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继电器培训资料

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什么是继电器？

继电器，英语写作RELAY。

请您回忆一下童年时的运动会。

A虽然个头小，但是依然紧握接力棒，并把接力棒移交给大人B。

这就是接力。

我们用稍微专业一点的方法来想一下。

例如，我们用遥控器打开电视机。

■继电器的构造和原理

继电器是由接收信号转换成机械式动作的电磁铁和开关电气的开关构成。

[动作原理]

我们想象一下用开关S1和继电器来打开灯的情形吧！

1）按下S1（ON）

2）电流i流进操作线圈，把铁芯磁化。

3）由于电磁力的作用，铁片被铁芯吸引。

4）铁片被吸引到铁芯之后，可动接点和固定接点接触，灯光亮起。

5）如果返回S1（OFF），操作线圈的电流消失，吸附铁片的力消除，由于复位弹簧的作用，恢复到原来状态。

6）如果铁片恢复原来状态，接点部将分离，灯光熄灭。

■继电器的用途示例

几乎在所有使用电气的机械和装置中都使用继电器。

■继电器的分类

继电器的分类方法很多，本技术指南按照下列方法分类：

■电磁铁的分类 根据电磁铁是否使用了永久磁铁，分类如下：

无极继电器

电磁铁部没有使用永久磁铁的继电器。

一般情况下线圈没有极性，但是，有的操作线圈有极性，

例如动作指示灯内置型、浪涌吸收二极管内置型等。

有极继电器

在电磁铁部使用了永久磁铁磁束的继电器。

因此可使操作线圈保持极性。

■继电器的动作说明

●单稳继电器的情况下

   复位状态

·线圈上不连接电池的状态

由于操作线圈上面没有电流通过，因此电磁铁不动作，铁片借助于复位弹簧的力向逆时针方向靠拢，

可动接点接触常闭接点（ON），常开接点处于离开（OFF）状态。

动作状态

·线圈接通电池之后的状态

电流如果通过操作线圈，电磁铁被磁化，铁片被铁芯吸引。

这样，可动接点从常闭（b）接点离开（OFF），接触到常开（a）接点（ON）。

●双稳继电器（也称为作闭锁继电器或保持继电器）的情况下

磁保持型?

?

