5.3 Электромеханические реле

Электромеханические реле — аппараты управления, обеспечивающие скачкообразное, дискретное изменение управляемого показания при заданном изменении управляющего процесса. Реле применяют в качестве аппаратов косвенной защиты, датчиков в системах управления и для выполнения других операций управления. С помощью реле реализуются следующие основные виды защиты:

максимальная, при которой реле срабатывает, если значение контролируемого показателя превышает его заданное значение ;

минимальная, когда где — наименьшее заданное шачение;

дифференциальная, когда где — наибольшая заданная разница сравниваемых показателей однородных контролируемых процессов.

Реле используют и как распорядительные аппараты при оперативной коммутации. Так, они выполняют функции задатчиков и элементов сравнения в простейших системах автоматического пуска или торможения (реле ускорения, реле автоматического пуска и др.).

Применяют реле и для порядково-временного связывания отдельных элементов оборудования, например для синхронизации групповых контроллеров совместно работающих локомотивов или их секций. В ряде случаев реле осуществляют функциональное связывание, при котором работа какого-то элемента оборудования становится в зависимость от заданного количественного показателя другого, функционально связанного с ним элемента.

Р

Рис. 5.15 Обобщенная характеристика электромеханического реле

еле любого типа обычно имеет следующие элементы: чувствительные или воспринимающие информацию о состоянии контролируемого показателя; исполнительные, изменяющие состояние реле; регулирующие, предназначенные для изменения его уставки. В реле, контролирующих электрические величины, роль чувствительных элементов выполняют преимущественно токовые катушки, включенные последовательно в цепь, и потенциальные, включенные параллельно. В реле неэлектрических величин применяют различные чувствительные элементы в зависимости от природы контролируемых показателей. Так, в реле давления это может быть диафрагма, манометрическая трубка, сильфон. Большинство реле выполняют по электромагнитному принципу и их исполнительный элемент — магнитный привод с контактами в цепях управления. Аналогичны исполнительные элементы у реле других типов. Уставку реле регулируют, обычно изменяя натяжение пружины или воздушный зазор между якорем и сердечником электромагнита.

Кроме этих элементов, некоторые реле имеют и дополнительные элементы: индикаторы срабатывания, показывающие, срабатывало ли данное реле; фиксирующие устройства, запирающие реле водном из его состояний; элементы восстановления — дистанционные устройства, выводящие реле из фиксированного состояния. Иногда предусматривают элементы з адержки, обеспечивающие выдержку времени.

О

Рис. 5.16 Реле ускорения Р – 40:

1 – катушка токовая; 2 – катушка подмагничивания; 3 – магнитопровод; 4 – контакты; 5 – винт регулирования; 6 – якорь; 7 – пружина; 8 – упор якоря

бобщенная характеристика эктромеханического реле (рис. 5.15) — зависимость у (х), где х — показатель входного сигнала (обычно ток, напряжение); у — выходного (также ток, напряжение). Под влиянием инерционности аппарата и сил трения зависимости у (х) при нарастании х (dx/dt > 0) и его снижении (dx/dt <0) не совпадают и между их диаграммами образуется площадка (заштрихована) — так называемая зона нечувствительности. В ее пределах между показателем отпадания якоря и его трогания зависимость у(х) имеет неопределенный характер.

Зону нечувствительности принято оценивать коэффициентом возврата реле

..

Обычно у электромагнитных реле < 0,50 0,75. Эти значения можно повысить до 0,95—0,98, применив шихтованные магнитные системы и подмагничивание.

Рассмотрим принцип подмагничивания на примере реле ускорения типа Р-40 (рис. 5.16). Это реле минимального тока, контакты которого должны замыкаться при снижении тока в контролируемой цепи шестых двигателей и в токовой катушке до . Работа реле усложнена тем, что при большом числе пусковых позиций время их переключения t может составлять доли секунды

,

где — скорость завершения пуска, км/ч; — среднее ускорение, , — общее число позиций соответственно пусковых и маневровых.

Ограничение времени приводит к необходимости повышения коэффициента возврата. Для этого, кроме токовой катушки 1 (число витков ), предусмотрена катушка подмагничивания 2 (c числом витков ), включенная на напряжение цепи управления. При включении м. д. с. трогания

.

Откуда:

.

При этом при условии, что

Все сказанное относится только к ненасыщенной магнитной системе, так как насыщение ее вводит нелинейности в зависимости процессов включения от м. д. с. В реле Р-40, чтобы снизить насыщение, магнитную цепь выполняют с большим остаточным зазором.

