第一章 电气控制基础
本章主要通过介绍电气控制领域中常用低压电器的工作原理、用途、型号、规格及符号等知识，电器控制线路的基本环节，并通过对典型电器控制系统的分析，学会正确选择和合理使用常用电器、学会分析和设计电气控制线路的基本方法，为后继章节的学习打下基础。
第一节 常用电器元件及符号
一、电器的基本知识
（一）电器的分类
电器是接通和断开电路或调节、控制和保护电路及电气设备用的电工器具。完成由控制电器组成的自动控制系统，称为继电器—接触器控制系统，简称电器控制系统。
电器的用途广泛，功能多样，种类繁多，结构各异。下面是几种常用的电器分类。
1．按工作电压等级分类
（1）高压电器 用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上电路中的电器。例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。
（2）低压电器 用于交流50Hz(或60Hz)，额定电压为1200V以下；直流额定电压1500V及以下的电路中的电器。例如接触器、继电器等。
2．按动作原理分类
1）手动电器 用手或依靠机械力进行操作的电器，如手动开关、控制按钮、行程开关等主令电器。
2）自动电器 借助于电磁力或某个物理量的变化自动进行操作的电器，如接触器、各种类型的继电器、电磁阀等。
3．按用途分类
（1）控制电器 用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等。
（2）主令电器 用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、行程开关、万能转换开关等。
（3）保护电器 用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器、各种保护继电器、避雷器等。
（4）执行电器 指用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。
（5）配电电器 用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器、隔离开关、刀开关、自动空气开关等。
4．按工作原理分类
1）电磁式电器 依据电磁感应原理来工作，如接触器、各种类型的电磁式继电器等。
2）非电量控制电器 依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等。
（二）电器的作用
低压电器能够依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动地改变电路的状态、参数，实现对电路或被控对象的控制、保护、测量、指示、调节。低压电器的作用有：
（1）控制作用 如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。
（2）保护作用 能根据设备的特点，对设备、环境、以及人身实行自动保护，如电机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。
（3）测量作用 利用仪表及与之相适应的电器，对设备，电网或其它非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度、湿度等。
（4）调节作用 低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如柴油机油门的调整、房间温湿度的调节、照度的自动调节等。
（5）指示作用 利用低压电器的控制、保护等功能，检测出设备运行状况与电气电路工作情况，如绝缘监测、保护掉牌指示等。
（6）转换作用 在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行，以实现功能切换，如励磁装置手动与自动的转换，供电的市电与自备电的切换等．
当然，低压电器作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能、新设备会不断出现，常用低压电器的主要种类和用途如表1-1所示。
表1-1 常见的低压电器的主要种类及用途
|
序号
|
类 别
|
主 要 品 种
|
用 途
|
|
1
|
断路器
|
塑料外壳式断路器
|
主要用于电路的过负荷保护、短路、欠电压、漏电压保护，也可用于不频繁接通和断开的电路
|
|
框架式断路器
|
|||
|
限流式断路器
|
|||
|
漏电保护式断路器
|
|||
|
直流快速断路器
|
|||
|
2
