174

6. РЕЛЕ, КОНТАКТОРИ, КОМУТАТОРИ

1. Електричні реле

6.1.1 Електромагнітні реле

У системах автоматики і телемеханіки одним з найбільш поширених елементів є реле. Реле - це пристрій, який автоматично здійснює стрибкоподібну зміну (перемикання) вихідного сигналу під впливом керуючого сигналу, що змінюється безперервно в певних межах.

Електричне реле є проміжним елементом, який приводить в дію одну або кілька керованих електричних ланцюгів при впливі на нього певних електричних сигналів керуючого ланцюга (рис. 6.1).

х - контрольована величина; Д - датчик, Р - реле;

ВП - виконавчій пристрій; К - контакт реле

Рисунок 6.1 – Структурна схема включення реле

в систему автоматичного управління

Основні параметри реле:

• потужність спрацьовування Рспр - мінімальна електрична потужність, яка повинна бути підведена до реле від керуючого ланцюга для його надійного спрацювання, тобто приведення в дію керованого ланцюга; ця потужність визначається загальними електричними і конструктивними параметрами реле;

• потужність управління Ру - максимальна електрична потужність у керованому ланцюзі, при якій контакти реле ще працюють надійно; потужність управління визначається параметрами контактів реле, перемикаючих керований ланцюг; вибір відповідного типу реле проводиться на підставі значень Рспр і Ру, так як ці параметри постійні для окремих конструкцій реле;

• допустима розривна потужність Рр - потужність в ланцюзі, що розривається контактами при певному струмі або напрузі без утворення стійкої електричної дуги;

• коефіцієнт управління Ку - величина, що характеризує відношення керованої потужності до потужності спрацювання реле: К = Ру / Рспр  1;

• час спрацьовування t_спр - інтервал часу від моменту надходження сигналу з керуючого ланцюга до моменту початку впливу реле на керований ланцюг; допустиме значення t_cпp визначається необхідною швидкістю передачі сигналу в керований ланцюг.

Існуючі типи реле можна класифікувати за такими основними ознаками:

• призначенням – для управління, захисту та сигналізації;

• принципом дії - електромеханічні (електромагнітні нейтральні, електромагнітні поляризовані, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, електротермічні), магнітні безконтактні, електронні, тригерні (безконтактно-електронні), фотоелектронні, іонні;

• вимірюваною величиною - електричні (струму, напруги, потужності, опору, частоти, коефіцієнта потужності), механічні (сили, тиску, швидкості, переміщення, рівня, об'єму та ін.), теплові (температури, кількості теплоти), оптичні, сили звуку і інших фізичних величин (часу, в'язкості та ін.);

• потужності керування - малопотужні з потужністю управління Ру < 1 Вт, середньої потужності з Ру = 1 ... 10 Вт, потужні з Ру > 10 Вт;

• часу спрацювання - безінерційні (t_cпp < 0,001 с), швидкодіючі (t_cпp = 0,001 ... 0,050 с), уповільнені (t_cпp = 0,15 ... 1,00 с), реле часу (t_cпp > 1 с).

Найбільш поширені електромеханічні реле, в яких зміна вхідний електричної величини викликає механічне переміщення рухомої частини - якоря, що приводить до замикання або розмикання контактів.

Електромагнітні реле є найбільш поширеними з групи електромеханічних реле і отримали широке застосування в пристроях автоматики, телемеханіки та обчислювальної техніки. Якщо електромагнітні реле використовуються для перемикання потужних ланцюгів струму, вони називаються контакторами. Реле постійного струму поділяються на нейтральні і поляризовані. Нейтральне реле однаково реагує на постійний струм обох напрямків, що протікає по його обмотці, тобто положення якоря не залежить від напрямку струму в обмотці реле. Поляризовані реле реагують на полярність сигналу.

За характером руху якоря електромагнітні нейтральні реле поділяються на два типи: з кутовим рухом якоря і втяжним якорем.

На рисунку 6.2 показана схема найбільш поширеного електромагнітного реле клапанного типу. Для зменшення магнітного опору робочого повітряного зазору сердечник електромагнітного реле зазвичай забезпечується полюсним наконечником.

