1.7 继电器
继电器是一种根据电量（电压、电流）或非电量（时间、温度、速度及压力等）的变化自动接通或断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。
继电器一般由感测机构、中间机构和执行机构3个基本部分组成。感测机构将感测到的电量或非电量传递给中间机构，并与预定值（整定值）进行比较，当达到整定值时，中间机构便使执行机构动作，从而接通或断开电路。继电器主要用于切换小电流控制电路，因此其触点容量较小（一般小于5A），且不需安装灭弧装置。
继电器用途广泛，种类繁多。按反应参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、速度继电器和热继电器等；按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式和机械式等。
1.7.1 电磁式继电器
电磁式继电器是以电磁力为驱动力的继电器，是电气控制设备中用得最多的一种继电器。电磁式继电器的结构及工作原理与电磁式接触器相似，电磁式继电器的典型结构如图1-31所示。交流电磁式继电器的电磁机构有U形拍合式、E形直动式等结构形式，其中U形拍合式和E形直动式的铁心及衔铁均由硅钢片叠成，且在铁心端面上装设了短路环。直流电磁式继电器的电磁机构为U形拍合式，铁心及衔铁均由电工软铁制成，无短路环。为了增加闭合后的气隙，电磁式继电器在衔铁的内侧面上装有非磁性垫片，铁心铸在铝基座上。电磁式继电器的触点一般均为桥式触点，有常开和常闭两种，由于其是通断小电流的电路，故不设置灭弧装置。
图1-31 电磁式继电器的典型结构
1—底座 2—铁心 3—反力弹簧 4、5—调节螺母 6—衔铁 7—非磁性垫片 8—极靴 9—触点 10—线圈
1．电磁式电流继电器
根据线圈中电流大小而接通或断开电路的继电器称为电流继电器。电流继电器的线圈与负载相串联，用以反应负载电流，故线圈匝数少，导线粗，阻抗小。电流继电器既可按“电流”参量来控制电动机的运行，又可对电动机进行欠电流或过电流保护。
（1）欠电流继电器
线圈电流低于整定值时动作的继电器称为欠电流继电器。欠电流继电器的吸引电流一般为其线圈额定电流的30%～65%，释放电流为其额定电流的10%～20%。因此，在电路正常工作时，其衔铁是吸合的，只有当线圈电流降低到某一整定值时，继电器才释放。这种继电器常用于直流电动机和电磁吸盘的失磁保护。
（2）过电流继电器
线圈电流高于整定值时动作的继电器称为过电流继电器。过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电路电流超过其整定值时才产生吸合动作，分断负载电路，所以电路中常使用过电流继电器的常闭触点。
电力拖动系统中，冲击性的过电流时有发生，因此常采用过电流继电器作为电路的过电流保护，也可用于电动机的短路保护和严重过载保护。通常，交流过电流继电器的吸合电流调整范围是1.1～4倍额定电流，直流过电流继电器的吸合电流调整范围是0.7～3.5倍额定电流。
常用的电流继电器有JL14、JL15、JT9等型号。
2．电磁式电压继电器
根据线圈两端电压大小而接通或断开电路的继电器称为电压继电器。电压继电器的线圈与负载并联，以反应电压变化，故线圈匝数多，导线细，阻抗大。按动作电压值的不同，电压继电器可分为过电压继电器、欠电压继电器和零压继电器。
一般来说，过电压继电器在电压为额定电压的110%～120%及以上时动作，对电路进行过电压保护；欠电压继电器在电压为额定电压的40%～70%时动作，对电路进行欠电压保护；零压继电器在电压降至额定电压的5%～25%时动作，对电路进行零压保护。
常用的电压继电器有JT3、JT4型。
3．中间继电器
中间继电器实质上是电压继电器，但它还具有触点数量多（多至6对或更多）、触点容量较大（额定电流5～10A）、动作灵敏（动作时间不大于0.05s）等特点。其主要用途是当其他电器的触点数量或触点容量不够时，可借助中间继电器来增加其触点数量或触点容量，从而起到中间信号的转换和放大作用。
常用的中间继电器有JZ7、JZ8、JZ14、JZ15等系列。
部分JZ7系列中间继电器的主要技术参数如表1-11所示。
表1-11 部分JZ7系列中间继电器主要技术参数
4．电磁式继电器的整定方法
电磁式继电器的衔铁开始吸合时吸引线圈的电流（或电压）称为吸合电流（或电压）；衔铁开始释放时吸引线圈的电流（或电压）称为释放电流（或电压）。根据控制系统的要求，应预先使继电器达到某一个吸合值或释放值，该吸合值（电流或电压）或释放值（电流或电压）就称为整定值。电磁式继电器的整定方法如下：
1）改变反力弹簧的松紧。调整调节螺母4可以改变反力弹簧3的松紧程度，从而调整吸合电流（或电压）。反力弹簧调节得越紧，吸合电流（或电压）就越大；反之就越小。
2）改变初始气隙的大小。调整调节螺母5可以改变初始气隙的大小，从而调整吸合电流（或电压）。气隙越大，吸合电流（或电压）就越大；反之就越小。
