1.5 继电器

继电器是一种根据电气量（电压、电流等）或非电气量（温度、压力、转速、时间等）的变化实现自动控制和保护的电器，用于接通或断开小电流电路。继电器种类较多，按用途可分为控制继电器、保护继电器等；按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器、机械式继电器和热继电器；按输入量可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、速度继电器和压力继电器；按动作时间可分为瞬时继电器、延时继电器。下面介绍几种常见的继电器。

1.5.1 热继电器

热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器。电动机在运行中常会遇到过载情况，但只要过载不严重、绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。但如果过载情况严重、时间长，则会加速电动机绝缘的老化，甚至烧毁电动机。热继电器就是专门用于对连续运行的电动机实现过载及断相保护，以防电动机因过热而烧毁的一种保护电器。

1.热继电器的结构及工作原理

热继电器主要由热元件、双金属片和触点组成，如图1-15所示。

热元件由发热电阻丝制成。双金属片作为热继电器的感受机构，由两种热膨胀系数不同的金属碾压而成，当双金属片受热膨胀时，会产生弯曲变形。在实际应用中，把热元件串接于电动机的主电路中，而常闭触点串接于电动机的控制电路中。电动机正常运行时产生的热量使双金属片弯曲变形的程度不足以使热继电器触点动作。当电动机过载时，双金属片弯曲位移增大，推动导板使常闭触点断开，切断电动机控制回路，从而实现对电动机的过载保护。

热继电器动作后，经过一段时间冷却自动复位或经手动复位。其动作电流的调节可通过旋转凸轮旋钮于不同位置来实现。

在三相异步电动机的电路中，一般采用两相结构的热继电器（即在两相主电路中串接热元件），在特殊情况下，在没有串接热元件的一相有可能过载（如三相电源严重不平衡、电动机绕组内部短路等故障），则热继电器不动作，此时需采用三相结构的热继电器。

2.热继电器的主要技术指标

热继电器的主要技术参数包括额定电压、额定电流、相数、热元件编号及整定电流调节范围等。热继电器的整定电流是指热继电器的热元件允许长期通过又不致引起继电器动作的最大电流值。对于某一热元件，可通过调节其电流调节旋钮，在一定范围内调节其整定电流。

3.热继电器的常用型号及电气符号

1）常用型号及含义

常用的热继电器有JRS1、JR20、JR16、JR15、JR14等系列，引进产品有T、3UP、LR1-D等系列。

JRS1、JR20系列热继电器具有断相保护、温度补偿、整定电流值可调、手动脱扣、手动复位和动作后的信号指示等功能。安装方式上除采用分立结构外，还增设了组合式结构，可通过导电杆与挂钩直接插接，可直接电气连接在CJ20接触器上。

根据ABB公司技术标准生产的新型T系列热继电器规格齐全，其整定电流可达500A，并常与B系列交流接触器组合成电磁启动器。表1-6列出了JR16系列热继电器的主要技术数据。

表1-6 JR16系列热继电器的主要技术数据

2）电气符号

热继电器的图形符号和文字符号如图1-16所示。

4.热继电器的选择原则

热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、启动情况、负载性质等因素，具体应从以下几个方面来进行选择。

（1）热继电器结构形式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器；三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。

（2）根据被保护电动机的实际启动时间选取6倍额定电流下具有相应可返回时间的热继电器。一般热继电器的可返回时间大约为6倍额定电流下动作时间的50%～70%。

（3）热元件额定电流一般可按下式确定：

IN=（0.95～1.05）IMN

式中，IMN为电动机的额定电流；IN为热元件额定电流。

对于工作环境恶劣、启动频繁的电动机，则按下式确定：IN=（1.15～1.5）IMN

热元件选好后，还需用电动机的额定电流来整定它的整定值。

（4）对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。

1.5.2 中间继电器与固态继电器

1.中间继电器

JZ7系列中间继电器的外形图如图1-17所示。它与交流接触器的工作原理相同，都是利用线圈通电，吸合动铁芯，而使触点动作。只是它们的用途有所不同。交流接触器主要用于接通和断开主电路，而中间继电器则主要用在辅助电路中，用于弥补辅助触点的不足。因此，中间继电器触点的额定电流都比较小，一般不超过5A，而触点（包括动合触点和动断触点）的数量比较多。

2.固态继电器

固态继电器是一种新型无触点继电器。它是随着微电子技术的不断发展产生的以弱控强的新型电子器件，同时又为强、弱电之间提供良好的隔离，从而确保电子电路和人身的安全。

1）固态继电器种类

固态继电器为四端器件，其中两个为输入端，两个为输出端，中间采用隔离元件，实现输入、输出的电隔离。固态继电器的种类较多，按负载电源类型不同可分为直流型、交流型固态继电器，其中直流型以晶体管作为开关元件，交流型则以晶闸管作为开关元件；按隔离方式不同可分为光电耦合隔离、磁隔离；按控制触发信号不同可分为过零型和非过零型、有源触发型和无源触发型。

2）固态继电器工作原理

图1-18所示为光电耦合式固态继电器电路原理图。

当无输入信号时，光电耦合器内的红外发光二极管VD2不发光，光敏三极管VT3截止，此时三极管VT4导通，晶闸管VT1关断。当有输入信号时，VD2导通发光，VT3导通，VT4截止，若电源电压大于过零电压（约±25V），A点电压大于三极管VT5的Vbe5，VT5导通，VT1仍然关断截止，固态继电器输出端因双向晶闸管VT2控制极无触发信号而关断。若电源电压小于过零电压，VA小于Vbe5，VT5截止，VT1控制极经R5、R6分压获触发信号，VT1导通，VT2控制极获得以R8→VD6→VT1→VD9→R9和R9→VD8→VT1→VD7→R8正反两个方向的触发脉冲，使VT2导通，则输出端B、C两点导通，接通负载电路。若输入信号消失，VT4导通，VT1关断，但VT2仍然保持导通状态，直到负载电流随电源电压的减少下降至双向晶闸管维持电流以下而关断，从而切断负载电路。

