Розділ 2 модернізація контролера тк-5

2.1. Електромагнітне реле

Реле – електричний пристрій, призначений для комутації електричних ланцюгів (стрибкоподібної зміни вихідних величин) при заданих змінах електричних або не електричних вхідних величин.

Перше реле було винайдено американцем Дж. Генрі в 1831 р. і базувалася на електромагнітному принципі дії (рис. 2.1.), слід зазначити що перше реле було не комутаційним, а перше комутаційне реле винайдено американцем С. Бризом Морзе в 1837 р. яку надалі він використовував у телеграфному апараті. 

Рис. 2.1. Перший релейний пристрій.

Слово реле виникло від англійського relay, що означало зміну втомлених поштових коней на станціях або передачу естафети (relay) втомленим спортсменом.

Релейні елементи (реле) знаходять широке застосування в схемах управління і автоматики [5], так як з їх допомогою можна:

• управляти великими потужностями на виході при малій потужності вхідного сигналу;

• виконувати логічні операції;

• створювати багатофункціональні релейні пристрої;

• здійснювати комутацію електричних ланцюгів;

• фіксувати відхилення контрольованого параметра від заданого рівня;

• виконувати функції запам'ятовуючого елемента і т. д.

Реле класифікуються за різними ознаками: за видом вхідних фізичних величин, на які вони реагують; за функціями, які вони виконують в системах управління; по конструкції і т. д. По виду фізичних величин розрізняють електричні, механічні, теплові, оптичні, магнітні, акустичні і т.д.. При цьому слід зазначити, що реле може реагувати не тільки на значення конкретної величини, але і на різницю значень (диференціальні реле), на зміну знака величини (поляризовані реле) або на швидкість зміни вхідної величини. 

Реле зазвичай складається з трьох основних функціональних елементів: сприймаючого, проміжного і виконавчого.

Сприймаючий (первинний) елемент сприймає контрольовану величину і перетворює її на іншу фізичну величину.

Проміжний елемент порівнює значення цієї величини із заданим значенням і при його перевищенні передає первинну дію на виконавчий елемент.

Виконавчий елемент здійснює передачу дії від реле в керовані ланцюга. Всі ці елементи можуть бути явно вираженими або об'єднаними один з одним.

Сприймаючий елемент в залежності від призначення реле і роду фізичної величини, на яку він реагує, може мати різні виконання, як за принципом дії, так і по будові. Наприклад, в реле максимального струму або реле напруги сприймає елемент виконаний у вигляді електромагніту, в реле тиску - у вигляді мембрани або сильфона, в реле рівня - у вигляді поплавця і т.д.

По пристрою виконавчого елемента реле поділяються на контактні і безконтактні. 

Контактні реле впливають на керований ланцюг за допомогою електричних контактів, замкнутий або розімкнений стан яких дозволяє забезпечити повне замикання або повний механічний розрив вихідного ланцюга. 

Безконтактні реле впливають на керовану ланцюг шляхом різкої (стрибкоподібного) зміни параметрів вихідних електричних ланцюгів (опору, індуктивності, ємності) або зміни рівня напруги (струму).

Основні характеристики реле визначаються залежностями між параметрами вихідний і вхідний величини.

Розрізняють такі основні характеристики реле:

1. Величина спрацьовування Хср реле - значення параметра вхідної величини, при якій реле включається. При Х <Хср вихідна величина дорівнює Уmin, при Х≈Хср величина У стрибком змінюється від Уmin до Уmax і реле включається. Величина спрацьовування, на яку відрегульоване реле, називається уставкою.

2. Потужність спрацьовування Рср реле - мінімальна потужність, яку необхідно підвести до сприймаючого органу для переведення його із стану спокою в робочий стан.

3. Керована потужність Рупр - потужність, якою управляють комутуючі органи реле в процесі перемиканні. За потужністю управління розрізняють реле ланцюгів малої потужності (до 25 Вт), реле ланцюгів середньої потужності (до 100 Вт) і реле ланцюгів підвищеної потужності (понад 100 Вт), які належать до силових реле і називаються контакторами.

