4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

таймеры, например, таймер указателя поворота автомобиля, таймеры включения/выключения различных приборов и устройств, например, бытовых приборов (реле времени).

Классификация реле:

1. В зависимости от принципа действия:

–электромагнитные;

–магнитолектические;

–тепловые;

–индукционные;

–полупроводниковые.

2.От вида поступающего параметра:

– тока;

– мощности;

– частоты;

– напряжения.

3.По принципу воздействия на управляющую часть:

– контактные;

– бесконтактные.

4.По принципу создания магнитного поля различают следующие виды

реле:

– нейтральное реле постоянного тока;

– поляризованное реле постоянного тока;

– реле переменного тока.

5. По характеру перемещения подвижной части различают:

– реле с угловым перемещением якоря (поворотные);

– реле с линейным перемещением.

6. По начальному состоянию контактов выделяются реле с:

– нормально замкнутыми контактами;

– нормально разомкнутыми контактами;

– не переключающимися контактами. 7. По типу обмотки:

– каркасные – допускают перемотку провода обмотки в случае электрических пробоев; каркас обмотки изготавливают из гетинакса, текстолита и др. изоляционных материалов;

– бескаркасные – могут работать во влажной среде, но ремонту не подлежат; выполняются в специальных шаблонах, пропитываются электротехническими лаками или компаундами.

8. По защищенности от внешних факторов реле разделяют:

– герметичные;

– зачехленные;

– открытые.

9. По области применения:

– реле сигнализации;

– реле защиты;

– реле цепей управления.

201

10.По мощности сигнала управления:

– высокой мощности более 10 Вт;

– средней мощности 1–9 Вт;

– малой мощности менее 1 Вт.

11.По быстродействию управления:

– безынерционные менее 0,001 с;

– быстродействующие 0,001–0,05 с;

– замедленные 0,05–1 с;

– регулируемые.

Обозначение воспринимающих частей и контактных соединений

электромеханических устройств, представлено в таблицах 4.1 и 4.2.

Таблица 4.1 – Воспринимающая часть электромеханических устройств

202

Таблица 4.2 – Коммутационные устройства и контактные соединения

Достоинства:

возможность коммутации больших нагрузок при малых габаритах;

гальваническая развязка между цепью управления и группой коммутации;

низкое тепловыделение на контактах и катушке;

небольшая цена;

устойчивы к помехам;

способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3;

устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;

малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт;

Недостатки:

медленное срабатывание;

относительно небольшой ресурс;

сложность коммутации на постоянном токе высоковольтных и индуктивных нагрузок;

контактные поверхности со временем окисляются, их поверхность деформируется искрами разрядов;

создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов.

203

4.4.2 Реле постоянного тока

Простое электромагнитное реле (рисунок 4.9 а) состоит из катушки, намотанной вокруг магнитомягкого железного сердечника (соленоида), железного хомута, который обеспечивает канал с низким сопротивлением магнитному потоку, подвижный железный якорь и один или несколько наборов контактов. Якорь шарнирно прикреплен к ярму и механически связан с одним или несколькими наборами подвижных контактов. Якорь удерживается на месте пружиной, так что, когда реле обесточено, в магнитном контуре имеется воздушный зазор. В этом состоянии один из двух наборов контактов реле закрыт, а другой набор открыт. Другие реле могут иметь больше или меньше наборов контактов в зависимости от их функции.

Рисунок 4.9 – Конструкция электромагнитного реле (а) и его характеристика (б):

1 –электромагнит, представлят собой катушку, надетую на стальной сердечник, 2 – якорь; 3 – пружины; 4 – неподвижный контакт; 5 – подвижная контактная пластина,

6 – контакты

Когда электрический ток проходит через катушку, он генерирует магнитное поле, которое активирует якорь, а последующее движение подвижного контакта (контактов) либо замыкает, либо размыкает (в зависимости от конструкции) электрическую цепь. Когда ток в катушке выключен, якорь возвращается в исходное положение. Обычно эта сила обеспечивается пружиной.

Если реле коммутирует большой ток или, особенно, если происходит коммутация цепи с высокой реактивной нагрузкой, может возникнуть проблема с перенапряжениями вокруг выходных контактов реле. В целях защиты применяют резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех или полупроводниковый диод, служащий для блокировки перенапряжений на обмотке реле при его обесточивании вследствие электромагнитной индукции.

204

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, то есть они, гальванически изолированы друг от друга (в электротехнике используется термин «сухой контакт»). Более того, в управляемой цепи величина тока может быть намного больше, чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть слаботочные электрические схемы (например, дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы которые выдают малые величины тока и/или напряжения. Таким образом, реле, по сути, выполняют задачи дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи.