2线卷闭锁继电器的情况下

休止状态（复位后的状态）

·线圈上不连接电池的状态

铁芯、磁轭、铁片的材料为半硬质磁性材料，有两个以上操作线圈。

除这两点不同外，其余事项与前页的单稳继电器相同。

动作状态（设置）

如果电流从线圈A流过，电磁铁（半硬质材料）被磁化，铁片被铁芯吸引。

这样，可动接点从常闭（b）接点离开（OFF），接触到常开（a）接点（ON）。

在这种状态下，即使断开线圈A的电流，由于半硬质磁性材料

（该材料的特性与永久磁铁相似）上残留磁束的作用，铁片继续维持被吸附到铁芯的状态。

复位状态（复位）→休止状态

如果电流通过线圈B（与线圈A的缠绕方向相反），半硬质磁性材料的残留磁束将减少，

吸引力将减弱，复位弹簧的力量占据上风，铁片复位，进入休止状态。

铁芯一旦复位，半硬质磁性材料的残留磁束几乎变为0。

注.半硬质磁性材料是指：

相对于永久磁铁上使用的硬质磁性材料，

   半硬质磁性材料可以用较少的能量进行着磁、减磁。

一般继电器的使用方法

■继电器的工作和原理

无极继电器

无极继电器的磁路多种多样，这里仅介绍一般的铰链式继电器。

切换开关的力量虽然可以从电磁铁获得，但是电磁铁中还会产生以下力量：

无极继电器的电磁铁构造也有很多，下图显示其中具有代表性的示例。

有极继电器

有极继电器由于使用永久磁铁，通过永久磁铁和线圈的相互作用，提高吸引力。

包含永久磁铁的磁路通过线圈中的磁铁和永久磁铁中的磁束的相互作用获得吸引力。

各个符号的含义：

   Pc：

线圈的磁导率

   Pcm：

线圈和永久磁铁的相互磁导率

   Pm：

永久磁铁内部的磁导率

   φ0：

永久磁铁产生的磁束

   P0：

总磁导率

有极继电器的吸引力的形状如下图所示：

由于有极继电器基本上转化为适用于双稳继电器的吸引力曲线，

如果要采用单稳继电器，可以改变吸引力曲线的形状，或者在负载曲线上增加偏磁。

有极继电器中带有下图所示的构造。

■关于品质和可靠性

●品质和可靠性的基础知识

（1）关于品质和可靠性

·品质和可靠性为您带来满足感

我们在日常生活中要使用各种各样的产品（包括服务和信息等无形产品以及像继电器、电气产品这样的有形产品），

使我们的生活更加丰富多彩。

如果发生以下情况，

这时，我们一定会很生气。

这时，我们一定会感到很满足。

品质和可靠性如果拿满足感这个尺度来考虑，就很容易理解了。

那么，我们按照以下方法来考虑品质和可靠性：

品质....购买时的满足感    

可靠性....使用时的满足感    

还想再次使用时    

如果这样考虑，上述示例中

合适的价格.........品质

价格总是合适.........可靠性

需要时能够买到.........品质

需要时总能买到.........可靠性

颜色、外观、功能及其能力...品质

颜色、外观、功能及其能力持续固定?

可靠性

可以放心使用.........品质

在使用期内能够放心使用?

