книги / Электрические аппараты. Общий курс

Р е л е , п р е д н а з н а ч е н н ы е д л я с х е м з а щ и ­ ты и а в т о м а т и к и э л е к т р о п р и в о д а , должны удовлетворять специфическим требованиям. Эти реле работают при худших условиях: возможны удары,, виб­ рация. Воздух часто засорен пылью или вредными про­ изводственными примесями. Так как современные схемы электропривода имеют число включений в час до 1000— 1200, реле управления должны иметь высокую ме­ ханическую и электрическую износостойкость порядка (1— 10) 106 циклов «включение — отключение». Надеж ­ ность работы схем автоматики зависит от надежности работы отдельных элементов. Так как реле управления и защиты электродвигателей много и им приходится вы­ полнять большое число операций, то они должны иметь высокую надежность.

В гл. 11 и 12 рассматриваются контактные реле и ре­ ле, использующие электронные лампы. Бесконтактные реле на магнитных усилителях и полупроводниковых приборах описаны в гл. 13.

11-2. Электромагнитные реле

а) Согласование тяговых и противодействующих ха­ рактеристик. Электромагнитные реле благодаря своей простоте, надежности получили широкое распростране­ ние как в схемах электропривода, так и в схемах защиты энергосистем.

Рассмотрим работу электромагнитного механизма ре­ ле постоянного тока, имеющего простейшую клапанную систему. На рис. 11-3 изображены тяговая и противодей­ ствующая характеристики. Противодействующая сила создается возвратной (Fi) и контактными (F2) пружи­ нами. Для борьбы с вибрацией и создания надежного контакта контактные пружины, как правило, создают предварительное нажатие в момент соприкосновения.

С учетом линейной зависимости силы пружины от ее деформации и относительно небольшого перемещения

Согласно § 5-6 тяговая характеристика электромагнитов постоянного тока круто поднимается вверх по мере уменьшения зазора. Для того чтобы реле включалось, необходимо, чтобы тяговая характеристика FQ\ во всех точках хода механизма шла выше, чем суммарная про-

тиеодействующая характеристика Fn= F i + F 2. Для то­ кового реле при данном начальном зазоре бн положение Fq1 зависит от величины тока (см. § 5-6). При ненасы­ щенной магнитной системе тяговая сила пропорциональ* на квадрату тока.

Наименьшее значение тока, при котором кривая F3i во всех точках проходит выше ломаной Fn, называется током трогания. Для надежного включения в обмотку реле обычно подается ток /р, больший, чем ток трогания. Коэффициент запаса при этом будет равен: &3=/р//ср, обычно Æ3= 1,4.

Поскольку с ростом k3 тяговая характеристика под­ нимается, то увеличивается сила, действующая на ме­ ханизм, увеличивается ускорение и сокращается полное время включения. Этот вопрос был рассмотрен в § 8-3.

Для того чтобы устранить залипание якоря, в маг­ нитной системе всегда создается конечный зазор бк. Тя­ говая сила при зазоре бк значительно превышает проти­ водействующую (Fa—F б = A F).

Д ля отключения реле необходимо, чтобы тяговая характеристика F92 во всех точках пошла ниже характе­ ристики Fn. При этом сила, развиваемая противодейст­ вующими пружинами, будет больше сил электромагнита и якорь возвратится в начальное положение. Ток, при котором имеет место такое положение характеристик, называется током отпускания или током возврата.

Д ля реле защиты энергосистем и реле управления, контролирующих входной параметр в узких пределах, коэффициент возврата должен быть возможно ближе к единице [Л. 11-1]. Для реле тока

б) Влияние различных факторов на коэффициент возврата. Для конечного зазора ô = ô K можно написать:

kx— конструктивный фактор;

/ср — ток срабатывания.

Для отпускания реле необходимо так уменьшить ток, чтобы сила, развиваемая электромагнитом, стала рав­ ной Fq:

Fб kl /отп»

откуда можно получить:

^отп

*ср V ï .

Из рис. 11-3 видно, что

F6 = Fa - A F ..

Тогда

Поскольку AF всегда положительно, коэффициент возврата всегда меньше единицы. Для увеличения ко­ эффициента возврата необходимо приближать тяговую и противодействующую характеристики с целью умень­ шения AF. В реле основную противодействующую силу создает возвратная пружина. Контактная пружина раз­

противодействующая характеристика должна быть та­ кой же нелинейной, как и тяговая. Создать такую ха­

рактеристику возможно либо путем применения специ­ ального кулачка, либо путем применения нескольких пружин [Л. 11-2]. Вследствие конструктивной сложно­ сти эти решения применяются редко.

В случае использования простейшего линейного меха­ низма и одной пружины рекомендуется выбирать пружи­ ну с наибольшей возможной жесткостью, так чтобы про­

Для получения высокого коэффициента возврата же­ лательно применение электромагнита, имеющего малый рабочий ход и большую величину конечного зазора в магнитной цепи при притянутом якоре. Если согласно рис. 11-4 выбрать достаточно большое значение бк и ма­ лый рабочий ход якоря, равный бн—бк, то характеристи­ ка противодействующей пружины достаточно близко по­ дойдет к тяговой и коэффициент возврата может быть получен порядка 0,7—0,8.

