Электромагнитные поляризованные реле

Глава 18

ЭЛЕКТРОМАНИТНЫЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ

§ 18.1. Назначение. Принцип действия

В автоматических системах очень часто требуется, чтобы элементы, в том числе и электромагнитные реле, реагировали не только на значение, но и на полярность тока на входе. Например, в системе автоматического регулирования температуры при темпе­ратуре сверх требуемого значения (задания) должен включаться охладитель (например, вентилятор), а при температуре ниже тре­буемого значения должен включаться нагреватель. Следовательно, реле при одной полярности входного сигнала должно включать одну группу контактов, а при другой полярности — другую. Как известно из электротехники, при пропускании тока по катушке с сердечни­ком создается магнитное поле и на находящиеся в этом поле сталь­ные детали будет действовать сила притяжения. Направление тока или знак индукции магнитного поля не влияют на направле­ние силы. Это всегда сила притяжения, а не отталкивания. В пре­дыдущей главе приведены формулы для электромагнитной силы (17.12) и (17.13). В этих формулах значение тока или магнитного потока стоит в квадрате, что и доказывает математически неизмен­ность направления электромагнитной силы при изменении знака тока или потока.

Для получения в электромагнитном механизме знакоперемен­ной зависимости тяговой силы от направления входного сигнала необходимо наличие двух магнитных потоков: создаваемого током в обмотке реле и постоянного, неизменного по величине и направ­лению, создаваемого обычно постоянным магнитом. Таким образом, при одном направлении тока в обмотке реле магнитные потоки бу­дут складываться, а при другом направлении тока — вычитаться. Следовательно, изменение направления тока приведет к измене­нию абсолютной величины магнитного потока, чего не было в элек­тромагнитных нейтральных реле.

Чувствительность к направлению (поляризация) осуществляет­ся именно за счет постоянного магнитного потока. Все поляризован­ные реле основаны на использовании в электромагнитном механиз­ме двух потоков. По конструктивной схеме магнитной цепи раз­личают поляризованные реле, построенные по дифференциальной и мостовой схемам. По числу устойчивых положений якоря различа­ют двухпозиционные и трехпозиционные поляризованные реле.

§ 18.2. Магнитные цепи поляризованных реле

Рекомендуемые материалы

Поляризованное реле с дифференциальной схемой маг­нитной цепи показано на рис. 18.1. Рабочий (управляющий) маг­нитный поток Ф_у создается при протекании тока 1 по обмотке реле, состоящей из двух одинаковых половин 1 и 1', включенных после­довательно и согласно. Постоянный (поляризующий) магнитный поток Ф_п создается постоянным магнитом 2. Катушки реле 1 и 1' размещены на неподвижном сердечнике (ярме) 3. Якорь 4 может по­ворачиваться относительно оси О в рабочем зазоре 6. На якоре

размещен подвижным контакт, кото­рый может замыкаться с неподвижны­ми контактами 5 или 5'.

Путь магнитного потока Ф_у пока­зан пунктиром, а путь магнитного по­тока Ф_п — сплошной линией. Направ­ление потока Ф_п неизменно, а направ­ление потока Ф_у зависит от направ­ления тока в катушке реле. На рис. 18.1 направление потока Ф_у показано для указанного па этом рисунке па-правления тока 1.

Поляризующий поток ф_п проходит по якорю 4 и разветвляется на две части Ф_п1 и Ф_п2 в соответствии с проводимостями воздушных зазоров сле­ва (_Л) и справа (ц) от якоря. В за­висимости от полярности тока 1 в об­мотке реле рабочий поток Ф_у вычита­ется из потока Ф_п1 в зазоре слева от якоря и складывается с потоком Ф_п2 в зазоре справа от якоря (как показано на рис. 18.1) или наоборот: потоки складываются в левом зазоре и вычитаются в правом зазоре при противополож­ном направлении тока. На якорь действуют две электромагнит­ные силы, направленные встречно, каждая из которых пропорцио­нальна в соответствии с уравнением (17.13) квадрату потока в соответствующей части зазора. Для направлений тока и магнит­ных потоков, показанных на рис. 18.1, результирующее тяговое усилие заставит якорь перекинуться из левого положения в пра­вое. При отключении входного сигнала (/=0) якорь остается в том положении, которое он занимал до отключения сигнала. Реле, показанное па рис. 18.1, является двухпозициопным.

