Принцип действия реле, отличие реле тока от реле напряжения, конструкции реле ЭТ, ЭН, РТ и РН

Принцип действия реле

Все серии реле ЭТ, РТ и ЭН, РН являются электромагнитными, принцип работы которых основан на взаимодействии магнитного потока, создаваемого управляющим током, протекающим по обмотке, с подвижным якорем.

На рис. 22 дан общий вид электромагнитных систем реле серий ЭТ-520 и ЭН-500 (рис. 22, а). Как видно из рисунка, они отличаются отвыпускаемых в настоящее время серий РТ и РН (рис. 22, б) формой магнитопровода 1 и расположением поворотного якоря 2 относительно магнитной системы. Реле включает в себя: спиральную противодействующую пружину 3, закрепленный на якоре подвижной контактный мостик 4, неподвижные контакты 5 и упоры 6.

Если обмотки реле обесточены, спиральная пружина прижимает подвижной контактный мостик к одной паре неподвижных размыкающих контактов. В этом положении якорь фиксируется упором.

При прохождении по обмотке реле тока 1создается магнитный поток Ф, который замыкается через сердечник, якорь и воздушные зазоры, образованные между телом магнитопровода и якорем. В результате сердечник и намагниченный якорь оказываются обращенными друг к другу разноименными полюсами, возникает электромагнитная сила F_эл, которая притягивает якорь к полюсам сердечника. Причем при изменении направления тока изменится полярность, как якоря, так и сердечника, и направление электромагнитной силы притяжения останется прежним. Это позволяет работать электромагнитным реле как на постоянном, так и на переменном токе.

Под действием F_эл якорь начнет вращаться вокруг своей оси, т.е. возникает вращающий момент

(1)

Электромагнитная сила F_эл пропорциональна квадрату магнитного потока Ф

Рис. 22. Общий вид электромагнитных систем реле

а - серий ЭТ-520 и ЭН-500; б - серий РТ-40 и РН-50;

1 - магнитопровод, 2 - поворотный якорь, 3 - спиральная противодействующая пружина, 4 - подвижной контактный мостик, 5 - неподвижные контакты, 6 – упоры

(2)

Магнитный поток зависит от тока I и числа витков обмотки n

(3)

где l - воздушный зазор между якорем и магнитопроводом.

Подставляя в формулу (1) выражения (2) и (3), получим

(4

где к ₁, к ₂, к ₃, к ₄ - коэффициенты пропорциональности.

Из выражения (4) видно, что при увеличении тока или числа витков обмоток значение М_эл возрастает в квадрате.

Увеличение воздушного зазора, наоборот, уменьшает значение в квадрате.

Такое сильное влияние величины воздушного зазора неблагоприятно сказывается на некоторых характеристиках реле, оно объясняется тем, что сталь сердечника и якоря обладает в сотни раз меньшим сопротивлением магнитному потоку, чем воздух. Г-образный профиль якоря позволяет уменьшить колебания величины воздушного зазора в различных положениях якоря.

Коэффициент пропорциональности к ₄зависит от угла поворота a (см. рис. 10) якоря относительно его горизонтального положения. При a = 90° плечо силы F_эл равно нулю, соответственно электромагнитный момент М_эл также равен нулю.

Вращательному движению якоря под действием М_эл противодействует момент механический М_мех. Он создается спиральной пружиной, силами трения в подпятниках оси, а также массой подвижной системы.

Механический момент, создаваемый пружиной, прямо пропорционален углу поворота якоря, а момент, создаваемый массой и силами трения подвижной системы, можно практически считать постоянным и незначительным по величине.

Подвижная система реле начнет свое вращение при условии

Мэл > Ммех.

Такое состояние реле, при котором происходит переход якоря из начального (спокойного) состояния в конечное (полное притяжение), а также замыкания замыкающих, размыкание размыкающих контактов называется срабатыванием реле.

Этому состоянию соответствует ток или напряжение срабатывания - минимальное значение тока или напряжения, подаваемого в обмотку, при котором происходит срабатывание реле.

При движении якоря угол закручивания спиральной пружины изменяется и механический момент противодействия увеличивается. Для того, чтобы подвижная система не остановилась в промежуточном положении, значение М_эл должно нарастать быстрее М_мех, т.е. должен существовать избыточный момент

D М = Мэл - Ммех.

