第 5 章 低压电器及控制电路

1. 第5章 低压电器及控制电路 • 为了提高劳动生产率，改善劳动条件，有利于实现生产过程的自动化，建筑工程中的生产机械常采用电动机拖动。为使电动机的运行符合生产机械的要求，实现正确、可靠的启动、正反转、制动、调速和各种电气故障保护等任务，需要用某几种电器与电动机组成一个电力拖动控制系统。目前，较简单的电力拖动控制系统还广泛应用继电器、接触器等有触点的电器作为控制系统的元件，其原因是各种有触点的电器结构比较简单、价格低廉、原理容易掌握、维修方便等。

2. 5.1 常用低压电器 • 低压电器系指工作在交流1 000 V或直流1 200 V以下的各种电器，主要用于低压配电系统、动力设备及电力拖动控制系统中。我国低压电器产品型号命名分为刀开关和转换开关、熔断器、自动开关、控制器、接触器、启动器、控制继电器、主令电器等13类。本节仅介绍几种最常用的电器。

3. 5.1.1 刀开关 • 刀开关是一种结构较简单的手动控制电器，广泛应用于各种供配电线路，作为非频繁地接通和分断容量不太大的低压供电线路，以及作为电源隔离开关使用，还可以用于5.5 kW及以下的小容量电动机作不频繁的直接启动电源开关。

4. 图5.1.1 刀开关结构图 (a)结构图 (b)图形符号及文字符号

5. 5.1.2 铁壳开关 • 铁壳开关又称封闭式负荷开关。外形结构如图5.1.2所示。早期产品都带有一个铸铁外壳，目前，铸铁外壳已被结构轻巧，强度又高的薄钢板冲压外壳所取代。

6. 图5.1.2 铁壳开关 (a)结构图 (b)符号

7. 5.1.3 组合开关 • 组合开关又名转换开关，实质上也是一种刀开关，只不过一般刀开关的操作手柄是在垂直于其安装面的平面内向上或向下运动。而组合开关的操作手柄则是在平行于其安装面的平面内每次顺时针或逆时针转动90°。其外形和结构如图5.1.3所示，它是由若干个动、静触头(刀片)分层固定在转轴和胶木壳体触头座内，顶部装有凸轮，扭簧转轴等部件，构成操作机构。转动手柄时，每一动片即插入相应的静触片或脱离静触片，使线路接通或断开，由于采用扭簧储能机构，可使开关快速闭合及分断，提高了分断能力和灭弧性能。

8. 图5.1.3 HZ10-25/3型组合开关

9. 5.1.4 自动开关 • 自动开关又称自动空气开关或自动空气断路器，能做成手动或电动合闸，兼具短路保护、过载保护、失压保护等多种功能，当电路发生严重的过载、短路及失压等故障时，能够自动切断故障电路，有效地保护供电线路和电气设备，而且动作过后一般不需要更换零部件等优点，故获得广泛应用。

10. 图5.1.4 自动开关

11. 5.1.5 接触器 • 接触器是用来频繁地远距离接通或断开主电路及大容量控制电路的控制电器。它不同于刀开关类手动切换电器，因为它具有手动切换电器所不能实现的远距离操作功能和失压保护功能；它也不同于自动开关，因为它虽然具有一定的过载能力，但却不能切断短路电流，只有和热继电器配合使用才可以实现过载保护功能。由于接触器可以频繁地远距离操作，所以被广泛地应用于控制电动机，也可用于控制电热设备、电焊机和配电网络等。

12. 图5.1.5 CJ12交流接触器

13. 5.1.6 继电器 • 继电器是一种根据电量或非电量(如电流、电压或温度、压力)的变化来接通或断开小电流电路的自动电器，其触头通常接在控制电路中，从而实现控制和保护的目的。 • 继电器的种类很多，这里主要介绍应用较广泛的几种继电器。 • (1)电磁式电流、中间、电压继电器 • 1)电流继电器 • 2)中间继电器

14. 图5.1.6 JT4电流继电器

15. 图5.1.7 JZ7中间继电器

16. 3)电压继电器 • 电压继电器与中间继电器相类似，区别是其触头数量少，一般有4对或2对触头，主要用于控制电器较多的控制电路作为失压保护或者欠电压保护电器。 • (2)时间继电器 • 在自动控制系统中，有时需要一个电器动作后，经过一定的延时，另一个电器再自动动作，完成此项任务常用时间继电器。时间继电器的种类很多，有直流电磁式、晶体管式、电动机式和空气阻尼式。其中空气阻尼式较常用。

