Лабораторная работа №1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

Цель работы: Изучить принцип действия, конструкцию и параметры основных типов электрических реле железнодорожной автоматики.

1. Краткие сведения из теории

Реле - элемент автоматики и телемеханики, в котором при достижении известного значения входной величины (тока, напряжения) выходная величина (ток выходной цепи) изменяется скач­ком. Реле является наиболее распространенным элементом в устройствах СЦБ.

Реле подразделяются на контактные, у которых скачкообразное изменение тока в выходной цепи происходит в результате физического разрыва или соединения электрической цепи с по­мощью контактов, и бесконтактные, у которых такой эффект достигается за счет лавинообразного изменения внутреннего со­противления реле.

Характеристика управления y=f(x) для контактного и бесконтактного реле представлена на рис.1. Такая характеристика (релейная) требуется элементам автоматики, которые используются для управления мощными исполнительными устройствами, для схем защиты и контроля, преобразования и хранения информации, построения различных логических автоматов и т.п.

И з класса электрических реле в системах ж.д. автоматики и телемеханики наибольшее распространение получили электромаг­нитные реле постоянного тока. Принцип действия электромагнит­ного реле основан на притяжении ферромагнитного якоря к сердечнику электромагнита под влиянием сил электромагнитного по­ля, возникающего при прохождении тока по обмотке реле. Электромагнитные реле постоянного тока по реакции на по­лярность тока подразделяются на нейтральные и поляризованные.

Рис. 1 Релейные характеристики контактного (а) и бесконтактного (б) реле

Нейтральными считают реле, действие которых зависит только от величины тока в обмотке (рис. 2). Поляризованными называют реле, действие которых зависит как от величины, так и от направления тока в обмотке (рис. 3).

Объединение в одном корпусе конструкции нейтрального и поляризованного реле получило название комбинированного реле. По способу подключения внешних цепей к контактной системе различают нормальное (винтовое) и штепсельное исполнение реле.

Реле, применяемые в устройствах железнодорожной автоматики, классифицируются по надежности действия. В схемах, которые обеспечивают безопасность движения поездов, применяют реле первого класса надежности, удовлетворяющие следующим дополнительным требованиям:

- возврат якоря реле должен обеспечиваться под действием собственного веса (достигается применением дополнительного груза);

- контакты реле, замкнутые при притянутом якоре, не должны свариваться (достигается применением разнородных материалов графит-серебро);

- возможность магнитного прилипания якоря к сердечнику при выключенном токе в обмотке реле должна быть исключена (достигается установкой на якоре антимагнитного штифта);

- для обеспечения стабильности параметров и характеристик реле должно быть герметично закрыто;

- для обеспечения надежного замыкания и размыкания управляемой цели реле должны иметь массивную контактную систему с плоскостной или линейной поверхностью соприкосновения с большим межконтактным расстоянием при контактном давлении не менее 30 гс на каждый контакт;

- стабильность характеристик к внешним условиям.

Перечисленные требования с высокой надежностью гарантируют отпадание якоря и размыкание контактов при снижении тока в обмотке реле до заданного уровня. Поэтому схемный контроль отпускания якоря для них не требуется.

К реле ІІ класса надежности относятся реле, у которых отпадание якоря гарантируется в меньшей степени и происходит главным образом под действием упругости контактных пластин.

Реле І класса применяются в ответственных схемах, без дополнительного контроля отпадания якоря; реле ІІ класса могут использоваться в тех же схемах с обязательным контролем отпадания якоря.

Основными характеристиками и параметрами реле являются: характеристика управления, механическая и тяговая характеристики, вольтамперная характеристика контактов, параметры срабатывания, параметры отпускания, рабочие параметры, коэффициенты возврата и запаса, время срабатывания, время отпускания.

Применительно к электромагнитному реле релейная характеристика имеет следующие характерные точки (см. рис. 1):

- параметр срабатывания Х_ср - минимальное значение входной величины I, U, I_ при которой якорь притягивается к сердечнику, переключая общие контакты с тыловых на фронтовые;

- рабочий параметр Х_р - номинальное значение входной величины I, U, I_, при которой обеспечивается надежное замыкание фронтовых контактов с заданным контактным давлением;

- параметр отключения Х_от - максимальное значение входной величины I, U, I_, при которой происходит отпускание якоря и замыкание тыловых контактов с общими.

