§ 17.9. Быстродействие электромагнитных реле

В § 17.2 в числе основных параметров электромагнитных реле были отме­чены параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания t_сp и время отпускания t_отн- 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 i=I_ycт, изменяются и напряжения u_R и u_L. Электрическое состояние

цепи по схеме рис. 17.16 в любой момент переходного процесса характеризу­ется уравнением

Решение этого уравнения относительно тока имеет вид

где Lуст — U/R; T=L/R — постоянная времени цепи.

График зависимости i=f(t) представляет собой экспоненту (пунктирная кривая ) 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). Изменение индуктивности начинается с того момента времени, когда ток в об­мотке достиг значения тока трогания (i=I_тр). Начинающееся увеличение ин­дуктивности приводит к увеличению постоянной времени Т=L/R. Следова­тельно, рост тока замедляется. Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличение противо ЭДС, 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, б). Как только якорь притянется к сердеч­нику, индуктивность обмотки перестает увеличиваться и ток снова возрастает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начальном участке, поскольку увеличилась постоянная времени.

Время срабатывания реле t_ср определяется двумя составляющими (рис. 17.16, б): временем трогания t_тp и временем движения t_дв, т. е.

Величину времени трогания получим, подставляя в (17.31) значение

Откуда

т. е. время трогаиия пропорционально постоянной времени.

Время движения t_дв зависит от механической инерционности электромаг­нитного механизма реле. Оно может быть определено на основании второго закона Ньютона a=F/m, где а — ускорение, т — масса. Для уменьшения вре­мени движения необходимо стремиться к уменьшению массы якоря. Для дан­ного типа реле можно считать величину t_дв приблизительно постоянной. Поэто­му основным фактором, влияющим на время срабатывания реле t_ср, является постоянная времени T=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_доб (рис. 17.17), а напряжение питания повышается на величину U, которая выбрана таким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неиз­менным, т. е.

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

Еще большее ускорение срабатывания реле можно получить подключив параллельно добавочному сопротивлению R_доб конденсатор емкостью С (на рис. 17.17, а это включение показано пунктиром). При замыкании ключа К ток переходного процесса проходит через емкость в обход R_доб. 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 R_доб (через конденсатор постоянный ток не пооходит). Емкость конденсатора (в мкФ) выбирается из условия

Теперь рассмотрим переходный процесс при отключении реле. При размы­кании ключа К (рис. 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 T=L/R; L — индуктивность обмотки реле при притянутом якоре.

График зависимости i=f(t) показан на рис. 17.16, в в виде экспоненты (пунктирная кривая 1). Кривая 2 показывает реальное изменение тока в об-

мотке реле при отключении. Всплеск тока па этой кривом 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 R_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 короткозамкнутого 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.