Электромагнитные нейтральные реле

Глава 17

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НЕЙТРАЛЬНЫЕ РЕЛЕ

§ 17.1. Назначение. Принцип действия

В системах автоматики одним из наиболее распростра­ненных элементов является реле— устройство, в котором при плав­ном изменении входного (управляющего) сигнала осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала.

В электромеханических реле изменение (переключение) выход­ного сигнала осуществляется посредством контактов, а усилие, перемещающее контакты, создается электромеханическим преобразо­вателем электрической энергии в механическую. Простейшим из таких преобразователен является электромагнит. Поэтому из электромеханических реле наибольшее распространение получили электромагнитные реле.

Пусть входной сигнал х_вх изменяется во времени непрерывно (т. е. может принимать любые значения) от нуля до некоторого значения, а затем также непрерывно уменьшается, как показано на рис. 17.1, а. Сначала при малых значениях х_вх выходной сигнал х_вых равен нулю. Но когда входной сигнал увеличится до некоторого значения х_вхср выходной сигнал скачком примет значение х_выхср (рис. 17.1, б). При дальнейшем увеличении входного сигнала вы­ходной сигнал не изменяется и остается равным х_выхср. При умень­шении сигнала х_вх значение выходного сигнала не изменяется, но при уменьшении его до значения х_выхотп выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При дальнейшем уменьшении входного сиг­нала нулевое значение выходного сигнала сохраняется. Зависи­мость выходного сигнала от входного показана на рис. 17.1, а.

Рекомендуемые материалы

Значение входного сигнала х_вхср, при котором выходной сигнал скачком изменяется от 0 до х_выхср, называется сигналом срабаты­вания. Значение входного сигнала х_вхотп, при котором выходной сигнал скачком изменяется от х_выхср до 0, называется сигналом от­пускания. Как правило, сигнал срабатывания больше сигнала от­пускания (.х_вхср>х_выотп). Поэтому изменение х_вых при увеличении *вх происходит по одному графику, а при уменьшении х_вх —по дру­гому (рис. 17.1, в). В этом случае можно сказать, что характеристика реле имеет петлю гистерезиса. В ряде случаев, когда значения сигналов срабатывания и отпускания близки, гистерезисом можно пренебречь. В этом случае зависимость х_вых—f(х_вх) показана на рис. 17.1, г. Теперь рассмотрим изменение выходного сигнала при изменении полярности входного сигнала. Если полярность выход­ного сигнала не влияет на полярность выходного сигнала, то при х_вс=—х_вхср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до х_выхср (рис. 17.1, д). Такую характеристику имеют нейтральные реле. Если полярность выходного сигнала влияет на полярность вы­ходного сигнала, то при х_вх=—х_вхср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до —х_выхср (рис. 17.1, е). Такую характеристи­ку и подобные ей имеют поляризованные реле.

По принципу дейстивя различают электромеханические реле, магнитные бесконтактные реле, электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические реле и др.

Реле применяются в схемах автоматического управления, а так­же для сигнализации, защиты и блокировки.

Рассмотрим работу реле на примере схемы сигнализации, пока­занной на рис. 17.2, с использованием реле. Реле состоит из обмот­ки 1, размещенной на неподвижном сердечнике 2, подвижного яко­ря 3 и контактов 4, 5, 6. Сердечник с обмоткой и якорем представ ляет собой электромагнит. Когда под действием напряжения U по обмотке 1 проходит ток 1, якорь 3 притягивается к сердечнику 2 и перемещает подвижный контакт 6 влево. При этом контакты 5 и 6 размыкаются, а контакты 6 и 4 замыкаются. Контакт 6 размещен на плоской пружине. Когда ток в обмотке 1 прекратится, сила при­тяжения якоря 3 к сердечнику 2 будет равна нулю и усилие сжатой пружины контакта 6 заставит якорь вернуться в прежнее положе­ние. При этом снова замкнутся контакты 5, 6 и разомкнутся кон­такты 6 и 4. Таким образом, основными частями реле являются электромагнит, контактный узел и противодействующая пру­жина.

Схема на рис. 17.2 работает следующим образом. Пока кнопка не нажата, ток в реле не поступает и горит лампа H L.1 (зеленая), которая питается напряжением сети переменного тока U.. через замкнутые контакты 5 и 0. Лампа HL2 (красная) при этом не го­рит, поскольку контакты 6 и 4 разомкнуты. Если нажата кнопка, то ток идет в обмотку реле, оно срабатывает (т. е. в электромагни­те якорь 3 притягивается к сердечнику 2) и замыкаются контакты 6. 4, а контакты 5, 6 размыкаются. Загорается лампа HL2 (крас­ная), получая питание через контакты 6, 4, а лампа HL1 гаснет. Так будет до тех пор, пока нажата кнопка. Если ее отпустить, то схема возвратится в исходное состояние.

На рис. 17.3 показана электрическая схема, соответствующая рис. 17.2, на которой использованы стандартные условные обозна­чения элементов. Обмотка реле обозначена прямоугольником. Кон­тактные пары 5—6 и 6—4 показаны в том состоянии, в котором они находятся, когда ток по обмотке реле не проходит. Контакты 5—6 называются размыкающими, контакты 6—4 — замыкающими. Об­ратите внимание на то, что обмотка реле и его контакты обозначе­ны одинаковыми буквами К. На электрической схеме они могут находиться в самых разных местах, хотя конструктивно относятся к одному и тому же устройству. Одно реле может иметь несколько замыкающих и размыкающих контактов, но все они должны обоз­начаться одинаковыми буквами (или буквами и цифрами, если в схеме используется несколько реле).

