2.3 电气基础

2.3.1 常用低压电器

低压电器是指工作在交流电压 1200V 、直流电压 1500V 以下的各种电器。低压电器种类繁多，按用途和控制对象不同，可将低压电器分为配电电器和控制电器。用于电能输送和分配的电器称为配电电器，这类电器包括刀开关、转换开关、低压断路器和熔断器等。用于各种控制电路和控制系统的电器称为控制电器，这类电器包括接触器、起动器和继电器等。

2.3.1.1 主令电器

主令电器是用作闭合或断开控制电路，以发出指令或作程序控制的开关电器，是一种用于辅助电路的控制电器。主令电器应用广泛、种类繁多，按其作用可分为按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、脚踏开关和主令控制器等。

1.按钮

按钮是一种最常用的主令电器，其结构简单，应用广泛。在低压控制电路中，用于发布手动指令。

（1）按钮的结构 按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，其结构及图形符号如图2-210所示。按钮在外力作用下，首先断开常闭触头，然后再接通常开触头。复位时，常开触头先断开，常闭触头后闭合。

（2）按钮的种类 按钮从外形和操作方式上可以分为平按钮和急停按钮，急停按钮也叫作蘑菇头按钮。除此之外还有钥匙钮、旋钮、拉式钮、万向操纵杆式、带灯式等多种类型。

从按钮的触头动作方式可以分为直动式和微动式两种，直动式按钮触头的动作速度和手按下的速度有关。而微动式按钮的触头动作变换速度快，和手按下的速度无关，其动作原理如图2-211所示。动触头由变形簧片组成，当弯簧片受压向下运动低于平簧片时，弯簧片迅速变形，将平簧片触头弹向上方，实现触头瞬间动作。

小型微动式按钮也叫作微动开关，微动开关还可以用于各种继电器和限位开关中，如时间继电器、压力继电器和限位开关等。

按钮一般为复位式，也有自锁式按钮，最常用的按钮为复位式平按钮，如图2-210a所示。其按钮与外壳平齐，可防止异物误碰。

（3）按钮的颜色 按钮颜色的含义见表2-16。

2.行程开关

行程开关是一种利用设备某些运动部件的碰撞来发出控制指令的主令电器，用于控制设备的运动方向、速度、行程大小和位置保护等。当行程开关用于位置保护时，又称为限位开关。从结构上，行程开关主要分为：操作机构、触头系统和外壳三个部分，如图2-212所示。

当设备的运动部件撞击触杆时，触杆下移使常闭触头断开，常开触头闭合；当运动部件离开后，在复位弹簧的作用下，触杆回复到原来位置，各触头恢复常态。

3.万能转换开关

万能转换开关实际是一种多档位、多触点、能够控制多回路的组合开关。它主要用于各种控制设备中线路的换接、远距离控制和电流表、电压表的换相测量等，也可用于小功率电动机的起动、换向、调速控制。

转换开关的工作原理和凸轮控制器一样，只是使用地点不同：凸轮控制器主要用于主电路，直接对电动机等电气设备进行控制；而转换开关主要用于控制电路，通过继电器和接触器间接控制电动机。常用的转换开关类型主要有两大类，即万能转换开关和组合开关。两者的结构和工作原理基本相似，在某些应用场合下两者可相互替代。转换开关按结构类型分为普通型、开启组合型和防护组合型等；按用途又分为主令控制用和控制电动机用两种。转换开关的图形符号和凸轮控制器一样，如图2-213b所示。

2.3.1.2 熔断器

熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。熔断器具有结构简单、体积小、重量轻、使用维护方便、价格低廉、分断能力较高、限流能力良好等优点，因此在电路中得到广泛应用。

1.熔断器的结构及原理

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二次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2-214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。

2.熔断器的主要参数

熔断器的主要参数包括额定电压、熔体额定电流、熔断器额定电流、极限分断能力等。额定电压是指保证熔断器能长期正常工作的电压。熔体额定电流是指熔体长期通过而不会熔断的电流。熔断器额定电流是指保证熔断器能长期正常工作的电流。极限分断能力是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。

3.熔断器的类型

（1）插入式熔断器 插入式熔断器如图2-215a所示。常用产品有RC1A系列，主要用于低压分支电路的短路保护，因其分断能力较小，多用于照明电路和小型动力电路中。

（2）螺旋式熔断器 螺旋式熔断器如图2-215b所示。熔芯内装有熔丝，并填充硅砂，用于熄灭电弧，分断能力强。熔体的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到。

（3）密封管式熔断器 该种熔断器分为无填料、有填料和快速三种。RM10型密封管式熔断器为无填料管式熔断器，如图2-215c所示，主要用于供配电系统作为线路的短路保护及过载保护，它采用变截面片状熔体和密封纤维管。由于熔体较窄处的电阻小，在短路电流通过时产生的热量最大，先熔断，因而可产生多个熔断点使电弧分散，以利于灭弧。短路时其电弧燃烧密封纤维管产生高压气体，以便将电弧迅速熄灭。其特点是可拆卸，当熔体熔断后，用户可按要求自行拆开，重新装入新的熔体。RT型有填料密封管式熔断器如图2-215d所示。熔断器中装有硅砂，用来冷却和熄灭电弧，熔体为网状，短路时可使电弧分散，由硅砂将电弧冷却熄灭，可将电弧在短路电流达到最大值之前迅速熄灭，以限制短路电流。此为限流式熔断器，常用于大容量电力网或配电设备中。

2.3.1.3 低压断路器

低压断路器用于低压配电电路中不频繁的通断控制，在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。

断路器的种类繁多，按其用途和结构特点可分为DW型万能式断路器、DZ型塑料外壳式断路器、DS型直流快速断路器和DWX型、DWZ型限流断路器等。万能式断路器（俗称框架式断路器）主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器除可用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制开关。

下面以塑料外壳式断路器为例，简单介绍断路器的结构、工作原理、使用与选用方法。

1.断路器的结构和工作原理

断路器主要由三部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，包括过电流脱扣器、失电压（欠电压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。

图2-216是其工作原理示意图及图形符号。断路器是靠操作机构手动或电动合闸的，触头闭合后，自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上。当电路发生上述故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，自动跳闸以实现保护作用。分励脱扣器则作为远距离控制分断电路之用。

过电流脱扣器用于线路的短路和过电流保护，当线路的电流大于整定的电流值时，过电流脱扣器所产生的电磁力使挂钩脱扣，动触头在弹簧的拉力下迅速断开，断路器的跳闸。

热脱扣器用于线路的过载保护，工作原理和热继电器相同。

失电压（欠电压）脱扣器用于失电压保护，失电压脱扣器的线圈并联在进线端线路上，处于吸合状态时，断路器可以正常合闸；当停电或电压很低时，失电压脱扣器的吸力小于弹簧的反力，弹簧使动铁心向上使挂钩脱扣，断路器跳闸。

