4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

работы. Разброс времени срабатывания может достигать 10 %. Реле времени должны работать в условиях производственных цехов, при вибрации и тряске.

Реле времени для защиты энергосистем должны иметь большую точность выдержки времени. Эти реле работают относительно редко, поэтому к ним не предъявляются особые требования по износостойкости. Выдержки времени таких реле составляют 0,1 – 20 с.

Классифицировать реле времени можно по многим признакам, но это потребует составить целую таблицу параметров по каждому экземпляру. Поэтому, надо выбрать главные. Если вы решили выбрать реле времени, вопервых, определитесь с исполнением. Оно может быть моноблочным, встраиваемым и модульным.

Моноблок – это полностью автономное внешнее устройство со встроенным питанием и входами для подключения нагрузки. Примером может служить внешнее реле времени для фотопечати.

Встраиваемое реле времени – это упрощенный вариант моноблока, без собственного корпуса и питания. Этот прибор используется для создания как из кубиков более сложных устройств под одним общим корпусом. Примером может служить таймер-программатор стиральной машины.

Модульное реле времени – это вариант моноблока, например реле времени, устанавливаемое на дин-рейку в электрощиток. Нужно сразу отметить, что такая классификация весьма условна, но очень важна для удобства последующего использования в быту или на производстве.

Реле времени также можно классифицировать по способу создания временного интервала.

4.5.2 Реле времени с электромагнитным замедлением

Конструкция реле времени с электромагнитным замедлением типа РЭВ– 800 представлена на рисунке 4.15. Магнитная цепь реле состоит из магнитопровода 1, якоря 2 и немагнитной прокладки 3. Магнитопровод укрепляется на плите 4 с помощью литого алюминиевого цоколя 4. Этот же цоколь служит для крепления контактной системы 6.

На ярме прямоугольного сечения магнитопровода устанавливается короткозамкнутая обмотка в виде сплюснутой гильзы 8. Намагничивающая обмотка 7 устанавливается на цилиндрическом сердечнике. Якорь вращается относительно стержня 1 на призме. Усилие, развиваемое пружиной 9, изменяется с помощью корончатой гайки 10, которая фиксируется после регулировки с помощью шплинта. Магнитопровод реле выполняется из стали ЭАА. Сердечник катушки имеет круглое сечение, что позволяет применять катушку цилиндрической формы, удобную в производстве. Стержень 1 имеет сечение вытянутого прямоугольника, что увеличивает длину линии касания якоря с торцом ярма и повышает механическую износостойкость реле.

211

Рисунок 4.15 – Реле времени

Для получения большого времени при отпускании необходимо иметь высокую магнитную проводимость рабочего и паразитного зазоров в замкнутом состоянии магнитной системы. С этой целью торцы ярма и сердечника и прилегающая к ним поверхность якоря тщательно шлифуются.

4.4.3 Реле времени с часовым или анкерным механизмом

Реле времени с часовым или анкерным механизмом до сих пор широко используются и показали себя самыми надежными. В этих реле времени происходит воздействие электромагнита на контактную группу, которая в их случае связанная с анкерным (часовым) механизмом.

После поступления напряжения на электромагнит, его якорь приводит в действие пружину, которая заводит механизм реле. После отсчитанного конкретного времени замедляющим механизмом РВ, в движение приходит контактная система. Специфика действия подобна принципу работы заводной игрушки. Пределы выдержки времени: 0,1–20 с.

Этот тип реле почти не зависимы от мощности напряжения, его частоты, а также от окружающей температуры. Несомненным положительным моментом является и то, что можно создавать реле на постоянном и переменном токе.

4.5.4 Моторные реле времени

Сердцем этих реле времени является синхронный двигатель и при срабатывании прибора напряжение подаётся одновременно на него и электромагнит. После чего двигатель через муфту путём зубчатой передачи начинает крутить диски, которые имеют особые кулачки, воздействующие на контакты. Изменяя исходное положение диска, регулируется задерживание времени.

