继电器控制的基本原理与应用

电器是所有电工器件的简称，凡是用来接通和断开电路，以达到控制、调节、转换和保护目的的电工器件都称为电器。低压电器是指工作在直流1200V、交流1000V以下的各种电器，按动作方式可分为手动电器和自动电器两种。

低压电器是电力拖动自动控制系统的基本组成元件，电气技术人员必须熟悉常用低压电器的原理结构、型号、规格和用途，并能正确选择、使用与维护。下面介绍本任务中所用到几种常用低压电器。

1.三相交流异步电动机

（1）交流异步电动机的结构组成

图1-3是一台三相异步电动机的结构图。它主要由定子、转子两大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙。定子是静止不动的部分，由定子铁心、定子绕组和机座组成。转子是旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。

图1-3 三相异步电动机的结构图

1—散热筋 2—吊环 3—转轴 4—定子铁心 5—定子绕组 6—转子 7—风扇 8—罩壳 9—转子铁心 10—笼型绕组 11—轴承 12—机座 13—接线盒 14—轴承盖 15—端盖

笼型电动机的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁心槽里插人铜条，再将全部铜条焊接在两个端铜环上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个笼子，如图1-4所示，因此叫笼型转子。对于中小功率电动机的绕组，多采用铝离心浇铸而成。

由于笼型异步电动机坚固而价廉，在实际工业现场使用的电动机当中，绝大多数是笼型异步电动机。

图1-4 笼型电动机的转子结构图

a）笼型绕组 b）转子外形

（2）交流异步电动机的工作原理

异步电动机的工作原理如图1-5所示。当定子接三相对称电源后，电动机内便形成圆形旋转磁场，如图1-6所示。设其方向为顺时针旋转，假设速度为n₀。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁场有相对运动，转子导条中便感应有电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中便有感应电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，载流导条就在磁场中感生电磁力f，形成电磁转矩T，用左手定则确定其方向，如图1-6所示。转子在方向与旋转磁场同方向的力f（电磁转矩T）的作用下，便沿着该方向跟随着旋转磁场旋转起来。

转子旋转后，假设其转速为n，只要n＜n₀，转子导条与磁场之间仍有相对运动，就产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力f，电磁转矩T仍日为顺时针方向，转子继续旋转，最终稳定运行在电磁转矩T与负载转矩T_L相平衡的状况下。

异步电动机内部磁场的旋转速度n₀被称作同步转速。在电动机运行时，电动机轴输出机械功率，异步电动机的实际转速n总是低于旋转磁场转速n₀，也就是说转子的旋转速度n总是与同步转速n₀不等，故异步电动机的名称由此而来。另外，由于转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象，故异步电动机又称为感应电动机。

图1-5 异步电动机的工作原理

图1-6 三相交流异步电动机圆形旋转磁场的产生

a）定子接法 b）三相对称电源波形 c）圆形旋转磁场的产生

异步电动机的同步转速n₀与定子绕组磁极对数P（等于磁极数的一半）成反比，与定子侧电源频率f₁成正比（对于交流电动机其定子侧的物理量习惯用下标1或者下标s表示，对其转子侧的物理量习惯用下标2或者下标r表示），故有：n₀=60f₁/P。

带有负载的电动机转子实际转速n要比电动机的同步转速n₀低一些，常用转差率来描述异步电动机的各种不同运行状态。转差率s定义为：s=（n₀-n）/n₀，故近似有n=n₀（1-s）。

当电动机为空载（输出的机械转矩近似为零，忽略摩擦转矩，转速近似为n₀时，转差率s近似为零。而当电动机为满负载（产生额定转矩）时，则转差率s一般在1.5%～6%范围内。转子不转时（n₀=0），s=1。

（3）交流异步电动机的铭牌

铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，可以帮助正确地选择、使用和维护它。图1-7是我国使用最多的Y系列三相感应异步电动机铭牌的一个实例。铭牌中主要包含以下内容：

图1-7 Y系列三相感应异步电动机铭牌

1）型号。如Y-112M-4、Y802-4。

2）额定值

①额定功率P_N。指电动机在额定运行时，电动机轴上输出的机械功率，单位为kW。

②额定电压U_N。指额定运行状态下加在电动机定子绕组上的线电压，单位为V。

③额定电流I_N。指电动机在定子绕组上施加额定电压、电动机轴上输出额定功率时的线电流，单位为A。

可以根据电动机的额定电压、电流及功率，利用三相交流电路功率计算公式计算出电动机在额定负载时定子边的功率因数cosΦ。例如图1-8所示铭牌的电动机在额定负载时的功率因数cosΦ=4000／（3¹／2×380×8.7）=0.699。