Результиру­ющее электромагнитное усилие, действующее на якорь поляризо­ванного реле, направлено в сторону того зазора, где управляю­щий и поляризующий магнитные потоки складываются.

Рассмотрим усилия, действующие на якорь поляризованного ре­ле. Определяются они в соответствии с уравнением (17.13). В сред­нем положении якоря магнитные проводимости левого и правого зазора одинаковы и поэтому поляризующий поток делится на две равные части: Ф_П1 = Ф_п2 —Ф_п/2. При отсутствии управляющего по­тока на якорь будут действовать одинаковые усилия влево и вправо:

где s — площадь сечения воздушного зазора.

Результирующая сила, равная разности F_эл н F_эп при среднем положении якоря, будет равна нулю. Однако якорь в среднем поло­жении находится в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточ­но незначительного смещения якоря от среднего положения, чтобы произошло перераспределение потоков. Уменьшается магнитное со­противление того зазора, в какую сторону сместился якорь. Сле­довательно, в ту же сторону увеличится магнитный поток, а значит, и сила, направленная в сторону уменьшения зазора. Полагая се­чение воздушного зазора неизменным, рассмотрим перераспреде­ление поляризующего потока в зависимости от магнитного сопро­тивления, которое будет в этом случае пропорционально величине зазора.

Отношение магнитных потоков в левом и правом зазоре обрат­но пропорционально отношению магнитных сопротивлений этих зазоров:

Соответственно электромагнитные силы притяжения якоря, на­правленные влево и вправо,

Результирующая сила определяется как разность этих сил

При _л</2 (якорь ближе к левому крайнему положению) си­ла тянет якорь влево.

При _л/2 (якорь ближе к левому крайнему положению) си­ла тянет якорь вправо.

При подаче тока в обмотку поляризованного реле в магнитной цепи возникает магнитный поток Ф_у, который (для полярности, по­казанной на  рис.   18.1)   складывается о правом зазоре с Ф_П2 И в левом вычи­тается из Ф_п1.

При достижении Ф_у значения, рав­ного Ф_н, контактное усилие будет рав­но пулю. Как только Ф_у станет боль­ше Ф_п, якорь перекинется в крайнее правое положение. Ток, при котором якорь перебрасывается в повое поло­жение, называется током срабатыва­ния /_ср. В попом положении якоря произойдет перераспределение поля­ризующего магнитного потока между зазорами.

Суммарный поток в новом положении якоря при /_ср будет равен  Ф = Ф_П+Ф_у.   Так  как  при  срабатывапии Ф_у=Ф_П то Ф=2Ф_н, а усилие, пропорциональное квадра­ту магнитного потока, возрастет в четыре раза по сравнению с усилием в обесточенном реле. Таким образом, в процессе переме­щения якоря из одного положения в другое происходит значитель­ное увеличение тягового усилия. Этим и объясняется то, что по­ляризованные реле имеют очень высокое быстродействие: время срабатывания составляет несколько миллисекунд. Кроме того, до­полнительное усилие, сжимая контакты, позволяет при очень ма­лом управляющем сигнале управлять относительно мощными электрическими цепями. Однако главным достоинством поляризо­ванных реле является их высокая чувствительность.

Чаще всего не стремятся к увеличению разрывной мощности их контактов, по­скольку это требует увеличения хода якоря, что приводит к поте­ре чувствительности. Поэтому высокочувствительные поляризован­ные реле выполняются маломощными с ходом якоря от одного крайнего положения до другого порядка 0,1—0,2 мм.

Работа поляризованного реле с мостовой схемой магнитной це­пи (рис. 18.2) происходит аналогично реле с дифференциальной схемой. Отличие заключается в том, что магнитная цепь для уп­равляющего потока Ф_у, создаваемого обмоткой реле, выполнена отдельно от магнитной цепи для поляризующего потока Ф_п, созда ваемого постоянным магнитом. Благодаря этому поляризованные реле мостового типа имеют более высокую стабильность парамет­ров и устойчивее к внешним механическим воздействиям.

§ 18.3.  Настройка контактов и устройство поляризованного реле

Кроме электромагнитного усилия на якорь поляризован­ного реле воздействует усилие пружин, не показанных не рис. 18.1 и 18.2. В зависимости от положения неподвижных контактов и на­тяжения (или сжатия) пружин поляризованные реле могут настра­иваться на двух- или трехпозициоипую работу.

