任务二 基本元器件
任务目标
1.掌握刀开关、熔断器、断路器、主令电器、接触器和继电器的工作原理、符号。
2.能够正确地选用刀开关、熔断器、断路器、主令电器、接触器和继电器等各元器件，掌握其安装及常见故障的诊断方法。
任务分析
在工矿企业的电气控制设备中，采用的基本上都是低压电器。因此，低压电器是电气控制中的基本组成元件，控制系统的优劣和低压电器的性能有直接的关系。作为电气工程技术人员，应该熟悉低压电器的结构、工作原理和使用方法。
相关知识
低压电器通常是指工作在交流50Hz、额定电压1200V以下，直流额定电压1500V以下的电路中起接通、断开、保护、控制、调节或转换作用的电气设备。如：接触器、继电器、开关、按钮等，低压电器是电气控制系统的基本组成元件。
低压电器种类繁多，功能、构造各异，用途广泛，工作原理各不相同，常用低压电器的分类方法也很多。
1.按用途或控制对象分类
（1）配电电器：主要用于低压配电系统中。要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，在规定条件下具有相应的动稳定性与热稳定性，使电器不会被损坏。常用的配电电器有刀开关、转换开关、熔断器、断路器等。
（2）控制电器：主要用于电气传动系统中。要求寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠。常用的控制电器有接触器、继电器、启动器、主令电器、电磁铁等。
2.按动作方式分类
（1）自动电器：依靠自身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作，如接触器、继电器等。
（2）手动电器：用手动操作来进行切换的电器，如刀开关、转换开关、按钮等。
3.按触点类型分类
（1）有触点电器：利用触点的接通和分断来切换电路，如接触器、刀开关、按钮等。
（2）无触点电器：无可分离的触点。主要利用电子元件的开关效应，即导通和截止来实现电路的通、断控制，如接近开关、霍尔开关、电子式时间继电器、固态继电器等。
4.按工作原理分类
（1）电磁式电器：根据电磁感应原理动作的电器，如接触器、继电器、电磁铁等。
（2）非电量控制电器：依靠外力或非电量信号（如速度、压力、温度等）的变化而动作的电器，如转换开关、行程开关、速度继电器、压力继电器、温度继电器等。
5.按低压电器型号分类
为了便于了解文字符号和各种低压电器的特点，采用我国《国产低压电器产品型号编制办法》（JB 2930—81.10）的分类方法，将低压电器分为13个大类。每个大类用一位汉语拼音字母作为该产品型号的首字母，第二位汉语拼音字母表示该类电器的各种形式。
（1）刀开关H，例如HS为双投式刀开关（刀形转换开关），HZ为组合开关。
（2）熔断器R，例如RC为瓷插式熔断器，RM为密封式熔断器。
（3）断路器D，例如DW为万能式断路器，DZ为塑壳式断路器。
（4）控制器K，例如KT为凸轮控制器，KG为鼓形控制器。
（5）接触器C，例如CJ为交流接触器，CZ为直流接触器。
（6）启动器Q，例如QJ为自耦变压器降压启动器，QX为星三角启动器。
（7）控制继电器J，例如JR为热继电器，JS为时间继电器。
（8）主令电器L，例如LA为按钮，LX为行程开关。
（9）电阻器Z，例如ZG为管形电阻器，ZT为铸铁电阻器。
（10）变阻器B，例如BP为频敏变阻器，BT为启动调速变阻器。
（11）调整器T，例如TD为单相调压器，TS为三相调压器。
（12）电磁铁M，例如MY为液压电磁铁，MZ为制动电磁铁。
（13）其它A，例如AD为信号灯，AL为电铃。
在选用低压电器时常根据型号来进行选用，所以本书按型号分类对上述低压电器的分类进行说明。
一、刀开关
1.作用
刀开关俗称闸刀开关，是一种结构较为简单的手控低压配电电器，其应用非常广泛。主要用来手动接通与断开交、直流电路电气设备的工作电源。
2.分类
刀开关按刀的极数可分单极、双极和三极刀开关；按灭弧装置可分为不带灭弧罩的刀开关和带灭弧罩的刀开关；按操作方式可分远距离连杆式刀开关和直接手动式刀开关。常用的产品有HK系列闸刀开关；HH系列封闭式负荷开关；HR系列熔断器刀开关等。机床上常用的三极开关长期允许通过的电流有100A、200A、400A、600A、1000A五种。
3.基本结构
HK系列、HH系列封闭式闸刀开关基本结构如图1-2、图1-3所示。其主要由操作手柄、动触头、静触头、进线座和出线座等组成。
1—上胶盖2—下胶盖3—胶盖紧固螺钉4—进线座5—静触点6—瓷手柄7—动触点8—出线端9—瓷座
图1-2 HK系列开启式刀开关基本结构
1—闸刀2—夹座3—熔断器4—速断弹簧5—转轴6—手柄
图1-3 HH系列封闭式刀开关基本结构
4.选用
刀开关主要根据电源种类、电压等级、负荷容量、所需极数及使用场合等来选用。如：一般照明电路中，可用额定电压220V，额定电流不小于电路最大工作电流的双极式刀开关。在小容量电力拖动控制系统中，可用额定电压为380V，额定电流不小于电动机额定电流3倍的三极式刀开关。
5.图形及文字符号
