1.1.3 继电器

1.继电器概述

（1）继电器及其作用

继电器根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，是一种自动和远距离操纵用途的电器，广泛地用于自动控制系统，遥控、遥测系统，电力保护系统以及通信系统中，起着控制、检测、保护和调节的作用，是现代电气装置中最基本的器件之一。

继电器的输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量；而输出量则是触点的动作或者是电路参数的变化。继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成。前者用于反映输入量的变化，后者完成触点分合动作（对有触点继电器）或半导体元件的通断（对无触点继电器）。

继电器的种类很多，按输入信号的性质分有电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等；按工作原理分有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；按输出形式分有触点和无触点两类；按用途分有控制用和保护用继电器等。在一些功能安全场合，要选用安全继电器。

（2）继电器与接触器的区别

虽然继电器与接触器都用来自动闭合或断开电路，但是它们仍有较多不同之处，体现在以下方面：

1）继电器一般用于控制小电流的电路，触点额定电流不大于5A，所以不加灭弧装置；而接触器一般用于控制大电流的电路，主触点额定电流大于5A，大部分要加灭弧装置。

2）接触器一般只能对电压的变化做出反应，而各种继电器可以在相应的各种电量或非电量作用下动作。

2.中间继电器

（1）中间继电器及其作用

中间继电器是一种通过控制电磁线圈的通断，将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大（即增大触点容量）的继电器。中间继电器是用来转换控制信号的中间元件，其输入信号为线圈的通电或断电信号，输出信号为触点的动作。它的触点数量较多，触点容量较大，各触点的额定电流相同。

中间继电器的主要作用是，当其他继电器的触点数量或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数量或增大触点容量，起到中间转换（传递、放大、翻转、分路和记忆等）作用。中间继电器的触点额定电流比其线圈电流大得多，所以可以用来放大信号。将多个中间继电器组合起来，还能构成各种逻辑运算与计数功能的电路，因此中间继电器是传统继电器—接触器电气控制系统的主要设备之一。

（2）中间继电器的基本结构与工作原理

中间继电器也采用电磁结构，主要由电磁系统和触点系统组成。从本质上来看，中间继电器也是电压继电器，仅触点数量较多、触点容量较大而已。中间继电器种类很多，而且除专门的中间继电器外，额定电流较小的接触器（5A）也常被用作中间继电器。

图1-7为JZ7系列中间继电器的结构图，其结构与工作原理与小型直动式接触器基本相同，只是它的触点系统中没有主、辅之分，各对触点所允许通过的电流大小是相等的。由于中间继电器触点接通和分断的是交、直流控制电路，电流很小，所以一般中间继电器不需要灭弧装置。中间继电器线圈在施加85%～105%额定电压时应能可靠工作。

中间继电器的图形符号、文字符号及实物图片如图1-8所示。图1-8c是常用的中间继电器，包括底座和继电器。继电器上一般带指示灯，线圈接通时灯亮。

在我国，除了国产继电器外，日本欧姆龙LY2N、LY4N系列、施耐德电气RXM、RUM系列等也被使用。施耐德电气RXM2LB2BD型号中继器表示具有两常开和两常闭触点，带LED灯，电源电压为24V。

（3）中间继电器与接触器的区别

1）接触器主要用于接通和分断大功率负载电路，而中间继电器主要用于切换小功率的负载电路。

2）中间继电器的触点对数较多，且无主辅触点之分，各对触点所允许通过的电流大小相等。

3）中间继电器主要用于信号的传送，还可以用于实现多路控制和信号的放大。

4）中间继电器常用以扩充其他电器的触点数目和容量。

（4）中间继电器的选择

1）中间继电器线圈的电压或电流应满足电路的需要。

2）中间继电器触点的种类和数目应满足控制电路的要求。

3）中间继电器触点的额定电压和额定电流也应满足控制电路的要求。

4）应根据电路要求选择继电器的交流或直流类型。

3.时间继电器

（1）时间继电器概述

从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触点的闭合成断开）的继电器，称为时间继电器。时间继电器延时方式有通电延时、断电延时两种。时间继电器被广泛应用于电动机的起动控制和各种自动控制系统中。

通电延时型时间继电器接收输入信号后延迟一定时间，输出信号才发生变化；当输入信号消失后，输出瞬时复原。断电延时型时间继电器，在接收输入信号时，瞬时产生相应的输出信号；当输入信号消失后，延时一定时间，输出才复原。

（2）时间继电器结构及工作原理

常用的时间继电器主要有电磁式、电动式、空气阻尼式、晶体管式等。其中，电磁式时间继电器的结构简单，价格低廉，但体积和质量较大，延时较短（如JT3型只有0.3～5.5s），且只能用于直流断电延时；电动式时间继电器的延时精度高，延时可调范围大（由几分钟到几小时），但结构复杂，价格贵。目前在电力拖动电路中，应用较多的是空气阻尼式时间继电器。

