常用的低压电器.docx

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常用的低压电器

电气控制与PLC实训教程

阮友德主编

人民邮电出版社ISBN7-115-148392006.10

章节目录

第一章常用的低压电器

第二章基本的电气控制系统

第三章可编程控制器概述

第四章FX系列可编程控制器

第五章基本逻辑指令及其应用

第六章步进控制指令及其应用

第七章功能指令及其应用

第八章特殊功能模块及其应用

第九章PLC与变频器综合实训

第1章常用的低压电器

1.1概述

电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力和其它物理量）和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气元件或设备。

电器的控制作用就是手动或自动地接通、断开电路，“通”称为“开”，“断”也称为“关”。

因此，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。

1.1.1低压电器的分类

1．按用途分

低压电器按它在电路中所处的地位和作用可分为低压控制电器和低压配电电器两大类。

1）低压配电电器：

用于电能的输送和分配的电器，例如刀开关、低压断路器、熔断器等。

2）低压控制电器：

·用于各种控制电路和控制系统的控制电器，如接触器、继电器、电动机起动器等。

·用于自动控制系统中发送动作指令的主令电器，例如按钮、转换开关等。

·用于保护电路及用电设备的保护电器，例如熔断器、热继电器等。

·用于完成某种动作或传送功能的执行电器，例如电磁铁、电磁离合器等。

2．按动作方式分

低压电器按它的动作方式可分为自动切换电器和非自动切换电器（手动）。

3．按执行机理分

低压电器按它有无触点可分为有触点电器和无触点电器两大类。

1.1.2低压电器的主要技术数据

1．额定电流

2．额定电压

3．操作频率及通电持续率

4．机械寿命和电气寿命

1.1.3选择低压电器的注意事项

在选择时首先考虑安全原则，其次是经济性，另外，在选择低压电器时还应注意以下几点。

（1）了解电器的正常工作条件

（2）了解电器的主要技术性能

（3）明确控制对象及使用环境

（4）明确相关的技术数据

1.1.4低压电器的型号表示法

国产常用低压电器的全型号组成形式如下：

1.2电磁式低压电器的结构和工作原理

1.2.1电磁机构

1．组成

电磁机构一般由铁芯、衔铁及线圈等几部分组成。

按通过线圈的电流种类分有交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分有E形和U形两种；按衔铁的运动形式分有拍合式和直动式两大类。

如图1-1所示。

图1-1（a）为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，图1-1（b）为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，图1-1（c）为衔铁直线运动的双E形直动式铁芯。

交流电磁机构和直流电磁机构的铁芯（衔铁）有所不同，直流电磁机构的铁芯为整体结构，以增加磁导率和增强散热；交流电磁机构的铁芯采用硅钢片叠制而成，目的是减少在铁芯中产生的涡流，使铁芯发热。

