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正确使用电磁继电器
正确使用电磁继电器
航天器工程
ACECRAFTENGINEER【NG
\bl.9Nol
2000年3月
正确使用电磁继电器
许汉,,,
(北京空间飞行器总体设计部)
摘要电磁继电器广泛应用于空间飞行器的能源供配电控制和控制电路.由于
继电器的特殊作用,它的质量问题倍受关注据五院可靠性中0继电器失效统计分
析表明,属于不正确使用的占60%以上.文章从介绍继电器的工作原理八手,着重
从继电器的激励,闭合,断开,负载瞬问动态特性诸方而分析,提出使用继电器应注意
的若干问题•笔者结合三十多年的使用实践,提出扬长避短正确使用继电器的一些
并介绍几十故障事倒,方法.
扰,寿命,可靠性等方
而不如固态继电器.但是只要我们正确使用.电磁继电器的可靠性还是能满足航天器需要的.
根据中国空间技术研究院可靠性中心对继电器的失效统计分析表明,
属于使用不当的占
60%以上.因此,如何扬长避短正确使用继电器是个值得研究的重要课题.
继电器惹人烦•如果火箭或卫星上天发生工作不正常,在分析故障时.
通常首先从供电查
起.由于继电器是高倍数功率放大器件,在电路中处于特殊地位:
它的
输入端是决定生杀大权
的指令驱动设备;它的输出则是指令的执行对象,输出功率较大不出问题则然.一出问题就
影响成败,举足轻重.如果发生某设备供不上电,究竟是驱动指令,投给出还是设备自己不正
常,或者设备关不了机,同样有可能是指令和负载设备的问题,反正继电器夹在中问,处在如此
收稿H期:
2oo0—01—04
I期许汉成:
1确使用电磁继电器
还,不管是否是继电器器件自身的质量问题,因此.重要而尴尬的岗位
是电路设计问题,或者
指令•或者负载问题,往往要涉及继电器若卫星平安无事继电器默默无
闻;若出问题•继电器
“坏名远布”
笔者三十多年来一直从事能源供配电,卫星搭载试验工作,接触到很多
种继电器.从70
年代第一批卫星用继电器下任务书开始,一直为能得到一批满足卫星使用的产品,经常在工
厂,环境试验室一呆就是几个礼拜,筛啊筛,沙里淘金•百里挑一.对继电器自身的质量问题.
使用中的问题•遇到很多,识多见广,积累了经验•多年来兄弟单位发现
问题后也时常来共同
切磋,我从中了解到的一些事例.进行分析总结,就如何正确使用继电
器提出一些看法,形成木
文,供有关同事参考.
这些事例中的设计师思想压力大,心急如焚,苦不堪言.如果你工作中
需要用到继电器,
但对继电器又不熟悉,你不妨读一读这篇文章,也许可以少走一些弯路,
少着些急.
2继电器结构及原理
要避免电磁继电器使用不当,了解电磁继电器的结构原理是很有必要
继电器主要由.的.
线圈,衔铁,簧片(动触点),外壳四部分组成.其工作原理:
线圈加额定电压,激励线圈使铁芯
产生磁力.吸动平衡式衔铁,使其转动,衔铁上的玻璃绝缘子拨动簧片(动触点),使簧片离开常
闭触点,由接通变为断开状态,与动合触点(亦称常开触点)接通.当激励电压撤除,电磁铁的
磁力消失.在弹簧力的作用下,衔铁和簧片恢复到初始状态,簧片与常闭触点接通•磁保持继
电器工作原理与电磁继电器大同小异.不同点是磁路里的铁芯是永久磁铁,当线圈通电激励
后,产生新的磁场,它与永久磁场产生作用,使衔铁动作,实现触点转换.激励撤除后,磁力不会
消逝,簧片触点的接通状态不会改变.驱动磁保持继电器的指令是个脉冲,航天器用的继电器
动作灵敏度一般小于30ms.为提高可靠性,驱动指令标准脉冲宽为
100ms.若要改变磁保持
继电器的触点接通状态,在原来线圈加上极性相反的驱动电流,使磁钢的磁力极性”调头即
可•使用时为了控制方便,提高可靠性,磁保持继电器有两个线圈,它们功能一样,称为双线圈
磁保持继电器.开机时线圈A加开机指令激励,关机时线圈B加关机指加激励时要•令激励.
