Глава 18

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ

§ 18.1. Назначение. Принцип действия

В автоматических системах очень часто требуется, чтобы элементы, в том числе и электромагнитные реле, реагировали не только на значение, но и на полярность тока на входе. Например, в системе автоматического регулирования температуры при температуре сверх требуемого значения (задания) должен включаться охладитель (на­пример, вентилятор), а при температуре ниже требуемого значения должен включаться нагреватель. Следовательно, реле при одной по­лярности входного сигнала должно включать одну группу контак­тов, а при другой полярности — другую. Как известно из электро­техники, при пропускании тока по катушке с сердечником создает­ся магнитное поле и на находящиеся в этом поле стальные детали будет действовать сила притяжения. Направление тока или знак ин­дукции магнитного поля не влияют на направление силы. Это все­гда сила притяжения, а не отталкивания. В предыдущей главе при­ведены формулы для электромагнитной силы (17.12) и (17.13). В этих формулах значение тока или магнитного потока стоит в квадрате, что и доказывает математически неизменность направле­ния электромагнитной силы при изменении знака тока или потока.

Для получения в электромагнитном механизме знакоперемен­ной зависимости тяговой силы от направления входного сигнала необходимо наличие двух магнитных потоков: создаваемого током в обмотке реле и постоянного, неизменного по величине и направле­нию, создаваемого обычно постоянным магнитом. Таким образом, при одном направлении тока в обмотке реле магнитные потоки бу­дут складываться, а при другом направлении тока — вычитаться. Следовательно, изменение направления тока приведет к изменению абсолютной величины магнитного потока, чего не было в электро­магнитных нейтральных реле.

Чувствительность к направлению (поляризация) осуществляется именно за счет постоянного магнитного потока. Все поляризованные реле основаны на использовании в электромагнитном механизме двух потоков. По конструктивной схеме магнитной цепи различают поляризованные реле, построенные по дифференциальной и мосто­вой схемам. По числу устойчивых положений якоря различают двух-позиционные и трехпозиционные поляризованные реле.

§ 18.2. Магнитные цепи поляризованных реле

Поляризованное реле с дифференциальной схемой магнитной цепи показано на рис. 18.1. Рабочий (управляющий) магнитный поток Ф_у создается при протекании тока / по обмотке реле, состоящей из двух одинаковых половин / и /', включенных последовательно и со­гласно. Постоянный (поляризующий) магнитный поток Ф_п создает­ся постоянным магнитом 2. Катушки реле / и Г размещены на не­подвижном сердечнике (ярме) 3. Якорь 4 может поворачиваться от­носительно оси О в рабочем зазоре 6. На якоре размещен подвижный контакт, который может замыкаться с неподвижными контактами 5 или 5'.

Магнитный поток Ф_у показан пунктиром, а магнитный поток Ф_п — сплошной линией. Направление потока Ф_п неизменно, а на­правление потока Ф_у зависит от направления тока в катушке реле. На рис. 18.1 направление потока Ф_у показано для указанного на этом рисунке направления тока /.

Поляризующий поток Ф_п проходит по якорю 4 и разветвляется на две части Ф_п) и Ф_п2 в соответствии с проводимостями воздушных зазоров слева (8_Л) и справа (5_П) от якоря. В зависимости от полярно­сти тока / в обмотке реле рабочий поток Ф_у вычитается из потока Ф_п, в зазоре слева от якоря и складывается с потоком Ф_п2 в зазоре справа от якоря (как показано на рис. 18.1) или наоборот: потоки складываются в левом зазоре и вычитаются в правом зазоре при противоположном направлении тока. На якорь действуют две элек­тромагнитные силы, направленные встречно, каждая из которых

пропорциональна в соответствии с уравнением (17.13) квадрату потока в соответствующей части зазора. Для направлений тока и магнитных потоков, показанных на рис. 18.1, результирующее тяговое усилие за­ставит якорь перекинуться из левого положения в правое. При отключе­нии входного сигнала (/= 0) якорь остается в том положении, которое он занимал до отключения сигнала. Реле, показанное на рис. 18,1, явля­ется двухпозиционным. Результиру­ющее электромагнитное усилие, действующее на якорь поляризован­ного реле, направлено в сторону

того зазора, где управляющий и поляризующий магнитные потоки складываются.

