De functie- en toepassingsscenario's van relais

I. De kernfunctie van relais

De functie van relais draait om drie kernaspecten: 'signaalconversie', 'circuitcontrole' en 'veiligheidsbescherming'. Door het aan-uit schakelen van mechanische contacten of contactloze structuren bereiken ze multidimensionale elektrische besturingsfuncties. Concreet kunnen ze worden ingedeeld in de volgende vijf hoofdcategorieën:

(1) Signaalversterking en stroomconversie

Dit is een van de meest fundamentele functies van een relais. In regellussen zijn de signalen die worden afgegeven door controllers (zoals microcomputers met één chip, PLCS en sensoren) vaak zwakke en kleine stromen (meestal op milliampèreniveau), die niet direct zware belastingen zoals motoren en verwarmingselementen kunnen aandrijven. Relais zetten zwakke elektrische signalen om in elektromagnetische kracht via elektromagnetische spoelen, waardoor de contacten worden gesloten of geopend en daardoor de aan-uitschakeling van grote stromen (ampère-niveau of zelfs kiloampère-niveau) in het hoofdcircuit wordt geregeld. Het 10 mA-triggersignaal dat door de sensor wordt gedetecteerd, kan bijvoorbeeld, nadat het door het relais is versterkt, de start van een 10 A-motor regelen, waardoor de vermogensconversie van 'klein signaal dat hoog vermogen regelt' wordt bereikt en het probleem van de mismatch tussen de uitgangscapaciteit van de controller en de belastingsvraag wordt opgelost.

(2) Circuitisolatie en veiligheidsbescherming

Het spoelcircuit en het contactcircuit van een relais zijn volledig elektrisch geïsoleerd, een eigenschap die het tot een belangrijk onderdeel maakt voor de beveiliging van circuits. Isoleer enerzijds de hoog- en laagspanningscircuits om te voorkomen dat hoge spanning het regelcircuit binnendringt en de precisieregelapparatuur beschadigt. In industriële apparatuur zijn bijvoorbeeld het 380V-hoofdcircuit en het 24V-stuurcircuit geïsoleerd via relais om te voorkomen dat hoge spanning de PLC of microcomputer met één chip kapot maakt. Aan de andere kant isoleer sterke en zwakke signaalcircuits, verminder elektromagnetische interferentie en zorg voor de stabiliteit van besturingssignalen. Bovendien kunnen de contacten van het relais, wanneer ze worden losgekoppeld, bestand zijn tegen een relatief hoge spanningsdoorslagsterkte, waardoor defecte circuits effectief worden uitgeschakeld, de verspreiding van risico's zoals kortsluiting en lekkage wordt voorkomen en de veiligheid van het circuitsysteem wordt verbeterd.

(3) Logische besturing en signaalconversie

Relais kunnen complexe logische bewerkingen en signaalconversiefuncties uitvoeren door middel van ontwerpen zoals combinaties met meerdere contacten en vertragingsstructuren. Door bijvoorbeeld de serie- en parallelle combinaties van meerdere relais te gebruiken, kunnen logische basisbesturingen zoals 'en', 'OR' en 'niet' worden bereikt, waarmee wordt voldaan aan de proceskoppelingsvereisten in het automatiseringssysteem. Tijdrelais kunnen momentane triggersignalen omzetten in vertraagde aan-uitsignalen, waardoor een vertraagde start en sequentiële besturing van apparatuur mogelijk wordt (zoals vertraagd schakelen bij het sterdriehoekstarten van motoren). Tussenrelais kunnen een enkel signaal uitbreiden naar meerdere uitgangen, waardoor één stuursignaal de synchrone werking van meerdere belastingen kan aansturen en het ontwerp van het stuurcircuit kan worden vereenvoudigd.

(4) Koppeling van afstandsbediening en automatisering

Relais ondersteunen afstandsbediening via elektrische signalen, waardoor direct handmatig contact met hoogspannings- en risicovolle circuits overbodig wordt. Het zijn kerncomponenten van automatiseringssystemen en afstandsbediening. Bij industriële automatisering sturen de elektrische signalen die door de operator via de bedieningsconsole worden verzonden, de werking van productieapparatuur aan via relais. In slimme huizen worden de draadloze signalen die door apps op mobiele telefoons worden verzonden, omgezet in elektrische signalen en vervolgens gebruikt om via relais apparaten zoals verlichting, airconditioners en deursloten aan en uit te schakelen. In het energiesysteem worden instructies op afstand van het dispatchingcentrum via relais verzonden om transmissielijnen en transformatoren op afstand te sluiten en te openen, waardoor het gemak en de flexibiliteit van de bediening worden vergroot.

