Общие сведения. Реле — это устройство, в котором при плавном изменении входной (управляющей) величины и достижении ею определенного значения происходит скачкообразное

Реле — это устройство, в котором при плавном изменении входной (управляющей) величины и достижении ею определенного значения происходит скачкообразное изменение выходной (управляемой) величины.

Реле являются одними из основных и наиболее ответственных коммутационных элементов автоматических систем.

В конструкции любого электрического реле можно выделить пять основных функциональных элементов: воспринимающий, преобразующий, сравнивающий, исполнительный и регулировочный. В различных конструкциях реле эти элементы могут быть или явно выражены, или объединены друг с другом.

Воспринимающий и преобразующий элементы непосредственно реагируют на входную величину и преобразуют ее в другую физическую величину (в контактных реле, например — в механическую силу), необходимую для дальнейшей работы реле.

Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения как по принципу действия, так и по устройству. Например, в реле максимального тока или реле напряжения воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, в реле давления — в виде мембраны или сильфона, в реле уровня — в виде поплавка и т. д.

Сравнивающий элемент (у контактных реле — это обычно пружина) сравнивает значение преобразованной величины с заданным значением и при превышении установленного (заданного) значения передает первичное воздействие на исполнительный элемент.

Исполнительный элемент (у контактных реле — подвижная контактная система)при срабатывании реле воздействует непосредственно на управляемую цепь, замыкая или размыкая свои контакты. Различают три группы контактов реле: замыкающие, размыкающие и переключающие.

рис. 1. Контакты реле.

Конструктивное исполнение контактов отличается большим разнообразием, однако наибольшее распространение получили поворотные и мостовые контакты.

Условия работы контактов прежде всего определяются напряжением в сети, мощностью и характером нагрузки, а также частотой коммутации, т.е. числом включений и отключений в единицу времени.

Регулировочный элемент используют для настройки реле, при его помощи изменяют параметры срабатывания реле.

У некоторых реле помимо выше перечисленных присутствует замедляющий элемент, обеспечивающий замедление действия реле. Он создает выдержку времени между моментом времени, когда воспринимающий элемент воспринимает входную величину, и моментом срабатывания исполнительного элемента.

Классификация реле.

Функции, выполняемые реле, и их конструкции чрезвычайно разнообразны. В связи с этим реле классифицируют по ряду различных признаков:

1. по виду физической величины, на которую реле реагирует. В соответствии с этим различают реле электрические, акустические, механические, магнитные, тепловые, оптические и т.п. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

2. по параметру от которого реле приходит в действие реле подразделяют на токовые, напряжения, мощности, времени, с корости и т.п.

3. по принципу работы электрические реле делят на электромеханические, статические и электротепловые.

a. Электромеханические подразделяют на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные.

Электромагнитными реле называют реле, работа которых основана на взаимодействии магнитного поля неподвижной обмотки на подвижный ферромагнитный элемент (якорь или магнитопровод с контактами).

Принцип работы магнитоэлектрических реле основан на взаимодействии магнитных полей неподвижного постоянного магнита и возбуждаемой током подвижной обмотки. Магнитоэлектрические реле менее распространены, чем электромагнитные, вследствие большого времени срабатывания, но имеют очень большую чувствительность.

Электродинамические реле по принципу действия аналогичны магнитоэлектрическим, но магнитное поле в нем создается не постоянным магнитом, а специальной обмоткой возбуждения размещенной на магнитопроводе.

Индукционные реле принадлежат к группе электромеханических реле, работа которых основана на взаимодействии переменных магнитных полей неподвижных обмоток с током, индуцированным этими полями в подвижном элементе. Они фактически являются примитивными электродвигателями переменного тока с однофазным питанием. Индукционные реле проще, чем электродинамические, и находят широкое применение в устройствах автоматической защиты электроустановок в качестве реле мощности, фазы, тока и частоты.

b. Основной особенностью статических реле является отсутствие каких-либо подвижных элементов (контактов). В зависимости от типа управляющего элемента, используемого в схеме, их делят на ферромагнитные, электровакуумные, ионные и полупроводниковые.

