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微课：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）的变化接通或断开控制电路的自动切换电器。它用于各种控制电路中，进行信号传递、放大、转换、联锁等，控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。
继电器的种类繁多、应用广泛，常用的继电器有中间继电器、热继电器、时间继电器、电流继电器、电压继电器、速度继电器、温度继电器等。
中间继电器属于电磁式结构，由铁心、衔铁、线圈、释放弹簧和触头等部分组成，如图1-24所示。由于继电器用于控制电路，所以流过触头的电流较小，因此不需要灭弧装置。
图1-24 中间继电器
电磁式中间继电器实质上是一种电磁式电压继电器，其特点是触点数量较多，在电路中起增加触点数量以及信号放大、传递作用，有时也代替接触器控制额定电流不超过5A的电动机系统。
中间继电器的工作原理与小型交流接触器基本相同，只是它的触点没有主、辅之分，每对触点允许通过的电流大小相同，触点容量与接触器的辅助触点差不多，其额定电流一般为5 A。图1-25为中间继电器的图形及文字符号。
图1-25 中间继电器的图形及文字符号
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来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。
热继电器主要由热元件、双金属片和触头等组成，其结构示意如图1-26所示。
图1-26 热继电器结构示意图
1—推杆 2—主双金属片 3—导板 4—热元件 5—补偿双金属片 6—静触头 7—动触头 8—常开静触头 9—复位螺钉 10—按钮 11—压簧 12—支承件 13—调节旋钮
热元件由发热电阻丝做成。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属辗压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。使用时，热元件4串接在电动机定子绕组中，电动机绕组电流即为流过热元件的电流。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使主双金属片2弯曲，但不足以使继电器动作；当电动机过载时，热元件产生的热量增大，使主双金属片变形弯曲，位移增大，经过一定时间后，主双金属片弯曲到推动导板3，并经过补偿双金属片5与推杆将触头7和6分开，触头7和6为热继电器串于接触器线圈回路的常闭触点，断开后使接触器失电，接触器的常开触点将电动机与电源断开，起到保护电动机的作用。
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10才能复位。调节旋钮13是一个偏心轮，它与支承件12构成一个杠杆，11是一个压簧转动偏心轮，改变它的半径即可改变补偿双金属片5与导板3的接触距离，因而达到调节整定动作电流的目的。此外，靠调节复位螺钉9来改变常开静触头8的位置，使热继电器能工作在手动复位和自动复位两种工作状态。
图1-27为JR36系列热继电器外形结构，图1-28为热继电器的图形及文字符号。
图1-27 JR36系列热继电器
图1-28 热继电器的图形及文字符号
由于发热元件具有热惯性，所以热继电器在电路中不能用于瞬时过载保护，更不能做短路保护，主要用作电动机的长期过载保护。
带断相保护的热继电器主要是应用于三角形联结的三相异步电动机。三相异步电动机的一相接线松开或一相熔丝断开，都会造成三相异步电动机烧坏。当热继电器所保护的电动机是星形联结时，电路发生一相断电，另外两相电流增加很多，由于线电流与相电流相等，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例相同，用普通的两相或三相热继电器可以实现保护。
如果电动机是三角形联结，发生断相时，由于电动机的相电流与线电流不相等，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例不相同，而热元件串联在电动机的电源进线中，按电动机的额定电流即线电流来整定，整定值较大。当故障线电流达到额定电流时，在电动机绕组内部，电流较大的那一相绕组的故障电流将超过额定相电流，便有过热烧毁的危险。所以，三角形联结必须采用带断相保护的热继电器。
