§ 17.3. Электромагнитные реле постоянного тока

Устройство электромагнитных реле постоянного тока по­казано на рис. 17.4: а —с поворотным якорем, б —с втяжным яко-

рем. Основные детали и узлы реле имеют следующие обозначе­ния: / — катушка на каркасе; 2 — ярмо; 3 — сердечник; 4 — якорь;

5 — штифт отлипания (немагнитная прокладка); б — возвратная пружина; 7— подвижные контакты; 8 — неподвижные контакты.

Магпитопровод электромагнитного механизма реле состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть называется якорем. Неподвижная часть состоит из сердечника, который на­ходится внутри катушки, и ярма — той части магпитопроиода, ко­торая охватывает катушку.

В реле с поворотным якорем (рис. 17.4, а) электромагнитный механизм и контактный узел закреплены на общем изоляционном основании 9. При протекании тока по обмотке катушки / якорь 4 притягивается к сердечнику 3 и совершает поворот относитель­но точки опоры А. При этом якорь перемещает подвижный кон­такт 7, который размыкается с неподвижным контактом 8' и за­мыкается с неподвижным контактом 8". Контакты закреплены на плоских пружинах 10, которые служат и для подсоединения к внешней цепи. Когда ток через обмотку реле прекращается, якорь поворачивается в исходное положение.

В некоторых реле это происходит под действием силы тяже­сти якоря, в некоторых — под действием контактных пружин или специальной возвратной пружины 6. Для того чтобы якорь при обссточивапии обмотки не прилипал к сердечнику из-за остаточ­ного намагничивания магпитопровода, па якоре устанавливается штифт отлипания 5 — пластинка из немагнитного материала, обе­спечивающая зазор примерно в 0,1 мм между якорем и сердечни­ком при срабатывании реле. Обычно сердечник имеет полюсный наконечник 11 для уменьшения магнитного сопротивления рабо­чего воздушного зазора.

В электромагнитном реле с втяжным якорем (рис. 17.4, б) при протекании тока по обмотке катушки 1 якорь 4 втягивается внутрь ее до упора в сердечник 3. При этом подвижные мостиковые кон­такты 7 размыкаются с неподвижными контактами 8' и замыка­ются с неподвижными контактами 8". Возврат якоря 4 в исход­ное положение при обесточивании реле происходит под действием возвратной пружины 6. Как и в реле с поворотным якорем, для исключения залипания якоря служит штифт 5. Для возврата яко­ря в исходное положение может использоваться и сила тяжести якоря.

§ 17.4. Последовательность работы электромагнитного реле

Рассмотрим последовательность работы электромагнит­ного реле с момента подачи напряжения на обмотку реле до мо­мента снятия напряжения с обмотки и возвращения якоря в исход­ное положение. Поскольку обмотка реле имеет индуктивное сопро­тивление, ток в ней не может измениться скачком. Изменение тока щадь Оbф на рис. 17.6, а), и энергии, распределенной в стальных частях магнитопровода (заштрихованная площадь Оаb на рис. 17.6, а). Магнитопровод реле обычно не насыщен, т. е. работа реле происходит на прямолинейном участке кривой намагничивания.

П о­скольку воздушный зазор имеет сравнительно большую величину, можно пренебречь второй частью энергии (площадью Oab). Маг­нитную энергию, запасенную в воздушном зазоре, приближенно определяем как площадь всего тре­угольника ОаФ:

W_b=Iw Ф/2. (17.4)

Теперь рассмотрим процесс, изменения энергии магнитного поля при перемещении якоря, по­лагая ток в обмотке реле неизт мепным: I = const. При переме­щении якоря уменьшается зазор, а магнитный поток увеличивается от Ф₁ до Ф₂. Следовательно, из­менение энергии AW можно при-

ближенно определить как площадь прямоугольника Ф,аbф₂ на рис. 17.6, б:

До начала движения якоря энергия поля определялась площадью треугольника ОаФ₁, после перемещения якоря на б энергия поля определялась площадью треугольника ОbФ₂. Разница этих площа­дей и даст нам изменение магнитной энергии в воздушном зазоре:

Изменение энергии AW по уравнению (17.5) произошло за счет поступления энергии из сети. Половина ее, как видно из уравнения (17.6), пошла на изменение энергии в воздушном зазоре. Куда же была израсходована вторая половина энергии AW, численно при­мерно равная AW_b?

Эта вторая половина энергии (на рис. 17.6, б она соответствует площади треугольника Oab) расходуется на создание механической работы A_мех при перемещении якоря под действием электромаг­нитной силы F_a:

Подставляя в (17.7) выражение (17.6), получим

Магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет магнито­движущей силы (МДС) (/w) в и пропорционален магнитной прово­димости зазора Ge.

