1.6 繼電器

繼電器是一種根據電氣量（電壓、電流等）或非電氣量（溫度、壓力、轉速、時間等）的變化接通或斷開控制電路的自動切換電器。它用于各種控制電路中，進行信號傳遞、放大、轉換、聯鎖等，控制主電路和輔助電路中的器件或設備按預定的動作程序進行工作，實現自動控制和保護的目的。

繼電器的種類繁多、應用廣泛，常用的繼電器有中間繼電器、熱繼電器、時間繼電器、電流繼電器、電壓繼電器、速度繼電器、溫度繼電器等。

1.6.1 中間繼電器

中間繼電器屬于電磁式結構，由鐵心、銜鐵、線圈、釋放彈簧和觸頭等部分組成，如圖1-24所示。由于繼電器用于控制電路，所以流過觸頭的電流較小，因此不需要滅弧裝置。

電磁式中間繼電器實質上是一種電磁式電壓繼電器，其特點是觸點數量較多，在電路中起增加觸點數量以及信號放大、傳遞作用，有時也代替接觸器控制額定電流不超過5A的電動機系統。

中間繼電器的工作原理與小型交流接觸器基本相同，只是它的觸點沒有主、輔之分，每對觸點允許通過的電流大小相同，觸點容量與接觸器的輔助觸點差不多，其額定電流一般為5 A。圖1-25為中間繼電器的圖形及文字符號。

1.6.2 熱繼電器

熱繼電器是利用電流的熱效應原理來切斷電路的保護電器。電動機在運行中常會遇到過載情況，但只要過載不嚴重，繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的。但如果過載情況嚴重、時間長，則會加速電動機絕緣的老化，甚至燒毀電動機。熱繼電器就是專門用來對連續運行的電動機實現過載及斷相保護，以防電動機因過熱而燒毀的一種保護電器。

1.熱繼電器的結構與工作原理

熱繼電器主要由熱元件、雙金屬片和觸頭等組成，其結構示意如圖1-26所示。

熱元件由發熱電阻絲做成。雙金屬片由兩種不同熱膨脹系數的金屬輾壓而成，當雙金屬片受熱時，會出現彎曲變形。使用時，熱元件4串接在電動機定子繞組中，電動機繞組電流即為流過熱元件的電流。當電動機正常運行時，熱元件產生的熱量雖能使主雙金屬片2彎曲，但不足以使繼電器動作；當電動機過載時，熱元件產生的熱量增大，使主雙金屬片變形彎曲，位移增大，經過一定時間后，主雙金屬片彎曲到推動導板3，并經過補償雙金屬片5與推桿將觸頭7和6分開，觸頭7和6為熱繼電器串于接觸器線圈回路的常閉觸點，斷開后使接觸器失電，接觸器的常開觸點將電動機與電源斷開，起到保護電動機的作用。

熱繼電器動作后，一般不能自動復位，要等雙金屬片冷卻后，按下復位按鈕10才能復位。調節旋鈕13是一個偏心輪，它與支承件12構成一個杠桿，11是一個壓簧轉動偏心輪，改變它的半徑即可改變補償雙金屬片5與導板3的接觸距離，因而達到調節整定動作電流的目的。此外，靠調節復位螺釘9來改變常開靜觸頭8的位置，使熱繼電器能工作在手動復位和自動復位兩種工作狀態。

圖1-27為JR36系列熱繼電器外形結構，圖1-28為熱繼電器的圖形及文字符號。

由于發熱元件具有熱慣性，所以熱繼電器在電路中不能用于瞬時過載保護，更不能做短路保護，主要用作電動機的長期過載保護。

2.帶斷相保護的熱繼電器

帶斷相保護的熱繼電器主要是應用于三角形聯結的三相異步電動機。三相異步電動機的一相接線松開或一相熔絲斷開，都會造成三相異步電動機燒壞。當熱繼電器所保護的電動機是星形聯結時，電路發生一相斷電，另外兩相電流增加很多，由于線電流與相電流相等，流過電動機繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例相同，用普通的兩相或三相熱繼電器可以實現保護。

如果電動機是三角形聯結，發生斷相時，由于電動機的相電流與線電流不相等，流過電動機繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例不相同，而熱元件串聯在電動機的電源進線中，按電動機的額定電流即線電流來整定，整定值較大。當故障線電流達到額定電流時，在電動機繞組內部，電流較大的那一相繞組的故障電流將超過額定相電流，便有過熱燒毀的危險。所以，三角形聯結必須采用帶斷相保護的熱繼電器。