|
刀开关
|
开关板用刀开关
|
主要用于电路的隔离，有时也能分断负荷
|
|
负荷开关
|
|||
|
熔断器式刀开关
|
|||
|
3
|
转换开关
|
组合开关
|
主要用于电源切换，也可用于负荷通断或电路的切换
|
|
换向开关
|
|||
|
4
|
主令电器
|
按钮
|
主要用于发布命令或程序控制
|
|
限位开关
|
|||
|
微动开关
|
|||
|
接近开关
|
|||
|
万能转换开关
|
|||
|
5
|
接触器
|
交流接触器
|
主要用于远距离频繁控制负荷，切断带负荷电路
|
|
直流接触器
|
|||
|
6
|
起动器
|
磁力起动器
|
主要用于电动机的起动
|
|
星三起动器
|
|||
|
自耦减压起动器
|
|||
|
7
|
控制器
|
凸轮控制器
|
主要用于控制回路的切换
|
|
平面控制器
|
|||
|
8
|
继电器
|
电流继电器
|
主要用于控制电路中，将被控量转换成控制电路所需电量或开关信号
|
|
电压继电器
|
|||
|
时间继电器
|
|||
|
中间继电器
|
|||
|
温度继电器
|
|||
|
热继电器
|
|||
|
9
|
熔断器
|
有填料熔断器
|
主要用于电路短路保护，也用于电路的过载保护
|
|
无填料熔断器
|
|||
|
半封闭插入式熔断器
|
|||
|
快速熔断器
|
|||
|
自复熔断器
|
|||
|
10
|
电磁铁
|
制动电磁铁
|
主要用于起重、牵引、制动等地方
|
|
起重电磁铁
|
|||
|
牵引电磁铁
|
对低压配电电器要求是灭弧能力强、分断能力好，热稳定性能好、限流准确等。对低压控制电器，则要求其动作可靠、操作频率高、寿命长并具有一定的负载能力。
二、接触器
接触器，是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或分断交直流电路，并可实现远距离控制。其主要控制对象是电动机，也可用于电热设备、电焊机、电容器组等其它负载。它还具有低电压释放保护功能，接触器具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。
按照所控制电路的种类、接触器可分为交流接触器和直流接触器两大类。
（一）交流接触器
1．交流接触器结构与工作原理
如图l-1所示为交流接触器的外形与结构示意图。交流接触器由以下四部分组成：
图l-1 CJ10-20型交流接触器
1一灭弧罩 2一触点压力弹簧片 3一主触点 4一反作用弹簧 5一线圈 6一短路环 7一静铁心 8一弹簧 9一动铁心 10一辅助常开触点 11一辅助常闭触点
（1）电磁机构 电磁机构由线圈、动铁心(衔铁)和静铁心组成，其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动作。
（2）触点系统 包括主触点和辅助触点。主触点用于通断主电路，通常为三对常开触点。辅助触点用于控制电路，起电气联锁作用，故又称联锁触点，一般常开、常闭各两对。
（3）灭弧装置 容量在10A以上的接触器都有灭弧装置，对于小容量的接触器，常采用双断口触点灭弧、电动力灭弧、相间弧板隔弧及陶土灭弧罩灭弧。对于大容量的接触器，采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧。
（4）其他部件 包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。
电磁式接触器的工作原理如下：线圈通电后，在铁芯中产生磁通及电磁吸力。此电磁吸力克服弹簧反力使得衔铁吸合，带动触点机构动作，常闭触点打开，常开触点闭合，互锁或接通线路。线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔铁释放，触点机构复位，断开线路或解除互锁。
2．交流接触器的分类
交流接触器的种类很多，其分类方法也不尽相同。按照一般的分类方法，大致有以下几种。
①按主触点极数分 可分为单极、双极、三极、四极和五极接触器。单极接触器主要用于单相负荷，如照明负荷、焊机等，在电动机能耗制动中也可采用；双极接触器用于绕线式异步电机的转子回路中，起动时用于短接起动绕组；三极接触器用于三相负荷，例如在电动机的控制及其它场合，使用最为广泛；四极接触器主要用于三相四线制的照明线路，也可用来控制双回路电动机负载；五极交流接触器用来组成自耦补偿起动器或控制双笼型电动机，以变换绕组接法。
②按灭弧介质分 可分为空气式接触器、真空式接触器等。依靠空气绝缘的接触器用于一般负载，而采用真空绝缘的接触器常用在煤矿、石油、化工企业及电压在660V和1140V等一些特殊的场合。
