Специальные виды реле

Глава 19

СПЕЦИАЛЬНЫЕ  ВИДЫ  РЕЛЕ

§ 19.1. Типы специальных реле

Наибольшее распространение в системах автоматики получили реле электромагнитного типа, рассмотренные в гл. 17 и 18. Однако находят применение и электрические реле других типов, в которых тяговое усилие, необходимое для переключения контактов, создается не с помощью электромагнита. Сюда отно­сятся прежде всего реле, аналогичные по принципу действия эле­ктроизмерительным приборам различных систем: магнитоэлектри­ческой, электродинамической, индукционной. Если в электроизме­рительном приборе подвижная часть перемещает по шкале стрел­ку или какой-либо указатель, то в реле соответствующего типа подвижная часть перемещает контакты.

Для получения значительных выдержек* времени при замыка­нии и размыкании контактов используются специальные реле вре­мени; некоторые из них имеют в основе электромагнитный меха­низм, но с добавлением различных устройств, обеспечивающих задержку срабатывания или отпускания.

Для автоматизации процессов нагрева и охлаждения применя­ются электротермические реле, в которых переключение электри­ческих контактов обеспечивается температурной деформацией металлов или температурным расширением жидкостей и га­зов.

В системах автоматической защиты оборудования от аварий­ных режимов используются специальные реле, срабатывающие при определенном значении тока, напряжения, скорости, момента, давления и других параметров.

Рекомендуемые материалы

§ 19.2. Магнитоэлектрические реле

Принцип действия магнитоэлектрического реле основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке, выполненной в виде поворот­ной рамки.

Магнитоэлектрическое реле  (рис.  19.1, а)  состоит из постоян­ного магнита /, между полюсными наконечниками которого находится цилиндрический стальной сердечник 2. В кольцепом зазоре между полюсными на­конечниками и сердечником создается равно­мерное радиальпо направленное магнитное поле. В зазоре размещена легкая алюминие­вая рамка 3 с обмоткой из тонкого провода, к которой подводится ток по спиральным пру­жинам из фосфористой или оловянно-цинковой бронзы. Эти пружины создают противо­действующий момент, стремящийся устано­вить рамку с обмоткой таким образом, чтобы ее плоскость была направлена по оси полю­сов  магнита   /.   При   пропускании тока  / по

оомотке реле на рамку с обмоткой действует вращающий момент, заставляющий ее поворачиваться вокруг оси в направлении, опре­деляемом полярностью тока. Жестко закрепленный на рамке по­движный контакт 4 замыкается с одним из неподвижных контактов 5 или 6.

Сила, действующая па проводник длиной /, обтекаемый током / н помещенный в магнитное поле с индукцией В, определяется на основании закона Ампера:

На рамку длимой /, шириной а, с числом витков w действует вра­щающий момент

Из уравнения (19.3) видно, что при неизменных конструктив­ных параметрах реле и заданном токе / в его обмотке вращающий момент имеет постоянное значение.

В то же время противодействующий момент, создаваемый за­кручивающимися токоподводящими пружинами, пропорционален углу закрутки, т. е. углу поворота рамки. Поскольку направление поворота рамки определяется направлением тока в обмотке, маг­нитоэлектрическое реле является поляризованным и может быть выполнено трехпозиционным.

По сравнению с другими электромеханическими реле магнито­электрическое реле является наиболее чувствительным, оно сра­батывает при мощности управления в доли милливатта. Усилие па контактах магнитоэлектрического реле невелико (порядка 10^-2 Н и меньше), поэтому для повышения надежности контакты выпол­няются из платины и платипоиридиевого сплава. При резком из­менении усилия маломощные контакты быстро изнашиваются, по­этому магнитоэлектрические реле используются обычно в схемах, где сигнал постоянного тока изменяется медленно. Недостатком магнитоэлектрических реле является сравнительно большое время срабатывания (0.1—0,2 с). По своему быстродействию они усту­пают нейтральным электромагнитным реле.

§ 19.3. Электродинамические реле

Принцип действия электродинамического реле основан на  взаимодействии двух катушек с током, одна  из которых подвнжпа, а другая неподвижна.

