И переменного тока. Их характеристики
Электромагнитные реле (ЭМР) являются наиболее распростра-
ненным типом реле. Принцип действия ЭМР основан на взаимодей-
ствии ферромагнитного якоря с магнитным полем обмотки, по ко-
торой протекает ток, в результате чего происходит механическое
перемещение подвижной части, связанной с контактной системой.
ЭМР выполняют следующие функции: 1) гальваническая развяз-
ка между цепью управления и цепью нагрузки реле; 2) размножение
одного управляющего сигнала на несколько выходных сигналов;
3) усиление мощности управляющего сигнала; 4) независимое одно-
временное управление несколькими выходными цепями с различны-
ми уровнями тока и напряжения; 5) разделение цепей с различными
мощностями, а также цепей переменного и постоянного тока; 6) пре-
образование и нормирование уровней электрических сигналов.
По роду входного тока различают реле постоянного тока
и реле переменного тока; реле постоянного тока, в свою очередь, под-
разделяются на нейтральные реле, работа которых не зависит от по-
лярности приложенного напряжения, и поляризованные реле, работа
которых определяется полярностью входного сигнала. По числу
о б м о т о к различают одно- и многообмоточные реле, а по ч и с л>,
к о н т а к т н ы х групп — мало- и многоконтактные реле. \
Нейтральные ЭМР постоянного тока обычно выполняются с
внешним притягивающимся якорем (рис. 10.2, а). Такое реле пред-
ставляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп,
установленных на одном основании 5. Магнитопровод электромаг-
нита состоит из ярма (корпуса) 11, сердечника 8 и якоря 6, выпол-
ненных из магнитомягкой стали. На сердечнике помещается каркас 9
с одной или несколькими обмотками 10. При протекании по обмот-
ке электрического тока якорь притягивается к сердечнику. Движение
якоря через непроводящий штифт 3 передается на одну из контактных
пружин 4, в результате чего происходит замыкание подвижного 1 и
неподвижного 2 контактов. Чтобы обеспечить возврат якоря в ис-
ходное положение после обесточивания обмоток (т. е. предупредить
залипание якоря), на якоре предусматривается штифт отлипания 7.
В исходном положении якорь удерживается контактными пружинами.
Иногда для этого дополнительно используют специальные возвратные
пружины 12.
Временная диаграмма работы реле (зависимость тока в обмотке I
от времени t) приведена на рис. 10.2, б. За счет индуктивности ка-
тушки реле ток в ней нарастает (убывает) не мгновенно, а постепен-
но. Работа реле делится на четыре этапа. Этап I — срабатывание реле.
Длительность этого этапа — время полного срабатывания tcs>, т. е. про-
межуток времени от момента подачи напряжения на катушку реле до
момента замыкания контактов (точка А). Этот промежуток склады-
вается из двух составляющих — времени трогания якоря tтр и време-
ни его движения tm. При подаче напряжения на катушку реле ток в
ней начинает возрастать, что приводит к увеличению магнитного
потока и электромагнитного притягивающего усилия. В тот момент,
когда его значение достигнет значения противодействующего меха-
нического усилия (оно создается возвратными и контактными пру-
жинами), якорь трогается с места (этому соответствует значение
тока Iтр). По мере уменьшения зазора между сердечником и движу-
щимся якорем скорость движения якоря возрастает, и в момент до-
стижения током значения тока срабатывания Iср якорь притягивается
к сердечнику, его движение прекращается (реле срабатывает). Таким
образом, время полного срабатывания tср = tw+ tm.
Этап II — работа реле (tра6 — время работы реле). После того как
реле сработает, ток в обмотке продолжает увеличиваться (участок
А—В), пока не достигнет установившегося значения tуст. Участок А—В
необходим для того, чтобы обеспечить надежное притяжение якоря
к сердечнику, исключающее вибрацию якоря при сотрясениях реле.
