1.4 繼電器

1.4.1 繼電器的繼電特性

繼電器是一種小信號自動控制電器，它利用電流、電壓、速度、時間、溫度等物理量的預定值作為控制信號來接通和分斷電路。實質上，繼電器是一種傳遞信號的電器。它根據特定形式的輸入信號動作，從而達到控制信號的目的。

繼電器由感應機構、中間機構和執行機構三部分組成。感應機構反映的是繼電器的輸入量，并將輸入量傳遞給中間機構，中間機構將它與預定量（即整定值）進行比較，當達到整定值時，就使執行機構產生輸出量，從而接通或分斷電路。

繼電器的工作特點是具有跳躍式的輸入輸出特性，其特性曲線如圖1-10所示。在繼電器輸入量X由零增至一定值之前，即在X＜X₀時，繼電器輸出量Y=Y_min。當輸入量X增加到X₀時，繼電器吸合，輸出量Y突變為Y_max；若X繼續增大，Y保持不變（Y=Y_max）。當輸入X減小，在X＞X_c時，輸出量Y保持不變（Y=Y_max）。當輸入量降低至X_c時，繼電器釋放，輸出量Y由Y_max突變為Y_min；若X繼續減小，Y保持不變（Y=Y_min）。

繼電器的種類很多，按用途分類，有控制繼電器和保護繼電器；按動作原理分類，有電磁式繼電器、感應式繼電器、電動式繼電器、電子式繼電器和熱繼電器等；按輸入信號的不同分類，有電壓繼電器、中間繼電器、電流繼電器、時間繼電器、速度繼電器等。下面主要介紹常用的電磁式繼電器、時間繼電器、熱繼電器和速度繼電器。

1.4.2 電磁式繼電器

電磁式繼電器是應用最多的一種繼電器，主要由電磁機構和觸點系統組成，其原理如圖1-11所示。由于繼電器用于控制電路，故流過觸點的電流比較小，不需要滅弧裝置。電磁式繼電器的電磁機構由線圈1、鐵心2和銜鐵7組成。它的觸點一般為橋式觸點，有常開和常閉兩種形式。另外，為了實現繼電器動作參數的改變，繼電器一般還具有調節彈簧松緊和改變銜鐵打開后氣隙大小的裝置，如通過調節螺釘6來調節彈簧4的反作用力的大小，即可調節繼電器的動作參數值。當電路正常工作時，彈簧4的反作用力大于電磁吸力，銜鐵7不動作，若通過線圈1的電流超過某一定值時，彈簧4的反作用力小于電磁吸力，銜鐵7吸合，這時常閉觸點9斷開，常開觸點10閉合，從而實現電路控制。

電磁式繼電器電氣符號如圖1-12所示。常用的電磁式繼電器有電流繼電器、電壓繼電器和中間繼電器。

1.電磁式電流繼電器

電磁式電流繼電器主要用于過載及短路保護，它反映的是電流信號。在使用時，電磁式電流繼電器的線圈和負載串聯，其線圈匝數少、導線粗、阻抗小。由于線圈上的壓降很小，不會影響負載電路的電流。常用的電磁式電流繼電器有欠電流繼電器和過電流繼電器兩種。

電路正常工作時，欠電流繼電器的銜鐵是吸合的，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開。當電路電流減小到某一整定值以下時，欠電流繼電器銜鐵釋放，控制電路失電，對電路起欠電流保護作用。欠電流繼電器的吸引電流為線圈額定電流的30%～65%，釋放電流為線圈額定電流的10%～20%。

電路正常工作時，過電流繼電器不動作，當電路中電流超過某一整定值時，過電流繼電器銜鐵吸合，觸點系統動作，控制電路失電，從而控制接觸器及時分斷電路，對電路起過電流保護作用。整定范圍通常為1.1～1.4倍額定電流。

2.電磁式電壓繼電器

電磁式電壓繼電器的結構與電磁式電流繼電器相似，不同的是電磁式電壓繼電器反映的是電壓信號。它的線圈為并聯的電壓線圈，因此匝數多、導線細、阻抗大。按吸合電壓的大小，電磁式電壓繼電器可分為過電壓繼電器和欠電壓繼電器。

過電壓繼電器用于電路的過電壓保護，當被保護電路的電壓正常工作時，銜鐵釋放；當被保護電路的電壓達到過電壓繼電器的整定值（額定電壓的110%～115%）時，銜鐵吸合，觸點系統動作，控制電路失電，從而保護電路。

