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1.3 继电器
1.3 继电器
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继电器是一种根据电或非电信号的变化来接通或断开小电流（一般小于5A）控制电路的自动控制电器。继电器的输入量（如电流、电压、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，其触点便接通和断开控制回路。由于继电器的触点用于控制电路中，通断的电流小，所以继电器的触点结构简单，不安装灭弧装置。
分类：按输入信号不同可以分为：电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器以及温度、压力、速度继电器等等。按工作原理又可以分为：电磁式继电器，感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器等。按输出形式还可分为：有触点和无触点两类。
1.3.1电磁式继电器
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电磁式继电器结构如图1-11所示。电磁式继电器的主要结构有电磁机构和触点系统。继电器的工作原理和接触器相似。不同之处在于，继电器可以通过反作用调节螺母5，来调节反作用力的大小，从而调节了继电器的动作值的大小。电磁式继电器是对电压信号、电流信号的变化作出反应，其触点用于切换小电流的控制电路。而接触器是其吸引线圈的电压信号达到一定值，触点动作，主触点用于通断大电流的主电路，主触点上装有灭弧装置，辅助触点用于通断小电流的控制电路。
电磁式继电器结构示意图
1-线圈 2-铁心 3-衔铁 4-止动螺钉 5-反作用调节螺母 6、11-静触点 7、6-常开触点10、11-常闭触点 8-触点弹簧 9-绝缘支架 12-反作用弹簧
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1．电磁式电流继电器
电流继电器的输入信号是电流，电流继电器的线圈串联在被测量的电路中，以反应电路电流的变化。电流继电器的线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。电流继电器又分为过电流继电器和欠电流继电器两种。
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（1）过电流继电器
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正常工作时，线圈中通过正常的负荷电流，继电器不动作，即衔铁不吸合。当通过线圈的电流超过正常的负荷电流，达到某一整定值时，继电器动作，衔铁吸合，同时带动触点动作。
IOP：使过电流继电器动作的最小电流称为继电器的动作电流。
返回电流Ire：继电器动作以后，当流入线圈中的电流逐渐减小到某一电流值时，继电器因电磁力小于弹簧的反作用力而返回到原始位置的最大电流。
返回系数Kre：Kre=Ire/IOP。过电流继电器的返回系数小于1，。
（2）欠电流继电器
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正常工作时，线圈中通过正常的负荷电流，衔铁吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。当通过线圈的电流降低到某一电流值时，衔铁动作（释放），同时带动触点动作，常开触点断开，常闭触点闭合。
使欠电流继电器动作（衔铁释放）的最大电流称为继电器的动作电流，用IOP表示。继电器动作（衔铁释放）以后，当流入线圈中的电流上升到某一电流值时，继电器返回到衔铁吸合状态的最小电流称为返回电流Ire，欠电流继电器的返回系数大于1。
2．电压继电器
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电压继电器的输入信号是电压，电压继电器的线圈并联在被测量的电路中，以反应电路电压的变化。电压继电器的线圈匝数多，导线细，线圈阻抗大。电压继电器的文字符号是KV，图形符号如图1-13所示。
（1）过电压继电器
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正常工作时，线圈的电压为额定电压，继电器不动作，即衔铁不吸合。当线圈的电压高于额定电压，达到某一整定值时，继电器动作，衔铁吸合，同时带动触点动作，常开触点闭合，常闭触点断开。
直流电路一般不会产生过电压，所以在产品中只有交流过电压继电器，用于过压保护。
其动作电压、返回电压和返回系数的概念和过电流继电器的相似。过电压继电器的返回系数<1。
（2）欠电压继电器
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在额定参数时，欠电压继电器的衔铁处于吸合状态，当其吸引线圈的电压降低到某一整定值时，欠电压继电器动作（衔铁释放），当吸引线圈的电压上升后，欠电压继电器返回到衔铁吸合状态。
其动作电压、返回电压和返回系数的概念和欠电流继电器的相似。欠电压继电器的返回系数大于1。
欠电压继电器常用于电力线路的欠压和失压保护。
3．中间继电器