От маг­нитоэлектрического реле электродинами­ческое реле отличается тем, что индук­ция в рабочем зазоре создается не по­стоянным магнитом, а неподвижной ка­тушкой иа сердечнике, т. е. элекртомаг-нитным способом. От электромагнитного реле электродинамическое реле отлича­ется тем, что тяговое усилие воздейст­вует не на стальной якорь, а на подвиж­ную катушку. Устройство электродинамического ре­ле показано на рис. 19.2. На магиито-провод 3  надета  неподвижная  катушка

2, обтекаемая током l₂. Между полюсными наконечниками магни-топровода находится цилиндрический стальной сердечник 4. В кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердеч­ником создается равномерное радиэльно направленное магнитное

поле. В зазоре размещена легкая алюминиевая рамка 1 с обмот­кой из тонкого провода, к которой подводится ток Ii по спираль­ным пружинам, создающим противодействующий момент, стремя­щийся установить плоскость рамки 1 вдоль оси полюсных нако­нечников.

При подаче управляющего тока Ii в обмотку рамки 1 она бу­дет поворачиваться в зазоре между полюсными наконечниками и сердечником. Жестко закрепленный па рамке подвижный кон­такт 5 замыкается с одним из неподвижных контактов 6 и 7.

Сила, действующая на проводники рамки электродинамическо­го реле, так же как и для магнитоэлектрического реле, определя­ется законом Ампера. Следовательно, будут справедливы урав­нения (19.1) и (19.2). Однако входящая в эти уравнения индук­ция В не постоянна, а определяется намагничивающей силой, соз­даваемой катушкой 2 с током I₂:

                                                                                                                                       (19.4)

 

где R_м — магнитное сопротивление на пути магнитного потока возбуждения; s₆ — площадь поперечного сечения рабочего воздуш­ного зазора.

Подставляя (19.4) в (19.2) и выразив через постоянный коэф­фициент К сочетание всех неизменных конструктивных и обмо­точных данных реле, получим уравнение для вращающего момен­та электродинамического реле:

Однако в отличие от магнитоэлектрического реле электродина­мическое может работать при питании переменным током. В этом случае на рамку воздействует переменный магнитный поток а на­правление поворота определяется средним за период значением вращающего момента

где /₁  и /₂—действующие значения токов в обмотках;  — угол сдвига фаз между токами.                                                   

Из (19.6) следует, что электродинамическое реле реагирует на фазу входного сигнала, т.  е. его можно использовать как реле сдвига фаз, срабатывающее при определенном значении . Это же реле может реагировать и на мощность переменного или постоян­ного тока. В этом случае на одну из обмоток подается ток, а на другую —напряжение цепи.

При последовательном соединении обмоток I₁ — I₂=I вращаю­щий момент

                                                                                      М_вp = КI²,                                  (19.7)

т. е. зависимость тягового усилия от тока будет аналогична эле­ктромагнитному нейтральному реле.

К недостаткам электродинамических реле следует отнести их большие габариты и вес.

§ 19.4. Индукционные реле

Принцип действия индукционного реле основан на взаи­модействии переменных магнитных потоков с токами, индуциро­ванными этими потоками.

Индукционное реле (рис. 19.3) состоит из двух неподвижных электромагнитов 1 и 2, по обмоткам которых протекают соответ­ственно переменные токи I₁ и I₂ В воздушном зазоре электромаг­нитов установлен алюминиевый или медный диск 3, который мо­жет поворачиваться относительно оси 4. Переменные магнитные потоки, создаваемые электромагнитами 1 и 2, индуцируют ЭДС в диске 3, под действием которых по диску протекают токи (так же, как в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя).

Для того чтобы взаимодействие магнитных потоков с вызван­ными ими же токами привело к созданию вращающего момента, необходимо наличие сдвига по фазе токов I₁ и I₂. Только в этом случае в зазоре индукционного реле будет создано вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как это происходит в двухфаз­ном асинхронном двигателе. При сдвиге фаз между токами I₁ и I₂ в 90° сила взаимодействия магнитного потока электромагнита 1 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 2, будет всегда совпадать по направлению с силой взаимодействия магнитного потока электромагнита 2 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 1. При совпадении токов I₁ и I₂ по фазе в среднем за период результирующая сила будет равна нулю.

Вращающий момент, приложенный к диску, определяется так:

где К — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных и обмоточных данных реле;  — фазовый сдвиг между I₁ и I_2.

Этот вращающий момент, преодолевая сопротивление пружи­ны 4, поворачивает диск до тех пор, пока не замкнутся контак­ты 5.

