电器元件特性识别技巧

分析电气控制系统图的实质，就是分析电路中电器元件的作用（即其特性）。通常，维修人员按照“识别电路符号➡实物判别➡修理或更换”的步骤，可快速准确地查找到电路中的故障元件（如断线、元件性能下降或损坏等），然后修理或更换，从而完成故障电路的检修工作。

1.熔断器（见图2-25）

（1）作用熔断器俗称熔丝/管，是一种利用电流热效应使导体热熔断的原理进行短路保护、过载/过流保护的电器，应用广泛。熔断器串接在单相断路器前或开关电路交流电源的输入端，当电路短路或严重过载时，电流变大，熔体温度达到熔断温度而自动熔断，从而切断被保护电路。

图2-25 熔断器

（2）组成熔断器包括熔体和安装熔体的熔座两部分。其中，熔体由熔点低、易熔断且导电性好的热效应合金材料制成（小电流电路常用铅合金/锌，大电流电路常用片状或笼状的铜/银）；熔座由陶瓷、胶木或塑料制成。熔断器有插入式熔断器、螺旋式熔断器、密封式熔断器和自复式熔断器四种形式。新型熔断器带有熔断指示器（发光二极管），以提示熔体的熔断。

（3）熔断器的选择要根据电路工作电压（≤熔断器的额定电压）和工作电流（≤熔断器的额定电流）来选择熔断器。

1）对于一般电路、直流电动机和线绕式异步电动机，按其工作电流（≤熔断器的额定电流）选择熔断器。

2）鼠笼式异步电动机的直接起动电流为额定电流的5～7倍。为使熔断器既能起到短路保护的作用又能起动电动机，一般按起动电流的1/K（K=1.6～2.5）选择熔断器。电动机轻载且起动时间短的，K值选大一些；电动机重载且起动时间长的，K值选小一些。亦可根据经验公式“熔断器的额定电流=（1.5～2.5）×电路的工作电流”来选择熔断器。

（4）熔体的熔断机理

1）当过电流不太大时，熔体慢慢熔断，金属蒸汽增多，使保险管内呈白雾状。

2）当瞬间过电流极大时，熔体的熔断点呈光亮的烧结点且管壁发黑，则所在电路存在严重的短路现象。

3）也可借助熔体的熔断机理来判断开关电路的故障：半桥中个别开关管不良或击穿（一般不易查），造成局部短路而使保险管内呈白雾状；高压滤波电容击穿或整流管击穿，造成严重短路而使保险管管壁发黑。

2.开关电器

（1）刀开关（见图2-26）俗称闸刀开关，用于接通或断开长期工作的设备电源。安装时，需将操作手柄向上，若倒装，则拉闸后操作手柄因自重易下落而引起误合闸。接线时，电源线接上端，负载线接下端。

（2）转换开关（见图2-27）又称组合开关，用作电源的引入开关或用作≤5kW异步电动机的起停控制（接通次数≤15～20次/小时，开关的额定电流I_额取电动机额定电流的1.5～2.5倍）。通常，多极转换开关由多个单极旋转开关叠装在同一根方形转轴上组成，且旋转开关上部安装有定位机构，以使触片处在一定的位置。

图2-26 刀开关

1—操作手柄 2—触刀 3—支座 4—绝缘底板

图2-27 转换开关

3.低压断路器（见图2-28）

（1）作用低压断路器又称自动空气断路器、自动空气开关或自动开关，相当于一种把手动开关、热继电器、电流继电器和电压继电器等组合在一起的应用较广的保护型电器元件。低压断路器主要用于配电电路、电动机的不频繁起/停控制和漏电保护，当出现严重过载、短路/欠电压等故障时，可自动切断电路。

图2-28 低压断路器

（2）组成（见图2-29）低压断路器QF主要由执行部分（耐弧合金式触头和灭弧装置）、故障检测部分（过流磁脱扣、欠压脱扣器和双金属片热脱扣）、操作机构与自由脱扣机构三个基本部分组成。常用的规格型号有DZ5、DZ20、DZ47和C45系列。

（3）工作原理主触点1串联在被控电路中，操作手柄4扳到合闸位置，搭扣3勾住锁键2，主触点1闭合，电路接通。因触头连杆被锁钩锁住，触头保持闭合状态；同时分断弹簧13被拉长，为分断作准备。瞬时过流磁脱扣12的线圈串联于主电路中，电流正常时，衔铁11因吸力不够而处于打开位置；当电路电流超过规定值时，电磁吸力增加，衔铁11吸合，通过杠杆5使搭扣3脱开，主触点1在弹簧13作用下切断电路，即瞬时过电流或短路保护；当电路失压或电压过低时，欠压脱扣器8的衔铁7释放，杠杆5使搭扣3脱开，起欠压、失压保护；当电源恢复正常时，重新合闸工作。当长时间过载时，过流磁脱扣12的双金属片热脱扣10将弯曲，杠杆5使搭扣3脱开，起过载（过流）保护。

