Устройство, принцип действия, характеристики, назначение электромагнитных реле

Электромагнитные реле постоянного тока являются наиболее распространенным видом реле. Они подразделяются на нейтральные и поляризованные. Поляризованное реле в отличие от нейтрального работает в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Рис. 5. Конструктивные схемы электромагнитных реле постоянного тока: а — поворотись б — с втяжным якорем; в — язычкового типа

Реле, которое коммутирует относительно большие мощности, называется контактором.

По характеру движения якоря основные типы реле делятся на три группы: 1) поворотные; 2) с втяжным якорем; 3) язычкового типа На рис. 5, а приведена схема конструкции поворотного электромагнитного реле постоянного тока. Реле состоит из магнитопровода 1, сердечника 2, обмотки 3, якоря 4, контактов 5, пружины 6.

Если к обмотке реле подвести управляющий сигнал (электрическое напряжение), то за счет возникновения электромагнитной силы якорь притянется к сердечнику электромагнита. В результате этого контакты реле замкнутся. Если управляющий сигнал снять, то якорь возвратится в прежнее положение за счет действия пружины и контакты реле будут разомкнуты.

Принцип действия реле с втяжным якорем (рис. 5, б), так же как и поворотных, основан на притяжении якоря к сердечнику 2 электромагнита, на обмотку 3 которого подаётся управляющий сигнал. При этом поднимается подвижная контактная перемычка 4, замыкая контакты 5. При снятии управляющего сигнала якорь под действием силы тяжести опускался на упоры 6, размыкая контакты 5.

Рис. 6. Характеристики реле: а — электромеханическая; 0 — временная

Одной из разновидностей реле является миниатюрное реле язычкового типа, или герконы. Контакты 2 этого реле представляют собой две пластины, помещенные внутри герметизированного баллона 1, наполненного инертным газом. При подаче управляющего сигнала на обмотку 3 этого реле его контакты замыкаются. Стеклянный баллон имеет длину приблизительно 15—20 мм, а диаметр 5 мм. Реле способно коммутировать мощность около 20 Вт.

Реле язычкового типа имеет преимущества по сравнению с двумя предыдущими типами реле по габаритам, быстродействию и надежности.

Обычно для сердечников и магнитопроводов реле используются материалы с большой магнитной проницаемостью, чаще всего мягкая электротехническая сталь.

Сила притяжения якоря реле зависит от его конструктивных параметров и определяется по формуле.

где i — ток, протекающий в обмотке реле; — число витков обмотки реле; S — сечение магнитопровода; — воздушный зазор.

Из рассмотренной формулы следует, что сила притяжения якоря пропорциональна квадрату намагничивающей силы (следовательно, не зависит от направления тока, протекающего по обмотке) и обратно пропорциональна воздушному зазору .

Зависимость электромеханической силы, действующей на якорь, от его положения называется электромеханической характеристикой реле F=f (), которая представлена на рис. 35, а. Из характеристики видно, что чем меньше воздушный зазор, тем больше сила притяжения якоря к сердечнику реле.

Катушка реле имеет активное сопротивление R и индуктивность L. Если подключить реле к источнику напряжения, то в обмотке реле возникнет переходный процесс, который может быть описан дифференциальным уравнением.

где i — ток в обмотке реле; L — индуктивность обмотки при отпущенном якоре, Результат решения уравнения дает закон нарастания тока при включении напряжения на обмотку реле:

где I=L/R — установившееся значение тока; T=LIR — постоянная времени цепи. При отключении напряжения ток в обмотке реле убывает по закону и затем становится равным нулю.

График нарастания тока при включении реле и спада при отключении представлен на рис. 6, б.

Приведенные формулы дают приближенную картину нарастания и спада тока в катушке, так как они не учитывают изменения индуктивности L при изменении воздушного зазора б.

Время срабатывания t_cp и отпускания t_отп реле определяют быстродействие реле. Приближенно они вычисляются по формулам.

Здесь I_cp — ток срабатывания реле, при котором якорь реле начинает перемещаться; I_ОПТ — ток, при котором якорь реле отходит от сердечника; T'=L'IR, где L' — индуктивность входной цепи при притянутом якоре.

Время срабатывания t_cp и отпускания t_ОТП реле можно регулировать в некоторых пределах, изменяя установившийся ток / и постоянную времени Т.

Для телефонных и кодовых реле время срабатывания составляет от 5 до 50 мс.

Время срабатывания реле можно увеличить механическим или электрическим способом.

При механическом способе замедление движения якоря можно получить за счет введения в конструкцию пружины, пневматического, гидравлического или магнитного демпфера. Эти способы позволяют получить время срабатывания реле от десятков секунд и выше.

При электрических способах либо шунтируется сопротивлением или емкостью катушка реле, либо в обмотку реле вводятся короткозамкнутые дополнительные витки.

