4. Индукционные реле

Принцип действия индукционного реле основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками.

Индукционное реле (рис. 3) состоит из двух неподвижных электромагнитов 1 и 2, по обмоткам которых протекают соответственно переменные токи I₁и I₂. В воздушном зазоре электромагнитов установлен алюминиевый или медный диск 3, который может поворачиваться относительно оси 4. Переменные магнитные потоки, создаваемые электромагнитами 1 и 2, индуцируют ЭДС в диске 3, под действием которых в диске создаются вихревые токи (так же, как в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя).

Для того чтобы взаимодействие магнитных потоков с вызванными ими же токами привело к созданию вращающего момента, необходимо наличие сдвига по фазе токов I₁и I

2. Только в этом случае в зазоре индукционного реле будет создано вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как это происходит в двухфазном асинхронном двигателе. При сдвиге фаз между токами I₁и I₂ в 90° сила взаимодействия магнитного потока электромагнита 1 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 2, будет всегда совпадать по направлению с силой взаимодействия магнитного потока электромагнита 2 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 1. При совпадении токов I₁и I₂ по фазе в среднем за период результирующая сила будет равна нулю.

Вращающий момент, приложенный к диску, определяется так:

(8)

где К — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных и обмоточных данных реле;— фазовый сдвиг между I₁и I₂

Рис. 3. Индукционное реле

Этот вращающий момент, преодолевая сопротивление пружины 4, поворачивает диск до тех пор, пока не замкнутся контакты 5.

Поскольку индукционное реле реагирует на фазу, его (как и электродинамическое) можно применять в качестве реле фазы. Малая инерция подвижной части позволяет использовать такие реле как быстродействующие в схемах автоматической защиты и блокировки. Особенно они распространены в автоматике на железных дорогах. Они могут использоваться в качестве реле тока, напряжения, мощности, частоты, фазы, сопротивления. Достоинством их является то, что они не требуют подвода тока к подвижной части. Чувствительность индукционных реле невелика, для их срабатывания требуется мощность не менее 0,5 Вт.

Рассмотрим также применение индукционного реле в качестве реле скорости (рис. 4). Входной вал 5 реле связан с механизмом, скорость которого требуется контролировать. На валу 5 установлен цилиндрический постоянный магнит

4. При вращении поле магнита пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 3 поворотного статора 6. В обмотке 3 наводится ЭДС, значение которой пропорционально скорости вращения входного вала 5. Под действием этой ЭДС по обмотке 3 проходит ток, сила взаимодействия которого с вращающимся полем магнита 4 стремится повернуть статор 6 в направлении вращения. При определенной скорости вращения сила возрастает настолько, что упор 2, преодолевая противодействие плоской пружины, переключает контакты реле. В зависимости от направления вращения переключается контактный узел 1 или 7. Точность работы индукционного реле скорости невелика. В точных системах контроля скорости необходимо использование более сложной схемы, включающей в себя индукционный датчик скорости и высокочувствительное поляризованное реле.

Рис. 4. Индукционное реле скорости

Индукционное реле | Электротехника

Индукционные реле основаны на взаимодействии между индуцированным в каком-то проводнике током и переменным магнитным потоком. Поэтому они применяются только на переменном токе как реле защиты энергосистем. Как правило, это вторичные реле косвенного действия.

Существующие типы индукционных реле можно разделить на три группы: 1) реле с рамкой; 2) реле с диском; 3) реле со стаканом.

В индукционных реле с рамкой (рис. 6.5, а) один из потоков (F₂) инду­цирует ток в короткозамкнутой обмотке, помещенной в виде рамки в поле второго потока (Ф₁), сдвинутого по фазе. Реле имеют высокую чувствитель­ность и наибольшее быстродействие по сравнению с другими индукционными реле. Недостатком их является малый вращающий момент.

Индукционные реле с диском широко распространены. Схема простейшего реле такого типа (с короткозамкнутым витком

К и диском) приведена на рис. 6.5, б. Реле имеют сравнительно простую конструкцию и достаточно большой вращающий момент.

Недостатком является замедленное действие вследствие большой инерции подвижной части.

Индукционные реле со стаканом (рис. 6.5, в) имеют подвижную часть в виде стакана, вращающегося в магнитном поле двух потоков четырехполюс­ной магнитной системы. Потоки Ф₁, и Ф₂ расположены в пространстве под углом 90°, а по времени сдвинуты на угол g.

