Устройство и принцип действия электромагнитных реле. Их преимущества и недостатки | RuAut

Реле — называется электрическое устройство, которое предназначается для осуществления коммутации различных участков электрических схем  при изменении электрических или неэлектрических входных воздействий. Впервые, термин «реле» фигурирует в тексте патента на изобретение телеграфа за авторством С. Морзе в 1837 году. А само устройство электромагнитного реле было изобретено Джозефом Генри за два года до этого в 1835 году. Интересно также, что термин «реле» произошел от английского слова «relay», которое в те времена означало действие при передаче эстафеты спортсменами или же подмену почтовых лошадей на станциях, когда они начинают уставать.

Наиболее широкое применение в схемах автоматики и системах защиты электроустановок получили электромагнитные реле, благодаря своей высокой надежности и простоте принципа действия. Электромагнитные реле подразделяются на реле переменного и постоянного тока. Последние, в свою очередь, подразделяются на поляризованные (реагируют на полярность управляющего сигнала) и нейтральные (в одинаковой степени реагируют на протекающий по его обмотке постоянный ток любой полярности).

Принцип работы электромагнитных реле основан на применении электромагнитных сил, которые возникают в металлическом сердечнике во время прохождения электрического тока по виткам его катушки. Все детали будущего реле необходимо смонтировать на основание и закрыть крышкой, после чего над сердечником электромагнита устанавливается пластина (подвижный якорь), к которой крепятся от одного до нескольких контактов. Напротив закрепленных контактов устанавливают парные им неподвижные контакты.

Поддерживать якорь в исходном положении помогает закрепленная пружина. Во время подачи напряжения на электромагнит якорь начинает притягиваться, преодолевая сопротивление пружины, при этом, в зависимости от конструкции имеющегося реле, происходит размыкание или замыкание контактов. Если отключить напряжение – благодаря пружине якорь вернется в исходное положение. Иные модели реле могут содержать в себе электронные элементы. Примерами таких реле могут послужить резистор, который подключается к обмотке катушки, чтобы реле более четко срабатывало, и конденсатор, расположенный параллельно контактам, дабы снизить вероятность появления искр и помех.

У электромагнитного реле имеется ряд преимуществ, недоступных полупроводниковым конкурентам:

• Возможность коммутации нагрузок общей мощностью не более 4 кВт в то время когда объем реле не превышает 10см3;
• Проявление устойчивости к импульсам перенапряжения и способным оказать разрушительное воздействие помехам, возникающим во время разряда молнии или по причине протекания коммутационных процессов в высоковольтном оборудовании;
• Наличие исключительной электрической изоляции, проложенной между катушкой (управляющей цепью) и группой контактов (требования последнего стандарта – 5 кВ) – недоступная мечта для большей части полупроводниковых ключей;
• Малый уровень выделения тепла замкнутых контактов вследствие малого падения напряжения: во время коммутации тока 10 А малогабаритным реле суммарно рассеивается по катушке и контактам не более 0,5 Вт, при учете что симисторным реле отдается в атмосферу не менее 15 Вт, в результате чего приходится решать вопрос по интенсивному охлаждению, а попутно усугубляется проблема парникового эффекта на нашей планете;
• В сравнении с полупроводниковыми ключами электромагнитные реле имеют более низкую стоимость.
• Кроме достоинств электромагнитные электромеханические реле имеют и свои недостатки: не высокая скорость работы, ограниченность электрического и механического ресурса, возникновение радиопомех во время замыкания и размыкания контактов, и последнее, но наиболее неприятное свойство – возникновение серьезных проблем во время коммутации высоковольтных и индуктивных нагрузок на постоянном токе.

Как правило, электромагнитные реле применяются при коммутации нагрузок при переменном токе с напряжением 220В или при постоянном токе в диапазоне напряжений 5 – 24В и токами коммутации 10 – 16 А. Стандартными нагрузками для мощных реле являются – лампы накаливания, нагреватели, обогреватели, электромагниты, маломощные электродвигатели (к примеру, сервоприводы и вентиляторы), иные активные, индуктивные и емкостные потребители электрической энергии с диапазоном мощностей 1 Вт – 3 кВт.

Рабочее напряжение и сила тока в катушке реле не должны превышать предельно допустимых значений, поскольку уменьшение этих значений значительно снизит надежность контактирования, а их увеличение приведет к перегреву катушки, тем самым снизив надежность реле при предельно допустимых значения положительной температуры. Крайне нежелательно даже кратковременное воздействие повышенного напряжения, поскольку при этом возникают в деталях магнитопровода и в контактных группах механические перенапряжения, а электрическое перенапряжение обмотки катушки может привести к пробою изоляции во время размыкания цепи.