Поскольку индукционное реле реагирует на фазу, его (как и электродинамическое) можно применять в качестве реле фазы. Малая инерция подвижной части позволяет использовать такие реле как быстродействующие в схемах автоматической защиты и блокировки. Особенно они распространены в автоматике на же­лезных дорогах. Они могут использоваться в качестве реле тока, напряжения, мощности, частоты, фазы, сопротивления. Достоинст­вом их является то, что они не требуют подвода тока к подвижной части. Чувствительность индукционных реле невелика, для их сра­батывания требуется мощность не менее 0,5 Вт.

Рассмотрим также применение индукционного реле в качестве реле скорости (рис. 19.4). Входной вал 5 реле связан с механиз­мом, скорость которого требуется контролировать. На валу 5 ус­тановлен цилиндрический постоянный магнит 4. При вращении поле магнита пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 3 поворотного статора 6. В обмотке 3 наводится ЭДС, значение которой пропорционально скорости вращения входного вала 5. Под действием этой ЭДС по обмотке 3 проходит ток, сила взаи­модействия которого с вращающимся полем магнита 4 стремится повернуть статор 6 в направлении вращения. При определенной скорости вращения сила возрастает настолько, что упор 2, преодо­левая противодействие плоской пружины, переключает контакты реле. В зависимости от направления вращения переключается кон­тактный узел / или 7. Точность работы индукционного реле ско­рости невелика. В точных системах контроля скорости необходи­мо использование более сложной схемы, включающей в себя ин­дукционный датчик скорости и высокочувствительное поляризо­ванное реле.

§ 19.5. Реле времени

Для получения больших замедлений при включении и отключении контактов используются реле времени. В этих реле обычно используют электромагнит, который приводит в действие какое-либо механическое устройство, имеющее значительную инер­ционность, либо включает электродвигатель, перемещающий кон­такты через понижающий редуктор с большим передаточным от­ношением.

Рассмотрим в качестве примера несколько типов реле вре­мени.

Маятниковое (часовое) реле времени (рис. 19.5) состоит из электромагнита с втяжным якорем 1, который при подаче вход­ного сигнала перемещает тягу 2 и, сжимая пружину 3, стремится переместить рычаг с зубчатым сектором 4 справа налево. Но спусковое зубчатое колесо 5 со скобой 6 может поворачиваться за каждое качание маятника 7 только на один зуб, благодаря чему скорость перемещения зубчатого сектора ограничивается. После того как все зубцы сектора 4 выйдут из зацепления с храповым колесом 8, сработает микропереключатель 9.

При снятии выходного сигнала с электромагнита 1 сектор 4 быстро возвращается в исходное положение под действием веса якоря электромагнита / и усилия пружины 3. Микропереключа­тель выключается без задержки времени. Таким образом, обеспе­чивается задержка времени только при срабатывании реле, но не при отпускании.

§ 19.6. Электротермические реле

Электротермические реле предназначены для автомати­ческого переключения электрических контактов в зависимости от температуры. Задача поддержания необходимой температуры или отключения какого-либо устройства при достижении некоторой температуры очень распространена в технике, причем не только

в промышленной, но и в бытовой. Например, в холодильнике, в электроутюге, в духовке электрической плиты установлены элект­ротермические реле, которые также часто называют тепловыми реле. Потребность в тепловых реле исчисляется миллионами штук в год, поэтому главными требованиями к ним являются простота, дешевизна, надежность.

Наиболее широкое распространение получили биметалличе­ские реле. Элементом, воспринимающим температуру, в таких ре­ле является биметаллическая пластина (рис. 19.8, а). Она состоит из слоев двух металлов с разными температурными коэффициен­тами линейного расширения. Например, для латуни этот коэффи­циент почти в 20 раз больше, чем для инвара (сплав стали с ни­келем и кобальтом). Поэтому при увеличении температуры слой латуни удлиняется значительно больше, чем слой инвара. Эти слои соединены жестко (сваркой или пайкой), и вся биметаллическая пластина при нагреве изгибается в сторону инвара. Поскольку один конец биметаллической пластины закреплен, второй конец перемещается, размыкая одну пару контактов и замыкая другую. С помощью тепловых реле осуществляется  и токовая защита различных электроустановок. В электротермических реле для то­ковой защиты используется тепловое действие электрического то­ка.  Нагрев  биметаллической  пластины  производится  с  помощью нагревательной спирали, по которой проходит ток. На рис. 19.8, б показана схема реле защиты электродвигателя от перегрева. Че­рез нагревательную спираль  1 проходит ток одной из фаз цепи питания электродвигателя. Если нагрузка  электродвигателя  воз­растает сверх допустимых пределов, ток в спирали / увеличива­ется, температура  растет  и  биметаллическая  пластина  2 изгиба­ется влево, освобождая защелку спускового механизма 3. Это при­водит к размыканию контактов 4 реле, которые находятся в цени питания аппаратуры включения электродвигателя. После останов­ки электродвигателя возврат контактов 4 реле и спускового ме­ханизма 3 в исходное положение выполняется вручную нажатием НА кнопку 5 после остывания биметаллической пластины. Но для повторного запуска электродвигатели этого недостаточно, необхо­дима подача специального сигнала на аппаратуру включения эле­ктродвигателя.   Биметаллические   реле  обладают   большой   инер­ционностью и не реагируют на большие, но кратковременные уве­личения тока. Поэтому пусковые токи электродвигателя не приво­дят к срабатыванию теплового реле.