Чтобы уменьшить искрообразование на контактах, применяются специальные искрогасящие цепочки, состоящие из емкости и сопротивления. Эти цепочки включаются параллельно контактам. При размыкании контактов реле емкость С заряжается или разряжается и, следовательно, напряжение между контактами уменьшается.

Надежность работы электрического реле в основной определяется надежностью работы контактов, коммутирующих электрические цепочки. Контакты должны надежно, без вибрации, замыкать и размыкать электрические цепи определенной мощности без подгорания, обеспечивая тем самым малое переходное сопротивление.

Наиболее тяжелым режимом работы контактов является разрыв цепей постоянного тока (особенно большой мощности), так как при этом на контактах возникает и поддерживается электрическая дуга.

Рис. 7. Конструктивная схема поляризованного реле.

При размыкании цепей переменного тока дуга на контактах гаснет намного быстрее.

К электромагнитным реле с поворотным якорем относятся также поляризованные реле (рис. 7). Основными деталями реле являются: постоянный магнит 1, якорь 2, катушка 3 и 3', неподвижные контакты 4 и 4', магнитопровод 5.

Это реле отличается от обычного электромагнитного реле постоянного тока тем, что вместо ярма здесь установлен постоянный магнит, наличие которого повышает чувствительность реле и, кроме того, заставляет реагировать реле на полярность приложенного к его обмотке напряжения.

Магнитный поток постоянного магнита, проходя по якорю, делится на два потока Ф₁ и Ф₂. Проходя через плечи ярма, один из этих потоков складывается с основным потоком, создаваемым в ярме намагничивающим током катушек, другой направлен встречно. В том плече ярма, где потоки складываются, сила притяжения, действующая на якорь, больше, и якорь притягивается к этому плечу. При изменении полярности приложенного к катушке напряжения якорь притягивается к другому плечу ярма.

Если напряжение на катушке реле равно нулю, то якорь реле займет нейтральное (среднее) положение, так как потоки Ф₁ и Ф₂ равны между собой и направлены встречно. Соответственно и силы притяжения, действующие на якорь справа и слева за счет потоков Ф₁ и Ф₂, будут равны. Поэтому результирующая сила, действующая на якорь, равна нулю. Однако практически якорь всегда притянут к одной из сторон ярма, так как всегда имеется небольшое смещение якоря.

Намагничивающая сила, которая обеспечивает срабатывание реле, определяется по формуле.

т. е. намагничивающая сила срабатывания пропорциональна потоку постоянного магнита Фо и смещению якоря x_t когда он притянут к ярму.

В поляризованном реле положение контактов можно регулировать.

Реле переменного тока состоит из таких же деталей, что и реле постоянного тока. Отличие заключается в том, что сердечник, ярмо и якорь этого реле изготавливаются из листовой электротехнической стали с целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.

Так как активное сопротивление катушки реле значительно меньше индуктивного сопротивления, то активным сопротивлением можно пренебречь. Следовательно, напряжение U, прикладываемое к катушке реле, уравновешивается ЭДС самоиндукции в обмотке:

где — частота переменного тока; Ф — магнитный поток; — число витков катушки реле, откуда.

Из этой формулы видно, что магнитный поток не зависит от магнитного сопротивления воздушного зазора Я₃, а следовательно, и от размера воздушного зазора. Поэтому электромеханическая характеристика реле будет иметь вид прямой, параллельной оси абсцисс.

При переменном намагничивающем токе сила притяжения будет меняться по закону где Fтах — амплитуда силы притяжения.

Путем простейших тригонометрических преобразований этой формулы можно показать, что сила притяжения изменяется от нуля до максимума с двойной частотой. Когда сила притяжения равна нулевому значению, пружина стремится оттянуть якорь назад, поэтому происходит вибрация якоря и даже искрение контактов, повторяющееся с частотой изменения силы притяжения F.

Для устранения данного явления реле изготовляются либо с двумя обмотками, либо с дополнительной короткозамкнутой обмоткой.

На практике чаще применяется другая конструкция реле переменного тока. Полюс такого реле раздвоен. На одну из половин насаживается короткозамкнутый медный виток (рис. 7, а).

Магнитный поток Ф у конца сердечника разветвляется¹ часть потока Ф₂ проходит половину сердечника с короткозамкнутой медной обмоткой, а другая часть потока Ф₁ приходит через свободную половину. Эти потоки сдвинуты по фазе относительно друг друга на определенный угол.

Сдвиг по фазе происходит вследствие того, что поток Ф₂ наводит ЭДС и в медном короткозамкнутом витке. Следовательно, в нем возникает ток, который в свою очередь создает также магнитным поток.

В результате магнитный поток Ф2 отстает на некоторый угол от потока Ф_ь Поэтому суммарная сила притяжения F, действующая на якорь, никогда не равна нулю при наличии напряжения на катушке в связи с тем, что когда одш| «з потоков проходит через нуль, другой.