Большие возможности дает электромагнитная систе­ ма с вращательным движением якоря (рис. 11-5). И з­ меняя форму якоря и полюсов, можно получить практи­ чески любую тяговую характеристику.

Помимо указанных выше факторов, на коэффициент возврата оказывают влияние трение в механизме и ги­ стерезис магнитного материала.

Наличие трения создает дополнительные силы сопро­ тивления, что вызывает увеличение тока трогания. При возврате сила трения препятствует движению. При этом усилие пружины, действующее на механизм, уменьшает­ ся, что вызывает уменьшение тока отпускания. В резуль­ тате коэффициент возврата уменьшается. Для того что­ бы трение мало сказывалось на коэффициенте возврата, необходимо, чтобы сила, развиваемая противодействую­ щей пружиной, была значительно больше, чем сила тре­ ния. Гистерезис магнитного материала также ведет к уменьшению коэффициента возврата. Дело в том, что при трогании процесс намагничивания цепи идет по вос­ ходящей ветви гистерезиса, а при отпускании — по нис­ ходящей ветви. При этом ток трогания возрастает, а ток отпускания падает по сравнению со случаем безгистерезисного материала.

Величина коэффициента возврата может легко ме­ няться за счет изменения конечного рабочего зазора.

Допустим, что магнитная цепь не насыщена. Будем менять конечный зазор с помощью тонких латунных про­ кладок. Начальное положение якоря оставим без изме­

нения. Поскольку начальный зазор не меняется, то и ток трогания / тр остается без изменения. При изменении ко­ нечного зазора бк сила возвратной пружины, отрываю­ щей якорь, остается практически неизменной, так как эта пружина имеет большую деформацию и изменение ее длины на долю миллиметра не изменяет силы пружины.

Рассмотрим клапанную систему — рис. 5-12. Соглас­ но (5-57) имеем:

Таким образом, чем больше конечный зазор бк, тем выше коэффициент возврата.

Если менять начальный зазор ôH, 'а конечный оста­ вить без изменения, то при тех же допущениях получим:

Если пренебречь силой контактной пружины, то вос­

Обозначим через С жесткость пружины, а через Ô — ее деформацию. Тогда

Из полученного уравнения следует, что с ростом на­ чальной деформации пружины (/7пр.н2>^пр.ш) коэффи­

В ряде случаев схема автоматики требует, чтобы ток или напряжение отпускания были значительно меньше

ToKâ или напряжения срабатывания* В этих схемах при­ меняются реле с низким коэффициентом возврата.

Тяговая характеристика электромагнитов перемен­ ного тока более полога, чем электромагнитов постоян­ ного тока (§ 5-6), и ее легче согласовать с противодей­ ствующей. Поэтому высокий коэффициент возврата в реле переменного тока достигается легче, чем в реле постоянного тока.

11-3. Конструкция электромагнитных реле тока и напряжения

а) Реле для энергосистем. В схемах защиты энергосистем, крупных и ответственных установок (мощных двигателей, транс­ форматоров) широко применяются реле серии ЭТ. Эскиз одного из таких реле представлен на рис. 11-5.

Магнитопровод 1 шихтуется из листов электротехнической ста­ ли. Обмотка реле 2 разбита на две части и позволяет соединять секции параллельно и последовательно. Якорь 3 выполнен из тон­ кого листа электротехнической стали и имеет Z-образную форму. При повороте якоря происходит увеличение потока и насыщение якоря даже при токах, близких к току трогания. Это ограничивает момент, развиваемый реле в конце хода якоря.

Применение поворотной системы и легконасыщающегося якоря позволяет приблизить тяговый момент к противодействующему и получить высокий коэффициент возврата (0,85). Подвижный кон­ такт 5 мостикового типа шарнирно укреплен на рычаге, связанном с валом. Это дает возможность контакту самоустанавливаться. Для устранения вибраций контактов служит масляный демпфер, связан­ ный с валом реле. Противодействующая едла создается спиральной пружиной 4. Начальная деформация пружины меняется рычагом 6*. Начальное и конечное положения якоря определяются специальны­ ми упорами.

Грубое регулирование тока срабатывания производится за счет изменения схемы соединения обмоток, а плавное — изменением на­ чального натяжения пружины. При переходе с последовательного соединения на параллельное ток срабатывания увеличивается в 2 раза. В 2 раза ток срабатывания можно поднять за счет уве­ личения натяга пружины. Таким образом, реле позволяет регули­ ровать ток срабатывания в пределах 1—4. Реле выпускаются на ми­ нимальные токи срабатывания от 0,05 до 200 А.

Время срабатывания при k3^ 2 составляет 0,02 с.

