一般通断能力是额定电流的 510 倍。这一数值与开断电路的电压等级有关，电压越高，通断能力越小。(5)线圈额定电压。指接触器正常工作时线圈上所加的电压值。选用时，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但对动作频繁的交流负载可采用使用直流线圈的交流接触器。(6)操作频率。指接触器每小时允许操作次数的最大值。(7)寿命。包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次以上，电气寿命约是机械寿命的 5%20%。第 1 章 常用低压电器 1111(8)使用类别。接触器用于不同负载时，其对主触头的接通与分断能力要求不同，按不同使用条件来选用相应使用类别的接触器便能满足其要求。根据低压电器基本标准的规定，接触器的使用类别比较多，其中，用于电力拖动控制系统中的接触器常见的使用类别及典型用途见表 l-2。表 1-2 接触器使用类别及典型用途 电流种类 使用类别 典型用途 AC(交流)AC1 AC2 AC3 AC4 无感或微感负载、电阻炉 绕线式电动机的启动和中断笼型电动机的启动和中断 笼型电动机的启动、反接制动、反向和点动 DC(直流)DC1 DC2 DC3 无感或微感负载、电阻炉 并励电动机的启动、反接制动、反向和点动 串励电动机的启动、反接制动、反向和点动 1.3.3 接触器的型号 接触器的型号表示如图 1.15 所示。图 1.15 接触器型号 例如 CJ10Z40/3 为交流接触器，设计序号 10，重任务型，额定电流 40A，主触头为3 极。CJ12T250/3 为改型后的交流接触器，设计序号 12，额定电流 250A，3 个主触头。我国常用的交流接触器主要有 CJ10、CJ12、CJXI、CJ20 等系列及其派生系列产品。直流接触器有 CZ18、CZ21、CZ22、CZ10 和 CZ2 等系列。除以上常用系列外，我国近年来还引进了一些生产线，生产了一些满足 IEC 标准的交流接触器，例如 CJ12BS 系列锁扣接触器，主要用于交流 50Hz、电压 380V 及以下、电流 600A 及以下的配电电路中，供远距离接通和分断电路用，并适宜于不频繁启动和停止的交流电动机，具有正常工作时吸引线圈不通电、无噪声等特点。其锁扣机构位于电磁系统的下方。锁扣机构靠吸引线圈自通电，吸引线圈断电后靠锁扣机构保持在锁住位置。引进的产品应用较多的有德国西门子公司的 3TB 系列和 BBC 公司的 B 系列，法国 TE电器与 PLC 控制技术 12 12 公司的 LC1 系列等，主要供远距离接通和分断电路，并适用于频繁启动及控制交流电动机。3TB 系列产品具有结构紧凑、机械寿命和电气寿命长、安装方便、可靠性高等特点，额定电压为 220V660V，额定电流为 9A630A。常用交流接触器主要技术数据见表 l-3。表 1-3 常用交流接触器主要技术数据 主触头 辅助触头 线圈 可控制电器的最大功率/kW 型号 对数 额定电流/A 额定电压/V 对数 额定电流/A 额定电压/V 电压/V 功率/kW 220V 380V 额定操作频率/(次/h)CJ0-10 3 10 14 2.5 4 CJ0-20 3 20 33 5.5 10 CJ0-40 3 40 33 11 20 CJ0-75 3 75 55 22 40 CJ10-10 3 10 11 2.2 4 CJ10-20 3 20 22 5.5 10 CJ10-40 3 40 32 11 20 CJ10-60 3 60 380 2 个常开 2 个常闭 5 380 36 110(127)220 380 70 17 30 600 1.3.4 接触器的选用(1)触器极数与电流种类的确定。接触器由主电路电流种类来决定选择直流接触器还是交流接触器。三相交流系统中一般选用三极接触器，当需要同时控制中性线时，则选用四极交流接触器。单相交流和直流系统中常选用两极或三级并联，一般场合选用电磁式接触器，易燃易爆场合应选用防爆型及真空接触器。(2)根据接触器所控制的负载的类型选择相应使用类别的接触器。如负载是一般任务则选用 AC3 类别；负载为重任务则应选用 AC4 类别；如负载是一般任务与重任务混合时，则可根据实际情况选用 AC3 或 AC4 类接触器；如选 AC3 类别时，应降级使用。(3)根据负载功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。当接触器使用类别与所控制负载的工作任务相对应时，一般按控制负载电流值来决定接触器主触头的额定电流值；若不对应，应降低接触器主触头电流等级使用。(4)根据接触器主触头接通与分断主电路电压等级来决定接触器的额定电压。(5)接触器吸引线圈的额定电压应由所连接的控制电路确定。(6)接触器的触头数(主触头和辅助触头)和种类(常开或常闭)应满足主电路和控制电路的要求。1.4 电磁式继电器 继电器是一种通过监测各种电量或非电量信号，接通或断开小电流控制电路的电器。它可以实现控制电路状态的改变。与接触器不同，继电器不能用来直接接通和分断负载电第 1 章 常用低压电器 1313路，而主要用于电动机或线路的保护以及生产过程自动化的控制。一般来说，继电器通过测量环节输入外部信号(如电压、电流等电量或温度、压力。速度等非电量)并传递给中间机构，将它与整定值(即设定值)进行比较，当达到整定值时(过量或欠量)，中间机构就使执行机构产生输出动作，从而闭合或分断电路，达到控制电路的目的。继电器的种类很多，根据不同分类方法，主要有以下分类。(1)按用途分为控制继电器、保护继电器。