2.7 Електричні реле

Реле – це електричний апарат, в якому при плавній зміні вхідного (керуючого) параметра до певної наперед заданої величини відбувається стрибкоподібна зміна вихідного (керованого) параметра. Хоча один з цих параметрів повинен бути електричним.

Характеристикою керування реле є залежність вихідного параметра Y від вхідного Х. При безперервному зростанні параметра X до деякого значення Х_спр., при якому реле спрацьовує, відбувається стрибкоподібна зміна вихідного параметра Y від нуля (для контактних реле) або від мінімального значення Y_мін (для безконтактних реле) до значення Y = Y_макс. При подальшому зростанні параметра Х значення Y не змінюється. Коли вхідний параметр X зменшується до значення X = X_відп., при якому реле відпускає, параметр Y стрибкоподібно зменшується до нуля або до значення Y = Y_мін. Такий характер переривчастої функції називається релейним керуванням.

В електроприводах реле використовуються для виконання функцій керування та захисту. Окрема група реле, які називають проміжними, призначена для передачі команд з одного електричного кола в інші, розмноження сигналів та їх підсилення.

До реле, що працюють в системах керування і захисту електроприводів, ставиться ряд специфічних вимог. Вони повинні бути стійкими до ударів та вібрацій, захищеними від дії факторів оточуючого середовища (високої вологості, запиленості і загазованості повітря), мати високу надійність. Оскільки частота вмикань сучасних електроприводів досягає 3600 за годину, то реле керування повинні мати високу стійкість проти механічних і електричних спрацювань. Реле захисту повинні також забезпечувати тривалий час стабільність параметрів настройки.

Найчастіше реле класифікують за такими ознаками:

• за родом вхідної величини – реле струму, напруги, температури, частоти, тиску, швидкості і т.д.;

• за родом струму керування – постійного і змінного струму;

• за величиною напруги кола керування;

• за коефіцієнтом повернення реле струму і напруги – з нормованим коефіцієнтом повернення; з ненормованим коефіцієнтом повернення;

• за кількістю і видом контактів;

• за категорією застосування;

• за способом приєднання провідників – з переднім приєднанням; із заднім приєднанням;

• за конструктивним виконанням – відкриті, пилобризкозахищені, герметичні, з герметизованими контактами, герконові;

• за принципом дії – контактні і безконтактні.

Реле звичайно мають три функціональні елементи: сприймаючий, проміжний і виконавчий. Реле часу, крім того, мають четвертий елемент, який створює витримку часу між моментом подачі керуючого сигналу на сприймаючий елемент і моментом спрацювання виконавчого елемента.

Сприймаючий елемент сприймає вхідний (керуючий) параметр (струм, напругу, тиск, температуру тощо) і перетворює його у фізичну величину, необхідну для роботи реле. В реле з рухомими частинами сприймаючий елемент є рушійним органом. В контактних реле вхідна величина перетворюється сприймаючим елементом, як правило, в механічну силу.

Проміжний елемент (у контактних реле – пружина) порівнює значення перетвореної вхідної величини із заданим значенням і при перевищенні керуючим параметром заданого значення передає первинну дію на виконавчий елемент.

Виконавчий елемент стрибкоподібно змінює вихідний параметр. В контактних реле виконавчим елементом є рухома контактна система. Виконавчі елементи безконтактних реле різко змінюють свій опір, ємність або індуктивність.

Основними характеристиками реле є:

• значення величини спрацювання Х_спр.;

• значення величини відпускання Х_відп.;

• коефіцієнт повернення K_п – відношення величини відпускання до величини спрацювання:

. (2.5)

Коефіцієнт повернення реле завжди менший одиниці і знаходиться в межах від 0,2 до 0,99. Він залежить від характеру і співвідношення тягової і механічної характеристик реле.

• робоче значення вхідної величини Х_р – максимальне значення цієї величини, під дією якої сприймаючий елемент може знаходитися тривало, не руйнуючись (не перегріваючись вище допустимої температури);

• потужність спрацювання Р_спр – потужність, яку реле споживає при спрацюванні;

• потужність керування Р_к – електрична потужність вихідного кола, яку виконавчий елемент реле може пропускати тривало. Для контактних реле ще і та потужність, яку контакти можуть вмикати і вимикати при даній напрузі.