注意线圈的极性标识.
继电器的主要技术参数有:
a.线圈额定工作电压(一般为28V,12V,6V,容差±10%),阻值,吸合电压和释放电压;
b.触点的转换对数,额定负荷电流和电压,接触电阻,绝缘电阻,抖动时间,寿命次数;
c.继电器的重量,安装形式,密封性和使用环境条件(包括力学条件,温度和湿度,耐辐照
和气压等).
3继电器的弱点分析与使用对策
3.1线圈分析
在激励继电器线圈的瞬问,线圈就会产生反电动势.用示渡器(30MHz以上)可以测量出
这个反向电脉冲,幅值可达几十伏.大功率继电器甚至达100V以上.这么高的反电动势,如
果不加以遏制,会产生传导干扰,损坏指令接口电路.为此,继电器的线
圈必须并联消反二极
航天姑工程9卷
管,为防止二级管击穿短路,造成激励失效,采用二极管串联一个小电
阻.根据我院的程控遥
经过多年实际,的继电器28V3V对额定激励电压,控指令的驱动能力
使用,电阻选PY—1/
4W一75□.二极管选2CK81D即可.效果很好.这里必须指岀,这个电阻
也可以适当选阻值大
些•原则是当二级管短路时•电阻和继电器的总负载电流不要超过指令
的驱动能力•但也不
必留余量,理由两点:
指令脉宽一般80〜200ms激励时问很短;若阻值
太大对遏制反电动势,
消除干扰不利.
在俄罗斯相机继电器控制电路中,没有串联电阻,而是采用4只二极管,
两串两并提高可
靠性的.如果电路板有位置的话,这种方法是比较好的.
32避免磁性干扰
继电器是靠电能转换成势能.因此,继电器应避开磁场和铁磁物质使用.
继电器的安装
支架和仪器的安装支架都不能用铁磁材料•因为航天器在高速运行期间,要切割地球磁场,钢
铁材料会被磁化,产生附加磁场影响继电器的固有磁场•另外•设备做
力学振动试验时,因为
振动台有一定漏磁,支架容易磁化,同样会对继电器产生磁性干扰.因为继电器厂家在继电器外壳选材时,考虑到有一定隔磁屏蔽作用,如中大功.用掾合金.
率继电器的安装紧固件,如果无特殊要求的,可用钢质紧固件.否则要选用钛螺钉.
3.3线圈工作电压不能降额
在电路设计选择线圈工作电压时,有两种错误:
第一,降额.有人把降额使用原则错误地
搬到线圈工作电压来.特别提醒使用者,线圈工作电压一定要满足产品额定要求,一定不能对
线圈工作电压降额使用!
而且,激励电压要跃变,一下加到额定值.第二,把吸台电压误认为
是线圈工作电压,这也是不对的.
例如,线圈额定工作电压28V±3V的继电器,表明线圈驱动电压最低必须加25V•才能达
到磁饱和,产生最大的矫顽力.使产品达到使用环境力学条件要求,力
学试验时触点才能保持
接触良好;另外要求线圈最高只能加电压31V,再提高电压不会增加触点吸力,不仅没有必要,
还会增加功耗,使线圈发热.还必须说明一点,吸合电压仅仅是电磁力增加到刚刚能把触点转
换的最小电压值,并非己经磁饱和达到最大的矫顽力.在测量转换(吸台或释放)电压时,每次
开始时,必须先对线圈加额定工作电压后再测试.正确的操作必须从.慢慢增加驱动电压0V.
