1.4 Релелердің түрлері

. Поляризациялы реле

Бұл реле электромагнитті конструкциялардың бір түрі болып табылады. Поляризациялы реленің якорі 2 магнит ағынының әсерінде тұрады, оның біреуі – жұмыстық деп аталады, ол реленің орамасын қоректендіретін ток арқылы құрылады, ал екіншісі – поляризациялы, яғни тұрақты магнит арқылы құрылады. Поляризациялы реле 2 нұсқамен орындалады – дифференциалды магнитті және көпірлі жүйемен.

Екі конструкциялар да келесідей бөлшектерден тұрады: өзекше (сердечник)-1, орамалар-2, тұрақты магнит-3, якорь-4, түйіспелі (контакт) жүйе-5. Дифференциалды жүйедегі Ф_п поляризациялы магнитті ағын N полюсінен шығады және екі бөлікке Ф_па мен Ф_пб тармақталады. І_ж тогымен ағатын орама жұмыс ағынын Ф_ж құрады.

Көріністі жеңілдету үшін магнит ағынының якорьден тармақталатын бөлігін есептемейміз. Ф_п мен Ф_ж магнит ағындары δ_а ауалы тесікте қосылады, ал δ_б алынады да шешуші магнит ағындарын тудырады:

Ф_а=Ф_па+Ф_ж мен Ф_б=Ф_пб+Ф_ж (1.11)

Ф_а әсерінен якорь F_а=лФ²_а күшімен сол жақ а полюске қарай тартылады. F_а күшіне F_б=лФ²_б күші қарсы әсер етеді, ол якорьды оң жақ б полюске қарай тартады.

Токтың мәні І_ж≤І_орт.ж болғанда, Ф_а-ның мәні Ф_б-дан көбейеді F_а>F_б және якорь сол жақ а полюске тартылып, түйіспені-5 тұйықтайды.

І_ж токтың бағытын өзгеркенде, Ф_а ағыны да өз бағытын өзгертеді. Нәтижесінде, δ_а тесігінде магнит ағындарының айырымы, ал δ_б тесігінде олардың қосындысы пайда болады. Сонда І_ж≥І_орт.ж болғанда, ағын Ф_а<Ф_б, F_а<F_б болады, якорь оң жаққа тартылады.

Поляризациялы ағынның болуы есебінен, реле токтың мәнісі мен оның бағытын реттейді. Поляризацияланған реле айнымалы ток үшін қолайсыз болып табылады. Поляризациялы реленің артықшылықтары: 0,5 мм 0,005 Вт түйіспелер арасындағы тесік пен минималды іске қосу тогы кезінде жететін жұмыстың жоғарғы сенімділігі мен тұтынушылардың аздығы; І_орт.min токтың термиялық беріктілігінің жоғарғы еселігі (20-50), әдетте электромагниттік реленің термиялық беріктілігі 1,5І_орт.min-тан аспайды; жұмыстың жылдамдығы – 0,005 с.

Поляризациялы реленің кемшіліктері: түйіспелердің аз қуаттылығы; арасындағы тетік үлкен емес – 0,1-0,5 мм; қайту коэффиценті төмен.

Индукциялы реле

Индукциялы жүйелердің орындалуы мен жұмыс жасау принципі. Индукциялы реленің жұмысы – айнымалы магнит ағындарының, қозғалмалы реле жүйесіндегі индукциялы токтармен бірігіп жұмыс істеуіне негізделген. Реленің негізгі элементтері болып: екі электрмагнит-1 мен 2 және жылжымалы жүйе-3 табылады. Жүйе электрмагниттің магнит өрісінде орналасқан. Жылжымалы жүйе неомагнитті электр өткізгіш материалдан жасалған. Ол мыс немесе алюминий дискі түрінде, немесе еденді цилиндр (барабан) айналмалы оське-4 қадалады. Айналғанда жылжымайтын түйіспелерге тұйықталатын реленің жылжымалы түйіспелері осьпен берік байланысқан. Спиральды серіппе-7 түйіспелердің тұйықталу жағына қарай жүретін дискінің қозғалысына қарама-қарсы.

