作者：董海棠
出版社：人民邮电出版社有限公司
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电气控制及PLC应用技术(第2版)试读：
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释放，当ratrF>F时，衔铁又被吸合，如此周而复始，从而使衔铁产生振动，发atr出噪声。为此，必须采取有效措施，消除振动和噪声。图1-3 交流电磁机构实际吸力曲线具体办法是在铁心端部开一个槽，槽内嵌入称为短路环（或称分磁环）的铜环，如图1-4所示。当励磁线圈通入交流电后，在短路环中就有感应电流产生，该感应电流又会产生一个磁通。短路环把铁心中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的Φ和穿过短路环的Φ。由12于短路环与Φ产生相移，即不同时为零，使合成吸力始终大于反作2用力，从而消除的作用，使Φ了振动和噪声。1
短路环通常包围2/3的铁心截面，它一般用铜、康铜或镍铬合金等材料制成。图1-4 交流电磁铁的短路环1—衔铁；2—铁心；3—线圈；4—短路环
5.电磁式电器的工作原理
电磁式电器的工作原理如图1-5所示。图中虚线部分所示为一个交流电磁机构，合上开关 SA后，线圈通电，其衔铁吸合，从而带动其常开触点动作，使得指示灯 PG通电点亮；打开开关 SA后，线圈断电，在反力作用下，衔铁释放，其常开触点打开，指示灯PG断电熄灭。所有的电磁式电器基本上都是按这样的工作原理进行工作的。图1-5 电磁式电器工作原理的实质三、电器的触点系统
触点是电器的执行部分，起通断电路的作用。因此，触点需要导电、导热性能良好。触点通常用铜制成，但铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜，将增大触点的接触电阻，使触点的损耗增大，温度上升。所以有些电器，如继电器和小容量的电器，其触点常采用银质材料，这不仅在于其导电和导热性能均优于铜质触点，更主要的是其氧化膜的电阻率与纯银相似（氧化铜则不然，其电阻率可达纯铜的10倍以上），而且要在较高的温度下才会形成，同时又容易粉化。因此，银质触点具有较低和稳定的接触电阻。对于大、中容量的低压电器，在结构设计上，触点采用滚动接触，可将氧化膜去掉，这种结构的触点，常采用铜质材料。
触点主要有以下几种结构形式。
1.桥式触点
图1-6（a）所示为两个点接触的桥式触点，图1-6（b）所示为两个面接触的桥式触点，两个触点串于同一条电路中，电路的接通与断开由两个触点共同完成。点接触的桥式触点适用于电流不大，且触点压力小的场合；面接触的桥式触点适用于大电流的场合。
2.指形触点
图1-6（c）所示为指形触点，其接触区为一直线，触点接通或分断时产生滚动摩擦，以利于去掉氧化膜。此种形式的触点适用于接触次数多、电流大的场合。
为了使触点接触的更加紧密，以减小接触电阻，并消除开始接触时产生的振动，在触点上装有接触弹簧，在刚刚接触时产生初压力，并且随着触点闭合增大触点互压力。图1-6 触点的结构形式四、电弧的产生及灭弧方法
在大气中开断电路时，如果被开断电路的电流超过某一数值（根据触点材料的不同，其值为0.25～1A），开断后加在触点间隙（或称弧隙）两端电压超过某一数值（根据触点材料的不同，其值为12～20V）时，则触点间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触点间气体在强电场作用下产生的放电现象——产生高温并发出强光，将触点烧损，并使电路的切断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故。因此，在电器中应采取适当措施熄灭电弧。
常用的灭弧方法有以下几种。
1.电动力灭孤
图1-7所示为一种桥式结构双断口触点，当触点打开时，在断口中产生电弧。电弧电流在两电弧之间产生图中以⊕表示的磁场，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的电动力 F的作用，使电弧向外运动并拉长，让它迅速穿越冷却介质而加快冷却并熄灭。这种灭弧方法一般用于交流接触器等交流电器中。图1-7 电动力灭弧示意图1—静触点；2—动触点
2.磁吹灭弧
其原理如图1-8所示。在触点电路中串入一个磁吹线圈，它产生的磁通经过导磁夹板5引向触点周围，如图1-8所示的“×”符号；当触点断开产生电弧后，电弧电流产生的磁通如图1-8所示的⊕和⊙符号。可见在弧柱下方两个磁通是相加的，而在弧柱上方却是彼此相减的，因此，电弧在下强上弱的磁场作用下，被拉长并吹入灭弧罩6中，引弧角与静触点相连接，其作用是引导电弧向上运动，将热量传递给罩壁，使电弧冷却熄灭。
