§ 17.9. Быстродействие электромагнитных реле

В § 17.2 в числе основных параметров электромагнитных реле были отмечены параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания /_ср и время отпускания Г_отп. Эти параметры определя­ются при анализе переходных процессов, происходящих при вклю­чении и отключении реле. Рассмотрим эти процессы применитель­но к обмотке реле постоянного тока.

Цепь обмотки реле можно представить в виде последовательно­го соединения активного сопротивления R и индуктивности L. Пе­реходный процесс при включении реле можно рассматривать как известный из электротехники случай включения катушки индуктив­ности на постоянное напряжение (рис. 17.16). С момента замыка­ния ключа К возникает переходный процесс, в течение которого ток в обмотке реле увеличивается от нуля до некоторого установивше­гося значения / = /_уст, изменяются и напряжения и_к и u_l. Электриче­ское состояние цепи по схеме рис. 17.16 в любой момент переход­ного процесса характеризуется уравнением

График зависимости /=/(/) представляет собой экспоненту (пунктирная кривая 1 на рис. 17.16, б). Формула (17.31) получена в предположении, что индуктивность L обмотки реле постоянна. В действительности в процессе движения якоря к сердечнику ин­дуктивность L увеличивается (аналогично работе электромагнитно­го индуктивного датчика перемещения, рассмотренного в гл. 6). _ьИз" менение индуктивности начинается с того момента времени, когда ток в обмотке достиг значения тока трогания (/ = 4р). Начинающее­ся увеличение индуктивности приводит к увеличению постоянной времени Т= L/R. Следовательно, рост тока замедляется. Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличение противоЭДС, т. е. напряжения на индуктивности u_l. Это приводит даже к уменьшению на некоторое время тока в цепи (см. сплошную кривую 2 на рис. 17.16, 6). Как только якорь притянется к сердечни­ку, индуктивность обмотки перестает увеличиваться и ток снова возрастает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начала ном участке, поскольку увеличилась постоянная времени.

Время срабатывания реле ?_ср определяется двумя составляющи­

ми (рис. 17.16, б): временем трогания /_тр и временем движения /_дв, т. е.

т. е. время трогания пропорционально постоянной времени.

Время движения /_дв зависит от механической инерционности электромагнитного механизма реле. Оно может быть определено на основании второго закона Ньютона а = F/m, где а — ускорение, т — масса. Для уменьшения времени движения необходимо стремиться к уменьшению массы якоря. Для данного типа реле можно считать величину ?_дв приблизительно постоянной. Поэтому основным фак­тором, влияющим на время срабатывания реле /_ср, является посто­янная времени Г= L/R.

Рассмотрим способы ускорения срабатывания реле постоянного тока, основанные именно на изменении длительности переходного процесса. Последовательно с обмоткой реле включается добавочное активное сопротивление R^ (рис. 17.17), а напряжение питания по­вышается на величину Д£/, которая выбрана таким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неизменным, т. е.

-г ill]

Теперь постоянная времени уменьшилась ——-— < — и нара-

1^{Л + Л}лоб ^R)

стание тока будет происходить по более крутой экспоненте (кривая 2 на рис. 17.17, б), чем без добавочного сопротивления (кривая 1 на рис. 17.17, 6).

Еще большее ускорение срабатывания реле можно получить подключив параллельно добавочному сопротивлению Л_доб конденса

тор емкостью С (на рис. 17.17, а это включение показано пункти­ром). При замыкании ключа К ток переходного процесса проходит через емкость в обход Л_до6. Ведь до замыкания ключа напряжение на конденсаторе было равно нулю, а скачком оно измениться не может. Поэтому в первый момент времени все повышенное напря­жение приложено именно к катушке реле. В цепи появляется зна­чительный ток, но он не опасен для обмотки, поскольку действует короткое время. По окончании переходного процесса ток уменьша­ется до установившегося значения, поскольку он проходит через Л_доб (через конденсатор постоянный ток не проходит). Емкость кон­денсатора (в мкФ) выбирается из условия

Теперь рассмотрим переходный процесс при, отключении реле. При размыкании ключа К (ркс. 17.16, а) ток в обмотке реле умень­шается от значения /_уст до нуля. Энергия, запасенная в магнитном поле обмотки реле, поддерживает некоторое время ток за счет дуго­вого разряда между контактами ключа К. Уравнение тока переход­ного процесса получим, решая дифференциальное уравнение (17.30) при U=0:

где Т= L/R; L — индуктивность обмотки реле при притянутом яко­ре.

График зависимости i=f(f) показан на рис. 17.16, в в виде экс­поненты (пунктирная кривая Г). Кривая 2 показывает реальное из­менение тока в обмотке реле при отключении. Всплеск тока на этой кривой объясняется изменением индуктивности обмотки при дви­жении якоря (аналогично всплеску тока при включении реле).

К схемным методам замедления времени срабатывания и отпус­кания относится метод шунтирования обмотки реле конденсатором (рис. 17.18). При включении реле ток в его обмотке будет нарастать мед­леннее за счет процесса зарядки кон­денсатора. Время срабатывания мо­жет быть увеличено примерно до 1 с по сравнению с примерно 50 мс при включении без конденсатора. При отключении реле, наоборот, конден­сатор будет разряжаться на обмотку реле, замедляя уменьшение в ней

тока. Дополнительное сопротивление Л_доб необходимо для ограничения тока, потреб­ляемого от источника питания.

Эффективным схемным методом замед­ления времени отпускания является вклю­чение параллельно обмотке реле диода (в непроводящем по отношению к напряже­нию питания направлении). В этом случае (рис. 17.19) ЭДС самоиндукции, возникаю­щая в обмотке реле при отключении, создает ток, протекающий че­рез обмотку и реле и удерживающий якорь некоторое время в при­тянутом положении. Включение диода используется и для защиты обмотки реле от пробоя под действием перенапряжений при отклю­чении.

Замедление работы реле обеспечивается и с помощью коротко-замкнутого витка (или обмотки) на пути магнитного потока.

К конструктивным методам уменьшения временных параметров реле относятся уменьшение хода якоря, уменьшение вихревых то­ков за счет применения шихтованного (набранного из отдельных пластин) магнитопровода. Следует также напомнить, что реле по­стоянного тока являются более быстродействующими, чем реле пе­ременного тока.

Контрольные вопросы

1. Что такое репе?

2. Как работает электромагнитное реле?

3. Перечислите основные параметры электромагнитного реле.

4. Поясните график изменения тока в обмотке реле при его срабатыва­нии и отключении.

5. Что такое тяговая и механическая характеристики реле?

6. Чем отличаются реле переменного тока от реле постоянного тока?

7. Какие способы позволяют повысить быстродействие реле?