Ток и мощность в цепи обмотки реле обычно значительно мень­ше, чем ток и мощность в цепи нагрузки, переключения в которой осуществляются с помощью контактов этого реле. Поэтому можно говорить о эффекте усиления, обеспечиваемом реле. Это значит, что кнопка а пени обмотки реле может быть маломощной. Например, вместо нее можно применить путевой выключатель или микропере­ключатель. А контакты реле уже могут быть достаточно мощными, но они размещены в более благоприятных условиях, чем управляю­щие контакты путевого выключателя, находящегося непосредствен­но на производственном механизме. Само реле находится обычно в каком-либо шкафу управления, а в конструкции реле предусмот­рены меры но защите контактов.

§ 17.2. Основные параметры и типы электромагнитных реле

К основным параметрам электромагнитных реле относят­ся следующие.

Ток срабатывания /_ср, при протекании которого по обмотке реле происходит срабатывание электромагнита и переключение кон­тактов.

Рабочий ток /_р, при котором обеспечивается надежное удержа­ние контактов в переключенном состоянии. Обычно /_Р>I_cp.

Ток отпускания /_отп, при котором электромагнит отпускает и контакты возвращаются в исходное состояние: /_отп</ср.

Допустимый ток через контакты /_{к доп}.

Допустимое напряжение между контактами U _ДОп, которое огра­ничивается напряжением пробоя между разомкнутыми контактами.

Время срабатывания /_cр— промежуток времени с момента пода­чи напряжения на обмотку реле до момента переключения коп-тактов.

Время отпускания /_отn — промежуток времени с момента снятия напряжения с обмотки реле до момента отпускания реле.

По мощности управления (электрической мощности, потреб­ляемой обмоткой) реле разделяют на маломощные (Р_кдоп <1 Вт), средней мощности (Р_кдоп— 1-10 Вт) и мощные (Р_кдоп >10 Вт). Мощность управления определяется напряжением питания реле и током срабатывания.

По времени срабатывания электромагнитные реле подразделя­ются па быстродействующие (t_ср<50 мс), нормальные (t_cp — 50  150 мс) и замедленные (/_ср = 0,15М с). Для получения задерж­ки срабатывания па время больше секунды служат специальные реле времени.

В зависимости от питания обмотки реле и способа создания магнитного поля различают электромагнитные реле постоянного и переменного тока. В свою очередь, электромагнитные реле по­стоянного тока разделяются па нейтральные и поляризованные. В нейтральных реле независимо от направления тока в обмотке срабатывают одни и тс же группы контактов. В поляризованных реле при одном направлении тока в обмотке срабатывает одна группа контактов, при другом направлении тока — другая группа контактов.

По характеру движения якоря электромагнитные нейтральные реле разделяют па два типа: с поворотным якорем и с втяжным якорем.

Отечественная промышленность выпускает в большом количе­стве электромагнитные реле разных типов для разнообразного применения. Для промышленной автоматики в последнее время освоены промежуточные реле серий РП20, РП21 и РПЛ с при­ставками. Реле РП20 и РП21  применяются в цепях управления лектроприводами с питанием от сети переменного тока напряже­нием до 440 В и от сети постоянного тока напряжением до 220 В Они могут иметь устройства для гашения дуги и число контактов до 8. Реле РПЛ применяются для коммутации цепей переменно­го тока напряжением до 660 В и цепей постоянного тока напря­жением до 440 В. К этим реле имеются приставки типа ПКЛ отличающиеся числом контактов (до четырех размыкающих и за­мыкающих), приставки ПВЛ, обеспечивающие выдержку времени от 0,1 до 180 с, приставки ППЛ, обеспечивающие удерживание контактной системы реле во включенном состоянии после обес-точиваиия обмотки реле.

Наиболее разнообразны реле для радиоэлектроники. Самые большие из них (типов РКА, РПН, МКУ-48 и др.) применяются главным образом в аппаратуре связи, но могут использоваться и для промышленной автоматики. Самые маленькие (типа РЭС) называются миниатюрными. Например, реле РЭС 80 имеет массу 2 г и габаритные размеры 5,3X10,4X10,8 мм. Элементы контакт­ного узла миниатюрных реле крепятся непосредственно па метал­лических выводах цоколя.

§ 17.3. Электромагнитные реле постоянного тока

Устройство электромагнитных реле постоянного тока по­казано на рис. 17.4: а —с поворотным якорем, б —с втяжным яко-

рем. Основные детали и узлы реле имеют следующие обозначе­ния: / — катушка на каркасе; 2 — ярмо; 3 — сердечник; 4 — якорь;

5 — штифт отлипания (немагнитная прокладка); б — возвратная пружина; 7— подвижные контакты; 8 — неподвижные контакты.

Магпитопровод электромагнитного механизма реле состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть называется якорем. Неподвижная часть состоит из сердечника, который на­ходится внутри катушки, и ярма — той части магпитопроиода, ко­торая охватывает катушку.