可靠性

如果这样分类，品质和可靠性就非常相似，但是我们想让您了解，

在可靠性里面包括时间性要素（总是、持续、使用期内）。

·品质和可靠性的范围

请再来看一下前面所讲的示例。

例如，您能够理解品质中包括继电器的颜色、形状、作用及其特性，

却难以理解价格、购买性被排除在品质之外。

那么，我们还是再次回到开头。

人类在反复思考中生活。

在此过程中产生了各种各样的欲望，并以要求的形式表现出来。

企业负责把这些要求加以收集整理，并还原为产品。

但是，只有能够满足各种性质要求的产品才能称得上是高品质产品。

广而言之，品质包括产品及与之相关的所有要求。

可靠性也同样。

如果这样考虑，品质、可靠性包括下列全部内容。

·产品（包括有形产品和无形产品）品质、可靠性

·服务品质、可靠性

·企业品质、可靠性

颜色、形状

样本目录

企业理念

作用（功能）、能力（特性）

使用说明书

方针

安全性

规格书

组织、体制

价格

说明会

各种系统

交货期

技术服务

人

（2）品质和可靠性的概念

·品质

在此，我们进入稍为专业的部分吧！

品质是指：

「产品或服务为满足明确或者暗含要求而拥有的特征及特性的整体。

这些要求包括使用的便利性、安全性、可用性、可靠性、维护性、经济性及环境性层面」。

〈引用〉

被定义为。

品质保证的国际标准－ISO标准的翻译和解说

我们常说「〇〇公司的□□比△△公司的◇◇品质好」，来进行相对排序，

采用「相对品质」这个词，来区别于「品质」。

定量进行详细的技术性评价时，称为「品质水平」及「品质尺度」。

这样，就扩大了「品质」概念的范围，在ISO标准中可靠性也包含在品质中。

·可靠性

可靠性是指：

「在条款规定的条件下，在规定时间内交货、实现要求功能的能力即为可靠性」

〈引用〉

被定义为。

品质保证的国际标准－ISO标准的翻译和解说

人或动植物的一生，生活在各种各样的环境中，我们有时会患病，接受治疗，

通过健康检查、各种精密检查发现早期疾病，通过预防接种来防止、减少疾病，

为维持健康进行体育锻炼、参加健身俱乐部等，我们想方设法使生活变得更加健康舒适。

这些办法可以分为两类：

（1）想办法不易患病。

（2）患病之后尽快治愈。

如果把这个分类用于可靠性，可以这样表述：

（1）是否容易患病（发生故障）.......可靠性。

（2）患病（发生故障）之后能否尽快治愈（修复）。

      发生疾病（故障）之前能否进行预防...维护性

如果对这些内容进行定义，可以如下表述：

1）可靠度（Reliability）

   在规定条件下，系统、产品在预计期间内无故障完成规定功能的概率。

2）维护度（Maintainability）

   在规定条件下，对可修理的系统、产品进行维护时，在规定时间内完成维护的概率。

3）可用性（Availability）

   可修理的系统、产品在某个特定瞬间维持功能的概率。

可靠性虽然可以包括在可靠度、维护度、可用性中，但是，不能修理的产品以可靠度为前提，

可修理的产品则重视可靠度、维护度和可用性。

由于继电器不能进行修理和再次使用，

因此可靠度十分重要。

·动作可靠度

装置实际使用时的可靠度称作动作可靠度Ro（OperationalReliability）。

按照下述方法考虑时，将更加通俗易懂：

      RO≒RI·RU

在此，RI称为固有可靠度（InherentReliability）,是生产厂家在标准环境下测定、保证的值；

RU称为使用可靠度（UseReliability）,是在移交给最终用户的过程中及使用过程中，由各种环境决定的值。

由于动作可靠度Ro近似于固有可靠度RI和使用可靠度RU的积，因此需要提高各个可靠度。

为提高固有可靠度RI，厂家应在设计中反映使用状态，努力改善生产系统，以进行合理设计，并维持设计的可靠性。

另外一方面，使用者为提高使用可靠度，必须注意使用方法，考虑负载的种类和环境等。

样本目录等中记载的最小适用负载（参考值）用故障率公式λ60＝0.1×10-6（P水平）来表示标准状态下的固有可靠性。

在此λ60表示故障率（λ）为可靠水平60%。

（3）品质和可靠性术语