此外交流电磁机构的铁芯有短路环，以防止电流过零时（滞后90°）电磁吸力不足使衔铁振动。

图1-1常用的电磁机构

直流线圈通电，铁心不会发热，只有线圈发热，因此线圈与铁心接触以利散热。

线圈做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。

铁心和衔铁由软钢或工程纯铁制成。

对于交流线圈，除线圈发热外，由于铁心中有涡流和磁滞损耗，铁心也会发热。

为了改善线圈和铁心的散热情况，在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨架的矮胖型。

铁心用硅钢片叠成，以减少涡流。

另外，根据线圈在电路中的联接方式可分为串联线圈（即电流线圈）和并联线圈（即电压线圈）。

2．原理

当线圈中有工作电流通过时，通电线圈产生磁场，于是电磁吸力克服弹簧的反作用力使得衔铁与铁芯闭合，由连接机构带动相应的触头动作。

3．作用

将电磁机构中线圈中的电流转换成电磁力，带动触头动作，完成通断电路的控制作用，将电磁能转换成机械能。

1.2.2触头系统

触头是用来接通或断开电路的，其结构形式有很多种。

1．按其接触形式分

按其接触形式分为点接触、线接触和面接触3种。

如图1-2所示。

图1-2（a）为点接触的桥式触头，图1-2（b）为面接触的桥式触头，图1-2（c）为线接触的指形触头。

点接触允许通过的电流较小，面接触和线接触允许通过的电流较大。

图1-2常见的触头结构

2．按控制的电路分

按控制的电路分为主触头和辅助触头。

主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流。

辅助触头用于接通或断开控制电路，只允许通过较小的电流。

3．按原始状态分

按原始状态分为常开触头和常闭触头。

当线圈不带电时，动、静触头是分开的称为常开触头；当线圈不带电时，动、静触头是闭合的称为常闭触头。

1.2.3　灭弧系统

1．电弧的产生

电弧产生高温并有强光，可将触头烧损，并使电路的切断时间延长，严重时可引起事故或火灾。

2．电弧的分类

电弧分直流电弧和交流电弧，交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。

3．灭弧的方法

（1）机械灭弧：

通过机械将电弧迅速拉长，用于开关电路。

（2）磁吹灭弧：

在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，电弧被冷却熄灭。

（3）窄缝灭弧：

在电弧形成的磁场、电场力的作用下，将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝中，使其分成数段并迅速熄灭，如图1-3所示，该方式主要用于交流接触器中。

（4）栅片灭弧：

当触头分开时，产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅片而被分成数段，彼此绝缘的金属片相当电极，因而就有许多阴阳极压降，对交流电弧来说，在电弧过零时使电弧无法维持而熄灭，如图1-4所示，交流电器常用栅片灭弧。

图1-3窄缝灭弧室的断面图1-4金属栅片灭弧示意图

1.3配电电器

1.3.1　刀开关

刀开关只用于手动控制容量较小、起动不频繁的电动机，可分为瓷底开启式负荷开关和封闭式负荷开关。

[一般不允许带负载操作，只做检修时有明显的断开点使用]

