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1、6.2.4 继电器 在机电控制系统中，虽然利用接触器作为电气执行元件可以实现最基本的自动控制，但对于稍复杂的情况就无能为力。在极大多数的机电控制系统中，需要根据系统的各种状态或参数进行判断和逻辑运算，然后根据逻辑运算结果去控制接触器等电气执行元件，实现自动控制的目的。这就需要能够对系统的各种状态或参数进行判断和逻辑运算的电器元件，这一类电器元件就称为继电器。 继电器实质上是一种传递信号的电器，它是一种根据特定形式的输入信号转变为其触点开合状态的电器元件。一般来说，继电器由承受机构、中间机构和执行机构三部分组成。承受机构反映继电器的输入量，并传递给中间机构，与预定的量（整定量）进行比较，当达到整
2、定量时（过量或欠量），中间机构就使执行机构动作，其触点闭合或断开，从而实现某种控制目的。 继电器作为系统的各种状态或参量判断和逻辑运算的电器元件，主要起到信号转换和传递作用，其触点容量较小。所以，通常接在控制电路中用于反映控制信号，而不能像接触器那样直接接到有一定负荷的主回路中。这也是继电器与接触器的根本区别。 继电器的种类很多，按它反映信号的种类可分为电流、电压、速度、压力、温度等；按动作原理分为电磁式、感应式、电动式和电子式；按动作时间分为瞬时动作和延时动作。电磁式继电器有直流和交流之分，它们的重要结构和工作原理与接触器基本相同，它们各自又可分为电流、电压、中间、时间继电器等。下面介绍几种
3、常用的继电器。1. 中间继电器 中间继电器是用来转换和传递控制信号的元件。他的输入信号是线圈的通电断电信号，输出信号为触点的动作。它本质上是电压继电器，但还具有触头多（多至六对或更多）、触头能承受的电流较大（额定电流5A10A）、动作灵敏（动作时间小于0.05s）等特点。中间继电器的图形符号如图6.28所示，其文字符号用KA表示。 中间继电器的主要技术参数有额定电压、额定电流、触点对数以及线圈电压种类和规格等。选用时要注意线圈的电压种类和规格应和控制电路相一致。 图6.28 中间继电器的图形符号2. 电压继电器 电压继电器是根据电压信号工作的，根据线圈电压的大小来决定触点动作。电压继电器的线圈
4、的匝数多而线径细，使用时其线圈与负载并联。按线圈电压的种类可分为交流电压继电器和直流电压继电器；按动作电压的大小又可分为过电压继电器和欠电压继电器。 对于过电压继电器，当线圈电压为额定值时，衔铁不产生吸合动作。只有当线圈电压高出额定电压某一值时衔铁才产生吸合动作，所以称为过电压继电器。交流过电压继电器在电路中起过压保护作用。而直流电路中一般不会出现波动较大的过电压现象，因此，在产品中没有直流过电压继电器。 对于欠电压继电器，当线圈电压达到或大于线圈额定值时，衔铁吸合动作。当线圈电压低于线圈额定电压时衔铁立即释放，所以称为欠电压继电器。欠电压继电器有交流欠电压继电器和直流欠电压继电器之分，在电路
5、中起欠压保护作用。电压继电器的图形符号如图6.29所示，其文字符号用KV表示。图中左边线圈符号为过电压线圈符号，右边线圈符号为欠电压线圈符号。 3. 电流继电器 电流继电器是根据电流信号工作的，根据线圈电流的大小来决定触点动作。电流继电器的线圈的匝数少而线径粗，使用时其线圈与负载串联。按线圈电流的种类可分为交流电流继电器和直流电流继电器；按动作电流的大小又可分为过电流继电器和欠电流继电器。对于过电流继电器，工作时负载电流流过线圈，一般选取线圈额定电流（整定电流）等于最大负载电流。当负载电流不超过整定值时，衔铁不产生吸合动作。当负载电流高出整定电流时衔铁产生吸合动作，所以称为过电流继电器。过电流