欠電壓繼電器用于電路的欠電壓保護，當被保護電路的電壓正常工作時，銜鐵吸合；當被保護電路的電壓降至欠電壓繼電器的釋放整定值時，銜鐵釋放，觸點系統復位，控制接觸器及時分斷被保護電路。欠電壓繼電器在電路電壓為額定電壓的40%～70%時釋放。

3.電磁式中間繼電器

電磁式中間繼電器實質上也是一種電壓繼電器。它觸點對數多且容量較大（額定電流為5～10A），可以將一個輸入信號變成多個輸出信號或將信號放大（即增大觸頭容量）。電磁式中間繼電器的主要用途是當其他繼電器的觸點數量或觸點容量不夠時，可借助電磁式中間繼電器擴大它們的觸點數量或觸點容量，起到信號中轉的作用。

電磁式中間繼電器體積小，動作靈敏度高，并在10A以下電路中可代替接觸器起控制作用。通常依據被控電路的電壓等級和觸點的數目、種類及容量選用中間繼電器。

1.4.3 時間繼電器

時間繼電器是一種利用電磁原理或機械動作原理實現觸點延時接通或斷開的電器。時間繼電器主要作為輔助電氣組件用于各種電氣保護及自動裝置中，使被控組件達到所需要的延時效果，應用十分廣泛。時間繼電器種類很多，按其動作原理可分為電磁式、空氣阻尼式、電動式、電子式等幾種類型。按延時方式可分為通電延時型與斷電延時型兩種。

1.空氣阻尼式時間繼電器

空氣阻尼式時間繼電器也稱為氣囊式時間繼電器，它利用空氣阻尼作用來達到延時的目的，由電磁機構、延時機構和觸點系統三部分組成。空氣阻尼式時間繼電器的電磁機構有交流和直流兩種，延時方式有通電延時型和斷電延時型（改變電磁機構位置，將電磁鐵翻轉180°安裝）。當動鐵心（銜鐵）位于靜鐵心和延時機構之間時為通電延時型；當靜鐵心位于動鐵心和延時機構之間時為斷電延時型。空氣阻尼式時間繼電器動作原理如圖1-13所示。

圖1-13a為斷電延時型時間繼電器。當線圈1通電后，銜鐵4連同推板5被靜鐵心2吸合，微動開關15推上，從而使觸點迅速轉換。同時在空氣室內與橡皮膜9相連的頂桿6也迅速向上移動，帶動杠桿14左端迅速上移，微動開關13的常開觸點閉合，常閉觸點斷開。當線圈斷電時，微動開關13迅速復位，在空氣室內與橡皮膜9相連的頂桿6在彈簧8作用下也向下移動，由于橡皮膜9下方的空氣稀薄形成負壓，起到空氣阻尼的作用，故而頂桿6只能緩慢地向下移動，移動速度由進氣孔11的大小而定，可通過調節螺釘10調整頂桿6的移動速度。經過一段延時后，活塞12才能移到最下端，并通過杠桿14壓動微動開關13，使其常開觸點斷開，常閉觸頭閉合，起到延時閉合的作用。

圖1-13b為通電延時型時間繼電器。當線圈1通電時，其延時常開觸點要延時一段時間才閉合，常閉觸點要延時一段時間才斷開；當線圈1失電時，其延時常開觸點迅速斷開，延時常閉觸點迅速閉合。

空氣阻尼式時間繼電器的優點是結構簡單、延時范圍大、壽命長、價格低廉；缺點是準確度低、延時誤差大，在延時精度要求高的場合不宜采用。

2.直流電磁式時間繼電器

在直流電磁式電壓繼電器的鐵心上增加阻尼銅套，即可構成一個時間繼電器。當線圈通電時，由于銜鐵處于釋放位置，氣隙大，磁場大，磁通小，銅套的阻尼作用相對就小，因此銜鐵吸合時延時不顯著；而當線圈斷電時，磁通變化量大，銅套的阻尼作用也大，使銜鐵延時釋放，從而起到延時作用。帶有阻尼銅套的鐵心結構如圖1-14所示。