3）改变非磁性垫片的厚度。改变非磁性垫片7的厚度可以调节释放电流（或电压），非磁性垫片越厚，释放电流（或电压）就越大；反之则越小。
5．电磁式继电器的选择
电磁式继电器在选用时，应考虑继电器线圈的电压或电流需满足控制电路的要求；同时还应根据在控制电路中的作用区别选择继电器的类型，是过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器还是中间继电器；最后，应按照控制电路的要求选用触点的类型（常开或常闭）和数量。
电磁式继电器的图形符号和文字符号如图1-32所示。中间继电器的文字符号为KA，电流继电器的文字符号为KI，电压继电器的文字符号为KV；电流继电器线圈图形符号的线圈方框中I＞（或I＜）表示为过电流（或欠电流）继电器，电压继电器线圈图形符号的线圈方框中U＞（或U＜）表示为过电压（或欠电压）继电器。此外，电流继电器和电压继电器也可使用线圈的一般符号。
图1-32 电磁式继电器的图形符号和文字符号
a）中间继电器 b）电流继电器 c）电压继电器
1.7.2 时间继电器
从得到输入信号起，需经过一定的延时后才能输出信号的继电器称为时间继电器。时间继电器获得延时的方法是多种多样的，根据其工作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式；根据延时的方式可分为通电延时型时间继电器和断电延时型时间继电器两种。下面，以空气阻尼式时间继电器为例进行介绍。
1．结构与工作原理
空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼作用获得延时的，有通电延时和断电延时两种结构型式。图1-33所示为JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的结构原理图，它主要由电磁系统、触点系统和延时机构组成。通电延时型时间继电器工作原理如下：
线圈通电后，衔铁3克服复位弹簧的阻力与铁心2吸合，带动推板使上侧微动开关16立即动作；同时，活塞杆6在塔形弹簧7的作用下，带动活塞13及橡皮膜9向上移动，因此使橡皮膜下方气室空气稀薄，活塞杆不能迅速上移。当室外空气经由进气孔12进入气室，活塞杆才逐渐上移，移至最上端时，杠杆15撞及下侧微动开关14，使其触点动作输出信号。从电磁线圈通电时刻起至下侧微动开关14动作时止的这段时间即为时间继电器的延时时间。通过调节螺钉11调节进气孔气隙的大小就可以调节延时时间的长短，进气越快，延时越短。
图1-33 JS7-A系列空气阻尼式时间继电器结构原理图
a）通电延时型 b）断电延时型
1—线圈 2—铁心 3—衔铁 4—复位弹簧 5—推板 6—活塞杆 7—塔形弹簧 8—弱弹簧 9—橡皮膜 10—空气室壁 11—调节螺钉 12—进气孔 13—活塞 14、16—微动开关 15—杠杆
当电磁线圈断电后，衔铁在复位弹簧的作用下立即将活塞推向最下端，气室内的空气通过橡皮膜、弱弹簧8和活塞的局部所形成的单向阀迅速经上气室缝隙排掉，使得两微动开关同时迅速复位。
上述分析为通电延时型时间继电器的工作原理，若将其电磁机构翻转180°安装，即可得到断电延时型时间继电器。其工作原理读者可自行分析。
提示与指导：
要注意区分不同延时方式的时间继电器线圈通断电与其延时触点动作、复位之间的关系。通电延时型时间继电器其线圈通电开始延时，延时到各触点动作，线圈断电各触点立刻复位；断电延时型时间继电器其线圈通电时触点立刻动作，而线圈断电时才开始延时，延时到各触点复位。
2．主要特点
空气阻尼式时间继电器具有结构简单、价格低、寿命长等优点，特别是具有通电延时和断电延时两种结构形式，且附有瞬时触点，方便满足控制要求，使其应用较为广泛。空气阻尼式时间继电器的缺点是延时精度低，延时误差一般为±10%，且没有调节指示，很难精确地整定延时时间。因此，在延时精度要求高的场合不宜采用。
国产空气阻尼式时间继电器主要有JS7系列和JS7-A系列，A为改型产品，体积小。JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的主要技术参数如表1-12所示。
日本生产的空气阻尼式时间继电器产品与JS7系列相比，体积小50%以上，橡皮膜用特殊的塑料薄膜制成，其气孔精度较高，延时时间可达几十分钟。
表1-12 JS7-A系列空气阻尼式时间继电器主要技术参数
3．时间继电器的选用
时间继电器在选用时主要根据延时范围和延时精度的要求选择相应的类型，根据控制要求选择其延时方式为通电延时或断电延时。其次，考虑外形尺寸、安装方式及价格等因素。
对于延时精度要求不高的场合，在延时时间满足要求的前提下，一般多选用空气阻尼式时间继电器，而电磁阻尼式时间继电器，由于只能用于直流断电延时，且延时时间极短，影响了它的使用；对延时精度要求较高、延时范围要求较大的场合，可选用电动式或电子式时间继电器。
