1.4 繼電器

繼電器是一種常用的控制電器，當(dāng)繼電器的輸入量（如電流、電壓、時(shí)間或其他物理量）變化到預(yù)定值時(shí)，使被控量發(fā)生預(yù)定的突變（如接通或斷開），起控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)及傳遞信息等作用。

繼電器種類較多，按用途分為控制和保護(hù)繼電器；按動(dòng)作原理分為電磁式、感應(yīng)式、電動(dòng)式、電子式、機(jī)械式和熱繼電器；按輸入量分為電流、電壓、時(shí)間、速度及壓力繼電器；按動(dòng)作時(shí)間分為瞬時(shí)、延時(shí)繼電器。下面介紹幾種常用繼電器。

1.4.1 電磁式繼電器

電磁式繼電器廣泛用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，起控制、放大、聯(lián)鎖、保護(hù)和調(diào)節(jié)作用。電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理與接觸器基本相同，也由電磁機(jī)構(gòu)和觸點(diǎn)系統(tǒng)組成。但接觸器只對(duì)電壓變化作出反應(yīng)，而繼電器可對(duì)相應(yīng)的各種電量或非電量作出反應(yīng)。接觸器一般用于控制大電流電路，其主觸點(diǎn)額定電流不小于5A，而繼電器一般控制小電流電路，其觸點(diǎn)額定電流不大于5A。電磁式繼電器按動(dòng)作原理分為電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器和時(shí)間繼電器。

1.電流繼電器

反映輸入量為電流的繼電器稱為電流繼電器。使用時(shí)，將電流繼電器的線圈串聯(lián)在被測(cè)電路中，根據(jù)通過線圈電流值的大小而動(dòng)作。電流繼電器線圈的導(dǎo)線粗、匝數(shù)少、線圈阻抗小。電流繼電器分為過電流繼電器和欠電流繼電器。當(dāng)繼電器中的電流高于某整定值時(shí)動(dòng)作的繼電器為過電流繼電器，通過正常工作電流時(shí)，銜鐵釋放，用于頻繁和重載起動(dòng)場(chǎng)合，作為電動(dòng)機(jī)和主電路的短路和過載保護(hù)。當(dāng)繼電器中的電流低于某整定值釋放的繼電器為欠電流繼電器，通過正常工作電流時(shí)，銜鐵吸合，觸點(diǎn)動(dòng)作，一般用于直流電動(dòng)機(jī)欠勵(lì)磁保護(hù)。

過電流繼電器和欠電流繼電器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理相似，故只介紹過電流繼電器。其結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。電磁系統(tǒng)為拍合式，圖1-11中7所示的鐵心和鐵軛為一整體，減少了非工作氣隙；圖中8所示極靴為一圓環(huán)套在鐵心端部；圖中6所示銜鐵被制成板狀，繞棱角轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)線圈不通電時(shí)，銜鐵靠反作用（圖中所示2）彈簧作用而打開。過電流繼電器在正常工作時(shí)，電磁吸力不足以克服反力彈簧的吸力，銜鐵處于釋放狀態(tài)；當(dāng)線圈電流超過某一整定值時(shí)，銜鐵吸合，觸點(diǎn)動(dòng)作。而欠電流繼電器在線圈電流正常時(shí)銜鐵是吸合的，當(dāng)電流低于某一整定值時(shí)釋放，觸點(diǎn)復(fù)位。

圖1-11 過電流繼電器結(jié)構(gòu)圖

1—底座 2—反作用彈簧 3、4—調(diào)節(jié)螺釘 5—非磁性墊片 6—銜鐵 7—鐵心 8—極靴 9—電磁線圈 10—觸點(diǎn)系統(tǒng)

圖1-12所示為電流繼電器的符號(hào)。電流繼電器的技術(shù)參數(shù)如下。

1）動(dòng)作電流I_q。使電流繼電器開始動(dòng)作所需的電流值。

圖1-12 電流繼電器的符號(hào)

a）過電流繼電器 b）欠電流繼電器

2）返回電流I_f。電流繼電器動(dòng)作后返回原狀態(tài)時(shí)的電流值。

3）返回系數(shù)K_f。返回值與動(dòng)作值之比，即K_f=I_f/I_q。

2.電壓繼電器

反映輸入量為電壓的繼電器稱為電壓繼電器。使用時(shí)，將電壓繼電器的線圈并聯(lián)在被測(cè)電路中，根據(jù)線圈兩端電壓的大小接通或斷開電路。電壓繼電器線圈的匝數(shù)多、導(dǎo)線細(xì)。電壓繼電器分為過電壓繼電器、欠電壓繼電器和零電壓繼電器，常用于交流電路中作過電壓、欠電壓和失電壓保護(hù)。電壓繼電器的結(jié)構(gòu)、原理和內(nèi)部接線與電流繼電器類同，不同之處在于它反映的是電路中的電壓。