Электромеханическое реле имеет ярко выраженную петлю гистерезиса функции входной ток – состояние (рисунок 4.9 б). Соответственно, для некоторых реле указывают два порога этой петли гистерезиса – ток срабатывания и ток отпускания. Ток срабатывания указывает, при каком токе реле переходит из состояния выключено, в состояние включено. Ток отпускания (иногда называют током удержания) указывает, при каком токе реле переходит из состояния включено, в состояние выключено. В наши дни в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

Вкачестве обмоточного провода применяются провода ПЭЛ, ПЭВ и др. Магнитная цепь реле выполняется из магнитомягкого материала. Контактные пружины реле изготавливаются из фосфористой бронзы или стали. Контакты реле наклепываются или привариваются к пружинам. Материалом для контактов служат серебро, платина, платиноиридиевый сплав, сплавы вольфрама с серебром, и др. Контакты большой мощности изготавливаются из меди и графита.

Всовременных конструкциях реле используется несколько типов магнитных систем. Основные типы магнитной системы приведены на рисунке

4.10.Системы с поворотным якорем широко используется в конструкциях средних и малогабаритных реле с пластиковым прямоугольным покрытием. Недостатком реле с этим типом магнитной системы является чувствительность к внешним механическим воздействиям, движутся спонтанно, тем самым провоцируя переключение внешних цепей контактами реле. Когда это происходит, магнитная система называется неуравновешенной.

Форма и материал контактов зависит от действующего тока, напряжения и вида включаемой нагрузки управляемой цепи. Контакты бывают плоскоострые, плоскосферические, двойные сферические, сферические и плоскостные. Наиболее распространенные контакты имеют плоскую, коническую и полукруглую форму (см. рисунок 4.11) и могут применяться в одной и той же контактной паре в разных комбинациях. Может показаться, что чем больше площадь контакта, тем больше ток, который может пройти через него, и поэтому контактная пара с плоской формой должна быть наиболее благоприятным контактом, но на самом деле реальная ситуация намного сложнее. Кислород, озон и сульфированный водород могут спровоцировать образование оксидных поверхностных пленок с высокой устойчивостью, имеющие высокое переходное

205

сопротивление. Однако имеются и положительные стороны этого явления. Такие пленки значительно ограничивают силы межмолекулярного сцепления между поверхностями, прилегающими друг к другу при контактном давлении, предотвращают взаимное диффузионное взаимодействие контактных материалов и принимают на себя роль смазки. Тем не менее, такие пленки следует удалять, чтобы обеспечить более надежное контактное соединение при включении реле. Кроме того, контактная поверхность с плоской формой оказывается очень грубой, и поэтому электрические контакты работают не вдоль всей поверхности, а только в тех точках, через которые проходит ток. Усиление контактного давления приводит к увеличению числа таких точек.

Рисунок 4.10 – Типы магнитной системы современных электромагнитных реле.

1 – катушка; 2 – магнитный сердечник; 3 – якорь; (a–г) – системы с поворотным якорем; (е, ж) – прямое движение магнитные системы; (д, и, м) – системы с убирающимся якорем; (к, л) – системы со сбалансированной токарной арматурой

206

Несмотря на это, чем больше площадь контакта, тем больше усилие, которое должна создать магнитная система, чтобы обеспечить требуемое контактное давление, и наоборот.

Рисунок 4.11 – Формы контактов реле

В зависимости от типа контактных поверхностей в разных реле используются разные типы контактов: точечные контакты, плоские контакты и линейные контакты (рисунок 4.12). Каждый из этих типов контактов реализуется на разных конструктивных схемах контактной системы.

а б

Рисунок 4.12 – Различные схемы конструкции контактной системы с контактами точками (а) и плоскостями (б)

4.4.3 Реле переменного тока

Реле переменного тока (рисунок 4.13) принципиально не отличается от реле постоянного тока, однако, если реле постоянного тока включить в цепь переменного, то его якорь будет вибрировать с частотой сети. Для устранения вибрации полюс сердечника 1 раздваивают и на одну половину устанавливают короткозамкнутый виток 2. В витке возникают ЭДС, ток и магнитный поток Ф2, который отстает по времени на угол от основного магнитного потока Ф1. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 образуют электромагнитные усилия:

Fэ1 = k1 Ф1 и Fэ2 = k2 Ф2.

Суммарное тяговое усилие на якорь определяется по формуле:

F = Fэ1 + Fэ2.

В любой момент времени суммарное усилие не принимает нулевого значения, т. е. якорь реле находится в притянутом состоянии. К недостаткам реле

207

переменного тока можно отнести повышенное потребление энергии и возможная вибрация (гудение).