• коефіцціент підсилення К_с – відношення потужності керування до потужності спрацювання:

; (2.6)

• допустима частота спрацювання – кількість спрацювань за одиницю часу. За цим параметром реле поділяють на три основні групи: а) з малою частотою спрацювання за хвилину; б) з середньою частотою спрацювання – від одного разу за хвилину до десяти разів за секунду; в) з великою частотою спрацювання – більше десяти разів за секунду (вібраційні реле);

• час спцювання – проміжок часу між моментом появи сигналу Х ≥ Х_спр. до моменту появи сигналу Y_макс у керованому колі;

• час відпускання – проміжок часу від моменту зняття сигналу із сприймаючого елемента до моменту припинення дії виконавчого органа на кероване коло;

• срок служби – календарна тривалість експлуатації реле від її початку до настання граничного стану;

• стійкість проти спрацювання – властивість реле протистояти спрацюванню, яка оцінюється кількістю комутаційних циклів.

В електроприводах найчастіше застосовують реле струму, реле напруги,

проміжні реле і реле часу.

Реле струму і напруги. Обмотки реле струму вмикаються послідовно із споживачами електроенергії, тому розраховані на струми в одиниці і десятки ампер. При більших значеннях робочих струмів реле вмикають через трансформатори струму. Для регулювання струму спрацювання реле мають спеціальні регулюючі пристрої.

В електроприводах реле струму використовують як реле максимального струму, реле мінімального струму та реле контролю робочого струму.

Реле максимального струму використовують як захисні реле електродвигунів. Їх обмотки вмикають в головні кола двигунів, а розмикаючі контакти – в кола керування (рис. 2.4). За цією схемою реле КА1…КА3 вмикають М при перевантаженнях струмом без витримки часу. Реле КА4 вимикає контактор КМ через реле часу КT при затяжних пусках (t_в.р.ч < t_пуску) або при короткочасних пікових перевантаженнях. При цьому струм уставки реле КА4 вибирається за умовою:

I_уст ≤ 0,75I_пуск, (2.7)

де I_уст – пусковий струм двигуна.

Струм повернення реле I_пов. = 1,3 I_дв.ном.

Уставка реле КА1…КА3 вибирається за умовою:

I_уст ≤ (1,3÷1,5)I_пуск. (2.8)

Рисунок 2.4 – Схема максимального струмового захисту з реле часу

Реле мінімального струму використовують для захисту трифазних електродвигунів від обриву фази (рис. 2.5). Замикаючі контакти реле КА1, КА2, КА3 вмикаються послідовно з допоміжним контактом контактора КМ.

В цьому випадку струм уставки реле повинен дорівнювати номінальному струму двигуна:

I_у.с. = I_дв.ном. (2.9)

Коефіцієнт повернення реле повинен бути якнайменшим, щоб при малих навантаженнях двигун не вимикався.

Рисунок 2.5 – Схема захисту електродвигуна від обриву фази

Реле контролю робочого струму використовують як пускові у схемах керування пуском у функції струму асинхронних двигунів з фазним ротором, двигунів постійного струму або синхронних двигунів. При цьому реле настроюють так, щоб струм їх спрацювання був меншим пускового струму двигуна, а струм відпускання дорівнював струмові перемикання:

I_спр.р = (0,7 ÷ 0,8) I_{дв.пуск}, (2.10)

I_відп.р = I_{перемик.}

Реле напруги використовуються для контролю напруги та як проміжні реле.

Якщо потрібно контролювати зниження напруги, використовують реле напруги. При цьому контакти реле вимикають установку при зниженні напруги мережі нижче допустимої.

При короткому замиканні в мережі напруга на двигунах знижується. Якщо коротке замикання триває 0,03…0,05 с, то як правило контактори і магнітні пускачі не встигають вимкнути електродвигуни, а частота їх обертання практично не змінюється. При більш тривалих зниженнях напруги нижче 0,7U_н двигуни можуть бути вимкнені пусковими апаратами. Якщо таке зниження напруги недопустиме, в коло керування вмикають реле напруги, яке регулюють на напругу відпускання, вищу за 0,7U_н. Схема вмикання така (рис. 2.6). При положенні перемикача SA “0” одержує живлення обмотка реле KV, яке замикає свій контакт. Двигун вмикається переводом перемикача в положення “1”. При зниженні напруги мережі відпускає реле KV і двигун вимикається. Повторний запуск можливий після повернення перемикача SA спочатку в нульове положення, а потім в положення “1”.

Рисунок 2.6 – Схема керування електродвигуном з використанням

проміжного реле

Якщо потрібно контролювати наявність напруги, то реле напруги настроюють так, щоб вони спрацьовували при напрузі, близькій до номінальної, а відпускали при низький напрузі. Тобто, коефіцієнт повернення таких реле К_пов = 0,2…0,4.