刀开关图形及文字符号如图1-4所示。
图1-4 刀开关图形及文字符号
二、熔断器
熔断器具有结构简单、使用维护方便、价格低廉、可靠性较高等特点。在低压配电线路和电气设备中得到广泛应用。
1.作用
熔断器应用于低压配电线路和电气设备中，主要起短路保护和严重过载保护作用。
2.分类
熔断器的种类很多，按其结构形式分瓷插式熔断器、螺旋式熔断器、无填料密闭管式熔断器和有填料密闭管式熔断器。机床电气线路中常用的是RL1系列螺旋式熔断器及RC1系列插入式熔断器。
3.基本结构
熔断器由熔体和安装熔体的绝缘底座（或称熔管）组成。熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、铜、银及其合金制成，形状常为丝状或网状。由铅锡合金和锌等低熔点金属制成的熔体，因不易灭弧，多用于小电流电路；由铜、银等高熔点金属制成的熔体，易于灭弧，多用于大电流电路。
熔断器串接于被保护电路中，电流通过熔体时产生的热量与电流平方和电流通过的时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短，这种特性称为熔断器的反时限保护特性或安秒特性，如图1-5所示。图中IN为熔断器额定电流，熔体允许长期通过额定电流而不熔断。
图1-5 熔断器的反时限保护特性
熔断器基本结构如图1-6、图1-7所示。
1—瓷帽2—熔管3—瓷套4—上接线柱5—下接线柱6—底座
图1-6 螺旋式熔断器基本结构
1—熔丝2—瓷插件3—接线端子4—瓷底座5—静触点6—动触点
图1-7 瓷插式熔断器基本结构
4.熔断器的主要技术参数
熔断器的主要技术参数包括额定电压、熔体额定电流、熔断器额定电流、极限分断能力等。
（1）额定电压：指保证熔断器能长期正常工作的电压。
（2）熔体额定电流：指长期通过熔体而不会使其熔断的电流。
（3）熔断器额定电流：指保证熔断器能长期正常工作的电流。
（4）极限分断能力：指熔断器在额定电压下所能开断的最大短路电流。在电路中出现的最大电流一般是指短路电流值，所以，极限分断能力也反映了熔断器分断短路电流的能力。
5.图形及文字符号
熔断器图形及文字符号如图1-8所示。
图1-8 熔断器图形及文字符号
6.选用
（1）熔断器类型的选择
主要根据使用场合来选择不同的类型。例如作电网配电用应选择一般工业用熔断器；作硅元件保护用，应选择保护半导体器件熔断器；供家庭使用宜选用螺旋式或半封闭插入式熔断器。
（2）熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器工作点的电路额定电压。
（3）电路保护用熔断器熔体的额定电流，基本上可按电路的额定负载电流来选择，但额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。
（4）在电动机回路中作短路保护时，熔体的额定电流可按下列情况确定：
① 单台直接启动电动机：熔体的额定电流=（1.5～2.5）×电动机额定电流。
② 多台直接启动电动机：熔体的额定电流=（1.5～2.5）×功率最大的电动机额定电流+其余电动机额定电流之和。
③ 减压启动电动机：熔体的额定电流=（1.5～2）×电动机额定电流。
（5）为了防止越级熔断、扩大停电事故范围，各级熔断器间应有良好的协调配合，使下一级熔断器比上一级的先熔断，从而满足选择性保护要求。选择时上下级熔断器应根据保护特性曲线上的数据及实际误差来选择。一般老产品的选择比为2:1，新型熔断器的选择比为1.6:1。例如下级熔断器额定电流为100A，上级熔断器的额定电流最小也要为160A，才能达到1.6:1的要求。若选择比大于1.6:1，则能更可靠地达到选择性保护。
（6）保护半导体器件熔断器的选用：在变流装置中作短路保护时，应考虑到熔断器熔体的额定电流是用有效值表示的，而半导体器件的额定电流是用通态平均电流IT（AV）表示的，应将IT（AV）乘以1.57换算成有效值。
应该指出：熔断器与半导体器件串联时，应该使前者的I2t值小于后者，以保证短路时，熔断器先熔断。另外，熔断器断开过电压是在熔断器灭弧过程中出现的，它会使半导体器件受到反向电压击穿，从而引起半导体器件的损坏。因此，熔断器的断开过电压，必须等于或小于半导体器件允许承受的反向峰值电压。
7.熔断器的使用
（1）安装熔断器除保证足够的电气距离外，还应保证足够的间距，以保证拆卸、更换熔体方便。
（2）安装前应检查熔断器的型号、额定电压、额定电流、额定分断能力等参数是否符合规定要求。
（3）安装熔体必须保证接触良好，不能有机械损伤。
（4）安装引线要有足够的截面积，而且必须拧紧接线螺钉，避免接触不良。
（5）在运行中应经常注意熔断器的指示器，以便及时发现一相熔体熔断的情况，防止缺相运行。如果检查发现熔体已经腐蚀、损伤或熔断，应更换同一型号规格的熔断器，不允许用其它型号的熔断器代替（除非已通过验证）。
（6）熔断器插入与拔出要用规定的把手，不要直接用手拔熔体（熔断后外壳温度很高，以免烫伤），也不可用不合适的工具插入与拔出。更换时，必须在不带电的情况下进行。