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中间继电器触点数量多，触点容量大，在控制电路中起增加触点数量和中间放大的作用，有的中间继电器还带有短延时。其线圈为电压线圈，要求当线圈电压为0时，衔铁能可靠释放，对动作参数无要求，中间继电器没有弹簧调节装置。
1.3.2时间继电器
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从得到输入信号（线圈通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触点闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。
时间继电器的文字符号为KT
（a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h）
（a）通电延时线圈 （b） 断电延时线圈（c） 瞬动常开触点 （d） 瞬动常闭触点
（e）通电延时闭合常开触点（f）通电延时断开常闭触点（g）断电延时断开常开触点 （h）断电延时闭合常闭触点
时间继电器KT的图形符号
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1.直流电磁式时间继电器
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（1）工作原理：利用电磁系统在电磁线圈断电后磁通延缓变化的原理工作的 。
（2）电磁式时间继电器的特点：构简单，价格低廉，延时较短0.3S～5.5S，只能用于直流断电延时，延时精度不高，体积大。常用的有JT3、JT18系列 。
（3）电磁式时间继电器改变延时的方法 ：一是粗调，改变安装在衔铁上的非磁性垫片的厚度：垫片厚时延时短，垫片薄时延时长。二是细调，调整反力弹簧的反力大小改变延时：弹簧紧则延时短，弹簧松则延时长。
2．空气阻尼式时间继电器
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（1）空气阻尼式时间继电器的工作原理：利用空气的阻尼作用而达到延时目的的 。JS7-A系列空气阻尼式时间继电器由电磁系统、触点系统（由两个微动开关构成，包括两对瞬时触点和两对延时触点），空气室及传动机构等部分组成。如图1-16 。
JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的工作原理用图1-17来说明
（2）空气阻尼式时间继电器的特点 ：延时精度高，不受电源电压波动和环境温度变化的影响，延时误差小；延时范围大（几秒到几十个小时），延时时间有指针指示。其缺点是结构复杂，价格高，不适于频繁操作，寿命短，延时误差受电源频率的影响。
（3）电动式时间继电器调整延时的方法延时的长短可通过改变整定装置中定位指针的位置实现
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线圈
铁心
衔铁
反力弹簧
推板
活塞杆
杠杆
塔形弹簧
弱弹簧
橡皮膜
空气室壁
活塞
调节螺钉
进气孔
微动开关
微动开关
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3．电动式时间继电器
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（1）工作原理：电动式时间继电器是由微型同步电动机拖动减速机构，经机械机构获得触点延时动作的时间继电器。电动式时间继电器有通电延时和断电延时两种。
（2）电动式时间继电器的特点 ：延时精度高，不受电源电压波动和环境温度变化的影响，延时误差小；延时范围大（几秒到几十个小时），延时时间有指针指示。其缺点是结构复杂，价格高，不适于频繁操作，寿命短，延时误差受电源频率的影响。
电动式时间继电器调整延时的方法 ：延时的长短可通过改变整定装置中定位指针的位置实现，但定位指针的调整对于通电延时型时间继电器应在电磁离合器线圈断电的情况下进行，对于断电延时型时间继电器应在电磁离合器线圈通电的情况下进行。
4．电子式时间继电器
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（1）电子式时间继电器的工作原理 ：常用的有阻容式时间继电器。阻容式时间继电器是利用电容对电压变化的阻尼作用来实现延时的。如图1-18所示JS20系列场效应管做成通电延时型电路。
（2）电子式时间继电器的特点 ：延时时间较长（几分钟到几十分钟），延时精度比空气阻尼式的好，体积小、机械结构简单、调节方便、寿命长、可靠性强。但延时受电压波动和环境温度变化的影响，抗干扰性差。
（3）电子式时间继电器调整延时的方法 ：调节波段开关，改变R10的值，就可以改变延时时间的长短。
JS20系列场效应管做成通电延时型电路。
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1.3.3热继电器
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1．热继电器的作用和保护特性
2．热继电器的分类及主要技术参数和型号
3．热继电器的工作原理
4．带断相保护的热继电器
5．热继电器的选用
6．热继电器的故障及维修
1．热继电器的作用和保护特性
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热继电器是专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，以防止电动机过热而烧毁的保护电器。