а - клапанного типу з замикаючими та розмикаючими контактами; б - клапанного типу з замикаючими контактами;

1 - каркас з обмоткою, 2 - ярмо, 3 - виводи обмотки; 4 - колодка; 5 - контактні пружини; 6 - замикаючій контакт; 7 - рухливі контакти, 8 - розмикаючій контакт; 9 - поворотна пружина, 10 - якір; 11 - штифт підлипання; 12 - сердечник, 13 - провідний шар; 14 - ізолятори

Рисунок 6.2 – Схеми електромагнітних реле

При відсутності керуючого сигналу якір віддалений від сердечника на максимальну відстань за рахунок поворотної пружини 9. У цьому випадку одна пара контактів замкнута (розмикаючи контакти - РК), а інша пара розімкнута (замикаючи контакти - ЗК).

Принцип дії таких реле укладений в наступному: при подачі струму в обмотку (котушку) створюється магнітний потік, який, проходячи через сердечник, ярмо, якір і повітряний зазор δ_н(0), створює магнітне зусилля, яке притягує якір до сердечника. При цьому якір, впливаючи на колодку, переміщує її таким чином, що контакти ЗК замикаються, а РК розмикаються. У деяких конструкціях реле якір при виключенні струму під дією власної ваги повертається у вихідне положення.

Електромагнітне тягове зусилля (сила тяжіння якоря до котушки реле) прямо пропорційна квадрату струму в котушці, обернено пропорційна квадрату довжини δ повітряного зазору і не залежить від напрямку струму в керуючій обмотці.

У процесі спрацьовування реле змінюється довжина повітряного зазору, а отже, змінюється електромагнітне зусилля на якорі. Залежність електромагнітного зусилля від величини повітряного зазору між якорем і сердечником F_Е = f(δ) називається тяговою характеристикою електромагнітного реле (рис. 6.3).

Рисунок 6.3 – Тягова характеристика електромагнітного реле

При досить великих значеннях величини повітряного зазору δ електромагнітне зусилля досягає мінімального значення F_ЕMIN, а магнітне опір повітряного зазору стає значно більше магнітного опору сталевих елементів магнітопроводу (R_M.δ » R_M.CT); однак при малих значеннях зазору δ опір R_M.δ різко зменшується і стає порівнянним з R_M.CT, тобто електромагнітне зусилля не може бути нескінченно великою. Практично воно досягає деякого значення F_ЕMAX.

Так як після відключення обмотки реле частини магнітопровода зберігають деяку намагніченість, обумовлену коерцитивною силою, то при δ0 можливо «залипання» притягнутого якоря під дією залишкової намагніченості сталі. Для зменшення цього тяжіння, тобто виключення «залипання», застосовують немагнітний штифт (наклепкі або прокладки), який закріплюється на вертикальній частині якоря проти осі сердечника (див. рис. 6.2, а, б). За допомогою штифта, товщина якого δ₀ = 0,1 мм, при притягнутому якорі забезпечується певний мінімальний повітряний зазор δ  δ₀, що полегшує відхід якоря при виключенні струму. При цьому створюється достатній магнітний опір, який зменшує залишковий магнітний потік до мінімального значення. Робота електромагнітного реле зводиться до замикання і розмикання контактних пружин, число яких у різних конструкціях реле коливається в межах 2 ... 16.

Переміщенню якоря у напрямку до сердечника в процесі тяжіння протидіють сили пружних елементів реле - поворотної пружини і контактних пружин. При різних положеннях якоря ці сили різні, тобто протидіючі сили залежать від величини повітряного зазору δ. Залежність механічних (протидіючих) сил від величини зазору між якорем і сердечником називається механічною характеристикою реле F_M = f (δ). Сили, подоланні якорем реле при його переміщенні, зображуються, як правило, у вигляді ламаних ліній.

Як приклад розглянемо побудову механічної характеристики реле з контактною групою, що діє на замикання (рис. 6.4). У процесі роботи реле якір 3 спочатку долає натяг спіральної пружини П, а потім його місток т після підйому на відстань δ₁ виробляє підйом контактних пружин 1, 2.

