8. Электромагнитные реле переменного тока

В предыдущих параграфах рассматривалась работа реле при питании от сети постоянного тока. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь также будет притягиваться к сердечнику. Это объясняется тем, что, согласно уравнению (12), электромагнитное тяговое усилие пропорционально квадрату МДС, а значит, и квадрату тока в обмотке. Поэтому, хотя переменный ток периодически меняет свое направление, знак тягового усилия не будет зависеть от направления тока. Таким образом, всегда будет действовать именно сила притяжения, а не сила отталкивания. Переменный ток, протекая по обмотке реле, создает в рабочем зазоре переменный магнитный поток

(25)

Подставляя (25) в уравнение (13), получим

(26)

где

(27)

На рис. 14 показаны графики изменения тока t от времени в обмотке реле и электромагнитного тягового усилия . Якорь притягивается к сердечнику под действием среднего значения электромагнитного усилия, т. е. его постоянной составляющей , показанной на рис. 14 прямой линией. Величина определяется из уравнения (26), если заменить на :

(28) где

, (29)

а переменная составляющая изменяется с двойной частотой.

Из уравнения (29) видно, что при одинаковых конструктивных размерах реле и равных значениях максимальной магнитной индукции среднее значение электромагнитного усилия реле переменного тока вдвое меньше, чем реле постоянного тока. Дважды за период электромагнитное усилие обращается в нуль. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваясь от сердечника возвратной пружиной. Конечно, из-за массы якоря сила инерции не позволяет ему совершать колебательные движения. Периодическое изменение силы тяги появляется именно как дрожание якоря, сопровождаемое характерным гудением на частоте 100 Гц (при питании от сети промышленной частоты 50 Гц). В реле переменного тока для устранения вибрации якоря применяются специальные конструктивные меры. Следует также отметить, что наличие переменного потока в магнитопроводе реле приводит к появлению вихревых токов в стали. Эти токи нагревают сердечник, ярмо и якорь реле, на что бесполезно расходуется энергия. Для уменьшения вихревых токов и потерь энергии магнитопровод набирается из отдельных тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали, которые изолируют друг от друга, что увеличивает сопротивление на пути вихревых токов, уменьшает сечение стали на этом пути.

Рис. 14. Графики изменения тока и тягового усилия реле переменного тока

Реле постоянного тока получили большее распространение, чем реле переменного тока. Главное их преимущество — меньшие габариты и большая чувствительность. При наличии сети переменного тока можно включать реле постоянного тока через выпрямительные устройства.

Реле переменного тока имеет еще одну важную особенность по сравнению с реле постоянного тока. При питании обмотки реле от сети переменного тока сопротивление этой обмотки имеет как активную составляющую R, так и индуктивную составляющую , определяемую индуктивностью обмоткиL. При подключении обмотки реле к постоянному напряжению ток не зависит от перемещения якоря, он остается постоянным и определяется сопротивлением R.

Рассмотрим три основных способа устранения вибрации реле переменного тока: применение короткозамкнутого витка; применение многофазной обмотки; применение массивного якоря.

Наиболее часто для исключения вибрации реле переменного тока используется короткозамкнутый виток, охватывающий часть сердечника (рис. 15, а, б). В сердечнике делается щель на небольшую глубину (обычно пропиливается). В эту щель вставляется одна сторона короткозамкнутого витка, обычно представляющего собой медную штампованную прямоугольную рамку. Принцип действия короткозамкнутого витка заключается в следующем. Переменный магнитный поток Ф, созданный током в обмотке реле, проходит по сердечнику и разветвляется на две части: один поток Ф₁ проходит по стали, не пронизывая плоскость витка; другой поток Ф₂ проходит по стали, наводя в витке переменную ЭДС, как во вторичной обмотке трансформатора. Так как виток замкнут накоротко, то в нем под действием наведенной ЭДС пойдет ток, создавая магнитный поток Ф_{к з}, препятствующий изменению магнитного потока Ф₂ (правило Ленца). Это приводит к отставанию по фазе потока Ф₂ от потока Ф_1. Следовательно, в рабочем зазоре реле переменного тока будут действовать два сдвинутых во времени потока (рис. 15, б). Поэтому электромагнитная тяговая сила ни в один из моментов времени не будет равна нулю; когда магнитный поток равен нулю, то сила создается еще не равным нулю потоком Ф₂, а когда этот поток Ф₂ станет равен нулю, уже потоквозрастет и обеспечит создание тяговой силы. С помощью короткозамкнутого витка удается обеспечить отставание магнитного потока Ф₂ от Ф₁ на 60—70°. Но за счет встречно направленного потока Ф_кз величина Ф₂ получается меньше, чем Ф₁

Рис. 15. Короткозамкнутый виток в реле переменного тока

Обеспечить равенство потоков Ф₂ и Ф₁ и сдвиг их по фазе на 90° можно с помощью двухфазного реле. Такое реле имеет два сердечника с раздельными обмотками и общий якорь. В цепь одной из обмоток включается конденсатор, обеспечивающий сдвиг по фазе токов в обмотках на 90°. При таком сдвиге фаз и равенстве магнитных потоков результирующая сила притяжения якоря будет иметь постоянное значение. При наличии трехфазной сети электромагнитный механизм реле может быть выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками (на каждом стержне — одна обмотка) и плоского якоря. Обмотки обычно соединяются звездой и включаются в трехфазную сеть. Три магнитных потока в трех рабочих зазорах будут создавать постоянное тяговое усилие на якоре. Однако точка приложения этого усилия будет перемещаться по якорю; ведь сначала якорь сильнее притягивается к крайнему стержню, потом к среднему, к другому крайнему и т. д.

Утяжеленный якорь благодаря большой инерции не может вибрировать с удвоенной частотой (2ω), так как он не успевает отходить от сердечника в те моменты времени, когда ток в обмотке реле проходит через нуль и тяговое усилие равно нулю. Однако применение утяжеленного якоря приводит к увеличению размеров реле и уменьшению чувствительности. Этот способ применяется редко, например когда исполнительный механизм, связанный с якорем реле, имеет большую инерцию.

При подключении обмотки реле к переменному напряжению ток будет изменяться в зависимости от перемещения якоря. Действительно, электромагнитный механизм реле похож на электромагнитный датчик перемещения: его индуктивность L возрастает с уменьшением воздушного зазора. Следовательно, при притягивании якоря к сердечнику индуктивное сопротивление будет возрастать, а ток — уменьшаться. Поэтому тяговое усилие реле переменного тока в отличие от реле постоянного тока мало увеличивается или вообще не увеличивается по мере уменьшения воздушного зазора.