④额定频率f_N。我国规定工业用电的频率是50Hz，国外有些国家采用60Hz。

⑤额定转速n_N。指电动机定子加额定频率的额定电压、轴端输出额定功率时电动机的转速，单位为r/min。可以根据额定转速与额定频率计算出电动机的极数P和额定转差率s_N。

3）噪声值（LW）。指电动机在运行时的最大噪声。一般电动机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。

4）工作制式。指电动机允许工作的方式，共有S1～S10十种工作制。其中，S1为连续工作制；S2为短时工作制；其他为不同周期或者非周期工作制。

5）绝缘等级。绝缘等级与电动机内部的绝缘材料有关。它与电动机允许工作的最高温度有关，共分A、E、D、F、H五种等级。其中A级最低，H级最高。在环境温度额定为40℃时，A级允许的最高温升为105℃，H级允许的最高温升为140℃。

6）连接方法。三相交流电动机接线端如图1-8所示，有/△两种方式。请注意有些电动机只能固定一种接法，有些电动机可以两种切换工作，但是要注意工作电压，防止错误接线烧坏电动机。高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用接线，只有三根引出线。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来。根据需要可接成形或△形，如图1-9和图1-10所示。另外，有一点需要说明的是，在电动机启动过程中，为了减小启动冲击电流［I_Q=（5～7）I_N］对于电网的影响，一种简单、实用、低成本的方法是采用如图1-11所示的/△减压启动，启动过程中用联结（KM₁和KM₃闭合，KM₂断开），启动过程结束后切换为△联结（KM₁和KM₂闭合，KM₃断开）运行。

图1-8 三相交流电动机接线端

a）接线端子 b）接线端子示意图

图1-9 三相异步电动机的引出线

a）线端的排列 b）联结

7）防护等级。IP为防护代号，第一位数宇（0～6）规定了电动机防护体的等级标准；第二位数宇（0～8）规定了电动机防水的等级标准，如IP00为无防护，数宇越大，防护等级越高。

图1-10 三相异步电动机的△引出线

a）线端的排列 b）△联结

图1-11 /△减压启动的接线图

8）对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、转子额定电动势及转子额定电流；有些还标明了电动机的转子电阻；有些特殊电动机还标明了冷却方式等。

（4）交流异步电动机的工作特性

异步电动机的工作特性是指当外加电源电压U₁为常数、电源频率f₁为常数时，异步电动机的转速n、转矩T、定子绕组电流I₁、定子功率因数cosΦ₁及效率η与该电动机输出功率P₂的关系曲线。这些曲线可用实验方法测得。从异步电动机的工作特性曲线可以判断它的工作性能好坏，从而做到正确选用电动机，以满足不同工作要求。异步电动机的不同工作特性曲线示于图1-12中。

1）转速特性n=f（P₂）。异步电动机的转速n在电动机正常运行的范围内随负载P₂的变化不大，所以n=f（P₂）的曲线是一条稍许下倾的近似直线，见图1-12中n曲线。如果略去电动机的机械损耗，则输出功率：

P₂=2πnT/60

则 T=30P₂/（πn）

式中，P₂的单位为kW；n的单位为r/min；T的单位为N·m。

2）定子电流特性I₁=f（P₂）。随着负载的增加，转速下降，转子电流增大，定子电流也增大，定子电流几乎随P₂按比例地增大，见图1-12中I₁曲线。

图1-12 异步电动机的工作特性

3）功率因数特性cosΦ₁=f（P₂）。异步电动机在空载时功率因数很低，随着负载P₂的增加，开始时cosΦ₁增加较快，通常在额定负载P_2N时达到最大值。当负载再增加时，由于转差率s增大，使转子漏感抗X₂=sX₂₀变大，因而使cosΦ₁反而降低，转子电流的无功分量增加，因而定子电流的无功分量随之增加，使电动机定子功率因数又重新开始下降，见图1-12中cosΦ₁曲线。

4）电磁转矩特性T=f（P₂）。由于电动机在正常运行范围内，转速n=f（P₂）曲线变化不大，近似为直线，故T=f（P₂）也近似为一直线。由于T=T₂+T₀，在转速不变情况下，T₀为一常数，所以T是在T₂的基础上叠加T₀。因此，异步电动机的转矩特性是一条不通过原点的近似直线，见图1-12中的T曲线。