分励脱扣器用于远距离控制分断电路之用，当在远方按下按钮时，分励脱扣器得电产生电磁力，使其脱扣跳闸。

不同断路器的保护是不同的，使用时应根据需要选用。在图形符号中也可以标注其保护方式。例如，图2-216所示的断路器，断路器图形符号中标注了失电压、过载、过电流3种保护方式。

2.低压断路器的选择原则

低压断路器的选择应从以下几方面考虑：

1）断路器的类型应根据使用场合和保护要求来选择：一般可选用塑料外壳式断路器；短路电流相当大时选用限流断路器；额定电流比较大或有选择性保护要求时，选用万能式断路器；控制和保护含有半导体器件的直流电路时，应选用直流快速断路器等。

2）断路器额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压。

3）断路器额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电流。

4）断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。

5）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。

6）过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。

2.3.1.4 继电器

继电器是一种当输入量的变化达到规定值时，输出量将发生阶跃变化的开关电器。其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是时间、速度、压力等非电量，而输出则是触头动作或者是电路参数的变化。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称为输入回路）和被控制系统（又称为输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动控制、安全保护、转换电路等作用。

继电器的种类很多，按输入量可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器和压力继电器等；按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；按用途可分为控制继电器和保护继电器等；按输入量变化形式可分为有触点继电器和无触点继电器。

1.电磁式继电器

电磁式继电器具有结构简单、价格低廉、使用维护方便、触头容量小（一般在5A以下）、触头数量多且无主、辅之分、无灭弧装置、体积小、动作迅速、准确、控制灵敏、可靠等特点，广泛应用于低压控制系统中。常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器及各种小型通用继电器等。

电磁式继电器的结构和工作原理与接触器相似，主要由电磁机构和触头组成。两者的主要区别在于：继电器可以对多种输入量的变化做出反应，主要用于切换小电流的控制电路和保护电路，而接触器只能有在一定的电压信号下动作，是用来控制大电流电路。电磁式继电器有直流和交流两种。图2-217为直流电磁式继电器结构示意图，在线圈两端加上电压或通入电流，产生电磁力，当电磁力大于弹簧反力时，吸动衔铁使常开常闭触头动作；当线圈的电压或电流下降或消失时衔铁释放，触头复位。

（1）电流继电器 电流继电器的线圈与被测电路串联，以反映电路中的电流变化，它的图形符号如图2-218所示。其线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。电流继电器又分为欠电流继电器和过电流继电器两种。欠电流继电器的吸引电流为线圈额定电流的30%～65%，释放电流为额定电流的10%～20%。用于电路的欠电流保护（如失磁保护）或控制。其在正常工作时衔铁吸合，当电流下降到某一设整定值时，继电器动作，衔铁释放，输出信号。过电流继电器则是在电流超过某一整定值时，继电器动作输出，其整定范围为1.1～4.0倍的额定电流。

（2）电压继电器 电压继电器的图形符号如图2-219所示。根据动作电压值的不同，电压继电器可分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器，分别用作过电压、欠电压和零电压保护。过电压继电器动作电压为额定电压的105%～120%；欠电压继电器动作电压为额定电压的40%～70%；零电压继电器当电压降低至额定电压的5%～25%时动作。

（3）中间继电器 中间继电器是一种将一个输入信号扩展（中继）为多个输出信号的控制电器，其图形符号如图2-220所示。它实际上是一种电压继电器，当其他继电器的触头数量或容量不够时，可以借助中间继电器进行扩展，起到信号中继作用。中间继电器一般用于控制电路中，其结构与原理和接触器基本相同，触头无主辅之分，各触头电流容量相等，额定值一般为5～10A。

2.时间继电器

时间继电器是电路中控制动作时间的继电器，是一种利用电磁或机械动作原理来实现触头延时接通或断开的控制电器。其种类很多，按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等；按延时方式可分为通电延时型和断电延时型。

（1）直流电磁式时间继电器 在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜（铝）套，即可构成电磁式时间继电器。其工作原理是当继电器通电时，由于衔铁处于释放位置，气隙大，磁阻大，磁通小，所以阻尼铜（铝）套的作用很小，衔铁吸合延时作用不明显，故延时可以不计；而当线圈断电时，磁通变化量大，铜（铝）套阻尼作用也大，使衔铁延时释放而起到延时作用。因此，这种时间继电器只能用作断电延时。

直流电磁式时间继电器具有结构简单、可靠性高等优点，其缺点是延时较短，准确度较低，只能用作断电延时，一般用于要求不高的场合，如电动机的延时起动等。

（2）空气阻尼式时间继电器 这种继电器是利用空气阻尼原理获得延时的，它由电磁机构、延时机构和触头系统3部分组成。电磁机构为直动式双E型铁心，触头系统采用微动开关，延时机构采用气囊式阻尼器。空气阻尼式时间继电器可以做成通电延时型，也可改成断电延时型，电磁机构可以是直流的，也可以是交流的，如图2-221所示。下面以通电延时型时间继电器为例介绍其工作原理。

图2-221a是线圈未得电时的情况，当线圈通电后，动铁心吸合，带动L型传动杆向右运动，使瞬动触头瞬时动作。活塞杆在弹簧的作用下，带动橡胶膜向右移动，弱弹簧将橡胶膜压在活塞上，橡胶膜左方的空气不能进入气室，形成负压，只能通过进气孔进气，因此活塞杆缓慢地向右移动，其移动的速度和进气孔的大小有关（通过延时调节螺钉调节进气孔的大小可改变延时时间）。经过一定的延时后，活塞杆移动到右端，通过杠杆压动微动开关（通电延时触头），使其常闭触头断开，常开触头闭合，起到通电延时作用。当线圈断电时，电磁吸力消失，动铁心在反力弹簧的作用下释放，并通过活塞杆将活塞推向左端，这时气室内的空气通过橡胶膜和活塞杆之间的缝隙排掉，瞬动触头和延时触头迅速复位，无延时。

如果将通电延时型时间继电器的电磁机构反向安装，就可以改为断电延时型时间继电器，如图2-221c所示。时间继电器触头闭合情况见表2-17。

空气阻尼式时间继电器的优点是延时范围大、结构简单、寿命长、价格低廉，且不受电源电压及频率波动的影响，其缺点是延时误差大、无调节刻度指示，难以精确整定延时时间。一般适用延时精度要求不高的场合。

在使用空气阻尼式时间继电器时，应保持延时机构的清洁，防止因进气孔堵塞而失去延时作用。

（3）电动式时间继电器 这种继电器由微型同步电动机拖动，也分为通电延时和断电延时两种。其结构由同步电动机、减速齿轮、差动齿轮、离合电磁铁、触头、脱扣机构、凸轮和复位游丝等组成。通过改变凸轮的初始位置，可以改变延时的设定时间。整定时离合电磁铁的线圈要求断电。