Внутри стакана 5 проходит стальной цилиндр 1 для уменьшения магнитного сопротивления. Реле со ста­каном сложнее реле с диском, но позволяет получить время срабатывания до 0,02 с. Это существенное достоинство обеспечило им широкое применение.

Четырехполюсная магнитная система позволяет без существенных изменений полу­чать разнообразные по назначению реле и унифицировать их производство. Например, если на полюсах 11 и 13 разместить токовые катушки 9, а на ярме разместить катушки напряжения 7, то они создадут соответственно потоки Ф₁, и Ф₂

, пропорцио­нальные току и напряжению. Взаимодействие этих потоков с индуцированными в ста­кане 5 токами создаст в последнем вращающий момент  M = k₁F₁F₂sin g = k₂IUcos j, т. е. получим реле мощности.

В той же конструкции можно получить реле частоты, если на полюсах 11 и 13 расположить катушки напряжения 9 и соединить их последовательно с резистором, а катушки

7 соединить последовательно с конденсатором. Если оба контура (индук­тивно-активный и индуктивно-емкостный) подключить на одно напряжение, то созда­ваемый в стакане 5 момент будет равен  M = k₃fF₁F₂sin g, где f – частота тока.

Индуктивности катушек, емкость и сопротивление подбираются так, что при задан­ной уставке по частоте потоки совпадают по фазе, т. е. угол равен нулю. При изменении частоты потоки не совпадут по фазе, а знак угла их сдвига будет зависеть от    характера изменения частоты. При повышении или понижении частоты происходят  поворот стакана в ту или иную сторону и замыкание (размыкание) тех или иных      контактов.

Аналогично различными комбинациями катушек на сердечниках можно  получить и другие реле по назначению.

Реле индукционного типа — Реле с экранированным полюсом, счетчиком ватт-часов и индукционным стаканом мотор. Развиваемая рабочая сила будет обусловлена ​​взаимодействием смещенных во времени и пространстве потоков в роторе (подвижном элементе). Реле в основном используются для защиты линий и аппаратуры. Индукционные реле подразделяются на два типа следующим образом:

• Индукционное дисковое реле,
• Индукционное реле.

Индукционное дисковое реле:

Принцип работы индукционного дискового реле:

Индукционное дисковое реле работает по принципу электромагнитной индукции, подобно асинхронному двигателю. Момент, создаваемый в этих реле, возникает при взаимодействии переменного потока с одним из магнитов и вихревых токов, индуцируемых в роторе (диске) с другим переменным потоком.

Частота обоих потоков одинакова, но между ними будет фазовая задержка. Таким образом, эти реле работают только в цепях переменного тока. В этом реле подвижным элементом является диск, на котором закреплен подвижный контакт реле.

Конструкция индукционного дискового реле:

Ниже показана конструкция индукционного дискового реле. Он состоит из вращающегося диска, установленного на валу, расположенного между двумя электромагнитами. Катушки электромагнита питаются рабочим током, в который включено реле защиты.

При возникновении неисправности в системе катушки возбуждаются и создают магнитное поле. Это магнитное поле вызовет вихревые токи в диске, и эти вихревые токи создадут собственное магнитное поле.

Магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, при взаимодействии с магнитным полем, создаваемым катушкой, приводит к возникновению крутящего момента на диске. Это заставляет диск вращаться и приближает подвижный контакт к неподвижному контакту, что замыкает цепь отключения.

Когда ток короткого замыкания падает ниже значения срабатывания, пружина сопротивляется движению диска из-за своей сдерживающей силы и размыкает цепь отключения, отодвигая подвижный контакт от неподвижного контакта. Время замыкания контакта зависит от расстояния перемещения контакта, которое задается временной задержкой.

Индукционные дисковые реле бывают двух типов. Это:

• Индукционное реле с экранированными полюсами,
• Индукционное реле типа ваттметра.

Индукционное реле с экранированными полюсами:

Ниже показана конструкция индукционного дискового реле с экранированными полюсами. При этом основной поток разделяется на два смещенных во времени и пространстве потока с помощью затеняющего кольца.

Экранирующее кольцо или катушка изготовлены из меди (Cu) и охватывают часть поверхности каждого полюса на воздушном зазоре. Таким образом, возникают два знакопеременных потока, смещенных во времени и пространстве. Поток в воздушном зазоре заштрихованных полюсов отстает от потока незатененных полюсов.

Следовательно, крутящий момент создается взаимодействием одного потока с вихревым током, создаваемым другим потоком. Этот результирующий крутящий момент вращает диск, который, в свою очередь, приводит в действие установленный на нем контакт реле. Постоянный магнит обеспечивает торможение вихревыми токами в диске.