Электрмагниттің 1 мен 2-орамалары айнымалы магнит ағындарын-Ф₁ мен Ф₂ тудыратын айнымалы токтармен-І₁ мен І₂ қоректенеді. Токтардың дұрыс бағыты мен соған қатысты ағындардың дұрыс бағыты бұранда ережесімен анықталады, 2.26-сурет. Оның векторлы диаграммасы 2.27-суретте көрсетілген. Магниттелу кезіндегі шығындарды есепке алмағанда, диаграммадағы Ф₁ мен Ф₂ ағындары І₁ мен І₂ токтарымен тең келеді. Ф₁ магнит ағыны жылжымалы жүйені-3 тесіп өтіп, дискіде ЭҚК-ін Е_д1=-dФ₁/dt тудырса, Ф₂ ағыны Е_д2=-dФ₂/dt ЭҚК-ін тудырады. Осы ЭҚК-р магнит ағындарынан фаза бойынша 90º-қа қалады. Е_д1 мен Е_д2 ЭҚК-нің әсерінен жылжымалы жүйеде І₁ мен І₂ құйынды токтар пайда болады. Бұл токтар өз магнит ағынының индукциялайтын ось айналысын тұйықтайды. 2.27-суретте Ф₁ мен Ф₂ ағындарының дұрыс бағытының бұранда ережесі бойынша анықталған І₁ мен І₂ токтарының дұрыс бағыты көрсетілген. Құйынды токтар контурының индуктивтілігі аз болғандықтан, оның І_д1 мен І_д2 векторлары фаза бойынша тең келетін ЭҚК-пен (Е_д1 мен Е_д2) алынады.

Қаралып отырған конструкцияда 2 күш пайда болады: Ф₂ ағынымен жүргізілген І_д2 тогы мен Ф₁ магнит ағынының байланысын көрсететін күш – F_э1=k₁Ф₁І_д2 және Ф₁ ағынымен жүргізілген І_д1 токқа Ф₁ магнит ағынының әсерін көрсететін күш – F_э2=k₂Ф₂І_д1.

«Өзіндік» тогы І_д1 бар Ф₁ ағыны мен құйынды тогы І_д2 бар Ф₂ ағынының байланыс күші нольге тең.

F_э1 мен F_э2 күштерінің бағыты мен оларды тудыратын айналу моменттері М_э1 мен М_э2 дискідегі токтар және ағындар арасындағы фазаның жылжу бұрышына тәуелді уақыттың орташа мәнімен анықталады. F_э1 мен F_э2 күштері «сол қол» ережесі бойынша анықталады, ол 2,26-суретте көрсетілген. Шешуші электрмагнитті күш мынаған тең: F_э=F_э1+F_э2. ал шешуші электрмагнитті момент: М_э=F_эd, мұндағы d – айналу осіне қатысты F_э күшінің түйісуі. М_э моменті жылжымалы жүйені-3 іске қосады, жүйе М_э-нің бағытына байланысты түйіспелі реленің-5 тұйықталу не ажырау жағына қарай қозғалады.

F_э электрмагнит күші мен оның М_э моменті. Шешуші электрмагнитті күштің мәні реленің электрмагнитті орамаларын қоректендіретін кірме токтардың жиілігі f пен араларындағы фаза жылжу бұрышы ψ ток арқылы құрылатын Ф₁ мен Ф₂ магнит ағындары арқылы көрсетіледі:

F_э=k'f Ф₁Ф₂sinψ (1.12)

Сәйкесінше, электрмагнитті момент:

М_э=F_эd=k'f Ф₁Ф₂sinψ=k''f Ф₁Ф₂sinψ (1.13)

Мұндағы, Ф₁ мен Ф₂ – магнит ағындарының әрекеттенуші мәндері; k, k', k'' – тұрақты шамалар.