电动式时间继电器的优点是延时时间长，整定偏差和重复偏差小，精度高，延时时间不受电源电压波动和环境温度变化的影响等。其缺点是机构复杂、价格昂贵、延时时间精度受电源频率的影响等。

（4）电子式时间继电器 这种继电器由晶体管或集成电路和电子元器件等构成。目前已有采用单片机控制的时间继电器。电子式时间继电器具有延时范围广、精度高、体积小、耐冲击和耐振动、调节方便及寿命长等优点，所以发展很快，应用广泛。目前，在时间继电器中已成为主流产品。晶体管式时间继电器利用电容充放电原理来达到延时目的，其输出形式有两种：有触点式和无触点式，前者是用晶体管驱动小型磁式继电器，后者是采用晶体管或晶闸管输出。

3.热继电器

热继电器主要用于电气设备（主要是电动机）的过负荷（过载）保护。热继电器是利用电流热效应原理工作的，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，它与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流（过载和断相）现象。如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许的；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。常用的电动机保护装置种类很多，使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。目前，双金属片式热继电器均为三相式，有带断相保护和不带断相保护两种。

（1）工作原理 图2-222b为双金属片式热继电器的基本结构，图2-222c为其图形符号。由图可见，热继电器主要由双金属片、热元件、复位按钮、动作机构、调节旋钮、复位按钮、触头和接线端子等组成。

双金属片是将两种线膨胀系数不同的金属用机械辗压方法使之形成一体的。膨胀系数大的（如铁镍铬合金、铜合金或高铝合金等）称为主动层，膨胀系数小的（如铁镍类合金）称为被动层。由于两种线膨胀系数不同的金属紧密地贴合在一起，当产生热效应时，使得双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，由弯曲产生的位移带动触头动作。

热元件一般由铜镍合金、镍铬铁合金或铁铬铝等合金电阻材料制成，其形状有圆丝、扁丝、片状和带材几种。热元件串接于电动机的定子电路中，通过热元件的电流就是电动机的工作电流（大容量的热继电器装有速饱和互感器，热元件串接在其二次回路中）。当电动机正常运行时，其工作电流通过热元件产生的热量不足以使双金属片变形，热继电器不会动作。当电动机发生过电流且超过整定值时，双金属片的热量增大而发生弯曲，经过一定时间后，使触头动作，通过控制电路切断电动机的工作电源。同时，热元件也因失电而逐渐降温，经过一段时间的冷却，双金属片恢复到原来状态。

热继电器动作电流的调节是通过旋转调节旋钮来实现的。调节旋钮为一个偏心轮，旋转调节旋钮可以改变传动杆和动触头之间的传动距离，距离越长动作电流就越大，反之动作电流就越小。

热继电器复位方式有自动复位和手动复位两种，将复位螺钉旋入，使常开的静触头向动触头靠近，这样动触头在闭合时处于不稳定状态，在双金属片冷却后动触头也返回，为自动复位方式。如将复位螺钉旋出，触头不能自动复位，为手动复位置方式。在手动复位置方式下，需要在双金属片恢复原状时按下复位按钮才能使触头复位。

（2）选用原则 热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素，具体应按以下几个方面来选用：

1）热继电器结构型式的选择：星形联结的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。

2）热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.05～1.1倍。

3）热继电器一般适用于连续工作的电动机。对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。

4.速度继电器

速度继电器又称为反接制动继电器，主要用于三相笼型异步电动机的反接制动控制。在游乐设施中也可用于超速保护。图2-223为速度继电器的工作原理及图形符号，它主要由转子、定子和触头3部分组成。转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。其转子轴与被控电动机的轴相连接，当电动机转动时，转子（圆柱形永久磁铁）随之转动产生一个旋转磁场，定子中的笼型绕组切割磁力线而产生感应电流和磁场，两个磁场相互作用，使定子受力而跟随转动，当达到一定转速时，安装在定子轴上的摆锤推动簧片触头运动，使常闭触头断开，常开触头闭合。当电动机转速低于某一数值时，定子产生的转矩减小，触头在簧片作用下复位。

5.固态继电器

固态继电器是采用半导体器件代替传统电触头作为切换装置的，具有开关速度快、工作频率高、质量轻、使用寿命长、噪声低和动作可靠等优点，固态继电器按其负载类型分类，可分为直流型和交流型。固态继电器用于控制直流电动机时，应在负载两端接入二极管，以阻断反电势。控制交流负载时，则必须估计过电压冲击的程度，并采取相应保护措施（如加装RC吸收电路或压敏电阻等）。当控制电感性负载时，固态继电器的两端还需加压敏电阻。 交流型固态继电器的结构原理及图形符号如图2-224所示。

6.压力继电器

压力继电器主要用于对液体或气体压力的高低进行检测并发出开关量信号，以控制电磁阀、液泵等设备对压力的高低进行控制。图2-225为压力继电器的基本结构及图形符号。

压力继电器主要由压力传送装置和微动开关等组成，液体或气体压力经压力入口推动橡胶膜和滑杆，克服弹簧反，作用力向上运动，当压力达到给定压力时，触动微动开关，发出控制信号，旋转调压螺母可以改变给定压力。

2.3.1.5 漏电电流动作保护器

漏电电流动作保护器又称为剩余电流保护器（RCD），简称漏电保护器，主要是用来对有致命危险的人身触电进行保护。它的功能是提供间接接触保护。 额定漏电动作电流不超过 30mA 的漏电保护器,在其他保护措施失效时,也可作为直接接触的补充保护,但不能作为唯一的直接接触保护。

1.工作原理

漏电保护器按工作原理可分为电压型和电流型两大类，电压型漏电保护器应用面窄，且缺点较多，这里不作介绍。下面介绍常用的电流型漏电保护器的原理。

电流型漏电保护器的工作原理如图2-226所示，它由零序电流互感器、电子放大器、晶闸管和脱扣器等部分组成。零序电流互感器是关键器件，制造要求很高，其构造和原理跟普通电流互感器基本相同，零序电流互感器的一次线圈是绞合在一起的4根线，3根相线1根零线，而普通电流互感器的一次线圈只是1根相线。一次线圈的4根线要全部穿过互感器的铁心，4根线的一端接电源的主开关，另一端接负载。正常情况下，不管三相负载平衡与否，同一时刻4根线的电流和（矢量和）都为零，4根线的合成磁通也为零，故零序电流互感器的二次线圈没有输出信号。