Рассмотрим настройку контактов реле на двухпозициоипую ра­боту. Пружины с двух сторон воздействуют на якорь с равными

силиями в нейтральном положении. Если усилия пружин невели­ки и неподвижные контакты расположены симметрично относи­тельно нейтрали, то при отсутствии входного сигнала (тока в об­мотке реле) за счет одной из составляющих поляризующего по­тока (Ф_п1 или Ф_п2) якорь 1 остается в том же положении, в кото­ром он находился до снятия входного сигнала. Следовательно, ос­таются замкнутыми соответствующие контакты реле (например, контакты 2—3 на рис. 18.3,а). В этом случае механическое усилие пружин 5, стремящееся возвратить якорь в нейтральное положе­ние, меньше тягового усилия от потока постоянного магнита, стре­мящегося удержать якорь в притянутом положении. При подаче тока обратной полярности в обмотку реле якорь перебрасывается в противоположное крайнее положение, размыкая контакты 2—3 и замыкая контакты 2—4. При снятии этого входного сигнала кон­такты 2—4 остаются замкнутыми. Даже если входной сигнал будет снят в тот момент, когда якорь находится в нейтральном положе­нии, такое положение будет неустойчивым. При малейшем откло­нении якоря от этого положения (например, из-за незначительного сотрясения или вибрации) возрастет поляризующий поток в том направлении, куда отклонился якорь, и соответствующее ему электромагнитное усилие переместит якорь до упора в том же направ­лении.

Таким образом, при такой настройке якорь реле занимает толь­ко два устойчивых симметричных положения (позиции): крайнее левое (замкнуты контакты 2—3) или крайнее правое (замкнуты контакты 2—4).

Возможна настройка на двух позиционную работу с преоблада­нием (приоритетом) одной из позиций (рис. 18.3,6). Если неподвнжныи контакт, например 3, установить с той же стороны относительно нейтрали, что и второй неподвижный контакт 4, то тяговое усилие от потока поляризующего Ф_п1, стре­мящееся удержать якорь реле в крайнем левом положении, будет намного меньше тягового усилия от поляризующего потока Ф_п2, стремящегося удержать якорь в край­нем правом положении. В результате этого при снятии входного сигнала якорь реле под действием тягового усилия от потока Ф_п2 будет устанавливаться и удерживаться в крайнем правом положении. Таким об­разом, подобная настройка обеспечивает двухпозиционную настройку реле с приори­тетом одной позиции. При подаче в обмот­ку реле тока соответствующей полярности якорь занимает крайнее левое положение (замкнуты контакты 2—3), а при подаче тока обратной полярности или при отсут­ствии тока в обмотке реле якорь занимает крайнее правое положение (замкнуты контакты 2—4).

Для настройки поляризованного реле на трехпозиционную рабо­ту необходимы пружины 5 большой жесткости, обеспечивающие превышение механического усилия над электромагнитным усилием от поляризующего магнита в крайних положениях якоря. В этом случае при отсутствии тока в обмотке реле его якорь будет устанав­ливаться в нейтральное положение при разомкнутых контактах (рис. 18.3,в). Таким образом, обеспечиваются три позиции (поло­жения) якоря: 1) крайнее левое положение (замкнуты контакты 2—3) при подаче в обмотку тока соответствующей полярности; 2) крайнее правое положение (замкнуты контакты 2—4) при по­даче в обмотку реле тока обратной полярности; 3) нейтральное среднее положение (все контакты разомкнуты) при снятии вход­ного сигнала с обмотки реле.

Отечественной промышленностью выпускаются поляризованные реле различных типов и с различной настройкой контактов. На­пример, реле типа РП-4 — двухпозиционное (с нейтральной наст­ройкой);  реле типа  РП-5 — трехпозициоипое;   реле типа  РП-7 — двухпозициошюе с преобладанием. Эти реле могут иметь несколько независимых обмоток, что расширяет их возможности применения в системах автоматики.

На рис. 18.4 показано поляризованное реле типа РП-7, состо­ящее из катушки 1, полюсных наконечников 2, якоря 3, контактных пружин с подвижными контактами 4, неподвижных контактов 5, магпитопровода 6, керамической колодки 7 со штырьковыми выво­дами, что позволяет быстро включать реле в рабочую схему, встав­ляя его в соответствующую соединительную колодку.

