Лекция 3. Электромагнитные устройства автоматики, электромагнитные реле

Электромагнитное устройство, преобразующее входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и вне этого сердечника. Магнитное поле обнаруживается путем воздействия на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивается к сердечнику электромагнита.

Ферромагнитные материалы, применяемые в электра- аппаратостроении,

обладают ярко выраженной нелинейной зависимостью электромагнитной индукции и магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля (рис.1).

Рис.1. Зависимость электромагнитной индукции (a) и

магнитной проницаемости (б) от напряженности в

ферромагнитных сердечниках

 

Рис. 2. Петля гистерезиса ферромагнитного материала сердечника

Эта зависимость использована в усилителе электрических сигналов, действие которого основано на нелинейности характеристик ферромагнитных материалов.

Основным показателем качества ферромагнитного материала сердечника является его петля гистерезиса — способность материала сохранить остаточную магнитную индукцию при уменьшении напряженности до нуля (рис. 2).

Петля гистерезиса определяет следующие четыре основные характеристики магнитной цепи усилителя:

B_s—магнитная индукция насыщения. За этой точкой индукция уже не возрастает с увеличением напряженности поля Н, а значение магнитной проницаемости μ становится равной единице (т. е. магнитной проницаемости воздуха);

В_R—остаточная магнитная индукция. Когда напряженность уменьшается до нуля от точек B_s поток уменьшается не до нуля, а до В_R. Остаточная намагниченность сохраняется бесконечно долго, практически до нового воздействия магнитного поля. Это качество обусловливает наличие «памяти» у магнитных материалов;

K_u=B_R/B_s— коэффициент прямоугольности. Для магнитных усилителей желательно значение, близкое к единице, так как увеличивается линейная часть характеристики;

Н_с—коэрцитивная сила. Это значение напряженности магнитного поля, необходимое для того, чтобы магнитная индукция менялась от—B_R до нуля.

Реле.

Реле, или релейным элементом, называется устройство, в котором при определенном значении входного сигнала выходной сигнал скачкообразно принимает конечное число значений.

Реле имеют широкое применение в системах автоматики, так как с их помощью можно: а) управлять большими мощностями на выходах посредством входных электрических сигналов сравнительно малой мощности; б) выполнять логические операции; в) создавать многофункциональные релейные устройства; г) осуществлять коммутацию электрических цепей;

д) фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня; е) выполнять функции запоминающего элемента; ж)выполнять функции элементы цифрового устройства и т.д

Реле классифицируется по различным признакам: по виду физических величин, на которые они реагирует; по выполняемым функциям в системе управления, по назначению.

По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические реле.

По назначению и функциям, выполняемым в системах управления, различают реле защиты, управления, контроля.

В конструкциях реле имеются воспринимающие органы, реагирующие на внешнее воздействие, коммутирующее (исполнительные) органы, осуществляющие передачу воздействия от реле в управляемые цепи, и промежуточные органы, перерабатывающие и передающие воздействия от воспринимающих органов к коммутирующим органам. Все эти органы могут быть явно выраженными или объединенными друг с другом.

По устройству воспринимающих органов электрические реле подразделяются на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, электронные, электростатические и др.

По устройству коммутирующих органов электрические реле подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные реле воздействует на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых изменяет сопротивление электрической цепи от 0 до бесконечности, при этом имеет место или _полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи. Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путем резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, ёмкости) или изменения уровня напряжения (тока). При этом конечное значение выходной величины устанавливается без нарушения гальванических связей, т.е коммутация осуществляется без механического разрыва электрической цепи. Бесконтактные реле по сравнению с контактными в большинстве случаев являются более надежными и быстродействующими, а также меньшими по габаритам.

Основными характеристиками и параметрами реле являются: характеристика управления, параметр срабатывания, коэффициент запаса, коэффициент управления, время срабатывания, время отпускания, мощность срабатывания, рабочая мощность, управляемая мощность.

Важными временными параметрами реле, характеризующими его быстродействие, являются время срабатывания и время отпускания.

Время срабатывания - промежуток времени от подачи на вход сигнала х=х_ср до начала воздействия на управляемую цепь.

По времени срабатывания различают нормальные, быстродействующие, замедленные реле и реле времени.

Обычно для нормальных реле t_cp=50-150 мс; для быстродействующих реле t_cp<50 мс, для замедленных реле t_cp= 0,15-l с и для реле времени t_cp>l с.

