§ 17.8. 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 (17.12), 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

На рис. 17.14 показаны графики изменения тока / от времени в обмотке реле и электромагнитного тягового усилия Р_э. Якорь притя­гивается к сердечнику под действием среднего значения электро­магнитного усилия, т. е. его постоянной составляющей Р_эср, пока­занной на рис. 17.14 прямой линией. Величина Р_эср определяется из уравнения (17.26), если заменить sin² со/ на (1 - cos 2a>t)/2:

а переменная составляющая Q,5F_3mm cos 2со/ изменяется с двойной частотой.

Из уравнения (17.29) видно, что при одинаковых конструктив­ных размерах реле и равных значениях максимальной магнитной индукции среднее значение электромагнитного усилия /1,^ 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. Пе-

риодическое 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.

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 X_L = <uL, определяемую индуктивностью обмотки L. 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. 17.15, 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 Ф, 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_кз, препятствующий изменению магнитного потока Ф₂ (правило Ленца). Это приводит к отставанию по фазе потока Ф₂ от потока Ф, Следовательно, в рабочем зазоре реле переменного тока будут дей­ствовать два сдвинутых во времени потока (рис. 17.15, б). Поэтому электромагнитная тяговая сила ни в один из моментов времени не будет равна нулю; когда магнитный поток Ф, равен нулю, то сила создается еще не равным нулю потоком Ф₂, а когда этот поток Ф₂ станет равен нулю, уже поток Ф] возрастет и обеспечит создание тя­говой силы. С помощью короткозамкнутого витка удается обеспе­чить отставание магнитного потока Ф₂ от Ф, на 60—70°. Но за счет встречно направленного потока Ф_кз величина Ф₂ получается мень­ше, чем Ф, .

Обеспечить равенство потоков Ф₂ и Ф, 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 (2о>), 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.