§ 18.4. Вибропреобразователи

Вибропреобразователь представляет собой электромаг­нитное устройство типа поляризованного реле; это реле работает в вибрационном режиме, поскольку его обмотка подключена к ис­точнику переменного тока. Внбронрсобразователи предназначены для преобразования постоянного тока в переменный. Они также могут применяться и для обратного преобразования — переменного тока в постоянный. В системах автоматики вибропреобразователи получили широкое применение при усилении слабых сигналов пос­тоянных токов и напряжений, поступающих от датчиков (термопар, фотоэлементов, датчиков Холла и др.). Дело в том, что электрон­ные и полупроводниковые усилители, усиливающие непосредствен­но сигнал постояпого тока, имеют серьезный недостаток, который называется «дрейф пуля». Он заключается в том, что даже при от­сутствии входного сигнала (при нулевом сигнале) па выходе уси­лители нотояиного тока появляется некоторое напряжение, вызван­ное нагревом, наводками, изменениями параметров отдельных эле­ментов усилителя. Поэтому предпочитают предварительно преоб­разовать слабый сигнал постоянного тока в переменный ток, за­тем усилить его (усилители переменного тока не имеют дрейфа нуля), а потом снова выпрямить. Электрическое устройство, преоб­разующее сигнал постоянного тока в соответствующий ему сигнал переменного тока заданной частоты, называется модулятором. Виб­ропреобразователь нашел широкое применение именно в качестве модулятора.

Усиление сигналов постоянного тока выполняют по структурной схеме (рис. 18.5,а), состоящей из модулятора (М), усилителя (У) демодулятора (ДМ). Напряжение постоянного тока U_BX=, которое необходимо усилить, поступает на модулятор, который также по­лучает питание от источника переменного напряжения U_п~ ., изме­няющегося с частотой f. Переменное напряжение U_1~ на выходе мо­дулятора будет также изменяться с частотой f, которая называется несущей частотой. Амплитуда этого переменного напряжения U_{1 ~} будет пропорциональна входному сигналу постоянного тока U_вх=. Затем усилитель переменного тока (У) усиливает напряжение U_1~ до значения U_2~ (рис. 18.5,6). Надо отметить, что обычно усиление происходит не только по напряжению, но и по мощности. Выход­ное переменное напряжение усилителя U_2~, изменяющееся с час­тотой /, с помощью демодулятора (ДМ) преобразуется (выпрямля­ется) в пропорциональное напряжение постоянного тока U_вых= .Таким образом, как на входе схемы, так и на выходе имеются на­пряжения постоянного тока, причем выходное напряжение больше

и пропорционально входному напряжению. Однако сам процесс уси­ления постоянного тока заменяется усилением переменного тока.

Напомним, что процесс преобразования переменного напряже­ния по амплитуде (без усиления по мощности) выполняется очень просто — с помощью трансформатора. Постоянное же напряжение не трансформируется. Поэтому, когда требуется повысить напря­жение постоянного тока, используют схему, состоящую из моду­лятора, трансформатора и выпрямителя. Такая задача возникает довольно часто на подвижных объектах, питаемых от аккумулято­ров или батареек с напряжением 1,5—1,2 В. В этих случаях также можно использовать в качестве модулятора вибропреобразователь.

Устройство вибропреобразователя показано на рис. 18.6. Об­мотка возбуждения 1 питается переменным током с частотой 50 Гц и создает переменный магнитный поток. Поляризующий магнит ный поток создается постоянным магнитом 2. В рабочем зазоре вибропреобразователя вибрирует с частотой 50 Гц якорь 3, имею­щий постоянное электрическое соединение с контактной упругой пластиной 4. В крайних положениях якоря происходит замыка­ние его контактной пластины 4 со стержневыми контактами 5 и 5', размещенными на упорных пластинах 6 и 6'. Для регулировки ра­боты вибропреобразователя служит винт 7. Включение вибропре­образователя в схему осуществляется с помощью стержневых кон-

тактов б, закрепленных на цоколе 9. Цоколь и стержневые контак ты такие же, как у электронных ламп, что позволяет легко и быст­ро заменять вибропреобразователь, а несимметричное расположе­ние стержней исключает возможность ошибочного подключения вибропреобразователя.

Так как в зазоре вибропреобразователя действует переменное магнитное поле, то якорь 3 будет периодически перемагничивать-ся. Поэтому он будет попеременно притягиваться то к северному, то к южному полюсу постоянного магнита 2. Следовательно, попе­ременно будет происходить замыкание контактной пластины 4 то с контактом 5, то с контактом 5'.

