准备知识：低压电器中的行程开关

常用低压电器种类繁多, 结构各异, 主要分为主令电器、 开关电器、 继电器、 接触器和熔断器等。

低压电器一般包括检测部分和执行部分。 检测部分感受外界信号, 通过转换、 放大与判断做出有规律的反应, 使执行部分动作, 输出相应的指令, 实现控制目的。

1. 有触点的电磁式电器结构

对于有触点的电磁式电器, 检测部分是电磁机构, 执行部分是触点系统。

(1) 电磁机构

常用的电磁机构由衔铁、 铁芯和线圈构成, 按衔铁的运动方式分为直动式和拍合式。图2 -1 -1 (a) 为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯, 铁芯材料为电工软铁, 主要用于直流电器中; 图2 -1 -1 (b) 为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯, 主要用于触点容量大的交流电器中;图2 -1 -1 (c) 为衔铁直线运动的双E 型直动式铁芯, 多用于中、 小容量的交流电器中。

图2-1-1　常用的电磁机构

1—衔铁; 2—铁芯; 3—线圈

线圈是电磁机构的心脏, 按接入线圈电源的种类可分为直流线圈和交流线圈。 按励磁的需要分为串联(电流) 线圈和并联(电压) 线圈。 前者串联在电路中, 流过的电流大, 为减少对电路的影响, 线圈的导线粗、 匝数少、 阻抗小; 后者并联在电路中, 为减少分流作用, 降低对电路的影响, 需要较大的阻抗, 线圈的导线细、 匝数多。 从结构上看, 线圈可分为有骨架和无骨架两种。 交流线圈多为有骨架的, 主要用来散发铁芯中的磁滞和涡流损耗产生的热量, 直流线圈多为无骨架的。

电磁机构的工作原理是当通入电源时, 线圈将电能转换为磁能, 产生磁通, 衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移与铁芯吸合, 由其连接的机构带动相应的触点动作。

(2) 触点系统。 触点用来接通或断开电路, 是有触点的电磁式电器的执行部分。 其结构形式有多种。

按接触形式触点可分为点接触、 线接触和面接触, 如图2 -1 -2 所示。 其中点接触形式的触点允许通过的电流较小, 常用于继电器电路或辅助触点; 面接触和线接触形式的触点允许通过的电流较大, 常用于大电流的场合, 如刀开关、 接触器的主触点等。

图2-1-2　触点的接触形式

(a) 点接触; (b) 线接触; (c) 面接触

按控制的电路, 触点可分为主触点和辅助触点。 主触点用于接通或断开主电路, 允许通过较大的电流; 辅助触点用于接通或断开控制电路, 只允许通过较小的电流。

按原始状态和工作状态, 触点可分为常开(动合) 触点和常闭(动断) 触点。 原始状态(线圈未得电状态下) 动、 静触点是分开的称为常开触点, 闭合的称为常闭触点。

(3) 灭弧装置。 动、 静触点分开瞬间, 由于电场的存在, 触点表面的自由电子大量溢出而产生电弧。 电弧的存在会损坏触点金属表面, 降低电器使用寿命, 延长电路的分断时间。

欲使电弧熄灭, 应设法降低电弧的温度和电场强度。 常用的灭弧方法有增大电弧长度,冷却弧柱, 把电弧分成若干短弧等。 灭弧装置就是根据这些原理设计的。 常用的灭弧装置有磁吹灭弧装置、 灭弧栅、 灭弧罩等。

2. 主令电器

主令电器用于发送控制命令, 改变控制系统工作状态; 按其作用可分为按钮、 行程开关、 万能转换开关、 限位开关及各类传感器开关。

1) 按钮

按钮是一种人工控制的主令电器, 具有自动复位功能, 用来发布操作命令, 接通或断开接触器、 继电器等线圈回路, 触点允许通过的电流一般不超过5 A。

按钮按其结构形式可分为点按式、 旋钮式、 指示灯式、 钥匙式和蘑菇帽紧急式等, 如图2 -1 -3 所示。 按钮由按钮帽、 复位弹簧、 常开触点、 常闭触点等组成, 如图2 -1 -4所示。

图2-1-3　按钮

(a) 点按式; (b) 旋钮式; (c) 指示灯式; (d) 钥匙式; (e) 蘑菇帽紧急式

按钮的工作原理简单, 应用广泛, 如启动、 停止、 紧急制动、 组合键盘、 点动复位等。其电气图文符号如图2 -1 -5 所示。

图2-1-4　按钮结构

(a) 外部; (b) 内部

图2-1-5　按钮的电气符号

(a) 常开触点; (b) 常闭触点; (c) 复合触点

为了标明各个按钮的作用, 避免误操作, 通常将按钮帽做成不同的颜色, 以示区别, 其颜色有红、 绿、 黑、 黄、 蓝、 白等, 颜色的一般选用规则为: 红色表示停止和急停; 绿色表示启动; 黑色表示点动; 蓝色表示复位。

按钮的选用原则为: 根据适用场合和具体用途选用按钮的种类; 根据工作状态指示和工作情况要求选择按钮的颜色; 根据控制回路的需要选择按钮触点数量, 如单联按钮、 双联按钮、 三联按钮等。

(2) 行程开关

行程开关又称限位开关、 位置开关等, 是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器。 其作用原理与按钮类似, 动作时碰撞行程开关的顶杆。 其外形如图2 -1 -6 所示。