1, 2 - контактні пружини; 3 - якір; 4 - колодка

Рисунок 6.4 – Схема реле (а)

та побудова її механічної характеристики (б)

На горизонтальній осі механічної характеристики у вигляді відрізка 0а відкладемо відстань δ_Н(0) - між торцем сердечника і якорем в неробочому стані реле, яке дорівнює сумі холостого ходу якоря δ₁ його робочого ходу δ₂ + δ₃, відрізків еf і cd і довжині штіфта відлипання δ₀. На осі ординат відкладемо силу, яку долає якір при переміщенні. У відпущеному положенні якір відчуває лише натяг поворотної спіральної пружини (точка b), а контактні пружини утримуються колодкою 4 і притискаються до нього силою попереднього натягу, що усуває вібрацію контактів при зворотному ході якоря. Ордината ab характеризує зусилля F₀, що діє на якір у його вихідному положенні (для того щоб зрушити якір з початкового положення).

Протягом холостого ходу якоря (ділянка δ₁) відбувається розтягування пружини П, причому навантаження якоря рівномірно зростає по ординаті bc. Кут нахилу ₁ характеризується пружними властивостями пружини П. При зіткненні упору, наявного на містку т, з нижньою контактної пружиною 2 якір долає первинне натягнення цієї пружини, кілька згинаючи її (ділянку cd). У точці d нижня контактна пружина відходить від колодки і якір на ділянці de долає спільний опір двох пружин (поворотної спіральної та нижньої контактної). Кут нахилу ділянки de дорівнює сумі кутів ₁ + ₂, де кут ₂ залежить від пружних властивостей нижньої контактної пружини. Переміщення якоря на цій ділянці характеризується абсцисою δ₂.

З моменту зняття нижньої пружини з колодки відбувається її підйом до замикання контакту між пружинами 1 і 2. Після замикання контакту (точка е) якір починає долати попередній натяг верхньої контактної пружини - ділянка ef. У точці f верхня пружина знімається з колодки і на ділянці fg якір долає протидія трьох пружин (двох контактних і однієї спіральної). Кут нахилу ділянки fg визначається сумою трьох кутів ₁ + ₂ + ₃, де кут ₃ характеризується пружними властивостями верхньої контактної пружини. Для надійності замикання контактів, яке теоретично відбудеться вже в точці f, якір повинен додатково переміститися на відстань δ₃ (щоб забезпечити відповідний контакт зусилля 2,6 ... 5,1 Н). Від останньої побудованої точки g проведемо горизонтальну пряму gh, яка визначить довжину штифта відлипання δ₀.

З побудови неважко зрозуміти, що відрізки ламаної лінії характеризують окремі етапи роботи пружин. Для тяжіння якоря реле необхідно, щоб електромагнітне зусилля F_Е на всьому шляху руху якоря було більше сил, які протидіють його руху. Для забезпечення цієї умови тягова характеристика реле (крива 1) повинна розташовуватися вище його механічної характеристики. Проте дуже велике перевищення електромагнітного зусилля над протидією небажано, тому що це може призвести до сильних ударів якоря об сердечник і вібрації контактів. Крім того, в цьому випадку струм в обмотці реле був би надмірно великим, що призвело б до неприпустимого збільшення перерізу проводів. Тому при розрахунку приймають розташування тягової характеристики над механічної з торканням її хоча б в одній точці f (крива 2). Координати точки f (F_K і δ_К) називаються критичними. Електромагнітне зусилля F_Е, що забезпечує вказане розташування характеристики і пропорційне току спрацьовування, розраховується за значеннями критичного зусилля F_K і критичного зазору δ_К.

Рисунок 6.5 – Удачное (а) и неудачное (б) согласования

тягової и механі­ччної характеристик реле

На рисунку 6.5 зображено узгодження тягової і механічної характеристик реле. Для правильного узгодження необхідно, щоб тягові характеристики при струмах спрацювання Іспр і відпускання Івідп, проходячи відповідно через точки механічної характеристики 1 і 2, не перетиналися з нею в зоні зазорів (δ₀ < δ < δ_{н (0)}), інакше якір може зупинитися в проміжних точках 3 і 4 характеристик, як це показано на рис. 6.5, б.

