1.9 Элементы Автоматики

1.9.1 Реле

Реле — это прибор, служащий для дистанционного включения, выключения или переключения электрических цепей. Реле явля­ются одними из самых распространенных элементов автоматики и применяются для различных целей. Они, например, использу­ются для управления работой электрических двигателей, автома­тической защиты от коротких замыканий и перегрузок, в схемах автоматического контроля и сигнализации и т. п.

Любое реле состоит из трех основных частей: воспринимаю­щего органа, реагирующего на определенное внешнее воздействие (величину тока, температуру, свет), Исполнительного устройства, обычно представляющего собой контактную систему и служащего для переключения в управляемой электрической цепи, и промежу­точной части, осуществляющей связь между первыми двумя час­тями.

Электромагнитные реле постоянного тока

Наибольшее применение в схемах автоматики РЛС нашли электрические реле. Из них самыми распространенными явля­ются электромагнитные реле.

Воспринимающей частью электромагнитного реле (рис. 1.47) является электромагнит. Он состоит из обмотки 4, включаемой в управляющую цепь, сердечника 1 электромагнита и ярма 2 элек­тромагнита. Сердечник и ярмо выполняются из магнитомягкого материала, обладающего малыми значениями остаточного магне­тизма и коэрцитивной силы. Промежуточной частью реле явля­ется якорь 3. Он представляет собой пластину из того же мате­риала, что и сердечник реле, поворачивающуюся вокруг оси. Контактная система 6 состоит из подвижных и неподвижных кон­тактов. Для возврата якоря реле и его контактов в исходное со­стояние и создания усилия, противодействующего усилию электро­магнита, служит возвратная пружина 5.

Для того чтобы после выключения реле его якорь не «залипал» к сердечнику (удерживаемый полем остаточного магнетизма), в якоре имеется штифт отлипания из немагнитного материала вы­сотой 0,05—0,5 мм. Штифт не допускает плотного соприкоснове­ния якоря и сердечника.

Работа электромагнитного реле основана на притяжении стального якоря к сердечнику электромагнита. При протекании тока по обмотке электромагнита им создается магнитное поле. Якорь намагничивается, и на него начинает действовать сила, стремящаяся притянуть якорь к сердечнику.

Как только при определенной величине тока в обмотке элек­тромагнита электромагнитная сила окажется больше силы проти­водействующей пружины, якорь притянется. Это вызовет замыка­ние или размыкание контактов. При отключении обмотки реле от источника якорь и контакты под действием пружины возвраща­ются в исходное состояние. Срабатывание такого реле происхо­дит при любом направлении тока в обмотке электромагнита. По­этому оно называется нейтральным.

Поляризованное реле

Поляризованное реле — это такое реле, срабатывание кото­рого зависит от направления тока в обмотке электромагнита. Ус­тройство поляризованного реле (рис. 1.48) отличается от ней­трального только тем, что в состав его магнитопровода 1 входит постоянный магнит 4.

Постоянный магнит создает в реле магнитный поток Ф₀, раз­ветвляющийся в магнитопроводе на две равные части Ф₁ и Ф₂ Обмотки реле создают магнитный поток Фэ, который замыкается в магнитопроводе не разветвляясь.

При отсутствии тока в обмотках 2, 3 реле потоки Ф1 и Ф2 по обе стороны якоря равны по величине и имеют противоположные направления. При этом якорь удерживается пружинами, напри­мер, в нейтральном положении, при подключении к обмотке реле напря­жения указанной на рисунке полярно­сти в магнитопроводе создается маг­нитный поток Фэ. Этот магнитный по­ток в правой части воздушного зазора между якорем и сердечником склады­вается с магнитным потоком Фь а в левой части направлен навстречу маг­нитному потоку Ф₂ и вычитается из него. В результате этого сила притя­жения якоря правой частью магнито­провода будет больше, чем левой. Якорь притянется вправо, замыкая контакт К₁ При изменении направле­ния тока в обмотке реле якорь притя­нется влево, замыкая контакт К₂.

Благодаря наличию постоянного магнита поляризованное реле обладает более высокой чувствительностью, т. е. срабатывает при меньшей мощности подводимого к обмотке сигнала, чем нейтральное реле.

Электромагнитные реле переменного тока

Работа реле переменного тока принципиально не отличается от работы реле постоянного тока, так как при протекании тока по обмотке реле независимо от его направления создается усилие, которое стремится притянуть якорь к сердечнику. Однако кон­струкция реле переменного тока отличается от реле постоянного тока.

По обмотке реле протекает переменный ток. В те моменты времени, когда ток оказывается равным нулю, сила притяжения электромагнита тоже равна нулю. При этом под действием пру­жины якорь может отойти от сердечника электромагнита. При по­следующем возрастании величины тока и силы электромагнита якорь реле снова притянется и т. д., в результате чего якорь реле будет вибрировать, замыкая и размыкая контакты. Вибрация кон­тактов реле вызывает шум и ускоряет их износ.

Это явление устраняется применением разветвленных полюсов. При этом магнитопровод реле имеет на конце щель, делящую его на две равные части. На одну из этих частей надевается медное кольцо, представляющее собой короткозамкнутый виток (рис. 1.49,а). В результате этого магнитный поток электромагнита реле Фр на конце магнитопровода разветвляется на две части.

