史上最全面的低压电器基础知识书籍「低压电器的工作原理」

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一、断路器

低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁的通断控制。在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。

断路器的种类繁多，按其用途和结构特点可分为DW型框架式断路器、DZ型塑料外壳式断路器、DS型直流快速断路器和DWX型、DWZ型限流式断路器等。框架式断路器主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器除可用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制开关。

下面以塑壳断路器为例简单介绍断路器的结构、工作原理、使用与选用方法。

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断路器的结构和工作

断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，包括过电流脱扣器、失压（欠电压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。

图1-8是断路器工作原理示意图及图形符号。断路器开关是靠操作机构手动或电动合闸的，触头闭合后，自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上。当电路发生上述故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，自动跳闸以实现保护作用。分励脱扣器则作为远距离控制分断电路之用。

过电流脱扣器用于线路的短路和过电流保护，当线路的电流大于整定的电流值时，过电流脱扣器所产生的电磁力使挂钩脱扣，动触点在弹簧的拉力下迅速断开，实现短路器的跳闸功能。

图1-8 断路器工作原理示意图及图形符号

热脱扣器用于线路的过负荷保护，工作原理和热继电器相同。

失压（欠电压）脱扣器用于失压保护，如图1-8所示，失压脱扣器的线圈直接接在电源上，处于吸合状态，断路器可以正常合闸；当停电或电压很低时，失压脱扣器的吸力小于弹簧的反力，弹簧使动铁心向上使挂钩脱扣，实现短路器的跳闸功能。

分励脱扣器用于远方跳闸，当在远方按下按钮时，分励脱扣器得电产生电磁力，使其脱扣跳闸。

不同断路器的保护是不同的，使用时应根据需要选用。在图形符号中也可以标注其保护方式，如图1-8所示，断路器图形符号中标注了失压、过负荷、过电流3种保护方式。

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低压断路器选择原理

低压断路器的选择应从以下几方面考虑：

（1）断路器类型的选择：应根据使用场合和保护要求来选择。如一般选用塑壳式；短路电流很大时选用限流型；额定电流比较大或有选择性保护要求时选用框架式；控制和保护含有半导体器件的直流电路时应选用直流快速断路器等。

（2）断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。

（3）断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。

（4）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。

（5）过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。

二、控制器

控制器是一种手动操作，直接控制主电路大电流（10A～600A）的开关电器。常用的控制器有KT型凸轮控制器、KG型鼓型控制器和KP型平面控制器，各种控制器的作用和工作原理基本类似，下面以常用的凸轮控制器为例进行说明。

凸轮控制器是一种大型的手动控制器，主要用于起重设备中直接控制中小型绕线式异步电动机的起动、停止、调速、换向和制动，也适用于有相同要求的其他电力拖动场合。

凸轮控制器主要由触头、转轴、凸轮、杠杆、手柄、灭弧罩及定位机构等组成。图1-9为凸轮控制器的结构原理示意图及图形符号。凸轮控制器中有多组触点，并由多个凸轮分别控制，以实现对一个较复杂电路中的多个触点进行同时控制。由于凸轮控制器中的触点多，每个触点在每个位置的接通情况各不相同，所以不能用普通的常开常闭触点来表示。图1-9（a）所示为1极12位凸轮控制器示意图，图1-9（b）所示图形符号表示这一个触点有12个位置，图中的小黑点表示该位置触点接通。由示意图可见，当手柄转到2、3、4和10号位时，由凸轮将触点接通。图1-9（c）所示为5极12位凸轮控制器，它是由5个1极12位凸轮控制器组合而成。图1-9（d）所示为4极5位凸轮控制器的图形符号，表示有4个触点，每个触点有5个位置，图中的小黑点表示触点在该位接通。例如，当手柄打到右侧1号位时，2、4触点接通。

由于凸轮控制器可直接控制电动机工作，所以其触头容量大并有灭弧装置。凸轮控制器的优点为控制线路简单、开关元件少、维修方便等，缺点为体积较大、操作笨重、不能实现远距离控制。目前使用的凸轮控制器有KT10、KTJl4、KTJl5及KTJl6等系列。

图1-9 凸轮控制器的结构原理示意图及图形符号

三、接触器

接触器主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，能频繁地接通或断开交直流主电路，实现远距离自动控制。它具有低电压释放保护功能，在电力拖动自动控制线路中被广泛应用。