Электромагнитные реле имеют электромагниты преимущественно клапанного типа, воздействующие на контакты цепей управления различных видов. В последнее время в них широко используют унифицированные магнитные системы (см. рис.4.13 и 4.16), а также унифицированные блоки контактов (рис. 5.17). Приведенные на рис. 5.17, а и б блоки рассчитаны на четыре контактных мостика. Отечественный образец конструкции Новочеркасского электровозостроительного завода (НЭВЗ) предусматривает их однорядное расположение по вертикали в блоке. В конструкции фирмы «Шкода» мостики расположены в два ряда. Это позволяет несколько уменьшить размеры блока, но создает затруднения для подвода приключаемых проводов.

Сила регулировочной (выключающей) пружины возврата 2, силы нажатия контактов, а также сравнительно небольшие силы трения определяют сопротивление движению подвижной части аппарата. Обычно регулировочные пружины реле изготовляют из калиброванной пружинной проволоки с жесткостью = 2,5 12 Н/мм; для серебряных контактов открытого исполнения требуется нажатие = 5 8 Н при жесткости на один мостик =5 6 Н/мм. Для мостика в защищенном исполнении принимают нажатие =4 при жесткости =2,5 3 Н/мм. Пружина, восстанавливающая состояние блока контактов, обычно имеет наибольшую силу жесткость

На рис. 5.18 представлены диаграммы сил электромагнитного реле, поясняющие способы регулирования его уставки.

В реле максимальной защиты на значительные токи, т. е. в так называемых реле перегрузки (см. рис. 2.13 и 4.13, а) катушки но существу отсутствуют. В реле РТ-253 роль катушки выполняет седлообразный отрезок шины, в реле RPD8 — такой же отрезок прямой без изгибов. Реле РТ-253 может быть использовано в цепях как постоянного, так и переменного тока; оно имеет шихтованный П-образный магнитопровод и демпферный виток. У реле RPD8 также шихтованный магнитопровод, но демпферного витка нет; оно предназначено только для э. п. с. постоянного тока. Контакты обоих реле мостикового типа

Рис. 5.17. Унифицированные блоки контактов управления конструкции НЭВЗ (а) и фирмы «Шкода» (б):

1 - панель; 2 - пружина возврата: 3 - пружина контактная: 4 - шток: 5 - контакт под­вижной; 6 - контакт неподвижный; 7 - выводы; 8 - корпус; 9 - колодка изоляционная

Р ис. 5.18. Диаграммы сил электромагнитных , и сопротивлений движению реле (а), составляющих (б), регулирования уставки с помощью сил пружины сил выключающих, включающих контактов, восстановления блока (в), а также изменением воздушного зазора (г)

(см. рис 5.17, а, б). Реле РТ-253 имеет индикатор срабатывания (блинкер), приводимый в действие стержнем контактного устройства. Это реле с унифицированной магнитной системой, проволочной катушкой напряжения и унифицированным блоком контактов. Его особенность — наличие замкнутого кольца для получения выдержки времени.

Р

Рис. 5.19. Схема реле перегрузки с фиксацией срабатывания

еле перегрузки с фиксацией состояния срабатывания (рис. 5.19) чаще всего применяют на электропоездах. По существу такое реле состоит из реле перегрузки Р-103, включенного в цепь высокого напряжения, и механизма восстановления — реле Р-102, связанного с ним изоляционной планкой 4 на якоре 1. Последовательно в защищаемую цепь включена катушка 11, контролирующая ток. При срабатывании реле Р-103 его якорь 1 притягивается к сердечнику, преодолевая силу пружины 10, регулируемую гайкой 3, а конец планки 4 ударяет по упору 5, освобождая защелкой 6 якорь 7 механизма восстановления. С якорем 7 связаны контакты 8 цепей управления. При выключении силовой цепи исполнительными аппаратами по этим сигналам якорь 1 отпадает, но цепь управления не восстанавливается, так как не притянут якорь 7. Реле восстанавливается кратковременным включением катушки 9. Притянувшись, якорь 7 вновь запирается на защелку, восстанавливая цепи контактами 8. Сработавшее реле можно обнаружить, но отпаданию индикатора 12 при притяжении якоря 1. Применение всякого рода защелок в реле обычно снижает точность их срабатывания. Ток уставки регулируют винтом 2.

Точность срабатывания по ГОСТ 9219 - 88 для реле в тяговом исполнении определяется как отклонение от уставки. Для номинальных климатических условий, %,

,

где — среднее арифметическое значение ряда величин срабатывании в нормальных климатических условиях при уставке .

Кроме того, нормируется отклонение уставки для условии различных специальных испытаний. Эти отклонения определяют так же, как и бу, но для соответствующих условий. Нормированные значения и приведены в табл. 5.1.