6、继电器在电路中起过流保护作用特别是对于冲击性过流具有很好的保护效果。对于欠电流继电器，当线圈电流达到或大于动作电流值时，衔铁吸合动作。当线圈电流低于动作电流值时衔铁立即释放，所以称为欠电流继电器。正常工作时，由于负载电流大于线圈动作电流，衔铁处于吸合状态。当电路的负载电流降至线圈释放电流值以下时，衔铁释放。欠电流继电器在电路中起欠电流保护作用。在交流电路中需要欠电流保护的情况比较少见，所以产品中没有交流欠电流继电器。而在某些直流电路中，欠电流会产生严重的不良后果，如运行中的直流他励电机的励磁电流，因此有直流欠电流继电器。电流继电器的图形符号如图6.30所示，其文字符号用KA表示。图中左边线圈符
7、号为过电流线圈符号，右边线圈符号为欠电流线圈符号。图6.30 电流继电器的图形符号4. 时间继电器时间继电器是一种从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一个预先设定的时延后才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器。根据延时方式的不同，可分为通电延时继电器和断电延时继电器。通电延时继电器接受输入信号后，延迟一定的时间输出信号才发生变化。而当输入信号消失后，输出信后瞬时复位。通电延时继电器的图形符号如图6.31所示，其文字符号用KT表示。断电延时继电器接受输入信号后，瞬时产生输出信号。而当输入信号消失后，延迟一定的时间输出信号才复位。断电延时继电器的图形符号如图6.32所示，其文字符号用KT表
8、示。图6.31 通电延时继电器的图形符号图6.32 断电延时继电器的图形符号时间继电器按工作原理分为电磁式、电动式、空气阻尼式和电子式等。电磁式、电动式、空气阻尼式是传统的时间继电器，在早期的机电系统中普遍采用，但其存在着定时精度低、故障率高等问题。电子式时间继电器是新型的时间继电器，发展非常迅速。由于电子技术的飞速发展，使得电子式时间继电器的制造成本与传统的时间继电器相当，但其性能大大提高，功能不断扩展，所以是现在和将来时间继电器的主流。6.3 电子式低压电器和智能电器 6.3.1 接近开关随着电子技术的发展，出现了非接触式的行程开关，即接近开关。接近开关又称为无触点行程开关。当某种物体与之
9、感应头接近到一定距离时就发出动作信号，它不像机械行程开关那样需要施加机械力，而是通过其感应头与被测物体间介质能量的变化来获取信号。接近开关的应用已远超出一般行程控制和限位保护的范畴，例如用于高速记数、测速、液面控制，检测金属体的存在、零件尺寸以及无触点按钮等。即便用于一般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命和对恶劣环境的适应能力也优于一般机械式行程开关。接近开关的图形符号如图6.33所示，文字符号为SQ。接近开关按工作原理可以分为高频振荡型、电容型、霍尔型等几种类型。高频振荡型接近开关是以金属感应为原理，主要由高频振荡器、集成电路或晶体管放大电路和输出电路三部分组成，停振型接近开关原理框图
10、如图6.34所示。其基本工作原理是，振荡器的线圈在开关的作用表面产生了一个交变磁场，当被检测金属体接近此作用表面时，在被检测金属体中将产生涡流，由于涡流的去磁作用使感应头的等效参数发生变化，由此改变振荡回路的谐振阻抗和谐振频率，使振荡停止。振荡器的振荡和停振这两个信号，经整形放大后转换成开关信号输出。图6.34 停振型接近开关原理框图 电容型接近开关主要有电容式振荡器及电子电路组成。它的电容位于传感器表面，当物体接近时，因改变了其耦合电容值，从而产生振荡和停振使输出信号发生跳变。霍耳型接近开关由霍耳元件组成，是将磁信号转换为电信号输出，内部的磁敏元件仅对垂直于传感器端面磁场敏感，当磁极S正对接
