模块一 常规电气控制技术
项目1 常用低压电器的认识
知识目标
（1）了解常用低压电器的基础知识。
（2）掌握低压电器的工作原理及用途。
（3）掌握常用低压电器的参数、图形符号及文字符号。
技能目标
（1）认识低压电器的外形结构，能正确识读铭牌。
（2）能对低压电器进行检测、校验及接线。
（3）能排除低压电器的简单故障。
我们要学些什么？
电能的利用是第二次工业革命的主要标志，从此人类社会进入了电气时代。在电气技术领域，低压电器作为基本器件，广泛应用于输配电系统和电力拖动系统中，它对电能的生产、输送、分配及应用起着控制、检测、调节和保护的作用。随着科学技术的发展，机电设备的自动化程度不断提高，低压电器的使用范围也日益扩大，其品种规格不断增加，同时，电子技术也广泛应用于低压电器中。作为电气技术人员必须熟练掌握低压电器的结构和工作原理，并能正确选用和维护低压电器。
本项目主要介绍低压电器的分类、结构、工作原理、型号、接线及用途，学习并掌握这些知识，便可正确选择、使用及维护各种低压电器。
1.1 低压电器基础知识
1.1.1 低压电器的定义及分类
1）低压电器的定义
电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，实现断续或连续地改变电路参数，以达到对电路或非电对象的控制、切换、保护、检测、变换和调节作用的电气设备。按国家标准规定，低压电器通常是指用于交流电压1200V、直流电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。
2）低压电器的分类
低压电器种类繁多，尤其近年来随着科技的不断发展，制造工艺的不断提高，出现了许多功能强大、用途广泛、工作原理各异、构造各异的低压电器，因而有很多的分类方法，最常用的分类方法是按用途和工作原理分类。
（1）按用途分类。
① 低压配电电器。低压配电电器指的是用于低压配电电路中，对电路及设备进行保护及通断、转换电源和负载的电器，包括隔离开关、刀开关、转换开关和自动开关等。其主要技术要求是工作可靠，有足够的热稳定性和动稳定性，在系统发生故障的情况下保护动作准确。
② 低压控制电器。低压控制电器指的是用于控制受电设备使其达到预期要求的工作状态的电器，包括接触器、控制继电器、启动器和电磁铁等。其主要技术要求是工作可靠、寿命长及操作频率高等。
③ 主令电器。主令电器指的是用于自动控制系统中发送控制指令的电器，包括控制按钮、行程开关和万能转换开关等。
④ 保护电器。保护电器指的是用于保护电路、电源及负载的电器，如熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电流继电器等。
（2）按工作原理分类。
① 电磁式电器。电磁式电器主要依据电磁感应原理来工作，其核心部件是电磁线圈和触点，属于自动电器，依靠本身的参数变化或外来信号的作用自动完成电路的接通、分断等动作，包括接触器、继电器等。
② 电子式电器。电子式电器是全部或部分由电子器件构成的电器，包括各种电量与非电量的信号检测电器，可实现软启动和综合保护的电动机启停控制器，电动机的短路、断相、漏电保护继电器，自动开关半导体脱扣器，按电动机电流值控制的Y-D自动转换器及各种晶闸管开关等。
③ 非电量控制电器。非电量控制电器主要依靠外力或某些非电物理量的变化而动作，从而完成电路的接通、分断等动作，包括速度继电器、压力继电器、温度继电器、按钮、刀开关和转换开关等。
3）低压电器的主要技术参数
（1）额定电压。额定电压分为额定工作电压Ue、额定绝缘电压Ui和额定脉冲耐受电压Uimp3种。
① 额定工作电压Ue。额定工作电压是与额定工作电流共同决定使用类别的一种电压。对于多相电路，此电压指的是相间电压，即线电压。
② 额定绝缘电压Ui。额定绝缘电压是与介电性能试验、爬电距离（电器中具有电位差的相邻两导电物体间沿绝缘体表面的最短距离，也称漏电距离）相关的电压，在任何情况下都不低于额定工作电压。
③ 额定脉冲耐受电压Uimp。额定脉冲耐受电压是反映电器当其所在系统发生最大过电压时所耐受的能力。额定绝缘电压和额定脉冲耐受电压共同决定了电器的绝缘水平。
（2）额定电流。额定电流分为额定工作电流Ie、约定发热电流Ith、约定封闭发热电流Ithe和额定不间断电流Iu。
① 额定工作电流Ie。额定工作电流是指在规定的条件下保证电器正常工作的电流值。
② 约定发热电流Ith和约定封闭发热电流Ithe。约定发热电流和约定封闭发热电流是电器处于非封闭和封闭状态下，按规定条件试验时，其部件在8h工作制下的温升不超过极限值所能承载的最大电流。
③ 额定不间断电流Iu。额定不间断电流是指电器在长期工作制下，各部件温升不超过极限值所能承载的电流值。
（3）操作频率与通电持续率。开关电器每小时内可能实现的最高操作循环次数称为操作频率。通电持续率是电器工作于断续工作制时，有载时间与工作周期之比，通常以百分数表示。
（4）通断能力和短路通断能力。通断能力是开关电器在规定的条件下，能在给定电压下接通和分断的预期电流值。短路通断能力是开关电器在规定的条件下，包括其出线端短路在内的接通和分断能力。此外，接通能力和分断能力可能相等，也可能不相等。
（5）机械寿命和电寿命。开关电器的机械部分在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作循环次数称为机械寿命。在规定的正常工作条件下，开关电器的机械部分无须修理和更换零件的负载循环操作次数称为电寿命。
4）低压电器的主要技术指标
为保证电器设备安全可靠地工作，国家对低压电器的设计、制造规定了严格的标准，合格的电器产品符合国家技术标准规定的技术要求，在使用电器元件时，必须按照产品说明书规定的技术条件选用。低压电器的主要技术指标有以下几项。
（1）绝缘强度。绝缘强度是指电器元件的触点处于分断状态时，动、静触点之间耐受的电压值（无击穿或闪络现象）。低压电器应能承受所规定的各项相关条件，如使用场所的海拔高度、电器的使用电压、电器触点的开距及交流50Hz耐压试验。
（2）耐潮湿性能。耐潮湿性能是指保证电器可靠工作的允许环境潮湿条件。低压电器在型式试验中都要按耐潮湿试验周期条件进行考核。电器经过几个周期试验，其绝缘水平应不低于前项要求的绝缘水平。
（3）极限允许温升。电器的导电部件通过电流时将引起发热和温升，极限允许温升是指为防止过度氧化和烧熔而规定的最高温升值。低压电器的内部零部件由多种材质制成，电器运行中的温升对这些不同材质的零部件会产生一定的影响，如温升过高会影响正常工作，降低绝缘水平及使用寿命。为此，低压电器要按照零部件的材质、使用场合的海拔高度及不同的工作制，规定电器内各零部件的允许温升。
（4）操作频率。操作频率是指电气元件在单位时间内（1h）允许操作的最高次数。
（5）寿命。寿命包括电寿命和机械寿命两项指标。电寿命是指电气元件的触点在规定的电路条件下，正常操作额定负荷电流的总次数。机械寿命是指电气元件在规定的使用条件下，正常操作的总次数。
（6）安全类别。低压电器安全类别与电气主要接线中使用位置级别有关。低压电器安全类别共分4级，分别是Ⅰ级信号水平级、Ⅱ级负载水平级、Ⅲ级配电及控制水平级和Ⅳ级电源水平级。
5）低压电器选择的基本要求
① 低压电器的额定电压与所在回路的额定电压相适应。
② 低压电器的额定电流应大于或等于所控制回路的预期工作电流。电器还应承载异常情况下可能流过的电流。保护装置应能在其允许的持续时间内将电器切断。
③ 低压电器的额定频率必须与所在电源回路的频率相适应。
④ 低压电器应根据所在场所的环境进行选择。
⑤ 低压电器应满足短路条件下的动稳定和热稳定。断开短路电流的电器，应满足短路条件下的通断能力。
1.1.2 低压电器的电磁系统
低压电器一般由两个基本部分组成，即感受机构和执行机构。感受机构感受外界信号的变化，做出有规律的反应；而执行机构则是根据指令信号，执行电路的通、断控制。
在各种低压电器中，根据电磁感应原理来实现通、断控制的电器很多，它们的结构相似、原理相同，感受机构是电磁系统，执行机构是触点系统及灭弧系统。
电磁系统是电磁式电器的感受机构，其作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触点动作，实现对电路的通、断控制。
1）电磁系统的结构
电磁系统由线圈、铁芯（静铁芯）和衔铁（动铁芯）3部分组成，常见的电磁系统有3种形式，如图1.1所示。
如图1.1（a）所示为衔铁沿轴转动的拍合式，其铁芯形状有E形和U形两种。这种形式多用于触点容量较大的交流电器中。
如图1.1（b）所示为衔铁沿棱角转动的拍合式。这种形式广泛用于直流继电器和直流接触器中。
如图1.1（c）所示为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯。这种形式多用于交流接触器、交流继电器及其他交流电磁结构的电磁系统中。
图1.1 常见的电磁系统结构形式
2）电磁系统的工作原理
当给线圈通以适当的电流时，就会产生对应的磁场，磁通Φ通过铁芯、衔铁和工作气隙形成闭合回路，从而产生电磁吸力，在电磁吸力的作用下将衔铁吸向铁芯。与此同时，衔铁的运动受到反力弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧反力时衔铁才能可靠地被铁芯吸住，称为衔铁吸合。而电磁系统的衔铁是与触点系统连在一起的，当衔铁吸合时，使触点系统一起动作，触点闭合或断开，从而实现对电路控制的目的。当线圈断电时，衔铁在弹簧力的作用下回到初始位置，称为衔铁复位。当衔铁复位时，触点系统也随之复位。
课堂讨论
问题1：比较图1.2中的（a）图和（b）图，你能区分出哪一个是直流电磁系统？哪一个是交流电磁系统吗？
结论：直流电磁系统的衔铁和铁芯均由软钢或工程纯铁制成，因其铁芯不发热，只有线圈发热，所以直流电磁系统的线圈不设线圈骨架，线圈与铁芯直接接触，且把线圈做成高而薄的细长形。图1.2（a）中的线圈没有骨架，且外形细长，据此可判定其为直流电磁系统。而交流电磁系统的线圈多做成短粗形，且用骨架将线圈与铁芯隔开，这是因为，交流电磁系统的铁芯存在铁损耗，铁芯和线圈都发热，据此可判定图1.2（b）为交流电磁系统。
问题2：在电磁系统吸合过程中，如果衔铁和铁芯之间（气隙）长时间卡入异物，如图1.3所示，对电磁系统有何影响？
图1.2 电磁系统实物图
图1.3 电磁系统卡入异物
结论：对于直流电磁系统，线圈励磁电流的大小仅与线圈的电阻有关，与衔铁的吸合过程无关，所以气隙中卡入异物时对直流电磁系统无影响。对于交流电磁系统，线圈励磁电流的大小主要取决于线圈的感抗，正常情况下在电磁铁吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的感抗增大，励磁电流减小，即励磁电流的大小是随着气隙的改变而变化的。如果气隙中卡入异物，磁阻变大，线圈的感抗减小，励磁电流增大，过电流时间稍长就可能烧毁线圈。
3）电磁系统的短路环
由于交流电磁系统铁芯中的磁通是交变的，当线圈中通以交变的电流时，在铁芯中产生的磁通Φ1也是交变的，对衔铁的吸力时大时小。当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在复位弹簧的反力作用下将被拉开；当磁通过零后，电磁吸力又开始增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。这样造成衔铁产生振动，同时还产生噪声，甚至使铁芯松散。如果在铁芯端面上安装一个铜制的短路环，如图1.4所示，交变磁通Φ1的一部分穿过短路环，在环中产生感应电流，产生磁通，与环中的磁通合成为Φ2。Φ1和Φ2相位不同，也即不同时为零，这样就使得线圈电流和铁芯磁通Φ1为零时，环中产生的磁通不为零，仍然能将衔铁吸住，衔铁就不会产生振动和噪声了。