·可靠性尺度

可靠性中经常使用以下尺度。

可靠性尺度

JIS（Z8115）中的定义

使用产品示例

可靠度（R）

系统、设备、零件等在规定的条件下、在预计期间内完成规定功能的概率

航空、航天系统

故障率（λ）

运行到某个时间后的系统、设备或零件等，在连续的单位时间内发生故障的比例

电子零件机械零件

平均故障时间（MTBF）

边修理边使用的系统、设备、零件等，相邻故障间的动作时间的平均值

电子计算机车辆

发生故障前的平均时间（MTTF）

不进行修理的系统、设备、零件等，在发生故障前的动作时间的平均值

电子零件

耐用寿命有用寿命

故障率低于规定值的期间长短

家用电器机械器具

维护度

可以修理的系统、设备、零件等在规定的条件下实施维护时，在规定的时间内完成维护的概率

车辆生产设备

不可动作的平均时间（MTTR）

或平均停机时间（MDT）

不能运行的平均时间（MTTR与MD虽然意思相同，但有时事后维护的情况叫做MTTR，以示区别。

）

电子交换器

工作率（可用性）

可修理的系统、设备、零件等在某个特定瞬间下维持功能的概率，计算时多用以下公式：

可用率=（可以运用的时间）/（（可以运用的时间）+（不能运行的时间））

生产设备电子计算机

·基本术语

可靠性中使用以下基本术语：

（1）故障概率密度函数.........f（t）

（2）累积故障分布函数.........F（t）

（3）可靠度函数.........R（t）

（4）瞬间故障率.........λ（t）

·检查特性曲线

（OC曲线：

OperatingCharacteristicCurve）

判定每批继电器的可靠度时，必须理解以下内容。

进行全数检查时，由于无需考虑故障率λ的大概范围，因此在下图中成为折线ABCDE。

但是为观察可靠度，如果进行全数试验，那么在重要的实际装置上使用的继电器将全部消失。

因此，实际上必须抽取几个来推测全体的可靠度。

ACE曲线表示在这种情况下是否合格。

作为判定标准，在消费者看来，当故障率λ1的位置（C点）为60％时即表示可靠水平为60%。

领域ABC的纵轴表示即使故障率小于λ1，也可能出现不合格的情况，称为「生产者危险」。

另外，领域CDE的纵轴表示即使故障率大于λ1，也可能出现合格的情况，称为「消费者危险」。

由于无法进行全数检查，因此可靠性评价中会出现上述情况，

因此必须在充分理解λ60的基础上把握可靠性。

很多可靠性试验的故障率非常低，很多情况下会演变成为破坏性试验，

这是因为一方面由于试验需要较长的时间，考虑到危险率α、β及成本的平衡， 

可靠水平多取60%。

另外，在继电器的样本目录中，记载有参考值。

在重要系统中，为保障使用零件的故障率，我们必须改变抽取条件，

合格判定条件，提高可靠水平。

在继电器的出货方面，初期可以进行检查，

并且可进行试验（不会带来破坏或老化），例如对动作电压、复位电压、

接触电阻、耐电压等试验项目进行全数检查后出厂。

这种情况下，无论是否合格，α、β都接近于零。

关于抽样检查请参考JISZ9001「抽样检查通则」等资料。

关于

继电器的故障率试验请参考JISC5003。

·Bath-tub曲线

众所周知，人的死亡率呈下图所示的形状。

以鱼为代表，其他动物也都呈现出这样的倾向。

在装置中，就不能说死亡率了，而是故障率，即Bath-tub曲线所表示的形状。

如下图所示，所有继电器的一生几乎都相同。

将继电器的一生划分为三个期间来考虑，其意义就更加容易理解了。

上图中的①期间称为初期故障期间。

这个期间意味着，随着动作次数的增加，故障率变小，让人感觉到好转。

但是，原本会引发故障的产品在早期即被淘汰，仅留下健全的产品。

产品在移交给用户前，必须经历这样一个阶段。

这个阶段也叫做「调试（debug）」。

厂家出厂时，对动作、复位电压、接触电阻、耐电压、时间特性、线圈脉冲检查等基本特性进行全数检查，

使继电器的初期故障率接近为0。

上图中的②期间称为偶发故障期间。

这个阶段的特征是，与动作次数无关，故障率几乎没有任何变化。

在这个期间内，产品能有效地发挥功能。

