2.2. Электромеханические реле

Отечественная промышленность изготовляет электромеханические реле в основном на электромагнитном и индукционном принципах.

Устройство и принцип действия электромагнитных реле. Принцип действия электромагнитных реле основан на притяжении стальной подвижной системы к электромагниту при прохождении тока по его обмотке [15, 22].

На рис.2.2 представлены три основные разновидности конструкций электромагнитных реле, содержащих: электромагнит 1, состоящий из стального магнитопровода и обмотки; стальную подвижную систему (якоря) 2, несущую подвижный контакт 3; неподвижные контакты 4; противодействующую пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток I_Pсоздает магнитодвижущую силу (МЛС)w_PI_P, под действием которой возникает магнитный поток Ф¹, замыкающийся через магнитопровод электромагнита 1, воздушный зазор δ и подвижную систему 2. Якорь намагничивается, появляется электромагнитная силаF_Э, притягивающая якорь к полюсу электромагнита. Если силаF_Э; преодолевает сопротивление пружины, то якорь приходит в движение и своим подвижным контактом 3 замыкает неподвижные контакты реле 4. При прекращении или уменьшении токаI_Pдо значения, при котором силаF_Э, становится меньше силыF_Э сопротивления пружины 5, якорь возвращается в начальное положение, размыкая контакты 4.

Начальное и конечное положения якоря ограничиваются упорами 6.

Силы и момент, действующие на подвижную систему реле. Как известно [10], электромагнитная силаF_Эпритягивающая стальной якорь к электромагниту и вызывающая движение якоря, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф в воздушном зазоре:

F_Э = kФ². (2.1)

Магнитный поток Ф и создающий его токI_P связаны соотношением

(2.2)

где R_M– магнитное сопротивление пути¹, по которому замыкается магнитный поток Ф; w_P– количество витков обмотки реле.

Магнитное сопротивление магнитопровода электромагнита R_M состоит из сопротивления его стальной частиR_C, и воздушного зазора δR_В.3:

R_M = R_С = R_В.3 .

Подставив (2.2) в (2.1), получим

(2.3)

У реле с поворотным якорем и с поперечным движением якоря (рис.2.2, б, в) электромагнитная сила F_Э, образует вращающий момент

(2.4)

где d– плечо силыF_Э.

Из (2.3) и (2.4) следует, что сила притяжения F_Э, и ее момент М_Э, пропорциональны квадрату токав обмотке реле и имеют,следовательно, постоянноенаправление, не зависящее от направления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и переменного тока и широко используется для изготовления измерительных реле тока, напряжения и вспомогательных реле логической части: промежуточных, сигнальных и реле времени.

При перемещении якоря электромагнитного реле в сторону срабатывания уменьшаются воздушный зазор δ (рис. 2.2) и соответственно R_M . При постоянстве тока в реле уменьшениеR_Mвызывает увеличение магнитного потокаФ (2.3), что обусловливает возрастаниеF_Э, и М_Э, (2.4).

У реле с поперечным движением якоря и с втягивающимся якорем поле в воздушном зазоре нельзя считать однородным. Для этих конструкций зависимости R_M= f (δ), F_Э, =f (δ) и М_Э=f (α) имеют сложный характер (рис. 2.2,а, б). СилуF_Э, и момент М_Э, можно выразить через производную магнитной проводимости воздушного зазора [10] уравнением

(2.5)

где G_В.З– магнитная проводимость воздушного зазора, равная 1/R_В.З

Сила (момент), противодействующая движению подвижной системы реле, создается пружиной (F_Пи М_П), трением и тяжестью подвижной системы (F_Ти М_Т). При движении якоря на замыкание контактовF_Пи М_Пувеличиваются с уменьшением δ по линейному закону: М_П=kα (рис. 2.3, а); сила тренияF_Т; остается неизменной.

Токи срабатывания и возврата реле, коэффициент возврата. Ток срабатывания. Реле начинает действовать, когда

F_Э=F_Э.С.Р=F_П+F_Т,

или

М_Э= М_Э.С.Р=М_П+ М_Т.

Наименьший ток, при котором реле срабатывает, называется током срабатывания I_C.P.

В реле, выполняющих функции ИО, предусматривается возможность регулирования I_C.Pизменением числа витков обмотки реле (ступенями) и момента противодействующей пружины М_П(плавно).

Ток возврата. Возврат притянутого якоря в исходное положение происходит при уменьшении тока в обмотке реле под действием пружины 5 (см. рис. 2.2), когда момент М_П преодолевает электромагнитный момент М_Э.ВОЗ и момент трения М_Т . Как следует из рис. 2.4, это произойдет при соблюдении условия

(2.7)

где - момент, при котором начинается возврат реле.

Током возврата реле I_ВОЗ, называется наибольшее значение тока в реле, при котором якорь реле возвращается в исходное положение.

Коэффициент возврата. Отношение токов I_BO3/I_C.Р называется коэффициентом возвратаk_B:

(2.8)

У реле, реагирующих на возрастание тока, I_С.Р>I_BO3иk_B< 1.

Из диаграммы (рис. 2.4) следует, что чем больше избыточный момент ΔМ и момент трения М_T, тем больше разница междуI_BO3, иI_C.Pи тем меньшеk_B.

Особенности работы реле на переменном токе. При протекании по обмотке реле переменного тока i_P=I_msinωtсогласно (2.3) мгновенное значение Учитывая, что

получаем

(2.9)

где k=k’.