电动式时间继电器延时精度高、不受电源电压波动和环境温度变化影响，延时范围可达几十小时，延时时间有指示。但其结构复杂、价格高且寿命短，不适于频繁操作，延时误差受电源频率的影响。
电子式时间继电器也称为晶体管式时间继电器，具有延时时间较长，延时精度较高，体积小、工作可靠，寿命长等优点。但其延时易受电源电压波动和环境温度变化的影响，因此，抗干扰能力差。
常用的几种时间继电器的性能、特点比较如表1-13所示。
表1-13 几种时间继电器的性能、特点比较
时间继电器的图形符号和文字符号如图1-34和图1-35所示，通电延时型和断电延时型的图形符号有所差别。二者的线圈图形符号可以分别使用图示线圈符号，也可使用线圈的一般符号；二者瞬时触点的图形符号相同，均为常开、常闭触点的一般符号，读者在使用中应注意其延时触点图形符号的区别，以免混淆。
图1-34 通电延时型时间继电器的图形符号和文字符号
a）线圈 b）延时闭合的常开触点 c）延时断开的常闭触点 d）瞬时常开触点 e）瞬时常闭触点
图1-35 断电延时型时间继电器的图形符号和文字符号
a）线圈 b）延时断开的常开触点 c）延时闭合的常闭触点 d）瞬时常开触点 e）瞬时常闭触点
1.7.3 热继电器
电动机在实际运行中，短时过载是允许的，但如果长期过载，欠电压运行或断相运行等都可能使电动机的电流超过其额定值，这样将引起电动机发热。绕组温升超过额定温升，将损坏绕组的绝缘，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁电动机绕组。因此必须采取过载保护措施。最常用的是利用热继电器进行过载保护。
1．结构与工作原理
热继电器是一种利用电流的热效应原理进行工作的保护电器，具有反时限的保护特性。双金属片式热继电器的结构组成如图1-36所示，主要由热元件、主双金属片、补偿双金属片、触点和动作机构等部分组成。双金属片是由两种膨胀系数不同的金属片碾压而成，受热后膨胀系数较高的主动层将向膨胀系数小的被动层方向弯曲。其工作原理如下。
图1-36 双金属片式热继电器结构组成
1—主双金属片 2—热元件 3—导板 4—补偿双金属片 5—螺钉 6—推杆 7—触点 8、9—片簧 10—弓簧 11—弹簧 12—凸轮 13—复位按钮
热继电器在使用时，其热元件2即电阻丝串接在电动机定子绕组中，绕组电流即为流过热元件的电流。当电动机正常工作时，热元件发热虽然能使主双金属片1弯曲，但不足以使其触点动作。当发生过载时，流过热元件的电流增大，其产生的热量增加，使双金属片端部产生的弯曲位移增大，从而推动导板3，带动温度补偿双金属片4和与之相连的动作机构，使热继电器的触点7动作，切断电动机控制电路。因此，一般将热继电器的常闭触点串联接于电动机的控制电路中。
图中由片簧8、9及弓簧10构成一组跳跃机构；凸轮12可用来调节动作电流；补偿双金属片则用于补偿周围环境温度变化的影响，当周围环境温度变化时，主双金属片和与之采用相同材料制成的补偿双金属片会产生同一方向的弯曲位移，可使导板与补偿双金属片之间的推动距离保持不变。此外，热继电器可通过调节螺钉5选择自动复位或手动复位。
2．带断相保护的热继电器
三相异步电动机的断相运行（三相绕组中的一相断线）是导致三相异步电动机长时间过载运行而烧坏的主要原因之一。三相异步电动机若为星形接线，则线电流等于相电流，流过电动机绕组的电流即为流过热继电器的电流。当电路发生一相断电事故时，另外两相电流便会增大很多，由于流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加的比例相同，因此，两相或三相结构的普通热继电器均可如实地反映电动机的过载情况，并对此做出保护。
如果电动机定子绕组为三角形接线，发生断相事故时，其相电流和线电流不等，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加的比例不同，而热继电器的热元件串联在三角形接线电动机的电源进线中，并且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相电流将超过额定电流。因热元件串接在电源进线中，所以热继电器不动作，但电动机便有过热烧毁的危险。
综上所述，对于三角形接线的电动机，必须选择带断相保护的热继电器。带断相保护的热继电器是在普通热继电器的基础上增加了一个差动机构，对三相电流进行比较。差动式断相保护机构及工作原理如图1-37所示。热继电器的导板改为差动机构，由上导板1和下导板2及杠杆组成，它们之间均用转轴连接。
图1-37 差动式断相保护机构及工作原理
a）通电前 b）三相正常电流 c）三相均匀过载 d）W相断路
1—上导板 2—下导板 3—杠杆 4—顶头 5—补偿双金属片 6—主双金属片
