Реле как усилитель

Электромеханическое реле представляет собой электромагнитное устройство, в котором входная электрическая величина (ток), достигнув некоторого значения, преобразуется в перемещение якоря, который механически замыкает контакты более мощной электрической цепи управления. Понятие — реле как усилитель вводится ввиду того, что подводимая мощность составляет сотые доли ватта, а мощность цепи управления — сотни и даже тысячи ватт. Электромеханическое реле относится к усилителям дискретного действия. Различают нейтральное реле (постоянного тока), реле переменного тока и поляризован-

По конструктивному исполнению различают реле с якорем клапанного типа, с втяжным и с поворотным якорем.

Нейтральное реле (рис. 3.9, а) состоит из сердечника 3, катушки 4, магнитопровода 5, якоря 1, штифта 8, замыкающего контакта 6, размыкающего контакта 7, возвратной пружины 9, штифта отлипания 2. При подаче в катушку реле тока образующийся магнитный поток (показано пунктиром) притягивает якорь сердечнику, при этом он, поворачиваясь, воздействует штифтом 8 на контакты цепи управления.

К основным характеристикам электромеханического реле

Рис. 3.9. Схемы реле

относятся: мощность срабатывания, мощность управления, коэффициент усиления, тяговая и механическая характеристики, коэффициент возврата, срок службы реле, время срабатывания.

Под мощностью срабатывания понимают ту минимальную мощность, при которой происходит замыкание контактов. Реле можно разделить на маломощные (Р_СР до 1 Вт), средние (Р_СР от 1 до 10 Вт), мощные (Р_СР>10 Вт).

Мощность управления — это максимально допустимая мощность, которую могут замкнуть или разомкнуть контакты реле, работая при этом нормально (не обгорая). Для нейтрального реле эта мощность может составлять 10^-1... 10⁴ Вт.

Коэффициент усиления по мощности определяется выражением

где Р_вых — выходная мощность, которую могут коммутировать контакты реле; Р_вх — входная мощность катушки реле.

Под тяговой характеристикой реле понимают электромагнитное усиление притяжения, действующее на якорь реле. Величину этого притяжения можно получить, используя метод энергетического баланса. Известно, что при включении катушки в цепь процесс изменения тока в катушке описывается следующим уравнением:

где U — постоянное напряжение, В; I — ток в катушке, A; W — число витков катушки; Φ — магнитный поток, Вб. Умножив обе части на Idt и интегрируя полученное выражение, будем иметь

где t — время, в течение которого магнитный поток изменяется от 0 до Ф.

Левый интеграл представляет собой энергию, полученную от источника питания, первый параметр первой части управления представляет собой энергию, которая перешла в тепловую, а второй — в энергию Р_э, запасенную в магнитном поле реле.

При элементарном перемещении якоря за счет усиления притяжения на величину dδ он совершает элементарную работу dA, т. е. dA = P_Эdδ (здесь Р_э — усилие притяжения). С другой стороны, dA = — dP_Э. Знак минус указывает на то, что положительное усилие притяжения происходит при уменьшении зазора δ. Подставив данное выражение, получим, что

Значение приращения магнитного потока d Ф определяется как dΦ = (IW) dG, где

— магнитная проводимость воздушного зазора; R_B — магнитное сопротивление воздушного зазора, S — сечение воздушного зазора, см².

Тогда очевидно, что

где μ₀ — магнитная проницаемость воздуха.

Таким образом, тяговое усилие будет

Эти значения тяговых характеристик для различных значений тока показаны на рис. 3.9, б. Верхняя кривая представляет собой ампервитки срабатывания (IW) _сраб значения тока катушки реле, при котором производится притягивание якоря и замыкание или размыкание контактов реле цепи управления 6, 7 (см. рис. 39, а); нижняя кривая представляет собою ампер-витки отпускания (IW)_отп реле (см. рис. 3.9,б), т. е. возврат реле в исходное положение.

Под механической характеристикой понимают значение усилия Р_м, которое противодействует усилию притяжения якоря. Это усилие создается пружинами контактов реле или специальными пружинами 9 (см. рис. 3.9, а). Динамический режим работы якоря и всех подвижных частей реле определяется следующим дифференциальным уравнением:

где т — приведенная масса движущихся частей; с — приведенная жесткость пружин; ξ — коэффициент сопротивления движению (коэффициент вязкости); δ — зазор; Р _м — усилие сопротивления пружины.