虽然厂家和用户都希望把这个期间内的故障率降低为零，但是在现实是不可能做到的，

只能努力使其「尽量接近零」。

由于根据各种条件的不同，各个具体机型的故障率水平有所差异，

因此我们可以看到：

机型和使用条件的选择大大影响着实际装置的故障率。

上图中的③期间称为磨损故障期间。

这个期间的特征是，故障率随着动作次数的增加而增大，紧接着全部发生消耗和破坏。

对继电器这样带有机械性运动的部分的机构零件来说，必然会有消耗、变形、疲劳等，

因此我们必须考虑继电器的「寿命」。

对于继电器来讲，一般可以把故障和寿命分开考虑：

（1）故障

通过监视器能够发现的功能变化的状态、偶发的误动作、间歇性的特性老化。

（2）寿命

由于消耗、变形、疲劳等的累积，而不能发挥功能的状态。

由于可确认实际运转、性能，并进行预测，因此可事先进行维护。

·威布尔分布

上一页中的Bath-tub曲线可以用威布尔分布函数来表示。

威布尔分布，由于瑞典的W.Weibull是首次适用于钢球寿命的分布，因此而得名。

这个分布能够很好地说明：

破坏一个局部最薄弱的地方，将会破坏整体功能。

从概念上可以看作是指数分布的扩张。

即使从实用方面来看，使用「威布尔概率坐标纸」可以

简便地进行数据分析，这一点可以说是一个较大的优点。

在此，m<1的情况下，

即为初期故障期间；m＝1的情况下，即为偶发故障期间；m>1的情况下，

与磨损故障期间的分布相似。

在此，可以用以下的函数和图来表示威布尔分布。

如果把上图与Bath-tub曲线比较，可发现m<1相当于①，m=1相当于②，m>1相当于③。

威布尔概率坐标纸是根据这个威布尔分布函数制作而成的。

使用威布尔概率坐标纸可以解析故障。

威布尔概率坐标纸在纵轴上取F（t）,在横轴上取t。

用此绘出试验结果，进行解析。

其中，拿继电器来说，

从图中导出的直线斜率越大，并且越靠近右边，其特性越好。

这意味着两层含义：

一，继电器集中达到使用寿命；二，继电器的使用寿命长。

这种特性是设计、生产继电器过程中所不断追求的。

现实中，故障相关要素较大，

人们不断努力使继电器集中达到使用寿命。

一方面，从继电器的使用者的角度来说，

如果使用寿命明确，就容易预测装置的维护时间和耐用寿命。

·指数分布

偶发故障期间内的无故障动作次数按照指数进行分布。

这种分布是伽马分布和威布尔分布的特例，

是伽马分布和威布尔分布的特例，是可靠性寿命分布的基础分布。

伽马分布是发生数次（k次）

随机振动后才发生故障时的模型，因此，k=1即一次振动与故障直接联系时的伽马分布即等于指数分布。

另外，在威布尔分布中形状参数m等于1时即为指数分布，这点可从上一幅图中看出。

指数分布的各种函数如下：

·正规分布

在磨损故障期间内，故障在某个时期不是仅发生一次。

因此可以认为故障按照926页的分布发生。

正规分布的各种函数如下：

必须理解寿命取残存个数的百分之多少还是采用平均寿命取值。

必须注意的是，继电器中一般考虑95%的残存个数，但是根据生产厂家和机型的不同，有时也用平均寿命来表示。

●欧姆龙追求品质和可靠性

品质即满足要求的程度。

如果从这个理念考虑，怎样生产产品和服务，生产产品和服务的系统和管理方法等就显得尤为重要了。

在此介绍欧姆龙生产继电器时的一部分流程。

（1）开发步骤

开发继电器的步骤概要如下：

（2）欧姆龙品质和可靠性的相关介绍

过去，多数日本企业宣传品质的重要性，主要以生产现场为中心贯彻管理、强化管理标准，通过改善现场作业改善等来推进产品生产。

这主要是以物质（产品）为中心的思想，但是近年来，开始宣传产品相关服务、企业理念和将其付诸实施的系统的重要性。

通过实施，不仅能够得到理想的产品品质，广义的概念也使人们的思维产生了变化。

在欧姆龙的继电器生产方面，重新构建了产品服务及其外围的全部系统，完成了ISO9001、ISO9002的认定注册（JQA、BSI）。

●继电器故障

（1）继电器故障

继电器的主要功能为：

「根据规定的输入条件开关或切换输出（接点）」。

脱离该功能的状态即为故障。

根据继电器的构成要素大致可以把继电器的故障分为以下几类：

在这些故障中以下故障的发生比率较高：