Во время выбора режима работы реле стоит учитывать характер воздействующих нагрузок, род и значение коммутируемого тока, частоту коммутации.

Во время коммутации индуктивных и активных нагрузок самым тяжелым является процесс размыкания цепи, поскольку образовывающийся дуговой разряд становится причиной основного износа контактов.

Электромагнитное реле | Электрика в квартире, ремонт бытовых электроприборов

Автор DUNDUK На чтение 2 мин. Опубликовано 10.06.2018

Электромагнитное реле — это коммутирующее устройство, работа которого основана на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки на подвижный ферромагнитный стержень.

Электромагнитные реле, благодаря простому принципу работы и высокой надёжности, получили широкое применение в системах автоматики и в схемах защиты электроустановок.

Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока, в свою очередь, делятся на реле нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле реагируют в равной степени на постоянный ток обоих направлений, протекающий по обмотке катушки. А поляризованные реле реагируют на полярность управляющего сигнала.

Устройство электромагнитного реле

Электромагнитное реле состоит из: катушки, ферромагнитного стержня (сердечника), подвижного якоря (пластины), одного или нескольких неподвижных контактов, пружины, основания и крышки.

Используйте на своих сайтах и блогах или на YouTube кликер для adsense

Принцип действия электромагнитного реле

Работа электромагнитного реле основана на использовании электромагнитных сил, которые возникают в сердечнике при прохождении тока по виткам обмотки катушки реле.

В исходном положении подвижный якорь удерживается пружиной. При подаче напряжения на катушку реле, электромагнит (катушка + ферромагнитный стержень) притягивает якорь (пластину), преодолевая усилие пружины, который замыкает или размыкает контакты (в зависимости от конструкции реле и количества контактов). После отключения напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение.

Контакты реле, которые до подачи напряжения на катушку были разомкнуты, называются нормально разомкнутыми, а контакты, которые были замкнуты — нормально замкнутыми. Также существуют переключающие контакты, у которых одна половина — нормально замкнутый контакт, а другая — нормально разомкнутый контакт.

Плюсы электромагнитных реле

• Способность коммутации нагрузок мощностью до 4 КВт.
• Устойчивость к импульсным перенапряжениям и помехам, которые появляются при разрядах молнии и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике.
• Электрическая изоляция между управляющей цепью катушкой и контактной группой.
• Малое падение напряжения на замкнутых контактах, что сказывается на малом количестве выделяемого тепла.
• Низкая цена по сравнению с другими реле (например, полупроводниковыми).

Минусы электромагнитных реле

• Малая скорость работы.
• Проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок при постоянном токе.
• Радиопомехи при размыкании и замыкании контактов.
• Ограниченный электрический и механический ресурс.

Несмотря на то, что электромагнитное реле представляет собой относительно простое устройство, технология производства реле сложна, а правильное применение реле (обеспечивающее желаемые технические характеристики и надёжность) требует специальных знаний.

разновидности, характеристики, принцип действия, достоинства и недостатки

Главная составная часть кибернетики — процессы коммутации. Самыми ранними устройствами, способными выполнять эти процессы в электроцепях, стали магнитные реле. Благодаря стремительному развитию технического прогресса, были созданы полупроводниковые коммутаторы, которые выполняют коммутацию лучше. Однако электромагнитные реле не утрачивают популярности и сегодня. Их по-прежнему довольно часто используют в различном электрическом оборудовании.

Принцип действия

Магнитные реле обладают рядом преимуществ, наиболее значительное среди которых — особые свойства контактов.

Аппарат состоит из трех основных частей:

1. Первичный элемент. Он необходим для преобразования электросигнала в магнитную силу.
2. Промежуточный элемент, который также состоит из нескольких компонентов. Его задача — приводить в действие исполнительный механизм. Представляет собой пластину, снабженную способными перемещаться контактами и пружиной.
3. Исполнительный элемент. Именно он приводится в действие посредством промежуточного элемента. Его основная задача — передавать воздействие на силовую цепь. Обычно роль исполнительного элемента играют несколько силовых контактов.

Принцип действия электромагнитного реле очень прост, именно поэтому устройство считается весьма надежным. Без него не обходятся схемы защиты и автоматики.

