Глава 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

2.1. Общие сведения

Электромагнитное реле появилось во второй половине XIX века после изобретения электромагнита. Само слово “реле” - французское relais и означает “пункт перегрузки”, “место смены лошадей”. Выбор этого термина отражает тот факт, что реле – элемент, переключающий внешние цепи нагрузки.

Теперь мы можем сказать, что изобретение реле явилось важным событием в истории развития техники по своему значению сравнимое с последующим изобретением транзистора. С помощью реле появилась возможность создавать сложные автоматические системы управления и возможность эффективно управлять объектами на расстоянии. Это в свою очередь вызвало развитие теории автоматического управления, теории релейных схем и дискретных устройств. На реле были построены первые вычислительные устройства и машины. Таким образом, именно изобретение электромагнитного реле положило начало сегодняшнему высокому уровню развития средств автоматизации.

Элементом релейного действия, или реле, называется элемент автоматики, имеющий выходную характеристику (рис. 2.1), называемую релейной. Ее особенностью является скачкообразное изменение выходной величины y при непрерывном изменении входной величины x. В этом состоит отличие реле от других элементов (усилители, двигатели, трансформаторы и др.), у которых выходная величина изменяется плавно, непрерывно. Реле еще называют дискретным элементом, так как его состояние меняется скачком, дискретно.

Реле имеет два состояния. Состоянию “Выключено” соответствует значение у = у_выкл, состоянию “Включено” – у = у_вкл.

Если х = 0, то реле обесточено и у = у_выкл (точка а). С увеличением значения x выходная величина y до определенного предела не изменяется. При х = х_вкл реле срабатывает, и величина y, изменяясь скачкообразно, принимает значение у_вкл (точка b). При дальнейшем увеличении x значение y не изменяется. В случае уменьшения величины x и достижения значения х = х_выкл происходит обратный скачок, реле обесточивается и у = у_выкл (точка с). При дальнейшем уменьшении x до нуля значение y не изменяется.

Таким образом, реле является двоичным (двухпозиционным) элементом, обладающим свойством гистерезиса, так как х_выкл < х_вкл. Данная характеристика является идеальной. В некоторых случаях у реальных элементов релейная характеристика отличается тем, что ее отрезки не строго параллельны осям x и y или не строго прямые линии.

Рис. 2.1. Релейная характеристика	Рис. 2.2. Электромагнитное реле

Рис. 2.3. Релейные характеристики контактного реле

Электромагнитное реле постоянного тока (рис. 2.2) состоит из электромагнита и контактной системы. Обмотка 6 служит для создания магнитного потока Ф и располагается на сердечнике 1. Путь для магнитного потока (магнитопровод) образует сердечник 1, ярмо 2, якорь 4 и воздушный зазор 5. На ярме крепятся контактная система 3 и якорь. Якорь является подвижной частью магнитопровода и служит для механического воздействия на контакты. На якоре устанавливается диамагнитный штифт (штифт отлипания), который сохраняет некоторый воздушный зазор между якорем и сердечником при срабатывании реле. Контактная система, переключающая внешние цепи (нагрузки R_н1 и R_н2), состоит из трех упругих пружин с укрепленными на них контактами. Пружина О общего контакта механически связана с якорем. Нижний контакт Т называется тыловым. Он замкнут, если реле обесточено. Через тыловой контакт включается нагрузка R_н1, которая нормально должна быть включена (например, красная лампа входного светофора на станции). Верхний контакт Ф называется фронтовым. Он разомкнут, если реле обесточено. Через фронтовой контакт включается нагрузка R_н2, которая нормально должна быть выключена (например зеленая лампа светофора на станции).

Принцип действия данного реле – это принцип действия электромагнита. При замыкании ключа S в выводам обмотки подключается источник питания. По обмотке протекает ток и создается магнитный поток Ф. В результате чего якорь притягивается к сердечнику и перемещает вверх пружину О. Размыкается тыловой контакт и замыкается фронтовой. Нагрузка R_н1 выключается, а нагрузка R_н2 включается. При размыкании ключа S и отключении обмотки реле от источника питания якорь возвращается в исходное (отпущенное) состояние под действием силы со стороны упругих пружин Ф и О; размыкается фронтовой контакт и замыкается тыловой. Нагрузка R_н2 выключается, а нагрузка R_н1 включается.