按有无触点分 可分为有触点接触器和无触点接触器。常见的接触器多为有触点接触器，而无触点接触器属于电子技术应用的产物，一般采用晶闸管作为回路的通断元件。由于可控硅导通时所需的触发电压很小，而且回路通断时无火花产生，因而可用于高操作频率的设备和易燃、易爆、无噪声的场合。
3．交流接触器的基本参数
（1）额定电压 指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。一只接触器常规定几个额定电压，同时列出相应的额定电流或控制功率。通常，最大工作电压即为额定电压。常用的额定电压值为220V、380V、660V等。
（2）额定电流 接触器触点在额定工作条件下的电流值。380V三相电动机控制电路中，额定工作电流可近似等于控制功率的两倍。常用额定电流等级为5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。
（3）通断能力 可分为最大接通电流和最大分断电流。最大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值；最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。一般通断能力是额定电流的5～10倍。当然，这一数值与开断电路的电压等级有关，电压越高，通断能力越小。
（4）动作值 可分为吸合电压和释放电压。吸合电压是指接触器吸合前，缓慢增加吸合线圈两端的电压，接触器可以吸合时的最小电压。释放电压是指接触器吸合后，缓慢降低吸合线圈的电压，接触器释放时的最大电压。一般规定，吸合电压不低于线圈额定电压的85％，释放电压不高于线圈额定电压的70%
（5）吸引线圈额定电压 接触器正常工作时，吸引线圈上所加的电压值。一般该电压数值以及线圈的匝数、线径等数据均标于线包上，而不是标于接触器外壳铭牌上，使用时应加以注意。
（6）操作频率 接触器在吸合瞬间，吸引线圈需消耗比额定电流大5～7倍的电流，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，直接影响接触器的正常使用。为此，规定了接触器的允许操作频率，一般为每小时允许操作次数的最大值。
（7）寿命 包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%～20％。
（二）直流接触器
直流接触器的结构和工作原理基本上与交流接触器相同。在结构上也是由电磁机构、触点系统和灭弧装置等部分组成。由于直流电弧比交流电弧难以熄灭，直流接触器常采用磁吹式灭弧装置灭弧。
（三）接触器的符号与型号说明
1．接触器的符号
接触器的图形符号如图l-2所示，文字符号为KM。
图1-2 接触器的图形符号
a)线圈 b)主触点 c)辅助触点
2．接触器的型号说明
例如：CJl0Z-40／3 为交流接触器，设计序号10，重任务型，额定电流40A主触点为3极。CJl2T-250／3为改型后的交流接触器，设计序号12，额定电流250A，3个主触点。
我国生产的交流接触器常用的有CJl0，CJl2，CJX1，CJ20等系列及其派生系列产品，CJ0系列及其改型产品已逐步被CJ20、CJX系列产品取代。上述系列产品一般具有三对常开主触点，常开、常闭辅助触点各两对。直流接触器常用的有CZ0系列，分单极和双极两大类，常开、常闭辅助触点各不超过两对。
除以上常用系列外，我国近年来还引进了一些生产线，生产了一些满足IEC标准的交流接触器，下面作以简单介绍。
CJl2B-S系列锁扣接触器用于交流50Hz，电压380V及以下、电流600A及以下的配电电路中，供远距离接通和分断电路用，并适宜于不频繁地起动和停止交流电动机。具有正常工作时吸引线圈不通电、无噪声等特点。其锁扣机构位于电磁系统的下方。锁扣机构靠吸引线圈通电，吸引线圈断电后靠锁扣机构保持在锁住位置。由于线圈不通电，不仅无电力损耗，而且消除了磁噪音。
由德国引进的西门子公司的3TB系列、BBC公司的B系列交流接触器等具有80年代初水平。它们主要供远距离接通和分断电路，并适用于频繁地起动及控制交流电动机。3TB系列产品具有结构紧凑、机械寿命和电气寿命长、安装方便、可靠性高等特点。额定电压为220～660V，额定电流为9～630A。
（四）接触器的选用
交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。具体分为以下步骤：
1．选择接触器的类型