Индукционное реле типа ваттметра :

Конструкция этого типа реле аналогична ваттметру, который измеряет электрическую мощность, протекающую по цепи. Он состоит из двух электромагнитов и диска, который может свободно вращаться между двумя электромагнитами.

Верхний электромагнит имеет Е-образную форму, а нижний электромагнит имеет U-образную форму. Верхний электромагнит несет две обмотки (первичную и вторичную) на центральном стержне. В то время как нижний магнит состоит из вторичной обмотки, как показано ниже.

Две обмотки создают переменный поток, когда они находятся под напряжением. Пусть потоки равны Ф ₁ и Ф ₂ соответственно. Фазовый угол θ между потоками можно регулировать, используя реактивное сопротивление параллельно вторичной обмотке. Результирующий вращающий момент, создаваемый взаимодействием потока одного из магнитов с вихревыми токами другого в диске, пропорционален Φ ₁ Φ ₂ sinθ.

Преимущества индукционных дисковых реле:

• Индукционные дисковые реле имеют прочную конструкцию.
• Работой индукционного дискового реле можно легко управлять в ненормальных условиях, просто разомкнув вторичную обмотку.
• С помощью индукционных дисковых реле можно легко получить настройки тока и времени.
• Индукционные реле дискового типа надежны и точны.
• Могут использоваться для защиты от перегрузки по току.

Применение индукционных дисковых реле:

• Индукционные дисковые реле используются там, где необходимы надежность и надежность.
• Эти типы реле находят широкое применение там, где требуются низкоскоростные реле.
• Индукционные реле дискового типа используются там, где требуется регулируемое время срабатывания и функция задержки времени.
• Этот тип реле используется там, где требуется высокий коэффициент возврата к срабатыванию.

Реле индукционной чашки:

Конструкция индукционного реле аналогична асинхронному двигателю. Ниже показана конструкция индукционного реле. Индукционное реле состоит из следующих частей:

• Неподвижный железный сердечник (статор),
• Полая цилиндрическая чашка (ротор),
• Электромагнит и
• Катушки.

Неподвижный железный сердечник действует как статор, состоящий из двух, четырех или более полюсов. В настоящее время он строится на 4 и более полюсов. Полая цилиндрическая чашка действует как ротор, подобно диску в двух других реле. Он может свободно вращаться в воздушном зазоре между электромагнитами и неподвижным железным сердечником.

Электромагниты создают магнитное поле. Он состоит из двух пар катушек, когда на эти катушки подается напряжение, в катушках возникает поток. Эти потоки будут иметь одинаковую частоту, но смещены друг от друга на угол α. Затем эти катушки возбуждают железный сердечник, создавая вращающийся поток в воздушном зазоре.

Благодаря этим потокам в роторе циркулируют вихревые токи. Таким образом, возникает сила, действующая на ротор. Итак, полая чашка вращается в направлении магнитного поля между магнитами и неподвижным железным сердечником как ротор асинхронного двигателя.

Замыкает фиксированные контакты цепи отключения и отправляет сигнал отключения на выключатель для размыкания цепи. К шпинделю чашки прикреплена пружинная блокировка, предотвращающая постоянное вращение ротора.

Преимущества индукционных реле перед дисковыми индукционными реле:

• В индукционных реле инерция чашки намного меньше, чем у диска в индукционных дисковых реле.
• Конструкции индукционных чашек имеют очень высокое отношение крутящего момента к весу и поэтому очень чувствительны.
• Они очень быстро работают благодаря легкому ротору (время работы менее 0,10 секунды) и поэтому подходят для работы на высоких скоростях.
• Утечка в магнитопроводе минимальна в реле с индукционной чашкой благодаря более эффективной магнитной системе. Это также снижает сопротивление пути индуцированного тока в роторе.
• Благодаря эффективной магнитной системе и легкому ротору нагрузка в вольт-амперах (ВА) в реле с индукционной чашкой значительно снижена. Крутящий момент на ВА примерно в три раза больше, чем у индукционных дисковых реле.
• Реле с индукционными чашками могут иметь линейные характеристики при соответствующей конструкции. Их можно заставить работать точно в широком диапазоне с высоким коэффициентом возврата к значению срабатывания.
• Создают постоянный крутящий момент без вибрации.
• Паразитный крутящий момент, обусловленный только током или напряжением, в реле с индукционной чашкой мал.
• Они по своей природе менее чувствительны к переходным процессам постоянного тока.
• Эти реле лучше всего подходят для защиты, когда нормальные ненормальные условия отличаются незначительно.