当相线对地漏电时，如图2-226中的人体发生触电事故时，触电电流经大地和接地装置回到中性点。这样同一时刻4根线的电流和不再为零，产生了剩余电流，剩余电流使铁心中有磁通通过，从而互感器的次级线圈有电流信号输出。互感器输出的微弱电流信号输入到放大器6进行放大，放大器的输出信号用作晶闸管7的触发信号，触发信号使晶闸管导通，晶闸管的导通电流流过脱扣器线圈8使脱扣器动作而将主开关2断开。压敏电阻5的阻值随其端电压的升高而降低，压敏电阻的作用是稳定放大器6的电源电压。

上述电路是针对三相四线制、中性点接地供电系统的，这种漏电保护器也适用于三相三线制、双相两线制和单相两线制，也适用于不接地系统。

2.主要分类

漏电保护器按功能可分为漏电保护开关和继电器；按原理可分为电磁式和电子式；按动作时间可分为瞬时动作式和延迟动作式；按使用方式可分为固定式和移动式；按功能多样性可分为单一功能和多功能剩余电流断路器。

（1）漏电保护开关和继电器 漏电保护开关装有脱扣装置，当检测到漏电信号时能利用脱扣装置直接把电源切断。漏电保护继电器没有脱扣装置，但装有继电器，当检测到漏电信号时继电器动作，继电器的动作信号可以输入到报警器报警，提示工作人员排除故障，或输入到其他自动控制装置。

（2）电磁式和电子式漏电保护器 电磁式漏电保护器只采用电磁机构，没有电子电路。零序电流互感器的输出信号直接输入到脱扣器或继电器。而电子式漏电保护器同时采用了电磁机构和电子电路。

（3）瞬时式和延迟式漏电保护器 瞬时式漏电保护器检测到漏电信号时能立刻动作，其动作时间要求在0.1s以内。瞬时式漏电保护器用于末级（终端）保护场合，如施工现场的开关箱、家庭配电箱。

延迟式漏电保护器检测到漏电信号后延迟一定时间动作，其延迟动作时间有0.2s、0.4s、0.8s、1.0s、1.5s和2s，新型漏电保护器的延迟动作时间无级可调。延迟式漏电保护器用于分级保护场合，如施工现场的总配电箱、楼宇的总配电箱。

（4）固定式和移动式漏电保护器 固定式漏电保护器已经实现了模块化和模数化，能安装在标准导轨上，用于配电室、配电箱、开关箱中。移动式漏电保护器有电源插头，能插在电源插座上，可供移动式设备临时使用。

（5）多功能漏电保护器 漏电保护断路器是将漏电保护器和小型低压断路器结构一体化的多功能组合电器称漏电保护断路器，已经广泛采用。

自动重合闸漏电保护器是指跳闸后几秒钟内能自动重新合闸一次或二次的漏电保护器。这种漏电保护器提高了供电可靠性，一般不会增加人体触电的危害性，因为跳闸后人体即可摆脱电源。

过热保护漏电保护器用于电热器具，同时实现了漏电和过热保护。

智能漏电保护器正常漏电电流的变化是缓慢的，而触电电流是突然产生的，根据这个规律智能漏电保护器能把正常漏电电流和触电电流区分开来，能随着正常漏电电流的变化自动调整漏电动作电流，从而减少了误动和拒动现象，提高了供电可靠性。

3.基本特点

（1）漏电保护器的优点 漏电保护器在反应触电方面具有高灵敏性和快速性，而且只反应系统的剩余电流。漏电保护器不但能预防人体触电，还能预防电气设备接地故障电弧引起的火灾或爆炸，接地故障电弧引起的火灾约占电气火灾总数的1/2。

（2）漏电保护器的缺点

1）不能预防人体两相触电：由于零序电流互感器只有当相线和地之间存在漏电流时才有输出信号，漏电保护器也才会动作；而当人体两相触电（相线之间，相线和零线之间有漏电）时，这时的触电电流相当于正常的负载电流，零序电流互感器没有输出信号，漏电保护器并不动作。

2）影响供电的可靠性：人体触电电流、设备漏电电流和其他不明原因都可能造成漏电保护器动作，其中触电电流造成的漏电保护器动作只占少数（约10%），从而降低了供电的可靠性。

3）误动或拒动：漏电保护器构造复杂、比较容易出故障，漏电保护器（特别是电子式）的动作可靠性受电源电压、环境条件（温度、湿度等）等因素影响较大，而有误动或拒动现象。

4.主要参数

（1）额定电压 漏电保护器正常工作时承受的合适电压值称为额定电压，一般为220V或380V。

（2）额定电流 漏电保护器正常工作时能承受的最大电流值称为额定电流，优先系列值为：6A、10A、16A、20A、25A、32A、40A、50A、63A、80A、100A、125A、160A、200A。

（3）额定漏电动作电流 是指使漏电保护器必须动作的最小漏电电流。它体现了漏电保护器的保护灵敏度，优先系列值为：6mA、10mA、30mA、50mA、100mA、300mA、500mA、1A、3A、5A、10A、20A。额定漏电动作电流有的是固定的，有的分级可调或连续可调。

（4）机械寿命和电气寿命 额定电流不大于25A时，操作循环次数为4000次，其中有载操作次数为2000次，无载操作次数为2000次。额定电流大于25A时，操作循环次数为3000次，其中有载操作次数为2000次，无载操作次数为1000次。

（5）额定漏电动作时间 从发生漏电到保护器动作的最长时间称为额定漏电动作时间。当额定漏电动作电流小于或等于30mA时要求小于0.1s，当额定漏电动作电流大于30mA时要求小于0.2s。

（6）额定漏电不动作电流 不能造成漏电保护器动作的最大漏电电流称为额定漏电不动作电流，一般规定为额定漏电动作电流的1/2。电气设备正常情况下也有很小的漏电电流，正常漏电电流可能造成漏电保护器的误动作。为减少这种误动作，提高供电的可靠性，特规定了这一指标。

5.与保护接零（地）的比较

漏电保护器和保护接零（地）的保护原理不同。保护接零（地）属于事前预防型措施，即保护接零（地）能将设备漏电现象消灭在萌芽状态，以免人体接触到漏电设备外壳造成人体触电。而漏电保护器属于事后保护措施，只有人体触电后且触电电流达到一定数值时漏电保护器才可能发挥作用，漏电保护器虽然是事后措施，但能迅速将人体触电现象扼杀在萌芽状态。漏电保护器和保护接零（地）各有优缺点，同时采用漏电保护器和保护接零（地）能使二者取长补短、互为备用，大大提高安全系数，但不得用漏电保护器代替保护接零（地）。

2.3.1.6 接触器

接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路和控制电路的自动控制电器。它具有低电压释放保护功能，在电力拖动自动控制电路中被广泛应用。接触器有交流接触器和直流接触器两大类型。

1.交流接触器

图2-227所示为交流接触器，它由电磁机构、触头系统、灭弧装置和其他部件等部分组成。

（1）电磁机构 电磁机构由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成。

（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，有三对或四对常开触头；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）其他部件 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。

