I Электромеханические средства управления

Электромеханические системы (устройства) теплоэнергетических объектов (в т.ч. ТЭС) включают в себя уст­ройства дистанционного управления и защиты: электромеханические реле, контакторы, пускатели, электромагнитные муфты и клапаны; электромагнитные исполни­тельные устройства, исполнительные устройства на базе электропривода. Во всех этих устройствах имеется переход электрической энергии в механиче­скую (поступательное или вращательное движение).

1. Реле защиты и автоматики

Под реле подразумевают устройство, имеющее релейную передаточ­ную характеристику. В релейной передаточной характеристике выходной па­раметр от входного изменяется скачком. Реле бывают электромеханические (электромагнитные), пневматические, гидравлические. На теплоэнергетических объектах ( в т.ч. на ТЭС) используют электромагнитные реле. Они предназначаются для коммутации тока. Элек­тромагнитные реле представляют собою электромагнит, к подвижной части которого (якорю) через изолятор прикреплены электрические контакты. Ток через обмотку электромагнита - входной параметр, ток через контакты - вы­ходной параметр.

В зависимости от конструкции различают реле со втяжным якорем и реле клапанного типа.

Упрощенная схема реле с втяжным якорем представлена на рис. 1.1. Обмотка (1) электромагнита, к которой подключается входное напряжение, находится на ферромагнитном сердечнике (2), в который входит ферромаг-

нитный якорь (3), укрепленный на пружине (6). К якорю с помощью держа­теля (5) изоляционного материала укреплены металлические контакты (4) с токоподводами (8). Пружина контактов (7) обеспечивает соответствующий режим на контакты и тем самым пропускание значительного тока. При пода-

че на обмотку напряжения якорь втягивается в сердечник - реле срабатывает.

Упрощенная схема реле клапанного типа показана на рис. 1.2. Здесь якорь (3) притягивается к сердечнику (2), вращаясь на шарнире (9), при по­даче напряжения – реле срабатывает; при снятии напряжения якорь под действием пружины приходит в ис­ходное положение - реле отпускает.

Контакты реле могут быть такие, как на рисунке (замыкающие ток при срабатывании реле), и размыкающие ток при срабатывании реле. Графиче­ское обозначение обмотки реле (вход) и замыкающих и размыкающих кон­тактов (выход) показано на рис. 1.3. В качестве примера на рис. 1.3 показана

схема включения и выключения лампы с помощью реле.

Сила притяжения якоря к сердечнику (см. рис. 1.2) F = k• (aw)²/δ² где

(рис. 1.4) aw - ампервитки обмотки (значение тока управления, помноженное на количество витков обмотки), δ - ширина зазора, k - коэффициент пропор­циональности. Как видно из формулы, чем больше зазор, тем больше требу­ется ампер-витков в обмотке реле, чтобы преодолеть силу пружины (6 на рис. 1.2) и наоборот. Поэтому для срабатывания реле (когда зазор большой) требуется больший ток, чем при отпускании (когда зазора почти нет).

Некоторые параметры и характеристика реле.

А) Передаточная характеристика (приведена на рис. 1.4 для замыкаю­щих контактов).

На оси абсцисс откладывается напряжение (U_упр) или ток (I_упр) управ­ления, по оси ординат - ток через контакты. Ток через контакты до тока управления, равного току срабатывания (I_сраб), равен нулю (контакты разомк­нуты). При токе I_сраб реле срабатывает, контакты замыкаются, и через них те­чет ток.

При уменьшении тока управления реле отпускает при меньшем токе возврата (I_возвр), т.к. при срабатывании зазор (δ) значительно больше. Так по­лучается гистерезис в передаточной характеристике.

Б) Коэффициент возврата К_возвр = I_возвр / I_сраб

В) Мощность срабатывания Р_сраб = 1_сраб • U_сраб

Г) Мощность управления Р_упр = I_кном • U_k<, где U_k - номинальное напря­жение на разомкнутых контактах.

Д) Номинальный ток реле I_ном, I_ном > I_сраб.

Е) Номинальное напряжение реле U_ном, U_ном > U_сраб..

Ж) Быстродействие: нормальные t_ср < 0,1 с; быстродействующие t_ср < 50 мс; сверхбыстродействующие 1_ср < 1 мс; реле защиты ТЭС 1_ср ⁼ 1-5 мс.

Контакты реле

Контакты имеют существенное значение. Расчет реле начинается с контактов. От напряжения на разомкнутых контактах зависит расстояние

между ними. От величины тока через контакты зависит их площадь.

Контакты бывают в зависимости от тока коммутации:

А) точечные (рис. 1.5.а) - контакт в точке;

Б) плоскостные (рис. 1.5.6) — контакт по плоскости;

В) линейные (рис. 1.5.в) - контакт по физической линии.

Поверхность контактов, особенно точечных, делают из благородных металлов, в основном, из серебра, но иногда из золота и платины, т.к. эти ме­таллы обеспечивают малое электрическое сопротивление и мало окисляются.

Контакты реле рассчитаны на большое, но тем не менее ограниченное

износом, число срабатываний. Однако, если реле долго не работает, то про-исходит вредное окисление контактов, которые в работе самоочищаются.

Для предохранения контактов от окисления и пыли реле часто заклю­чают в герметизирующий корпус. Так именно и сделано в распространенных в автоматике ТЭС реле типа РЭС-9, РЭС-8.

