2.1 常用低压控制电器
低压控制电器（简称低压电器）泛指工作电压1200V以下的电器设备，用来对强电电路进行通断控制、保护和调节。
低压控制电器通常分为如下几类：
1）开关电器：包括刀开关、转换开关、断路器等。
2）主令电器：包括按钮、行程开关和接近开关等。
3）执行电器：包括接触器和各类继电器。
4）保护电器：包括熔断器、漏电保护器和各种过载、过电压、过电流、短路等保护电器。
实际的一些电器兼有保护功能，便于安装和使用。例如，在刀开关中一般都配有熔断器，断路器则兼有短路、过载、失电压等保护功能。
部分常用电机、电器的图形符号见表2-1。
表2-1 部分常用电机、电器的图形符号
（续）
本节介绍几种常用的低压电器。
2.1.1 开关电器与熔断器
1.刀开关（QS）
刀开关俗称刀闸，是一种最常用的手动电器。刀开关由刀片（动触点）和刀座（静触点）装在瓷质的底板上再配上胶木盖构成。刀开关分为单极、双极和三极几种，其电路及文字符号如图2-1所示。
刀开关用于不频繁地接通和切断电源，选用刀开关时应根据电源的负载的情况确定其额定电压和额定电流。两极和三极刀开关本身均配有熔断器。
图2-1 刀开关的电路及文字符号
用刀开关切断电流时，由于电路中电感和空气电离的作用，刀片与刀座分开时会产生电弧，特别当切断较大电流时，电弧持续不易熄灭。因此，为安全起见，不准用无隔弧、灭弧装置的刀开关切断大电流。在继电-接触器控制系统中，刀开关一般作为隔离电源用，而用接触器接通和断开负载。
2.转换开关（SA）
转换开关是一个多挡位、多触点，能够控制多回路的低压电器。它广泛应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、停止、换向、调速。转换开关有单极、双极、三极和多极之分。
转换开关的接触系统是由数个装嵌在绝缘壳体内的静触点座和可动支架中的动触点构成的。动触点是双断点对接式的触桥，在附有手柄的转轴上，随转轴旋至不同位置使电路接通或断开。定位机构采用滚轮卡棘轮结构，配置不同的限位件，可获得不同挡位的开关。转换开关的图形符号如图2-2所示。
图2-2 转换开关图形符号
转换开关的触点通断状态可以用图表来表示，图2-2所示的三极3位转换开关可用表2-2来表示。
表2-2 三极3位转换开关触点通断状态表
注：“0”表示触点断开；“1”表示触点接通。
3.熔断器（FU）
熔断器是一种最常见的短路保护器件。如图2-3a、b、c所示，熔断器按照其结构和用途分为管式、插式、螺旋式、无填料密封式、有填料密封式、快速式等。图2-3d为熔断器图形及文字符号。熔断器中的熔丝或熔片统称为熔体，熔体一般用电阻率较高的易熔合金制成。熔断器串接在电路中，在额定电流情况下，熔体不熔断，当发生短路或严重过载时，熔体立即熔断切断电源，保护电路和设备不受损坏。
熔体熔断的安秒关系具有反时限特性。如图2-3e所示，通过熔体的过载电流倍数I/IN，越大，熔断所需时间就越短。
熔断器额定电流IN应依如下原则选择：
1）对电阻性负载如电灯、电阻炉等，可按IN≥IL（负载总电流）确定。
2）对电动机等起动电流Ist大于工作电流IL的负载，熔断器额定电流IN的选择原则是，既要有短路保护作用，又要在起动瞬间熔断器不能熔断，应依实际情况确定。
对不频繁起动的单台电动机，只需：IN≥Ist/2.5。
而对频繁起动或起动时间较长的电动机，则需：IN≥Ist/（1.6～2）。
如果是多台电动机共用一条电源干线上的总熔断器，则IN等于1.5～2.5倍容量最大电动机的额定电流加其余电动机额定电流之和。
图2-3 熔断器的结构及特性曲线
4.空气断路器
空气断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压（500V以下）的交、直流配电系统中。在正常供电情况，通过操作手柄的上下搬动，作不频繁接通和切断电源之用；一旦电路发生过载、短路及失电压故障，其保护装置自动脱扣切断电路；当故障排除后，无须更换零件，可手动恢复供电。因此，使用非常方便。
图2-4所示为空气断路器的原理图。当操作手柄搬到合闸的方向时，连杆被锁钩锁住，主触点闭合，电源接通。保护装置的过电流脱扣器和失电压脱扣器都是电磁铁。在正常工作时，过电流脱扣器的衔铁不吸合，当发生严重过载或短路故障时，与主电路串联的线圈产生较强的电磁力将衔铁吸下，顶开锁钩，在释放弹簧的拉力下，主触点迅速断开，切断电路；电流保护的动作电流可根据负载情况整定，其最大值为额定电流的10～12倍。失电压脱扣器的工作与过电流脱扣器相反，正常电压时，其衔铁吸合，当电压过低或失电压时，衔铁释放，使主触点断开。当电源电压恢复正常时，必须重新合闸才能工作，实现了失电压保护。
图2-4 空气断路器的原理图
空气断路器按组装形式主要分为塑料外壳（DZ）型和框架（DW）型两大类。
2.1.2 主令电器
主令电器的作用是接通和分断控制电路，发出操作命令。常用的主令电器有按钮、行程开关等。
1.按钮（SB）