(2)按动作原理分为电磁式继电器、感应式继电器、热继电器、机械式继电器、电动式继电器、电子继电器。(3)按输入信号分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器、温度继电器。(4)按动作时间分为瞬时继电器、延时继电器。在控制系统中，使用最多的是电磁式继电器。本节主要介绍电磁式电压、电流继电器、时间继电器、中间继电器。继电器的主要技术参数包括额定参数、吸合时间和释放时间、整定参数(继电器的动作值，大部分控制继电器的动作值是可调的)、灵敏度(一般指继电器对信号的反应能力)、触头的接通和分断能力、使用寿命等。1.4.1 电磁式继电器的结构与特性 1结构与工作原理 电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁系统、触头系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图 l.16 所示。由于继电器用于控制电路，流过触头的电流比较小(一般 5A 以下)，故不需要灭弧装置。电磁式继电器的图形、文字符号如图 l.17所示。常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继电器。图 1.16 电磁式继电器原理图 图 1.17 电磁式继电器的图形、文字符号 1铁心 2旋转棱角 3释放弹簧 4调节螺母 5衔铁 6动触头 7静触头 8非磁性垫片 9线圈 2电磁式继电器的特性 继电器的主要特性是输入输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图 1.18 所示。当继电器输入量 X 由 0 增至 X2以前，继电器输出量 Y 为零。当输入量增加到 X2时，继电器电器与 PLC 控制技术 14 14 吸合，输出量为 Y1，若再增大 X，Y 保持不变。当 X 小到 X1，继电器释放，输出量由 Y1到零，X 再减小，Y 值均为 0。图 1.18 中，X2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于 X2；X1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于 X1。图 1.18 继电特性曲线图 KfX1/X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。Kf值是可以调节的，可通过调节释放弹簧的松紧程度(拧紧时，X1与 X2同时增大，Kf也随之增大；放松时，Kf减小)或调整铁心与衔铁间非磁性垫片的厚度(增厚时 X1增大、Kf增大；减薄时 Kf减小)来达到。不同场合要求不同的 Kf值。例如一般继电器要求低的返回系数，Kf值应在 0.10.4 之间，这样当继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作；欠电压继电器则要求高的返回系数，Kf值在 0.6 以上。设某继电器 Kf0.66，吸合电压为额定电压的 90%，则电压低于额定电压的 50%时，继电器释放，起到欠电压保护作用。另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为 0.05s0.15s，快速继电器为 0.005s0.05s，它的大小影响继电器的操作频率。1.4.2 电压继电器 根据线圈两端电压的大小通断电路的继电器称为电压继电器。电压继电器的线圈并接在电路上，对所接电路上的电压高低作出反应，用于控制系统的电压保护和控制。电压继电器分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。1过电压继电器 过电压继电器用于电路的过电压保护，其吸合整定值为被保护电路额定电压的 1.051.2倍。在额定电压工作时，衔铁不动作；当被保护电路的电压高于额定值，达到过电压继电器的整定值时，衔铁吸合，触头机构动作，控制电路失电，控制接触器及时分断被保护电路。由于直流电路中不会产生波动较大的过电压现象，所以在产品中没有直流过电压继电器。过电压继电器的符号如图 1.19 所示。2欠电压继电器 欠电压继电器用于电路的欠电压保护，其释放整定值为电路额定电压的 0.10.6 倍。在额定电压工作时，衔铁可靠吸合；当被保护电路电压降至欠电压继电器的释放整定值时，衔铁释放，触头机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。欠电压继电器的符号如图 1.20 所示。第 1 章 常用低压电器 1515 图 1.19 过电压继电器符号 图 1.20 欠电压继电器符号 3零电压继电器 零电压继电器在额定电压下也吸合，当线圈电压达到额定电压的 5%25%时释放。对电路实现零电压保护，常用于电路的失压保护。1.4.3 电流继电器 根据线圈中电流的大小通断电路的继电器称为电流继电器。电流继电器用于电力拖动系统的电流保护和控制。其线圈串联接入主电路，用来感测主电路的电流；触头接入控制电路，为执行元件。常用的电流继电器有过电流继电器和欠电流继电器两种。1过电流继电器 过电流继电器用于电路的过流保护。过电流继电器在电路正常工作时不动作，整定范围通常为额定电流的 1.14 倍，当被保护电路的电流高于额定值，达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触头机构动作，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路，对电路起过电流保护作用。