В некоторых реле используется не косвенный нагрев биметал­лической пластины с помощью спирали, а прямой — пропускани­ем тока непосредственно через пластину. Основным недостатком биметаллических реле является низкая точность. Но благодаря простоте и низкой стоимости они получили преимущественное рас­пространение. Из числа других электротермических реле следует упомянуть электроконтактные термометры, в которых контакты замыкаются столбиком ртути, по уровню которой можно одновре­менно определить значение истинной температуры. Точность эле­ктроконтактных термометров выше, чем у биметаллических. Из­вестны также электротермические реле с расширяющимся газом. В таких реле газ при нагреве вытесняет ртуть, находящуюся на дне баллона, и тем самым разрывает контакт.

§ 19.7. Шаговые искатели и распределители

Шаговые искатели и распределители под действием уп­равляющего сигнала осуществляют поочередное переключение не­скольких исполнительных цепей. В простейшем случае шаговый искатель (рис. 19.9, а) имеет один входной зажим и несколько выходных. При подаче управляющего импульса в обмотку элект­ромагнита (ЭМ) входной зажим перемещается на один шаг, сое­диняясь с очередным выходным зажимом. Следовательно, номер ламели, цепь возврата размыкается и ускоренное движение шаго вого механизма прекращается. С помощью шагово-декадных рас пределителей осуществляется, например, автоматическая телефон ная связь. Когда мы набираем номер вызываемого телефона, т< диск телефонного аппарата дает столько импульсов, до какой циф ры мы его повернули. При этом шагово-декадный распределител! произвел соединение с соответствующим выходным проводом и од новременно подключил очередную декаду ламелей (новый ря; из десяти ламелей).

В шаговых искателях разных типов число рядов ламелей мо­жет достигать 8, а число ламелей в ряду — 50. Все шаговые ис­катели рассчитаны на работу в импульсном режиме с частотой до 10 срабатываний в секунду.

§ 19.8. Магнитоуправляемые контакты. Типы и устройство

В обычных электромагнитных реле наиболее часто от­каз возникает из-за контактов, которые подвергаются вредным воздействиям окружающей среды (окислению, загрязнению, кор­розии и др.). Существенно повысить надежность реле можно за • счет герметизации контактов. Так как в этом случае невозможно механически связать контактный узел с электромагнитным при­водом, то необходимо для перемещения герметизированных кон­тактов использовать силы электромагнитного притяжения. Кон­тактные пластины для этого изготовляются из ферромагнитного материала. Таким образом, контакты становятся магнитоуправ-ляемыми.

К магнитоуправляемым контактам относятся герконы (т. е. герметизированные контакты) и ферриды. Применяются они для тех же целей, что и мощные электромагнитные реле. Они и воз­никли в результате совершенствования контактных электромаг­нитных устройств и стремления свести к минимуму их недостат­ки: сравнительно небольшой срок службы (до 10⁷ срабатываний), невысокое быстродействие (десятки миллисекунд), потребление энергии в течение всего периода притяжения якоря и необходи­мость периодического обслуживания.

Геркон (рис. 19.10, а) представляет собой впаянные в стек­лянную ампулу (баллон) пермаллоевые пластины /, служащие од­новременно токоподводами, контактами и магнитопроводом. Пла­стины впаяны в ампулу таким образом, чтобы контакты, в каче­стве которых используются внутренние концы пластин, покрытые золотом, радием или вольфрамом, находились на некотором рас­стоянии друг от друга, т. е. были разомкнуты.

