8. Электромагнитные реле переменного тока
В предыдущих параграфах рассматривалась работа реле при питании от сети постоянного тока. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь также будет притягиваться к сердечнику. Это объясняется тем, что, согласно уравнению (12), электромагнитное тяговое усилие пропорционально квадрату МДС, а значит, и квадрату тока в обмотке. Поэтому, хотя переменный ток периодически меняет свое направление, знак тягового усилия не будет зависеть от направления тока. Таким образом, всегда будет действовать именно сила притяжения, а не сила отталкивания. Переменный ток, протекая по обмотке реле, создает в рабочем зазоре переменный магнитный поток
(25)
Подставляя (25) в уравнение (13), получим
где
(27)
На рис. 14 показаны графики изменения тока t от времени в обмотке реле и электромагнитного тягового усилия . Якорь притягивается к сердечнику под действием среднего значения электромагнитного усилия, т. е. его постоянной составляющей , показанной на рис. 14 прямой линией. Величина
(28) где
, (29)
а переменная составляющая
Из уравнения (29) видно, что при одинаковых конструктивных размерах реле и равных значениях максимальной магнитной индукции среднее значение электромагнитного усилия реле переменного тока вдвое меньше, чем реле постоянного тока. Дважды за период электромагнитное усилие обращается в нуль. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваясь от сердечника возвратной пружиной. Конечно, из-за массы якоря сила инерции не позволяет ему совершать колебательные движения. Периодическое изменение силы тяги появляется именно как дрожание якоря, сопровождаемое характерным гудением на частоте 100 Гц (при питании от сети промышленной частоты 50 Гц). В реле переменного тока для устранения вибрации якоря применяются специальные конструктивные меры. Следует также отметить, что наличие переменного потока в магнитопроводе реле приводит к появлению вихревых токов в стали. Эти токи нагревают сердечник, ярмо и якорь реле, на что бесполезно расходуется энергия. Для уменьшения вихревых токов и потерь энергии магнитопровод набирается из отдельных тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали, которые изолируют друг от друга, что увеличивает сопротивление на пути вихревых токов, уменьшает сечение стали на этом пути.
Рис. 14. Графики изменения тока и тягового усилия реле переменного тока
Реле постоянного тока получили большее распространение, чем реле переменного тока. Главное их преимущество — меньшие габариты и большая чувствительность. При наличии сети переменного тока можно включать реле постоянного тока через выпрямительные устройства.
Реле переменного тока имеет еще одну важную особенность по сравнению с реле постоянного тока. При питании обмотки реле от сети переменного тока сопротивление этой обмотки имеет как активную составляющую R
Рассмотрим три основных способа устранения вибрации реле переменного тока: применение короткозамкнутого витка; применение многофазной обмотки; применение массивного якоря.
Наиболее
часто для исключения вибрации реле
переменного тока используется
короткозамкнутый виток, охватывающий
часть сердечника (рис. 15, а,
б). В сердечнике
делается щель на небольшую глубину
(обычно пропиливается). В эту щель
вставляется одна сторона короткозамкнутого
витка, обычно представляющего собой
медную штампованную прямоугольную
рамку. Принцип действия короткозамкнутого
витка заключается в следующем. Переменный
магнитный поток Ф, созданный током в
обмотке реле, проходит по сердечнику и
разветвляется на две части: один поток
Ф
Рис. 15. Короткозамкнутый виток в реле переменного тока
Обеспечить равенство потоков Ф2 и Ф1и сдвиг их по фазе на 90° можно с помощью двухфазного реле. Такое реле имеет два сердечника с раздельными обмотками и общий якорь. В цепь одной из обмоток включается конденсатор, обеспечивающий сдвиг по фазе токов в обмотках на 90°. При таком сдвиге фаз и равенстве магнитных потоков результирующая сила притяжения якоря будет иметь постоянное значение. При наличии трехфазной сети электромагнитный механизм реле может быть выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками (на каждом стержне — одна обмотка) и плоского якоря. Обмотки обычно соединяются звездой и включаются в трехфазную сеть. Три магнитных потока в трех рабочих зазорах будут создавать постоянное тяговое усилие на якоре. Однако точка приложения этого усилия будет перемещаться по якорю; ведь сначала якорь сильнее притягивается к крайнему стержню, потом к среднему, к другому крайнему и т. д.
