Министерство образования и науки Российской Федерации

Елабужский институт Казанского (Приволжского) федерального университета

Инженерно-технологический факультет

Кафедра общей инженерной подготовки

Автоматизация промышленного производства

Лабораторная работа № 1 контактная релейная техника

Елабуга-2015

Цель работы: изучить основную контактную релейную технику (электромагнитные реле, герконы) и области ее применения.

Оборудование: учебные стенды, источник питания, соединительные провода, авометр.

Общие сведения о реле и их назначении

В автоматике слабые сигналы, исходящие от датчиков, должны управлять работой достаточно мощных исполнительных органов: включать их или выключать. Это часто осуществляется с помощью особых устройств - реле. Реле одновременно имеет две электрические цепи - слаботочную цепь управления и исполнительную цепь, в которую включен потребитель большой мощности - исполнительный орган. Реле позволяет с помощью слабого, малого тока замкнуть или разомкнуть цепь, где протекает большой ток.

Особенностью реле является скачкообразный характер их действия. Как только сила тока в цепи управления достигает определенного значения, называемого током срабатывания, сразу происходит скачкообразное изменение (возрастание или убыва­ние) силы тока в исполнительной цепи - срабатывание реле. Изменение же состояния реле при плавном убывании входной величины, приводящее к скачкообразному из­менению выходной величины обратного характера (убывание или возрастание со­ответственно), называется отпусканием реле.

В автоматических системах применяются различные типы реле. Наибольшее распространение получили электромеханические, электронные и ионные реле. Наиболее существенное различие между ними состоит в том, что электромеха­нические реле являются контактными, а электронные и ионные - бесконтактны­ми. Коммутация (включение и выключение) с помощью контактных групп связа­на с новообразованием и, следовательно, окислением контактов. Окислившиеся контакты не обеспечивают включения исполнительной цепи. В тех случаях, когда частота срабатывания и отпускания реле велика, преимущество, по указанной причине, за электронными и ионными реле. Последние также выгодно отличаются от электромеханических реле малым временем срабатывания и, следовательно, высо­ким быстродействием.

Контактные, электромеханические реле бывают различных систем. Наиболее рас­пространёнными из них являются электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические.

Электромагнитные реле

Схематически устройство электромагнитного реле показано на рисунке 1. Основ­ной частью такого реле является электромагнит, представляющий собой П-образный железный магнитопровод (сердечник) 1, на который надета катушка из изолиро­ванной проволоки 5. При прохождении по катушке электрического тока магнито­провод намагничивается и притягивает якорь, представляющий собой стальную планку 2 в форме угольника, имеющую возможность поворачиваться вокруг оси. Специальный изоляционный упорный штифт 6, укреплённый на конце угольника, соприкасается с плоской стальной пружиной 4, несущей подвижный контакт, - контактной пружиной.

При отсутствии тока в катушке сила упругости контактной пружины удерживает якорь в непритянутом состоянии, контакты 3 при этом разомкнуты. Когда же якорь притягивается, упорный штифт нажимает на контактную пружину и происходит их замыкание.

Рисунок 1 - Электромагнитное реле с нормально разомкнутой контактной парой

За счет остаточного магнетизма сердечника и якоря последний может оставаться в притянутом состоянии и после выключения тока в катушке (явление залипания якоря). Чтобы исключить такое нарушение, на якоре укреплен неферромагнитный (обычно латунный) штифт 7, ограничивающий приближение якоря к торцу сердечника. Поэтому сила притяжения, действующая на якорь за счёт остаточного магнетизма сердечника, оказывается меньше силы упругости пружины, и реле отпускается, то есть якорь возвращается в исходное положение, в котором он находился до включения тока в цепи катушки.

Как видно из рисунка 1, контакты реле при обесточенной катушке разомкнуты. Такие контакты называются нормально разомкнутыми.

Но на практике часто необходимо, чтобы при обесточенной катушке контакты реле были замкнуты, а при включении тока в цепи катушки контакты размыкались. Такие контакты называются нормально замкнутыми (рис. 2). Они отличаются от нормально замкнутых тем, что подвижным является не ближайший к сердечнику контакт, а дальний. Изоляционный упорный штифт в этом случае пропущен через отверстие в контактной пружине и при включении тока в цепи катушки (при срабатывании реле) нажимает на дальнюю контактную пружину, производя размыкание контактов.

