来源:电子工程专辑

继电器和接触器都是电磁式开关电器,但前者属于工作在控制回路中的开关电器,而后者属于工作在主回路中的开关电器。

我们先看两者的共同特征:

第一个概念,叫做转换深度:
式中的RDK叫做断开或者截止时的电阻,RJT叫做接通或者导通时的电阻,h叫做转换深度,对于有触点的开关电器,h=10^10~10^14;对于无触点的电器,h=10^4~10^7。

正是由于有触点的开关电器,它的转换深度比较高,从而保证在接通电路时,开关电器的执行电流电能损耗小,对被控电路的影响也小;断开电路时,有触点的开关电器,其执行电路ide电阻非常高,从而可以保证电器的耐压水平。相比之下,无触点电器在开断后,它不会产生电弧。但无触点电器的转换深度比较低,因此其损耗较大,且发热相对要严重得多。

第二个概念,关于电磁式电器的结构

电磁式电器的结构包括触头部件、操动系统和线圈等部件,还有灭弧系统及部件。电磁式电器分为三类,有电压继电器、电流继电器和其它专门功能的继电器(例如温度继电器、时间继电器和热继电器等等)。 接触器也具有这些结构特征。

我们来看下图:

简单描述:

(1)当电磁式继电器的激磁线圈通电后,激磁线圈电流逐渐增加并在电磁系统中产生磁通,其中衔铁与铁心之间气隙中的磁通将作用于衔铁。 随着工作磁通逐渐增加,作用于衔铁上的电磁吸力(转矩)也越来越大。当电磁吸力大于系统反力时,衔铁将绕其转动轴转动带动其执行部分(触头系统)的动触头C0运动,从而实现常开触头和常闭触头变位。

(2) 激磁线圈断电后,激磁线圈电流逐渐减小,电磁系统中的磁通也逐渐降低,工作气隙磁通也随之降低,作用于衔铁上的电磁吸力越来越小。当电磁吸力小于衔铁反力 时,衔铁在系统反力的作用下开始向其初始位置返回,带动动触点C0向其初始位置运动,直至常开触点和常闭触头复位。

第三个概念,叫做电磁式电器的返回特性

我们来看下图:

返回系数是电磁式继电器共同具有的特性,它反应了电器的继电特性明显程度。通常返回系数小于1。将继电器的激磁线圈输入端X看成是元件的输入,将触头系统中触点的变位Y看成是元件的输出,则继电器输入—输出特性就包括返回系数。

设Y0和Y1分别为继电器常开触点的初始态和动作态。当XXd后,Y从Y0跃变至Y1。Xd称为继电器的动作值。当X持续大于Xd时继电器常开触点的状态将不再改变。此后逐渐降低X,只要X≥Xf,继电器常开触点始终处于闭合位置;当X

返回系数: Xf为继电器的返回值,Xd为动作值。

这张图是某低压电器教材中的一张图,看了更直观:

这种特性对于接触器,虽然它也有,却要求不高。两者共有的东西还很多,限于篇幅,不做介绍。

现在我们来看看两者不同的部分。其实,单单从两者功能和电流等级的范围就能看出两者之间的巨大区别。由于继电器一般用于控制回路,而控制回路的工作电流在规范中规定为5A,因此继电器的触头额定电流一般是5到10A,最大不会超过16A。

下图是ABB的中间继电器参数:

注意其中的标准IEC60947-5,其等同使用的国家标准是GB/T 14048.5 我们看到,继电器的电流不大,但每小时操作次数和机械寿命却相对较长。也因此,我们可以明确地看出,中间继电器只能由于控制回路。事实上,各类继电器绝大多数都是用在控制回路的。

我们再来看看ABB的A系列接触器参数,如下:

显然,这里的额定电流大得多。由此可见,接触器是用于主回路控制的,它可以用来控制电动机的起停,照明回路的通断,还用其它一些特殊的大电流通断控制。

下图是ABB的最大容量接触器,它的主触头额定电流可以达到2050A。

这是度娘上的一张接触器应用简图:

交流接触器的基本工作原理是利用电磁原理通过控制电路的控制和可动衔铁的运动来带动触头控制主回路通断。当接触器电磁线圈不通电时,弹簧的反作用力和衔铁的自重使主触头保持断开位置。当电磁线圈通过控制回路接通控制电压时,电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心,带动 主触头闭合,接通电路,同时辅助触头也随之动作。

我们来看看标准中是如何规定接触器的:
(1)与接触器有关的国家标准GB14048.4-2010
(2)接触器的额定值和极限值额定工作电压和额定绝缘电压、约定发热和封闭发热电流、额定工作电流、额定工作制、额定接通能力和分断能力、耐受过载电流能力、辅助触头的约定发热电流等等
(3)接触器有四种标准工作制,即八小时工作制、不间断工作制、断续周期工作制和短时工作制
(4)接触器有四种标准使用类别,主触头使用类别为:交流AC-1~AC-4,直流DC-1、DC-3、DC-5等等

