第四节 继电器
【内容提要】
继电器是根据某种输入信号的变化，接通或分断控制电路，实现自动控制和保护电力装置的自动电器。
继电器的种类很多，按输入信号的性质不同，分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器及压力继电器等；按工作原理不同，可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；按输出形式不同，可分为有触点式和无触点式两类；按用途不同，可分为控制用继电器与保护用继电器等。
【课堂讲解】
一、电磁式继电器
1．电磁式继电器的结构与工作原理
电磁式继电器是应用得最早、最多的一种继电器，其结构及工作原理与接触器大体相同。由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图1-23所示。由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小（一般5A以下），不需要灭弧装置，常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继电器等。其中中间继电器实物与电路图符号如图1-24所示。
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，其线圈并联接入主电路，感测主电路的线电压；触点接入控制电路，为执行元件。图1-25为电压继电器实物图，图1-26为其图形符号和文字符号。
图1-23 电磁式继电器原理图
1-线圈2-铁芯3-磁轭4-弹簧5-调节螺母6-调节螺钉7-衔铁8-非磁性垫片9-动断触点10-动合触点
图1-24 中间继电器实物与电路图符号
图1-25 电压继电器实物
图1-26 电压继电器图形符号和文字符号
按吸合电压相对其额定电压的大小，电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器。
过电压继电器（KOV）用于电路的过电压保护，其吸合整定值为被保护电路额定电压的1.05～1.2倍。当被保护的电路电压正常时，衔铁不动作；当被保护电路的电压高于额定值，达到过电压继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，控制接触器及时分断被保护电路。
欠电压继电器（KUV）用于电路的欠电压保护，其释放整定值为电路额定电压的10%～60%。当被保护电路正常时，衔铁可靠吸合；当被保护电路电压降至欠电压继电器的释放整定值时，衔铁释放，触点机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。
零电压继电器是当电路电压降低到额定电压的5%～25%时作用，对电路实现零电压保护。零电压继电器用于电路的失电压保护。
中间继电器实质上是一种电压继电器。它的特点是触点数目较多，电流容量可增大，起到中间放大（触点数目和电流容量）的作用。
3．电流继电器
电流继电器用于电力系统的电流保护和控制，其线圈串联接入主电路，用来感测主电路的电流；触点接入控制电路，为执行元件。电流继电器反映的是电流信号，常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。图1-27为电流继电器的实物图，图1-28为图形和文字符号。
图1-27 电流继电器实物
图1-28 电流继电器图形符号和文字符号
过电流继电器（KOC）在电路正常工作时不动作，整定范围通常为额定电流的1.1～4倍，当被保护电路的电流高于额定值，达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路，对电路起过电流保护作用。
欠电流继电器（KUC）用于电路的欠电流保护，吸合电流为线圈额定电流的30%～65%，释放电流为额定电流的10%～20%，因此，在失电，电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一整定值时，继电器作用，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。
JT4系列交流电磁式继电器适合于交流50Hz、380V及以下的自动控制电路中作零电压、过电压、过电流的保护和中间继电器使用，过电流继电器也适用于60Hz交流电路。
通用电磁式继电器有JT9、JT10、JL12、JL14、JZ7等系列，其中JL14系列为交直流电磁继电器，JZ7系列为交流中间继电器。
4．中间继电器
（1）功能：中间继电器是用来增加控制电路中的信号放大的继电器，将一个输入信号变成一个或多个输出信号。输入信号为线圈是否通电，输出信号是触点的动作，将信号同时传给N个控制元件或电路。
