Глава 4. Переключающие устройства и распределители

1. Электрические реле

Реле являются одними из основных и наиболее ответ­ственных элементов автоматических систем. Реле представляет собой коммутационное устройство, которое при воздействии каких- либо внешних факторов скачкообразно изменяет свое состояние. По виду физических величин, на которые реагируют реле, их делят на электрические, механические, магнитные, тепловые, оптические и др.

В конструкции любого электрического реле можно выделить пять основных функциональных элементов: воспринимающий, преобразующий, сравнивающий, исполнительный и регулиру­ющий.

Воспринимающий и преобразующий элементы непосредственно реагируют на один из параметров тока и преобразуют его в меха­ническую силу или другую физическую величину, необходимую для дальнейшей работы реле. Следовательно, воспринимающий и преобразующий элементы образуют преобразователь электри­ческой энергии в механическую, т. е. представляют собой двига­тельный орган.

Сравнивающий элемент (у контактных реле — пружина), по­лучив преобразованный сигнал, сравнивает его с заданным и в случае появления отклонения формирует команду на сраба­тывание.

Исполнительный элемент (обычно система контактов) при срабатывании реле воздействует на управляемую цепь, изменяя ее параметры, т. е. соединяет либо разъединяет два или несколько проводников электрической цепи.

Рис. 19. Типы контактов реле:

а — замыкающие; 6 — размыкающие; в — переключающие; I — подвижный контакт;

2 — толкатель; 3 — контактная пружина; 4 — жесткая пружина; б — неподвижный коктакт

Регулирующий элемент используют для настройки реле.

Различают три группы контактов реле: замыкающие

(рис. 19, а), размыкающие (рис. 19, б) и переключающие (рис. 19, в).

Условия работы контактов прежде всего определяются напря­жением в сети, мощностью и характером нагрузки, а также часто­той коммутации, т. е. числом включений и отключений в единицу времени.

Конструктивное исполнение контактов отличается большим разнообразием, однако наибольшее распространение получили поворотные (рис. 20, а) и мостовые (рис. 20, б) контакты.

Основной характеристикой реле является статическая харак­теристика управления, показывающая зависимость выходной вели­чины X от входной К и имеющая для большинства реле гистере- зисную форму. Вид характеристики зависит от типа реле (рис. 21, а—д).

Реле различных типов характеризуются также параметрами срабатывания и возврата, временами срабатывания и возврата и др.

Параметр срабатывания — минимальное значение »входного сигнала, при котором реле срабатывает, т. е, происходит пере­ключение его контактов. Этот параметр характеризует чувстви­тельность реле.

Рис. 20. Разновидности

контактов: I

а — поворотные; б — мо­стовые

Параметр возврата — максимальное значение входного сиг­нала, при котором происходит возврат реле в исходное положение и размыкание контактов.

Рис. 21. Виды статических характеристик реле:

а и б — двухпозициониого неполяриэованного реле; в — двухпозициоиного с двумя устойчивыми состояниями; гид — трехпозиционного

Время срабатывания т_ср — это интервал времени от момента подачи управляющего сигнала до момента появления сигнала в управляющей цепи. По времени срабатывания реле подразде­ляют на безынерционные (т_ср < 0,001 с), быстродействующие (т_ср < 0,05 с), нормальные (т_ср — 0,05 ... 0,25 с), замедленного действия 1т_ср < (0,25 ... 1,0 с) І, выдержки времени (т_ср > 1,0 с). Последние обычно называют реле времени.

Время возврата т_отп — интервал времени от момента снятия входного сигнала до момента прекращения воздействия исполни­тельного элемента на управляющую цепь.

Рабочий параметр — это установившееся значение входного параметра, при котором реле длительно находится во включен­ном состоянии и работает нормально, не перегреваясь.

Срок службы — допустимое число срабатываний реле (для различных реле число срабатываний может составлять от не­скольких тысяч до десятков миллионов).

По назначению электрические реле делят на реле защиты, управления, автоматики, связи и т. п.

В реле защиты реализуются два способа воздействия на от­ключение выключателя: прямой и косвенный. В реле прямого действия исполнительный элемент воздействует непосредственно на отключающий механизм привода выключателя. Эти реле, как правило, монтируют в привод выключателя. К ним относятся встроенные реле типов РТМ (максимальное реле тока мгновенного действия), РТВ (максимальное реле тока с выдержкой времени) и РНВ (минимальное реле напряжения с выдержкой времени).

При срабатывании реле косвенного действия его контакты замыкают цепь оперативного тока, к которой подключена обмотка управления привода. Наиболее распространенными реле косвен­ного действия являются реле тока РТ-40 и реле напряжения РН'50.

Реле управления применяют для управления электроприво­дами (двигателями, электромагнитными тормозами и т. п.).

