1.7.2 机电继电器-2

在本教程中，我们将了解一些常用的继电器。我们将学习继电器的分类以及不同类型的继电器，例如锁存继电器、簧片继电器、固态继电器、差动继电器、汽车继电器、延时继电器等。

继电器是一种开关，可以通过信号或电脉冲来实现开启或关闭。例如，如果你想通过微控制器来打开或关闭一个 LED，你可以直接将 LED 连接到微控制器的 I/O 引脚（通过限流电阻）并发送信号以打开或关闭 LED。

但是，如果你想通过微控制器打开或关闭一个 10W 的市电供电 LED 灯泡呢？由于 LED 是一个小型设备，其电压和电流需求较小（适合微控制器），因此可以直接连接到微控制器的 I/O 引脚。

你不能对 10W 的市电供电 LED 灯泡做同样的事情。首先，它是市电供电的。其次，即使它是一个直流供电的灯泡，10W 对于微控制器来说也太大了。这就是继电器等设备的用武之地。

如前所述，在继电器中，一个微小的信号（通常来自微控制器）可以用来控制高电压和大电流的设备（如前面提到的市电供电 LED 灯泡）。

如果你参与过 DIY 项目（无论是家庭还是汽车），你可能已经接触过继电器。电磁继电器是最流行的，但还有许多其他类型的继电器，用于不同类型的工业和汽车等应用。

继电器的类型

继电器有多种类型，包括：

• 电磁继电器
• 锁存继电器
• 电子继电器
• 非锁存继电器
• 簧片继电器
• 高压继电器
• 小信号继电器
• 延时继电器
• 多维继电器
• 热继电器
• 差动继电器
• 距离继电器
• 汽车继电器
• 频率继电器
• 极化继电器
• 旋转继电器
• 序列继电器
• 动圈继电器
• 布赫霍尔茨继电器
• 安全继电器
• 监督继电器
• 接地故障继电器

所有这些以及其他许多继电器都是根据其功能、应用类型、配置或结构特征等进行分类的。现在，让我们来看看在许多应用中更常用的继电器类型。

锁存继电器

锁存继电器是一种在被激活后能够保持其状态的继电器。这就是为什么这种类型的继电器也被称为脉冲继电器、保持继电器或保持继电器。在需要限制功耗和散热的应用中，锁存继电器是最合适的选择。

锁存继电器内部有一个永磁体。当电流供应到线圈时，它（内部磁体）会保持触点位置，因此不需要功率来维持其位置。因此，即使在被激活后，移除线圈的驱动电流也无法移动触点位置，但保持在其最后的位置。因此，这些继电器可以节省相当多的能量。

锁存继电器可以使用一个或两个线圈制成，这些线圈负责继电器衔铁的位置。因此，锁存继电器没有默认位置，如上图所示。

在单线圈继电器中，衔铁的位置由线圈中电流的流向决定，而在双线圈的情况下，衔铁的位置取决于通电的线圈。这些继电器一旦被激活就可以保持其位置，但它们的复位位置取决于控制电路。

簧片继电器

与电磁继电器类似，簧片继电器也通过物理触点的机械动作来打开或关闭电路路径。然而，与电磁继电器相比，这些继电器的触点要小得多，质量也更轻。

这些继电器由缠绕在簧片开关周围的线圈设计而成。继电器的簧片开关作为衔铁，它是一个充满惰性气体的玻璃管或胶囊，在其中，两个重叠的簧片（或铁磁叶片）被密封。

簧片的重叠端带有触点，以便可以将输入和输出端子连接到它们。当给线圈供电时，会产生磁场。这些磁场使簧片相互吸引，从而使它们的触点通过继电器形成闭合路径。同样，在线圈断电过程中，簧片通过连接在其上的弹簧的拉力分开。

簧片继电器的切换速度比电磁继电器快10倍，因为其质量小、不同的驱动介质和较小的触点。然而，这些继电器由于触点较小，容易受到电弧的影响。

如果在切换过程中电弧跳过触点，触点表面会在一小部分区域熔化。进一步地，如果两个触点仍然闭合，这将导致触点焊接在一起。因此，即使在线圈去磁化后，弹簧力也可能不足以将它们分开。这是继电器的一个不希望出现的状态。

通过在继电器和系统电容之间放置串联阻抗（如电阻或铁氧体）可以克服这个问题，从而减少涌入电流，避免继电器中出现任何电弧。许多开关应用使用簧片继电器，因为其体积小、速度高。

极化继电器

顾名思义，这些继电器对使其通电的电流方向非常敏感。它是一种直流电磁继电器，配备了一个额外的永磁体作为磁场源，以移动继电器的衔铁。在这些继电器中，磁路由永磁体、电磁体和衔铁构成。

这些继电器使用磁力而不是弹簧力来吸引或排斥衔铁。在这里，衔铁是一个永磁体，安装在由电磁体形成的极面之间。当电流通过电磁体时，会产生磁通量。

每当电磁体产生的力超过永磁体产生的力时，衔铁就会改变其位置。同样，当电流中断时，电磁力减小到小于永磁体的力，因此衔铁返回到其原始位置。

永磁体产生的磁通量 $\Phi_m$ 通过衔铁分支分成两部分，分别是 $\Phi_1$ 和 $\Phi_2$。磁通量 $\Phi_1$ 通过磁体的左工作气隙，而 $\Phi_2$ 通过磁体的右工作气隙。

如果线圈中没有电流，由于这两个磁通量的作用，衔铁将停留在中性位置的左侧或右侧，因为在这种磁性系统中，中性位置是不稳定的。

每当给继电器线圈供电时，一个额外的工作磁通量 $\Phi$ 通过磁体的工作气隙。由于这些磁场的相互作用，对衔铁产生了一个力，该力取决于电流的大小、衔铁的初始位置、电流的极性、磁体的功率和工作气隙的值。