Действует реле следующим образом: оно использует электромагнитные силы, которые образуются в металлическом сердечнике, когда в катушке появляется электроток. Все три основных элемента фиксируются на поверхности, которая затем закрывается крышкой, при этом якорь должен находиться над сердечником электромагнита. Напротив каждого из подвижных контактов должен располагаться неподвижный контакт. В исходном положении способная двигаться металлическая пластина удерживается пружиной.

Как только в сети появится электроток, реле постоянного тока начнет действовать, и тогда пластина устремится ему навстречу под действием силы притяжения, преодолевая силу пружины, заставляющую ее вернуться в исходную точку. В результате этого происходит размыкание либо замыкание контактов и последующее отключение питания. Пластина после прекращения действия электромагнита вернется в свою начальную позицию.

Разновидности устройств

Все существующие магнитные реле подразделяются на несколько разновидностей в зависимости от своих конструктивных особенностей, сферы применения, мощности сигнала управления, вида электротока, скорости действия управления.

По особенностям устройства реле могут быть:

1. Контактными. Они воздействуют на цепь несколькими контактами. Их замыкание или размыкание способствует обеспечению коммутации — силовая цепь либо соединяется, либо разрывается.
2. Бесконтактными. Влияют на цепь иначе. Эти
3. устройства резко изменяют ее характеристики.

По сфере использования бывают сигнализационными, защитными и предназначенными для цепей управления.

По скорости действия устройства коммутации подразделяются на четыре типа:

1. Регулируемые. При их использовании можно устанавливать любую скорость.
2. Замедленные. Они срабатывают не ранее, чем через 0,05 с.
3. Быстродействующие. Такие реле начинают действовать уже через миллисекунду.
4. Безинерционные. Устройства этого типа действуют даже до того, как истечет одна миллисекунда.

В зависимости от того, какой мощностью обладает сигнал управления, реле может принадлежать к одной из трех основных разновидностей. Мощность может быть:

• высокой, если ее значение превышает 10 Вт;
• средней при значении до 10 Вт, но при этом не менее 1 В;
• малой, значение которой измеряется в долях Ватта.

Реле может использоваться в сетях переменного или постоянного тока. Последние бывают поляризованными и нейтральными.

Основные характеристики

Магнитное устройство обладает множеством характеристик. Самые важные его параметры следующие:

1. Скорость действия. Это время, которое требуется на то, чтобы устройство сработало после подачи сигнала.
2. Мощность срабатывания. Минимум, необходимый для начала действия.
3. Управляемая мощность. Этой мощностью могут управлять контакты при коммутации.
4. Величина тока срабатывания. Этот параметр называется уставкой.
5. Ток отпускания. Это наибольшее значение тока, при котором чувствительная пластина начинает возвращаться в свою начальную точку.

Преимуществом является то, что контакты магнитного реле обладают небольшим сопротивлением, в отличие от коммутаторов, основанных на полупроводниках. Еще одно немаловажное достоинство заключается в том, что его металлические контакты способны выдерживать большие перегрузки в сети. К тому же реле может нормально выполнять свои основные функции даже при статическом электричестве. Не влияет на его работу и радиационное излучение.

Главное же достоинство электромагнитного устройства — гальваническая изоляция электросети управления и коммутации без второстепенных элементов. Ко всему вышеназванному стоит добавить еще и низкую цену.

Есть у него и некоторые недостатки. Во-первых, не очень быстро срабатывает. Во-вторых, часто выходит из строя. В-третьих, при коммутации цепи могут возникать помехи.

Область применения

Электромагнитные реле широко используются в производственной сфере и в области распределения электроэнергии. Релейная защита, установленная на подстанциях, обеспечивает безаварийный режим работы. Довольно часто такие устройства используются в современной бытовой технике — холодильниках, стиральных машинах.

Раньше эти устройства использовались в вычислительных комплексах. Здесь они играли роль логических элементов, которые выполняли несложные операции.

Несмотря на то что многие современные электронные устройства постепенно вытесняют электромагнитное реле, оно по-прежнему совершенствуется, приобретая новые возможности. Нелегко найти ему замену там, где происходят перепады напряжения при включении и отключении электрооборудования.

1. Принцип действия электромагнитных реле с поперечным движением якоря

Устройство электромагнитных реле основано на взаимодействии магнитного поля обмотки, по которой проходит ток, с подвижным стальным якорем.