4.4.4 Поляризованное реле постоянного тока

Поляризованное реле – реле, которые в зависимости от положения входного сигнала замыкают или размыкают контакты (рисунок 4.14).

Принцип работы основан на взаимосвязи двух независимых магнитных потоков, совместное действие этих потоков оказывает влияние на положение якоря.

1.Рабочий поток, создаваемый обмоткой управления.

2.Поляризующий поток, чаще всего создается постоянным магнитом.

208

4.4.5 Параметры реле и способы их изменения

К параметрам реле относят следующее:

1.Ток срабатывания – минимальный ток в обмотке реле, при котором реле срабатывает, т. е. электромагнитная сила превосходит механическую силу.

2.Рабочий ток – величина тока в обмотке, при которой обеспечивается надежное замыкание контактов.

Ip Iсраб.

3.Ток отпускания – максимальное значение тока, при котором электромагнитная сила меньше механической.

4.Коэффициент запаса по срабатыванию

K= Ip / Iсраб.

5. Коэффициент запаса по отпусканию

K= Ip / Iотп.

6. Коэффициент возврата

K= Iотп / Iсраб.

7. Коэффициент усиления

K=Рконт / Робм.

8.Время срабатывания и время отпускания.

9.Номинальное напряжение.

10.Чувствительность – переключение от подаваемого в обмотку сигнала определенной мощности, достаточной, чтобы происходило включение.

11.Сопротивление обмотки

12.Время срабатывания

13.Время отпускания.

14.Частота включений с нагрузкой на контактах.

15.Срок службы – допустимое число срабатываний.

Рабочие напряжение и ток катушки не должны выходить за заданные пределы. При их низких значениях становится ненадежным контактирование, а при высоких – перегревается обмотка, увеличивается механическая нагрузка на детали и может произойти пробой изоляции. Долговечность реле зависит от вида нагрузки и тока, частоты и количества коммутаций. Больше всего контакты изнашиваются при размыкании, образующем дугу. Бесконтактные аппараты имеют преимущество, поскольку у них не появляется дуга. Но есть также масса других недостатков, что не дает возможности заменить реле.

Для изменения временных параметров реле применяют следующие способы:

1.Конструктивный.

2.Схемный.

Конструктивный. Для ускорения процесса срабатывания и отпускания:

–ослабляют влияние вихревых токов в магнитопроводе (сталь с высоким удельным сопротивлением);

–уменьшают по возможности массу якоря и его рабочий ход.

Для замедления процесса срабатывания и отпускания используют электромагнитное демпфирование. При срабатывании или отпускании основной магнитный поток, создаваемый обмоткой, изменяется. При этом в

209

короткозамкнутом (медной шайбе) возникает взаимоиндукция и течет ток, обратный магнитному потоку, направленный встречно основному, т.е. общий результат магнитного потока уменьшается, это эффективно при замедлении отпускания.

Схемные способы. Для замедления срабатывания нужно увеличить постоянную времени реле или уменьшить установившееся значение тока в обмотке. Для ускорения срабатывания нужно наоборот уменьшить постоянную времени и уменьшить ток. Постоянная времени определяется как:

= L / R = R·C.

Для ускорения процесса последовательно с обмоткой включается сопротивление (нужно увеличить напряжение). Недостатком этого решения являются повышенные потери на нагрев. Параллельно дополнительному сопротивлению включают конденсатор.

Для замедления процесса увеличивают индуктивность (число витков катушки), напряжение при этом постоянно. Последовательно обмотке (встречно) включают диод или отключают полученную демпферную обмотку.

4.5 Реле времени

4.5.1 Общие положения

Реле времени – реле, предназначенное для создания независимой выдержки времени и обеспечения определённой последовательности работы элементов схемы. Реле времени применяется в случаях, когда необходимо автоматически выполнить какое–то действие не сразу после появления управляющего сигнала, а через установленный промежуток времени.

При работе схем защиты и автоматики часто требуется создать выдержку времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов. При автоматизации технологических процессов также может возникнуть необходимость производить операции в определенной временной последовательности.

Общие требования, предъявляемые к реле времени, являются:

а) стабильность выдержки времени вне зависимости от колебаний питающего напряжения, частоты, температуры окружающей среды и других факторов;

б) малые потребляемая мощность, масса и габариты; в) достаточная мощность контактной системы.

Возврат реле времени в исходное положение происходит, как правило, при его обесточивании. Поэтому к коэффициенту возврата не предъявляется особых требований, и он может быть очень низким.

В зависимости от назначения реле к ним предъявляются специфические требования.

Для схем автоматического управления приводом при большой частоте включений в час требуются реле времени с высокой механической износостойкостью. Требуемые выдержки времени находятся в пределах 0,25 – 10 с. К этим реле не предъявляются высокие требования относительно точности

210