利用中间继电器提升接触器动作速度

中间继电器可缩短直流电磁铁或接触器的断开时间。具备快速响应特性的接触器，灭弧速度更快，能有效减少触点磨损。同时，中间继电器还可保护可编程逻辑控制器（PLC），使其免受高压感应瞬变的冲击。

快速预览

·大型直流电机接触器的断开动作偏慢；

·加装 1N4002 这类续流二极管后，接触器的断开速度会进一步降低；

·断开速度过慢会延长电弧持续时间，进而缩短触点使用寿命；

·多数带固态输出的 PLC 本身集成、或要求外接一体式续流保护二极管，这会导致整个系统的响应变慢；

·中间继电器既能实现 PLC 的防护，又能让接触器实现快速断开。

问题说明

问题 1

大型直流接触器的线圈属于电感元件。线圈断电时，其磁场中存储的能量需要释放通道。若无续流保护，能量会以高压感应尖峰的形式耗散，这将损坏未做防护的驱动晶体管。

问题 2

简易的低压二极管续流保护（压降 0.7V）的响应十分迟缓，原因是线圈磁场能量仅能通过线圈自身电阻耗散，而非电弧等离子体或瞬态抑制二极管（TVS）的高压回路耗散。无论采用何种方式，想要实现接触器的快速断开，都必须让线圈存储的能量在线圈自身电阻外部完成耗散。

问题 3

相较于控制继电器，带固态输出的 PLC 抗干扰能力更弱、器件更精密。所有原厂均会采用传统二极管为其提供钳位保护（即上述问题 2 的情况），不少厂家还要求额外加装 1N4002 二极管。若该防护要求未落实，PLC 的输出晶体管将直接损毁。

什么是中间继电器？

中间继电器是介入两个系统之间的中继器件，主要用途包括：

1.提升 PLC 的电流承载能力；

2.实现电压转换（电平移位），例如利用 24V 直流 PLC 输出，驱动线圈为 120V 交流或 277V 交流的接触器；

3.提升接触器的断开速度，从而最大限度减少电弧产生、延长接触器使用寿命；

4.通过控制柜分区设计提升系统安全性。本应用场景中，PLC 面板侧仅布设 24V 直流线路（蓝色导线），更高电压的交流线路则布置在控制柜的其他区域。这种刻意的分区设计不仅便于故障排查，规整的柜内布局、各类器件的独立安装空间，也能大幅提升调试与检修效率。

实验硬件说明

本文重点验证上述最后一项作用 —— 提升接触器的动作速度。图 1 所示硬件用于验证该原理，核心器件包括高诺斯 Millenium Slim 型 PLC、控制继电器，以及一款线圈为 24V 直流的接触器。

图 1：中间继电器串联在高诺斯 Millenium Slim PLC 与三相接触器之间。

需明确的是，这款高诺斯 PLC 虽为固态输出，但其完全可直接为大型接触器供电：接触器 2.4W 的线圈额定电流为 100mA，远低于 PLC 输出的 500mA 设计上限。但从接触器电感能量耗散的动态特性角度来看，PLC 与接触器的匹配性极差。

技术小贴士： 大型直流接触器或继电器的断电过程，属于高应力工况。线圈的磁场中会储存能量，而电感元件具有维持电流恒定的固有特性。线圈失电瞬间，电感会通过一切方式维持电流稳定，由此产生的现象被称为感性反冲（电感尖峰）。若无任何保护措施，回路电压会骤升至数百伏，电弧的产生会进一步维持电流导通，最终损毁用于控制线圈的半导体开关。工程中通常会加装浪涌抑制二极管，为电感电流提供泄放回路。

固态输出 PLC 搭配中间继电器的原因

PLC 与接触器匹配性不佳的核心，在于浪涌抑制二极管的使用要求。高诺斯 PLC 的技术手册中虽未明确标注过压耐受上限，但明确要求：带感性负载时，必须加装浪涌抑制二极管（见图 2）。这是工业控制系统中的通用配置，部分控制继电器甚至已将二极管集成至继电器底座中，本文图 1 中的芬德控制继电器即为此类设计。

图 2：高诺斯 Millenium Slim PLC 技术手册节选，展示了感性负载下浪涌抑制二极管的使用要求。

本文所用施耐德接触器也内置了浪涌抑制元件，但并非普通二极管，而是 双向二极管。后文将验证，该双向二极管的钳位电压约为 48V 直流。高诺斯 Millenium Slim 这类半导体输出型 PLC，无法耐受这一较高的钳位电压，也不允许回路中出现该电压等级。

普通二极管（压降 0.6V）与双向二极管钳位（48V）的差异，对接触器的动态性能影响极大。正如继电器断开速度相关文献所述：电感能量的钳位耗散电压，与接触器断开速度直接相关。对于施耐德直流线圈接触器而言，若按 PLC 要求仅加装单二极管浪涌抑制器，其断开时间会超过 100ms，响应极为迟缓。

最优解决方案就是加装中间继电器：此举可让接触器内置的双向二极管组件正常发挥作用，中间继电器的常开触点可轻松耐受该高电压；同时，中间继电器的小型线圈与 PLC 的匹配性更佳。实验表明，小型控制继电器的断开速度，对线路配置的敏感度远低于大型接触器。

中间继电器的实验验证

本实验的电路原理图见图 3：PLC 驱动中间控制继电器，再通过中间继电器的常开触点，驱动大型接触器的线圈。按照 PLC 技术手册要求，回路中增设了断路器，以降低故障工况下的器件损坏风险。

图 3：接线图，包含 PLC、中间继电器（CR1）及接触器。

接触器断开过程的电压波形见图 4：PLC 输出信号下降沿（橙色曲线）为动作起始点；约 8ms 后，中间继电器完成复位，接触器线圈电压出现下降沿（蓝色曲线）；再经约 37ms，接触器完成断开，其电压波形出现突变 —— 该突变由衔铁与线圈间距变化导致的电感值改变引发。整个动作的总耗时约 45ms，这并非本文研究重点，核心需关注接触器的电压波形特征。

本文核心结论：加装中间继电器后，接触器线圈电压可反向跌至 48V 直流；若无中间继电器，PLC 回路中只能加装单二极管浪涌抑制器，无法实现该电压钳位。若 PLC 直接驱动接触器，接触器会如前文所述，出现断开迟缓、响应呆滞的问题。

图 4：PLC、芬德控制继电器及施耐德接触器的电压波形图。

结论

接触器的电压波形是决定其动态性能的关键。加装中间继电器后，接触器线圈电压可升至双向二极管的钳位上限，电感能量绝大部分会通过该高电压钳位回路，以功率公式 (P=IE) 快速耗散；而若采用单二极管保护，能量仅能通过接触器内阻，以功率公式 (P=I2R) 缓慢耗散。这是稳态分析与动态分析的核心区别：稳态分析中，PLC 与接触器的参数匹配性良好；动态工况下，单二极管钳位的要求会导致系统性能下降，接触器断开速度显著变慢，引发严重的工况问题。