1.1　低压电器概述

1.1.1　电器的定义和分类

电器就是根据外界施加的信号和要求，能手动或自动地断开或接通电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的电气元件或设备。电器的用途广泛，功能多样，种类繁多，构造各异，其分类方法有按工作电压分和按用途分等几种。本节主要介绍在电力拖动系统和自动控制系统中发挥重要作用的一些常用低压电器，如接触器、继电器、行程开关、熔断器等，介绍它们的工作原理、选用原则等内容，为学习和设计可编程控制器控制系统打下基础。

低压电器通常指工作在交流电压1200V以下、直流电压1500V以下的电器。采用电磁原理完成上述功能的低压电器称做电磁式低压电器。

常用低压电器的分类如图1-1所示。

1.1.2　电磁式低压电器的基本结构

电磁式低压电器在电气控制线路中使用量最大，其类型很多，但工作原理和构造基本相同。在最常用的低压电器中，接触器、中间继电器、断路器等就属于电磁式低压电器。就其结构而言，大都由三个主要部分组成，即电磁机构、触头、灭弧装置。

（1）电磁机构

电磁机构是电磁式低压电器的感测部件，它的作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触头动作，使之闭合或断开，实现电路的接通或分断。

电磁机构由磁路和激磁线圈两部分组成。磁路主要包括铁芯、衔铁和空气隙。激磁线圈通以电流后激励磁场，通过气隙把电能转换为机械能，带动衔铁运动，完成触点的闭合或断开。

如图1-2所示，常用的磁路结构分为三种形式。图1-2（a）所示为衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，这种形式广泛应用于直流电器中。图1-2（b）所示为衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，其铁芯形状有“E”形和“U”形两种，这种结构多用于触点容量较大的交流电器中。图1-2（c）所示为衔铁直线运动的双“E”形直动式铁芯，它多用于交流接触器、继电器中。

激磁线圈的作用是将电能转换成磁场能量。按通入激磁线圈电流种类的不同，分为直流线圈和交流线圈，与之对应的有直流电磁机构和交流电磁机构。

对于直流电磁机构，因其铁芯不发热，只有线圈发热，所以直流电磁机构的铁芯通常用整块钢材或工程纯铁制成，而且它的激磁线圈制成高而薄的瘦高型，且不设线圈骨架，使线圈与铁芯直接接触，易于散热。

对于交流电磁机构，由于其铁芯存在磁滞和涡流损耗，铁芯和线圈都发热。所以，通常交流电磁机构的铁芯用硅钢片叠铆而成，激磁线圈设有骨架，使铁芯与线圈隔离，并且将线圈制成短而厚的矮胖型，有利于铁芯和线圈散热。

（2）单相交流电磁机构短路环的作用

对于单相交流电磁机构，电磁吸力是一个两倍于电源频率的周期性变量。电磁机构在工作中，衔铁始终受到反力Fr的作用。由于交流磁通过零时吸引力也为零，吸合后的衔铁在反力Fr作用下被拉开。磁通过零后吸力增大，当吸力反力时，衔铁又被吸合。这样，在交流电的每个周期内，衔铁吸力要两次过零，如此周而复始，使衔铁产生强烈的振动并发出噪声，甚至使铁芯松散。因此，必须采取有效措施予以克服。

具体办法是在铁芯端部开一个槽，槽内嵌入称做短路环（或称分磁环）的铜环，如图1-3所示。短路环把铁芯中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的Φ1和穿过短路环的Φ2。Φ2为原磁通与短路环中感生电流产生的磁通的叠加，且在相位上Φ2滞后Φ1，电磁机构的吸力F为它们产生的吸力F1、F2的合力，如图1-4所示。此合力始终大于反力，所以衔铁的振动和噪声就消除了。

