Определение, назначение, принцип работы и устройство электромагнитного реле.

Под реле понимают такой элек­трический аппарат, в котором при плавном изменении управляющей (входной) величины происходит скачко­образное изменение управляемой (выходной) величины. Из двух величин хотя бы одна должна быть электриче­ской.

По области применения реле можно разделить на реле для схем автоматики, для управления и защиты электропривода и для защиты энергосистем.

По принципу действия реле делятся на электромаг­нитные, поляризованные, индукционные, магнитоэлект­рические, полупроводниковые и другие.

В зависимости от входного параметра реле можно разделить на реле тока, напряжения, мощности, часто­ты и других величин. Следует отметить, что реле может реагировать не только на значение величины, но и на разность значений (дифференциальные), на изменение знака или на скорость изменения входной величины. Иногда реле, имеющие только одну входную величину, должно воздействовать на несколько независимых цепей. В этом случае реле воздействует на другое промежуточ­ное реле, которое имеет необходимое число управляе­мых цепей. Промежуточное реле используется и тогда, когда мощность, которой может управлять основное реле, недостаточна.

По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные. Первые воздействуют на выходной параметр путем замыкания или размыкания контактов в управляемой цепи; во-вторых, при срабатывании реле резко меняется сопротивление, включенное в управляемую цепь. Разомкнутому состоянию контактной системы со­ответствует большое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле. Это состояние бесконтактного реле носит название закрытого состояния. Замкну­тому состоянию контактного исполнительного ор­гана соответствует малое сопротивление между выход­ными зажимами бесконтактного реле. При этом говорят об открытом состоянии бесконтактного реле.

Помимо указанных признаков, реле различаются спо­собом включения. Первичные реле включаются в контролируемую цепь непосредственно, а вторичные — через измерительные трансформаторы.

Значение величины срабатывания Х_ср – значение воздействующей величины, при котором реле включается (якорь притягивается).

Значение величины отпуска Х_отп – значение воздействующей величины, при котором реле выключается (якорь отпадает).

Коэффициент возврата k_В – отношение величины отпуска к величине срабатывания:

k_В=Х_отп/Х_ср<1.

Рабочее значение воздействующей величины Х_р – максимальное значение этой величины, под воздействием которой воспринимающий элемент может длительно находиться, не перегреваясь (не разрушаясь) свыше допустимой температуры.

Коэффициент запаса по срабатыванию k_З – отношение рабочего значения воздействующей величины к величине срабатывания:

k_З=Х_р/Х_ср>1.

Рис.1. Характеристика «вход - выход» реле.

Реле для энергосистем.

В схемах защиты энергосистем, крупных и ответственных установок (мощных двигателей, транс­форматоров) широко применяются реле серии ЭТ. Эскиз одного из таких реле представлен на рис.2

Магнитопровод 1 шихтуется из листов электротехнической ста­ли. Обмотка реле 2 разбита на две части и позволяет соединять секции параллельно и последовательно. Якорь 3 выполнен из тон­кого листа электротехнической стали и имеет Z-образную форму. При повороте якоря происходит увеличение потока и насыщение якоря даже при токах, близких к току трогания. Это ограничивает момент, развиваемый реле в конце хода якоря.

Применение поворотной системы и легконасыщающегося якоря позволяет приблизить тяговый момент к противодействующему и получить высокий коэффициент возврата (0,85). Подвижный кон­такт 5 мостикового типа шарнирно укреплен на рычаге, связанном с валом. Это дает возможность контакту самоустанавливаться. Для устранения вибраций контактов служит масляный демпфер, связан­ный с валом реле. Противодействующая сила создается спиральной пружиной 4. Начальная деформация пружины меняется рычагом 6. Начальное и конечное положения якоря определяются специальны­ми упорами. Грубое регулирование тока срабатывания производится за счет изменения схемы соединения обмоток, а плавное — изменением на­чального натяжения пружины. При переходе с последовательного соединения на параллельное ток срабатывания увеличивается в 2 раза. В 2 раза ток срабатывания можно поднять за счет уве­личения натяга пружины. Таким образом, реле позволяет регули­ровать ток срабатывания в пределах 1—4. Реле выпускаются на ми­нимальные токи срабатывания от 0,05 до 200 А.