17. 图5.1.8 JS7-A时间继电器外形与原理示意图及图形符号 (a)外形 (b)原理示意图

18. (3)热继电器 • 电动机在实际运行中经常遇到过载情况，即电动机绕组工作电流大于额定电流，若电机过载不多，时间较短，只要电机绕组不超过容许的温升，这种过载是允许的。但是当时间过长，绕组温升超过允许值时，将会加剧绕组绝缘的老化，缩短电机的使用寿命，严重时，甚至会使电动机绕组烧毁。因此，凡电动机长期运行时，都需要对其过载提供保护装置。

19. 图5.1.9 热继电器 外形及原理

20. 5.1.7 主令电器 • 主令电器是人力(或机械)操作发出命令来接通或断开控制电路的信号元件，常用的有控制按钮和行程开关。 • (1)控制按钮 • 按钮是专门用来接通和切断较小电流的电路。它可以与接触器或继电器的线圈配合，实现对电动机的自动控制。

21. 图5.1.10 控制按钮的外形、结构示意和图形符号

22. (2)行程开关 • 行程开关又称限位开关，它是根据生产机械的行程而动作的小电流开关电器，在位移性建筑机械上应用很普遍，如吊车行走到极限位置时必需自动停车；搅拌机、锅炉的上料、上煤时，料斗到达终端位置时也必需自动停止。这些都是靠行程开关来控制的。

23. 图5.1.11 LX19行程开关的外形和结构示意图

24. 5.1.8 熔断器 • 熔断器是一种结构最简单、使用最方便、价格又最低廉的保护电器，它主要由熔体和安装熔体的绝缘管或绝缘座所组成。在使用中，熔断器是同它所保护的电路串联的，当该电路中发生过载或短路故障时，如果通过熔体的电流达到或超过了某一定值，在熔体上产生焦耳热量便会使其温度升高到熔体金属的熔点，于是熔体自行熔断，并以此切断故障电流，完成保护任务。

25. 图5.1.12 熔断器 (a)RC型 (b)RL型 (c)RM型 (d)表示符号

26. 5.1.9 KB0系列控制与保护开关电器 • CPS(Control and Protective Switching Device)即“控制与保护开关电器”是低压电器中的新型产品，KB0是填补国内空白的第一代CPS大类产品。 • KB0系列控制与保护开关电器是由我们国内公司自主研发的智能型多功能电器，其特征是在单一的结构形式的产品上实现集成化的、内部协调配合的控制与保护功能，相当于断路器(熔断器)、接触器、热继电器及其他辅助电器的组合。

27. 图5.1.13 基本型产品配置

28. 图5.1.14 KB0系列电器图形符号及标注

29. 5.1.10 软启动器 • 软启动器是一种集电动机软启动、软停车、轻载时节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter见图5.1.15。软启动器装置有电子式、液态式和磁控式等类型。广泛应用的是电子式。电子式软启动器装置是采用三对反并联晶闸管作为调压器，将其串入电源和电动机定子之间，它由电子控制电路调节加到晶闸管上的触发脉冲角度，以此来控制加到电动机定子绕组上的电压，使电压能按某一规律逐渐上升到全电压，通过适当地设置控制参数，使电动机在启动过程中的启动转矩、启动电流与负载要求得到较好的匹配。

30. 图5.1.15 通用型软启动控制装置与电路图

31. 5.1.11 变频器 • 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。

32. 20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。

33. 5.2 异步电动机电气控制的典型环节 • 由按钮、继电器、接触器等低压电器组成的控制系统具有线路简单、维修方便、便于掌握等优点，在各种生产机械和工作设备的电气控制系统中得到广泛的应用，由于生产机械和工作设备种类繁多，所要求的电气控制电路也是千变万化、多种多样的，本节着重阐明组成这些电气控制电路的基本环节、组成规律、阅读分析方法，为阅读实际设备的电气控制系统奠定基础。