Реле времени создающие требуемую задержку в передаче воздействия от одного элемента к другому, необходимы в ряде устройств автоматики (например, в устройствах сигнализации и программных устройств)

Время отпускания - промежуток времени от подачи на вход сигнала п до начала воздействия на управляемую цепь.

Для анализа работы релейных схем часто используют временные диаграммы. Общая временная диаграмма релейного элемента приведена на рис. 1, На диаграмме в масштабе отложены: время срабатывания t_cp, время отпускания t_отп и рабочее время реле t_p. (На рис.1 есть не точность t_отп и t_p надо поменять местами) При срабатывания реле может иметь место один из двух возможных случаев: коммутирующий орган меняет свое состояние с нулевого на единичное (рис.2) или с единичного на нулевое (рис.3).

Мощность срабатывания Р_ср- минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу реле, чтобы перевести его из состояния покоя в рабочее состояние. В маломощных реле она не превышает 1 Вт, в реле средней мощности составляет 1- 10 Вт и в мощных реле - более 10 Вт. По величине мощности срабатывание принято характеризовать порог чувствительности реле. Реле считаются чувствительными при 10^-2 < Р_ср< 10^-1 Вт, высокочувствительными при Р_ср< 10^-2 Вт, нормальными при Р_ср> 10^-1 Вт.

 

Рабочая мощность - мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу реле, чтобы обеспечить надежное срабатывание и удержание реле в рабочем состоянии, она должна быть несколько больше мощности срабатывания

 

Устройство и принцип действия

На рис. 4 изображена конструкция простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При протекании тока в обмотке образующийся между якорем и сердечником магнитный поток создает магнитную силу притяжения якоря. При притяжении якорь вторым плечом перемещает вверх толкатель, вследствие чего одни контакты размыкаются, а другие замыкаются. В исходное положение якорь возвращается пружиной при обесточивании обмотки.

Рассмотренное реле не реагируют на полярность входного сигнала. Такие реле называют нейтральными.

Реле, реагирующие на полярность или фазу управляющего напряжения или тока, называют поляризованными. В основу их работы положено взаимодействие магнитного потока электромагнита с потоком постоянного магнита.

На рис.5(а) показана конструкция поляризованного Реле. Поляризованные реле могут быть двухпозиционными, трехпозиционными и «с преобладанием». При обесточенной обмотке якорь двухпозиционного реле может находиться в одном из двух крайних положений, трехпозиционного реле - в среднем (нейтральном) положении, реле «с преобладанием» будет притянут к одному и тому же полюсу.

В последние время появились реле Рис. 5(б) с магнитоуправляемыми контактами, которые иногда называют контракторами или герконами. Магнитоуправляемый контакт представляет собой заполненный азотом стеклянный баллон с заключенными в него контактными лепестками,

Рис. 4. Конструкция электромагнитного Рис. 5. Конструкция поляризован-

нейтрального реле клапанного типа (а), ного реле (а) и реле с магнито-

его схема (б), и характери­стика (в): управляемыми контактами(б)

1- плата; 2 —ярмо; 3 — каркас;

4 – обмотка; 5—сердечник;

6 — штифт отлипания; 7 - якорь;

8 — возвратная пружина; 9,10- контакты;

11- толкатель.

 

выполненными из пермаллоя и имеющего позолоченные концы. Контактные лепестки одновременно служат магнитопроводом. Нормальное состояние контактов - разомкнутое. При наличие тока в обмотке создается магнитное поле, направленное вдоль лепестков, вследствие чего в зазоре между ними возникает сила притяжения и контакты замыкаются. Внутри катушки реле можно разместить различное число магнитоуправляемых контактов (Рис.6 б с одним контактом) Основными преимуществами реле на магнитоуправляемых контактах являются герметичность и, следовательно, отсутствие воздействий на контакты окружающей среды, повышенная надежность контактирования, быстродействие, большая износостойкость (до 10^7-10^9 срабатываний), отсутствие механической системы передачи. Однако по сравнению с электромагнитными реле они имеют большие габариты и вес, и более низкую чувствительность.

Корпус Контактные пружины

Рис.6 Электромагнитное реле с герметизированными контактами (герконы) (б);

Реле на электрических схемах(в)

Искрение контактов - один из основных недостатков электромагнитных реле. Искрение приводит к быстрому их износу. Кроме того, при искрении возникают радиопомехи.

Контрольные вопросы:

1. Для чего применяются реле

2. Назначение и классификация электромагнитных реле.

3. Каковы основные характеристики и параметры реле.

4. Принцип действия нейтральных реле.

5. Принцип действия поляризованного реле.