2.1.2. Электромагнитные реле. Принцип действия

Электромагнитные реле – это электромеханические реле, в которых магнитное поле неподвижной обмотки с током воздействует на подвижный ферромагнитный элемент, называемый якорем.

Электромагнитное реле называется нейтральным, если оно реагирует только на значение тока в обмотке, и поляризованным, если его работа зависит от полярности тока в обмотке.

Рассмотрим изображенное на рис. 18 простейшее электромагнитное реле, с одним замыкающим контактным узлом при нулевом значении входной величины Х – тока I_вх в обмотке 1. При достижении током I_вх значения I_ср якорь 10 отойдет от упора 11 и притянется к сердечнику 12. В процессе движения якоря его верхний конец, действуя через толкатель 9, дополнительно изогнет плоскую контактную пружину 6 вверх до соприкосновения ее контакта 8 с контактом 7 контактной пружины 5, которая затем отойдет вверх до упора 4.

В результате по выходной цепи пойдет ток I_вых – выходная величина.

При дальнейшем увеличении входного тока выходной ток практически не изменяется.

Если теперь уменьшить входной ток, то при его значении Iвх=Iотп механическая сила изогнутых пружин преодолевает электромагнитную силу притяжения якоря к сердечнику – контакты разомкнутся и выходная цепь обесточится. Таким образом, входным параметром в этом реле является ток катушки электромаг-

Рис. 18

нита, а выходным – ток нагрузки.

В электромагнитных реле согласуют тяговую и механическую характеристики.

Тяговая характеристика реле – это зависимость электромагнитной силы якоря F_э от величины воздушного зазора δ или угла поворота якоря F_n(δ).

Механическая характеристика – это зависимость противодействующей силы якоря F_n от величины воздушного зазора F_n(δ). Причем F_n(δ) = F₁ + F₂, где F₁(δ) – линейная сила противодействия пружины от деформации; F₂(δ) – предварительное на-

пряжение контактной пружины, создаваемое в момент соприкосновения контактов для борьбы с вибрацией. На рис. 19 представлены зависимости F1(δ) и F2(δ), где δн – начальный зазор, δмин – конечный зазор, который всегда создается, чтобы устранить залипание якоря в магнитной системе.

Рис. 19

Чтобы реле сработало, необходимо, чтобы тяговая характеристика F_э1(δ) во всех точках хода механизма располагалась выше механической характеристики, т.е. F_э1 > F_n.

Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика F_э2(δ) во всех точках хода механизма была ниже механической характеристики F_n(δ), т.е. F_э2(δ) < F_n(δ), тогда якорь возвратится в начальное положение.

Значение тока обмотки, при котором δ = δ_н и F_э1 = F_n, называется током срабатывания I_ср или трогания. Для надежного срабатывания в реле обычно подается ток больший, чем I_ср.

Током отпускания I_отп называется ток обмотки, при котором δ = δ_мин, F_э2 = F_n.При этом якорь отходит, ток нагрузки скачкообразно уменьшается до нуля или минимального значения.

Тогда коэффициент запаса по определению выражается следующим образом:

Kз = Iраб / Iср.

(38)

Коэффициент возврата реле можно определить из соотношения

Kв = Iотп / Iср.

(39)

Для реле защиты и реле управления, контролирующих входной параметр в низких пределах, K_в должен быть близок к единице. На коэффициент возврата влияют как механические характеристики реле, так и электромагнитные.

Например, увеличение жесткости возвратной пружины делает характеристики F_n(δ) более крутыми (см. рис. 19), тогда намагничивающая сила отпускания возрастает, следовательно, увеличивается ток отпускания I_отп, но при этом намагничивающая сила и ток срабатывания I_ср уменьшаются, следовательно, коэффициент возврата K_в увеличивается.

За счет гистерезиса магнитного материала уменьшается K_в, так как уменьшается ток отпускания I_отп.

Меняя воздушный минимальный зазор δ_мин, тоже можно влиять на коэффициент возврата.

Время срабатывания реле t_ср складывается из двух состав-

ляющих: t_ср = t_тр + t_дв, где t_тр – время трогания, т.е. промежуток времени, в течение которого ток нарастает от нуля до величины тока срабатывания; t_дв – время движение якоря (рис. 20).

Рис. 20

В момент времени t₁ намагничивающая сила F_э1 превысит F_n и якорь придет в движение.

Время отключения t_откл = t_отп + t_дуги, где t_отп – время отпускания, включающее время движения якоря на размыкание контактов и время выбора провала контактов; t_дуги – время гашения дуги.

Коммутационные характеристики реле определяются режимом работы контактов реле:

– режим нормальных коммутаций, когда контакт коммутирует цепь многократно;

– режим предельных (редких) коммутаций, когда контакт коммутирует цепь несколько раз или несколько десятков раз.

В технической документации указываются следующие коммутационные характеристики:

– коммутационная износостойкость – количество циклов включений-отключений в режиме нормальных коммутаций при заданных условиях (напряжение, постоянная времени);

– предельная коммутационная способность циклического действия – наибольшее значение тока, при котором контакт реле может последовательно замыкаться и размыкаться в режиме редких коммутаций при заданных условиях (напряжение, число циклов, постоянная времени и т.д.);

– предельная отключающая способность – наибольшее значение тока, при котором контакт реле способен размыкаться в заданных условиях.

Кроме того, в документации могут указываться минимальные значения напряжения и тока коммутируемой цепи, количество срабатываний реле.

К характеристикам контактов реле относятся:

– предельный длительный срок цепи контакта – наибольший ток, который предварительно замкнутая цепь контакта способна выдержать длительно в заданных условиях;

– предельный кратковременный ток цепи контакта – наибольший ток, который предварительно замкнутая цепь контакта способна выдержать в заданных условиях;

– сопротивление;

– электрическая прочность межконтактного промежутка.

Для реле управления характерен повторно-кратковременный и прерывисто-продолжительный режимы работы с числом коммутаций до 3600 в 1 час при его высокой механической и коммутационной износостойкости (до 10⁵ ÷ 6·10⁶ циклов коммутаций).