(V) Bescherming tegen overbelasting en fouten

Sommige gespecialiseerde relais (zoals thermische relais, overstroomrelais en onderspanningsrelais) zijn uitgerust met foutdetectie- en beveiligingsfuncties. Ze kunnen parameters zoals stroom en spanning in het circuit in realtime bewaken. Wanneer er zich een abnormaliteit voordoet, zullen ze automatisch het circuit onderbreken om de veiligheid van apparatuur en leidingen te beschermen. Een thermisch relais detecteert bijvoorbeeld de stroom in de motorwikkeling. Wanneer de stroom overbelast raakt, vervormt de interne bimetaalstrip als gevolg van hitte, waardoor het contact wordt geopend en de motorvoeding wordt afgesloten, waardoor wordt voorkomen dat de motor doorbrandt als gevolg van oververhitting. Het onderspanningsrelais schakelt automatisch uit als de netspanning te laag is, waardoor wordt voorkomen dat de apparatuur bij lage spanning overbelast raakt. Overstroomrelais kunnen kortsluitstromen snel onderbreken en veiligheidsongevallen zoals lijnbranden voorkomen.

II. Typische toepassingsscenario's van relais

De toepassingsscenario's van relais bestrijken meerdere gebieden, zoals industriële productie, smart home, transport, energiesystemen en elektronische apparatuur. Hun selectie en functies zijn aangepast aan de kerneisen van verschillende scenario's. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg van de meest representatieve toepassingsscenario's:

(1) Gebied van industriële automatisering

Industriële automatisering is het belangrijkste toepassingsscenario voor relais. Bijna alle geautomatiseerde productieapparatuur kan niet zonder de besturing en bescherming van relais. Kerntoepassingen zijn onder meer:

Koppeling van PLC-besturingssystemen: PLC (Programmable Logic Controller) is de kern van industriële besturing, maar de belastingscapaciteit van de PLC-uitvoerinterface is beperkt (meestal ≤0,5A) en kan geen actuatoren zoals magneetschakelaars en magneetkleppen rechtstreeks aansturen. Op dit punt is een tussenrelais nodig als 'relais'. Het PLC-uitgangssignaal activeert de tussenrelaisspoel, en het contact met grote capaciteit van het tussenrelais drijft vervolgens de contactorspoel aan, waardoor het starten en stoppen van krachtige apparatuur zoals motoren, transportbanden en mechanische armen wordt geregeld. In een productielijn in de automobielsector regelt PLC bijvoorbeeld de beweging van lasrobots, het aan/uit schakelen van verfapparatuur en de snelheidsaanpassing van assemblagelijnen via tussenliggende relais, waardoor een nauwkeurige koppeling in het geautomatiseerde productieproces wordt bereikt.

Motorbesturing en -beveiliging: Motoren zijn de belangrijkste energiebron in de industriële productie. Het starten, stoppen, voorwaartse en achterwaartse rotatie ervan, evenals de foutbeveiliging vereisen allemaal de deelname van relais. Wanneer een motor bijvoorbeeld start, wordt een schakelaar (in wezen een hoogvermogenrelais) gebruikt om de aan-uitschakeling van het hoofdcircuit te regelen, biedt een thermisch relais bescherming tegen overbelasting en realiseert een tijdrelais het vertraagde schakelen van de sterdriehoekstart (waardoor de impact van de startstroom op het elektriciteitsnet wordt verminderd). In werktuigmachineapparatuur kunnen relais ook de voorwaartse en achterwaartse rotatiecontrole van motoren bewerkstelligen (zoals de voorwaartse en achterwaartse rotatie van de spil van een draaibank en het schakelen van de voedingsbeweging), en kortsluitfouten voorkomen door contactvergrendeling.

Volgordecontrole van de productielijn: Bij de productie op de lopende band worden relais gebruikt om de sequentiële start en stop van apparatuur te bewerkstelligen, waardoor de continuïteit van het productieproces wordt gewaarborgd. In een productielijn voor voedselverpakkingen moet bijvoorbeeld eerst de transportband worden gestart, gevolgd door de vulapparatuur, sluitapparatuur, etiketteerapparatuur en ten slotte de detectieapparatuur. Door de combinatie van tijdrelais en tussenrelais wordt de startvertraging van elk apparaat zo ingesteld dat een sequentiële controle van 'eerst starten en dan stoppen' wordt bereikt. Bij de chemische productie regelen relais de opwarm-, roer-, toevoer- en ontladingsvolgorde van reactievaten. Ondertussen worden de druk en temperatuur in het reactievat bewaakt via drukrelais en temperatuurrelais. Wanneer de parameters de norm overschrijden, wordt de relevante apparatuur automatisch uitgeschakeld om de productieveiligheid te garanderen.

