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1.3 继电器
1.3 继电器
1.3.1 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。
感应式速度继电器主要由定子、转子和触点三部分组成，转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼形空心圆环，由硅钢片叠成，并装有笼形绕组。
转子轴与电动机的轴相连接，当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，产生旋转磁场，定子绕组切割旋转磁场产生感应电流，定子感应电流位于磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩，使定子随转子的转动方向而旋转，当达到一定的转速时，定子转动到一定角度时，装在定子轴上的摆锤推动动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当电动机的转速低于某一数值时，定子产生的转矩减小，触点返回，即常开触点断开，常闭触点闭合。
1-转子 2-电动机的轴 3-定子 4-绕组5-定子摆锤 6-静触点
7-动触点 8-簧片
一般速度继电器的转速在130r/min时触点动作，转速在100r/min时，触点返回。
常用的速度继电器有JY1和JFZ0型，都具有正转时动作的一组转换触点和反转时动作的一组转换触点。速度继电器的文字符号为KS，图形符号如图 所示
a)转子 b)常开触点c)常闭触点
1.3.2温度继电器
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Kθ，θ可以标注实际的动作温度。
电动机不论是过载（电流过大）或其他原因（如铁心过热而导致绕组过热）引起的绕组过热，温度继电器都可以动作。双金属片式温度继电器价格便宜，但加工工艺复杂，且容易老化。常用的有JW2、JW4、JW6系列，如JW6-105，其中JW代表温度继电器，“6”代表设计序号，“105”代表额定动作温度。
1.3.3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SL
1．金属小浮球液位继电器
浮球继电器是一种结构简单、使用方便、安全可靠的液位控制器，它具有比一般机械开关体积小、速度快、工作寿命长，与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强的特点。
其工作原理是，在密闭的非导磁性管内安装有一个或多个干簧管继电器，然后将此管穿过一个或多个空心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。
2．光电液位继电器
光电液位继电器使用红外线探测，可避免阳光或灯光的干扰而引起误动作。这种继电器体积小、安装容易，有杂质或带粘性的液体均可使用，外壳材质有PC（聚碳酸酯的简称，又叫工程塑料），所以耐油、耐水、耐酸碱。
其工作原理是，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，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。
光电液位继电器的工作原理
1.3.4固态继电器
固态继电器 (Solid State Relay，SSR)是采用半导体元件组装成的无触点开关。
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。
固态继电器是电子元件，所以其输入功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、抗干扰能力强、耐冲击、耐振荡、防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号直接驱动大电流负载，动作可靠，因为没有触点，所以在开断电路时，没有电火花。
固态继电器的不足主要是过载能力差，存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少；
另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差,使用温度范围窄及价格高。
2．固态继电器分类
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
过零型和随机型固态继电器的区别如图所示
　过零型和随机型SSR的区别
当输入端施加有效的控制信号时，随机型固态继电器输出端立即导通（速度为微秒级），而过零型固态继电器则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。
当输入端撤消控制信号后，过零型和随机型固态继电器均在小于维持电流（负载电源电压接近0V）时关断。
虽然过零型SSR有可能造成最大半个周期的延时，但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰，成为理想的开关器件，在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。
3．单相交流固态继电器
单相交流固态继电器为四端有源器件。中间采用光电隔离，在输入端上加上直流信号，输出就能从关断状态转成导通状态，从而可实现对较大负载的控制，整个产品无可动部件及触点，尺寸标准，易更换，是交流接触器和直流继电器理想的更新换代产品
单相交流固态继电器
单相交流固态继电器原理
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,输出端就能从断开变成接通。
固态继电器的测试
一般情况下，万用表不能判别固态继电器的好坏，正确的方法采用下面的测试电路：
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，电压表测出的单相交流固态继电器的导通压降（在3V以下）。
