Oslash; Электромагнитные реле

В силу своей простоты распространены более, чем другие виды электрических реле. По виду выходных контактов разделяются на повторители, инверторы и триггеры. У повторителей ситуация в выходной цепи повторяет ситуацию во входной – при появлении входного сигнала контакты замыкаются и наоборот. Повторители служат в основном для так называемого размножения контактов, когда один входной сигнал нужно размножить и передать по нескольким адресам. У инверторов ситуация в выходной цепи противоположна ситуации во входной – при появлении входного сигнала выходная сеть размыкается. Триггерная контактная группа является трехпозиционной. Необходимо отметить, что в целях повышения универсальности контактные группы неспециализированных реле делают, как правило, комбинированными: в них имеются как повторительные, так и инверторные контакты.

Рассмотрение конструкции, принципа действия и характеристик электромагнитного реле начнем с наиболее простого – нейтрального реле постоянного тока.

Конструкция такого реле приведена на рис. 70. Магнитопровод реле состоит из двух частей – неподвижного сердечника 1 и подвижного якоря 2. На этом рисунке показан магнитопровод с поворотным якорем.

Рис. 70. Нейтральное реле постоянного тока и его схема: 1 – неподвижный сердечник; 2 – якорь; 3 – катушка; 4 – подвижные контакты контактной группы; 5 – возвратная пружина

Не менее распространены магнитопроводы с втягивающимся якорем. На сердечник намотана катушка 3 электромагнита. Якорь соединен с подвижными контактами контактной группы 4. В оттянутом положении при отсутствии входного сигнала якорь удерживается возвратной пружиной 5. В некоторых реле (клапанного типа) роль возвратной пружины играют упругие контакты. Так же приведено условное обозначение реле, которое обладает одной входной (цепь питания катушки) и несколькими выходными цепями. Все цепи полностью электрически независимы. Наименование «нейтральное» реле получило за то, что оно срабатывает одинаково независимо от полярности питания, «постоянного тока» – по роду тока питания катушки. Характеристика реле приведена на рис. 71. На оси абсцисс отложены значения входной величины – силы тока I_Х в цепи питания катушки, на оси ординат – выходной сигнал (состояние контактов). Уровень Y = 0 соответствует выключенному состоянию реле, а уровень Y = 1 – включенному. Как любая характеристика объекта, обладающего гистерезисными свойствами, характеристика реле обладает двумя линиями – линией срабатывания (1 – 2 – 3 – 4) и отпускания (4 – 5 – 6 – 1). На участке 1 – 2 втягивающее усилие электромагнита не может преодолеть усилия возвратной пружины. В точке 2 при значении тока питания катушки I_СР электромагнит преодолевает сопротивление пружины и реле переключается в состояние «Включено» (отрезок 2 – 3). Дальнейшее повышение тока по линии 3 – 4 не приводит ни к каким изменениям на выходных контактах (пока не сгорит катушка). При уменьшении тока в точке 3 втягивающее усилие катушки еще больше, чем усилие пружины. Это объясняется действием остаточной намагниченности сердечника. Отпускание реле происходит в точке 4 при токе питания катушки I_ОТ < I_СР. Пропорция между значениями входного сигнала при срабатывании и при отпускании реле, соответственно Х_СР и Х_ОТ, есть коэффициент возврата – важнейшая характеристика реле

. (60)

Разница между режимами срабатывания и отпускания есть явление негативное: в зоне неопределенности I_СР – I_ОТ переключение реле зависит от того, во включенном или выключенном состоянии оно находится. Направление развития реле – приближение коэффициента возврата к единице. У современных реле общего назначения К_В = 0,9...0,95. Характеристики нейтральных реле постоянного тока: напряжение питания катушки 12…60 В, ток срабатывания 10…80 mА, время срабатывания (инерционность) до 10 mс, коммутируемая мощность (мощность выходной цепи) до 1 кВт. Срок службы реле определяется числом срабатываний до разрушения контактной группы. Разрушение происходит за счет искрения контактов при замыкании–размыкании. Срок службы контактных электромагнитных реле составляет несколько миллионов срабатываний. Из характеристик путем несложного расчета можно определить, что мощность сигнала управления составляет 0,12...4,8 Вт, что в тысячи раз меньше коммутирующей способности выходных контактов. Отсюда важный вывод – электромагнитное реле может работать усилителем дискретного типа с полным электрическим разделением входных и выходных цепей.

Сопротивление катушки, имеющей намагничиваемый сердечник и воздушный зазор между якорем и сердечником, зависит от намагниченности сердечника и величины зазора (см. формулы (18) и (21) лекции 4). Временная токовая характеристика реле приведена на рис. 72. В начальный период, пока якорь еще не начал перемещаться (от I = 0 до
I = I_СР), ток зависит только от степени намагниченности, и токовая характеристика имеет вид экспоненты (участок кривой 0 – А). В точке А, с момента начала перемещения якоря, вид характеристики представляет собой сумму двух противоположно направленных экспонент – от продолжающей намагничиваемости и от уменьшающегося зазора. Начиная с точки Б (зазор полностью выбран) ток опять зависит только от степени намагниченности сердечника и представляет собой экспоненту, только более пологую, чем на участке 0 – А. Отсюда важный практический вывод – в цепи питания катушки реле так же как у любого другого устройства, содержащего индуктивность и подвижный якорь, существует кратковременный импульсный провал тока при запуске (стартовый бросок тока). Этот бросок может привести к ложному срабатыванию смежных по схеме устройств с малой инерционностью и должен учитываться при проектировании электрических цепей.

