模块一 基本控制电路的继电器-接触器控制和PLC控制

任务1 三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制

1.1 任务目标

● 会描述三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制工作原理。

● 能记住常用低压电器的国标图形符号和文字符号并描述其工作原理。

● 会利用实训设备完成三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制电路的安装、调试和运行等，会判断并排除电路故障。

● 会选择低压电器并利用工具检测元器件的好坏。

● 具有遵循国家标准和遵守规章制度、操作规范以及生产安全的意识；具有利用手册及网络资源等，阅读和查找相关资料的自学能力。

1.2 任务描述

三相异步电动机点动运行的要求：当按下起动按钮时，电动机起动运转；松开按钮后，电动机立即停止运转。使用继电器-接触器控制电路实现控制。

1.3 任务实施

利用实训设备完成三相异步电动机点动运行继电器-接触器控制电路的安装、调试、运行及故障排除。

1. 三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制效果

2. 绘制工程电路原理图

三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制电路原理图如图1-1所示。

3. 选择元器件

1）编制器材明细表。该实训任务所需器材见表1-1。

2）器材质量检查与清点。

4. 安装、敷设电路

1）绘制工程布局布线图。三相异步电动机点动运行继电器-接触器控制电路的工程布局布线图如图1-2所示。

2）安装、敷设电路。

3）通电检查及故障排除。

4）整理器材。

1.4 任务知识点

1.4.1 三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制电路的工作原理

三相异步电动机点动运行的继电器-接触器控制电路原理如图1-1所示，其工作过程是：当合上电源开关QF时，主电路中的电动机M不会起动运转，因为此时交流接触器KM的主触头处在断开状态，电动机M的定子绕组上没有电压。当按下按钮SB时，控制电路中交流接触器KM的线圈得电吸合，主电路中KM的主触头闭合，电动机起动运转。当松开按钮SB时，KM的线圈失电释放，从而使KM的主触头断开，电动机随即停转。

这种按下按钮电动机运转、松开按钮即停转的电路，称为点动控制电路。这种电路常用于快速移动控制或调整机床。

1.4.2 常用低压电器概述

图1-1所示的继电器-接触器控制电路由各种不同的电气元器件组成。电器是所有电工器械的简称，对电能的生产、输送、分配和使用起控制、调节、检测、转换及保护作用。我国现行标准将工作在AC 50Hz或60Hz、额定电压1200V及以下和DC额定电压1500V及以下电路中的电器称为低压电器。低压电器种类繁多、结构各异、用途不同，随着科学技术的不断发展，它将会向着体积小、质量轻、安全可靠、使用方便及性价比高等方向发展。

1. 低压电器的分类及型号

（1）低压电器的分类

低压电器的种类很多，根据用途、动作方式、有无触头和工作原理等的不同，其分类见表1-2。本书将陆续对部分相关低压电器进行介绍。

（2）低压电器的型号

不同的低压电器有不同的型号，其产品型号的组成形式及含义如图1-3所示。其中，低压电器产品型号中的类组代号及派生代号见附录A。

低压电器产品型号中的类组代号与设计代号的组合代表产品的系列，一般称为电器的系列号。同一系列的电气元器件的用途、工作原理和结构基本相同，而规格、容量则根据需要可以有许多种。如JR16是热继电器的系列号，同属这一系列的热继电器的结构、工作原理都相同，但其热元件的额定电流从几安到几百安，有十几种规格；其中，辅助规格代号为3D的热继电器，表示有三相热元件，装有差动式断相保护装置，因此能对三相异步电动机有过载和断相保护功能。

2. 低压电器的技术参数

（1）低压电器的常用技术术语

1）动（操）作：电器的活动部件从一个位置转换到另一个相邻的位置。例如，把电风扇的调速器的风速档位从“1档”旋转到“2档”就是一个动作。

2）闭合：使电器的动、静触头在规定的位置上建立电接触的过程。

3）断开：使电器的动、静触头在规定的位置上解除电接触的过程。

4）接通：由于电器的闭合，从而使电路内电流连续流通的操作。

5）分断：由于电器的断开，从而使电路内电流被截止的操作。

6）控制：使电器设备的工作状态适应于变化运动要求。

7）可逆转化：通过电器触头的转化改变电动机电路上的电源相序（对于直流电动机则为电源极性），以实现电动机反向运转的过程。

（2）低压电器的主要技术参数

为保证电器设备安全可靠工作，国家对低压电器的设计、制造制定了严格的标准，合格的电器产品必须满足国家标准规定的技术要求。用户在使用电气元器件时，必须按照产品说明书中规定的技术条件选用。