图1.4 交流电磁系统的短路环
工程经验
电磁系统的故障及维修
故障现象1：铁芯噪声大。
电磁系统在工作时发生一种轻微的“嗡嗡”声，这是正常的，若声音过大或异常，可判断电磁机构出现了故障。
故障原因1：衔铁与铁芯的接触面接触不良或衔铁歪斜。铁芯与衔铁经过多次撞击后端面会变形和磨损。
处理方法：拆卸电磁结构，用细砂布平铺在平板上，修复变形和磨损的端面。
故障原因2：衔铁与铁芯的接触面上积有尘垢、油污或锈蚀等，造成相互间接触不良而产生振动和噪声。
处理方法：拆卸电磁结构，清洗铁芯端面。在重新组装时，铁芯中柱和衔铁之间应留有0.1～0.2mm的气隙。
故障原因3：如图1.5所示，铁芯经过多次碰撞后，装在铁芯槽内的短路环可能会出现断裂或脱落，短路环断裂常发生在槽外的转角和槽口部分。
图1.5 短路环故障
处理方法：将断裂处焊牢，两端用环氧树脂固定；若不能焊接，也可更换短路环或铁芯；当短路环跳出时，可直接将短路环压入槽内。
故障原因4：触点压力过大或活动部分运动受卡阻，使铁芯不能完全吸合，都会产生较强的振动和噪声。
处理方法：调节触点压力弹簧，检查衔铁运动是否机械受阻。
故障现象2：线圈烧毁。
故障原因1：衔铁与铁芯不能完全吸合，使线圈电流增大，线圈过热，甚至烧毁。
处理方法：检查衔铁运动是否机械受阻。
故障原因2：线圈绝缘损坏或受机械损伤而形成匝间短路，或对地短路，在线圈局部就会产生很大的短路电流，使温度剧增，直至使整个线圈烧毁。
处理方法：如果短路的匝数不多，短路又在接近线圈的端头处，可拆去已损坏的几圈，其余的可继续使用，这时对电器工作性能的影响不会很大。
故障原因3：线圈电源电压偏低，造成线圈过热而烧毁。
处理方法：更换线圈电源，将其调整为合适的电压等级。
故障原因4：操作频率过高，造成线圈过热而烧毁。
处理方法：尽可能地降低操作频率。
1.1.3 低压电器的触点系统
触点是直接用来接通或断开被控电路的部件。触点系统中通常有静止不动的静触点和可以运动实现闭合与分断的动触点。在复位状态下，即常态时，静触点和动触点处于断开状态的触点称为常开触点或常开接点；反之，如果静触点和动触点处于闭合状态，则称为常闭触点或常闭接点。
1）触点的结构
触点的结构有3种形式，分别是点接触、线接触和面接触，如图1.6所示。
如图1.6（a）所示为点接触结构，它由两个半球形触点或一个半球形触点和一个平面触点构成。触点的通断过程为直线运动，接触区域为一个点。点接触型触点常用于通断小电流。
如图1.6（b）所示为面接触结构，它由两个圆柱体组成，其接触区域是一个平面。触点的通断过程为直线运动。面接触型触点多用于大容量场合。
如图1.6（c）所示为线接触结构，该触点又称为指形触点，其接触区域是一条直线。触点在闭合或打开的过程中是靠弹簧压力实现滚动接触的。
图1.6 触点的3种结构形式
2）触点的运动
触点系统的运动过程如图1.7所示。由于触点表面不平和氧化层的存在，两触点的接触处总有一定的接触电阻，为了减小接触电阻并保证触点能够可靠接触，必须在触点间施加一定的压力。在装配时，使弹簧对动触点先施以一定的压力F1（称为初压力）；当动触点刚刚与静触点接触时，就将初压力传递到静触点上；当衔铁与铁芯完全闭合后，动触点进一步运动并最终与静触点闭合。触点在这一段的运动距离称为触点的超行程。在超行程内，弹簧继续受压变形而产生的压力称为终压力F2。超行程可以保证当触点有振动或触点有些磨损的情况下仍能可靠地接触。
图1.7 触点系统的运动过程
工程经验
触点系统的故障及维修
故障现象1：触点过热。
当触点有电流通过时便会发热，正常情况下触点是不会过热的。当动、静触点接触电阻过大或通过电流过大时，就会引起触点过热。当触点温度超过允许值时，会使触点特性变坏，甚至产生熔焊。
故障原因1：通过触点的电流过大。造成触点电流过大的原因有：系统电压过高或过低、用电设备超载运行、触点容量选择不当和故障运行等。
处理方法：检查电源电压，监测负载电流；更换大容量的触点；排除系统故障。
故障原因2：动、静触点间的接触电阻变大。造成接触电阻变大的原因有：一是因触点压力弹簧失去弹力而造成压力不足或触点磨损变薄；二是触点表面接触不良，例如在运行中，粉尘、油污覆盖在触点表面，加大了接触电阻；再如，触点闭合分断时，因有电弧会使触点表面灼伤，致使接触点触面残缺不平和接触面积减小。
处理方法：更换弹簧或触点；用棉花浸汽油或四氯化碳清洗触点接触面；用刮刀或细锉修正被灼蚀的触点，去除毛刺和氧化层，使接触面恢复光亮平整。在修磨触点时，切记不要刮削太过，以免影响使用寿命，同时不要使用砂布或砂轮修磨，以免石英砂粒嵌入触点表面，反而影响触点的接触性能。
故障现象2：触点磨损。
故障原因1：由于触点间电火花或电弧的高温使触点金属气化等原因造成的电气磨损。
处理方法：采取灭弧措施，减少电气磨损。当剩下厚度为原厚度的1/2左右时，应更换新触点。
故障原因2：由于触点闭合时的撞击及触点接触面滑动摩擦等原因造成的机械磨损。
处理方法：减少触点的动作频率；调节触点反力弹簧的压力。
故障现象3：触点熔焊。
动、静触点表面被熔化后焊在一起而分断不开的现象，称为触点的熔焊。当触点闭合时，由于撞击和产生振动，在动、静触点间的小间隙中产生电弧，其温度高达3000～6000℃，可使触点表面被灼伤或熔化，使动、静触点焊在一起。
故障原因：发生触点熔焊的原因有：触点容量选用太小、负载电流过大、操作频率过高及弹簧压力减小等。
处理方法：触点熔焊后，只能更换新触点；如果因触点容量不够而产生熔焊，则应选用容量大一些的电器。
1.1.4 低压电器的电弧
1）电弧的产生
电弧的形成过程是：在高热和强电场（当触点间刚出现断口时，由于两触点间的距离很小，故产生很大的电场强度）的作用下，金属内的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极；同时，这些自由电子在电场中做高速运动时要撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生离子和电子，而后者在强电场的作用下继续向阳极移动，并撞击其他中性分子。这样，在触点间隙中产生了大量的带电粒子、正负离子和电子，从而使气体导电，形成了炽热的电子流，即电弧。
2）电弧的危害
电弧的存在对电器和电路都会造成不良的后果。如果在触点打开时产生电弧，就会使要断开的电路实际上并没有及时断开而影响控制的准确性；电弧产生的高温会使触点氧化和烧灼，严重时，电弧向四周喷溅也会损坏电器和其他设备，甚至造成短路事故。
3）电弧的熄灭
伴随着游离作用产生电弧的同时，也存在着去游离现象，这主要是复合与扩散的作用。因为已游离的正负离子和自由电子在空间相遇时要复合，重新形成中性气体分子，而高度密集的高温离子和自由电子，也要向其周围密度小、温度低的介质方向扩散，结果，弧隙内离子和自由电子的浓度降低，电弧电阻增大，电弧电流减小，游离大为削弱，所以，电弧是游离与去游离的统一体。要想熄灭电弧，就必须抑制游离因素、加强去游离作用。
电弧的熄灭应从以下两个方面着手。
（1）迅速拉大电弧长度而降低单位长度电弧的电压。迅速使触点间隙增加，电弧长度增长，电场强度降低，同时又使散热面积增大，降低电弧温度，使自由电子和空穴复合运动加强，可以使电弧容易熄灭。
（2）冷却。使电弧与冷却介质接触，带走电弧热量，也可使复合运动得以加强，从而使电弧熄灭。
4）常用的灭弧装置
（1）电动力灭弧。采用桥式双断口触点系统，如图1.8所示。当触点分断时，根据左手定则，触点的两个断口处的电弧分别受到电动力F的作用，使电弧拉长、弯曲、冷却而熄灭，由于两个断口是串联的关系，使每个断口处电弧的电压为全部电压的一半，有助于灭弧。这种灭弧方式广泛应用于中小容量交流电路中。
图1.8 电动力灭弧示意图
（2）磁吹式灭弧。磁吹式灭弧装置的原理如图1.9所示。这种灭弧装置由磁吹线圈1、引弧角5和灭弧罩6等部分组成。磁吹线圈1由扁铜条弯成并串联在负载电路中，中间装有铁芯2，它们之间有绝缘套筒3，铁芯两端装有两片铁质的导磁夹板4，放在灭弧罩内的触点就处在夹板之间。磁吹线圈和触点串联，流过触点的负载电流也流过磁吹线圈。触点刚一打开时产生电弧，电弧电流在电弧四周形成一个磁场，其方向可以用右手螺旋法则来确定。在电弧上方磁通方向是⊙；电弧下方磁通方向是⊗。流过磁吹线圈的电流在铁芯2中产生磁通并经过一边夹板，穿过夹板的间隙进入另一边夹板而形成闭合磁路，其方向如图1.9所示，用×表示。这样，两个磁场在电弧上方方向相反而被削弱，在电弧下方方向相同而被增强。受磁场电场力F的作用，电弧将被向上拉长。引弧角5与静触点相连，引导电弧向上快速运动。由于电弧的拉长并与空气的相对运动，相当于降低了电场强度和电弧温度。当电源电压不足以维持电弧燃烧时，电弧就熄灭了。这种灭弧方式被广泛应用于直流电路中。
（3）灭弧栅灭弧。灭弧栅灭弧的原理如图1.10所示。灭弧栅由许多镀铜薄钢片组成，片间距离为2～3mm，安放在触点上方的灭弧罩（图中未画出）内。一旦发生电弧，电弧周围产生磁场，导磁钢片将电弧吸入栅片中，电弧被栅片分成许多串联的短电弧，当交流电压过零时，电弧自动熄灭。两个栅片之间必须有150～250V的电压，电弧才能重新起燃。由于电源电压不足以维持电弧，同时由于栅片的散热作用，电弧熄灭后很难重燃。这种灭弧方式常用于交流电路中。
图1.9 磁吹式灭弧示意图
（4）窄缝灭弧。如图1.11所示，窄缝灭弧是利用灭弧罩的窄缝来实现灭弧的。灭弧罩由陶土、石棉、水泥等绝缘材料制成。灭弧罩内每相都有一个纵缝，缝的下部宽以便放置触点；上部窄，以便压缩电弧，使电弧与灭弧室壁紧密接触。当触点分断时，电弧被外磁场或电动力吹入纵缝内，其热量被缝壁迅速吸收，使电弧迅速冷却熄灭。该方法常用于交、直流接触器上。
图1.10 灭弧栅灭弧示意图
图1.11 窄缝灭弧示意图
工程经验
灭弧系统的故障及维修
故障现象：灭弧系统不能灭弧或灭弧时间延长。
故障原因：造成这种故障的原因有：灭弧罩破损、受潮、碳化，磁吹线圈匝间短路，弧角和栅片脱落等。
处理方法：若灭弧罩破损，则更换灭弧罩；若灭弧罩受潮，则采取烘干处理；若灭弧罩碳化，则将积垢刮除；若磁吹线圈短路，则用一字改锥拨开短路处；若弧角脱落，则重新装上相同规格的新栅片。
1.2 刀开关
刀开关是手动操作电器中结构最简单的一种，主要用于不频繁地接通和分断电路，也可以作为电源隔离开关使用。
刀开关的种类很多，几种常用刀开关的外形如图1.12所示。
图1.12 几种常用刀开关的外形
1）刀开关的结构及工作原理
刀开关的典型结构如图1.13所示。静插座由导电材料和弹性材料制成，固定在绝缘材料制成的底座上。动触刀与触刀支座铰链连接，绝缘手柄固定在触刀顶端。依靠手动来实现触刀插入插座与离开插座的控制，实现电路的接通与断开的控制。
图1.13 刀开关的典型结构
工程要求
图1.14 刀开关的安装方向
为防止因重力作用使刀开关手柄自然下落接通电源，刀开关在安装时手柄要朝上垂直安装，如图1.14所示，绝对不允许平装或倒装。接线时要“上电源、下负载”，尽量不要带负载操作。
2）刀开关的分类、型号、图形及文字符号
刀开关按刀数可分为：单极、双极和三极。
刀开关按结构可分为：大电流刀开关、负荷开关、熔断器式刀开关等。
刀开关种类繁多，不同厂家生产的型号也不尽相同，下面介绍HK系列刀开关的型号，其他产品的型号与之类似。HK系列刀开关型号的意义如图1.15所示。
刀开关的图形文字符号如图1.16所示。
图1.15 HK系列刀开关的型号
图1.16 刀开关的图形及文字符号
课堂讨论
问题：如图1.17所示为HK2—63/2型刀开关，请说明该开关的型号含义。