2.13-өрнегінен келесіні шығарамыз:

1. Шешуші момент магнит ағынының әрекеттегі (амплитудалы) мәндеріне пропорционал және ψ фазаның жылжуына тәуелді. Бұл, индукциялы релені кіретін токтардың фазаларын салыстыру үшін қолдануға болатындығын көрсетеді. Реле ψ=90º кезінде максимал моментті болады да, ψ=0º кезінде жұмыс істемейді.

2. Моменттің таңбасы sinψ-қа тәуелді. F_э шешуші күші озып жатқан осьтен қалушы магнит осіне қарай бағытталған.

3. Реле конструкциясы екіден кем емес айнымалы магнит ағындарының (Ф₁ мен Ф₂) пайда болуын қамтамасыз ету керек. Ағындар фаза бойынша ψ≠0 бұрышқа бұратын және жылжымалы жүйенің әртүрлі нүктелерін тесіп өтеді.

4. Ф₁ мен Ф₂ магнит ағындарының әрекеттегі мәндері тұрақты болғандықтан, индукциялы реле моментінің лездік мәні электрмагниттік релеге қарағанда уақыт бойынша өзгермейді. Сол себепті индукциялы реледе түйіспелердің вибрациясы болмайды. Егер сәйкесінше ағынды туғызатын токтар мен кернеулер синусоидалы болса.

5. Индукциялы принципте келесі айнымалы токтағы релелер орындалады: ток релесі, қуатты/кедергі бағытты, т.б.

. Индукциялы принциптегі ток релесі

Қысқа тұйықталатын орамдары (экран) бар реле. Бір ғана синусоидалы токқа әсер ететін реле – электрмагнит-1, полюстерімен орайтын түйіспесі-4 бар диск-2 көмегімен орындалады (2.28-сурет). Ортадағы фаза бойынша жылжыған қосмагнитті ағын алу үшін электрмагниттің жоғарғы және төменгі полюстеріне қысқа тұйықталған мысты орамдар-3 қондырылған. Мысты орамдар полюстер қимасының бір бөлігін (жартыдан көп) қамтиды. Реле орамасындағы ток I_р мен қысқа тұйықталатын орамдардағы индукцияланатын ток І_к магнит ағындарын Ф_р мен Ф_к тудырады (2.28-сурет). Қысқа тұйықталу ағынымен оралған полюстің І қимасынан шешуші магнит ағыны шығады: Ф₁=Ф_р1+Ф_к1, ал ІІ қимадан – Ф₂=Ф_р2+Ф_к2. Екі магнит ағындары дискті екі жерден тесіп өтеді де, онда құйынды токтарды І_д1 мен І_д2 индукциялайды. 2.28, в-суретте ағындардың векторлы диаграммасы көрсетілген. Ф₁ мен Ф₂ магнит ағындарының дискідегі индукцияланатын токтармен байланысы – F_э электрмагнитті күш және дискідегі әрекеттеуші моментті тудырады:

М_э=F_эd=kФ₁Ф₂sinψ (1.14)

Екі магнит ағындары да I_р тогына пропорционал болғандықтан, ψ бұрышы I_р тогы өзгерсе де өзгермей, тұрақты болады. Сондықтан 2.14-өрнекті келесідей көрсетеміз:

М_э=k' (1.15)

Қуат бағытының индукциялы релесі

Реленің тағайындалымы мен оған қойылатын талаптар. Бұл реле (ҚБР) өзінің қысқышына қадалған қуаттың S белгісі мен мәніне әсер етеді. Олар сұлбада қосалқы станция шиналарынан шығатын басқа да қосылулар немесе ЭБЖ-мен (ЛЭП) қорғалған – бүліну пайда болған жерде қуаттың ЭБЖ-мен қорғалған және анықталған орган ретінде қолданылады. Қысқа тұйықталудың бірінші жағдайында, К1-ге қысқа тұйықталудың S_К1 қуаты шинадан ЭБЖ-ге бағытталады да, ҚБР өз контактілерін қосып және тұйықтап отыруы керек. Ал қысқа тұйықталудың екінші жағдайында, К2-ге қысқа тұйықталудың S_К2 қуаты шинаға қарай бағытталады. Мұнда реле контактілерді тұйықтамауы керек.