В процессе работы значение тока в обмотке реле остается неизмен-
ной. Отношение установившегося тока Iуст. к значению тока сраба-
тывания tср называется коэффициентом запаса реле по срабатыва-
нию К3 (т.е. этот коэффициент характеризует надежность работы
реле):
Этап III — отпускание реле. Этот период длится от момента пре-
кращения подачи напряжения на обмотку реле (точка С) до момента,
когда ток в обмотке реле уменьшится до значения Iот (точка D — пре-
кращение воздействия реле на управляемую цепь). На участке CD
также различают участок трогания якоря (Сb) и участок его движения
(bD). Отношение тока отпускания к току срабатывания называется
коэффициентом возврата:
Этап IV — покой реле. Это отрезок времени от момента размыка-
ния контактов реле (точка D) до момента поступления нового сигна-
ла на обмотку реле. При быстром следовании управляющих сигналов
друг за другом работа реле характеризуется максимальной частотой
срабатывания (количество срабатываний реле в единицу времени).
Рассмотренное ЭМР постоянного тока является нейтральным,
так как оно реагирует только на величину входного сигнала и нечув-
ствительно к его направлению (полярности). Существуют также реле,
реагирующие не только на величину, но и на полярность входного
сигнала. Такие реле называются поляризованными. В них направле-
ние тягового усилия и, следовательно, перемещение якоря и пере-
ключение контактов зависят от полярности сигнала постоянного тока,
подаваемого в обмотку реле.
Электромагнитные реле переменного тока по принципу дей-
ствия в основном аналогичны реле постоянного тока. Однако пере-
менный ток обусловливает некоторые особенности работы реле. При
синусоидальной форме кривой напряжения, подаваемого на обмотку
реле, значение намагничивающего тока / в ненасыщенной магнитной
системе
где 1т — амплитудное значение тока; ω — частота напряжения пита-
ния; t — время.
По такому же закону будет изменяться и магнитный поток в ра-
бочем зазоре. Поскольку электромагнитное тяговое усилие F3 про-
порционально квадрату тока, при синусоидальном намагничивающем
токе будем иметь
где Fm — амплитудное значение тягового усилия; Fэ = F3/2 и
соответственно постоянная и переменная составляющие тягового
усилия.
Таким образом, при переменном токе тяговое усилие, сохраняя
постоянное направление, изменяется (пульсирует) с частотой, равной
удвоенной частоте 2ω приложенного напряжения. Поэтому якорь
электромагнита будет вибрировать, периодически оттягиваясь от
сердечника противодействующим усилием, что делает реле нерабо-
тоспособным. Для устранения вибрации в ЭМР переменного тока
чаще всего используют короткозамкнутый виток и многофазное пи-
тание. В этих реле на якорь действуют два потока, сдвинутые по фазе
относительно друг друга, и результирующее тяговое усилие никогда
не обращается в ноль, поскольку оба потока проходят через ноль в
разные моменты времени.
В реле с короткозамкнутым витком последний охватывает одну
из двух частей разрезанного конца сердечника, обращенного к якорю
(рис. 10.3, а). Короткозамкнутую обмотку выполняют обычно из
одного или нескольких массивных витков и часто называют экраном.