按钮是一种常用的手动主令电器，其结构简单，控制方便。按钮由按钮帽、复位弹簧、触点和外壳等组成，其结构示意图及图形符号如图2-5a、b所示。触点采用桥式触点，额定电流一般在5A以下。按钮内的动合（常开）触点用来接通控制电路，发出“起动”指令，按钮内的动断（常闭）触点用来分断控制电路，发出“停止”指令。
触点又分动合触点（常开触点）和动断触点（常闭触点）两种，最常见的按钮是复合式的，将一个动合触点和一个动断触点做成一体。
按钮从外形和操作方式上可以分为平钮和急停按钮，急停按钮也称蘑菇头按钮，如图2-6所示，除此之外还有钥匙钮、旋钮、拉式钮、万向操纵杆式及带灯组合式等多种类型。
图2-5 按钮的结构示意图及图形符号
1、2—常闭触点 3、4—常开触点 5—复位弹簧 6—按钮帽
当按压按钮帽时，动触点下移，使动断触点断开，动合触点闭合，当松开按钮帽时，复位弹簧使动触点复位，动断和动合触点恢复原来的状态。
2.行程开关（ST）
行程开关是一种位置开关（又称限位开关），它是反映运动部件行进位置的主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触点动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，当运动部件压下触杆时，行程开关动作；运动部件离开触杆时，行程开关恢复常态。根据行程开关的不同状态，发出不同的指令。使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
图2-6 急停按钮示意图及图形符号
行程开关广泛用于起重机、机床、生产线等设备的行程控制、限位控制和程序控制中的位置检测。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式，其电气图形符号如图2-7所示。
直动式行程开关的动作原理同按钮类似，所不同的是：一个是手动，另一个则由运动部件的撞块碰撞。当外界运动部件上的撞块碰压按钮使其触点动作，运动部件离开后，在弹簧作用下，其触点自动复位。直动式行程开关示意图如图2-8所示。
图2-7 行程开关的电气图形符号
微动式行程开关具有微小接点间隔和速动机构，用规定的行程和力进行开关动作的接点机构，被外壳覆盖，其外部有传动器，且外形较小。微动式行程开关示意图及图形符号如图2-9所示。
图2-8 直动式行程开关示意图
图2-9 微动式行程开关示意图及图形符号
2.1.3 传感器
传感器是一种检测装置。它能感受规定的被测量物件并按照一定的规律转换成可用电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的种类繁多，其分类方法也有很多，包括按结构分类、按用途分类、按工作原理分类、按制造工艺分类、按输出信号分类、按传感器线制分类等多种分类方法。机电控制系统中常用的各种接近开关也是开关量输出的传感器。
传感器按有无电源分为有源型和无源型两种，多数传感器为有源型，主要包括检测元件、放大电路、输出驱动电路三部分，如图2-10所示。传感器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。不同形式的传感器所检测物体的物理量不同。下面介绍几种常用传感器。
图2-10 有源型接近开关结构框图
（1）电容式传感器 电容式传感器的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是传感器的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向电容式传感器时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开，从而产生输出信号。这种电容式传感器检测的对象，不限于导体，可以是绝缘的液体或粉状物等。电容式传感器的电气符号如图2-11所示。
（2）霍尔传感器 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的传感器，叫作霍尔传感器。当磁性物件靠近霍尔传感器时，传感器检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种传感器的检测对象必须是磁性物体。霍尔传感器的电气符号如图2-12所示。
图2-11 电容式传感器的电气符号
（3）电感式传感器 电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。电感式传感器的电气符号如图2-13所示。
图2-12 霍尔传感器的电气符号
图2-13 电感式传感器的电气符号
图2-14 光电式传感器的电气符号
（4）光电式传感器 光电式传感器利用光电效应将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后再信号输出，由此可“感知”有物体接近。光电式传感器的电气符号如图2-14所示。
2.1.4 执行电器
1.接触器（KM）
接触器是利用电磁力来接通和断开主电路的执行电器。常用于电动机、电炉等负载的自动控制。接触器的工作频率可达每小时几百至上千次，并可方便地实现远距离控制。接触器有交流接触器和直流接触器两大类。