带有断相保护的热继电器比普通热继电器多了一个差动机构，如图1-29所示，杠杆、上导板和下导板组成差动结构，图中虚线表示动作位置，图1-29a为断电时的位置。当电流为额定电流时3个热元件正常发热，其端部均向左弯曲并推动上、下导板同时左移，但移动程度不足以使继电器触点动作，如图1-29b所示。当电流过载到达整定的动作值时，双金属片弯曲较大，推动导板使触点动作，实现过载保护，如图1-29c所示。当一相（设W相）断路时，该相热元件温度由原来正常发热状态下降，双金属片由弯曲状态伸直，推动上导板向右移；由于U、V相电流较大，推动下导板向左移，使杠杆扭转，继电器动作，从而实现断相保护，如图1-29d所示。
图1-29 带断相保护的热继电器结构图
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会引起继电器动作的最大电流值。对于某一热元件，可通过调节电流旋钮，在一定范围内调节电流整定值。
常用的热继电器有JRS1、JR20、JR36、JR15、JR14等系列，引进产品有T、3UA、LR1-D等系列。
JRS1、JR20系列具有断相保护、温度补偿、整定电流值可调、手动脱扣、手动复位、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。
热继电器主要用于电动机的过载保护，选用时主要考虑电动机的额定电流、工作环境、起动情况、负载性质等因素，具体地说：
1）对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些。
2）在不频繁起动场合，要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作。
3）当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。此外，对于可逆运行和频繁通断的电动机，不宜采用热继电器保护，必要时可采用装入电动机内部的温度继电器。
时间继电器是一种接受信号，经过一定的延时后才能输出信号，实现触点延时接通或断开的继电器。时间继电器的延时方式有两种：通电延时和断电延时。通电延时是接受输入信号后，延迟一段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。断电延时是当接受输入信号时，立即产生相应的输出信号；当输入信号消失后，继电器需经过一定的延时，输出才复原。时间继电器种类较多，常用的有电磁式、空气阻尼式、半导体式等。时间继电器的图形及文字符号如图1-30所示。
直流电磁式时间继电器是利用电磁系统在电磁线圈断电后磁通延缓变化的原理而工作的。在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜套，构成直流电磁式时间继电器，其结构示意如图1-31所示。当线圈通电时，因磁路中气隙大、磁阻大、磁通小，铜套阻尼作用不明显，其固有动作时间约为0.2s，接近于瞬时动作。而当线圈断电时，磁通变化量大，铜套阻尼作用显著，使衔铁延时释放，从而实现延时作用。
电磁式时间继电器具有结构简单、运行可靠、寿命长、允许通电次数多等优点，但延时时间短（最长不超过5s），延时精度不高，体积大且仅适用于直流电路中作断电延时时间继电器，从而限制了它的应用。
图1-30 时间继电器的图形及文字符号
常用的直流电磁式时间继电器有JT3和JT18系列。
空气阻尼式时间继电器又称气囊式时间继电器，它是利用空气阻尼作用达到延时目的的。它由电磁结构、延时结构和触点组成。国产JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的外形如图1-32所示。
图1-31 带有阻尼铜套的铁心
图1-32 JS7-A系列空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器的延时方式有通电延时型和断电延时型。其外观区别在于：当衔铁位于铁心和延时结构之间时为通电延时型，当铁心位于衔铁和延时结构之间时为断电延时型。
