РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1. Переходные процессы

Характер переходных процессов при срабатывании и обесточивании реле определяется тем, что реле является индуктивной нагрузкой. Эти процессы усложняются из-за изменения воздушного зазора между якорем и сердечником при движении якоря и вследствие изменения индуктивности реле.

Статическую индуктивность определяют из соотношения:

LI = ωФ

Пренебрегая потоками утечки и потерями МДС в стали, будем считать, что Ф = Ф_в, Iω = Iω_в, ω = ω_в, где ω_в - часть витков обмотки, которые создают рабочий поток.

Тогда

L = ωФ_в/I = ωI ω_вG_в/I = ω²G_в (5.1)

Выражение (5.1) можно использовать для приближенного расчета индуктивности. Из чего следует, что индуктивность реле при притянутом якоре больше, чем при отпущенном, так как G_вприт > G_вотп. Поэтому и постоянная времени реле при притянутом якоре больше, чем при отпущенном.

Для срабатывания реле при нажатии кнопки S1 (рис. 5.1, а) справедливо уравнение,

,

где L – индуктивность реле при отпущенном якоре. Из уравнения (5.2)

,

где I_p – установившийся (рабочий) ток;

t - постоянная времени реле при отпущенном якоре.

График функции (5.3) представляет собой возрастающую экспоненту (штриховая кривая ac на рис 5.1, б). По этой привой ток в реле возрастает, если в случае притяжения якоря не изменяются воздушный зазор и индуктивность реле. Фактически ток изменяется по кривой oabc. Участок кривой oa соответствует нарастанию тока по экспоненте с постоянной времени t до начала трогания якоря (точка a). Участок ab соответствует движению якоря. При этом воздушный зазор уменьшается, индуктивность реле возрастает, магнитный поток резко увеличивается. В обмотке реле появляется противоЭДС, задерживающая нарастание тока. Но якорь не останавливается, так как для его дальнейшего движения (при уменьшенном зазоре) достаточен малый ток. Участок bc отражает изменение тока после остановки якоря (точка b) до установившегося значения I_p по экспоненте с постоянной времени , где - соответственно индуктивность и постоянная времени реле при притянутом якоре.

Время притяжения якоря реле t_пр складывается из времени трогания t_тр и времени движения t_дв якоря реле: t_пр = t_тр + t_дв.

Обычно t_тр >> t_дв, и можно считать, что t_пр ≈ t_тр . В выражении (5.3) примем i = I_тр, t = t_тр. Тогда

I_тр = I_р ﴾ 1 - ﴿ или =

После логарифмирования и преобразования этого выражения получим формулу для определения времени трогания якоря:

t_пр ≈ t_тр = τ ln (5.4)

Из выражения (5.4) следует, что время притяжения якоря возрастает при увеличении t, т.е. при росте индуктивности реле; время притяжения уменьшается с увеличением рабочего тока (напряжения).

Рис. 5.1. Схема включения и выключения реле и графики переходных процессов

Таблица 5.1

Обесточить реле можно размыканием цепи ключом S1 (см. рис. 5.1, а) или шунтированием обмотки ключом S2. Рассмотрим второй способ. Уравнение переходного процесса:

,

а его решение

(5.5)

График функции (5.5) есть убывающая экспонента (линия deg на рис 5.1, б). По этой кривой ток убывает, если при отпускании якоря не изменяются воздушный зазор и индуктивность реле. Фактически ток изменяется по кривой defg. Участок de соответствует уменьшению тока по экспоненте с постоянной времени до начала трогания якоря (точка e). Участок ef соответствует движению якоря. При этом воздушный зазор увеличивается, индуктивность реле уменьшается и магнитный поток резко убывает. Поэтому в обмотке реле возникает противоЭДС, задерживающая убывание тока. Участок fg отражает убывание тока до нуля по экспоненте с постоянной времени t (после остановки якоря – точка f).

Итак, t_отп = t_тр + t_дв ≈ t_тр. Подставим в выражение (5.5) значения i = I_тр, t = t_тр.

Тогда

t_отп ