Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

3

5 6

Рис. 7.7. Схема устройства индукционного реле (вид сверху): 1 – сердечник электромагнита; 2 – обмотка электромагнита; 3 – короткозамкнутые витки; 4 – диск; 5 – подвижный контакт; 6 – неподвижные контакты

Потоки ФI и ФII , пронизывая диск, индуктируют в нем вихревые токиII и III . В результате взаимодействия магнитного потока ФI и тока III , а также магнитного потока ФII и тока II создаются электромагнитные силы FЭ1 и FЭ2 . Знаки и направления каждой силы определяются углом сдвига фаз между магнитным потоком и взаимодействующим с ним током.

Силы FЭ1 и FЭ2 создают результирующую электромагнитную силу FЭ, которая равна их алгебраической сумме. Результирующая сила FЭ создает вращающий магнитный момент

MЭ = FЭ l ,

где l – плечо силы FЭ.

Электромагнитная сила FЭ и момент MЭ приводят в движение диск и подвижный контакт, который в зависимости от знака MЭ замыкает или размыкает контактную систему реле.

Время срабатывания индукционных реле регламентируется изменением расстояния между подвижными и неподвижными контактами.

121

Магнитоэлектрические реле – реле, в которых движение элементов воспринимающего органа происходит за счет взаимодействия магнитного поля и контура с током чувствительного элемента. Принцип действия магнитоэлектрического реле представлен на рис. 7.8. Оно состоит из постоянного магнита, между полюсными наконечниками которых находится цилиндрический стальной сердечник. В кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное, радиально-направленное магнитное поле. В зазоре размещена легкая алюминиевая рамка с обмоткой из тонкого провода, к которой подводится ток по спиральным пружинам из фосфористой или оловян- но-цинковой бронзы. Эти пружины создают противодействующий момент, стремящийся установить рамку с обмоткой таким образом, чтобы ее плоскость была направлена по оси полюсов магнита.

5

6

N S

4

Рис. 7.8. Принцип действия магнитоэлектрического реле:

1 – постоянный магнит; 2 – цилиндрический стальной сердечник; 3 – легкая алюминиевая рамка с обмоткой; 4 – спиральные пружины; 5 – неподвижные контакты; 6 – подвижный контакт

122

При протекании тока I по обмотке на рамку с обмоткой действует вращающий момент, заставляющий ее поворачиваться вокруг оси в направлении, определяемом полярностью тока, при этом жестко закрепленный на рамке подвижный контакт замыкается с одним из неподвижных контактов.

Сила, действующая на проводник, определяется на основании закона Ампера:

F = B l I ,

где B – вектор магнитной индукции; l– длина проводника; I– сила тока. Вращающий момент, действующий на рамку, определяется следу-

ющим образом:

Mвр = B l I w a ,

где l –длина рамки; a – ширина рамки;w – число витков обмотки. Согласно уравнениям при неизменных конструктивных параме-

трах реле и заданном токе образованный вращающий момент имеет постоянное значение. В тоже время противодействующий момент, создаваемый закручивающимися токопроводящими пружинами, пропорционален углу закрутки.

Поскольку направление поворота рамки определяется направлением тока в обмотке, магнитоэлектрические реле являются поляризованными и могут быть выполнены трехпозиционными.

По сравнению с другими электромеханическими реле магнитоэлектрические реле являются наиболее чувствительными, срабатывают при мощности управления в доли милливатт. Усилие на контактах магнитоэлектрического реле невелико, поэтому для повышения надежности контакты выполняются из платины и платинородиевого сплава.

Недостатком реле такого типа является наличие слабой контактной системы с малой отключающей способностью. Следует отметить, что данный вид реле работает только на постоянном токе.

Имеются разновидности магнитоэлектрических реле, у которых рамка получает поступательное, а не вращательное движение.

Принцип действия электродинамического реле основан на движении элементов воспринимающего органа, который обеспечивается электродинамическим взаимодействием токов, протекающих по обмоткам чувствительного элемента и неподвижным обмоткам

123

(рис. 7.9). На магнитопровод надета разделенная на две части неподвижная обмотка, которая обтекается током I2, между полюсными наконечниками находится цилиндрический стальной сердечник. В кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиально направленное магнитное поле.