Преимуществом этих реле времени является их способность задерживать время от 10 секунд до десятков часов.

212

4.5.5Реле времени с гидравлическим или пневматическим замедлением

Данный тип реле оснащен пневматическим или гидравлическим демпфером либо резиновой диафрагмой, расположенной в пневмокамере. С помощью демпфера происходит замедление времени, регулирование которого осуществляется путём изменения сечения воздушного (гидравлического) отверстия пневматической (гидравлической) камеры специальным приспособлением (обычно винтом). Диапазон задержки времени: 0,4 – 180 с.

Через регулировочное сечение указывается время срабатывания. После того, как устройство получает сигнал, якорь начинает тянуть постепенно поршень. Этот процесс длиться медленно, пока демпфер не наполнится воздухом (жидкостью).

4.5.6Электронные реле

Электронные реле в своей работе используют разнообразные цифровые и аналоговые схемотехнические решения. Эта группа РВ базируется на заряде либо разряде конденсатора, физических процессах электронных схем или же отсчете конкретного числа импульсов.

1.В аналоговых реле, использующих для задержки переключения конденсатор, при замыкании контактов увеличивается напряжение на конденсаторе. За этим напряжением следит специальное устройство (пороговый элемент) и сравнивает его с ранее указанным. При совпадении напряжений, пороговый элемент подаёт сигнал на переключение реле. Задерживание времени регулируется сменой ёмкости конденсатора, максимальная выдержка равна 10 с.

2.В цифровых реле времени напряжение подаётся на блок питания, при этом происходит запуск задающего генератора, который подаёт импульсы на счетчик. Счётчик считает импульсы, пока они не сравняются с заданным числом импульсов в системе управления. После чего он посылает на выходной усилитель, который контролирует реле, сигнал и прекращает считать импульсы. Реле вернётся в своё начальное положение после того, как с блока питания будет снято напряжение. Цифровые реле задерживают время намного дольше в отличие от аналоговых, диапазон задержки от доли секунды до десятков часов.

Кроме того, такие реле времени уже являются микроконтроллерами, так как имеют различные входы и выходы для осуществления обратной связи, развитое программирование для задания необходимого алгоритма работы. Электронные реле времени – это наиболее современные устройства.

За счет достижений в микроэлектронике, они имеют малые габариты, энергопотребление, высокую точность и автономность за счет энергонезависимой памяти и внутренних батарейных источников питания.

Аналоговые реле времени превосходят цифровые тем, что не нуждаются в точном программировании и их намного проще эксплуатировать. Главный недостаток электронных реле – высокая стоимость.

213

4.6Герконы

4.6.1Общие положения о герконах

Геркон (акроним от «герметизированный контакт») – электромеханическое коммутационное устройство, изменяющее состояние подключённой электрической цепи при воздействии магнитного поля от постоянного магнита или внешнего электромагнита, например, соленоида.

Принцип действия герконов основан на использовании сил взаимодействия, возникающих в магнитном поле между ферромагнитными телами. При этом силы вызывают деформацию и перемещение ферромагнитных токопроводов электронов.

Простейший геркон с замыкающими контактами состоит из двух контактных сердечников с высокой магнитной проницаемостью, размещенных в стеклянном герметичном баллоне, заполненном либо инертным газом, либо чистым азотом, либо сочетанием азота с водородом. Инертная среда предотвращает окисление контактных сердечников. При увеличении внешнего магнитного поля свыше порогового упругие контакты геркона «слипаются», замыкая электрическую цепь. При снятии внешнего поля за счет упругости контактов происходит размыкание цепи. Для создания минимального переходного сопротивления контактов, поверхности касания герконов покрывают золотом, радием, палладием или серебром. В качестве материала для контактных пластин обычно используются сталь и никель с напылением из более стойкого металла (родий, рутений) в местах контакта. Критическим показателем качества и надёжности геркона является герметичность в месте соприкосновения стекла корпуса и металла проводников.