接触器有交流接触器和直流接触器两大类型。下面介绍交流接触器。

图1-10所示为交流接触器的结构示意图及图形符号。

图1-10 交流接触器的结构示意图及图形符号

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交流接触器的组成部分

（1）电磁机构：电磁机构由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成。

（2）触头系统：交流接触器的触头系统包括主触头和辅助触头。主触头用于通断主电路，有3对或4对常开触头；辅助触头用于控制电路，起电气联锁或控制作用，通常有两对常开两对常闭触头。

（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，常采用双断口桥形触头以利于灭弧；对于大容量的接触器，常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。

（4）其他部件：包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构及外壳等。

接触器上标有端子标号，线圈为A1、A2，主触头1、3、5接电源侧，2、4、6接负荷侧。辅助触头用两位数表示，前一位为辅助触头顺序号，后一位的3、4表示常开触头，1、2表示常闭触头。

接触器的控制原理很简单，当线圈接通额定电压时，产生电磁力，克服弹簧反力，吸引动铁心向下运动，动铁心带动绝缘连杆和动触头向下运动使常开触头闭合，常闭触头断开。当线圈失电或电压低于释放电压时，电磁力小于弹簧反力，常开触头断开，常闭触头闭合。

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接触器的主要技术参数和类型

（1）额定电压：接触器的额定电压是指主触头的额定电压。交流有220V、380V和660V，在特殊场合应用的额定电压高达1140V，直流主要有110V、220V和440V。

（2）额定电流：接触器的额定电流是指主触头的额定工作电流。它是在一定的条件（额定电压、使用类别和操作频率等）下规定的，目前常用的电流等级为10A～800A。

（3）吸引线圈的额定电压：交流有36V、127V、220V和380V，直流有24V、48V、220V和440V。

（4）机械寿命和电气寿命：接触器是频繁操作电器，应有较高的机械和电气寿命，该指标是产品质量的重要指标之一。

（5）额定操作频率：接触器的额定操作频率是指每小时允许的操作次数，一般为300次/h、600次/h和1200次/h。

（6）动作值：动作值是指接触器的吸合电压和释放电压。规定接触器的吸合电压大于线圈额定电压的85%时应可靠吸合，释放电压不高于线圈额定电压的70%。

常用的交流接触器有CJl0、CJl2、CJ10X、CJ20、CJXl、CJX2、3TB和3TD等系列。

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接触器的选择

（1）根据负载性质选择接触器的类型。

（2）额定电压应大于或等于主电路工作电压。

（3）额定电流应大于或等于被控电路的额定电流。对于电动机负载，还应根据其运行方式适当增大或减小。

（4）吸引线圈的额定电压与频率要与所在控制电路的选用电压和频率相一致。

四、起动器

起动器用于三相异步电动机的起动和停止控制，它是一种成套的低压控制装置。

常用的起动器有QC型电磁起动器，用于远距离直接控制三相笼型异步电动机的起动、停止及正反转控制，主要由接触器和热继电器组成；QJ型减压起动器采用自耦变压器降压，用于控制三相笼型异步电动机的不频繁减压起动控制；QX型起动器为星形-三角形降压起动器。各种起动器控制电路根据型号和电动机的容量大小而不同，其控制原理在第2章中讲解。

五、 主令电器

主令电器用于在控制电路中以开关接点的通断形式来发布控制命令，使控制电路执行对应的控制任务。主令电器应用广泛，种类繁多，常见的有按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器、选择开关、足踏开关等。

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按钮

按钮是一种最常用的的主令电器，其结构简单，控制方便。

1．按钮的结构、种类及常用型号

按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，其结构示意图及图形符号如图1-20所示。触点采用桥式触点，额定电流在5A以下。触点又分常开触点（动断触点）和常闭触点（动合触点）两种。

按钮从外形和操作方式上可以分为平钮和急停按钮，急停按钮也叫蘑菇头按钮，如图1-20（c）所示，除此之外还有钥匙钮、旋钮、拉式钮、万向操纵杆式、带灯式等多种类型。

图1-20 按钮结构示意图及图形符号

从按钮的触点动作方式可以分为直动式和微动式两种，图1-20中所示的按钮均为直动式，其触点动作速度和手按下的速度有关。而微动式按钮的触点动作变换速度快，和手按下的速度无关，其动作原理如图1-21所示。动触点由变形簧片组成，当弯形簧片受压向下运动低于平形簧片时，弯形簧片迅速变形，将平形簧片触点弹向上方，实现触点瞬间动作。