图2-29 低压断路器的组成

1—主触点 2—锁键 3—搭扣 4—操作手柄 5—杠杆 6—弹簧 7—衔铁 8—欠压脱扣器 9、10—双金属片热脱扣 11—衔铁 12—过流磁脱扣 13—弹簧

（4）低压断路器断路动作（主触点开启）的原因分析

1）外因：电源欠电压或无电压导致欠压脱扣动作，过流、过载、短路导致过流磁脱扣动作，通风不良等造成异常温升而导致热脱扣等。

2）内因：触点、弹簧、线圈、传动机构或热元件失效。

4.接触器（见图2-30）

接触器是控制电动机起动、反转、制动和调速的不可取代的低压电器，可实现远距离自动控制，是电力拖动控制系统中最重要和最常用的控制电器之一。

图2-30 接触器

（1）分类

1）按触点的驱动力分类，可分为电磁式接触器、气动式接触器和液压式接触器。其中，电磁式接触器应用最广泛。

2）按主触点控制电路中的电流种类分类，可分为直流接触器和交流接触器（交流负载频繁动作时宜用直流线圈的交流接触器）。常用的直流接触器型号有CZ0、CZ18等系列，常用的交流接触器型号有CJ20、CJX1等系列。

3）按主触点极数（个数）分类，可分为单极接触器、双极接触器、三极接触器、四极接触器和五极接触器等。直流接触器一般为单极/双极接触器，交流接触器多为三极/四极接触器。另外，主触点的额定工作电压是选择接触器的一个重要指标。通常，主触点额定工作电压≥负载电路电压。

（2）组成接触器由电磁机构、主触点和灭弧装置、辅助触点（动合/动断）、反力装置、支架和底座五个部分组成。

1）电磁机构：由架式线圈、双E形硅钢片叠铆的铁心和直动式衔铁组成。

2）主触点（铜、银及合金材质）和灭弧装置：直流接触器和≥20A的交流接触器安装灭弧罩或栅片、磁吹灭弧装置，以防止动、静触点脱离接触时，因电场的影响使触点间的空气被电离放电而形成电弧（炽热的电子流），避免烧损触点表面、延长电路的分断时间、引发火灾等事故。

3）辅助触点（动合/动断）：用于接触器的逻辑控制。当接触器线圈通电时，动合触点闭合、动断触点断开；当接触器线圈断电时，动合触点断开、动断触点闭合。

4）反力装置：由不能调节的复位弹簧和触点弹簧组成。

5）支架和底座：用于接触器的固定和安装。

（3）工作原理接触器线圈施以励磁电压，铁心产生磁通，衔铁气隙处产生吸力而闭合；主触点在衔铁的带动下闭合，动合触点同时闭合，相应的动断触点断开。当线圈断电或电压降低至极限时，吸力消失或减弱，衔铁在复位弹簧的作用下被打开，主、辅触点恢复到初始状态。

（4）接触器常见的故障因灭弧室不良导致噪声和温升，触点不闭合、电磨损，线圈烧毁，电磁铁的分磁环断裂，辅助触点不可靠及断电后因剩磁而不释放等。

5.继电器

（1）作用继电器是一种将控制回路中特定形式的输入信号（电流、电压、温度或压力等）转变为通过其触点开合传递的信号的电器元件，能对系统的各种状态/参数进行判断和逻辑运算。

（2）组成（见图2-31）继电器由输入电路（感应元件）和输出电路（执行元件）组成，因触点电流≤5A而不需要灭弧装置。当感应元件中的电流、电压、温度、压力等外激励输入量变化到规定值时，执行元件阶跃响应，继电器接通或断开，从而实现某种控制目的。

图2-31 继电器的组成

（3）继电器故障主要是触点不接通或不断开两种极限状态（即接触或分断不良）。

（4）分类按输入信号的种类分类，继电器可分为电流继电器、电压继电器、速度继电器、压力继电器、温度继电器、光继电器和声继电器等；按动作原理分类，可分为电磁式继电器（如电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器）、感应式继电器、电动式继电器和电子式继电器；按动作时间分类，可分为瞬时动作继电器和延时动作继电器两种；按功能分类，继电器可分为控制继电器（如电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器等）和保护继电器（如过流继电器、欠压继电器、热继电器等）。