Реле автоматики используют в схемах автоматического управ­ления. Это обычно электромагнитные реле постоянного тока, которые в зависимости от исполнения могут выполнять функции реле тока, напряжения, времени или промежуточных реле. Пос­ледние выполняют одну из трех функций: усилителя мощности, размножителя контактов или блокировки памяти.

По принципу работы электрические реле делят на электро­механические, статические и электротепловые.

Электромеханические реле подразделяют на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные.

Электромагнитными реле называют реле, работа которых основана на воздействии магнитного ноля неподвижной обмотки на подвижный ферромагнитный элемент (якорь или мапштопровод с контактами). Эти реле бывают постоянного или переменного тока. Различают два вида реле постоянного тока: неполяризован- ные или поляризованные. Неполяризованиые реле работают независимо от полярности тока в обмотке. Поляризованные реле действуют только при определенной полярности.

Электромагнитные неполяризованиые реле по конструкции могут быть трех типов: с поворотным якорем, втяжным якорем и герметизированным магнитоуправляемым контактом (герконом).

Рассмотрим более подробно работу электромагнитного реле с поворотным якорем (рис. 22). Средний контакт / смонтирован на якоре 2, шарнирно соединенном с магнигонроводом 5. При отсутствии питания (входного сигнала) в катушке 6 средний кон­такт 1 под действием пружины 3 прижат к верхнему контакту реле. При подаче питания (входного сигнала) на катушку 6 якорь 2 притягивается к стержню 4 и перебра­сывает средний контакт 1 от верхнего контакта к нижнему. Этот этап работы называется срабатыванием. Реле можно использовать не только как переклю­чающее, но и как размыкающее (средний контакт с верхним) и замыкающее (средний контакт с нижним) устройство.

ческое реле

Герконовое реле имеет самую простую конструкцию (рис. 23). Геркон 1 (или герконы) размещается внутри катушки 2 (обмотки) реле. Геркон представляет собой стеклянный баллон, внутри кото­рого впаяны контактные пружины 3 из магнитомягкого мате­риала. Контактные пружины одновременно выполняют функ­ции якоря, магнитопровода, контактов и возвратной пружины. Внутри баллона геркона создается либо вакуум, либо он запол­няется азотом или аргоном. При подаче тока в обмотку реле

возникает магнитный поток, который намагничивает контактные пружины. Между ними возникает электромагнитная сила, и кон­такты замыкаются. Реле с герконом отличается повышенной надежностью и бблыним быстродействием, чем реле с поворотным или втяжным якорем. Недостатками этих реле являются неболь­шая мощность и подверженность влиянию внешних магнитных полей, способных вызвать ложное срабатывание геркона.

Поляризованные реле в отличие от неполяризованных реаги­руют не только на силу, но и на направление (полярность) тока в обмотке. Поляризованное реле значительно чувствительнее неполяризованного, имеет меньшее время срабатывания и выдает полярный сигнал. Такие реле являются незаменимыми элементами автоматики в электрических следящих системах, где направление вращения электродвигателя определяется полярностью сигнала.

У электромагнитных реле переменного тока магнитопровод набирается из трансформаторной листовой стали с целью умень­шения потерь на вихревые токи. Для устранения вибрации кон­тактов, вызываемой периодическим изменением силы и направле­ния переменного тока; а следовательно, и усилия, создаваемого его магнитным полем, на торец магнитопровода насажибается медный короткозамкнутый виток. В остальном конструкция реле переменного тока аналогична конструкции реле постоянного тока.

Принцип работы магнитоэлектрических реле основан на вза­имодействии магнитных полей неподвижного постоянного магнита и возбуждаемой током подвижной обмотки. Между полюсами постоянного магнита 1 (рис. 24) на оси расположен цилиндриче­ский магнитопровод 2 с алюминиевой рамкой 3. На рамку намо­тана обмотка из тонкой проволоки. При подаче тока на рамку 3 вследствие взаимодействия магнитных полей она поворачивается, и якорь 4 замыкает контакт 5 с контактом 6 при одной поляр­ности тока или с контактом 7 — при другой полярности. Вслед­ствие того, что контакты должны иметь малую контактную силу (0,3 ... 1,0 Н), их выполняют из платины или платино-иридиевого сплава.

Магнитоэлектрические реле менее распространены, чем элек­тромагнитные, вследствие большего времени срабатывания (т_ср = = 0,1 ... 0,2 с), но имеют очень большую чувствительность (Р_ор — = 10~¹⁰ Вт).

Электродинамические реле по принципу действия аналогичны магнитоэлектрическим, но магнитное поле в нем создается не постоянным магнитом, а специальной обмоткой возбуждения, размещенной на магнитопроводе.

Индукционные реле принадлежат к группе электромехани­ческих реле, работа которых основана на взаимодействии перемен­ных магнитных полей неподвижных обмоток с током, индуциро­ванным этими полями в подвижном элементе. Они фактически являются примитивными электродвигателями переменного тока с однофазным питанием.