小型微动式按钮也叫微动开关，微动开关还可以用于各种继电器和限位开关中，如时间继电器、压力继电器和限位开关等。

图1-21 微动式按钮动作原理图

按钮一般为复位式，也有自锁式按钮，最常用的按钮为复位式平按钮，如图1-20（a）所示，其按钮与外壳平齐，可防止异物误碰。

2．按钮的颜色

红色按钮用于“停止”、“断电”或“事故”。

绿色按钮优先用于“起动”或“通电”，但也允许选用黑、白或灰色按钮。

一钮双用的“起动”与“停止”或“通电”与“断电”，即交替按压后改变功能的，不能用红色按钮，也不能用绿色按钮，而应用黑、白或灰色按钮。

按压时运动，抬起时停止运动（如点动、微动），应用黑、白、灰或绿色按钮，最好是黑色按钮，而不能用红色按钮。

用于单一复位功能的，用蓝、黑、白或灰色按钮。

同时有“复位”、“停止”与“断电”功能的用红色按钮。灯光按钮不得用作“事故”按钮。

3．按钮的选择原则

（1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、防水式、防腐式等。

（2）根据用途，选用合适的型式，如钥匙式、紧急式、带灯式等。

（3）按控制回路的需要，确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮、多钮等。

（4）按工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮及指示灯的颜色。

其中表1-1给出了按钮颜色的含义。

表1-1按钮颜色的含义

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行程开关

行程开关又叫限位开关，它的种类很多，按运动形式可分为直动式、微动式、转动式等；按触点的性质分可为有触点式和无触点式。

1．有触点行程开关

有触点行程开关简称行程开关，行程开关的工作原理和按钮相同，区别在于它不是靠手的按压，而是利用生产机械运动的部件碰压而使触点动作来发出控制指令的主令电器。它用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置等，其结构形式多种多样。

图1-22所示为几种操作类型的行程开关动作原理示意图及图形符号。

行程开关的主要参数有型式、动作行程、工作电压及触头的电流容量。目前国内生产的行程开关有LXK3、3SE3、LXl9、LXW和LX等系列。

常用的行程开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32和LX33等系列。

2．无触点行程开关

无触点行程开关又称接近开关，它可以代替有触头行程开关来完成行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、液位控制、零件尺寸检测、加工程序的自动衔接等的非接触式开关。由于它具有非接触式触发、动作速度快、可在不同的检测距离内动作、发出的信号稳定无脉动、工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境等特点，所以在机床、纺织、印刷、塑料等工业生产中应用广泛。

无触点行程开关分为有源型和无源型两种，多数无触点行程开关为有源型，主要包括检测元件、放大电路、输出驱动电路3部分，一般采用5V～24V的直流电流，或220V交流电源等。如图1-23所示为三线式有源型接近开关结构框图。

接近开关按检测元件工作原理可分为高频振荡型、超声波型、电容型、电磁感应型、永磁型、霍尔元件型与磁敏元件型等。不同型式的接近开关所检测的被检测体不同。

电容式接近开关可以检测各种固体、液体或粉状物体，其主要由电容式振荡器及电子电路组成，它的电容位于传感界面，当物体接近时，将因改变了电容值而振荡，从而产生输出信号。

霍尔接近开关用于检测磁场，一般用磁钢作为被检测体。其内部的磁敏感器件仅对垂直于传感器端面的磁场敏感，当磁极S极正对接近开关时，接近开关的输出产生正跳变，输出为高电平，若磁极N极正对接近开关时，输出为低电平。

超声波接近开关适于检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、光等因素干扰，检测物体可以是固体、液体或粉末状态的物体，只要能反射超声波即可。其主要由压电陶瓷传感器、发射超声波和接收反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成。

高频振荡式接近开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器、集成电路或晶体管放大器和输出器3部分组成，其基本工作原理是当有金属物体接近振荡器的线圈时，该金属物体内部产生的涡流将吸取振荡器的能量，致使振荡器停振。振荡器的振荡和停振这两个信号，经整形放大后转换成开关信号输出。

接近开关输出形式有两线、三线和四线式几种，晶体管输出类型有NPN和PNP两种，外形有方型、圆型、槽型和分离型等多种，图1-24为槽型三线式NPN型光电式接近开关的工作原理图和远距分离型光电开关工作示意图。

接近开关的主要参数有型式、动作距离范围、动作频率、响应时间、重复精度、输出型式、工作电压及输出触点的容量等。接近开关的图形符号可用图1-25表示。

接近开关的产品种类十分丰富，常用的国产接近开关有LJ、3SG和LXJ18等多种系列，国外进口及引进产品亦在国内有大量的应用。

3．有触点行程开关的选择

有触点行程开关的选择应注意以下几点：

（1）应用场合及控制对象选择。

（2）安装环境选择防护形式，如开启式或保护式。

（3）控制回路的电压和电流。

（4）机械与行程开关的传力与位移关系选择合适的头部形式。

4．接近开关的选择

（1）工作频率、可靠性及精度。

（2）检测距离、安装尺寸。

（3）触点形式（有触点、无触点）、触点数量及输出形式（NPN型、PNP型）。

（4）电源类型（直流、交流）、电压等级。

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转换开关

转换开关是一种多档位、多触点、能够控制多回路的主令电器，主要用于各种控制设备中线路的换接、遥控和电流表、电压表的换相测量等，也可用于控制小容量电动机的起动、换向、调速。