如图2-227所示，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，后一位的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，克服弹簧反作用力，吸引动铁心向下运动，动铁心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，电磁力小于弹簧反作用力，常开触头断开，常闭触头闭合。

2.直流接触器

直流接触器的结构和工作原理与交流接触器基本相同。但也有不同之处，主要区别有：

1）交流接触器有三对或四对主触头；直流接触器两对主触头。

2）交流接触器的铁心是用硅钢片叠铆而成；直流接触器是用整块轻铁制成。

3）交流接触器的线圈有骨架，形状为矮胖型；直流接触器的线圈无骨架，形状为细长型。

4）交流接触器的操作频率低；直流接触器的操作频率高。

5）由于直流电弧比交流电弧难以熄灭，直流接触器常采用磁吹式灭弧装置灭弧。

3.接触器的主要参数

（1）额定电压 接触器的额定电压是指主触头的额定电压。交流接触器有220V、380V和660V，在特殊场合应用的额定电压高达1140V；直流接触器主要有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10～800A。

（3）吸引线圈的额定电压 交流接触器有36V、127V、220V和380V，直流接触器有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%。

4.接触器的选择

1）根据负载性质选择接触器的类型。

2）额定电压应大于或等于主电路工作电压。

3）额定电流应大于或等于被控电路的额定电流。对于电动机负载，还应根据其运行方式适当增大或减小。

4）吸引线圈的额定电压与频率要与所在控制电路的选用电压和频率相一致。

2.3.2 电气控制

1.继电接触器控制

通过开关、按钮、继电器、接触器等电器触头的接通或断开来实现的各种控制叫作继电接触器控制。这种控制方式构成的自动控制系统称为继电接触器控制系统。典型的控制环节有点动控制、单向自锁运行控制、正反转控制、自动往复行程控制和时间控制等。

电动机在使用过程中由于各种原因可能会出现一些异常情况，如电源电压过低、电动机电流过大、电动机定子绕组相间短路或电动机绕组与外壳短路等，如不及时切断电源则可能会对设备或人身带来危险，因此必须采取保护措施。常用的保护环节有短路保护、过载保护、零电压保护和欠电压保护等。

下面以常见的交流异步电动机正反转控制电路来进行说明其控制原理。

电动机在使用过程中往往需要实现可逆运行，这就需要电动机可以正反转。由电动机的原理可知，将接至电动机的三相电源进线中的任意两相对调，即可实现电动机反转。因此，正反转控制电路实质是两个方向相反的单向运行电路。同时，为了避免误动作引起电源相间短路，需要在其中加入必要的互锁措施。

图2-228a为用手操作按钮实现电动机正反转控制电路。SB1控制正转，SB2控制反转，SB3用于停止控制。按下SB1，交流接触器KM1线圈通电，接触器主触头闭合，电动机正转运行。同时，与SB1并联的常开辅助触头KM1闭合，这样，当SB1复位时，接触器KM1线圈仍可通过KM1的辅助触头通电，从而保持电动机的连续运行。这种依靠接触器自身辅助触头而保持其自身通电的现象称为自锁。起自锁作用的辅助触头称为自锁触头。为了避免误动作引起的电源相间短路，利用KM1和KM2两个接触器的常闭触头起相互控制，即一个接触器通电时，利用其常闭辅助触头的断开来锁住对方线圈的电路。这种利用两个接触器的常闭辅助触头相互控制的方法叫作互锁，而两对起互锁作用的触头叫作互锁触点。

图2-228a所示控制电路要进行实现正反转操作时，必须先按下停止按钮SB3，再进行反向起动，操作比较麻烦。图2-228b使用按钮互锁，首先使用和按钮常开触头联动的常闭触头的断开对方支路线圈电流，再利用常开触头的闭合接通通电线圈电流，可以很方便地使电动机由正转进入反转，或由反转进入正转。

2. PLC控制

可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

（1）PLC概述 在继电接触器控制中提到的例子是简单的工业控制，实际的工业控制系统要复杂得多。例如几十台电动机及控制电器组成的生产线，或者是具有复杂逻辑或关联变化的模拟量控制系统。这些系统如果采用继电接触器构成，则可能需要几十甚至数百的继电器、接触器、成千上万根导线以及对应的成千上万的接线点。这样的系统往往容易出现故障，任何一只电器或连接点的故障都会导致整个系统不能正常运行，而且大量的电器和连接点导致维修困难，同时，也使得系统的功能变化异常困难，不利于产品的升级换代。

（2）PLC的特点

1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。某些品牌的PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关触头已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性。

2）应用灵活，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。用户可以根据自己的需求灵活选择，以满足各种控制要求。

3）易学易用，编程方便。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。其采用的梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，深受工程技术人员欢迎。

4）功能强，扩展性好。现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。同时具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。

5）系统开发周期短，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。另外，PLC有完善的自我诊断及监控功能，便于工作人员查找故障原因。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。适合多品种、小批量的生产场合。

6）体积小，重量轻，能耗低。由于PLC采用了半导体集成电路，体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低，并且由于具备很强的抗干扰能力，使其容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

（3）PLC的基本工作原理 PLC采用循环顺序扫描的工作方式，如图2-229所示。其工作过程的特点是：

1）每次扫描过程集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。

2）对于输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3）一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新等阶段。

4）元件映像寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5）扫描周期的长短由CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间和指令条数三条决定。

6）由于采用集中采样、集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

PLC采用的这种周期循环扫描，集中输入与输出的工作方式可以提高可靠性，增强抗干扰能力。但也存在速度较慢、响应滞后的特点。可以说，PLC是用降低速度来保障高可靠性。

（4）PLC的编程语言 PLC是一种工业控制计算机，主要使用者是工厂的电气技术人员，为了适应他们的传统习惯以及方便掌握，PLC的编程语言不同于一般的计算机汇编语言。国际电工委员会（IEC）1994年5月颁布的IEC1131-3《可编程控制器语言标准》为PLC制定了5种标准的编程语言，包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括：梯形图、功能块图、顺序功能图。文本化编程语言包括：指令表和结构化文本。IEC 1131-3的编程语言是IEC工作组对世界范围的PLC厂家的编程语言合理地吸收、借鉴的基础上形成的一套针对工业控制系统的国际编程语言标准，它不但适用于PLC系统，而且还适用于更广泛的工业控制领域。

1）顺序功能图（Sequential function charts，SFC）：不仅仅是一种语言，SFC更是一种图形化的方法。

2）梯形图（Ladder diagram，LD）：以图形化的方式表达了多层连接和特殊指令模块，它起源于继电梯形逻辑（relay-ladder logic）。

3）指令集（Instruction list，IL）：一种基于文本的语言，类似于汇编。

4）结构化文本（Structured text，ST）：基于文本的语言，类似于Pascal语言。

5）功能模块图（Function block diagram，FBD）：一种图形语言，广泛应用在过程工业中。

3.微机控制

计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以达到某种最优化目标。

随着半导体技术的快速发展，微型机的功能和性能不断得到增强和提到，广泛应用于工业控制领域。在许多大型的游乐设施中，为了让游客得到更好的体验以及更高的可靠性，对电动机的综合调速性能提出了更高的要求，因此也采用了微机控制的电动机调速系统。采用微机控制不但控制手段灵活、可靠性高，同时还可以利用计算机的逻辑判断和数值运算功能，对实时采样的数据进行必要的处理和分析，利用故障诊断模型或专家库进行推理，对故障类型或故障发生处做出正确判断。

那么微机控制和PLC控制的区别是什么呢?