Вреле РТ40 и РН50 использована одна из разновидностей электромагнитных систем, называемаясистемой с поперечным движением якоря (рис. 1). Конструкция состоит из сердечника / с двумя обмотками 2, расположенными на его верхнем и нижнем полюсах. Перед полюсами помещен жестко укрепленный на оси 10 легкий Г-образный стальной якорь 3. На оси якоря укреплены также возвратная (противодействующая) пружина 4 и изолированный от оси контактный мостик 5.Начальное положение якоря, отведенного от полюсов сердечника возвратной пружиной, ограничивается левым упором 6, конечное положение повернутого к полюсам сердечника — правым упором 7.

Рис. 1. Электромагнитная система с поперечным движением якоря, применяемая в конструкции реле РТ40 и РН50

1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — якорь; 4 — противодействующая пружина; 5 — подвижный контактный мостик; 6 — левый упор; 7 — правый упор; 8 — неподвижные размыкающие контакты; 9 — неподвижные замыкающие контакты; 10 — ось якоря.

В обесточенном состоянии мостик замыкает правую пару неподвижных размыкающих контактов 8, при перемещении якоря в сторону полюсов мостик замыкает левую пару неподвижных замыкающих контактов 9.

При прохождении по обмотке реле тока I создается магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник и якорь. Поток, пронизывая якорь, намагничивает его. На рис. 1 видно, что силовые линии выходят из верхнего (северного) полюса сердечника и входят в верхнюю часть полки Г-образного якоря и соответственно выходят из нижней части полки якоря и входят в нижний (южный) полюс сердечника. Таким образом, сердечник и якорь оказываются обращенными друг к другу разноименными полюсами. Возникающая в результате этого электромагнитная сила Fэл- притягивает якорь к полюсам сердечника.

Направление электромагнитной силы притяжения не зависит от направления тока в обмотке и якорь, притягиваясь к полюсам сердечника, будет поворачиваться вокруг оси в направлении, указанном стрелкой, независимо от того, какой ток проходит по обмотке — постоянный или переменный.

Таким образом, электромагнитные реле могут быть использованы как на постоянном, так и на переменном токе.

Электромагнитная сила, с которой якорь притягивается к сердечнику, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф:

(1)

Поток Ф и создающий его ток I находятся в следующей зависимости:

(2)

где ω — число витков обмотки; l — расстояние от якоря до сердечника или магнитное сопротивление пути, по которому замыкается Ф.

Заменив Ф в формуле (1) на его выражение (2), получим:

(3)

Электромагнитная сила образует относительно оси якоря вращающий момент:

М_эл = k₄∙l_p∙F_эл,

(4)

где k1 – k4 – коэффициенты пропорциональности; l_p = g ∙ cos α, g – радиус якоря, т.е. расстояние от оси вращения до якоря.

Из физического смысла выражений (1) – (4), следуют практические выводы.

1. Электромагнитная сила притяжения якоря F_эл возрастает с увеличением тока I, причем нарастание силы F_эл происходит прямо пропорциональна квадрату тока.

2. При неизменном значении тока I увеличение числа витков ω обмотки приводит к возрастанию, а уменьшение числа витков ω – к снижению электромагнитной силы, то есть Fэл прямо пропорциональна квадрату числа витков ω.

3. Величина электромагнитной силыFэл обратно пропорциональна квадрату расстояния l между сердечником и якорем (l – воздушный зазор). Это означает, что при увеличении воздушного зазора сила притяжения якоря уменьшается, и, наоборот, при уменьшении воздушного зазора сила притяжения возрастает. С уменьшением воздушного зазора l уменьшается магнитное сопротивление системы, увеличивается поток Ф и, следовательно, возрастает электромагнитная сила Fэл.

Принятая для реле тока и напряжения конструкция с поперечным движением якоря

Рис.2. Изменения зазора между якорем и полюсами при срабатывании реле.

l нач – длина воздушного зазора при начальном выдвижении якоря, l кон — длина воздушного зазора при конечном выдвижении якоря, Lp – плечо электромагнитного момента

имеет Г-образный профиль якоря, при котором размер воздушного зазора в различных положениях якоря изменяется сравнительно мало (рис. 2).

Под действием электромагнитного момента, якорь встанет в одной плоскости с полюсами сердечника, займет положение, соответствующее наибольшему значению потока Ф в воздушном зазоре. На рис. 2 оно отмечено углом α ≈ 90°. При этом электромагнитный момент равен нулю.