1．刀开关的结构：

由操纵手柄、触刀、触刀插座和绝缘底板等组成。

图1-5为其结构简图。

2．刀开关的主要类型：

带灭弧装置的大容量刀开关，带

熔断器的开启式负荷开关（胶盖

开关）、带灭弧装置和熔断器的

封闭式负荷开关（铁壳开关）等。

其极数分单极﹑双极﹑三极，操作

手柄有中间手柄﹑旁边手柄﹑杠杆手柄。

电流有100﹑200﹑400﹑600﹑1000A

常用型号如单投HD11-HD14、

双投HS11-HS13、胶盖开关HK1、HK2，

铁壳开关HH3、HH4。

3．刀开关的主要技术参数：

额定电压

额定电流

分断能力

4．刀开关的选用：

选用刀开关时，1-静插座2-操纵受柄3-触刀

刀开关的极数要与电源进线相数相等；其4-支座5-绝缘底板

额定电压应大于所控制的线路额定电压；图1-5低压隔离开关结构简图

额定电流应大于负载的额定电流。

5．刀开关的图形、文字符号

图1-6所示。

（a）单极（b）双极（c）三极

图1-6刀开关的图形、文字符号

1.3.2低压断路器

1．作用

低压断路器（又称为自动开关）可用来分配电能、不频繁地起动电动机、对供电线路及电动机等进行保护，当它们发生严重的过载或短路及欠压等故障时能自动切断电路。

[既可以切断正常负荷电流，也可以切断短路电流]。

如低压配电﹑变电所的总开关，大负荷电路和大功率电动机的控制等。

2．种类

·低压断路器按用途分有配电（照明）、限流、灭磁、

漏电保护等几种；

·按动作时间分有一般型和快速型；

·按结构分有框架式（万能式DW系列）和

塑料外壳式（装置式DZ系列）。

图1-7低压断路器的图形、文字符号

·按电源分：

交流，直流自动开关。

3．低压断路器的图形、文字符号如图1-7所示。

4．低压断路器的具有的脱扣装置：

1）过流脱扣器——当电流超过某一规定值时，开关自动跳开。

2）失压（欠压）脱扣器——当电压低于某一值时使开关迅速跳闸。

3）热脱扣器——主要用于过载保护。

（双金属片结构）（长延时）

4）分励脱扣器——供应距离控制使开关跳闸，也可以外接断电保护装置。

5．型号（DZ20L漏电断路器）

如DZ10—250/330

自动开关复式脱扣器（30）.（热脱扣10+电磁脱扣20）

塑料外壳

设计序号额定电流3极

6.选择与校验

1电压：

ЦN.QF≥ЦN（线路额定电压）

2电流：

其额定电流IQF不小于电路正常工作的电流，也不小于过流脱扣器或热脱

扣器的额定电流。

3脱扣器的整定

1.3.3　漏电保护开关

漏电保护开关是一种最常用的漏电保护电器。

它既能控制电路的通与断，又能保证其控制的线路或设备发生漏电或人身触电时迅速自动掉闸，切断电源，从而保证线路或设备的正常运行及人身安全。

1．选型

漏电保护开关有零序电流互感器、漏电脱扣器、开关装置三部分组成。

零序电流互感器用于检测漏电电流；漏电脱扣器将检测到的漏电电流与预定的基准值比较，从而判断漏电开关是否动作；开关装置通过漏电脱扣器的动作来控制被保护电路的闭合和断开。

2．保护原理

正常情况下，无漏电电流，开关处于闭合状态，线路正常供电。

当有人触电或设备发生漏电时，零序电流互感器感应出漏电流，使电子开关导通，从而使电源开关断开，起到保护作用。

3．技术参数

1）额定电压（V）：

220V或380V

2）额定电流（A）：

被保护电路允许通过的最大电流，即开关主触点允许通过的最大电流。

3）额定动作电流（mA）：

漏电保护开关必须跳开的漏电电流。

4）额定不动作电流（mA）：

开关不应动作的漏电电流，一般为额定动作电流的一半。

5）动作时间（s），从发生漏电到漏电开关动作断开的时间，快速型在0.2s以下，延时型一般为0.2~2s。

6）消耗功率（W）：

开关内部元件正常情况下所消耗的功率。

4．选型

1）按线路泄露电流大小选择

经验公式：

对照明电路和居民生活用点的单相线路，则

对三相三线或三相四线动力或动力照明混合线路，则

式中

为漏电动作电流，

为电路最大负荷电流。

2）按分级保护方式选择

第一级保护：

干线保护，主要用来排除用电设备外壳带电、导体落地等单相接地故障，是以消除事故隐患为目标的保护。

第二级保护：

线路末端用电设备或分支线路的保护，是以防止触电为主要目标的保护。

（家庭一般为：

30mA）

1.3.4低压熔断器

熔断器由熔体（熔丝或熔片）和安装熔体的外壳两部分组成，起保护作用的是熔体，其外形结构和图形符号如图1-8所示。

低压熔断器按形状可分为管式、插入式、螺旋式和羊角保险等；按结构可分为半封闭插入式、无填料封闭管式和有填料封闭管式等。

图1-8熔断器外形结构及图形符号

1．特点及用途[作过载和短路保护]