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1 、AC2 、AC3和AC4 。一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。
2．选择接触器的额定参数
根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。
1）接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可以降低，使用时也较安全。但为了方便和减少设备，常按实际电网电压选取。
2）电动机的操作频率不高，如压缩机、水泵、风机、空调、冲床等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。接触器类型可选用CJl0、CJ20等。
3）对重任务型电机，如机床主电机、升降设备、绞盘、破碎机等，其平均操作频率超过100次／min，运行于起动、点动、正反向制动、反接制动等状态，可选用CJl0Z、CJl2型的接触器。为了保证电寿命，可使接触器降容使用。选用时，接触器额定电流大于电机额定电流。
4）对特重任务电机，如印刷机、镗床等，操作频率很高，可达600～12000次／h，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJl0Z、CJl2等。
5）交流回路中的电容器投入电网或从电网中切除时，接触器选择应考虑电容器的合闸冲击电流。一般地，接触器的额定电流可按电容器的额定电流的1.5倍选取，型号选CJ10、CJ20等。
6）用接触器对变压器进行控制时，应考虑浪涌电流的大小。例如交流电弧焊机、电阻焊机等，一般可按变压器额定电流的2倍选取接触器，型号选CJl0、CJ20等。
7）对于电热设备，如电阻炉、电热器等，负荷的冷态电阻较小，因此起动电流相应要大一些。选用接触器时可不用考虑(起动电流)，直接按负荷额定电流选取。型号可选用CJl0、CJ20等。
8）由于气体放电灯起动电流大、起动时间长，对于照明设备的控制，可按额定电流1.1～1.4倍选取交流接触器，型号可选CJl0、CJ20等。
9）接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间≤8h，且安装于敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电流按负荷额定电流的110%～120%选取。对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触电阻增大，导致触点发热超过允许温升。实际选用时，可将接触器的额定电流减小30%使用。
三、继电器
继电器是根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力装置的自动电器。
（一）电磁式继电器
1.电磁式继电器的结构与工作原理
图1-3 电磁式继电器原理图
1- 铁心 2-旋转棱角 3-释放弹簧 4-调节螺母 5--衔铁
6-动触点 7-静触点 8-非磁性垫片 9-线圈
图l-4 电磁式继电器图形、文字符号
2.电磁式继电器的特性
X由零增至X2以前，继电器输出量Y为零。当输入量X增加到X2时，继电器吸合，输出量为Y1；若X继续增大，Y保持不变。当X减小到X1时，继电器释放，输出量由Y1变为零，若X继续减小，Y值均为零。
图l-5 继电特性曲线
图1-5中，X 2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X 2；X 1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于X 1。
Kf＝X1／X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。Kf值是可以调节的。
例如一般继电器要求低的返回系数，Kf值应在0.1～0.4之间，这样当继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作；欠电压继电器则要求高的返回系数，Kf值在0.6以上。设某继电器Kf＝0.66，吸合电压为额定电压的90％，则电压低于额定电压的50％时，继电器释放，起到欠电压保护作用。
另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为0.05～0.15s，快速继电器为0.005～0.05s，它的大小影响继电器的操作频率。
3．电压继电器