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼作用而达到延时的目的。它由电磁机构、延时机构和触点组成。空气阻尼式时间继电器的电磁机构有交流、直流两种。延时方式有通电延时型和断电延时型。当动铁心（衔铁）位于静铁心和延时机构之间时为通电延时型；当静铁心位于动铁心（衔铁）和延时机构之间时为断电延时型。

JSK4和JS7-A等系列空气阻尼式时间继电器通电延时的工作原理如图1-9a所示。当线圈1得电后，动铁心3克服反力弹簧4的阻力与静铁心吸合，活塞杆6在塔形弹簧8的作用下向上移动，使与活塞12相连的橡胶膜10也向上移动，由于受到进气孔14进气速度的限制，这时橡胶膜下面形成空气稀薄的空间，与橡胶膜上面的空气形成压力差，对活塞的移动产生阻尼作用。空气由进气孔进入气囊（空气室），经过一段时间，活塞才能完成全部行程而通过杠杆7压动微动开关15，使其触点动作，起到通电延时的作用。

从线圈得电到微动开关15动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，其延时时间长短可以通过调节螺钉13改变进气孔气隙大小来实现，进气越快，延时越短。

当线圈断电时，衔铁释放，橡胶膜下方空气室内的空气通过活塞肩部所形成的单向阀迅速地排岀，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。引起微动开关的常闭触点瞬时闭合，常开触点瞬时断开，断电不延时。在线圈通电和断电时，微动开关16在推板5的作用下能瞬时动作，其触点即为时间继电器的瞬动触点。

结合通电延时型时间继电器的工作原理，读者可以分析1-9b所示断电延时型继电器的工作原理。

（3）晶体管时间继电器

随着电子技术的发展和普及，晶体管时间继电器得到普及与应用，有取代空气阻尼式时间继电器等传统产品的趋势。晶体管时间继电器具有工作稳定可靠、延时精度高、延时范围广、输岀触点容量较大的特点，延时时间可采用数字显示，调节方法简单直观。

（4）时间继电器表示方法及选用

时间继电器的图形符号和文字符号如图1-10所示。图中延时闭合的常开触点指的是，当时间继电器的线圈得电时，触点延时闭合；当时间继电器线圈失电时，触点瞬时断开。图中延时断开的常闭触点指的是，当时间继电器的线圈得电时，触点延时断开；当时间继电器线圈失电时，触点瞬时闭合。图中延时断开的常开触点指的是，当时间继电器的线圈得电时，触点瞬时闭合；当时间继电器线圈失电时，触点延时断开。图中延时闭合的常闭触点指的是，当时间继电器线圈得电时，触点瞬时断开，当时间继电器线圈失电时，触点延时闭合。

时间继电器形式多样，在进行选择时，主要根据控制电路对延时触点的要求选择延时方式；根据延时精度要求、使用环境等选择类型；根据控制要求选择延时触点种类、数量和瞬动触点种类、数量；另外，要确保时间继电器的额定电压与电源电压相同。

4.热继电器

（1）热继电器概述

电动机在实际运行中，常会遇到过载情况，但只要过载不严重、时间短，绕组不超过允许的温升，这种过载就是允许的。但如果过载电流倍数大且过载时间长，则会加速电动机绝缘的老化，缩短电动机的寿命，甚至烧毁电动机，因此，必须对电动机进行长期过载保护。

热继电器是利用电流流过热元件时产生的热量，使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。它主要用于交流电动机的过载保护、断相和电流不平衡运行的保护及其他电器设备发热状态的控制。

（2）热继电器结构、工作原理及表示方法

热继电器主要由热元件、双金属片、动断触点和复位按钮组成，如图1-11a所示。图1-11b是施耐德电气TeSys D系列热继电器产品，型号为LRD10C，整定电流为4～6A。

常用的热元件由发热电阻丝制成，有些地方也使用热敏电阻。双金属片由两种热膨胀系数不同的金属碾压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。使用时，把热元件串接于电动机的主电路中，而常闭触点串接于电功机的控制电路中。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使热继电器的触点动作。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，从而切断电动机控制电路以起到保护作用。

可见，由于热惯性的原因，热继电器不能用于短路保护。因为发生短路事故时，要求电路能立即断开，而热继电器由于热惯性却不能立即动作。此外，在电动机起动或短时过载时，热继电器的热惯性也使继电器不会动作，从而保证了电动机的正常工作。热继电器动作后，经过一段时间的冷却即能自动或手动复位。

常用的热继电器有JR1、JR2、JR0、JR16、JR20等系列。JR16B系列双金属片式热继电器的电流整定范围广，并有温度补偿装置，适用于长期工作或间歇工作的交流电动机的过载保护，而且具有断相运转保护装置。

热继电器的图形符号和文字符号如图1-12所示。

（3）热继电器的选用

热继电器选用是否得当，直接影响着对电动机进行过载保护的可靠性。通常选用时应按电动机形式、工作环境、起动情况及负载情况等几方面综合加以考虑。

1）原则上热继电器（热元件）的额定电流等级一般略大于电动机的额定电流。热继电器选定后，再根据电动机的额定电流调整热继电器的整定电流，使整定电流与电动机的额定电流相等。