1）额定电压。

① 额定工作电压：在规定条件下，能保证电器正常工作的电压值，通常是指触头的额定电压值。有电磁机构的控制电器还规定了电磁线圈的额定工作电压。

② 额定绝缘电压：在规定条件下，用来度量电器及其部件的绝缘强度、电气间隙和漏电距离的额定电压值。除非另有规定，一般为电器最大额定工作电压。

③ 额定脉冲耐受电压：反映电器在其所在系统发生最大过电压时所能耐受的能力。额定绝缘电压和额定脉冲耐受电压共同决定电器的绝缘水平。

2）额定电流。

① 额定工作电流：在规定条件下，保证开关电器正常工作的电流值。

② 额定发热电流：在规定条件下，电器处于非封闭状态，开关电器在8h工作制下，各部件的温升不超过极限数值时所承载的最大电流值。

③ 额定封闭发热电流：在规定条件下，电器处于封闭状态，在所规定的最小外壳内，开关电器在8h工作制下，各部件的温升不超过极限数值时所承载的最大电流值。

④ 额定持续电流：在规定条件下，开关电器在长期工作制下，各部件的温升不超过规定极限数值时所承载的最大电流值。

3）使用类别。有关操作条件的规定组合，通常用额定电压和额定电流的倍数及其相应的功率因数或时间常数等来表征电器额定通、断能力的类别。

4）通断能力。通断能力包括接通能力和分断能力，用非正常负载时接通和分断的电流值来衡量。接通能力是指开关闭合时不会造成触头熔焊的能力；分断能力是指开关断开时能可靠灭弧的能力。

5）绝缘强度。电气元器件的触头处于断开状态时，动、静触头之间耐受的电压值（无击穿或闪络现象）。

6）耐潮湿性能。保证电器可靠工作的允许环境潮湿条件。

7）极限允许温升。电器的导电部件通过电流时将引起发热和温升。极限允许温升是指为防止过度氧化和烧熔而规定的最高温升值（温升值=测得实际温度-环境温度）。

8）操作频率及通电持续率。操作频率是指开关电器每小时内可能实现的最高操作循环次数。通电持续率是电器工作于断续周期工作制时，负载时间与工作周期之比，通常以百分数表示。

9）寿命。控制电器的寿命包括机械寿命和电寿命。机械寿命是指机械电器在需要修理或者更换机械零件前所承受的空载操作循环次数，即在无电流情况下能操作的次数；电寿命是指按所规定的使用条件在需要修理或更换零件前所承受的负载操作循环次数。对于有触头的电器，其触头在工作中除机械磨损外，尚有更为严重的电磨损。因而，电器的电寿命一般小于其机械寿命，故设计时，要求其电寿命为机械寿命的20%～50%。

（3）选择低压电器的注意事项

1）安全原则。安全可靠是对任何电器的基本要求，保证电路和用电设备的可靠运行是正常生活与生产的前提。

2）经济性。包括电器本身的经济价值和使用该电器产生的价值。

3）明确控制对象及其工作环境。

4）明确控制对象的额定电压、额定功率、操作特性、起动电流及工作方式等相关的技术数据。

5）了解备选电器的正常工作条件，如环境温度、湿度、海拔、振动和防御有害气体等方面能力。

6）了解备选电器的主要技术性能，如额定电流、额定电压、通断能力和使用寿命等。

3. 电磁式低压电器

电磁式低压电器一般都由感受部分和执行部分组成。感受部分感受外界信号，并做出反应，自动电器的感受部分大多由电磁机构组成，手动电器的感受部分通常为电器的操作手柄。执行部分即触头系统，是根据感受部分做出的反应而动作，执行接通或分断电路的任务。部分电磁式低压电器还有灭弧装置。电磁式低压电器的基本结构如图1-4所示。

（1）低压电器的电磁机构

电磁机构的主要作用是将电磁能转换为机械能，即将线圈中的电流转换成电磁力，带动触头动作，从而完成电路的接通或分断。

1）电磁机构的结构。电磁机构由线圈、铁心（静铁心）和衔铁（动铁心）等几部分组成，吸引线圈绕在铁心柱上，静止不动，如图1-5所示。按通过线圈的电流种类分为交流电磁机构和直流电磁机构；按电磁机构的形状分为E形和U形；按衔铁的运动形式分为拍合式和直动式。图1-5a为衔铁沿棱角转动的拍合式电磁机构，其铁心材料由电工软铁制成，广泛用于直流电器中；图1-5b为衔铁沿轴转动的拍合式电磁机构，其铁心材料由电工硅钢片叠成，多用于触头容量较大的交流电器中；图1-5c为衔铁直线运动的双E形直动式电磁机构，其铁心材料也是由硅钢片叠成，多用于中、小容量的交流电器中。

① 铁心（衔铁）。交流电磁机构和直流电磁机构的铁心（衔铁）有所不同，直流电磁机构的铁心为整体结构，以增加磁导率和增强散热；交流电磁机构的铁心采用硅钢片叠制而成，目的是减少铁心中产生的涡流（涡流使铁心发热）。

此外，交流电磁机构的铁心一般都有短路环，以防止电流过零时（滞后90°）电磁吸力不足使衔铁振动。短路环示意图如图1-6所示，其作用是将磁通分相，使合成后的吸力在任一时刻都大于反力，消除振动和噪声。

② 线圈。线圈是电磁机构的心脏，按接入线圈电源种类的不同，可分为直流线圈和交流线圈。由于铁心中有磁滞损耗和涡流损耗，因此交流线圈一般做成矮胖形，以便于散热；而直流线圈一般做成瘦长形。