热继电器中通过的过载电流和热继电器触头动作的时间关系就是热继电器的保护特性。
2．热继电器的分类及主要技术参数和型号
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按相数来分，热继电器有单相、两相和三相式三种类型。按功能来分，三相式的热继电器又有带断相保护装置和不带断相保护装置的。按复位方式分，热继电器有自动复位的和手动复位的，所谓自动复位是指触头断开后能自动返回。按温度补偿分为，带温度补偿的和不带温度补偿的。
热继电器的主要技术参数有：额定电压、额定电流、相数、整定电流等。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，超过此值热继电器就会动作。
常用的热继电器有JR20、JR36、JRS1系列具有断相保护功能的热继电器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热继电器和CJ20接触器配套使用。
3．热继电器的工作原理
1-推杆 2-主双金属片 3-加热元件 4-导板 5-补偿双金属片
6-常闭静触点 7-常开静触点 8-复位螺钉 9-动触点 10-按钮
11-调节旋钮 12-支撑件 13-压簧
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4．带断相保护的热继电器
若三相异步电动机为D型接线，正常运行时相电流等于线电流的 ， 即流过电动机绕组的电流是流过热继电器热元件电流的= ， 而当发生断相时，流过电动机接于全压绕组的电流是线电流（即流过热继电器热元件电流）的 ，如图1-24。
所以D型接线的电动机必须采用带 有断相保护的热继电器。
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带有断相保护的热继电器的工作原理
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5．热继电器的选用
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（1）一般情况下可以选用两相结构的热继电器。对于电网均衡性差的电动机，宜选用三相结构的热继电器。定子绕组做D型连接，应采用有断相保护的三个热元件的热继电器作过载和断相保护。
（2）热元件的额定电流等级一般应等于（0.95～1.05）倍电动机的额定电流，热元件选定后，再根据电动机的额定电流调整热继电器的整定电流，使整定电流与电动机的额定电流相等。
（3）对于工作时间短、间歇时间长的电动机，以及虽长期工作，但过载可能性小的（如风机电动机），可不装设过载保护。
6．热继电器的故障及维修
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（1）热元件烧断
（2）热继电器误动作
（3）热继电器不动作
（4）热继电器常闭触点接触不良，将会使整个电路不工作。
1.3.4温度继电器
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温度继电器用于电动机、变压器和一般电气设备的过载堵转等过热的保护。
使用时将温度继电器埋入电机绕组或介质，当绕组或介质温度超过允许温度时，继电器就快速动作断开电路，将电气设备退出运行。当温度下降到复位温度时，继电器又自动复位。
温度继电器常用的有双金属片式温度继电器和热敏电阻式温度继电器。温度继电器的文字符号为ST，图形符号如图1-26所示。Θ可以标注实际的动作温度。
温度继电器的文字符号和图形符号
θ
θ
ST
ST
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双金属片式温度继电器
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双金属片式温度继电器是封闭式结构，内部有盘式双金属片，双金属片受热后线形膨胀，双金属片弯曲，带动触点动作。
双金属片式温度继电器的动作温度是以电动机绕组的绝缘等级为基础来划分的，共有50℃，60℃、70℃、80℃、95℃、105℃、115℃、125℃、135℃、145℃、165℃共11个规格。
继电器的返回温度一般比动作温度低5～40℃。
1.3.5液位继电器
液位继电器的作用是根据液位的高低变化来发出控制信号的。根据工作原理不同有浮球液位继电器，光电液位继电器，激光液位继电器、音叉液位继电器等。液位继电器的文字符号为ST，图形符号如图所示。
ST
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2．光电液位继电器
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电液位继电器是一种结构简单、使用方便、安全可靠的液位控制器，它使用红外线探测，可避免阳光或灯光的干扰而引起误动作。其体积小、安装容易，有杂质或带粘性的液体均可使用，外壳材质有PC，所以耐油、耐水、耐酸碱。
工作原理：利用光线的折射及反射原理，光线在两种不同介质的分界面将产生反射或折射现象。当被测液体处于高位时则被测液体与光电开关形成一种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面，这两种分界面使光电开关内部光接收晶体所接收的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态。如图1-28所示。
