Елементи пристроїв автоматики і телемеханіки

19.3.1 Загальні відомості

Будь-яка система автоматики, телемеханіки і зв'язку складається з окремих елементів. Властивості системи, її надійність і працездатність, принципи побудови і методи обслуговування залежать як від її структури, тобто від способу з'єднання елементів між собою, так і від властивостей самих елементів. Тому вивчення основ автоматики, телемеханіки і зв'язку необхідно починати вивчати з вивчення елементів, з яких складаються ці системи.

Пристрої залізничної автоматики і телемеханіки складаються з окремо сполучених між собою елементів. Кожен елемент здійснює якісне або кількісне автоматичне перетворення дії, отримане від попереднього елементу, і передачу дії на подальший елемент.

Елементами залізничної автоматики і телемеханіки є: датчики, електричні фільтри, реле, трансмітери, стабілізатори, підсилювачі, двигуни, розподільники, джерела живлення і ін.

Датчик призначений для перетворення контрольованої або регульованої вхідної величини у фізичну величину, зручнішу для дії на наступний елемент.

Електричний фільтр пропускає електричні сигнали певних частот і володіє великим загасанням для електричних сигналів інших частот.

Реле – це елемент, в якого при плавній зміні вхідної величини вихідна величина змінюється стрибком.

Трансмітер призначений для вироблення електричних сигналів, які використовуються в системах автоматики і телемеханіки.

Підсилювач призначений для посилення електричних сигналів: вхідна і вихідна величини підсилювача мають однакову фізичну природу.

Двигуном називається елемент, який служить для перетворення енергії того або іншого вигляду в механічну.

Розподільником називається багатопозиційний елемент з одним входом і заданим числом виходів.

У системах залізничної автоматики і телемеханіки застосовують і складніші елементи, що складаються з декількох розглянутих вище елементів. До складних елементів відноситься, наприклад, рейкове коло, який може включати трансмітер, фільтр, підсилювач, реле і інші елементи.

Важливою загальною характеристикою всіх елементів є їх надійність, тобто властивість виконувати свої функції при збереженні значень встановлених показників в заданих межах.

Елементи залізничної автоматики і телемеханіки, що забезпечують безпеку руху поїздів, повинні володіти високою надійністю дії і захистом від перешкод, в першу чергу від тягового струму, бути доступним для заміни, ремонту і профілактичного оглядів, по можливості бути простими по пристрою і принципу дії, мати малі розміри і масу. Вони мають бути захищені від дії сторонніх електромагнітних полів.

При пошкодженні елементів (обрив або коротке замикання в обмотці реле, обрив монтажних дротів, обрив або замикання в колах підсилювальних елементів, пробій конденсаторів) повинні виключати положення, небезпечні для руху поїздів. До елементів, розташованих в релейних шафах поблизу дороги і на локомотивах, можуть пред'являтися і деякі інші вимоги, наприклад, по забезпеченню вібростійкої, надійності дії при зміні температури і вологості довкілля в широких межах.

19.3.2 Принцип дії і класифікація реле

Найбільш поширеними елементами систем залізничної автоматики і телемеханіки є реле і прилади релейної дії, за допомогою яких здійснюються процеси автоматичного управління, регулювання і контролю руху поїздів, а також різні схемні залежності.

У пристроях автоматики і телемеханіки, як правило, застосовують електричні реле, в яких вхідними і вихідними величинами є струм і напруга. Реле, реагуючи на вхідну величину (струм в котушках), стрибкоподібно змінює струм у вхідному (керованому) ланцюзі. Якщо стрибкоподібна зміна струму досягається фізичним розривом кола, то такий елемент називається контактним реле, або просто реле. Якщо ж стрибкоподібна зміна струму у вихідному ланцюзі обумовлена зміною внутрішнього стану елементу (внутрішнього опору, провідності, індуктивності і тому подібне) без фізичного розриву коло, то такий елемент називається приладом релейної дії, або безконтактним реле.

Основною частиною реле (рис.19.3.1) є електромагніт – найбільш простий перетворювач електричного сигналу в механічне переміщення. Він складається з двох котушок 2, сердечника 1, ярма 3 і рухливій частині 4, званою якорем. Якір впливає на виконавчий орган – контакти 5. При проходженні струму через обмотки реле сердечник намагнічується, якір реле притягується до нього, контактна тяга 5 переміщається вгору, розмикаючи загальні контакти (о) з тиловими (Т) і замикаючи з фронтовими (Ф). Це явище називається спрацьовуванням реле. При виключенні струму під дією ваги якоря або сил пружності контактних пружин якір повертається у вихідний стан, розмикаючи фронтові контакти.