Реле серии ЭТ имеют малое собственное потребление, порядка 0,1 В-А, высокий коэффициент возврата (до 0,85), малое время срабатывания (0,02 с) и высокую точность работы ±5%.

К недостаткам реле следует отнести малую мощность контакт­ ной системы, необходимость тщательной регулировки реле во избе­ жание вибрации контактов. Мощность контактов на размыкание составляет всего 50 Вт постоянного тока при напряжении 220 В.

Аналогичную конструкцию имеют реле напряжения серии ЭН. Отличие этих реле от реле серии ЭТ заключается в том, что об­ мотки выполнены с большими числами витков и сопротивлениями

и рассчитаны на подключение к источнику напряжения. Потребляе­ мая мощность при этом возрастает до 1 В-А. Все остальные пара­ метры такие же, как у реле серии ЭТ. Реле серии ЭН могут ра­ ботать и как максимальные, реагируя на повышение напряжения выше напряжения уставки, и как минимальные, реагируя на пони­ жение напряжения ниже напряжения уставки.

Как известно (§ 5-3), в электромагнитах переменного тока ток в обмотке сильно зависит от положения якоря. В клапанных элек­

тромагнитах ток в притянутом состоянии в десятки раз меньше, чем при отпущенном якоре. Это затрудняет создание максимальных реле напряжения на базе клапанной системы, так как при напря­ жениях, близких к напряжению срабатывания, через обмотку про­ текает большой ток, выделяется мощность, в сотни раз превышаю­ щая мощность в обмотке при притянутом якоре. Приходится сильно увеличивать габариты катушки, чтобы рассеивать большую мощ­ ность, выделяемую при отпущенном якоре. Большим преимуществом реле серии ЭН является относительно небольшое изменение маг­ нитной проводимости, в результате чего ток в обмотках мало ме­ няется при повороте якоря. Это дает возможность иметь малые га­ бариты обмоток.

б) Реле тока и напряжения для управления электроприводом. В схемах управления и защиты применяется реле постоянного тока серии РЭВ-300 с высоким коэффициентом возврата. Реле этой се­ рии выпускаются и как реле напряжения и как реле тока в зави­ симости от обмоточных данных.

На рис. 11-6 изображено токовое реле. Магнитопровод 1 имеет U-образную форму и выполнен из прутка круглого сечения. Плос­ кий якорь 2 вращается на призме, что обеспечивает высокую меха­

пружины 5 осуществляется гайкой 6. Якорь 2 связан с подвижным контактом 8 с помощью изоляционной пластины 7. Реле имеет два неподвижных контакта 9 и 10. Подвижный контакт 8 соединяется с зажимом 11с помощью гибкой связи 12. Реле выполняется в ви­ де единого блока, который с помощью шпилек 4 может устанавли­ ваться на металлических рейках сборной панели. Высокий коэффи­ циент возврата достигается благодаря тому, что конечный зазор может быть достаточно большим (до 5*10- ^), а ход якоря может составлять доли миллиметра. В реле тока уставка тока срабатыва­ ния регулируется в пределах 30—65% номинального значения путем изменения начального усилия сжатия пружины 5.

В реле напряжения уставка срабатывания меняется в пределах

С увеличением напряжения трогания UTp изменяется коэффи­ циент возврата реле.

Для увеличения быстродействия реле напряжения рекомендует­ ся брать реле на низкое номинальное напряжение (24 или 48 В) и последовательно включать добавочный резистор из константана.

Добавочный резистор позволяет увеличить напряжение, при котором срабатывает реле. Сопротивление его выбирается таким образом, чтобы ток срабатывания лежал в пределах, обеспечиваю­ щих быстродействие реле (0,3/н^ /с р ^ 0 ,5 /н).

Следует отметить, что включение добавочного резистора, если он выполнен из константана, уменьшает зависимость напряжения срабатывания от температуры.

Коэффициент возврата регулируется путем изменения конечно­ го зазора. Для реле рис. 11-6 регулировка конечного зазора бк и хода якоря осуществляется с помощью неподвижных контактов 10 и 9. При подъеме контакта 10 зазор ôKувеличивается. При опу­ скании контакта 9 уменьшается ход якоря. Минимальное значение раствора контактов ô2 равно 1,5 мм.

в) Реле защиты схем электропривода. На рис. 11-7 представ лена упрощенная схема защиты двигателя постоянного тока от ко­ ротких замыканий. При повреждении якоря двигателя Я срабаты­ вает максимальное мгновенное реле РМ и размыкает свои контак­ ты РМ в цепи катушки линейного контактора Л. Якорь последнего отпадает. При этом обесточивается цепь якоря двигателя. Так как ток в якоре стал равным нулю, происходит отпускание реле РМ, контакты его замыкаются и цепь катушки контактора подготавли­ вается к следующему включению.

При отключении контактора его блок-контакт БКЛ размыкает­ ся, поэтому при замыкании контактов РМ контактор Л не включит­ ся вновь. Характерным для схем является возврат реле РМ в исход­ ное положение при токе в обмотке, равном нулю. Поэтому к реле