光电液位继电器的工作原理
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1.3.6固态继电器
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固态继电器简称SSR(Solid State Relay)，是采用固体半导体元件组装成的无触点开关。
固态继电器在许多自动控制装置中替代了常规的继电器，固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。随着电子技术的发展，其应用范围越来越广。
1．固态继电器的结构及特点
单相的固态继电器是一个四端有源器件，有输入、输出端口，中间采用隔离器件，输入、输出之间的隔离形式有：光电隔离、变压器隔离和干簧继电器隔离等。
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变压器隔离型固态继电器
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光电隔离型固体继电器
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2．固态继电器分类
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固态继电器按输出端负载的电源类型可分为直流型和交流型两类。
固态继电器的输出电路形式有常开式和常闭式两种 。
交流型的固态继电器，按双向三端晶闸管的触发方式可以分为电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）。按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC3－32V）的恒流源型和串电阻限流型等。
过零型和随机型ssr的区别
电网电压波形
控制电压
随机型SSR阻性
负载上的电压波形
过零型SSR阻性负载
上的电压波形
控制脉冲
随机型SSR阻性
负载上的电压波形
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４．单相交流固态继电器(ssr)
单相SSR为四端有源器件，如图所示其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。
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交流ssr基本性能测试电路
当输入电流为零时，电压表测出的为电网电压，电灯不亮（灯泡功率须25W以上）；当输入电流达到一定值以后，电灯亮，电压表测出的SSR导通压降（在3V以下）。注意：因SSR内部有RC回路而带来漏电流，因此不能等同于普通触点式的继电器、接触器。
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5．三相交流固态继电器(ssr)
三相交流固态继电器（以下简称三相SSR）是集三只单相交流固态继电器为一体，并以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，可方便地控制三相交流电机、加热器等三相负载。
三相普通型SSR是以三只双向可控硅作为A、B、C三相的输出开关触点，电流等级有10A、25A、40A,电压等级只有380V一个系列，型号为SSR-3-380D；三相增强型SSR是以三组反并联单向可控硅作为A、B、C三相的输出开关触点，电流等级有15A、35A、55A、75A、120A，电压等级分380V，480V二大系列，型号为SSR-3H380D 和SSR-3H480D。
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6．固态继电器的使用注意事项
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（1）SSR为电流驱动型
（2）SSR输入端的串并联
（3）RC吸收回路和断态漏电流以及测试SSR时应注意的事项
（4）严禁负载侧短路，以免损坏固态继电器
（5）固态继电器电压等级的选取及过压保护
（6）固态继电器电流等级的选取及过流保护
（7）SSR的发热与散热
（8）电网频率
（1）ssr为电流驱动型
固态继电器的输入端要求有几个毫安到20个毫安的驱动电流，最小工作电压为3V。在逻辑电路驱动时应尽可能采用低电平输出进行驱动，以保证有足够的带负载能力和尽可能低的零电平。正确的电流驱动的电路图1-35、图1-36 。图1-37 则在5V电平时尽量不要采用。
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（2）ssr输入端的串并联
多个SSR的输入端可以串、并联，但应满足每个SSR高电平时，过零型触发电流大于5mA，随机型大于10 mA，低电平电压小于1V，也即并联驱动电流应大于多个SSR的输入电流之和;串联时驱动电压应大于多个开启电压（以4V计算）之和。
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（3）rc吸收回路和断态漏电流以及测试ssr时应注意的事项