Кінці контактних пружин через підставку (6) виведені назовні і утворюють штепсельну розетку. Позначка обмотки і контактів реле НМШ, якє має вісімь контактних груп, а також нумерація контактів на штепсельній розетці показані на рис. 19.3.2. Всі загальні контакти закінчуються цифрою 1; фронтові – 2 і тилові – 3. Штепсельна колодка реле окрім контактних пелюсток для під’єднування монтажних дротів містить виводи, до яких підключаються джерело живлення напругою 12 або 24 В.

Рис.19.3.1. Нейтральне реле типу НМШ

Контактні реле набули широке застосування в пристроях СЦБ, які експлуатуються на залізниці, зважаючи на їх простоту і надійниість. До їх переваг слід також віднести можливість перемикання великого числа незалежних вихідних кіл за наявності декількох контактних груп в реле. При цьому всі вихідні кола гальванічно розділені. Проте контактні реле мають відносно великі розміри і масу, недовгий термін служби, особливо при роботі в імпульсному режимі, недостатню швидкодію, яка обумовлена наявністю механічних переміщень при роботі реле.

В безконтактних реле відсутні рухливі елементи, що труться, вони володіють великою швидкодією, мають малі розміри і масу, менш схильні вібрації.

В той же час безконтактні прилади релейної дії мають і істотні недоліки. Перш за все вони пов'язані зі складністю побудови безконтактних елементів, що відповідають одному з основних вимогам до пристроїв СЦБ, – виключенню небезпечних положень при пошкодженні схем. Іншим істотним недоліком є складність комутування декількох вихідних кіл, гальванічно не зв'язаних один з одним.

Рис. 19.3.2. Позначка обмотки і контактів реле НМШ в схемах та на штепсельній розетці

Вказані недоліки обмежують сферу застосування безконтактних реле в пристроях залізничної автоматики і телемеханіки у відповідальних виконавчих колах (включення вогнів світлофорів, управління стрілочними електроприводами і тому подібне). Проте у зв'язку з бурхливим розвитком електроніки і мікропроцесорної техніки електронні безконтактні прилади усе більш широко упроваджуються в пристрої автоматики і телемеханіки на залізницях всього світу.

Основними елементами пристроїв автоматики і телемеханіки, експлуатованих на залізницях, в даний час все ж є електричні контактні реле, які забезпечують необхідні залежності для руху поїздів.

Реле залізничної автоматики і телемеханіки розділяють:

по принципу дії – на електромагнітні, електромагнітні з термоелементом та індукційні;

по роду струму, що живить обмотку, – на реле постійного струму і змінного струму;

по числу обмоток на осерді (сурдечнику) – на одно-, двох- і багатообмоткові;

по числу положень контактної системи – на двох- і трипозиційних;

по номінальній напрузі (струму);

за часом спрацьовування (тяжіння) і відпуску якоря – на швидкодіючих, таких, що нормально діють, повільно діють і тимчасові;

по режиму роботи – на реле для тривалого (безперервного) режиму роботи і короткочасного (імпульсного) режиму;

по активному опору обмоток.

Реле залізничної автоматики і телемеханіки підрозділяють також на реле I і II класів надійності. До реле I класу надійності відносяться реле, для яких не потрібний додатковий схемний контроль відпуску якоря або дублювання в електричних схемах. Вимоги до реле I класу надійності наступні: надійний відпуск якоря під дією маси якоря і пов'язаних з ним рухливих частин при відключенні напруги від його обмоток; виключення зварювання замикаючих (фронтових) контактів; неможливість залипання якоря реле під дією сил залишкового магнетизму; надійне замикання контактів і постійність їх перехідного опору.

Реле I класу надійності застосовують в апаратурі СЦБ, що забезпечує безпеку руху поїздів.

Реле, в яких відпуск якоря гарантується у меншій мірі і здійснюється в основному під дією реакції контактних пружин, мають II клас надійності. Захист від зварювання контактів в цих реле не передбачають. Реле II класу надійності застосовують в апаратурі, до якої не пред'являються підвищені вимоги по безпеці.

19.3.3. Електромагнітні реле постійного струму

Реле постійного струму в пристроях СЦБ набули найбільш широкого поширення, оскільки вони прості по пристрою і надійні в роботі. Електромагнітні реле постійного струму підрозділяються на нейтральних, поляризованих і комбінованих.

Нейтральне реле спрацьовує незалежно від напряму струму в обмотці. Якір реле притягується, перемикаючи контакти при будь-якій полярності струму, а при виключенні струму повертається у вихідний стан. Таким чином, нейтральне реле є двопозиційним. В пристроях залізничної автоматики і телемеханіки широко застосовують малогабаритні реле з штепсельним включенням типу НМШ (нейтральне, малогабаритне, штепсельне).

Поляризоване реле відрізняється від нейтрального в основному наявністю в магнітній системі постійного магніту. Воно має поляризований якір, який перемикається, залежно від напряму (полярності) постійного струму, що протікає по обмотках котушок реле.