(2) Smart home- en gebouwautomatiseringsvelden

Met de ontwikkeling van Internet of Things (iot)-technologie zijn relais kernbesturingscomponenten geworden in slimme huizen en gebouwautomatisering, waardoor 'contactloze bediening' en 'bediening op afstand' mogelijk zijn. Kerntoepassingen zijn onder meer:

Huishoudelijke apparaten en lichtregeling: In een smart home-systeem is de relaismodule de sleutel tot het verbinden van draadloze signalen (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) met huishoudelijke apparaten. Slimme schakelaars zijn bijvoorbeeld voorzien van ingebouwde relais. Via instructies van apps op mobiele telefoons of stemassistenten (zoals Xiaoai en Tmall Genie) kunnen ze apparaten zoals verlichting, stopcontacten, airconditioners en tv's aan- en uitzetten. Het slimme gordijn realiseert het automatisch openen en sluiten van het gordijn door de motor via een relais vooruit en achteruit te laten draaien. Het slimme deurslot bestuurt de elektromagnetische schakelaar van het slotlichaam via een relais om ontgrendeling op afstand en het sluiten van het deurslot na ontgrendeling met een wachtwoord te bereiken.

Beveiliging van gebouwen en brandbeveiliging: in kantoorgebouwen, woongemeenschappen en andere gebouwen worden relais gebruikt voor de onderling vergrendelende controle van beveiligings- en brandbeveiligingssystemen. Wanneer de rooksensor of het infraroodalarm bijvoorbeeld een afwijking detecteert, wordt het relais geactiveerd, wat op zijn beurt het geluids- en lichtalarm activeert om alarm te slaan, de lift om een ​​noodlanding te maken, de brandwerende rolluikdeur om te sluiten en de noodverlichting om in te schakelen. In het brandbeveiligingssysteem kunnen relais ook het opstarten van sprinklerpompen en rookafvoerventilatoren regelen, evenals het onder druk zetten van brandkranen, waardoor de evacuatie van personeel en de behoeften van brandbestrijding in geval van brand worden gewaarborgd.

HVAC-regeling: In het centrale airconditioningsysteem van gebouwen worden relais gebruikt om het starten en stoppen van airconditioningunits te regelen, de snelheid van de ventilatoren aan te passen en magneetkleppen te openen en te sluiten. De temperatuursensor detecteert bijvoorbeeld de binnentemperatuur. Wanneer de temperatuur de ingestelde waarde overschrijdt, activeert de controller het relais om de compressor en ventilator te starten. Wanneer deze onder de ingestelde waarde komt, wordt de stroomtoevoer afgesloten. In het frisse-luchtsysteem regelt het relais het starten en stoppen van de frisse-luchtventilator en de aanpassing van het luchtvolume, en koppelt het tegelijkertijd het aan- en uitschakelen van de luchtreiniger om de luchtkwaliteit binnenshuis te verbeteren.

(3) Transportsector

De elektrische systemen van transportvoertuigen (auto's, treinen, schepen, vliegtuigen) zijn complex en stellen extreem hoge eisen aan de betrouwbaarheid, trillingsbestendigheid en hoge en lage temperatuurbestendigheid van relais. Kerntoepassingen zijn onder meer:

Elektrische systemen voor auto's: relais in auto's worden veel gebruikt in lichtregeling, startsystemen, airconditioningsystemen, antidiefstalsystemen, enz. De aansturing van autokoplampen, richtingaanwijzers en remlichten moet bijvoorbeeld worden uitgevoerd via relais (automobielspecifieke relais hebben waterdichte en trillingsdempende eigenschappen) om te voorkomen dat de schakelaars direct worden blootgesteld aan grote stromen en doorbranden. In het startsysteem activeert de contactschakelaar het startrelais, en het hoogvermogencontact van het startrelais verbindt de voeding van de starter, waardoor de motor wordt gestart (de werkstroom van de starter kan enkele honderden ampère bereiken, en een relais is nodig om een ​​kleine stroomregeling te bereiken). Bovendien worden de compressorkoppeling van de airconditioning van de auto, de hefmotor van de elektrische deuren en ramen, het alarmapparaat van het antidiefstalsysteem enz. allemaal aangestuurd en beveiligd via relais.