（1）接触不良

（2）线圈断线

（3）交流操作继电器的差拍

但是从继电器的各个种类来看，易发生以下故障：

·信号用继电器

（1）接触不良

在小功率电路上，有时会发生接触电阻增加（数百毫欧）的问题。

由于附着在接点表面的有机物产生影响，为事先去除构成继电器的成型品中排出的燃气，实施烤焙（在高真空条件下加热）。

还开发了大幅度降低燃气的成型品，正逐渐应用到各产品中。

（2）线圈断线

信号用继电器对小型、高灵敏度的要求较高，为此线圈的芯线越来越细。

一方面，信号用继电器安装在印刷基板上，虽然进行过清洗，但是有时超声波能量集中到线圈芯线，会造成断线。

特别是使用清洗器（采用单一的数万Hz频率的信号发射器）或在溶剂中使用水的情况下，会产生强力驻波，可能导致线圈芯线断线，因此必须事先进行确认。

·一般继电器、功率继电器

（1）接触不良

主要用途为：

在发生电弧放电领域中开关负载。

但是在这种条件下存在硝酸反应造成的腐蚀问题，因此多使用带机壳型或裸露型。

这种继电器易受尘埃或燃气等环境的影响。

在控制盘上必须注意不要使线屑、再加工时的切割粉末、涂料等侵入继电器内部。

（2）差拍

交流操作继电器的电磁铁一般采用屏蔽线圈方式。

这种方式的原理是，通过屏蔽部和非屏蔽部各磁极的磁束产生吸引力，并交互运行，外观上形成平坦的吸引力。

形成外观上平坦的吸引力的范围比较狭窄，如果磁极面上有异物侵入，或者反复动作引起磁极面消耗，就容易受到影响。

在这种方式下，不可能从技术上100％地解决这些问题。

设置在家庭、住宅街区等地方的设备、设备中内置的继电器，可能会发生差拍问题。

在这种情况下，必须采取措施，例如更换成直流操作，或者组合全波整流二极管与直流操作继电器等。

（3）熔敷

在交流操作继电器上，一般操作电源和负载电源为同一个，为此而会引发故障。

大型灯光、各种设备的电源变压器、电机等接通电流时，会流通冲击电流，该电流为额定电流的数倍甚至数十倍。

为此，施加到继电器线圈的操作电压急剧下降，发生偏离。

由于偏离，会造成短时间内反复开关，有时会造成熔敷。

列举完上述故障，人们会犹豫是否要使用继电器，但是，在零件、设备、装置方面，没有不会发生故障的产品。

由于故障是相对于要求功能的脱离现象，理解继电器的故障模式，对设备装置采用安全设计，这样才能满足最终使用者的要求。

·没有流通规定的电流

尽管已施加额定电压，但线圈电流却没有达到规定值，这种情况下的故障主要是线圈断线（电流完全不流通，或时断时续），除此之外，可能是交流操作全波整流二极管内置继电器的一部分二极管发生了打开故障。

线圈断线原因常见的有以下几种：

（1）可能是超声波清洗印刷基板时的共振引起断线；

（2）可能是盘的共振引起断线；

（3）硝酸反应造成的线圈芯线的腐蚀断线；

（4）电腐蚀引起的断线。

容易与故障混淆的是，随着直流操作继电器的线圈温度升高而产生的电流减少（以23℃为基准，每上升1℃减少约0.4%）、将防止反向连接的二极管内置继电器的极性弄错。

·过负载电流流通

施加额定电压时，造成过负载电流流通的原因可能有以下几个：

（1）线圈芯线间的局部短路（层间短路）；

（2）浪涌吸收二极管等内置元件的短路；

（3）交流操作继电器的动作不良。

下列现象容易与故障混淆：

·有极性的继电器（内置浪涌吸收二极管等）的极性错误。

·不进行规定的动作

规定动作根据机型不同而稍有差异，不能一概而论，因此仅介绍一些明显事例。

·昆虫类（蚂蚁、蟑螂等）侵入继电器内部，造成不动作。

·得不到规定的导通

一般统称为接触不良，可分为以下几类：

（1）由接点消耗等引起的接点追随（接点随动）及接点压力消失造成的接触不良（使用寿命）。

（2）接点间夹杂异物（尘埃、成型粉、涂料类、线屑、绝缘护套、碳等）

（3）输入侧的故障、输入输出之间的故障、输出侧切换接点的熔敷对其他极产生影响，从而导致二次性接触不良。

接触不良分为两种情况：

一，完全不导通的情况；二，由于碳等在接点表面堆积，虽然导通，但可能会超过使用电路中规定的上限值。

·绝缘不良

输入输出间的绝缘不良有下列情况：

（1）开关负载时，接点间发生的电弧放电被外部磁场或操作线圈产生的磁场扭曲，到达线圈端子