5）效率特性η=f（P₂）。电动机的效率η随着负载P₂的增加，开始时增加较快，通常也在额定负载P_2N时达到最大值；以后随着P₂的增加，效率η反而略有下降。因为效率达最大值后，如果负载继续增大，由于定子、转子铜损耗增加很快，效率反而降低，见图1-12中的η曲线。对于中、小型电动机，最大效率通常出现在（0.7～1.0）P_N范围内。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。

2.低压断路器（QF）

低压断路器又名自动开关，是一种集操作控制和多种保护功能于一身的电器。它除主要能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、过载、失压等故障迸行保护。常用作低压配电的总电源开关和电动机主电路的短路、过载、失压保护开关。其结构和外形如图1-13、图1-14所示。低压断路器主要由触点系统、操作机构、各种脱扣器和灭弧装置等组成。

1）触点系统、操作机构主要完成合、分闸操作，实现开关的作用。

2）脱扣器是自动开关的主要保护装置，包括电磁脱扣器（作短路保护）、热脱扣器（作过载保护）、失电压脱扣器以及由电磁和热脱扣器组合而成的复式脱扣器等种类。电磁脱扣器的线圈串联在主电路中，若电路或设备短路，主电路电流增大，线圈磁场增强，吸动衔铁，使操作机构动作，断开主触点，分断主电路而起到短路保护作用。电磁脱扣器有调节螺钉，可以根据用电设备容量和使用条件手动调节脱扣器动作电流的大小。(www.xing528.com)

图1-13 低压断路器的结构

1、9—弹簧 2—触点 3—锁钩 4—搭钩 5—轴 6—过电流脱扣器 7—杠杆 8、10—衔铁 11—欠电压脱扣器 12—双金属片 13—电阻丝

3）热脱扣器是一个双金属片热继电器。它的发热元件串联在主电路中。当电路过载时，过载电流使发热元件温度升高，双金属片受热弯曲，顶动自动操作机构动作，断开主触点，切断主电路而起过载保护作用。

低压断路器以结构形式分类有开启式和装置式两种。

开启式又称为框架式或万能式，装置式又称为塑料壳式。框架式DZ47型低压断路器的外形及低压断路器图形符号如图1-15所示。

图1-14 低压断路器的外形

低压断路器的选择应考虑额定电压、额定电流和允许切断的极限电流以及脱扣器的整定值等和所控制的主电路相匹配。

图1-15 低压断路器的外形及图形符号

a）DZ47-60型低压断路器的外形 b）低压断路器的图形符号

3.接触器（KM）

接触器是一种接通或切断电动机或其他负载主电路的自动切换电器。它是利用电磁力来使开关打开或断开的电器，适用于频繁操作、远距离控制强电电路，并具有低压释放的零压保护性能。接触器通常分为交流接触器和直流接触器。其主要结构包括触点系统、电磁机构、灭弧机构以及反作用弹簧等。其工作原理是当线圈得电后，衔铁被吸合，带动三对主触点闭合，接通电路，辅助触点也闭合或断开；当线圈失电后，衔铁被释放，三对主触点复位，电路断开，辅助触点也断开或闭合。大容量的接触器都具有快速灭弧装置，使用安全可靠。

交流接触器的外形和结构如图1-16所示。交流接触器的图形符号如图1-17所示。

选择接触器主要考虑以下参数：①触点通断电源种类：交流或直流；②主触点额定电压和电流；③辅助触点种类、数量及触点额定电流；④电磁线圈的电源、种类及频率。

机床中常用的CJX系列部分交流接触器的外形和触点系统如图1-18所示。

4.按钮（SB）

按钮又称控制按钮或按钮开关，是一种手动控制电器。它只能短时接通或分断5A以下的小电流电路，向其他自动电器发出指令性的电信号，控制其他自动电器动作。由于按钮载流量小，不能直接用于控制主电路的通断。按钮的作用是发布命令，在控制电路中可用于远距离频繁地操纵接触器、继电器，从而控制电动机的启动、运转、停止。按钮的结构和图形符号如图1-19所示。常态时，常闭（动断）触点闭合，常开（动合）触点断开。按下按钮，常闭触点断开，常开触点闭合，松开按钮，在复位弹簧作用下使触点复位。为避免误操作，常将钮帽做成不同的颜色来区别，如以红色作为停止和急停、绿色作为启动和运行、黄色表示干预、黑色表示点动、蓝色表示复位；另外还有黄、白等颜色和一些形象化符号供不同场合使用。其形象化符号如图1-20所示。