Протекающий по основной обмотке переменный ток создает пере-
менный магнитный поток Ф, который разветвляется в полюсе сер-
дечника на два потока Ф, и Ф2; при этом один поток проходит через
свободную часть полюса, другой — через экранированную. Наличие
короткозамкнутой обмотки замедляет изменение магнитного потока,
создаваемого основной обмоткой. Такое тормозящее действие корот-
козамкнутой обмотки определяется законом электромагнитной ин-
дукции. Поэтому переменный поток Ф2, проходящий через часть
конца сердечника, охваченного экраном, отстает по фазе от потока
Ф,, проходящего через другую часть конца сердечника. В результате
на якорь действуют два магнитных потока, сдвинутых по фазе на угол φ
(рис. 10.3, б). Эти потоки будут создавать соответственно тяговые
усилия F э1 и Fэ2:
Как видно, суммарное тяговое усилие ни в какой момент времени
не обращается в ноль и, следовательно, всегда существует усилие,
удерживающее якорь от вибрации. Для полного устранения пере-
менной составляющей необходимо, чтобы Flm = F2m и фазовый угол
между потоками Ф, и Ф2составлял φ = π/2. Однако последнее условие
в этой конструкции невыполнимо, так как φ = π/2может быть толь-
ко при активном сопротивлении короткозамкнутого витка, равном
нулю. Практически достигают φ ~ 60° и при F\m ~ Fjm — Fm значение
F3l ~ F3l ~ F/2, т. е. усилие никогда не становится меньше половины
постоянной составляющей. Двухфазное реле имеет магнитопровод
из двух отдельных стержней с самостоятельными обмотками и один
общий якорь. По обмоткам протекают токи I1 и I2, сдвинутые по
фазе относительно друг друга за счет включения в одну из обмоток
фазосдвигающего элемента — емкости. Якорь находится под дей-
ствием тяговых усилий, создаваемых магнитными потоками Ф, и Ф2
обоих стержней. Суммарное тяговое усилие определяется выраже-
нием (10.6). Если бы угол сдвига фаз между потоками Ф, и Ф2 со-
ставлял φ = π/2, а создаваемые потоками тяговые усилия были
равны по амплитуде (Flm = F2m = Fm), то суммарное тяговое усилие
было бы постоянным:
Однако из-за наличия у емкости активного сопротивления полу-
чить такой сдвиг фаз нельзя, и в реальных реле он составляет 60... 80°,
поэтому тяговое усилие непостоянно.
Важнейшим элементом любого реле являются его контакты. Имен-
но они определяют его надежность и срок службы. По выполняемой
функции контакты делятся на з а м ы к а ю щ и е (при отсутствии
сигнала в обмотке реле они разомкнуты, а при его появлении замы-
каются), р а з м ы к а ю щ и е (при отсутствии сигнала они замкнуты,
а при появлении — размыкаются) и п е р е к л ю ч а ю щ и е (при от-
сутствии сигнала подвижный контакт замкнут с одним из неподвиж-
ных контактов, а при его появлении замыкается с другим неподвиж-
ным контактом). Условные обозначения обмотки реле и контактов
на принципиальных электрических схемах приведены на рис. 10.4.
Для обозначения на схемах принадлежности каждого контакта ис-
пользуется специальное двойное обозначение: вначале указывается
номер реле, а затем, через точку, — номер контакта. Например, обо-
значение К3.2 относится ко второму контакту третьего реле.
В простейшем случае контакты реле образуют контактную пару, в
которой один из контактов является подвижным, а другой — непо-
движным. В замкнутом состоянии рабочие поверхности контактов
прижимаются друг к другу с некоторым контактным усилием FK,
обеспечиваемым контактными пружинами, на которых крепятся
контакты. В зависимости от формы контактных тел, обусловливаю-
щей характер соприкосновения рабочих поверхностей контактов,
различают точечные, линейные и плоскостные контакты. Точечные
контакты, обеспечивающие соприкосновение рабочих поверхностей
контактов в точке, выполняются в виде конуса и плоскости, полусфе-
ры и плоскости, двух полусфер и применяются в цепях с небольши-
ми токами (не выше 2... 3 А). Линейные контакты, обеспечивающие
соприкосновение рабочих поверхностей контактов по линии, вы-
полняются в виде клиновидных и цилиндрических тел, при этом один
из контактов может быть плоским. Линейные контакты обычно при-
меняются в цепях с токами порядка единиц и десятков ампер.
Плоскостные контакты, обеспечивающие соприкосновение рабочих
поверхностей контактов по плоскости, используются в цепях повы-
шенной и большой мощности с токами порядка десятков и сотен
ампер.