Построим вход-выходную характеристику данного элемента относительно фронтового контакта. Входной величиной x является ток в обмотке реле I_р, а выходной y – ток в нагрузке I_н2. Когда реле обесточено, , якорь реле отпущен. Поэтому контакт Ф разомкнут и ток в нагрузке равен нулю (точка а) (рис. 2.3, а). В случае увеличения тока в реле и достижения значения, называемого током притяжения I_пр, якорь реле притягивается, контакт Ф замыкается и ток I_н2 возрастает скачкообразно (точка b). Дальнейшее увеличение тока в обмотке реле не влияет на ток нагрузки, который определяется сопротивлением нагрузки R_н2. При уменьшении тока I_р и достижения значения, называемого током отпускания I_отп, реле отпускает якорь, контакт Ф размыкается, и ток в нагрузке становится равным нулю (точка с). Таким образом, мы получили чистый случай идеальной релейной характеристики (см. рис. 2.1), в которой у_выкл = 0. Релейная характеристика относительно тылового контакта показана на рис. 2.3, б.

2.2. Классификация реле

Конструкцию электромагнитного реле (см. рис. 2.2) можно разбить на две части: воспринимающую и исполнительную. Воспринимающая часть реагирует на входную величину x. К ней относятся обмотка, сердечник, ярмо и якорь, т.е. электромагнит, который реагирует на значение тока в обмотке. Исполнительная часть, воздействующая на внешние цепи, представляет собой контактную систему.

Реле классифицируют в зависимости от физической природы величины x и принципа действия воспринимающей части. Существуют электрические, механические, тепловые, пневматические, гидравлические, акустические и оптические реле. Наибольшее распространение получили электрические реле, как имеющие простую конструкцию и высокую надежность действия.

У механических реле в качестве входной величины x используется скорость, ускорение, перемещение в пространстве или деформация.

Рис. 2.4. Примеры реле

Центробежное реле (рис. 2.4, а) реагирует на вращения вала. При увеличении частоты вращения под действием центробежных сил грузы Г расходятся и подвижная муфта ПМ перемещается вправо, что приводит к замыканию контакта К.

Тепловые, или термореле срабатывают под влиянием температуры окружающей среды или от нагрева током, протекающим по обмотке. Биметаллическое термореле (рис. 2.4, б) используют в качестве реле времени или для защиты электрических цепей от перегрузок по току. Реле состоит из двух плоских биметаллических пластинок, один конец которых закрепляют неподвижно, другой связан с контактом. Биметаллическая пластинка образуется из двух слоев металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При нагреве током, протекающим по обмотке, оба слоя расширяются неодинаково и пластина изгибается в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом расширения. В результате изгиба замыкается контакт.

Пневматические (рис. 2.4, в) и гидравлические реле срабатывают под действием давления сжатого воздуха или жидкости. Их удобно использовать в том случае, если техническая система имеет соответствующую компрессорную установку. В пневматическом реле сжатый воздух из воздушной магистрали 5 поступает в цилиндр 4 и перемещает поршень3, который с помощью штока 1 связан с контактной системой. Контакты замыкаются. При уменьшении давления в воздушной магистрали поршень под действием пружины 2 перемещается вправо, и контакты размыкаются.

В устройствах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи в основном используют электрические реле. По принципу действия воспринимающей части электрические реле делятся на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, электронные, полупроводниковые, магнитные и др. Наибольшее распространение имеет электромагнитное реле (см. рис. 2.2).

Работа магнитоэлектрического реле (рис. 2.5, а) основана на использовании силы, действующей на проводник (рамку) 1 с током, размещенный в магнитом поле постоянного магнита 2. В электродинамическом реле (рис. 2.5, б) подвижная обмотка 3 располагается в магнитном поле электромагнита, состоящего из обмотки 1 и магнитопровода 2.

По принципу действия исполнительной части электрические реле бывают контактные и бесконтактные. Контактные реле воздействуют на нагрузку R_н, вследствие механического замыкания или размыкания цепей (рис. 2.6, а). В бесконтактных реле это осуществляется благодаря резкому изменению какого-либо параметра цепи (сопротивление, индуктивность, емкость) без механического размыкания цепи. Управлять нагрузкой можно, резко изменяя сопротивления некоторого элемента (рис. 2.6, б). Таким элементом может являться, например, транзистор, работающий в ключевом режиме (рис. 2.6, в). Достоинством контактного способа коммутации является полное гальваническое отключение нагрузки I_выкл = 0, что не обеспечивается при бесконтактном способе I_выкл ≠ 0 (см. рис. 2.3 и 2.1). Однако контактный способ коммутации имеет более низкую надежность по сравнению с бесконтактным способом.

Рис. 2.5. Магнитоэлектрическое и электродинамическое реле

В зависимости от рода питающего тока реле могут быть постоянного или переменного тока. Подавляющее большинство используемых реле постоянного тока. Это связано с тем, что их конструкция более проста и, кроме того, реле постоянного тока можно использовать в цепях переменного тока, включая их через выпрямитель.

По характеру работы якоря электромагнитные реле могут быть разделены на реле с угловым перемещением якоря [поворотный якорь (см. рис. 2.2)] и реле с линейным перемещением якоря [(реле соленоидного типа (рис. 2.7)]. Наибольшее распространение получили реле с поворотным якорем, так как они потребляют меньшую мощность.

Рис. 2.6. Схемы коммутации нагрузки

Рис. 2.7. Реле соленоидного типа: 1 – обмотка; 2 – ярмо; 3 – якорь; 4 – контакты

Рис. 2.8. Реле с поворотным якорем: 1 – обмотка; 2 – ярмо; 3 – сердечник; 4 – якорь

У этих реле три способа возврата якоря в исходное положение при выключении обмотки: под действием силы упругости контактных пружин (см. рис. 2.2), под действием собственной массы якоря (рис. 2.8, а) и под действием специальной возвратной пружины (рис. 2.8, б). Наиболее надежным является способ возврата под действием массы якоря, поскольку сила тяжести никогда не исчезнет, а возвратные пружины в процессе длительной работы могут потерять свойства упругости.

Электромагнитные реле постоянного тока бывают нейтральные, поляризованные и комбинированные. Работа нейтрального реле не зависит от полярности подключения к выводам обмотки полюсов питающей батареи. Его якорь (нейтральный) притягивается к сердечнику независимо от направления тока в обмотке. Среди реле железнодорожной автоматики и связи к нейтральным относятся реле НМШ, РЭЛ, НШ, НР, КДР, РКН, РПН, РЭС. Работа поляризованного реле зависит от полярности подключения выводов обмотки. Поляризованный якорь переключается в одно из двух положений в зависимости от направления тока в обмотке (реле ПМПШ, ИМШ, ПЛ). Комбинированное реле имеет нейтральный и поляризованный якоря (реле КМШ, КШ).

Реле переменного тока подразделяются на выпрямительные, индукционные и переменного тока непосредственного действия.

2.3. Основные параметры реле

Электрические реле имеют следующие параметры по току (см. рис. 2.3):

- ток притяжения (ток срабатывания) I_пр (I_ср) – минимальный ток в обмотке реле, при котором притягивается якорь и замываются фронтовые контакты;

- ток отпускания I_отп – максимальный ток в обмотке реле, при котором реле отпускает якорь, и замыкаются тыловые контакты;

- рабочий ток I_р – ток перегрузки, при котором обеспечивается надежное притяжения якоря; I_р > I_пр.

Некоторые реле имеют еще два токовых параметра:

- ток прямого подъема I_прп – минимальный ток, при котором замыкаются фронтовые контакты, но не обеспечивается заданное контактное нажатие (при этом якорь еще не прикоснулся к сердечнику и возможен его дальнейший ход);

- ток полного подъема I_пп – минимальный ток, при котором замыкаются фронтовые контакты и обеспечивается заданное контактное нажатие благодаря совместному движению вверх пружин О и Ф (см. рис. 2.2).

