Электрические реле

 

Основные понятия. Реле — устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком — выход­ные контакты либо замыкаются — в управляемой цепи появляется ток (напряжение), либо размыкаются. Реле применяют в цепях уп­равления с током менее 1А. Входной величиной реле могут быть механические, тепловые, электрические и другие внешние воздей­ствия.

Широкое распространение получили электрические реле (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные), которые реагируют на изменения тока (напряже­ния) в обмотке управления (намагничивающей обмотке). На рис. 2.15, а показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа: при определенной МДС в цепи управления |w_yI_y| возникающая электромагнитная сила притяжения якоря 3 к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Реле срабатыва­ет, воздушный зазор уменьшается, клапан 4 нажимает на подвиж­ный контакт 5 и прижимает его с силой F, зависящей от значения воздушного зазора в конце хода якоря, к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь (цепь управления) замыкается, исполнительный элемент 7 производит требуемое действие. Контакты реле в исход­ном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты, в пос­леднем случае при срабатывании реле они размыкаются - действие каких-либо устройств прекращается. Первоначально открытые (за­мыкающие) контакты изображают на схемах, как показано на рис. 2.16, а, первоначально закрытые (размыкающие) контакты имеют условное обозначение, показанное на рис. 2.16, б.

Многие электромагнитные реле имеют несколько контактных пар, тогда их используют для управления несколькими электричес­кими цепями.

Электрические реле выполняют множество функций, связанных с контролем режимов работы важных элементов электрической цепи - генераторов, трансформаторов, линий передач, различных приемников.

При нарушении нормального режима того или иного элемента соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо отключает по­врежденный участок. Такие реле — реле защиты — могут «наблюдать» за током в цепи (токовая защита), напряжением на отдельных уча­стках (защита по напряжению), изменениям мощности (реле мощ­ности), изменением частоты тока и т. д.

В зависимости от значения или направления входной величины, приводящей к срабатыванию реле, различают реле: максимальные, минимальные, направленного действия, дифференциальные и др.

В зависимости от времени срабатывания — отрезка времени от мо­мента появления управляющего воздействия до момента замыкания контактов реле — различают реле быстродействующие (t_cp < 0,05 с), нормальные (t_ср = 0,05—0,25 с) и с выдержкой времени (реле вре­мени).

Если реле «реагирует» только на значение входной величины (тока) и «не реагирует» на направление этой величины, то его на­зывают нейтральным. Реле, «чувствующие» полярность (направле­ние) входной величины (напряжения, тока), называются поляризо­ванными.

По способу воздействия исполнительного элемента реле на управляемую величину различают реле прямого действия, в которых исполнительный элемент (у электромеханических реле испол­нительным элементом является подвижная контактная система) не­посредственно воздействует на цепь управления, и реле косвенного действия, в которых исполнительный элемент воздействует на кон­тролируемую цепь через другие аппараты.

По способу включения воспринимающего элемента различают первичные, вторичные и промежуточные реле.

Воспринимающим элементом электромагнитных реле является электромагнит, преобразующий управляющий ток (напряжение) в перемещение якоря относительно ярма. Воспринимающими элементами других электрических реле могут быть магнитоэлектри­ческий механизм, индукционная система, электродинамический механизм и т. д.

Воспринимающий элемент первичных реле включается непос­редственно в контролируемые цепи. У вторичных реле восприни­мающий элемент включается в контролируемые цепи через измери­тельные трансформаторы. Промежуточные реле работают в цепях исполнительных элементов других реле и предназначаются для уси­ления и преобразования сигналов первичных или вторичных реле.

Реле защиты. Рассмотрим устройство и принцип действия электромагнитных реле токовой защиты — реле максимального тока. Электромагнитные реле, получившие очень широкое распростра­нение, по конструктивному исполнению воспринимающего элемен­та бывают клапанного типа и с поворотным якорем.