熔断器（即熔体）应串接于被保护电路，当电路发生过载或短路时通过熔体的电流使其发热，达到熔化温度即自行熔断，从而分断故障电路，使导线和设备不被损坏。

常用熔断器的特点及用途如表1-1所示。

表1-1

名　　称

类别

特点、用途

主要技术数据

瓷插式

熔断器

RC1A

价格便宜，更换方便。

广泛用于照明和小容量电动机短路保护

额定电流Ige从5A～200A分7种规格

旋式熔断器

RL

熔丝周围石英砂可熄灭电弧，熔断管上端红点随熔丝熔断而自动脱落。

体积小，多用于机床电气设备中

RL1系列额定电流Ige有4种规格：

15A、60A、100A、200A

无填料封闭管式熔断器

RM

在熔体中人为引入窄截面熔片，提高断流能力。

用于低压电力网络和成套配电装置中的短路保护

RM-10系列额定电流Ige从15A～1000A，分7种规格

有填料封闭管式熔断器

RTO

分断能力强，使用安全，特性稳定，有明显指示器。

广泛用于短路电流较大的电力网或配电装置中

RTO系列额定电流Ige从50A～1000A分6种规格

快速熔断器

RLS

用于小容量硅整流元件的短路保护和某些适当过载保护

I=4ITe，0.2s内熔断；I=6ITe，0.02s熔断

RSO

用于大容量硅整流元件的保护

I=（4～6）ITe，0.02s内熔断

RS3

用于晶闸管元件短路保护和某些适当过载保护

2．主要参数

低压熔断器的主要参数如下：

（1）熔断器的额定电流Ige；指熔断器长期工作时，各部件温升不超过规定值时所能承受的电流。

同一等级额定电流的熔断器可有不用等级额定电流的熔体。

但熔体ITe≤熔断器Ige。

（2）熔体的额定电流ITe：

熔体在正常工作时不熔断的电流。

（3）熔体的熔断电流Ib：

使熔体开始熔断的电流。

Ib>（1.3~2.1）ITe

（4）熔断器的断流能力Id：

指熔断器在规定的额定电压和功率因数下能分断的最大电流值。

指短路电流值，故它反应了分断短路电流的能力。

如果线路电流大于熔断器的断流能力，熔丝熔断时电弧不能熄灭，可能引起爆炸或其他事故。

低压熔断器的几个主要参数之间的关系为：

Id>Ib>Ige≥ITe。

3．选型

熔断器的选型主要是选择熔断器的形式、额定电流、额定电压以及熔体额定电流。

熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如表1-2所示。

表1-2熔体额定电流选择

负载性质

熔体额定电流（ITe）

电炉和照明等电阻性负载

ITe≥IN（电动机额定流）

单台电动机

线绕式电动机

ITe≥（1～1.25）IN

笼型电动机

ITe≥（1.5～2.5）IN

起动时间较长的某些笼型电动机

ITe≥3IN

连续工作制直流电动机

ITe=IN

反复短时工作制直流电动机

ITe=1.25IN

多台电动机

ITe≥（1.5～2.5）INmax+Ide

INmax最大一台电动机额定电流

Ide其他电动机额定电流之和

4．注意事项

在安装、更换熔体时，一定要切断电源，将刀开关拉开，不要带电作业，以免触电。

熔体烧坏后，应换上和原来同材料、同规格的熔体，千万不要随便加粗熔体，或用不易熔断的其他金属丝去替换。

1.4控制电器

1.4.1　接触器

是用来接通或切断电动机或其它负载主电路的自动控制电器。

它操作方便，动作迅速，灭弧性能好，能频繁操作，实现远距离操作。

与继电器等配合可实现自动控制及过电流，过电压等保护。

1．结构：

分交流和直流两种，都由电磁铁，触头和灭弧装置三部分组成。

图1-93TF系列交流接触器实物图

图1-10交流接触器结构示意图

2．交流接触器工作原理：

交流接触器和直流接触器的工作原理是相同的。

