鐵路信號繼電器工作原理及特性分析

王珊珊，王成娟

(1.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，吉林長春，130012；2.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司青島動車段，山東青島，266031)

1 引言

繼電器作為軌道交通信號領(lǐng)域中信號基礎(chǔ)設(shè)備之一，相當(dāng)于一種電磁開關(guān)，當(dāng)輸入量達(dá)到規(guī)定的要求時，繼電器能使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開。繼電器能以較小的電信號控制室外信號機(jī)的開放、轉(zhuǎn)轍機(jī)的轉(zhuǎn)換，是實(shí)現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)程控制的重要設(shè)備[1]。

2 繼電器的組成、分類

它是由電磁系統(tǒng)和接點(diǎn)系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。其中，電磁系統(tǒng)是感受系統(tǒng)，用來感知和接受輸入量的變化，由線圈、鐵芯、軛鐵和可動的銜鐵等組成。接點(diǎn)系統(tǒng)是繼電器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制，由動接點(diǎn)和靜接點(diǎn)組成。

繼電器的分類方式有很多。其中，按動作電流，可分為直流繼電器和交流繼電器。直流繼電器是由直流電源供電，給繼電器通以直流電，繼電器能夠勵磁吸起。直流電由于有極性，又可分為無極、有極和偏極繼電器。本文主要從幾種直流繼電器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，對繼電器的原理及特性進(jìn)行分析。

3 無極繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性

3.1 無極繼電器的結(jié)構(gòu)

在我國軌道交通信號中，應(yīng)用較多的是AX系列繼電器，它是直流24伏的重力式直流電磁繼電器，其基本結(jié)構(gòu)屬于直流無極繼電器，其他各型號都是由其派生而成。安全型直流無極繼電器由直流電磁系統(tǒng)和接點(diǎn)系統(tǒng)兩部分組成。直流電磁系統(tǒng)由線圈、鐵芯、軛鐵等組成。接點(diǎn)系統(tǒng)包括拉桿和接點(diǎn)組，接點(diǎn)組又分為靜止的前接點(diǎn)、后接點(diǎn)和固定在拉桿上的動接點(diǎn)。

3.2 無極繼電器的工作原理

圖1是繼電器的原理圖。當(dāng)線圈中通入規(guī)定的電流后，根據(jù)電磁原理，線圈中能產(chǎn)生磁性，當(dāng)銜鐵受到的吸引力足以克服銜鐵阻力時，銜鐵被吸向鐵芯，此時銜鐵通過拉桿帶動動接點(diǎn)動作，使前接點(diǎn)閉合，后接點(diǎn)斷開，此時繼電器處于勵磁吸起狀態(tài)。當(dāng)線圈中的電流逐漸減小時，吸引力也減小，當(dāng)銜鐵受到的吸引力不足以克服銜鐵阻力時，銜鐵由于重力的作用被釋放，此時銜鐵通過拉桿帶動動接點(diǎn)動作，使前接點(diǎn)斷開，后接點(diǎn)閉合，此時繼電器處于失磁落下狀態(tài)。

圖1 無極繼電器的工作原理

3.3 無極繼電器的特性

無極繼電器的動作與線圈通入的電流方向無關(guān)，不能辨別輸入物理量的特征，1+4-、1-4+繼電器都會吸起，斷電就會落下。

4 有極繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性

4.1 有極繼電器的結(jié)構(gòu)

有極繼電器的結(jié)構(gòu)與無極繼電器有區(qū)別，電磁系統(tǒng)中增加了永久磁鋼，永久磁鋼與軛鐵之間用螺釘聯(lián)結(jié)[2]，永久磁鋼相當(dāng)一塊磁鐵，沒電的時候，自身也有一定的磁力，會產(chǎn)生磁通。

4.2 有極繼電器的工作原理

如圖所示，沒電的時候，由于永久磁鋼的存在，有兩條磁路。一條通過永久磁鋼、銜鐵再返回來，另一條是通過鐵芯、線圈、銜鐵，還有軛鐵返回來。兩條磁路都是從N極出發(fā)回到S極。此時銜鐵如何動作，需要比較δ1和δ2處吸引力大小，如果δ1處吸引力大于δ2處吸引力，繼電器處于定位吸起狀態(tài)。如果δ1處吸引力小于δ2處吸引力，則此時繼電器處于反位打落狀態(tài)。那么怎么樣比較這兩處吸引力的大小呢？可以比較δ1和δ2處的空隙。我們知道力和間距是相反的，如果繼電器處于打落狀態(tài)，則δ1處空隙大于δ2處的空隙，空隙越大，吸引力越小，則δ1處吸引力小于δ2處吸引力，這時，繼電器依然保持在反位打落狀態(tài)。相反，如果繼電器是在定位吸起狀態(tài)，繼電器突然沒電，由于永久磁鋼的存在，δ1處空隙小于δ2處的空隙，δ1處吸引力就會大于δ2處吸引力，斷電后繼電器依舊保持在吸起狀態(tài)。

有電的時候分為以下幾種情況：繼電器處于定位吸起且通以1+4-的電，繼電器處于定位吸起且通以1-4+的電，繼電器處于反位打落且通以1+4-的電，繼電器處于反位打落且通以1-4+的電。當(dāng)繼電器處于反位打落且通以1+4-的電，除了永久磁鋼產(chǎn)生的兩條磁路以外，由于線圈中通入了1+4-的電，就會產(chǎn)生控制磁通，從N極出發(fā)，經(jīng)鐵芯、軛鐵、永久磁鋼、銜鐵再回到S極。圖中控制磁通與極化磁通并存，虛線為極化磁通，實(shí)線為控制磁通。當(dāng)1處通正電源，4處通負(fù)電源，在δ1處，2條磁通的方向是相同的，所以它們的磁通應(yīng)該相加。在δ2處，2條磁通的方向是相反的，所以它們的磁通應(yīng)該相減。因此，δ1處磁通大于δ2處，δ1處吸引力大于δ2處。所以，如果有極繼電器處于反位打落且通以1+4-的電，有極繼電器將會定位吸起。

