Глава 18

ЭЛЕКТРОМАНИТНЫЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ

§ 18.1. Назначение. Принцип действия

В автоматических системах очень часто требуется, чтобы элементы, в том числе и электромагнитные реле, реагировали не только на значение, но и на полярность тока на входе. Например, в системе автоматического регулирования температуры при температуре сверх требуемого значения (задания) должен включаться охладитель (например, вентилятор), а при температуре ниже требуемого значения должен включаться нагреватель. Следовательно, реле при одной полярности входного сигнала должно включать одну группу контактов, а при другой полярности — другую. Как известно из электротехники, при пропускании тока по катушке с сердечником создается магнитное поле и на находящиеся в этом поле стальные детали будет действовать сила притяжения. Направление тока или знак индукции магнитного поля не влияют на направление силы. Это всегда сила притяжения, а не отталкивания. В предыдущей главе приведены формулы для электромагнитной силы (17.12) и (17.13). В этих формулах значение тока или магнитного потока стоит в квадрате, что и доказывает математически неизменность направления электромагнитной силы при изменении знака тока или потока.

Для получения в электромагнитном механизме знакопеременной зависимости тяговой силы от направления входного сигнала необходимо наличие двух магнитных потоков: создаваемого током в обмотке реле и постоянного, неизменного по величине и направлению, создаваемого обычно постоянным магнитом. Таким образом, при одном направлении тока в обмотке реле магнитные потоки будут складываться, а при другом направлении тока — вычитаться. Следовательно, изменение направления тока приведет к изменению абсолютной величины магнитного потока, чего не было в электромагнитных нейтральных реле.

Чувствительность к направлению (поляризация) осуществляется именно за счет постоянного магнитного потока. Все поляризованные реле основаны на использовании в электромагнитном механизме двух потоков. По конструктивной схеме магнитной цепи различают поляризованные реле, построенные по дифференциальной и мостовой схемам. По числу устойчивых положений якоря различают двухпозиционные и трехпозиционные поляризованные реле.

§ 18.2. Магнитные цепи поляризованных реле

Поляризованное реле с дифференциальной схемой магнитной цепи показано на рис. 18.1. Рабочий (управляющий) магнитный поток Ф_у создается при протекании тока 1 по обмотке реле, состоящей из двух одинаковых половин 1 и 1', включенных последовательно и согласно. Постоянный (поляризующий) магнитный поток Ф_п создается постоянным магнитом 2. Катушки реле 1 и 1' размещены на неподвижном сердечнике (ярме) 3. Якорь 4 может поворачиваться относительно оси О в рабочем зазоре 6. На якоре

размещен подвижным контакт, который может замыкаться с неподвижными контактами 5 или 5'.

Путь магнитного потока Ф_у показан пунктиром, а путь магнитного потока Ф_п — сплошной линией. Направление потока Ф_п неизменно, а направление потока Ф_у зависит от направления тока в катушке реле. На рис. 18.1 направление потока Ф_у показано для указанного па этом рисунке па-правления тока 1.

П оляризующий поток ф_п проходит по якорю 4 и разветвляется на две части Ф_п1 и Ф_п2 в соответствии с проводимостями воздушных зазоров слева ( _Л) и справа ( ц) от якоря. В зависимости от полярности тока 1 в обмотке реле рабочий поток Ф_у вычитается из потока Ф_п1 в зазоре слева от якоря и складывается с потоком Ф_п2 в зазоре справа от якоря (как показано на рис. 18.1) или наоборот: потоки складываются в левом зазоре и вычитаются в правом зазоре при противоположном направлении тока. На якорь действуют две электромагнитные силы, направленные встречно, каждая из которых пропорциональна в соответствии с уравнением (17.13) квадрату потока в соответствующей части зазора. Для направлений тока и магнитных потоков, показанных на рис. 18.1, результирующее тяговое усилие заставит якорь перекинуться из левого положения в правое. При отключении входного сигнала (/=0) якорь остается в том положении, которое он занимал до отключения сигнала. Реле, показанное па рис. 18.1, является двухпозициопным.