（2）结构、符号：中间继电器的结构与接触器基本相同，由线圈、静铁芯、动铁芯、触点系统（触点较多，无主、辅触点之分，且通过的电流大小相同，多数为5A）、反作用力弹簧等组成，如图1-29所示。
图1-29 中间继电器的结构及符号
二、时间继电器
时间继电器是电路中控制动力时间的继电器，它是一种利用电磁原理或机械动作原理实现触点延时接通或断开的自动控制电器，其种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式及电子式等。
1．直流电磁式时间继电器
在直流电磁式电压继电器的铁芯上增加一个阻尼铜套，即可构成电磁阻尼式时间继电器，如图1-30所示。
当铁芯通电时，由于衔铁处于释放位置，气隙大、磁阻大、磁通小，阻尼铜套作用相对也小，因此衔铁吸合时延时不显著（一般忽略不计）。
当继电器断电时，磁通变化量大，阻尼铜套作用也大，使衔铁延时释放而起到延时作用。因此，这种继电器仅用于断电延时。
这种时间继电器延时较短，JT3系列最长不超过5s，而且准确度较低，一般只适合用于要求不高的场合。
2．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原理获得延时的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。电磁机构为直动式双E结构，触点系统是借用LX5型微动开关，延时机构采用气囊式阻尼器。
图1-30 直流电磁式时间继电器示意图
1-铁芯2-阻尼铜套3-绝缘层4-线圈
空气阻尼式时间继电器既具有空气室中的气动机构带动的延时触点，又具有电磁机构直接带动的瞬动触点。可以做成通电延时型，也可做成断电延时型。电磁机构可以是直流的，也可以是交流的。此继电器结构简单、价格低廉，但是准确度低，延时误差大（±20%），因此在要求延时精度高的场合不宜采用。
时间继电器有通电延时和断电延时两种类型，空气阻尼式时间继电器示意图如图1-31所示。通电延时型时间继电器的动作原理是：线圈通电时使触点延时动作、线圈断电时使触点瞬时复位。具体过程如下：当电路通电后，电磁线圈的静铁芯产生磁场力，使衔铁克服推板的弹簧的反作用弹力而吸合，与衔铁相连的传动杆向右运动，吸合活塞杆，克服活塞杆的弹簧的反作用力，使气室内橡胶膜和活塞缓慢向右运动，通过弹簧片使瞬动触点动作。同时通过杠杆使延时触点动作，延时时间由气室进气口的节流程度决定，其节流程度用调节螺钉完成，断电时弱弹簧使橡皮膜复位。断电延时型时间继电器的动作原理是：线圈通电时使触点瞬时动作，线圈断电时使触点延时复位。时间继电器的文字符号用KT表示。图形符号如图1-32所示，1-33是时间继电器型号说明。
图1-31 空气阻尼式时间继电器
1-线圈2-铁芯3-衔铁4-反力弹簧5-推板6-活塞杆7-杠杆8-塔形弹簧9-弱弹簧10-橡皮膜11-空气室壁12-活塞13-调节螺杆14-进气孔15、16-微动开关
图1-32 时间继电器图形型号
图1-33 时间继电器的型号说明
3．电子式时间继电器
电子式时间继电器在时间继电器中已成为主流产品，电子式时间继电器是采用晶体管或集成电路和电子式元器件等构成，目前已有单片机控制的时间继电器。电子式时间继电器具有延时范围广、精度高、体积小、耐振动、调节方便及寿命长等优点，所以发展迅速，应用广泛。电子式时间继电器的种类很多，最基本的有通电延时型和断电延时型两种，它们大多是利用电容器充放电原理达到延时目的。JS14系列电子式时间继电器具有延时长、电路简单、延时调节方便、性能稳定、延时误差小及触点容量较大等优点。电子式时间继电器的输出形式有两种：有触点式和无触点式，前者是用晶体管驱动小型电磁式继电器，后者是采用晶体管或晶闸管输出。
4．时间继电器的选用
选用时间继电器时应注意：其线圈（或电源）的电流种类和电压等级应与控制电路相同；按控制要求选择延时方式和触点形式；校核触点数量和容量，若不够时，可用中间继电器进行扩展。
时间继电器产品有JS14A系列、JS20系列电子式时间继电器、JS14P系列数字式电子继电器等，具有体积小、延时精度高、寿命长、工作稳定可靠、安装方便、触点输出容量大和产品规格齐全等优点，广泛用于电力拖动、顺序控制及各种生产过程的自动控制中。
三、其他类继电器
非电磁类继电器的感测元件接受非电量信号，如温度、转速、位移及机械力等。常用的非电磁类继电器有热继电器、速度继电器、干簧继电器及固态继电器等。
1．热继电器
热继电器（FR）主要用于电力拖动系统中电动机负载的过载保护。
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，这种过载是允许的。但过载情况严重，时间长，则会加速电动机绝缘的老化，缩短电动机的使用寿命，甚至烧毁电动机，因此必须对电动机进行过载保护。