Струм спрацьовування Іспр - струм в обмотці реле, при якому електромагнітне зусилля стає більше механічного і якір реле притягається до сердечника при зазорі δ_{н (0)}. Струм відпускання Івідп - струм при зазорі δ₀, коли якір повертається у вихідне положення (тобто струм не в змозі створити електромагнітне зусилля, що утримує якір).

У тих випадках, коли основним джерелом енергії є мережа змінного струму, бажано застосовувати реле, обмотки яких живляться змінним струмом. Як було вказано при побудові тягової характеристики, електромагнітне тягове зусилля прямо пропорційна квадрату струму в котушці. Якщо струм І змінюється за гармонічним законом з частотою ω, і періодом 2/ω то тягове зусилля буле мати постійну складову і гармоніку подвійної частоти 2ω, оскільки sin² ωt = (1 – cos 2ωt)/2,

(див. рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 – Графіки струму та електромагнітного зусилля

В обмотці реле змінного струму

Якір буде притягатися до сердечника під дією середнього значення електромагнітного зусилля, тобто його постійної складової F_Е.СР.

Можливо включення реле постійного струму в мережу змінного струму через випрямні пристрої. На рис. 6.7 зображені схеми подібних пристроїв.

Рисунок 6.7 – Схеми включення реле постійного струму в мережу змінного струму з однонапівперіодним (а) і з двонапівперіодним (б) випрямленням

Оскільки при застосуванні змінного струму електромагнітне зусилля змінюється (пульсує) з певною частотою, неодноразово звертаючись в нуль за період живильної (вхідної) напруги, якір реле може вібрувати, періодично відтягуватися від сердечника поворотної пружиною, що викликає знос його осі, обгорання контактів, переривання електричного ланцюга і інші небажані явища.

Хоча змінний струм є більш поширеним, ніж постійний, реле змінного струму знайшли менше застосування, так як вони вимагають використання шихтованого магнітопроводу (набраного з окремих листів), а також спеціальних заходів для усунення вібрації якоря.

2. Поляризовані електромагнітні реле

На відміну від розглянутих раніше нейтральних електромагнітних реле, у поляризованого реле напрямок електромагнітного зусилля залежить від полярності сигналу постійного струму в обмотці. Поляризація цих реле здійснюється за допомогою постійного магніту.

Існує багато конструктивних різновидів поляризованих реле, які класифікуються за рядом ознак. За конструктивною схемою магнітного ланцюга розрізняють реле з послідовної, паралельної (диференціальної) і мостовий магнітними ланцюгами, за кількістю обмоток управління – з одною й багатьма обмотками, за способом налаштування контактів (числу стійких положень якоря) – дво- і трипозиційні.

Поляризовані реле можуть бути використані також як віброперетворювачі, але найбільше поширення вони одержали в малопотужній автоматиці, особливо в слідкуючих системах при управлінні реверсивними двигунами.

До достоїнств поляризованих реле відносяться:

• висока чутливість, яка характеризується малою потужністю спрацьовування (біля 10^-5 Вт);

• великий коефіцієнт управління;

• малий час спрацьовування (одиниці мілісекунд).

Недоліки в порівнянні з нейтральними електромагнітними реле наступні:

• трохи складніше конструкція;

• великі габаритні розміри, вага і вартість.

У поляризованих реле використовують диференціальні і мостові схеми магнітних кіл, які мають багато різновидів (назва ланцюгів визначається типом електричної схеми заміщення електромагнітної системи). На рисунку 6.8 зображено поляризоване реле з диференціальною схемою магнітного ланцюга. На якір реле діє два незалежних один від одного потоку: потік поляризації Ф_0(П), створюваний постійним магнітом 3 і незалежний від робочого стану схеми, в яку включено реле, і робочий (керуючий) потік Ф_Е(Р), створюваний котушками намагнічування 1 і 1', який залежить від с труму, що протікає по їх обмотках.