简而言之，微型计算机是通用的专用机，而PLC则是专用的通用机。从微型计算机的应用范围来说，微型计算机是通用机，而PLC是专用机。微型计算机是在以往计算机与大规模集成电路的基础上发展起来的，其最大特征是运算快，功能强，应用范围广。例如，近代科学计算、科学管理和工业控制等都离不开它。所以说，微型计算机是通用计算机；而PLC是一种为适应工业控制环境而设计的专用计算机，选配对应的模块便可适用于各种工业控制系统。而用户只需改变用户程序即可满足工业控制系统的具体控制要求。如果采用微型计算机作为某一设备的控制器，就必须根据实际需要考虑抗干扰问题和硬件软件设计，以适应设备控制的专门需要。这样，势必把通用的微型计算机转化为具有特殊功能的控制器而成为一台专用机。

PLC与微型计算机的主要差异及各自的特点主要表现为以下几个方面：

（1）应用范围 微型计算机除了控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而PLC主要用于工业控制。

（2）工作环境 微型计算机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。PLC则使适用于工业现场环境。

（3）输入/输出 微型计算机系统的 I/O 设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用光耦合，输出还采用继电器晶闸管或大功率晶体管进行功率放大。

（4）程序设计 微型计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编、FORTRAN、COBOL、PASCAL、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件知识和软件知识。而PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。

（5）系统功能 微型计算机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查，用户程序的输入和修改，用户程序的执行与监视。

（6）运算速度和存储容量 微型计算机运算速度快，一般为微秒级，因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。PLC软件少，所编程序也简短，故内存容量小。

（7）硬件成本 微型计算机机是通用机，功能完善，故价格较高；而PLC是专用机，功能较少，其价格是微型计算机的1/10左右。

2.3.3 电动机

电动机是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机两种。直流电动机根据励磁方式的不同，又可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机等种。交流电动机按工作原理分为同步电动机和异步电动机。交流异步电动机按照转子结构又可分为笼型异步电动机、绕线转子异步电动机。由于异步电动机的使用范围最广，以下将以三相交流异步电动机为例进行介绍。

2.3.3.1 电动机的起动

1.笼型异步电动机的起动

对于功率较小的笼型异步电动机可以进行全压直接起动，而较大功率的笼型异步电动机（大于10kV）因起动电流较大，会对电网产生冲击，一般采用减压起动方式来起动，即起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动后再将电压回复到额定值。由于电枢电流和电压成正比，所以降低电压可以减小起动电流，不致在电路中产生过大的电压降，较少对线路电压的影响。

笼型异步电动机常见的减压起动方式有定子串联电阻、星形-三角形换接、自耦变压器和延边三角形起动等几种。

（1）定子串联电阻减压起动控制电路 图2-230是定子串联电阻减压起动控制电路。电动机起动时，在三相定子电路中串接电阻，让定子绕组电压降低，起动结束后，将电阻短接，电压恢复到额定值。

图2-231b所示电路的工作原理是：合上电源开关QS，按起动按钮SB2，KM1得电吸合并自锁，电动机串联电阻R起动。接触器KM1得电同时，时间继电器KT得电吸合，其延时闭合常开触头使接触器KM2经延时后得电，主电路电阻R被短接，电动机在全压下进入正常稳定运转。从主电路看，只要KM2得电就能使电动机正常运行。但该电路的缺点是电动机起动后KM1和KT一直得电，而且缩短了元件的使用寿命。图2-231c解决了这一问题，接触器KM2得电后，用其常闭触头将KM1及KT的线圈电路切断，同时KM2自锁。这样，在电动机起动后，只有KM2得电使之正常运行。

（2）星形-三角形（Y-△）换接减压起动控制电路 这种控制电路是在游乐设施中经常采用的。如图2-231所示，起动时，定子绕组首先接成星形，等转速上升到接近额定转速时，将定子绕组的接线由星形接成三角形，电动机便进入全压正常运行状态。

图2-231所示电路的工作原理是：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，KM1、KT和KM3线圈通电，电动机接成星形并减压起动。随着电动机的转速升高，起动电流下降，此时时间继电器KT的延时时间到达，其延时断开的常闭触头断开，延时闭合的常开触头闭合，因此KM3线圈断电，KM3的触头释放。KM2线圈得电，KM2触头吸合。电动机接成三角形正常运行。此时KT也断电复位。

定子绕组星形联结状态下的起动电压为三角形联结直接起动电压的。起动转矩为三角形联结直接起动转矩的1/3，起动电流也为三角形直接起动电流的1/3。因此适用于轻载或空载起动。

（3）自耦变压器减压起动 这种起动方式是依靠自耦变压器的降压作用来限制起动电流的。起动时电动机定子绕组接自耦变压器的二次侧，起动完毕后，电动机定子绕组接三相交流电源，并将自耦变压器从电网切除。

图2-232为利用自耦变压器降压起动原理制成成品的补偿降压起动器的控制电路，利用时间继电器切换能可靠地完成由起动到运行的转换过程，不会造成起动时间的长短不一的情况，也不会因起动时间过长造成烧毁自耦变压器事故。

（4）延边三角形减压起动 星形-三角形减压起动方式的起动转矩较低，仅适用于空载或者轻载的状态下起动。而延边三角形减压起动是一种既不增加起动设备，又能得到较高起动转矩的起动方法。

图2-233为延边三角形电动机定子绕组抽头的连接方式，图2-234为延边三角形减压起动的控制电路。

由图2-234可知，按下起动按钮SB2后，接触器KM1和KM3通电，电动机接成延边三角形，待经过一段时间，起动电流达到一定值时，时间继电器KT动作，KM3断电释放，KM2通电吸合，电动机接成三角形正常运行。

虽然延边三角形减压起动的起动转矩比星形-三角形起动的起动转矩大，但仍然小于自耦变压器起动时的最高转矩，同时延边三角形接线的电动机制造工艺复杂。因此未能得到广泛的运用。