直流電磁式時間繼電器結構簡單，可靠性高，壽命長。這種時間繼電器僅用作斷電延時，其延時時間較短，最長不超過5s，而且準確度較低，一般只用于延時精度要求不高的場合。

3.電子式時間繼電器

電子式時間繼電器也稱為半導體式時間繼電器，常用的有阻容式時間繼電器。電子式時間繼電器是利用RC電路電容器充電時，電容器上的電壓逐漸上升的原理作為延時基礎的。因此，改變充電電路的時間常數（改變電阻值），即可整定其延時時間。電子式時間繼電器工作原理如圖1-15所示。

電子式時間繼電器具有延時范圍廣、精度高、體積小、耐沖擊、耐振動、調節方便及壽命長等優點。

4.時間繼電器的型號選用及電氣符號

時間繼電器形式多樣，各具特點，選擇時應從以下幾方面考慮：根據控制電路對延時觸點的要求選擇延時方式，即通電延時型或斷電延時型；根據延時范圍和精度、使用場合、工作環境等選擇時間繼電器的類型。

時間繼電器的電氣符號如圖1-16所示。

1.4.4 熱繼電器

熱繼電器是利用電流的熱效應原理工作的保護電器，主要用于電動機的過載保護及對其他電氣設備發熱狀態的控制。

1.熱繼電器的工作原理

熱繼電器的測量組件通常采用雙金屬片，由兩種具有不同線膨脹系數的金屬片以機械碾壓方法形成一體。主動層采用膨脹系數較高的鐵鎳鉻合金，被動層采用膨脹系數很低的鐵鎳合金。當雙金屬片受熱后將向被動層方向彎曲，當彎曲到一定程度時，通過動作機構使觸點動作。圖1-17為熱繼電器動作原理示意圖，發熱元件2通電發熱后，雙金屬片1受熱向左彎曲，使推動導板3向左推動執行機構發生一定的運動。電流越大，執行機構的運動幅度越大。當電流大到一定程度時，執行機構發生躍變，即觸點發生動作，從而切斷主電路。

2.熱繼電器的常用型號及電氣符號

熱繼電器是專門用于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。在三相異步電動機電路中，熱繼電器有兩相和三相兩種結構，三相結構中又分為帶斷相保護裝置和不帶斷相保護裝置兩種。

熱繼電器實物圖形及電氣符號如圖1-18所示。

3.熱繼電器的選擇

在使用熱繼電器時應考慮電動機的特性、負載性質、起動情況、工作環境等因素，具體應按以下幾個方面選擇。

1）熱繼電器的型號及熱元件的額定電流等級應根據電動機的額定電流確定。熱元件的額定電流應大于或略大于被保護電動機的額定電流。

2）三角形聯結的電動機應選用帶斷相保護裝置的三相結構形式的熱繼電器；星形聯結的電動機可選用兩相或三相結構形式的熱繼電器。

3）雙金屬片熱繼電器一般用于輕載或不頻繁起動的過載保護。對于重載或頻繁起動的電動機，應選用過電流繼電器或能反映繞組實際溫度的溫度繼電器進行保護，不宜選用雙金屬片熱繼電器，因為電動機在運行過程中不斷重復升溫，熱繼電器雙金屬片的溫升跟不上電動機繞組的溫升，所以電動機將得不到可靠的過載保護。

1.4.5 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，也稱為反接制動繼電器。

速度繼電器主要由定子、轉子和觸點三部分組成。定子的結構與籠型異步電動機相似，是由硅鋼片疊成的，并在其中裝有籠型繞組，轉子是一個圓柱形永久磁鐵，圖1-19為速度繼電器的結構原理圖。

速度繼電器的轉子與電動機同軸相連，用以接收轉動信號。當電動機轉動時，速度繼電器的轉子隨之轉動，在氣隙中形成一個旋轉磁場，繞組1切割磁場產生感應電動勢和電流，此電流和永久磁鐵的磁場作用產生轉矩，使定子向轉動的方向偏擺，通過定子推動觸點動作，使常閉觸點斷開、常開觸點閉合。當電動機轉速下降到接近零時，轉矩減小，擺錘2在簧片3、6力的作用下恢復原位，觸點也會復位。

速度繼電器的動作轉速為120r/min，觸點的復位轉速在100r/min以下，轉速在3000～3600r/min以下能可靠地工作。應根據被控電動機的控制要求、額定轉速等合理選擇速度繼電器。

速度繼電器的圖形符號和文字符號如圖1-20所示。