2）一般情况下可选用两相结构的热继电器。对于电网电压均衡性较差、无人看管的电动机或与大容量电动机共用一组熔断器的电动机，宜选用三相结构的热继电器。定子三相绕组为三角形联结的电动机，应采用有断相保护的三元件热继电器作过载和断相保护。

3）热继电器的工作环境温度与被保护设备的环境温度的差别不应超过15～25℃。

4）双金属片式热继电器一般用于轻载、不频繁起动电动机的过载保护。对于重载、频繁起动的电动机，则可用过电流继电器（延时动作型的）作它的过载和短路保护。

5.速度继电器

速度继电器是当转速达到规定值时动作的继电器，其作用是与接触器配合实现对电动机的制动，所以又称为反制动继电器。

速度继电器主要由转子、定子和触点3部分组成，如图1-13所示。转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼型空心圆环，由硅钢片叠成并装有笼型绕组。速度继电器转子的轴与被控制电动机的轴相连，而定子空套在转子上。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，这样，永久磁铁的静磁场就成了旋转磁场，定子内的短路导体因切割磁场而感应电动势并产生电流，带电导体在旋转磁场的作用下产生电磁转矩，于是定子随转子旋转方向转动。由于有返回杠杆档位，故定子只能随转子转动一定角度。定子的转动经杠杆作用使相应的触点动作，并在杠杆推动触点动作的同时，压缩弹簧，其反作用力也阻止定子转动。当被控电动机转速下降时，速度继电器转子转速也随之下降，于是定子的电磁转矩减小。当电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩时，定子返回原来位置，对应触点恢复到原来状态。同理，当电动机向相反方向转动时，定子做反向转动，使速度继电器的反向触点动作。

调节螺钉的位置，可以调节反力弹簧的反作用力大小，从而调节触点动作时所需转子的转速。一般速度继电器的动作转速不低于120r/min，复位转速为100r/min以下。

速度继电器图形符号和文字符号如图1-14所示。

6.电流继电器与电压继电器

（1）电流继电器

电流继电器是一种根据线圈中（输入）电流大小而接通或断开电路的继电器，即触点的动作与否与线圈动作电流大小有关的继电器。电流继电器按线圈电流的种类可分为交流电流继电器和直流电流继电器；按用途可分为过电流继电器和欠电流继电器。

电流继电器的线圈与被测量电路串联，以反映电路电流的变化，为不影响电路的工作情况（不分压），其线圈的匝数少、导线粗、线圈阻抗小。

电流继电器的图形符号和文字符号如图1-15所示。

过电流继电器的任务是，当电路发生短路或严重过载时，必须立即将电路切断。因此，当电路在正常工作时，即当过电流继电器线圈通过的电流低于整定值时，继电器不动作，只要超过整定值，继电器才动作。瞬动型过电流继电器常用于电动机的短路保护；延时动作型过电流继电器常用于过载兼具短路保护。过电流继电器可自动或手动复位。

欠电流继电器的任务是，当电路电流过低时，必须立即将电路切断。因此，当电路在正常工作时，即欠电流继电器线圈通过的电流为额定电流（或低于额定电流一定值）时，继电器是吸合的。只有当电流低于某一整定值时，继电器释放，才输出信号。欠电流继电器常用于直流电动机和电磁吸盘的失磁保护。

过电流继电器的动作电流整定范围：交流过电流继电器为1.1～4.0倍额定电流，直流过电流继电器为0.7～3.0倍额定电流。欠电流继电器的动作电流整定范围：吸合电流为0.30～0.55倍额定电流，释放电流为0.1～0.2倍额定电流。

（2）电压继电器

电压继电器用于电力拖动系统的电压保护和控制，使用时电压继电器的线圈与负载并联，为不影响电路的工作情况（不分流），其线圈的匝数多、导线细、线圈阻抗大。

一般来说，过电压继电器在电压升至1.05～1.2倍额定电压时动作，对电路进行过电压保护；欠电压继电器在电压降至0.4～0.7倍额定电压时动作，对电路进行欠电压保护；零电压继电器在电压降至0.05～0.35倍额定电压时动作，对电路进行零电压保护。

电压继电器的图形符号和文字符号如图1-16所示。

7.固态继电器

固态继电器（Solid State Relay，SSR）是采用固态半导体元件组装而成的一种无触点开关。它利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的高可靠隔离，利用大功率二极管、功率场效应晶体管、单向晶闸管、双向晶闸管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等器件的开关特性来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路。与电磁式继电器相比，它是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长和动作可靠等一系列特点，近来逐步得到广泛应用。

SSR是四端口器件，其中两端为输入端，两端为输出端，中间采用隔离器件，以实现输入与输出之间的隔离。SSR既有放大驱动作用，又有隔离作用，很适合驱动大功率开关式执行机构。SSR按使用场合可以分为交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上作负载开关，不能混用。

固态继电器与传统继电器相比，存在漏电流大、接触电压高、触点单一、使用温度范围较窄、抗干扰能力差及过载能力差等不足。