结论：该开关标定的型号为HK2—63/2，这是额定电流为63A、2极胶木闸刀开关。
图1.17 HK2—63/2型刀开关
3）刀开关的选用
刀开关用于照明电路时，可选用额定电压为250V、额定电流大于或等于电路最大工作电流的两极开关；用于电源隔离时，与负载匹配即可。当用刀开关直接控制电动机时，其额定电流要大于电动机额定电流的3倍。
4）刀开关的常见故障及维修方法
刀开关的常见故障及维修方法如表1.1所示。
表1.1 刀开关的常见故障及维修方法
1.3 组合开关
组合开关又称转换开关，它利用动触片与静触片的接通与断开来实现被控电路的通断，与刀开关不同的是，它的动触片是转动式的，比刀开关轻巧且组合性强，能组合成各种不同的电路。
1）组合开关的工作原理
组合开关由多个分别装在数层绝缘体内的双断点桥式动触片、静触片组成。其结构和外形如图1.18所示。扳动手柄时，绝缘方轴随手柄而旋转，于是动触片也随方轴转动并变更其与静触片的分、合位置，实现对电路的通断控制。
图1.18 组合开关的结构和外形
工程要求
HZ10系列组合开关应安装在控制箱或壳体内，其操作手柄最好安装在控制箱的前面或侧面。转换开关外壳上印有“0”和“1”字样，用来表示转换开关的位置，“0”位表示转换开关的动触片与静触片处于断开状态；“1”位表示转换开关的动触片与静触片处于接通状态，开关为断开状态时手柄应在水平位置。若需在箱内操作，最好将开关安装在箱内上方，若附近有其他电器，则需采取隔离措施或者绝缘措施。
2）组合开关的分类、型号、图形及文字符号
组合开关按极数可分为：单极、双极、三极和多极。
组合开关按接法可分为：同时通断、交替通断、两位转换（类似双投开关）、三位转换和四位转换等。
组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、允许操作频率、极数、可控制电动机最大功率等。下面介绍HZ系列组合开关的型号，其他产品的型号与之类似。HZ系列组合开关型号的意义如图1.19所示。
组合开关的图形及文字符号如图1.20所示。
图1.19Hz系列组合开关的型号
图1.20 组合开关的图形及文字符号
3）组合开关的选用
当采用组合开关控制7kW以下的电动机时，其额定电流一般为电动机额定电流的3倍，接通频率小于15～20次/小时；当组合开关用于接通由接触器控制的电动机电源时，组合开关的额定电流可稍大于电动机的额定电流。
1.4 自动开关
自动开关又称自动空气开关、空气开关、断路器、自动空气断路器等，简称空开。主要用于低压配电电路不频繁地接通和断开控制，当电路中发生短路、过载、欠压、过压等故障时，自动开关自动掉闸断开电路，起到保护电路和设备的作用，并防止事故范围扩大，是低压配电电路中应用非常广泛的电器。几种常用自动开关的外形如图1.21所示。
1）自动开关的结构及工作原理
自动开关主要由触点、操作机构、脱扣器和灭弧装置等组成。不同型号的自动开关其结构也不尽相同。如图1.22所示为自动开关的结构原理图，其操作机构分为直接手柄操作、杠杆操作、电磁铁操作和电动机驱动4种。脱扣器有电磁脱扣器、热脱扣器、复式脱扣器、欠压脱扣器和分励脱扣器等。
图1.21 几种常用自动开关的外形
图1.22中，触点2有三对，串联在被保护的三相电路中。手动扳动按钮到“合”位置（图中未画出），这时触点2由锁键3保持在闭合状态，锁键3由搭钩4支持着。若要使开关分断，扳动按钮到“分”位置（图中未画出），搭钩4被杠杆7顶开，触点2就被弹簧1拉开，电路被分断。
图1.22 自动开关的结构原理图
自动开关的自动分断是由过电流脱扣器6、欠压脱扣器11和双金属片12使搭钩4被杠杆7顶开而完成的。过电流脱扣器6的线圈和主电路串联，当电路正常工作时所产生的电磁吸力不能将衔铁8吸合，只有当电路发生短路或产生很大的过电流时，其电磁吸力才能将衔铁8吸合，撞击杠杆7，顶开搭钩4，使触点2断开，从而将电路分断。
欠压脱扣器11的线圈并联在主电路上，当电路电压正常时，欠压脱扣器产生的电磁吸力能够克服弹簧9的拉力而将衔铁10吸合，当电路电压降到某一值以下时，电磁吸力小于弹簧9的拉力，衔铁10被弹簧9拉开，撞击杠杆7，顶开搭钩4，使触点2断开，从而将电路分断。
当电路发生过载时，过载电流通过热脱扣器的发热元件13而使双金属片12受热弯曲，撞击杠杆7，顶开搭钩4，使触点2断开，从而使电路分断。
2）自动开关的分类、型号、图形及文字符号
自动开关按结构可分为：框架式、塑壳式、直流快速式和限流式等。
自动开关按极数可分为：单极、双极、三极和四极。
自动开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其整定电流范围、分断能力、动作时间、工作环境温度范围、防火等级、脱扣特性和机械抗振强度等。下面介绍DZ系列自动开关的型号，其他产品的型号与之类似。DZ系列自动开关型号的意义如图1.23所示。
自动开关的图形及文字符号如图1.24所示。
图1.23 DZ系列自动开关的型号
图1.24 自动开关的图形及文字符号
3）自动开关的典型产品介绍
（1）塑壳式自动开关。在低压自动开关的各类产品中，应用最为广泛的是塑壳式自动开关。常用的有DZ5、DZ10、DZ15、DZ20、DZX19、DZS6—20、C45N、S060等系列产品。其中，DZ5为小电流系列，额定电流为10～15A；DZ10为大电流系列，额定电流至600A；DZ20为更新的产品，它具有更高的分断能力，可达5kA，同时DZ20系列的附件较多，除常用的脱扣器外，还具有报警触点和两组辅助触点，更方便使用。DZ20系列塑壳式自动开关的主要技术数据如表1.2所示。DZX19系列属于限流式自动开关，它能利用短路电流产生的电动力使触点迅速分断（为8～10ms），限制了网络中可能出现的过载和短路保护，适用于要求分断能力高的场合。DZS6—20系列可用于小容量电动机及配电网络的过载和短路保护，其主要技术数据及外形尺寸与西门子公司的3EV1系列通用。C45N系列体积小，动作灵敏，是天津梅兰日兰公司生产的，广泛应用于低压电网中用做短路和过载保护。S060系列是北京低压电器厂生产的塑壳式自动开关，主要用于低压电路的短路保护。
表1.2 DZ20系列塑壳式自动开关的主要技术数据
（2）漏电保护自动开关。漏电保护自动开关是一种安全保护电器，在电路中作为触电和漏电保护之用。在线路或设备出现对地漏电或人身触电时，能迅速自动切断电路，有效地保证人身和线路的安全。其结构主要由电子线路、零序电流互感器、漏电脱扣器、触点、试验按钮、操作机构和外壳等组成。漏电保护自动开关有单相桥式和三相式等形式，其中单相桥式主要有DZL—20型；三相式主要有DZ15L、DZ47L和DS250M。漏电保护自动开关的额定漏电动作电流为30～100mA，漏电脱扣动作时间小于0.1s。如表1.3所示为DZ15L系列漏电保护自动开关的主要技术数据。
表1.3 DZ15L系列漏电保护自动开关的主要技术数据
4）自动开关的选用
在选用低压自动开关时，应按下述要求进行。
① 低压自动开关的额定电压和额定电流，应大于或等于电路或设备的正常工作电压和计算负载电流。
② 热脱扣器的整定电流应等于被控负载的额定电流。
③ 电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于被控负载正常工作时间可能出现的峰值电流。
④ 低压自动开关用于控制电动机时，其电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流可按下式选取，即
IZ≥（6～12）IN （1.1）
式中，IN为电动机的额定电流。
⑤ 欠电压脱扣器的额定电压应等于电路的额定电压。
⑥ 低压自动开关的通断能力应大于或等于电路的最大短路电流。
⑦ 低压自动开关的类型应根据使用场合和保护要求来选用。
1.5 熔断器
熔断器是一种用于严重过载和短路保护的电器，具有结构简单、体积小、质量轻、使用和维护方便、价格低廉、工作可靠等优点，应用非常广泛。
1）熔断器的结构
熔断器主要由熔体、熔管和熔座3部分组成。
熔体的材料有两种，一种是由铅、铅锡合金或锌等熔点较低的材料制成，多用于小电流电路；另一种是由银或铜等熔点较高的材料制成，主要用于大电流电路。熔体的形状多制成片状、丝状或栅状。
熔管是安装熔体的外壳，用绝缘耐热材料制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。
熔座是用来固定熔管和外接引线的底座。
2）熔断器的工作原理
熔断器接入电路时，负载电流流过熔体，由于电流的热效应而使温度上升，当电路工作正常时，熔体温度低于熔化温度，熔体不熔断。当电路发生过载或短路故障时，电流大于熔体允许的正常发热电流，使熔体的温度上升，当温度超过其熔点时熔体熔断，分断电路，从而保护了电路和用电设备。熔断器熔断后，应首先查明熔体熔断的原因，排除故障，再更换新的熔体，电路才能重新工作。
3）熔断器的类型
常用的低压熔断器有螺旋式熔断器、插入式熔断器、封闭管式熔断器及自复式熔断器等。
（1）螺旋式熔断器。螺旋式熔断器主要由瓷座、下接线端、瓷套、熔断管、瓷帽及上接线端等组成，常用的产品有RL1、RL6、RL7、RLS2等系列。如图1.25所示为RL1系列螺旋式熔断器的结构示意图。该系列熔断器的熔断管内装有熔体和石英砂，石英砂用来熄灭电弧，熔断管的一端有一红色金属片——指示器，熔断管有红点的一端插入瓷帽，瓷帽上有螺纹，将瓷帽连同瓷管一起拧进瓷座。透过瓷帽的玻璃窗口可观察到熔断器的工作情况，若红色指示器弹出说明熔体已熔断。该系列产品具有较高的分断能力，体积小、安装方便、使用安全可靠，熔体熔断后有明显指示，主要用于交流50Hz、额定电压380V或直流额定电压440V及以下电压等级的电力拖动电路或成套配电设备中，用做短路保护。
图1.25 RL1系列螺旋式熔断器的结构示意图
工程经验
用万用表测量螺旋式熔断器上、下两个接线端，发现两个接线端之间电路不通；取出熔体管，检查发现熔体是好的，没有断路。根据以上描述，可判断故障原因是熔断器接触不良，应该将熔体管重新装入瓷座内，上紧瓷帽一般即可。如果故障依旧，则可能是熔断管轴向尺寸偏小，即熔断管偏短，造成熔断管与瓷帽没有接触上，此时应该重新更换同型号轴向尺寸偏大的熔断管或在瓷座内增加金属垫片。
（2）插入式熔断器。插入式熔断器也称磁插式熔断器，由可插拔盖、底座和熔体组成，产品为RCIA系列，如图1.26所示。该系列熔断器分断能力较小，但它价格便宜，更换时安全方便，广泛用做照明或小容量电动机的短路保护。
图1.26 RCIA系列插入式熔断器
（3）封闭管式熔断器。封闭管式熔断器可分为有填料式和无填料式两种。RM10系列为无填料式，其结构如图1.27所示。该种熔断器有两个特点：一是其熔断管是钢纸管制成的，当熔体熔断时熔断管内壁会产生高压气体，加快电弧熄灭；二是熔体是用锌片制成变截面形状的，在短路故障时，锌片的狭窄部位同时熔断，形成较大空隙，使电弧容易熄灭。
图1.27 RM10系列无填料式熔断器
RT0系列为有填料式熔断器，它的熔断管用高频电工磁制成，其外形和结构如图1.28所示。熔体是用网状纯铜片制成的，具有较大的分断能力，其分断能力可达50kA，广泛用于短路电流较大的电力输配电系统中。
图1.28 RT0系列有填料式熔断器
（4）自复式熔断器。它是一种新型熔断器，是利用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率，允许通过正常工作电流。当电路发生短路故障时，短路电流产生高温使金属钠迅速汽化，气态钠呈现高阻态，从而限制了短路电流。当故障消除后，温度下降，金属钠重新固化，金属钠恢复其良好的导电性。其优点是不必更换熔体，能重复使用，但由于只能限流而不能切断故障电路，故一般不单独使用，均与断路器配合使用。常用的产品有RZ1系列。如图1.29所示。