（7）使用时应经常清除熔断器上及导电插座上的灰尘和污垢。
8.基本技术数据
RL1系列螺旋式熔断器的基本技术数据见表1-1。
表1-1 RL-1系列螺旋式熔断器的技术数据
RC-1系列插入式熔断器的基本技术数据见表1-2。
表1-2 RC-1系列插入式熔断器的技术数据
三、断路器
低压断路器又称为自动空气开关，是低压配电线路中一种重要的保护电器。
1.作用
低压断路器是一种既有手动开关作用又能自动进行失压、欠压、过载、过流和短路等保护的电器。同时也可用于不频繁地接通和分断电路以及控制电动机。使用低压断路器来实现短路保护比熔断器优越，因为当三相电路短路时，很可能只有一相的熔断器熔断，造成断相运行。对于断路器来说，只要造成短路都会使开关跳闸，将三相电源同时切断。
机床上常用的低压断路器有DZ10、DZ5-20、DZ5-50系列，适用于交流电压500V，直流电压220V以下的电路中，作不频繁地接通和断开电路用。
2.基本结构
目前常用各种低压断路器外形如图1-9所示。
图1-9 低压断路器外形图
DZ5-20型低压断路器的内部基本结构如图1-10所示。
1—按钮2—电磁脱扣器3—自由脱扣器4—动触头5—静触头6—接线柱7-热脱扣器
图1-10 DZ5-20型低压断路器的基本结构
低压断路器主要由触点系统、灭弧装置、各种脱扣器、脱扣机构和操作机构等组成。
（1）触点系统和灭弧装置
触点系统和灭弧装置是断路器的执行元件，用于接通和分断主电路。
（2）脱扣器
脱扣器是断路器的感测元件，当脱扣器接收到电路的故障信号后，经脱扣机构动作，使触点分断。
使断路器跳闸的脱扣器有：分励脱扣器、欠电压脱扣器、过电流脱扣器和过载脱扣器。
3.工作原理
断路器工作原理如图1-11所示。
1—主触点2—锁键3—搭钩4—转轴5—杠杆6，11—弹簧7—过电流脱扣器8—欠电压脱扣器9，10—衔铁12—热脱扣器双金属片13—热元件14—分励脱扣器15—按钮16—合闸电磁铁
图1-11 低压断路器的工作原理图
（1）正常接通和分断
主触点1串接在被保护的三相主电路中，通过操作机构合闸后，主触点1由锁键2保持在闭合状态，锁键2 由搭钩3 支持着，电路接通正常工作。当需要断路器正常分断时，通过操作机构由杠杆5将搭钩3顶开（搭钩3可绕轴4转动），锁键2和主触点1就被弹簧6拉开，电路分断。
（2）远距离分闸
分励脱扣器14 通过按钮15 来远距离分闸，正常工作时，分励脱扣器的线圈没有电流。当需要远距离操作时，按下按钮使线圈通电，电磁铁带动自由脱扣机构动作，使断路器跳闸，切断电路，或由继电保护装置动作来实现自动跳闸。
（3）欠压保护
欠电压脱扣器8 的线圈并联在主电路上，相当于一个电压继电器，正常工作时，脱扣器线圈的电压是额定电压，电磁力使衔铁10吸合，断路器保持合闸状态，当电路电压过低或消失时，电磁吸力小于弹簧11的拉力，衔铁10被弹簧11拉开，衔铁撞击杠杆5顶开搭钩3，使主触点1断开，从而实现欠压保护作用。
（4）过电流保护
过电流脱扣器7 相当于一个电流继电器，脱扣器的线圈串接于电路中，正常工作时，脱扣器线圈的电流是额定电流，断路器保持合闸状态，当电路发生短路或产生很大的过电流时，过电流脱扣器7产生的电磁引力将衔铁9吸合，撞击杠杆5，顶开搭钩3，使主触点1断开，从而将电路分断。
（5）过载保护
热脱扣器相当于一个无触点的热继电器，脱扣器的线圈串接于电路中。正常工作时，断路器保持合闸状态，当电路发生过载时，过载电流流过电阻丝13，使热脱扣器的热组件双金属片12受热弯曲，通过杠杆5顶开搭钩3，使主触点1断开，从而起到过载保护作用。
4.图形及文字符号
低压断路器的图形及文字符号如图1-12所示。
图1-12 低压断路器的图形及文字符号
5.选用
（1）低压断路器的选择
低压断路器的类型选择：应根据线路及电气设备的额定电流及对保护的要求来选择低压断路器的类型。若额定电流较小（600A以下），短路电流不太大，可选用塑壳式断路器；对短路电流相当大的支路，则应选用限流式断路器；若额定电流很大，则应选择万能式断路器；若有剩余电流保护要求时，应选用剩余电流保护断路器等。控制和保护硅整流装置及晶闸管的断路器，应选用直流快速断路器。
（2）低压断路器技术参数选用原则
①低压断路器的额定工作电压应不小于线路额定电压。
②低压断路器过流脱扣器的额定电流应不小于线路计算电流，热脱扣器的额定电流也应不小于线路的计算电流。
③低压断路器的额定电流应不小于它所安装的过电流脱扣器与热脱扣器的额定电流。
④低压断路器的额定短路通断能力应大于或等于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算。
⑤线路末端单相对地短路电流等于或大于1.25 倍低压断路器瞬时（或短延时）脱扣器整定电流。
⑥低压断路器欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。
⑦低压断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压。