Разновидностью нейтральных реле постоянного тока являются безъякорные герконовые реле (рис. 73). Их контактная группа представляет собой геркон – герметичную ампулу, заполненную инертным газом, с парой нормально разомкнутых контактов из пермаллоя (см. лекцию 4). Геркон помещен внутри электромагнита. При подаче напряжения на электромагнит его магнитный поток притягивает контакты друг к другу, замыкая их. При снятии напряжения с электромагнита контакты за счет собственной упругости расходятся. Герконовые реле малогабаритны, малоинерционны, конструктивно просты. За счет отсутствия искрения контактов в среде инертного газа их срок службы увеличен по сравнению с обычными и составляет сотни миллионов срабатываний. Вместе с тем они не обладают универсальностью, так как выходная цепь всех герконовых реле представляет собой одну пару нормально разомкнутых контактов.

Поляризованное реле постоянного тока. В отличие от предыдущего это реле по разному реагирует на ток питания катушки разной полярности. Конструктивно оно отличается тем, что в состав магнитопровода включен постоянный магнит, либо как составная часть сердечника (рис. 74), либо как якорь. Магнитные потоки от электромагнита и постоянного магнита складываются при различной полярности питания электромагнита таким образом, что якорь притягивается то к левому, то к правому полюсу магнита. Этим достигается двойной эффект. Во-первых, на перемещение якоря влияют не один, а два магнитных потока. Это приводит к большему, чем у нейтральных реле, быстродействию. Во-вторых, поляризованное реле обладает триггерными свойствами – у якоря имеется три положения: «Выключено», «Прямое включение», «Обратное включение». Все это обговаривает область применения поляризованных реле.

Реле переменного тока отличаются следующими особенностями. Во-первых, переменный ток возбуждает в сердечнике токи самоиндукции – токи Фуко. Это приводит к снижению коэффициента полезного действия и к нагреву сердечника. Для уменьшения самоиндукции сердечники реле переменного тока (так же, как и магнитопроводы любых электрических машин переменного тока) делаются наборными из пластин электротехнической стали малой толщины. Во-вторых, переменный ток порождает переменный магнитный поток. В моменты прохождения значения магнитного потока через околонулевую область притягивающая сила электромагнита уменьшается и контакты расходятся. Это явление получило название дребезг контактов. Дребезг контактов отрицательно сказывается на надежности и долговечности реле – искрение контактов приводит к их разрушению. Во избежание этого явления в торце магнитопровода устанавли­вается короткозамкнутое кольцо из мощной медной шины (рис. 75). Магнитопотоком от электромагнита в этом кольце наводится ток самоиндукции, который в свою очередь порождает свой магнитопоток. Он сдвинут по фазе относительно потока от электромагнита настолько, что перекрывает последний в его околонулевой зоне и удерживает якорь в притянутом положении.

Реле переменного тока более габаритно и сложно по конструкции, чем реле постоянного тока. Вместе с тем оно более удобно в применении в системах управления силовыми электрическими цепями переменного тока. В конструкции современных реле переменного тока с втяжным якорем предусмотрена возможность увеличения числа их контактов путем присоединения нормализованных контактных групп. Существуют также специальные приставки с пневматическими демпферами – замедлителями. С их помощью обычные реле превращаются в реле времени.

Для дистанционного переключения силовых цепей служат реле переменного тока, именуемые контакторами. Специализированные контакторы для управления трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором именуются магнитными пускателями. Промышленность выпускает магнитные пускатели серий ПМА, ПМЕ, ПМЛ различной величины. Схема цепей магнитного пускателя приведена на рис. 76. К клеммам A, B и C подключается питание управляемого двигателя – трехфазный переменный ток напряжением 380 В. В цепь управления A₁ – B₁ включена катушка реле напряжением 220В. Это напряжение между одной из фаз и нулевым проводом. Для тепловой защиты двигателя в цепи его питания включены тепловые реле FU₁ – FU₃ на базе биметалличеких контактов (см. лекция 5). Обмотки управляемого двигателя присоединяются к клеммам 1 – 3. Так как традиционным органом управления двигателем является пусковая кнопка толчкового действия, обеспечивающая кратковременный импульс управления, для питания катушки после отпускания кнопки служит цепь самоблокировки 4 – 5 с дополнительной контактной группой (более подробно о внешней блокировке толчковой кнопки см. в лекции 10). Более подробно типовая схема управления двигателем при помощи магнитных пускателей будет рассмотрена в дисциплине «Управление техническими системами».