电器元件的基本介绍

凡额定电压低于1000V的控制和保护等电气设备，均称为低压电器。低压电器是控制系统中最常用的电器设备，按其用途不同可分为控制电器和保护电器。在工业、企业中常用的控制电器有闸刀开关、组合开关、按钮、接触器、继电器等，保护电器有熔断器、自动空气开关、热继电器等。它们大都具有接通或断开电路的作用，也就是说，可把它们看成不同性质和用途的开关。

按低压电器动作性质不同，低压电器又可分为自动电器和手动电器两类。手动控制电器是由工作人员手动操作的，如闸刀开关、组合开关、按钮等；而自动控制电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，如各种继电器、接触器和行程开关等。本任务介绍几种常用的低压电器。

1.手动控制电器

（1）闸刀开关

闸刀开关广泛应用于500V以下的电路中，用于接通和断开小电流电路，或作为隔离电源的明显断开点，以确保检修、操作人员的安全。

图6-1　闸刀开关

刀开关的结构简单，主要部分由刀片（动触头）和刀座（静触头）组成。HK系列开启式负荷开关，又称为胶盖瓷底刀开关，如图6-1（a）所示，按极数可分为二极和三极。这种开关结构简单，应用十分广泛。它可用在容量不大的低压电路中，作为不频繁的接通和切断电路之用，也可用来对小容量的电动机做不频繁的直接启动。图6-1（b）为刀开关在电路中的符号。

刀开关常作为电源的引入开关，而不用它直接接通或断开较大的负载。也可用于低压配电盘和配电箱上，作为隔离开关使用。在连接刀开关时应该注意，电源线接在刀座上，而负载则接在刀片上。

（2）组合开关

组合开关又叫转换开关，它是结构紧凑的手动的控制电器，有单极、双极和三极3种类型。组合开关的外形及结构如图6-2所示。图中为三极组合开关，共有3组静触头和3个动触头，3对静触头的每个触片的一端固定在绝缘垫板上，另一端伸出盒外，连在接线柱上。3个动触片套在装有手柄的绝缘转轴上，转动转轴就可以把3个触片（彼此相差一定角度）同时接通或断开。

图6-2　组合开关

1－静触头；2－动触头；3－绝缘垫板；4－绝缘方轴；5－手柄

组合开关结构紧凑，安装面积小，操作方便，广泛应用于机床，作为引入电源的开关。通常组合开关是不带负载操作的，但也能用来接通和分断小电流的电路，如小容量笼型异步电动机的直接启动及正反转控制、照明电源的接通与分断等。

（3）按钮

按钮是一种最简单的手动开关，它可用来接通和断开低电压小电流的控制电路，如接触器、继电器的吸引线圈电路等。

按钮的外形和结构及表示符号如图6-3所示。

图中，动触头和静触头都是桥式双断点式的，上面一对组成常闭触头，而下面一对则为常开触头。当用手按下按钮帽时，动触头下移，此时上面的常闭触头断开，下面的常开触头接通，所以常闭触头又称为动断触头，常开触头又称为动合触头。当手松开按钮帽时，由于复位弹簧的作用，使动触头复位，同时常开和常闭触头也都恢复到原来的常态位置。

按钮的种类很多，同时具有一对或几对常开与常闭触头的按钮，称为复合按钮。将一个按钮选用其常开触头用于启动电动机，另一个选用其常闭触头用于停止电动机，可组成启动和停止的双联按钮。同一个按钮中的常开、常闭触头不能同时作为启动和停止同一台电动机用。信号灯按钮的按钮帽中装有信号灯，按钮帽兼做信号灯的灯罩。

图6-3　按钮外形及结构示意图

1－按钮帽；2－复位弹簧；3—常闭触头；4－常开触头；5－动触头

2.自动控制电器

（1）行程开关

行程开关又称为限位开关，是一种自动开关。它能将机械位移转变为电信号，使电动机运行状态发生改变，从而限制机械部件的运动或实现程序控制。

行程开关的种类很多，但结构大致相同。图6-4为行程开关外形图。

图6-4　行程开关

行程开关内有一个微动开关，它有一对常开和常闭触头。其工作原理和结构与按钮相似。近年来，随着电子工业的迅速发展，电子式无触点行程开关（又称为接近开关）的应用已日益增多。