根据励磁的需要，线圈可分串联和并联两种，前者称为电流线圈，后者称为电压线圈。电流线圈连接如图1-7a所示，采用扁铜条带或粗铜线绕制，匝数少，阻抗小，衔铁动作与否取决于线圈中电流的大小，且衔铁动作不改变线圈中电流的大小；电压线圈连接如图1-7b所示，采用细铜线绕制，匝数多，阻抗大，电流小。

从结构上看，线圈可分为有骨架和无骨架两种。交流电磁机构多为有骨架结构，主要用来散发铁心中的磁滞和涡流损耗产生的热量；直流电磁机构的线圈多为无骨架结构。

2）电磁机构的工作原理。当线圈中有电流通过时，通电线圈产生磁场，经铁心、衔铁和气隙形成回路，产生电磁力并克服弹簧的反作用力将衔铁吸向铁心，由连接机构带动相应的触头动作。

（2）低压电器的触头系统

在工作过程中可以断开与闭合的电接触称为可分合接触，又称为触头。触头是成对的，分别称为动触头和静触头。电流容量较小的电器（如接触器、继电器）常采用银质材料作触头，这是因为银的氧化膜电阻率与纯银相似，可以避免表面氧化膜电阻率增加而造成接触不良。

触头的结构形式有多种。按控制电路可分为主触头和辅助触头，主触头用于接通或分断主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或分断控制电路，只允许通过较小的电流。按初始状态可分为动合触头和动断触头，动合触头又称为常开触头，当线圈不带电时，动、静触头断开；动断触头又称为常闭触头，当线圈不带电时，动、静触头闭合。按接触形式可分为桥式触头和指式触头，桥式触头又分为点接触和面接触，点接触适用于电流较小，且触头压力小的场合，常用于继电器电路或作为辅助触头，如图1-8a所示；面接触适用于电流较大的场合，如刀开关、接触器的主触头等，如图1-8b所示；指式触头的接触区为一条直线，因此又称为线接触，触头闭合或断开时产生滚动摩擦，以利于去掉氧化膜，故其触头可以用紫铜制造，特别适合于触头分合次数多、电流大的场合，如图1-8c所示。

（3）低压电器的灭弧装置

开关电器分断电流电路时，触头间电压大于10～20V、电流超过80mA时，触头间会产生强烈而耀眼的光柱，这就是电弧。

1）电弧的产生。当动、静触头断开瞬间，两触头间距极小，电场强度极大，在高热及强电场的作用下，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，这些电子在强电场作用下继续向阳极移动，同时撞击其他中性分子。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。电弧的产生主要经历了4个物理过程：强电场放射、撞击电离、热电子发射、高温游离。

2）电弧的危害。产生电弧时，外部有白炽弧光，内部有很高的温度和密度很大的电流，因此会导致触头烧损，并使电路故障的切断时间延长，同时高温将引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，或形成飞弧造成电源短路，严重时可引起火灾。

3）灭弧的方法。电弧分直流电弧和交流电弧，交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。为加速电弧熄灭，常采用以下方法灭弧。

① 机械灭弧。又称拉弧，通过机械将电弧迅速拉长，使其表面积增大而迅速冷却，加快了触头的断开速度。如开关电器中通过加装强力开断弹簧来实现此目的。

② 吹弧。利用气体或液体介质吹动电弧，使之拉长、冷却。按照吹弧的方向，分纵吹和横吹。另外还有两者兼有的纵横吹、大电流横吹、小电流纵吹。双断口电动力吹弧如图1-9所示。

③ 磁吹灭弧。在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，被冷却熄灭。

④ 栅片灭弧。又称长弧割短弧，即当触头断开时，产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅片而被切割成几个串联的短弧，彼此绝缘的金属片相当于电极，因而就有许多阴阳极压降，对交流电弧来说，在电弧过零时会使电弧无法维持而熄灭，如图1-10所示。

⑤ 窄缝灭弧。在电弧形成的磁场和电场力的作用下，将电弧拉长进入灭弧罩的窄缝中，使其分成数段并迅速熄灭，如图1-11所示，该方式主要用于交流接触器中。

⑥ 多断口灭弧。同一相采用两对或多对触头，使电弧分成几个串联的短弧，从而使每个断口的弧隙电压降低，触头的灭弧行程缩短，提高灭弧能力。

⑦ 利用介质灭弧。电弧中去游离的强度，很大程度取决于所在介质的特性（如导热系数、介电强度、热游离温度和热容量等）。气体介质中氢气具有良好的灭弧性能和导热性能，其灭弧能力是空气的7.5倍；六氟化硫（SF₆）气体的灭弧能力是空气的100倍。因此，把电弧引入充满特殊气体介质的灭弧室中，使游离过程大大减弱，能够快速灭弧。

⑧ 改善触头表面材料。触头应采用高熔点、导电导热能力强和热容量大的金属材料，以减少热电子发射、金属熔化和蒸发。目前，许多触头的端部镶有耐高温的银钨合金或铜钨合金。

1.4.3 开关电器（低压断路器（QF），按钮（SB））

开关电器属于配电电器，用于电能的分配和小型电器设备的控制，是利用触头的闭合和断开在电路中起通断、控制作用的电器。开关电器主要包括刀开关、负荷开关、断路器、漏电保护开关和主令电器等。本节重点介绍低压断路器和按钮，其他开关电器将在知识点拓展中介绍。

