И переменного тока. Их характеристики

Электромагнитные реле (ЭМР) являются наиболее распростра-

ненным типом реле. Принцип действия ЭМР основан на взаимодей-

ствии ферромагнитного якоря с магнитным полем обмотки, по ко-

торой протекает ток, в результате чего происходит механическое

перемещение подвижной части, связанной с контактной системой.

ЭМР выполняют следующие функции: 1) гальваническая развяз-

ка между цепью управления и цепью нагрузки реле; 2) размножение

одного управляющего сигнала на несколько выходных сигналов;

3) усиление мощности управляющего сигнала; 4) независимое одно-

временное управление несколькими выходными цепями с различны-

ми уровнями тока и напряжения; 5) разделение цепей с различными

мощностями, а также цепей переменного и постоянного тока; 6) пре-

образование и нормирование уровней электрических сигналов.

По роду входного тока различают реле постоянного тока

и реле переменного тока; реле постоянного тока, в свою очередь, под-

разделяются на нейтральные реле, работа которых не зависит от по-

лярности приложенного напряжения, и поляризованные реле, работа

которых определяется полярностью входного сигнала. По числу

о б м о т о к различают одно- и многообмоточные реле, а по ч и с л>,

к о н т а к т н ы х групп — мало- и многоконтактные реле. \

Нейтральные ЭМР постоянного тока обычно выполняются с

внешним притягивающимся якорем (рис. 10.2, а). Такое реле пред-

ставляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп,

установленных на одном основании 5. Магнитопровод электромаг-

нита состоит из ярма (корпуса) 11, сердечника 8 и якоря 6, выпол-

ненных из магнитомягкой стали. На сердечнике помещается каркас 9

с одной или несколькими обмотками 10. При протекании по обмот-

ке электрического тока якорь притягивается к сердечнику. Движение

якоря через непроводящий штифт 3 передается на одну из контактных

пружин 4, в результате чего происходит замыкание подвижного 1 и

неподвижного 2 контактов. Чтобы обеспечить возврат якоря в ис-

ходное положение после обесточивания обмоток (т. е. предупредить

залипание якоря), на якоре предусматривается штифт отлипания 7.

В исходном положении якорь удерживается контактными пружинами.

Иногда для этого дополнительно используют специальные возвратные

пружины 12.

Временная диаграмма работы реле (зависимость тока в обмотке I

от времени t) приведена на рис. 10.2, б. За счет индуктивности ка-

тушки реле ток в ней нарастает (убывает) не мгновенно, а постепен-

но. Работа реле делится на четыре этапа. Этап I — срабатывание реле.

Длительность этого этапа — время полного срабатывания tcs>, т. е. про-

межуток времени от момента подачи напряжения на катушку реле до

момента замыкания контактов (точка А). Этот промежуток склады-

вается из двух составляющих — времени трогания якоря tтр и време-

ни его движения tm. При подаче напряжения на катушку реле ток в

ней начинает возрастать, что приводит к увеличению магнитного

потока и электромагнитного притягивающего усилия. В тот момент,

когда его значение достигнет значения противодействующего меха-

нического усилия (оно создается возвратными и контактными пру-

жинами), якорь трогается с места (этому соответствует значение

тока Iтр). По мере уменьшения зазора между сердечником и движу-

щимся якорем скорость движения якоря возрастает, и в момент до-

стижения током значения тока срабатывания Iср якорь притягивается

к сердечнику, его движение прекращается (реле срабатывает). Таким

образом, время полного срабатывания tср = tw+ tm.

Этап II — работа реле (tра6 — время работы реле). После того как

реле сработает, ток в обмотке продолжает увеличиваться (участок

А—В), пока не достигнет установившегося значения tуст. Участок А—В

необходим для того, чтобы обеспечить надежное притяжение якоря

к сердечнику, исключающее вибрацию якоря при сотрясениях реле.

