Анализ релейно-контактных схем автоматики

Цель работы:изучение схемотехники типовых релейных схем, получение практических навыков анализа, синтеза и минимизации релейно-контактных схем автоматики, освоение основных принципов перевода релейно-контактных схем на бесконтактные.

Общие сведения

Электромагнитные реле (ЭМР) представляют собой электромеханиче­ские контактные устройства, преобра­зующие управляющий электрический ток в магнитное поле, которое оказы­вает силовое скачкообразное воздействие на подвижное намагниченное тело, механиче­ски связанное с электрическим контактом реле или являющееся подвижной частью этого контакта. При возникно­вении управляющего тока в ЭМР про­исходит скачкообразное срабатывание контакта, который из разомкнутого (замкнутого) состояния через замы­кание (размыкание) переходит в замк­нутое (разомкнутое) состояние.

В разомкнутом состоянии контакт имеет видимый разрыв с высокой электрической прочностью и контакт­ным сопротивлением на уровне поверх­ностного сопротивления элементов конструкции реле. В замкнутом состо­янии переходное сопротивление меха­нического контакта, выполненного из соответствующих материалов, состав­ляет единицы – десятки мОм, а падение напряжения на контакте даже при протекании тока силой в десятки ампер не превышает 100 ...200 мВ.

На работу контактов ЭМР, поми­мо управляющей электромагнитной силы, существенное влияние оказыва­ют также силы упругой деформации контактных элементов и/или специ­альной (возвратной) пружины, кото­рые в процессе срабатывания реле препятствуют действию электромаг­нитной силы, а в ее отсутствие способ­ствуют возвращению контактов в ис­ходное состояние. В некоторых конструкциях ЭМР работу упругих сил дополняет или заменяет сила тя­жести, действующая на массивные подвижные детали реле.

При замыкании или размыкании электрически нагруженного контакта в межконтактном промежутке практи­чески всегда возникает электриче­ский разряд, взаимодействующий с областью контактируемой поверхнос­ти материала, что приводит к ее электрофизическому износу. Кроме того, электрический разряд, обладая электропроводимостью, ускоряет про­цесс замыкания и затягивает процесс размыкания контакта. Таким образом, ЭМР является устройством, в котором действу­ют электромагнитные, контакт­ные, механические и электроразряд­ные явления.

Конструкции ЭМР в зависимости от принципа силового воздействия магнитного поля на подвижный эле­мент контакта подразделяются на два основных вида:

- реле с магнитоуправляемым якорем или якорные реле, в которых подвижное магнитоуправляемое тело — якорь, который либо не­сет на себе подвижный контактный элемент, либо механически воздей­ствует на него посредством толкателя, поводка и т.п. передающего органа;

- реле с магнитоуправляемым контактом, в которых маг­нитоуправляемым телом является сам подвижный элемент контакта – геркон [1,2].

Реле еще длительное время будут оставаться одними из самых распространенных элементов аппаратуры автоматики и телемеханики в различных отраслях промышленности. Это связано как с традиционными преимуществами реле (высокая нагрузочная способность, значительные перегрузочная способность и помехозащищенность и др.), так и с появлением современных реле пятого поколения, в том числе, твердотельных, сверхбыстродействующих и др. [3, 4]

Типовые релейные схемы

Наиболее широкое применение получили следующие типовые релейные схемы:

1) самоблокировки;

2) взаимной блокировки;

3) экономичного включения;

4) искробезопасного включения;

5) замедления (реле времени).

В схеме самоблокировки реле при кратковременном замыкании кнопки SB1 Пуск реле срабатывает (рис. 4.1) и своим замыкающим контактом блокирует цепь питания этой кнопки, благодаря чему последующее отпускание кнопки SB1 не приведет к отключению реле. Для отключения реле необходимо разорвать общую цепь питания нажатием кнопки SB2.

Рисунок 4.1 – Релейная схема самоблокировки

Схема взаимной блокировки, показанная на рис. 4.2, не допускает одновременного включения реле, так как в цепь обмотки каждого реле введен размыкающий контакт другого реле. Необходимость взаимной блокировки встречается в схемах, предохраняющих от возможной аварии. Например, одно реле служит для включения двигателя в прямом направлении вращения, а другое – на реверс.

Рисунок 4.2 – Релейная схема взаимной блокировки

На рис. 4.3 показаны схема и график экономичного включения реле. Если в обычных схемах реле срабатывает при напряжении срабатывания U_ср и остается в этом состоянии при таком напряжении за счет цепи самоблокировки, то в рассматриваемой схеме реле, срабатывающее также при напряжении U_ср, при отпускании кнопки SB1 остается в рабочем состоянии через цепь резистора R при напряжении U_р.

Рисунок 4.3 – Схема и график экономичного включения реле

На графике видно, что U_ср> U_р, поэтому и потребление энергии в рабочем состоянии реле намного меньше, чем в ранее рассмотренных схемах. Необходимым условием работы схемы является U_р> U_от, в противном случае при отпускании кнопки SB1 реле будет отключаться.

Отличительная особенность схемы искробезопасного включения реле, широко применяющейся в различной рудничной и шахтной аппаратуре автоматизации (рис. 4.4), заключается в том, что цепь питания реле осуществляется искробезопасным напряжением U_иск. Искробезопасные параметры цепи питания достигаются выполнением обмотки II проводом высокого удельного сопротивления или включением в цепь питания ограничительного резистора R2. В исходном положении при поданном питании реле К не работает, так как U_ср> U_р. При нажатии кнопки SB1 реле срабатывает и остается во включенном состоянии. При этом выполняется соотношение U_ср> U_р > U_от. Через обмотку реле протекает однополупериодный постоянный ток, второй полупериод закорачивается в цепи искробезопасного напряжения через диод VD1. Сопротивление обмотки реле однополупериодному току мало и реле работает устойчиво.

Рисунок 4.4 – Схема искробезопасного включения реле

При нажатии кнопки SB2 сопротивление обмотки реле для переменного тока возрастает, реле отключается и схема возвращается в исходное положение. Следует отметить, что когда работает реле К, диод VD1 переводит его в режим замедления – реле времени (за счет ЭДС самоиндукции, которая действует от однополупериодного тока в обмотке), что предотвращает вибрацию якоря реле. Увеличение времени срабатывания или отпускания ЭМР можно достичь включением реле в схемы, изменяющие скорость нарастания или спадания тока в его обмотке.

На рис. 4.5 показана схема замедления срабатывания реле с помощью шунтирования его обмотки конденсатором. В этом случае при замыкании ключа заряд конденсатора происходит за определенный промежуток времени. Напряжение на конденсаторе постепенно возрастает, а время срабатывания реле увеличивается, эта схема также увеличивает и время отпускания, поскольку якорь некоторое время остается притянутым за счет энергии, накопленной в конденсаторе.

Рисунок 4.5 – Схема замедления срабатывания реле

В схеме на рис. 4.6 время отпускания реле увеличивается за счет того, что при размыкании ключа в цепи, состоящей из параллельного соединения обмотки реле, конденсатора и резистора, некоторое время сохраняется ток разряда конденсатора.

Рисунок 4.6 – Схема увеличения времени отпускания реле

Чтобы переходный процесс в этой цепи имел апериодический характер, применяют достаточно большую емкость конденсатора и большое значение сопротивления резистора.