Точность для реле остальных видов немногим отличается от нормированной.

Дифференциальные реле. Реле может контролировать не сам показатель по его минимальному или максимальному значению, а расхождения или отклонения этого показателя в пределах его значений . По такому принципу выполняют дифференциальную защиту. При этом нормированное отклонение от уставки показателя х

Обычно реле дифференциальной защиты разделяют на потенциальные и токовые.

Потенциальные дифференциальные реле контролируют возникновение ненормированных разностей потенциалов в точках эквипотенциальных в нормальных условиях. На э. п. с. их обычно используют в качестве защиты от боксоваиия: реле выявляют недопустимую разность потенциалов, появляющуюся вследствие разницы э. д. с. двигателей, зависящей от их частоты вращения.

Рис. 5.20 Включение реле боксования при последовательном (а) и параллельном (б) соединении тяговых двигателей

Таблица 5.1

Вид реле	Расчетное значение , не более	, не болем, для испытаний на
		тепло-стойкость	холодо-стойкость	вибро-стойкость
Повышенного и пониженного напряжения, перегрузки
Защиты (с механической защелкой)
Для реле напряжения без учета погрешности от нагревания меди котушки

Реле боксования РБ включают в цепь тяговых двигателей так, как показано на рис. 5.20. При последовательном соединении, если сопротивления резисторов R1 и R2 равны, напряжение, в точке a при всех условиях равно напряжению в цепи якоря. Если боксование отсутствует, в точке б напряжение , а напряжение , на зажимах катушки реле РБ равно нулю. Возможны лишь небольшие отклонения вследствие расхождения характеристик двигателей.

При боксовании одной из колесных пар э. д. с. , а значит , что вызывает срабатывание реле боксования РБ. Приблизительно такое же напряжение на зажимах катушки реле боксования возникает и при параллельном соединении двигателей.

Так как боксование — быстро развивающийся процесс, реле РБ должны обладать по возможности большим быстродействием, срабатывать при возможно меньших напряжениях. Их магнитные системы выполняют обычно шихтованными, с минимальными зазорами между якорем и сердечником. Значения случайны и практически не ограничены. Поэтому катушки реле должны обладать высокой теплостойкостью. Их изоляция от корпуса соответствует изоляции силовых цепей.

Широко распространено реле боксования типа РБ-469 (рис. 5.21). Его основные данные: номинальное напряжение от корпуса 2 кВ; ток катушки продолжительный 2,6 А; ток срабатывания 0,5 А; ток предельный 290 А в течение 0,1 с; время срабатывания при двукратном токе уставки 0,09 с; напряжение срабатывания при разности потенциалов между точками включения 2 В; коэффициент возврата не менее 0,3. Реле предназначено для э. п. с. переменного тока.

Токовое дифференциальное реле контролирует баланс токов в защищаемой цепи, т. е. равенство их на ее входе и выходе. Простейшее такое реле (см. рис. 4.13, б) используют для защиты вспомогательных цепей. Оно имеет две одинаковых катушки, м. д. с. которых направлены встречно. При отсутствии токов утечки в цепи м.д.с. взаимно компенсируются и магнитная система размагничена. Если в результате перекрытия или пробои изоляции возникает ток утечки, то баланс м.д.с. нарушается и результирующая м.д.с.

Эта м.д.с. вызовет срабатывание реле. Рассмотренная система проста; выполнена на базе унифицированного реле. Ей присущи некоторые недостатки: малая чувствительность и точность, возможность ложных сигналов и др.

Рис. 5.21. Реле боксования РБ-469:

1 — корпус блок-контактов: 2 — пружина; 3 — якорь; 4 — опора ножевая; 5 — магнитопровод шихтованный; 6 — катушка ^

Рис. 5.22. Дифференциальное реле типа РДЗ-504

В отечественной практике дифференциальные токовые реле широко применяют для защиты силовых цепей электровозов. Применительно к реле типа РДЗ-504 (рис. 5.22) принцип действия защиты пояснен на рис. 5.23. Реле включается, когда якорь 4 (см. рис. 5.22) притягивается к магнитопроводу 8 под действием катушки подмагничивания 5. При этом замыкаются его контакты 2, введенные в цепь удерживающей катушки БВ. Другие контакты реле вводят в цепь катушки 5, если притянут якорь, резистор 7 для снижения силы магнитного притяжения.

Рис. 5.23 Схема, поясняющая принцип действия дифференциального токового реле силовых цепей электровоза постоянного тока

Все части реле, включая и регулировочную пружину 6, установлены на изоляционной панели 1 и закрыты кожухом 3. Провода силовых цепей пропущены через нижнее окно разветвленного, шихтованного магнитопровода 8. В нормальном состоянии магнитный поток, показанный на рис. 5.23 сплошными линиями, создает только м.д.с. катушки 5. Реле срабатывает при появлении токов утечки , когда появляется м.д.с. небаланса . Возникающий при этом магнитный поток показан штриховыми линиями.

