Электромагнитные и индукционные реле

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Электромагнитными называют реле, функционирование которых основано на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки с током с подвижным ферромагнитным якорем.

Электромагнитные реле имеют относительно простые конструкции (магнитные системы трех типов, представлены на рис.6.1). При относительно малых габаритах они обладают сравнительно большими тяговыми усилиями, вследствие чего они нашли наибольшее применение, как на постоянном, так и переменном токе, в сравнении с другими типами реле.

Электромагнитные реле выполняют функции контроля параметров электроэнергии (реле напряжения, реле тока) и контроля коммутационного состояния устройств защиты (указательные реле). Кроме того, они выполняют функции размножения поступающего сигнала (промежуточные реле), а также на их базе создаются реле времени, которые дополнительно в своей конструкции содержат механический редуктор, обеспечивающий требуемую выдержку времени.

Реле выполняются на выходную мощность от единиц до нескольких тысяч ватт. Мощность в цепи управления колеблется в пределах от долей до нескольких сотен ватт. Собственное время срабатывания в зависимости от назначения, конструкции и схемы включения лежит в пределах от 1¸2 до 20 мс. Электромагнитные реле позволяют получить частоту включений в час до 1500 ¸ 4000.

Поляризованные реле также относятся к классу электромагнитных. Они более чувствительны. Мощность их срабатывания составляет 0,01¸0,005 Вт. Разрывная способность несколько ниже, чем у неполяризованных реле с обычными контактами.

У поляризованных реле направление тягового усилия зависит от полярности напряжения постоянного тока, подаваемого в его обмотку. В поляризованных реле создаются два независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий (управляющий). Поляризующий магнитный поток Ф_п создается постоянными магнитами либо электромагнитами. Рабочий магнитный поток Ф_р создается обмотками, по которым протекает ток управления.

Один из вариантов магнитной цепи поляризованного реле показан на рис. 8.2.

Поляризующий магнитный поток Ф_п постоянного магнита проходит через два воздушных зазора, разделяясь на два потока Ф_п1 и Ф_п2. При наличии только этих двух потоков якорь с подвижным контактом располагается справа или слева от нейтрального (среднего) положения. После подключения к обмотки напряжения с полярностью как указано на рис.8.2, возникает рабочий магнитный поток Ф_р, замыкающий последовательно через оба зазора.

Предположим, что якорь находился слева. Магнитные потоки в I и II контурах равны

Ф_I = Ф_п1 – Ф_р , Ф_II = Ф_п2 + Ф_р. (8.1)

При определенном значении тока в обмотке электромагнита, равным току срабатывания, тяговое усилие, обусловленное потоком во втором контуре, будет больше тягового усилия, созданного в первом контуре, и якорь перебросится слева направо. Для возврата якоря с подвижным контактом в исходное положение необходимо изменить полярность напряжения источника питания.

ЭТО ВАЖНО.Работа индукционных реле основана на использовании сил взаимодействия переменных магнитных полей неподвижных обмоток с токами, индуктированными этими полями в подвижном электропроводящем элементе. Поэтому такие реле могут работать только на переменном токе. Электропроводящий элемент выполняется в виде рамки, диска или цилиндрического ротора.

В системах релейной защиты и автоматики широкое распространение получили индукционные реле тока и индукционные реле направления мощности.

ПРИНЦИП РАБОТЫ. Принцип работы индукционных реле, как и счетчиков электроэнергии, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, индуктированными в алюминиевом диске. Вращающий момент в индукционном механизме получается за счет наличия двух магнитных потоков, сдвинутых относительно друг друга в пространстве и во времени. Сдвиг в пространстве достигается соответствующим расположением полюсов, а во времени - с помощью короткозамкнутого витка.

Магнитопровод 2 индукционных реле тока (рис.8.3) выполняется с расщепленными полюсами, между которыми размещается диск 4, закрепленный на оси 5. Один из полюсов охвачен короткозамкнутым витком 3. Обмотка 1, по которой протекает переменный ток, создает магнитный поток Ф, который при прохождении через воздушный зазор разделяется на два потока Ф1 и Ф2. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 будут сдвинуты относительно друг друга по фазе. Как и в электромагнитах переменного тока, за счет короткозамкнутого витка поток Ф1 будет отставать по фазе от потока Ф2.

Пронизывая диск, магнитные потоки индуктируют в нем вихревые токи I₁ и I₂. В результате взаимодействия магнитных потоков с индуктированными в диске токами возникают электромагнитные силы, создающие вращающий момент, относительно оси диска. Диск будет вращаться в сторону запаздывающего потока.

6.7. Электротепловые и герконовые реле

ЭТО ВАЖНО. Электротепловые реле, выполненные на базе биметаллической пластины, иногда называют биметаллическими реле. Они нашли широкое применение в автоматических выключателях и магнитных пускателях и предназначены для защиты электрических цепей от токов перегрузки.

Конструктивно биметаллическая пластина состоит из слоев двух металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. Слой биметаллической пластины с меньшим значением коэффициента линейного расширения называется инертным(пассивным) и изготавливается из инвара (36% никеля и 64% железа) или других сплавов. Слой пластины с большим значением коэффициента линейного расширения называется активным и изготавливается из константана, латуни, немагнитной стали.