34. 5.2.1 电气控制系统中图的作用和绘图原则 • 我国从1984年(第二阶段)相继制定了GB 4728《电气图用图形符号》、GB 6988《电气制图》、GB 7159《电气技术中的文字符号制定通则》等若干新标准来代替60年代(第一阶段)制定的GB 312等旧标准，已于90年代全面实施。在1997年（第三阶段）又相继修定了GB/T 4728等与国际电工委员会（IEC）相同的标准，T的含义为推荐选用。在新标准中，电气图的种类按用途分可划分为15种，分析电气控制系统常用的是电路图和接线图。

35. (1)电路图 • 1)电路图的作用 • 电路图(circuit diagram)是用图形符号并按其工作顺序排列，详细表示电路、设备或成套装置的全部基本组成和连接关系，而不考虑其实际位置的一种简图。目的是便于详细理解控制系统的作用原理，分析和计算电路特征。 • 2)电路图的绘制原则 • 电气控制电路分为主电路和辅助电路两部分。图5.2.1为一台电动机的正、反转电气控制电路图。

36. 图5.2.1 电动机正、反转电气控制电路图

37. 图5.2.2 电动机正、反转电气控制电路接线图

38. 5.2.2 三相鼠笼式异步电动机直接启动的控制 • 三相鼠笼式异步电动机直接启动时，其启动电流是额定电流的4~6倍，比较大的启动电流在供电线路上会产生较大的电压降，会影响同一供电线路其他电气设备正常运行。但是，在电源、供电线路和生产机械能满足要求的条件下，大多数的电动机都可以直接启动。 • (1)单方向旋转电路 • 许多生产机械和工作设备对电动机只有单方向旋转的要求，例如水泵、风机等设备，只是在控制功能上有不同的要求。 • 1)单方向连续运行控制

39. 图5.2.3 单方向旋转控制电路

40. 2)既能连续运行又能点动的控制 图5.2.4 电动机单方向旋转既能连续运 行又能点动的控制电路

41. 3)两地(或多地)控制 图5.2.5 两地控制电路

42. (2)正反转控制电路 • 某些生产机械要求电动机能够正反两个方向旋转，由三相电动机的转动原理得知，只需将电动机的两相电源互换，就可实现正反转。为此，需要两个不同时工作的接触器，如果两个接触器同时工作，就会造成电源相与相之间短路。

43. 图5.2.6 正、反转电路

44. (3)行程控制电路 • 某些位移性生产机械或部件(如起重机、电梯，铣床等)需要运行到终端实现限位控制或者自动往返的控制。图5.2.7就是利用行程开关实现终端限位控制的电路。行程开关的安装位置在位移性部件的终端、位移性部件上安装有撞块，也可反之。控制电路的功能是：当KM1线圈通电时，电动机正转，生产机械的运动部件向右位移，位移到终端，撞块和行程开关相碰，其常闭触头SQ1分断，KM1线圈断路，电动机失电而停止(位移性运动部件一般都有制动装置)。要想使运动部件返回，操作反向启动按钮既可。但返回到终端碰撞SQ2，实现正反两个方向都有终端限位。

45. 图5.2.7 行程控制正、反转电路

46. 5.2.3 降压启动控制电路 • 由于大容量的异步电动机启动时电流过大，影响电网供电电压，因此一般采用降压启动方式来限制启动电流，启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，启动后再将电压恢复到额定值，使之在正常电压下运行。由于定子电流和电压成正比，所以降压启动可以减小启动电流，不致在电路中产生过大的电压降，减少对线路电压的影响，常用的有星形—三角形换接和自耦变压器等启动方法。

47. (1)星形三角形降压启动控制 • 凡是正常运转时定子绕组为三角形(△)接法的鼠笼式异步电动机，只要启动转矩满足要求，都可采用星形三角形的减压启动方法来达到限制启动电流的目的。 • 1)启动性能与控制要求 • 2)控制电路工作原理分析

48. 图5.2.8 电动机Y—△启动控制电路

49. 3)延时时间的调整

50. (2)定子串自耦变压器的降压启动控制 • Y—△启动方法的缺点是启动转矩为直接启动时的13，对有些设备无法启动，为了增大启动转矩可用串自耦变压器的方法实现，因自耦变压器的副边有几组抽头，可满足不同的轻负载对启动转矩的要求。