З начения тока утечки случайны и могут быть, столь значительны, что при перемагничивании системы ранее отпавший якорь 4 может вновь притянуться к магнитопроводу и контакты цепей управления вновь вернутся в исходное состояние. Для предотвращения этого магнитопровод выполнен с перемычкой, имеющей небольшой воздушный зазор. Она шунтирует магнитный поток в зоне непритянутого якоря.

Принцип расчета разветвленных магнитных систем. Схема (замещения магнитных цепей (рис. 5.24) составляется так же, как для электрических, причем м.д.с. подобна э. д. с. Е, магнитные потоки Ф – токам I, магнитные проводимости — проводимостям электрическим (i, магнитные сопротивления — электрическим R.

М

Рис. 5.24. Схемы расчетная (а) и за­мещения (б) разветвленного магнитопровода

агнитные проводимости воздушных зазоров

,

где — площадь поперечного сечения воздушного зазора; при малых зазорах она

равна площади сечения стального сердечника, образующего зазор; — зазор.

Для стальных участков магнитопровода

,

где — длина участка стального магнитопровода; Н ( ) — магнитная напряженность, зависящая от индукции на участке.

В некоторых случаях удобнее вводить в расчет не магнитные проводимости, а сопротивления .

Схему замещения рассчитывают теми же методами, что и аналогичные электрические системы. В рассматриваемом случае следует начать с расчета системы при , а затем, повышая значения , получить поток в зоне якоря при возможно меньшей м.д.с. .

Своеобразно использованы принципы дифференциальной защиты в системах защиты от к.з. на электровозах переменного тока. Здесь блок БРД (рис. 5.25) из пары дифференциальных токовых реле контролирует резкие нарастания тока силовой цепи. Шина, включенная в цепь питания выпрямителей, по которой протекает ток I секции электровоза, разделена на участке, где включен блок БРД, на две параллельных ветви 5 и 6, имеющие одинаковые площади сечения, длины, активные сопротивления г. Индуктивность ветви 6 повышена установкой на ней шихтованного индуктивного шунта 4. Обе ветви перекрестно пропущены через нижние окна дифференциальных реле 1 и 3, подобных по принципу действия и конструкции реле РДЗ-504.

Рис. 5.25 Принципиальная схема блока дифференциальных реле

При таком расположении шин неравенство тока в параллельных ветвях вызывает появление м.д.с. небаланса , действующей согласно с м.д.с. катушки подмагничивания одного из реле и против другого реле. Подмагничивающие катушки обоих реле включены последовательно, что обеспечивает точное равенство их м.д.с. Если в первом реле лишь усилит силу притяжения якоря, то во втором может вызвать его отпадание. При достаточной разнице токов в параллельных ветвях сработавшее реле разомкнет цепь отключающей катушки 2, что вызовет срабатывание выключателя.

При установившихся режимах соотношение токов параллельных ветвей

где , — индуктивности соответственно шины и индуктивного шунта; — угловая частота переменного тока.

Рис. 5.26. Блок дифференциальных реле БРД-204:

1 — шина с индуктивным шунтом; 2— шина без шунта; 3 — панель; 4 — дифференциальное- токовое реле; 5 — резистор; 6 — сердечник индуктивного шунта; 7 — шпилька

Однако ток в цепи далеко не синусоидален, имеет гармонические составляющие, изменяющиеся в зависимости от режима работы. Чтобы реле не срабатывало при рабочих квазиустановившихся режимах, его уставку загрубляют, т. е. задают с учетом значительных токов дисбаланса. Для условий к.з. рассмотрим лишь свободные составляющие тока. Постоянные времени для обеих ветвей: и .

Соответственно свободные составляющие токов:

.

Их разность, определяющая срабатывание одного из реле,

Эти зависимости имеют также ориентировочный характер, так как они учитывают только одну (хотя и характерную) составляющую токов к.з. В качестве примера приведен блок БРД (рис. 5.26) для электровоза ВЛ . Его основные технические данные: номинальное напряжение 2,5 кВ; продолжительный ток силовой цепи (действующее значение) 1,5 кА; ток срабатывания А; время срабатывания при скорости нарастания тока 1,3 А/с 0,01 с; контакты управления на переменном токе при 380 В, на постоянном — 50 В; ток в цепи катушек подмагничивания при продолжительном включении 0,5—0,7 А, при притяжении якоря — не более 4,2 А.