当达到触点转换吸合时,这就是吸台电压(或转换电压);然后,继续增加驱动电压.使其达到额
定值,然后再从额定值慢慢降低电压直到触点释放.这就是释放电压值.那种不从额定驱动电
压回调,而是从吸台电压值开始回调,测量释放值是错误的.
3.4双线圈磁保持继电器
磁保持继电器是一种脉冲继电器.它具有许多优点:
微功耗,吸台力持久可靠,使用方便,
个继电器可以当两个用•双线圈磁保持继电器在航天器上得到广泛应用.但是在使用时要
注意如下几点:
a.线圈的驱动脉冲宽度要宽一些,脉宽是继电器转换时间的3倍以上.通常取80ms〜
2001DS;
b要避免对线圈长期施加激励:
c.一般两个线圈不要同时加电激励.更不要对两个线圈加极性相反的激励,这会使驱动机
1期许汉成:
正确使用电磁继电器
构触点无可适从产生触点工作状态不定
触点35.
小小继电器涉及电,磁,表面物理许多知识与技术.所以高可靠继电器
很难搞.正因为它
原理比较简单,零件也不多.可供调节的参数少,必须在计算,设计,加工,
装配各个环节更加精
确;另外,继电器内部的衔铁,簧片部是活动部件,这种结构形式存在固
有的弱点,就是振动,冲
击力学环境试验不好通过•在振动,冲击,噪声等力学环境条件下,为了
使保持触点接触良好,
簧片与触点之间不能产生抖动(即接通的保持不断开,断开的不会抖动接通)•通常采用调节衔
铁上的绝缘子(拨动杆)的角度,当簧片切换时.簧片矫顽过正,使触点压
紧•根据继电器环境
条件和负载能力调节触点压力的大小.例如,10〜2000Hz,10g,冲击100g的3A继电器,其簧
片对触点压力达0.1〜0.2N.
触点是继电器控制输出,带动负载的零件,使用时应该注意如下几个问题:
a.额定负载容量.产品手册有详细说明,但是要注意它给出的是在某个电压下,阻性负载
时允许通过的最大电流.为此,选用时必须注意应用场合,切换的电压
不能比产品规定值高,
,其次是要根据阻性;断开时容易拉弧损坏触点,因为触点负载电压高.
容性,感性不同负载和降
额使用准则选择继电器•这方而有航天器用器件降额使用的专门标准
(GJB/Z35—93元器件
降额准则>.
b.触点过负载能力根据继电器设计总规范规定.触点具有瞬时过载能
力,一般为额定负
载的4倍.动作50〜100次.
c客性负载.在不正确使用继电器的事例中.由于容性负载而造成触点
损坏最多.原因
是设计者提供功耗值大都是长期稳定功耗忽略瞬态负载.实际上许多
单机或者单元电路的
输入端都并联滤波电容,在供电的瞬间电容的内阻很小,充电电流很尢
如果所并联的电容不
太,通常为几十微法,负载电压不高,由于电源有内阻,加之供电线电阻
和电连接器接触电阻,
充电电流不会无穷大,充电时间很短,毫秒级,这样的过载继电器触点
是能经受的.但是,如果
同时供电的设备多•而且都并联大容量电容,瞬时电流超过触点过载太多,就会造成触点严重
损伤,如粘连,簧片开裂乃至烧毁.
d.感性负载.给感性负载加电是比较麻烦的.启动电流峰值比常载电流
倍10可达.大得多
以上;感性负载会产生传导干扰.因此,带有滤波电容,使供电负载既有容性又是感性,总体若不
对其启动电流加以控制,往往会造成触点严重超载,发生故障.这方而的例子将在后而加以介
绍.