В настоящее время на базе герконов создано большое количество герконовых реле, кнопок, тумблеров, переключателей, распределителей сигналов, датчиков, регуляторов, сигнализаторов и т. д. Во многих отраслях техники для контроля положения подвижных деталей целесообразно использование герконовых датчиков, счетчиков готовой продукции.

С начала 2000–х годов наблюдается тенденция к применению миниатюрных герконов (с длиной герметизирующего баллона менее 15 мм). В таких конструкциях повышается чувствительность, быстродействие, резонансная частота, снижается время дребезга, но уменьшаются электрическая прочность изоляции, верхние пределы коммутируемых токов и напряжений, а также сила контактного нажатия и, как следствие, появляется проблема увеличения переходного сопротивления и снижения его стабильности.

Для уменьшения размеров намагничивающей катушки увеличивают допустимую плотность тока, используя для намотки теплостойкий эмалированный провод. Все детали изготавливаются штамповкой, а соединяются сваркой или пайкой. Для уменьшения зоны включенного состояния в герконах применяются магнитные экраны.

Пружины герконов не имеют предварительных натягов, поэтому включение их контактов происходит без периода трогания. Если в герконах

214

наряду с электромагнитом используется постоянный магнит, то герконы из нейтральных переходят в поляризованные.

В отличии от электромагнитных реле обычного типа, у которых контактное нажатие зависит от параметров контактных пружин, контактное нажатие герконовых реле зависит от МДС обмотки и увеличивается с ее ростом.

Из-за технологической погрешности коэффициента возврата герконовые реле имеют большой разброс от 0,3 до 0,9. С целью увеличения коммутационного тока и номинальной мощности герконовые реле имеют дополнительные дугогасительные контакты. Такие реле называются герметичные силовые контакты или герсиконы. Промышленностью выпускаются герсиконы от 6,3 до 180 А. Частота включений в час достигает

1200.

Особый класс герконов – реле на ферритах, которые обладают свойством памяти. В таких реле для переключения в катушку необходимо подать импульс тока обратной полярности с целью размагничивания ферритного сердечника. Они называются герметизированные запоминающие контакты или гезаконы.

4.6.2 Классификация герконов

Герконы, которые находятся в массовом производстве и которые широко используются на практике, могут быть классифицированы по следующим характеристикам:

1.По способу управление герконом:

Постоянным магнитом (рисунок 4.16).

6

Рисунок 4.16 – Геркон, управляемый постоянным магнитом:

а – постоянный магнит далеко и геркон разомкнут; б – магнит близко и контакты геркона замкнуты: 1 – выводы; 2 – подвижные контакты, 3 – вакуум или инертный газ; 4 – стеклянная колба; 5 – контактирующая поверхность; 6 – постоянный магнит

Данный способ коммутации является наиболее простой, а поэтому – и распространенный способ управления герконом. Например, при линейном перемещении магнита, используемого в сигнализациях открытия трюмов. Магнит закрепляется на двери, геркон срабатывает, когда трюм находится в

215

закрытом состоянии. При открытии магнит удаляется, поле ослабевает, контакт размыкается – сигнализация срабатывает.

Катушкой с постоянным током (рисунок 4.17).

Рисунок 4.17 – Герконовое реле

Геркон и конструктивно объединённый с ним электромагнит называют герконовое реле, отличающееся довольно простой конструкцией. Геркон просто помещается внутри катушки, подключенной к току. Такая конструкция позволяет избавиться от дополнительных рычажков и пружинок, имеющихся в обычных электромеханических реле. Если катушка выполнена из достаточно толстого провода, который способен пропускать ток больших значений, то получается токовое герконовое реле. Такое реле активно использовалось в роли датчика для системы безопасности, защищающей мощные источники постоянного тока от перегрузок.

2. По размеру:

–обычные или стандартные герконовые переключатели с трубкой длиной около 50 мм и около 5 мм в диаметре;

–субминиатюрные герконы с трубкой длиной от 25 до 35 мм и около 4

ммв диаметре;

–миниатюрные герконы с трубкой длиной от 13 до 20 мм и длиной 2– 3 мм в диаметре;

–микроминиатюрные герконы с трубкой длиной от 4 до 9 мм и 1,5–2 мм в диаметре.