Рисунок 2 - Нормально замкнутая контактная пара Рисунок 3 - Переключающая контактная группа

Наконец, контактная группа может быть переключающей (рис. 3). Она состоит из трех контактных пружин. Контактная пара, образуемая ближним и средним контактами, является нормально замкнутой, а средний и дальний контакты представляют собой нормально разомкнутую контактную пару, Упорный штифт якоря нажимает на среднюю контактную пружину, производя размыкание внутренней контактной пары и замыкание внешней. На рис. 4 показано применение реле, имеющего переключающую контактную группу. Оно используется для одновременного включения одного потребителя (двигателя М) и выключения другого - электрической лампы НL.

Рисунок 4 - Применение электромагнитного реле с переключающей контактной группой

Во многих случаях в автоматических устройствах используются реле, имеющие по несколько контактных групп, которые управляются общим упорным штифтом (рисунок 5).

Рисунок 5 - Электромагнитное реле с несколькими контактными группами

Такое реле при срабатывании или отпускании производит включение, выключение или переключение в нескольких электрических цепях одновременно (рис. 6).

Рисунок 6 - Применение реле с несколькими контактными группами

Основными физическими характеристиками электромагнитных реле являются:

• ток срабатывания,I_ср

• ток отпускания, I_от

• время срабатывания, t_ср

• время отпускания, t_от

• разрывная мощность контактов, P_к

• сопротивление обмотки, R.

Ток срабатывания электромагнитного реле зависит от числа витков обмотки, так как в соответствии с принципом суперпозиции полей магнитная индукции В является суммой магнитной индукции магнитных полей, создаваемых отдельными витками обмотки при протекании по ним тока. Вместе с тем ток срабатывания зависит от суммарной жёсткости контактных пружин, которые перемещаются упорным штифтом. Регулировкой длины контактного штифта можно изменять в определён­ных пределах начальную деформацию контактных пружин и, следовательно, значе­ние тока срабатывания.

Во многих случаях используются многообмоточные реле, то есть реле, в которых на сердечник надевают катушку с несколькими обмотками, имеющими отдельные выводы, либо одну обмотку с несколькими промежуточными выводами. В зави­симости от числа витков включаемой обмотки (или части обмотки) реле будет ха­рактеризоваться тем или иным током срабатывания.

Срабатывание многообмоточного реле может зависеть от значений и направлений токов, протекающих в различных цепях, в которые включены эти обмотки.

В автоматических устройствах к реле предъявляются различные требования в отношении времени срабатывания и времени отпускания. В одних случаях их значения должны быть минимальными, то есть реле должно срабатывать или отпускать как можно быстрее после поступления или исчезновения управляющего электрического импульса .В других же случаях необходимо их увеличивать.

Время срабатывания реле складывается из времени строгания и времени движения якоря. Время строгания при срабатывании реле - это реле, за которое после замыкания цепи катушки сила тока в ней возрастает до значения, равного току срабатывания. В зависимости от конструктивных особенностей конкретного реле время срабатывания составляет величину, которая колеблется в пределах от 5 до 60 мс.

Время отпускания реле также складывается из времени строгания и времени движения якоря. Время трогания при отпускании - это время между моментом выключения тока в катушке и моментом, когда магнитный поток достигает такого малого значения, что под действием силы упругости пружины якорь начинает двигаться от сердечника (начинается отпускание реле). Время движения якоря при отпускании - это время от момента трогания реле до момента срабатывания контактных групп (их замыкание либо размыкание).

Время движения якоря при срабатывании и отпускании зависит от инертности якоря и разности между магнитной силой и силой упругости в процессе его движения.

Так как время строгания при срабатывании и отпускании реле зависит от быстроты изменения (нарастания или убывания) тока в катушке, то его можно увеличить за счет применения соответствующих схем включения катушки. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается время трогания за счет применения той или иной схемы включения катушки реле, называется кратностью замедления.

На рис.7 приведена в качестве примера схема включения катушки электромеханического реле K, обеспечивающая увеличение времени трогания при отпускании в 5 - 6 раз. При замыкании ключа S ток по ветви R-VD не течет, так как диод VD включен в обратном направлении. Следовательно, эта ветвь не влияет на время трогания при срабатывании. Но после размыкания ключа S ток самоиндукции, возникающий благодаря наличию у катушки реле индуктивности, течет через диод D и резистор R (для тока самоиндукции диод оказывается включённым в пропускном направлении). Это и приводит к увеличению времени трогания при отпускании.