В реле с поворотным якорем (рис. 17.4, а) электромагнитный механизм и контактный узел закреплены на общем изоляционном основании 9. При протекании тока по обмотке катушки / якорь 4 притягивается к сердечнику 3 и совершает поворот относитель­но точки опоры А. При этом якорь перемещает подвижный кон­такт 7, который размыкается с неподвижным контактом 8' и за­мыкается с неподвижным контактом 8". Контакты закреплены на плоских пружинах 10, которые служат и для подсоединения к внешней цепи. Когда ток через обмотку реле прекращается, якорь поворачивается в исходное положение.

В некоторых реле это происходит под действием силы тяже­сти якоря, в некоторых — под действием контактных пружин или специальной возвратной пружины 6. Для того чтобы якорь при обссточивапии обмотки не прилипал к сердечнику из-за остаточ­ного намагничивания магпитопровода, па якоре устанавливается штифт отлипания 5 — пластинка из немагнитного материала, обе­спечивающая зазор примерно в 0,1 мм между якорем и сердечни­ком при срабатывании реле. Обычно сердечник имеет полюсный наконечник 11 для уменьшения магнитного сопротивления рабо­чего воздушного зазора.

В электромагнитном реле с втяжным якорем (рис. 17.4, б) при протекании тока по обмотке катушки 1 якорь 4 втягивается внутрь ее до упора в сердечник 3. При этом подвижные мостиковые кон­такты 7 размыкаются с неподвижными контактами 8' и замыка­ются с неподвижными контактами 8". Возврат якоря 4 в исход­ное положение при обесточивании реле происходит под действием возвратной пружины 6. Как и в реле с поворотным якорем, для исключения залипания якоря служит штифт 5. Для возврата яко­ря в исходное положение может использоваться и сила тяжести якоря.

§ 17.4. Последовательность работы электромагнитного реле

Рассмотрим последовательность работы электромагнит­ного реле с момента подачи напряжения на обмотку реле до мо­мента снятия напряжения с обмотки и возвращения якоря в исход­ное положение. Поскольку обмотка реле имеет индуктивное сопро­тивление, ток в ней не может измениться скачком. Изменение тока щадь Оbф на рис. 17.6, а), и энергии, распределенной в стальных частях магнитопровода (заштрихованная площадь Оаb на рис. 17.6, а). Магнитопровод реле обычно не насыщен, т. е. работа реле происходит на прямолинейном участке кривой намагничивания.

По­скольку воздушный зазор имеет  сравнительно большую величину, можно пренебречь второй частью энергии (площадью Oab). Маг­нитную энергию, запасенную в воздушном зазоре, приближенно определяем как площадь всего тре­угольника ОаФ:

W_b=Iw Ф/2.        (17.4)

Теперь рассмотрим процесс, изменения энергии магнитного поля при перемещении якоря, по­лагая ток в обмотке реле неизт мепным: I = const. При переме­щении якоря уменьшается зазор, а магнитный поток увеличивается от Ф₁ до Ф₂. Следовательно, из­менение энергии AW можно при-

ближенно определить как площадь   прямоугольника   Ф,аbф₂  на рис. 17.6, б:

 

До начала движения якоря энергия поля определялась площадью треугольника ОаФ₁, после перемещения якоря на б энергия поля определялась площадью треугольника ОbФ₂. Разница этих площа­дей и даст нам изменение магнитной энергии в воздушном зазоре:

 

Изменение энергии AW по уравнению (17.5) произошло за счет поступления энергии из сети. Половина ее, как видно из уравнения (17.6), пошла на изменение энергии в воздушном зазоре. Куда же была израсходована вторая половина энергии AW, численно при­мерно равная AW_b?

Эта вторая половина энергии (на рис. 17.6, б она соответствует площади треугольника Oab) расходуется на создание механической работы A_мех при перемещении якоря под действием электромаг­нитной силы F_a:

Подставляя в (17.7) выражение (17.6), получим

 

Магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет магнито­движущей силы (МДС) (/w) в и пропорционален магнитной прово­димости зазора Ge.

Так как мы приняли /=const, то и МДС (/w)  = const, а изме­нение потока Ф = Ф₂—Ф1 происходит за счет изменения прово­димости воздушного зазора G_:

Для воздушного зазора длиной б между двумя плоскостями, площадь сечения которых s, магнитная проводимость определяет­ся по формуле

Подставляя (17.11) и значение ₀ в (17.10), получим электромагнитную силу при изменении зазора от  до нуля:

Эту формулу можно преобразовать, учитывая что

Из (17.12) следует, что электромагнитное тяговое усилие прямо пропорционально квадрату МДС, т. е. не зависит от направления тока в обмотке реле. Эта сила тяги обратно пропорциональна квад­рату длины б воздушного зазора. Тяговая характеристика F_a—f() показана на рис. 17.7. В зоне малых зазоров реальная тяговая ха­рактеристика отличается от теоретической, построенной по (17.12), — штриховая кривая на рис. 17.7. Напомним, что мы вы­водили уравнение силы тяги, приняв некоторые допущения. При малых зазорах необходимо учитывать магнитное сопротивление стальных участков   магнитопровода,   которыми   мы   пренебрегли.