.触点的切换并非一蹴而就.当动触点(簧片)在转换与固定触点(静台触点和动合触点)
接通时.由于簧片有弹性.因此,在接触的瞬间会发生回跳,通过示波器可以观察到这个震荡过
程,会产生一串脉冲.这个回跳时问在继电器总规范中有规定.由于继电器存在这个固有缺
点,会对电路产生干扰•所,继电器不能用来切换数字信号•计数器和触发电路的输入端也
不能用继电器控制•这也是设计者必须注意的事项.
f.触点的同步性.有多对触点的继电器在转换时,由于触点簧片物理特性和行程的不一致
性,所有触点不可能同步接通或断开.为此,在选择继电器时必须根据单个触点容量和降额规定
确定•不能用并联触点的方法增加负载容量.否则,先接通或最后断开的触点会发生严重超载.
g关注绝缘问题为了保证继电器g,j部有好几个活动部件,触点表而不航.氧化,受污染.
天器使用的继电器都要求它外壳严格密封.内部充干燥(露点优于一
55”C)高纯氮气.泄露率非
航天器工程9卷
常小.继电器的线圈和触点的引出杆是可伐玻璃封装.各引出杆周围有
一圈玻璃绝缘子•所
以对继电器应轻拿轻放,运输包装时应有减振措施.引线焊接时应注意
几点:
第一,不要掰动
引出杆,以免绝缘子开裂,造成漏气;第二,焊接过程中要保持绝缘子表
而清洁,避免污染降低
绝缘;第三,导线焊接点要与绝缘子保持一定距离,不要太靠近引出杆
根部.应距离根部不小于
lmmi第四,严格控制多余物.另外整机测试和绝缘检查台格后要喷三
防漆.喷三防漆的好
处是使裸露的焊点和继电器表而敷上绝缘层,没有检查出来的游离多
余物被固定,避免在力学
环境中造成短路.
h线圈并联.在电路设计中.往往要求一个指令同时切换好几个负载,一
个继电器的触点
转换对数不能满足需要,可以采用一个继电器的触点带动另一个继电器,也可以两个继电器并
指令的驱动电流必须:
必须注意如下几点,若采取继电器并联使用.联.
满足;每个继电器要分
别并联消除反动势电路;两个继电器的型号规格要求相同.
i.关于消除触点拉弧问题•有不少专业书提到这一点,也介绍了一些方法,而对于卫星应
用来讲必须慎重,没有特殊要求,卫星使用的继电器可以不采取附加器件灭弧.理由是:
卫星
上继电器触点切换的电源电压比较低,一般小于50V这是第一点;第二
点卫星用继电器都是
金属密封外壳,屏蔽性好;第三点,消弧电路往往要用电容器,根据可靠
性设计要求必须采用4
只串并联,体积重量增加太多;第四点,附加灭弧电路会影响触点动作灵敏度.第五点,通常可
以通过继电器的外壳接地解决如安装在金属支架,支架与卫星”地”连接,一般可以满足要
求
36继电器的安装
继电器的安装必须注意以下几个问题:
a.强烈的振动冲击会使继电器的触点抖动,产生接触不良,甚至不该接通的接通等误动
作•选用继电器时,除了必须注意继电器的使用力学环境条件,不要超标使用,还必须注意继
•振动量级就会超过器件的使用条件,如果发生谐振•电器的安装要求.
超规范使用,可靠性自
然大大降低•继电器的安装支架或者电路板刚性要强些,每个紧固件
(包括继电器的紧固螺
钉)都要拧紧,仔细检查•任何松动都会使振动量级放大;顺告读者,根据减震理论,对于激励
频率10-2000HZ来说採用减震器是无法达到减震效果的.原因很简单,
一种减震器只能对
某个激励频率有效果,对卫星环境条件如此宽的频带,若采用减震器必
然某个频点达到减震.