图2-1-6　常用行程开关外形

行程开关按其结构可分为直动式、 滚轮式和微动式3 种, 如图2 -1 -7 所示。

行程开关是瞬动型电器, 其工作原理是: 当运动部件碰压顶杆时, 顶杆下移, 压缩弹簧储存一定的能量, 当顶杆移动到一定位置时, 弹簧的弹力方向发生改变, 释放储存的能量,完成跳跃式快速换接动作。 行程开关动作后, 复位方式有自动复位和非自动复位两种, 自动复位方式是当运动部件离开顶杆时, 顶杆在弹簧的作用下上移, 上移到一定位置, 接触桥(动触点所在的那条杆) 瞬时进行快速换接, 触点迅速恢复到原状态。 3 种行程开关均属于自动复位型行程开关。 非自动复位方式只有运动部件反向移动, 从相反方向碰压另一滚轮时, 触点才能复位, 如双轮旋转式行程开关。

行程开关的电气符号如图2 -1 -8 所示。

生产实际中, 还有一种无机械触点开关叫接近开关, 它是一种理想的电子开关量传感器, 具有行程开关的功能, 可以实现无接触检测。 当物体接近到开关的一定距离时就发出动作信号, 不需要施加机械外力。 由于接近开关具有体积小、 可靠性高、 使用寿命长、 动作速度快, 以及无机械碰撞、 无电气磨损等优点, 因此在产品计数、 测速、 液位控制、 金属检测等自动控制系统中得到了广泛应用。

图2-1-7　行程开关结构

(a) 直动式; (b) 滚轮式; (c) 微动式

行程开关的选用原则为: 根据使用场合、 具体用途、 安装电器产品手册, 选择不同品牌、 不同型号和规格的行程开关; 根据控制系统的设计方案对工作状态和工作情况的要求, 合理选择行程开关的数量。

(3) 万能转换开关

万能转换开关简称为转换开关, 主要用于控制小容量电动机的启动、 制动、 反转、 调速, 各种控制电路的转换, 电气测量仪表的换相, 以及配电装置电源隔离、 远距离控制等。其外形如图2 -1 -9 所示。

图2-1-8　行程开关的电气符号

(a) 常开触点; (b) 常闭触点;(c) 复合触点

图2-1-9　万能转换开关的外形

万能转换开关按其结构分为普通型、 开启型和组合型; 按其用途分为主令控制和电动机控制。

万能转换开关主要由操作机构、 定位装置和触点装置3 部分组成, 如图2 -1 -10 所示。操作机构的手柄可正反方向旋转, 由各自的凸轮控制其触点通断。 定位装置采取棘轮棘爪式结构, 不同的棘轮和凸轮可组成不同的定位模式, 使手柄在不同的转换角度时, 改变触点的通断状态。

万能转换开关的手柄操作位置是以角度表示的。 由于其触点的分合状态与操作手柄的位置有关, 所以, 在电路图中除画出触点外, 还应画出操作手柄与触点分合状态的关系。

万能转换开关的电气符号如图2 -1 -11 所示(图中黑点其上方触点在本挡位闭合)。图中当万能转换开关打向左45°时, 触点1 -2、 3 -4、 5 -6 闭合, 触点7 -8 打开; 打向0°时, 只有触点5 -6 闭合, 其余触点打开; 打向右45°时, 触点7 -8 闭合, 其余触点打开。

图2-1-10　万能转换开关的结构

图2-1-11　万能转换开关的电气符号

4) 万能转换开关的选用原则

根据使用场合和操作需要选择万能转换开关的类型和触点数量; 万能转换开关的额定电压和额定电流应不小于所在电路的电压和电流等级; 用于电动机电路时, 万能转换开关的额定电流应是电动机额定电流的1.5 ～2.5 倍; 万能转换开关的通断能力较差, 控制电动机正反转时, 必须在电动机完全停止转动后, 才能反向接通; 因万能转换开关本身不带任何保护, 故应与其原保护电器配合使用。

3. 开关电器

开关电器是用来分合电路, 开失电流的。 常用的开关电器有低压断路器、 刀开关、 低压控制电器等。

1) 低压断路器

低压断路器属于配电电器, 又称自动空气开关或自动空气断路器, 简称空开, 主要用于低压动力电路中, 是一种控制负载电流的开闭, 在过负载及短路事故时, 自动切断电路的器件。 它可用来分配电能, 不频繁地启动异步电动机, 以及保护电动机、 电源等, 是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、 失压、 过载和短路保护的电器, 相当于刀开关、 熔断器、热继电器和欠压继电器的组合, 可分为带漏电型和不带漏电型, 可以手动直接操作和电动操作, 也可以远程遥控操作。 常用低压断路器外形如图2 -1 -12 所示。

低压断路器主要由触点系统(动、 静触点)、 操作机构和保护元件3 部分组成。由耐弧合金制成, 采用灭弧栅片灭弧; 操作机构较复杂, 其通断可用操作手柄操作, 也可用电磁机构操作(铁芯、 衔铁), 在发生故障时自动脱扣(脱扣器为保护元件), 触点通断瞬时动作与手柄操作速度无关。 其结构和工作原理如图2 -1 -13 所示。

图2-1-12　常用低压断路器外形

图2-1-13　低压断路器结构和工作原理

(a) 低压断路器结构; (b) 低压断路器工作原理

使用时, 低压断路器的三对主触点串联在被控制的三相主电路中, 按下接通按钮接通电路时, 外力使锁扣克服反作用弹簧所施加的力, 将固定在锁扣上面的动触点与静触点闭合,并由锁扣锁住搭钩, 使动、 静触点保持闭合, 低压断路器处于接通状态。

当电路发生过载时, 过载电流流过热元件产生一定的热量, 使双金属片受热向上弯曲,通过杠杆推动搭钩与锁扣脱开, 在反作用弹簧的推动下, 动、 静触点分开, 从而切断电路,使用电设备不致因过载而烧毁。