Типы асинхронных реле и вычисление уравнения крутящего момента

             Реле индукционного типа также называют реле величины . Эти реле работают по принципу асинхронного двигателя или счетчика энергии. разрешено вращаться между двумя электромагнитами. Катушки электромагнитов возбуждаются с помощью переменного тока.

      

           Вращающий момент производится в Индукционные реле за счет взаимодействия одного переменного потока с вихревыми токами, индуцируемыми в роторе другим переменным потоком. Два потока имеют одинаковую частоту, но смещены во времени и пространстве. Поскольку взаимодействие переменных потоков является основой работы

индукционных реле , они не используются для постоянного тока. количества. Они широко используются для релейной защиты, включающей только переменный ток. количества.

Типы индукционных реле:

        В зависимости от конструкции различают Типы индукционных реле :

1) Реле с затененным полюсом

2) Ватт-часы реле

3) Индукционная чашка

Перед исследованием. выведите уравнение крутящего момента для реле индукционного типа , которое одинаково для всех трех типов индукционных реле .

Необходимо прочитать:

• Ненаправленное индукционное реле максимального тока

Уравнение крутящего момента для реле индукционного типа:

         Как упоминалось ранее, переменные токи, подаваемые на два электромагнита, создают два переменных потока φ1 и φ2. Эти два потока имеют одинаковую частоту, но между ними есть разность фаз α, так что φ2 ведет φ1. Таким образом, два потока могут быть математически выражены как

φ1 = φ1m sin ωt

φ2 = φ2m sin (ωt+α)

Эти чередующиеся потоки вызывают индуцированные e. m.f.s в роторе. Из-за индуцированной ЭДС в диске циркулируют вихревые токи i1 и i2. Два вихревых тока реагируют друг с другом, создавая силу, действующую на ротор.

           На рисунке выше показано, как силы возникают в сечении ротора из-за переменных потоков. Момент, рассматриваемый для демонстрации различных величин, — это когда оба потока направлены вниз и увеличиваются по величине. Индуцированные вихревые токи отстают позади соответствующих потоков на 90⁰.

Предположение: Части ротора, в которых протекают токи ротора, имеют пренебрежимо малую собственную индуктивность и, следовательно, токи ротора находятся в фазе с соответствующими индуктированными напряжениями. Индуцированные напряжения пропорциональны скорости изменения потоков и, следовательно, вихревые токи также пропорциональны скорости изменения потоков. Следовательно, мы можем написать:

Силы возникают из-за взаимодействия φ1 с i2 и φ2 с i1.

                                                 

∴ F1 ∝ φ1 I2

и F2 ∝ φ2 I1

Направления F1 и F2 могут быть получены по правилу Flemings. и, следовательно, результирующая сила, действующая на диск, пропорциональна разнице между двумя силами.

                                           ∴      F  ∝  F2 – F1

∴ F ∝ φ2 I1 — φ1 i2

, заменяя пропорциональные выражения φ1, φ2, i1, i2 в вышеуказанном уравнении, которое мы получаем,

Приведенное выше уравнение дает чистую силу, действуя на диск, который пропорционален к грех ∝.

заменить значения R.M.S потоков вместо максимальных значений, которые мы получаем,

F φ1 φ2 sin ∝

Важно отметить, что чистая сила или крутящий момент, действующие на диск в каждом мгновении. Индукционное реле при таком усилии не испытывает вибраций.

         Из приведенного выше уравнения видно, что если ∝ равно нулю, то результирующая сила равна нулю, и диск не может вращаться. Следовательно, должна существовать разность фаз между двумя потоками. Крутящий момент максимален, когда разность фаз ∝ равна 90° .

        Направление чистой силы, которая определяет направление вращения диска, зависит от того, какой поток опережает другой. На практике используются различные конструкции для создания фазового смещения между двумя потоками.

Индукционное реле с экранированным полюсом:

          Конструкция индукционного реле с экранированным полюсом показана на рисунке ниже.

           Состоит из алюминиевого диска, который может свободно вращаться в воздушном зазоре электромагнита. Часть полюсной поверхности каждого полюса затенена с помощью медной ленты или кольца. Это называется затеняющим кольцом. поток φ, создаваемый переменным током, разделенным на два потока, смещенных во времени и пространстве из-за затеняющего кольца.