⑧电动操作机构的工作电压等于控制电源电压。
6.低压断路器的安装及使用
（1）使用
①安装前外观检查：检查断路器在运输过程中有无损坏，紧固件是否松动，可动部分是否灵活等，如有缺陷，应进行相应的处理或更换。
②技术指标检查：检查核实断路器工作电压、电流、脱扣器电流整定值等参数是否符合要求。断路器的脱扣器整定值等各项参数出厂前已整定好，原则上不准再动。
③绝缘电阻检查：安装前先用500V兆欧表检查断路器相与相、相与地之间的绝缘电阻，在周围空气温度为（20±5）℃和相对湿度为50%～70%时应不小于10兆欧，否则断路器应烘干。
④清除灰尘和污垢，擦净极面防锈油脂。
（2）安装
①断路器底板应垂直于水平位置，固定后断路器应安装平整，不应有附加机械应力。
②电源进线应接在断路器的上母线上，而接往负载的出线则应接在下母线上。
③为防止发生飞弧，安装时应考虑到断路器的飞孤距离，并注意到在灭弧室上方接近飞弧距离处不跨接母线。
④如果是塑壳式产品，进线端的裸母线宜包上200mm长的绝缘物，有时还要求在进线端的各相间加装隔弧板。
⑤凡设有接地螺钉的产品，均应可靠接地。
7.低压断路器的维护
通常断路器在使用期内，应定期进行全面的维护与检修，主要内容如下：
①每隔一定时间（一般为半年），应清除落于断路器上的灰尘，以保证断路器良好的绝缘。
②操作机构在使用一段时间后（可考虑一至两年一次），在传动机构部分应加润滑油（小容量塑壳式断路器不需要）。
③灭弧室在因短路分断后，或较长时期使用之后，应清除灭弧室内壁和栅片上的金属颗粒和黑烟灰。有的陶瓷灭弧室容易破损，如发现破损的灭弧室，绝不要再使用以免造成不应有的事故。长期未使用的灭弧室，在使用前应先烘一次，以保证良好的绝缘。
④断路器的触头在长期使用后，如触头表面发现有毛刺、金属颗粒等，应当予以清理，以保证良好的接触。可更换的灭弧触头，如发现磨损到少于原来厚度的1/3时要考虑更换。
⑤定期检查各脱扣器的电流整定值和延时，特别是电子式脱扣器应定期用试验按钮检查其动作情况。
⑥在定期检查全部检修工作完毕后，应做几次传动试验，检查动作是否正常，特别是对于联锁系统，要确保动作准确无误。
8.类型及主要参数
常用低压断路器的类型及其主要参数如下：
①万能式低压断路器：又称为敞开式低压断路器，具有绝缘衬底的框架结构底座，所有的构件组装在一起，用于配电网络的保护。主要型号有DW10和DW15两个系列。
②装置式低压断路器：又称塑料外壳式低压断路器，采用模压绝缘材料制成的封闭型外壳将所有构件组装在一起。可作为配电网络的保护和电动机、照明电路及电热器等控制开关。主要型号有DZ5、DZ10、DZ20等系列。
③快速断路器：具有快速电磁铁和强有力的灭弧装置，最快动作时间可在0.02s以内，用于半导体整流元件和整流装置的保护。主要型号有DS系列。
④限流断路器：利用短路电流产生巨大的吸力，使触点迅速断开，能在交流短路电流尚未达到峰值之前就把故障电路切断。用于短路电流相当大（高达70kA）的电路中。主要型号有DWX15和DZX10两种系列。
另外，我国引进的国外断路器产品有德国的ME系列、SIEMENS的3WE系列，日本的AE、AH、TG系列，法国的C45、S060系列，美国的H系列等，这些产品都有较高的技术经济指标，国外先进技术的引进使我国断路器的技术水平达到了一个新的阶段，我国今后将进一步开发和完善新一代智能型的断路器。
四、主令电器
主令电器指主要用于发布指令或信号，闭合或断开控制电路，改变控制系统工作状态，或实现远程控制的电器。在设备电气控制系统中，主令电器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电路实现控制。其主要部件有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关等。
1.按钮
（1）按钮的作用
按钮是一种手动的、可以自动复位的主令电器，使用非常广泛，主要用于接触器、继电器及其它电气控制电路中，实现远距离控制，同时可通过按钮之间的电气联锁，实现对其它电气设备的控制和保护。
（2）按钮的基本结构
控制按钮外形见图1-13（a）～（c），其内部基本结构见图1-13（d）。
1—按钮帽2—复位弹簧3—动触点4—常闭触点5—常开触点
图1-13 控制按钮及其基本结构
（3）按钮的工作原理
按钮的基本工作原理如下：将按钮帽按下，桥式动触点向下移动，先将常闭触点分断，再将常开触点接通，未受外力（常态）时，在复位弹簧作用下，桥式动触点上升，恢复原来位置，将常开触点分断，常闭触点闭合。
为了表示各个按钮的作用，防止误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别。其颜色有红、黑、绿、黄、蓝、白、灰等，国标GB5226—85对按钮颜色有如下规定：
● “停止”和”急停”的按钮必须是红色。
● “启动”的按钮是绿色。
● “启动”与”停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色，不得用红色和绿色。