В паспортных данных обычно указаны электрические характеристики: R - сопротивление обмотки реле;

 - число витков обмотки реле;

U_п.п (I_п.п ) - напряжение (ток) полного подъема (рабочий параметр);

U_от, I_от напряжение (ток) отпадения якоря реле. Иногда указывается U_п.р(I_п.р ) напряжение (ток) прямого подъема (аналог параметра срабатывания Х_ср ). Практический интерес представляют значения коэффициента запаса (надежности) Кз и коэффициента возврата (безопасности) реле

Кв : Кз Кв

Коэффициент запаса характеризует надежность срабатывания и удержания якоря в притянутом положении.

Коэффициент возврата отражает чувствительность магнитной системы реле к изменению тока в обмотке. Графически он характеризует ширину релейной петли.

Для удобства приняты следующие обозначения реле; Н - нейт­ральное нормального действия; М - малогабаритное (наличие второй буквы М означает медленнодействующее); Ш - штепсельное; П - поляризованное (наличие второй буквы П означает пуско­вое) ; К - комбинированное; СК - самоудерживающее комбинированное; В - реле, снабженное выпрямительным элементом; Т - реле, снабженное термоэлементом; И - импульсное, ДС - двухэлементное секторное.

Цифры, стоящие после буквенных обозначений, означают: 1 - pелe имеет 8 тройниковых контактов (8 фт); 2 - реле имеет 4 тройниковых контакта (4 фт); 3 - реле имеет 2 тройниковых (2 фт) и 2 фронтовых контакта (2 фт); 4 - реле имеет 4 тройниковых и 4 фронтовых контакта (4 фт, 4ф); 5 - реле имеет 2 тройниковых и 2 тыловых контакта (2 фт, 2т).

Число, стоящее в конце обозначения реле, означат сопротивление обмоток. Примеры обозначения реле:

НМШМ2-320 - реле нейтральное малогабаритное штепсельное медленно действующее, имеет 4 тройниковых контакта, сопротивление последовательно соединенных обмоток 320 Ом;

ПМПШ-150/150 - поляризованное малогабаритное пусковое штепсельное реле с раздельным включением обмоток, из которых, каждая имеет сопротивление 150 Ом.

2. Описание лабораторной установки

Для изучения реле установлен стенд современных элементов автоматики, телемеханики и связи и несколько стендов с разоб­ранным реле. К обмоткам peле подведено напряжение через пе­реключатели, находящиеся на пульте, что дает возможность про­следить работу якоря и контактов реле при их включении и выключении.

При изучении реле необходимо обратить внимание на устройст­во магнитной системы (воспринимающей части), контактной системы (исполнительной части), принцип действия, название деталей и контактов, условные обозначения реле и контактов на электрических схемах.

3. Порядок выполнения работы

3 .1 изучить нейтральное электромагнитное реле первого класса надежности типа НШ, НМШ, РЭЛ.

Рис.4 Нейтральное штепсельное реле

Основными частями нейтрального реле НШ (рис. 4) яв­ляются: сердечник 1 с по­люсными наконечниками 6 г 7, катушки 2 к 3, надетые на сердечник, якорь 8, изолирующая тяга 9, соединенная шарнирно с якорем и общими контактами 5, упорный винт 10, регулирующий ход якоря. В отдельных реле для увеличения задержки на отпадание якоря на сердечник надевается медная гильза 4.

Все части корпуса закрыты металлическим или пластмассовым корпусом.

Недостаток данного реле - большие габариты и материалоемкость. От этого недостатка частично свободно малогабаритное штепсельное реле типа НМШ.

Электромагнитная и контактная системы реле изображены на рис. 5.

Электромагнитная система состоит из сердечника 1 с надетыми - на него двумя катушками 2, Г - образного ярма 3, якоря 5 с противовесом 4. На якоре имеется бронзовый наклеп, исключаю­щий прилипание якоря к сердечнику.

Контактная система состоит на тяги 6, шарнирно соединенной с противовесом якоря, фронтовых контактов (ф) 7, тыловых (т) 9 в общих (о) 8 в виде плоских пружин наклепами (серебряными) - в тыловых и общих контактах. Все контакты условно объединяются в контактные группы, каждая из которых состоит из трех (Ф-0-Т) или двух (Ф-0 или Т-0) контактов. Контактную группу из трех контактов еще называют тройником. Фронтовые и тыло­вые контакты имеют упорные пружины для ограничения хода этих контактов и регулировки зазора между ними.

