2.2. Электромеханические реле

Отечественная промышленность изготовляет электромеханические реле в основном на электромагнитном и индукционном принципах.

Устройство и принцип действия электромагнитных реле. Принцип действия электромагнитных реле основан на притяжении стальной подвижной системы к электромагниту при прохождении тока по его обмотке [15,22].

На рис.2.2 представлены три основные разновидности конструкций электромагнитных реле, содержащих: электромагнит 1, состоящий из стального магнитопровода и обмотки; стальную подвижную систему (якоря) 2, несущую подвижный контакт 3; неподвижные контакты 4; противодействующую пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток Iр создает магнитодвижущую силу (МДС) w_PI_P, под действием которой возникает магнитный поток Ф¹, замыкающийся через магнитопровод электромагнита 1, воздушный зазор δ и подвижную систему 2. Якорь намагничивается, появляется электромагнитная сила F_Э, притягивающая якорь к полюсу электромагнита. Если сила F_Э преодолевает сопротивление пружины, то якорь приходит в движение и своим подвижным контактом 3 замыкает неподвижные контакты реле 4. При прекращении или уменьшении тока Iр до значения, при котором сила F_Э становится меньше силы F_П сопротивления пружины 5, якорь возвращается в начальное положение, размыкая контакты 4.

¹ При питании обмотки реле переменным током Iр = I_msint под Ф подразумевается мгновенное значение потока Ф_t = Ф_msint или его действующее значение.

Начальное и конечное положения якоря ограничиваются упорами 6.

С илы и момент, действующие на подвижную систему реле. Как известно [10], электромагнитная сила F_Э, притягивающая стальной якорь к электромагниту и вызывающая движение якоря, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф в воздушном зазоре:

(2.1)

Магнитный поток Ф и создающий его ток I_P связаны соотношением

(2.2)

где R_M – магнитное сопротивление пути¹, по которому замыкается магнитный поток Ф; w_P – количество витков обмотки реле.

Магнитное сопротивление магнитопровода электромагнита R_M состоит из сопротивления его стальной части R_C и воздушного зазора δ R_В.З:

,

Подставив (2.2) в (2.1), получим

(2.3)

У реле с поворотным якорем и с поперечным движением якоря (рис.2.2, б, в) электромагнитная сила F_Э образует вращающий момент

(2.4)

где d - плечо силы F_Э.

Из (2.3) и (2.4) следует, что сила притяжения F_Э и ее момент Мэ пропорциональны квадрату тока I²_Р в обмотке реле и имеют, следовательно, постоянное направление, не зависящее от направления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и переменного тока и широко используется для изготовления измерительных реле тока, напряжения и вспомогательных реле логической части: промежуточных, сигнальных и реле времени.

¹ Магнитное сопротивление R_M участков магнитной цепи Rc и R_B.З пропорционально его длине l и обратно пропорционально сечению участка S и абсолютной магнитной проницаемости

При перемещении якоря электромагнитного реле в сторону срабатывания уменьшаются воздушный зазор δ (рис.2.2) и соответственно R_M. При постоянстве тока в реле уменьшение R_M вызывает увеличение магнитного потока Ф (2.3), что обусловливает возрастание Fэ и Мэ (2.4).

У реле с поперечным движением якоря и с втягивающимся якорем поле в воздушном зазоре нельзя считать однородным. Для этих конструкций зависимости R_M = (δ), Fэ = (δ) и Мэ = =  (α) имеют сложный характер (рис.2.2, а, б). Силу Fэ и момент Мэ можно выразить через производную магнитной проводимости воздушного зазора [10] уравнением

(2.5)

где G_B.З - магнитная проводимость воздушного зазора, равная 1/R_В.З.

Сила (момент), противодействующая движению подвижной системы реле, создается пружиной (Fп и Мп), трением и тяжестью подвижной системы (F_T и М_Т). При движении якоря на замыкание контактов Fп и Мп увеличиваются с уменьшением δ по линейному закону: Мп = ka. (рис.2.3, а); сила трения F_T остается неизменной.

Токи срабатывания и возврата реле, коэффициент возврата. Ток срабатывания. Реле начинает действовать, когда

или

Мэ = Мэ.с.р = Мп + Мт. (2.6)

Наименьший ток, при котором реле срабатывает, называется током срабатывания Iср.

В реле, выполняющих функции ИО, предусматривается возможность регулирования Iср изменением числа витков обмотки реле (ступенями) и момента, противодействующей пружины М_П (плавно).

Ток возврата. Возврат притянутого якоря в исходное положение происходит при уменьшении тока в обмотке реле под действием пружины 5 (см. рис.2.2), когда момент М_П преодолевает электромагнитный момент М_Э.ВОЗ и момент трения М_Т. Как следует из рис.2.4, это произойдет при соблюдении условия

(2.7)

где М_Э^'₂ - момент, при котором начинается возврат реле.

Током возврата реле I_ВОЗ называется наибольшее значение тока в реле, при котором якорь реле возвращается в исходное положение.

Коэффициент возврата. Отношение токов I_ВОЗ /Iср называется коэффициентом возврата к_B:

(2.8)

У реле, реагирующих на возрастание тока, Iс.р > I_ВОЗ и k_B < 1.

Из диаграммы (рис.2.4) следует, что чем больше избыточный момент ΔM и момент трения М_T, тем больше разница между I_ВОЗ и Iс.р и тем меньше k_B.

Особенности работы реле на переменном токе. При протекании по обмотке реле переменного тока согласно (2.3) мгновенное значение . Учитывая, что

, получаем

(2.9)

где k = 1/2k’.