● “点动”按钮必须是黑色。
● “复位”（如保护继电器的复位按钮）必须是蓝色。当复位按钮还有停止的作用时，必须是红色。
按钮颜色的含义见表1-3。
表1-3 按钮颜色的含义
（4）按钮的图形及文字符号
控制按钮的图形及文字符号如图1-14所示。
图1-14 控制按钮的图形及文字符号
（5）按钮的选用
按钮开关主要根据所需要的触点数、使用场合、颜色标注、复位方式以及额定电压、额定电流等进行型号的选择。
目前常用的按钮有LA18、LA19、LA20等系列产品。一般按钮开关的额定电压为交流380V，直流220V，额定电流为5A。
2.行程开关
（1）作用
行程开关又称限位开关或位置开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器。主要用于检测机械运动位置，将机械位移变为电信号，从而控制机械运动的运动方向、行程长短或改变运动状态。
（2）基本结构
行程开关的种类很多，按运动形式可分为直动式、微动式、转动式等；按触点的性质可分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，而是利用进行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。
机床上常用的有LX2、LX19、JLXK1及LXW-11、JLXW1-11型微动开关等。普通行程开关允许操作频率为每小时1200～2400次。
有触点行程开关外形结构如图1-15所示。其内部基本结构如图1-16所示。
图1-15 行程开关外形及结构图
1—滚轮2—杠杆3—转轴4—复位弹簧5—撞块6—滚动开关7—凸轮8—调节螺钉
图1-16 JLXK1-111型行程开关
行程开关图形及文字符号如图1-17所示。
图1-17 行程开关图形及文字符号
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，还可作为高频计数、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1-18所示为三线式有源型接近开关结构框图。
图1-18 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。不同形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，外形有方形、圆形、槽形和分离型等多种，图1-19为槽形三线式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。
图1-19 槽形和分离型光电开关
接近开关的主要参数有形式、动作距离范围、动作频率、响应时间、重复精度、输出形式、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1-20表示。
图1-20 接近开关的图形符号
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 根据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 根据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。
五、接触器
接触器具有操作频率高、使用寿命长、体积小、价格低和维护方便等优点，在电力拖动控制系统得到广泛应用。
1.作用
电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触点闭合或分断电动机电路或其它负载电路的控制电器。用它可以实现频繁地远距离操作，并具有欠电压保护与零压保护功能。它有着比工作电流大数倍乃至十几倍的接通和分断能力，但不能分断短路电流。
接触器最主要的用途是控制电动机的启动、反转、制动和调速等，它是电力拖动控制系统中最重要也是最常用的控制电器。
2.分类
接触器按其触点通过电流的种类分为交流接触器和直流接触器。
目前我国常用的交流接触器主要有：CJ20、CJX1、CJX2、CJ12和CJ10等系列。
常用的直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22、CZ10和CZ2等系列，CZ18系列是取代CZ20系列的新产品。
引进产品应用较多的有：引进德国BBC公司制造技术生产的B系列，德国SIEMENS公司的3TB系列，法国TE公司LC1系列等。
接触器的型号说明：如CJ10-20，其中CJ表示交流接触器，10表示设计序号，20表示主触头额定电流20A。
3.基本结构
目前常用接触器外形如图1-21所示。
图1-21 常用接触器外形图
图1-22所示为交流接触器的结构示意图及图形符号。
图1-22 交流接触器的结构示意图及图形符号
（1）电磁机构：电磁机构由线圈、动铁芯（衔铁）和静铁芯组成。
