Электромагнитные реле

Классификация. Под реле понимают такой электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющего (входного) параметра до определенной заданной величины происходит скачкообразное изменение управляемого (выходного) параметра. Хотя бы один из этих параметров должен быть электрическим.

По области применения реле делятся на реле для схем автоматики, для управления и защиты электропривода и защиты энергосистем. По принципу действия реле делятся на электромагнитные, поляризованные, тепловые, индукционные, магнитоэлектрические, полупроводниковые и др.

В зависимости от входного параметра реле можно разделить на реле тока, напряжения, мощности, частоты и других величин. Отметим, что реле может реагировать не только на входной параметр, но и на разность значений (дифференциальное реле), изменение знака или скорости изменения входного параметра. Иногда реле, имеющее только один входной параметр, должно воздействовать на несколько независимых цепей. В этом случае реле подействует на другое, так называемое промежуточное реле, имeет необходимое число управляемых цепей. Промежуточное реле используется и тогда, когда мощность основного реле недостаточна для воздействия на управляемые цепи.

По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные. Выходным параметром бесконтактных реле является резкое изменение сопротивления, включенного в управляемую цепь. Разомкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует большое сопротивление управляемой цепи бесконтактного реле. Это состояние бесконтактного реле называется закрытым. Замкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует малое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле. Такое состояние бесконтактного реле называется открытым.

По способу включения реле различаются на первичные и вторичные.

Первичные реле включаются в управляемую цепь непосредственно, вторичные - через измерительные трансформаторы.

Основные характеристики реле. Рассмотрим характеристику управления реле, представляющую собой зависимость выходного параметра от входного для реле с замыкающим контактом. У этих реле при отсутствии входного сигнала контакты разомкнуты и ток в управляемой цепи равен нулю. Для бесконтактных реле сопротивление, введенное в управляемую цепь, достаточно велико и ток имеет минимальное значение. Значение входного параметра х (напряжения, тока и т.д.), при котором происходит срабатывание реле, называется параметром (напряжением, током и т. д.) срабатывания. До тех пор, пока х < х_ср, выходной параметр у равен нулю либо своему минимальному значению y_min (для бесконтактных аппаратов). При х =х_ср выходной параметр скачком меняется от y_mjn до У_max- Происходит срабатывание реле. Если после срабатывания уменьшать значение входного параметра, m при х <х_ср происходит скачкообразное возвращение выходного параметра oт значения У_max до 0 или y_mjn - отпускание реле.

Значение входного параметра, при котором происходит скачкообразное отпускание реле, называется параметром отпускания. Значения параметров срабатывания или отпускания, на которые отрегулировано реле, называются уставкой по входному параметру.

Время с момента подачи команды на срабатывание до момента начала возрастания выходного параметра называется временем срабатывания. Это время зависит от конструкции реле, схемы его включения и выходного параметра. Чем больше значения выходного параметра х_раб по сравнению с х_ср, тем быстрее срабатывание реле. Отношение х_раб/х_ср называется коэффициентом запаса. Следует отметить, что с ростом коэффициента запаса возрастает вибрация контактов электромагнитного реле.

Для ряда реле очень важно отношение х_раб/х_ср, называемое коэффициентом возврата.

Время с момента подачи команды на отключение до достижения минимального значения выходного параметра называется вpeмeнeм отключения. Для контактных реле это время состоит из двух интервалов -времени отпускания и времени горения дуги. На рис. 1.1 даны зависимости входного i_y и выходного i_H параметров электромагнитного реле от времени. Входным параметром в данном случае является ток в обмотке реле, выходным - ток в управляемой цепи (цепи нагрузки).

Для рис. 1.1 принято, что включение обмотки реле происходит при t = 0. При t = t_тр якорь электромагнита реле трогается и начинает движение. В течение времени t_ДВякорь перемещается и в конце хода замыкается контакт в цепи нагрузки. Ток нагрузки i_H возрастает от нуля до установившегося значения I_Н. Время t_cp = t_ТРt_ДВ называют временем срабатывания реле. После этого ток в обмотке реле продолжает расти до установившегося значения I_раб. При отключении реле из рабочего состояния t_pa6 цепь его обмотки разрывается и ток в ней спадает. В момент времени tom, когда усилие противодействующей пружины становится больше электромагнитного усилия, происходит отпускание якоря. Контакты реле разомкнутся после выбора провала контактов через время t_пров,_к- После размыкания контактов загорается дуга, которая погаснет через время t_Aи ток в нагрузке t_H = 0. Время t_0TK⁼ t_тp + t_npoв,к + t_д называется временем отключения.