当电路发生短路故障时, 短路电流超过电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流, 电磁脱扣器产生足够大的吸力将电磁脱扣器衔铁吸合, 通过杠杆推动搭钩与锁扣分开, 从而切断电路, 实现短路保护。 低压断路器出厂时, 电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流一般整定为10IN (IN为断路器的额定电流)。

欠压脱扣器的动作过程与电磁脱扣器恰好相反。 需手动切断电路时, 按下分断按钮即可。

低压断路器的主要技术参数有:

(1) 额定工作电压是指与分断能力及使用类别相关的电压值, 在多相电路中是指相间的电压值;

(2) 额定电流就是额定持续电流, 也就是脱扣器能长期通过的电流, 在带可调式脱扣器的断路器中是指可长期通过的最大电流;

(3) 分断能力是指断路器在规定的电压、 频率, 以及规定的电路参数(交流电路为功率因数, 直流电路为时间常数) 下, 能够分断的最大短路电流值;

(4) 分断时间是指断路器切断故障电流所需的时间, 包括固有的断开时间和燃弧时间。

低压断路器的电气符号如图2 -1 -14 所示。

低压断路器的选用原则: 低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于电路、 设备的正常工作电压和工作电流; 低压断路器的极限分断能力应大于或等于电路最大短路电流。

欠压脱扣器的额定电压等于电路的额定电压; 电磁脱扣器的额定电流大于或等于电路的最大负载电流。

2) 刀开关

图2-1-14　低压断路器的电气符号

刀开关是一种手动配电电器, 主要作为隔离电源开关使用, 用在不频繁接通和分失电路的场合, 常作为机床电路的电源开关, 或用于局部照明电路的控制, 以及小容量电动机的启动、 停止和正反转的控制等。 刀开关的种类很多, 外形结构各异, 通常可分为开启式负荷开关和封闭式负荷开关。

开启式负荷开关又称瓷底胶盖闸刀开关, 简称闸刀开关。 它是由刀开关和熔丝组合而成的一种电器, 生产中常用的是HK 系列开启式负荷开关, 适用于照明和小容量电动机的控制电路中, 其外形和结构如图2 -1 -15 所示。

图2-1-15　开启式负荷开关外形和结构

(a) 外形; (b) 结构

开启式负荷开关的电气符号如图2 -1 -16 所示。

封闭式负荷开关又称铁壳开关, 由触刀、 熔断器、 速断弹簧等组成, 装在金属壳内。 封闭式负荷开关采用侧面手柄操作, 并设有机械连锁装置, 使箱盖打开时不能合闸, 触刀合闸时, 箱盖不能打开, 保证了用电安全。 封闭式负荷开关能工作于灰尘飞扬场所, 其外形和结构如图2 -1 -17 所示。

图2-1-16　开启式负荷开关的电气符号

图2-1-17　封闭式负荷开关外形和结构

封闭式负荷开关的电气符号如图2 -1 -18 所示。

刀开关的主要技术参数有:

(1) 分断能力是指在规定条件下, 能在额定电压下接通和分断的电流值;

图2-1-18　封闭式负荷开关的电气符号

(a) 单极; (b) 双极; (c) 三极

(2) 动稳定电流定义: 电路发生短路故障时, 刀开关并不因短路电流产生的电动力作用而发生变形、 损坏或触刀自动弹出之类现象的情况下所对应的短路电流(峰值);

(3) 热稳定电流定义: 电路发生短路故障时, 刀开关在一定时间内(通常为1 s) 会通过一定短路电流, 可能因温度急剧升高而发生熔焊现象。 不使该现象发生的最大短路电流称为刀开关的热稳定电流。

刀开关选用原则为: 根据使用场合, 选择刀开关的类型、 极数及操作方式; 刀开关额定电压应大于或等于电路电压; 对于电动机负载, 开启式负荷开关额定电流可取电动机额定电流的3 倍; 封闭式负荷开关额定电流可取电动机额定电流的1.5 倍。

3) 接触器

接触器用于控制电路和控制系统。 此类电器要求有较强的分断能力, 并且由于接触器操作频率较高, 所以要求具有较长的电气和机械寿命。 此类电器主要有接触器、 继电器等。

接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流电路和控制电路的自动控制电器, 其控制对象通常为电动机, 也可用于控制其它电气负载, 如电热器、 电焊机、 电容器组等。 在工业电气中, 接触器的型号很多, 电流在5 ～1 000 A 不等, 其用处相当广泛。 接触器可分为交流接触器和直流接触器两种, 其工作原理基本相同。 常用的接触器有空气电磁式交流接触器、 机械连锁交流接触器、 切换电容接触器、 真空交流接触器、 直流接触器和智能化接触器等。 图2 -1 -19 所示为常用的接触器外形。

图2-1-19　常用的接触器外形

接触器通常由电磁系统(衔铁、 铁芯、 线圈)、 触点系统(常开触点和常闭触点) 和灭弧装置组成。 它利用主触点来开闭主电路, 利用辅助触点来开闭控制回路。 主触点一般是常开触点, 而辅助触点常有两对常开触点和两对常闭触点。 交流接触器的触点由银钨合金制成, 具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 小型的接触器经常作为中间继电器配合主电路使用。 图2 -1 -20 为CJ10 -20 型交流接触器结构原理。

图2-1-20　CJ10-20 型交流接触器结构原理

当电磁线圈得电后, 交流接触器会产生很强的磁场, 使铁芯产生电磁吸力吸引衔铁, 并带动触点动作, 常闭辅助触点断开, 常开辅助触点闭合, 两者是联动的。 当线圈失电时, 电磁吸力消失, 衔铁在释放弹簧的作用下释放, 使触点复原, 常闭辅助触点闭合, 常开辅助触点断开。