(5)

Диаграмма М_эл и М_мех приизменении угла поворота якоря приведена на рис. 10.

В точках 1 и 1' М_эл = M_мex (D M = 0 ), а в точках 2 и 2' М_эл имеет максимальное значение и избыточный момент D M также имеет максимальное значение.

При приближении к углу поворота a= 90° М_эл резко уменьшается и становится равным нулю.

Избыточный момент обеспечивает надежное нажатие подвижной системы на контакты.

Предельные изменения углов поворота якоря устанавливаются упорами. Возврат якоря в первоначальное положение (точки 1/1') происходит под действием М_мех, причем для этого нужно, чтобы избыточный момент был равен нулю. Осуществляется это путем снижения тока в обмотках (точки 3/3', рис. 10, в)

Мэл ≤ Ммех.

(6)

Ток (напряжение) возврата I_в - ток (напряжение) в обмотке реле, при котором происходит возврат реле.

Из рис. 10, в также видно, что коэффициент возврата реле определяется соотношением М_эл и М_мех приконечном положении якоря. Следует поэтому иметь в виду, что избыточный момент, увеличивая давление на контакты, одновременно снижает коэффициент возврата реле, так как для компенсации избыточного момента требуется значительное снижение тока в обмотке реле.

Наилучшее соотношение значений давления якоря на контакты и коэффициентов возврата получается при сближении характеристик электромагнитного и противодействующего ему механического моментов, т.е. при ходе якоря в пределах от a₁ до a₂ рис. 10, в.

Для серий реле ЭТ, ЭН-520 и ЭТ, ЭН-60 a₁изменяется от 78° (начальное положение) до a₂ = 85° (конечное положение). Для серии РТ-40 и РН-50 a₁ имеет значение от 62 до 75°.

При смещении хода якоря в сторону увеличения aрезко снижается избыточный момент D М, что уменьшает давление на контакты.

Если уменьшить начальный угол a₁, то резко уменьшится коэффициент возврата. Это произойдет за счет увеличения начального воздушного зазора, что повлечет за собой повышение тока срабатывания (при неизменном токе возврата).

Отличие реле тока от реле напряжения, реле максимального от минимального

Обмотки реле тока включаются последовательно в фазы сети, имеют небольшое сопротивление и хорошую термическую устойчивость.

Реле напряжения включаются параллельно на междуфазное или фазное напряжение сети и их сопротивление обмотки должно быть значительно больше общего сопротивления сети. Поэтому обмотки реле напряжения изготавливаются из провода небольшого диаметра и имеют большое число витков.

Полное сопротивление обмотки любого реле

где х = w L - реактивное сопротивление;

r - активное сопротивление,

w = 2p f - угловая частота переменного тока сети,

L - индуктивность катушки.

Если цепь состоит только из обмотки катушки, то в момент срабатывания реле напряжения из-за уменьшения воздушного зазора l исоответствующего уменьшения магнитного сопротивления реле индуктивное сопротивление обмотки х увеличивается. Это приводит к снижению тока в обмотке и, как следствие, к уменьшению М_эл.

Избыточный момент получается недостаточным для надежного замыкания контактов и подвижная система реле начинает «плавать». Для устранения этого недостатка, а также для устранения влияния на уставку реле напряжения изменений температуры и частоты, последовательно с обмоткой включается добавочный резистор R_д. Активное сопротивление резистора R_д в несколько раз больше сопротивления обмотки и конструктивно он устанавливается внутри реле.

Таким образом, применительно к реле напряжения можно записать

где к ₅- коэффициент пропорциональности;

U - подведенное напряжение сети;

I - ток.

Так как значение Z при наличии R_д изменяется мало, то М_эл реле напряжения имеет характеристику аналогично токовым реле (см. рис. 10).

У максимальных реле ток (напряжение) возврата I_в(U_в) меньше тока (напряжения) срабатывания I_ср(U_ср), поэтому коэффициент возврата К_в у них меньше единицы.

У минимальных реле тока (напряжения) I_в(U_в) больше I_ср(U_ср), поэтому К_в у них больше единицы.