这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧能力也越强。它广泛应用于直流接触器中。图1-8 磁吹灭弧示意图1—磁吹线圈；2—绝缘套；3—铁心；4—引弧角；5—导磁夹板；6—灭弧罩；7—动触点；8—静触点
3.窄缝灭弧
这种灭弧方法是利用灭弧罩的窄缝来实现的。灭弧罩内只有一个纵缝，缝的下部宽些上部窄些，如图1-9所示。当触点断开时，电弧在电动力的作用下进入缝内，窄缝可将电弧弧柱直径压缩，使电弧同缝壁紧密接触，加强冷却和去游离作用，使电弧熄灭加快。灭弧罩通常用耐高温的陶土、石棉水泥等材料制成。目前有采用数个窄缝的多纵缝灭弧室，它将电弧引入纵缝，分劈成若干段直径较小的电弧，以增强去游离作用。窄缝灭弧常用于交流和直流接触器上。图1-9 窄缝灭弧装置
4.栅片灭弧
图1-10所示为栅片灭弧示意图。灭弧栅由多片镀铜薄钢片（称为栅片）组成，它们安放在电器触点上方的灭弧栅内，彼此之间互相绝缘。当触点分断电路时，在触点之间产生电弧，电弧电流产生磁场，由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此，电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集，这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧罩中，当电弧进入灭弧栅后，被分割成数段串联的短弧。这样每两片灭弧栅片可以看作一对电极，而每对电极间都有150～250V的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强。而每个栅片间的电压不足以达到电弧燃烧电压，同时栅片吸收电弧热量，使电弧迅速冷却，所以电弧进入灭弧栅后就很快地熄灭了。图1-10 栅片灭弧示意图1—灭弧栅片；2—触点；3—电弧第二节 开关电器一、刀开关
刀开关俗称“闸刀”，其结构简单，是应用最广泛的一种手控电器。它用来接通和断开长期工作设备的电源，或者用来控制不频繁启动和停止、容量小于7.5kW的电机。
刀开关主要由操作手柄、触刀、触点座和底座组成。通过对手柄的操作来控制触点的闭合和断开。其形式有单极、双极和三极。
刀开关安装时，手柄要朝上，不得倒装或平装。安装正确时，作用在电弧上的电动力和热空气的上升方向一致，就能使电弧迅速拉长而熄灭，反之，两者电弧方向相反将不易熄灭。如果倒装，手柄可能会在重力作用下自动下落而引起误动作合闸，将可能造成人身和设备安全事故。接线时，应将电源线接在上端，负载接在下端，这样拉闸后，刀片和电源隔离，可防止意外事故发生。
国内的刀开关主要有HD系列板用刀开关和HS系列刀形转换开关，其中板用刀开关可以用来接通或者断开负载电路；而刀形转换开关只是用来隔离电流的隔离开关。刀开关的文字符号为Q或QS，图1-11所示为HD型单投刀开关的结构示意图和图形符号，图1-12所示为HS型双投刀开关的结构示意图和图形符号。图1-11 HD型单投刀开关的结构示意图和图形符号图1-12 HS型双投刀开关
刀开关的技术参数如下。
① 额定电流：在规定的条件下，其长期工作能够承受的最大电流。
② 额定电压：在规定的条件下，其长期工作能够承受的最大电压。
③ 通断能力：在额定电压条件和其他规定条件下，其能接通和断开的最大电流值。
④ 电寿命：在规定条件下，无维修下操作的循环次数。
选用刀开关时，可以按照其技术参数进行选择。在小于其额定电流和额定电压下工作时，其极数、位置等可以按照实际情况选择。在负载较小时需要注意其通断能力。对于电机控制使用时，应选用大于或等于电机额定电流3倍的刀开关。二、低压断路器
低压断路器又称自动开关或空气开关，为了符合IEC标准，现在统一使用低压断路器这个名称，简称断路器。它是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，集控制与多种保护功能于一身。
在正常情况下，断路器可以用于不频繁地接通和断开电路和控制电机。当电路发生严重过载、短路以及失压等故障时，低压断路器能够自动地断开电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。所以低压断路器是一种可恢复的保护电路。低压断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器的组合，是一种既能进行手动操作，又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的控制电器。同时低压断路器具有体积小、重量轻、价格低廉等优点，所以在各种工业和民用电器中得到广泛应用。
低压断路器按其用途及结构特点可分为框架式断路器、塑料外壳式断路器、直流快速断路器、限流式断路器等。框架式断路器主要用作配电网络的保护开关；塑料外壳式断路器除可用作配电网络的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制开关。