注意：因单相交流固态继电器内部有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
4．三相交流固态继电器
三相交流固态继电器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。
三相普通型交流固态继电器是以三只双向晶闸管作为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；
三相增强型交流固态继电器是以三组反并联单向晶闸管作为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。
380V系列的三相固态继电器的输入电压为4~32V，驱动电流为6~30mA；
480V系列的输入电压为4~8V，驱动电流为16~30mA。当输入电压大于5V时，可以串电阻使其输入电流限在16~30mA间。
三相电网（380V）上负载为阻性时可以选取380系列的三相固态继电器。除此之外，如电动机等感性负载（特别为正反转需切换的场合）和电力补偿电容器等负载时，原则上选取480V系列的三相固态继电器。（需要注意的是，电动机正反转切换还须有0.3s以上的时间间隔）
5．固态继电器的使用注意事项
1）固态继电器为电流驱动型。固态继电器的输入端要求有几个毫安到20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。
2）固态继电器输入端的串并联。多个固态继电器的输入端可以串、并联，但应满足每个固态继电器高电平时，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固态继电器的输入电流之和；串联时驱动电压应大于多个开启电压（以4V计算）之和。
3）RC吸收回路和断态漏电流以及测试固态继电器时应注意
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；对于大感性负载，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，还可以在固态继电器两输出端再并联RC吸收回路以保护固态继电器。
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。
4）严禁负载侧短路，以免损坏固态继电器。万用表电阻挡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晶闸管已损坏。除此以外，判断固态继电器的好坏必须采用带负载的电路。
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电压等级的固态继电器。
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电压等级的固态继电器。
C. 交流负载为380V的感性负载时可选取480V电压等级的固态继电器.其他要求特殊、可靠性要求高的场合如电力补偿电容器切换、电动机正反转等均须选取480V电压等级的固态继电器。

固态继电器过压的保护：除固态继电器内部本身有RC吸收回路保护外，还可以并联金属氧化物压敏电阻（MOV），一般220V系列固态继电器可选取500~600V的压敏电阻，380V系列固态继电器可选取 800~900V的压敏电阻，480V系列固态继电器可选取1000~1100V的压敏电阻。
6）固态继电器电流等级的选取及过流保护。
过流保护采用专门保护半导体器件的熔断器或用动作时间小于10ms的断路器。小容量固态继电器也可选用熔丝；许多负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于散热不及时，浪涌电流与过流一样也是造成固态继电器内部输出晶闸管损坏的最主要原因之一。
A.阻性负载时，选取固态继电器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，选取固态继电器的电流等级须大于等于6~7倍的电动机额定电流。
C.负载为交流电磁铁、中间继电器线圈、电感线圈等时，选取固态继电器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固态继电器的电流裕量。
D.负载为电力补偿电容器类时，选取固态继电器的电流等级须大于5倍的负载额定电流。
7）固态继电器的发热与散热
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。
单相固态继电器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）及固态继电器安装密度等因素。
2A、3A、4A、5A系列在印刷电路板上使用，不需外加散热器；
装置式固态继电器当应用于10A以下的额定电流时可以安装在散热较好的金属平板上；
10A以上需加散热器，自然风冷10A以上的固态继电器与散热器安装面间须涂一薄层导热硅脂。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。
通过固态继电器实际电流较大，有可能散热不良时，为了保证固态继电器不至过热而损坏，在固态继电器所固定的散热器上（靠近固态继电器处）可安装75℃的温度开关，把温度开关的常闭触点串入固态继电器的控制回路，这样当测试点温度达到75℃时切断固态继电器控制回路，使其停止工作。
8）电网频率
固态继电器应用于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，采用固态继电器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固态继电器内部的RC吸收回路因过热而炸裂
6.电机正反转控制
电机正反转控制接线如图所示。需要注意是，正反转转换须有20ms以上间隙，限流电阻RS=30/ISSR，ISSR为所选用固态继电器的电流等级。
电机正反转控制接线图
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