圖1-13所示為電壓繼電器的符號(hào)。

3.中間繼電器

中間繼電器是用來增加控制電路中的信號(hào)數(shù)量或?qū)⑿盘?hào)放大的繼電器。其實(shí)質(zhì)是一種電壓繼電器，結(jié)構(gòu)和工作原理與接觸器相同。中間繼電器觸點(diǎn)數(shù)量較多，沒有主輔之分，各對(duì)觸點(diǎn)允許通過的電流大小相同，多數(shù)為5A。因此，對(duì)于工作電流小于5A的電氣控制電路，可用中間繼電器代替接觸器實(shí)施控制。

圖1-13 電壓繼電器的符號(hào)

a）過電壓繼電器 b）欠電壓繼電器

常用的中間繼電器有JZ8系列。JZ8為交直流兩用，其觸點(diǎn)的額定電流為5A，可用于直接起動(dòng)小型電動(dòng)機(jī)或接通電磁閥、氣閥線圈等。

1.4.2 熱繼電器

熱繼電器是利用流過繼電器的電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)而反時(shí)限動(dòng)作的繼電器，主要用于電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡運(yùn)行保護(hù)和對(duì)其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。熱繼電器有多種型式，其中常用的熱繼電器如下所述。

1）雙金屬片式。利用雙金屬片受熱彎曲，以推動(dòng)杠桿使觸點(diǎn)動(dòng)作。

2）熱敏電阻式。它是利用電阻值隨溫度變化的特性制成的熱繼電器。

3）易熔合金式。它利用過載電流發(fā)熱使易熔合金熔化（當(dāng)易熔合金達(dá)到某一溫度時(shí)）而使繼電器動(dòng)作。

上述3種熱繼電器以雙金屬片式用得最多。

1.熱繼電器的結(jié)構(gòu)及工作原理

熱繼電器主要由發(fā)熱元件、雙金屬片、觸點(diǎn)及動(dòng)作機(jī)構(gòu)等部分組成。雙金屬片是熱繼電器的感測(cè)元件，由兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬片壓焊而成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1-14a所示。將兩個(gè)（或3個(gè)）主雙金屬片上繞電阻絲作為發(fā)熱元件串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)主電路中，常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在控制電路的接觸器線圈回路中。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，熱元件產(chǎn)生的熱量雖能使雙金屬片彎曲，但不足以使繼電器動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，熱元件流過大于正常的工作電流，溫度增高，使雙金屬片彎曲加劇，經(jīng)過一定時(shí)間后，雙金屬片推動(dòng)導(dǎo)板，帶動(dòng)繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，切斷電動(dòng)機(jī)控制電路，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，達(dá)到過載保護(hù)的目的。只有待雙金屬片冷卻后，才能使觸點(diǎn)復(fù)位。復(fù)位有手動(dòng)復(fù)位（2min）和自動(dòng)復(fù)位（5min）兩種。

熱繼電器還具有補(bǔ)償雙金屬片，其彎曲方向與主雙金屬片的彎曲方向一致，使熱繼電器的動(dòng)作性能在-30～40℃基本不受周圍介質(zhì)溫度變化的影響。圖1-14b所示是具有斷相保護(hù)的差動(dòng)導(dǎo)板結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生一相斷線故障時(shí)，與該相串聯(lián)的補(bǔ)償雙金屬片逐漸冷卻后移，帶動(dòng)圖中所示7內(nèi)導(dǎo)板向右移，而外導(dǎo)板仍在未斷相的雙金屬片推動(dòng)下向左移，這樣通過杠桿產(chǎn)生了差動(dòng)作用，使熱繼電器在斷相故障時(shí)加速動(dòng)作，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

圖1-14 熱繼電器結(jié)構(gòu)原理圖和符號(hào)

a）結(jié)構(gòu)原理圖 b）差動(dòng)導(dǎo)板結(jié)構(gòu)圖 c）符號(hào) 1—電流調(diào)節(jié)凸輪 2a、2b—片簧 3—手動(dòng)復(fù)位按鈕 4—弓簧片 5—主雙金屬片 6—外導(dǎo)板 7—內(nèi)導(dǎo)板 8—常閉靜觸點(diǎn) 9—?jiǎng)佑|點(diǎn) 10—杠桿 11—常開靜觸點(diǎn)（復(fù)位調(diào)節(jié)螺釘） 12—補(bǔ)償金屬片 13—推桿 14—連桿 15—壓簧