3.По типу магнитной системы:

– нейтральный;

– поляризованный (см. рисунок 4.18).

4.По типу переключения электрической цепи:

– закрытие или нормально открытый – тип А;

– открытие или нормально закрытое – тип B;

– Переключение – тип C (см. рисунок 4.19).

5.По уровню коммутируемого напряжения:

–низковольтные (до 1000 В);

–высоковольтные (более 1000 В).

6. По коммутируемой мощности:

–маломощные (до 60 Вт);

–среднемощные (от 100 до 1000 Вт);

216

– высокомощные (более 1000 Вт).

7. По типу электрических контактов:

–сухие (трубка подана с сухим воздухом, газовой смесью или вакуумирована);

–смоченные (в трубке есть ртуть, смачивающая поверхность контактных элементов).

N

S

1

2

Рисунок 4.18 – Поляризованный геркон:

1 – магнит; 2 – неподвижные контакты; 3 – катушка; 4 – подвижный магнитный контакт; 5 – стеклянная колба

Рисунок 4.19 – Геркон с переключающимися контактами:

1 – стеклянная колба; 2 – нормально закрытый контакт; 3 – магнитопровод; 4 – нормально открытый контакт; 5 – постоянный магнит, предназначенный для коммутации геркона

4.6.3 Параметры и пути устранения недостатков герконов

Работу герконов характеризируют следующие параметры:

1.Магнитодвижущая сила срабатывания – значение напряжённости магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона.

2.Магнитодвижущая сила отпускания – значение напряжённости магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.

3.Сопротивление изоляции – электрическое сопротивление зазора между сердечниками (в разомкнутом состоянии).

217

4.Сопротивление контактного перехода – электрическое сопротивление контактной области, которая образуется при замыкании сердечников.

5.Пробивное напряжение – напряжение, при котором происходит пробой геркона.

6.Время срабатывания.

7.Время отпускания.

8.Ёмкость – электрическая ёмкость между выводами геркона в разомкнутом состоянии.

9.Максимальное число срабатываний – число срабатываний, при котором все основные параметры геркона остаются в допустимых пределах.

10.Максимальная мощность – максимальная мощность, коммутируемая

герконом.

11.Коммутируемое напряжение.

12.Коммутируемый ток.

Достоинства:

полная герметизация контакта позволяет их использовать в различных условиях влажности, запыленности и т. д.;

простота конструкции;

малые габариты;

высокая электрическая прочность межконтактного промежутка;

гальваническая развязка коммутируемых цепей и цепей управления герконовых реле;

надежная работа в широком диапазоне температур (–60¸+120 °С);

долговечность герконов, обусловленная отсутствием трения между деталями;

отсутствие вносимого шума и искажения сигнала.

Недостатки:

дребезг контактов из-за их высокой упругости;

восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от внешних воздействий;

хрупкий баллон герконовых реле. Герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок;

малая мощность коммутируемых цепей у герконов и герсиконов;

возможность самопроизвольного размыкания контактов герконовых реле при больших токах;

недопустимое замыкание и размыкание контактов герконовых реле при питании переменным напряжением низкой частоты;

больший вес по сравнению с открытыми контактами;

ограниченная скорость срабатывания.

В результате износа нормально разомкнутые контакты геркона могут не размыкаться при выводе из магнитного поля. Существуют две основные причины такого явления:

218

–магнитострикционный эффект, когда после многократных срабатываний происходит притирание контактирующих поверхностей и удержание их в замкнутом положении под действием молекулярных сил;

–механическое защемление контактов из-за их электрической эрозии на постоянном токе, когда на одном из них образуется острый выступ, а на другом – кратер.

Для компенсации дребезга применяются контакты, смоченные ртутью, либо в схему включаются демпфирующие фильтры. Для защиты от восприимчивости к внешним магнитным полям применяются магнитные экраны.

