Краткая теория

Электромагнитные реле являются одними из наиболее распространенных устройств автоматики. В некоторых САУ применяется до нескольких сотен таких реле. По роду тока, которым питаются катушки, различают реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока подразделяются на реле нейтральные и поляризованные.

Нейтральное реле представлено на рис. 3.1. Оно содержит: магнитопровод, состоящий из корпуса (ярма) 1, сердечника 9, якоря 7, выполненных из мягкой электротехнической стали, имеющей небольшой остаточный магнетизм при выключении реле. На неподвижном сердечнике крепится каркас 11 из электроизолирующего материала с обмоткой 10, имеющей W витков. В нормальном состоянии (при обесточенной катушке) якорь отжат от сердечника действием возвратной пружины 5 и контактных пружин подвижных контактов. При этом одна пара контактов замкнута (размыкающий контакт), а вторая разомкнута (замыкающий контакт).

Рис. 3.1

Главными рабочими элементами реле являются неподвижный сердечник с обмоткой (электромагнит) и подвижный якорь. Осью вращения якоря служит призматическая опора 6. Штифт 3, прикрепленный к якорю, выполняет роль рычага, передающего движение контактам при притягивании якоря к сердечнику. В якорь против оси сердечника запрессовывается накладка 8 из латуни или меди высотой 0,1 – 0,5 мм, которая служит для ликвидации «залипания» контактов при выключении реле.

При протекании тока по катушке реле в магнитопроводе возбуждается магнитный поток Ф, который проходит через воздушный зазор. Как известно, магнитный поток

где в знаменателе – полное магнитное сопротивление магнитной цепи (ярма, сердечника, якоря и воздушного зазора), а числитель представляет собой намагничивающую (магнитодвижущую) силу.

Часть энергии расходуется на нагрев катушки при протекании по ней тока, другая ее часть, преобразованная в магнитный поток, создает электромагнитное усилие F_э, называемое тяговым или электромеханическим. В результате этого усилия якорь притягивается к сердечнику, преодолевая действие механических сил F_м – возвратной 5 и контактных 4 пружин.

В свою очередь якорь через штифт 3 воздействует на контактные пружины, отчего контакты KЗ должны замкнуться, а контакты KР – разомкнуться. После выключения тока сердечник электромагнита размагнитится и якорь под действием механических сил пружин возвратится в исходное положение.

Существуют различные конструкции реле. Наиболее распространены реле с поворотным и со втяжным якорем.

Различают реле тока и реле напряжения. В реле тока катушка включается в цепь последовательно, в реле напряжения – параллельно. Первые, как правило, имеют небольшое число витков катушки и ее малое сопротивление. У вторых до 10000 витков и сопротивление до нескольких килоом.

По форме рабочих поверхностей контакты делятся на три группы: точечные, линейные и плоские. Изготавливаются контакты из красной меди, сплавов серебра с золотом, платины, вольфрама и др.

Различают тяговую и механическую характеристики реле (рис. 3.2). Тяговой характеристикой называется зависимость усилия F_э, действующего на якорь, от величины воздушного зазора при данной намагничивающей силе.

Механической характеристикой называется зависимость механических сил, действующих в зазоре между якорем и сердечником, от величины зазора. Соотношение этих характеристик обусловливает чувствительность реле, коэффициент возврата, давление контактных пружин и т. д.

Тяговая характеристика может быть определена через электромагнитное усилие, равное

F_э =

где – абсолютная магнитная постоянная воздуха;

S – площадь воздушного зазора.

Механическая характеристика представляет собой ломаную линию. Участку характеристики 1 – 2 соответствует усилие, которое необходимо приложить к якорю, чтобы преодолеть начальное давление верхней контактной пружины на нижнюю и упругость возвратной пружины. После размыкания контактов при дальнейшем перемещении якоря вплоть до упора необходимо дополнительное усилие для преодоления упругости верхней контактной пластины (участок 2 – 3). Когда якорь притянется, увеличение усилия уже не приведет изменению зазора .

Чтобы реле сработало, тяговая характеристика должна лежать выше механической, а чтобы отпустило – ниже.

На рис. 3.3 представлена статическая характеристика реле, показывающая зависимость перемещения якоря от магнитодвижущей силы IW. Так как число витков для конкретного реле – величина постоянная, понятие «магнитодвижущая сила срабатывания» можно заменить понятиями «ток срабатывания I_сраб» и «ток отпускания I_отп».