Рассмотрим усилия, действующие на якорь поляризованного реле. Определяются они в соответствии с уравнением (17.13). В среднем положении якоря магнитные проводимости левого и правого зазора одинаковы и поэтому поляризующий поток делится на две равные части: Ф_п, = Ф_п2 = Ф„/2. При отсутствии управляюще­го потока на якорь будут действовать одинаковые усилия влево и вправо:

где 5₅ — площадь сечения воздушного зазора.

Результирующая сила, равная разности F_3!t и Р_эп при среднем положении якоря, будет равна нулю. Однако якорь в среднем поло­жении находится в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточ­но незначительного смещения якоря от среднего положения, чтобы произошло перераспределение потоков. Уменьшается магнитное со­противление того зазора, в какую сторону сместился якорь. Следо­вательно, в ту же сторону увеличится магнитный поток, а значит, и сила, направленная в сторону уменьшения зазора. Полагая сечение воздушного зазора неизменным, рассмотрим перераспределение по­ляризующего потока в зависимости от магнитного сопротивления, которое будет в этом случае пропорционально величине зазора.

Отношение магнитных потоков в левом и правом зазоре обрат­но пропорционально отношению магнитных сопротивлений этих зазоров:

Соответственно электромагнитные силы притяжения якоря, на- • правленные влево и вправо

Результирующая сила определяется как разность этих сил:

При подаче тока в обмотку поляризованного реле в магнитной цепи возникает магнитный поток Ф_у, который (для полярности, по­казанной на рис. 18.1) складывается в правом зазоре с Ф_п2 и в левом вычитается из Ф_п1.

При достижении Ф_у значения, равного Ф_п, контактное усилие будет равно нулю. Как только Ф_у станет больше Ф_у, якорь переки­нется в крайнее правое положение. Ток, при котором якорь пере­брасывается в новое положение, называется током срабатывания /_ср. В новом положении якоря произойдет перераспределение поляри­зующего магнитного потока между зазорами. Суммарный поток в новом положении якоря при /_ср будет равен 2Ф = Ф_п + Ф_у- Так как при срабатывании Ф_у = Ф_п, то 1Ф = 2Ф_П, а усилие, пропорциональное квадрату магнитного потока, возрастет в четыре раза по сравнению с усилием в обесточенном реле. Таким образом, в процессе переме­щения якоря из одного положения в другое происходит значитель­ное увеличение тягового усилия. Этим и объясняется то, что поля­ризованные реле имеют очень высокое быстродействие: время сра­батывания составляет несколько миллисекунд. Кроме того, дополнительное усилие, сжимая контакты, позволяет при очень ма­лом управляющем сигнале управлять относительно мощными элек­трическими цепями. Однако главным достоинством поляризован­ных реле является их высокая чувствительность. Чаще всего не стремятся к увеличению разрывной мощности их контактов, по­скольку это требует увеличения хода якоря, что приводит к потере чувствительности: Поэтому высокочувствительные поляризованные реле выполняются маломощными с ходом якоря от одного крайнего положения до другого порядка 0,1—0,2 мм.

Работа поляризованного реле с мо­стовой схемой магнитной цепи (рис. 18.2) происходит аналогично реле с дифференциальной схемой. Отличие заключается в том, что магнитная цепь для управляющего потока Ф_у, создавае­мого обмоткой реле, выполнена отде­льно от магнитной цепи для поляризу­ющего потока Ф_п, создаваемого посто­янным магнитом. Благодаря этому поляризованные реле мостового типа имеют более высокую стабильность параметров и устойчивее к внешним механическим воздействиям.