浅析继电器的选型与应用

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欢迎访问e展厅 展厅 3 继电器展厅 固态继电器, 安全继电器, 热过载继电器, ... 摘要: 阐述了继电器的应用选型是切实提高系统运行可靠性的关键问题，结合系统的工作特性和工作环境及继电器产品特性，论述了继电器的选型原则及继电器应用中质量等级的选择和继电器降额使用的原则，并对继电器的安装和保护技术和继电器应用中的问题作以分析。 1. 概述 面对纷繁复杂的继电器产品，如何合理选择、正确使用，是系统开发、设计人员密切关注并且必须优先解决的实际问题。要做到合理选择，正确使用，就必须充分研究分析系统的实际使用条件与实际技术参数要求，按照“价值工程原则” ，恰如其分地提出所选用继电器产品必须达到的技术性能要求。在整机的可靠性设计中，要求合理选用元器件。元器件的选择和控制是需要多学科知识才能完成的一项任务，一般应由元器件工程师、可靠性设计师、总体及电路设计师、失效分析人员共同完成。首先要根据整机系统的重要程度、可靠性要求、所使用的环境条件及成本等项要求综合考虑和选择。具体说来，大致可按下列要素逐条分析研究，确认所要求的等级以及量值范围。选择时必须重视以下几个方面的要求。 2. 对使用环境条件的选择 气候应力作用要素，主要指温度、湿度、大气压力（海拔高度）、沿海大气（盐雾腐蚀）、砂尘污染、化学气体和电磁干扰等要素。考虑系统在全国各地各行业及自然环境的普遍适用性，兼顾必须长年累月可靠运行的特殊性，系统关键部位必须选用具有高绝缘、强抗电性能的全密封型（金属罩密封或塑封型，金属罩密封产品优于塑封产品） 继电器产品。因为只有全密封继电器才具有优良的长期耐受恶劣环境性能、良好的电接触稳定、可靠性和稳定的切换负载能力（不受外部气候环境影响）。 2.1温度对继电器的影响 继电器是怕热元件，高温可加速继电器内部塑料及绝缘材料的老化、触点氧化腐蚀、熄弧困难、电参数变坏，使可靠性降低，所以，要求设计时使继电器不要靠近发热元件，并有良好的通风散热条件。 继电器虽然是怕热元件，但对过低温度（如军用航空条件-55℃） 也不能忽视，低温可使触点冷粘作用加剧，触点表面起露，衔铁表面产生冰膜，使触点不能正常转换，尤其是小功率继电器更为严重。试验证明，对于有些按部标生产的国产小功率继电器，虽然使用条件规定低温为- 55℃，但实际上在此条件下继电器根本无法进行正常转换，建议在选择时要留有充分的余量，对于重要的军用电子整机，建议选用国军标产品。 2.2低气压对继电器的影响 在低气压条件下，继电器散热条件变坏，线圈温度升高，使继电器给定的吸合、释放参数发生变化，影响继电器的正常工作；低气压还可使继电器绝缘电阻降低、触点熄弧困难，容易使触点烧熔，影响继电器的可靠性。对于使用环境较恶劣的条件，建议采用整机密封的办法。 2.3机械应力对继电器的影响 主要指振动、冲击、碰撞等应力作用要素。对控制系统主要考虑的是抗地震应力作用、抗机械应力作用能力，宜选用采用平衡衔铁机构的小型中间继电器。电磁继电器的簧片均为悬梁结构，固有频率低，振动和冲击可引起谐振，导致继电器触点压力下降，容易产生瞬间断开或触点出现抖动，严重时可造成结构损坏，可动的衔铁部分可产生误动作，影响继电器的可靠性。建议在设计中尽量采取防振措施以防产生谐振。 根据上述环境条件对继电器的影响，在选择继电器时，首先要使继电器满足整机规定的各项环境条件的要求。如果不能全面考虑各项环境条件，研制出来的整机就达不到合同规定的技术要求。如在军用机载电子设备上选用JRC- 5M小型电磁继电器，若只重视环境温度可满足整机要求而忽视振动、冲击条件。这些条件不能满足，就必须采取相应的防范措施，否则可靠性得不到保证。 2.4绝缘耐压 非密封或密封继电器的引出端外露绝缘子长期受尘埃、水气污染，导致其绝缘强度下降，在切换感性负载时的过电压作用下，引起绝缘击穿失效。