При подключении обмотки реле к переменному напряжению ток будет изменяться в зависимости от перемещения якоря. Действительно, электромагнитный механизм реле похож на электромагнитный датчик перемещения: его индуктивность L возрастает с уменьшением воздушного зазора. Следовательно, при притягивании якоря к сердечнику индуктивное сопротивление будет возрастать, а ток — уменьшаться. Поэтому тяговое усилие реле переменного тока в отличие от реле постоянного тока мало увеличивается или вообще не увеличивается по мере уменьшения воздушного зазора.
8. Электромагнитные реле переменного тока
В предыдущих параграфах рассматривалась работа реле при питании от сети постоянного тока. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь также будет притягиваться к сердечнику. Это объясняется тем, что, согласно уравнению (12), электромагнитное тяговое усилие пропорционально квадрату МДС, а значит, и квадрату тока в обмотке. Поэтому, хотя переменный ток периодически меняет свое направление, знак тягового усилия не будет зависеть от направления тока. Таким образом, всегда будет действовать именно сила притяжения, а не сила отталкивания. Переменный ток, протекая по обмотке реле, создает в рабочем зазоре переменный магнитный поток
(25)
Подставляя (25) в уравнение (13), получим
(26)
где
(27)
На рис. 14 показаны графики изменения тока t от времени в обмотке реле и электромагнитного тягового усилия . Якорь притягивается к сердечнику под действием среднего значения электромагнитного усилия, т. е. его постоянной составляющей , показанной на рис. 14 прямой линией. Величина определяется из уравнения (26), если заменить на :
(28) где
, (29)
а переменная составляющая изменяется с двойной частотой.
Из уравнения (29) видно, что при одинаковых конструктивных размерах реле и равных значениях максимальной магнитной индукции среднее значение электромагнитного усилия реле переменного тока вдвое меньше, чем реле постоянного тока. Дважды за период электромагнитное усилие обращается в нуль. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваясь от сердечника возвратной пружиной. Конечно, из-за массы якоря сила инерции не позволяет ему совершать колебательные движения. Периодическое изменение силы тяги появляется именно как дрожание якоря, сопровождаемое характерным гудением на частоте 100 Гц (при питании от сети промышленной частоты 50 Гц). В реле переменного тока для устранения вибрации якоря применяются специальные конструктивные меры. Следует также отметить, что наличие переменного потока в магнитопроводе реле приводит к появлению вихревых токов в стали. Эти токи нагревают сердечник, ярмо и якорь реле, на что бесполезно расходуется энергия. Для уменьшения вихревых токов и потерь энергии магнитопровод набирается из отдельных тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали, которые изолируют друг от друга, что увеличивает сопротивление на пути вихревых токов, уменьшает сечение стали на этом пути.
Рис. 14. Графики изменения тока и тягового усилия реле переменного тока
Реле постоянного тока получили большее распространение, чем реле переменного тока. Главное их преимущество — меньшие габариты и большая чувствительность. При наличии сети переменного тока можно включать реле постоянного тока через выпрямительные устройства.
Реле переменного тока имеет еще одну важную особенность по сравнению с реле постоянного тока. При питании обмотки реле от сети переменного тока сопротивление этой обмотки имеет как активную составляющую R, так и индуктивную составляющую , определяемую индуктивностью обмоткиL. При подключении обмотки реле к постоянному напряжению ток не зависит от перемещения якоря, он остается постоянным и определяется сопротивлением R.
Рассмотрим три основных способа устранения вибрации реле переменного тока: применение короткозамкнутого витка; применение многофазной обмотки; применение массивного якоря.