Рисунок 7 - Схема включения электромагнитного реле обеспечивающая увеличение времени трогания при отпускании

Реле с повышенным временем срабатывания или отпускания называются реле времени. Одним из вариантов реле времени, собранном на двух электромагнитных реле, является пульс-пара. В автоматике такие реле применяются для обеспечения нужной последовательности включения разных элементов.

При разведении контактов реле не всегда может быть обеспечено прекраще­ние тока. В определенных условиях между контактами возникает электрическая дуга и через нее продолжает течь ток в цепи. В этом случае контактная пара не раз­мыкает исполнительную цепь. Кроме того, возникновение электрической дуги приводит к окислению и разрушению поверхности контактов, к увеличению пе­реходного сопротивления.

Основным параметром, от которого зависит возникновение электрической дуги, является значение мощности тока Р , которое равно произведению напряже­ния на зажимах источника тока и силы тока в электрической цепи.

Как известно, электрическая дуга - это самостоятельный газовый разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией. Но для возникновения термоэлек­тронной эмиссии необходимо, чтобы контакт, имеющий соединение с отрица­тельным зажимом источника, нагревался до высокой температуры. Такой нагрев может возникнуть при бомбардировке контакта интенсивным потоком ионов, имеющих большую кинетическую энергию. А это означает, что термоэлектрон­ная эмиссия и, следовательно, электрическая дуга возникает, если разрывная мощность тока достаточно велика. Большое значение имеют условия нагрева и охлаждения контакта, а также его площадь и масса. Поэтому в каждом конкрет­ном случае контактная пара имеет те или иные конструктивные особенности.

Контакты, предназначенные для размыкания цепей небольшой мощности тока, изготавливаются из серебра, платины, платиноиридиевого сплава, сплавов серебра с золотом, никелем и другими металлами. Более мощные контакты изготавливаются из вольфрама и его сплавов с серебром. Для размыкания цепей с током очень большой мощности контакты делаются из красной меди и графита.

Таким образом, в зависимости от материала и конструкции контактной группы она может применяться для разрыва цепи с током большей или меньшей мощности. В связи с этим очень важной характеристикой контактов является их разрывная мощность, то есть наибольшая мощность электрического тока в цепи, размыкание которой можно осуществить при помощи данной контактной пары без разрушения контактной поверхности.

Нейтральные и поляризованные электромагнитные реле

Действие рассмотренных электромагнитных реле не зависит от направления тока в катушке, то есть при любом направлении тока срабатывание и отпускание ре­ле происходит одинаково. Такие реле, которые "безразличны" к направлению тока, называют нейтральными. У них достаточно велик ток срабатывания. Он может со­ставлять десятки, даже сотни миллиампер. Однако в некоторых случаях в автомати­ческих устройствах необходимы реле, имеющие меньший ток срабатывания. Это пер­вичные реле, к которым поступают слабые сигналы, например, от датчиков, и которые управляют работой исполнительных органов значительной мощности не непосредственно, а через другие реле, характеризующиеся большим током срабатывания и большей разрывной мощностью контактов.

В качестве первичных используются так называемые поляризованные реле, их ток срабатывания составляет десятые или даже сотые доли миллиампера. Поляризо­ванные реле имеют такую конструкцию, при которой они реагируют на изменение направления тока управления. Такие реле, так же как и нейтральные, имеют подвиж­ный якорь и неподвижную обмотку. Различие имеется в устройстве магнитопровода. У поляризованного реле часть магнитопровода представляет собой постоянный маг­нит, который этот магнитопровод поляризует, то есть у него появляются магнитные полюсы. Поэтому реле такого типа и называют поляризованными. Устройство одного из видов поляризованного реле схематически показано на рис. 8.

Рисунок 8 - Устройство поляризованного электромагнитного реле

1 – постоянный магнит; 2 – катушка на ферромагнитном сердечнике; 3 – якорь;. 4 – подвижный контакт; 5 – 5’ – неподвижные контакты; 6- – контактная пружина; 7 – пружины якоря)

Между полюсами постоянного магнита 1 находится подвижный якорь 3, кото­рый удерживается в среднем (нейтральном) положении пружинами 7. При про­хождении тока по катушке 2, надетой на неподвижный сердечник, магнитный поток, создаваемый этой катушкой, замыкается через постоянный магнит. При этом он со­стоит из двух частей, имеющих разные направления (на рис. 8 пунктирные линии). Одна часть имеет направление в ту же сторону, что и магнитный поток постоянного магнита, который на рис. 8 показан сплошной линией, вторая - ему навстречу. В ре­зультате суммарный магнитный поток по одну сторону подвижного якоря оказыва­ется больше, чем по другую, и подвижный якорь поворачивается в сторону боль­шего магнитного потока (чем больше магнитный поток, тем большая сила действу­ет на якорь).