К наружным концам пластин припаивают провода, служащие для присоединения к внешней цепи. Если геркон поместить в маг­нитное поле, созданное током в обмотке 2, окружающей геркон, то на контакты будет действовать электромагнитная сила F₃. Ес­ли эта сила окажется больше противодействующего усилия упру­гих пластин, то произойдет замыкание контактов.

Электромагнитная сила притяжения контактов определяется аналогично силе притяжения, действующей в любом другом эле­ктромагнитном механизме:

Принимая зазор между пластинами плоскопараллельным, мож­но записать выражение для производной проводимости:

где / — ток в обмотке; w — число витков; / — длина обмотки; /i — перекрытие пластин; b — ширина пластин.

После отключения обмотки пластины под действием сил упру­гости возвращаются в исходное состояние, т. е. контакты размы­каются. Следовательно, удержать контакт в замкнутом состоянии можно только за счет потребления энергии от сети, что является одним из недостатков геркона. Герконы бывают вакуумные и га­зонаполненные, в которых стеклянная ампула заполнена азотом, водородом или другим инертным газом.

Для управления магнитоуправляемым контактом можно ис­пользовать не только магнитное поле катушки с током (рис. 19.10, а), но и магнитное поле постоянного магнита (рис. 19.10,6). В последнем случае срабатывание контактов осуществляется в за­висимости от взаимного перемещения геркона и постоянного маг­нита 3. Изменение магнитного поля, воздействующего на контакты, может осуществляться и за счет изменения параметров магнит­ной цепи при перемещении ферромагнитного экрана 4 (рис. 19.10, в).

Большая часть управляющего магнитного потока во всех схе­мах герконов, изображенных на рис. 19.10, проходит по воздуху. Так как воздушные участки имеют значительное магнитное сопротивление.

§ 19.9. Применение магнитоуправляемых контактов

На основе магнитоуправляемых контактов выпускаются высоконадежные промежуточные электромагнитные реле с числом контактных групп до десяти. В таких реле внутри общей катушки управления размещается несколько пар контактов (рис. 19.12). Как уже отмечалось, по сравнению с обычными электромагнит­ными реле герконовые имеют большее быстродействие и более на­дежны.

Однако им свойственны и некоторые недостатки. Они име­ют в 2—3 раза меньшие значения удельных токовых нагрузок на контакты, более критичны к переходным процессам в коммути­руемой  цепи.  Например,  при   3—5-кратном  увеличении  тока  посравнению с номинальным возможно сва­ривание контактов. В цепях с конденсато­рами возможны значительные броски тока, поэтому применение герконовых реле для коммутации таких цепей не рекомендуется. Необходимо отметить и характерный для герконовых реле недостаток — вибра­ция контактов при срабатывании. Это яв­ление называется «дребезг» контактов.

Информация в лекции "1.1 Структура информационной системы предприятия" поможет Вам.

После подачи управляющего сигнала кон­такты сначала замыкаются, но тут же раз­мыкаются под действием сил упругости. Таких циклов замыкания-размыкания мо­жет быть несколько. Затем происходит не­сколько колебаний контактов без размыка­ния;  при этом происходит изменение контактного сопротивления.

Время вибрации контактов может со­ставлять половину полного времени срабатывания. Для борьбы с «дребезгом» контактов применяют специальные конструктивные и схемные решения.

На основе магнитоуправляемых контактов могут быть построе­ны различные путевые и конечные выключатели, реле различных неэлектрических величин. В качестве примера на рис. 19.13 по­казаны термоэлектрические реле (а) с биметаллической пласти­ной и реле давления  (б)  с упругим элементом в виде сильфона

гофрированного упругого стакана из фосфористой бронзы). При изменении температуры или давления постоянный магнит прибли­жается к геркону и его контакты срабатывают.

Магиитоуправляемые  контакты  специальной   конструкции  на­чинают применяться и для переключений в силовых цепях с мощ­ностью до нескольких сотен ватт. В таких устройствах использу­ется более массивный жесткий подвижный контактный сердечник, закрепленный на возвратной пружине. При этом за счет сниже­ния электрического сопротивления контактной системы и улучше­ния теплоотдачи удается повысить ток через контакты. Для этих же целей возможно применение жидкометаллических герметизи­рованных  контактов,   внутри   герметизированного   баллона   кото­рых  токопроводящие детали   частично   или   полностью   смочены ртутью.