В процессе работы значение тока в обмотке реле остается неизмен-

ной. Отношение установившегося тока Iуст. к значению тока сраба-

тывания tср называется коэффициентом запаса реле по срабатыва-

нию К3 (т.е. этот коэффициент характеризует надежность работы

реле):

Этап III — отпускание реле. Этот период длится от момента пре-

кращения подачи напряжения на обмотку реле (точка С) до момента,

когда ток в обмотке реле уменьшится до значения Iот (точка D — пре-

кращение воздействия реле на управляемую цепь). На участке CD

также различают участок трогания якоря (Сb) и участок его движения

(bD). Отношение тока отпускания к току срабатывания называется

коэффициентом возврата:

Этап IV — покой реле. Это отрезок времени от момента размыка-

ния контактов реле (точка D) до момента поступления нового сигна-

ла на обмотку реле. При быстром следовании управляющих сигналов

друг за другом работа реле характеризуется максимальной частотой

срабатывания (количество срабатываний реле в единицу времени).

Рассмотренное ЭМР постоянного тока является нейтральным,

так как оно реагирует только на величину входного сигнала и нечув-

ствительно к его направлению (полярности). Существуют также реле,

реагирующие не только на величину, но и на полярность входного

сигнала. Такие реле называются поляризованными. В них направле-

ние тягового усилия и, следовательно, перемещение якоря и пере-

ключение контактов зависят от полярности сигнала постоянного тока,

подаваемого в обмотку реле.

Электромагнитные реле переменного тока по принципу дей-

ствия в основном аналогичны реле постоянного тока. Однако пере-

менный ток обусловливает некоторые особенности работы реле. При

синусоидальной форме кривой напряжения, подаваемого на обмотку

реле, значение намагничивающего тока / в ненасыщенной магнитной

системе

где 1т — амплитудное значение тока; ω — частота напряжения пита-

ния; t — время.

По такому же закону будет изменяться и магнитный поток в ра-

бочем зазоре. Поскольку электромагнитное тяговое усилие F3 про-

порционально квадрату тока, при синусоидальном намагничивающем

токе будем иметь

где Fm — амплитудное значение тягового усилия; Fэ = F₃ /2 и

соответственно постоянная и переменная составляющие тягового

усилия.

Таким образом, при переменном токе тяговое усилие, сохраняя

постоянное направление, изменяется (пульсирует) с частотой, равной

удвоенной частоте 2ω приложенного напряжения. Поэтому якорь

электромагнита будет вибрировать, периодически оттягиваясь от

сердечника противодействующим усилием, что делает реле нерабо-

тоспособным. Для устранения вибрации в ЭМР переменного тока

чаще всего используют короткозамкнутый виток и многофазное пи-

тание. В этих реле на якорь действуют два потока, сдвинутые по фазе

относительно друг друга, и результирующее тяговое усилие никогда

не обращается в ноль, поскольку оба потока проходят через ноль в

разные моменты времени.

В реле с короткозамкнутым витком последний охватывает одну

из двух частей разрезанного конца сердечника, обращенного к якорю

(рис. 10.3, а). Короткозамкнутую обмотку выполняют обычно из

одного или нескольких массивных витков и часто называют экраном.

Протекающий по основной обмотке переменный ток создает пере-

менный магнитный поток Ф, который разветвляется в полюсе сер-

дечника на два потока Ф, и Ф2; при этом один поток проходит через

свободную часть полюса, другой — через экранированную. Наличие

короткозамкнутой обмотки замедляет изменение магнитного потока,

создаваемого основной обмоткой. Такое тормозящее действие корот-

козамкнутой обмотки определяется законом электромагнитной ин-

дукции. Поэтому переменный поток Ф2, проходящий через часть

конца сердечника, охваченного экраном, отстает по фазе от потока

Ф,, проходящего через другую часть конца сердечника. В результате

на якорь действуют два магнитных потока, сдвинутых по фазе на угол φ

(рис. 10.3, б). Эти потоки будут создавать соответственно тяговые

усилия F э1 и Fэ2:

 