短路环通常包围2/3的铁芯截面，它一般用黄铜、康铜或镍铬合金等材料制成。它是一相无断点的铜环，且没有焊缝。

（3）触头

触头是一切有触点电器的执行部件。这些电器通过触头的动作来接通或断开被控制电路。触头通常由动、静触点组合而成。

①触点的接触形式　触点的接触形式有点接触、线接触和面接触三种，如图1-5所示。

在三种接触形式中，点接触形式的触点只能用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点和继电器的触点；面接触形式的触点允许通过较大的电流，一般在接触表面上镶有合金，以减小触点电阻和提高耐磨性，多用于较大容量接触器的主触点；线接触形式的触点接触区域是一条直线，其触点在通断过程中有滚动动作，如图1-5（d）所示。开始接触时，动、静触点在A点接触，靠弹簧的压力经B点滚到C点；断开时做相反运动，以清除触点表面的氧化膜。

②触头的结构形式　图1-6所示为不同接触形式的触头结构形式。图（a）所示为采用点接触的桥式触头，图（b）所示为采用面接触的桥式触头，图（c）所示为采用线接触的指形触头。

（4）灭弧系统

①电弧的产生　电弧的形成过程：当触头间刚出现断口时，两个触头间距离极小，电场强度极大，在高热和强电场作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极。这些自由电子在电场中运动时撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子。电子在强电场作用下继续向阳极移动，并撞击其他中性分子。因此，在触头间隙中产生了大量的带电粒子，使气体导电形成了炽热的电子流，即电弧。电弧产生高温并发出强光，将触头烧损，使电路的切断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故，因此应采取灭弧措施。

②常用灭弧方法

a.电动力吹弧。电动力吹弧一般用于交流接触器等交流电器。图1-7所示是一种桥式结构双断口触头系统。双断口就是指在一个回路中有两个产生和断开电弧的间隙。当触点打开时，在断口中产生电弧。触头1和2在弧区内产生图中所示的磁场，根据左手定则，电弧电流受到一个指向外侧的力F的作用而向外运动，迅速离开触点而熄灭。电弧的这种运动，一是使电弧本身被拉长；二是电弧穿越冷却介质时受到较强的冷却作用，这都有助于熄灭电弧。最主要的是在两个断口处的每一个电极近旁，在交流过零时都能出现150～250V介质绝缘强度。

b.磁吹式灭弧。这种灭弧的原理是使电弧处于磁场中间，电磁场力“吹”长电弧，使其进入冷却装置，加速电弧冷却，促使电弧迅速熄灭。

图1-8所示是磁吹式灭弧的原理图，其磁场由与触点电路串联的吹弧线圈1产生。当电流逆时针流经吹弧线圈时，产生的磁通经铁芯3和导磁夹板5引向触点周围。触点周围的磁通方向为由纸面流入，如图中“×”符号所示。由左手定则可知，电弧在吹弧线圈磁场中受一个向上方向的力F的作用，电弧向上运动，被拉长并被吹入灭弧罩6。引弧角4和静触点8相连接，引导电弧向上运动，将热量传递给灭弧罩壁，促使电弧熄灭。

这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧的，电弧电流越大，吹弧能力越强，且不受电路电流方向影响（当电流方向改变时，磁场方向随之改变，电磁力方向不变）。它广泛地应用于直流接触器中。

c.灭弧栅。灭弧栅的原理如图1-9所示。灭弧栅片1由镀铜薄钢片组成。灭弧栅由许多灭弧栅片组成，片间距离2～3mm，安放在触点上方的灭弧罩内（图中未画出灭弧罩）。一旦产生电弧，电弧周围产生磁场，导磁的钢片将电弧吸入栅片，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧。交流电压过零时，电弧自然熄灭。电弧要重燃，两个栅片间必须有150～250V电弧压降。这样，一方面电源电压不足以维持电弧；另一方面由于栅片的散热作用，电弧自然熄灭后很难重燃。这是一种常用的交流灭弧装置。

d.灭弧罩。上面提到的磁吹式灭弧和灭弧栅灭弧都带有灭弧罩，它通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。其作用一是分隔各路电弧，防止发生短路；二是使电弧与灭弧罩的绝缘壁接触，使电弧迅速冷却而熄灭。