1. 低压断路器（QF）

低压断路器又称自动开关或空气开关，可用来分配电能，不频繁起动电动机，对供电线路及电动机等进行保护。它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行失电压保护、过载保护、短路保护和漏电保护的电器。

（1）结构

低压断路器按结构形式分为塑壳式DZ系列（又称装置式）和框架式DW系列（又称万能式）两大类。DZ系列低压断路器的实物图、结构和符号如图1-12所示。低压断路器主要由触头系统、灭弧装置、保护装置和传动机构等组成。触头系统一般由主触头、弧触头和辅助触头组成。灭弧装置采用栅片灭弧方法，灭弧栅一般由长短不同的钢片交叉组成，放置在由绝缘材料组成的灭弧室内。保护装置由各类脱扣器（电磁脱扣器、自动脱扣器及热脱扣器等）构成，以实现短路、失电压和过载等保护功能。

低压断路器型号的组成形式及含义如图1-13所示。DZ型主要是对小容量低压配电线路、电动机等进行过载和短路保护，其常用型号有DZ5、DZ10、DZ108等系列。DW型多用于低压配电系统的主开关，大容量不频繁操作的电动机，以及重要的、负载较大的主干线的过载、失电压和短路保护，常见型号有DW10、DW15、DW17等系列。

低压断路器操作方式有按钮操作、旋钮操作、手柄操作、电磁铁操作和电动机操作等，一般DZ型多为手动操作，大容量需配有电动操作机构。DZ系列的动作时间低于0.02s，DW系列的动作时间大于0.02s。

（2）工作原理

低压断路器的工作原理如图1-14所示。图中低压断路器的3副主触头串联在被保护的三相主电路中，由于搭钩钩住弹簧，从而使主触头保持闭合状态。当线路正常工作时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力不能将它的衔铁吸合；当线路发生短路时，电磁脱扣器的吸力增加，将衔铁吸合，并撞击杠杆把搭钩顶上去，在弹簧的作用下切断主触头，实现了短路保护。当线路上电压下降或失去电压时，欠电压脱扣器的吸力减小或失去吸力，衔铁被弹簧拉开，撞击杠杆把搭钩顶上云，切断主触头，实现了失电压保护。当线路过载时，热脱扣器的双金属片受热弯曲，也把搭钩顶上云，切断主触头，实现了过载保护。

2. 按钮（SB）

按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。主令电器主要用来接通、分断和切换控制电路，即用它来控制接触器、继电器等电器的线圈得电与失电，从而控制电力拖动系统主电路的接通与分断以及改变系统的工作状态。常用的主令电器有按钮、转换开关、行程开关、凸轮控制器等。

（1）结构

按钮的结构种类很多，可分为普通揿钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带紧急制动功能式及钥匙式等，有单钮、双钮、三钮及不同组合形式。但其基本结构和符号类似，如图1-15所示。主要由按钮帽、复位弹簧、桥式动触头、静触头和外壳等组成。为了标明各个按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别，其颜色有红、绿、黑、黄、蓝、白等。通常，红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮。

（2）工作原理

按钮可以完成电路的起动、停止，电动机的正反转、调速以及互锁等基本控制。通常每一个按钮有两对触头，一对动合（常开）触头和一对动断（常闭）触头，其工作原理如图1-16所示。当按下按钮，两对触头动作，先是动断触头断开，然后动合触头闭合；松开按钮时，动合触头先在复位弹簧的作用下复位断开，动断触头后在复位弹簧的作用下复位闭合。

1.4.4 熔断器（FU）

熔断器是一种简单而有效的保护电器，它串联在电路中主要起短路和过电流保护作用。

1. 结构

熔断器的结构和符号如图1-17所示，主要由熔体、外壳和支座3部分组成。熔断器的主要元件是熔体，一般用电阻率较高的易熔合金制成，大多被装在各种样式的外壳里面，常见类型有插入式、螺旋式、封闭式、快速式、自恢复式等。

2. 工作原理

熔断器的工作原理如图1-18所示。当电路正常工作时，流过熔体的电流小于或等于它的额定电流，熔断器的熔体不会熔断；一旦发生短路或严重过载时，熔体因自身发热而熔断，自动分断电路，从而起到保护的作用。

1.4.5 接触器（KM）

接触器是利用电磁吸力进行操作的电磁开关，适用于远距离频繁接通和分断交、直流主电路以及大容量控制电路。接触器主要控制对象是电动机、电热设备、电焊机等，具有欠电压保护、零电压保护、操作方便、动作迅速、操作频率高、灭弧性能好、控制容量大、工作可靠和寿命长等优点，是自动控制系统中应用最多的一种电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同可分为交流接触器和直流接触器两种。

1. 交流接触器

（1）结构

交流接触器的结构和符号如图1-19所示，主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成。电磁系统主要由线圈、静铁心、动铁心（衔铁）组成；触头系统的触头包括主触头和辅助触头；灭弧装置用于迅速切断主触头断开时产生的电弧，常采用灭弧栅灭弧。常用交流接触器有空气电磁式交流接触器、机械联锁交流接触器、切换电容接触器、真空交流接触器和智能化接触器，型号多为CJ系列。