Контакти реле напруги повинні витримувати пускові струми обмоток пускачів і контакторів, які знаходяться в межах (7…12)І_роб.

Для захисту установок від небезпечного підвищення напруги використовують реле максимальної напруги. Їх напруга спрацювання повинна бути більшою номінальної напруги захищуваної установки: U_спр.р.>U_ном. В коло керування вмикається розмикаючий контакт реле.

Для захисту електроприводів від порушення параметрів мережі живлення застосовують реле контролю трифазної напруги. Наприклад, реле ЕЛ-23 контролює величини мінімальної і максимальної напруги, асиметрію фаз, послідовність фаз, обрив фаз. Настроювана витримка часу дозволяє ігнорувати короткочасні стрибки напруги мережі.

Проміжні реле використовуються як підсилювачі первинних сигналів або для розмноження кіл керування. Існують реле з однією, двома (вмикаючою і утримуючою) або трьома (вмикаючою, утримуючою та вимикаючою) обмотками, без затримки часу спрацювання та з затримкою часу спрацювання або відпускання.

Наприклад, для підсилення сигналу від електроконтактного манометра ЗКМ, струм вихідного контакту якого не перевищує 50 мА, можна використати реле РЗП-20 з допустимим струмом контактів 6 А.

Проміжні реле вибираються за родом струму, напругою і струмом обмотки, напругою і струмом контактів, наявністю затримки часу, кількістю і видом контактів, способом монтажу, способом приєднання провідників, ступенем захисту від дії оточуючого середовища.

Реле часу. В системах захисту і автоматики часто потрібна витримка часу між спрацюванням двох або кількох апаратів, або створення певної часової послідовності операцій. Для створення таких витримок існують реле часу.

Загальні вимоги до реле:

а) стабільність витримки часу при коливаннях напруги, частоти струму, температури навколишнього середовища тощо;

б) мала споживана потужність, маса і габарити.

У схемах керування електроприводом при великій частоті вмикання реле часу повинні мати високу стійкість проти спрацювання (5…10)·10⁶ спрацювань. Розкид часу спрацювання їх може досягати 10 %. Тривалість витримок часу знаходиться в межах 0,25…10 с.

Для автоматизації технологічних процесів потрібні реле з великою витримкою часу – від кількох хвилин до кількох годин. У цьому випадку використовують моторні або напівпровідникові реле.

В реле часу з електромагнітним управлінням при відпусканні, наприклад, типу РЗВ-800, витримка часу створюється за рахунок уповільнення спадання магнітного потоку в магнітопроводі після вимикання котушки. Для цього: 1) магнітопровід виконано з низьким опором магнітному потоку; 2) на одне з осердь магнітопроводу одягнена короткозамкнена обмотка у вигляді мідної або алюмінієвої гільзи. Реле спрацьовує без витримки часу. Після вимикання котушки спадаючий магнітний потік індукує в гільзі ЕРС самоіндукції, яка підтримує потік магнітопроводу. Витримка часу реле плавно регулюється натягом зворотної пружини. Грубе регулювання витримки часу здійснюється зміною товщини немагнітної прокладки між якорем і осердям магнітопроводу.

Тривалість витримок часу електромагнітних реле знаходиться в межах 0,3…10 с, допустима кількість вмикань досягає 600 за годину. Набір контактів lз+1р або 2з+2р. Контакти можуть комутувати постійний струм при вмиканні 5 А при напрузі 220 В і вимикати струм 0,2 А при індуктивному та 0,5 А при активному навантаженнях.

В пневматичних реле типу РВП при спрацюванні або відпусканні електромагніта під дією пружини колодка, зв'язана з гумовою діафрагмою, опускається і натискує на мікровимикач. Діафрагма вмонтована в пневматичний уповільнювач. Швидкість руху діафрагми з колодкою визначається перерізом отвору, через який засмоктується повітря у верхню порожнину уповільнювача. Витримка часу регулюється голкою, яка змінює переріз цього отвору. Межі регулювання витримки часу 0,4…180 с. Контактна система мікроперемикача допускає тривалий струм 3 А і струм вимикання 0,2 А при напрузі 380 В змінного струму. Реле РВП може обладнуватися також і мікровимикачем, контакти якого перемикаються без витримки часу.