Рассмотрим теперь механическую характеристику реле. Пере­мещению якоря реле в направлении сердечника противодействуют силы упругих элементов. Такими упругими элементами являются возвратная и контактная пружины.

Подвижный контакт реле обычно размещается на плоской пру­жине, представляющей собой упругую металлическую пластину, один конец которой жестко закреплен, а другой может переме­щаться (см., например, контакт 6 на рис. 17.2). Противодействую­щая сила, развиваемая плоской пружиной, определяется по формуле

где E —модуль упругости материала пружины; I=bh³/12 — момент инерции пружины; b — ширина; h — толщина пружины; I — рассто­яние от места закрепления пружины до точки приложения силы; х — перемещение пружины в точке приложения силы.

В исходном состоянии пружина не деформирована, сила равна нулю. Перемещение пружины х при срабатывании реле будет происходить в направлении уменьшения зазора, по­этому зависимость F_ь{) имеет вид

                                                                                                                                (17.15)

                                                                                               В качестве возвратных обычно используются, ви­тые пружины. Зависи­мость усилия, развивае­мого винтовой пружиной, от перемещения имеет вид, аналогичный уравне­нию (17.15):

                                                                                                                                (17.16)

                                                                                             

                                                                                              где G — модуль упруго­сти при сдвиге; J — мо­мент инерции при круче­нии;  г — радиус    витка пружины; n —число витков; F_nar— сила предварительного натяга пружины.

Графики зависимости противодействующих сил пружин имеют вид прямых линий, поскольку эти силы пропорциональны дефор­мации (перемещению) пружины.

Рассмотрим построение механической характеристики реле на примере контактной группы, показанной на рис. 17.8, а. При сра­батывании реле якорь 1 сначала преодолевает натяжение винтовой пружины 4, затем, когда конец рычага доходит до контактной плас­тины 2, добавляется усилие от ее деформации, а когда контакт плас­тины 2 замыкается с контактом пластины 3, добавляется и усилие от деформации этой пластины 3. Механическая характеристика Fм=f() показана на рис. 17.8,6. В исходном состоянии на якорь действует лишь начальное усилие Fнач — предварительный натяг пружины 4.

При изменении зазора о на 6i будет холостой ход рычага якоря до соприкосновения с пластиной 2, противодействующая сила воз­растает пропорционально деформации винтовой пружины 4 (учас­ток ab).

Затем наклон прямой резко возрастает, поскольку началась де­формация пластины 2 (участок be). Такой наклон сохраняется приизменении зазора   на ₂ — холостой ход пластины 2 до соприкосновения с пластиной 3. Затем наклон прямой еще возрастает, поскольку началась дефор­мация пластины 3 (участок cd). Рост противодействующего усилия прекраща­ется, когда якорь полностью притянется к сердечнику. Величина зазора при этом равна толщине штифта отлипания о- Из построения видно, что механическая ха­рактеристика имеет вид ломаной линии, где каждый отрезок характеризует рабо­ту какой-либо группы пружин.

В том случае, когда все пружины, создающие противодействующее усилие в контактной группе реле, имеют на­чальное натяжение, переход с одного от-резка   на  другой  происходит скачком   (в точках b  и  с на  рис. 17.8, в).

Для работы реле необходимо, чтобы тяговая и механическая ха­рактеристики были согласованы. Для срабатывания реле необхо­димо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току сраба­тывания, везде находилась выше механической характеристики. При начальном зазоре эти характеристики имеют общую точку (точка А па рис. 19.9). Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току отпускания, везде находилась ниже механической характеристики. При минимальном зазоре эти характеристики могут иметь общую точку (точка Б на рис. 17.9).

§ 17.6. Основы расчета магнитопровода электромагнитного реле

Для определения тяговой характеристики проводят рас­чет магнитной цепи реле. При этом определяют и необходимую на­магничивающую силу обмотки реле. Используются аналитические (по формулам) и графические (с помощью построения графиков) методы расчета.

Расчет магнитных цепей проводится на основании законов, ана­логичных по форме записи законам Ома и Кирхгофа для электри­ческих цепей. В этом случае вместо тока берется магнитный поток, вместо источника ЭДС —источник МДС, вместо электрического со­противления— магнитное. При расчете магнитных цепей обычно требуется учитывать магнитные потоки рассеяния, замыкающиеся по воздуху. На рис. 17.10,а показан эскиз магнитной цепи реле, а на рис. 17.10,6 — соответствующая этой цепи схема замещения, где учтены магнитные сопротивления отдельных участков, имеющих постоянное сечение: R_cep — сердечника, R_вp — ярма, R_як — якоря. Магнит­ное сопротиплеипс воздуш­ного зазора R_в , а магнитное сопротивление па пути по­тока рассеяния принято со­средоточенным и обозначе­но R_в. На самом деле пото­ки рассеяния распределены в пространстве между сер­дечником и ярмом, их пути показаны    па    эскизе  (рис.17.10, а). Рабочий поток Ф_раб, создающий тяговое усилие, прохо­дит через зазор. Источник МДС (катушка реле с током) создает магнитный поток Ф = Ф_Раб+Ф_о, часть которого не создает тягового усилия, рассеивается. Необходимо стремиться к тому, чтобы пото­ки рассеяния были минимальными.