Конструкция реле ЭТ и ЭН

Кинематические схемы реле серий Э-60, Э-70 и Э-520 различаются незначительно (рис. 23). На полюсах неподвижного сердечника 1 расположены две обмотки 2, Z-образный стальной поворотный якорь 4, укрепленный на оси 5, под действием магнитного потока, создаваемого током обмоток, стремится повернуться к полюсам сердечника. Этому противодействует спиральная пружина 8, внутренним концом связанная с осью якоря, а наружным - с поводком указателя уставки 9.

На оси 5 укреплен изолированный от нее серебряный контактный мостик 7, который при срабатывании реле замыкает (размыкает) неподвижные контакты 6, укрепленные на фигурной пластмассовой колодке. Для регулирования начального и конечного положения якоря служат упорные винты 3.

Конструкция регулировочных головок серий Э-60 и Э-520 старого выпуска рис. 11 отличается от конструкции головок реле Э-520 нового выпуска рис. 12. Модернизация головок была произведена для исключения случаев самопроизвольного перемещения указателя с заданной уставки по шкале.

Рис. 23. Кинематическая схема реле Э-520:

1 - сердечник, 2 - обмотки; 3 - упорные винты, 4 - поворотный якорь, 5 - ось; 6 - неподвижные контакты, 7 - подвижный контактный мостик, 8 - спиральная пружина, 9 - регулировочная головка, 10 - шкала

Вращая указатель, а с ним поводок спиральной пружины, плавно регулируют затяжку пружины.

Начальный угол затяжки пружины равен 25 - 30, конечный 120°. У реле Э-520 предусмотрена возможность переключения обмоток с последовательного на параллельное соединение, что изменяет пределы шкалы уставок в два раза.

Реле монтируется на пластмассовом цоколе и закрывается пластмассовым кожухом, передняя стенка которого застеклена. Уплотнение защищает реле от проникновения пыли.

Конструкция реле РТ и РН

Токовые реле РТ-40 отличаются от реле напряжения РН-50 тем, что имеют дополнительно гаситель колебаний 4 (рис. 13, а). В реле РТ-40 отсутствует дополнительно подключаемый резистор и обмотки имеют меньшее число витков, которые намотаны проводом гораздо большего диаметра, чем у реле РН-50. По конструкции они практически идентичны и состоят из следующих основных элементов: из П-образного, собранного из пластин электротехнической стали, сердечника 1, подвижной системы, состоящей из якоря 14, подвижного контакта 6 и гасителя колебаний 4, алюминиевой стойки 3, упоров левого 16 и правого (на рис. 13, а, не показан); изоляционной колодки 7 с расположенными на ней двумя парами неподвижных контактов (рис. 13, в): левыми 18 и правыми 17, регулировочного узла (рис. 13, в), состоящего из пружинодержателя 10, фасонного винта 19 с насаженной на него разрезной шестигранной втулкой 11 и противодействующей спиральной пружиной 12, шкалы уставок 8 и указателя уставки 9.

Реле смонтировано в корпусе, состоящем из пластмассового цоколя и кожуха из прозрачного материала.

Алюминиевая стойка 3 крепится к пластмассовому цоколю двумя винтами М4. Пластмассовый цоколь имеет восемь выводов - по четыре с каждой стороны. На левую сторону (вид спереди) выводятся замыкающие (выводы 5 - 7) и размыкающие контакты (вывода 9 - 11), на правую сторону цоколя выводятся обмотки каждой катушки, на выводы 6 - 10 верхняя, на выводы 8 - 12 нижняя обмотка.

На алюминиевой стойке с помощью трех винтов М3 укреплен П-образный сердечник 1. Отверстия в сердечнике под крепящие винты имеют диаметр несколько больший, чем диаметр винтов, что позволяет перемещать сердечник на 1 - 1,2 мм, приближая либо удаляя его от якоря.

Спереди на алюминиевой стойке расположена пластмассовая изоляционная колодка 7, несущая на себе одну пару замыкающих и одну пару размыкающих контактов (см. рис. 13, б). Колодка имеет возможность перемещаться в горизонтальной плоскости в пределах 2 мм. Это перемещение позволяет изменять в сравнительно небольших пределах расстояние между контактами, совместный ход (провал) контактов, а также угол встречи подвижного контакта по отношению к неподвижным (см. рис. 8).