图1.29 自复式熔断器
4）熔断器的参数
（1）熔断器的额定电压。熔断器的额定电压是指熔断器长期工作时和分断后能正常工作的电压。如果熔断器所接电路的电压超过熔断器的额定电压，熔断器长期工作可能使其绝缘击穿，或熔体熔断后可能使电弧不能熄灭。为此，熔断器的额定电压应大于或等于所接电路的额定电压。
（2）极限分断电流。极限分断电流是指熔断器在规定的额定电压下能分断的最大电流值。它只取决于熔断器的灭弧能力。
（3）熔断器的额定电流。熔断器的额定电流是指熔断器长期工作，各部件温升不超过允许值时所允许通过的最大电流值。
（4）熔体的额定电流。熔体串接在电路中，负载电流流经熔体，当电路发生严重过载或短路时，熔体可以迅速熔断，起到保护作用。负载正常工作时，不致引起误动作的电流值为熔体的额定电流。厂家为了减少熔断器额定电流的规格，熔断器额定电流的等级比较少，而熔体额定电流的等级比较多。这样，在同一个熔断器中可装入若干不同额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流不可超过熔断器的额定电流。
常用熔断器的主要技术数据如表1.4所示。
表1.4 常用熔断器的主要技术数据
续表
5）熔断器的选用
在选择熔断器时，应根据被保护电路的需要，首先确定熔断器的形式，然后选择熔体的额定值，再根据熔体选择熔断器的额定值。
（1）熔体额定电流的选择。熔体额定电流的选择应同时满足正常负荷电流和尖峰启动电流两个条件，要求选用的熔体在正常负荷及电动机启动或电路合闸瞬间有冲击电流作用的情况下，熔体不被熔断，同时又能保证在电路或用电设备过负荷至一定值时，熔体在一定时间内熔断。
选择熔体额定电流时，必须以电路中实际所需的工作电流为依据，同时考虑负荷的性质。具体方法如下所述。
① 电炉、照明等阻性负载的短路保护，熔体额定电流按负荷电流的1.1～1.5倍选择。
② 单台电动机的短路保护，熔体额定电流按电动机额定电流的1.5～2.5倍选择。
③ 多台电动机在同一电路上的短路保护，熔体额定电流按容量最大一台电动机额定电流的1.5～2.5倍再加上其余电动机额定电流的总和选择。轻载启动或启动时间较短时，系数可选得小些；带负载启动或启动频繁时，系数可选得大些。
④ 并联电容器的短路保护，对单台电容器，熔体额定电流按电容器额定电流的1.5～2.5倍选择；对于并联电容器组，熔体额定电流按电容器组额定电流的1.3～1.8倍选择。
在选择熔体额定电流时，还应注意在电路上由前级至后级熔体的额定电流应逐渐减小，否则会出现越级动作现象。
（2）熔断器的选择。
① 熔断器的额定电压必须大于或等于电路的额定电压。
② 熔断器的额定电流必须大于或等于熔体的额定电流。
6）熔断器的型号、图形及文字符号
熔断器的型号及表示意义为
熔断器的文字符号为FU，图形符号如图1.30所示。
图1.30 熔断器的图形及文字符号
7）熔断器的故障诊断与维修
一般来说，熔断器的熔体在小截面处熔断或熔断部位较短是由过负荷引起的；而大截面部位被熔化、熔丝爆熔或熔断部位很长，一般由短路引起。
熔断器的常见故障及维修方法如表1.5所示。
表1.5 熔断器的常见故障及维修方法
1.6 主令电器
主令电器是指在控制电路中手动或自动发布控制命令的电器。常见的主令电器有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关和主令控制器等。
1）控制按钮
控制按钮是一种手动接通或分断小电流电路的主令电器。它不直接控制主电路的通断，而是在控制电路中发出指令去控制接触器、继电器等电器的电磁线圈，再由它们控制主电路的通断。
（1）控制按钮的结构及工作原理。控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，其结构如图1.31所示。以自复式按钮为例，当按下按钮时，即按钮动作时，常闭触点先断开，然后常开触点才闭合；当松开按钮时，即按钮复位时，常开触点先断开，常闭触点后闭合，从而实现对电路的控制作用。
图1.31 控制按钮的结构
课堂讨论
问题：对于同一按钮来说，常闭触点和常开触点哪一个先动作？
结论：应该是常闭触点先动作，因为按钮在自由状态下动触桥与常闭触点是直接接触的，只要按钮受力，动触桥与常闭触点就能马上分离，使常闭触点瞬时断开；如果要想使常开触点闭合，则还需进一步按压按钮，在达到按钮行程后，常开触点才能延时闭合，显然常开触点的动作是滞后的。利用按钮的这一特点，在交流异步电动机控制电路中通过按钮可以实现电动机的正/反转机械互锁。
（2）控制按钮的分类。
① 按结构形式分类。
- 揿钮式。用手动按压进行操作，如图1.32（a）所示。
- 旋钮式。用手动旋转进行操作，如图1.32（b）所示。
- 指示灯式。按钮内装入信号灯显示信号，如图1.32（c）所示。
- 紧急式。装有蘑菇头形钮帽，以便紧急操作，如图1.32（d）所示。
- 钥匙式。按钮必须用钥匙插入方可旋转操作，如图1.32（e）所示。
② 按触点形式分类。
- 常开按钮。在没有外力作用时（手未按下），触点是断开的，在有外力作用时，触点闭合，当外力消失后，在复位弹簧的作用下自动恢复到原来的断开状态。
- 常闭按钮。在没有外力作用时，触点是闭合的，在有外力作用时，触点断开，当外力消失后，在复位弹簧的作用下自动恢复到原来的闭合状态。
- 复合按钮。既有常开按钮又有常闭按钮的按钮组，称为复合按钮。按下复合按钮时，所有的触点都改变原来的状态，即常开触点闭合、常闭触点断开。
图1.32 控制按钮按结构形式分类
工程要求
按钮触点允许通过的电流一般不超过5A。按使用场合和作用不同，通常将按钮帽做成红、绿、黑、黄、蓝、白、灰等颜色。国标GB/T 5226—1985对按钮颜色做了如下规定。
①“停止”和“急停”按钮必须是红色。
②“启动”按钮的颜色为绿色。
③“启动”和“停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色。
④“点动”按钮的颜色为黑色。
⑤“复位”按钮的颜色为蓝色。
（3）控制按钮的型号、图形及文字符号。
控制按钮的型号及表示意义为
控制按钮的图形及文字符号如图1.33所示。
图1.33 控制按钮的图形及文字符号
（4）控制按钮的选用。控制按钮的选用应根据使用场合和具体用途确定。
① 根据使用场合选择控制按钮的种类，如开启式、防水式和防腐式。
② 根据用途选用合适的形式，如钥匙式、紧急式和带灯式。
③ 按控制回路的需要确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮和多钮等。
④ 按工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮及指示灯的颜色。
典型产品如下：
AC 380V（50Hz/60Hz）或DC 220V/5A的产品：LA10系列、LA18/LA19/LA20系列、LA25系列和KS系列按钮。
AC 660V（50Hz/60Hz）或DC 440V/10A的产品：LAY3/LAY5（CDY5）/LAY7（CDY7）/LAY9系列按钮。
特殊产品如下：
LA81系列隔爆型按钮，COB系列防雨型按钮。
LA10、LA18、LA19系列控制按钮的外形如图1.34所示。
图1.34 LA系列控制按钮的外形
（5）控制按钮的常见故障与维修。控制按钮的常见故障与维修方法如表1.6所示。
表1.6 控制按钮的常见故障与维修方法
2）行程开关
行程开关（限位开关）是一种根据生产机械的行程或位置，发出命令以控制其运动方向和行程长短的主令电器。若将行程开关安装于生产机械行程的终点处，用于限制其行程，则称为限位开关或终端开关。
（1）行程开关的结构及工作原理。行程开关由操作头、触点系统和外壳等组成，其外形如图1.35所示。操作头是开关的感测部分，用于接收生产机械发出的动作信号，并将此信号传递到触点系统。触点系统是行程开关的执行部分，它将操作头传来的机械信号通过机械可动部分的动作，变换成电信号，输出到有关控制电路，实现其相应的控制功能。
图1.35 常用行程开关的外形
（2）行程开关的分类。行程开关按其结构可分为直动式、滚动式和微动式3种。
直动式行程开关如图1.36所示，其优点是结构简单，成本低；缺点是触点的分合速度取决于撞块的移动速度，如果撞块移动速度太慢，则触点不能瞬时切断电路，容易烧蚀触点，因此，这种开关不宜用在撞块移动速度小于0.4m/min的场合。
图1.36 直动式行程开关
滚动式行程开关如图1.37所示，它克服了直动式行程开关的缺点，采用了能瞬时动作的滚轮旋转式结构，适用于低速运行的机械。但其结构较复杂，价格也较贵。
图1.37 滚动式行程开关
微动式行程开关如图1.38所示，具有体积小、动作灵敏的特点，适用于小型机构。当推杆被下压时，弯形片状弹簧发生变形，储存能量，当撞块达到预定位置时，弹簧片连同动触点产生瞬间跳跃，完成电路的接通或分断，触点的分合速度与撞块的移动速度无关。
图1.38 微动式行程开关
（3）行程开关的型号、图形及文字符号。
行程开关的型号及表示意义为
行程开关的图形及文字符号如图1.39所示。
图1.39 行程开关的图形及文字符号
3）接近开关
接近开关是一种无接触式开关型传感器，当物体与之接近到一定距离时，信号机构将发出物体接近而“动作”的信号。它既有行程开关、微动开关的特性，同时又具有传感器的性能，具有动作可靠、性能稳定、频率响应快、使用寿命长、抗干扰能力强等优点，而且具有防水、防震、耐腐蚀、计数、测速、零件尺寸检测、金属和非金属的探测、无触点按钮、液面控制检测等功能特点。另外，还可以同微机、逻辑元件配合使用，组成无触点控制系统。接近开关也可作为检测装置使用，用于高速计数、测速、检测金属等。
接近开关一般由感测机构、振荡器、检波器、鉴幅器和输出电路组成，其图形符号如图1.40所示。
接近开关按工作方式可分为电感式、电容式和霍尔式接近开关。其中，电感式接近开关适用于测定金属目标的场合；电容式接近开关适用于测定非金属目标的场合；霍尔式接近开关适用于测定带有磁性目标的场合。常用接近开关的外形如图1.41所示。
图1.40 接近开关的图形符号
图1.41 接近开关的外形
4）万能转换开关
万能转换开关是一种能对电路进行多种转换的多挡式主令电器。它是由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，主要用于各种配电装置的远距离控制和电气测量仪表的转换开关，还可用做小容量电动机的启动、制动、调速和换向的控制。由于触点挡数多，换接的电路多，用途广泛，故称为万能转换开关，其外形如图1.42所示。
图1.42 万能转换开关的外形
（1）万能转换开关的结构及工作原理。万能转换开关一般由操作机构、面板、手柄及多个触点座等部件组成，再用螺栓组装而成。万能转换开关的每层触点底座内装有一对（或三对）触点和一个装在转轴上的凸轮。操作时，手柄带动转轴和凸轮一起转动，凸轮就可以接通或分断触点。当手柄在不同操作位置时，利用凸轮顶开或靠弹簧恢复动触点，控制它与静触点的分与合，从而达到对电路进行换接的目的。LW5系列万能转换开关的外形及结构如图1.43所示。
图1.43 LW5系列万能转换开关的外形及结构
（2）万能转换开关的型号、图形及文字符号。
万能转换开关的型号及表示意义为
如图1.44所示是图形法表示电路通断状况的一个例子，在“0”位时1、3两路接通，在“左”位时仅1路接通，在“右”位时仅2路接通。
图1.44 万能转换开关的图形及文字符号
课堂讨论