（2）工作原理

交流接触器的工作原理如图1-20所示。当接触器的线圈得电后，线圈中流过的电流产生磁场，使铁心产生足够大的吸力，克服反作用弹簧的反作用力，将衔铁吸合，通过传动机构带动主触头和动合辅助触头闭合、动断辅助触头断开。当接触器线圈失电或电压显著下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁在反作用弹簧的作用下复位，带动各触头恢复到初始状态。

2. 直流接触器

直流接触器主要用于远距离接通和分断直流电路，还用于直流电动机的频繁起动、停止、反转和反接制动等，其实物及结构原理如图1-21所示。直流接触器的动作原理与交流接触器相似，但直流分断时感性负载存储的磁场能量瞬时释放，断点处产生高能电弧，因此要求直流接触器具有一定的灭弧功能。直流接触器有立体布置和平面布置两种结构，中/大容量直流接触器常采用单断点平面布置整体结构，其特点是分断时电弧距离长，灭弧罩内含灭弧栅；小容量直流接触器采用双断点立体布置结构。电磁系统多采用绕棱角转动的拍合式结构，主触头采用双断点桥式结构或单断点转动式结构。常用的产品多为CZ系列。

3. 接触器的主要技术参数及选用

接触器的触头数量、种类应满足控制电路要求，其技术参数见表1-3。

1.4.6 电动机（M）

电机是基于电磁感应原理而运行的电气设备，可以实现机械能和电能间的转换、不同形式电能间的变换以及信号的传递与转换。在实际生产应用中，电机的种类繁多，可以按不同的标准进行划分。一般电机的分类如图1-22所示。本书将以三相异步电动机和直流电动机为例介绍电机的相关知识。

1. 三相异步电动机

异步电机是指电机运行时的转子转速与旋转磁场的转速不相等，或与电源频率之间没有严格不变的关系，且随着负载的变化而改变。三相异步电动机结构简单、制造使用和维护方便、运行可靠、成本低、效率高，主要用在各种生产机械的电力拖动装置中，能满足各行业大多数生产机械的传动要求。

（1）结构

三相异步电动机由3个主要部分组成：一是静止部分，称为定子；二是转动部分，称为转子（或电枢）；三是定子和转子之间留有的一定间隙，称为气隙。图1-23是笼型三相异步电动机的剖面图和零部件拆分图。

1）定子。笼型三相异步电动机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心是导磁部分，即异步电动机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。定子绕组是导电部分，即异步电动机的电路部分，它通过三相电流建立旋转磁场，产生感应电动势以实现机电能量转换。机座是异步电动机机械结构的组成部分，其主要作用是固定和支撑定子铁心，同时也是异步电动机磁路的一部分。

2）转子。笼型三相异步电动机的转子主要由转子铁心、转子绕组和转子轴3部分组成，其作用是带动其他机械设备运转，一般有铜条转子和铸铝转子两种，如图1-24所示。转子铁心是导磁部分，一般固定在转子轴上，其外圆上均匀地冲有许多槽，用来嵌放转子绕组。转子绕组是导电部分，其作用是切割旋转磁场产生感应电动势和感应电流，感应电流产生的磁场在定子旋转的磁场作用下产生电磁转矩。铜条转子绕组是在转子铁心的槽中嵌入铜条，铸铝转子绕组是在槽中浇铸铝液，其两端用端环连接。

3）气隙及其他部分。异步电动机的气隙比同容量的直流电动机的气隙小得多，它的大小对异步电动机的运行性能和参数影响较大。励磁电流由电网供给，气隙越大，则它的磁阻就越大，励磁电流也就越大，而励磁电流又属于无功性质，它会影响电网的功率因数；气隙过小，则将引起装配困难，同时转子还有可能与定子发生机械摩擦，并导致运行不稳定。因此，异步电动机的气隙大小往往为机械条件所能允许达到的最小值，中、小型电动机一般为0.1～1mm。端盖除了起保护作用外，还装有转轴，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却。

（2）工作原理

三相异步电动机定子接三相电源后，有三相对称电流通过的三相定子绕组就在电动机的气隙中产生旋转磁场，如图1-25a所示。转子静止时，转子与旋转磁场之间有相对运动，由此产生感应电动势e和感应电流i，该电流再与旋转磁场相互作用而产生电磁转矩T。电磁转矩的方向与旋转磁场同方向，转子便在该方向上旋转起来，将输入的电能变成旋转的机械能，其工作原理如图1-25b所示。如果电动机轴上带有机械负载（如水泵、切削机床等），则机械负载随着电动机的旋转而运转。

三相异步电动机转子的转速为n，旋转磁场的同步转速为n₁，当n<n₁时，转子与磁场就有相对运动，电磁转矩T使转子旋转，稳定运行在T=T_L情况下。若n=n₁时，转子绕组与旋转磁场之间无相对运动，就不会感应出电动势和电流，也不会产生电磁转矩使转子继续转动。因此，电动机转速n总是略低于旋转磁场的同步转速n₁，故称为异步电动机。由此可知，异步电动机运行的必要条件是保持(n₁-n）>0。