К примеру, для латуни коэффициент линейного расширения в 20 раз больше, чем для инвара. Поэтому при увеличении температуры слой латуни удлиняется больше, чем слой инвара. Эти слои соединены жестко (сваркой или пайкой). Вся биметаллическая пластина при нагреве изгибается в сторону инвара (рис.8.4). Поскольку один конец биметаллической пластины закреплен, то механическое усилие, развиваемое пластиной при изгибании, используется для приведения в действие исполнительного элемента реле – контактов.

Максимальный прогиб биметаллической пластины Х_max (рис.8.4)

(8.2)

где a₁ и a₂ – активный и пассивный коэффициенты линейного расширения; d - суммарная толщина биметаллической пластины; l - длина биметаллической пластины; t - превышение температуры биметаллической пластины относительно температуры окружающей среды.

Незакрепленный конец биметаллической пластины развивает усилие

(8.3)

где b – ширина биметаллической пластины; Е = (Е₁ + Е₂)/2 – средний модуль упругости биметаллической пластины.

Для получения большого прогиба необходима пластина большой длины и малой толщины. В то же время при необходимости получения большого усилия целесообразно иметь широкую пластину с малой длиной и большой толщиной.

ЭТО ВАЖНО. Конструктивные формы биметаллических пластин разнообразны. Кроме того, нагрев биметаллических пластин может осуществляться током цепи, как это показано на рис.8.4, (ток протекает непосредственно через пластины) – прямой нагрев. При косвенном нагреве ток цепи протекает по нагревательному элементу и теплота от нагревательного элемента передается пластине. При комбинированном способе нагрева ток цепи протекает по пластине и нагревательному элементу соответственно.

Основными недостатками электротепловых реле являются зависимость работы от температуры окружающей среды и низкая точность. Кроме того, из-за инерционности теплового процесса они непригодны для защиты цепей от токов короткого замыкания.

Наименее надежным узлом электромагнитных реле является контактная система. Электрическая дуга или искра, образующие при размыкании и замыкании контактов, приводят к быстрому их разрушению. Этому также способствуют окислительные процессы, и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным недостатком электромагнитных реле является и наличие трущихся механических деталей, износ которых также сказывается на их работоспособности.

Перечисленные недостатки электромагнитных реле привели к созданию магнитоуправляемых контактов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Магнитоуправляемым контактом называется контакт электрической цепи, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического замыкания или размыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов и участков электрических и магнитных цепей. Магнитоуправляемый контакт, помещенный в герметизированный баллон, называется герметичным магнитоуправляемым контактом или герконом.

Простейшее герконовое реле с замыкающими контактом показано на рис.8.5. Контактные сердечники (КС) 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (пермаллоя) и ввариваются в стеклянный герметичный баллон 3. Баллон заполнен инертным газом – чистым азотом или с азотом с небольшой (около 3 %) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона геркона составляет (0,4¸0,6)10⁵ Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавливается в обмотке управления 4.

ПРИНЦИП РАБОТЫ. При протекании тока по обмотке герконового релевозникает магнитный поток Ф, который проходит по КС 1 и 2 через рабочий воздушный зазор между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4. Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу, которая, преодолевая упругость КС, соединяет их между собой.

Для улучшения контактирования поверхности касания покрываются тонким слоем (2¸50 мкм) золота, палладия, серебра и др.

При отключении обмотки магнитный поток и электромагнитная сила спадают и под действием сил упругости КС размыкаются. Таким образом, в герконовых реле отсутствуют детали, подверженные трению, а КС одновременно выполняют функции магнитопровода, токопровода и пружины.

Основные преимущества реле с герконами:

1) простота конструкции, малые масса и габариты;

2) низкое переходное сопротивление на контактах (0,01¸ 0,001 Ом);

3) гальваническая развязка цепей нагрузки и управления;

4) высокое быстродействие (время срабатывания и отпускания 1¸3 мс), что позволяет использовать герконы при частоте коммутаций до 1000 в секунду;

5) надежность работы в широком диапазоне температур от - 60 до +120^о С;

6) повышенная механическая износостойкость (до 10⁹ циклов);

7) простота и удобство эксплуатации и обслуживания.

В то же время реле с герконами имеют следующие недостатки:

1) восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от их воздействия;

2) малая мощность коммутируемых цепей;

3) невозможность регулировки;

4) хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и вибрациям, что требует принятия дополнительных мер по их защите;

5) возможность самопроизвольного размыкания контактов при больших токах;

6) значительный технологический разброс параметров.

Преимущества и недостатки герконов предопределили их область применения. Они широко используются в схемах автоматики и защиты как логические элементы, как электромеханические усилители сигналов между полупроводниковыми устройствами и силовыми ЭА.

Основные технические данные герконов: максимальная коммутируемая мощность 0,3¸30 Вт; максимальное коммутируемое напряжение 30¸250 В; общая длина 30¸80 мм; диаметр баллона 10¸50 мм.

ВЫВОДЫ.Таким образом, одними из основных элементов систем автоматики и защиты, в том числе систем управления технологическими процессами, являются электромеханические реле, которые осуществляют функции контроля параметров электроэнергии силовой цепи и обеспечения ее коммутации через силовые ЭА в нормальных (в основном контакторы) и аварийных (в основном автоматические выключатели) режимах работы.

Высокие эксплуатационно-технические характеристики имеют герконовые реле (отсутствует дуга при коммутации, нет трущихся деталей) в сравнении с другими типами реле, однако на сегодня они имеют низкие энергетические показатели, и, прежде всего, коммутационную мощность.