电流继电器和过电压继电器的原理及应用

继电器是一种根据某种输入信号的变化，使其触头动作而接通或断开电器线圈等的控制电路，能实现自动控制和保护的自动电器。其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是时间、温度、速度、压力等非电量，而输出则是触头的动作，或者是电参数（无触点）的变化。

继电器的种类很多，按输入信号的性质可分为：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、压力继电器等；按结构及工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等；按输出形式可分为：有触点继电器和无触点继电器；按用途可分为：控制用继电器和保护用继电器。

1.3.1 电磁式继电器

电磁式继电器是应用得最早、最多的一种形式。其结构及工作原理与接触器大体相同，在结构上也是由电磁机构和触头系统等组成。但也有一些不同之处，即不同的继电器可以对不同输入量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下才能动作；继电器是用于接通和分断小容量控制回路，而接触器是用于接通和分断主电路及大容量控制回路。因此，继电器触头的额定电流较小（一般5A以下），不需要专设灭弧装置。

电磁式继电器按吸引线圈电流的种类不同，可分为直流电磁式与交流电磁式继电器；按继电器所反映的参数不同，可分为电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器等。

1）电磁式电流继电器

电磁式电流继电器的线圈与被测量的主电路串联，以反映主电路电流的变化，为了不影响主电路正常工作，其线圈导线粗、匝数少、线圈阻抗小。

电磁式电流继电器又分为欠电流和过电流两种。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，在电路正常工作时，衔铁是吸合的；只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，其触头复位而输出信号。 它常用于直流电动机的励磁回路实现欠电流保护。

过电流继电器在电路正常工作时不吸合，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为2～4倍额定电流。它常用于直流电动机或绕线式电动机启动时防止过电流的保护，其动作电流均可以调整。电流继电器也用于按电流原则控制的电路。

2）电磁式电压继电器

电磁式电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器的线圈为并联的电压线圈，所以线圈导线细、匝数多、阻抗大。

根据动作电压值的不同，电磁式电压继电器也有过电压和欠电压之分。 过电压继电器在电压为额定电压的110％～115％以上时动作，欠电压继电器在电压为额定电压的40％～70％时动作，其动作电压均可以调整。

3）电磁式中间继电器

电磁式中间继电器实质上是电压继电器，但它的触头对数多，一般有8对，其常闭和常开可以有不同的组合。 特殊触头的额定电流可达10A，动作灵敏。 其主要用途是：当其他电器的触头对数或触头容量不够时，可借助中间继电器来扩展它们的触头数或触头容量，起到中间传递的作用。

图1.9 JT3系列直流电磁式继电器结构示意图

1—线圈；2—铁心；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—常闭触头；10—常开触头

4）电磁式继电器的整定

继电器的吸引值和释放值可通过以下方法整定。 图1.9为JT3系列直流电磁式继电器结构示意图。 JT指通用型，可以组装成电流、电压或中间继电器。

（1）调整释放弹簧的松紧程度

释放弹簧调得越紧，反作用力越大，则吸引电流（电压）和释放电流（电压）就越大，反之就越小。

（2）改变非磁性垫片厚度

非磁性垫片越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻就越大，释放电流（电压）也就越大，反之越小，而吸引值不变。

（3）改变初始气隙的大小

在反作用弹簧弹力和非磁性垫片厚度一定时，初始气隙越大，吸引电流（电压）就越大，反之就越小，而释放值不变。

5）电磁式继电器型号

在通用电磁式继电器中，JT3系列直流电磁式和JT4系列交流电磁式继电器均为老产品， JT9，JT10，JL12，JL14，JZ7等系列为新产品，其中JL14系列为交直流电流继电器，JZ7系列为交流中间继电器。JL12系列过电流继电器内部装有硅油阻尼系统，通过硅油的粘滞性而延迟电磁机构衔铁动作时间，它具有过载保护功能，常常用于起重用绕线式电动机。在通用电磁式继电器装上不同的线圈或阻尼后，就可构成电压、电流、中间等各种电磁式继电器，从而实现产品的系列化，提高产品的通用性。

电磁式继电器的一般图形符号是相同的，如图1.10所示。 电流继电器的字母符号为KI，电压继电器的字母符号KV，而中间继电器的字母符号为KA。

图1.10 电磁式继电器的图形符号

（a）吸引线圈；（b）常开触头；（c）常闭触头

1.3.2 时间继电器

时间继电器是一种感测机构接受讯号后，其执行机构的触头能延时动作，从而实现延时接通或断开电路的控制电器。 它的种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、晶体管式和电动式等。

1）直流电磁式时间继电器

在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜套，即可构成时间继电器，其结构示意如图1.11所示。 它是利用电磁阻尼原理产生延时的，由电磁感应定律可知，在继电器线圈通、断电过程中，铜套内将产生感应电势并流过感应电流，此电流产生的磁通总是反对原磁通的变化。