图1-16 交流接触器的外形和结构

a）外形 b）结构 c）结构示意

图1-17 交流接触器的图形符号

图1-18 机床中常有的CJX系列部分交流接触器的外形和触点系统

a）CJX系列部分交流接触器的外形 b）CJX1-9／22型交流接触器的触点系统

图1-19 按钮的结构和图形符号

a）按钮的结构 b）按钮的图形符号

1—按钮帽 2—复位弹簧 3—桥式动触点 4—常开静触点 5—常闭静触点

图1-20 按钮的形象化符号

LA系列部分按钮的外形图和触点系统如图1-21所示。

按钮的选择使用应从使用场合、所需触点数、触点形式及按钮帽的颜色等因素考虑。

5.熔断器（FU）

熔断器是一种在短路或严重过载时利用熔化作用而切断电路的保护电器，熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管两部分组成。熔体由易熔金属材料铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，通常做成丝状或片状，熔体既是敏感元件又是执行元件。熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断。当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断切断电路，从而实现保护目的。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。熔断器种类很多，常见的有瓷插式、螺旋式、封闭管式和自复式等，如图1-22所示。

RT18系列熔断器的外形图如图1-23所示。

图1-21 LA系列部分按钮的外形图和触点系统

a）按钮的外形图 b）按钮的触点系统

图1-22 常用的部分熔断器的结构图

a）RC1A系列瓷插式 b）RL1系列螺旋式 c）RM系列无填料封闭管式 d）RTO系列有填料封闭管式 e）NT系列有填料封闭管式 f）符号

选择熔断器，主要选择熔断器的额定电压、熔断器额定电流等级和熔体的额定电流。对没有冲击电流的电路，熔体的额定电流应稍大于线路工作电流，对有冲击电流的电路，熔体的额定电流应取为最大电流的0.4偌。

图1-23 RT18系列熔断器的外形图

6.热继电器（KR或FR）

热继电器是利用电流热效应原理迸行动作的一种保护电器，它在电路中主要用于过载保护。电动机具备一定的过载能力，在实际运行中，只要过载不严重，时间较短，温升不超过容许值，电动机仍能工作。若过载严重，时间长，使电动机温升过高，会老化绕组绝缘，严重时还会使绕组烧毁，因此连续工作制的电动机工作时都需要有过载保护装置。但热继电器有惯性，对短时间大电流不会立即动作，不能用于短路保护。热继电器种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，其外形及结构如图1-24所示，主要由驱动器件（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二次回路中，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，是由两种不同膨胀系数的金属用机械辗压而成，为热继电器的感测元件。热继电器中双金属片与加热元件串接在接触器负载端（电动机电源端）的主回路中。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使继电器动作。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量增加，使双金属片产生的弯曲位移增大，主双金属片推动导板，并通过补偿双金属片与推杆将触点（即串接在接触器线圈回路的热继电器常闭触点）分开，以切断电路保护电动机。

图1-24 热继电器的外形和结构图

a）外形 b）结构图

1—电流整定装置 2—主电路接线柱 3—复位按钮 4—常闭触点 5—动作机构 6—热元件 31—常闭触点接线柱 32—公共动触点接线柱 33—常开触点接线柱

为防止机床的拖动电动机在断相故障情况下运行而烧坏电动机，对重要负荷还常采用带有断相保护设施的热继电器。热继电器的结构原理如图1-25所示。带有断相保护设施的热继电器的结构原理如图1-26所示。热继电器的图形及文宇符号如图1-27所示。热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定型号与规格，热继电器元件的额定电流应接近或略大于电动机的额定电流。在一般情况下，可选用两相结构的热继电器。在恶劣工作环境可选用三相结构的热继电器。

图1-25 热继电器的结构原理

a）结构原理 b）差动式断相保护示意图

1—电流条件凸轮 2—2a/2b簧片 3—手动复位机构 4—弓簧 5—主双金属片 6—外导板 7—内导板 8—常闭触点 9—静触点 10—杠杆 11—复位条件螺钉 12—补偿双金属片 13—推杆 14—连杆 15—压簧 16—热元件

图1-26 带有断相保护热继电器的结构原理

a）断电 b）正常运行 c）过载 d）单相断相

（1—杠杆2—上导板3—双金属片4—下导板）

图1-27 热继电器的图形及文宇符号

a）热元件 b）常闭触点

JRS系列部分热继电器的外形及其触点系统如图1-28所示。

图1-28 JRS系列部分热继电器的外形图及其触点系统

a）JRS系列部分热继电器的外形 b）JRS2-63/F型热继电器的触点系统