图2-15 常用的三相交流接触器的结构及符号
常用的三相交流接触器的结构及符号如图2-15a、b所示。它由电磁机构、触点系统和灭弧装置组成。电磁机构包括吸引线圈、静铁心和动铁心，动铁心与动触点相连。当吸引线圈两端施加额定电压时，产生电磁力，将动铁心吸下，动铁心带动动触点一起下移，使动合触点闭合接通电路，动断触点断开切断电路；当吸引线圈断电时，铁心失去磁力，动铁心在复位弹簧的作用下复位，触点系统恢复常态。三相交流接触器的触点系统中有三组动合主触点和若干对辅助触点，主触点接触面积较大，可以通过较大电流，并且其动触点制成桥式，有两个断点，使电弧容易熄灭，大容量接触器还设有隔弧和灭弧装置。主触点用在主电路中控制三相负载，辅助触点用在电流较小的控制电路中。
目前常用的国产交流接触器有CJ10、CJ20系列和引进德国BBC公司生产技术的B系列。其中，CJ10系列接触器已逐步被淘汰，但目前很多领域还有使用，本书教学中暂不删除。在选用接触器时应注意：接触器的额定电流指主触点的额定电流，例如CJ10-100交流接触器的额定电流为100A；另外，要根据控制电路的工作电压，选择吸引线圈的额定电压，常用的有交、直流24V，36V，220V和交流380V。产品说明书中还给出辅助（动合、动断）触点的数量和额定电流。辅助触点的额定电流一般为5A。辅助触点的种类和数量可根据实际需要选配。
2.继电器
继电器是广泛用于自动控制系统和保护系统中的自动电器，其输入控制量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、压力等非电量。继电器种类繁多，常用的有三大类：
（1）电磁式继电器（KA） 电磁式继电器的基本结构、工作原理和接触器相似，只是它的触点电流容量较小，一般为5A或10A，没有灭弧装置。图2-16a、b为电磁式继电器的结构示意图和符号。
电磁式继电器的种类也很多：电压继电器可用于电动机失电压、欠电压保护装置；电流继电器可作为过载或短路保护装置；中间继电器的触点数目较多，触点的电流容量相对较大，可满足信号放大和增加控制回路数的要求。
图2-16 电磁式继电器的结构示意图和符号
（2）时间继电器（KT） 时间继电器是反映时间的自动控制电器。时间继电器有电磁式和电子式两类，前者是在电磁式控制继电器上加装空气阻尼（气囊）或机械阻尼（钟表机构）组成，后者是利用电子延时电路实现延时动作。时间继电器的共同特点是从接收信号到触点动作有一定延时，延时长短可根据需要预先整定。时间继电器的符号如图2-17所示，有四种不同的延时触点，实际应用时根据需要正确选择。
（3）热继电器（FR） 热继电器是一种以感受元件受热而动作的继电器，常作为电动机的过载保护。图2-18a为热继电器的外形，图2-18b为其内部结构，图2-18c为热继电器的图形符号。
图2-17 时间继电器的符号
热继电器主要由热元件、动断（常闭）触点及动作机构组成。
图2-18 热继电器的外形、结构及图形符号
热继电器的发热元件是一段阻值不大的电阻丝，它绕在双金属片上。双金属片是由两种热膨胀系数不同的金属片轧制而成的。双金属片一端是固定的，另一端为自由端。双金属片受热弯曲，推动下端导板位移，使动作机构动作，动断触点断开。双金属片冷却后恢复常态；若动触点不能自动复原，需按下复位按钮使其复原。
热继电器的发热元件串接在电动机的主电路中，动断触点串接在电动机的控制电路中。正常情况下，双金属片变形不大，但当电动机过载到一定程度时，热继电器将在规定时间内动作，切断电动机的供电电路，使电动机断电停车，受到保护。
应当指出，热继电器具有热惯性，不能作为短路保护而只能作为过载保护。这种特性符合电动机等负载的需要，可避免电动机起动时的短时过电流造成不必要的停车。
目前热继电器多为三相（三个发热元件）式，并兼有断相保护功能。将交流接触器和热继电器组装在一起，用以直接起动三相笼型电动机的成套电器称为磁力起动器。
3.电磁阀
电磁阀是一种用电磁控制的工业设备，用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器。它不仅用于液压和气动设备中，还用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的有单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
电磁阀的电气符号如图2-19所示。
4.信号灯
信号灯又称指示灯，是电气控制系统中常用的执行元件。它主要用于各种电气设备及线路中作电源指示、设备的工作状态及报警指示等。
信号灯一般有平光灯和闪光灯等，其图形符号如图2-20所示。
图2-19 电磁阀的电气符号
5.蜂鸣器
蜂鸣器是电气控制系统中常用的报警器，当系统出现异常现象时，蜂鸣器作为一种声音报警，能快速引起工作人员的注意。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”表示，其图形符号如图2-21所示。
图2-20 信号灯的图形符号
图2-21 蜂鸣器的图形符号