4. Час спрацювання tср реле - проміжок часу від подачі на вхід реле сигналу Хср до початку впливу на керований ланцюг. За часом спрацьовування розрізняють нормальні, швидкодіючі, уповільнені реле і реле часу. Зазвичай для нормальних реле tср = 1с, для швидкодіючих реле tср = 50 ... 150 мс.

Електромагнітні реле, завдяки простому принципу дії і високій надійності, одержали саме широке застосування в системах автоматики і в схемах захисту електроустановок. Електромагнітні реле діляться на реле постійного та змінного струму. Реле постійного струму діляться на нейтральні і поляризовані. Нейтральні реле однаково реагують на постійний струм обох напрямків, що протікає по його обмотці, а поляризовані реле реагують на полярність керуючого сигналу. Робота електромагнітних реле заснована на використанні електромагнітних сил, що виникають в металевому сердечнику при проходженні струму по виткам його котушки. Деталі реле монтуються на підставі і закриваються кришкою. Над сердечником електромагніту встановлений рухливий якір (пластина) з одним або кількома контактами. Навпроти них знаходяться відповідні парні нерухомі контакти.

У вихідному положенні якір утримується пружиною. При подачі напруги електромагніт притягує якір, переборюючи її зусилля, і замикає або розмикає контакти в залежності від конструкції реле. Після відключення напруги пружина повертає якір у вихідне положення. В деякі моделі, можуть бути вбудовані електронні елементи. Це резистор, підключений до обмотки котушки для більш чіткого спрацьовування реле, або (та) конденсатор, паралельний контактам для зниження іскріння і перешкод (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Електромагнітне реле.

Керований ланцюг електрично ніяк не пов'язана з керуючим ланцюгом, більш того в керованого ланцюга величина струму може бути набагато більше ніж у керуючого. 

Тобто реле по суті виконують роль підсилювача струму, напруги та потужності в електричному ланцюзі.

Реле змінного струму спрацьовують при подачі на їх обмотки струму певної частоти, тобто основним джерелом енергії є мережа змінного струму. Конструкція реле змінного струму нагадує конструкцію реле постійного струму, тільки сердечник і якір виготовляються з листів електротехнічної сталі, щоб зменшити втрати на гістерезис і вихрових струмах.

Електромагнітне реле має ряд переваг, відсутніх у напівпровідникових конкурентів:

• здатність комутації навантажень потужністю до 4 кВт при обсязі реле менше 10 см3;

• стійкість до імпульсних перенапругам і руйнуючих перешкод, що з'являються при розрядах блискавок і в результаті комутаційних процесів у високовольтній електротехніці;

• виняткова електрична ізоляція між керуючим ланцюгом (котушкою) і контактною групою - останній стандарт 5 кВ є недоступною мрією для переважної більшості напівпровідникових ключів;

• мале падіння напруги на замкнутих контактах, і, як наслідок, мале виділення тепла: при комутації струму 10 А малогабаритне реле сумарно розсіює на котушці і контактах менше 0,5 Вт, у той час як симісторне реле віддає в атмосферу понад 15 Вт, що, по-перше, вимагає інтенсивного охолодження, а по-друге, посилює парниковий ефект на планеті;

• екстремальна низька ціна електромагнітних реле в порівнянні з напівпровідниковими ключами.

Відзначаючи гідності електромеханіки, відзначимо і недоліки реле:

• мала швидкість роботи;

• обмежений електричний та механічний ресурс;

• створення перешкод при замиканні і розмиканні контактів;

• проблеми при комутації індуктивних навантажень і високовольтних навантажень на постійному струмі.

Типова практика застосування потужних електромагнітних реле - це комутація навантажень на змінному струмі 220 В або на постійному струмі від 5 до 24 В при струмах комутації до 10-16 А. Звичайними навантаженнями для контактних груп потужних реле є нагрівачі, малопотужні електродвигуни, лампи розжарювання, електромагніти та інші активні, індуктивні та ємнісні споживачі електричної потужності в діапазоні від 1 Вт до 2-3 кВт.