Наиболее часто для исключения вибрации реле переменного тока используется короткозамкнутый виток, охватывающий часть сердечника (рис. 15, а, б). В сердечнике делается щель на небольшую глубину (обычно пропиливается). В эту щель вставляется одна сторона короткозамкнутого витка, обычно представляющего собой медную штампованную прямоугольную рамку. Принцип действия короткозамкнутого витка заключается в следующем. Переменный магнитный поток Ф, созданный током в обмотке реле, проходит по сердечнику и разветвляется на две части: один поток Ф1проходит по стали, не пронизывая плоскость витка; другой поток Ф2проходит по стали, наводя в витке переменную ЭДС, как во вторичной обмотке трансформатора. Так как виток замкнут накоротко, то в нем под действием наведенной ЭДС пойдет ток, создавая магнитный поток Фк з, препятствующий изменению магнитного потока Ф2 (правило Ленца). Это приводит к отставанию по фазе потока Ф2 от потока Ф1. Следовательно, в рабочем зазоре реле переменного тока будут действовать два сдвинутых во времени потока (рис. 15, б). Поэтому электромагнитная тяговая сила ни в один из моментов времени не будет равна нулю; когда магнитный потокравен нулю, то сила создается еще не равным нулю потоком Ф2, а когда этот поток Ф2 станет равен нулю, уже потоквозрастет и обеспечит создание тяговой силы. С помощью короткозамкнутого витка удается обеспечить отставание магнитного потока Ф2 от Ф1на 60—70°. Но за счет встречно направленного потока Фкз величина Ф2 получается меньше, чем Ф1
Рис. 15. Короткозамкнутый виток в реле переменного тока
Обеспечить равенство потоков Ф2 и Ф1и сдвиг их по фазе на 90° можно с помощью двухфазного реле. Такое реле имеет два сердечника с раздельными обмотками и общий якорь. В цепь одной из обмоток включается конденсатор, обеспечивающий сдвиг по фазе токов в обмотках на 90°. При таком сдвиге фаз и равенстве магнитных потоков результирующая сила притяжения якоря будет иметь постоянное значение. При наличии трехфазной сети электромагнитный механизм реле может быть выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками (на каждом стержне — одна обмотка) и плоского якоря. Обмотки обычно соединяются звездой и включаются в трехфазную сеть. Три магнитных потока в трех рабочих зазорах будут создавать постоянное тяговое усилие на якоре. Однако точка приложения этого усилия будет перемещаться по якорю; ведь сначала якорь сильнее притягивается к крайнему стержню, потом к среднему, к другому крайнему и т. д.
Утяжеленный якорь благодаря большой инерции не может вибрировать с удвоенной частотой (2ω), так как он не успевает отходить от сердечника в те моменты времени, когда ток в обмотке реле проходит через нуль и тяговое усилие равно нулю. Однако применение утяжеленного якоря приводит к увеличению размеров реле и уменьшению чувствительности. Этот способ применяется редко, например когда исполнительный механизм, связанный с якорем реле, имеет большую инерцию.
При подключении обмотки реле к переменному напряжению ток будет изменяться в зависимости от перемещения якоря. Действительно, электромагнитный механизм реле похож на электромагнитный датчик перемещения: его индуктивность L возрастает с уменьшением воздушного зазора. Следовательно, при притягивании якоря к сердечнику индуктивное сопротивление будет возрастать, а ток — уменьшаться. Поэтому тяговое усилие реле переменного тока в отличие от реле постоянного тока мало увеличивается или вообще не увеличивается по мере уменьшения воздушного зазора.
9. Быстродействие электромагнитных реле
В 2 в числе основных параметров электромагнитных реле были отмечены параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания tcp и время отпускания tотп. Эти параметры определяются при анализе переходных процессов, происходящих при включении и отключении реле. Рассмотрим эти процессы применительно к обмотке реле постоянного тока.