Для различных типов конструкций магнитопровода реле рас­считаны коэффициенты рассеяния , показывающие, во сколько раз должен быть больше общий поток, чем поток рассеяния:

Эта величина приводится в справочниках по расчету электрических аппаратов, она находится в пределах от 1,3 до 2,5. Величина а обыч­но увеличивается с увеличением хода якоря. Если задаться вели­чиной а, то схема замещения упрощается: из нее исключается маг­нитное сопротивление R_a.

Сложность расчета магнитной цепи заключается в том, что маг­нитные сопротивления стальных участков не являются постоянны­ми величинами, они зависят от степени насыщения, от магнитных свойств материала.

Для изготовления магнитопроводов электромагнитных реле ис­пользуют магнитомягкие материалы с высокой магнитной прони­цаемостью в средних полях (с напряженностью 160—8000 А/м). Чаще всего применяют электротехнические кремнистые стали (го­рячекатаные и холоднокатаные), а для высокочувствительных ре­ле— пермаллои (железоникелевые сплавы).

Рассмотрим аналитический метод расчета. Пусть заданы раз­меры и материалы каждого участка магнитной цепи. По заданно­му значению магнитного потока требуется определить МДС ка­тушки.

1.  Для каждого участка магнитной цепи определяется магнит­ная индукция В = Ф/s, где s — площадь поперечного сечения.

2.  По магнитной индукции определяют напряженность магнит­ного поля. Для участков из ферромагнитных материалов — по кривым намагничивания, для воздушных за­зоров — по формуле .

3. Требуемая МДС определяется как сумма падении МДС на всех участках последовательной магнитной цепи:

где I_k — длина k-го участка; H_k — на­пряженность магнитного поля па k-м участке.

Графический метод расчета обычно используется при решении обратной за­дачи: по заданной намагничивающей силе определить магнитный поток и соответствующую ему  силу тя­ги. Заранее неизвестно, как распределены падения МДС на от­дельных участках, чему равна магнитная индукция на этих участ­ках, поскольку магнитный поток связан с МДС нелинейной зави­симостью. Задача решается методом последовательных приближе­ний. Задаемся произвольно несколькими значениями магнитного потока и определяем соответствующие им значения МДС. По ре­зультатам расчета строим кривую намагничивания данной кон­кретной цепи Ф=. По этой кривой уже нетрудно найти зна­чение магнитного потока, соответствующее заданной МДС. Значения силы тяги можно затем рассчитать по формуле (17.12).

Для расчета магнитной цепи реле при разных значениях воз­душного зазора используется следующий графоаналитический ме­тод. По произвольно заданным значениям магнитного потока нахо­дят падение МДС на стальном участке цепи U_мст (т. е. в ярме и яко­ре, изготовленных из стали) и в воздушном зазоре U_мв Затем из начала координат строят кривую Ф= f(U_мст). На оси абсцисс нахо­дят точку а, соответствующую заданному значению МДС (Iw). Из этой точки проводят влево прямую 0 = f (Iw- U_мв)- В точке пе­ресечения этих графиков находят значение искомого потока, а по оси абсцисс —значения U_мст и U_мв  (рис. 17.11). Для построения тяговой характеристики проводят ряд прямых для разных значе­ний зазоров. При этом определяется ряд значений индукции,соответствующих различным зазорам. По найденным значениям ин­дукции в зазоре и уравнению (17.12) определяют силу тяги и стро­ят тяговую характеристику.

§ 17.7. Основы расчета обмотки реле

В задачу расчета обмотки реле входит определение диа­метра провода и числа витков. Конструкция катушки фактически определена конструкцией и размерами магнитной системы реле. По форме различают круглые и прямоугольные катушки реле. Круглая катушка (рис. 17.12,а) характеризуется внутренним (D_вн) и наружным (D_нар) диаметрами намотки, длиной намотки /, дли-

ной каркаса катушки L_K. Сечение катушки при продольном раз­резе катушки называется окном намотки. Площадь окна намотки

Прямоугольная катушка (на рис. 17.12, б показана с торца) ха­рактеризуется двумя внутренними размерами (а и Ь) и двумя на­ружными размерами (A и В). Остальные размеры совпадают с размерами круглой катушки.

где второе слагаемое учитывает закругление провода.

Для обмоток реле чаще всего применяют медные изолирован­ные провода с удельным сопротивлением р = 0,0175 Ом-мм²/м. В за­висимости от изоляции различают марки проводов ПЭЛ (эмалевая лакостойкая изоляция), ПЭВ (эмалевая винифлексовая изоляция), ПЭЛШО (с шелковой оплеткой поверх эмалевой изоляции), ПЭТВ (теплостойкая изоляция).

Существует три способа намотки провода на катушку:

1)   рядовая намотка (рис. 17.13,а), когда витки в ряду распо­ложены плотно, а витки соседних рядов лежат точно друг над дру­гом;

2)   шахматная намотка (рис. 17.13,6), когда витки очередного ряда расположены в углублениях между витками нижнего ряда;

3)   намотка навалом, неупорядоченная намотка, когда витки укладываются рядами без соблюдения соосности слоев.

Важной характеристикой намотки является коэффициент запол­нения, который учитывает заполнение окна катушки медью про­вода.