差动式断相保护机构通电前各部件的位置如图1-37a所示；当三相电流正常时，3个热元件均正常发热，其端部均向左弯曲推动上、下导板同时左移，但不能达到动作位置，继电器不动作，如图1-37b所示；当三相均匀过载达到整定值时，双金属片弯曲增大，推动导板和杠杆至动作位置，继电器动作，其常闭触点立即断开，如图1-37c所示；当W相断路时，W相的双金属片逐渐冷却降温，其端部向右移动，推动上导板向右移动，而另外两相双金属片温度上升，其端部向左移动，则会推动下导板继续向左移动，由于上、下导板一左一右移动，产生了差动作用，通过杠杆的放大作用，使常闭触点打开。由于差动作用，使热继电器在断相故障时加速动作，可靠地保护了电动机。
3．热继电器的主要技术数据与型号
热继电器的主要技术参数有额定电压、额定电流、相数、热元件号、整定电流及其调整范围等。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致引起继电器动作的最大电流值，超过此值继电器就会动作。
常用热继电器有JR14、JR15、JR16、JR20等系列。每一系列的热继电器一般只能和相应系列的接触器配套使用，如JR20系列热继电器一般与CJ20接触器配套使用。
热继电器的图形符号和文字符号如图1-38所示。
图1-38 热继电器图形符号和文字符号
a）热元件 b）常闭触点
JR20系列热继电器的主要技术参数如表1-14所示。
表1-14 JR20系列热继电器主要技术参数
4．热继电器的选择
1）热继电器有两相、三相和三相带断相保护等形式。星形联结的电动机及电源对称性较好的情况可选用两相结构的普通热继电器；电网电压均衡性较差时宜选用三相结构的热继电器；三角形联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。
2）原则上热继电器的额定电流，也即热元件的额定电流一般应大于电动机的额定电流。热元件选好后，还需根据电动机的额定电流调整其整定值，使整定电流与电动机的额定电流基本相等。但对于过载能力较差的电动机，其配用热继电器的额定电流应适当小些，一般取电动机额定电流的60%～80%。
3）对于工作时间较短、间歇时间较长的电动机，以及虽然长期工作但过载的可能性很小的电动机，可以不设过载保护。
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，可用延时动作型过电流继电器做其过载保护。
提示与指导：
由于金属的热惯性，发热元件受热弯曲至触点动作需要一定的时间，当发生短路故障时不能立即动作切断电路，因此，热继电器不能用作短路保护。同理，当电动机处于重复短时工作时，亦不适宜用热继电器作其过载保护，而应选择能够及时反映电动机温升变化的温度继电器作为过载保护。
1.7.4 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。主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。
速度继电器主要由转子、定子和触点3部分组成，其原理图如图1-39所示。转子11是一块永久磁铁，固定在转轴10上。浮动的定子9与轴同心，且能独自偏摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼形绕组。速度继电器的转轴与电动机轴相连，当电动机起动旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼型绕组切割磁力线产生感应电流，此电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子的转动方向偏摆，带动杠杆7推动相应触点动作。在杠杆推动触点的同时也压缩反力弹簧2，其反作用阻止定子继续转动。当转子转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子便返回至初始位置，对应的触点恢复到原来状态。
图1-39 速度继电器结构原理图
1—调节螺钉 2—反力弹簧 3、5—静触点 4—动触点 6—返回杠杆 7—杠杆 8—定子导条 9—定子 10—转轴 11—转子
提示与指导：
速度继电器的轴与电动机的轴相连，因此速度继电器的安装位置不同于大部分低压电器。此外还需注意，绝大部分低压电器其触点系统动作时均是所有触点同时动作同时复位，而速度继电器触点系统的动作则是根据其转轴不同的旋转方向，对应有不同的触点动作，即正转时一对触点动作，而反转时另一对触点动作。
机床上常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种。一般速度继电器的动作转速为120r/min，触点的复位转速在100r/min以下。调整反力弹簧的松紧即可改变触点动作或复位时的转速，从而准确地控制相应的电路。
JY1型和JFZ0型速度继电器的主要技术参数如表1-15所示。
表1-15 JY1型和JFZ0型速度继电器的主要技术参数
速度继电器的图形符号和文字符号如图1-40所示。
图1-40 速度继电器的图形符号和文字符号
a）转子 b）常开触点 c）常闭触点