Пристрій і нумерація контактів поляризованого реле розглянемо на прикладі пускового малогабаритного поляризованого штепсельного реле типу ПМПШ-150/150, яке застосовують в схемах управління стрілочним електроприводом (рис. 19.3.3). Слід зазначити, що у відмінності від нейтрального реле контакти поляризованого реле зображаються вертикально і нумеруються трьома цифрами.

Рис. 19.3.3. Пристрій і нумерація контактів поляризованого реле

Магнітна система поляризованого якоря складається з котушок 1, надітих на сердечник 2, постійного магніта 3 і поляризованого якоря 4. До якоря шарнірно прикріплена ізоляційна тяга 5, за допомогою якої перемикаються контакти з одного нормального (н або ну) положення в інше, переведене (п або пу). Додана в позначеннях контактів буква у означає, що ці контактні – посилені. Кожен посилений контакт забезпечує не менше 10 тис. перемикань коло постійного струму 4 А при напрузі 240 В, а контакти н і п комутують електричні колои постійного струму 2 А при напрузі 24 В.

За відсутності струму в обмотках якір стримується потоками постійного магніту в тому положенні, в якому знаходився у момент виключення струму. Якір реле (см. рис.19.3.3) показаний в нормальному положенні. У цьому стані загальні контакти о замкнуті з нормальними контактами н. Магнітний потік Ф_П постійного магніта 3 розгалужується по двох паралельних гілках (показано суцільною лінією) у вигляді потоків Ф_П1 і Ф_П2. Вони були б рівні, якби якір займав середнє положення. Проте якір завжди знаходиться в одному з крайніх положень. При цьому завдяки збільшенню повітряного зазору справа і зменшенню зліва потік в лівому стрижні перевищує потік в правом. За рахунок різниці потоків ∆Ф_П = Ф_П1 - Ф_П2 якір стримується в лівому положенні. Потік Ф_К, створюваний котушками, завжди в одному стержні складається з потоком постійного магніту, а в іншому – віднімається. Для того, щоб якір перемкнувся в праве положення, необхідно по обмоткам котушок пропустити струм такої полярності, щоб магнітні потоки постійного магніту і котушок складалися в правому стрижні, а в лівому – віднімалися. Після виключення струму якір залишається в цьому положенні, оскільки тепер потік Ф_П2 перевищуватиме потік Ф_П1. Для повернення якоря в колишнє положення необхідно пропустити струм іншої полярності.

Комбіноване реле є поєднанням нейтрального і поляризованого реле із загальною магнітною системою. При проходженні через обмотки струму будь-якої полярності нейтральний якір притягується, внаслідок чого замикаються керовані їм фронтові контакти. Перемикання поляризованого якоря і замикання керованих ним контактів відбувається залежно від полярності струму, що протікає через обмотки реле.

Комбіноване малогабаритне штепсельне реле типа КМШ (рис. рис.19.3.4, а і б) складається з двох котушок 3, надітих на сердечник з ярмом 5, нейтрального якоря 2 і постійного магніта 4, з яким пов'язаний поляризований якір 7. Реле закривається кожухом 6 з ручкою 1.

Рис. 19.3.4. Пристрій і нумерація контактів комбінованого реле

За відсутності струму в обмотках реле нейтральний якір 2 (рис. 19.3.4, б), не пов’язаний з потоком постійного магніта, знаходиться у відпущеному положенні; його загальні контакти замкнуті з тиловими. При проходженні по обмоткам струму будь-якого напряму нейтральний якір притягується, і його загальні контакти замикаються з фронтовими. Таким чином, нейтральний якір комбінованого реле діє так само, як і якір звичайного нейтрального реле.

Поляризований якір 7 управляється магнітними потоками постійного магніту і котушок аналогічно поляризованому реле. При включенні струму прямої полярності відбувається переміщення поляризованого якоря вгору (з ліва) і замикання загального контакту о с н, як показано на рисунку. При струмі зворотної полярності і переміщенні поляризованого якоря вгору (з права) загальний контакт о замикається з нижнім контактом П.

Пристрій контактної системи нейтрального і поляризованого якорів реле КМШ аналогічно реле НМШ і НМПШ. Нумерація контактів реле КМШ показана на рис. 19.3.4, в.

Комбіноване реле є трипозиційним, оскільки воно може знаходитися в трьох різних станах: без струму, збуджено струмом прямої або зворотної полярності.

Контактні реле безперервно удосконалюються. Розроблені на базі уніфікованої конструкції реле РЕЛ I класу надійності в порівнянні з реле НМШ має менші габарити і масу, надійніші в роботі, тому реле цього типа знайшли широке застосування в пристроях залізничної автоматики і телемеханіки поряд з реле типу НМШ.