Одна часть общего потока Фр₂ = Фр_/2 проходит через половину магнитопровода, не имеющую витка, другая часть общего потока Ф_р1— через половину магнитопровода, на которую надет короткозамкнутый виток.

Магнитный поток Фрь пронизывая виток, индуктирует в нем ЭДС Е­₂ (рис. 1.49,6). За счет ЭДС Е­₂ в витке протекает ток I₂. Виток для переменного тока обладает активно-индуктивным со­

противлением. Поэтому ток I₂ отстает по фазе от ЭДС Е₂ на угол, меньший 90°. Ток I₂ создает вокруг витка магнитный поток Ф_к, совпадающий по фазе с током. В левой части магнитопровода магнитный поток Ф_к1 складывается с магнитным потоком Фр₁ а в правой части магнитный поток Ф_к2 направлен навстречу Ф_р2 и вы­читается из него.

Следовательно, из магнитопровода реле в якорь входят два магнитных потока: слева — Ф₁ = Ф_Р1 + Ф_к1 и справа Ф₂ = Ф_Р2—Ф_к1- Эти потоки сдвинуты между собой по фазе на угол, примерно равный 60°. Каждый из них создает свою силу притяжения. Так как в тот момент, когда один из потоков Ф₁ или Ф₂ становится равным нулю, а другой имеет определенное значение, то нет таких моментов времени, когда общий магнитный поток реле и сила притяжения равны нулю. Вибрация якоря отсутствует.

Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи магнитопровод и якорь реле переменного тока в отличие от реле постоянного тока набираются из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Для дистанционного включения и выключения мощных трех­фазных электрических цепей, а также для защиты этих цепей от коротких замыканий и перегрузок применяются контакторы-авто- маты типа АД (переменного тока) и АДД (постоянного тока).

Контактор-автомат представляет собой мощное электромаг­нитное реле постоянного или переменного тока. Он имеет три пары силовых контактов, рассчитанных на токи до 200 А, и несколько слаботочных для замыкания различных цепей управления и сигнализации. Для защиты силовой цепи от перегрузок в кон­такторе-автомате последовательно в цепь главных контактов включены биметаллические пластины, а от коротких замыканий — специальные катушки максимальной защиты. И та и другая за­щита при своем срабатывании через специальные рычаги размы­кает силовые контакты, хотя якорь контактора остается притяну­тым к сердечнику.

Для гашения электрической дуги, возникающей при размыка­нии контактов контактора, используются так называемое перека­тывание контактов, магнитное дутье и искрогасительные камеры.

Сущность перекатывания контактов состоит в следующем. Благодаря разведенным концам контактов и движению под­вижного контакта по неподвижному при их размыкании дуга вы­талкивается к наружным концам контактов и, удлиняясь, разры­вается. Движению дуги к концам контактов способствует то, что она, представляя собой поток ионов, оказывается в магнитном поле обмотки максимальной защиты. Магнитное поле создает вы­талкивающую силу, направленную к концам контактов.

Контакты находятся в искрогасительных камерах, которые об­легчают гашение дуги, дробя ее на части внутренними перего­родками.

Тепловые реле

Тепловыми реле называют такие реле, которые срабатывают при нагревании до определенной температуры. Работа тепловых реле основана на линейном расширении тел при нагревании. Чув­ствительным элементом таких реле является биметаллическая пластина с контактом на конце. Она состоит из двух спаянных или склепанных меж­ду собой пластин из металлов (спла­вов) с различными температурными коэффициентами линейного расши­рения.

При нагревании биметаллической пластины, один конец которой закреп­лен, она будет прогибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения. Это приводит к замыка­нию контакта, находящегося на конце биметаллической пластины, с контактом, который неподвижно закреплен на основании реле (рис. 1.50). В тепловых реле нагрев биметаллической пластины производится либо током, протекающим непосредственно через нее как проводник, либо специальным подогревателем (спиралью).

В РЛС применяются тепловые реле времени и тепловые реле защиты. Первые должны срабатывать по истечении определенного промежутка времени с начала нагревания биметаллической плас­тины, вторые — по достижении током, протекающим по пластине, определенной величины.

Моторное реле времени

Моторное реле времени служит для включения в определенной последовательности и со строго определенными выдержками вре­мени различных цепей РЛС и АСУ.

Реле, принципиальная схема которого изображена на рис. 1.51, состоит из двигателя 1 с редуктором 2, приводящего во враще­ние кулачковый вал 4, на котором размещены фигурные кулачки 6. Выходной вал двигателя соединяется с кулачковым валом муф­той 3 сцепления с помощью электромагнита 5. Возвращение ку­лачкового вала в исходное положение при выключении реле про­изводится возвратной пружиной 8.

При включении реле к сети одновременно подключаются дви­гатель и электромагнит. Двигатель вращается и через муфту по­ворачивает кулачковый вал. Кулачки вала в определенной после­довательности и через определенные интервалы времени замы­кают контакты 7. Последним кулачком размыкается контакт, кото­рый отключает двигатель от сети. Двигатель останавливается. Муфта не дает возможности валу вернуться в исходное состояние.

При включении реле снимается напряжение с обмотки электро­магнита. Муфта расцепляется. Под действием пружины кулачко­вый вал и контактная система приходят в исходное состояние.