Аналогичны параметры по напряжению U_пр, U_отп, U_р, мощности W_пр, W_отп, W_р и магнитодвижущей силе (МДС) Iω_пр, Iω_отп, Iω_р. В теории реле МДС электромагнита – это произведение тока на число витков обмотки: .

По мощности притяжения электромагнитные реле делятся на реле малой мощности (1-3 Вт), средней (3-10 Вт) и мощные W_пр > 10 Вт.

Работа реле характеризуется коэффициентами запаса и возврата. Коэффициент запаса k_з = I_р / I_пр - это отношение рабочего тока к току притяжения. Чем больше k_з, тем надежнее работа реле на притяжение, но и больше энергия, потребляемая реле; обычно k = 1,4 – 4. Коэффициент возврата k_в = I_отп / I_пр - это отношение тока отпускания к току притяжения (k_в < 1). Чем больше k_в, тем надежнее работа реле на опускание, поэтому этот коэффициент называют еще коэффициентом безопасности, и чем ближе его значение к 1, тем лучше. Обычно k_в = 0,3 – 0,5.

Быстродействие реле характеризуют временные параметры. При притяжении якоря реле (см. рис. 2.2) замыкается ключ S и включается обмотка реле. Якорь начинает двигаться, размыкается тыловой контакт, пружина О перемещается вверх, замыкается фронтовой контакт.

Этот процесс определяется временем притяжения (время срабатывания) t_пр (t_ср) якоря реле – временем с момента включения цепи до момента замыкания фронтового контакта, временем трогания якоря реле на притяжение t_{тр пр} – временем с момента включения цепи реле до момента размыкания тылового контакта, временем перелета якоря реле при притяжении t_{пер пр} – временем с момента размыкания тылового контакта до момента замыкания фронтового контакта.

Время притяжения якоря реле:

t_пр = t_тр.пр + t_пер.пр

При отпускании якоря реле размыкается ключ S и выключается обмотка реле, якорь начинает двигаться, размыкается фронтовой контакт, пружина О перемещается вниз, замыкается тыловой контакт.

Таблица 2.1

Этот процесс определяется временем отпускания якоря реле t_отп – временем с момента выключения цепи реле до момента замыкания тылового контакта, временем трогания якоря реле на отпускание t_{тр отп} – временем с момента выключения цепи реле до момента размыкания фронтового контакта, временем перелета якоря реле при отпускании t_{пер отп} – временем с момента размыкания фронтового контакта до момента замыкания тылового контакта.

Время отпускания якоря реле:

t_отп = t_тр.отп + t_{пер.отп}

Классификация реле по быстродействию приведена в табл. 2.1.

Важнейшим параметром реле является его надежность, особенно для реле железнодорожной автоматики, поскольку на этих реле строят системы, обеспечивающие безопасность движения поездов. С точки зрения надежности реле железнодорожной автоматики делят на три класса: реле I класса, которые применяют при построении схем, обеспечивающих безопасность (НМШ, НШ, НР, ДСШ, РЭЛ, ПЛ); реле II класса надежности, которые используют при построении схем, обеспечивающих безопасность с условием схемного контроля их работы (ПМШ, ПМПШ, КМШ); реле III класса надежности, которые нельзя применять при построении схем, обеспечивающих безопасность (КДР и реле связи).

2.4. Эксплуатационно-технические требования к реле

Требования, которые предъявляют к реле, определяются особенностями работы систем железнодорожной автоматики: обеспечение безопасности движения поездов; длительный срок службы (20-30 лет); непрерывный характер работы (днем и ночью) в условиях интенсивного движения поездов; работа в сложных климатических условиях в различных регионах страны; строительство и ввод в эксплуатацию новых систем, в связи с чем требуется большое количество реле.

