2.1 电器的功能、分类和工作原理

2.1.1 电器的功能

电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力和其他物理量）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。

电器的控制作用就是手动/自动地接通或断开电路，“通”称为“开”，“断”称为“关”。因此，“开”和“关”是电器最基本和典型的功能。

2.1.2 电器的分类

1.按工作电压等级分类

（1）高压电器。用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上电路中的电器，如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。

（2）低压电器。用于交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V及以下的电路中的电器，如接触器、继电器等。

2.按动作原理分类

（1）手动电器。人手操作发出动作指令的电器，如刀开关，按钮等。

（2）自动电器。产生电磁力而自动完成动作指令的电器，如接触器、继电器、电磁阀等。

3.按用途分类

（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、继电器、电动机启动器等。

（2）配电电器。用于电能的输送和分配的电器，如高压断路器等。

（3）主令电器。用于自动控制系统中发送动作指令的电器，如按钮、转换开关等。

（4）保护电器。用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器等。

（5）执行电器。用于完成某种动作或传送功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。

2.1.3 电磁式电器的工作原理

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）组成。

1.电磁机构

1）电磁机构的结构形式

电磁机构由线圈、铁芯和衔铁组成，其结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式。图2-1和图2-2分别是直动式电磁机构和拍合式电磁机构的常用结构形式。

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芯吸合。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。

直流线圈通电，铁芯不会发热，只有线圈发热。因此，线圈与铁芯接触有利于散热。线圈做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。铁芯和衔铁由软钢或工程纯铁制成。

对于交流线圈，除了线圈发热，由于铁芯中有涡流和磁滞损耗，铁芯也会发热。为了改善线圈和铁芯的散热情况，在铁芯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。铁芯用硅钢片叠成，以减少涡流。

另外，根据线圈在电路中的连接方式可分为串联线圈（电流线圈）和并联线圈（电压线圈）。串联（电流）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，线圈的阻抗较小。并联（电压）线圈并联在电路上，为减少分流作用，需要较大的阻抗，因此线圈的导线细且匝数多。

2）电磁机构的工作原理

电磁铁工作时，线圈产生的磁通作用于衔铁，产生电磁吸力，并使衔铁产生机械位移；衔铁复位时，复位弹簧将衔铁拉回原位。

当线圈中有工作电流通过时，电磁吸力克服弹簧的反作用力，使得衔铁与铁芯闭合，由连接机构带动相应的触点动作。在交流电流产生的交变磁场中，为避免因磁通过零点而造成衔铁的抖动，需要在交流电器铁芯的端部开槽，嵌入一个铜制的短路环，使环内感应电流产生的磁通与环外磁通不同时过零点，使电磁吸力F总是大于弹簧的反作用力，因而可以消除交流铁芯的抖动。

2.触点系统

触点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，按触点控制的电路分类，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。

按触点原始状态分类，可分为常开触点和常闭触点：原始状态时（线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触点称为常开触点；原始状态闭合，线圈通电后断开的触点称为常闭触点（线圈断电后所有触点复原）。

按触点结构形式分类，可分为桥式触点和指式触点，如图2-3所示。

按触点接触形式分类，可分为点接触、线接触和面接触3种，如图2-4所示。

3.灭弧工作原理

在通电状态下动、静触点脱离接触时，由于电场的存在，使触点表面的自由电子大量溢出而产生电弧。电弧的存在既烧损触点金属表面、降低电器的使用寿命，又延长了电路的分断时间，因此必须迅速消除。

1）常用的灭弧方法

（1）迅速增大电弧长度。电弧长度增加，使触点间隙增加，电场强度降低。同时又使散热面积增大，降低电弧温度，使自由电子和空穴复合的运动加强，因而电荷容易熄灭。

（2）冷却。使电弧与冷却介质接触，带走电弧产生的热量，也可使复合运动得以加强，从而使电弧熄灭。

2）常用的灭弧装置

（1）电动力灭弧装置（见图2-5）。双断点桥式触点在分断时具有电动力灭弧功能，不用任何附加装置，便可使电弧迅速熄灭。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器中。

（2）磁吹灭弧装置。利用永久磁铁或电磁铁产生的磁场对电流的作用力拉长电弧，或者利用气流使电弧拉长和冷却被熄灭。

（3）栅片灭弧装置。用于灭弧的栅片是一组镀铜薄钢片，它们相互绝缘。电弧进入栅片后被分割成一段段串联的短弧，而栅片就是这些短弧的电极。每两个栅片之间都有150～250V的绝缘强度，使整个栅片的绝缘强度大大加强，以致外加电压无法维持，电弧迅速熄灭。

由于栅片灭弧装置在交流电下的灭弧效果比直流电下的灭弧效果强得多，因此在交流电器中常采用栅片灭弧，如图2-6所示。