问题：组合开关与万能转换开关的区别有哪些？
结论：
① 属性不同。组合开关属于手动开关电器，万能转换开关则属于主令电器。
② 用途不同。在电气控制线路中，组合开关常被作为电源引入的开关，可以用它来直接启动或停止小功率电动机或使电动机正/反转，局部照明电路也常用它来控制。组合开关有单极、双极、三极、四极几种，额定持续电流有10A、25A、60A、100A等多种。万能转换开关属于主令电器，主要用于各种控制线路的转换，电压表、电流表的换相测量控制及配电装置线路的转换和遥控等。
③ 动作不同。组合开关由一个操作手柄控制多对触点的同时闭合或同时断开，而万能转换开关各对触点的闭合和断开由操作手柄的角度控制，不是同断同闭的。
5）其他开关
（1）主令控制器。主令控制器一般由触点、凸轮、定位机构、转轴、面板及其支撑件等部件组成。根据每块凸轮块的形状特点，可使触点按一定的顺序闭合与断开。这样，只要安装一层层不同形状的凸轮块即可实现对控制回路顺序地接通与断开。
主令控制器可用做频繁切换复杂多回路控制电路的开关，每小时通电次数较多，触点为双断点式结构，尤其适用于按顺序操作的多回路控制。
（2）光电开关。光电开关一般由投光器和受光器组成。它是一种把光照强弱的变化转换为电信号的传感元件。它利用物质对光束的遮蔽、吸收或反射等作用，对物体的位置、形状、标志、符号等进行检测。
光电开关能非接触、无损伤地检测各种固体、液体、透明体和烟雾等，具有体积小、功能多、寿命长、功耗低、精度高、响应速度快、检测距离远和抗光、电、磁干扰性能好等优点。光电开关广泛应用于各种生产设备中用做物体检测、液位检测、行程控制、产品计数、速度监测、产品精度检测、尺度控制、宽度鉴别、色斑与标记识别、人体接近开关和防盗警戒等，已成为自动控制系统和自动化生产线中的重要器件。
1.7 接触器
接触器是一种自动的电磁式开关，适用于远距离频繁地接通、断开交直流主电路。接触器具有零压及欠压保护功能，主要用于控制电动机、电热设备、电焊机和电容器组等，在电力拖动自动控制线路中被广泛应用。
接触器按主触点通过的电流种类不同，可分为交流接触器和直流接触器两类。
1.7.1 交流接触器
交流接触器常用于远距离接通和分断电压小于660V、电流小于600A的交流电路，以及频繁地启动和控制交流电动机的场合。交流接触器的种类很多，下面以CJ10系列为例进行介绍。
1）交流接触器的结构
如图1.45所示为CJ10—20型交流接触器的外形结构示意图。它主要由电磁机构、触点系统、灭弧装置及辅助部件4部分组成。
图1.45 CJ10—20型交流接触器的外形结构
（1）电磁机构。电磁机构由线圈、铁芯（静铁芯）和衔铁3部分组成。其作用是利用电磁线圈的通电或断电，使衔铁和铁芯吸合或释放，从而带动动触点与静触点闭合或分断，来实现接通或断开电路的目的。
（2）触点系统。按通断能力划分，交流接触器的触点分为主触点和辅助触点。主触点用于通断电流较大的主电路，一般由三对常开触点组成；辅助触点用于通断电流较小的控制电路，通常由两对常开触点和两对常闭触点组成，起电气联锁或控制作用。
（3）灭弧装置。交流接触器中常用的灭弧装置因电流等级而异。容量较小的接触器常用双断口桥形触点以利于灭弧，并在触点上方安装陶土灭弧罩；容量较大的接触器常采用纵缝灭弧罩和栅片灭弧装置。
（4）辅助部件。交流接触器的辅助部件包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构、底座及接线柱等。
2）交流接触器的工作原理
交流接触器的工作原理如图1.46所示。当给接触器的线圈两端加上一个交流的电压后，线圈中的电流会产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力，克服反作用弹簧的反作用力，将衔铁吸合。通过中间传动机构带动常闭（辅助）触点先断开，三对主触点和常开（辅助）触点后闭合。当加在接触器线圈两端的电压为零或较低时，由于电磁吸力消失或过小，不足以克服反作用弹簧的反作用力，衔铁即会在反作用力下复位，带动常开触点（主、辅）先恢复断开，辅助常闭触点后恢复闭合。
图1.46 交流接触器的工作原理
1.7.2 直流接触器
直流接触器适用于远距离频繁地接通和分断直流电路及控制直流电动机。其结构和工作原理与交流接触器基本相同，常用的有CZ0系列和CZ18系列。
直流接触器主要由电磁系统、触点系统和灭弧装置3部分组成，如图1.47所示为直流接触器的结构示意图。
图1.47 直流接触器的结构示意图
1）电磁系统
直流接触器的电磁系统由线圈、静铁芯和衔铁组成，具有绕棱角转动的拍合式电磁机构。由于直流接触器的线圈通的是直流电，铁芯不会因产生涡流和磁滞损耗而发热，因此铁芯可用整块的铸铁或铸钢制成，铁芯端面也不需要安装短路环。为了保证线圈断电后衔铁能可靠地释放，磁路中垫有非磁性垫片，以减小剩磁的影响。
2）触点系统
直流接触器的触点也有主、辅之分。由于主触点接通和断开的电流比较大，多采用滚动接触的指形触点，以延长触点的使用寿命。辅助触点的通断电流小，多采用双断点桥式触点。
3）灭弧装置
直流接触器一般采用磁吹式灭弧装置结合其他灭弧方法灭弧。
课堂讨论
问题：为什么交、直流接触器不能相互替代？（为什么接触器按触点通断电流的种类进行分类？）
结论：因为直流电弧不像交流电弧那样在自然过零时能自动熄灭，所以只能靠拉长电弧和冷却电弧来熄灭电弧，因此在同样的电气参数下，熄灭直流电弧要比熄灭交流电弧困难得多，故直流接触器灭弧装置一般比交流接触器灭弧装置复杂，这也是为什么对直流接触器触点的要求比交流接触器要高的原因，所以交、直流接触器不能相互替代。
1.7.3 接触器的型号和主要技术参数
1）交流接触器的型号和主要技术参数
（1）交流接触器的型号及表示意义。
交流接触器的型号及表示意义为
（2）交流接触器的主要技术参数。
① 额定电压。接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压，应等于负载的额定电压。通常交流电压的等级有36V、127V、220V、380V、660V及1140V。
② 额定电流。接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流。CJ20系列交流接触器的额定电流等级有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A和600A。
③ 吸引线圈的额定电压。吸引线圈的额定交流电压等级有36A、110A、127A、220A和380A。
④ 触点数目。各种类型的接触器触点数目有所不同。交流接触器的主触点只有三对（常开触点），辅助触点有四对（两对常开触点，两对常闭触点），也有包含六对辅助触点的（三对常开触点，三对常闭触点），可根据控制要求选择触点数目。
⑤ 操作频率。操作频率是指接触器每小时的操作次数，一般为300次/h、600次/h和1200次/h。
CJ20系列交流接触器的技术参数如表1.7所示。
表1.7 CJ20系列交流接触器的技术参数
目前常用的交流接触器有CJ0、CJ10、CJ12、CJ20、CJ24、CJ28、CJ29、CJTI、CJ40和CJX1、CJX2、CJX3、CJX4、CJX5、CJX8系列及NC2、NC6、B、CK1、CK2、EB、HC1、HUCL、CKJ5、CKJ9等系列。
常见交流接触器的外形如图1.48所示。
2）直流接触器的型号和主要技术参数
（1）直流接触器的型号。国内常用的直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22等系列。
直流接触器的外形如图1.49所示。
图1.48 常见交流接触器的外形
直流接触器的型号及表示意义为
图1.49 直流接触器的外形
（2）直流接触器的主要技术参数。
① 额定电压。接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压，应等于负载的额定电压。通常直流接触器的额定电压等级有24V、48V、100V、220V、440V和660V。
② 额定电流。接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流。CJ18系列直流接触器的额定电流等级有40A、80A、160A、315A、630A和1000A。
③ 吸引线圈的额定电压。直流线圈的额定电压等级有24V、48V、110V和220V。
3）接触器的图形和文字符号
接触器的图形和文字符号如图1.50所示（有时为了区分主、辅触点，常在主触点上画上半圆）。
图1.50 接触器的图形和文字符号
1.7.4 接触器的选用
为了保证系统的正常工作，要根据控制电路的要求正确选择接触器，使接触器的技术参数满足条件。
（1）接触器类型的选择。交流负载选用交流接触器，直流负载选用直流接触器。
（2）主触点额定电压的确定。主触点的额定电压应大于或等于电路的工作电压。
（3）主触点额定电流的确定。当接触器控制电阻性负载时，主触点的额定电流应不小于被控负载的额定电流；当接触器控制频繁启动、制动及正/反转的电动机时，应适当增大接触器主触点的额定电流（可按两倍的额定电流进行选择）。
（4）吸引线圈的额定电压和频率的确定。吸引线圈的额定电压和频率要与所在控制电路的电压和频率保持一致。
（5）触点数量的确定。根据在电路中使用接触器触点数量和种类的实际情况来确定接触器的触点数量和种类。当触点数量和种类不能满足要求时，要采取措施解决。
工程经验
接触器的常见故障及维修
接触器在长期使用过程中，由于自然磨损或使用维护不当，会产生故障而影响其正常工作。掌握接触器的常见故障处理办法可缩短电气设备的维修时间，提高生产效率。
故障现象1：接触器相间短路
故障原因：接触器在潮湿、尘土、水蒸气或者有腐蚀性气体的环境下工作造成短路；接触器灭弧罩损坏或者脱落；负载短路造成接触器触点同时短路；正、反接触器操作不当，加上联锁、互锁不可靠，造成换向时两只接触器同时吸合。
检修方法：改善工作环境，保持清洁；重新选配接触器灭弧装置；处理负载短路故障；重新检查接触器互锁电路，并改变操作方式。
故障现象2：接触器触电熔焊
故障原因：接触器负载侧短路；接触器触点超负载使用；触点表面有异物或者金属颗粒突起；触点弹簧压力过小；接触器线路接触不良，使接触器瞬间多次吸合释放。
检修方法：首先断电，用螺丝刀旋具把熔焊的触点分开，修正触点接触面，并排除短路故障；更换容量大一级的高质量接触器；用钢锉把接触器触点表面修整并清除异物；重新调整好弹簧压力；检查接触器线圈控制回路接触不良处，重新把线路接通或更换电气元件，使其通断良好。
故障现象3：接触器铁芯吸合不上
故障原因：电源电压过低；接触器控制线路有误或者接不通电源；接触器线圈断线或者烧坏；接触器磁铁部分不灵活及动触点卡住；触点弹簧压力过大。
检修方法：如果测得值与线圈额定电压差别太大，则要从电源上查找原因并调整电压达到正常值；更正接触器的控制电路，按正确线路连接；更换损坏的电气元件；用万用表电阻挡在接触器线圈断开的情况下，测得线圈电阻，如电阻过大，则线圈短路或者断路，应更换线圈；修理接触器的机械故障，除去生锈部分，并在机械动作机构处加些润滑油；按技术要求重新调整触点弹簧压力。
故障现象4：接触器铁芯释放缓慢或者不能释放
故障原因：接触器铁芯端面有油垢造成释放缓慢；反作用弹簧损坏造成释放缓慢；接触器铁芯机械动作机构被卡住或者生锈，动作不灵活；接触器触点熔焊造成不能释放。
检修方法：拆开接触器，把动铁芯取出，用抹布反复擦拭铁芯端面，把油垢擦净，重新装配好；更换新的反作用弹簧；拆开接触器，检查机构卡住的原因，修理或者更换损坏的零件；清除杂物与除锈，用螺钉旋具把动、静触点分开，并用铁挫修整触点表面，修好后要查出熔焊原因，予以处理。