转换开关的工作原理和凸轮控制器一样，只是使用地点不同，凸轮控制器主要用于主电路，直接对电动机等电气设备进行控制，而转换开关主要用于控制电路，通过继电器和接触器间接控制电动机。常用的转换开关类型主要有两大类，即万能转换开关和组合开关。二者的结构和工作原理基本相似，在某些应用场合下二者可相互替代。转换开关按结构类型分为普通型、开启组合型和防护组合型等；按用途又分为主令控制用和控制电动机用两种。转换开关的图形符号和凸轮控制器一样，如图1-26所示。

转换开关的触点通断状态也可以用图表来表示，如图1-26中的4极5位转换开关如 表1-2所示。

转换开关的主要参数有型式、手柄类型、触点通断状态表、工作电压、触头数量及其电流容量，在产品说明书中都有详细说明。

常用的转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8、LW9、LWl2、LWl6、VK、3LB和HZ等系列，其中LW2系列用于高压断路器操作回路的控制，LW5、LW6系列多用于电力拖动系统中对线路或电动机实行控制，LW6系列还可装成双列型式，列与列之间用齿轮啮合，并由同一手柄操作，此种开关最多可装60对触点。

转换开关的选择可以根据以下几个方面进行：

（1）额定电压和工作电流。

（2）手柄型式和定位特征。

（3）触点数量和接线图编号。

（4）面板型式及标志。

六、电阻器

电阻是电气产品中不可缺少的电气元件，可分为两大类，一类为电阻元件，用于弱电电子产品，一类为工业用电阻器件（简称电阻器），用于低压强电交直流电气线路的电流调节以及电动机的起动、制动和调速等。

常用的电阻器有ZB型板形和ZG型管形电阻器，用于低压电路中的电流调节。ZX型电阻器主要用于交直流电动机的起动、制动和调速等。

电阻器的主要技术参数有额定电压、发热功率、电阻值、允许电流、发热时间常数、电阻误差及外形尺寸等。电阻器的图形符号如图1-27所示。

图1-27 电阻器和变阻器图形符号

七、变阻器

变阻器的作用和电阻器的作用类似，不同点在于变阻器的电阻是连续可调的，而电阻器的每段电阻固定，在控制电路中可采用串并联或选择不同段电阻的方法来调节电阻值，电阻值是断续可调的。

常用的变阻器有BC型滑线变阻器，用于电路的电流和电压调节、电子设备及仪表等电路的控制或调节等。BL型励磁变阻器用于直流电机的励磁或调速；BQ型起动变阻器用于直流电动机的起动；BT型变阻器用于直流电动机的励磁或调速；BP型频敏变阻器用于三相交流绕线式异步电动机的起动控制。变阻器的主要技术参数和电阻器类似。变阻器的图形符号如图1-27所示。

八、电压调整器

电压调整器的种类较少，TD4型炭阻式电压调整器用于在中小容量的交流或直流发电机中自动调节电压。

九、电磁铁

常用的电磁铁有MQ型牵引电磁铁、MW型起重电磁铁、MZ型制动电磁铁等。

MQ型牵引电磁铁用于在低压交流电路中作为机械设备及各种自动化系统操作机构的远距离控制。

MW型起重电磁铁用于安装在起重机械上吸引钢铁等磁性物质。

MZD型单相制动电磁铁和MZS型三相制动电磁铁一般用于组成电磁制动器，由制动电磁铁组成的TJ2型交流电磁制动器的示意图如图1-28所示，通常电磁制动器和电动机轴安装在一起，其电磁制动线圈和电动机线圈并联，二者同时得电或电磁制动线圈先得电之后电动机紧随其后得电。电磁制动器线圈得电吸引衔铁使弹簧受压，闸瓦和固定在电动机轴上的闸轮松开，电动机旋转，当电动机和电磁制动器同时失电时，在压缩弹簧的作用下闸瓦将闸轮抱紧，使电动机制动。

电磁铁的图形符号和电磁制动器一样，文字符号为YA。

电磁制动器的图形符号如图1-28所示。

安徽得润电气技术有限公司在生产高低压开关柜、无功补偿的时候都会用到以上所描述的部份元器件。