空开、接触器、热继电器按钮等元器件的结构和原理

空开、接触器、热继电器、按钮等元器件的结构和原理授课人：王凯控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。

今天我们所说的空开、接触器、热继电器、按钮都属于低压电器。

低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。

一、空开的结构和原理空开的全名叫做空气开关，又称自动空气断路器，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。

除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路．严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。

1、空气开关的结构DZ5-20型自动空气开关以DZ5－20型自动空气开关为例，其外形及结构如图（一）（二）所示。

DZ5－20型自动空气开关其结构采用立体布置，操作机构在中间。

外壳顶部突出红色分断按钮和绿色停止按钮，通过贮能弹簧连同杠杆机构实现开关的接通和分断；壳内底座上部为热脱扣器，由热元件和双金属片构成，作过载保护，还有一电流调节盘，用以调节整定电流；下部为电磁脱扣器，由电流线圈和铁芯组成，作短路保护用，也有一电流调节装置，用以调节瞬时脱扣整定电流；主触头系统在操作机构的下面，由动触头和静触头组成，用以接通和分断主电路的大电流并采用栅片灭弧；另外，还有常开和常闭触头各一对，可以作为信号指示或控制电路用；主．辅触头接线柱伸出壳外，便于接线。

2、空气开关的动作原理如图（三）所示，1、2为自动空气开关的三副主触头（1为动触头，2为静触头），它们串联在被控制的三相电路中。

当按下接触按钮14时，外力使锁扣3克服反力弹簧16的斥力，将固定在锁扣上面的动触头1与静触头2闭合，并由锁扣锁住搭钩4，使开关处于接通状态。

当开关接通电源后，电磁脱扣器．热脱扣器及欠电压脱扣器若无异常反应，开关运行正常。

当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器6产生足够大的吸力，将衔铁8吸合并撞击杠杆7，使搭钩4绕转轴座5向上转动与锁扣3脱开，锁扣在反力弹簧16的作用下将三副主触头分断，切断电源。

当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件13产生一定热量，促使双金属片12受热向上弯曲，推动杠杆7使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。

欠电压脱扣器11的工作过程与电磁脱扣器恰恰相反，当线路电压正常时电压脱扣器11产生足够的吸力，克服拉力弹簧9的作用将衔铁10吸合，衔铁与杠杆脱离，锁扣与搭钩才得以锁住，主触头方能闭合。

当线路上电压全部消失或电压下降至某一数值时，欠电压脱扣器吸力消失或减小，衔铁被拉力弹簧9拉开并撞击杠杆，主电路电源被分断。

同样道理，在无电源电压或电压过低时，自动空气开关也不能接通电源。

3、使用原则1、自动空气开关的额定工作电压≥线路额定电压。

2、自动空气开关的额定电流≥线路负载电流。

3、热脱扣器的整定电流=所控制负载的额定电流。

4、电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流>负载电路正常工作时的峰值电流。

二、接触器的结构和原理1、分类通用接触器可大致分以下两类。

a交流接触器。

主要有电磁机构。

触头系统。

灭弧装置等组成。

常用的是CJ10。

CJ12。

CJ12B等系列。

b直流接触器，一般用于控制直流电器设备，线圈中通以直流电，直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。

2、结构说明交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。

主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。

交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。

交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场，电磁铁芯由两个「山」字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定铁芯，套有线圈，工作电压可多种选择。

为了使磁力稳定，铁芯的吸合面加上短路环。

交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。

另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的闭合断开。

20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用电路断开时产生的电磁力，快速拉断电弧，保护接点。

接触器具可高频率操作，做为电源开启与切断控制时﹐最高操作频率可达每小时1200次，接触器的使用寿命很高﹐机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则为数十万次至数百万3、动作原理接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作；常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。

三、热继电器的结构和工作原理1、结构它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。

发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。

双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。

图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。

当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。

由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。

热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。

2、工作原理热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。

电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。

若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。

但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。

所以，这种过载是电动机不能承受的。

热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。

使用热继电器对电动机进行过载保护时，将热元件与电动机的定子绕组串联，将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并调节整定电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。

当电动机正常工作时，通过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚好与人字形拨杆接触，而又不能推动人字形拨杆。

常闭触头处于闭合状态，交流接触器保持吸合，电动机正常运行。

若电动机出现过载情况，绕组中电流增大，通过热继电器元件中的电流增大使双金属片温度升得更高，弯曲程度加大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头断开而断开交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。

热继电器其它部分的作用如下：人字形拨杆的左臂也用双金属片制成，当环境温度发生变化时，主电路中的双金属片会产生一定的变形弯曲，这时人字形拨杆的左臂也会发生同方向的变形弯曲，从而使人字形拨杆与推杆之间的距离基本保持不变，保证热继电器动作的准确性。

这种作用称温度补偿作用。

螺钉8是常闭触头复位方式调节螺钉。

当螺钉位置靠左时，电动机过载后，常闭触头断开，电动机停车后，热继电器双金属片冷却复位。

常闭触头的动触头在弹簧的作用下会自动复位。

此时热继电器为自动复位状态。

将螺钉逆时针旋转向右调到一定位置时，若这时电动机过载，热继电器的常闭触头断开。

其动触头将摆到右侧一新的平衡位置。

电动机断电停车后，动触头不能复位。

必须按动复位按钮后动触头方能复位。

此时热继电器为手动复位状态。

若电动机过载是故障性的，为了避免再次轻易地起动电动机，热继电器宜采用手动复位方式。

若要将热继电器由手动复位方式调至自动复位方式，只需将复位调节螺钉顺时针旋进至适当位置即可。

3、热继电器的选择方法热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，如工作环境、启动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。

1、原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响(不动作)。

2、当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。

例如，热继电器的整定值可等于0.95~1.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。

3、当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。

如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。

4、对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。

四、按钮的结构、动作原理和符号按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开‘控制电路’（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。

如图1所示，控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，通常做成复合式，即具有常闭触点和常开触点。

按下按钮时，先断开常闭触点，后接通常开触点；按钮释放后，在复位弹簧的作用下，按钮触点自动复位的先后顺序相反。

通常，在无特殊说明的情况下，有触点电器的触点动作顺序均为“先断后合”。

图l 按钮开关结构示意图1-按钮帽 2-复位弹簧 3-动触点 4-常开静触点 5-常闭静触点在电器控制线路中，常开按钮常用来起动电动机，也称起动按钮，常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停车按钮，复合按钮用于联锁控制电路中。

控制铵钮的种类很多，在结构上有揿钮式、紧急式、钥匙式、旋钮式、带灯式和打碎玻璃按钮。

按钮选择的主要依据是使用场所、所需要的触点数量、种类及颜色。

按钮开关的图形符号及文字符号见图2。

图2 按钮开关的图形和文字符号。