帶有斷相保護的熱繼電器比普通熱繼電器多了一個差動機構，如圖1-29所示，杠桿、上導板和下導板組成差動結構，圖中虛線表示動作位置，圖1-29a為斷電時的位置。當電流為額定電流時3個熱元件正常發熱，其端部均向左彎曲并推動上、下導板同時左移，但移動程度不足以使繼電器觸點動作，如圖1-29b所示。當電流過載到達整定的動作值時，雙金屬片彎曲較大，推動導板使觸點動作，實現過載保護，如圖1-29c所示。當一相（設W相）斷路時，該相熱元件溫度由原來正常發熱狀態下降，雙金屬片由彎曲狀態伸直，推動上導板向右移；由于U、V相電流較大，推動下導板向左移，使杠桿扭轉，繼電器動作，從而實現斷相保護，如圖1-29d所示。

3.熱繼電器的主要技術參數

熱繼電器的主要技術參數包括額定電壓、額定電流、相數、熱元件編號及整定電流范圍等。

熱繼電器的整定電流是指熱繼電器的熱元件允許長期通過又不會引起繼電器動作的最大電流值。對于某一熱元件，可通過調節電流旋鈕，在一定范圍內調節電流整定值。

常用的熱繼電器有JRS1、JR20、JR36、JR15、JR14等系列，引進產品有T、3UA、LR1-D等系列。

JRS1、JR20系列具有斷相保護、溫度補償、整定電流值可調、手動脫扣、手動復位、動作后的信號指示等功能。安裝方式上除采用分立結構外，還增設了組合式結構，可通過導電桿與掛鉤直接插接，可直接電氣連接在CJ20接觸器上。

4.熱繼電器的選擇

熱繼電器主要用于電動機的過載保護，選用時主要考慮電動機的額定電流、工作環境、起動情況、負載性質等因素，具體地說：

1）對于過載能力較差的電動機，其配用的熱繼電器（主要是發熱元件）的額定電流可適當小些。

2）在不頻繁起動場合，要保證熱繼電器在電動機的起動過程中不產生誤動作。

3）當電動機為重復短時工作時，首先注意確定熱繼電器的允許操作頻率。此外，對于可逆運行和頻繁通斷的電動機，不宜采用熱繼電器保護，必要時可采用裝入電動機內部的溫度繼電器。

1.6.3 時間繼電器

時間繼電器是一種接受信號，經過一定的延時后才能輸出信號，實現觸點延時接通或斷開的繼電器。時間繼電器的延時方式有兩種：通電延時和斷電延時。通電延時是接受輸入信號后，延遲一段時間輸出信號才發生變化；當輸入信號消失后，輸出瞬時復原。斷電延時是當接受輸入信號時，立即產生相應的輸出信號；當輸入信號消失后，繼電器需經過一定的延時，輸出才復原。時間繼電器種類較多，常用的有電磁式、空氣阻尼式、半導體式等。時間繼電器的圖形及文字符號如圖1-30所示。

1.直流電磁式時間繼電器

直流電磁式時間繼電器是利用電磁系統在電磁線圈斷電后磁通延緩變化的原理而工作的。在直流電磁式電壓繼電器的鐵心上增加一個阻尼銅套，構成直流電磁式時間繼電器，其結構示意如圖1-31所示。當線圈通電時，因磁路中氣隙大、磁阻大、磁通小，銅套阻尼作用不明顯，其固有動作時間約為0.2s，接近于瞬時動作。而當線圈斷電時，磁通變化量大，銅套阻尼作用顯著，使銜鐵延時釋放，從而實現延時作用。

電磁式時間繼電器具有結構簡單、運行可靠、壽命長、允許通電次數多等優點，但延時時間短（最長不超過5s），延時精度不高，體積大且僅適用于直流電路中作斷電延時時間繼電器，從而限制了它的應用。

常用的直流電磁式時間繼電器有JT3和JT18系列。

2.空氣阻尼式時間繼電器

空氣阻尼式時間繼電器又稱氣囊式時間繼電器，它是利用空氣阻尼作用達到延時目的的。它由電磁結構、延時結構和觸點組成。國產JS7-A系列空氣阻尼式時間繼電器的外形如圖1-32所示。

空氣阻尼式時間繼電器的延時方式有通電延時型和斷電延時型。其外觀區別在于：當銜鐵位于鐵心和延時結構之間時為通電延時型，當鐵心位于銜鐵和延時結構之間時為斷電延時型。

JS7-A系列空氣阻尼式時間繼電器結構原理如圖1-33所示。以通電延時型為例，當線圈1得電后，銜鐵3吸合，活塞桿6在塔形彈簧8作用下帶動活塞12及橡皮膜10向上移動，橡皮膜下方空氣室空氣變得稀薄，形成負壓，活塞桿只能緩慢移動，其移動速度由進氣孔氣隙大小決定。經一段延時后，活塞桿通過杠桿7壓動微動開關15，使其觸頭動作，起到通電延時作用。

