Электромагнитные реле

Релейно-контактная аппаратура оборудований предприятий питания построена в основном на электромагнитных реле.

Электромагнитным называется реле, в котором тяговое усилие создается энергией магнитного опля, возникающего при протекании электрического тока через обмотку. Различают четыре основных разновидности электромагнитных реле: нейтральные постоянного тока, нейтральные переменного тока, поляризованные и язычковые.

Нейтральным называют такое реле, у которого тяговое усилие на якоре, развиваемое магнитным потоком обмотки, не зависит от направления тока в ней.

Электромагнитное нейтральное реле (рисунок 2) содержит неподвижный сердечник 1 с обмоткой 2 и подвижный якорь 3, который при перемещении замыкает или размыкает контакты. При отсутствии управляющего сигнала якорь удален от сердечника на максимальное расстояние за счет возвратной пружины.

Рисунок 2

Принцип действия реле основан на следующем: при подаче тока в обмотку создается магнитный поток, который, проходя через сердечник, якорь и воздушный зазор “ ” создает магнитное усилие, притягивающее якорь к сердечнику. При этом якорь, воздействует на колодку, перемещает ее таким образом, что замыкающие контакты замыкаются, а размыкающие – размыкаются. При отсутствии тока якорь под действием пружины возвращается в исходное положение.

Таким образом, электромагнитное реле состоит из трех основных частей: контактной системы, магнитопровода (ярмо, сердечник, якорь – мягкая сталь) и обмотки (катушки).

В тех случаях, когда основным источником энергии является сеть переменного тока, желательно применять реле, обмотки которых питаются переменным током. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь может вибрировать, периодически оттягиваться от сердечника возвратной пружиной. Реле переменного тока имеют худшие параметры, чем реле постоянного тока, так при одинаковых размерах имеют меньшее электромагнитное усилие и менее чувствительны. Кроме того, они сложнее и дороже, так как необходимо принять специальные меры для устранения вибрации якоря, которое приводит к обгоранию контактов, прерыванию электрической цепи.

Существует три способа устранения вибрации якоря реле переменного тока.

Применение утяжеленного якоря, который благодаря большой инерции не может вибрировать с удвоенной частотой, т.е. он не успевает от сердечника в те моменты времени, когда ток в обмотке реле проходит через нуль. Однако применение утяжеленного якоря вызывает увеличение его размеров, стоимости, уменьшения чувствительности.

Применение двухфазного реле. Двухфазное реле имеет две обмотки (рисунок 3а), расположение на двух сердечниках ЭМ₁ и ЭМ₂, имеющих общий якорь. Обмотки реле соединены параллельно относительно друг друга. В цепь одной из обмоток включен конденсатор С, благодаря чему токи в обмотках реле оказываются сдвинутыми по фазе на угол.

Рисунок 3

Так как токи в обмотках проходят через нуль в разные моменты времени, то результирующее тяговое усилие, действующее на якорь, никогда не обращается в нуль и имеет постоянное значение, т.е. не содержит переменной составляющей (рисунок 3б)

При использовании двухфазных реле электромагнитное усилие

вдвое меньше, чем в обмотках реле постоянного тока.

Применение короткозамкнутого витка (экрана) охватывающего часть конца сердечника (расщепленный сердечник), является наиболее эффективным (рисунок 4а)

Конец сердечника, обращенный к якорю расщеплен на две части, на одну из которых надета короткозамкнутая обмотка – экран Э (один или несколько витков). Магнитопровод выполнен из отдельных листов для уменьшения потерь.

Принцип работы реле в следующем. Переменный магнитный поток Ф_осн обмотки W_осн, проходя через разрезанную часть сердечника, делится на две части.

Рисунок 4

Часть потока Ф₂ проходит через экранированную половину полюса сечением S, в который размещается короткозамкнутая обмотка, а другая часть потока Ф₁ проходит через неэкранированную половину полюса сечением S₁ (рисунок 4б).

Поток Ф₂ наводит в короткозамкнутом витке э.д.с., которая создает ток i_кз. При этом возникает еще один магнитный поток Ф_кз, который воздействует на магнитный поток Ф₂ и вызывает отставание этого потока по фазе относительно потока Ф₁ на угол . Благодаря этому результирующее тяговое усилие F никогда не доходит до нуля, так как оба потока проходят через нуль в разные моменты времени.

Величина минимального усилия зависит от степени охвата сердечника короткозамкнутой обмоткой. Опытным путем установлено, что наивыгоднейшие параметры короткозамкнутой обмотки получены при условии, когда площадь поперечного сечения экранированного полюса будет в два раза больше площади поперечного сечения неэкранированного полюса, т.е. S = 2S.