Spoorvervoersystemen: De elektrische besturingssystemen van hogesnelheidsspoorwegen, metro's en andere spoorwegvervoersystemen zijn afhankelijk van relais om signaalkoppeling en veiligheidsbescherming te bereiken. In het tractiesysteem van een trein regelen relais bijvoorbeeld het starten, de snelheidsregeling en het remmen van de tractiemotor. In het seinsysteem worden de detectiesignalen van het spoorcircuit via relais omgezet in stuursignalen om de sectieblokkering van de trein te bewerkstelligen (om kop-staartbotsingen te voorkomen). Bij de deurbediening verbindt het relais de deurschakelaarmotor met het veiligheidsslot om ervoor te zorgen dat de deuren precies openen en sluiten wanneer de trein op het station aankomt en vergrendeld blijven tijdens het rijden van de trein. Daarnaast worden relais ook gebruikt om de airconditioning-, verlichtings- en ventilatiesystemen van treinen aan te sturen om het comfort van de passagiers te garanderen.

Elektrische systemen van schepen en vliegtuigen: Het energiesysteem, het navigatiesysteem en het communicatiesysteem van schepen vereisen allemaal relaisbesturing. Het starten en stoppen van de hoofdmotor van een schip, de besturing van de stuurinrichting en de aandrijving van dekapparatuur (kranen, ankerkranen) worden bijvoorbeeld allemaal bereikt via relais die hoogvermogenapparatuur met lage spanning besturen, en ze hebben ook de kenmerken dat ze waterdicht zijn en bestand zijn tegen zoutsproeicorrosie. In het elektronische systeem van een vliegtuig worden relais gebruikt om apparatuur te besturen zoals het starten van de motor, het in- en uitschuiven van het landingsgestel, airconditioning in de cabine en vluchtlichten. Ze moeten een extreem hoge betrouwbaarheid hebben (met een extreem lage fouttolerantie) en bestand zijn tegen extreme omgevingen (hoge en lage temperaturen, grote hoogten en sterke trillingen).

(4) Energiesysteem en energieveld

De energieopwekkings-, transmissie- en distributieverbindingen van het energiesysteem stellen extreem hoge eisen aan veiligheid en stabiliteit. Relais zorgen als kernbesturings- en beveiligingscomponenten voor de betrouwbare werking van het elektriciteitsnet.

Transmissie- en distributielijncontrole: In hoogspanningstransmissielijnen worden relais (zoals vacuümrelais en SF6-r

Automatisering van substations: Substations zijn de 'hubs' van het energiesysteem en hun automatische besturing is afhankelijk van een groot aantal relais. Het spanningsrelais bewaakt bijvoorbeeld de busspanning en zorgt ervoor dat het spanningsregelapparaat in actie komt als de spanning te hoog of te laag is. Het stroomrelais bewaakt de lijnstroom om overstroombeveiliging te bereiken. Tijdrelais worden gebruikt bij het hersluiten van apparaten (nadat een lijnfout is geactiveerd, sluiten ze automatisch na een vertraging om de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening te vergroten). Daarnaast worden relais ook gebruikt bij de besturing van apparaten voor blindvermogencompensatie in onderstations. Door condensatorbanken te schakelen, reguleren ze de arbeidsfactor van het elektriciteitsnet en verminderen ze het energieverbruik.

Nieuwe systemen voor de opwekking van energie: in nieuwe systemen voor de opwekking van energie, zoals fotovoltaïsche energie en windenergie, worden relais gebruikt voor circuitschakeling en veiligheidsbescherming. De netgekoppelde/off-grid-schakeling tussen fotovoltaïsche omvormers en het elektriciteitsnet moet bijvoorbeeld worden bereikt via relais. Wanneer zich een storing in het elektriciteitsnet voordoet, onderbreekt het relais snel het op het elektriciteitsnet aangesloten circuit om te voorkomen dat het fotovoltaïsche systeem foutstroom naar het elektriciteitsnet verzendt. In windenergiesystemen regelen relais het starten en stoppen van windturbines, de richting van het giersysteem (het volgen van de windrichting), en tegelijkertijd beschermen overstroomrelais generatoren om overbelasting te voorkomen wanneer windsnelheden te hoog zijn.