电压继电器用于电力拖动系统的电压保护和控制。其线圈并联接入主电路，感测主电路的线路电压；触点接于控制电路，为执行元件。
按吸合电压的大小，电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器。
过电压继电器(FV)用于线路的过电压保护，其吸合整定值为被保护线路额定电1.05～1.2倍。当被保护的线路电压正常时，衔铁不动作；当被保护线路的电压高于额定值，达到过电压继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，控制接触器及时分断被保护电路。
欠电压继电器(KV)用于线路的欠电压保护，其释放整定值为线路额定电压的0.1～0.6倍。当被保护线路电压正常时，衔铁可靠吸合；当被保护线路电压降至欠电压继电器的释放整定值时，衔铁释放，触点机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。
零电压继电器是当电路电压降低到5％～25％UN时释放，对电路实现零电压保护。用于线路的失压保护。
中间继电器实质上是一种电压继电器。它的特点是触点数目较多，电流容量可增大，起到中间放大(触点数目和电流容量)的作用。
4．电流继电器
电流继电器用于电力拖动系统的电流保护和控制。其线圈串联接入主电路，用来感测主电路的线路电流；触点接于控制电路，为执行元件。电流继电器反映的是电流信号。常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。
欠电流继电器（KA）用于电路起欠电流保护，吸引电流为线圈额定电流30％～65％，释放电流为额定电流10％～20％，因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。
过电流继电器（FA）在电路正常工作时不动作，整定范围通常为额定电流1.1～4倍，当被保护线路的电流高于额定值，达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。对电路起过流保护作用。
JT4系列交流电磁继电器适合于交流50Hz，380V及以下的自动控制回路中作零电压、过电压、过电流和中间继电器使用，过电流继电器也适用于60Hz交流电路。
通用电磁式继电器有：JT3系列直流电磁式和JT4系列交流电磁式继电器，均为老产品。新产品有：JT9、JTl0、JLl2、JL14、JZ7等系列，其中JLl4系列为交直流电流继电器，JZ7系列为交流中间继电器。
（二）时间继电器
时间继电器是一种利用电磁原理或机械动作原理实现触点延时接通或断开的自动控制电器，其种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等。
时间继电器图形符号及文字符号如图1-6所示。
图1-6 时间继电器图形符号及文字符号
1．直流电磁式时间继电器
在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜套，即可构成时间继电器，其结构示意图如图1-7所示。它是利用电磁阻尼原理产生延时的，由电磁感应定律可知，在继电器线圈通断电过程中铜套内将感应电势，并流过感应电流，此电流产生的磁通总是反对原磁通变化。
图1-7 带有阻尼铜套的铁心示意图
1-铁心 2-阻尼铜套 3-绝缘层 4-线圈
电器通电时，由于衔铁处于释放位置，气隙大，磁阻大，磁通小，铜套阻尼作用相对也小，因此衔铁吸合时延时不显著(一般忽略不计)。
而当继电器断电时，磁通变化量大，铜套阻尼作用也大，使衔铁延时释放而起到延时作用。因此，这种继电器仅用作断电延时。
这种时间继电器延时较短，JT3系列最长不超过5s，而且准确度较低，一般只用于要求不高的场合。
2．空气式时间继电器
空气阻尼式时间继电器，是利用空气阻尼原理获得延时的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成，电磁机构为直动式双E型，触点系统是借用LX5型微动开关，延时机构采用气囊式阻尼器。
空气阻尼式时间继电器，既具有由空气室中的气动机构带动的延时触点，也具有由电磁机构直接带动的瞬动触点，可以做成通电延时型，也可做成断电延时型。电磁机构可以是直流的，也可以是交流的。
3．半导体时间继电器
电子式时间继电器在时间继电器中已成为主流产品，电子式时间继电器是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成．目前已有采用单片机控制的时间继电器。电子式时间继电器具有延时范围广、精度高、体积小、耐冲击和耐振动、调节方便及寿命长等优点，所以发展很快，应用广泛。