故障现象5：接触器线圈过热或者烧毁
故障原因：电源电压过高；操作接触器过于频繁；环境温度过高；接触器铁芯端面不平；接触器动铁芯有机械故障，使其通电后不能吸合，匝间短路。
检修方法：测量接触器上的工作电压是否与接触器线圈的额定电压相符，如过高或者过低，将其调整到正常电压值上；改善工作环境温度，加强散热；清洗擦拭接触器铁芯端面，严重时更换铁芯；检查接触器机械部分动作是否灵活，修复后如线圈烧毁应更换同型号线圈；排除造成接触器线圈机械损伤的原因，更换接触器线圈。
故障现象6：接触器工作时噪音大
故障原因：接触器在环境温度过高的地方长期工作；操作过于频繁；触点超程太小；触点表面有杂质或不平；触点弹簧压力过小；三相触点不能同步接触；负载侧短路。
检修方法：用万用表测量接触器线圈的电源电压是否低于所要求的额定电压值，如过低应在线路上查找原因，并调整电压达正常值；用细砂纸打磨接触器的吸合端面，清除杂物，必要时在端面涂少许机油，并重新装配；重新装配、修理接触器动作机构；焊接短路环并重新接上；更换接触器铁芯；重新调整接触器弹簧压力，使其适当为止。
1.7.5 接触器的运行维护
1）运行中的检查项目
① 通过的负荷电流是否在接触器额定值之内。
② 接触器的分合信号指示是否与电路状态相符。
③ 运行声音是否正常，有无因接触不良而发出放电声。
④ 电磁线圈有无过热现象，电磁铁的短路环有无异常。
⑤ 灭弧罩有无松动和损伤情况。
⑥ 辅助触点有无烧损情况。
⑦ 传动部分有无损伤。
⑧ 周围运行环境有无不利运行的因素，如震动过大、通风不良或尘埃过多等。
2）维护
在进行电气设备的运行维护工作时，应一并对接触器进行维护。
（1）外部维护。
① 清扫外部灰尘。
② 检查各紧固件是否松动，特别是导体的连接部分，防止因接触松动而发热。
（2）触点系统维护。
① 检查动、静触点位置是否对正，三相是否同时闭合，如有问题应调节触点弹簧。
② 检查触点的磨损程度，磨损深度不得超过1mm；触点有烧损或开焊脱落时，须及时更换，轻微烧损时，一般不影响使用；清理触点时不允许使用砂纸，应使用整形锉。
③ 测量相间绝缘电阻，阻值不低于10MΩ。
④ 检查辅助触点的动作是否灵活，触点行程应符合规定值，检查触点有无松动脱落，发现问题时，应及时修理或更换。
（3）铁芯部分维护。
① 清扫灰尘，特别是运动部件及铁芯吸合接触面之间。
② 检查铁芯的紧固情况，铁芯松散会引起运行噪声加大。
③ 铁芯短路环有脱落或断裂时要及时修复。
（4）电磁线圈维护。
① 测量线圈的绝缘电阻。
② 检查线圈绝缘物有无变色、老化现象，线圈的表面温度不应超过65℃。
③ 检查线圈的引线连接，如有开焊、烧损应及时修复。
（5）灭弧罩部分维护。
① 检查灭弧罩是否破损。
② 灭弧罩位置有无松脱和位置变化。
③ 清除灭弧罩缝隙内的金属颗粒物及杂物。
1.8 继电器
继电器是一种根据外界输入信号（电量或非电量）的变化来接通或断开小电流控制电路，以完成远距离自动控制或保护任务的电器。
继电器的种类很多，按用途可分为控制继电器和保护继电器；按输入信号的性质可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器和压力继电器等；按动作原理可分为电磁式、感应式、电动式、电子式和热继电器等。
1.8.1 电磁式继电器
电磁式继电器是电气控制设备中用得最多的一种继电器。电磁式继电器的结构和工作原理与接触器类似，也是由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成。如图1.51所示为电磁式继电器的典型结构，图1.52所示为电磁式继电器的图形和文字符号。
图1.51 电磁式继电器的典型结构
图1.52 电磁式继电器的图形和文字符号
课堂讨论
问题：电磁式继电器与接触器有何区别？
结论：继电器和接触器都能用于自动接通或断开电路，但它们有很多不同之处。继电器主要用于控制与保护电路或作为信号转换用，可对各种电量或非电量的变化做出反应，而接触器只有在一定的电压信号下才动作；继电器用来控制小电流电路，而接触器则是用来控制大电流电路。
电磁式继电器又分为电磁式电流继电器、电磁式电压继电器和中间继电器三种。
1）电流继电器
电流继电器受电流信号作用。其特点是线圈匝数少而线径粗、阻抗小、分压小，不影响电路的正常工作。常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。使用时，电流继电器的线圈应串联在被保护的设备中。如图1.53所示为电流继电器的外形和结构图。
图1.53 电流继电器的外形和结构图
（1）欠电流继电器在正常工作时衔铁是吸合的，欠电流继电器的吸合电流为额定电流的30%～65%，当电流降到额定电流的20%左右时，欠电流继电器才释放，起到欠电流保护作用。
（2）过电流继电器在正常工作时不动作，当交流电流超过额定电流的110%～400%，直流电流超过额定电流的70%～300%时，过电流继电器才吸合，对电路起到过电流保护作用。
2）电压继电器
电压继电器线圈匝数多而线径细，使用时电压继电器的线圈与负载并联。电压继电器受电压信号作用。常用的有过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。
（1）过电压继电器在电路电压为额定电压的105%～120%时吸合动作，对电路实现过电压保护。
（2）欠电压继电器正常时吸合，当电路电压减小到额定值的25%～50%时，继电器释放，对电路实现欠电压保护。
（3）零电压继电器在电路电压降到额定值的7%～25%时释放，对电路实现零电压保护。
如图1.54所示为电流继电器和电压继电器的图形和文字符号。
图1.54 电流继电器和电压继电器的图形和文字符号
电流继电器的型号及表示意义为
JT系列继电器的型号及表示意义为
3）中间继电器
中间继电器实质上是一种电压继电器，它的特点是触点数量较多，触点容量较大（额定电流为2A/5A/10A）。当一个输入信号需变成多个输出信号或信号容量需要放大时，可采用中间继电器来扩大信号的数量和容量。如图1.55所示为中间继电器的外形图，图1.56所示为中间继电器的图形及文字符号。
图1.55 中间继电器的外形
图1.56 中间继电器的图形及文字符号
中间继电器的型号及表示意义为
中间继电器的类型有JZ系列电磁继电器、HH/JQX系列继电器和JGF—F系列固态继电器等。常用的中间继电器有JZ7系列，以JZ27—62为例，JZ为中间继电器的代号，7为设计序号，有6对常开触点和2对常闭触点。
1.8.2 时间继电器
时间继电器是一种接收信号后，经过一定的时间延时后才能输出信号，实现触点延时接通或断开的继电器。
时间继电器有两种延时方式。
（1）通电延时方式。接收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。
（2）断电延时方式。接收输入信号时，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。
时间继电器的种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等。
1）直流电磁式时间继电器
直流电磁式时间继电器是在铁芯上增加了一个阻尼铜套，从而构成了时间继电器。当继电器吸合时，由于衔铁处于释放位置，气隙大、磁阻大、磁通小，铜套的阻尼作用也小，从而延缓了磁通变化的速度，达到延时的目的。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，达到延时的目的。
直流电磁式时间继电器运行可靠，寿命长，允许通电次数多，结构简单，但仅适用于直流电路，延时时间较短。一般通电延时仅为0.1～0.5s，而断电延时可达0.2～10s。因此，直流电磁式时间继电器主要用于断电延时。常用的产品有JT3系列和JT18系列，如图1.57所示。
图1.57 直流电磁式时间继电器常用产品
2）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获得延时，有通电延时和断电延时两种类型。它由电磁机构、延时机构和触点系统组成。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。
下面以JS7—A系列时间继电器为例来介绍空气阻尼式时间继电器的工作原理。
通电延时型时间继电器如图1.58所示，当线圈1得电后，铁芯2将衔铁3吸合，活塞杆6在塔形弹簧8的作用下，带动活塞12及橡皮膜10向上移动，但由于橡皮膜下方气室空气稀薄，形成负压，此时的活塞杆6不能迅速上移。当空气由进气孔14进入时，活塞杆6才逐渐上移。移到最上端时，杠杆7使微动开关15动作，使其触点动作，起到通电延时的作用。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。延时时间的长短可以通过调节螺杆13调节进气孔气隙大小来改变。
图1.58 通电延时型时间继电器
如果将电磁机构转180°安装，即可得到如图1.59所示的断电延时型时间继电器。
断电延时型时间继电器的结构和工作原理与通电延时型时间继电器相似。当线圈1断电时，衔铁3在反力弹簧4的作用下将活塞12推向下端。当活塞往下推时，橡皮膜下方气室内的空气都通过橡皮膜10、弱弹簧9和活塞12肩部所形成的单向阀，经上气室缝隙而排出，此时延时微动开关15迅速复位，不延时的微动开关16同时迅速复位。
图1.59 断电延时型时间继电器
如图1.60所示为空气阻尼式时间继电器。其延时时间有0.6～60s和0.4～180s两种规格，特点是结构简单、价格低廉、延时范围较宽、工作可靠、寿命长等，主要用于机床交流控制电路中。
图1.60 空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器的型号意义为
3）电动式时间继电器
电动式时间继电器由带减速器的同步电动机、离合电磁铁和能带动触点的凸轮等组成，其外形如图1.61所示。该继电器的延时时间不受电源电压波动及环境温度变化的影响，整定偏差和重复偏差都比较小，延时范围宽，可长达数十小时，延时过程能通过指针直观地表示出来。缺点是结构复杂，成本高，寿命低，不适于频繁操作，延时误差受电源频率影响。
图1.61 电动式时间继电器的外形
JS11系列电动式时间继电器的型号意义为
4）电子式时间继电器
电子式时间继电器也称晶体管式时间继电器，其外形如图1.62所示。它具有延时时间长、调节范围宽、精度高、消耗功率小、机械结构简单及寿命长等优点。按结构形式分为阻容式和数字式两类；按延时方式分为通电延时型和断电延时型两类；按输出形式分为无触点式和有触点式两类。
图1.62 电子式时间继电器的外形
常用的电子式时间继电器有JS20及JS13、JS14、JS15等系列。JS20系列的型号意义为
5）时间继电器的图形和文字符号
时间继电器的图形和文字符号如图1.63所示。
图1.63 时间继电器的图形和文字符号
6）时间继电器的选用
对于延时要求不高的场合，一般选用空气阻尼式时间继电器；对于延时要求较高的场合，可选用电动式或电子式时间继电器。
对于空气阻尼式时间继电器，其线圈电流的种类和电压等级应与控制电路相同；对于电动式和电子式时间继电器，其电源的种类和电压等级应与控制电路相同。
按控制电路的要求选择通电延时型和断电延时型，以及触点延时形式和触点数量，同时要考虑操作频率是否符合要求。
1.8.3 热继电器