Это выражение показывает, что электромагнитная сила (а следовательно, и М_Эt) электромагнитного реле переменного тока содержит две составляющие: постоянную kI²_m и переменную kI²_mcos2t, изменяющуюся с двойной частотой ( = 100 Гц) тока (рис.2.5). Электромагнитная сила F_Эt(M_Эt) имеет пульсирующий характер. В то же время противодействующая сила пружины F_П имеет неизменное значение. В результате этого, при сработанном состоянии реле, якорь реле будет находиться под действием разности двух сил F_Эt – F_П, меняющей свой знак.

В интервалы времени ab, cd, ef в течение каждого периода Т, когда F_П> F_Э (рис.2.5), якорь реле стремится отпасть и разомкнуть контакты реле, а в интервале bс, de, когда F_Э > F_П, якорь вновь притягивается к электромагниту, стремясь замкнуть контакты. Вибрация якоря вызывает вибрацию контактов, оказывая вредное влияние на работу реле.

Д ля устранения вибрации применяется расщепление магнитного потока Фр обмотки на две составляющие Ф_I и Ф_II, сдвинутые по фазе. Расщепление потока Фр достигается при помощи короткозамкнутого витка К (рис.2.6).

Короткозамкнутый виток К охватывает часть сечения магнитопровода. Под влиянием магнитного потока Ф_I в витке К возникает ток Iк, создающий поток Фк. На рис.2.6 показаны положительные направления магнитных потоков, а их векторная диаграмма приведена на рис.2.7.

В магнитопроводе реле циркулируют два результирующих магнитных потока: Ф_I – выходящий из-под сечения магнитопровода, охваченного витком К; Ф_II — выходящий из-под сечения S₂, не охваченного витком:

(2.10)

Векторная диаграмма (рис.2.7) показывает, что магнитный поток Ф_I сдвинут относительно Ф_II на угол ψ.

К аждый из магнитных потоков (рис.2.8) Ф_I = Ф_Im sint и Ф_II = Ф_IIm sin(t+ψ) создает силы F_ЭI и F_ЭII, кривые изменения которых смещены по фазе так же, как и магнитные потоки. В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизиться до нуля.

К ак будет показано в гл. 3, при насыщении магнитопровода ТТ вторичный ток имеет несинусоидальный характер, что вызывает вибрацию контактов.

Контакты реле должны обеспечивать многократное надежное замыкание и размыкание тока в управляемых ими цепях. Во время коммутационных операций происходит износ контактов, понижающий надежность их действия. Наиболее тяжелой операцией является размыкание цепи постоянного тока с индуктивным сопротивлением (например, цепи, питающей обмотку реле или электромагнита отключения выключателя). Известно, что в момент размыкания такой цепи в обмотке, обладающей индуктивностью L, возникает противодействующая ЭДС самоиндукции , стремящаяся поддержать протекавший до этого ток (рис.2.9). Под действием этой ЭДС в воздушном зазоре между размыкающимися контактами появляется электрическая дуга (искра), вызывающая обгорание, а при больших токах оплавление и эрозию (распыление металла) контактов.

Отключающая способность контактов зависит от значений тока, напряжения и индуктивности размыкаемой цепи. Она условно характеризуется мощностью S_K, представляющей собой произведение номинального напряжения источника оперативного тока U_О.Т и наибольшего допустимого тока I_К.Д, размыкание которого не вызывает повреждение контактов: S_K = U_О.Т I_KД. Следует отметить, что для цепей переменного тока допустимый ток I_KД. всегда больше, чем для цепи постоянного тока. Это объясняется тем, что при прохождении переменного тока через нулевое значение электрическая дуга гаснет, а возможность ее повторного зажигания уменьшается благодаря увеличению зазора между размыкающимися контактами и снижению значения E_L. Для облегчения работы контактов можно применять шунтирование обмотки аппарата, находящегося в управляемой цепи, искрогасительным контуром RC или цепью из R и диода VD (рис.2.9). В этом случае большая часть тока, вызываемого ЭДС E_L, замыкается по шунтирующему контуру, в котором и погашается (расходуется) основная часть энергии, накопленной в магнитном поле обмотки. В результате этого энергия, поддерживающая ток и электрическую дугу между контактами реле, уменьшается, что существенно облегчает работу контактов. Наличие искрогасительного контура замедляет возврат реле. Этого недостатка лишена схема на рис.2.9, б. Здесь диодом VD шунтируется контакт реле KL, размыкающий индуктивную цепь. При такой схеме ток i, обусловленный E_L, почти полностью замыкается, помимо размыкающихся контактов К, через контур и сопротивление источника U_О.Т. В нормальных условиях, когда контакты реле разомкнуты, контур, шунтирующий контакты, разомкнут диодом VD.

Электрическая дуга между подвижным и неподвижным контактами возникает и при замыкании управляемой цепи. При замыкании подвижный контакт ударяется о неподвижный, что порождает вибрацию контактов, сопровождаемую многократным замыканием и размыканием управляемой цепи. При этом в момент разрыва появляется дуга, которая может вызвать оплавление и приваривание контактов при сильном их нагреве. Вибрация прекратится, когда кинетическая энергия подвижной системы реле израсходуется на преодоление сопротивления подвижных контактов и нагрев элементов замыкаемой цепи.

Для предупреждения порчи контактов электрической дугой неподвижные контакты выполняются в виде упругих пластин, колеблющихся вместе с подвижными контактами без разрыва управляемой цепи. Применяются также демпферы (механические успокоители), поглощающие кинетическую энергию подвижной системы. Контакты выполняются из тугоплавкого и менее подверженного окислению материала. Применяется серебро, металлокерамика и др.