半导体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磁式继电器，后者是采用晶体管或晶闸管输出。
4．单片机控制时间继电器
近年来随着微电子技术的发展，采用集成电路、功率电路和单片机等电子元件构成的新型时间继电器大量面市。如DHC6多制式单片机控制时间继电器、J5S17、J3320、JSZl3等系列大规模集成电路数字时间继电器，J5145等系列电子式数显时间继电器．J5G1等系列固态时间继电器等。
DHC6多制式单片机控制时间继电器是为适应工业自动化控制水平越来越高的要求而生产的。多种制式时间继电器可使用户根据需要选择最合适的制式，使用简便方法达到以往需要较复杂接线才能达到的控制功能．这样既节省了中间控制环节．又大大提高了电气控制的可靠性。
DHC6多种制式时间继电器采用单片机控制，LCD显示．具有9种工作制式、正计时、倒计时任意设定、8种延时时段、延时范围从0.01s～999.9h任意设定、键盘设定，设定完成之后可以锁定按键．防止误操作。可按要求任意选择控制模式，使控制线路最简单可靠。其外貌如图1-8所示。
图l-8 DHC6多种制式时间继电器
J5S17系列时间继电器由大规模集成电路、稳压电源、拨动开关、四位LED数码显示器、执行继电器及塑料外壳几部分组成。采用32kHz石英晶体振荡器，安装方式有面板式和装置式两种。装置式插座可用M4螺钉固定在安装板上．也可以安装在标准35mm安装卡轨上。
J5S20系列时间继电器是四位数字显示小型时间继电器，它采用晶体振荡作为时基基准．采用大规模集成电路技术，不但可以实现长达9999h的长延时，还可保证其延时精度。配用不同的安装插座及附件可应用在面板安装、35mm标准安装导执及螺钉安装的场合。
5．时间继电器的选用
选用时间继电器时应注意：其线圈(或电源)的电流种类和电压等级应与控制电路相同；按控制要求选择延时方式和触点型式；校核触点数量和容量，若不够时，可用中间继电器进行扩展。
时间继电器新系列产品JS14A系列、JS20系列半导体时间继电器、JS14P系列数字式半导体继电器等量具有体积小、延时精度高、寿命长、工作稳定可靠、安装方便、触点输出容大和产品规格全等优点，广泛用于电力拖动、顺序控制及各种生产过程的自动控制中。
（三）其它非电磁类继电器
非电磁类继电器的感测元件接受非电量信号(如：温度、转速、位移及机械力等)。常用的非电磁类继电器有：热继电器、速度继电器、干簧继电器、永磁感应继电器等。
1．热继电器
热继电器(FR)主要用于电力拖动系统中电动机负载的过载保护。
电动机在实际运行中，常会遇到过载情况，但只要过载不严重、时间短，绕组不超过允许的温升，这种过载是允许的。但如果过载情况严重、时间长，则会加速电动机绝缘的老化，缩短电动机的使用年限，甚至烧毁电动机，因此必须对电动机进行过载保护。
（1）继电器结构与工作原理 热继电器主要由热元件、双金属片和触点组成，如图l-9所示，热元件由发热电阻丝做成。双金属片由两种热膨胀系数不同的金属辗压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。使用时，把热元件串接于电动机的主电路中，而常闭触点串接于电动机的控制电路中。
图1-9 热继电器原理示意图
1-热元件 2-双金属片 3-导板 4-触点复位
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，但还不足以使热继电器的触点动作。当电动机过载时，双金属片弯曲位移增大，推动导板使常闭触点断开，从而切断电动机控制电路以起保护作用。热继电器动作后一般不能自动复位，要等双金属片冷却后按下复位按钮复位。热继电器动作电流的调节可以借助旋转凸轮于不同位置来实现。
（2）热继电器的型号及选用
我国目前生产的热继电器主要有JR0、JR1、JR2、JR9、R10、JRl5、JRl6等系列，JRl、JR2系列热继电器采用间接受热方式，其主要缺点是双金属片靠发热元件间接加热，热偶合较差；双金属片的弯曲程度受环境温度影响较大，不能正确反映负载的过流情况。
JRl5、JRl6等系列热继电器采用复合加热方式并采用了温度补偿元件，因此较能正确反映负载的工作情况。
JRl、JR2、JR0和JRl5系列的热继电器均为两相结构，是双热元件的热继电器，可以
用作三相异步电动机的均衡过载保护和Y联结定子绕组的三相异步电动机的断相保护，但不能用作定子绕组为△联结的三相异步电动机的断相保护。