7

1

I1

3

2

4

I2

Рис. 7.9. Принцип действия электродинамического реле: 1 – магнитопровод; 2 – цилиндрический стальной сердечник; 3 – легкая алюминиевая рамка с обмоткой; 4 – спиральные пружины; 5 – неподвижные

контакты; 6 – подвижный контакт; 7 – обмотки реле

В зазоре размещается легкая алюминиевая рамка с обмотками из тонкого провода, к которым подводится ток I1 по спиральным пружинам, создающим противодействующий момент, стремящийся установить плоскость рамки вдоль оси наконечников.

При подаче управляющего тока I1 в обмотку рамки, она будет поворачиваться в зазоре между полюсными наконечниками и сердечни-

124

ком. Жестко закрепленный на рамке подвижный контакт замыкается с одним из неподвижных контактов.

Вектор магнитной индукции, так как он не является постоянной величиной, определяется следующим образом:

 = I2 w2 , Rм sδ

где Rм – магнитное сопротивление на пути магнитного потока возбуждения;sδ – площадь поперечного сечения рабочего воздушного зазора;w2 – число витков неподвижной обмотки реле.

Вращающий момент, определяется следующим образом:

Mвр = B l I1 w1 a ,

где l – длина рамки; a – ширина рамки;w1 – число витков обмотки рамки.

Направление поворота рамки зависит от направления токов в обеих обмотках реле.

Положительное направление поворота рамки будет в случае одинаковых направлений токов и отрицательным – при разных направлениях.

К недостаткам электродинамических реле следует отнести их большие габариты и массу.

Геркон (герметизированный магнитоуправляемый контакт) представляет собой магнитоуправляемый контакт, помещенный в герметизированный корпус, заполненный азотом или инертным газом. Они классифицируются на герконы с сухими контактами (с твердыми контактами) и смоченные жидким металлом (ртутные). Жидкий металл внутри геркона смачивает контактные поверхности, уменьшая их электрическое сопротивление и предотвращая вибрацию пластин в процессе работы. При поднесении к геркону постоянного магнита или включении электромагнита, его контакты замыкаются.

В настоящее время на базе герконов создано большое количество коммутационных аппаратов: герконовые реле; датчики и переключатели.

Герконовое реле представляет собой геркон и электромагнитную обмотку.

При подаче тока в обмотку герконового реле возникает магнитное поле, которое проходит через рабочий воздушный зазор и замыкается по воздуху вокруг обмотки. Создаваемый при этом магнитный поток при прохождении через рабочий зазор образует тяговую электромаг-

125

нитную силу, которая, преодолевая упругость контактов, замыкает их между собой. При отключении тока в обмотке герконового реле магнитный поток исчезает, и под действием сил упругости контакты размыкаются.

Для создания минимального переходного соединения контактные поверхности покрывают золотом, радием, палладием или серебром.

Основные параметры герконовых реле:

•магнитодвижущая сила срабатывания – значение напряженности магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона;

•магнитодвижущая сила отпускания – значение напряженности магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона;

•сопротивление изоляции – электрическое сопротивление зазора между контактами;

•сопротивление контактного перехода – электрическое сопротивление контактной области, которое образуется при замыкании контактов;

•пробивное напряжение – напряжение, при котором происходит пробой геркона;

•время срабатывания – время между моментом приложения управляющего магнитного поля и моментом первого физического замыкания электрической цепи герконом;

•максимальное число срабатывания – число срабатываний, при котором все основные параметры геркона остаются в допустимых пределах;

•максимальная мощность – максимальная мощность, коммутируемая герконом.

Существует большое количество разновидностей герконов и герконовых реле. Наиболее распространенные представлены на рис. 7.10.

К достоинствам герконов и герконовых реле следует отнести:

•долговечность (коммутационная износостойкость достигает 109 срабатываний);

•меньшие габаритные размеры по сравнению с классическими реле при одинаковых токах;

•практическое отсутствие шума;

•высокое быстродействие по сравнению с классическим реле;

•полная герметизация контакта, позволяющая эксплуатацию в различных условиях (влажности, запыленности и т.д.);

•высокая электрическая прочность межконтактного промежутка;

•гальваническая развязка коммутируемых цепей и цепей управления;

•надежная работа в широком диапазоне температур.

126

1

2

а)

1

в)

г)

3

4

1

д)

Рис. 7.10. Основные разновидности герконов:

а– геркон с замыкающими контактами; б – геркон с переключающими контактами; в – геркон с размыкающими контактами; г – ртутный

геркон; д – герконовое реле; 1 – герметичная колба; 2 – контактная группа; 3 – ртуть; 4 – обмотка герконового реле

127

Недостатки герконов и герконовых реле:

•необходимость создания магнитного поля;

•сложность монтажа;

•хрупкость, чувствительность к ударным нагрузкам;

•наличие явления «залипания» контактов;

•восприимчивость к воздействию внешних магнитных полей (необходимость в экранировании);

•алая мощность коммутируемых цепей.