Цепь обмотки реле можно представить в виде последовательного соединения активного сопротивления R и индуктивности L. Переходный процесс при включении реле можно рассматривать как известный из электротехники случай включения катушки индуктивности на постоянное напряжение (рис. 16). С момента замыкания ключа К возникает переходный процесс, в течение которого ток в обмотке реле увеличивается от нуля до некоторого установившегося значения , изменяются и напряженияuRи uL. Электрическое состояние цепи по схеме рис. 16 в любой момент переходного процесса характеризуется уравнением
(30)
Рис. 16. Переходные процессы при включении и выключении реле постоянного тока
Решение этого уравнения относительно тока имеет вид
(31)
где ; — постоянная времени цепи.
График зависимости представляет собой экспоненту (пунктирная кривая 1 на рис. 16, б). Формула (31) получена в предположении, что индуктивность L обмотки реле постоянна. В действительности в процессе движения якоря к сердечнику индуктивность L увеличивается (аналогично работе электромагнитного индуктивного датчика перемещения, рассмотренного в гл. 6). Изменение индуктивности начинается с того момента времени, когда ток в обмотке достиг значения тока трогания (). Начинающееся увеличение индуктивности приводит к увеличению постоянной времениТ= L/R. Следовательно, рост тока замедляется. Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличение противоЭДС, т. е. напряжения на индуктивности uL. Это приводит даже к уменьшению на некоторое время тока в цепи (см. сплошную кривую 2 на рис. 16, б). Как только якорь притянется к сердечнику, индуктивность обмотки перестает увеличиваться и ток снова возрастает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начальном участке, поскольку увеличилась постоянная времени.
Время срабатывания реле tcp определяется двумя составляющими (рис. 16, б): временем трогания и временем движения, т. е.
(32)
Величину времени трогания получим, подставляя в (31) значение
(33)
откуда
(34)
т. е. время трогания пропорционально постоянной времени.
Время движения зависит от механической инерционности электромагнитного механизма реле. Оно может быть определено на основании второго закона Ньютона , гдеа — ускорение, т — масса. Для уменьшения времени движения необходимо стремиться к уменьшению массы якоря. Для данного типа реле можно считать величину приблизительно постоянной. Поэтому основным фактором, влияющим на время срабатывания реле tcp, является постоянная времени Т= L/R.
Рассмотрим способы ускорения срабатывания реле постоянного тока, основанные именно на изменении длительности переходного процесса. Последовательно с обмоткой реле включается добавочное активное сопротивление (рис. 17), а напряжение питания повышается на величину, которая выбрана таким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неизменным, т. е.
Теперь постоянная времени уменьшилась и нарастание тока будет происходить по более крутой экспоненте (кривая 2 на рис. 17, б), чем без добавочного сопротивления (кривая 1 на рис. 17, б).
Еще большее ускорение срабатывания реле можно получить подключив параллельно добавочному сопротивлению конденсатор емкостью С (на рис. 17, а это включение показано пунктиром). При замыкании ключа К ток переходного процесса проходит через емкость в обход . Ведь до замыкания ключа напряжение на конденсаторе было равно нулю, а скачком оно измениться не может. Поэтому в первый момент времени все повышенное напряжение приложено именно к катушке реле. В цепи появляется значительный ток, но он не опасен для обмотки, поскольку действует короткое время. По окончании переходного процесса ток уменьшается до установившегося значения, поскольку он проходит через(через конденсатор постоянный ток не проходит). Емкость конденсатора (в мкФ) выбирается из условия
(35)
Рис. 17. Способы ускорения срабатывания реле постоянного тока
Теперь рассмотрим переходный процесс при отключении реле. При размыкании ключа К (рис. 16, а) ток в обмотке реле уменьшается от значения до нуля. Энергия, запасенная в магнитном поле обмотки реле, поддерживает некоторое время ток за счет дугового разряда между контактами ключа К. Уравнение тока переходного процесса получим, решая дифференциальное уравнение (30) при U= 0:
(36)
где Т= L/R; L — индуктивность обмотки реле при притянутом якоре.
