2.2 继电器的基本知识（课件）-《工厂电气控制设备》同步教学（清华大学出版社）

项目2 常用自动控制电器认识 知识要求 认识常用自动控制电器的结构、特点。 技能要求 掌握常用自动控制电器好坏的判别方法。 掌握常用电工工具和电工仪表的使用。 学习情景2.2 继电器的基本知识 【问题的提出】 继电器是根据外界输入的电信号或非电信号来控制电路中电流通与断的自动切换电器。其主要用于反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。从业人员必须熟悉其结构、型号、规格和用途，并能正确选择、使用与维护。 【相关知识】 继电器的种类很多：按用途来分，有控制继电器和保护继电器两类；按反映的不同信号来分，有电压继电器、电流继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器等；按动作原理来分，有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器和热继电器等。 继电器实质上是一种传递信号的电器，它根据特定形式的输入信号而动作，从而达到控制的目的。它一般不用来直接控制主电路，而是通过接触器或其他电器来对主电路进行控制，因此同接触器相比较，继电器的触点通常接在控制电路中，触点断流容量较小，一般不需要灭弧装置，但对继电器动作的准确性要求较高。 继电器一般由3个基本部分组成：检测机构、中间机构和执行机构。检测机构的作用是接受外界输入信号并将信号传递给中间机构；中间机构的作用是对信号的变化进行判断、物理量转换、放大等；当输入信号变化到一定值时，执行机构(一般是触点)动作，从而使其所控制的电路状态发生变化，接通或断开某部分电路，达到控制或保护的目的。 电磁式继电器是依据电压、电流等电量，利用电磁原理使衔铁闭合动作，进而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现动作状态的改变。 1．电磁式电流继电器 根据输入(线圈)电流的大小而动作的继电器称为电磁式电流继电器。电磁式电流继电器的线圈串联于被测电路中，反映电路电流的变化，对电路实现过电流与欠电流保护。为了使串入电流继电器后不影响电路正常工作，电磁式电流继电器的线圈应阻抗小、导线粗，其匝数应尽量少，只有这样，线圈的功率损耗才小。 根据实际应用的要求，电磁式电流继电器又有过电流继电器和欠电流继电器之分。当过电流继电器在正常工作时，线圈通过的电流在额定值范围内，它所产生的电磁吸力不足以克服反力弹簧的反作用力，故衔铁不动作；当通过线圈的电流超过某一整定值时，电磁吸力大于反力弹簧的拉力，吸引衔铁动作，于是常开触点闭合，常闭触点断开。有的过电流继电器带有手动复位结构，它的作用是：当过电流时，继电器动作，衔铁被吸合，但当电流减小甚至为零时，衔铁也不会自动返回，只有当故障得到处理后，采用手动复位结构，松开锁扣装置后，衔铁才会在复位弹簧作用下恢复原始状态，从而避免重复过电流事故的发生。 过电流继电器主要用于频繁起动的场合，作为电动机或主电路的过载和短路保护。一般的交流过电流继电器调整在(110%～350%)IN动作，直流过电流继电器调整在(70%～300%)IN动作。 欠电流继电器是当通过线圈的电流降低到某一整定值时，继电器衔铁被释放，相反，欠电流继电器在电路电流正常时，衔铁吸合。欠电流继电器的吸引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，当继电器线圈电流降低到额定电流的10%～20%时，继电器即动作，给出信号，使控制电路作出应有的反应。交流过电流继电器的铁芯和衔铁上可以不安放短路环。 电流继电器的动作值与释放值可用调整反力弹簧的方法来整定。旋紧弹簧，反作用力增大，吸合电流和释放电流都被提高；反之，旋松弹簧，反作用力减小，吸合电流和释放电流都降低。另外，调整夹在铁芯柱与衔铁吸合端面之间的非磁性垫片的厚度也能改变继电器的释放电流，垫片越厚，磁路的气隙和磁阻就越大，与此相应，产生同样吸力所需的磁动势也越大，当然，释放电流也要大些。电磁式电流继电器的型号意义如图2-4所示。 图2-4 电磁式电流继电器型号意义 2．电磁式电压继电器 电磁式电压继电器是根据输入电压的大小而动作的继电器。电磁式电压继电器线圈与被测电路并联，反映电路电压的变化，可作为电路的过电压和欠电压保护。为了不影响电路的正常工作，要求其线圈的匝数要多，导线截面要小，线圈阻抗要大。根据电磁式电压继电器动作电压值的不同分为过电压继电器、欠电压继电器、零电压继电器，一般欠电压继电器用得较多。