           Из-за переменного потока в затеняющем кольце индуцируется ЭДС. Эта ЭДС управляет токами, в результате чего поток существует в затененной части. Этот поток отстает от потока в незатененной части на угол ∝.

Пусть φs = поток в заштрихованной части

φu = поток в нестандированной части

es = e.m.f. индуцируется в диске под действием φs индуцируется в диске за счет φu

является = индуцированный ток из -за ES

IU = индуцированный ток из -за EU

EU отстает от φu на 90 °, в то время как ES отстает от φs на 90 °. Ток отстает от малого угла β, в то время как IU отстает ЕС. малый угол β. Этим углом обычно пренебрегают, и на практике предполагается, что Is и Iu находятся в фазе с Es и Eu соответственно. Векторная диаграмма показана на рисунке ниже.

           Как показано в предыдущем разделе, пренебрегая Им, получаем, 

t ∝ φs φu sin ∝ (где t = крутящий момент)

Предполагая, что потоки φs и φu пропорциональны току I в реле, мы можем написать,

T ∝ Sin ∝

∴. T = kI²                       ( k = константа)

           Поскольку sin ∝ является постоянным для данной конструкции. Таким образом, крутящий момент пропорционален Aare тока через катушку.

Индукционное реле типа ваттметра:

             Конструкция индукционного реле типа ваттметра аналогична широко используемому повсеместно ваттметру. Таким образом, реле имеет двойную структуру обмотки. Устройство показано на рисунке ниже.

             Он состоит из двух магнитов, одного E-образного магнита и другого U-образного магнита. Диск может свободно вращаться между этими двумя магнитами. Верхний E-образный магнит несет как первичную обмотку, которая является катушкой реле, так и вторичную обмотку. По первичной обмотке протекает ток реле I1, который создает поток φ1. ЭДС индуцируется во вторичной обмотке из-за этого потока. Это вызывает ток I2 через вторичную обмотку.

            Благодаря этому току I2 в нижнем магните создается поток φ2. Этот поток отстает от основного потока φ1 на угол ∝. Благодаря взаимодействию этих двух потоков на диск действует крутящий момент, и диск вращается.

Предполагая, что весь поток φ1 попадает в диск из верхнего магнита и всего потока φ2, поступает в диск из нижнего магнита, мы можем написать,

T ∝ φ1 φ2 SIN ∝

В Индукционный тип WatThour Meter RELAY , ответвление может быть обеспечено на первичной обмотке. С помощью этого можно выбрать подходящее количество первичных витков и, следовательно, можно отрегулировать уставку тока. Большинство индукционных реле относятся к этому типу.

        Важной особенностью индукционного реле типа ваттметра является то, что его работой можно управлять, размыкая или замыкая вторичную обмотку. Таким образом, реле может быть приведено в нерабочее состояние, разомкнув вторичную обмотку.

Индукционное реле:

       Конструкция индукционного реле очень похожа на асинхронный двигатель, как показано на рисунке ниже.

       

                 Статор состоит из двух, четырех или более полюсов. На них подается питание от катушек реле. На рисунке ниже показана 4-полюсная конструкция и две пары катушек. Катушки 1 и 1′ соединены, а катушки 2 и 2′ соединены так, что образуют две пары катушек. Ротор представляет собой полый цилиндрический чашеобразный тип конструкции. По сравнению с асинхронным двигателем разница в том, что в Реле индукционного стакана сердечник ротора неподвижен, и только часть проводника ротора может свободно вращаться вокруг своей оси.

         Токи и соответствующие потоки, создаваемые двумя парами катушек, смещены друг относительно друга на угол ∝. Таким образом, результирующий поток в воздушном зазоре является вращающимся. Таким образом, вращающееся магнитное поле создается двумя парами катушек. За счет этого в роторе чашечного типа индуцируются вихревые токи.

          Эти токи создают поток. Взаимодействие двух потоков создает крутящий момент, и ротор вращается в том же направлении, что и вращающееся магнитное поле. Управляющая пружина и обратный упор на рычаге, прикрепленном к шпинделю чашки, предотвращают непрерывное вращение 9.0005

.

         Реле индукционного стакана  очень быстро работает. Время срабатывания порядка 10 миллисекунд возможно для этого типа. Это связано с тем, что ротор легкий и имеет очень низкий момент инерции (индукционная петля). Конструкция индукционной чашки может использоваться для реле с двумя или одним количеством.

        Реле с одной величиной означает, что обе катушки питаются от одной и той же управляющей величины с фиксированным фазовым сдвигом между ними.