11、近开关时，接近开关的输出产生正跳变，输出为高电平。若磁极N正对接近开关，输出产生负跳变，输出为低电平。接近开关的工作电压有交流和直流两种，输出形式有两线，三线和四线三种；输出类型有NPN、PNP和推挽型三种；外形有方型、圆型、槽型和分离型等多种。接近开关的主要参数有动作行程、工作电压、动作频率、响应时间、输出形式以及触点容量等。6.3.2 光电开关光电开关是利用光电感应原理实现开关动作的电器元件，是接近开关的又一种形式，它除克服了接触式行程开关存在的诸多不足外，还克服了接近开关的作用距离短、不能直接检测非金属材料等缺点。它具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗电磁干扰
12、能力强等优点。还可非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。目前，光电开关已被用作物位检测、液位检测、产品计数、尺寸判别、速度检测、定长控制、孔洞识别、信号延时、自动门控、色标检出以及安全防护等诸多领域。光电开关按检测方式可分为对射式、反射式和镜面反射式三种类型。反射式光电开关的工作原理如图6.35所示。图6.35 反射式光电开关工作原理图 6.3.3 电子时间继电器 电子时间继电器可分为晶体管式时间继电器和数字式时间继电器。1. 晶体管式时间继电器 晶体管式时间继电器除执行继电器外，均由电子元件组成，无机械运动部件，具有延时范围宽、控制功率小、体
13、积小、经久耐用的优点，正日益得到广泛的应用。其原理框图如图6.36所示。图6.36 晶体管式时间继电器原理框图 晶体管时间继电器分为通电延时型、断电延时型和带瞬动触点的通电延时型。它们均是利用电容对电压变化的阻尼作用作为延时的基础，即时间继电器工作时首先通过电阻对电容充电，待电容上电压值达到预定值时，驱动电路使执行继电器接通实现延时输出，同时自锁并放掉电容上的电荷，为下次工作做好准备。2. 数字式时间继电器 与晶体管式时间继电器相比，数字式时间继电器的延时范围可成倍增加，定时精度可提高两个数量级以上，控制功率和体积更小，适用于各种需要精确延时的场合以及各种自动化控制电路中。这类时间继电器功能特
14、别强，有通电延时、断电延时、定时吸合、循环延时4种延时形式，十几种延时范围供用户选择，以及数字显示，这是晶体管时间继电器所无法比拟的。其原理框图如图6.37所示。图6.37 数字式时间继电器原理框图 6.3.4 固态继电器 固体(态)继电器(简称SSR)是采用固体半导体元件组装而成的一种新颖的无触点开关。固体继电器通常为封装结构，它采用绝缘防水材料浇铸，如塑料封装、环氧树脂灌封等。由于固体继电器的接通和断开没有机械接触部件，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、很强的耐振动和抗冲击能力、动作可靠性高、抗干扰能力强、对电源电压的适应范围广、耐压水平高、噪声低等一系列优点。现在，
15、固体继电器已经在许多自动化控制装置中代替了常规电磁式继电器，尤其在动作频繁、防爆、耐潮和耐腐蚀等特殊场合。固态继电器按切换负载性质分为直流和交流两种，现以使用最为广泛的带有电压过零触发的交流型固态继电器AC-SSR为例进行介绍。如图6.38所示，当无信号输入时，光电耦合器中的光敏三极管是截止的，电阻R2为晶体管V1提供基极注入电流，使V1管饱和导通，它旁路了经由电阻R4流入可控硅V2的触发电流，故V2截止，这时晶体管V1经桥式整流电路而引入的电流很小。不足以使双向可控硅V3导通。有信号时，光电耦合器中的光敏三极管就导通，但只有当交流负载电源电压接近零时，电压值较低，经过整流，R2和R3分压点上的电压不足以使晶体管V1导通。而整流电压却经过R4为可控硅V2提供了触发电流，故V2导通，这种状态相当于短路，电流很大，只要达到双向可控硅的导通值，V3便导通。一旦V3导通，不管输入信号是否存在只有当电流过零时才能恢复关断。上述触发过程仅出现在电压过零附近。因而若输入信号电压出现在过零触发点之后，当电阻R2和R3上的分压值早已超出晶体管V1导通需要的程度，V1导通。从而旁路了可控硅V2的触发电流。双向可控硅V3在负载电压的这个半波中不再触发，而只有在下半波的电压过零附近，若输入信号仍保留，