當線圈斷電時，銜鐵釋放，橡皮膜下方空氣室內的空氣通過活塞肩部所形成的單向閥迅速地排出，使活塞桿、杠桿、微動開關等迅速復位。由線圈得電到觸頭動作的一段時間即為時間繼電器的延時時間，其大小可以通過調節螺釘13調節進氣孔氣隙大小來改變。

空氣阻尼式時間繼電器具有結構簡單、延時范圍較大（0.4～180s）、價格較低的優點，但其延時精度較低，沒有調節指示，適用于延時精度要求不高的場合。

空氣阻尼式時間繼電器的典型產品有JS7、JS23、JSK系列等。

3.晶體管時間繼電器

隨著電子技術的發展，晶體管時間繼電器也迅速發展。這類時間繼電器體積小，延時范圍寬、調節方便、延時精度高、壽命長，已得到廣泛應用。以JS14A系列晶體管時間繼電器為例進行介紹，如圖1-34所示。

晶體管時間繼電器是利用RC電路電容充放電原理實現延時的。圖1-34b中有兩個電源：主電源由變壓器二次側的18V電壓經整流、濾波得到，輔助電源由變壓器二次側的12V電壓經整流、濾波獲得。當電源變壓器接上電源時，晶體管VT1導通、VT2截止，繼電器KA不動作。兩個電源分別向電容C充電，a點電位隨時間按指數規律上升。當a點電位高于b點電位時，晶體管VT1截止、VT2導通，VT2集電極電流通過繼電器KA的線圈，KA各觸頭動作輸出信號。圖中KA的常閉觸點斷開充電電路，常開觸點閉合，使電容放電，為下次工作做好準備。調節電位器RP可以改變延時的時間長短。此電路延時范圍為0.2～300s。

晶體管時間繼電器的輸出形式有兩種：有觸頭式和無觸頭式，前者是用晶體管驅動小型電磁式繼電器，后者采用晶體管或晶閘管輸出。

晶體管時間繼電器的典型產品有JS14A、JS14P、JS20等系列。

4.時間繼電器的選用原則

1）根據控制電路對延時觸點的要求選擇延時方式，即斷電延時型或通電延時型。

2）根據延時精度和延時范圍要求選擇合適的時間繼電器。

3）根據工作條件選擇時間繼電器的類型。

1.6.4 電流繼電器

電流繼電器反映的是電流信號。在使用時電流繼電器的線圈和負載串聯，其線圈匝數少而線徑粗，則線圈上的電壓降很小，不會影響負載電路的電流，而導線粗電流大仍可獲得需要的磁勢。常用的電流繼電器有欠電流繼電器和過電流繼電器兩種。

在電路正常工作時，欠電流繼電器線圈流過負載額定電流，銜鐵吸合動作；當電路電流減小到某一整定值（0.3～0.65I_N）以下時，銜鐵釋放，帶動觸點復原。欠電流繼電器在電路中起欠電流保護作用，常用其常開觸點進行保護。當繼電器欠電流釋放時，常開觸點斷開控制電路。直流電動機的勵磁電流過小會使電動機超速，甚至“飛車”，可以使用直流欠電流繼電器進行保護。而交流電路不需要欠電流保護，所以沒有交流欠電流繼電器。

直流欠電流繼電器的吸合電流I_o=（0.3～0.65）I_N，釋放電流I_r=（0.1～0.2）I_N。

過電流繼電器在電路正常工作時，通過線圈的電流為額定值，它所產生的電磁力不足以克服反作用彈簧力，過電流繼電器不動作；當電路中電流超過某一整定值時，電磁吸力大于反作用彈簧力，銜鐵吸合動作，使常閉觸點斷開，切斷控制回路，對電路起過電流保護作用。過電流繼電器主要用作電動機的短路保護，通常把動作電流整定在起動電流的1.1～1.3倍。過電流繼電器常用于橋式起重機電路中，常用產品為JT4、JL12及JL14等系列。

圖1-35為電流繼電器的圖形及文字符號。

1.6.5 電壓繼電器

電壓繼電器反映的是電壓信號。使用時，電壓繼電器線圈與負載并聯，其線圈匝數多而線徑細。常用的有欠電壓繼電器和過電壓繼電器兩種。

欠電壓繼電器又稱零壓繼電器，用于電路的欠電壓或零電壓保護。正常工作時，欠電壓繼電器吸合，當電路電壓減小到某一整定值（0.3～0.5）U_N以下時，欠電壓繼電器釋放，對電路實現欠電壓保護。