Схема включения вибропреобразователя   для   преобразования постоянного тока в переменный показана на рис. 18.7,с. На вход схемы подается постоянное напряжение U_BX, график которого по­казан на рис. 18.7,6. На обмотку вибропреобразователя подается переменное напряжение питания U_~ . Под действием этого напря­жения контакт 1 вибропреобразователя периодически замыкается то с контактом 2, то с контактом 3. При замыкании контактов 1 и 2 напряжение на выходе вибропреобразователя (точки а и б) рав­но входному напряжению: U_a6 = U_BX. При замыкании контактов 1 и 3 напряжение на выходе вибропреобразователя равно нулю: U_aб= = 0. Таким образом, напряжение на выходе вибропреобразователя U_ac имеет вид прямоугольных импульсов   (рис. 18.7)  с периодом следования T=t_u+t_n,   где t_K — ширина   импульса,   определяемая длительностью замкнутого состояния контактов 1—2, t_u — шири­на паузы, определяемая длительностью замкнутого состояния кон тактов 1—3. Обычно вибропреобразователь настраивается так, что t_n=t_n. Последовательность однополярных импульсов U_аб можно представить в виде суммы постоянной составляющей и_аб/2 и пере­менной составляющей в виде симметричных прямоугольных коле­баний напряжения с амплитудой U_ao/2.

Разделительный конденса­тор С пропускает только переменную составляющую, т. е. симмет­ричные прямоугольные колебания с амплитудой U_аб=U_вх/2 и периодом Т (рис. 18.7). Эти колебания мож­но приближенно представить в виде синусо­идальных колебаний, показанных на рис 18.7 пунктиром. Выражение для синусоиды выходного напряжения получают разложени­ем периодических прямоугольных колебаний в тригонометрический ряд:

где 2U_BX/п — амплитуда синусоидальных ко­лебаний; w=2п/Т — угловая частота коле­баний.

На рис. 18.8 показана трансформаторная схема включения модулятора с вибропреобра­зователем. Входное постоянное напряжение подается на подвижный контакт вибропреоб­разователя 1 и среднюю точку первичной об­мотки трансформатора Тр. В результате по     '

очередного замыкания контактов /—2 и /—3 напряжение U_BX по­дается то на левую, то на правую половину первичной обмотки трансформатора, причем направление тока в этой обмотке каждый раз изменяется. Следовательно, в сердечнике трансформатора будет создан переменный магнитный поток, а в выходной обмотке транс­форматора будет наводиться ЭДС, значение которой пропорцио­нально входному напряжению (с учетом коэффициента трансфор­мации), а частота изменения будет равна частоте напряжения U_~, поданного на обмотку вибропреобразователя. Для выделения си­нусоидального выходного напряжения U_вых служит конденсатор С, включаемый параллельно вторичной обмотке трансформатора.

Вибропреобразователь, используемый в качестве электромеха­нического модулятора, является источником электромагнитных по­мех, для борьбы с которыми вибропреобразователь помещают в экран. Так как вибропреобразователь работает с очень слабыми входными сигналами, то источником помех могут быть и термоЭДС, возникающие на контактах. Для борьбы с этими помехами в качест­ве материала для контактов используется золото и его сплавы.

Бесплатная лекция: "Глава 4. Правила и особенности эксплуатации" также доступна.

Так как разрывная мощность контактов и напряжения на кон­тактах очень малы, то зазор между контактами можно уменьшить до 10 мкм, что позволяет создать достаточно надежную контактную систему, работающую без дребезга и с очень малым временем пе­реключения цепи.

Отечественной промышленностью выпускаются вибропреобразо­ватели типа ВП, питаемые напряжением 6,3 В при частоте 50 Гц, как и обычные электронные лампы. Так же как и электрон­ные лампы, вибропреобразователи имеют цоколь с выводами. Имеются также внбропреобразователи для питания от сети 400 Гц.

К достоинствам вибропреобразователей следует отнести высо­кую стабильность (отсутствие дрейфа нуля), возможность преобра­зования очень слабых сигналов постоянного тока (микровольты и миллиамперы), сравнительно малые габариты и вес, небольшую стоимость.

Недостатками вибропреобразователей считаются наличие выс­ших гармоник в выходном сигнале, непригодность для преобра­зования быстропеременных сигналов постоянного тока (имеющих переменную составляющую с частотой, которая соизмерима с не­сущей частотой), наличие контактов, являющихся источниками по­мех и причиной выхода из строя.

Вместо вибропреобразователей находят применение полупровод­никовые и магнитные модуляторы (последние рассмотрены в гл. 26).