В моторних реле часу типу ВС-10 синхронний електродвигун через електромагнітну муфту і уповільнюючий редуктор приводить в обертання диски з кулачками. Кулачки дисків через проміжні кулачки перемикають вихідні контакти. Витримка часу перемикання контактів регулюється зміною початкового положення дисків. Після вимкнення реле диски в попереднє положення повертаються зворотною пружиною. Діапазон витримок часу 1 с … 26 хв. Точність роботи ±5 с. Кількість дисків (незалежних груп контактів) – від 3 до 6. Вихідні контакти допускають тривалий струм 10 А і можуть вимикати навантаження змінного струму 800 ВА при напрузі 220В. Допустимі коливання напруги (0,9…1,12)U_ном, стійкість проти спрацювань – не менше 1000 циклів.

Двопрограмне добове реле часу 2РВМ має диск з двома рядами отворів, що приводиться в рух годинниковим механізмом. Частота обертання диска – 1 оберт за добу. Отвори зовнішнього ряду розміщені через 15 хв. один від одного, внутрішнього – через 20 хв. Ряди отворів оцифровані в годинах доби. При налагодженні реле в отвори вкручуються спеціальні штифти, які діють на вихідні контакти. Перший за ходом штифт замикає вихідний контакт , а другий – розмикає. Таким чином, за допомогою реле 2РВМ можна автоматично керувати циклічними технологічними процесами. Наприклад, щоденно вмикати транспортер яйцезбору у пташнику об 11-й годині і вимикати його о 12 год. 20 хв. Для автоматичного підзаведення пружини годинникового механізму реле має синхронний двигун, який керується контактом кінцевого вимикача.

Напівпровідникові реле часу створюють витримки від долі секунди до кількох діб. Витримки часу в цих реле створюються шляхом заряджання конденсатора через резистор або шляхом підрахунку лічильником заданої кількості імпульсів, які видаються генератором імпульсів. Вихідним елементом в напівпровідникових реле часу служить електромагнітне реле. Наприклад, мікропроцесорне реле часу (програмний таймер) з добовим або тижневим циклом РВЦ-03 може виконувати такі функції: керування споживачами за заданою програмою з незалежним розподілом уставок по каналах; збереження пам'яті програм при вимиканні реле від мережі живлення; багатократне повторення запрограмованого режиму за добовим або тижневим циклом поточного часу; індикація поточного часу при наявності напруги живлення.

Реле часу вибирають за родом струму і величиною напруги на вході, необхідним діапазоном регулювання витримок часу, конструктивним виконанням, комутаційною здатністю вихідних елементів.

Герконові реле. Найменш надійним вузлом електромагнітних реле є контактна система. Електрична дуга або іскра, що виникають при розмиканні і замиканні контактів, швидко їх руйнують. Цьому також сприяють окислювальні процеси та покриття контактних поверхонь шаром пилу, вологи і бруду. Суттєвим недоліком електромагнітних реле є і наявність тертьових вузлів, спрацювання яких знижує їх роботоздатність. Іншим недоліком електромагнітних реле є їх інерційність, обумовлена значною масою рухомих частин.

Вказані недоліки обумовили створення реле з герметичними магнітно-керованими контактами.

Контактні осердя виготовлюються з пермалою – феромагнітного матеріалу з високою магнітною проникністю – і вварюються в скляний герметичний балон. Балон заповнюється інертним газом – азотом або азотом з невеликою добавкою (до 3 %) водню. Тиск газу всередині балона (0,4…0,6)·10⁵ Па.

Інертне середовище запобігає окисленню контактних осердь. Балон поміщується в обмотку керування. При подачі струму в обмотку магнітний потік Ф проходить по контактних осердях, через робочий зазор між ними і замикається по повітрю навкруг обмотки. Потік Ф, проходячи через робочий зазор, створює тягову електромагнітну силу, яка, долаючи пружність контактних осердь, з'єднує їх між собою. Для зменшення опору перехідного контакту поверхні дотику покриваються тонким шаром (2…50 мкм) золота, радію, паладію, ренію, срібла та ін.

При вимиканні обмотки магнітний потік спадає і контакти розмикаються. Таким чином, в герконових реле відсутні тертьові деталі, а контактні осердя одночасно виконують функції магнітопровода, струмопровода і пружини.

Розроблено велику кількість конструктивних виконань герконових реле: з замикаючим, розмикаючим або перемикаючим контактом, багатоланцюгові реле; реле з керуванням постійним магнітом; реле з пам'яттю; силові герметичні контакти (герсикони).

Основними параметрами, за якими вибираються геркони, є: максимальні комутовані потужність, струм і напруга, максимальна магніторушійна сила (МРС) спрацювання та мінімальна МРС відпускання.