Реле клапанного типа (см. рис. 2.15, б) широко применяют в качестве реле максимального тока. Обозначения на рис. 2.15, б: 1 -катушка возбуждения; 2 — ярмо; 3 — клапан (якорь); 4 — контакт­ная группа. Катушка возбуждения реле тока РТ включается последовательно в контролируемую цепь (рис. 2.17). При токах I в этой цепи, превышающих допустимые значения, сила притяжения якоря к ярму преодолевает сопротивление пружины и приводит к размыканию или замыканию контактов Р_т в цепи управления дру­гого аппарата (рис. 2.17, а, б) — аппарата КМ.

Размыкание контактов Р_т в цепи аппарата (реле) КМ (рис. 2.17, а) приводит к размыканию контактов КМ в контролируемой цепи питания приемника, т. е. цепь тока / разрывания (одновременно размыкаются контакты КМ,, шунтировавшие кнопку «Пуск»). Ис­чезновение тока / в цепи возбуждения реле тока Р_т приводит вновь к замыканию его контактов Р_т (контакты этого реле при отсутствии тока в его обмотке всегда замкнуты), но теперь цепь возбуждения реле КМ разомкнута, так как кнопка «Пуск» не включена и разом­кнуты контакты КМ,. Для включения цепи питания приемника следует вновь нажать кнопку «Пуск», реле КМ сработает и замкнет свои контакты КМ,. Кнопку «Пуск» после этого можно отпустить, так как цепь возбуждения реле КМ продолжает быть замкнутой че­рез шунтирующие кнопку «Пуск» контакты КМ₁.

Срабатывание реле Р_т на схеме рис. 2.17, б приводит к замыка­нию первоначально разомкнутых контактов Р_т в цепи реле КМ. Реле КМ срабатывает и размыкает свои первоначально замкнутые кон­такты КМ, шунтировавшие резистор R в цепи питания приемника. При этом последовательно с приемником включается резистор с со­противлением R и тем самым значение тока в цепи ограничивает­ся. Когда ток снизится до нормального значения, реле Р_т «отпустит» свои контакты Р_т, реле КМ отключится и резистор R будет вновь зашунтирован контактами КМ.

В качестве токовых реле применяют также реле с поворотным якорем (рис. 2.18), где между полюсами электромагнита 1 помещен якорь 3 из магнитомягкого материала. В отсутствие тока в обмотке возбуждения 2 пружина 4 удерживает якорь в таком положении, что контакты 5 и 6 разомкнуты, т. е. цепь управления (1у-2у) разом­кнута. Когда ток в обмотке возбуждения электромагнита достигнет значения, при котором сила, стремящаяся повернуть якорь к ярму, превысит силу противодействия пружины, якорь повернется, кон­такты 5 и б замкнутся, в управляемой цепи произойдет желаемое изменение режима. Вращение поводка, связанного с пружиной, вы­зывает изменение силы противодействия пружины 4и, следователь­но, настройку реле на требуемый ток срабатывания. Значения то­ков срабатывания указывают на шкале. Это же реле может быть использовано для контроля значения напряжения на каком-либо элементе. В этом случае его обмотка возбуждения, очевидно, долж­на иметь значительно большее количество витков из провода мень­шего диаметра по сравнению с обмоткой тока.

Защиту приемника от недопустимого снижения напряжения на нем можно осуществить с помощью реле минимального напряже­ния, включенного по схеме рис. 2.19.

Если напряжение источника соответствует требуемому напряже­нию, то реле Р_н срабатывает и его первоначально разомкнутые кон­такты Р_н замыкаются (позиции 5 и 6 на рис. 2.18). Нажав кнопку «Пуск», замыкают цепь возбуждения реле К и посредством его контактов К приемник подключается к источнику.

Если напряжение источника уменьшается ниже допустимого предела (что определяется настройкой реле Р_н), то сила противодей­ствия пружины 4 (см. рис. 2.18) преодолевает силу притяжения яко­ря 3 к ярму 1 и контакты 5, 6 размыкаются. Цепь тока возбуждения реле К (рис. 2.19) размыкается, и приемник отключается от источ­ника.