Қуат релесі екі орамалы болып келеді: бірі – кернеумен U_р қоректенсе, екіншісі – желідегі токпен І_р қоректенеді (2.32, б-сурет). Орамаларда өтетін токтардың бірге әрекет етуі электрмагнитті моментін тудырады. Оның мәні мен белгісі U_р кернеуге, І_р токқа және олардың арасындағы ψ жылжу бұрышына тәуелді.

ҚБР-ң сезгіштігі – реленің контактілері тұйықталатын минималды қуатпен бағаланады. Бұл қуат іске қосылу қуаты деп аталады және S_іқ деп белгіленеді.

ҚБР-дің іске қосылу уақыты минималды болуы керек.

Қуат бағытының индукциялы релесінің жұмыс істеу принципі мен құрылымы. ҚБР жылжымалы жүйе бар цилиндрлік ротор түрінде орындалады (2.33, а-сурет). Реленің ішіне қайырылған полюстері бар тұйықталған төртполюсті магнит өткізгіші-3 болады. Полюстер арасында болатты цилиндр (өзекше)-2 орнатылған. Ол полюс арасындағы ортаның магнитті өтімділігін көтереді. Алюминийлі цилиндр (ротор)-3 болатты өзекше мен полюс арасындағы тесікте айнала алады. Ротор айналғанда реле контактілері-6 тұйықталады.

Ротор мен контактілерді бастапқы қалпына келтіру үшін қарсы әрекет ететін серіппе-7 қаралған.

Орама-4 U_р=U_ж/K_u кернеуімен қоректенсе, ал орама-5 I_р=І_ж/K_u тогымен, мұндағы U_ж мен І_ж – желідегі кернеу мен ток (қорғаушы элементтің). I_н=U_р/Z_н тогы орамада-4 Ф_н магнит ағынын тудырады (поляризациялайтын).

Орамадан-5 өтетін I_р тогы Ф_т магнит ағынын тудырады (жұмыстық).

2.34-суретте Ф_н мен Ф_т магнит ағындарының векторлы диаграммасы көрсетілген. Оны құру үшін бастапқысында U_р кернеуінің векторы алынады. Фаза бойынша I_н токты U_р кернеуінен α бұрышқа біршама жылжытады, ал I_р тогын – ψ_р бұрышына жылжытады.

Бұрышты кернеуден қоректенетін орамалардың-4 индуктивті және активті кедергілерімен анықтап, оны реленің ішінен жылжу бұрышы деп атаймыз. ψ_р бұрышы желі параметрлері мен U_ж мен І_ж релесіне жүргізілген фазаға тәуелді.

Диаграммада көрсетілген Ф_н мен Ф_т магнит ағындары өздерін тудырған І_н мен І_р токтарымен сәйкес келеді.

Векторлы диаграммадан Ф_н мен Ф_т ағындары мен І_н мен І_р токтарының фаза бойынша ψ=α–φ_р бұрышқа ығысады. 2.13-өрнегіне сәйкес М_э электрмагнитті моменті мынаған тең:

М_э=kФ_нФ_тsinψ (1.17)

Ф_н мен Ф_т-ты оларды тудыратын ток арқылы өрнектеп, мынаны аламыз:

М_э=k₁U_рІ_рsin(α–φ_р)=k₁S_р (1.18)

Мұндағы, S_р=k₁U_рІ_рsin(α–φ_р) – релеге жүргізілген қуат.

2.18-өрнекті талдай отырып, келесіні шығарамыз: реленің электрмагнит моменті оның қысқыштарындағы қуатқа пропорционал; реленің электрмагнит моментінің таңбасы sin(α–φ_р)-пен анықталады да, φ_р-ң мәні мен α ішінен жылжу бұрышына тәуелді.