（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）其它部件：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，后一位中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，吸引动铁芯向下运动，动铁芯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。
CJ0-20型交流接触器内部基本结构如图1-23所示。
1—铁芯2—短路环3—线圈4—恢复弹簧5—主触点6—触点压力弹簧7—灭弧装置8—辅助常闭触头9—辅助常开触头10—衔铁11—缓冲弹簧
图1-23 CJ0-20型交流接触器结构示意图
4.工作原理
交流接触器工作原理如图1-24所示。
1—铁芯2—衔铁3—线圈4—常开触点5—常闭触点
图1-24 接触器工作原理
当接触器的电磁线圈3通电以后产生磁场将铁芯磁化，通过电磁吸力吸引衔铁2，使它向着铁芯1 运动，并最终吸合在一起。由于接触器触点系统中的动触点是同衔铁机械地固定在一起的，因此当衔铁2 被铁芯1 吸引向下运动时，动触点也随着向下运动，使常开主触点和常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开。若电源电压消失或显著降低，电磁吸力消失或过小，衔铁在释放缓冲弹簧的反作用力下脱离铁芯，相应地常开主触点和常开辅助触点断开，常闭辅助触点闭合。
5.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。
6.接触器的选择和使用
（1）接触器的选择依据
① 接触器控制电动机或负载电流的类型，即交流负载应使用交流接触器。直流负载使用直流接触器，而直流电动机或直流负载的容量比较小时，也可以全用交流接触器进行控制，但触点的额定电流应选大一些。
② 接触器主触点的额定电压，其值应大于或等于负载回路的额定电压。机械设备控制中的交流接触器，额定电压一般为500V和380V两种。
③ 接触器主触点的额定电流，按手册或说明书上规定的类别使用接触器时，主触点的额定电流应等于或大于实际额定电流。
④ 按轻载使用类别设计的接触器，用于重载使用类别时，应减小容量使用；用于反复短时工作制设备的接触器，其额定电流应大于负载的等效发热电流。
⑤ 接触器线圈的电压，吸引线圈的额定电压从安全考虑应选低一些，但控制电路简单，为节省变压器可选用380V规格。CJ10系列交流接触器的吸引线圈电压有36V、110（127）V、220V和380V四种。
⑥ 接触器触点数量、种类等应满足控制线路的要求；应注意负载的工作性质，用于长期工作制设备时，应尽量选择银或银基合金触点的接触器（如20 系列），如选铜触点的接触器（如12系列），则应将接触器的额定电流降低到间断长期工作制时额定电流的50%以下使用。
根据以上几条原则，可在有关设计手册或产品目录上选择到合适的接触器型号。
（2）接触器安装前的检查
① 须检查接触器的铭牌及线圈的技术参数，如额定电压、额定电流、操作频率和通电持续频率等是否符合实际使用要求。
② 将铁芯极面上防锈油擦净，以免油垢粘滞造成接触器线圈断电后铁芯不释放。
③ 用于分合接触器的活动部分，要求动作灵活，无卡住现象。
④ 检查与调整触点的工作参数，如开距、超程、初压力和终压力等，并要求各极触点接触良好、分合同步。
（3）接触器安装与调整
① 安装接线时应注意勿使螺钉、垫圈、接线头等失落，以免落入接触器内部造成卡住或短路现象，并将螺钉拧紧以免松脱。
② 安装时，接触器底面与地面的倾斜度应小于5度。20系列接触器安装时，应使有孔两面放在上下方向，有利于散热。
③ 检查接线正确无误后，应在主触点不带电情况下，先使吸引线圈通电分合数次，检查其动作是否可靠，然后才能投入使用。
（4）接触器的使用
① 接触器在使用中，应定期检查各部件，要求可动部分无卡住、紧固件无松脱，如有损坏，应及时检修或更换。
② 触点表面应经常保持清洁，不允许涂油。当触点表面因电弧作用形成金属小珠或氧化膜时，应及时清除。
③ 原来有灭弧室的接触器，一定要带灭弧室使用，以免发生短路事故。
7.技术数据
CJ10系列交流接触器有关技术数据见表1-4。
表1-4 CJ10系列交流接触器技术数据
常见接触器使用种类及典型用途见表1-5。
表1-5 常见接触器使用种类及典型用途
8.接触器常见故障
见表1-6。
表1-6 接触器常见故障现象、原因与处理方法
9.直流接触器
直流接触器有CZ5、CZ16、CZ17和CZ18等系列，与交流接触器相比，具有冲击小、噪声低、寿命长等优点。它的结构和工作原理与交流接触器基本相同。
六、继电器
继电器是一种根据外界输入信号（电流、电压、时间、速度、温度）发生变化时，触点接通或分断其控制电路，以实现自动控制或完成保护任务的电器。
继电器种类很多，分类方法也多种多样。按输入信号的性质可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、温度继电器、压力继电器和中间继电器等。按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、热继电器及电子式继电器等。