接触器的电气符号如图2 -1 -21 所示。

图2-1-21　接触器的电气符号

(a) 线圈; (b) 常开主触点; (c) 常闭主触点; (d) 常开、 常闭辅助触点

接触器的主要技术参数如下。

(1) 额定电压。 接触器铭牌上标注的额定电压是指主触点的额定电压。 交流接触器常用的额定电压等级为: 110 V、 220 V、 380 V、 500 V、 660 V; 直流接触器常用的额定电压等级为: 110 V、 220 V、 440 V、 660 V。

(2) 额定电流。 接触器铭牌上标注的额定电流是指主触点的额定电流, 其值是接触器安装在敞开式控制屏上, 触点工作不超过额定温升, 负荷为间断-长期工作制时的电流值。交流接触器常用的额定电流等级为: 10 A、 20 A、 40 A、 60 A、 100 A、 150 A、 250 A、400 A、 600 A; 直流接触器常用的额定电流等级为: 40 A、 80 A、 100 A、 150 A、 250 A、400 A、 600A。

(3) 线圈的额定电压是指接触器线圈正常工作的电压值。 常用的交流接触器的线圈额定电压等级为: 12 V、 24 V、 36 V、 127 V、 220 V、 380 V; 直流接触器的线圈额定电压等级为: 12 V、 24 V、 48 V、 110 V、 220 V、 440 V。

(4) 分断能力是指主触点在规定条件下能可靠地接通和分断的电流值。 在此电流值下,接通时主触点不会发生熔焊; 分断时主触点不会发生长时间燃弧。 若超出此电流值, 其分断则是熔断器、 自动空气开关等保护电器的任务。

(5) 额定操作频率指每小时的操作次数。 交流接触器最高为600 次/h, 而直流接触器最高为1 200 次/h。 操作频率直接影响到接触器的电寿命和灭弧罩的工作条件, 对于交流接触器还影响到线圈的温升。

(6) 机械寿命和电气寿命。 机械寿命是指接触器在需要修理或更换机械零件前所能承受的负载操作循环次数; 电气寿命是在规定的正常工作条件下, 接触器不需修理或更换零件的负载操作循环次数。

接触器选用原则为根据接触器所控制的负载性质, 选择直流接触器或交流接触器; 接触器的额定电压应大于或等于所控制电路的电压; 接触器的额定电流应大于或等于所控制电路的额定电流。 对于电动机负载可按以下经验公式计算:

式中,IC 为接触器主触点电流(A), PN 为电动机额定功率(kW), UN 为电动机额定电压(V)。

当控制电路简单并且使用电器较少时, 应根据电源等级选用380 V 或220 V 的电压。 当电路复杂时, 从人身和设备安全角度考虑, 可以选择36 V 或110 V 电压的线图, 并且控制回路要增加相应变压器予以降压隔离。

根据被控制对象的要求, 合理选择接触器类型及触点数量。

4) 继电器

继电器是根据一定的信号(如电流、 电压、 时间、 速度等物理量) 变化来接通或分断小电流电路的制动控制电器, 具有控制系统(又称输入回路) 和被控制系统(又称输出回路) 之间的互动关系。 它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”, 故在电路中起着自动调节、 安全保护、 转换电路等作用。

继电器种类繁多, 按用途可分为控制和保护继电器; 按动作原理可分为电磁式、 感应式、 电动式、 电子式和机械式继电器; 按输入量可分为电流、 电压、 时间、 速度和压力继电器。

继电器与接触器的结构及工作原理类似, 主要区别为继电器用于控制电讯线路、 仪线线路、 自控装置等小电流电路及控制电路, 其触点额定电流不大于5 A; 接触器用于控制电动机等大功率、 大电流电路及主电路。 继电器的输入信号可以是各种物理量, 如电压、 电流、时间、 压力、 速度等, 而接触器的输入量只有电压。

(1) 电磁式继电器。 电磁式继电器是应用最早也是应用最多的一种继电器。 常见的电磁式继电器外形如图2 -1 -22 所示。

图2-1-22　常见电磁式继电器外形

电磁式继电器一般由铁芯、 线圈、 衔铁等组成。 其原理如图2 -1 -23 所示。

图2-1-23　电磁式继电器原理

(a) 线圈未得电状态; (b) 线圈得电状态(www.xing528.com)

只要在线圈两端加上一定的电压, 线圈中就会流过一定的电流, 从而产生电磁效应, 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯, 从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点) 吸合。 当线圈失电后, 电磁的吸力也随之消失, 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置, 使动触点与原来的静触点(常闭触点) 吸合。 这样吸合、 释放, 从而达到了在电路中的导通、 切断的目的。 对于继电器的常开、 常闭触点, 可以这样来区分: 继电器线圈未得电时处于断开状态的静触点, 称为常开触点; 处于接通状态的静触点称为常闭触点。

①电磁式继电器可分为电压继电器和电流继电器。

电压继电器触点的动作与线圈所加电压大小有关, 使用时和负载并联。 电压继电器的线圈匝数多、 导线细、 阻抗大。

电压继电器又分为过电压继电器、 欠电压继电器、 中间继电器。 过电压继电器在额定电压值时, 衔铁不产生吸合动作, 只有电压为额定电压的105% ～115%时才产生吸合动作;欠电压继电器在额定电压下时, 衔铁处于吸合状态, 当电路出现电压处在额定电压的5% ～25%时, 其衔铁打开, 触点复位; 中间继电器实质也是一种电压继电器, 它的触点对数较多, 容量较大, 动作灵敏, 主要起到扩展控制范围或传递信号的中间转换作用。 电流继电器触点的动作与线圈通过的电流大小有关, 使用时和负载串联。 电流继电器的线圈匝数少、 导线粗、 阻抗小。

