第1章 电气控制系统基础
1.1 低压电器
1.1.1 低压电器定义及分类
1.低压电器及其应用
电器是指能够根据外界的要求或所施加的信号，自动或手动地接通或断开电路，从而连续或断续地改变电路的参数或状态，以实现对电路或非电受控对象的切换、控制、保护、检测和调节的各类电工器具、装置等电气设备。
电器用途广泛，功能多样，种类繁多、构造各异。按工作电压高低可分为高压电器和低压电器两大类。低压电器通常是指用于在交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V及以下、直流额定电压为1500V及以下的电路内起通断、保护、控制或调节作用的电器。
按低压电器的作用，低压电器可分为：
1）控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。如接触器、各种控制继电器、控制器、起动器等。
2）主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器。如控制按钮、主令开关、行程开关、万能转换开关等。
3）保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。如熔断器、热继电器、保护继电器、避雷器等。
4）配电电器：用于电能的输送和分配的电器。如断路器、隔离开关、刀开关、自动开关等。
5）执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。如电磁铁、电磁离合器等。
近些年来，我国低压电器产品研发、生产和应用都快速发展，产品种类不断丰富、质量不断提高，应用更加广泛。目前，国内外低压电器产品向着体积小、质量小、安全可靠、使用方便的方向发展。微电子技术的应用提高了传统电器的性能，各种电子化的新型产品，如接近开关、光电开关、电子式时间继电器、固态继电器等适应了数字化潮流。
图1-1 低压电器在三相异步电机直接起停控制中的应用示例图
低压电器不仅用于人们的生活和工作，在工业领域更是被广泛使用。以图1-1所示的三相异步电机控制为例，就要使用到隔离开关QS、熔断器FU、接触器KM以及按钮SB等低压电器。当合上隔离开关，按下点动的起动按钮SB2后，由于停止按钮SB1为常闭触点，所以控制回路接通，导致接触器线圈（图中①）得电，接触器主触点（图中②处）闭合，电机控制的一次回路得电，电机开始运转。同时，控制回路中的KM常开触点（图中③处）进行自保，确保SB2断开后控制回路仍然接通。按下停止按钮SB1后，控制回路失电，接触器线圈失电，一次回路断开，电机停止运转。同时，若电路或设备故障导致一次回路短路，则FU熔断，电机停止运转，以保护系统的电气设备。
2.低压电器电磁机构及执行机构
低压电器中大部分为电磁式电器，各类电磁式电器的工作原理基本相同，由检测部分（电磁机构）和执行部分（触点系统）两部分组成。此外还包含灭弧装置和其他辅助部件。
（1）检测部分（电磁机构）
电磁机构的作用是将电磁能转换成机械能并带动触点的闭合或断开，完成通断电路的控制作用。电磁机构由吸引线圈、铁心（静铁心）和衔铁（动铁心）组成，其结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式，图1-2是直动式和拍合式电磁机构的常用结构形式。
图1-2 直动式和拍合式电磁机构的常用结构形式
吸引线圈的作用是将电能转换为磁能，即产生磁通，衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使铁心吸合。通入直流电的线圈称为直流线圈，通入交流电的线圈称为交流线圈。
对于直流线圈，铁心不发热，只是线圈发热，因此线圈与铁心接触以利散热。线圈做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。铁心和衔铁由软钢或工程纯铁制成。
对于交流线圈，除线圈发热外，由于铁心中有涡流损耗和磁滞损耗，铁心也会发热。为了改善线圈和铁心的散热情况，在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨架的矮胖型。铁心用硅钢片叠成，以减小涡流损耗。
另外，根据线圈在电路中的连接方式可分为串联线圈（即电流线圈）和并联线圈（即电压线圈）。串联线圈串接在电路中，流过的电流大，为减少对电路的影响，线圈的导线粗、匝数少，且线圈的阻抗较小。并联线圈并联在电路上，为减少分流作用，降低对原电路的影响，需要较大的阻抗，因此线圈的导线细而匝数多。
（2）执行部分（触点系统）
触点（触头）是电磁式电器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。
触点的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触点用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。
触点按其原始状态可分为常开触点和常闭触点。原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触点叫常开触点；原始状态闭合，线圈通电后断开的触点叫常闭触点。线圈断电后所有触点复原。
触点按其接触形式，分为点接触、线接触和面接触；按其结构形式，分为桥形触点和指形触点，如图1-3所示。桥形触点又分为点接触式和面接触式。点接触式适用于电流不大且接触点压力小的场合，面接触式适用于大电流的场合。指形触点在接通和分断时产生滚动摩擦，可以去掉氧化膜，故其触点可以用紫铜制造。它适用于触点分合次数多且电流大的场合。
图1-3 触点结构形式
（3）灭弧装置
在通电状态下动、静触头脱离接触时，由于电场的存在，使触头表面的自由电子大量溢出而产生电弧。电弧的存在既可烧损触头金属表面，降低电器的寿命，又延长了电路的分断时间，所以必须迅速消除。常用的灭弧装置有电动力吹弧装置、磁吹灭弧装置和栅片灭弧装置等。
（4）辅助部件
辅助部件主要包括复位弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构及外壳等。复位弹簧的作用是当线圈通电时，吸引衔铁将它压缩；当线圈断电时，其弹力使衔铁、动触头复位。缓冲弹簧的作用是缓冲衔铁在吸引时静铁心和外壳的冲击碰撞力。触头压力弹簧用于增加动、静触头之间的压力，增大接触面积，减小接触电阻，避免触头由于压力不足造成接触不良，导致触头过热灼伤，甚至烧损。