（3）铭牌数据

每一台三相异步电动机，在其机座上都有一块铭牌，铭牌上标注有型号、额定值、接法和绝缘等级等，如图1-26所示。

1）型号。异步电动机型号一般采用汉语拼音的大写字母和阿拉伯数字组成，可以表示电动机的种类、规格和用途等。图1-27为铭牌上电动机型号的含义。

2）额定值。额定值规定了异步电动机正常运行的状态和条件，它是选用、安装和维修电动机时的依据。

① 额定功率P_N：电动机在额定运行状态时轴上输出的机械功率，单位为W或kW。

② 额定电压U_N：电动机在额定运行状态时定子绕组应加的线电压，单位为V。

③ 额定电流I_N：电动机在额定电压下运行，轴上输出额定功率，流入定子绕组的线电流，单位为A。

④ 额定频率f_N：电动机所接的交流电源的频率。我国电力网的频率（工频）规定为50Hz。

⑤ 额定转速n_N：电动机在额定电压、额定频率和额定功率时的转子转速，单位为r/min。

三相异步电动机的额定功率计算式：

式中 cosφ_N——额定功率因数；

η_N——效率。

3）接法。即定子绕组的接线方式，三相异步电动机的定子绕组是三相对称绕组，由三个完全相同的绕组组成，每个绕组即一相，三相绕组在空间相差120°电角度，根据需要可连接成形或△形。图1-26所示Y132S₂-2型电动机，U₁、V₁、W₁分别为绕组的首端，U₂、V₂、W₂分别为绕组的末端，其接线方式如图1-28所示。

特别说明：若铭牌上标明“额定电压为220V/380V、接法为△/”，则表示当电源电压为220V时，为三角形接法；当电源电压为380V时，为星形接法。这两种情况下，每相绕组实际只承受220V电压。

2. 直流电动机

直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流发电机将机械能转换为电能；直流电动机则将电能转换为机械能。直流电动机虽然比三相异步电动机的结构复杂，维护也不方便，但是由于它的调速性能好和起动转矩较大，因此，常用于对调速要求较高的生产机械（如龙门刨床、镗床和轧钢机等）或需要较大起动转矩的生产机械（如起重机械和电力牵引设备等）。直流电动机按励磁方式分为并励电动机、串励电动机、复励电动机和他励电动机4种。

（1）结构

直流电动机主要由磁极、电枢和换向器组成，如图1-29所示。

1）磁极。直流电动机的磁极和磁路如图1-30所示，用硅钢片叠成，固定在机座上，是磁路的一部分，它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组。机座也是磁路的一部分，通常用铸钢制成。

2）电枢。电枢由铁心和绕组组成，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组，如图1-31所示，电枢的旋转使电动机中产生感应电动势。

3）换向器。换向器装在电动机转轴上，如图1-32所示。换向器由锲形换向铜片组成，铜片间用云母（或塑料）垫片绝缘。换向铜片放在套筒上，用压圈固定，压圈本身又用螺母紧固。电枢绕组的导线按一定规则与换向片连接，换向器的凸出部分焊接电枢绕组。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来。

（2）工作原理

直流电动机的工作原理如图1-33a所示。电动机具有一对磁极，电枢绕组是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B，直流电源接在两个电刷上。当直流电动机运行时，N极下电枢绕组有效边中的电流与S极下的电枢绕组有效边中的电流方向相反，根据左手定则，两个边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。当N极下电枢绕组有效边转到S极下，S极下电枢绕组有效边转到N极下时，其两条边上的电流方向由于换向片而同时改变，但电磁力的方向不变，因此电动机连续运行，其运转示意如图1-33b所示。

1.4.7 电气控制系统基础知识

电气控制系统是由电气设备及电气元器件按照一定的控制要求连接而成的。为了清晰地表达生产机械电气控制系统的工作原理，便于系统的安装、调试、使用和维修，将电气控制系统中的各电气元器件用一定的图形符号和文字符号来表示，再将其连接情况用一定的图形表达出来，这种图形就是电气控制系统图，即工程图。常用的电气控制系统图有3种：电路图（电气系统图、原理图和线路图）、元器件布置图和接线图。

1. 图形符号和文字符号

（1）图形符号

图形符号由符号要素、限定符号、一般符号以及常用的非电操作控制的动作符号（如机械控制符号等），根据不同的具体元器件情况组合构成。部分常用图形符号见附录B。

（2）文字符号

电气工程图中的文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。基本文字符号有单字母符号和双字母符号，单字母符号表示电气设备、装置和元器件的大类，如K为继电器类元器件；双字母符号由一个表示大类的单字母与另一个表示元器件某些特性的字母组成，如KM表示继电器类中的接触器。辅助文字符号用来进一步表示电气设备、装置和元器件的功能、状态及特征。部分常用文字符号见附录B。

更多更详细的图形符号和文字符号资料，请查阅有关国家标准。

2. 电路图

电路图用于表达电路、设备、电气控制系统的组成部分和连接关系，习惯上也称为电气原理图。通过电路图，可详细地了解电路、设备、电气控制系统的组成及工作原理，并可在安装、测试和故障查找时提供足够的信息，同时电路图也是编制接线图的重要依据。