热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器。电动机在运行过程中常会遇到过载情况，只要过载不严重，绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。如果过载情况严重，时间较长，则会加速电动机绝缘的老化，甚至烧毁电动机。热继电器就是专门用来对连续运行的电动机实现过载及断相保护，以防电动机因过热而烧毁的一种保护电器。
1）热继电器的结构
热继电器的种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，其外形和结构如图1.64所示。它主要由热元件、双金属片和触点三部分组成。热继电器的常闭触点串联在被保护的次级回路中，它的热元件由电阻值不高的电热丝或电阻片绕成，串联在电动机或其他用电设备的主电路中。靠近热元件的双金属片是用两种不同膨胀系数的金属用机械碾压而成的，是热继电器的感测元件。
图1.64 热继电器的外形和结构
2）热继电器的工作原理
热继电器的工作原理如图1.65所示。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使主双金属片2弯曲，但还不足以使继电器动作。当电动机过载时，流过热元件3的电流增大，热元件产生的热量增加，使主双金属片2产生的弯曲位移增大，双金属片推动导板4，并通过补偿双金属片5与推杆将动触点9和常闭触点6分开，以切断电路保护电动机。
调节旋钮11是一个偏心轮，它与支撑件12构成一个杠杆，转动偏心轮，改变它的半径即可改变补偿双金属片5与导板4的接触距离，从而达到调节整定动作电流的目的。此外，靠调节复位螺钉8来改变常开触点7的位置，使热继电器能工作在自动复位或手动复位两种工作状态。调整为手动复位时，在故障排除后要按下复位按钮10才能使动触点9恢复与常闭触点6接触的位置。
图1.65 热继电器的工作原理
热继电器在保护形式上分为二相保护式和三相保护式两类。二相保护式热继电器内装有两个发热元件，分别串入三相电路中的两相，常用于三相电压和三相负载平衡的电路。三相保护式热继电器内装有三个发热元件，分别串入三相电路中的每一相，其中任意一相过载，都会使热继电器动作，常用于三相电源严重不平衡或三相负载严重不平衡的场合。
3）热继电器的主要技术参数、型号、图形及文字符号
热继电器的主要技术参数有额定电压、额定电流、相数、热元件编号、整定电流及整定电流调节范围等。整定电流是指热元件能够长期通过而不引起热继电器动作的电流值。
常用的热继电器有JR20、JRS1及JR0、JR10、JR15、JR16等系列。如图1.66所示为几种常用热继电器的外形图。
图1.66 常用热继电器的外形图
热继电器型号的意义为
热继电器的图形和文字符号如图1.67所示。
图1.67 热继电器的图形和文字符号
4）热继电器的故障诊断及维修
热继电器的检查与维修内容主要有以下几项。
（1）检查负荷电流是否和热元件的额定值相匹配。
（2）检查热继电器与外部连接点有无过热现象。
（3）检查与热继电器连接的导线截面是否满足要求，有无因发热而影响热元件正常工作的现象。
（4）检查热继电器的运行环境温度有无变化，温度有无超过允许范围（-30℃～40℃）。
（5）检查热继电器的动作情况是否正确。
（6）检查热继电器周围环境的温度与被保护设备周围环境温度的差值，若差值超出15～25℃，应调换大一号等级的热元件（或小一号等级的热元件）。
热继电器的常见故障有热元件烧断、误动作和不动作，常见故障及维修方法如表1.8所示。
表1.8 热继电器的常见故障及维修方法
1.8.4 速度继电器
速度继电器是当转速达到规定值时动作的继电器。它常用于电动机反接制动的控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时自动及时地切断电源。
1）速度继电器的结构
速度继电器的外形及结构如图1.68所示，它主要由转子、定子和触点等部分组成。转子为永磁铁，固定在轴上；定子的结构与笼形异步电动机的转子相似，由硅钢片叠成，并装有鼠笼形绕组。定子与轴同心且能独自偏摆，与转子间有气隙。速度继电器的轴与电动机的轴相连接。
图1.68 速度继电器的外形及结构
2）速度继电器的工作原理
当电动机旋转时，速度继电器的转子随电动机一起旋转，永久磁铁产生旋转磁场，定子上的笼形绕组切割磁力线而产生感应电动势和电流，载流导体与旋转磁场相互作用而产生转矩，使定子跟随转子的转动方向摆动，定子带动摆杆。转子转速越高，定子摆动的角度越大。当定子摆动的角度大到一定程度时，摆杆通过推杆拨动动触点，使继电器相应的触点动作。当转子的速度下降到一定值时，摆杆在返回杠杆的作用下恢复到原来位置。调节弹簧的松紧程度可使速度继电器的触点在电动机不同速度下切换。
3）速度继电器的型号、图形及文字符号
常用的速度继电器有JY1型和JYZ0型。一般速度继电器的动作转速为120r/min，触点的复位转速在100r/min以下，转速在3600r/min以下能可靠工作。
速度继电器的图形和文字符号如图1.69所示。
图1.69 速度继电器的图形和文字符号
实训1 低压电器的认识
1）实训器材
（1）组合开关。
（2）电工常用工具。
2）实训内容
（1）螺旋式熔断器的认识。
目视操作：观察螺旋式熔断器的外形结构；识读器件的铭牌并记录铭牌上的信息，包括品牌、型号、额定电压和额定电流等。
相关要求：整理螺旋式熔断器的铭牌记录并填写在表1.9中。
表1.9 螺旋式熔断器的技术数据
检测操作：
① 外观检测。检查熔断器各部分是否完好；检查接线柱螺钉是否齐全及螺钉是否拧紧。
② 内部检测。打开螺帽，检查熔体、进线端、出线端是否完好。
③ 功能检测。用万用表R×10欧姆挡检测，当瓷帽旋紧后，两接线端是否导通；当瓷帽旋开后，两接线端是否断开。
相关要求：给出被检测螺旋式熔断器的质量鉴定结论。
（2）组合开关的认识。
目视操作：观察组合开关的外形结构；识读组合开关的铭牌并记录铭牌上的信息，包括品牌、型号、额定电压和额定电流等。
相关要求：整理组合开关的铭牌记录并填写在表1.10中。
表1.10 组合开关的技术数据
检测操作：
① 外观检测。检查组合开关各部分是否完好；动、静触点及接线螺钉是否齐全、牢固；动作部分是否灵活；外部有无损伤等。
② 功能检测。用万用表的R×10欧姆挡检测动、静触点在手柄转动前后的通断情况。
相关要求：给出被检测组合开关的质量鉴定结论。
（3）复合按钮的认识。
目视操作：观察复合按钮的外形结构；识读复合按钮的铭牌并记录铭牌上的信息，包括品牌、型号、额定电压和额定电流等。
相关要求：整理复合按钮的铭牌记录并填写在表1.11中。
表1.11 复合按钮的技术数据
检测操作：
① 外观检测。检查复合按钮各部分是否完好；动、静触点及接线螺钉是否齐全、牢固；动作部分是否灵活；外部有无损伤等。
② 功能检测。检查复位功能是否灵活自如；用万用表的R×10欧姆挡检测动、静触点在按钮受励和非受励状态时的通断情况。
相关要求：给出被检测复合按钮的质量鉴定结论。
（4）空气开关的认识。
目视操作：观察空气开关的外形结构；识读空气开关的铭牌并记录铭牌上的信息，包括品牌、型号、额定电压和额定电流等。
相关要求：整理空气开关的铭牌记录并填写在表1.12中。
表1.12 空气开关的技术数据
检测操作：
① 外观检测。检查空气开关的接线螺钉是否齐全、牢固；动作部分是否灵活；触点分、合是否迅速准确。
② 功能检测。将空气开关断开，用万用表检测各组触点是否断开；将空气开关闭合，用万用表检测各组触点是否闭合。
相关要求：给出被检测空气开关的质量鉴定结论。
（5）热继电器的认识。
目视操作：观察热继电器的外形结构；识读热继电器的铭牌并记录铭牌上的信息，包括品牌、型号、额定电压、额定电流、整定电流值、整定电流的范围等。
相关要求：整理热继电器的铭牌记录并填写在表1.13中。
检测操作：
① 外观检测。检查热继电器的接线螺钉是否齐全、牢固；动作部分是否灵活。
② 功能检测。用万用表检测热元件是否完好；用旋具推动导板，用万用表检测各组触点是否动作；检查复位按钮是否能手动复位。
相关要求：给出被检测热继电器的质量鉴定结论。
表1.13 热继电器的技术数据
（6）交流接触器的认识。
目视操作：观察交流接触器的外形结构；识读交流接触器的铭牌并记录铭牌上的信息，包括品牌、型号、额定电压、额定电流、主触点的数量及辅助触点的数量等。
相关要求：整理交流接触器的铭牌记录并填写在表1.14中。
表1.14 交流接触器的技术数据
检测操作：
① 外观检测。检查交流接触器各部分是否完好；动、静触点及接线螺钉是否齐全、牢固；动作部分是否灵活；外部有无损伤等。
② 功能检测。用万用表的R×10欧姆挡检测交流接触器的所有动、静触点在衔铁吸合前后的通断情况。
相关要求：给出被检测交流接触器的质量鉴定结论。
3）实训考核
该实训采取单人逐项考核的方法，教师（或是已经考核优秀的学生）对每个同学都要进行以下4项考核。
（1）能否准确描述实训器件的外部特征？
（2）能否准确读取器件的铭牌信息？
（3）能否辨识器件的主、控端子？
（4）是否会测量器件触点的通断状态？
工程实际问题
问题：现场使用的螺旋式熔断器如图1.70所示。
图1.70 螺旋式熔断器
目测观察螺旋式熔断器的两个接线端子，发现两个接线端子的位置没有处在同一水平线上，而是呈高低错落分布，这是为什么呢？
现场演示：将螺旋式熔断器分解拆开，观察高接线端子和低接线端子的内部结构，并与白炽灯灯座的内部结构相比较。
结论：观察发现，螺旋式熔断器的高接线端子接在熔断器底座螺纹口上，而低接线端子接在熔断器的底芯上。为防止操作人员触电，在对螺旋式熔断器实际接线时，要求熔断器的下接线端为受电端（接火），上接线端为负载端，即“低进高出”。螺旋式熔断器的现场安装图如图1.71所示。安装熔体时，指示器朝上。
图1.71 螺旋式熔断器的现场安装图
实训2 交流接触器的拆装
1）实训器材
（1）交流接触器。
（2）电工常用工具。
2）实训内容
（1）拆卸。操作过程：卸下交流接触器的灭弧罩→拉紧主触点定位弹簧夹，将主触点侧转45°后，取下主触点和压力弹簧片→松开辅助常开静触点的螺钉，卸下常开静触点→用手按压底盖板，并卸下螺钉→取出静铁芯和静铁芯支架及缓冲弹簧→拔出线圈弹簧片，取出线圈→取出反作用弹簧→取出动铁芯和塑料支架，并取出定位销。
相关要求：布置好拆卸现场，准备必要的拆卸工具和盛装零件的容器；每一步拆卸下来的部件按一定的顺序分类摆放；记录拆卸过程，注明拆卸步骤；较复杂、易损坏的部件应在教师的指导下进行拆卸。
注意：在拆卸过程中，必须将零件放入专门的容器内，以免丢失。不允许用蛮力硬撬，以免损坏电器，并留心记住每一零件的位置及相互间的配合关系。保持工作环境的整洁、安静，逐步养成文明生产的良好习惯。
（2）识别部件。
操作过程：识别拆卸下来的各部件；对各部件进行必要的检测。
相关要求：说明各部件的功能。
（3）组装。操作过程：装上动铁芯和塑料支架，并安装定位销→装上反作用弹簧→装上线圈，安装线圈弹簧片→装上静铁芯和静铁芯支架及缓冲弹簧→装上常开静触点，拧紧辅助常开静触点的螺钉→拉紧主触点定位弹簧夹，将主触点侧转45°后，装上主触点和压力弹簧片→用手按压底盖板，并拧紧螺钉→装上灭弧罩。
相关要求：每完成一步组装后，需进行必要的检查。
注意：装配时要均匀紧固螺钉，以免损坏接触器；在装配辅助常闭触点时，应先按下触点支架，以防将辅助常闭动触点弹簧推出支架。
（4）检测。操作过程：用万用表欧姆挡检查线圈及各触点是否良好；用兆欧表测量各触点间及主触点对地电阻是否符合要求；用手按主触点检查运动部分是否灵活，以防产生接触不良、振动和噪声。
相关要求：注意万用表选用的挡位及兆欧表的转速，正确使用好电工仪表；记录各测量参数的值；给出关于接触器装配质量的结论。
3）实训考核