Это предъявляет к реле, и особенно к реле I класса надежности, высокие требования по надежности, безопасности и долговечности, низкой стоимости, устойчивости к температурным колебания, ударам и вибрации, хорошей технологичности при производстве и ремонтопригодности.

У реле I класса надежности с высокой степенью вероятности должно обеспечиваться отсутствие ложного замыкания фронтового контакта при выключенной обмотке (опасный отказ). Опасный отказ может привести к выполнению ответственного приказа (например, приказ на открытие светофора или перевод стрелки) без поступления соответствующей команды. В связи с этим реле I класса надежности являются реле с несимметричными отказами, у которых с помощью специальных конструктивных мероприятий достигается повышенная надежность относительно опасных отказов. Если общая надежность реле I класса (НМШ) характеризуется интенсивностью отказов 1/ч, то для опасных отказов λ_оп < 10^-8 – 10^-9 1/ч.

Опасный отказ у реле может произойти при магнитном залипании якоря из-за действия остаточного магнитного потока или в результате механического “заклинивания” якоря в притянутом положении, а также при сваривании фронтового и общего контактов или их ложного замыкания в результате деформации контактных пружин.

Чтобы бороться с этими явлениями, к реле I класса надежности предъявляют обязательные требования, которые можно называть требованиями безопасности: реле должно отпускать якорь под действием силы тяжести якоря или массивного груза на якоре. Так как сила тяжести никогда не исчезнет, отпускание якоря надежно и тем надежнее, чем больше масса якоря или груза; фронтовые и общие контакты не должны свариваться ни при каких условиях. Это достигается применением несвариваемых материалов для их изготовления. Фронтовой контакт выполняют из графито-серебряной смеси, а общий контакт – из серебра.

Если хотя бы одно из указанных двух требований не выполняется, то это реле нельзя отнести к I классу надежности. Для устранения причин опасного отказа к реле предъявляются также следующие требования:

1) магнитную схему реле следует изготавливать из магнитомягких ферромагнитных материалов, обладающих малой остаточной индукцией B_r и малой коэрцитивной силой H_c (рис. 2.9). Обычно используют низкоуглеродистые электротехнические стали марок 10 880, 20 832 и др. Малое значение B_r обеспечивает малый остаточный магнитный поток при выключении реле и уменьшает вероятность магнитного залипания якоря. Малое значение H_c определяет небольшую площадь петли гистерезиса и уменьшает потери на перемагничивание;

Рис. 2.9. Характеристика магнитных материалов

2) на якоре реле должен быть укреплен антимагнитный бронзовый штифт 6 (см. рис. 2.2), высота которого 0,1 – 0,3 мм гарантирует наличие небольшого воздушного зазора между якорем и сердечником при притянутом якоре. Это обеспечивает резкое уменьшение остаточного магнитного потока и исключает магнитное залипание якоря;

3) необходимо чтобы реле имело достаточно большие межконтактные расстояния (1 – 3 мм), исключающие ложное замыкание контактов вследствие изгиба контактных пружин;

4) контактные пружины следует изготавливать их материала с высоким модулем упругости, исключающим деформацию пружин в течение длительного срока службы (в основном применяют фосфористую бронзу или нейзильбер).

Указанные требования (тяжелый и массивный якорь, большие межконтактные расстояния) определяют достаточно большие размеры реле I класса надежности по сравнению с реле связи и промышленной автоматики. А это влияет на расход дефицитных материалов при их изготовлении (серебро, медь) и на стоимость реле. Термин “малогабаритное” для реле железнодорожной автоматики имеет относительный смысл, поскольку основное направление развития релейной железнодорожной техники заключается в стремлении уменьшить размеры реле с сохранением требований I класса надежности. Были разработаны реле типов НР, НШ, НМШ, РЭЛ, отвечающие изложенным требованиям. Наименьшие размеры имеют реле типа РЭЛ, выпускать которые стали в начале 80-х годов.