(V) Elektronische apparatuur en communicatieveld

In precisieapparatuur zoals consumentenelektronica, communicatieapparatuur en medische elektronica worden relais voornamelijk gebruikt voor signaalconversie, circuitisolatie en besturing. Kerntoepassingen zijn onder meer:

Besturing van consumentenelektronica: In huishoudelijke apparaten zoals televisies, wasmachines en koelkasten worden relais gebruikt voor stroomschakeling, modusschakeling en foutbeveiliging. Zo worden het starten en stoppen van de waterinlaatklep, de afvoerpomp en de motor van de wasmachine aangestuurd door relais om de programmakoppeling van wassen, spoelen en drogen te realiseren. Het starten en stoppen van de compressor van de koelkast wordt geregeld door een relais. Wanneer de temperatuur in de box de ingestelde waarde bereikt, onderbreekt het relais de stroomtoevoer naar de compressor. Nadat de temperatuur weer is gestegen, wordt het opnieuw gestart. Het stroomrelais van het televisietoestel kan snel schakelen tussen de stand-by- en aan-modus, waardoor het stroomverbruik in de stand-bymodus wordt verminderd.

Signaalschakeling van communicatieapparatuur: In communicatieapparaten zoals routers, switches en basisstations worden relais gebruikt voor het schakelen van signaalverbindingen en bliksembeveiliging. In basisstationapparatuur worden bijvoorbeeld relais gebruikt om radiofrequentiesignalen te schakelen (zoals het schakelen van primaire en back-upverbindingen), waardoor de continuïteit van communicatiesignalen wordt gewaarborgd. Het relais in de router wordt gebruikt voor bliksembeveiliging van de Ethernet-poort. Wanneer het relais door de bliksem wordt getroffen, wordt het snel kortgesloten om de bliksemstroom te ontladen, waardoor de interne chips van het apparaat worden beschermd. In datacenters worden relais ook gebruikt voor het redundant schakelen van servervoedingen. Wanneer de hoofdstroomvoorziening uitvalt, schakelt hij snel over naar de back-upstroomvoorziening om ervoor te zorgen dat gegevens niet verloren gaan.

Controle van medische elektronische apparatuur: Medische elektronische apparatuur (zoals ventilatoren, elektrocardiogrammachines en ultrasone diagnostische instrumenten) stelt extreem hoge eisen aan elektrische veiligheid en stabiliteit. Relais worden gebruikt voor circuitisolatie en nauwkeurige regeling. In een beademingsapparaat regelen relais bijvoorbeeld het openen en sluiten van de luchtstroomklep en de aanpassing van het zuurstoftoevoervolume. Isolatierelais worden gebruikt om elektrische interferentie tussen het stuurcircuit en het contactcircuit van de patiënt te voorkomen, waardoor de veiligheid van de patiënt wordt gewaarborgd. In een elektrocardiograaf worden relais gebruikt voor het schakelen van signalen (zoals het schakelen tussen verschillende afleidingen) om een ​​nauwkeurige verzameling van detectiesignalen te garanderen. In het voedingssysteem van medische apparatuur worden relais ook gebruikt voor bescherming tegen overbelasting en lekkagebescherming om te voorkomen dat defecten aan apparatuur schade toebrengen aan medisch personeel en patiënten.

(6) Landbouw- en veiligheidsgebieden

Agrarische automatiseringscontrole: In de moderne landbouw worden relais gebruikt in irrigatiesystemen, kascontrole en de automatisering van veredelingsapparatuur. In een kas detecteert een vochtsensor bijvoorbeeld bodemvocht. Wanneer de luchtvochtigheid onder de ingestelde waarde zakt, zorgt een relais ervoor dat de waterpomp start, waardoor automatische irrigatie wordt bereikt. De temperatuursensor regelt het aan- en uitschakelen van de verwarmingslampen en ventilatoren om een ​​constante temperatuur en luchtvochtigheid in de kas te behouden. In de aquacultuur regelen relais het starten en stoppen van beluchters (die automatisch starten wanneer de opgeloste zuurstof in het water onvoldoende is) en de getimede voeding van feeders, waardoor de efficiëntie van de aquacultuur wordt verbeterd.

Beveiligingsbewakingssysteem: In beveiligingssystemen worden relais gebruikt voor de koppeling tussen alarmapparaten en actuatoren. Wanneer infraroodstraaldetectoren en magnetische deur- en raamsensoren bijvoorbeeld illegale indringers detecteren, activeren ze relaisacties, die op hun beurt geluids- en lichtalarmen, bewakingscamera's om video's op te nemen en toegangscontrolesystemen om te vergrendelen activeren. Op belangrijke plaatsen zoals banken en musea kunnen ook relais worden gekoppeld aan het brandbeveiligingssysteem en nooddoorgangsdeuren. Wanneer zich een noodsituatie voordoet, openen ze automatisch de nooddoorgang en sluiten ze tegelijkertijd onnodige stroombronnen af.