图1-34 热继电器工作原理示意图
（1）热继电器的结构和工作原理：热继电器主要由热元件、双金属片和触点组成。如图1-34所示，热元件由发热电阻丝做成；双金属片由两种热膨胀系数不同的金属辗压而成，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，而常闭触点串接电动机的控制电路中。热继电器的图形及文字符号如图1-35所示。其外形、结构如图1-36所示。
图1-35 热继电器图形及文字符号
图1-36 JR系列热继电器外形
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保护作用。热继电器动作后一般不能自动复位，要等双金属片冷却后按下复位按钮才能复位。热继电器动作电流的调节可以借助于凸轮于不同位置来实现。
（2）热继电器的型号及选用：热继电器的选择主要根据电动机使用场合和额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，对于三角形连接的电动机，应选择带断相保护功能的热继电器。热继电器的整定电流一般为电动机的额定电流的1.05～1.1倍，选好继电器后，根据电动机的额定电流来调整它的整定值。热继电器型号说明如图1-37所示。
图1-37热继电器型号说明
图1-38 速度继电器结构图
2．速度继电器
速度继电器又称为反接制动继电器，它主要用于笼形异步电动机的反接制动控制。感应式速度继电器的结构如图1-38所示。它是靠电磁感应原理实现触点动作的。它主要由转子、定子和触点组成。转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼形空心圆环，由硅钢片叠成，并有笼形绕组。其转子的轴与被控电动机的轴相连，当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，当达到一定转速，定子在感应电流和力矩的作用下跟随转动，到一定角度时，装在定子轴上的摆锤推动簧片（动触片）动作，使动断触点断开、动合触点闭合。当电动机转速低于某一数值时，定子产生的转矩减小，触点在簧片作用下复位。速度继电器应根据电动机额定转速进行选择，其图形及文字符号如图1-39所示。常用的速度继电器有JY1和JFZ0系列，图1-40为JY1型速度继电器。
图1-39 速度继电器图形、文字符号
图1-40 JY1型速度继电器
JY1系列速度继电器能在3000r/min的转速下可靠工作。JFZ0系列速度继电器触点动作速度不受定子柄旋转快慢的影响，触点改用微动开关。JFZ0系列JFZ0-1型速度继电器适用于300～1000r/min, JFZ0-2型适用于1000～3000 r/min。速度继电器有两对常开、常闭触点，分别对应于被控电动机的正反转运行。一般情况下，速度继电器的触点，在转速达120r/min时能动作，转速为100r/min左右时能恢复正常位置。
3．干簧继电器
干簧继电器是一种具有密封触点的电磁式继电器。干簧继电器可以反应电压、电流、功率以及电流极性等信号，在检测、自动控制、计算机控制技术等领域中应用广泛。干簧继电器主要用于舌簧片与励磁线圈组成。干式舌簧片（触点）是密封的，由铁-镍合金做成，干式舌簧片的接触部分通常镀有贵金属（如金、铑、钯等），接触良好，具有良好的导电性能。触点密封在充有氮气等惰性气体的玻璃管中，因而有效地防止了尘埃的污染，减少了对触点的腐蚀，提高了工作的可靠性。干簧继电器结构如图1-41所示。
图1-41 干簧继电器结构图
当线圈通电后，玻璃管中两干式舌簧片自由端分别被磁化成N极和S极，并相互吸引，因而接通被控电路。线圈断电后，干式舌簧片在本身的弹力作用下分开，将电路切断。图1-42为由线圈控制的干簧继电器的工作原理图。
图1-42 干簧继电器工作原理图
干簧继电器结构简单、体积小、吸合功率小、灵敏度高，一般吸合与释放时间均在0.5～2ms；触点密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染，动片质量小、动程小，触点电气寿命长，一般可达107次左右；价格低廉，维修方便，不足之处是触点易冷焊粘住，过载能力低；触点开距小，耐压低，断开瞬间触点易抖动。
舌簧继电器可以用永磁体来驱动，反映非电信号，用作限位及行程控制以及非电量检测等。
4．固态继电器
固态继电器（Solid State Rely, SSR）是用半导体材料制成的，故又称半导体继电器。单相固态继电器是具有两个输入端和两个输出端的一种四端器件，按输出端负载电源类型可分为直流型和交流型两类。图1-43是固态继电器实物与电路图符号。
图1-43 固态继电器实物及电路图符号