本次实训的考核参照《中级维修电工国家职业技能鉴定考核标准》执行，评分标准参考表1.15。
表1.15 实训考核评分标准
工程实际问题
问题：现场使用的交流接触器的触点系统如图1.72所示。目测观察交流接触器的触点系统，发现其辅助触点由两对常开和两对常闭触点组成，常开触点和常闭触点是联动关系。当线圈通电时，常闭触点动作在先，由常闭变常开，而常开触点动作在后，由常开变常闭；当线圈断电时，常开触点动作在先，由常闭恢复常开，常闭触点动作在后，由常开恢复闭合。两种触点在改变工作状态时，先后有个时间差，这个时间差有什么作用呢？
结论：这个时间差对分析电路的工作原理起着至关重要的作用。由于同一接触器的常开触点和常闭触点动作存在时间差，利用这个时间差可以控制两个工作状态互为相反的电路始终保持单一状态的稳定，即实现两个控制电路在逻辑上的电气互锁。
图1.72 交流接触器的触点系统
习题1
1.填空题
（1）低压电器通常是指用于交流电压______，直流电压______及以下电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。
（2）低压电器按工作原理可分为______、______和______。
（3）从结构上看，电磁式电器一般都有两个基本组成部分：______和______。
（4）一般直流电磁机构的线圈匝数______，为使线圈散热良好，通常将线圈绕成______。
（5）触点是直接用来______被控电路的部件。触点系统中通常有静止不动的______和可以运动实现闭合与分断的______。
（6）刀开关在接线时要上端接______，下端接______。
（7）开关电器广泛应用于配电线路用做电源的______、保护与控制。
（8）正确选择熔断器的原则是：熔断器的额定电压必须______线路的工作电压，熔体的额定电流必须______熔断器的额定电流。
（9）熔断器的选择首先应确定______的额定电流，再根据被保护电路的性质，选择______的规格及类型。
（10）单台电动机的短路保护，熔体额定电流按电动机额定电流的______倍选择。
（11）按钮是一种______控制并可自动______的电器，用于短时间接通与分断小电流电路。
（12）按钮动作时，______先断开，然后______才闭合。
（13）行程开关是利用生产机械运动部件上挡块______的而使其______动作的一种控制电器，它可以对生产机械实现______控制和______保护。
（14）行程开关的文字符号为______。
（15）接触器的结构主要由______、______、弹簧、______和支架底座等组成。
（16）接触器是一种远距离控制并能______接通和切断交流、直流电路的______电器。按使用电流的种类分为______接触器和______接触器两大类。
（17）根据______电压等级来选择接触器的额定电压。
（18）接触器的额定电流是指______的额定电流，选择时应根据______电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。
（19）按照接触器主触点控制的电流种类可分为______和______。
（20）接触器线圈得电时，所有的______触点先动作，然后所有的______触点跟着动作。接触器线圈失电时，所有的______触点先动作，接着所有的______触点跟着动作。
（21）根据______电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。
（22）接触器的主触点应接在______中，辅助触点应接在______。主触点的额定电压、电流应______负载的额定电压、电流；线圈的额定电压应与______的电压相同。
（23）继电器的种类很多，按其用途可分为______和______。
（24）电流继电器的线圈与被测电路______，反映电路电流的变化，其线圈匝数______，导线______，线圈阻抗______。
（25）电压继电器的线圈与被测电路______，属于电压线圈，其线圈匝数______，导线，线圈阻抗。
（26）中间继电器主要用于触点______和______的扩展，起到信号中继的作用。
（27）继电器是一种______控制的______电器，当______达到一定数值后，它的______才会发生突变；同接触器比较，继电器的______容量比较小，没有______装置。（28）空气式时间继电器是利用______原理制成的。
（29）时间继电器按延时方式分为______和______。
（30）热继电器是一种能反映电气设备______的自动控制继电器，通常采用双金属片式，具有良好的反时限动作特性，作为电动机或其他负载的______及三相交流电动机的缺相保护。
（31）热继电器的热元件串在______电路中，常闭触点串在______电路中。
（32）速度继电器是当______达到规定值时动作的继电器。
2.判断题
（1）低压电器通常是指用于交流电压1500V、直流电压1200V及以下电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。（ ）
（2）在电磁机构的组成中，线圈和静铁芯是不动的，只有衔铁是可动的。（ ）
（3）电磁机构线圈的作用是将磁能转换成电能。（ ）
（4）当电磁线圈两端电压一定时，它的阻抗越大，通过的电流越小。（ ）
（5）动、静触点接触面积越大，接触电阻越小。（ ）
（6）刀开关是自动操作电器中结构最简单的一种，主要用于不频繁地接通和分断电路，也可以作为电源隔离开关。（ ）
（7）组合开关用于直接控制电动机时，其额定电流应大于或等于电动机的额定电流。（ ）
（8）行程开关主触点用在主电路中，辅助触点用在控制电路中。（ ）
（9）低压断路器又称为自动空气开关。（ ）
（10）低压断路器只有失压保护功能。（ ）
（11）万能转换开关的工作原理与主令开关的基本原理相同。（ ）
（12）行程开关作为一种开关电器，主要用于对生产机械的行程或位置进行控制。（ ）
（13）行程开关是一种手动接通或分断小电流电路的主令电器。（ ）
（14）熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。（ ）
（15）熔断器的额定电流为熔断器长期工作时，各部件温升不超过允许值时所允许通过的最大电流值。（ ）
（16）按照接触器电磁线圈流过的电流种类可分为交流接触器和直流接触器。（ ）
（17）根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。（ ）
（18）一只额定电压为220V的交流接触器在220V AC和220V DC的电源上均可使用。（ ）
（19）交流接触器通电后如果铁芯吸合受阻，将导致线圈烧毁。（ ）
（20）对于三相笼形异步电动机的电气控制，如果使用了热继电器作为过载保护，一般就不必再装设熔断器作为短路保护了。（ ）
（21）热继电器一般作为电动机或其他负载的短路保护及三相交流电动机的缺相保护。（ ）
（22）一定规格的热继电器，所装热元件的规格可能是不同的。（ ）
（23）热继电器的额定电流就是其触点的额定电流。（ ）
3.选择题
（1）下列______现象可能是电弧危害直接引起的。
A.无法分断电路 B.短路 C.产生很大噪声 D.触点熔焊
（2）关于接触电阻，下列说法中不正确的是______。
A.由于接触电阻的存在，会导致电压损失
B.由于接触电阻的存在，触点的温度降低
C.由于接触电阻的存在，触点容易产生熔焊现象
D.由于接触电阻的存在，触点工作不可靠
（3）为了减小接触电阻，下列做法中不正确的是______。
A.在静铁芯的端面上嵌短路铜环 B.加一个触点弹簧
C.保持触点清洁 D.在触点上镶一块纯银块
（4）由于电弧的存在，将导致______。
A.电路分断时间加长 B.电路分断时间缩短
C.电路分断时间不变 D.电路分断能力提高
（5）下列故障中，能引起电磁机构产生较大振动和噪声的故障是______。
A.衔铁与铁芯的接触面接触不良或衔铁歪斜
B.短路环损坏
C.触点压力过大
D.电磁线圈断路
（6）电弧的存在对电器和电路都会造成不良的后果，如______。
A.延迟分断电路 B.产生很大噪声
C.易引起短路 D.使触点氧化和烧灼
（7）刀开关在安装时要______安装。
A.手柄朝上垂直 B.手柄朝下垂直
C.手柄朝前水平 D.手柄朝后水平
（8）低压断路器主要用于低压配电电路中不频繁地接通和断开控制，当电路中发生故障时，能起到______保护作用。
A.短路 B.过载 C.欠压 D.过电流
（9）开关电器广泛应用于______中，用做电源的隔离、保护与控制。
A.控制电路 B.配电电路 C.信号电路 D.辅助电路
（10）主令电器一般应用于______中用于发布命令。
A.控制电路 B.配电电路 C.信号电路 D.辅助电路
（11）在选择熔断器时，应根据被保护电路的需要，首先确定______。
A.熔体额定电流 B.熔断器额定电压
C.熔断器额定电流 D.熔断器的形式
（12）熔断器主要用于低压配电电路的______保护。
A.短路 B.长期过载 C.欠压 D.缺相
（13）用接触器构成自锁控制电路时，具有______保护功能。
A.短路 B.欠电流 C.失压 D.过载
（14）接触器的类型应根据______来选择。
A.电流大小 B.功率大小 C.电压等级 D.负载性质
（15）接触器的额定电压应根据______来选择。
A.被控电路电压 B.控制电路电压
C.电源电压 D.线圈电压
（16）接触器线圈的额定电压应根据______来选择。
A.被控电路电压 B.控制电路电压
C.电源电压 D.负载额定电压
（17）下列继电器中，属于电磁式继电器的是______。
A.热继电器 B.中间继电器 C.速度继电器 D.感应式继电器
（18）下列继电器中，属于控制继电器的是______。
A.热继电器 B.中间继电器 C.速度继电器 D.电流继电器
（19）下列继电器中，属于保护继电器的是______。
A.时间继电器 B.速度继电器 C.热继电器 D.电流继电器
（20）热继电器实现过载保护常用的触点为______。
A.常开触点 B.常闭触点 C.动触点 D.静触点
（21）下列图形符号中，______表示时间继电器断电延时常开触点。
A.
B.
C.
D.
（22）与其他类型的时间继电器相比，空气阻尼式时间继电器的优点是______。
A.结构简单 B.调整范围大 C.价格较低 D.延时精度高
（23）与其他类型的时间继电器相比，空气阻尼式时间继电器的缺点是______。
A.结构复杂 B.调整复杂 C.价格较高 D.延时精度较低
（24）速度继电器的文字符号为______。
A.QS B.FU C.SQ D.QF
（25）速度继电器的结构主要包括______。
A.线圈、铁芯、衔铁 B.手柄，动、静触片，辅助部件
C.触头、操作机构、灭弧装置 D.定子、转子、触点
4.问答题
（1）电器及低压电器的定义是什么？
（2）电磁机构由哪几部分组成？工作原理是什么？
（3）直流电磁机构是否需要安装短路环？为什么？
（4）电弧是如何产生的？
（5）刀开关的作用是什么？使用时应注意哪些事项？
（6）组合开关在安装时应注意哪些事项？
（7）什么是主令电器？常用的主令电器有哪些？
（8）熔断器的工作原理是什么？
（9）熔断器的熔体电流如何选择？
（10）接触器的结构及工作原理是什么？
（11）电压继电器与电流继电器的电磁线圈有何区别？
（12）热继电器的工作原理是什么？
（13）速度继电器的工作原理是什么？