圖1-14c所示為熱繼電器的符號(hào)。

2.熱繼電器的使用與選擇

熱繼電器和熔斷器在電動(dòng)機(jī)電路中的保護(hù)作用是不同的。熱繼電器只作長(zhǎng)期過載保護(hù)，熔斷器作短路保護(hù)，而一個(gè)較完整的保護(hù)電路，應(yīng)該兩種保護(hù)都具有。

熱繼電器的整定電流為長(zhǎng)期流過熱元件而不致引起熱繼電器動(dòng)作的最大電流。整定電流靠凸輪調(diào)節(jié)，以便與控制的電動(dòng)機(jī)相配合，一般調(diào)節(jié)范圍是熱元件額定電流值的66%～100%。例如，熱元件的額定電流為16A的熱繼電器，整定電流在10～16A可調(diào)。

熱繼電器的選擇應(yīng)滿足： I_eR≥I_ed （1-2）

式中，I_eR為熱繼電器熱元件的額定電流，I_ed為電動(dòng)機(jī)的額定電流。

常用熱繼電器有JR0、JR10和JR20等系列。一般情況下選兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器，當(dāng)電網(wǎng)均衡性較差時(shí)，可選三相結(jié)構(gòu)的熱繼電器。對(duì)△聯(lián)結(jié)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選擇帶斷相保護(hù)的熱繼電器。

1.4.3 時(shí)間繼電器

時(shí)間繼電器按照所需時(shí)間間隔，接通或斷開被控制的電路，以協(xié)調(diào)和控制生產(chǎn)機(jī)械的各種動(dòng)作，它是按整定時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行動(dòng)作的控制電器，用在需要按時(shí)間順序進(jìn)行控制的電氣控制電路中。

時(shí)間繼電器種類很多，按構(gòu)成原理分為電磁式、電動(dòng)式、空氣阻尼式、晶體管式和數(shù)字式等。按延時(shí)方式分為通電延時(shí)型和斷電延時(shí)型。電動(dòng)式時(shí)間繼電器（JS10、JS11、JS17系列）精確度高，且延時(shí)時(shí)間可以調(diào)整得很長(zhǎng)（幾分鐘到數(shù)個(gè)小時(shí)），但價(jià)格較貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壽命短；電磁式時(shí)間繼電器（JT3系列）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但延時(shí)時(shí)間較短（0.3～5.5s），且體積和重量較大；晶體管式時(shí)間繼電器（JS20系列）精度高、延時(shí)長(zhǎng)、體積小和調(diào)節(jié)方便，可集成化、模塊化，廣泛用于各種場(chǎng)合；數(shù)字式以時(shí)鐘脈沖為基準(zhǔn)，其精度高、設(shè)定方便、體積小和讀數(shù)直觀。而空氣阻尼式時(shí)間繼電器（JS7系列），具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、延時(shí)范圍較大（0.4～180s）、壽命長(zhǎng)和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。下面僅介紹空氣阻尼式時(shí)間繼電器。

空氣阻尼式時(shí)間繼電器是利用空氣阻尼的原理制成的，根據(jù)觸點(diǎn)延時(shí)的特點(diǎn)，分為通電延時(shí)型和斷電延時(shí)型兩種。圖1-15a所示為空氣阻尼通電延時(shí)型時(shí)間繼電器的結(jié)構(gòu)原理圖，主要由電磁系統(tǒng)、工作觸點(diǎn)、氣室和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4部分組成。當(dāng)線圈通電時(shí)，動(dòng)鐵心和固定在動(dòng)鐵心上的托板被鐵心電磁引力吸引而下移。這時(shí)固定在活塞桿上的撞塊因失去托板的支托在彈簧作用下也要下移，但由于當(dāng)與活塞桿相連的橡皮膜也跟著向下移動(dòng)時(shí)，受進(jìn)氣孔進(jìn)氣速度的限制，橡皮膜上方形成空氣稀薄的空間，與下方的空氣形成壓力差，對(duì)活塞桿下移產(chǎn)生阻尼作用，所以活塞桿和撞塊只能緩慢地下移。經(jīng)過一段時(shí)間后，撞塊才觸及微動(dòng)開關(guān)的推桿，使常閉觸點(diǎn)斷開、常開觸點(diǎn)閉合，起通電延時(shí)作用。從線圈通電開始到觸點(diǎn)完成動(dòng)作為止的時(shí)間間隔就是繼電器的延時(shí)時(shí)間。延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短可通過延時(shí)調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)空氣室進(jìn)氣孔的大小來改變，延時(shí)范圍有0.4～60s和0.4～180s兩種。