Результирующее электромагнитное усилие, действующее на якорь поляризованного реле, направлено в сторону того зазора, где управляющий и поляризующий магнитные потоки складываются.

Рассмотрим усилия, действующие на якорь поляризованного реле. Определяются они в соответствии с уравнением (17.13). В среднем положении якоря магнитные проводимости левого и правого зазора одинаковы и поэтому поляризующий поток делится на две равные части: Ф_П1 = Ф_п2 —Ф_п/2. При отсутствии управляющего потока на якорь будут действовать одинаковые усилия влево и вправо:

где s — площадь сечения воздушного зазора.

Результирующая сила, равная разности F_эл н F_эп при среднем положении якоря, будет равна нулю. Однако якорь в среднем положении находится в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточно незначительного смещения якоря от среднего положения, чтобы произошло перераспределение потоков. Уменьшается магнитное сопротивление того зазора, в какую сторону сместился якорь. Следовательно, в ту же сторону увеличится магнитный поток, а значит, и сила, направленная в сторону уменьшения зазора. Полагая сечение воздушного зазора неизменным, рассмотрим перераспределение поляризующего потока в зависимости от магнитного сопротивления, которое будет в этом случае пропорционально величине зазора.

Отношение магнитных потоков в левом и правом зазоре обратно пропорционально отношению магнитных сопротивлений этих зазоров:

Соответственно электромагнитные силы притяжения якоря, направленные влево и вправо,

Результирующая сила определяется как разность этих сил

При _л< /2 (якорь ближе к левому крайнему положению) сила тянет якорь влево.

При _л /2 (якорь ближе к левому крайнему положению) сила тянет якорь вправо.

При подаче тока в обмотку поляризованного реле в магнитной цепи возникает магнитный поток Ф_у, который (для полярности, показанной на рис. 18.1) складывается о правом зазоре с Ф_П2 И в левом вычитается из Ф_п1.

При достижении Ф_у значения, равного Ф_н, контактное усилие будет равно пулю. Как только Ф_у станет больше Ф_п, якорь перекинется в крайнее правое положение. Ток, при котором якорь перебрасывается в повое положение, называется током срабатывания /_ср. В попом положении якоря произойдет перераспределение поляризующего магнитного потока между зазорами.

С уммарный поток в новом положении якоря при /_ср будет равен Ф = Ф_П+Ф_у. Так как при срабатывапии Ф_у=Ф_П то Ф=2Ф_н, а усилие, пропорциональное квадрату магнитного потока, возрастет в четыре раза по сравнению с усилием в обесточенном реле. Таким образом, в процессе перемещения якоря из одного положения в другое происходит значительное увеличение тягового усилия. Этим и объясняется то, что поляризованные реле имеют очень высокое быстродействие: время срабатывания составляет несколько миллисекунд. Кроме того, дополнительное усилие, сжимая контакты, позволяет при очень малом управляющем сигнале управлять относительно мощными электрическими цепями. Однако главным достоинством поляризованных реле является их высокая чувствительность.

Чаще всего не стремятся к увеличению разрывной мощности их контактов, поскольку это требует увеличения хода якоря, что приводит к потере чувствительности. Поэтому высокочувствительные поляризованные реле выполняются маломощными с ходом якоря от одного крайнего положения до другого порядка 0,1—0,2 мм.

Работа поляризованного реле с мостовой схемой магнитной цепи (рис. 18.2) происходит аналогично реле с дифференциальной схемой. Отличие заключается в том, что магнитная цепь для управляющего потока Ф_у, создаваемого обмоткой реле, выполнена отдельно от магнитной цепи для поляризующего потока Ф_п, созда ваемого постоянным магнитом. Благодаря этому поляризованные реле мостового типа имеют более высокую стабильность параметров и устойчивее к внешним механическим воздействиям.