而在其他频点上发生谐振,特别是70Hz以下低频必然严重谐振放大.
b.继电器应避开电磁场干扰.要注意继电器周围电磁环境,如变压器,电感器件,电机,扼
流圈,磁控部件,动量轮等器件(部件)对继电器的影响不仅要考虑同一
块电路板还要考虑周
围其他电路板或部件有无铁磁器件•在电源变换器的电路板上,磁性器件比较多,排版和布线
时都要认真考虑磁性器件对继电器的干扰.另外,继电器本身也是磁性器件,它们之间也会产
生电磁干扰•所以,继电器试装后,在没有焊线之前,要对每个继电器进行激励,检查它对周围
继电器有无影响•特别是大功率继电器和小型灵敏继电器混装时更要
它们之闻保持一.注意
定距离.这在院标(继电器选择与应用)中有规定.
4故障事例
以下故障事例有些是笔者亲身经历过的•大部分是兄弟单位的同志向
笔者咨询时所了解
呻
肮
夭
嚣
工
程
1期许汉成:
J确使用电磁继电器
的.这些事例很有代表性.介绍出来给大家借鉴.
4.1触点严重过载
不能用并联触点增加负荷.某地空武器使用4JRB—1磁保持继电器
(触点额定值28\;
3A)作为内外电切换,发生触点烧毁.分析原因是带负载切换,当地面电
源启动•给弹上设备
加电时,由于设计师担一tL,电源传导干扰自己的设备,许多设备电源
输人端并联大电容,使瞬时
负载电流超过触点额定值;其次是配电器设计者使用不当,以为用4对触点并联就能增大继电.
器的负载能力•这里必须注意,触点的额定负载是针对每对触点的,因为多对触点在转换(切
换)时不可能同步.因此,总规范中规定要求军用继电器一般同步时间小于1ms.多对触点并
联使用只能增加切换可靠性,不能用来增加触点负荷.否则,动作灵敏
度高的触点会由于严重
超载而损坏.
大电容使触点发生粘连.1992年某型号卫星配电器使用4JG一4大功率继电器(触点额
定值28V,15A)控制相机开/关机,发现延迟释放.经分析相机电路有三处电源输入端分别并
联600.UF滤波电容,共1800t〜F.经过测量相机开机瞬问.小于0.5s的脉冲负载电流达56A.
稳定负载7A.继电器开壳检查,发现触点表面有烧熔痕迹,可见是由于滤波电容太大引起的
后来把滤波电容减少为600,更换继电器后工作一切正常..uF
4.2触点负载太轻
触点负载不能超载,但也不是负载电流越小越好.严格说来继电器的触点的接触电阻与
负载电流大小有关系•因为触点断开电源时有轻微拉弧现象,拉弧能使触点表而不会氧化,保
触点必须,要保障良好接触.特别是对超小型继电器.持触点良好接触.
毫安级以上电流.也许
有人会问,那为什么还要求降额呢?
如果继电器在地面使用,触点通过
额定电流,接触是最可
靠的•然而,航天器器件工作在高真空失重环境,即使有的结构密封,可
是因为空气不会对流,
散热条件远不如地面,所以触点负载电流要降额使用;还有另一个原因,
适当的降额使用可以
减少触点的磨损,延长触点寿命•从使用经验情况看,中大功率继电器
触点接触而积比较大,
即使通过电流小一些,仍能保持良好接触;但是对超小型微功率继电器就必须注意,它的触点
接触而积很小,如果没有电流维持,接触电阻会变大,甚至接触不良.
1992年夏天,某型号在洒泉基地.相机速高比控制电路有两种状态:
自动速髙比和程控速
高比.控制电路输人端状态由一只2JB0.5—1磁保持继电器控制.其中
自动速高比是通过动
片接地取零电位锁定,触点负载电流几乎为0.测试时发现自动速高比状态设置有时好,有时
坏•设计师折腾两天两夜没合上眼,天气又热•可着急呀!
后来把我找去,我认为有两个可能,
接,没维持电流”二是);合丹即似闭合非”(中闽状态”是继电器木身
有.