过电压继电器在电路电压为(105%～120%)UN时吸合，欠电压继电器在电路电压为40%～70%UN时释放，零电压继电器在电路电压降至(5%～25%)UN时释放。对于交流励磁的过电压继电器在电路正常时不动作，只有在电路电压超过额定电压，达到整定值时才动作，且一动作就将电路切断。 电磁式电压继电器的型号意义如图2-5所示。 图2-5 电磁式电压继电器型号意义 3．电磁式中间继电器 电磁式中间继电器的用途很广，若主继电器的触点容量不足，或为了同时接通和断开几个回路需要多对触点时，或一套装置有几套保护需要用共同的出口继电器等，都要采用中间继电器。中间继电器实质上为电压继电器，当线圈加上70%以上的额定电压时，衔铁被吸合，并使衔铁上的动触点与静触点闭合；当失去电压时，衔铁受反作用弹簧的拉力而返回原位。 电磁式中间继电器的基本结构及工作原理与接触器完全相同，故称为接触器式继电器，所不同的是中间继电器的触点对数较多，并且没有主、辅之分，各对触点允许通过的电流大小是相同的，其额定电流约为5A。 常用的中间继电器有JZ7型和JZ14型中间继电器。 JZ7型中间继电器采用立体布置，铁芯和衔铁用E形硅钢片叠装而成，线圈置于铁芯中柱，组成双E直动式电磁系统。触点采用桥式双断点结构，上、下两层各有4对触点，下层触点只能是常开的，故触点系统可按8常开、6常开和2常闭，以及4常开和4常闭组合。 JZ14型中间继电器采用螺管式电磁系统及双断点桥式触点。其基本结构为交、直流通用，交流铁芯为平顶形，直流铁芯与衔铁为圆锥形接触面。触点采用直列式布置，触点对数可达8对，按6常开和2常闭、4常开和4常闭及2常开和6常闭任意组合。该继电器还有手动操作按钮，便于手动操作和作为动作指示，同时还带有透明外罩，以防尘埃进入内部，影响工作的可靠性。 电磁式中间继电器与电压继电器在电路中的接法和结构特征基本上也相同。其在电路中起到中间放大与转换作用：一是当电压或电流继电器触点容量不够时，可借助中间继电器来控制，用中间继电器作为执行元件，这时，中间继电器可被看成是一级放大器；二是当其他继电器或接触器触点数量不够时，可用中间继电器来切换多条电路。图2-6所示为JZ7-44型中间继电器结构示意图和图形文字符号。 图2-6 JZ7-44型中间继电器结构示意图和图形文字符号 1—触点弹簧 2—常开触点 3—衔铁 4—铁芯 5—底座 6—缓冲弹簧 7—线圈 8—释放弹簧 9—常闭触点 电磁式继电器图形文字符号一般是相同的，电流继电器、电压继电器、中间继电器文字符号都为KA。中间继电器的型号意义如图2-7所示。 图2-7 中间继电器型号意义 4．热继电器 热继电器是电流通过发热元件产生热量，使检测元件受热弯曲而推动机构动作的一种继电器。由于热继电器中发热元件的发热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护和短路保护，因此它主要用于电动机的过载保护、断相保护和三相电流不平衡运行的保护。 1) 热继电器的结构和工作原理 热继电器的形式有多种，其中以双金属片最多。双金属片式热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成，如图2-8所示。 图2-8 热继电器的结构示意图 1—补偿双金属片 2—销子 3—支撑 4—杠杆 5—弹簧 6—凸轮 7、12—片簧 8—推杆 9—调节螺钉 10—触点 11—弓簧 13—复位按钮 14—双金属片 15—发热元件 16—导板 双金属片是热继电器的感测元件，由两种膨胀系数不同的金属片碾压而成。当串联在电动机定子绕组中的热元件有电流流过时，热元件产生的热量使双金属片伸长，由于膨胀系数不同，致使双金属片发生弯曲。当电动机正常运行时，双金属片的弯曲程度不足以使热继电器动作；当电动机过载时，流过热元件的电流增大，加上时间效应，从而使双金属片的弯曲程度加大，最终使双金属片推动导板使热继电器的触点动作，切断电动机的控制电路。 2) 热继电器的分类及常见规格 热继电器按热元件数分为两相结构和三相结构。三相结构中又分为带 断相保护和不带断相保护装置两种。 目前国内生产的热继电器种类很多，常用的有JR20、JRS1、JRS2、JRS5、JR16B和T系列等。其中JRS1为引进法国TE公司的1R1-D系列，JRS2为引进德国西门子公司的3UA系列，JRS5为引进日本三菱公司的TH-K系列，T系列为引进德国ABB公司的产品。 JR20系列热继电器采用立体布置式结构，且系列动作机构通用。除具有过载保护、断相保护、温度补偿以及手动和自动复位功能外，JR20系列热继电器还具有动作脱扣灵活、动作脱扣指示以及断开检验按钮等功能装置。