第2章常用低壓電器2.4斷路器2.3繼電器2.1低壓電器的定義與分類2.2接觸器2.6主令電器2.7新型智能電器2.5熔斷器2.1低壓電器的定義與分類2.1.1低壓電器定義

低壓電器是指工作在交流電壓1000V以下、直流電壓1500V及以下的電器。它是能夠根據外界特定的信號和要求,自動或手動接通和斷開電路,實現對電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測、變換和調節用的電氣元件。2.1.2低壓電器分類低壓電器種類繁多,結構形式各異,工作原理及功能也各不相同。因此低壓電器的分類方法很多。本教材主要從用途進行分類,常用的低壓電器主要類別及用途見表2-1。2.2接觸器2.2.1接觸器的基本結構和工作原理目前最常用的接觸器是電磁接觸器,它由電磁機構、觸點、滅弧裝置及其他部分組成。接觸器的實物圖、結構圖以及文字圖形符號如圖2-1所示。電磁機構將電磁能轉換成機械能,產生電磁吸力帶動觸點動作。電磁機構包括電磁線圈、動鐵心和靜鐵心。觸點是接觸器的執行元件,用來接通或斷開被控制電路,包括主觸點和輔助觸點。滅弧裝置用于熄滅主觸點在分斷電流瞬間觸點間氣隙中產生的電弧。其他部分包括釋放彈簧機構、支架與底座等。接觸器的工作原理說明:當電磁線圈通電后,線圈電流產生磁場,使靜鐵心產生電磁力吸引銜鐵,并帶動觸點動作,使常閉觸點斷開,常開觸點閉合,兩者是聯動的。當線圈斷電時,電磁力消失,銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放,使觸點復原,即常開觸點斷開,常閉觸點閉合。2.2.2接觸器的分類接觸器根據所控制主電路電流的類型,可分為交流接觸器和直流接觸器。交流接觸器:線圈可以是交流線圈也可以是直流線圈,主觸點接通、切斷交流主電路。直流接觸器:線圈只能是直流線圈,主觸點接通、切斷直流主電路。交流線圈中通上交流電,交變磁通穿過鐵心,產生渦流和磁滯損耗,使鐵心發熱。為減少鐵心損耗,鐵心用硅鋼片沖壓而成;為便于散熱,線圈做成短而粗的圓筒狀繞在骨架上;為防止交變磁通使銜鐵產生強烈振動和噪聲,鐵心端面上安裝銅制的短路環。滅弧裝置通常采用滅弧罩和滅弧柵。直流線圈中通上直流電,不產生渦流和磁滯損耗,鐵心不發熱,鐵心可以用整塊鋼制成。為便于散熱,線圈制成長而薄的圓筒狀。滅弧裝置通常采用滅弧能力較強的磁吹滅弧裝置。2.2.3接觸器的主要技術參數和選用方法接觸器的主要技術參數電流類型;線圈電壓;主觸點額定電流、額定電壓、觸點極數;輔助觸點額定電流、觸點對數;等等。選用接觸器時主要依據以下幾點(1)接觸器的使用類別應與負載性質相一致:控制交流負載應選用交流接觸器;控制直流負載則選用直流接觸器。(2)主觸點的額定工作電壓應大于或等于負載電路的電壓。2.2.3接觸器的主要技術參數和選用方法選用接觸器時主要依據以下幾點(3)主觸點的額定工作電流應大于或等于負載電路的電流。接觸器的額定電壓和電流是指主觸點的額定電壓和電流。當控制對象為電動機時,可以根據電動機的功率計算接觸器主觸頭的電流:式中,IC為接觸器主觸點電流(A);K

為經驗系數,一般取(1~1.4);PN

為電動機的額定功率(kW);UN

為電動機的額定電壓(V)。(4)吸引線圈的額定電壓和頻率應與控制回路的電壓和頻率相一致,接觸器在線圈額定電壓85%及以上時應能可靠地吸合。(5)主觸點和輔助觸點的數量應能滿足控制系統的需要。2.3繼電器2.3.1電磁式繼電器由于電磁式繼電器具有工作可靠、結構簡單、制造方便、壽命長等一系列優點,故在電氣控制系統中應用最為廣泛。電磁式繼電器按吸引線圈電流的種類不同,可分為直流和交流兩種;按輸入信號的性質,可分為電壓繼電器和電流繼電器。電磁式繼電器的實物圖以及文字圖形符號如圖2-2所示。2.3.2時間繼電器當繼電器感應元件接收外界信號后,經過設定的延時時間才執行部分動作的繼電器稱為時間繼電器。電磁式繼電器的實物圖、延時時序圖以及文字圖形符號如圖2-3所示。