（2）接触器

接触器主要用来频繁接通和分断带有负载的主电路或大容量控制电路，是一种最常用的低压自动控制电器。

接触器按所控制负载的不同，可分为交流接触器和直流接触器两种。图6-5所示为CJ10型交流接触器的外形和结构示意图。

图6-5　CJ10型交流接触器

1—吸引线圈；2—静铁芯；3—动铁芯（衔铁）；4—常开辅助触头；5—常闭辅助触头；6—常开主触头；7—恢复弹簧

交流接触器是利用电磁吸力工作的自动电器，一般由电磁铁和触头两部分组成，接触器的动触头固定在衔铁上，静触头固定在壳体上。当吸引线圈未通电时，接触器所处的状态为常态，常态时互相分开的触头称为常开触头（又称为动合触头）；而互相闭合的触头则称为常闭触头（又称动断触头）。当吸引线圈加上额定电压时，产生电磁吸力，将衔铁吸合，同时带动动触头与静触头接通。当吸引线圈断电或电压降低较多时，由于弹簧的作用，使衔铁释放，触头断开，即恢复原来的常态位置。因此，只要控制吸引线圈通电或断电就可以使它的触头接通或断开，从而使电路接通或断开。接触器的触头分主触头和辅助触头两种。主触头的接触面大，并有灭弧装置，所以能通过较大的电流，可以接在主电路中控制电动机的起停。辅助触头的额定电流较小，用来接通和分断小电流的控制电路，如控制接触器的吸引线圈电路等。辅助触头只可以接在控制电路中，即弱电流通过的电路。

20A以上的交流接触器，通常都装有灭弧罩，用以迅速熄灭主触头分断时所产生的电弧，保护主触头不被烧坏。

接触器通常用来接通或断开电动机和其他负载电路。当选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压和触头数量等。接触器的主触头额定电流有5A，10A，20A，40A，60A，100A，150A等多种；其线圈电压有380V，220V，127V，36V等多种，可根据电动机（或其他负载）的额定容量和控制电路电源来选用。

交流接触器新产品常用型号有CJ10系列、CJ12系列等。

（3）继电器

继电器是一种传递信号的电器，用来接通和分断控制电路。继电器的输入信号可以是电压、电流等电气量，也可以是温度、速度、光、油压等非电气量，而输出则都是触头动作。继电器的动作迅速，反应灵敏，是自动化基本元件之一。

继电器的种类和形式很多，按其动作原理的不同可分为电磁继电器、热力继电器、速度继电器及压力继电器等，按其反映参数的不同可分为电压、电流、时间、速度、温度等继电器。

①中间继电器

中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路的通断，也可以直接控制小容量电动机或其他电气执行元件。

中间继电器的主要结构与接触器基本相同，只是电磁系统较小，触头数目较多。(www.xing528.com)

常用的中间继电器有JZ17系列和JZ8系列两种，后者为交直流两用。此外，还有JZX系列小型通用继电器，常用在自动装置中用于接通或断开电路。

选用中间继电器时，应主要考虑电压等级和触头（常开和常闭）数目。

②时间继电器

时间继电器通常用于在需要延时的控制电路中发送信号，其种类很多，有空气式、电磁式、电动式和电子式等。

在交流电路中通常采用空气式时间继电器，其结构如图6-6所示。

空气式时间继电器是利用空气阻尼的作用而达到延时目的的。当吸引线圈通电后就将衔铁吸下，使衔铁与活塞杆之间有一段距离。在释放弹簧的作用下，活塞杆向下移动，在伞形活塞的表面固定有一层橡皮膜。因此当活塞向下移动时，在膜上面造成空气稀薄的空间，活塞受到下面空气的压力，不能迅速下降。当空气由进气孔进入时，活塞才逐渐下降。移动到最后位置时，杠杆使微动开关动作。延时时间即自电磁铁吸引线圈通电时刻起至微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺钉来调节进气孔的大小以改变延时时间。

当吸引线圈断电后，由于复位弹簧的作用而迅速复位。空气由出气孔被迅速排出。如图6-6所示的时间继电器有两个延时触头：一个是通电延时断开的常闭触头，一个是通电延时闭合的常开触头。此外，还有两个瞬时动作的触头，即通电后微动开关瞬时动作。空气式时间继电器的延时范围大，有0.4～60s和0.4～180s两种，其结构简单，但准确度较差。

图6-6　空气式时间继电器

1—吸引线圈；2—衔铁；3—活塞杆；4—释放弹簧；5—伞形活塞；6—橡皮膜；7—进气孔；8—杠杆；9—微动开关；10—调节螺钉；11—复位弹簧；12—出气孔；13—微动开关

3.保护控制电器

（1）自动空气开关

自动空气开关又称为自动空气断路器，是低压电路中的一种重要保护电器。它可实现短路、过载和欠压等多种保护，也可用于不频繁地启动电动机及控制电路通断等。它的特点是：动作后不需更换元件，工作可靠，运用安全、操作方便，断流能力大（可达数千安以上）。

如图6-7所示为自动空气开关的动作原理图。

图6-7　自动空气开关动作原理图

1—主触头；2—锁键；3—搭钩；4—轴；5杠杆；6—弹簧；7—过电流脱扣器；8—欠电压脱扣器；9—衔铁；10—衔铁；11—弹簧；12—热脱扣器的双金属片；13—热元件