Для защиты электротехнических устройств от токов перегрузки, когда длительная эксплуатация устройства в таком режиме может вызвать выход его из строя за счет недопустимого перегрева, применяют тепловые реле.

Тепловое реле (рис. 2.20, а) состоит из биметаллической пласти­ны 2, которая находится в тепловом поле нагревателя 1, включен­ного последовательно с контролируемым объектом (приемником), и контактов 4. Если контролируемый ток I больше допустимого, то через некоторое время биметаллическая пластина 2 под действием избыточной теплоты нагревателя 1 изогнется, так как ее нижний слой расширяется (удлиняется) больше, чем верхний. Пластина 2 освобождает защелку 3, которая под действием пружины поворачи­вается, и контакты 4 размыкаются. Схема включения теплового реле представлена, например, на рис. 2.20, б, где видно, что при сраба­тывании теплового реле его контакты разрывают цепь питания реле К и отключают приемник от источника. После охлаждения биме­таллической пластины, реле механическим путем возвращается в исходное положение.

Реле управления и автоматики. Электромеханические реле управ­ления представляют собой слаботочные аппараты, предназначенные для выполнения логических и измерительных функций в системах управления. Для характеристики работы реле вводят ряд коэффи­циентов. Если рассматривать реле в качестве нелинейного элемен­та, связь входной I_вх и выходной I_вых величин которых изображена на рис. 2.21, то можно ввести коэффициент возврата К как отно­шение входной величины I_п, при которой реле срабатывает, к зна­чению этой же величины I_отп, при которой реле отпускает:

 

K_в=I_п/I_отп >1 (2.12)

 

Этот коэффициент зависит от соотношения тяговой характерис­тики F₁(l_в) реле (рис. 2.22) и характеристики F_пр(l_в) противодейст­вующей пружины.

В начале процесса срабатывания реле при I_вх = I_п зазор макси­мален (l_в.нач) и сила притяжения F₁ якоря к ярму чуть больше силы cжатия F_np противодействующей пружины. В конце процесса сра­батывания реле зазор минимален (I_в.кон) и сила F₁ притяжения яко­ря к ярму при том же токе I_п уже больше силы F_пp, что необходимо для надежного замыкания контактов реле. Отключение реле про­изойдет при токе I_вх, равном току

I_отп < I_п, т. е. когда сила F = F₂ станет меньше силы F_np. Чем меньше величина ΔF = F₁ - F₂ (рис. 2.22), тем, очевидно, выше коэффициент возврата, меньше раз­ница в значениях тока срабатывания I_п и тока отпускания I_отп. Обес­печить высокий коэффициент возврата можно только у реле с ма­лым ходом якоря, при уменьшении трения в механизме, использования ферромагнитных материалов с узкой петлей гистере­зиса. Для повышения надежности срабатывания реле нужно обес­печить выполнение условия

I_вх > I_п. Необходимое превышение тока I_вх.зап над значением I_п называют коэффициентом запаса:

 

К_з=I _вх.зап/ I_п (2.13)

 

Важным параметром реле является чувствительность, т. е. мощ­ность Р_у в цепи управления, при которой срабатывает реле. У высокочувствительных реле Р_у < 10 мВт, реле нормальной чувстви­тельности срабатывают при Р = 1—5 Вт, реле низкой чувствитель­ности - при Р_у = 10—20 Вт.

Мощность в цепи, которую коммутируют контакты реле Р_к, зна­чительно превышает мощность цепи управления. Отношение этих мощностей называют коэффициентом усиления (управления) реле:

 

К_у=Р_к/Р_у (2.14)

 

Значение К_у у высокочувствительных реле достигает нескольких тысяч.

По значению мощности Р_к реле подразделяют на сильноточные (Р_к > 500 Вт), нормальной мощности или промежуточные (Р_к < 150 Вт в цепях постоянного тока и Р_к < 500 В А в цепях переменного тока) и слаботочные реле систем автоматики, управления, связи (Р_к < 50 Вт в цепях постоянного тока и Р_к< 120 ВА в цепи переменного тока).