Рис. 5 Устройство электромагнитной и контактной системы реле НМШ

Все части роле закрывается прозрачным колпаком, который крепится к основанию реле. Концы контактных пружин через основание выведены наружу для установки реле в штепсельную розетку, к лепесткам которой подпаиваются монтажные провода. Нумерация контактов со стороны штепсельной розетки (со стороны монтажа) показана на рис. 5, б. Каждая контактная пластина обозначается двухзначным числом, где первая цифра означает номер контактной группы, вторая - номер контакта. К контактным пластинам 1, 2, 3 и 4 подключены обмотки реле.

При протекании тока по обмотке реле создается магнитный поток, который, замыкаясь по магнитопроводу (сердечник, ярмо, якорь), притягивает якорь к сердечнику. Противовес и тяга 6 поднимаются вверх и перемещают контакты, в результате замы­каются общий - фронтовой и размыкаются общий - тыловой кон­такты реле срабатывает. При выключении тока под действием собственной массы якорь отпадает, контакты устанавливаются в исходное положение (О - Т - замкнуты, 0 - Ф - разомкнуты) и ре­ле отключается. Все нормальные контакты реле позволяют про­пускать постоянный ток до 10 А при напряжении 30 В и перемен­ный до 3 и 6 А при напряжении соответственно 220 и 110 В.

Имеется несколько разновидностей реле НМШ. Малогабарит­ные нейтральные реле АНШ имеют специальную герметизацию, могут работать при температуре от -50 до 60 ^оС градусов и предназначены для установки в напольных релейных шкафах. По сравнению с реле НМШ они обладают большей чувствительностью на срабатывание. Число контактных групп не превышает четырех.

Недостатки реле НМШ в основном аналогичны реле НШ.

Наиболее совершенным электромагнитным реле первого класса надежности является реле типа РЭЛ, разработанное специалистами Ленинградского электротехнического завода МПС. По сравнению с реле типа НМШ оно имеет следующие преимущества:

1 Сокращен объем и материалоемкость в 1,7 раза, увеличена технологичность реле.

2 Исключена возможность замыкания хотя бы одного фронтового контакта до размыкания всех тыловых контактов и обратное условие (т. к. исключен обрыв контактной тяги).

3 Подвижное крепление противовеса якоря, исключающее возможность неправильной работы контактной системы в случае вибрации или опрокидывания реле.

4 Обеспечение чувствительности реле к полярности тока в обмотке без использования постоянного магнита.

5 Исключение возможности ошибочной установки на штепсельную колодку реле другого типа.

Реле типа РЭЛ (рис. 6) имеет два круглых сердечника 4, расположенных параллельно. На каждом сердечнике размещены две катушки, которые можно соединить параллельно или последовательно. Якорь 1 клапанного типа укреплен на призме Г - образного ярма 2. между якорем и сердечником имеется антимагнитная пластина.

Рис. 6 Реле первого класса надежности типа РЭЛ

Общие контактные пружины расположены в один ряд, а их концы зажаты в изолирующей планке З, жестко закрепленной на якоре 4. При подаче питания обмотки создают рабочие потоки в каждом воздушном зазоре, обеспечивающие притяжение якоря. При этом большая часть рабочего потока одного сердечника проходит через ярмо, а меньшая через другой сердечник, но оба потока со­вершают полезную работу по притяжению и удержанию якоря. Ес­ли концы сердечников под якорем соединить шунтирующей пластиной из ферромагнитного материала, то магнитопровод реле будет, замкнут в контур и магнитный поток в воздушном зазоре между якорем и сердечником может появиться только при определенной полярности тока в обмотках реле - когда рабочие потоки в магнитном шунте направлены встречно. В этом случае подучается реле, чувствительное к полярности тока (однако не обладающее свойством памяти).

3.2 Исследование электрических параметров нейтрального ре­ле типа НШ, НМШ, РЭЛ (по указанию преподавателя). Работа выполняется на типовом стенде для испытания репе.

1 Включить обмотки последовательно и подключить реле к стенду на прямую полярность.

2 Плавно повышая регулятором напряжение, зафиксировать по­рог срабатывания реле U_ср. Увеличить напряжение до рабочего значения Up .

3 Плавно снижая напряжение, зафиксировать уровень отпускания Uот. Повторить цикл измерений 3 раза и получить средние значения U_ср и Uот.

4 Повторить опыт, изменив полярность питания реле.

5 Включить обмотки реле параллельно, повторить п.п. 2-4.Сравнить результаты измерений при последовательном и параллельном включении обмоток реле.