Как видно, суммарное тяговое усилие ни в какой момент времени

не обращается в ноль и, следовательно, всегда существует усилие,

удерживающее якорь от вибрации. Для полного устранения пере-

менной составляющей необходимо, чтобы Flm = F2m и фазовый угол

между потоками Ф, и Ф2составлял φ = π/2. Однако последнее условие

в этой конструкции невыполнимо, так как φ = π/2может быть толь-

ко при активном сопротивлении короткозамкнутого витка, равном

нулю. Практически достигают φ ~ 60° и при F\m ~ Fjm — Fm значение

F3l ~ F3l ~ F/2, т. е. усилие никогда не становится меньше половины

постоянной составляющей. Двухфазное реле имеет магнитопровод

из двух отдельных стержней с самостоятельными обмотками и один

общий якорь. По обмоткам протекают токи I1 и I2, сдвинутые по

фазе относительно друг друга за счет включения в одну из обмоток

фазосдвигающего элемента — емкости. Якорь находится под дей-

ствием тяговых усилий, создаваемых магнитными потоками Ф, и Ф2

обоих стержней. Суммарное тяговое усилие определяется выраже-

нием (10.6). Если бы угол сдвига фаз между потоками Ф, и Ф2 со-

ставлял φ = π/2, а создаваемые потоками тяговые усилия были

равны по амплитуде (Flm = F2m = Fm), то суммарное тяговое усилие

было бы постоянным:

Однако из-за наличия у емкости активного сопротивления полу-

чить такой сдвиг фаз нельзя, и в реальных реле он составляет 60... 80°,

поэтому тяговое усилие непостоянно.

Важнейшим элементом любого реле являются его контакты. Имен-

но они определяют его надежность и срок службы. По выполняемой

функции контакты делятся на з а м ы к а ю щ и е (при отсутствии

сигнала в обмотке реле они разомкнуты, а при его появлении замы-

каются), р а з м ы к а ю щ и е (при отсутствии сигнала они замкнуты,

а при появлении — размыкаются) и п е р е к л ю ч а ю щ и е (при от-

сутствии сигнала подвижный контакт замкнут с одним из неподвиж-

ных контактов, а при его появлении замыкается с другим неподвиж-

ным контактом). Условные обозначения обмотки реле и контактов

на принципиальных электрических схемах приведены на рис. 10.4.

Для обозначения на схемах принадлежности каждого контакта ис-

пользуется специальное двойное обозначение: вначале указывается

номер реле, а затем, через точку, — номер контакта. Например, обо-

значение К3.2 относится ко второму контакту третьего реле.

В простейшем случае контакты реле образуют контактную пару, в

которой один из контактов является подвижным, а другой — непо-

движным. В замкнутом состоянии рабочие поверхности контактов

прижимаются друг к другу с некоторым контактным усилием FK,

обеспечиваемым контактными пружинами, на которых крепятся

контакты. В зависимости от формы контактных тел, обусловливаю-

щей характер соприкосновения рабочих поверхностей контактов,

различают точечные, линейные и плоскостные контакты. Точечные

контакты, обеспечивающие соприкосновение рабочих поверхностей

контактов в точке, выполняются в виде конуса и плоскости, полусфе-

ры и плоскости, двух полусфер и применяются в цепях с небольши-

ми токами (не выше 2... 3 А). Линейные контакты, обеспечивающие

соприкосновение рабочих поверхностей контактов по линии, вы-

полняются в виде клиновидных и цилиндрических тел, при этом один

из контактов может быть плоским. Линейные контакты обычно при-

меняются в цепях с токами порядка единиц и десятков ампер.

Плоскостные контакты, обеспечивающие соприкосновение рабочих

поверхностей контактов по плоскости, используются в цепях повы-

шенной и большой мощности с токами порядка десятков и сотен

ампер.