Так как мы приняли /=const, то и МДС (/w) = const, а изме­нение потока Ф = Ф₂—Ф1 происходит за счет изменения прово­димости воздушного зазора G _:

Для воздушного зазора длиной б между двумя плоскостями, площадь сечения которых s , магнитная проводимость определяет­ся по формуле

Подставляя (17.11) и значение ₀ в (17.10), получим электромагнитную силу при изменении зазора от до нуля:

Эту формулу можно преобразовать, учитывая что

Из (17.12) следует, что электромагнитное тяговое усилие прямо пропорционально квадрату МДС, т. е. не зависит от направления тока в обмотке реле. Эта сила тяги обратно пропорциональна квад­рату длины б воздушного зазора. Тяговая характеристика F_a—f( ) показана на рис. 17.7. В зоне малых зазоров реальная тяговая ха­рактеристика отличается от теоретической, построенной по (17.12), — штриховая кривая на рис. 17.7. Напомним, что мы вы­водили уравнение силы тяги, приняв некоторые допущения. При малых зазорах необходимо учитывать магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода, которыми мы пренебрегли.

Р ассмотрим теперь механическую характеристику реле. Пере­мещению якоря реле в направлении сердечника противодействуют силы упругих элементов. Такими упругими элементами являются возвратная и контактная пружины.

Подвижный контакт реле обычно размещается на плоской пру­жине, представляющей собой упругую металлическую пластину, один конец которой жестко закреплен, а другой может переме­щаться (см., например, контакт 6 на рис. 17.2). Противодействую­щая сила, развиваемая плоской пружиной, определяется по формуле

где E —модуль упругости материала пружины; I=bh³/12 — момент инерции пружины; b — ширина; h — толщина пружины; I — рассто­яние от места закрепления пружины до точки приложения силы; х — перемещение пружины в точке приложения силы.

В исходном состоянии пружина не деформирована, сила равна нулю. Перемещение пружины х при срабатывании реле будет происходить в направлении уменьшения зазора, по­этому зависимость F_ь{ ) имеет вид

(17.15)

В качестве возвратных обычно используются, ви­тые пружины. Зависи­мость усилия, развивае­мого винтовой пружиной, от перемещения имеет вид, аналогичный уравне­нию (17.15):

(17.16)

где G — модуль упруго­сти при сдвиге; J — мо­мент инерции при круче­нии; г — радиус витка пружины; n —число витков; F_nar— сила предварительного натяга пружины.

Графики зависимости противодействующих сил пружин имеют вид прямых линий, поскольку эти силы пропорциональны дефор­мации (перемещению) пружины.

Рассмотрим построение механической характеристики реле на примере контактной группы, показанной на рис. 17.8, а. При сра­батывании реле якорь 1 сначала преодолевает натяжение винтовой пружины 4, затем, когда конец рычага доходит до контактной плас­тины 2, добавляется усилие от ее деформации, а когда контакт плас­тины 2 замыкается с контактом пластины 3, добавляется и усилие от деформации этой пластины 3. Механическая характеристика Fм=f( ) показана на рис. 17.8,6. В исходном состоянии на якорь действует лишь начальное усилие Fнач — предварительный натяг пружины 4.

При изменении зазора о на 6i будет холостой ход рычага якоря до соприкосновения с пластиной 2, противодействующая сила воз­растает пропорционально деформации винтовой пружины 4 (учас­ток ab).

Затем наклон прямой резко возрастает, поскольку началась де­формация пластины 2 (участок be). Такой наклон сохраняется приизменении зазора на ₂ — холостой ход пластины 2 до соприкосновения с пластиной 3. Затем наклон прямой еще возрастает, поскольку началась дефор­мация пластины 3 (участок cd). Рост противодействующего усилия прекраща­ется, когда якорь полностью притянется к сердечнику. Величина зазора при этом равна толщине штифта отлипания о- Из построения видно, что механическая ха­рактеристика имеет вид ломаной линии, где каждый отрезок характеризует рабо­ту какой-либо группы пружин.

В том случае, когда все пружины, создающие противодействующее усилие в контактной группе реле, имеют на­чальное натяжение, переход с одного от-резка на другой происходит скачком (в точках b и с на рис. 17.8, в).

Д ля работы реле необходимо, чтобы тяговая и механическая ха­рактеристики были согласованы. Для срабатывания реле необхо­димо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току сраба­тывания, везде находилась выше механической характеристики. При начальном зазоре эти характеристики имеют общую точку (точка А па рис. 19.9). Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току отпускания, везде находилась ниже механической характеристики. При минимальном зазоре эти характеристики могут иметь общую точку (точка Б на рис. 17.9).