自动空气开关的3个主触头接在三相主电路中。在正常情况下，由锁键和搭钩组成的脱扣机构锁住，主触头保持在接通状态。当电路发生短路、过载或欠压等不正常情况时，脱扣器将自动脱扣而切断电路，以实现保护作用。如图6-7所示，一旦发生短路事故，与主电路串联的过电流脱扣器的线圈（图中仅画一相）就会产生很大的电磁吸力，把衔铁吸合，推动杠杆，从而顶开脱扣机构，使主触头分断。而当电网电压严重下降或全部消失时，欠压脱扣器的线圈失电，衔铁释放，也顶开脱扣机构使主触头分断。当过载时，由于热脱扣器的双金属片弯曲，同样会将脱扣器顶开，使主触头分断。

自动空气开关的结构形式很多，常用的有万能式（框架式）和装置式（塑料外壳式）两种。万能式空气开关能实现过流、欠压等多种保护，广泛用于工业企业、电站和变电所等。

装置式空气开关结构紧凑、体积小，其导电部分全部封闭在绝缘的外壳中，故操作与使用都很安全，广泛用于一般电气设备的过流保护。

（2）熔断器

熔断器俗称保险丝，是一种最常用的短路保护电器。

熔体（熔丝或熔片）是熔断器的主要部件，它通常是由电阻率较高的易熔合金制成，如铅锡合金丝和青铅合金丝等。熔断器串联在被保护的电路中，当正常运行时，电路中通过额定电流熔体不应熔断。但当电路发生短路故障时，便有很大的短路电流通过熔断器，使熔体发热后立即自动熔断，切断电源，从而达到保护线路和电气设备的目的。熔体熔断后可更换，所以熔断器可多次使用。

常用的低压熔断器有以下几种类型。

①无填料封闭管式熔断器：主要有RM1、RM3、RM10型，其结构如图6-8所示。

②有填料封闭管式熔断器：其熔管内填充石英砂以加速灭弧，常用的为RTO型。

③插入式熔断器：是一种最常见的熔断器。它有制造成本低、结构简单、外形尺寸小及更换方便等优点，常用来作为照明、控制线路和中小电动机的短路保护，RC1型插入式熔断器的结构如图6-9所示。

图6-8　管式熔断器图

1—导线；2—绝缘底板；3—装有熔片的绝缘套管

图6-9　插入式熔断器图

1—瓷盒；2—弹性铜片；3—导线；4—弹性铜片；4—铜片；5—熔丝

④螺旋式熔断器：是一种有填料熔断器。熔断管由瓷质制成，内填石英砂，并有熔断指示器，便于检查，并能在带电时（不带负荷）用手安全地卸下更换熔断体，常用的有RL1、RL2、RLS型。如图6-10所示为螺旋式熔断器的外形及结构图。

图6-10　螺旋式熔断器

1—瓷帽；2—熔断体；3—熔丝；4—进线；5—出线

（3）热继电器

热继电器是利用感受热量进行动作的电器，通常用来使电动机（或其他负载）免于过载而损坏，所以它是一种过载保护的自动电器。如图6-11所示为热继电器的外形及动作原理图。图6-11（b）中，1是发热元件（电阻丝或电阻片），串联在电动机的主电路中；2是双金属片，由两种具有不同膨胀系数的金属辗压而成。常闭触头串联在控制电路中，即与接触器的吸引线圈串联。

图6-11　热继电器外形及动作原理示意图

1—发热元件；2—主双金属片；3—绝缘导板；4—补偿片；5—推杆；6—动触头；7—静触头；8—复位按钮；9—调节装置

当主电路中的电流正常时，流过发热元件的电流所产生的热量不会使热继电器动作，常闭触头是闭合的。当电动机过载时，热元件中通过的电流超过了其额定值，并经过一定时间后，发热元件产生过量的热，这热量使双金属片的温度升高。由于双金属片中右面的一片热膨胀系数比左面的小，因而双金属片向右弯曲，推动绝缘导板，带动补偿片（补偿环温度对动作特性的影响）和推杆，使常闭动、静触头分断，从而断开了电源，达到过载保护的目的。双金属片冷却后，热继电器的常闭触头重新闭合；也可按下它的复位按钮，使常闭触头复位。

由于热继电器的热惯性大，即使通过发热元件的电流短时间内超过额定电流几倍，热继电器也不会瞬时动作，因而符合电动机的过载保护要求。电动机在短期过载后可恢复到正常负载情况时，是不希望热继电器动作的，否则电动机就无法启动或稍一过载就停车，反而影响生产的正常进行。

常用的热继电器有两相保护和三相保护二种，其型号有JR1、JR0、JR9、JR15、JR16等。