Время срабатывания при k_З³2составляет 0,02 с.

Реле серии ЭТ имеют малое собственное потребление, порядка 0,1 В*А, высокий коэффициент возврата (до 0,85), малое время срабатывания (0,02 с) и высокую точность работы ±5%.

К недостаткам реле следует отнести малую мощность контакт­ной системы, необходимость тщательной регулировки реле во избе­жание вибрации контактов. Мощность контактов на размыкание составляет всего 50 Вт постоянного тока при напряжении 220 В.

Аналогичную конструкцию имеют реле напряжения серии ЭН. Отличие этих реле от реле серии ЭТ заключается в том, что об­мотки выполнены с большими числами витков и сопротивлениями и рассчитаны на подключение к источнику напряжения. Потребляе­мая мощность при этом возрастает до 1 В*А. Все остальные пара­метры такие же, как у реле серии ЭТ. Реле серии ЭН могут ра­ботать и как максимальные, реагируя на повышение напряжения выше напряжения уставки, и как минимальные, реагируя на пони­жение напряжения ниже напряжения уставки.

Как известно в электромагнитах переменного тока ток в обмотке сильно зависит от положения якоря. В клапанных элек­тромагнитах ток в притянутом состоянии в десятки раз меньше, чем при отпущенном якоре. Это затрудняет создание максимальных реле напряжения на базе клапанной системы, так как при напря­жениях, близких к напряжению срабатывания, через обмотку про­текает большой ток, выделяется мощность, в сотни раз превышаю­щая мощность в обмотке при притянутом якоре. Приходится сильно увеличивать габариты катушки, чтобы рассеивать большую мощ­ность, выделяемую при отпущенном якоре. Большим преимуществом реле серии ЭН является относительно небольшое изменение маг­нитной проводимости, в результате чего ток в обмотках мало ме­няется при повороте якоря. Это дает возможность иметь малые га­бариты обмоток.

Реле тока и напряжения для управления электроприводом. В схемах управления и защиты применяется реле постоянного тока серии РЭВ-300 с высоким коэффициентом возврата. Реле этой се­рии выпускаются и как реле напряжения и как реле тока в зави­симости от обмоточных данных. На рис.3 изображено токовое реле. Магнитопровод 1 имеет U-обдазную форму и выполнен из прутка круглого сечения. Плос­кий якорь 2 вращается на призме, что обеспечивает высокую меха­ническую износостойкость реле. Обмотка 3 выполняется из меди в соответствии с номинальным током реле. Регулирование силы пружины 5 осуществляется гайкой 6. Якорь 2 связан с подвижным контактом 5 с помощью изоляционной пластины 7. Реле имеет два неподвижных контакта 9 и 10. Подвижный контакт 8 соединяется с зажимом 11 с помощью гибкой связи 12. Реле выполняется в ви­де единого блока, который с помощью шпилек 4 может устанавли­ваться на металлических рейках сборной панели.

Высокий коэффи­циент возврата достигается благодаря тому, что конечный зазор может быть достаточно большим (до 5*10^-3), а ход якоря может составлять доли миллиметра. В реле тока уставка тока срабатыва­ния регулируется в пределах 30—65% номинального значения путем изменения начального усилия сжатия пружины 5.

В реле напряжения уставка срабатывания меняется в пределах 30—50% Uн. При увеличении сжатия пружины растет напряжение трогания Uтр, увеличивается время трогания согласно уравнению

где Lp — индуктивность и Rр — сопротивление цепи обмотки реле.

С увеличением напряжения трогания Uтр изменяется коэффи­циент возврата реле.

Для увеличения быстродействия реле напряжения рекомендует­ся брать реле на низкое номинальное напряжение (24 или 48 В) и последовательно включать добавочный резистор из константана. Следует отметить, что включение добавочного резистора, если он выполнен из константана, уменьшает зависимость напряжения срабатывания от температуры.

Коэффициент возврата регулируется путем изменения конечно­го зазора. Для реле рис.3 регулировка конечного зазора dк и хода якоря осуществляется с помощью неподвижных контактов 10 и 9. При подъеме контакта 10 зазор dк увеличивается. При опу­скании контакта 9 уменьшается ход якоря. Минимальное значение раствора контактов d2 равно 1,5 мм.

