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主编：陈建明副主编：巫付专朱晓东熊军华电气控制与PLC应用（第一章）第1章常用低压电器掌握接触器、继电器、断路器、按钮开、开关、主令电器等常规控制电器的动作特点，并能够正确选择使用。学习目标：第1章常用低压电器教学内容：1.1概述1.2接触器1.3继电器1.4熔断器1.5低压开关与低压断路器1.6主令电器1.7低压电器的产品型号1.1概述电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用。在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。随着电子技术、自控技术和计算机应用的迅猛发展，一些电器元件可能被电子线路所取代，但是由于电器元件本身也朝着新的领域扩展（表现在提高元件的性能、生产新型的元件，实现机、电、仪一体化，扩展元件的应用范围等），且有些电器元件有其特殊性，故是不可能完全被取代的。返回电器是接通和断开电器或调节、控制和保护电器及电气设备用的电工器具。电器的功能多，用途广，品种规格繁多，为了系统地掌握，必须加以分类。1.按工作电压等级分（1）高压电器;（2）低压电器2.按动作原理分（1）手动电器;（2）自动电器3.按用途分（1）控制电器;（2）配电电器;（3）主令电器;（4）保护电器;（5）执行电器1.1.1电器的分类返回1.1.2电力拖动自动控制系统中常用的低压控制电器接触器：分交流接触器与直流接触器继电器：有电磁式继电器（如电压继电器、电流继电器、中间继电器）；时间继电器（分直流电磁式、空气阻尼式、半导体式等）；热继电器；干簧继电器；速度继电器等熔断器：分瓷插式、螺旋式、有填料封闭管式、无填料密闭管式、快速熔断器、自复式等低压断路器：分框架式、塑料外壳式、快速直流断路器、限流式、漏电保护器等位置开关：有直动式、滚动式、微动式等按钮、刀开关等返回1.1.3我国低压控制电器的发展概况现场总线系统的发展与应用将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置，给传统低压电器带来改革性变化。发展智能化可通信低压电器势在必行。其产品的特征是：产品中装有微处理器；产品带有通信接口，能与现场总线连接；采用标准化结构，具有互换性，采用模数化结构；保护功能齐全，具有外部故障记录显示、内部故障自诊断、进行双向通信等。返回1.2接触器接触器是电力拖动和自动控制系统中使用量大且面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护。返回1.2.1结构和工作原理接触器是利用电磁吸力的原理工作的。接触器主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成，结构简图如图1-1所示。1.电磁系统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。图1-1接触器结构简图1—主触头2—常闭辅助触头3—常开辅助触头4—动铁心5—电磁线圈6—静铁心7—灭弧罩8—弹簧1.2.1结构和工作原理作用在衔铁上的力有两个：电磁吸力与反力。电磁吸力由电磁机构产生，反力则由释放弹簧和触点弹簧所产生。电磁系统的工作情况常用吸力特性和反力特性来表示。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1-3所示。图1-3吸力特性与反力特性的配合1—直流电磁铁吸力特性2—交流电磁铁吸力特性3—反力特性1.2.1结构和工作原理2.触头系统触头是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头（线圈断电后所有触头复原）。图1-4触头结构形式图a）桥形触头b）指形触头1.2.1结构和工作原理3.灭弧装置常用的灭弧方法有：拉长电弧、冷却电弧和将电弧分段。常用的灭弧装置有:电动力灭弧、灭弧栅和磁吹灭弧。对于电弧较弱的接触器，只采用灭弧罩即可。交流接触器常用电动力灭弧和灭弧栅灭弧装置。直流接触器常用磁吹灭弧装置。图1-6电动力灭弧原理1—静触头2—动触头图1-6所示的是一种桥式结构双断口触头，当触头打开时，在断口处产生电弧，电弧电流在两电弧间产生图中以表示的磁场，跟据左手定则，电弧电流要产生一个指向外侧的电动力作用，使电弧向外运动并拉长，迅速穿越冷却介质而加快冷却并熄灭。1.2.1结构和工作原理4.接触器的工作原理当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常开触头断开，常闭触头闭合。图1-9接触器的图形、文字符号a）线圈b）主触头c）常开辅助触头d）常闭辅助触头1.2.2交、直流接触器的特点1.交流接触器交流接触器线圈通以交流电，主触头接通、分断交流主电路。通常采用短路环来解决交流电磁铁的振动问题。短路环的示意图如图1-10所示，其中S2为短路环内截面积，S1为环外截面积。短路环起到磁通分相的作用，把极面上的交变磁通分成两个交变磁通，并且使这两个磁通之间产生相位差，那么它们所产生的吸力间也有一个相位差，这样，两部分吸力就不会同时达到零值，当然合成后的吸力就不会有零值的时刻，如果使合成后的吸力在任一时刻都大于弹簧拉力，就消除了振动。2s1.2.2交、直流接触器的特点图1-10交流接触器铁心的短路环a）结构图b）电磁吸力图1.2.2交、直流接触器的特点2.直流接触器直流接触器线圈通以直流电流，主触头接通、切断直流主电路。对于250A以上的直流接触器往往采用串联双绕组线圈，如图1-11所示。图1-11直流接触器双绕组线圈接线图在电路刚接通瞬间，保持线圈被常闭触头短接，可使起动线圈获得较大的电流和吸力。当接触器动作后，常闭触头断开，两线圈串联通电，由于电源电压不变，所以电流减小，但仍可保持衔铁吸合，因而可以节电和延长电磁线圈的使用寿命。1.2.3接触器的主要技术参数与选用1.接触器的型号及代表意义1.2.3接触器的主要技术参数与选用2.接触器选用原则1.额定电压接触器的额定电压是指主触头的额定电压，应等于负载的额定电压。2.额定电流接触器的额定电流是指主触头的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流。3.电磁线圈的额定电压电磁线圈的额定电压等于控制回路的电源电压。4.触头数目接触器的触头数目应能满足控制线路的要求。