6 Построить экспериментальную релейную характеристику и сравнить с характеристикой, построенной по паспортным данным.

7 Заполнить таблицу, сделать вывод о кондиционности реле.

3.3 Исследование поляризованного и комбинированного реле.

Поляризованные и комбинированные реле отличаются от нейт­ральных наличием постоянного магнита и двух воздушных зазоров S₁ и S₂, в магнитной цепи (рис.7).

При отсутствии тока в катушке рабочий ноток Фк=0, нейтраль­ный якорь НЯ отпущен, а поляризованный якорь ПЯ сохраняет прежнее состояний. При этом на ПЯ действуют силы F₁ и F₂, созданные потоками Ф₀₁ и Ф₀₂ постоянного магнита. Величины поляризующих потоков Ф₀₁ и Ф₀₂ обратно пропорциональны воздушным промежуткам S₁ и S₂, поэтому результирующая сила F₉=F₉₁ -F₉₂ обеспечивает надежное притяжение ПЯ к сердечнику с меньшим зазором.

Рис. 7 Комбинированное реле

При включении тока в реле возникает рабочий поток Ф_к, который обеспечивает притяжение нейтрального якоря и совместно с поляризующим потоком Ф_о воздействует на поляризованный якорь. В воздушных зазорах S₁ и S₂ возникают потоки

Ф_S1=Ф₀₁±Ф_к и Ф_S2=Ф₀₂±Ф_к .

Для переброса поляризованного якоря полярность тока в катушке реле должна быть такой, чтобы поляризованным и рабочий магнитные потоки в большом зазоре складывались, а в малом зазо­ре вычитались. Тогда равнодействующая сила обеспечивает притяжение поляризованного якоря к полюсу, в воздушном промежут­ке которого потоки складываются.

3.4 Исследование поляризованного реле типа КШ, KMШ (по указанию преподавателя).

1 Соединить катушки реле последовательно (перемычка 2-3) и подключить выводы 1-4 к стенду на прямую полярность.

2 Плавно увеличивая напряжение, зафиксировать порог сраба­тывания реле Uпер, увеличить напряжение до рабочего значе­ния, затем снизить до нуля.

3 Переключив полярность питания на обратную, плавно уве­личить напряжение и зафиксировать порог срабатывания реле Uпер.

4 Повторить три раза измерения по п.п.2-3 получить среднее значение

5 Построить релейные характеристики по экспериментальным данным и паспортным данным.

6 Заполнять таблицу, сделать, вывод о кондиционности реле.

3.5 Исследование полярного реле типа ПЭЛ

1 Подключить обе катушки полярного реле на прямую полярность питания.

2 Плавно повышая до рабочего значения, проследить работу реле.

3 Включить катушки полярного реле на различную полярность повторив опыт 2.

4 Возбудить полярное реле и проследить его реакцию на отключение каждой из обмоток. Сделать вывода.

5 Заполнить таблицу, сделать вывод о кондиционности реле.

3.6 Изучить поляризованное импульсное малогабаритное штепсельное реле ИМВШ (рис. 8) обладает магнитной системой, выполненной по мостовой схеме.

При отсутствии тока в катушке под действием потока постоянного магнита якорь находится в одном из крайних положе­ний. Пусть замкнуты, например, контакты О и Т. При протекании тока через катушку в магнитной цепи на реле действуют независимые потоки (рис.8, а) Фк - магнитный поток катушки (показан сплошной линией) и Фп - магнитный поток постоянного магнита (показан штриховой линией). При данном направлении тока в ка­тушке магнитные потоки в левом верхнем и нижнем правом воз­душном зазорах суммируются, в результате якорь перебрасывается, и замыкаются 0-Ф контакты.

Рис. 8 Поляризованное реле ИМВШ

Реле может работать в режимах нейтральном и с преоблада­нием вправо или влево. Для задания нейтрального режима полюс­ные наконечники устанавливаются на одинаковом расстоянии от нейтральной линии. В режиме с нейтральной регулировкой реле работает так же, как показано выше. Режим с преобладанием задается путем смещения полюсных наконечников от нейтральной линии. Преобладание влево задается удалением от нейтрали на­конечников 9 и 5 и приближением наконечников 3 и 7, преобла­дание вправо - удалением наконечников 3 и 7 и приближением на­конечников 9 и 5. При регулировке с преобладанием реле оказы­вается чувствительным только к одной полярности тока в им­пульсе. Нумерация контактов для реле ИМВШ показана на рис. 8,б.