Коэффициентом заполнения называется отношение сечения меди катушки к площади окна:

                                                                                                       

                                                                                                                      

где d — диаметр  провода   (без изоляции); w — число витков.

Коэффициент заполнения за­висит от изоляции провода и катушки, способа намотки. Более высокие коэффициенты заполнения обеспечивает упорядоченная намотка (особенно шахматная). Однако для топких проводов (d<0,35мм) упорядоченную намотку выполнить трудно и при­ меняется, как правило, намотка навалом.

Для тонких проводов относительная толщина изоляции больше, чем для толстых про­водов. Например, для провода диаметром d = 0,l мм диаметр с изоляцией ПЭЛ составляет 0,12 мм, с изоляцией ПЭВ-2 — 0,13 мм, с изоляцией ПЭЛШО — 0,175 мм, т. е. увеличивается соответст­венно в 1,2; 1,3; 1,75 раза. Для провода диаметром d=l,0 мм диаметр с изоляцией ПЭЛ составляет 1,07 мм, изоляцией ПЭВ-2 — 1,11 мм, с изоляцией ПЭЛШО —1,135 мм, т. е. увеличивается со­ответственно в 1,07; 1,11; 1,135 раза.

Поэтому для обмоток из тол­стых проводов коэффициент заполнения значительно выше, чем для тонких проводов. Надо также отметить, что для мощных ре­ле используются бескаркасные обмотки. Они наматываются на временные разъемные шаблоны, затем закрепляются с помощью изолирующей ленты и пропитки лаками и устанавливаются непо­средственно на сердечник реле.

Сопротивление обмотки реле

В зависимости от условий работы различают реле напряжения, работающие при неизменном напряжении (U=const), и реле тока, работающие при заданном токе (I=const).

Реле напряжения включается на полное напряжение источника питания и является в своей цепи единственной нагрузкой. Ток об­мотки и, следовательно, МДС зависят от сопротивления обмотки. Если заданы напряжение U и МДС Iw, то диаметр провода обмот­ки определяется по формуле

По справочнику выбирается ближайший стандартный диаметр про­вода. Число витков определяется с учетом коэффициента заполне­ния, выбираемого из справочника. Ток в обмотке определяется по закону Ома: /= U/R.

Выбранный диаметр провода проверяется па нагрев по допус­тимой плотности тока  = 2,53 А/мм²:

После выбора  стандартного диаметра  необходимо  проверить его на нагрев по допустимой плотности тока.

§ 17.8. Электромагнитные реле переменного тока

В предыдущих параграфах рассматривалась работа реле при питании от сети постоянного тока. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь также будет притягиваться к сердечнику. Это объясняется тем, что, согласно уравнению (17.12), электро­магнитное тяговое усилие пропорционально квадрату МДС, а зна­чит, и квадрату тока в обмотке. Поэтому, хотя переменный ток пе­риодически меняет свое направление, знак тягового усилия не будет зависеть от направления тока. Таким образом, всегда бу­дет действовать именно сила притяжения, а не сила отталкивания. Переменный ток, протекая по обмотке реле, создает в рабочем зазоре переменный магнитный поток. Подставляя (17.25) в уравнение (17.13), получим

На рис. 17.14 показаны графики изменения тока i от времени в обмотке реле и электромагнитного тягового усилия F_a. Якорь при­тягивается к сердечнику под действием среднего значения электро­магнитного усилия, т. е. его постоянной составляющей F_{a cp}, пока занной на рис. 17.14 прямой линией. Величина F_{3 cp} определяется из урав­нения  (17.26), если заменить sin²wt на

а          переменная          составляющая 0,5F_{3 max}cos2wt  изменяется  с двойной частотой.

Из уравнения (17.29) видно, что при одинаковых конструктивных раз­мерах реле и равных значениях мак сималыюй

 магнитной индукции среднее значение электромагнит­ного усилия F_{з ср} реле переменного тока вдвое меньше, чем реле постоянного тока. Дважды за период электромагнитное усилие об­ращается в нуль. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваясь от сердечника возвратной пружиной. Конечно, из-за массы якоря сила инерции не позволяет ему совер­шать колебательные движения. Периодическое изменение силы тя­ги появляется именно как дрожание якоря, сопровождаемое ха­рактерным гудением на частоте 100 Гц (при питании от сети про­мышленной частоты 50 Гц). В реле переменного тока для устра­нения вибрации якоря применяются специальные конструктивные меры. Следует также отметить, что наличие переменного потока в магпитопроводе реле приводит к появлению вихревых токов в стали. Эти токи нагревают сердечник, ярмо и якорь реле, на что бесполезно расходуется энергия. Для уменьшения вихревых токов и потерь энергии магнитопровод набирается из отдельных тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали, ко­торые изолируют друг от друга, что увеличивает сопротивление на пути вихревых токов, уменьшает сечение стали на этом пути.

Реле постоянного тока получили большее распространение, чем реле переменного тока. Главное их преимущество — меньшие га­бариты и большая чувствительность. При наличии сети переменно­го тока можно включать реле постоянного тока через выпрямитель­ные устройства.

Реле переменного тока имеет еще одну важную особенность по сравнению с реле постоянного тока. При питании обмотки реле от сети переменного тока сопротивление этой обмотки будет иметь как активную составляющую R, так и индуктивную составляющую

X_L = wL, определяемую индуктивностью обмотки L,. При подклю­чении обмотки реле к постоянному напряжению ток не зависит от перемещения якоря, он остается постоянным и определяется сопро­тивлением R.