5.额定操作频率接触器额定操作频率是指每小时接通次数。返回1.3继电器继电器主要用于控制与保护电路或作信号转换用。当输入量变化到某一定值时，继电器动作，其触头接通或断开交、直流小容量的控制回路。继电器的种类很多，常用的分类方法有：按用途分：有控制继电器和保护继电器。按动原理作分：有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器。按输入信号的不同来分：有电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。返回1.3.1电磁式继电器1.电磁式继电器的结构与工作原理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1-12电磁式继电器原理图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—线圈图1-13电磁式继电器图形、文字符号1.3.1电磁式继电器2.电磁式继电器的特性当继电器输入量由零增至以前，继电器输出量为零。当输入量增加到时，继电器吸合，输出量为，若再增大，值保持不变。当减小到时，继电器释放，输出量由降到零，再减小，值均为零。在图1-14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，欲使继图1-14继电特性曲线电器释放，输入量必须等于或小于X1。称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。21/XXk1.3.2热继电器热继电器是利用电流流过热元件时产生的热量，使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运动的保护及其他电器设备发热状态的控制。热继电器还常和交流接触器配合组成电磁起动器，广泛用于三相异步电动机的长期过载保护。在图1-15中发热元件1通电发热后，主双金属片2受热向左弯曲，推动导板3向左推动执行机构发生一定的运动。电流越大，执行机构的运动幅度也越大。当电流大到一定程度时，执行机构发生跃变，即触点发生动作从而切断主电路。1.3.2热继电器图1-15热继电器原理图1—热元件2—双金属片3—导板4—触头图1-17热继电器图形、文字符号a）发热元件b）常闭触点1.3.3时间继电器从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触头的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。时间继电器的延时方式有两种：通电延时：接受输入信号后延迟一定的时间，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：接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号。当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原。1.3.3时间继电器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阻尼作用而达到延时的目的。它由电磁机构、延时机构和触头组成。空气阻尼式时间继电器的电磁机构有交流、直流两种。延时方式有通电延时型和断电延时型（改变电磁机构位置，将电磁铁翻转1800安装）。当动铁心（衔铁）位于静铁心和延时机构之间位置时为通电延时型；当静铁心位于动铁心和延时机构之间位置时为断电延时型。JS7-A系列时间继电器如图1-18所示。1.3.3时间继电器图1-18JS7-A系列时间继电器原理图a）通电延时型b）断电延时形1－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—像皮膜11—空气室壁12—活塞13—调节螺钉14—进气孔15、16—微动开关1.3.3时间继电器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（动铁心）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，使其触头动作，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迅速地排出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。由线圈得电到触头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。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，其触头即为时间继电器的瞬动触头。1.3.3时间继电器时间继电器的图形及文字符号：1.3.3时间继电器电动机式时间继电器它由同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构组成，电动式时间继电器延时时间长，可达数十小时，延时精度高，但结构复杂，体积较大，常用的有JS10、JS11系列和7PR系列。电子式时间继电器早期产品多是阻容式，近期开发的产品多为数字式，又称计数式，其结构是由脉冲发生器、计数器、放大器及执行机构组成，具有延时时间长、调节方便、精度高的优点，有的还带有数字显示，应用很广，可取代阻容式、空气式、电动机式等时间继电器。我国生产的产品有JSJ系列和JS14P系列等。1.3.3时间继电器时间继电器的选用选用时间继电器时，首先应考虑满足控制系统所提出的工艺要求和控制要求，并根据对延时方式的要求选用通电延时型或断电延时型。对于延时要求不高和延时时间较短的，可选用价格相对较低的空气阻尼式；当要求延时精度较高、延时时间较长时，可选用晶体管式或数字式；在电源电压波动大的场合，采用空气阻尼式比用晶体管式的好，而在温度变化较大处，则不宜采用空气阻尼式时间继电器。总之，选用时除了考虑延时范围、准确度等条件外，还要考虑控制系统对可靠性、经济性、工艺安装尺寸等要求。1.3.4速度继电器速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制，也称反接制动继电器。其结构原理如图1-20所示。。速度继电器的轴与电动机的轴相连接。转子固定在轴上，定子与轴同心