Поляризованное реле. В отличие от нейтральных, у поляризованных реле направление электромагнитного усилия зависит от полярности сигнала постоянного тока в обмотке. Поляризация таких реле осуществляется при помощи постоянного магнита.

В поляризованных реле используют дифференциальные и мостовые схемы магнитных цепей. Рассмотрим поляризованное реле с дифференциальной схемой магнитной цепи (рисунок 5). В схеме 1 и 1’ – намагничивающие катушки, создающие в ярме 2 магнитный поток Ф; 3 – постоянный магнит, который создает постоянный магнитный поток Ф: 4 – якорь; 5 и 5’ – контакты.

Рисунок 5

На якорь реле действуют два независимых друг от друга потока: поток Ф_о постоянного магнита, не зависящий от рабочего состояния схемы, в которую включено реле, и рабочий (управляющий) поток Ф_э, определяемый намагничивающей силой катушки, т.е. величиной протекающего по обмотке тока. Электромагнитное усилие, действующее на якорь, определяется в зависимости от суммарного действия обоих потоков – Ф_э и Ф_о – в соответствии с проводимостями воздушных зазоров слева и справа от якоря ( .

Якорь свободно перемещается на оси и при отсутствии управляющего сигнала в рабочей обмотке может располагается в левой или правой части магнитопровода, не удерживаясь в среднем, неустойчивом, положении.. В зависимости от направлении потока якорь замыкает либо левый, либо правый контакт. Такая конструкция применяется в качестве дифференциального реле, т.е. реле реагирующего на разность токов в обмотках.

Поляризованное реле выполняется двух- и трехпозиционным. В двухпозиционном симметрично отрегулированном поляризованном реле (нейтральная настройка) при снятии управляющего сигнала с рабочих обмотках якорь остается в положении, в котором он был при наличии сигнала. В другое положение он перейдет лишь в том случае, если подать управляющий сигнал обратного направления. В двухпозиционном поляризованном реле с несимметричной регулировкой (с преобладанием) контакты реле смещаются в сторону одного полюса. При снятии управляющего сигнала в результате преобладающего влияния одного полюса якорь возвращается в сторону смещенного контакта.

Трехпозиционное поляризованное реле имеет пружинящий якорь, поэтому при отсутствии управляющего сигнала якорь занимает среднее положение (контакты разомкнуты). В зависимости от направления управляющего тока замыкается тот или иной контакт.

Поляризованные реле работают только на постоянном токе. Они обладают высокой чувствительностью и быстродействием, однако могут коммутировать не более двух управляемых цепей. Типы реле РП-4, РП-5, РП-7.

Рисунок 6

Возможно также управление выходными цепями в зависимости от полярности входного сигнала с помощью электромагнитных нейтральных реле. Для этого в цепь соответствующих реле включают диоды.

Диоды V1 и V2 включены последовательно с обмотками реле К1 и К2. При положительной полярности входного сигнала U_вх сразу срабатывает реле К1 и замыкает контакт К1.1, при этом включается исполнительная цепь а-б. При отрицательной полярности U_вх срабатывает реле К2 и его замыкающий контакт К2.1 включает цепь а-в. Таким образом, схема работает подобно трехпозиционному поляризованному реле.

В группу электромагнитных реле входят безъякорные реле (ферриды и герконы).

Феррид – это устройство релейного действия, магнитная система которого имеет магнитовод 1 с прямоугольной несимметричной петлей гистерезиса, выполненной из феррита, и ферромагнитные контакты 2 (контактные пружины).

Контактные пружины должны обладать высокой магнитной проницаемости, поэтому изготавливаются из сплава типа пермаллоя, а также должны быть электропроводными и обладать достаточной механической упругостью. На магнитопроводе размещается управляющая обмотка 4.

Рисунок 7

Следует отметить, что концы контактных пружин должны перекрывать друг друга и, следовательно, выполняют роль контактов 3, а сами пружины являются частью магнитопровода феррида (рисунок 7а).

Рассмотрим принцип работы феррида, используя при этом графическую зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н его сердечника. Эта зависимость представляет собой несимметричную гистерезисную петлю (рисунок 7б)

В исходном состоянии контакты разомкнуты, ток в обмотке феррида отсутствует и индукция в сердечнике имеет минимальное значение, соответствующее В. При подаче сигнала U_у в виде импульса определенной полярности ток в обмотке создает напряженность в сердечнике, равную Н_ср, и индукция в сердечнике достигает значения индукции насыщения В_н. После снятия сигнала U_у ток в обмотке 4 прекращается и индукция В_н несколько уменьшается, становится равной В_ср. В результате намагничивания сердечника между концами пружин создается электромагнитное усилие, преодолевающее механические силы упругости пружин, и контакты 3 замыкаются, одновременно подключается нагрузка R_н к источнику U. Следует отметить, что после окончания импульса контакты остаются замкнутыми за счет остаточного магнитного потока феррида и пружин.