图1-10中，当励磁线圈9接通电流后，电磁场使铁芯10磁化，产生的电磁吸力克服弹簧吸合衔铁7。

由于动触头5预先铁固定在一起，随同衔铁一起运动，与静触头接通或断开，实现电路接通或断开。

接触器上的触点又分为常开触点和常闭触点。

当接触器吸合时，常开触点接通，常闭触点断开；当接触器失电或欠压时，铁芯回复原位，常开触点断开，常闭触点接通。

触头动作时，常闭先断开，常开后闭合。

主触头和辅助触头是同时动作的。

3．直流接触器

　　直流接触器主要用于电压440V、电流600A以下的直流电路。

其结构与工作原理基本上与交流接触器相同，即由线圈、铁心、衔铁、触头、灭弧装置等部分组成。

所不同的是除触头电流和线圈电压为直流外，其触头大都采用滚动接触的指形触头，辅助触头则采用点接触的桥形触头。

铁心由整块钢或铸铁制成，线圈制成长而薄的圆筒形。

为保证衔铁可靠地释放，常在铁心与衔铁之间垫有非磁性垫片。

　由于直流电弧不像交流电弧有自然过零点，所以更难熄灭，因此，直流接触器常采用磁吹式灭弧装置。

4．接触器的主要技术数据

1）额定电压——指主触点的额定电压

AC：

220、110、380V、660V

DC：

220、440、660V

2）额定电流——指主触点的额定电流

AC：

5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

DC：

40、60、100、150、250、400、600A

3）励磁线圈（吸引线圈）的额定电压

AC：

36、127、220、380V

DC：

24、48、110、220、440V

4）接通和分断能力

指主触点在规定条件下能可靠地按通和分断的电流值。

即接通时主触点不应发生熔焊；分

断时，主触点不应发生长时间燃弧。

5）电气寿命和机械寿命　电气寿命是指在不同使用条件下无需修理或更换零件的负载操作次数;机械寿命是指在需要正常维修或更换机械零件前,包括更换触头所能承受的无载操作循环次数。

6）额定操作频率是指接触器每小时的操作次数.

7）常用交流接触器

目前，常用的国产交流接触器有CJ系列如CJ10、CJ20。

引进生产的产品有德国BBC公司的B系列、法国梅兰日兰系列、西门子公司的3TB、3TD系列等。

CJ20交流接触器是全国统一设计的新型产品，在机床行业得到广泛应用。

B系列接触器具有尺寸小、紧凑、通用件和附件多的特点，可临时装配辅助触点、延时器、热继电器等，其按装方式有螺钉固定式和卡轨式两种。

常用的直流接触器有CZ0系列和CZ18系列。

8）直流接触器型号

C8□-□/□□常闭主触点数量

设计序号额定电流常开主触点数量

5．接触器的图形和文字符号如图1-11。

6．接触器的选用

1）根据接触器所控制负载的用途来选择

一般中小型电机选择AC3类，负载较复杂，重载选AC4类，否则易发生触点熔焊现象。

2）根据负载如电动机等的功率和操作情况确定接触器主触点的电流等级。

IN﹒C≥IC=PC/KVC

IN﹒C—主触点的额定电流

IC—主触点的工作时通过的电流

PC—被控制的负载的功率

VC—被控制的负载电压

K—经验系数一般取1.0～1.4

若用AC3类接触器控制AC3.AC4混合类负载时，（a）线圈（b）常开触头（c）常闭触头

使用次数将减小。

图1-11接触器的图形、文字符号

3）主触点额定电压≥被控负载的工作电压

4）接触器吸引线圈的额定电压应由所接控制电路电压确定。

5）接触器触头头数和种类应满足主电路和控制电路的要求。

1.4.2　主令电器

主令电器是用来发布命令、改变控制系统工作状态的电器，它可以直接作用于控制电路，也可以通过电磁式电器的转换对主电路实现控制，其主要类型有按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器、脚踏开关等。