Необходимое нажатие на контакты реле должно осуществляться в определенных пределах углов поворота якоря. Эти пределы устанавливаются упорами 6 и 7.

Вращательному движению якоря, стремящегося под действием Мэл притянуться к полюсам, противодействует возвратная пружина 4 (см. рис. 1). Пружина создает противодействующий механический момент Мэл. При отсутствии тока в обмотке реле, а значит, и при отсутствии Мэл противодействующий момент имеет некоторое значение, определяемое начальной затяжкой пружины. За счет начального противодействующего момента Мпр. нач контактный мостик 5 с достаточным усилием замыкает правую пару неподвижных контактов (размыкающий контакт реле). Левый упор 6 фиксирует начальное положение якоря реле и жестко связанного с ним подвижного контактного мостика. Если теперь плавно от нуля увеличивать ток в обмотке реле, будет постепенно нарастать электромагнитный момент, по направлению противоположный моменту противодействующей пружины.

Условие, когда электромагнитный момент при увеличении тока окажется равным противодействующему механическому моменту и подвижная система реле – якорь с контактным мостиком – начнет свое, вращение в направлении полюсов сердечника, определяется равенством

Мэл = Мпр (5)

Это соответствует условию срабатывания реле.

Наименьший ток, при котором реле срабатывает, называется током срабатывания – обозначается Iс.р.

При превышенииМэл над Мпр подвижная система реле начинает движение к полюсам сердечника. Теперь к противодействующему усилию пружины прибавляется сила трения осей в подшипниках реле. По мере вращения подвижной системы в сторону полюсов сердечника механический момент пружины возрастает пропорционально углу закручивания пружины. Чтобы подвижная система при подаче в обмотку реле тока срабатывания не остановилась в промежуточном положении, электромагнитный момент должен при повороте якоря нарастать быстрее механического противодействующего момента.

Рис.3. Зависимость электромагнитного и механического моментов, воздействующих на подвижную систему реле РТ40 и РН50, от угла поворота якоря.

a – начальное положение якоря относительно магнитопровода, б – характеристики зависимости электромагнитного и механического моментов реле от угла поворота якоря.

В рассматриваемой конструкции реле преимущественное нарастание Мэл по сравнению с Мпр при движении якоря к полюсам сердечника достигается специальным согласованием момента пружины (сечение пружины, количество и диаметры витков, жёсткость стали) с электромагнитным моментом реле. Характер изменения Мэл и Мпр от угла поворота якоря показан на рис. 3. В нарастании Мэл по сравнению с Мпр существенную роль играет уменьшение воздушного зазора при движении якоря к сердечнику.

Избыточный момент

Мизб = Мэл – Мпр

(на графике – отрезки б – в или б’ – в’) должен преодолеть нарастание момента пружины, возникающее за счет ее закручивания, а также преодолеть трение в подшипниках реле. В конце хода якоря избыточный момент обеспечивает необходимое для надежного замыкания цепи давление контактного мостика на левую пару неподвижных контактов.

Возврат якоря в первоначальное положение происходит под действием противодействующей пружины. Для этого избыточный момент сводится к нулю снижением тока в обмотках. На рис. 3 условию возврата соответствует точка в или в’. При возврате снижаются оба момента – электромагнитный и противодействующий.

Снижение электромагнитного момента происходит интенсивнее по сравнению со снижением противодействующего момента.

Наибольший ток в реле, при котором подвижная система реле возвращается в исходное положение, называется током возврата Iв.

Отношение тока возврата к току срабатывания Iв / Icp называется коэффициентом возврата и обозначается kв.

Чем больше разница между током возврата и током срабатывания, тем меньше коэффициент возврата реле. Следовательно, чрезмерно большой избыточный момент, хотя и увеличивает давление на контакты, приводит к нежелательному снижению коэффициента возврата.

При этом соотношение между Мэл и Мпр должно быть таким, чтобы обеспечивалось необходимое нажатие на контакты. Пределы углов поворота якоря устанавливаются упорами.

Ответы Mail.ru: Где применяется электромагнитное реле?

везде где есть управление промышленными контролерами, называется контактор внутри электромагнитная катушка.

в цепях автоматики и управления.

релейная защита и автоматика

В цепях с низкоскоростной коммутацией. Обычно там, где имеют дело с большими токами-щитки, стабилизаторы питания и тому подобные схемы.

В быту, в промышленности, почти на всех видах транспорта.