电流继电器又分为过电流继电器、 欠电流继电器。 过电流继电器正常工作时, 其衔铁处于断开状态, 若电路发生过载或短路故障, 衔铁吸合, 触点动作; 欠电流继电器正常工作时衔铁处于吸合状态, 若电路中负载电流为额定电流的10% ～20%时, 其衔铁打开。

电磁式继电器的电气符号如图2 -1 -24所示。

②电磁式继电器主要技术参数如下。

a. 额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。 根据继电器的型号不同,额定工作电压可以是交流电压, 也可以是直流电压。

图2-1-24　电磁式继电器的电气符号

(a) 中间继电器的线圈; (b) 过电流继电器的线圈;(c) 欠电流继电器的线圈; (d) 过电压继电器的线圈;(e) 欠电压失电器的线圈; (f) 常开触点;(g) 常闭触点

b. 吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。 在正常使用时, 给定的电流必须略大于吸合电流, 这样继电器才能稳定地工作。 而对于线圈所加的工作电压, 一般不要超过额定工作电压的1.5 倍, 否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

c. 释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。 当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时, 继电器就会恢复到未得电的释放状态。 这时的电流大小远远小于吸合电流。

d. 触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。 它决定了继电器能控制电压和电流的大小, 使用时不能超过此值, 否则很容易损坏继电器的触点。

③电磁式继电器选用原则如下。

a. 继电器线圈使用电源的选择。 选用电磁式继电器时, 首先应选择继电器线圈电源电压是交流电压还是直流电压。 一般情况下, 在电路设计时大都采用直流电磁式继电器, 也可以根据控制电路的特点来考虑继电器使用电源的种类。

b. 继电器功率的选择。 如果供给继电器线圈的功率较大, 而且有足够的地方安装, 又对继电器的重量没有什么特殊要求, 则可选用小型继电器; 如果设计中供给继电器线圈的功率较小, 且所用设备是便携式的, 则可选用超小型继电器; 对于微型电子装置来说, 则选用微型继电器。

c. 额定工作电压的选择。 继电器工作电压为电路中工作电源电压的80% ～100%, 千万不能使电路中的电源电压大于继电器的额定工作电压, 否则容易损坏继电器线圈。

d. 额定工作电流的选择。 用晶体管或集成电路驱动的直流电磁式继电器, 其线圈额定工作电流(一般为吸合电流的两倍) 应在驱动电路的输出电流范围之内。

e. 触点类型及触点负荷的选择。 同一种型号的继电器通常有多种触点的形式可供选用(单组触点、 双组触点、 多组触点及常开式触点、 常闭式触点等), 应选用适合应用电路的触点类型。 所选继电器的触点负荷应高于其触点所控制电路的最高电压和最大电流, 否则会烧毁继电器触点。

f. 确定继电器的动作时间及释放时间。 应根据实际电路对被控对象动作的时间要求,选择继电器的动作时间和释放时间。 也可以在继电器电路中附加电子元件来加速或延缓继电器的动作及释放时间, 以满足不同的要求。

g. 工作环境条件。 选用继电器时还应考虑环境的温度与湿度、 继电器需要工作的寿命、继电器在非固定设备上使用时的加速度大小和运动方向, 以及振动时的频率和幅度的大小。

(2) 时间继电器。 时间继电器是一种得到信号后不立即动作, 而是需要顺延一段时间再动作并输出控制信号的自动电器。

时间继电器的分类。 按工作原理时间继电器可分为直流电磁式、 空气阻尼式(气囊式)、 晶体管式、 电动式等时间继电器; 按延时方式可分为得电延时继电器和失电延时继电器。

得电延时继电器: 在接受输入信号后延迟一定的时间, 输出信号才发生变化; 在输入信号消失后, 输出瞬时复原。

失电延时继电器: 在接受输入信号时, 瞬时产生相应的输出信号; 在输入信号消失后,延迟一定的时间, 输出才复原。

空气阻尼式时间继电器: 利用空气阻尼原理获得延时, 其结构由电磁机构、 延时机构和触点系统3 部分组成。 电磁机构为双E 直动式结构, 触点系统为微动开关, 延时机构采用气囊式阻尼器。 图2 -1 -25 为JS7 系列空气阻尼式时间继电器外形。

空气阻尼式时间继电器的电磁机构可以是直流的, 也可以是交流的, 从而使空气阻尼式继电器既可以是得电延时继电器, 也可以是失电延时继电器, 只要改变电磁机构的安装方向, 便可实现空气阻尼式时间继电器的不同延时方式。 空气阻尼式时间继电器结构原理如图2 -1 -26 所示, 当衔铁位于铁芯和延时机构之间时其为得电延时继电器, 如图2 -1 -26 (a)所示; 当铁芯位于衔铁和延时机构之间时其为失电延时继电器, 如图2 -1 -26 (b)所示。 这里只介绍得电延时继电器。

图2-1-25　JS7 系列空气阻尼式时间继电器外形

图2-1-26　空气阻尼式时间继电器结构原理

如图2 -1 -26 (a) 所示, 得电延时继电器的工作原理是当线圈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, 由于橡皮膜下放气室空气稀薄, 形成负压, 因此活塞杆6 不能上移。 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 才使微动开关动作。 延时时间为电磁铁吸引线圈到微动开关动作为止的这段时间。 通过调节螺钉13 调节进气口的大小, 就可以调节延时时间。

当线圈1 失电时, 衔铁3 在反力弹簧4 的作用下将活塞12 推向最下端。 因活塞被往下推时, 橡皮膜下方气孔内的空气, 都通过橡皮膜10、 弱弹簧9 和活塞12 肩部所形成的单向阀, 经上气室缝隙顺利排掉, 因此延时与不延时的微动开关15、 16 都迅速复位。