根据这些参数的组合，继电器的衔铁转向一个新的稳定状态，从而闭合右侧的触点，继电器被激活。

根据磁路配置的不同，极化继电器有不同类型。其中最流行的两种类型是差动型和桥型继电器。

在差动磁系统中，永磁体的两个磁通量的差作用于衔铁。在桥型磁系统中，线圈产生的磁场被分成两个符号相反的磁通量，但在工作气隙区域，永磁体的磁通量没有被分成两个磁通量。对于正常尺寸的继电器，差动型磁系统被广泛使用。

布赫霍尔茨继电器

这些继电器是气体操作或驱动的继电器。它们用于检测初期故障（或内部故障，这些故障最初是小故障，但随着时间的推移会变成大故障）。它们主要用于变压器保护，并安装在变压器油箱和储油柜之间的腔室中。它们仅用于油浸式继电器，这些继电器主要用于电力传输和分配系统。

上图显示了布赫霍尔茨继电器的工作原理。当变压器内部发生初期故障（或缓慢发展的故障）时，由于气体积聚，油位下降。这导致空心浮子倾斜，从而闭合水银触点。这些水银触点完成报警电路的路径，使操作员知道变压器发生了初期故障。

当变压器发生严重故障时，例如相间短路或接地故障等，由于油位快速下降，油箱内的压力突然增加。因此，油向导体冲去，导致下侧的挡板阀偏转。因此，它闭合水银开关触点，从而启用跳闸电路。然后，变压器被从电源断开。

过载保护继电器

过载保护继电器专门设计用于提供电动机和电路的过流保护。这些过载继电器可以有不同类型，如固定双金属条型、电子型或可互换加热器双金属型等。

如果电动机过载，则需要保护电动机免受过流的影响。为此，使用过载感测设备，如热操作继电器。热操作继电器包含一个线圈，该线圈加热双金属条或熔化焊锡锅，从而释放用于操作辅助触点的弹簧，这些辅助触点与线圈串联。由于过载，负载中检测到过大的电流，线圈被去激活。

通过测量电机电流，利用电机电枢热模型和电子过载保护继电器可以估算电机绕组的温度。因此，可以利用过载保护继电器精确地保护电机。

固态继电器（SSR）

固态继电器利用固态元件（如双极型晶体管BJT、晶闸管、绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和双向晶闸管TRIAC）来执行开关操作。与电磁继电器相比，这些继电器的功率增益要高得多，因为它们所需的控制能量（用于驱动控制电路）远低于它们所控制的功率（开关输出）。这些继电器可以设计用于交流和直流电源。

由于没有机械触点，这些继电器具有很高的开关速度。固态继电器包含一个传感器，该传感器也是一种电子设备，它响应控制信号以接通或断开负载的电源。

固态继电器分为不同类型，但主要类型包括光耦合SSR和变压器耦合SSR。在变压器耦合SSR中，通过直流到交流转换器将一个小的直流电流供给变压器的初级绕组。

然后将该电流转换为交流电并升压，以驱动固态器件（在这种情况下是TRIAC）以及触发电路。输入与输出之间的隔离程度取决于变压器的设计。

在光耦合SSR中，使用光敏半导体器件来执行开关操作。控制信号被施加到发光二极管（LED），光敏器件通过检测LED发出的光而进入导通模式。由于采用了光检测原理，这种类型的SSR提供的隔离度相对较高，与变压器耦合SSR相比具有更高的隔离效果。

固态继电器的开关速度比电磁继电器更快。由于没有活动部件，其使用寿命更长，且产生的噪声非常小。

反时限过流继电器（IDMT继电器）

这种类型的继电器在故障电流较高时具有定时限电流特性，在故障电流较低时具有反时限电流特性。它们被广泛用于配电线路的保护，并提供了电流和时间设置的限制。

在IDMT继电器中，继电器的动作时间与故障电流成反比，接近启动值时，动作时间与故障电流的大小成反比，而在略高于启动值时，动作时间变为恒定值。这可以通过使用磁芯实现，当电流略高于启动电流时，磁芯会饱和。

启动值是指启动量或故障电流开始使继电器动作的点。继电器被称为IDMT，是因为其特性是当启动量达到无穷大时，动作时间不会趋近于零。

在故障电流较低时，它表现出反时限特性，而在故障电流较高时，它表现出定时限特性，如图所示。动作时间从某个特定值开始直到启动量达到无穷大时保持恒定，这在图中以曲线形式表示（曲线变为恒定）。

差动继电器

顾名思义，差动继电器是基于控制（或启动）信号的“差值”工作的继电器。当两个或多个相似电气量的相量差超过预定值时，差动继电器动作。电流差动继电器基于进入和离开待保护系统的电流的幅值和相位差的比较结果来动作。

在正常运行条件下，进入和离开的电流在幅值和相位上相等，因此继电器不动作。但如果系统发生故障，这些电流在幅值和相位上不再相等。这种类型的继电器连接方式是，进入和离开的电流之差流过继电器的动作线圈。因此，在故障条件下，由于电流的差值，继电器线圈被激活。因此，继电器动作并打开断路器，以切断电路。

上图展示了差动继电器的工作原理，其中两个电流互感器（CT）分别连接在电力变压器的两侧，即一个在一次侧，另一个在二次侧。继电器比较两侧的电流，如果存在不平衡，则继电器动作。差动继电器可以是电流差动继电器、电压平衡差动继电器和带偏移的差动继电器。