Реле защиты схем электропривода. На рис.4 представ­лена упрощенная схема защиты двигателя постоянного тока от ко­ротких замыканий. При повреждении якоря двигателя Я срабаты­вает максимальное мгновенное реле РМ и размыкает свои контак­ты РМ в цепи катушки линейного контактора Л. Якорь последнего отпадает. При этом обесточивается цепь якоря двигателя. Так как ток в якоре стал равным нулю, происходит отпускание реле РМ, контакты его замыкаются и цепь катушки контактора подготавли­вается к следующему включению.

При отключении контактора его блок-контакт БКЛ размыкает­ся, поэтому при замыкании контактов РМ контактор Л не включит­ся вновь. Характерным для схем является возврат реле РМ в исход­ное положение при токе в обмотке, равном нулю. Поэтому к реле максимальной токовой защиты двигателя не предъявляются требо­вания вы- сокого коэффициента возврата.

Рис.4. Схема включения реле максимального тока.

В целом ряде схем управление производится не с помощью кнопки, а с помощью командоконтроллера КК (рис.4). В этом случае после обесточивания якорной цепи двигателя реле РМ от­пустит свой якорь, и контакты этого реле подадут напряжение на катушку линейного контактора. Произойдет повторное включение на короткое замыкание. При этом последует новое отключение и т. д. В результате повреждений двигатель будет многократно включать­ся в сеть.

Для устранения этого недостатка реле снабжаются специальным устройством, предотвращающим возврат реле в исходное со­стояние после прекращения тока в катушке. Такие реле называют­ся реле без самовозврата, их принцип действия рассмот­рен ниже. Возврат реле в исходное положение после срабатывания возможен либо вручную, либо с помощью специального электромаг­нита (дистанционный возврат). Основными требованиями, предъявляемыми к реле, являются быстрое срабатывание, широкая регулировка тока срабатывания, вибро- и ударостойкость.

Реле могут быть использованы, и для защиты от перегрузки. В этом случае выдержка времени, независимая от тока перегрузки, создается отдельным реле времени. Такая защита является несо­вершенной, так как долговечность оборудования зависит не только от величины тока перегрузки, но и от длительности его протека­ния. Более совершенной является тепловая защита.

На рис.5 показано реле серии РЭВ, предназначенное для работы в схемах электропривода переменного тока. Эти реле используются для защиты от токов короткого замыкания, от пере­грузок (в совокупности с реле времени). В реле используется про­стейшая клапанная система. Для повышения механической износостойкости используется призматическая опора якоря. Реле может иметь и параллельную обмотку. В этом случае оно используется как реле напряжения для защиты от исчезновения питания. Эти же реле могут использоваться как промежуточное реле. Поскольку реле работает на переменном токе, магнитопровод шихтуется из элек­тротехнической стали. Токовые реле в исходном положении работа­ют с разомкнутой магнитной системой. Поэтому короткозамкнутый виток не устанавливается на полюсе. Реле напряжения работают, как правило, при исчезновении питания. Поэтому в исходном положении якорь притянут и находится в таком положении в течение нормальной работы схемы.

Для устранения вибрации якоря на по­люсный наконечник устанавливается короткозамкнутый виток. Ка­тушки токовых реле выполняются на номинальные токи от 2,5 до600 А. Регулирование тока при данной катушке производится за счет изменения натяжения пружины в весьма широких пределах.

Реле напряжения допускают регулировку срабатывания в пре­делах 70—85% номинального напряжения. Коэффициент возврата лежит в пределах 0,2—0,4, так что реле напряжения защищают фактически от потери напряжения. Реле имеют контактную систе­му с замыкающим и размыкающим контактами. Реле выпускаются с самовозвратом и без самовозврата с руч­ным приводом защелки.

Защелка не уравновешена: левая часть тяжелее, чем правая. При притяжении якоря под действием сил тяжести защелка 1 по­ворачивается против часовой стрелки и запирает якорь 2 в притя­нутом положении. Для возврата якоря необходимо нажать на риф­леную головку защелки.