Если пренебречь приведенными массами и силами сопротивления движению, получим более простое выражение Р_м=с( δ ). Следовательно, характеристика противодействующего усилия будет представлять собой прямую линию, наклонную к абсциссе под углом в зависимости от приведенной жесткости пружины с и б, что показано на рис. 3.9, б. Р_м= f (б). Скачок характеристики в точках а — а объясняется моментом соприкосновения контактов и их поджатия для большей гарантии их соприкосновения.

Следует отметить, что для нормальной работы реле необходимо, чтобы механическая характеристика реле (Р _м = f( δ )) находилась во внутренней области тяговых кривых срабатывания (IW)_cраб и отпускания (IW) _отп, в противном случае реле может не сработать или не отпустить. Для предотвращения залипания якоря в нем устанавливается специальный штифт отлипания.

Коэффициент возврата является одной из важнейших характеристик реле. Под коэффициентом возврата понимают следующее отношение:

где (IW) _отп— ампер-витки отпускания реле; (IW)_cраб — ампер витки срабатывания.

Под ампер-витком срабатывания понимают то минимальное значение тока катушки реле, при котором происходит замыкание контактов реле (реле сработало). Эта необходимая величина тока зависит от витков катушки реле и ее сопротивления и других параметров. Величина тока срабатывания дается в паспортных данных реле.

Под током отпускания понимают то минимальное значение тока, при котором происходит отпадание якоря от сердечника и размыкание контактов реле. Ток отпускания всегда меньше тока срабатывания и поэтому коэффициент возврата составляет для различных реле k _в = 0,2...0,9.

Срок службы реле. Наиболее интенсивному износу подвергаются контакты реле. Помимо механического износа из-за ударов друг о друга, контакты обгорают. Это происходит потому, что электрическая цепь, которой управляют контакты реле, имеет активное и индуктивное сопротивление. Вследствие этого при размыкании экстраток размыкания совпадает с основным током и между контактами проскакивает искра, которая и вызывает их обгорание. Искрообразование (электрическая дуга) возникает в том случае, если ток и напряжение больше некоторых минимальных значений, в среднем более чем 0,5 А при 12 В.

Для увеличения срока службы и надежности работы контактов их делают парными, так как совпадение отказов двух контактов одновременно является маловероятным. Увеличение срока службы производится путем установки так называемых искрогасящих контуров.

Схемы искрогашения, применяемые на практике, показаны на рис. 3.9, в, г. Их назначение состоит в том, чтобы замедлить исчезновение тока при размыкании контакта К.

Для этой цели применяют шунтирование емкостью С с сопротивлением R контактов (см. рис. 3.9, в) индуктивной нагрузки L _H. В этом случае возникающий переходный ток размыкания протекает не через контакт К, сопротивление которого R_в→∞, а заряжает конденсатор С, тем самым предотвращает обгорание контактов. На второй схеме (см. рис. 3.9, г) индуктивная нагрузка шунтируется диодом V, который в момент размыкания К открывается и экстраток размыкания проходит по нагрузке R_H.

Для уменьшения износа контактов применяют различные специальные материалы. Для контактов, работающих на малых токах (/<0,5 А), применяют платину, серебро в сплаве с никелем и медью.

Для контактов, работающих в области больших токов, применяют специальные композиции. Стойкость композиции против корродирования и оплавления контактов основывается на том, что при расплавлении металла он удерживается на поверх-

ности контакта силами капиллярности. Композиции изготовляются методом металлокерамики. Наиболее распространенным* являются композиции серебро — вольфрам, медь — вольфрам медь — молибден.

Конструктивно контакты располагаются на плоских пружинах из фосфористой бронзы, нейзильбера, реже из стали.

Срок службы реле и нормальная эксплуатация также определяются параметрами обмотки.

Правильно рассчитанная обмотка должна создавать необходимую намагничивающую силу, полученную при расчете магнитной цепи реле, и в то же время не перегревать ее обмотку

Для обмоток обычно применяют медный провод в эмалевой, шелковой или хлопчатобумажной изоляции. Для реле, работающих в условиях высоких температур, используют изоляцию из стекловолокна.

Обмотки наматывают на каркасы из электрокартона или пластмассы. В мощных реле часто применяют бескаркасные обмотки, которые сначала наматывают на шаблонах, а затем укрепляют изолирующими лентами. Каркасные и бескаркасные обмотки пропитывают изолирующими лаками, что повышае! электрическую прочность и влагостойкость, а также улучшае! теплоотдачу.

