Глава 18

ЭЛЕКТРОМАНИТНЫЕ 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 двухпозиционные 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 1 по обмотке реле, состоящей из двух одинаковых половин 1 и 1', включенных после­довательно и согласно. Постоянный (поляризующий) магнитный поток Ф_п создается постоянным магнитом 2. Катушки реле 1 и 1' размещены на неподвижном сердечнике (ярме) 3. Якорь 4 может по­ворачиваться относительно оси О в рабочем зазоре 6. На якоре

размещен подвижным контакт, кото­рый может замыкаться с неподвижны­ми контактами 5 или 5'.

Путь магнитного потока Ф_у пока­зан пунктиром, а путь магнитного по­тока 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 па этом рисунке па-правления тока 1.

П оляризующий поток ф_п проходит по якорю 4 и разветвляется на две части Ф_п1 и Ф_п2 в соответствии с проводимостями воздушных зазоров сле­ва ( _Л) и справа ( ц) от якоря. В за­висимости от полярности тока 1 в об­мотке реле рабочий поток Ф_у вычита­ется из потока Ф_п1 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 па рис. 18.1, является двухпозициопным.

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_П1 = Ф_п2 —Ф_п/2. При отсутствии управляющего по­тока на якорь будут действовать одинаковые усилия влево и вправо:

где s — площадь сечения воздушного зазора.

Результирующая сила, равная разности F_эл н F_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, на­правленные влево и вправо,

Результирующая сила определяется как разность этих сил

При _л< /2 (якорь ближе к левому крайнему положению) си­ла тянет якорь влево.

При _л /2 (якорь ближе к левому крайнему положению) си­ла тянет якорь вправо.

При подаче тока в обмотку поляризованного реле в магнитной цепи возникает магнитный поток Ф_у, который (для полярности, по­казанной на рис. 18.1) складывается о правом зазоре с Ф_П2 И в левом вычи­тается из Ф_п1.

При достижении Ф_у значения, рав­ного Ф_н, контактное усилие будет рав­но пулю. Как только Ф_у станет боль­ше Ф_п, якорь перекинется в крайнее правое положение. Ток, при котором якорь перебрасывается в повое поло­жение, называется током срабатыва­ния /_ср. В попом положении якоря произойдет перераспределение поля­ризующего магнитного потока между зазорами.

С уммарный поток в новом положении якоря при /_ср будет равен Ф = Ф_П+Ф_у. Так как при срабатывапии Ф_у=Ф_П то Ф=2Ф_н, 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, созда ваемого постоянным магнитом. Благодаря этому поляризованные реле мостового типа имеют более высокую стабильность парамет­ров и устойчивее к внешним механическим воздействиям.