При изменении направления тока в катушке 2 меняется направление магнитного потока, создаваемого катушкой, и подвижный якорь отклоняется в другую сторону. Таким образом, направление отклонения якоря зависит от направления тока в ка­тушке. К якорю прикреплен на плоской пружине 6 подвижный контакт 4, нахо­дящийся между двумя неподвижными контактами 5. Следовательно, эта контактная группа работает на переключение. Поляризованное реле, у которого подвижный якорь удерживается в нейтральном положении пружинами, является трёхпозиционным. При отсутствии тока в катушке пружины удерживают якорь в нейтральном положении и контакты разомкнуты; когда же в катушку поступает ток, то про­исходит соединение подвижного контакта с тем или другим неподвижным кон­тактом в зависимости от направления тока. Однако если с помощью одного из регулировочных винтов 5 привести один неподвижный контакт в соприкоснове­ние с подвижным, когда последний находится в нейтральном положении, то трехпозиционное реле превратится в двухпозиционное. В этом случае реле сра­батывает при одном направлении тока. При отсутствии тока в катушке или другом его направлении подвижный контакт остается на месте и присоединен к одному из неподвижных контактов. Нейтрального положения реле в таком слу­чае не имеет.

К поляризованным реле относятся магнитоэлектрические и электродинамиче­ские реле, работа которых основана на действии магнитного поля постоянного маг­нита на рамку с током. На рис. 9 показано устройство магнитоэлектрического реле. В зависимости от направления тока рамка 1 поворачивается в ту или иную сторону, и подвижный контакт 2 приходит в соприкосновение с одним из не­подвижных контактов 3. При отключении тока рамка, а вместе с ней и подвиж­ный контакт, приходят в нейтральное положение.

Магнитоэлектрические реле являются среди всех типов электромеханических реле наиболее чувствительными: мощность сигнала, необходимого для их срабатывания, составляет величину порядка 10^-10 Вт. Однако при этом создаётся очень малое давление на контактах. Поэтому магнитоэлектрические реле могут применяться для управления цепями, в которых управляемая мощность тока составляет всего несколько ватт или доли ватта.

Электродинамическое реле (рис.10) отличается от магнитоэлектрического лишь тем, что вместо постоянного магнита используется электромагнит. Подаваемый в катушку электромагнита ток называется током возбуждения Jв.

Рисунок 9 - Магнитоэлектрическое реле 1 – контактная пружина, 2 – подвижный контакт; 3 и 3’ –неподвижные контакты

Рисунок 10 - Электродинамическое реле 1 – рамка; 2 – подвижный контакт; 3 – неподвижные контакты

Электродинамические реле рассчитаны на больший, по сравнению с магнитоэлек­трическими реле, ток срабатывания, большее давление на контактах и, следова­тельно, большую управляемую мощность (до 50 Вт и более).

Поляризованные реле характеризуются достаточно высоким быстродействием: их время срабатывания составляет 1-5 мс.

В настоящее время промышленность выпускает различные серии малогабаритных нейтральных и поляризованных реле. Самые миниатюрные из них имеют массу около 5 г и объем 2 см³. Такие электромагнитные реле соизмеримы с полупроводниковыми приборами, например, диодами, транзисторами.

Реле такой серии помещаются в герметический корпус, а выводы от обмоток электромагнита выводятся на цоколь через стеклянные "слёзки". Благодаря этому реле надёжно работают в любых метеорологических условиях: при высокой влажности, низком атмосферном давлении и др. Кроме того, современные малогабаритные электромагнитные реле рассчитываются на надежную работу при значительных внешних механических воздействиях, например, при больших ускорениях, интенсивных вибрациях, ударах.

Все выпускаемые промышленностью малогабаритные реле по своему функциональному назначению делятся на две группы.

К одной группе относятся реле очень высокой чувствительности по напряжению или току. Такие реле используются для преобразования очень слабых пороговых изменений контролируемых величин в значительно большие сигналы в исполнительной цепи.

К другой группе относятся менее чувствительные реле, предназначенные для использования в качестве дистанционных переключателей.

Малогабаритные электромагнитные реле являются в настоящее время одним из основных элементов автоматики и телемеханики.