График зависимости показан на рис. 16, в в виде экспоненты (пунктирная кривая 1). Кривая 2 показывает реальное изменение тока в обмотке реле при отключении. Всплеск тока на этой кривой объясняется изменением индуктивности обмотки при движении якоря (аналогично всплеску тока при включении реле).
Рис. 18. Схема для замедления времени срабатывания
К схемным методам замедления времени срабатывания и отпускания относится метод шунтирования обмотки реле конденсатором (рис. 18). При включении реле ток в его обмотке будет нарастать медленнее за счет процесса зарядки конденсатора. Время срабатывания может быть увеличено примерно до 1 с по сравнению с примерно 50 мс при включении без конденсатора. При отключении реле, наоборот, конденсатор будет разряжаться на обмотку реле, замедляя уменьшение в ней тока. Дополнительное сопротивление Rдоб необходимо для ограничения тока, потребляемого от источника питания.
Рис. 19. Схема включения реле с шунтируюшим диодом
Эффективным схемным методом замедления времени отпускания является включение параллельно обмотке реле диода (в непроводящем по отношению к напряжению питания направлении). В этом случае (рис. 19) ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке реле при отключении, создает ток, протекающий через обмотку и реле и удерживающий якорь некоторое время в притянутом положении. Включение диода используется и для защиты обмотки реле от пробоя под действием перенапряжений при отключении.
Замедление работы реле обеспечивается и с помощью коротко-замкнутого витка (или обмотки) на пути магнитного потока.
К конструктивным методам уменьшения временных параметров реле относятся уменьшение хода якоря, уменьшение вихревых токов за счет применения шихтованного (набранного из отдельных пластин) магнитопровода. Следует также напомнить, что реле постоянного тока являются более быстродействующими, чем реле переменного тока.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ
5 Коммутационные устройства с магнитным управлением
К коммутационным устройствам с магнитным управлением относятся электромагнитные реле и магнитоуправляемые герметичные контакты (герконы).
Электромагнитное реле это элемент РЭА, предназначенный для скачкообразного управления электрическими цепями с гальванической развязкой цепи управления и цепи исполнительных механизмов.
Геркон – это герметичный магнитоуправляемый контакт, расположенный в герметичном баллоне, заполненным инертным газом или в вакууме.
Условно-графическое обозначение реле приведено на рис.5.1.
Принцип действия электромагнитного реле заключается в подаче управляющего сигнала на катушку, которая намагничивает промежуточный передаточный орган, вызывающий срабатывание (замыкание или размыкание) контактных групп, которые включены последовательно с исполнительными механизмами. Таким образом, подача управляющего сигнала на электромагнитное реле вызывает подачу электрического напряжения на исполнительный механизм.
5.1 Классификация электромагнитных реле
Классификация электромагнитных реле осуществляется по ряду признаков.
По принципу устройств управляющих органов электромагнитные реле подразделяются на:
Нейтральные – это электромагнитные реле, работа которых не зависит от направления тока в управляющей обмотке.
Поляризованные — это электромагнитные реле, работа которых зависит от направления тока в управляющей обмотке.
По роду управляющего тока электромагнитные реле подразделяются на:
Реле постоянного тока – это электромагнитные реле, через управляющую катушку которых проходит постоянный ток.
Реле переменного тока – это электромагнитные реле, через управляющую катушку которых проходит переменный ток.
По величине потребляемой мощности
Высокочувствительные – это электромагнитные реле, мощность потребления которых не превышает 0,01 Вт.
Чувствительные – это электромагнитные реле, мощность потребления которых не превышает 0,1 Вт.
Нормальные – это электромагнитные реле, мощность потребления которых более 0,1 Вт.
По числу состояний электромагнитные реле подразделяются на:
Одностабильные – это электромагнитные реле, которые, изменив свое состояние после подачи напряжения на обмотку, возвращаются в прежнее состояние при снятии напряжения.