当继电器通电时，由于衔铁处于释放位置，气隙大、磁阻大、磁通小，铜套阻尼作用相对也小，因此衔铁吸合时延时不显著（一般忽略不计），可认为是瞬时动作。而当继电器断电时，磁通变化量大，铜套阻尼作用也大，使衔铁延时释放而起到延时作用。因此，这种继电器仅能产生断电延时。

图1.11 带有阻尼铜套的铁心示意图

1—铁心；2—阻尼铜套；3—绝缘层；4—线圈

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，一般只用于时间精确度要求不高的场合。也可以在线圈电路上并联电容与电阻，线圈断电时在电容与电阻回路放电而使衔铁延时释放，触头延时恢复。调节电阻可以调节延时时间。

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、延时机构和触头三部分组成。 电磁机构为直动式双E型铁心，触头系统是借用LX5型微动开关，延时机构采用气囊式阻尼器。

空气阻尼式时间继电器既可以组装成通电延时型，也可以组装成断电延时型。 电磁机构可以是直流的，也可以是交流的。现以通电延时型时间继电器为例介绍其工作原理，请参见图1.12（a）。

当线圈1通电后，衔铁3被铁心2吸合，活塞杆6在塔形弹簧8的作用下，带动活塞12及橡皮膜10向上移动。但由于橡皮膜下方气室的空气稀薄，形成负压，因此活塞杆6只能缓慢地向上移动，其移动的速度取决于进气孔的大小，可通过调节螺杆13进行调整。 经过一定的延迟时间后，活塞杆才能移到最上端，这时通过杠杆7将微动开关15压动，使其常闭触头断开，常开触头闭合，起到通电延时的作用。

当线圈1断电时，电磁吸力消失，衔铁3在反力弹簧4的作用下释放，并通过活塞杆6将活塞12推向下端，这时橡皮膜10下方气室内的空气通过橡皮膜10、弱弹簧9和活塞12的肩部所形成的单向阀，迅速地从橡皮膜上方的气室缝隙中排掉。因此杠杆7和微动开关15能迅速复位。

在线圈1通电和断电时，微动开关16在推板5的作用下都能瞬时动作，此两对触头为时间继电器的瞬动触头。

图1.12 JS7-A系列时间继电器动作原理

（a）通电延时型；（b）断电延时型

1—线圈；2—铁心；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1.12为JS7-A系列空气阻尼式时间继电器结构原理图。 其中1.12（a）为通电延时型，将其电磁机构的铁心和衔铁翻转180°安装时，即为断电延时型，如图1.12（b）所示。(www.zuozong.com)

空气阻尼式时间继电器的优点是：延时范围宽（180s）、结构简单、寿命长、价格低廉。 其缺点是：受使用环境限制，延时误差大（±10％～±20％），无调节刻度指示，难以精确地整定延时值。对延时精度要求高的场合，不宜使用这种时间继电器。

3）晶体管式时间继电器

晶体管式时间继电器也称为电子式时间继电器，它具有延时范围宽、精度高、体积小、耐冲击、耐振动、调节方便以及寿命长等优点，所以发展很快，使用也日益广泛。

晶体管式时间继电器是利用RC电路电容器充电时，电容器上的电压逐渐上升的原理作为延时基础的。因此改变充电电路的时间常数（改变电阻值），即可整定其延时时间。 继电器的输出形式有触点式和无触点式两种，前者是用晶体管驱动小型电磁式继电器实现延时输出的，后者是采用晶体管或晶闸管输出的。

常用的产品有JSJ，JSB，JS14，JS20型等。图1.13为JSJ型晶体管时间继电器的原理图，当变压器的1和2两端接通电源时，V5通过R5和小型继电器K的线圈获得偏流而导通，V6截止，小型继电器K的线圈只流过非常小的电流，其衔铁不动作。同时，电容C通过K的常闭触头及R，R1，R2充电，当a点的电位高于b点电位时，二极管V3导通，使V5截止，V6通过R3获得偏流而导通，又通过R5正反馈，使V5加速截止，V6迅速导通，小型继电器K动作，其触头4，5，6去接通或断开控制电路。内部电容C通过R4放电，准备下次动作时再重新充电。当电源断开时，小型继电器K释放，为通电延时的时间继电器。电位器R1是用于调整延时时间的。JSJ-5型的延时时间可以达到300s。

图1.13 JSJ型晶体管时间继电器原理图

4）电动式时间继电器

电动式时间继电器是由微型同步电动机拖动减速齿轮获得延时的时间继电器，分为通电延时型和断电延时型两种。其内部结构以机械部分为主。

电动式时间继电器具有延时范围宽（0.1s～72h）、整定偏差和重复偏差小、延时值不受电源电压波动和环境温度变化的影响等优点。 其主要缺点是：机械结构复杂、价格贵、延时偏差受电源频率的影响等。时间继电器的文字符号为KT。