Герконы

(Реле с магнитоуправляемыми контактами)

Упрощенная схема варианта конструкции геркона показана на рис. 1.6. В стеклянной колбе (1), из которой откачивают воздух, расположены пружинящие токоподводы (2); На токоподводах расположены контакты (3) и

ферромагнитные диски (4). На колбу одевается каркас с управляющей об­моткой (6, 5). Когда тока нет, контакты разъединены - исходное положение. При протекании тока по обмотке создается магнитный поток, благодаря ко-торому ферромагнитные диски притягиваются и контакты соединяются, как это показано на рисунке. При выключении тока через обмотку токоподводы

пружинят, расходятся и контакты размыкаются.

Преимущества герконов:

- не окисляются контакты, стабильное их сопротивление;

- высокая чувствительность;

• большое число срабатывания;

• повышенная надежность;

• малые габариты.

Геркон может использоваться в качестве конечного выключателя.

К недостаткам может быть отнесено сравнительно малый ток контак­тов и напряжения на них.

По сравнению с устройствами, выполненными на полупроводниковых ключах, электромагнитные реле имеют следующие недостатки:

а) большие габариты;

б) большой ток управления;

в) трудности в гибком изменении параметров;

г) ограниченный срок службы;

д) дребезг контактов (повторное включение).

Однако, электромагнитные реле, по сравнению с полупроводниковыми ключами, создают надежный контакт, имеющий малое сопротивление, мало чувствительны к перегрузкам по току и напряжению, надёжны и на них не влияет радиация как на полупроводниковые приборы.

Именно поэтому на АЭС, где из – за возможного появления радиации избегают использования полупроводниковой электроники, реле нашли самое широкое применение. На АЭС реле используют не только для защиты и в качестве регулятора дискретного действия (система включено-выкпючено) и в исполнительных устройствах управления, но и в программно-логических устройствах управления, широко применяемых на АЭС, используя логические схемы на реле. На ТЭС для целей защиты и автоматики используют так называемые УКТЗ (устройства комплексной технологической защиты), в основном, на базе электромагнитных реле РЭС-8, РЭС-9. УКТЗ реализуется в виде 5 шкафов, в каждом из которых вставляются стандартные релейные блоки автоматики и защиты.

Всего в шкаф вмещается 48 блоков. В каждом блоке 7 штук реле. Заказчик

предусматривает в заказе нужные ему блоки.

Реле времени. Реле времени служит для отсчета времени при проведении соверше-

нии технологических процессов. В качестве примера рассмотрим реле времени в УКТЗ, упрощенная структурная схема которого показана на рис.1.7. Схема составлена к случаю включения на заданное время электро­лампы. Реле времени включает в себя задающий генера­тор прямоугольных импульсов со стабильной частотой (Г). Импульсы от ге-нератора подсчитываются счетчиком импульсов (Сч). Количество импуль-сов, помноженное на стабильный период, дает время. Когда количество им-пульсов, соответствующее времени, достигает заданного, срабатывает циф­

ровой компаратор (ЦК). Уровень срабатывания можно регулировать регуля-

тором. Срабатывание компаратора приводит к прохождению тока через об­мотку (Р) электромагнитного реле, его срабатыванию, в результате чего раз­мыкающий контакт (К) размыкается (может быть и замыкающий контакт).

В данном примере генератор (Г) запускается от источника питания U_1пит через тумблер S. Одновременно включается лампа (Л) от источника пи­тания U_2пит. По прошествии заданного регулятором времени срабатывает ре­ле и лампа (Л) контактами (К) выключается.

Диод УД предохраняет транзисторы реле времени от перенапряжения при выключении электромагнитного реле Р. Дело в том, что при прекраще­нии тока 0) через индуктивность обмотки (L) реле (Р) возникает эдс

E = -Ldi/dt,

которое может пробить транзисторы реле времени. Диод VD, не пре­пятствуя прохождению тока через обмотку при включении реле, дает путь току от энергии, накопленной в обмотке, она превращается в тепло от нагрева диода, а перенапряжение не возникает.

Логические схемы на реле

С помощью реле можно построить логические элементы подобно тем, что рассматривались в курсе вычислительной техники. На их базе можно создавать программно-логические электромеханические устройства. На рис. 1.8.а показана схема повторителя (логическое уравнение Буля у = х). Принцип действия: если на входе "х" (на обмотке) достаточно большое напряжение ("1"), то реле срабатывает и на выходе "у" мы получаем напряжение ("1").

При замене замыкающего контакта на размыкающий (рис. 1.8.6) мы получаем инвертор (уравнения Буля у = х), т.е. когда на входе "1", на вы­ходе "0" и наоборот.

На рисунке 1.8.в дана схема "И" на двух реле (уравнение Буля у=х\*х₂). Для получения выходного сигнала здесь должны сработать все реле. Для по­лучения схемы "И-НЕ" (уравнение Буля у = х₁ •х₂ •…) нужно заменить все замыкающие контакты на размыкающие и перейти к схеме, представленной на рис. 1.8.д. На рисунке 1.8.г приводится схема "ИЛИ" на двух реле (урав­нение Буля у = x₁ + х₂). Здесь для получения выходного сигнала "1" достаточно, чтобы сработало одно реле.

Электромагнитные реле применяются на теплоэнергетических объектах, ТЭС и АЭС для их защиты, в качестве дискретного регулятора управления (3 в схеме на стр. 4), в исполнительных устройствах (5 на стр. 4) и в программно-логических устройствах на базе логических схем на реле.