В процессе работы реле контакты могут находиться в одном из
двух состояний: разомкнутом и замкнутом. Наиболее тяжелыми
условиями работы контактов являются замкнутое состояние, когда
через них течет полный ток нагрузки, и процесс размыкания, когда
на них выделяется вся запасенная в нагрузке (за счет ЭДС самоин-
дукции в управляемой цепи) энергия, что часто приводит к образо-
ванию электрической дуги. Если управляемая цепь содержит емкость,
то при замыкании контактов может возникнуть интенсивное искре-
ние. Оба эти явления приводят к разрушению контактов и сокраще-
нию срока их службы, поэтому на практике для искро- и дугогашения
используются специальные методы, например шунтирование индук-
тивности разрываемой цепи или шунтирование контактов. В обоих
случаях запасенная в индуктивности энергия при размыкании кон-
тактов выделяется на сопротивлении шунта и дуга не образуется.
Контакты реле, предназначенные для работы при небольших то-
ках, выполняются из драгоценных металлов (серебра, платины, зо-
лота, палладия) и их сплавов, а при сравнительно больших токах — из
вольфрама и его сплава с молибденом, сплава платины с иридием и
некоторых других. Мощные реле, размыкающие цепи с большими
токами, имеют контакты из графита и металлокерамики.
Магнитоуправляемые контакты
(герконы)
В рассмотренных выше реле коммутация цепи осуществлялась за
счет механического перемещения якоря (они называются якорными).
В последнее время все большее применение находят безъякорные
реле, в которых для коммутации используется магнитное поле по-
стоянного магнита или дополнительной обмотки, воздействующей
на герметизированный контакт (геркон). Они называются магни-
тоуправляемыми контактами (МУК).
В обычных ЭМР наиболее ненадежным элементом является кон-
такт, подвергающийся различным воздействиям среды — окислению,
запыленности, влажности, вызывающей коррозию, и др. Гермети-
зация контактов от воздействия внешней среды значительно повы-
шает надежность реле, его взрыво- и пожаробезопасность. Герконы,
совмещающие в себе ряд преимуществ обычных (механических)
контактов и полупроводниковых переключателей, занимают по
своим характеристикам промежуточное положение между ними. Они
применяются в концевых выключателях, шаговых переключателях и
искателях, датчиках положений и перемещений и т. п. Геркон (рис. 10.5)
состоит из миниатюрного стеклянного баллона 1 с впаянными вну-
три него двумя электродами 2 из ферромагнитного материала (пер-
маллоя), выполняющими одновременно роль контактных пружин и
магнитопровода. На концы пружин наносят слой из хорошо прово-
дящего материала (серебра, золота, родия) толщиной 2... 10 мкм,
образующий контакты 3. Токоотводами 4 являются наружные кон-
цы электродов 2. Если геркон поместить в магнитное поле, создан-
ное постоянным магнитом или током в обмотке, то в воздушном
промежутке между контактами возникнет электромагнитное уси-
лие F3. Когда оно окажется больше противодействующих сил, соз-
данных упругостью электродов, контакты замкнутся,
j Герконы бывают вакуумные и газонаполненные. В вакуумных
герконах давление в баллоне составляет 10-5... 10-6 мм рт. ст. Они
позволяют коммутировать цепи с напряжением до 5 ООО В. Газона-
полненные герконы содержат внутри баллона инертный газ (азот,
аргон). При наполнении баллона водородом при значительных
токовых нагрузках коммутируемое напряжение можно повысить до
400...600 В. Выполнение контактов из благородных металлов сни-
жает контактное давление, что, в свою очередь, способствует мало-
му износу контактов при большом числе их переключений; этим
обеспечивается высокая надежность герконов. Герконы могут без-
отказно работать, допуская до 108 срабатываний при коммутируе-
мой мощности 6 Вт. Время срабатывания составляет 0,5... 1 мс,
время отпускания 0,3... 0,5 мс. К достоинствам МУК следует также
отнести незначительную себестоимость, что объясняется малым
количеством деталей.
Герконы также могут работать (в одном баллоне) на замыкание,
размыкание и переключение.