（5）常用的电磁式继电器（见图2-32）

1）组成：由感应元件（包含线圈、铁心与极帽的电磁铁）、执行元件（包含轭铁、反力弹簧、衔铁的连杆与转动支点、簧片、动/静触点）及构架组成。

图2-32 常用的电磁式继电器结构简图

2）工作原理：与接触器的工作原理相同，均是利用电磁吸力使触点动作。当外激励电流/电压输入时，继电器的感应元件（铁心）被磁化，从而反抗弹簧的弹性力，将在一定工作气隙中吸合衔铁，使带有动触点的簧片随衔铁向下移动，从而与上面的触点断开、与下面的触点吸合，最终完成对外电路的通、断控制。

3）用途：由于接触器主触点可通过较大电流，继电器的触点仅能通过小电流，所以接触器用于主回路控制，而电磁式继电器仅用于辅助控制回路。

4）电磁式电流继电器（见图2-33）：外激励输入量为直流（或交流）电流，其励磁线圈串接在被测电路中，以检测电路电流的变化，对电路实现欠电流或过电流保护。电磁式电流继电器可分为欠电流继电器（交流电路不需欠电流保护）和过电流继电器两类。其中，欠电流继电器在电路额定电流下正常工作时处于吸合状态，释放电流为额定电流的10～20%；过电流继电器在电路正常工作状态时不动作，当线圈电流超过某一设定值便动作，通常设定值为额定电流的1.1～1.4倍。

5）电磁式电压继电器（符号见图2-34）：外激励输入量为直流（或交流）电压，其励磁线圈并联于被测电路中，以检测电路电压的变化，对电路实现欠电压或过电压保护。电磁式电压继电器可分为欠电压继电器（为额定电压的40～70%时，线圈由吸合状态释放，直流电路不需过电压保护）、过电压继电器（为额定电压的110～115%时，由断开状态吸合）和零电压继电器（为额定电压的5%～25%时，线圈由吸合状态释放）。

图2-33 电磁式电流继电器

图2-34 电磁式电压继电器的符号

图2-35 电磁式中间继电器的符号

6）电磁式中间继电器（符号见图2-35）：属于电压继电器的一种，其接法和结构特征与电压继电器基本相同，不同的是中间继电器在电路中起扩大触点容量、容量的中间放大与转换作用。电磁式中间继电器有JZ系列和DZ系列。其中，JZ系列适用于AC500V或DC220V以下的控制电路中；DZ系列主要用于各继电保护电路中，用以增加保护继电器的触点数量和容量，其线圈仅用于直流操作。中间继电器的故障多为触头氧化或锈蚀导致接触不良、线圈断路与短路、线圈接线点连接与接触不良等。

（6）时间继电器（符号见图2-36）通过外部电压激励的输入，使继电器线圈通电（或断电），当到达预先设定的时间值后，继电器的触点便闭合（或断开），从而控制所在电路动作的一种时间控制型继电器。早期的机电系统多采用传统的空气阻尼式时间继电器，目前为新型电子式时间继电器（如晶体管式时间继电器和数字式时间继电器）。

注意：通常在接通或分断其线圈电源时，调节延时值。

图2-36 时间继电器的图形符号

时间继电器的故障表现为延时特性失控（过长或过短），其原因如下：

①延时触头不动作：可能是电源电压低于线圈的额定电压、线圈断线、触点接触不良或熔焊。

②延时时间缩短或无延时作用：空气阻尼式时间继电器可能是气室漏气，电磁式时间继电器则为非磁性垫片磨损。

③延时时间变长：空气阻尼式时间继电器可能是气室内灰尘导致气道堵塞，电动式时间继电器为传动机构润滑不良。

（7）热继电器（见图2-37）

1）作用：利用电流热效应和金属材料热膨胀系数差异的原理，来避免三相交流电动机长时间过载（发热将加速绕组绝缘的老化，缩短电动机使用寿命，严重者烧毁绕组）。与熔断器、接触器、断路器及漏电保护装置等短路保护元件配合使用时，常采用三相自带断相保护的组合型热继电器，并根据电动机额定电流来选择热继电器型号和热元件的额定电流等级。

图2-37 热继电器

图2-38 热继电器的结构简图

1—补偿双金属片 2—转轴 3—固定轴 4—推杆 5—弹簧 6—凸轮 7—片簧 8—推杆 9—动合触点 10—动断触点 11—弓形弹簧片 12—簧片 13—复位按钮 14—双金属片 15—发热元件 16—导板

2）组成：热继电器主要由发热元件、双金属片和触点等部分组成（见图2-38）。其中，发热元件与双金属片作为反映温度信号的感应元件，触点作为控制电流通断的执行元件。

3）工作原理：发热元件15由镍铬合金丝等电阻材料做成，串联在被保护电动机的主电路内，随电流的大小和时间的长短而发出不同的热量。这些热量用来加热一端固定、另一端自由的双金属片14（由两种膨胀系数不同的金属片碾压而成，右层为铜/铜镍合金的高膨胀系数材料，左层为因瓦钢的低膨胀系数材料），使其略有弯曲。电动机过载运行时，发热元件15产生的热量来不及与周围环境热交换，使双金属片14进一步弯曲，推动导板16向左移动，并推动补偿双金属片1绕转轴2顺时针转动。推杆8向右推动片簧7到一定位置时，弓形弹簧片11的作用力方向改变，使簧片12向左运动，动合触点9闭合，动断触点10断开，电动机控制电路断开得到保护。主电路断电后，随着温度的下降，双金属片14恢复原位；也可利用手动复位按钮13使触点复位。借助凸轮6和推杆4，在额定电流的66%～100%内调节动作电流。