针对继电器绝缘固有特性，在选型时必须依据继电器的以下技术特性： 2.4.1足够的爬电距离：一般要求>3 mm（工作AC 220V）； 2.4.2足够的绝缘强度：无电气联系的导体之间>AC 2000V（工作AC 220V），同组触点之间>AC 1000V； 2.4.3足够的负载能力：DC 220 V感性；5～40 ms，>50W； 2.4.4长期耐受气候应力的能力：线圈防霉断、绝缘抗电水平长期稳定可靠。 2.5密封继电器与非密封继电器 部分工程技术人员认为非密封产品动作状态直观、失效分析方便，而密封产品动作过程看不见摸不透，两者的优缺点如下： 非密封继电器的优点是多采用拍合式衔铁，结构简单、制造工艺简便、安装维修方便、工作状态直观、便于失效分析、价格便宜。主要缺点是工作可靠性对使用环境（气候应力、机械应力）变化的敏感性强；长期耐受气候条件性能随时间增长而易受环境条件污染、损伤；电接触稳定性、可靠性差；线圈易受潮气、杂质污染产生电腐蚀、霉变等而失效。 密封继电器优点是多采用平衡旋转式衔铁，全密封结构隔离外部气候应力作用，抗恶劣环境性能优良；触点电接触性能稳定可靠，线圈抗腐蚀、霉变，长期可靠性能优良。缺点是结构复杂，制造工艺特殊，失效分析困难，本身无法维修重复使用，成本、价格高。 因此，从长期耐气候应力性能、抗恶劣环境性能与电接触稳定可靠性考虑，密封继电器明显优于非密封继电器。针对可靠性要求高的航天、航空、军用系列，主要选用金属罩密封继电器产品。对于重要场合的生产过程自动化控制系统，要求长期稳定可靠工作的特殊性，理应以选用密封继电器产品为主。 3. 激励线圈输入参量 主要是指过激励、欠激励、低压激励与高压（220V） 输出隔离、温度变化影响、远距离有线激励、电磁干扰等要素，这些都是确保系统可靠运行必须认真考虑的因素。按继电器所规定的激励量激励是确保它可靠、稳定工作的必要条件。 继电器的技术条件一般对线圈的电压都给出工作电压、吸合电压、释放电压。要保证继电器的正常工作，在电路连接时，一定要保证在任何情况下都要使给定的三个电压满足技术条件规定的数值。否则，继电器无法正常转换。 3.1关于串联供电激励方式 不少用户采用串联分压供电方式给继电器线圈施加激励量，驱动继电器动作。这种激励方式一般是不可取的。因继电器的吸合时间主要取决于回路的时间常数T，且T = L/R。当串联电阻R1给继电器线圈供电时，R=R1+ R2，则有L/R2>L/（R1+R2）；显然，串联R1后使T减小，继电器的吸合时间加速。特别是当R1≥R2，电压很高时，吸合时间将大大减少。运动部件的过快动作，将加大运动部件接合时的冲击、碰撞、反弹，从而增大触点回跳，加速机械磨损，降低触点的负载能力与机械寿命。因此，串联供电激励方式改变了继电器原设计所规定的正常工作状态，一般是不可取的。当触点回跳、机械磨损对实际使用不构成利害关系，且特别需要加快动作速度时，才可以采用提高激励电压或串联电阻供电激励方式。 3.2继电器线圈串联的使用 采用多个继电器线圈串联后，再用DC 220V电源去激励，这种激励方式必须谨慎采用。 3.2.1对相同类型、相同规格继电器产品而言，由于各线圈的阻抗（含直流电阻与瞬时感抗）大体相同，差值较小，故采用串联分压激励方式使用问题不大。实践证明也是可行的。 3.2.2对不同类型或不同规格的继电器产品言之，由于不同继电器线圈的阻抗不一致，且差值随瞬时感抗的不同而相差很大，故串联激励瞬间，各继电器线圈上所分得的激励电压（由瞬时分压比决定）差值必然很大，势必出现有的继电器处于过压激励状态，有的则处于欠压激励状态，各继电器触点的开关时序与速度将会发生本质性变化，必然会出现动作先、后，快、慢颠倒，开关不可靠等情况。因此，不同类型、不同规格的继电器线圈不宜采用串联分压激励方式。 