1．控制按钮SB

其额定电压～380V，DC220V，电流5A。

（1）作用：

作短时接通或断开小电流控制电路的开关，

红色一停止，绿式一启动。

（2）种类：

单式（一个按钮），复式（两个

按钮），三联式等，还有紧急式按钮，防爆式，（a）常开按钮（b）常闭按钮（c）复合按钮

带指示灯式，旋钮式，蘑菇刑钮帽等。

图1-12按钮的图形、文字符号

（3）按钮的图形、文字符号如图1-12所示

旋耐德：

XB2B金属按钮，XB2E经济型。

按钮实物图

图1-13按钮实物图与结构图

（4）常用的按钮有LA系列按钮，其中LA25系列是全国统一设计的新产品。

引进生产的有德国BBC公司的LAZ系列按钮。

（5）控制按钮选用原则

1）根据使用场合，选择控制按钮种类。

2）根据用途，选择按钮的结构形式。

3）根据控制回路的需要，确定按钮数。

4）根据工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮及指示灯颜色。

2．行程开关

行程开关又称限位开关，用来检测机械位移，并转换成电信号，控制机械运动的主令

电器。

行程开关按结构可分为直动式、滚动式和微动式；按触点性质可分为接触式和无接触式。

如图1-14所示。

（a）直动式（b）滚轮式（c）微动式

1-顶杆2-弹簧1-滚轮2-上转臂3-3,5,11-弹簧1-推杆2-弯形片状弹簧

3-常闭触头6-套架6,9-压板7-触头3-常开触头4-常闭触头

4-触头弹簧8-触头推杆10-小滑轮5-恢复弹簧

5-常开触头

图1-14行程开关的结构图

（1）行程开关由操作机构、触点系统和外壳组成，如图1-15（a）所示是德国西门子3SE3。

行程开关的工作原理与按钮类似，只是它利用运动机构上的撞块碰撞推杆从而实现触点切换的。

（a）SE32塑壳行程开关实物图

图1-15

（2）行程开关的图形和文字符号。

（3）常用的行程开关有：

LX20系列行程开关，

LJ5系列无接触电子式接近开关等。

（4）行程开关选用原则

1）根据应用场合及控制对象选择。

2）根据安装使用环境选择防护形式。

3）根据控制回路的电压和电流选择行程开关系列。

（a）常开触头（b）常闭触头

4）根据运动机械与行程开关的传力和图1-16行程开关的图形、文字符号

位移关系选择行程开关的头部形式。

3．凸轮控制器

　凸轮控制器用于起重设备和其他电力拖动装置，以控制电动机的起动、正反转、调速和制动。

结构主要由手柄、定位机构、转轴、凸轮和触头组成，如图1-17所示。

转动手柄时，转轴带动凸轮一起转动，转到某一位置时，凸轮顶动滚子，克服弹簧压力使动触头顺时针方向转动，脱离静触头而分断电路。

在转轴上叠装不同形状的凸轮，可以使若干个触头组按规定的顺序接通或分断。

其结构图如图1-18所示。

文字符号和图形如图1-18所示。

1-静触头2-动触头3-触头弹簧

4-弹簧5-滚子6-方轴7-凸轮（a）画“•”标记表示（b）接通表表示

图1-17凸轮控制器结构图*图1-18文字符号和图形

4．万能转换开关

万能转换开关是具有更多操作位置和触头、且能够换接多个电路的一种手动控制电路。

由于它能控制多个回路，适应复杂线路的要求，故有“万能”转换开关之称。

（1）目前，常用的万能转换开关有LW5、LW6等系列。

LW6系列万能转换开关由操作机构、面板、手柄及触头等主要部件组成，其操作位置由2~12个，触头底座由1~10层，其中每层底座都可以安装三对触头，并由底座中间的凸轮进行控制。

由于每层凸轮的形状可以做得不一样，因此当手柄转动到不同位置时，通过凸轮的作用，可使各对触头按照自己的运动规律接通和分断电路。

（2）LW6系列万能转换开关某一层的结构原理示意图和图形文字符号如图1-19所示。

图1-19万能转换开关结构原理示意图和图形文字符号如图所示。

（3）万能转换开关选用原则

1）按额定电压和工作电流选用相应的万能转换开关系列。

2）按操作需要选定手柄形式和定位特征。

3）按控制要求参照开关产品样本，确定出点数量和接线图编号。

4）选择面板形式及标记。

1.5继　电　器

继电器是一种自动控制电器。

当输入信号（电量或非电量）达到规定值时，继电器的触点便自动地接通或断开所控制的电路，起到控制或保护电路的作用。

继电器种类繁多，按输入信号不同分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器和压力继电器等；按工作原理不同分为电磁式继电器、感应式继电器、热继电器、电动式继电器和电子式继电器等；按用途分为控制继电器和保护继电器。

继电器与接触器的区别：

继电器用于控制电讯线路、仪表线路、自控装置等小电流电路及控制电路；而接触器用于控制电动机等大功率、大电流电路及主电路