JS7-A系列空气阻尼式时间继电器结构原理如图1-33所示。以通电延时型为例，当线圈1得电后，衔铁3吸合，活塞杆6在塔形弹簧8作用下带动活塞12及橡皮膜10向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄，形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小决定。经一段延时后，活塞杆通过杠杆7压动微动开关15，使其触头动作，起到通电延时作用。
图1-33 JS7-A系列空气阻尼式时间继电器结构原理图
1—线圈 2—铁心 3—衔铁 4—反作用力弹簧 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—调节螺钉 14—进气孔 15、16—微动开关
当线圈断电时，衔铁释放，橡皮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出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。由线圈得电到触头动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，其大小可以通过调节螺钉13调节进气孔气隙大小来改变。
空气阻尼式时间继电器具有结构简单、延时范围较大（0.4～180s）、价格较低的优点，但其延时精度较低，没有调节指示，适用于延时精度要求不高的场合。
空气阻尼式时间继电器的典型产品有JS7、JS23、JSK系列等。
随着电子技术的发展，晶体管时间继电器也迅速发展。这类时间继电器体积小，延时范围宽、调节方便、延时精度高、寿命长，已得到广泛应用。以JS14A系列晶体管时间继电器为例进行介绍，如图1-34所示。
图1-34 JS14A系列晶体管时间继电器
晶体管时间继电器是利用 RC 电路电容充放电原理实现延时的。图1-34b中有两个电源：主电源由变压器二次侧的18V电压经整流、滤波得到，辅助电源由变压器二次侧的12V电压经整流、滤波获得。当电源变压器接上电源时，晶体管VT1导通、VT2截止，继电器KA不动作。两个电源分别向电容 C 充电，a点电位随时间按指数规律上升。当a点电位高于b点电位时，晶体管VT1截止、VT2导通，VT2集电极电流通过继电器KA的线圈，KA各触头动作输出信号。图中KA的常闭触点断开充电电路，常开触点闭合，使电容放电，为下次工作做好准备。调节电位器RP可以改变延时的时间长短。此电路延时范围为0.2～300s。
晶体管时间继电器的输出形式有两种：有触头式和无触头式，前者是用晶体管驱动小型电磁式继电器，后者采用晶体管或晶闸管输出。
晶体管时间继电器的典型产品有JS14A、JS14P、JS20等系列。
1）根据控制电路对延时触点的要求选择延时方式，即断电延时型或通电延时型。
2）根据延时精度和延时范围要求选择合适的时间继电器。
3）根据工作条件选择时间继电器的类型。
电流继电器反映的是电流信号。在使用时电流继电器的线圈和负载串联，其线圈匝数少而线径粗，则线圈上的电压降很小，不会影响负载电路的电流，而导线粗电流大仍可获得需要的磁势。常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。
在电路正常工作时，欠电流继电器线圈流过负载额定电流，衔铁吸合动作；当电路电流减小到某一整定值（0.3～0.65 I N ）以下时，衔铁释放，带动触点复原。欠电流继电器在电路中起欠电流保护作用，常用其常开触点进行保护。当继电器欠电流释放时，常开触点断开控制电路。直流电动机的励磁电流过小会使电动机超速，甚至“飞车”，可以使用直流欠电流继电器进行保护。而交流电路不需要欠电流保护，所以没有交流欠电流继电器。
直流欠电流继电器的吸合电流 I o =（0.3～0.65） I N ，释放电流 I r =（0.1～0.2） I N 。
过电流继电器在电路正常工作时，通过线圈的电流为额定值，它所产生的电磁力不足以克服反作用弹簧力，过电流继电器不动作；当电路中电流超过某一整定值时，电磁吸力大于反作用弹簧力，衔铁吸合动作，使常闭触点断开，切断控制回路，对电路起过电流保护作用。过电流继电器主要用作电动机的短路保护，通常把动作电流整定在起动电流的1.1～1.3倍。过电流继电器常用于桥式起重机电路中，常用产品为JT4、JL12及JL14等系列。
图1-35为电流继电器的图形及文字符号。
图1-35 电流继电器的图形及文字符号