固态继电器的输入电压、电流均不大，但能控制强电压、大电流电路，它与晶体管、TTL、CMOS电子线路有较好的兼容性，可直接与弱电控制回路（如计算机接口电路）连接。

常用的产品有DJ系列固态继电器，它是利用脉冲控制技术研制的新型固态继电器，采用无源触发方式。

使用固态继电器时应注意以下几点：

（1）固态继电器的选择应根据负载类型（阻性、感性）来确定，并要采用有效的过电压吸收保护。

（2）输出端要采用RC浪涌吸收回路或加非线性压敏电阻吸收瞬变电压。

（3）过流保护采用专门保护半导体器件的熔断器或用动作时间小于10ms的自动开关。

（4）安装时采用散热器，要求接触良好，且对地绝缘。

（5）应避免负载侧两端短路。

1.5.3 时间继电器

时间继电器用于按照所需时间间隔接通或断开被控制的电路，以协调和控制生产机械的各种动作，因此是按整定时间长短进行动作的控制电器。

时间继电器种类很多，按构成原理可分为电磁式、电动式、空气阻尼式、晶体管式和数字式等；按延时方式可分为通电延时型、断电延时型。空气阻尼式时间继电器（JS7系列）具有结构简单、延时范围较大（0.4～180s）、寿命长、价格低等优点。下面对空气阻尼式时间继电器做一介绍。

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼的原理制成的，有通电延时型和断电延时型两种。图1-19所示为通电延时型时间继电器的结构原理图。它主要由电磁系统、工作触头、气室和传动结构四部分组成。当线圈通电时，动铁芯和固定在动铁芯上的托板被铁芯电磁吸力吸引而下移。这时固定在活塞杆上的撞块因失去托板的支托，在弹簧作用下也要下移，但由于与活塞杆相连的橡皮膜也跟着向下移动，受进气孔进气速度的限制，橡皮膜上方形成空气稀薄的空间，与下方的空气形成压力差，对活塞杆下移产生阻尼作用，所以活塞杆和撞块只能缓慢地下移。经过一段时间后，撞块才触及微动开关的推杆，使常闭触头断开、常开触头闭合，起通电延时作用。从线圈通电开始到触头完成动作为止的时间间隔就是继电器的延时时间。延时时间的长短可通过延时调节螺钉调节空气室进气孔的大小来改变，延时范围有0.4～60s和0.4～180s两种。

当线圈断电时，电磁吸力消失，动铁芯在反力弹簧的作用下释放。带动托板和活塞杆向上移，橡皮膜上方气室内的空气通过单向阀的出气孔迅速排掉，使微动开关迅速复位。以上原理为通电延时型，若将电磁系统翻转180°安装，即为断电延时型。

时间继电器的触头系统有瞬时触头和延时触头，有常开、常闭各一对。其文字符号为KT，图形符号如图1-20所示。

1.5.4 速度继电器

速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。它主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动及时地切断电源。速度继电器的结构原理图如图1-21所示，它主要由转子、定子和触点三部分组成。

转子是一块固定在轴上的永久磁铁。浮动的定子与转子同心，而且能独自偏摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。速度继电器的轴与电动机轴相连，电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼型绕组切割磁力线而产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作。定子柄推动触头的同时，还压缩反力弹簧，其反作用阻止定子继续转动。当转子的转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子返回原来位置，对应的触头恢复原始状态。调整反力弹簧的拉力即可改变触头动作的转速。

常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种。其中，JY1型可在700～3600r/min范围工作；JFZ0-1型适用于300～1000r/min；JFZ0-2型适用于1000～3000r/min。

一般速度继电器都具有两个常开、常闭触点，一个正转时工作，另一个反转时工作，触点额定电压为380V，额定电流为2A。通常速度继电器动作速度为130r/min，复位转速在100r/min以下。

速度继电器电气符号如图1-22所示。

速度继电器主要是根据被控电动机的额定转速、控制要求等进行合理选择。

1.5.5 磁保持继电器

磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型继电器，图1-23所示为GRT508FA-60A型磁保持继电器的外形图。它也是一种自动开关，和其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断的作用。所不同的是，磁保持继电器的常闭或常开状态完全依赖于永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠一定宽度的脉冲电信号触发而完成的。

由于磁保持继电器磁路中含有永磁机构，造成其磁路计算的特殊性，磁保持继电器的结构如图1-24所示。图中，衔铁处于释放位置，工作气隙δ1和δ4为最大值，δ2和δ3为最小值。无激磁电流时，永久磁铁产生的磁通分别通过δ1、δ4和δ2、δ3，产生方向相反的吸力，共同作用于衔铁上。显然，用于在小气隙δ2、δ3处产生的永磁吸力大于大气隙δ1、δ4处的永磁吸力，所以衔铁稳定在释放位置。

当激磁线圈通电后，大气隙处的吸力增加，小气隙处的吸力减小。一旦小气隙处的吸力减小到一定程度（取决于系统的反力特性），衔铁就开始运动，进而完成打开位置到闭合位置的转换。