1, 1^' – котушки намагнічування; 2 - ярмо, 3 - постійний магніт, 4 - якір; 5, 5'- контакти

Рисунок 6.8 – Поляризоване реле з диференціальною схемою

магнітного ланцюга:

Електромагнітне зусилля, що діє на якір 4, залежить, таким чином, від сумарної дії потоків Ф_Е(Р) і Ф_0(П). Зміна напрямку електромагнітного зусилля при зміні полярності струму в робочій обмотці відбувається внаслідок того, що змінюється напрямок робочого потоку щодо потоку поляризації.

Рисунок 6.9 – Поляризоване реле з мостовою схемою

магнітного ланцюга

Потік поляризації Ф_0(П) проходить по якорю і розгалужується на дві частини - Ф₀₁ і Ф₀₂ відповідно до провідностей повітряних зазорів зліва δ_Л і праворуч δ_ПР від якоря. У залежності від полярності керуючого сигналу робочий потік Ф_Е(Р) віднімається з потоку Ф₀₁ в зазорі ліворуч від якоря і додається до потоку Ф₀₂ праворуч від якоря (як показано на рис. 6.8), або навпаки.

У випадку, показаному на рисунку, якір перекинеться з лівого положення в праве. При виключеному сигналі якір буде знаходитися в тому положенні, яке він займав до вимикання сигналу. Таким чином, результуюче електромагнітне зусилля, що діє на якір, буде спрямовано в бік того зазору, де магнітні потоки сумуються.

У поляризованому реле з мостовою схемою магнітного ланцюга (рис. 6.9) сили тяжіння якоря, включеного в одну з діагоналей цієї схеми, діють так само, як і в диференціальній схемі, тобто в повітряному зазорі з одного боку якоря робочий потік Ф_Е(Р) спрямований згідно з потоком поляризації Ф_0(П), а з іншого - зустрічно. Мостові схеми поляризованих реле мають більш високу стабільність параметрів і стійкість до зовнішніх механічних впливів.

Поляризовані реле випускаються трьох видів налаштування. Реле, зображене на рис. 6.8, є двохпозиційним. Якщо нерухомі контакти 5 і 5' симетрично розташовані відносно нейтральної лінії (якір відрегульований симетрично), то при виключенні керуючого сигналу якір реле залишається в тому ж положенні, яке він займав при наявності цього сигналу. Повторне включення керуючого сигналу колишньої полярності не викличе зміни положення якоря. Якщо змінити полярність керуючого сигналу, то якір перекинеться в інше положення і залишиться в ньому після зняття сигналу. Така настройка називається нейтральною або двохпозиційної.

а - двохпозиційного з підтисканням до одного з контактів; б - трьохпозіційного; 1, 2 - контакти

Рисунок 6.10 – Способи налаштування контактів поляризованого реле

Якщо (рис. 6.10, а) один з контактів 1 або 2 висунутий за нейтральну лінію, то реле є двохпозиційним з переважанням до одного з контактів. У цьому випадку при вимкненому реле якір завжди притиснутий до лівого контакту 1 (до правого контакту 2, якщо за нейтральну лінію висунутий лівий контакт) і перекидається вправо лише на час протікання в керуючій обмотці струму відповідної полярності.

Трьохпозиційний реле має симетрично розташовані від нейтральної лінії нерухомі контакти (рис. 6.10, б). Якір при відсутності керуючого сигналу утримується в середньому положенні за допомогою спеціальних пружин, розташованих з двох сторін, або закріплюється на плоскій пружині, пружність якої створює стійке положення рівноваги в середньому положенні. При подачі сигналу в керуючу обмотку контакт на якорі замикається з лівим чи правим контактом (в залежності від полярності сигналу) і повертається в нейтральне положення після зняття сигналу.

Поляризовані реле знаходять широке застосування в схемах автоматики завдяки своїм характерним особливостям. Наявність декількох обмоток дозволяє використовувати їх як логічні елементи, невелика потужність спрацьовування - як елементи контролю невеликих електричних сигналів, малий час спрацьовування і чутливість до полярності вхідних сигналів - як амплітудні модулятори і демодулятори. Завдяки високій чутливості поляризовані реле часто використовують в малопотужних ланцюгах змінного струму з включенням через випрямляч.