电压继电器反映的是电压信号。使用时，电压继电器线圈与负载并联，其线圈匝数多而线径细。常用的有欠电压继电器和过电压继电器两种。
欠电压继电器又称零压继电器，用于电路的欠电压或零电压保护。正常工作时，欠电压继电器吸合，当电路电压减小到某一整定值（0.3～0.5） U N 以下时，欠电压继电器释放，对电路实现欠电压保护。
零电压继电器是当电路电压降低到（0.05～0.25） U N 时释放，对电路实现零电压保护。
过电压继电器用于过电压保护。在电路正常工作时，衔铁不吸合；当线圈电压超过某一整定值（1.05～1.2） U N 时，衔铁才吸合动作，对电路实现过电压保护。由于直流电路一般不会出现过电压，所以只有交流过电压继电器。
图1-36为电压继电器的图形及文字符号。
图1-36 电压继电器的图形及文字符号
速度继电器是根据电磁感应原理制成的，主要用于笼型异步电动机的反接制动控制，也称为反接制动继电器。
图1-37为JY1系列速度继电器的外形及结构示意图。它主要由定子、转子和触点三部分组成。转子是一个圆柱形永久磁铁；定子是一个笼型圆环，由硅钢片叠成，并在其中装有笼型绕组。
图1-37 JY1系列速度继电器的外形及结构示意图
转子与被控电动机同轴连接，用以感受转动信号。当转子随被控电动机旋转时，永久磁铁形成旋转磁场，定子中的笼型绕组切割磁场产生感应电动势、感应电流，并在磁场作用下产生电磁转矩，使定子随转子旋转方向转动，定子上固定的胶木摆杆也随着转动，当定子随转子转动一定角度时，胶木摆杆推动簧片（端部有动触头）与静触头闭合（按轴的转动方向而定）。静触头又起挡块作用，限制胶木摆杆继续转动。因此，转子转动时，定子只能转过一个不大的角度。当转子转速接近于零（低于100 r/min）时，胶木摆杆恢复原来状态，触头断开，切断电动机的反接制动电路。
速度继电器的图形及文字符号如图1-38所示。
图1-38 速度继电器的图形及文字符号
常用的速度继电器有JY1和JFZ0两个系列。其中JY1系列可在700～3600 r/min范围工作。JFZ0-1型适用于300～1000 r/min，JFZ0-2型适用于1000～3600 r/min。
一般速度继电器都具有两对常开、常闭触点，一对常开、常闭触点正转时动作，另一对反转时动作。通常速度继电器的动作转速不低于300r/min，复位转速在100r/min以下。
液位继电器是根据液体液面高低使触点动作的继电器，常用于锅炉和水柜中控制水泵电动机的起动和停止。
如图1-39所示，液位继电器是由浮筒及相连的磁钢、与动触头相连的磁钢以及两个静触头组成。浮筒置于锅炉或水柜中，当水位降低到极限时，浮筒下落使磁钢绕支点A上翘。由于磁钢同性相斥，动触头的磁钢端被排斥下落，通过支点B使触点1-1接通、2-2断开。触点1-1接通控制水泵电动机的接触器线圈，电动机工作，向锅炉供水，液面上升。反之，当水位升高到上限位置时，浮筒上浮，触点2-2接通、1-1断开，水泵电动机停止。显然，液位的高低是由液位继电器的安装位置决定的。
图1-39 液位继电器结构图
热敏电阻式温度继电器是一种可埋设在电动机发热部位如定子槽内、绕组端部等，直接反映该处发热情况的过热保护元件。无论是电动机出现过电流引起温度升高，还是其他原因引起电动机温度升高，它都能起到保护作用。
热敏电阻式温度继电器的外形与一般晶体管时间继电器相似，但作为温度感测元件的热敏电阻不装在继电器中，而是装在电动机定子槽内或绕组端部。热敏电阻是一种半导体器件，根据材料性质分为正温度系数和负温度系数两种。由于正温度系数热敏电阻具有明显的开关特性，且具有电阻温度系数大、体积小、灵敏度高等优点，得到了广泛应用和发展。
图1-40为正温度系数热敏电阻式温度继电器原理图。
图1-40 正温度系数热敏电阻式温度继电器原理图
图1-40中， R T表示各绕组内埋设的热敏电阻串联后的总电阻，它同电阻 R 7、 R 4、 R 6构成一个电桥，由晶体管VT1、VT2构成的开关电桥接在电桥的对角线上。当温度在65℃以下时， R T大体为一恒值，且比较小，电桥处于平衡状态，VT1、VT2截止，晶闸管VT3不导通，执行继电器KA不动作。当温度上升到动作温度时， R T的阻值剧增，电桥出现不平衡状态，使VT1及VT2导通，晶闸管VT3获得门极电流也导通，KA线圈得电吸合，其常闭触头分断接触器线圈使电动机断电，实现了电动机的过热保护。当温度下降至返回温度时， R T阻值锐减，电桥恢复平衡使VT3关断，继电器KA线圈断电而使衔铁释放。