Для отпускания контактов необходимо подать в обмотку импульс тока противоположного направления, чтобы размагнитить магнитную систему, при этом индукция в сердечнике вновь становится равной В_о. Величина обратного импульса тока не должна создать напряженность, превышающей коэрцитивную силу (коэрцитио – удержание, значение напряженности магнитного поля, необходимое для полного размагничивания вещества). Иначе возможно повторное срабатывание феррида от магнитного потока противоположной полярности.

Геркон находит большое применение в автоматике. В обычных электромагнитных реле наиболее ненадежным элементом является контакт, подвергающийся воздействию среды: окислению, запыленности, влажности. Герметизация контактов от воздействия внешней среды повышает надежность реле. Герконы применяются в концевых и кнопочных выключателях, шаговых переключателях.

Геркон состоит из стеклянного баллона 1 с впаянными внутри него двумя электродами 2 из ферромагнитного материала (пермолоя), выполняющими роль контактных пружин и магнитопровода. На концы пружины (контакты) 3 наносят слой из хорошо проводящего материала (серебро, золото, родий) (рисунок 8).

Токоотводами являются наружные концы электрода 4. Если геркон поместить в магнитное поле, созданное током в обмотке, по направлению вдоль электродов, то в воздушном промежутке между контактами возникает электромагнитное усилие. Когда оно окажется больше противодействующих сил созданных упругостью электродов, контакты замкнутся.

Рисунок 8

Герконы бывают вакуумными и газонаполненными. Вакуумные позволяют коммутировать цепь с напряжением 5000 В, газонаполненные – 400-500 В.

Коммутирующий контакт выполняет функцию исполнительного органа электромагнитного реле (наиболее важный элемент реле). Под коммутирующим контактом понимается токоведущая деталь устройства замыкающего, размыкающего и переключающего цепь, в которой течет ток.

Контакты электромагнитных реле характеризуются следующими основными параметрами:

- форма контакта – плоские, цилиндрические, конические и сферические. Рабочие поверхности контактов могут соприкасаться в точке, по линии и по поверхности какой-либо формы;

- раствор контактов – кратчайшее расстояние между подвижным и неподвижным контактов;

- контактное нажатие – сила, действующая между двумя замкнутыми контактами;

- материал контактов – выбор связан с величиной тока и частотой включений. Для маломощных контактов используют серебро, платину, золото. Для средних токов применяются серебро и серебряно-медные сплавы. Медь используется для самых мощных контактов с большим контактным нажатием;

- размеры контактов обусловлены величиной коммутируемой нагрузки и допустимой температурой нагрева. С увеличением размеров контактов возрастает поверхность теплоотдачи;

- сопротивление электрического контакта – параметр, определяющий надежность работы контактных устройств. Сопротивление контактов зависит от их размеров и свойств материала. Величина этого сопротивления мала (меньше величины сопротивления подсоединительных проводов), поэтому в практических расчетах ею пренебрегают.

В зависимости от мощности коммутируемой цепи на контактах возникает разряд в виде искры или дуги.

Рисунок 9 Рисунок 10

Способы борьбы с искрообразованием сводится к применению специальных схем, уменьшающих коммутационные напряжения на контактах до значений, меньших напряжения зажигания. Искрогашение можно осуществить включением параллельно резистора с большим сопротивлением (рисунок 9), резистора и конденсатора (рисунок 10).

Емкость исключает протекание тока нагрузки в шунтирующей цепи при разомкнутых контактах. После размыкания контактов ток по мере заряда конденсатора от нуля до напряжения питания U постепенно уменьшается до нуля. Таким образом, перенапряжение на контактах не возникает.

В схеме рисунок 11 применяется метод шунтирования индуктивной нагрузки последовательным включением емкости с сопротивлением R_ш. В момент размыкания контактов в контуре, образованном нагрузкой и шунтом, под действием энергии, запасенной в магнитном поле, возникает ток переходного процесса, который протекает еще некоторое время после размыкании контактов, предотвращая тем самым наведение высоких значений э.д.с. самоиндукции. Энергия магнитного поля переходит в тепло, которое выделяется на сопротивлении шунта R_ш. Наличие конденсатора в схеме исключает прохождение тока нагрузки при замкнутых контактах.

Рисунок 11 Рисунок 12

Для того чтобы в контуре L_H – R_H – C – R_ш не возникали автоколебания тока, величину емкости выбирают из условия .

В схеме рис. 12 диод производит аналогичное действие, т.е. шунтирует индуктивную нагрузку и пропускает ток переходного процесса і, который создает э.д.с. самоиндукции в момент разрыва управляемой цепи. При замкнутых контактах диод заперт напряжением сети и не пропускает ток нагрузки.