Важным параметром, характеризующим усилительные свойства реле, является отношение максимальной мощности нагрузки в управляемой цепи Р_у к минимальной мощности входного сигнала Р_ср, при котором происходит срабатывание реле.

Для контактных реле максимальная мощность Р_у определяется не длительным током, допустимым для данного контакта, а током нагрузки, который может быть многократно отключен.

Требования, предъявляемые к реле. Требования к реле в значительной мере определяются их назначением. К реле защиты энергосистем предъявляются требования селективности, быстродействия, чувствитель­ности и надежности.

Под селективностью понимается способность реле отключать только поврежденный участок энергосистемы. Достаточно высокое быстро­действие позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчи­вость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии. Минимальное значение входного параметра, при котором реле срабатывает, называется чувствительностью. Увеличение чувствительности позволяет улучшить качество электротехнических устройств. Так, например, повышение чувствительности релейной защиты позволяет сократить длину линии электропередачи, которая не может быть защищена от аварийных режимов.

Реле для защиты энергосистем должны иметь высокую надежность. В противном случае возможно развитие тяжелых аварий и недоотпуск большого количества электроэнергии.

Реле защиты энергосистемы эксплуатируются, как правило, в об­легченных условиях. Они не подвержены воздействию ударов, вибрации, а также пыли и газов, вызывающих коррозию. Из-за того, что аварийные режимы в системе редки, к этим реле не предъявляются высокие требования в части износостойкости.

К реле для схем автоматики, а также для управления и защиты электропривода предъявляются самые разнообразные специфические требования. Эти реле работают в тяжелых условиях эксплуатации: возможны удары, вибрация, воздух часто засорен пылью или агрессивными произ­водственными примесями. Так как число включений в час в современных схемах электропривода достигает 1000 - 1200 и более, реле управления должны иметь механическую и электрическую износостойкость до (1-10)-10⁶ циклов. Надежность работы схем автоматики зависит от надежности работы отдельных элементов, в том числе и реле.

Из-за большого количества реле в современных схемах и большого количества выполняемых ими операций к ним предъявляются требования

высокой надежности.

Электромагнитное реле постоянного тока (рис.1.2, в) состоит из следующих основных элементов: обмотки 1, сердечника 2, магнитопровода 3, контактных пружин 4, контактов 5, подвижного якоря 6 и штифта отлипания 7.

Принцип действия такого реле заключается в притяжении подвижного якоря к сердечнику электромагнита, по обмотке которого протекает электрический ток. При отсутствии тока в обмотке якорь оттягивается контактными пружинами. В зависимости от положения якоря контакты реле замыкаются или размыкаются, осуществляя соответствующие переключения управляемых цепей.

Обмотки реле бывают двух видов: каркасные и бескаркасные. Каркасная обмотка допускает перемотку провода обмотки в случае электрических пробоев. Каркас обмотки изготовляется из гетинакса, текстолита и других изоляционных материалов.

Бескаркасная обмотка может работать во влажной среде, но ремонту не подлежит. Выполняется она в специальных шаблонах, пропитывается электротехническими лаками и обматывается изоляционными лентами.

В качестве обмоточного провода применяются провода ПЭЛ, ПЭВ и др.

Магнитная цепь реле выполняется из магнитомягкого материала методом штампа или токарной обработки.

Контактные пружины реле изготовляются из фосфористой бронзы или стали.

Контакты реле наклёпываются или привариваются к пружинам. Форма и материал контактов зависят от действующего тока, напряжения и вида включаемой нагрузки управляемой цепи. На рис 1.2, б показаны (по порядку) контакты: плоскоострые, плоскосферические, двойные сферические, сферические и плоскостные. Материалом для контактов служат серебро, платина, платиноиридиевый сплав, сплавы вольфрама с серебром и др. Контакты большой мощности изготовляются из меди и графита.

Штифт отлипания реле предназначен для быстрого возврата реле в исходное положение после снятия напряжения с обмотки. Штифт может быть в виде медной заклепки, бронзовой пластинки, регулировочного бронзового винта и т. п.

На рис. 1.2, в показано реле переменного тока и график его работы. Такое реле принципиально не отличается от реле постоянного тока, однако если реле постоянного тока включить в цепь переменного, то его якорь будет вибрировать с частотой сети. Для устранения вибрации полюс сердечника 1 раздваивают и на одну половину устанавливают короткозамкнутый виток 2. В витке возникают ЭДС, ток и магнитный поток _Ф1, который отстает по времени на угол от основного магнитного потока Ф₁.

Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ образуют электромагнитные усилия:

,

Суммарное тяговое усилие на якорь определяется по формуле:

Из графика работы реле следует, что в любой момент времени сум­марное усилие не принимает нулевого значения, т. е. якорь реле находится в притянутом состоянии. К недостаткам реле переменного тока относятся повышенное потребление энергии и возможная вибрация (гудение).

Разновидностью реле постоянного тока является поляризованное реле (рис.1.3, г), отличающееся тем, что перемещение якоря в нем зависит от направления тока в обмотках. Основные элементы реле: обмотка 1, по­стоянный магнит 2, магнитопровод 3, подвижной якорь 4, контакты якоря5, неподвижные контакты 6 и регулировочные винты 7. При отсутствии тока в обмотках якорь реле находится в центре (штрихпунктирная линия).

Усилия F _{1 И} F ₂, действующие на якорь от постоянного магнита, равны и противоположны. При подаче тока I в обмотки образуются поля Ф_о^/Ф_о^// и соответствующие усилия F _o^/ и F _o^//. Суммарные усилия в левой части магни-токопровода складываются (F ₁ + F_o), a в правой — вычитаются (F ₂- F _o), что приводит к быстрому перебросу якоря на левый контакт. Регулировкой магнитной системы реле и неподвижных контактов можно получить раз­личные устойчивые состояния якоря.

В зависимости от исходного устойчивого состояния якоря по­ляризованные реле бывают: двухпозиционное, нейтральное, двух-позиционное с преобладанием и трехпозиционное.)

Конструкции реле. Рассмотрим некоторые конструкции реле, получившие наибольшее применение в системах автоматики: типа РПН, РКН, МКУ-48, РЭН-17, РПТ-100, РСМ, РЭС, РП-4, РП-5 и РП-7.

Реле РПН телефонного типа с плоскими якорем и сердечником. Монтаж этого реле производится в положении, при котором большая сторона якоря расположена вертикально, иначе вес якоря будет оказывать влияние на ток срабатывания. Реле рассчитано на применение только в стационарной (неподвижной) аппаратуре. Обмотка реле может выполняться на напряжение 12, 24, 48 и 60 В. Допустимый рабочий ток контактов реле 0,2 А при напряжении не более 60 В. Реле может иметь одну или две контактные группы, в каждой из которых от двух до шести контактных пружин. Контакты реле двойные сферические.

Реле РКН с круглым сердечником предназначено для работы в стационарной и передвижной аппаратуре. Рабочее напряжение обмотки и допустимый ток между контактами реле такие же, как у реле РПН. В реле может быть одна или две контактные группы, содержащие от двух до де­вяти контактных пружин.

Реле МКУ-48 - многоконтактное унифицированное (рис.1.3, а), по­лучившее наиболее широкое применение в шахтной автоматике. Основ­ными элементами реле являются: магнитопровод 10, обмотка 12, якорь 9, подвижные контактные пружины 5, неподвижные контактные пружины 6, возвратная пружина 14, регулировочный винт 13, упор якоря 8, винты упора 11, ось якоря 15, латунная прокладка 7, изолирующая рамка 4, изолирующие прокладки 2, крепящие винты 1, упорные пластины 3.

Обмотка реле работает на постоянном или переменном токе. Рабочее напряжение обмотки при постоянном токе 12, 24, 48, 60, ПО, 220 В, при пе-

ременном токе 12, 24, 36, 60, 127, 220, 380 В. Обмотка реле каркасная, выполняется проводом ПЭВ. Контактные пружины реле разделены, в каждой группе от двух до восьми контактных пружин. Контакты реле плоскосферические. Допустимый ток между контактами реле 5А, при раз­рывной мощности для цепи постоянного тока 50 Вт и переменного тока 500 Вт.

Соотношение между рабочими напряжениями обмотки по постоянному и переменному току примерно 1/4. При переключении реле с переменного напряжения на постоянное, на подвижный якорь следует устанавливать латунную прокладку, служащую штифтом отлипания.

Рис. 1.3 Конструкция электромагнитных реле систем автоматики

Реле РП имеет три модификации:

РП-4 - двухпозиционное, РП-5 - трехпозиционное, РП-7 - двухпо­зиционное с преобладанием. Контакты реле сферические из серебра или платины. Зазор между контактами реле РП-4 не менее 0,06 мм, РП-5 - 0,08 мм, РП-7 - 0,07 мм. Необходимым условием нормальной работы контактов реле является применение специальных элементов для гашения дуги. Допустимый ток контактов 0,2 А при напряжении не более 30 В. Обмотка реле каркасная. Рабочее напряжение обмотки реле РП - 24 В, реле ТРМ-120В. Время срабатывания реле РП составляет 1/200с, а реле ТРМ- 1/100с.