4）热继电器的常见故障。

①热继电器不动作：可能是由于参数选用不当，如电动机的额定电流选得太大导致受载电流过大；或使用不当，如整定电流调节太大导致动作滞后；或动作机构卡死、导板脱出等。

②热继电器误动作：可能是热元件温度过低导致动作滞后；温度过早达到导致提前动作；环境温度过高或受强烈冲击振动导致误动作；整定电流太小且操作频率过高导致电流热效应大，从而使热继电器提前动作；负载效应如接线不良导致阻抗过大、电动机起动时间过长，从而使电流热效应大；维修不当，如连接导线过细导致导热性差，从而使继电器提前动作，过粗导致滞后动作。

③热元件烧毁或脱焊：可能是负载效应、操作频率过高、负载侧短路或阻抗太大，使电动机的起动时间过长而导致过流。

④控制电路不通：可能是自动复位热继电器的调节螺钉未调在自动复位位置上；使用不当，如手动复位热继电器导致热继电器未复位；动断触点接触不良，如触头表面污垢等导致弹性失效。

6.主令电器

自动控制系统中用于发送控制指令的电器称为主令电器。常用的主令电器有控制按钮、行程开关和接近开关等。

（1）控制按钮（见图2-39）控制按钮是装在机床操作面板等处，由操作者手动控制，使小电流的机床电路接通或断开的一种主令电器。通常，控制按钮由按钮帽、复位弹簧、常开触点、常闭触点和外壳等部分组成。为避免误操作，一般将按钮做成红、绿、黑、蓝、白等颜色以方便区分。其中，红色表示停止和急停、绿色表示启动、黑色表示点动等，并在按钮下方贴有标识性说明。

图2-39 按钮开关的结构图及图形符号

1—按钮帽 2—复位弹簧 3—常闭静触点 4—动触点 5—常开静触点

（2）行程开关（见图2-40）又称限位开关，是用于控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护的一种接触式位置开关，可分为按钮式和滑轮式两种。工作时，机床运动部件上的撞块压下行程开关的触头或滚轮，而使其触点接通（或断开），最终将信号反馈至PMC中进行逻辑控制。动作频繁时，行程开关容易产生故障，工作可靠性较低。

（3）接近开关（见图2-41）接近开关是机床部件与接近开关的感应头在规定距离内接近，从而发出动作信号的一种非接触式无触点的位置开关。它主要用于行程控制、限位保护、高速计数、测速和液面控制等，将感应信号反馈至PMC中进行逻辑控制。输入电压激励有交流和直流两种，而输出形式有两线、三线（通常，红、绿两根线外接DC24V，第3根黄线为信号输出线。供电后，输出线与绿线间为高电平输出，当检测到信号时，高电平输出转为低电平）和四线三种。其外形有方形、圆形和槽形等多种。按照工作原理，可将接近开关分为高频振荡停振型接近开关（最常用）、电容型接近开关、霍尔型接近开关和光电开关等类型。

图2-40 行程开关

7.执行电器

图2-41 接近开关的图形符号

执行电器是电路的输出负载，是电信号和机械动作之间的连接媒介，其电源的通断由接触器或继电器的触头来完成。一般地，执行电器包括电动机、电磁制动抱闸、电磁阀和电磁离合器等。以下简单地对后两种进行介绍。

（1）电磁阀（见图2-42）电磁阀是由继电器控制电磁铁的线圈得电或失电，进而操纵阀芯移动来实现运动换向或油路通断的一种执行电器。它可以配合不同的电路，实现介质的方向、流量、速度和其他参数的调整。电磁阀主要由阀芯、电磁铁与反力弹簧组成，其线圈可通交流电压或直流电压。常用的电磁阀有单向阀、安全阀、方向控制阀和速度调节阀等。

（2）电磁离合器（见图2-43）电磁离合器是靠线圈的通电或断电来控制离合器接合或分离的一种自动化执行元件，用来传递、中止机械传动中的转矩。根据结构的不同，可分为摩擦片式电磁离合器（用于数控机床主轴制动）、牙嵌式电磁离合器、磁粉式电磁离合器和涡流式电磁离合器等。

图2-42 电磁阀

图2-43 电磁离合器