選用時間繼電器,主要從以下幾個方面考慮:(1)根據控制電路對延時方式的要求選擇通電延時還是斷電延時。(2)根據控制電路對觸點的數目要求選擇。(3)根據控制電路延時范圍和精度要求選擇。(4)根據使用場合、工作環境選擇。2.3.3熱繼電器熱繼電器是依靠電流流過發熱元件時產生的熱量,使雙金屬片發生彎曲而推動執行機構動作的一種電器,主要用于電動機的過載保護、斷相及電流不平衡運行的保護及其他電氣設備發熱狀態的控制。熱繼電器的實物圖、結構圖以及文字圖形符號如圖2-4所示。熱繼電器的工作原理如圖2-4(b)所示。熱元件(雙金屬片7)由膨脹系數不同的兩種金屬片組合的復層材料構成(設上層膨脹系數大)。2.3.3熱繼電器熱繼電器選用時主要從以下幾個方面考慮:(1)長期工作制下,按電動機的額定電流來確定熱繼電器的型號與規格。熱繼電器元件的額定電流接近或略大于電動機的額定電流IN，即使用時,熱繼電器的整定旋鈕應調到電動機的額定電流值處,否則將不起保護作用。(2)對于星形連接的電動機,因其繞組相電流與線電流相等,選用兩相或三相普通的熱繼電器即可。(3)對于三角形連接的電動機,當在接近滿載的情況下運行時,如果發生斷相,最嚴重一相繞組中的相電流可達額定電流值的2.5倍左右,而流過熱繼電器的線電流也達額定電流值的2倍以上,此時普通熱繼電器的動作時間能滿足保護電動機的要求。(4)對頻繁正反轉及頻繁通斷工作和短時工作的電動機,不宜采用熱繼電器來保護。(5)如遇到下列情況,選擇熱繼電器的整定電流要比電動機額定電流高一些:①電動機負載慣性轉矩非常大,啟動時間長。②電動機所帶動的設備不允許任意停電。③電動機拖動的負載為沖擊性負載,如沖床、剪床等設備。2.3.4速度繼電器速度繼電器常用于電動機的反接制動電路中,其實物圖、結構圖以及文字圖形符號如圖2-5所示。速度繼電器的結構如圖2-5(b)所示。1為轉子,由永久磁鐵做成,隨電動機轉動;3為定子,其上有定子短路繞組4;5為定子柄,可繞定軸擺動;按圖中規定的轉動方向,左邊6、7、8為正向觸點,右邊為反向觸點。當轉子轉動時,永久磁鐵的磁場切割定子上的短路導體,并使其產生感應電流,永久磁鐵與這個電流互相作用,將使定子向著軸的轉動方向擺動,并通過定子柄撥動動觸點。當軸的轉速接近零時(約100r/min),定子柄在恢復力的作用下恢復到原來的位置。2.3.5固態繼電器固態繼電器(SolidStateRelay,SSR)是20世紀70年代中后期發展起來的一種新型無觸點繼電器。固態繼電器是由固態半導體器件組成的無觸點開關器件,它較之電磁繼電器具有工作可靠、壽命長、對外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關速度快、無火花、無動作噪聲和使用方便等一系列優點,因而具有很寬的應用領域,有逐步取代傳統繼電器之勢,并進一步擴展到許多傳統繼電器無法應用的領域,如計算機的輸入和輸出接口、外圍和終端設備。固態繼電器的實物圖以及文字圖形符號如圖2-6所示。固態繼電器選用時考慮的主要參數有輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流等。2.4斷路器2.4斷路器斷路器俗稱空氣開關、自動開關,適用于低壓配電電路不頻繁通斷控制,在電路發生短路時,斷開電路,是起保護作用的電器。斷路器的實物圖、結構圖以及文字圖形符號如圖2-7所示。在功能上,它相當于刀開關、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器等的組合,其結構如圖2-7(b)所示。斷路器包含四種脫扣方式:磁脫扣、熱脫扣、欠電壓脫扣以及分勵脫扣。其中最重要的是磁脫扣和熱脫扣,分別提供短路保護和過載保護。2.4斷路器磁脫扣是斷路器中的一個關鍵組件,它的作用是在電路發生短路時迅速切斷電源以保護電路。磁脫扣的設計確保了在短路情況下能夠提供快速響應,這是電氣安全中非常重要的。斷路器的主觸頭是由操作機構(手動或電動)合閘的。選用斷路器時主要從以下幾個方面考慮:(1)斷路器的額定電流應等于或大于負載允許的長期平均電流。(2)斷路器的極限分斷能力要大于或等于電路最大短路電流。(3)欠電壓脫扣器額定電壓應等于主電路額定電壓。(4)熱脫扣器的整定電流的選擇應與熱繼電器的額定電流選擇一致。(5)磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流應大于負載正常工作時的尖峰電流,保護電動機時,磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流