空气阻尼式时间继电器的优点为结构简单、 寿命长、 价格低廉; 缺点是准确度低、 延时误差大, 在延时精度要求高的场合不宜采用。

晶体管式时间继电器: 也称半导体时间继电器或电子式时间继电器, 常用的有阻容式时间继电器, 它利用RC 电路中电容电压不能跃变, 只能按指数规律逐渐变化的原理(电阻尼特性) 获得延时。 所以, 只要改变充电回路的时间常数即可改变延时时间。 由于调节电容比调节电阻困难, 所以多用调节电阻的方式来改变延时时间。

晶体管式时间继电器具有延时范围广、 体积小、 精度高、 使用方便及寿命长等优点。 其外形如图2 -1 -27 所示。

图2-1-27　晶体管式时间继电器外形

晶体管式时间继电器的输出形式有两种: 有触点式和无触点式, 前者是用晶体管驱动小型电磁式继电器, 后者是用晶体管或晶闸管输出。

时间继电器的电气符号如图2 -1 -28 所示。

图2-1-28　时间继电器的电气符号

(a) 一般线圈符号; (b) 得电延时线圈; (c) 失电延时线圈; (d) 瞬时闭合常开触点;(e) 瞬时断开常闭触点; (f) 延时闭合常开触点; (g) 延时闭合常闭触点;(h) 延时断开常闭触点; (i) 延时断开常开触点

时间继电器的选用原则为: ①根据系统的延时范围和精度选择时间继电器的类型, 在精度要求不高的场合一般选用价格较低的JS7 系列空气阻尼式时间继电器, 在精度要求较高的场合, 可选用晶体管式时间继电器; ②根据控制电路选择延时方式, 同时应注意对瞬时动作触点的要求; ③根据控制电路电压选择时间继电器吸引线圈的电压。

(3) 热继电器。 热继电器是利用流过继电器热元件的电流所产生的热效应而发生反时限动作的保护继电器。 所谓反时限动作, 是指热继电器动作时间随电流增大而减小的性能。热继电器主要用于电动机的过载、 断相、 三相电流不平衡运行, 以及其他电气设备发热引起的不良状态而需要进行保护控制的电路。 常用的热继电器外形如图2 -1 -29 所示。

图2-1-29　常用的热继电器外形

①热继电器主要由热元件、 双金属片和触点3 部分组成。

双金属片是热继电器的感测元件, 是由两种线膨胀系数不同的金属片用机械碾压而成的。 线膨胀系数大的称为主动层, 小的称为被动层。 图2 -1 -30 是热继电器的结构示意图。

热元件串联在电路中, 电路正常工作时, 热元件产生的热量虽然能使双金属片弯曲, 但还不能使热继电器动作。 当电路过载时, 流过热元件的电流增大, 经过一定时间后, 双金属片推动导板使热继电器触点动作, 切失电路的控制电路。

热继电器由于热惯性, 当电路短路时不能立即动作使电路断开, 因此不能用作短路保护。 同理, 当电动机启动或短时过载时, 热继电器也不会马上动作, 从而避免了电动机不必要的停车。

热继电器按热元件数分为两相式热继电器和三相式热继电器。 三相式热继电器中又分为带断相保护装置和不带断相保护装置两种。

热继电器的电气符号如图2 -1 -31 所示。

图2-1-30　热继电器的结构示意图

图2-1-31　热继电器的电气符号

(a) 热继电器驱动器件; (b) 常闭触点

②热继电器的选用原则如下。

选用热继电器时, 必须了解被保护对象的工作环境、 启动情况、 负载性质、 工作制及电动机允许的过载能力。

a. 热继电器的类型选择。 若用热继电器作电动机缺相保护, 应考虑电动机的接法。 对于Y 形连接的电动机, 当某相断线时, 其余未断相绕组的电流与流过热继电器电流的增加比例相同, 即一般的两相或三相式热继电器, 只要整定电流调节合理, 是可以对Y 形连接的电动机实现断相保护; 对于△形连接的电动机, 某相断线时, 流过未断相绕组的电流与流过热继电器的电流增加比例则不同。 即流过热继电器的电流不能反映断相后绕组的过载电流。 因此, 一般的热继电器, 即使是三相式热继电器, 也不能为△形接法的三相异步电动机的断相运行提供充分保护。 此时, 应选用三相带断相保护的热继电器。 三相带断相保护的热继电器的型号后面有D、 T 或3UA 字样。

b. 热元件的额定电流选择。 应按照被保护电动机额定电流的1.1 ～1.15 倍选取热元件的额定电流。

c. 热元件的整定电流选择。 整定电流是指热继电器的热元件允许长期通过又不致引起继电器动作的最大电流值。 对于某一热元件, 可通过调节其电流调节旋钮, 在一定范围内调节其整定电流。 一般将热继电器的整定电流调整到等于电动机的额定电流; 对过载能力差的电动机, 可将热继电器中热元件的整定值调整到电动机额定电流的60% ～80%; 对启动时间较长、 拖动冲击性负载或不允许停车的电动机, 热继电器中热元件的整定电流应调整到电动机额定电流的1.1 ～1.15 倍。

(4) 速度继电器。 速度继电器是利用转轴的转速来切换电路的自动电器, 主要用于电动机的反接制动。 常用的速度继电器外形如图2 -1 -32 所示。

速度继电器主要由定子、 转子和触点系统3 部分构成。 转子与电动机的转轴通过联轴器相连, 当电动机转动时, 速度继电器的转子随之转动, 定子内的绕组便切割磁感线, 产生感应电动势, 而后产生感应电流, 此电流与转子磁场作用产生转矩, 使定子开始转动。 电动机转速达到某一值时, 产生的转矩能使定子转到一定角度使摆杆推动动触点动作; 当电动机转速低于某一值或停转时, 定子产生的转矩会减小或消失, 动触点在弹簧的作用下复位。 速度继电器的结构原理如图2 -1 -33 所示。