Конструкции промежуточных реле довольно многообразны. Применяются реле клапанного типа (рис. 2.23), предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного токов. На рис. 2.23 видна контактная система 1, содержащая несколько пар контактов, коммутирующих цепи ab, cd, ef. Магнитная цепь реле имеет цент­ральный сердечник (ярмо) 4, обмотку возбуждения 5, включаемую в цепь управляющего сигнала I_у, и якорь 3, который при своем дви­жении к ярму 4 посредством траверсы 2 замыкает контактные груп­пы ab, cd, ef. Если это реле предназначено для работы в цепях пере­менного тока, то магнитопровод выполняют шихтованным.

В конструкции слаботочных реле стремятся уменьшить габарит­ные размеры, но одновременно повысить разрываемую мощность (Р_к) и быстродействие. Современные слаботочные реле способны производить 200-300 млн. срабатываний за срок службы. Одна из конструкций слаботочных реле показана на рис. 2.24.

Все рассмотренные реле относятся к типу нейтральных, т. е. не реагирующих на полярность электрического сигнала в цепи управления - они срабатывают при любом направлении тока в об­мотке возбуждения. В случаях, когда требуется, чтобы реле сраба­тывало при определенном направлении тока, применяют поляри­зованные реле.

В поляризованном реле в магнитную цепь включается постоян­ный магнит 2 (рис. 2.25). Этот магнит создает основной магнитный поток Ф₀, и если якорь 3 реле занимает среднее положение в зазоре магнитной системы, то на него действуют две равные по значению и противоположные по направлению силы притяжения к полюсам постоянного магнита. Положение якоря неустойчиво, и для удер­жания его в среднем положении якорь укрепляют на плоской пру­жине, упругость которой создает устойчивость. Если в катушке элек­тромагнита / появляется ток /у, то возбуждается дополнительный магнитный поток Ф_у того или иного направления в зависимости от направления магнитодвижущей силы ω_yI_y.

Таким образом, изменяются результирующие магнитные потоки в зазорах между якорем и полюсами N - S постоянного магнита (рис. 2.25): в одном из этих зазоров магнитный поток увеличивает­ся, в другом — уменьшается. Сила притяжения якоря пропорцио­нальна квадрату магнитного потока, и, следовательно, якорь, пре­одолевая сопротивление пружины, притягивается к тому или другому полюсу постоянного магнита — реле срабатывает — контак­ты 4 замыкают одну либо другую цепь в зависимости от направле­ния тока управления.

Поляризованные реле являются достаточно быстродействующи­ми (время срабатывания достигает тысячных долей секунды), чув­ствительными (Р = 0,01—5 мВт), позволяют коммутировать токи 0,2-1 А при напряжении до 24 В. Высокое быстродействие дает воз­можность использовать их для коммутации с частотой включений 100-200 Гц.

Тенденция к уменьшению габаритных размеров электромагнитных устройств обусловила появление миниатюрных герметических элек­тромагнитных реле, соизмеримых по размерам с полупроводни­ковыми элементами. Широкое распространение получают герконовые реле, обладающие высоким быстродействием, надежностью и очень большим сроком службы.

Особый класс аппаратов с герконами составляют реле с электро­магнитной памятью (рис. 2.26). Геркон 1 помещен в магнитное поле магнитотвердого феррита 4 с наконечниками 2. Импульс тока в ка­тушке 3 приводит к срабатыванию реле — контакты 5 замыкаются, оставаясь замкнутыми и после окончания импульса тока управле­ния за счет намагничивания ферритового сердечника. Для отпуска­ния реле необходимо подать импульс тока обратного направления. Значение этого обратного тока должно быть таким, чтобы ферритовый сердечник размагнитился, но не перемагнитился, иначе кон­такты снова замкнутся.