式中,K

為考慮整定誤差和啟動電流IST

允許變化的安全系數,對于動作時間在0.02s以上的斷路器,K=1.35;對于動作時間在0.02s以下的斷路器,K=1.7。2.5熔斷器2.5熔斷器熔斷器是一種結構簡單、使用方便、價格低廉的保護電器,廣泛用于供電電路和電氣設備的短路保護。熔斷器由熔體和安裝熔體的外殼兩部分組成。熔斷器種類很多,結構也各不相同,主要有插入式、螺旋式、有填料密封管式、無填料密封管式等。熔斷器的實物圖以及文字圖形符號如圖2-8所示。2.5熔斷器熔斷的電流,是熔斷器選擇的核心。具體有下列幾條原則:(1)電路上、下兩級都裝設熔斷器時,為使兩級保護相互配合良好,兩級熔體額定電流的比值不小于1.6∶1。(2)對于照明電路或電阻爐等沒有沖擊性電流的負載,熔體的額定電流應大于或等于電路的工作電流,即式中,IR

為熔體的額定電流,I

為電路的工作電流。(3)保護一臺異步電動機時,考慮電動機沖擊電流的影響,熔體的額定電流按下列關系選用:式中,IN

為電動機額定電流。(4)用一個熔斷器保護多臺異步電動機時,則熔體的額定電流按下列關系選用:式中,INm

為容量最大的一臺電動機的額定電流,∑IN

為其余電動機額定電流之和。2.5熔斷器【例2.1】

兩臺電動機不同時啟動,一臺電動機的額定電流為14.6A,另一臺電動機的額定電流為4.64A,啟動電流都為額定電流的7倍,用一個熔斷器進行短路保護,則熔體電流需要滿足什么要求?2.6主令電器為標明按鈕的作用,避免誤操作,通常將按鈕帽做成紅、綠、黑、黃、藍、白、灰等顏色,并對按鈕顏色做了如下規定:(1)“停止”和“急?！卑粹o必須是紅色。當按下紅色按鈕時,必須使設備停止工作或斷電。(2)“啟動”按鈕的顏色是綠色。(3)“啟動”與“停止”交替動作的按鈕必須是黑色、白色或灰色,不得用紅色和綠色。(4)“點動”按鈕必須是黑色。(5)“復位”按鈕(如保護繼電器的復位按鈕)必須是藍色。按鈕主要是根據所需要的觸點數、觸點形式、使用的場合及顏色來選擇。2.6.1按

鈕按鈕是最常用的主令電器,按鈕的實物圖、結構圖以及文字圖形符號如圖2-9所示。2.6.2行程開關、接近開關和光電開關行程開關是用于檢測工作機械的位置,發出命令以控制其運動方向或行程長短的主令電器。按結構不同行程開關可分為直動式、滾輪式和微動式三種。行程開關、接近開關和光電開關的實物圖、結構圖以及文字圖形符號如圖2-10所示。2.6.3萬能轉換開關萬能轉換開關是由多組同結構的觸頭組件疊裝而成的多回路控制電器。由于它能轉換多種和多數量的電路,用途廣泛,故被稱為萬能轉換開關。萬能轉換開關的實物圖、結構圖、文字圖形符號及觸點通斷表如圖2-11所示。如圖2-11(b)結構示意圖所示,圖中“1”是轉軸,“2”是觸點,“3”是凸輪,“4”是彈簧。萬能轉換開關的主要技術參數有額定電壓、額定電流、絕緣電壓、發熱電流及觸點數量等。萬能轉換開關的選用可參考以下原則:(1)根據控制電路的電壓和電流來選擇,使萬能轉換開關的額定電壓與額定電流符合電路的要求。(2)按操作需要選擇手柄形狀以及手柄的定位特征。(3)根據不同控制要求選用觸點數量、接觸系統節數和接線圖編號。(4)選擇面板形式及標志。2.6.4電

纜電纜是一種電能或信號傳輸裝置,通常是由幾根或幾組導線組成。在電氣控制系統中,用來連接各種低壓電器,構成一定的邏輯關系控制電動機等用電設備。電纜的選型主要從以下幾個方面考慮:(1)根據使用環境選擇不同電纜,比如船舶上使用的是船用電纜,礦山使用的是礦用電纜,傳遞信號的電纜使用的是屏蔽電纜,電力系統中使用的是電力電纜等,組成這些電纜的導線都是一樣的,不同的是絕緣包裝不一樣。(2)根據通過的電流即電纜載流量選擇導線的粗細,即截面積。還要考慮環境溫度對電纜載流量的影響,溫度越高載流量越小。環境溫度為25℃時,不同截面積的載流量見表2-2。(3)還要考慮環境溫度對電纜載流量的影響,溫度越高載流量越小。2.7新型智能電器2.7.1軟啟動器

交流電動機(如籠型)啟動電流可達額定值的6~8倍,大功率電機啟動時將引發電網電壓驟降,導致設備運行異常,且機械沖擊會縮短設備壽命,因此需平穩啟?？刂啤?電壓調節?:通過電子電路按預設規律(如斜坡升壓)