（1）识读电路图

电路图一般包括主电路和控制电路。主电路是用电设备的驱动电路，在控制电路的控制下，根据控制要求由电源向用电设备供电。控制电路由接触器和继电器线圈以及各种电器的动合触头、动断触头组合构成控制逻辑，实现所需要的控制功能。主电路、控制电路和其他的辅助电路、保护电路等一起构成电气控制系统。某电动机正、反转的电气原理图如图1-34所示。工程图样通常采用分区的方式建立坐标，以便于阅读查找。图样上方沿横坐标方向划为若干功能区，如“电源开关……”等字样，表明对应区域下方元器件或电路的功能。图样下方沿横坐标方向划分成若干图区，如“1、2、3……”等数字，便于检索电气线路，方便阅读分析。

（2）绘制电路图

电路图分水平布置和垂直布置。水平布置时，电源线垂直绘制，其他电路水平绘制，控制电路中的耗能元件安排在电路的最右端，如图1-35a所示。垂直布置时，电源线水平绘制，其他电路垂直绘制，控制电路中的耗能元件安排在电路的最下端，如图1-35b所示。主电路、控制电路和辅助电路应分开绘制。

电路图中的所有元器件一般不是用其实际的外形图，而是采用国家标准规定的图形符号和文字符号表示的。同一个元器件的各个部件可根据需要出现在不同的地方，但必须用相同的文字符号标注。如图1-35a中的交流接触器KM，其主触头画在主电路中，而吸引线圈则画在控制电路中，都用符号KM标注，表示同一个元器件。同一类电器若在电路中出现多个，都用相同的国标文字符号表示，但在文字符号的后面加上数字或其他字母以示区别，如图1-34中有两个交流接触器，分别用KM1和KM2表示。

在不同的工作阶段，各个电器的动作不同，其触头有时闭合有时断开，但在电气原理图中只能表示出一种情况。因此，电路图中所有元器件的可动部分按电器非激励或不工作的状态和位置进行绘制。如断路器和隔离开关，应处在断开位置；接触器和各种继电器的触头状态，是线圈未通电，触头未动作时的位置；按钮，是未按下时触头的位置；热继电器，是动断触头在未发生过载动作时的位置等。在绘制触头的位置时，应注意使触头动作的外力方向的画法。当电路垂直布置时为从左到右，即垂线左侧的触头为动合（常开）触头，垂线右侧的触头为动断（常闭）触头；当电路水平布置时为从下到上，即水平线下方的触头为动合（常开）触头，水平线上方的触头为动断（常闭）触头。画导线时，图中有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示。无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。电路图中元器件的数据和型号（如热继电器动作电流和整定值的标注、导线截面积等）可用小号字体标注在电器文字符号的下面。

图1-34中交流接触器线圈下方的触头表，用来说明线圈和触头所在图区位置，便于查找相应的元件。其含义如图1-36所示。说明：未使用的触头用“×”表示。

3. 元器件布置图

元器件布置图主要是表明机械设备上所有电气设备和元器件的实际位置，是电气控制设备安装和维修必不可少的技术文件，应考虑安装间隙，并尽可能做到安全、规范、整齐和美观等。图1-37为电动机正、反转的元器件布置图。

4. 接线图

接线图主要用于安装接线、电路检查、电路维修和故障处理，通常表示设备电气控制系统各单元和各元器件的接线关系，并标注出所需数据，如接线端子号、连接导线参数等，实际应用通常与电路图、布置图一起使用。图1-38为电动机正、反转的接线图。

1.5 知识点拓展

1.5.1 其他低压开关电器

1. 刀开关（QS）

刀开关是一种隔离开关，主要用于各种设备和供电线路的电源隔离，也可用于非频繁接通和分断容量不大的低压供电线路，还有转换电路的功能。刀开关没有灭弧装置，也没有保护线路的功能，所以通常不能单独使用，一般要和能切断负荷电流和故障电流的电器（如熔断器、断路器和负荷开关等电器）一起使用。操作时应注意，停电时应将线路的负荷电流用断路器、负荷开关等开关电器切断后再将隔离开关断开，送电时操作顺序相反。隔离开关断开时有明显的断开点，有利于检修人员的停电检修工作。

刀开关一般由刀片（动触头）、刀座（静触头）、绝缘底座、手柄和绝缘外壳等构成。刀开关安装时，要求在合闸状态下手柄应该向上，不能倒装和平装，以防止闸刀松动时误合闸。接线时电源进线应接在刀座上，负载则接在刀片上。

（1）单投刀开关

单投刀开关按极数分为单极、双极、三极，其结构和符号如图1-39所示。

（2）双投刀开关

双投刀开关也称转换开关，其作用和单投刀开关类似，常用于双电源的切换或双供电线路的切换等，其结构和符号如图1-40所示。

2. 封闭式开关熔断器组（QS-FU）

封闭式开关熔断器组又称封闭式负荷开关，由刀开关、熔断器、灭弧装置、操作机构和金属外壳等构成，其结构及符号如图1-41所示。

1）操作机构中装有机械连锁，使盖子打开时手柄不能合闸，手柄合闸时盖子不能打开，这样能保证操作安全。

2）操作机构中，在手柄、转轴和底座之间装有速断弹簧，使刀开关的接通和分断的速度与手柄的操作速度无关，这样有利于迅速灭弧。

3）使用时，外壳应可靠接地，防止意外漏电造成触电事故。

3. 组合开关（QS）

组合开关又称转换开关，主要用于换接电源或负载、测量三相电压和控制小型电动机正反转。组合开关的结构和符号如图1-42所示，它有3个静触片，每个触片的一端固定在绝缘板上，另一端伸出盒外，连在接线端上；3个动触片套在装有手柄的绝缘杆上，转动手柄就可以使3对动静触片同时闭合或断开。由于采用了扭簧储能，开关动作迅速，与操作速度无关。