常见的低压断路器为塑料外壳式的断路器，其操作方式多为手动。
1.低压断路器的结构和工作原理
低压断路器主要由触点、灭弧系统和各种脱扣器3个基本部分组成。脱扣器包括过电流脱扣器、失压（欠压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器、操作机构和自由脱扣机构。
低压断路器工作原理如图1-13所示。开关的主触点是依靠操作机构手动或电动合闸的，当主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，失压脱扣器的线圈与主电路并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器3的衔铁被吸合，推动杠杆使之逆时针转动，使自由脱扣机构动作。主触点在复位弹簧的作用下分开，从而切断主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件产生的热量增加，加热双金属片，使之向上弯曲，推动自由脱扣机构动作，完成过载保护动作。当电路失压时，失压脱扣器6的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作，主触点分开，完成电路分断的保护动作。自由脱扣机构动作时自动脱扣，使开关自动跳闸，主触点断开分断电路。分励脱扣器4则作为远距离控制分断电路之用，分断的作用点在按钮7上。
低压断路器的文字符号为QF，图形符号如图1-14所示。图1-13 低压断路器的工作原理图1—主触点；2—自由脱扣机构；3—过电流脱扣器；4—分励脱扣器；5—热脱扣器；6—失压脱扣器；7—按钮图1-14 低压断路器的文字符号和图形符号
2.低压断路器的选择（1）低压断路器的额定电压和额定电流应不小于电路的正常工作电压和电流。（2）热脱扣器的整定电流和负载的额定电流相一致。（3）过电流电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载电路正常工作时的尖峰电流。对于电动机保护电路，电磁脱扣器的整定值一般可整定到电动机启动电流的1～7倍。第三节 熔断器
熔断器俗称“保险丝”或者“保险管”等，是一种最简单有效的保护电器。在低压配电系统和控制系统中，主要用于短路保护。熔断器具有结构简单、体积小、使用维护方便、分断能力较高、限流性能良好、价格低廉等优点。一、熔断器的结构
熔断器主要由熔体或熔丝和安装熔体的熔管或支架两部分组成。其中熔体是核心部分，它既是感测元件，又是执行元件。熔体通常采用低熔点的铅、锡、铜、银及其合金等材料制成，形状一般为丝状或片状。熔断器和被保护的电路串连，在电路正常时，其上流过的电流不足以使其熔断，当电路发生短路或有严重过载时，熔体中产生很大的故障电流，其产生的热量熔断熔丝，从而切断电路，保护了电器和电路。
熔断器的文字符号为FU，其类型和图形符号如图1-15所示。图1-15 熔断器的类型和图形符号
根据电路基本定律可知，熔断丝上产生的热量和其上通过的电流的平方和时间成正比的关系。即2Q=IRt
熔断器的熔断时间和电流有关，我们称其为熔断器的安秒特性，如图1-16所示。图1-16 熔断器安秒特性二、熔断器的分类
熔断器的种类很多，常用产品如下。
1.瓷插（插入）式熔断器
瓷插（插入）式熔断器主要用于低压分支电路的短路保护，由于其分断能力较小，一般多用于民用和照明电路中。常用产品有RC1A系列。
2.螺旋式熔断器
该系列产品的熔管内装有石英砂或惰性气体，用于熄灭电弧，具有较高的分断能力，并带熔断指示器，当熔体熔断时指示器自动弹出。它多用于机床配线中作短路保护。常用产品有RLI系列。
3.封闭管式熔断器
该种熔断器分为无填料熔断器、有填料熔断器和快速熔断器3种。无填料熔断器在低压电力网络、成套配电设备中作短路保护和连续过载保护。有填料熔断器管内装有石英砂，灭弧能力强，断流能力大，用于具有较大短路电流的电力输配电系统中。快速熔断器主要作为硅整流管及其成套设备的过载及短路保护。
4.自复式熔断器
自复式熔断器是一种新型的熔断器，它采用金属钠作熔体。在常温下，钠的电阻很小，允许通过正常工作电流。当电路发生短路时，短路电流产生的高温使钠迅速熔化，气态钠电阻变得很高，从而限制了短路电流，当故障消除后，温度下降，气态钠又变为固态钠，恢复其良好的导电性。其优点是可重复使用，不必更换熔体。其主要缺点是在线路中只能限制故障电流，而不能切断故障电流。三、熔断器的选择
1.熔断器类型的选择
其类型应根据线路要求、使用场合和安装条件选择。
2.熔断器额定电压的选择
其额定电压应大于或等于线路的工作电压。
3.熔断器额定电流的选择
其额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。