Основной особенностью статических реле является отсутствие каких-либо подвижных элементов (контактов). В зависимости от типа управляющего элемента, используемого в схеме, их делят на ферромагнитные, электровакуумные, ионные и полупровод­никовые.

Ферромагнитное реле — статическое реле, работа которого основана на использовании нелинейной характеристики ферро­магнитных материалов. Ионные и полупроводниковые реле реаги­руют непосредственно на силу тока или напряжение, под дей­ствием которых происходит скачкообразное изменение проводи­мости электронных, ионных или полупроводниковых элементов. Схемы этих реле основаны на схемах триггеров.

Триггер представляет собой электронную схему с релейными характеристиками, имеющими два устойчивых состояния. Переход из одного состояния в другое происходит под воздействием внеш-- него сигнала. В настоящее время наибольшее распространение получили триггеры на транзисторах.

Практические схемы транзисторных реле выполняют так, чтобы всякий раз управляющее напряжение или ток, достигнув некоторого фиксированного уровня — порога срабатывания (возврата), имело один и тот же знак. Транзисторное реле зани­мает вполне определенные исходные состояния при отсутствии управляющего воздействия.

Наибольшее распространение получили два варианта реле: с параллельной обратной связью по выходному напряжению (рис. 25, о) и с последовательной обратной евязью по выходному току (рис. 25, б). В исходном состоянии схемы, показанной на рис. 25, о, транзистор VI насыщен от источника питания через резистор R₀₀ обратной связи и нагрузочный резистор R_B. Тран-

Рис. 25. Полупроводниковые реле (триггеры):

а — с параллельной обратной связью по выходному напряжению; 6 с последователь­ной обратной связью по току

зистор У2 заперт падением напряжения на диоде УЗ, входящем в состав делителя УЗ — Н2. Через резистор нагрузки Н_я ток практически не проходит. Схема, приведенная на рис. 25, б, имеет противоположное исходное состояние. Транзистор VI за­перт напряжением обратной связи, а транзистор У2 насыщен от источника питания через резистор /?/. Нагрузочный резистор соединен с источником питания.

При ІІ_ВХ > 1/ср состояние каждой схемы скачкообразно изме­няется на обратное. Так, в схеме на рис. 25, а транзистор VI запирается источником напряжения управления. Транзистор У2 насыщается, и нагрузочный резистор к_п соединяется с источником питания. В схеме, приведенной на рис. 25, б, транзистор VI открывается напряжением источника питания, а транзистор У2 закрывается, и ток в нагрузке Я_и прекращается. В новом устой­чивом положении он удерживается до тех пор, пока £/_вх £/_от, после чего скачкообразно возвращается в исходное состояние.

Рассмотренные реле подобны по своим свойствам электромагнит­ным с соответственно замыкающими и размыкающими контактами. Транзисторные реле имеют значительное усиление по мощности, поэтому их используют для управления работой импульсных регуляторов.

Работа электротепловых реле основана на выделении теплоты при прохождении электрического тока. Наибольшее распростра­нение получили тепловые реле с биметаллическим элементом. Биметаллический элемент состоит из двух соединенных сваркой пластин, одна из которых имеет большой температурный коэффи­циент расширения. Если нагреть такой элемент, то он изогнется в сторону материала с меньшим коэффициентом расширения. Биметаллический элемент может нагреваться за счет теплоты, выделяемой в пластине протекающим током или специальным нагревателем.

Тепловые реле предназначены для защиты трехфазных асин­хронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузки. Реле защищает двигатель при сравнительно небольших, но продолжи­тельных перегрузках. Наибольшее распро­странение получили реле серии ТРН, кото­рыми комплектуются магнитные пускатели.

В схемах автоматического управления электроприводами для пуска, торможения, остановки, контроля за исправностью и предельной частотой: вращения, регулиро­вания частоты вращения применяют реле частоты вращения, в конструкции кото­рых использованы принципы механических, электромеханических, электровакуумных (например, фотореле) и других приборов.

Рассмотрим схему фотоэлектронного реле (рис. 26).

Поскольку мощность- получаемого сигнала от фотоэлемента очень мала, его предварительно усиливают, а затем подают на электромагнитное реле, контактную систему которого используют для включения управляющих устройств оборудования. Питание схем осуществляется переменным током через трансформатор Т.

В течение отрицательных полупериодов изменения напряже­ния на анодах лампы V и фотоэлемента В анодный ток отсутствует независимо от интенсивности освещения фотоэлемента. При поло­жительных полупериодах и освещенном фотоэлементе фотоны создают на резисторе /?_с падение напряжения и в лампе возникает анодный ток, вызывающий срабатывание реле К.

Для устранения пульсации реле параллельно его обмотке включают конденсатор С. Для настройки срабатывания реле в за­висимости от интенсивности Освещенности используется перемен­ный резистор Я.

В литейном производстве фотореле применяют для включения исполнительных механизмов систем автоматизации формовочных машин и выбивных устройств.