Каждый неподвижный контакт вместе с передним 22 и задним 21 упорами представляет собой контактный узел (см. рис. 13, г). Неподвижный контакт представляет собой бронзовую пружинящую пластинку 23, на одном из концов которой приварена серебряная полоска длиной 6 и шириной 2,2 мм.

Передний упор 22 необходим для предупреждения раскачивания контактной пластинки при вибрации панели или щита, на котором установлено данное реле. Задний гибкий упор 21 служит для увеличения жесткости контактной пластинки в конце совместного хода подвижного и неподвижных контактов.

При необходимости контактный узел может перемещаться в пазу пластмассовой колодки на 1,0 - 1,5 мм.

Подвижная система реле опирается на верхнюю полуось 5, нижняя полуось является направляющей. Обе полуоси крепятся стопорными винтами в алюминиевой стойке. Полуось представляет собой латунный цилиндр высотой 9 и диаметром 3 мм, в которой запрессована стальная шпилька диаметром 1 мм. Конец стальной шпильки выполняется в виде полусферы, боковая поверхность ее отполирована.

К верхней части скобы, на которой закреплен якорь 14, приклепан пластмассовый барабанчик гасителя колебаний 4 с алюминиевой крышкой. Нижняя часть этой скобы имеет отверстие под нижнюю полуось и хвостовик 13, к которому припаивается наружный конец спиральной пружины 12. Пластмассовый барабанчик, наполненный чистым просеянным песком, для поглощения вибраций подвижной системы.

К якорю жестко прикреплена изоляционная фасонная колодочка с подвижными контактами 6 мостикового типа.

Серебряные мостики, которые замыкают неподвижные контакты 17 и 18, свободно поворачиваются вокруг своей оси на угол 5 - 8°. Угол поворота серебряного мостика определяется упорами, имеющимися на подвижном контакте, и может изменяться посредством отгибания упоров.

Осевой люфт мостика составляет 0,1 - 0,15 мм.

Поворот якоря ограничивается упорами: левым упором 16 определяется начальное положение якоря, правым - конечное. Упор представляет собой латунную шпильку с резьбой, конец которой заточен на конус.

Для фиксации левого упора используется пружинящее свойство бронзовой фасонной пластинки 15. Правый упор, определяющий конечное положение якоря, фиксируется гайкой М3.

Противодействующая спиральная пружина 12 своим внутренним концом закреплена в шестигранной разрезной втулке 11, которая с достаточным трением посажена на фасонный винт 19 диаметром М5 (рис. 13, в). На фасонном винте между пружинящей шайбой и гайкой крепится указатель уставки 9. Пружинящая шайба 20 обеспечивает перемещение указателя по шкале с достаточным трением.

В реле РН-50 правый и левый упоры фиксируются бронзовыми фасонными пластинками, а изоляционная пластинка с диодами Д226 и резистором крепится с правой стороны стойки 3.

Список литературы

1. - Общая инструкция по проверке устройств релейной защиты электроавтоматики и вторичных цепей. Энергия, 1975. 158 с.

2. - Сборник директивных материалов. Электрическая часть. «Энергия», 1971. 463 с.

3. - Инструкция дежурному персоналу электрических станций и подстанций по обслуживанию устройств релейной защиты и электроавтоматики. БТИ ОРГРЭС, 1963, 19 с.

4. Жданов Л.С., Овчинников В.В. Электромагнитные реле тока и напряжения РТ и РН. «Энергия», 1971, 73 с.

5. - Министерство энергетики и электрификации СССР. Главное техническое управление по эксплуатации энергосистем. Решение № Э-20/75, СПО ОРГРЭС, 1976.

6. ГОСТ 16121-70.Реле электромагнитные. Общие технические условия.

7. ГОСТ 711-20. Реле защитные электрические вторичные косвенного действия переменного тока. Общие технические условия.

8. ГОСТ 3698-65. Реле максимального тока защитные вторичные косвенного действия. Технические требования.

9. ГОСТ 3699-65. Реле напряжения защитные вторичные косвенного действия. Технические требования.

СОДЕРЖАНИЕ