Основные требования, предъявляемые к реле железнодорожной автоматики и связи: устойчивая работа при температуре окружающей среды от минус 40 до плюс 60 ºС и относительной влажности воздуха до 95%; обеспечение контактами реле не менее 10⁷ замыканий без токовой нагрузки и не менее 3ּ10⁶ замыканий в схемах с релейной нагрузкой при токе 50 мА и напряжении 24В; обеспечивающие размыкания всех тыловых контактов при замыкании хотя бы одного фронтового и наоборот; наличие противокоррозионного покрытия некоррозионно-стойких металлических деталей (реле оцинкованы или никелированы); изготовление неметаллических частей реле из негорючих материалов; закрытие реле прочным прозрачным пылевлагозащитным и пломбируемым колпаком для исключения влияния внешней среды. Срок службы реле должен быть не менее 20 лет.

2.5. Реле железнодорожной автоматики

Реле железнодорожной автоматики имеют специальное условное обозначение (шифр), состоящее из букв и цифр. В большинстве случаев на первом месте стоят буквы, которые указывают тип реле: Н – нейтральное, П – поляризованное, К – комбинированное, И – импульсное, ДС – двухэлементное секторное. У реле, предназначенных для использования в схемах автоблокировки, применяют буквы АН – автоблокировочное нейтральное. Эти реле выпускают на напряжение питания 12В постоянного тока. Большинство остальных реле имеют напряжение питания 24В.

В обозначении малогабаритных реле на втором месте обычно расположена буква М (НМ). Буква Ш означает штепсельное исполнение реле, а буква Р – нештепсельное (НМШ, НР). Вторую букву М применяют в обозначении медленнодействующих реле (НМШМ), буквы П, В и Т используют в обозначении пусковых реле, реле с выпрямителями и с термоэлементом (НМПШ, ИМВШ, НМШТ). Первые буквы А и О служат для обозначения аварийных и огневых реле (АШ, ОМШ).

В обозначении реле после букв следует цифра, характеризующая число контактных групп. Цифра 1 означает, что контактный набор у реле содержит восемь переключающих контактов 8 фт; цифра 2 – четыре переключающих контакта 4фт; цифра 3 – два переключающих и два фронтовых контакта 2фт, 2ф; цифра 4 – четыре переключающих и четыре фронтовых контакта 4фт, 4ф; цифра 5 – два переключающих и два тыловых контакта 2фт, 2т. Цифры, отделенные дефисом, указывают сопротивление обмоток реле в Омах.

Например, обозначение реле НМШМ2-3000 означает: нейтральное малогабаритное штепсельное медленнодействующее реле, имеющее четыре переключающих контакта и обмотки сопротивлением 3000 Ом. Если реле имеет две обмотки с разным сопротивлением, то цифры записывают в виде дроби, например НМШ3-550/400.

У реле РЭЛ (реле электромагнитное) буквенные и цифровые обозначения иные. Нейтральное штепсельное реле обозначают РЭЛ (РЭЛ1, РЭЛ2), а нештепсельное БН (БН1, БН2). Поляризованное реле имеет обозначение ПЛ3, БП3; огневое реле ОЛ2, БО2; аварийное реле – А2, БА2; пусковое стрелочное реле – С5, БС5. Цифра 1 означает, что реле имеет шесть переключающих и два фронтовых контакта 6фт, 2ф; цифра 5 – три переключающих и один фронтовой контакт 3фт, 1ф; цифры 2 и 3 имеют тот же смысл, что и в обозначениях реле типа НМШ.

Реле железнодорожной автоматики третьего класса надежности обозначаются КДР (кодовое реле) и КДРШ. В устройствах связи и промышленной автоматики наиболее распространены нейтральные реле с круглым сердечником РКН, с плоским сердечником РПН, малогабаритные реле РКМ и РС, миниатюрные и сверхминиатюрные реле РЭС, поляризованные реле РП.

В табл. 2.2 приведены условные обозначения обмоток реле различного типа.

Таблица 2.2

Реле	I и II классы надежности	III класс надежности
Нейтральное
Нейтральное с замедлением на отпускание якоря
То же с выпрямителем
Поляризованное
То же с преобладанием одной полярности		
Комбинированное
Переменного тока
То же двухэлементное		