4.7 Твердотельное реле

4.7.1 Общие положения Твердотельное реле – электронное устройство, являющееся типом реле без

механических движущихся частей, служащее для включения и выключения высокомощностной цепи с помощью низких напряжений, подаваемых на клеммы управления. Устройство применяется для тех же функций, что и обычное реле, но не содержит движущихся частей.

Серийные твердотельные реле используют технологии полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и транзисторы, чтобы переключать токи до сотен ампер. Возможно также применение специализированных оптоэлектронных приборов: фототиристоров и оптотиристоров. ТТР имеют более высокую скорость переключения, чем электромеханические реле и имеют полную гальваническую развязку. Твердотельные реле менее приспособлены к выдерживанию кратковременных перегрузок (превышению предельно допустимых токов и напряжений), чем их электромеханические аналоги, и имеют чуть большее сопротивление в замкнутом состоянии.

Все элементы твердотельного реле (ТТР) расположены внутри герметически закрытого и не разборного корпуса. Поэтому оно и носит такое название, поскольку представляет собой единое «твердое тело», и не предполагает выполнения ремонта или обслуживания.

Функционально само реле можно разделить на несколько подряд расположенных блоков, представленных на рисунке 4.20.

Нагрузка

Питающая

сеть

Рисунок 4.20 – функциональная схема твердотельного реле

Функционально ТТР состоит из следующих компонентов:

1. Вход. Он преобразует входное управляющее напряжение к величине, приемлемой для выполнения переключений. Попутно она дополнительно может

219

выполнять функцию защиты от импульсных помех, защиты от изменения полярности (при выпрямленном управляющем сигнале).

Минимально входная цепь содержит резистор для подавления лишнего напряжения постоянного тока, плюс – выпрямительный мост для выпрямления переменного тока.

2.Оптическая развязка. У электромеханического реле входная и выходная цепь разделены конструктивно, так как катушка управления никак не связана с контактной системой. Для гальванического развязывания цепей управления с коммутируемыми цепями, которые могут питаться от разных источников, используется электронный прибор – оптрон. В нем этот процесс происходит за счет использования света для передачи команды управления.

3.Триггерная цепь. Она, принимая сигнал от оптрона, запоминает его,

ипредставляет собой электронный ключ – триггер.

4.Переключающая цепь. Она подает напряжение на выход реле, для чего рассчитывается на номинальное напряжение нагрузки.

Для разного характера нагрузки используются принципиально разные электронные компоненты для передачи напряжения управления. Для цепей постоянного тока достаточно транзисторного ключа. Но на переменном токе он работать не будет, для этих цепей применяют симисторы. Поскольку выходной элемент переключающей цепи при работе реле пропускает ток нагрузки и от этого греется, он установлен на теплоотводе, являющемся частью корпуса реле.

5.Защитная цепь. Данный компонент служит для надежной работы твердотельных реле необходимо наличие электрической защиты реле от возможных повреждений или от ошибок, связанных с неправильным использованием. Защитное устройство или устройства могут находиться внутри твердотельного реле или устанавливаться снаружи.

В качестве элемента развязки устанавливают оптроны – это устройство состоит из светоизлучающего элемента и фото приемника, разделенных прозрачным диэлектриком. Узел управления представляет собой схему стабилизации напряжения и тока для светоизлучающего элемента в оптроне. Не имеет значения, на каком контакте расположен потребитель, до или после реле. Что касается схемы подключения, в ней аппарат установлен после нагрузки, соединяя его с землей. При таком подключении в случае короткого замыкания на землю. Реле исключается из цепочки протекания тока.

4.7.2 Конструктивные особенности твердотельных реле

В качестве силовых элементов могут быть использованы:

–для цепей постоянного тока: транзисторы, полевые транзисторы, составные транзисторы MOSFET или модули IGBT (см. рисунок 4.21).

–для цепей переменного тока: симисторы и тиристорные сборки (см. рисунок 4.22).

220