Ферромагнитное реле - статическое реле, работа которого основана на использовании нелинейной характеристики ферромагнитных материалов. Ферромагнитные релереагируют на изменение магнитных величин (магнитного потока, напряженности магнитного поля) или магнитных характеристик ферромагнитных материалов (магнитной проницаемости, остаточной индукции и т.п.).

Ионные и полупроводниковые реле реагируют непосредственно на силу тока или напряжение, под действием которых происходит скачкообразное изменение проводимости электронных, ионных или полупроводниковых элементов. Схемы этих реле основаны на схемах триггеров. Триггер представляет собой электронную схему с релейными характеристиками, имеющими два устойчивых состояния. Переход из одного состояния в другое происходит под воздействием внешнего сигнала. В настоящее время наибольшее распространение получили триггеры на транзисторах, логических элементах.

c. Электротепловые реле реагируют на изменение тепловых величин (температуры, теплового потока и т. д.). Принцип их действия основан на использовании изменений свойств материалов под воздействием температуры: линейного или объемного расширения, перехода веществ из твердого в жидкое или из жидкого в газообразное состояние, изменение плотности или вязкости газов, изменение удельного сопротивления или диэлектрической проницаемости материалов и т. д. Наибольшее распространение получили тепловые реле с биметаллическим элементом. Биметаллический элемент состоит из двух соединенных сваркой пластин, одна из которых имеет больший коэффициент температурного расширения, чем другая. Если нагреть такой элемент, то он изогнется в сторону материала с меньшим коэффициентом температурного расширения. Биметаллический элемент может нагреваться за счет теплоты, выделяемой в пластине протекающим током или специальным нагревателем. Тепловые реле предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

4. по назначению (применению) электрические реле делят на реле защиты, управления, автоматики, связи и т. п.

Реле защиты применяются для отключения элементов электрической цепи при возникновении неноминальных режимов их работы, в этих реле могут быть реализованы два способа воздействия на отключение выключателя: прямой и косвенный. В реле прямого действия исполнительный элемент воздействует непосредственно на отключающий механизм привода выключателя. Эти реле, как правило, монтируют в привод выключателя. У реле косвенного действия его контакты замыкают цепь питания обмотки управления приводом механизма выключателя.

Реле управления применяют для управления электроприводами (двигателями, электромагнитными тормозами и т. п.).

Реле автоматики используют в схемах автоматического управления. Это обычно электромагнитные реле постоянного тока, которые в зависимости от исполнения могут выполнять функции реле тока, напряжения, времени или промежуточных реле. Последние выполняют одну из трех функций: усилителя мощности, размножителя контактов или блокировки памяти.

5. по роду тока в обмотке различают электромагнитные реле постоянного и переменного тока промышленной и высокой частоты. В свою очередь, реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле не различают полярности питающего обмотку напряжения и одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке. У поляризованных реле в зависимости от направления тока протекающего через обмотку изменяется направление действующего на якорь усилия, и соответственно при протекании через обмотку реле токов разных направлений, срабатывают разные контакты.

6. по выполняемой функции реле подразделяют на основные, реагирующие на изменение основных электрических величин, и вспомогательные. К вспомогательным можно отнести промежуточные реле, предназначенные для размножения числа контактов и передачи сигнала от одних реле к другим реле или аппаратам с одновременным повышением коммутационной способности управляемых цепей; реле выдержки времени, осуществляющие функции управления по временному фактору; сигнальные реле, фиксирующие действия основных реле и управляющие световыми и звуковыми сигналами.

7. по способу включения воспринимающего элемента различают реле первичные, вторичные и промежуточные. Первичные реле включаются непосредственно в контролируемую цепь. Вторичные реле включаются в контролируемую цепь через измерительные трансформаторы тока или напряжения. Воспринимающие элементы промежуточных реле включаются в цепь через исполнительные органы первичных или вторичных реле и служат обычно для размножения и (или) усиления сигнала.