JRl6和JR20系列热继电器均有带有断相保护的热继电器，具有差动式断相保护机构。热继电器的选择主要根据电动机定子绕组的联结方式来确定热继电器的型号，在三相异步电动机电路中，对Y联结的电动机可选两相或三相结构的热继电器，一般采用两相结构的热继电器，即在两相主电路中串接热元件。对于三相感应电动机，定子绕组为△联结的电动机必须采用带断相保护的热继电器。热继电器的图形及文字符号如图1-10所示。
图1-10 热继电器的图形及文字符号
2．速度继电器
图1-11 速度继电器结构原理图
1-转子 2-电动机轴 3-定子 4-绕组5-定子柄 6-静触点 7-动触点 8-簧片
从结构上看，与交流电机相类似，速度继电器主要由定子、转子和触点三部分组成。定子的结构与笼型异步电动机相似，是一个笼型空心圆环，由硅钢片冲压而成，并装有笼型绕组。转子是一个圆柱形永久磁铁。
速度继电器的轴与电动机的轴相连接。转子固定在轴上，定子与轴同心。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，绕组切割磁场产生感应电动势和电流，此电流和永久磁铁的磁场作用产生转矩，使定子向轴的转动方向偏摆，通过定子柄拨动触点，使常闭触点断开、常开触点闭合。当电动机转速下降到接近零时，转矩减小，定子柄在弹簧力的作用下恢复原位，触点也复原。速度继电器根据电动机的额定转速进行选择。其图形及文字符号如图l-12所示。
图1-12 速度继电器的图形、文字符号
常用的感应式速度继电器有JYl和JFZ0系列。JYl系列能在3000r／min的转速下可靠工作。JFZ0型触点动作速度不受定子柄偏转快慢的影响，触点改用微动开关。JFZ0系列JFZ0-1型适用于300～1000r／min．JFZ0-2型适用于1000～3000r／rain。速度继电器有两对常开、常闭触点，分别对应于被控电动机的正、反转运行。一般情况下，速度继电器的触点，在转速达120r／min时能动作，100r／min左右时能恢复正常位置。
3．干簧继电器
干簧继电器是一种具有密封触点的电磁式断电器。干簧继电器可以反映电压、电流、功率以及电流极性等信号，在检测、自动控制、计算机控制技术等领域中应用广泛。干簧继电器主要由干式舌簧片与励磁线圈组成。干式舌簧片(触点)是密封的，由铁镍合金做成，舌片的接触部分通常镀有贵重金属(如金、铑、钯等)，接触良好，具有优良的导电性能。触点密封在充有氮气等惰性气体的玻璃管中，因而有效地防止了尘埃的污染，减少了触点的腐蚀，提高了工作可靠性。其结构如图1-13所示。
图1-13 干簧继电器结构原理图
1-舌簧片 2-线圈 3-玻璃管 4-骨架
当线圈通电后，管中两占簧片的自由端分别被磁化成N极和S极而相互吸引，因而接通被控电路。线圈断电后，干簧片在本身的弹力作用下分开，将线路切断。
干簧继电器具有：结构简单，体积小。吸合功率小，灵敏度高，一般吸合与释放时间均在0.5～2ms以内。触点密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染，动片质量小，动程小，触点电寿命长，一般可达107次左右。
干簧继电器还可以用永磁体来驱动，反映非电信号，用作限位及行程控制以及非电量检测等。主要部件为干簧继电器的干簧水位信号器，适用于工业与民用建筑中的水箱、水塔及水池等开口容器的水位控制和水位报警。
4．可编程通用逻辑控制继电器
可编程通用逻辑控制继电器是近几年发展应用的一种新型通用逻辑控制继电器亦称通用逻辑控制模块，它将控制程序预先存储在内部存储器中，用户程序采用梯形图或功能图
语言编程，形象直观，简单易懂，由按钮、开关等输入开关量信号。通过执行程序对输入信号进行逻辑运算、模拟量比较、计时、计数等，另外还有显示参数、通信、仿真运行等功能，其内部软件功能和编程软件可替代传统逻辑控制器件及继电器电路，并具有很强的抗干扰抑制能力。另外，其硬件是标准化的，要改变控制功能只需改变程序即可。因此，在继电逻辑控制系统中，可以“以软代硬”替代其中的时间继电器、中间继电器、计数器等，以简化线路设计，并能完成较复杂的逻辑控制，甚至可以完成传统继电逻辑控制方式无法实现的功能。因此，在工业自动化控制系统、小型机械和装置、建筑电器等广泛应用在智能建筑中适用于照明系统、取暖通风系统、门、窗、栅栏和出入口等的控制。
常用产品主要有德国金钟-默勒公司的Easy，西门子公司的LOGO、日本松下公司的可选模式控制器一控制存储式继电器等。
三、刀开关与低压断路器
开关有有载运行操作、无载运行操作、选择性运行操作之分；又有正面操作、侧面操作、背面操作几种；还有不带灭弧装置和带灭弧装置之分。刀口接触有面接触和线接触两种，线接触形式，刀片容易插入，接触电阻小，制造方便。开关常采用弹簧片以保证接触良好。
（一）低压刀开关