3.3关于继电器线圈并联使用 在复杂的控制回路中，将2只（或多只）不同类型的继电器（如接触器K1、小型灵敏继电器K2）线圈并联使用的情况时有发生，在这种情况下，有可能产生K1延迟释放、触点断弧能力下降，K2被反向重复激励、触点误动作等实际问题。在直流控制回路中，K1，K2线圈所贮存的磁能可能相差很大。当线圈电源失电后，K1（磁能大）的贮能将通过K2（磁能小）的线圈泄放，产生反向电流。从而导致K1释放时间延长，触点断弧速度迟缓，触点间燃弧时间延长；K2的释放时间短，随后被反向泄放电流所激励，甚至释放后瞬间重复吸合，产生误动作故障。在实际应用时应注意避免上述因疏于研究而导致的不可靠现象。 4.触点输出（换接电路）参量 主要是指触点负载性质，如灯负载，容性负载，电机负载，电感器、接触器线圈、扼流圈负载，阻性负载等；触点负载量值（开路电压量值、闭路电流量值），如低电平负载、干电路负载、小电流负载、大电流负载等。 根据继电器驱动设备的负载性质、负载容量选用合适的继电器， 是继电器可靠工作的基本条件，继电器的失效或可靠不可靠，主要指触点能否完成所规定的切换电路功能。如切换的实际负载容量大于所选用继电器规定的切换负载容量，继电器是不可能可靠工作的。 4.1关于触点的负载 继电器触点故障是继电器失效的核心所在，当触点实际切换的负载电压小于起弧电压，电流小于1A时，特别是在中等电流（试验标准为DC 28V，0.1A）、低电平（10～30mV，10～50LA）或干电路（指继电器触点先闭合，后接通毫伏微安级负载）条件下，触点实际工作时的失效机理、失效方式与实际切换额定功率负载全然不同。正是为了满足不同负载的不同要求，不同产品在设计、制造工艺、检测、试验要求也各不相同。因此，在实际选用继电器产品时，一定不能错误地认为：继电器的触点开关适用于从零到规定额定值的所有负载，更不能认为通过触点的实际负载比产品标准所规定的额定负载越小越可靠。例如能可靠切换220V，10A负载的触点，并不一定能可靠地切换10 mA的实际负载。更不可用它去换接低电平或干电路负载。因此，对中等电流、低电平，干电路负载建议选用接触可靠性优良的金属罩全密封产品。根据现场使用统计，在继电器使用中，由于对触点负荷使用不当造成的失效，约占继电器总失效率的70%。如何正确设计触点负荷应力是保证继电器可靠性的关键。 一般在可靠性设计中，降额设计是提高可靠性最有效的措施，对其它元器件来讲，如果不考虑其它因素如成本、体积等，降额越多，可靠性越高。但是，继电器与其它元器件有不同之处，并不是触点所加的负荷应力越小越可靠，这主要是由触点失效机理决定的。当触点电流使用到100毫安时，触点的电弧作用明显减弱，触点在高温条件下析出的含碳物质不能被电弧烧掉而沉积在触点表面，使触点接触电阻增大，影响接触可靠性。 当触点负荷使用在10毫安以下或50毫伏以下时，接触可靠性明显降低，因为这时电压无法击穿触点表面的膜电阻，将出现低电平失效。尤其在高温条件下，加速了触点的氧化，低电平失效表现得更为严重，所以把10毫安以下，50毫伏以下的负载称为低电平负载。如果要求继电器工作在低电平条件下，需要与生产厂签订专门技术协议，生产厂要按低电平要求进行生产和筛选，否则将出现低电平失效，严重影响可靠性。 继电器的负荷应力虽然不能过小，但是，技术条件给出的负荷应力，是触点的最大额定值，是在任何情况下都不应该超过的参数。如果在使用中超过，轻者可造成寿命缩短，可靠性降低，重者可烧毁触点，造成失效。这主要是继电器触点在大负荷下工作时所产生的飞弧导致触点被烧熔，在触点表面形成凹凸不平，形成机械咬合而无法分开，触点负荷越大，飞弧越大，触点被烧毁的可能性越大。从以上分析可知，适当的降额仍是提高继电器可靠性的有效措施。 触点负荷的正确使用，在一般情况下，负荷应力应设计在100毫安以上、技术指标给定的额定负荷值的百分之八十以下比较可靠。