热继电器的型号含义及电气符号如图2-9所示。 图2-9 热继电器的型号含义及电气符号 3) 热继电器的选择 选用热继电器时，必须了解被保护对象的工作环境、起动情况、负载性质、工作制及电动机允许的过载能力。 (1) 热继电器的类型选择。若用热继电器作电动机缺相保护，应考虑电动机的接法。对于Y形接法的电动机，当某相断线时，其余未断相绕组的电流与流过热继电器电流的增加比例相同。一般的三相式热继电器，只要整定电流调节合理，是可以对Y形接法的电动机实现断相保护的；对于△形接法的电动机，某相断线时，流过未断相绕组的电流与流过热继电器的电流增加比例则不同，也就是说，流过热继电器的电流不能反映断相后绕组的过载电流。因此，一般的热继电器，即使是三相式也不能为△形接法的三相异步电动机的断相运行提供充分保护，此时，应选用三相带断相保护的热继电器。带断相保护的热继电器的型号后面有D、T或3UA字样。 (2) 热元件的额定电流选择。应按照被保护电动机额定电流的1.1～1.15倍选取热元件的额定电流。 (3) 热元件的整定电流选择。一般将热继电器的整定电流调整到等于电动机的额定电流；对过载能力差的电动机，可将热元件的整定值调整到电动机额定电流的0.6～0.8倍；对起动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车的电动机，热元件的整定电流应调整到电动机额定电流的1.1～1.15倍。 5．时间继电器 在电气控制系统中，有时需要继电器收到信号后不立即动作，而要延时一段时间后再动作并输出控制信号，以达到按时间顺序进行控制的目的，这种感受外界信号后，经过一段时间才能使执行部分动作的继电器，就是时间继电器。 时间继电器按工作原理分可分为直流电磁式、空气阻尼式(气囊式)、晶体管式、电动式等几种；按延时方式分可分为通电延时型和断电延时型两种。 1) 空气阻尼式时间继电器 空气阻尼式时间继电器利用空气通过小孔时产生阻尼的原理获得延时。其结构由电磁系统、延时机构与触点三部分组成。空气阻尼式时间继电器既有通电延时型，也有断电延时型，只要改变电磁机构的安装方向，即可实现不同的延时方式：当衔铁位于铁芯与延时机构之间时为通电延时型；当铁芯位于衔铁与延时机构之间时为断电延时型，如图2-10所示。电磁机构为双E直动式，触点系统为微动开关，延时机构采用气囊式阻尼器。 图2-10 空气阻尼式时间继电器的动作原理 1—线圈 2—铁芯 3—衔铁 4—复位弹簧 5—推板 6—活塞杆 7—杠杆 8—塔形弹簧 9—弱弹簧 10—橡皮膜 11—气室 12—活塞 13—调节螺钉 14—进气孔 15、16—微动开关 2) 晶体管式时间继电器 晶体管式时间继电器常用的有阻容式时间继电器，它是利用RC电路中电容电压不能跃变，只能按指数规律逐渐变化的原理——电阻尼特性获得延时的，所以，只要改变充电回路的时间常数即可改变延时时间。由于调节电容比调节电阻困难，所以多用调节电阻的方式来改变延时时间。其原理图如图2-11所示。 图2-11 晶体管式时间继电器原理图 3) 时间继电器的电气符号 时间继电器的图形文字符号如图2-12所示。 图2-12 时间继电器的图形文字符号 6．速度继电器 速度继电器是当电动机转速达到规定值动作的继电器，其作用是与接触器配合实现对电动机的制动，所以又称为反接制动继电器。 图2-13所示是速度继电器的结构原理图。 图2-13 速度继电器结构原理图 1—调节螺钉 2—反力弹簧 3—常闭触点 4—动触点 5—常开触点 6—返回杠杆 7—杠杆 8—定子导条 9—定子 10—转轴 11—转子 速度继电器主要是由转子、定子和触点三部分组成。转子11是一个圆柱形永久磁铁，定子9是一个笼型空心圆环，由矽钢片叠成并装有笼型绕组，速度继电器转轴10与被控电动机转轴连接，而定子9空套在转子11上。当电动机转动时，速度继电器的转子11随之转动，这样永久磁铁的静磁场就成了旋转磁场，定子9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9随转子11旋转方向转动，但由于有返回杠杆6挡位，故定子只能随转子转动一定角度，定子的转动经杠杆7作用使相应的触点动作，并在杠杆推动触点动作的同时，压缩反力弹簧2，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，当电磁转矩小于反作用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，复位转速约为100r/min。 速度继电器的图形符号如图2-14所示，文字符号为KS。 图2-14 速度继电器的图形符号 $$