4.熔体额定电流的选择
① 对于电阻负载或者其他无冲击电流负载。
式中，I——熔体额定电流；fv
I——负载额定电流。e
② 保护一台电动机，为了防止电动机启动时电流过大而将熔断器的熔体烧断，应按照下式计算，而不是按照额定电流计算。I≥（1.5～2.5）IfvN
式中，I——电动机额定电流。N
③ 多台电动机的合用熔断丝可以按照下式粗略估算。
式中，I——容量最大的一台电动机的额定电流；N max
——其余电动机的额定电流之和。第四节 主令电器
主令电器是自动控制系统中用于发送和转换控制指令的电器。主令电器应用广泛，种类繁多，本节主要介绍几种常用的主令电器。一、控制按钮
控制按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，控制按钮用于手动发出控制信号，以控制接触器、继电器等的动作，进而控制电器设备或者电动机等的运行。
控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点、外壳等组成，有的还设置控制指示灯。图1-17所示为一种控制按钮的内部结构。其中动触点和按钮轴固定，动作前接触的触点是常闭触点，断开的触点是常开触点。当按下按钮时，先断开常闭触点，而后接通常开触点。按钮释放后，在复位弹簧作用下使触点复位。
按钮的文字符号为SB，图形符号如图1-18所示。图1-17 按钮开关结构示意图1—按钮帽；2—复位弹簧；3—动触点；4—常闭静触点；5—常开静触点图1-18 按钮开关的文字符号和图形符号
在使用多个按钮时，为了区分不同的按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别。按钮帽的颜色有红、绿、白、黑、蓝、黄等。例如，“启动”按钮使用绿色，“停止”按钮使用红色等。
常用的按钮有自复位和自保持两种。其中，自复位式按钮在外力释放后，按钮在弹簧的作用下将恢复原位；自保持式按钮内部有电磁或者机械结构，当按下按钮后，在撤去外力时按钮不会自行复位，继续保持。
按钮的种类很多，国内常用的有LA系列和引进的LAY系列按钮。对按钮的要求为通断可靠、动作精度高、电器性能良好、寿命长等。按钮的选择首先要考虑额定电压和额定电流；另外需要考虑触点的种类和数目以及是否带指示灯、场地颜色要求等；同时在设计中，选择一些具有造型新颖、手感好、安装更换方便等特性的按钮。二、行程开关
行程开关又称限位开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制指令的主令电器，它将机械信号转换为电信号，以控制生产机械的运动方向、行程大小或者位置保护。
行程开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。行程开关安装在运动机械的某一位置上，当运动部件到达即定的位置时，其上所安装的撞块会碰上行程开关，在机械的作用下，行程开关动作，实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给予必要的保护。
行程开关和按钮原理相同，区别是行程开关的推杆或其他机械装置是在机械的碰撞下动作，而按钮是在人的手动作用下动作。行程开关的种类很多，机械式的有直杆式、直杆滚动式、转臂式等。图1-19所示为直杆式行程开关的结构。
国内目前常用的行程开关有LX19、JLXK1、LX32等系列。
通常把尺寸很小的行程开关称为微动开关。微动开关体积小、动作灵敏，常用在定位精度比较高的场合，在家用电器和办公设备中有很多微动开关。国内常用的微动开关有LXW5、LXW31等系列。
行程开关的文字符号为SQ，图形符号如图1-20所示。图1-19 直杆式行程开关的结构1—动触点；2—静触点；3—推杆图1-20 行程开关的文字符号和图形符号三、接近开关
接近开关又称无触点行程开关，它不仅能代替有触点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、液面控制、检测零件尺寸、加工程序的自动衔接等。由于它具有工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高、能适应恶劣的工作环境等特点，所以在工业生产方面已逐渐得到推广应用。
接近开关按其工作原理可以分为高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔型等。其中高频振荡型最为常用。
高频振荡型接近开关基于金属触发原理，主要由高频振荡器、晶体管放大器和输出器3部分组成。其基本工作原理：当有金属物体进入高频振荡器的线圈磁场（称感辨头）时，该物体内部产生涡流损
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