1.3.3 热继电器

热继电器是利用电流的热效应原理进行工作的保护电器，它主要用作电动机的过载保护。电动机在运行中经常会遇到过载的情况，只要过载不太大，时间较短，且电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。但过载时间过长，绕组温升超过了允许值时，将会加速绕组绝缘老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。因此，凡电动机长期运行时，都需要对其可能过载提供保护措施。

1）热继电器的结构及工作原理

热继电器主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。双金属片是热继电器的感测元件，它由两种不同膨胀系数的金属用机械辗压而成，受热会弯曲。膨胀系数大的称为主动层，膨胀系数小的称为被动层。

图1.14 热继电器工作原理示意图

1—热元件；2—双金属片；3—导板；4—触头

图1.14是热继电器工作原理示意图。热元件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，热元件产生的热量只能使双金属片稍微弯曲，但还不足以使热继电器的触头动作。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量增加，使双金属片产生弯曲的位移增大，经过一定时间后，双金属片推动导板使热继电器的触头动作，切断控制电动机所用的接触器线圈电路，使电动机断电，停止运转，从而防止了因温升过高而使电动机绕组的绝缘被破坏。

热继电器按其热元件的数量可分为两相结构、三相结构和带断相保护装置的三相结构。带断相保护装置三相结构示意如图1.15所示，其传动导板为差动式，当三相电源有一相断相时，其双金属片冷却不动，而另两相因电流增加，双金属片弯曲增大，共同使差动式导板位移增大，进而使热继电器的触头能尽快动作。

图1.15 JR16系列热继电器结构示意图

（a）结构示意图；（b）差动式断相保护示意图

1—电流调节凸轮；2a，2b—簧片；3—手动复位按钮；4—弓簧；5—主双金属片；6—外导板；7—内导板；8—静

触头；9—动触头10—杠杆；11—复位调节螺钉；12—补偿双金属片；13—推杆；14—连杆；15—压簧

热继电器触头动作后，复位方式有自动复位和手动复位两种，可以用复位螺钉调节，但必须等到双金属片冷却后才能复位。手动复位常用于水泵的控制。

2）热继电器的选用

我国目前生产的热继电器主要有JR0，JR2，JR9，JR10，JR15， JR16等系列，热继电器的选择主要根据电动机的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。 对星形接线的电动机可选两相或三相结构式的，对三角形接线的电动机，最好选择带断相保护的热继电器。所选用的热继电器的整定电流通常与电动机的额定电流相等。

图1.16 热继电器的图形及文字符号

（a）热元件；（b）常闭触头

热继电器的图形符号及文字符号如图1.16所示。

图1.17 速度继电器原理示意图

1—转轴；2—转子；3—定子；4—绕组；

5—摆锤；6，7—静触头；8，9—簧片

1.3.4 速度继电器

速度继电器在鼠笼式异步电动机的电源反接制动控制中应用，亦称反接制动继电器。它主要由转子、定子和触头三部分组成。转子是一个圆柱形永久磁铁。定子是一个笼型空心圆环，由矽钢片叠成，并装有笼型绕组。

图1.17为速度继电器的原理示意图。其转子的轴与被控电动机的轴同轴连接，而定子套在转子上。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，定子内的短路导体便切割磁场而感应电势并产生电流。 此电流与旋转的转子磁场共同作用产生转矩，于是定子开始转动，当转到一定角度时，装在定子轴上的摆锤推动簧片（动触片）动作，使常闭触头分断、常开触头闭合；当电动机转速降低到某一整定值时，定子产生的转矩减小，触头在簧片的作用下复位。 速度继电器的触头有正转和反转两种，电动机正转时，正转触头动作，而反转触头不动作；电动机反转时，其反转触头动作。

图1.18 速度继电器的图形及文字符号

（a）转子；（b）常开触头；（c）常闭触头

常用的速度继电器有YJ1型和JFZ0型。一般速度继电器的动作转速为120r／min，触头的复位转速在100r／min以下，电机转速在3600r／min以下能可靠地工作。

速度继电器的图形符号及文字符号如图1.18所示。

1.3.5 压力继电器

压力继电器通常用作气压给水设备、消防系统或机床的气压、水压和油压等系统中的保护。

压力继电器由微动开关、调节螺母、压缩弹簧、顶杆、橡皮薄膜、缓冲器等组成。 其结构及符号如图1.19所示。

压力继电器装在水路（气路或油路）的分支管路中。当管路压力超过整定值时，通过缓冲器、橡皮薄膜抬起顶杆，使微动开关动作，若管路中压力等于或低于整定值后，顶杆脱离微动开关，使触头复位。

压力继电器调整方便，只需放松或拧紧调整螺母即可改变控制压力。常用的压力继电器有YJ系列、TE52系列和YT-1226系列压力调节器等。

图1.19 压力继电器

（a）结构图；（b）符号

YJ系列压力继电器的技术数据如表1.4所示。

表1.4 YJ系列继电器技术数据