8. по принципу действия исполнительных элементов различают реле контактные и бесконтактные. Контактные реле воздействуют на управляемую цепь путем замыкания или размыкания ее своими контактами. Бесконтактные реле осуществляют управление путем скачкообразного (релейного) изменения параметров своего исполнительного элемента, включенного в управляемую цепь.

9. по времени срабатывания реле делят на быстродействующие (время срабатывания t_cp = 1—50 мс), нормальнодействующие (t_cp = 50—150 мс) и медленнодействующие (t_cp = 0,15—1 с). Реле с временем срабатывания менее 1 мс называют безынерционными, а с t_cp > 1 с — реле выдержки времени.

Параметры и характеристики реле.

Несмотря на различия в принципе действия и конструкции, реле описываются рядом параметров и характеристик, важнейшие из которых приведены ниже.

· Статическая характеристика, показывает зависимость выходной величины y от входной x и имеющая для большинства реле гистерезисную форму. Вид характеристики зависит от типа реле.

· Параметр срабатывания - минимальное значение входной величины, при которой происходит срабатывание реле, то есть переключение его контактов. Параметр срабатывания характеризует чувствительность реле.

· Рабочий параметр - это установившееся значение входной величины, при которой реле находится в номинальном рабочем режиме.

· Параметр возврата (параметр отпускания) - максимальное значение входной величины, при которой происходит возврат реле в исходное состояние, в котором оно находилось до срабатывания.

Заданное значение величины срабатывания или отпускания, на которое отрегулировано реле, называется уставкой по воздействующей величине.

· Время срабатывания (t _ср) - это интервал времени от момента подачи входной величины до момента скачкообразного изменения выходной величины Это время зависит от конструкции реле и значения входного параметра (обычно 4_р=0,001...0,25 с).

· Время отключения (отпускания) (t _отп) - интервал времени от момента снятия входного сигнала до момента прекращения воздействия исполнительного элемента на управляемую цепь.

Срабатывание и отключение реле не мгновенно а с замедлением объясняются тем, что вследствие большой индуктивности обмоток реле ток возрастает и спадает не мгновенно, а постепенно.

· Коэффициент возврата - отношение параметра отпускания к параметру срабатывания.

_· k _в = x _отп /x _ср [1]

· Коэффициент запаса при срабатывании - отношение рабочего параметра к параметру срабатывания.

· k _{з ср} = x _раб /x _ср [2]

· Коэффициент запаса при отпускании - отношение параметра отпускания к рабочему параметру.

k _{з отп} = x _отп /x _раб [3]

Коэффициент запаса при срабатывании всегда больше единицы, а при возврате всегда меньше единицы.

· Номинальная потребляемая мощность

S _ном = U _ном* I _ном. [4]

К реле управления и автоматики предъявляются повышенные требования в отношении коммутационной и механической износостойкости. Наиболее слабый элемент контактных реле — контактная система. Исходя из требований износостойкости, для реле устанавливаются: допустимая частота срабатывания в единицу времени и срок службы (или наработка). Помимо этого контакты реле принято характеризовать следующими эксплуатационными параметрами: предельными значениями тока, напряжения, мощности и числом включений.

Предельно допустимый ток I _п определяется температурой нагрева контактов, при которой они еще не размягчаются и сохраняют необходимые физико-механические свойства.

Предельно допустимое напряжение U _п определяется напряжением пробоя изоляции контактов и пробоя промежутка между разомкнутыми контактами.

Предельно допустимая мощность P _п представляет собой мощность электрической цепи, которую контакты реле могут разорвать без образования на них устойчивой электрической дуги. Эта мощность определяется условиями погасания дуги между контактами после их размыкания.

Эти параметры зависят главным образом от материала, формы и размеров контактов, контактного давления и наличия специальных дугогасительных устройств.

Весьма важным параметром, характеризующим усилительные свойства реле, является коэффициент усиления реле по мощности, который определяется как отношение предельно допустимой мощности Р _п к мощности входного сигнала Р _ср, при котором происходит срабатывание реле:

k_Р = Р_п/Р_ср [5]