Бұл 2.34-суретте теріс моменттер зонасы штрихталып бейнеленген. Диаграмманың штрихталмаған бөлігі моменттердің қалыпты облысына сәйкес, мұндағы Ф_т ағыны Ф_н-ді озады және оның синусы оң таңбалы. α–φ_р=0 және 180º бұрыштан өтетін АВ түзуі – момент таңбасының өзгеру түзуі деп аталады. Ол әрдайым U_р векторының α бұрышда орналасады да І_н мен Ф_н векторының бағытымен тепе-тең.

CD түзуі (АВ-ға перпендикуляр) – максималды моментттер түзуі деп аталады. І_т тогы І_н-ді 90º бұрышқа озғанда, М_э моменті өзінің максимумына α–φ_р=90º болғанда жетеді. М_э-ң максималды мәніне жететін φ_р бұрышы – максималды сезгіштік бұрышы деп аталады. оың мәні кернеу тізбегіндегі X/R қатынасы анықталғанда α бұрышқа тәуелді.

Реледегі кернеу не ток жоқ немесе sin(α–φ_р)=0 болғанда реле жұмыс істемейді. Соңғы шарттың орны φ_р=α және φ_р=α+180º болғанда келеді.

Сонымен, 2.34-сурет пен 2.18-өрнекте көрсетілген конструкцияда қуат S_р таңбасына әрекет ететін реле бар екендігі анық.

Қуат релесінің негізгі сипаттамасы. Іске қосу қуаты. Іске қосу S_іқ қуаты деп, іске қосылатын реленің қысқышындағы ең кіші қуатты айтамыз.

І_р ток пен φ_р бұрыштан шыққан іске қосу қуатының тәуелділігін бұрыштық және сезгіштік сипаттама бойынша бағаланады.

Сезгіштік сипаттама – φ_р қалыпты болғанда U_ср=f(І_р) тәуелділігіне тең (2.35-сурет). Мұндағы, U_ср – реленің қозғалысына қажетті ең кіші кернеу. Әдетте сипаттаманы sin(α–φ_р)=1 болғанда максималды сезгіштік бұрышына тең φ_р-дан алады.

Бұрыштық сипаттама – І_р-ң өзгермейтін мәніндегі U_ср=f(І_р) тәуелділігіне тең. 2.36-суретте α=+45º-ғы реленің аралас түрі үшін сипаттама көрсетілген. Бұрыштық сипаттама (2.36, а-сурет) мыналарды анықтайды:

1. φ_р бұрышының әртүрлі мәндеріндегі реленің сезгіштігін (U_ср шамасыман сипатталады);

2. U_ср мәні U_{ср min} мәніне жақын орналасқан φ_р бұрышының тиімді зонасы мен U_{ср min} минималды мәнін;

3. оң және теріс таңбалы моменттерге сәйкес φ_р бұрышының шегі мен электрмагнит моментінің таңбасы қандай φ_р бұрышында өзгеретінін.

Орамалардың полярлығы. Реленің электрмагниттік моментінің таңбасы оның орамаларындағы І_р мен І_н токтарының біршама бағытына тәуелді. Екі орамадағы да токтың бағыты ораманың басынан аяғына қарай немесе керісінше болса, ол – біртектес (бірдей) деп аталады. Реле дайындайтын зауыттар орамалардың бірполярлы қысқыштарын көрсете отырып, оларды шартты белгімен өрнектейді. 2.32-суретте орамалардың басы нүктелермен белгіленген. Реле ток және кернеу трансформаторына орама полярлықтарын ескере отырап қосылады. Яғни қысқа тұйықталу кезінде релелік қорғаныс зонасында реленің контактілері тұйықталады.

Өздік жүрістің пайда болуы. Өздік жүріс деп – бір ғана орамадағы – ток не кернеу орамалары, ток өткендегі ҚБР-ң іске қосылуын айтамыз. Токпен алынатын өздік жүрісі бар реле қуаттың қайтар бағытында дұрыс жұмыс істемеуі мүмкін. Реленің жұмыс істемейтін зонасына жақын жерде бүліну пайда болғанда, оның қысқыштарындағы кернеу нольге тең.