常见的继电器外形如图1-25所示。
图1-25 常见继电器外形图
下面仅对几种常用的继电器作简单介绍。
（一）电磁式继电器
电磁式继电器原理结构如图1-26所示。
1—底座2—反力弹簧3，4—调节螺钉5—非磁性垫片6—衔铁7—铁芯8—极靴9—电磁线圈10—触点系统
图1-26 电磁式继电器原理结构
电磁式继电器基本结构及工作原理与电磁式接触器大致相同，也是由电磁机构、触点系统和弹簧等部分组成。但电磁式继电器只有常开和常闭辅助触点而没有主触点，且触点的额定电流一般为5A，因此无需灭弧装置。电磁式继电器的触点不能用来接通和分断负载电路，而是用来使控制电路接通和分断，这也是电磁式继电器与接触器作用的区别。电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在电气控制系统中应用非常广泛。
常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器和中间继电器等。
1.电流继电器
触点的动作与否与线圈的动作电流大小有关的继电器称电流继电器。电流继电器的励磁线圈匝数少，导线截面积较大、阻抗较小。其励磁线圈串接在被测电路中，反映电路中电流变化，起过电流及欠电流保护作用。
电流继电器可分为过电流继电器和欠电流继电器。
过电流继电器正常工作时，不产生吸合动作，当线路中电流比规定负载电流值大时，衔铁吸合带动触点动作切断电路，实现过电流保护，如电力拖动系统中冲击性的故障电流时有发生，因此常采用过电流继电器作为电路的过电流保护。
欠电流继电器正常工作时衔铁处于吸合状态，当电路的电流低于规定值时衔铁释放带动触点动作切断电路，实现欠电流保护。如直流电动机励磁回路电流过小或断线电流为零时，易引起飞车，导致严重后果，因此，必须装设欠电流保护，故产品上只有直流欠电流继电器而无交流欠电流继电器。
电流继电器主要根据电流种类和额定电流来选择，在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JT3、JT9、JT10等型号。
电流继电器图形及文字符号如图1-27所示。
图1-27 电流继电器图形及文字符号
2.电压继电器
电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器，电压继电器的励磁线圈匝数多，导线截面积较小，阻抗较大。其励磁线圈与被测电路并联，反映电路中电压的变化，可作为电路的过电压和欠电压保护。
当线圈的电压超过额定电压（即电压为1.1～1.15倍的额定电压）以上动作的继电器，称过电压继电器。当线圈的电压低于额定电压（即电压为0.4～0.7 倍的额定电压）时动作的继电器，称欠电压继电器。
电压继电器图形及文字符号如图1-28所示。
图1-28 电压继电器图形及文字符号
3.中间继电器
（1）作用
中间继电器的作用是将一个输入信号变换成多个输出信号或将信号放大，实质上是一种电压继电器，在电路中的接法和结构特征与电压继电器基本相同，但中间继电器触点数量较多，容量较大，起到中间放大（即增大触点数量和容量）的作用。
（2）基本结构
中间继电器基本结构如图1-29所示。
1—铁芯2—短路环3—衔铁4—常开触点5—常闭触点6—反作用弹簧7—线圈8—缓冲弹簧
图1-29 中间继电器基本结构
（3）图形及文字符号
中间继电器图形及文字符号如图1-30所示。
图1-30 中间继电器图形及文字符号
（4）选用
中间继电器选用时主要考虑触点的类型和数量，以及励磁线圈的额定电压或额定电流值。
（5）基本技术数据
JZ7系列中间继电器基本技术数据见表1-7。
表1-7 JZ7系列中间继电器技术数据
（二）热继电器
1.作用
热继电器是利用电流的热效应来切断电路的一种保护电器。主要用来对电动机或其它负载进行过载保护以及三相电动机的断相保护。
2.基本结构
热继电器主要由热元件、触点系统、动作机构、复位按钮和整定电流装置等部分组成，见图1-31。
1—整定电流装置2—主电路接线柱3—复位按钮4—常闭触点
5—动作机构6—热元件7—公共触点接线柱8—常闭触点接线柱9—常开触点接线柱
图1-31 JR10热继电器的基本结构
（1）热元件：热元件是热继电器接收过载信号部分，它由双金属片及绕在双金属片外面的绝缘电阻丝组成。双金属片由两种热膨胀系数不同的金属片复合而成，如铁镍铬合金和铁镍合金。电阻丝用康铜或镍铬合金等材料制成，使用时串联在被保护的电路中。热元件一般有两个，属于两相结构热继电器。此外，还有三相结构热继电器。
（2）触点系统：触点系统一般配有一组切换触点，即一个动合触点和一个动断触点。
（3）动作机构、复位按钮和整定电流装置：动作机构由导板、补偿双金属片、推杆、杠杆及拉簧等组成，用来将双金属片的热变形转化为触点的动作。补偿双金属片用来补偿环境温度的影响。