Двухстабильное — это электромагнитные реле, которые, изменив свое состояние после подачи напряжения на обмотку, не возвращаются в прежнее состояние при снятии напряжения.
Двухпозиционные поляризованные — это электромагнитные поляризованные реле, у которых подвижный контакт после снятия напряжения остается в безразличном состоянии.
Трехпозиционные поляризованные — это электромагнитные поляризованные реле, у которых подвижный контакт после снятия напряжения возвращается в нейтральное положение.
По величине коммутируемой мощности электромагнитные реле подразделяются на:
Маломощные – это электромагнитные реле, предназначенные для коммутации исполнительных механизмов мощностью более 60 Вт постоянного тока или 120 В·А переменного тока.
Повышенной мощности – это электромагнитные реле, предназначенные для коммутации исполнительных механизмов мощностью более 150 Вт постоянного тока или 500 В·А переменного тока.
Контакторы – это электромагнитные реле, предназначенные для коммутации исполнительных механизмов мощностью более 500 Вт.
По времени срабатывания электромагнитные реле подразделяются на:
Сверхбыстродействующие — это электромагнитные реле, время срабатывания которых менее 5 мс.
Быстродействующие — это электромагнитные реле, время срабатывания которых не более 50 мс.
Нормальные — это электромагнитные реле, время срабатывания которых не более 150 мс.
Замедленные — это электромагнитные реле, время срабатывания которых до 1000 мс.
По назначению электромагнитные реле подразделяются на:
Пусковое реле — это электромагнитные реле, которое обычно включаются с пультов управления с помощью кнопок.
Максимальное реле — это электромагнитные реле, предназначенные для отключения исполнительных механизмов при превышении напряжения или тока в цепи исполнительного механизма значения больше заданного.
Минимальное реле — это электромагнитные реле, предназначенные для отключения исполнительных механизмов при уменьшении напряжения или тока в цепи исполнительного механизма ниже заданного значения.
Реле времени — это электромагнитные реле, предназначенные для создания необходимой задержки времени, после истечения которой должно происходить включение или отключение исполнительных механизмов.
По конструкции якоря электромагнитные реле подразделяются на:
Реле клапанного типа – это электромагнитные реле, принцип действия которых основан на притягивании магнитного сердечника к катушке.
Реле соленоидного типа – это электромагнитные реле, принцип действия которых основан на втягивании магнитного сердечника внутрь катушки.
Реле поворотного типа – это электромагнитные реле, принцип действия которых основан на повороте магнитного сердечника при каждом включении катушки. Этот тип реле широко применялся для изготовления шаговых искателей, однако с введением в действие электронных средств коммутации, в настоящее время практически не используется.
Герконовые реле – это электромагнитные реле, в которых в качестве контактов используются герметичные магнитоуправляемые контакты (герконы).
По типу контактных групп электромагнитные реле подразделяются на:
Реле с нормально разомкнутыми контактами – контакты реле в выключенном состоянии разомкнуты, а во включенном состоянии замкнуты.
Реле с нормально замкнутыми контактами – контакты реле в выключенном состоянии замкнуты, а во включенном состоянии разомкнуты.
Реле с переключающимися контактами – контакты реле при срабатывании переключаются.
Реле с комбинированными контактами – реле, которые содержат в своем составе нормально замкнутые, нормально разомкнутые или переключающиеся контакты.
По числу контактных групп электромагнитные реле подразделяются на реле с одной, двумя или большим числом контактных групп.
По числуобмоток электромагнитные реле подразделяются на реле с одной, двумя или большим числом обмоток.
По степени защиты электромагнитные реле подразделяются на:
Открытые – контакты и обмотка реле не имеют корпуса.
Негерметичные – контакты реле не защищены от влияния внешней среды.
Герметичные – контакты реле защищены от влияния внешней среды.
Герконовые – реле с герметизированными магнитоуправляемыми контактами.