Әдетте өздік жүрістің себебі болып – реленің магниттік жүйесінің цилиндрлік ротордан біршама несимметриялығы табылады. Мысты өзекшедегі-2 өздік жүрісті жою үшін қиу қарастырылған; өзекшенің қалпын өзгерте отырып, ауалы тесіктегі ағындардың біртекті еместігін қарымталауға болады.

ҚБР типті қуаттың индукциялы релесі. Реленің моменті мына теңдікпен өрнектейді:

М_э=kU_рІ_рsin(α–φ_р)=kU_рІ_рcos(α+β)=kU_рІ_рcos(φ_р+φ_м*сағ), β=90º-α

Реленің екі негізгі түрі бар: ҚБР-171 және ҚБР-271. Оларды әдетте, фазалы ток пен фаза аралық кернеуді іске қосу үшін қолданады. Бұл релелердің максималды сезгіш бұрышы өзгеріп, екі мәнді болады: φ_м*сағ=-45º және φ_м*сағ=-30º.

ҚБР-178, ҚБР-278 және ҚБР-177, ҚБР-277 ток пен кернеудің нольді кезектілігі арқылы іске қосылады, олардың максималды сезгіш бұрышы φ_м*сағ=+70º. ҚБР-178 және ҚБР-278-де – S_ср=0,2/4 В*А, ал ҚБР-177 және ҚБР-277-де – S_ср=0,6/3 В*А.

ҚБР-271, ҚБР-277, ҚБР-278 релелері – екі жақта жұмыс істейді, сәйкес момент таңбасының әсерінен жұмыс істейтін екі тұйықталушы түйіспелер.

. Магнитэлектрлі реле

Магнитэлектрлі реле (2.37-сурет) тұрақты магниттен-1, орамамен-3 оралған жылжымалы рамкадан-2, қоректененуші І токтан және түйіспелерден-4 тұрады. Магнитэлектрлі реленің жұмыс істеу принципі рамканың орамасындағы І_р тогы мен тұрақты магниттің магнит ағынының біріккен жұмысына негізделген.

Рамканың орамасына әсер етуші күш:

F_э=kВ_мІ_рlw_р

Мұндағы, В_м – тұрақты магниттің магнит өрісі индукциясы; І_р – рамка орамасындағы ток; l – орамадағы орамның активті ұзындығы; w – рамка орамасының орамдар саны.

F_э күшінің айналмалы моменті:

М_э=F_эd=k´В_мІ_р (1.19)

Мұндағы, F_э - қоскүшінің түйісуі; k´=kВ_мІ_р.

Рамканың айналу бұрышын кіші етіп алып (5-10º), магнит полюстерінің формасын магнит өрісі біртекті болу үшін таңдалады. Мұнда В_м магнит индукциясы тұрақты, ал М_э моменті І_р тогына пропорционал болады:

М_э=k´´І_р

Реленің жылжымалы рамкасындағы М_э мен F_э таңбасы І_р бағытына тәуелді. 2.37-суретте көрсетілген І_р бағыты, F_э бағыты «сол қол» ережесімен анықталады.

Сонымен, магнитэлектрлі реле ток бағытына әсер етеді және поляризациялы реле сияқты, айнымалы токта жұмыс істей алмайды. Бұл реле жоғары сезгіштік және аз қолданыста болады. Іске қосу қуаты 10^-8-10^-10 Вт-тан асады. Яғни поляризациялы реледен сезгіштігі жоғары.

Магнитэлектрлі реленің түйіспелі жүйесі аз ажырау қабілетті болып келеді. Түйіспелер арасындағы тесіктің арақашықтығы – 0,3-0,5 мм тең. Қайтару қабілеттігі нашар. Қайтаруды жақсарту үшін, түйіспелерді тұйықтауға әсер ететін реле орамасына тежеу тогын жібереді. Реле жұмыс істеу уақыты – 0,01-0,02 с. Магнитэлектрлі релелерді түзеткіш токтағы жоғары сезгіш ноль-индикаторлар есебінде сұлбаларда қолданылған, ал қазір олардың орнына электронды релелер пайдаланады.

Дәріс 2