При диаметре провода больше 0,3...0,4 мм производят рядовую намотку, когда витки в слое лежат плотно друг к другу, и всю обмотку выполняют слоями толщиной в диаметр провода. При меньших диаметрах провода намотку производят «навалом» и витки располагают без точной укладки.

Время срабатывания реле составляет

t _ср= t _тр+ t _дв

где t _тр— время трогания, т. е. промежуток времени, в течение которого ток нарастает от нуля до тока срабатывания, в конце этого промежутка электромагнитное усилие превысит противодействующее и якорь придет в движение; t _дв — время движения якоря при его перемещении из нормального состояния в притянутое.

Время отпускания t _от также состоит из двух аналогичных составляющих. Важно отметить, что время движения якоря при отсутствии специальных тормозящих устройств значительно меньше времени трогания.

Поэтому время срабатывания реле зависит в основном от времени трогания.

Реле можно разделить по временным параметрам на нормальные (t_cp имеет порядок 30...50 мс), быстродействующие (t_сp порядка нескольких миллисекунд) и замедленные, так называемые реле времени, у которых временные параметры спе-

циальными методами увеличены в пределах от десятых долей секунды до минут.

Реле переменного тока. Для устранения вибрации якоря 2 (рис. 3.9, д), а следовательно, и контактов при питании катушки реле переменным током торец 1 сердечника реле раздваивают и надевают короткозамкнутое кольцо 3. При включении реле в нем наводится ЭДС и возникает ток, вызывающий появление другого магнитного потока, сдвинутого относительно главного. При этом суммарный магнитный поток, действующий на якорь, в любой момент времени не будет равен нулю. Вибрация прекращается. В основном реле переменного тока имеет такую же конструкцию и характеристику, что и нейтральное реле постоянного тока. Отличие состоит в том, что начальное электромагнитное притяжение якоря у реле переменного тока больше ввиду того, что это усилие притяжения пропорционально квадрату ампер-витков катушки, т. е. P_Э=k(IW)², а так как в начальный момент притяжения переменный ток / больше значения номинального, то и усилие электромагнитного притяжения будет большим.

Поляризованное реле имеет подвижный якорь 3 на пружине 5 и обмотку 4 (рис. 3.9, в). Однако сердечник реле 1 имеет постоянный магнит 6, который образует магнитный поток. Это и поляризует реле, т. е. делает его чувствительным к полярности тока сигнала управления U_y. Магнитный поток сигнала управления Ф_у показан на рис. 3.9, ж. Суммируясь с постоянным магнитным потоком, магнит Ф_м действует на якорь в определенном направлении.

Как показано на рис. 3.9, е, якорь сработает влево, замыкая левую цепь 2. При изменении полярности управляющего сигнала изменится направление управляющего магнитного потока Ф_у и якорь теперь уже сработает вправо.

Поляризованные реле бывают двух- и трехпозиционные. У двухпозиционных реле якорь может занимать только два положения: или правое, или левое, при этом после обесточивания реле положение якоря не изменится. У двухпозиционных реле (поляризованных) после обесточивания реле якорь занимает преобладающее положение: правое или левое.

Для настройки преобладающего положения контакты 2 поляризованного реле могут перемещаться при помощи специальных винтов.

У трехпозиционных реле якорь занимает три положения: нейтральное (в середине), левое и правое.

Помимо отмеченных свойств усилителя электромеханические реле выполняют функции распределительного (размножитель-ного) устройства, так как контакты реле могут одновременно включать и отключать различные электрические цепи управления.

Рис. 3.10. Схема усилителя «Ло-гика-И>

3.7. РЕЛЕЙНЫЕ УСИЛИТЕЛИ СЕРИИ «ЛОГИКА-И»

Усилители серии «Логика-И» представляют собой устройства, основными элементами которых являются герконовые реле типа РПГ-2,5,6. На рис. 3.10 приведена принципиальная схема одного из усилителей И-403. При подаче напряжения к цепи реле (выводы 3 и 14) полярностью соответствующей непроводящему состоянию диода D происходит замыкание герметизированных контактов К реле, при этом замыкается цепь управления (выводы 1 и 16). Параллельно обмотке реле включен диод D для уменьшения перенапряжений, возникающих при отключении обмотки реле. Достоинством таких герконовых реле является большой срок службы контактов и обмоток. Число срабатываний составляет в среднем 10⁸ раз.

Дата добавления: 2015-08-27