圖1-15 空氣阻尼通電延時(shí)型時(shí)間繼電器的結(jié)構(gòu)原理圖

a）通電延時(shí)型 b）斷電延時(shí)型 1—鐵心 2—線圈 3—銜鐵 4—反力彈簧 5—推桿1 6—活塞桿 7—寶塔型彈簧 8—弱彈簧 9—橡皮膜 10—螺旋 11—調(diào)節(jié)螺釘 12—進(jìn)氣口 13—活塞 14、16—微動(dòng)開關(guān) 15—杠桿 17—推桿2

當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，動(dòng)鐵心在反力彈簧作用下釋放。帶動(dòng)托板和活塞桿向上移，橡皮膜上方氣室內(nèi)的空氣通過單向閥的出氣孔迅速排掉，使微動(dòng)開關(guān)迅速?gòu)?fù)位。以上原理為通電延時(shí)型，當(dāng)將電磁系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)180°安裝時(shí)，即為斷電延時(shí)型，如圖1-15b所示。

時(shí)間繼電器的觸點(diǎn)系統(tǒng)有瞬時(shí)觸點(diǎn)和延時(shí)觸點(diǎn)，都有常開、常閉各一對(duì)。其文字符號(hào)為KT，時(shí)間繼電器的圖形符號(hào)如圖1-16所示。

空氣阻尼式時(shí)間繼電器的缺點(diǎn)是，延時(shí)誤差大（±10%～±20%），無調(diào)節(jié)刻度指示，難以精確地設(shè)定延時(shí)值。在對(duì)延時(shí)精度要求高的場(chǎng)合，不宜使用這種時(shí)間繼電器。

圖1-16 時(shí)間繼電器的圖形符號(hào)

a）線圈一般符號(hào) b）通電延時(shí)線圈 c）斷電延時(shí)線圈 d）通電延時(shí)閉合動(dòng)合（常開）觸點(diǎn) e）通電延時(shí)斷開動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn) f）斷電延時(shí)斷開動(dòng)合（常開）觸點(diǎn) g）斷電延時(shí)閉合動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn) h）瞬動(dòng)觸點(diǎn)

時(shí)間繼電器的選擇主要依據(jù)延時(shí)方式（通電延時(shí)或斷電延時(shí)）、延時(shí)時(shí)間和精度要求以及吸引線圈的電壓等級(jí)幾項(xiàng)。

1.4.4 速度繼電器

速度繼電器用于把轉(zhuǎn)速的快慢轉(zhuǎn)換成電路通斷信號(hào)，與接觸器配合完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)控制，也稱為反接制動(dòng)繼電器。速度繼電器的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1-17所示。它主要由轉(zhuǎn)子、定子和觸點(diǎn)3部分組成。轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓柱形永久磁鐵，固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子軸與電動(dòng)機(jī)軸直接相連，隨電動(dòng)機(jī)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。定子結(jié)構(gòu)與籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相似，由硅鋼片疊成一籠型空心圓環(huán)，并裝有籠型短路繞組。觸點(diǎn)由兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)組成，一組在轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作，另一組在轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)速度繼電器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，在空間產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在定子籠型短路繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使定子隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)定子偏轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)（實(shí)際上受簧片的限制，定子只能轉(zhuǎn)過一個(gè)不大的角度），帶動(dòng)擺錘，推動(dòng)簧片和動(dòng)觸點(diǎn)，使常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于某一值時(shí)，定子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小，定子擺幅減小，觸點(diǎn)在簧片作用下復(fù)位。

一般速度繼電器的動(dòng)作轉(zhuǎn)速為120r/min，復(fù)位轉(zhuǎn)速為100r/min以下。

圖1-17 速度繼電器的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖

a）外形 b）結(jié)構(gòu) c）符號(hào) 1—螺釘 2—反力彈簧 3—常閉觸點(diǎn) 4—?jiǎng)佑|點(diǎn) 5—常開觸點(diǎn) 6—返回杠桿 7—擺桿 8—定子導(dǎo)體 9—定子圓環(huán) 10—轉(zhuǎn)軸 11—轉(zhuǎn)子

常見速度繼電器的故障是電動(dòng)機(jī)停車時(shí)不能制動(dòng)停轉(zhuǎn)，可能原因有觸點(diǎn)接觸不良，擺錘斷裂，若發(fā)生此故障，則無論轉(zhuǎn)子怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)觸點(diǎn)都不動(dòng)作，此時(shí)只需更換一擺錘或觸點(diǎn)即可。