2.绕线转子异步电动机的起动

绕线转子异步电动机可以通过集电环在转子中串接电阻起动，以减小起动电流，提高转子电路功率因数和起动转矩。因此，在一般要求起动转矩较高的场合，绕线转子异步电动机得到了广泛应用。绕线转子异步电动机常见起动电路有转子回路串接电阻起动和转子回路串频敏变阻器起动。

（1）转子回路串接电阻起动控制电路 电路中串接的起动电阻一般接成星形。在起动前全部接入电路，起动过程中逐步分段短接。短接的方法分为三相电阻不平衡短接法和三相电阻平衡短接法两种。不平衡短接法是每相的起动电阻轮流被短接，而平衡短接法是指三相的起动电阻同时被短接。

图2-235是采用不平衡短接法，利用时间继电器控制自动短接起动电阻的控制电路。转子回路中的三段起动电阻的短接依靠三只时间继电器KT1、KT2、KT3和接触器KM1、KM2、KM3的相互配合来实现。通电后，KT1、KT2、KT3的常开触头依次延时闭合，则对应的KM1、KM2、KM3依次通电吸合，逐级短接起动电阻。

采用时间控制逐级短接电阻起动时，由于电阻被逐段短接，电流和转矩会突然增大，产生不必要的机械冲击。图2-236是一种利用转子电流的大小来控制串电阻起动控制电路。转子电阻采用平衡短接法，三个过电流继电器KA1、KA2、KA3 根据电动机转子电流的变化，控制接触器KM1、KM2、KM3依次得电动作，来逐级切除外加电阻R1、R2、R3。

转子回路串接电阻除了用于起动外，还可以用于调速，这种起动方式适用于要求起动转矩大，并有调速要求的负载。但是也存在控制电路复杂，串接电阻体积大、能耗大等缺点。（2）转子回路串频敏变阻器起动控制电路 频敏变阻器的阻抗能够随着转子电流频率的下降自动减小，是一种较理想的用于绕线转子异步电机的起动设备。起动开始，转子电路频率高，频敏变阻器等效电阻及感抗都增大，限制起动电流也增大起动转矩，随着转速升高，转子电路频率减小，等效阻抗也自动减小、起动完毕，切除频敏变阻器。由此可见，在起动过程中，转子的等效阻抗和转子回路感应电动势都是由大到小，从而实现了近似恒转矩的起动特性。其控制电路如图2-237所示。

2.3.3.2 电动机的制动

电动机的制动方法一般分为两大类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法。机械制动分为通电制动和断电制动两种。电气制动多用于电动机的快速停车。电气制动的实质是在电动机停车时，产生一个与原来旋转方向相反的制动转矩，迫使电动机转速迅速下降。

下面将重点介绍电气制动中的反接制动和能耗制动。

1.反接制动控制电路

反接制动依靠改变电动机定子绕组中三相电源的相序，使电动机旋转磁场反转，从而产生一个与转子惯性转动方向相反的电磁转矩，使电动机转速迅速下降；待电动机制动到接近零转速时，再将反接电源切除。通常采用速度继电器检测速度的过零点。在120～3000r/min范围内速度继电器触头动作，当转速低于100r/min时，其触头恢复原位。

图2-238是一种单向反接制动控制电路，主电路中接触器KM1用于电动运行；KM2通入反相序电源，用于反接制动。R为限制反接制动电流的电阻。起动时，按下SB2，KM1通电并自锁，电动机通电运行。同时速度继电器KS的常开触头闭合。停车时，按下停止按钮SB1，KM1线圈断电，电动机脱离电源，此时由于电动机惯性转速还很高，KS的常开触头还处于闭合状态，因此KM2通电并自锁，电动机得到与正常运行相反相序的三相交流电源，进入反接制动状态，转速迅速下降。当电动机转速接近零时，速度继电器触头复位，KM2断电复位，反接制动结束。

2.能耗制动控制电路

所谓能耗制动，就是在电动机切除三相交流电源之后，定子绕组通入直流电流，在定子、转子之间的气隙中产生静止磁场，惯性转动的转子导体切割该磁场，形成感应电流，产生与惯性转动方向相反的电磁力矩而使电动机迅速停转，并在制动结束后将直流电源切除。

能耗制动可以分为按时间控制原则和速度控制原则两类。

（1）单向能耗制动控制电路 图2-239是采用时间控制原则的单向能耗制动控制电路。停止时，按下停止按钮SB1，KM1断电释放，电动机脱离三相交流电源，而直流电源则由KM2的接通加入定子绕组。时间继电器KT线圈与KM2线圈同时接通并自锁，于是电动机进入能耗制动状态。当转子的惯性速度接近零时，时间继电器延时打开的常闭触头断开KM2的线圈。KM2断电复位，KT的线圈也断电复位。电动机能耗制动结束。

图2-240是采用速度控制原则的单向能耗控制电路。该图与图2-241基本相同，仅仅是取消了时间继电器KT，并用速度继电器KS取代了KT的延时触头。制动时，由于电动机的惯性速度较高，KS的常开触头依然闭合，KM2得电并自锁，电动机进入能耗制动状态。当电动机的转速接近零时，KS的常开触头复位，KM2线圈断电，能耗制动结束。

（2）可逆运行能耗制动控制电路 图2-241是采用时间原则控制的可逆运行能耗制动电路，其制动原理与图2-239相同。当然，也可采用速度控制原则，用速度继电器替代时间继电器。

（3）无变压器能耗制动控制电路 前面介绍的能耗制动均采用了带变压器的桥式整流电路，其制动效果较好，但也存在所需设备多，成本高的缺点。对于10kW以下电动机，在制动要求不高的场合，可采用无变压器的能耗制动，如图2-242所示。

通过上述分析可知，能耗制动比反接制动消耗的能量少，其制动电流也比反接制动电流要小，但制动效果没有反接制动明显，同时需要提供直流电源，控制电路也相对复杂。因此，通常情况下能耗制动适用于电动机功率较大的起动、制动频繁的场合，而反接制动适用于电动机功率较小而制动要求迅速的场合。

2.3.3.3 电动机的调速

电动机调速是指在机械传动系统中人为或自动改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。目前调速系统分为交流调速系统和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着电子工业与科学技术的发展，采用变频调速的交流调速系统在性能上已经能够和直流调速系统相匹敌，加上交流电动机固有的结构简单、造价低、易于维护等优点，使得交流调速系统应用范围逐渐扩大并大有取代直流调速系统的发展趋势。

1.直流调速系统

转速调节的主要技术指标是调速范围、静差率、稳定性和经济指标等。直流电动机的主要优点就是能在很大的调速范围内具有平滑、平稳的调速性能。下面将以他励直流电动机为例，介绍直流调速系统。