显见,接触器与继电器相比,区别还是很大的。

提几个问题:

第一个问题:对于容量比较大的继电器,可以用来控制小功率的电动机吗?例如0.1kW的电机?
第二个问题:对于小电流的接触器,例如6.3A的接触器,可以用来代替中间继电器吗?
第三个问题:接触器是被动元件,它不能主动地分断短路电流,只能被动地承受短路电流的冲击。显见,接触器与主动元件(指断路器或者熔断器)之间需要有短路配合关系。试问:这种关系的实质是什么?
第四个问题:接触器具有过载倍数吗?如果接触器具有10倍额定电流的过载能力,使得它与断路器切断短路电流的倍率(从1倍到十倍断路器的额定电流)相当,那么可以用接触器来代替断路器吗?
第五个问题:继电器具有灭弧能力吗?如果继电器不具有灭弧能力,当触头打开出现电弧时(特别是当继电器应用在直流控制回路,此时出现在继电器动静触头间的是很难熄灭的直流电弧),我们应当采取何种措施和手段来灭弧?

解答问题:

第一个问题的答案: 不可以用继电器来代替接触器。 原因很简单:1)继电器不具有灭弧装置;2)继电器触头过载能力很弱。 我们知道,电接触有三类:点接触、线接触和面接触。 点 接触接触面最小,接通电流也最小,一般在10A以下;线接触的动静触头具有滑动过程,可以磨去触头上的氧化层,而且触头接通电流也大,一般在十几安到数百 安。将若干个线接触触头并联起来,其接通能力可达数千安。例如ABB的6300A框架断路器Emax的主触头;面接触接通电流最大,但表面的污垢无法清 除。 继电器的触头是点接触,而接触器的触头是面接触。 可见,继电器无法取代接触器。

第二个问题的答案: 接触器的主触头一般是三常开或者四常开,而辅助触头也只有2对。其触头的数量明显偏少。 继电器的触头对数较多,一般为2对,也有3对、4对的。

图中的继电器触头为两对。 接触器的主触头为面接触,其接触压力小,自净能力差,需要靠接触时的瞬间电弧来清扫触头表面。如果将接触器来替代继电器,由于控制回路电流小,接触瞬间几乎不会出现接触电弧,故而无法自净,触头表面的膜电阻会使得导通不可靠。 我们来看看计算膜电阻的经验公式:

式中,F为接触力(N);Rj为接触电阻(Ω);m为与接触面变形的情况有关。对于点接触,m=0.5;对于面接触,m=1;对于线接触,m为0.5~1,约为0.7;K与接触材料的p和H和表面膜情况有关,见下表所列数据:

式子是工程上常用的计算接触电阻的经验公式,而表中给出了触头表面未被氧化时的K值。 在实际使用时,触头当然会氧化,而氧化后的触头材料,其K值远远超过表中所给出的数值,其接触电阻在很大范围内变化。所以计算结果只能作为估算接触电阻数量级之用。 在实际应用中常采用测量接触压降的方法来间接实测接触电阻值。

我估计,看到这里,我们的学生朋友们有精神了:这不正是我们梦寐以求的找工作主攻方向吗?答案是:这里面的工作对于接触器制造厂来说,各种材料氧化后的数据都已经由试验总结出来了,无需我们再去测试。

接触器的研发已经到了如何实现根据不同的负载自动调整跳闸开断时间。世界上各大电气公司,包括西门子、施耐德和ABB都在研发自己的产品,而且是下一代智能型接触器的研发方向。 当然,这也有待于我们的学生朋友们入职后进行卓有成效的开发。

由此可见,小容量接触器无法取代继电器。

第三个问题的答案: 接触器与断路器(或者熔断器)之间有短路配合关系,确保在断路器分断短路电流期间,接触器的触头不会出现粘连。 接触器与断路器之间的短路配合关系,在GB14048.4标准中被称为SCPD,是接触器的一项重要性能指标。SCPD对应于接触器的热稳定性和触头过载能力。这些指标继电器完全不具备。

第四个问题的答案: 即使接触器具有10倍额定电流的过载能力,使得它可以用于电动机的正反转i,但它不具有测量短路电流的功能,也不具有分断短路电流的能力。因此,接触器不能替代断路器。

第五个问题的答案: 继电器的触头不具有灭弧能力。 因此,当继电器用于通断直流回路时,必须采用两个同类触头串联的方式。例如两只常开触头串联,或者常闭触头串联。 其原理是:把单触点的电弧拉长为双触点的电弧,使得电弧能快速降温并熄灭。 这是在变电站继电保护电路中选配继电器触头时必须遵守的原则。 变电站继保装置也即控制回路的工作电源都是直流的,用直流屏供电(220Vdc或者110Vdc)

你猜对了吗?