对于容性或电阻类负载，应限制其开通瞬间的浪涌电流（一般为负载电流的7倍），输出端采用RC浪涌吸收回路； RC吸收回路的作用为吸收浪涌电压和提高dv/dt指标，但SSR内部的RC回路带来断态漏电流，一般来说2A～6A的SSR漏电流对10W以上功率的负载（如电机）基本无影响，10A以上的SSR漏电流对50W以上功率的负载基本无影响。另外在实际应用大感性负载场合，对于电感性负载，应限制其瞬时的过电压，以防损坏固态继电器，输出端采用非线形压敏电阻吸收瞬时的过电压，还可以在SSR两输出端再并联RC吸收回路以保护SSR。
有些用户如负载功率小（如中间继电器、接触器的线圈、电磁吸铁等负载）可以选用漏电流小于1mA的固态继电器。
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（4）严禁负载侧短路，以免损坏固态继电器。
万用表电阻档测量出固态继电器交流两端电阻接近为零时，说明此固态继电器内部的可控硅已损坏。
除此以外，判断固态继电器的好坏必须采用带负载的电路。
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（5）固态继电器电压等级的选取及过压保护
a、交流负载为220V的阻性负载时可选取220V电压等级的SSR。
b、交流负载为220V的感性负载或交流负载为380V的阻性负载时可选取380V电压等级的SSR。
c、交流负载为380V的感性负载时可选取480V电压等级的SSR（480V等级的SSR还具有更高的dv/dt指标）；
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当加在固态继电器交流两端的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时，固态继电器内的元件便会被电压击穿而造成SSR损坏，选取合适的电压等级和并联压敏电阻可以较好地保护SSR。
（6）固态继电器电流等级的选取及过流保护
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a、阻性负载时，选取SSR的电流等级宜大于等于2倍的负载额定电流。
b、负载为交流电动机时，选取SSR的电流等级须大于等于6-7倍的电动机额定电流。
c、交流电磁铁、中间继电器线圈、电感线圈等负载时，选取SSR的电流等级宜大于等于4倍的负载额定电流，变压器则为5倍的负载额定电流，特种感性、容性负载则应根据实际经验还须放大SSR的电流裕量。
d、电力补偿电容器类负载时，选取SSR的电流等级须大于5倍的负载额定电流。
（7）ssr的发热与散热
当温度超过35℃，固态继电器的负载能力随着温度升高而降低，因此使用时必须安装散热器或减低电流使用。固态继电器的允许壳温为75℃以下。单相SSR在导通时的最大发热量按实际工作电流×1.5W/A来计算，在散热设计时，应考虑到环境温度，通风条件（自然冷却、风扇冷却）及SSR安装密度等因素。2A、3A、4A、5A系列在印刷板上使用，不需外加散热器；装置式SSR在应用于10A以下的额定电流可以安装在散热较好的金属平板上；10A以上需散热器，自然风冷；额定电流大于30A时最好用风扇冷却；条件允许，电流较大时（如150A以上），水冷最佳。
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（8）电网频率
SSR应用于50Hz或60Hz的工频电网上，不宜于低频或高次谐波分量大的场合，如变频器输出端有多组负载需要分别切换，采用SSR作为开关则可能由于高次谐波使其不能可靠关断，并且高次谐波还可能使SSR内部的RC吸收回路因过热而炸裂。
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7、电机正反转控制
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1.3.7 速度继电器
速度继电器是按速度原则动作的继电器，主要用于笼形异步电动机的反接制动控制,又称为反接制动继电器。
速度继电器的文字和图形符号
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速度继电器工作原理
转子
电动机的轴
定子
绕组
定子摆锤
静触点
动触点
簧片
一般速度继电器的转速在120r/min时触点动作，转速在100r/min时，触点返回。
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1．金属小浮球液位继电器
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工作原理：在密闭的非导磁性管内安装有一个或多个干簧管，然后将此管穿过一个或多个中空且内部有环形磁铁的浮球，将浮球置于被控制的液体内，液位的上升或下降会带动浮球一起移动，从而使该非导磁性管内的干簧管产生吸合或断开的动作，并输出一个开关信号。
技术参数：触点容量：50W；开关电压：220VAC/200VDC；开关电流：0.5A；绝缘阻抗：100MΩ；触点阻抗：＜100mΩ；工作温度：-10～200℃；工作压力：＜1.0Mpa；介质比重：＞0.6。
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