热继电器动作后的复位：有手动复位和自动复位两种。手动复位的功能由复位按钮来完成。
3.工作原理
三相热继电器的工作原理如图1-32所示。
1—热元件2—双金属片3—扣板4—弹簧5—常闭触头6—复位按钮
图1-32 JR16型三相热继电器的原理图
当电路过载时，流过热元件1 的电流增大，使双金属片2 受热后产生膨胀，由于膨胀系数不同，双金属片向一侧（向上）弯曲，经过一定时间后，弯曲位移增大，因而脱扣，扣板3在弹簧4 的拉力作用下，将串接在电动机控制电路中的常闭触点5 断开，控制电路的断开使接触器线圈断电，从而断开电动机的主电路。
通过正常负载电流时，双金属片不弯曲。
按下复位按钮6可使热继电器复位。
旋动热继电器整定电流装置的旋钮，可调整整定电流值。
4.图形及文字符号
热继电器图形及文字符号如图1-33所示。
图1-33 热继电器的图形及文字符号
5.热继电器的选择和使用
选择热继电器主要根据电动机的额定电流，确定热继电器的型号、热元件的电流等级和整定电流。
（1）热继电器的选择
① 一般情况下，按电动机额定电流来选择热继电器、热元件的型号规格。热元件额定电流应为电动机额定电流的1.1～1.25倍。
② 热继电器的整定电流一般取0.95～1.05倍电动机额定电流即可。例如电动机额定电流为14.6A，额定电压380V，若选用JR0-40型热继电器，热元件电流等级为16A，由表1-7可知，电流调节范围为10～16A，因此可将其电流整定为14.6A。
③ 当电动机长期过载20%时，应可靠动作，且热继电器的动作时间应大于电动机长期允许过载及启动时间。
④ 热元件电流的调节范围应在热元件额定电流的60%～100%之间，可根据负荷变化的需要进行调节。
⑤ 热继电器的工作温度与环境温度的温差在15～25℃之间。
⑥ 对启动时间较长的电动机，为防止误动作，常选用速饱和电流互感器与热继电器配合使用。
⑦ 需要带断相保护时，应选用带动导板的三相热继电器。
⑧ 当电动机启动次数频繁时，热继电器可能误动作，所以在控制重复短时工作制的笼形和绕线转子异步电动机时，不宜用热继电器作为过载保护。
⑨ 一般情况下可选用两相结构的热继电器，但有下列情况之一者应选用三相结构的热继电器：
a.电网电压不平衡。
b.工作条件恶劣，很少有人看管的电动机。
c.与大容量电动机并联的小容量电动机（共用同一组熔断器或供电变压器）。
⑩ 有下列情况者不宜用热继电器，如必须使用时也要设法短接，避开启动电流，以免误动作：
a.操作次数过多，过于频繁。
b.工作时间短，间歇时间长。
c.启动时间过长，过载可能性小。
（2）热继电器的使用
① 安装前检查：铭牌数据，热继电器的整定电流是否符合要求；查热继电器的可动部分，要求动作灵活可靠；清除部件表面污垢。
② 运行中检查：
a.检查负荷电流是否与热元件的额定电流相配合。
b.检查热继电器与外部导线的连接点处有无过热现象。
c.检查与热继电器连接导线的截面积是否满足电流要求，有无因发热影响热元件的正常工作。
d.检查热继电器的运行环境温度有无变化，是否超过允许范围（+40℃～-30℃）。
e.如热继电器动作，应检查动作情况是否正确。
f.检查热继电器周围环境温度与电动机周围环境温度，如后者环境温度比前者高出15～25℃时，应选用小一号等级的热元件；如低于15～25℃时，应调换大一号等级的热元件。
③ 维护使用
a.热继电器安装的方向应与规定方向相同，一般倾斜度不得超过5度。如与其它电器装在一起时，尽可能将它装在其它电器下面，以免受其它电器发热的影响。
b.安装接线时，应检查接线是否正确，与热继电器连接的导线截面应满足负荷要求，安装螺钉不得松动，防止因发热而影响热元件正常动作。
c.不能自行更动热元件的安装位置，以保证动作间隙的正确性。
d.动作机构应正常可靠，复位按钮应灵活，调整部件不得松动。如有松动应重新进行调整试验并紧固。对于可调整的热电器应检查其刻度是否对准需要的刻度值。
e.检查热元件是否良好，只能打开盖子从旁边查看，不得将热元件卸下，如必须卸下，装好后应重新通电试验。
f.检查热继电器热元件的额定电流值或刻度盘上的刻度值是否与电动机的额定电流值相符，如不相符，应更换热元件，并进行调整试验，或转动刻度盘的刻度达到符合要求。
g.由于热继电器具有很大的热惯性，因此，不能作为线路的短路保护，必须另装熔断器作为短路保护。
h.使用保护性能完善的新系列热继电器，作为电动机的过载保护，如JR16型热继电器，不仅具有一般热继电器保护特性，还具有当三相电动机发生一相断线或三相电流严重不平衡时，能及时对电动机进行断相保护的功能。
i.使用中定期用布擦净尘埃和污垢，双金属片要保持原有金属光泽，如上面有锈迹，可用布蘸汽油轻轻擦除，不得用砂纸磨光。
j.在使用过程中，每年应进行一次通电校验，当设备发生事故而引起巨大短路电流后，应检查热元件和双金属片有无显著变形，若已产生变形，则应更换部件。
6.技术数据
JR0-40系列热继电器有关技术数据见表1-8。
表1-8 JR0-40系列热继电器技术数据
7.热继电器常见故障
见表1-9。
表1-9 热继电器常见故障现象、原因与处理方法