过电流继电器的符号如图 1.21 所示。2欠电流继电器 欠电流继电器用于电路的欠电流保护。吸引电流为线圈额定电流 30%65%，释放电流为额定电流 10%20%，因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。欠电流继电器的符号如图 1.22 所示。图 1.21 过电流继电器符号 图 1.22 欠电流继电器符号 1.4.4 时间继电器 从得到输入信号(即线圈通电或断电)开始，经过一定的延时后才输出信号(延时触点状态变化)的继电器，称为时间继电器。时间继电器可分为通电延时型和断电延时型。通电延时型是当接受输入信号后延迟一定时间，输出信号才发生变化；当输入信号消失后，输出瞬时复原。断电延时型是当接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号；当输入信号消失电器与 PLC 控制技术 16 16 后，延迟一定的时间，输出信号才复原。时间继电器种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等。目前用得最多的是电子式，将在 1.10 作详细介绍，这里介绍利用电磁原理工作的两种时间继电器。1直流电磁式时间继电器 直流电磁式时间继电器在铁心上有一个阻尼铜套。其结构如图 1.23 所示。图 1.23 直流电磁式时间继电器结构 1阻尼铜套 2释放弹簧 3调节螺母 4调节螺钉 5衔铁 6非磁性垫片 7电磁线圈 由电磁感应定律可知，在继电器线圈通断电过程中铜套内将产生感应电动势，同时有感应电流存在，此感应电流产生的磁通阻碍穿过铜套内的原磁通变化，因而对原磁通起了阻尼作用。当继电器通电吸合时，由于衔铁处于释放位置，气隙大，磁阻大，磁通小，铜套阻尼作用也小，因此铁心吸合时的延时不显著，一般可忽略不计。当继电器断电时，磁通量的变化大，铜套的阻尼作用也大，使衔铁延时释放起到延时的作用。因此，这种继电器仅作为断电延时用。其延时动作触点有延时打开常开触点和延时闭合常闭触点两种。这种时间继电器的延时时间较短，而且准确度较低，一般只用于延时精度要求不高的场合。2空气阻尼式时间继电器 空气阻尼式时间继电器利用空气阻尼原理达到延时的目的。它由电磁机构、延时机构和触点组成。其中电磁机构有交流、直流两种；延时方式有通电延时型和断电延时型，两种继电器原理和结构均相同，只是将其电磁机构翻转 180安装。当衔铁位于铁心和延时机构之间时为通电延时型；当铁心位于衔铁和延时机构之间时为断电延时型。JS7A 系列时间继电器结构如图 1.24 所示。现以通电延时型为例说明其工作原理。当线圈 1 得电后衔铁 3 吸合，活塞杆 6 在塔形弹簧 8 作用下带动活塞 12 及橡皮膜 10 向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄，形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小来决定。经一段延时后，活塞杆通过杠杆 7 压动微动开关 15，使其触点动作，起到通电延时作用。当线圈断电时，衔铁释放，橡皮膜下方空气室内的空气通过活塞肩部所形成的单向阀第 1 章 常用低压电器 1717迅速排出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。由线圈得电至触点动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，其大小可以通过调节螺钉 13 调节进气孔气隙大小来改变。图 1.24 JS7A 系列时间继电器(空气阻尼式)结构图 l线圈 2铁心 3衔铁 4反力弹簧 5推板 6活塞杆 7杠杆 8塔形弹簧 9弱弹簧 10橡皮膜 11空气室壁 12活塞 13调节螺钉 14进气孔 15，16微动开关 在线圈通电和断电时，微动开关 16 在推板 5 的作用下都能瞬时动作，其触点即为时间继电器的瞬动触点。空气阻尼式时间继电器的优点是延时范围大、结构简单、寿命长、价格低廉。缺点是延时误差大，没有调节指示，很难精确地整定延时值。在延时精度要求高的场合不宜使用。时间继电器的图形符号如图 1.25 所示。图 1.25 时间继电器的图形符号 1.4.5 中间继电器 中间继电器实质上是一种电压继电器。它的特点是触头数量较多(可达 8 对)，触头容量较大(5A10A)，动作灵敏，在电路中起增加触头数量和起中间放大作用。由于中间继电器只要求线圈电压为零时能可靠释放，对动作参数无要求，故中间继电器没有调节装置。中间继电器的图形符号和文字符号如图 1.26 所示。电器与 PLC 控制技术 18 18 图 1.26 中间继电器的符号 1.5 热 继 电 器 在电磁式低压电器中，电压或电流是感测元件接受的信号。但在许多低压电器中，其感测元件接受的信号还有温度、转速位移及机械力等不同形式的非电量信号。常用的非电磁式继电器有热继电器、速度继电器、干簧继电器、永磁感应继电器等，其中热继电器最为常用。1.5.1 热继电器的作用及工作原理 1热继电器的作用 在电动机实际的运行中，常会遇到过载或欠电压情况，但只要不严重、时间短，电机绕组不超过允许的温度，这些情况是允许的。但若出现长期带负载欠电压运行、长期过载运行及长期断相运行等不正常情况时，就会加速电动机绝缘老化过程，缩短电动机的使用寿命，甚至会导致烧毁电动机绕组。为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，当电动机一旦出现长时间过载等情况，需要自动切断电路，从而出现了能随过载程度而改变动作时间的电