Рассмотрим три основных способа устранения вибрации реле пе­ременного тока: применение короткозамкнутого витка; применение многофазной обмотки; применение массивного якоря.

Наиболее часто для исключения вибрации реле переменного то­ка используется короткозамкпутый виток, охватывающий часть сер­дечника (рис. 17.15, а, б). В сердечнике делается щель на неболь­шую глубину (обычно пропиливается). В эту щель вставляется од-па сторона короткозамкнутого витка, обычно представляюще­го собой медную штампованную прямоугольную рамку. Принцип действия короткозамкнутого витка заключается в следующем. Пе­ременный магнитный поток Ф, созданный к жом в обмотке реле, про­ходит по сердечнику и разветвляется па дне части: один поток Ф₁ проходит по стали, не пронизывая плоскость витка; другой поток ф₂ проходит по стали, наводя в витке переменную ЭДС, как во вторичной обмотке трансформатора. Так как виток замкнут на­коротко, то в нем под действием наведенной ЭДС пойдет ток, соз­давая магнитный поток Ф_{К А}, препятствующий изменению магнит­ного потока Ф₂. Это приводит к отставанию по фазе потока Ф₂ от потока Ф₁, Следовательно, в рабочем зазоре реле переменного тока  будут действовать для сдвинутых во времени потока (рис. 17.15, в). Поэтому электромагнитная тяговая сила ни в один из моментов времени не будет равна нулю; когда магнитный поток Ф₁, равен пулю, то сила создается еще не равным нулю потоком Ф₂, а когда этот поток Ф₂ станет равен нулю, уже поток Ф₁, возрастет и обес­печит создание тяговой силы. С помощью корогкозамкнутого вит­ка удается обеспечить отставание магнитного потока Ф₂ от Ф₁, на (30—70°). Но за счет встречно направленного потока Ф_ka ве­личина Ф₂ получается меньше, чем Ф₁.

Обеспечить равенство потоков Ф₂ и Ф₁ и сдвиг их по фазе па 90° можно с помощью двухфазного реле. Такое реле имеет два сердечника с раздельными обмотками и общий якорь. В цепь од-поп из обмоток включается конденсатор, обеспечивающий сдвиг по фазе токов в обмотках па 90°. При таком сдвиге фаз и равенст­ве магнитных потоков результирующая сила притяжения якоря будет иметь постоянное значение. При наличии трехфазной сети электромагнитный механизм реле может быть выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками (на каждом стерж­не— одна обмотка) и плоского якоря. Обмотки обычно соединя­ются звездой и включаются в трехфазную сеть. Три магнитных по­тока в трех рабочих зазорах будут создавать постоянное тяговое усилие на якоре. Однако точка приложения этого усилия будет пе­ремещаться по якорю: ведь сначала якорь сильнее притягивается к крайнему стержню, потом к среднему, к другому крайнему и т. д.

Утяжеленный якорь благодаря большой инерции не может виб­рировать с удвоенной частотой (2w), так как он не успевает отхо­дить от сердечника в те моменты времени, когда ток в обмотке ре­ле проходит через-нуль и тяговое усилие равно пулю. Однако при­менение утяжеленного якоря приводит к увеличению размеров ре­ле и уменьшению чувствительности. Этот способ применяется ред­ко, например когда исполнительный механизм, связанный с яко­рем реле, имеет большую инерцию.

При подключении обмотки реле к переменному напряжению ток будет изменяться в зависимости от перемещения якоря. Действи­тельно, электромагнитный механизм реле похож па электромаг­нитный датчик перемещения: его индуктивность L возрастает с уменьшением воздушного зазора. Следовательно, при притягивании якоря к сердечнику индуктивное сопротивление будет возрастать, а ток — уменьшаться. Поэтому тяговое усилие реле переменного то­ка в отличие от реле постоянного тока мало увеличивается или во­обще не увеличивается по мере уменьшения воздушного зазора.

§ 17.9. Быстродействие электромагнитных реле

В § 17.2 в числе основных параметров электромагнитных реле были отме­чены параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания t_сp  и время отпускания t_отн- Эти  параметры определяются  при  анализе переходных процессов, происходящих при включении и отключении реле. Рассмот­рим эти процессы применительно к обмотке реле постоянного тока.

Цепь обмотки реле можно представить в виде последовательного соеди­нения активного сопротивления R и индуктивности L. Переходный процесс при включении реле можно рассматривать как известный из электротехники случай включения катушки индуктивности на постоянное напряжение (рис. 17.16). С момента замыкания ключа К возникает переходный процесс, в течение кото­рого ток в обмотке реле увеличивается от нуля до некоторого установившегося значения i=I_ycт, изменяются и напряжения u_R и u_L. Электрическое состояние

цепи по схеме рис.  17.16 в любой момент переходного процесса характеризу­ется уравнением

Решение этого уравнения относительно тока имеет вид

где Lуст — U/R; T=L/R — постоянная времени цепи.