Это выражение показывает, что электромагнитная сила (а следовательно, и М_эt) электромагнитного реле переменного тока содержит две составляющие: постояннуюи переменнуюизменяющуюся с двойной частотой (f = 100 Гц) тока (рис. 2.5). Электромагнитная силаF_эt(M_эt) имеет пульсирующий характер. В то же время противодействующая сила пружиныF_П, имеет неизменное значение. В результате этого, при сработанном состоянии реле, якорь реле будет находиться под действием разности двух силF_эt-F_П, меняющей свой знак.

В интервалы времени аd, сd, еf в течение каждого периодаТ, когдаF_П>F_Э, (рис. 2.5), якорь реле стремится отпасть и разомкнуть контакты реле, а в интервалеbc, dе, когдаF_эt>F_П, якорь вновь притягивается к электромагниту, стремясь замкнуть контакты. Вибрация якоря вызывает вибрацию контактов, оказывая вредное влияние на работу реле.

Для устранения вибрации применяется расщепление магнитного потока Ф_Pобмотки на две составляющиеФ_IиФ_П, сдвинутые по фазе. Расщепление потокаФ_Рдостигается при помощи короткозамкнутого витка К (рис. 2.6).

Короткозамкнутый виток К охватывает часть сечения магнитопровода. Под влиянием магнитного потока Ф_Iв виткеК возникает токI_K, создающий потокФ_K. На рис. 2.6 показаны положительные направления магнитных потоков, а их векторная диаграмма приведена на рис. 2.7.

В магнитопроводе реле циркулируют два результирующих магнитных потока: Ф_I – выходящий из-под сечения магнитопровода, охваченного виткомК; Ф_II – выходящий из-под сеченияS₂, не охваченного витком:

Ф_I=Ф_Р1+Ф_К;Ф_II=Ф_Р2–Ф_К2. (2.10)

Векторная диаграмма (рис. 2.7) показывает, что магнитный поток Ф_I сдвинут относительноФ_IIна угол ψ.

Каждый из магнитных потоков (рис. 2.8) Ф_I= Ф_Imsinωt, иФ_II= Ф_IImsin(ωt+ψ) создает силыF_эIиF_эII кривые изменения которых смещены по фазе так же, как и магнитные потоки. В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизиться до нуля.

Как будет показано в гл. 3, при насыщении магнитопровода ТТ вторичный ток имеет несинусоидальный характер, что вызывает вибрацию контактов.

Контакты реле должны обеспечивать многократное надежное замыкание и размыкание тока в управляемых ими цепях. Во время коммутационных операций происходит износ контактов, понижающий надежность их действия. Наиболее тяжелой операцией является размыкание цепи постоянного тока с индуктивным сопротивлением (например, цепи, питающей обмотку реле или электромагнита отключения выключателя). Известно, что в момент размыкания такой цепи в обмотке, обладающей индуктивностьюL, возникает противодействующая ЭДС самоиндукции стремящаяся поддержать протекавший до этого ток (рис. 2.9). Под действием этой ЭЛС в воздушном зазоре между размыкающимися контактами по- является электрическая дуга (искра), вызывающая обгорание, а при больших токах оплавление и эрозию (распыление металла) контактов.

Отключающая способность контактов зависит от значений тока, напряжения и индуктивности размыкаемой цепи. Она условно характеризуется мощностью S_K, представляющей собой произведение номинального напряжения источника оперативного токаU_О.Ти наибольшего допустимого токаI_К.Д, размыкание которого не вызывает повреждение контактов:S_K=U_О.ТI_К.Д. Следует отметить, что для цепей переменного тока допустимый токI_К.Двсегда больше, чем для цепи постоянного тока. Это объясняется тем, что при прохождении переменного тока через нулевое значение электрическая дуга гаснет, а возможность ее повторного зажигания уменьшается благодаря увеличению зазора между размыкающимися контактами и снижению значения Е_L. Зля облегчения работы контактов можно применять шунтирование обмотки аппарата, находящегося в управляемой цепи, искрогасительным контуромRC или цепью изR и диодаVD(рис. 2.9). В этом случае большая часть тока, вызываемого ЭДС Е_L, замыкается по шунтирующему контуру, в котором и погашается (расходуется) основная часть энергии, накопленной в магнитном поле обмотки. В результате этого энергия, поддерживающая ток и электрическую дугу между контактами реле, уменьшается, что существенно облегчает работу контактов. Наличие искрогасительного контура замедляет возврат реле. Этого недостатка лишена схема на рис. 2.9, б. Здесь диодомVD шунтируется контакт релеKL, размыкающий индуктивную цепь. При такой схеме токi, обусловленныйE_L, почти полностью замыкается, помимо раэмыкающихся контактов К, через контур и сопротивление источникаU_О.Т. В нормальных условиях, когда контакты реле разомкнуты, контур, шунтирующий контакты, разомкнут диодомVD.

Электрическая дуга между подвижным и неподвижным контактами возникает и при замыкании управляемой цепи. При замыкании подвижный контакт ударяется о неподвижный, что порождает вибрацию контактов, сопровождаемую многократным замыканием и размыканием управляемой цепи. При этом в момент разрыва появляется дуга, которая может вызвать оплавление и приваривание контактов при сильном их нагреве. Вибрация прекратится, когда кинетическая энергия подвижной системы реле израсходуется на преодоление сопротивления подвижных контактов и нагрев элементов замыкаемой цепи.

Для предупреждения порчи контактов электрической дугой неподвижные контакты выполняются в виде упругих пластин, колеблющихся вместе с подвижными контактами без разрыва управляемой цепи. Применяются также демпферы (механические успокоители), поглощающие кинетическую энергию подвижной системы. Контакты выполняются из тугоплавкого и менее подверженного окислению материала. Применяется серебро, металлокерамика и др.