常用的HD系列和HS系列刀开关的外形如图1-14所示。刀开关的图形和文字符号如图1-15所示。
图1-14 HD系列、HS系列刀开关外形图
a）HD系列刀开关； b)HS系列刀开关
图1-15刀开关的图形、文字符号
a）单极 b）双极 c）三极
刀开关的主要类型有：大电流刀开关、负荷开关、熔断器式刀开关。常用的产品有：HD11～HDl4和HS11～HS13系列刀开关。
（二）低压断路器
1．结构和工作原理
图1-16 低压断路器工作原理图
1-主触点 2-自由脱扣机构 3-过电流脱扣器 4-分励扣器脱
5-热脱扣器 6-欠电压脱扣器 7-停止按钮
2．低压断路器典型产品
3．低压断路器的选用原则
N应等于或大于被保护线路的额定电压。
四、熔断器
1．常用的熔断器
图1-17 插入式熔断器
1-动触点 2-熔体 3-瓷插件 4-静触点 5-瓷座
图1-18 螺旋式熔断器
1-底座 2-熔体 3-瓷帽
图1-19 无填料密闭管式熔断器
1-铜圈 2-熔断管 3-管帽 4-插座 5-特殊垫圈 6-熔体 7-熔片
图1-20 有填料封闭管式熔断器
1-瓷底座 2-弹簧片 3-管体 4-绝缘手柄 5-熔体
2．熔断器的选择
图1-21熔断器的安秒特性
表1-2 熔断电流与熔断时间之间的关系
|
熔断电流
|
1.25～1.3IN
|
1.6 IN
|
2 IN
|
2.5 IN
|
3 IN
|
4 IN
|
|
熔断时间
|
∞
|
1h
|
40s
|
8s
|
4.5s
|
2.5s
|
IRN ≥ (1.5～2.5)IN
IRN--熔体额定电流；IN--电动机额定电流。如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至3～3.5，具体应根据实际情况而定。
IRN ≥ (1.5～2.5)IN max+ΣIN
IN max-容量最大单台电机的额定电流。ΣIN其余.电动机额定电流之和。
五、主令电器
1．控制按钮
图l-22 按钮开关结构示意图
1-按钮帽 2-复位弹簧 3-动触点 4-常开静触点 5-常闭静触点
图1-23 按钮开关的图形和文字符号
2．行程开关
图1-24 直动式行程开关
1-推杆 2-弹簧 3-动断触点 4-动合触点
图1-25 滚轮式行程开关
1-滚轮 2-上转臂 3、5、11-弹簧 4-套架 6-滑轮 7-压板 8、9-触点 10-横板
图1-26 微动式行程开关
1.推杆 2.弹簧 3.压缩弹簧4.动断触点 5.动合触点
3．接近开关
4．红外线光电开关
5．万能转换开关
图l-27 万能转换开关图
图1-28 万能转换开关的图形符号
a) 图形符号 b) 点闭合表
6.主令控制器
图1-29 凸轮可调式主令控制器
a)外形图 b)结构原理图
1-凸轮块 2-动触点 3-静触点 4-接线端子 5-支杆 6-转动轴 7-凸轮块 8-小轮
第二节 电器控制的基本线路
任何复杂的电器控制线路都是按照一定的控制原则，由基本的控制线路组成的。基本控制线路是学习电器控制的基础。特别是对生产机械整个电气控制线路工作原理的分析与设计有很大的帮助。
一、三相笼型电动机直接起动控制
1．点动控制
图1-30 点动控制线路
2．连续运行控制
图1-31 连续运行控制线路
3．点动和长动结合的控制
图1-32 点动和长动结合的控制线路
二、顺序连锁控制线路
1．多台电动机先后顺序工作的控制
图1-33 两台电动机顺序起动控制线路
2.利用时间继电器顺序起动控制线路
图1-34 是采用时间继电器的顺序起动控制线路
三、互锁控制线路
图1－35 电动机正、反转控制线路
a)无互锁控制电路 b)具有电气互锁的控制电路 c)具有复合互锁的控制电路
四、位置原则的控制线路
图1-36 自动循环控制线路
五、时间原则的控制线路
，从而减小了起动电流。待起动后按预先整定的时间把电动机换成三角形联结，使电动机在额定电压下运行。控制线路如图1-37所示。y通电→KMy主触点闭合，定子绕组联结成星形，M减压起动；时间继电器KT通电延时t(s)→KT延时常闭辅助触点断开KMy断电、KT延时闭合常开触点闭合→KM△主触点闭合，定子绕组联结成△→M加以额定电压正常运行。→KM△常闭辅助触点断开→KT线圈断电。
图1-37 三角形减压起动控制控制线路
六、速度原则的控制线路
图1-38 电动机单向运行的反接制动控制线路
图1-39 电动机可逆运行的反接制动控制线路
第三节 典型电器控制系统
1.3.1摇臂钻床的主要工作情况
1.3.2 Z3040摇臂钻床的电气控制
图1-40 Z3040摇臂钻床的电气控制原理图
4和下降接触器KM3实现控制。
1亮。
2亮。