Параметры реле – ток срабатывания, ток отпускания, коэффициент запаса, коэффициент возврата, время срабатывания, время отпускания.

Рис. 3.2	Рис. 3.3

Током срабатывания называется ток в обмотке реле, под действием которого электромагнитное усилие F_э превышает механическое усилие F_м и якорь притягивается к сердечнику, замыкая и размыкая соответствующие контакты.

Током отпускания называют ток, действие которого не может создать электромагнитное усилие F_э, способное удержать якорь в притянутом положении.

Рабочий ток обычно больше тока срабатывания реле, т. е.

I_раб = k₃ I_сраб,

где k₃ = 1,2; 1,5.

Коэффициентом возврата называется отношение тока отпускания к току срабатывания реле

k_B = I_отп / I_сраб

 

В реле различных конструкций коэффициент возврата меняется в пределах 0,4 – 0, 95.

Поляризованные реле – это реле, у которых направление перемещения якоря и переключение контактов происходит в зависимости от полярности приложенного напряжения. Одна из конструкций такого реле представлена на рис. 3.4. Реле имеет неподвижный сердечник 1, на который наматывается обмотка из двух секций W/2. Эти секции (катушки) соединяются последовательно так, что при одном направлении тока, проходящего по катушкам, создается магнитный поток Ф, проходящий по сердечнику 1 в одном направлении, в том числе через воздушные зазоры ₁ и ₂. В средней части реле поток Ф равен нулю, так как его составляющие от секций катушек направлены в противоположные стороны и равны.

Рис. 3.4

В рабочую цепь якоря 5 вводится постоянный магнитный поток Ф, создаваемый или постоянным магнитом 6, или электромагнитом.

Поток Ф называется поляризующим (подмагничивающим). Этот поток в реле образует две магнитные цепи: левую и правую. Направление составляющих потока всегда постоянно, их величина также практически не изменяется. При напряжении питания катушек реле в правой части сердечника потоки, созданные обмоткой и постоянным током, суммируются, так как имеют одно направление, а в левой части взаимно уничтожаются. Это приводит к тому, что якорь 5 притягивается к правому сердечнику и контакт 3–4 замыкается. При изменении полярности напряжения, приложенного к катушкам реле, якорь притянется к левому сердечнику и замкнутся контакты 3–2. Если напряжение мало или отсутствует, якорь реле находится в среднем положении и контакты все разомкнуты.

Поляризованные реле могут быть двухпозиционные или трехпозиционные. Чувствительность (срабатывание при меньших токах в цепи катушки), быстродействие поляризованных реле выше нейтральных с механическими пружинами в 10 – 20 раз. Электромагнитная сила притяжения якоря создается в этих реле благодаря не только току катушки, но и поляризующему магнитному потоку.

Реле переменного тока несколько отличается от реле постоянного тока. Так как синусоидальный переменный ток дважды за период становится равным нулю, сила притяжения якоря в эти моменты тоже равна нулю. Это явление вызывает вибрацию якоря, дребезжание контактов и быстрый износ реле.

Во избежание вибрации якоря для получения практически постоянной электромагнитной силы притяжения якоря применяют реле переменного тока, раздвоение сердечника и установку на нем короткозамкнутого витка (кольца, рис. 3.5). Сердечник I раздвоен на полюса S1 и S2, на полюс S2 надето кольцо 3 (в некоторых случаях роль кольца выполняет короткозамкнутая обмотка). При протекании тока по катушке 4 реле создается переменный магнитный поток Ф₁ в сердечнике I. Одна его часть (Ф) проходит через полюс S1, другая (Ф) – через полюс S2 c кольцом.

Рис. 3.5

Поток Фнаводит в короткозамкнутом витке ЭДС, в результате чего в витке появляется ток I. Этот ток создает новый магнитный поток Ф₂, который сдвинут на угол 90° относительно создавшего его потока Ф₁. Векторная сумма этих потоков будет равна потоку Ф₁. Поток Фсдвинут на угол относительно потока Ф₂ (рис. 3.6), а следовательно, и потока Ф₃.

Таким образом, в сердечнике 1 и якоре 2 проходит суммарный магнитный поток, созданный потоками Ф₁ и Ф₂, и когда один поток уменьшается до нуля, второй имеет значительную величину. Векторная сумма потоков в магнитопроводе реле создает суммарную электромагнитную силу F_эм1 +F_эм2, которая имеет незначительные колебания по величине, но никогда не уменьшается до нуля (рис. 3.7).

 

Рис. 3.6

Рис. 3.7