Конструктивні особливості цих реле розглянемо на прикладі реле РЕЛ1-1600 (рис. 19.3.5), що має наступні основні частини: розгалужену магнітну систему, що складається з якоря 1, ярма 13, двох сердечників 3, на кожному з яких розміщено дві котушки 4, антимагнітну пластину для виключення магнітного залипання якоря 14, штепсельні виводи 5 для підключення обмоток, внутрішні виводи 6 для з'єднання виводів чотирьох котушок; контактні системи, що складаються з фронтового 12, рухливого 11 і тилового 10 контактів; міжконтактні ізоляційні пластмасові прокладки 9; пластмасова підстава 7 з планкою вибірковості 15; направляючі штирі 8; прозорий ковпак 2.

Рис. 19.3.5. Реле РЕЛ1-1600

Особливістю конструкції цього реле є рухливе кріплення вантажу на якорі. В результаті при вібрації корпусу реле вантаж вільно переміщається і не діє на якір, контакти не розмикаються. Навіть при перекиданні реле якір не переміщається.

Штепсельний роз'єм реле виключає можливість установки іншого типу реле. Це досягається установкою планки вибірковості 15 з десятьма кодовими отворами, в які входять відповідні п'ять штирів з боку плати реле. Число можливих комбінацій установки штирів визначається піт закону поєднань з десяти по п'ять і складає 252. Реле РЕЛ, як правило мають шість контактних груп на перемикання і дві на замикання (6 фТ, 2 ф).

По своїх електричних характеристиках реле РЕЛ близькі до реле НМШ, що дозволяє в більшості випадків застосовувати їх замість реле НМШ.

Електромагнітні реле с термоелементом типу НМШТ має таку ж конструкція, як і реле типу НМШ, але в його корпус вмонтований термічний елемент. При замиканні коло живлення струм спочатку проходить через тиловий контакт термічного елементу і обмотку допоміжного реле, яке контролює охолоджений стан термоелемента. Притягуючи якір, допоміжне реле включає коло струму в обмотку термоелемента, який після нагрівання виробляє перемикання контакту з тилового на фронтовій. Час нагріву до замикання фронтового контакту при номінальній робочій напрузі 8 – 18 с. Після повного нагріву і замикання фронтового контакту термічний елемент включає основне реле НМШТ.

Реле з термоелементом застосовують в схемах автоблокування і електричної централізації для здобуття великої витримки часу на спрацьовування.

Індукційні двоелементні секторні реле типу ДСР (ДСШ)використовують як правило в станційних рейкових колах змінного струму частотою 50 і 25 Гц. Ці реле відносяться до I класу надійності. Особливостями цих реле найперше є наявність рухомого сектора взамін якоря. По-друге, реле цього типу відносяться до фазочутливих колійних приймачів, спрацювання яких залежить не тільки від величини, але й від фази сигналу.

Електромагнітна система фазочутливих колійних реле складається з двох елементів: місцевого і колійного. Кожен елемент має наступні основні частини (рис. 19.3.6): місцевий елемент, що складається з двох сердечників 1 і 2, з обмотками 3 і 4; колійний елемент 5 у вигляді сердечника з обмотками 6, які включаються до рейкового кола; алюмінієвий сектор 7 з радіальними прорізами та противагою, розташований поміж кінцями полюсів сердечників місцевого та колійного елементів.

При проходження струму І_м від затискувачів 1 і 2 за обмотками 3, 4 місцевого елементу (рис. 19.3.6, а) створюється магнітний потік Ф_м, що співпадає за фазою із струмом І_м. Змінний магнітний потік Ф_м, що пересікає сектор 7, індукує у ньому вихрові струми, котрі завдяки прорізам сектору (рис. 19.3.6, б) проходять під полюсами колійного елементу у вигляді загального струму І_см в одному напрямку. Вектор струму І_см відстає на 90° від вектору І_м.

У випадку проходження струму за обмотками 5, 6 колійного елементу І_п створюється магнітний потік Ф_п. Вектори струму І_п і потоку Ф_п для отримання максимального обертального моменту співпадають за фазою зі струмом сектору i_см. Завдяки взаємодії струму i_см з потоком Ф_п створюється тягове зусилля, що виштовхує сектор до упору. Такий стан сектору зберегається, доколи в місцевій і колійної обмотках тече струм.

При русі сектору в верхнє положення обертається контактна колодка, розмикаючи тилові і замикаючі фронтові контакти.

Векторна діаграма реле ДСР наведена на рис. 19.3.6, в.

Рис. 19.3.6. Магнітна система, схема обмоток і векторна діаграма реле типу ДСР

У відміну від реле ДСР сектор реле ДСШ не має прорізів. Індуковані струми в секторі створюються безпосередньо під полюсами колійного елементу і направляти їх під ці полюси не треба.

Слід підкреслити високу захищеність фазочутливих колійних реле від перешкод, завдяки їх частотній і фазовій вибірковості.