值得注意的是，继电器触点的额定负荷值是在阻性负载条件下给定的，当使用的负载是感性、容性及灯载时，可产生10倍的浪涌电流，所以如果不是阻性负载，使用时一般应按表1所示进行换算。 4.2关于电容负载 继电器接点作为切换容性负载回路的自保接点，易引起接点粘接而不能释放，其原因是由于电容器的充放电过程，类似于电容储能点焊过程。进一步分析试验表明：给22μF电容器充足DC 220 V电压后，再激励继电器使其触点直接短路放电，10次之内，纯银触点即可产生焊接不放现象。从理论上考虑，电容器的放电电流为： 式中： U - 为电容器两端电压； R - 为放电回路电阻； T - 为时间常数； 由于R约等于触点的接触电阻，趋近于零，在开始放电瞬间i= U/R；i非常大，也就是说： 电容器所储存的全部能量，在很短时间内全部通过触点泄放，从而直接导致点焊焊接失效。此，长的传输线、消除电磁干扰用的滤波器、电源等都是强容性的。用于此类负载的继电器应结合设备特性选用。 4.3关于继电器触点的并联使用 4.3.1不能用触点并联的方式提高功率；有时，用一组触点不能满足电路的功率要求时，有时采用两组或多组触点并联的方式来保证电路的功率要求。但是，由于继电器触点在动作时存在微小的时间差（一般两组触点动作时间相差0.1毫秒～0.2毫秒）。由此可知，先接通的一组触点将承受全部功率，处在超应力条件下进行切换，很容易被大电流形成的电弧烧毁而失效，所以，要求在使用继电器时，不能用触点并联的方式提高功率。 4.3.2一般不采用触点并联的方式提高可靠性；在可靠性设计中，冗余设计可以提高可靠性。有些设计师利用冗余设计的原理，主观上想利用继电器触点并联的方式提高控制电路的可靠性。但是，一般控制电路的作用是利用触点相互转换作用达到对电路的控制。如果采用触点并联的方式，接通的可靠性虽然提高了，但断开的可靠性却降低了，所以对一般用继电器控制的转换电路，采用并联方式提高可靠性是不可取的。只有对特殊要求，例如一次接通或断开就能完成规定功能的电路（如发射卫星，只要求继电器触点把火箭的点火系统接通就完成任务），采用触点并联的方式可提高可靠性。 4.4继电器触点的正确连接 4.4.1应尽量多用动合触点、少用动断触点；在对继电器触点连接时，应尽量多采用动合触点的连接方式，少用动断触点，其原因是动合触点比动断触点在动作时的触点回跳次数少。众所周知，触点抖动对电路产生不良影响，而且缩短了触点的寿命。 4.4.2对转换触点极性的正确连接；转换触点极性的连接对触点寿命的影响极大，正确的连接应是可动触点接电源阴极，固定触点接电源阳极。其原因是通过对两种不同连接的测试表明，在相同负载条件下，按上述正确的极性连接与相反的极性连接，其触点的燃弧时间要减短二分之一，因而提高了触点寿命。 结束语 在激烈的市场竞争中，市场占有率是以质量性能为主的，市场规模是以技术发展和创新为前提的，因此，全方位开发创新提高产品质量档次，提升性价比等成为竞争的焦点。我国的继电器产业置身于全球市场的大环境中，应以主动出击的姿态参与全球继电器市场的分工与合作，在全球继电器行业的新一轮调整重组中寻找自己的位置，在新的布局中占据有利地位，顺应全球经济一体化和产品、产业发展的总趋势。充分认识继电器生产开发的中心正向具有一定工业基础的发展国家转移，而我国乃至亚洲已成为全球继电器产业的中心这新一新态势，认真分析继电器技术和市场的新变化，制定更加切实有效的发展战略，面向数字化产品，提升技术档次。以调整结构升级优化为重点，以提高市场占有率为目标，突出市场，突出改革，突出战略性结构，调整和改组，突出技术创新，突出可持续发展，追求更高、更快、更强，抓机遇促发展，开创新世纪我国继电器行业的新局面。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/2/2008)