4. 漏电保护开关

漏电保护开关是一种最常用的漏电保护电器，其实物图如图1-43所示。它既能控制电路的通断，又能保证其控制的线路或设备发生漏电或人身触电时迅速自动掉闸，切断电源，从而保证线路或设备的正常运行及人身安全。

（1）结构

漏电保护开关由零序电流互感器、漏电脱扣器和开关装置3部分组成。零序电流互感器用于检测漏电电流；漏电脱扣器将检测到的漏电电流与一个预定基准值比较，从而判断漏电保护开关是否动作；开关装置通过漏电脱扣器的动作来控制被保护电路的接通或分断。

（2）保护原理

漏电保护开关的原理图如图1-44所示。正常情况下，漏电保护开关所控制的线路没有发生漏电和人身触电等接地故障时，I_相=I_零（I_相为相线上的电流，I_零为零线上的电流）。故零序电流互感器的二次回路没有感应电流信号输出，也就是检测到的漏电电流为零，开关保持在闭合状态，线路正常供电。当线路中有人触电或设备发生漏电时，因为I_相=I_负+I_人，而I_零=I_负，所以，I_相>I_零，通过零序电流互感器铁心的磁通φ_相-φ_零≠0。故零序电流互感器的二次绕组感生漏电信号，漏电信号输入到电子开关输入端，促使电子开关导通，磁力线圈通电产生吸力分断电源，完成人身触电或漏电保护。

5. 行程开关（SQ）

行程开关也称位置开关或限位开关，它是利用生产机械某些运动部件的碰撞使触头动作，从而发出控制指令。其结构和符号如图1-45所示，主要由操作机构、触头系统和外壳构成。使用行程开关时安装位置要准确牢固，若在运动部件上安装，接线应有套管保护，使用时应定期检查，防止接触不良或接线松脱造成误动作。

1.5.2 新型电子式无触头低压电器

有触头电器存在着一些固有的缺点，如因机械磨损、触头的电蚀损耗、触头分合时产生电弧等因素使元件较易损坏，开关动作不可靠等。随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，人们应用电子元器件组成各种新型低压控制电器，可以克服有触头电器的一系列缺点。下面简单介绍几种较为常用的新型电子式无触头低压电器。

1. 接近开关（SQ）

接近开关又称无触头位置开关，其实物图和符号如图1-46所示。接近开关的用途除行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测金属物体是否存在、零件尺寸、定位和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。它具有工作可靠、寿命长、无噪声、动作灵敏、体积小、耐振、操作频率高和定位精度高等优点。

接近开关以高频振荡型为最常用，它占全部接近开关产量的80%以上。电路形式多样，但电路结构不外乎由振荡、检测及晶体管输出等部分组成。它的工作基础是高频振荡电路状态的变化。

当金属物体进入以一定频率稳定振荡的线圈磁场时，由于该物体内部产生涡流损耗，使振荡回路电阻增大，能量损耗增加，以致振荡减弱直至终止。因此，在振荡电路后面接上放大电路与输出电路，就能检测出金属物体存在与否，并能给出相应的控制信号去控制继电器动作。

2. 温度继电器

在温度自动控制或报警装置中，常采用带电触头的汞温度计或热敏电阻、热电偶等制成的各种形式的温度继电器，如图1-47所示，其文字符号为KH。

图1-48为用热敏电阻作为感温元件的温度继电器原理图。当温度在极限值以下时，温度继电器呈现很大电阻值，使A点电位在2V以下，则VT1截止，VT2导通，VT2的集电极电位约2V，远低于稳压管VZ1的5～6.5V的稳定电压值，VT3截止，电流继电器KA不吸合。当温度上升到超过极限值时，温度继电器阻值减小，使A点电位上升到2～4V，VT1立即导通，迫使VT2截止，VT2的集电极电位上升，VZ1导通，VT3导通，KA吸合。该温度继电器可利用KA的动合或动断触头对加热设备进行温度控制，对电动机实现过热保护等，可通过调整电位器RP1的阻值来实现对不同温度的控制。

随着技术的进步，新型电器的种类将不断增加，功能不断完善，可靠性不断提高，以满足自动控制的各种要求。其他低压电器介绍见本书配套资源。

1.6 任务延展

1. 什么是低压电器？低压电器的电磁机构由哪几部分组成？触头的形式有哪几种？

2. 写出下列电器的作用、图形符号和文字符号：

①熔断器②低压断路器③按钮开关④交流接触器

3. 电弧是如何产生的？灭弧的措施主要有哪几种？

4. 低压断路器有哪些脱扣装置？各起什么作用？

5. 简述交流接触器的组成及工作原理。从结构上如何区分是交流接触器还是直流接触器？

6. 三相异步电动机的工作原理是什么？