触不良”.征得同意,
我用手指轻轻弹继电器外壳,触点转换正常了,原因找到,是继电器”中
闽状态”故障.不过这
样使用也是不好的一一没有维持电流.
4.3避开磁性干扰
2JB0.5—1是一种超小型继电器,两对触点转换,触点额定负载28V,05A,
线圈电阻3.1KO
这种继电器有许多优点,但在使用中发现它比较娇气.1995年飞船的一
个接口箱安装使用这
种继电器,在进行振动试验时发现有些继电器状态自动转换.试验只好
停下来,设计师以为继
电器出问题,找我咨询•听了他详细介绍以后,我告诉他:
没关系,不是继
电器试验通不过.这
航天器工程9卷
是由于振动台漏磁引起的.
1999年8月兄弟单位的同事告诉我:
不知道为什么某接收机电路板上
的一只2JB0.51
继电器有时莫名其妙就转换,断电了.切换时闻也没有规律,有时一开
机就自动关机,有时是
发生在开机十几分钟,几十分钟后莫名其妙自己就关机了.已经折腾几.
个星期了没找出原因.
我看了电路板后认为故障原因出在继电器安装位置同扼流圈靠得太
近.印刷电路板的左半边
布置的是Dc/DC变换器,继电器是控制27v输入电源的扼流圈(2501I1H)
是用于变换器的电
源输入端滤波的•电路的工作电流在170niA和270111A之间变化,扼流圈周围的磁场也随着
变化,对继电器干扰使触点转换.后来继电器重新布板布线,再也没有出现自动关机现象.
4.4触点回跳产生干扰信号
某型号综合电测试时发现遥测波形不对,经分析是由于信号输入电路
采用继电器触点切
换,由于触点回跳引起的.
5提高继电器应用安全性的一种措施
关于卫星电路可靠性和安全性设计的措施很多,这里仅就电磁继电器
如何避开强烈力学
环境,提高电路可靠性安全性的分时供电措施作一简述.
绝大多数的航天器在主动段是不启动工作程序,无指令输出的,火工品,轨道控制和调姿
燃料点火控制电路都不工作•因此,可以通过在临射前把危险品的有关
供电母线断开,等到人
轨后,或者危险品启动前再接通一一用磁保持继电器分时接通供电母
因为线圈和触点都•线
没有加电,即使万一触点发生抖动也起不了作用.
人轨母线的接通虽然也是靠继电器完成,但危险品多了一道安全控制.由于继电器触点
抖动(动片离开闭合触点,断开时间)时间很短(微秒级),控制母线的继
电器和控制火工品点火
的电磁继电器型号不同,环境试验表明,同时抖动的概率很小.多个型
号的火工品点火电路都
采用这种设计方法,实际使用效果令人满意.这是一种提高安全性设计的方法,并不是说可以
降低继电器力学性能的应用要求.
6结束语
经过用户和研制单位将近40年的不懈努力,我国航天用继电器从无到有,己经建成了象
桂林电机厂(即165厂)这样的具有很强的设计和批生产能力的主力军己经开发出从微小功
率到超大功率近百种高可靠电磁继电器,磁保持继电器和延时继电器满足我国航天技术需要.
通过近年来对进口继电器检验测试结果表明,国产继电器主要指标和质量状况不亚于进口货.
也发现进口继电器切换失灵(有多余物),振动条件没通过等问题.特别
指出的是,我国己经制
继电器选择与应用方面的院标和,定了较为完整的继电器设计总规范.国军标等指导性标准这
些标准都是设计人员几十年的总结.针对目前继电器发生的许多问题,
究其原因大都与使用
密切相关•如果使用继电器的设计人员先熟悉这些标准,先思而后行,你将有所收获,可以减
少不必要的着急和损失,因为那种着急滋味很难受,那种损失往往无法挽回.
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- 正确 使用 电磁 继电器