图2-1-32　常用的速度继电器外形

图2-1-33　速度继电器的结构原理

一般速度继电器的动作速度为120 r/min, 动触点的复位速度值为100 r/min。 在连续工作制中, 能可靠地工作在1 000 ～3 600 r/min, 允许操作频率每小时不超过30 次。速度继电器的电气符号如图2 -1 -34 所示。

速度继电器的选用原则主要根据电动机的额定转速进行确定。

(5) 其他形式继电器。 除了上述几种常用的继电器外, 还有一些特殊的或新型的继电器, 如温度继电器、 固态继电器、 光继电器、 加速度继电器、 声继电器、 风速继电器等。 下面简单介绍一下被广泛使用的固态继电器。

固态继电器(Solid State Relay, SSR) 是由微电子电路、 分立电子器件、 电力电子功率器件组成的无触点开关, 用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。 SSR 的输入端用微小的控制信号直接驱动大电流负载。 SSR 具有开关速度快、 工作频率高、 质量轻、 使用寿命长、噪声低和动作可靠等一系列优点, 被广泛应用于数字程控装置、 调温装置、 数据处理系统,以及计算机I/O 接口电路中。

SSR 由3 部分组成: 输入电路、 隔离(耦合) 和输出电路。 按输入电压的不同类别, 输入电路可分为直流输入电路、 交流输入电路和交直流输入电路3 种; 有些输入电路还具有与TTL/CMOS (晶体管-晶体管逻辑/互补金属氧化物半导体) 兼容、 正负逻辑控制和反相等功能。 SSR 的输入与输出电路的隔离(耦合) 方式有光电耦合和变压器耦合两种。 SSR 的输出电路也可分为直流输出电路、 交流输出电路和交直流输出电路等形式。 在SSR 的交流输出电路中, 通常使用两个单向可控硅或一个双向可控硅; 在SSR 的直流输出电路中可使用双极性器件或功率场效应管。 常用的SSR 外形如图2 -1 -35 所示。

图2-1-34　速度继电器的电气符号

(a) 转子; (b) 常开触点; (c) 常闭触点

图2-1-35　常用的SSR 外形

SSR 按触发形式, 可分为零压型(Z 型) 和调相型(P 型) SSR 两种。 在输入端施加合适的控制信号IN 时, P 型SSR 立即导通。 当IN 撤销后, 负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向), P 型SSR 关断。 Z 型SSR 内部包括过零检测电路, 在施加输入信号IN 时,只有当负载电源电压达到过零区, Z 型SSR 才能导通, 并有可能造成电源半个周期的最大延时。 Z 型SSR 的关断条件与P 型SSR 相同, 但Z 型SSR 由于负载工作电流近似正弦波, 高次谐波干扰小, 所以其应用广泛。

5) 熔断器

熔断器是一种安装在电路中, 保证电路安全运行的电气元件, 其广泛用于配电系统和控制系统中, 主要进行短路保护或严重过载保护。 熔断器主要由熔体(保险丝) 和熔管, 以及外加填料等部分组成。 使用时, 将熔断器串联于被保护电路中, 当被保护电路的电流超过规定值, 并经过一定时间后, 由熔体自身产生的热量熔断熔体, 使电路断开, 从而起到保护的作用。 熔断器按其结构形式可分为插入式熔断器、 螺旋式熔断器、 封闭管式熔断器、 快速熔断器和自复式熔断器等。 常见熔断器的外形如图2 -1 -36 所示。

图2-1-36　常见熔断器的外形

熔体的材料一般由熔点较低、 电阻率较高的金属材料, 如铝锑合金、 铅锡合金或铜丝等制成; 熔管是熔体的外壳, 由陶瓷、 绝缘钢或玻璃纤维制成, 并兼有灭弧功能。

熔断器具有反时延特性, 即过载电流小时, 熔断时间长; 过载电流大时, 熔断时间短。所以, 在一定过载电流范围内, 当电流恢复正常时, 熔断器不会熔断, 可继续使用。 由于熔断器过载反应不灵敏, 不宜做过载保护, 所以其主要用于短路保护。 熔断器的熔断特性(安-秒特性) 如图2 -1 -37 所示。 熔断器的电气符号如图2 -1 -38 所示。

图2-1-37　熔断器的熔断特性

图2-1-38　熔断器的电气符号

(1) 熔断器的主要技术参数有:

①额定电压: 指熔断器分断前长期承受的电压;

②额定电流: 指熔断器在长期工作制下, 各部件温升不超过规定值时所能承载的电流;

③保护特性: 是指熔断器的熔断时间与流过电流的关系曲线, 也称熔断特性或安-秒特性;

④极限分断能力: 熔断器在规定的工作条件(电压和功率因数) 下能分断的最大电流值。

(2) 熔断器选用原则如下:

①熔断器类型的选择: 选择熔断器的类型时, 主要根据电路要求、 使用场合、 安装条件、 负载要求的熔断特性和短路电流的大小等来进行。 电网配电一般用管式熔断器; 电动机保护一般用螺旋式熔断器; 照明电路一般用瓷插式熔断器; 保护可控硅元件则应选择快速式熔断器;

②熔断器额定电压的选择: 熔断器的额定电压应大于或等于电路的工作电压;

③熔断器熔体额定电流的选择有如下方法:

对于变压器、 电炉和照明等负载, 熔体的额定电流IfN 应略大于或等于负载电流I;

保护一台电动机时, 考虑启动电流的影响, 可按下式选择额定电流:

式中,IN 为电动机额定电流。

保护多台电动机时, 可按下式计算额定电流:

式中,INmax 为容量最大的一台电动机的额定电流。∑INi 为其余电动机额定电流之和;

④熔断器熔管额定电流的选择。 熔断器熔管的额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。

6) 附件

附件有如下几种。

(1) 绝缘导线(导线)。 绝缘导线是用来连接各个电气元件的。 常用的绝缘导线型号如表2 -1 -1 所示。

表2-1-1　常用的绝缘导线型号

绝缘导线具有多种颜色可供选用, 一般三相电源线宜采用黄、 绿、 红3 色; 中性线(零线)宜采用淡蓝色; 保护地线(PE 线) 应采用黄绿相间的绝缘导线。

(2) 走线槽。 走线槽由槽和盖组成, 具有多种规格, 常用于导线的走线, 可使布线美观整洁。 走线槽外形如图2 -1 -39 所示。

图2-1-39　走线槽外形

(3) 接线端子与接线插。 接线端子是为了方便导线的连接而应用的, 它其实就是一段封在绝缘塑料里面的金属片, 两端都有孔可以插入导线, 有螺丝用于紧固或者松开。 一般导线与接线端子连接时, 如果是10 mm2及以下的单股导线, 需要在导线端部弯一圆圈接到接线端子上。 而如果是10 mm2以上的多股铜线则需装接线插, 再与接线端子连接。

接线插俗称线鼻子, 常用于电缆末端连接和续接, 能让电缆和电器连接更牢固、 更安全, 是建筑、 电力设备、 电器连接等常用的材料。

接线端子与接线插外形如图2 -1 -40 所示。

(4) 号码管: 由PVC 软质塑料制成, 一般有两种, 一种是标有数字或字母的, 可直接套入绝缘导线使用; 一种是空白的, 可用专门的打印机打印上不同的号码来标记绝缘导线。其外形如图2 -1 -41 所示。

图2-1-40　接线端子与接线插外形

图2-1-41　号码管外形

(5) 扎线带: 用来将导线或电缆捆扎到一起, 设计有止退功能, 只能越扎越紧, 也有可拆卸的扎线带(活扣)。 扎线带根据长短和粗细不同有多种型号, 其外形如图2 -1 -42所示。

(6) 固定盘: 一般与扎线带配合使用, 正面带有小孔, 背面有黏胶, 可以粘贴到其他平面物体上。 其外形如图2 -1 -43 所示。

图2-1-42　扎线带外形

图2-1-43　固定盘外形

(7) 波纹管: 用来保护裸露的导线, 一般由PVC 制成。 其外形如图2 -1 -44 所示。

(8) 热缩管: 具有阻燃、 绝缘、 耐高温等性能, 质地柔软有弹性。 受热(70 ～90℃)会收缩, 一般用在电线、 电缆等的裸露、 连接、 交叉部分, 通过使用热风机可以使之紧缩,起到绝缘、 防护等功能。 其外形如图2 -1 -45 所示。

图2-1-44　波纹管外形

图2-1-45　热缩管外形

(9) 常用工具。 进行电气安装时, 会用到很多电工工具, 如钢丝钳、 尖嘴钳、 圆嘴钳、 螺丝刀、 电工刀、 活扳手、 测电笔、 断线钳、 紧线钳、 搭压钳、 电流表、 电压表、电度表和万用表等。 常见电工工具如图2 -1 -46 所示。

这里介绍几种简易的电工工具。

①螺丝刀。 螺丝刀又称旋具, 是最常用的电工工具, 由刀头和柄组成。 刀头形状有一字形和十字形两种, 分别用于旋动头部为横槽或十字形槽的螺钉。 螺丝刀的规格是指金属杆的长度, 有75 mm、 100 mm、125 mm、 150 mm 等几种。 穿心柄式螺丝刀, 可在尾部敲击, 但禁止用于有电的场合。

②测电笔。 测电笔又称验电笔, 它能检查低压电路和电气设备外壳是否带电。 为便于携带, 测电笔通常做成笔状, 前段是金属探头, 内部依次装安全电阻、 氖管和弹簧。 弹簧与笔尾的金属体相接触。 使用时, 手应与笔尾的金属体相接触。 测电笔的测电压范围为60 ～500 V (严禁测高压电)。 使用前, 务必先在正常电源上验证氖管能否正常发光, 以确认测电笔验电可靠。 由于氖管发光微弱, 在明亮的光线下测试时, 应当避光检测。

③钢丝钳。 钢丝钳用于夹持或切断金属导线, 带刃口的钢丝钳还可以用来切断钢丝。 这种钳的规格有150 mm、 175 mm、 200 mm 3 种, 均带有橡胶绝缘套管, 可适用于500 V 以下的带电作业。 使用时, 应注意保护绝缘套管, 以免划伤绝缘套管失去绝缘作用。 不可将钢丝钳当锤使用, 以免刃口错位、 转动轴失圆, 影响正常使用。

④尖嘴钳。 尖嘴钳用于夹捏工件或导线, 特别适用于狭小的工作区域。 其规格有130 mm、 160 mm、 180 mm 3 种。 电工用的尖嘴钳带有绝缘套管; 有的带有刃口, 可以剪切细小零件。

图2-1-46　常见电工工具

⑤电工刀。 电工刀在电工安装维修中用于切削导线的绝缘层、 电缆绝缘护套、 木槽板等, 规格有大号、 小号之分。 大号刀片长112 mm, 小号刀片长88 mm。 有的电工刀上带有锯片和锥子, 可用来锯小木片和锥孔。 电工刀没有绝缘保护, 禁止带电作业。 使用电工刀,应避免切割坚硬的材料, 以保护刀口。 刀口用钝后, 可用油石打磨。 如果刀刃部分损坏较重, 可用砂轮打磨, 但须防止退火。