我们知道，他励直流电动机的转速公式为

式中 U——他励电动机的电枢电压；

I——电枢电流；

E——电枢电动势；

R——电枢回路的总电阻；

Φ——励磁磁通；

Ce——由电机结构决定的电动势系数。

由公式可见，他励直流电动机的调速方式有三种：电枢回路串联电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。

由于串联电阻调速和弱磁调速都会使他励直流电动机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。常见的调压方式是采用晶闸管触发整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电动机转速的目的。图2-243是采用开环控制的晶闸管调速系统，也称为电源-电动机（V-M）调速系统。该系统组成简单，但实际中很难完成调速指标。因此，将图2-243改为闭环控制，就变成转速负反馈晶闸管直流调速系统，其原理如图2-244所示。

由图2-244可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压（综合）比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。

采用晶闸管调压的优点是晶闸管整流装置不但经济可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动影响同电网中的用电设备，造成“电力公害”。

2.交流调速系统

三相交流异步电动机由于其结构简单、坚固以及价格便宜、易于维护等特点，广泛应用于拖动领域，特别是近些年来新的交流调速方法的出现，使得交流调速运用更加广泛。

我们知道，交流异步电动机的转速公式为

式中 n——转子转速；

n0——同步转速；

f1——电源频率；

p——极对数；

s——转差率。

由上述公式可见，改变交流异步电动机转速可以通过改变电源频率、改变极对数和改变转差率来实现。与之对应的调速方法有变频调速、变极调速、串级调速、转子串电阻调速和定子调压调速等。

（1）变频调速 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。然而只调节电源频率f1是不行的。由U1≈E1=4.44K1N1f1Φm（U1为定子相电压；E1为定子每相由气隙磁通感应的电动势；K1为与电动机绕组有关的常数；N1为定子相绕组有效匝数；f1为电源频率；Φm为每极磁通量）可知，当定子电压不变时，Φm与f1成反比，调节f1会影响磁通Φm的变化，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转；或者使磁路饱和，铁耗急剧增加。因此，进行频率调节的同时要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分为交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交流-直流-交流变频器。变频器一般采用的调速方式是基频以下，采取恒转矩控制方式；基频以上，采取恒功率控制方式。

图2-245是交流-直流-交流变频器的工作原理，先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电逆变成三相交流电。由于输出电压和频率均要求是可变的，又称为VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency）。当然，也可以输出电压和频率均不变的恒压恒频（CVCF，Constant Voltage and Constant Frequency），主要用于不间断电源（UPS）。

交流-直流-交流变频器根据变频器输出频率和电压的控制方式不同，可以分为可控整流器调压、逆变器变频，直流斩波器调压、逆变器变频，逆变器自身调压、逆变器变频3种，其结构型式如图2-246所示。

1）可控整流器调压-逆变器变频。这种结构的变频调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单，控制方便，输出环节用由晶闸管（或其他电子元器件）组成3相6拍变频器；但由于输入环节采用可控整流器，在低压全控时电网端的功率因数较低，还将产生较大的谐波成分，一般用于电压变化不太大的场合。

2）斩波器调压-逆变器变频。这种结构的变频采用不可控整流器，保证变频器的电网侧有较高的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节。这种调压方法可以有效提高变频器电网侧的功率因数，并能方便灵活地调节电压，但增加了一个电能变换环节——斩波器，该方法仍有谐波较大的问题。

3）逆变器调压-变频。这种结构的变频采用不可控整流器产生直流电压，然后通过逆变器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制（PWM）。因采用不可控整流，功率因数高；因用PWM逆变，谐波可以大大减少。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用全控型器件，开关频率得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称为正弦波脉宽调制（SPWM）变频器。该变频器将变频和调节功能集于一身，主电路不用附加其他装置，结构简单，性能优良，成为当前最有发展前途的一种结构形式。

现代通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件组成的PWM逆变器，构成交流-直流-交流电压源型变压变频器，广泛用于中、小容量的变频调速装置。这里的“通用”包含两方面意思：一是可以和通用笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。图2-247是通用交流-直流-交流变频器主电路，各部分的作用如下：

①交流-直流变换部分。VD1～VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。滤波电容器CF1和CF2作用是滤除全波整流后的电压纹波及负载变化引起的电压波动，使直流电压保持平衡。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成（如图中的CF1和CF2）。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。限流电阻RL的作用是变频器刚合闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，用RL限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。开关SL的作用是当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。电源指示的作用是除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作）。

②能耗电路部分。变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。制动电阻RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如DB+，DB-）。制动单元VB由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其作用是为放电电流IB流经RB提供通路。当然如果交流-直流部分采用全控器件构成，可以将再生制动产生的电能回馈到电网中，不需要消耗在制动电阻上。

③直流-交流变换部分。逆变管V1～V6组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。逆变管采用全控型电力电子器件，如GTO、GTR、IGBT和MOSFET等。续流二极管VD7～VD12的作用是:电动机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；频率下降，电动机处于再生制动状态时，再生电流通过VD7～VD12整流后返回给直流电路；V1～V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7～VD12提供通路。

当然，完整的变频器还有其他部分，如控制、检测和保护等部分，如图2-248所示。

为实现电压与频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。由于频率和电压由同一给定值（转速）控制，因此可以保证压频比为恒定值。

变频调速的优点是:效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高。其缺点是：技术复杂，造价高，维护检修困难。它适用于要求精度高、调速性能较好场合。

（2）变极调速 改变异步电动机定子绕组的连接方式，可以改变磁极对数，从而得到不同的转速。由于绕线转子异步电动机在定子绕组极对数变化后必须变更转子绕组，因此变极调速一般仅适用于笼型异步电动机。常见的交流变极调速电动机有双速电动机和多速电动机。

变极调速的优点是：具有较硬的机械特性，稳定性良好，无转差损耗，效率高，接线简单、控制方便，价格低。其缺点是:一台电动机最多只能安装两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法，所以最多只能得到4种转速，与所要求的无级调速相去甚远。

（3）串级调速 串级调速是指绕线转子异步电动机转子回路中串入可调节的附加电动势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电动势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电动机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。

串级调速的优点是：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，工作效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资成本低，调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产。实际上，串级调速在效率、机械特性等方面和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。其缺点是：晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。它适合在风机、水泵及轧钢机、矿井提升机上使用。

（4）转子串电阻调速 转子串电阻调速只适用于绕线转子异步电动机，绕线转子异步电动机的转子可以通过集电环串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，还可用于减压起动。其缺点是：转差功率以发热的形式消耗在电阻上，能耗大；串接电阻体积大，属于有级调速，机械特性较软。

（5）定子调压调速 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压二次方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型异步电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线转子异步电动机上串联频敏电阻。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器和晶闸管调压等。定子调压调速的优点是调压调速电路简单，易实现自动控制；不足之处在于调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。一般适用于100kW以下的游乐设施。