若繼電器處于反位打落且通以1-4+的電，則δ1處為2個磁通之差，δ2處為2個磁通之和，δ1處磁通小于δ2處磁通，δ1處吸引力小于δ2處吸引力，繼電器將處于反位打落狀態(tài)。

圖2 有極繼電器的工作原理

若繼電器處于定位吸起且通以1+4-的電，在δ1處磁通方向相同，δ2處磁通方向相反，δ1處磁通大于δ2處磁通，δ1處吸引力大于δ2處吸引力，繼電器處于定位吸起狀態(tài)。

若繼電器處于定位吸起且通以1-4+的電，在δ1處，2個磁通方向是相反的，在δ2處磁通方向相同，δ1處磁通小于δ2處磁通，δ1處所受吸引力小于δ2處所受吸引力，這時繼電器由定位吸起變?yōu)榉次淮蚵洹?/p>

4.3 有極繼電器的特性

有極繼電器動作上能反映電流的極性。無電時，有極繼電器依舊保持在它的前一個工作狀態(tài)，即如果繼電器處于定位吸起狀態(tài)，斷電后依然保持定位吸起狀態(tài)。如果繼電器處于反位打落狀態(tài)，斷電后依然保持反位打落狀態(tài)。

有電的時候，不管繼電器以前是定位吸起還是反位打落，通以1+4-的電，繼電器一定處于定位吸起狀態(tài)，中接點(diǎn)和前接點(diǎn)閉合。通以1-4+的電，繼電器一定處于反位打落狀態(tài)，中接點(diǎn)和后接點(diǎn)閉合。

5 偏極繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性

5.1 偏極繼電器的結(jié)構(gòu)

偏極繼電器的接點(diǎn)系統(tǒng)與無極繼電器基本相同，但是鐵芯的極靴是方形的，在方形極靴的下方，用兩個螺釘固定一個L形的永久磁鋼[3]。銜鐵處于極靴和永久磁鋼之間，受永久磁力的作用處于落下狀態(tài)。

5.2 偏極繼電器的工作原理

由于永久磁鋼的存在，依舊會有磁通的產(chǎn)生，圖中的2條虛線代表由于永久磁鋼產(chǎn)生的極化磁通，從N極出發(fā)回到S極。如果繼電器沒有通電，偏極繼電器如何動作？需比較δ1處和δ2處吸引力大小。因為δ2處為2個磁通之和，δ1處只有1個磁通經(jīng)過，所以δ2處磁通大于δ1處磁通，δ2處吸引力大于δ1處吸引力，銜鐵會偏向左邊，繼電器處于落下狀態(tài)。

當(dāng)偏極繼電器通電，可以分為通以1+4-的電和1-4+的電兩種情況。當(dāng)通入1+4-的電，圖中多了一條磁路，在δ1處，控制磁通的方向與永久磁鋼產(chǎn)生的磁通方向相同，總磁通是兩者之和，相應(yīng)的，δ1處受到的吸引力比較大。在δ3處也受到2個磁通，2個磁通方向相反，總磁通是2個磁通之差，δ3處受到的吸引力就比較小。增大的力量的程度要比減小的力量的程度大，對于銜鐵吸引力，總得來說是增大的。如果總的吸引力大于δ2處的吸引力，偏極繼電器處于吸起狀態(tài)。

當(dāng)偏極繼電器通入1-4+的電，情況正好相反，減小的程度比增大的程度要大，δ1處和δ3處磁通發(fā)生改變，而δ2處磁通不變，繼電器依舊處于落下狀態(tài)。

圖3 偏極繼電器的工作原理

5.3 偏極繼電器的特性

偏極繼電器動作上能反映電流的極性。偏極繼電器在沒有電的時候，不會像有極繼電器一樣保持在原來狀態(tài)，無電時，偏極繼電器一定處于落下狀態(tài)。

只要有電，當(dāng)繼電器處于吸起狀態(tài)，一定是1處通正電源，4處通負(fù)電源。當(dāng)繼電器處于落下狀態(tài)，一定是1處通負(fù)電源，4處通正電源。

6 結(jié)語

無極繼電器是最常見的。有電時，無論通以什么極性的電流，不管是1+4-還是1-4+，只要滿足吸引力大于銜鐵的重力，繼電器就處于勵磁吸起狀態(tài)。斷電時，繼電器一定處于失磁落下狀態(tài)。

有極繼電器根據(jù)線圈中電流極性不同而具有定位和反位兩種穩(wěn)定狀態(tài)。只有通以1+4-的電，繼電器才會定位閉合，如果通以1-4+的電，繼電器會反位打落。沒電的時候，斷電之前是吸起，就保持在吸起狀態(tài)，斷電之前是落下，就保持在落下狀態(tài)。

偏極繼電器只有一種穩(wěn)定狀態(tài)，通以1+4-的電流，銜鐵會吸起，反方向不動作，斷電會落下。

我們一定要明確無極、有極、偏極這三種類型繼電器的特性，因為在電路的使用過程中，繼電器種類不同，帶來的結(jié)果也不一樣。針對不同繼電器的不同特性，它們的接點(diǎn)會有不同的動作，最后直接導(dǎo)致整個電路的通與斷。