График зависимости i=f(t) представляет собой экспоненту (пунктирная кривая ) на рис. 17.16, б). Формула (17.31) получена в предположении, что индуктивность L обмотки реле постоянна. В действительности в процессе дви­жения якоря к сердечнику индуктивность L увеличивается (аналогично работе электромагнитного индуктивного датчика перемещения, рассмотренного в гл. 6). Изменение индуктивности начинается с того момента времени, когда ток в об­мотке достиг значения тока трогания (i=I_тр). Начинающееся увеличение ин­дуктивности приводит к увеличению постоянной времени Т=L/R. Следова­тельно, рост тока замедляется. Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличение противо ЭДС, т. е. напряжения на индуктивности U_l. Это приводит даже к уменьшению на некоторое время тока в цепи (см. сплошную кривую 2 на рис. 17.16, б). Как только якорь притянется к сердеч­нику, индуктивность обмотки перестает увеличиваться и ток снова возрастает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начальном участке, поскольку увеличилась постоянная времени.

Время срабатывания реле t_ср определяется двумя составляющими (рис. 17.16, б): временем трогания t_тp и временем движения t_дв, т. е.

Величину времени трогания получим, подставляя в  (17.31)  значение

 

Откуда

т. е. время трогаиия пропорционально постоянной времени.

Время движения t_дв зависит от механической инерционности электромаг­нитного механизма реле. Оно может быть определено на основании второго закона Ньютона a=F/m, где а — ускорение, т — масса. Для уменьшения вре­мени движения необходимо стремиться к уменьшению массы якоря. Для дан­ного типа реле можно считать величину t_дв приблизительно постоянной. Поэто­му основным фактором, влияющим на время срабатывания реле t_ср, является постоянная времени T=L/R.

Рассмотрим способы ускорения срабатывания реле постоянного тока, осно­ванные именно на изменении длительности переходного процесса. Последова­тельно с обмоткой реле включается добавочное активное сопротивление R_доб (рис. 17.17), а напряжение питания повышается на величину U, которая выбрана таким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неиз­менным, т. е.

ка будет происходить по более крутой экспоненте (кривая 2 на рис. 17.17,6), чем без добавочного сопротивления  (кривая 1 па рис. 17.17,6).

Еще большее ускорение срабатывания реле можно получить подключив параллельно добавочному сопротивлению R_доб  конденсатор емкостью С (на рис. 17.17, а это включение показано пунктиром). При замыкании ключа К ток переходного процесса проходит через емкость в обход R_доб. Ведь до замыка­ния ключа напряжение на конденсаторе было равно нулю, а скачком оно из­мениться не может. Поэтому в первый момент времени все повышенное нап­ряжение приложено именно к катушке реле. В цепи появляется значительный ток, но он не опасен для обмотки, поскольку действует короткое время. По окончании переходного процесса ток уменьшается до установившегося значе­ния, поскольку он проходит через R_доб (через конденсатор постоянный ток не пооходит). Емкость конденсатора (в мкФ) выбирается из условия

Теперь рассмотрим переходный процесс при отключении реле. При размы­кании ключа К (рис. 17.16, а) ток в обмотке реле уменьшается от значения /_уст до нуля. Энергия, запасенная в магнитном поле обмотки реле, поддержи­вает некоторое время ток за счет дугового разряда между контактами клю­ча К Уравнение тока переходного процесса получим, решая дифференциаль­ное уравнение (17.30) при U=0:

 

где T=L/R; L — индуктивность обмотки  реле при  притянутом  якоре.

График зависимости   i=f(t)   показан   на  рис.   17.16,  в  в  виде  экспоненты (пунктирная кривая  1).  Кривая 2 показывает  реальное  изменение тока  в  об-

Лекция "12 Переход от систем данных" также может быть Вам полезна.

мотке реле при отключении. Всплеск тока па этой кривом объясняется изме­нением индуктивности обмотки при движении якоря (аналогично всплеску тока при включении реле).

К схемным методам замедления времени срабатывания и отпускания отно­сится метод шунтирования обмотки реле конденсатором (рис. 17.18). При вклю­чении реле ток в его обмотке будет нарастать медленнее за счет процесса за­рядки конденсатора. Время срабатывания может быть увеличено примерно до 1 с по сравнению с примерно 50 мс при включении без конденсатора. При отключении реле, наоборот, конденсатор будет разряжаться на обмотку реле, замедляя уменьшение в ней тока. Дополнительное сопротивление R_доб необ­ходимо для ограничения тока,  потребляемого  от  источника  питания.

Эффективным схемным методом замедления времени отпускания является включение параллельно обмотке реле диода (в непроводящем по отношению К напряжению питания направлении). В этом случае (рис. 17.19) ЭДС само­индукции, возникающая в обмотке реле при отключении, создает ток, проте­кающий через обмотку и реле и удерживающий якорь некоторое время в при­тянутом положении. Включение диода используется и для защиты обмотки реле от пробоя под действием перенапряжений при отключении.

Замедление работы реле обеспечивается и с помощью короткозамкнутого витка (или обмотки) на пути магнитного потока.

К конструктивным методам .уменьшения временных параметров реле отно­сятся уменьшение хода якоря, уменьшение вихревых токов за счет применения шихтованного (набранного из отдельных пластин) магнитопровода. Следует также напомнить, что реле постоянного тока являются более быстродействую­щими, чем реле переменного тока.