В процессе работы реле контакты могут находиться в одном из

двух состояний: разомкнутом и замкнутом. Наиболее тяжелыми

условиями работы контактов являются замкнутое состояние, когда

через них течет полный ток нагрузки, и процесс размыкания, когда

на них выделяется вся запасенная в нагрузке (за счет ЭДС самоин-

дукции в управляемой цепи) энергия, что часто приводит к образо-

ванию электрической дуги. Если управляемая цепь содержит емкость,

то при замыкании контактов может возникнуть интенсивное искре-

ние. Оба эти явления приводят к разрушению контактов и сокраще-

нию срока их службы, поэтому на практике для искро- и дугогашения

используются специальные методы, например шунтирование индук-

тивности разрываемой цепи или шунтирование контактов. В обоих

случаях запасенная в индуктивности энергия при размыкании кон-

тактов выделяется на сопротивлении шунта и дуга не образуется.

Контакты реле, предназначенные для работы при небольших то-

ках, выполняются из драгоценных металлов (серебра, платины, зо-

лота, палладия) и их сплавов, а при сравнительно больших токах — из

вольфрама и его сплава с молибденом, сплава платины с иридием и

некоторых других. Мощные реле, размыкающие цепи с большими

токами, имеют контакты из графита и металлокерамики.

Магнитоуправляемые контакты

(герконы)

В рассмотренных выше реле коммутация цепи осуществлялась за

счет механического перемещения якоря (они называются якорными).

В последнее время все большее применение находят безъякорные

реле, в которых для коммутации используется магнитное поле по-

стоянного магнита или дополнительной обмотки, воздействующей

на герметизированный контакт (геркон). Они называются магни-

тоуправляемыми контактами (МУК).

В обычных ЭМР наиболее ненадежным элементом является кон-

такт, подвергающийся различным воздействиям среды — окислению,

запыленности, влажности, вызывающей коррозию, и др. Гермети-

зация контактов от воздействия внешней среды значительно повы-

шает надежность реле, его взрыво- и пожаробезопасность. Герконы,

совмещающие в себе ряд преимуществ обычных (механических)

контактов и полупроводниковых переключателей, занимают по

своим характеристикам промежуточное положение между ними. Они

применяются в концевых выключателях, шаговых переключателях и

искателях, датчиках положений и перемещений и т. п. Геркон (рис. 10.5)

состоит из миниатюрного стеклянного баллона 1 с впаянными вну-

три него двумя электродами 2 из ферромагнитного материала (пер-

маллоя), выполняющими одновременно роль контактных пружин и

магнитопровода. На концы пружин наносят слой из хорошо прово-

дящего материала (серебра, золота, родия) толщиной 2... 10 мкм,

образующий контакты 3. Токоотводами 4 являются наружные кон-

цы электродов 2. Если геркон поместить в магнитное поле, создан-

ное постоянным магнитом или током в обмотке, то в воздушном

промежутке между контактами возникнет электромагнитное уси-

лие F3. Когда оно окажется больше противодействующих сил, соз-

данных упругостью электродов, контакты замкнутся,

j Герконы бывают вакуумные и газонаполненные. В вакуумных

герконах давление в баллоне составляет 10^-5... 10^-6 мм рт. ст. Они

позволяют коммутировать цепи с напряжением до 5 ООО В. Газона-

полненные герконы содержат внутри баллона инертный газ (азот,

аргон). При наполнении баллона водородом при значительных

токовых нагрузках коммутируемое напряжение можно повысить до

400...600 В. Выполнение контактов из благородных металлов сни-

жает контактное давление, что, в свою очередь, способствует мало-

му износу контактов при большом числе их переключений; этим

обеспечивается высокая надежность герконов. Герконы могут без-

отказно работать, допуская до 108 срабатываний при коммутируе-

мой мощности 6 Вт. Время срабатывания составляет 0,5... 1 мс,

время отпускания 0,3... 0,5 мс. К достоинствам МУК следует также

отнести незначительную себестоимость, что объясняется малым

количеством деталей.

Герконы также могут работать (в одном баллоне) на замыкание,

размыкание и переключение.