Отечественные герконы на рынке представлены производителем ОАО «РЗМКП» (Рязанский завод металлокерамических приборов).

7.4. Тепловые реле

Тепловое реле – ЭА, предназначенный для защиты потребителей от токов перегрузки. Как правило, в качестве потребителей выступают электродвигатели. Конструктивно наибольшее распространение получили тепловые реле с биметаллическим механизмом отключения. Основную функцию в биметаллическом механизме выполняет биметаллическая пластина, состоящая из двух пластин с разными коэффициентами расширения. Если закрепить неподвижно биметаллическую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим коэффициентом расширения. Данный вид ЭА относится к аппаратам косвенного действия, так как реагирует не на превышение температуры нагрева защищаемого объекта, а на ток, вызывающий это превышение.

При пуске электродвигателя пусковые токи превышают номинальные в 5–7 раз, но тепловое реле не срабатывает ввиду его инерционности (биметаллическому механизму необходимо время на нагрев). Выбор теплового реле осуществляется по номинальному току с коэффициентом (1,2…1,3) от номинального тока электродвигателя. Тепловое реле осуществляет защиту потребителя, который работает в продолжительном режиме (время работы электродвигателя должно быть выше 30 мин). При работе электродвигателя в повторно-кратко- временном режиме установка теплового реле не целесообразна из-за значительного числа ложных срабатываний.

Некоторые упрощенные схемы биметаллических устройств представлены на рис. 7.11. На рис. 7.11, а представлена упрощенная схема биметаллического механизма, принцип действия которого основан на нагреве биметаллической пластины (1), которая воздействует

128

на толкатель (2), в результате чего контакты (3) размыкаются. После охлаждения биметаллической пластины реле возвращается в исходное положение. Следует отметить, что эта схема имеет малое быстродействие. Для увеличения этого применяется схема теплового реле, представленная на рис. 7.11, б. Биметаллическая пластина (1) служит защелкой, удерживающей контакты (3) в замкнутом положении. При нагреве и деформации биметаллической пластины контакты размыкаются под действием пружины (4). Возврат пластины

висходное состояние осуществляется вручную. Для исключения влияния температуры окружающей среды на характеристики в тепловых реле предусмотрена термокомпенсация в виде дополнительной биметаллической пластины (рис. 7.11, в). Для компенсации усилия биметаллической пластины используется схема, представленная на рис. 7.11, г.

Основной характеристикой теплового реле является времятоковая характеристика – зависимость времени срабатывания от тока нагрузки. Характеристики теплового реле ТРН-10А представлены на рис. 7.12.

Различают два вида зон времятоковых характеристик: зона при срабатывании реле из холодного состояния (область а) и зона при срабатывании реле из состояния после прогрева номинальным током (область б). Анализ зон срабатывания показал, что чем больше кратность тока в цепи по отношению к номинальному току, тем быстрее происходит отключение теплового реле.

Схема устройства теплового реле ТРН представлена на рис. 7.13. Под действием тепла биметаллическая пластинка деформируется и освобождает защелку спускового механизма, что приводит к размыканию контактов реле и разрыву цепи катушки пускателя. Взвод спускового механизма после срабатывания реле и возврат его контактов

взамкнутое положение осуществляется после остывания биметаллической пластины нажатием на кнопку возврата реле (штанга расцепителя), которая выходит из корпуса теплового реле.

Достоинства тепловых реле: относительно малые размеры, масса и стоимость; простота конструкции и надежность в эксплуатации. Недостатками тепловых реле являются: низкая термическая стойкость к протекающим в реле сверхтокам; нерегулируемость защитной характеристики; большое время срабатывания и потери энергии; большой разброс в срабатывании реле; необходимость в остывании.

129

2

1

3

1

б)

4

1

в)

3

1

г)

3

Рис.7.11. Некоторые схемы биметаллических устройств тепловых реле: а – механизм теплового реле с толкателем; б – механизм теплового реле с увеличенным быстродействием; в – механизм теплового реле с дополнительной биметаллической пластиной;

г – механизм с устройством компенсации усилия; 1 – биметаллическая пластина; 2 – толкатель; 3 – контакты; 4 – пружина

130