零電壓繼電器是當電路電壓降低到（0.05～0.25）U_N時釋放，對電路實現零電壓保護。

過電壓繼電器用于過電壓保護。在電路正常工作時，銜鐵不吸合；當線圈電壓超過某一整定值（1.05～1.2）U_N時，銜鐵才吸合動作，對電路實現過電壓保護。由于直流電路一般不會出現過電壓，所以只有交流過電壓繼電器。

圖1-36為電壓繼電器的圖形及文字符號。

1.6.6 速度繼電器

速度繼電器是根據電磁感應原理制成的，主要用于籠型異步電動機的反接制動控制，也稱為反接制動繼電器。

圖1-37為JY1系列速度繼電器的外形及結構示意圖。它主要由定子、轉子和觸點三部分組成。轉子是一個圓柱形永久磁鐵；定子是一個籠型圓環，由硅鋼片疊成，并在其中裝有籠型繞組。

轉子與被控電動機同軸連接，用以感受轉動信號。當轉子隨被控電動機旋轉時，永久磁鐵形成旋轉磁場，定子中的籠型繞組切割磁場產生感應電動勢、感應電流，并在磁場作用下產生電磁轉矩，使定子隨轉子旋轉方向轉動，定子上固定的膠木擺桿也隨著轉動，當定子隨轉子轉動一定角度時，膠木擺桿推動簧片（端部有動觸頭）與靜觸頭閉合（按軸的轉動方向而定）。靜觸頭又起擋塊作用，限制膠木擺桿繼續轉動。因此，轉子轉動時，定子只能轉過一個不大的角度。當轉子轉速接近于零（低于100 r/min）時，膠木擺桿恢復原來狀態，觸頭斷開，切斷電動機的反接制動電路。

速度繼電器的圖形及文字符號如圖1-38所示。

常用的速度繼電器有JY1和JFZ0兩個系列。其中JY1系列可在700～3600 r/min范圍工作。JFZ0-1型適用于300～1000 r/min，JFZ0-2型適用于1000～3600 r/min。

一般速度繼電器都具有兩對常開、常閉觸點，一對常開、常閉觸點正轉時動作，另一對反轉時動作。通常速度繼電器的動作轉速不低于300r/min，復位轉速在100r/min以下。

1.6.7 液位繼電器

液位繼電器是根據液體液面高低使觸點動作的繼電器，常用于鍋爐和水柜中控制水泵電動機的起動和停止。

如圖1-39所示，液位繼電器是由浮筒及相連的磁鋼、與動觸頭相連的磁鋼以及兩個靜觸頭組成。浮筒置于鍋爐或水柜中，當水位降低到極限時，浮筒下落使磁鋼繞支點A上翹。由于磁鋼同性相斥，動觸頭的磁鋼端被排斥下落，通過支點B使觸點1-1接通、2-2斷開。觸點1-1接通控制水泵電動機的接觸器線圈，電動機工作，向鍋爐供水，液面上升。反之，當水位升高到上限位置時，浮筒上浮，觸點2-2接通、1-1斷開，水泵電動機停止。顯然，液位的高低是由液位繼電器的安裝位置決定的。

1.6.8 熱敏電阻式溫度繼電器

熱敏電阻式溫度繼電器是一種可埋設在電動機發熱部位如定子槽內、繞組端部等，直接反映該處發熱情況的過熱保護元件。無論是電動機出現過電流引起溫度升高，還是其他原因引起電動機溫度升高，它都能起到保護作用。

熱敏電阻式溫度繼電器的外形與一般晶體管時間繼電器相似，但作為溫度感測元件的熱敏電阻不裝在繼電器中，而是裝在電動機定子槽內或繞組端部。熱敏電阻是一種半導體器件，根據材料性質分為正溫度系數和負溫度系數兩種。由于正溫度系數熱敏電阻具有明顯的開關特性，且具有電阻溫度系數大、體積小、靈敏度高等優點，得到了廣泛應用和發展。

圖1-40為正溫度系數熱敏電阻式溫度繼電器原理圖。

圖1-40中，RT表示各繞組內埋設的熱敏電阻串聯后的總電阻，它同電阻R7、R4、R6構成一個電橋，由晶體管VT1、VT2構成的開關電橋接在電橋的對角線上。當溫度在65℃以下時，RT大體為一恒值，且比較小，電橋處于平衡狀態，VT1、VT2截止，晶閘管VT3不導通，執行繼電器KA不動作。當溫度上升到動作溫度時，RT的阻值劇增，電橋出現不平衡狀態，使VT1及VT2導通，晶閘管VT3獲得門極電流也導通，KA線圈得電吸合，其常閉觸頭分斷接觸器線圈使電動機斷電，實現了電動機的過熱保護。當溫度下降至返回溫度時，RT阻值銳減，電橋恢復平衡使VT3關斷，繼電器KA線圈斷電而使銜鐵釋放。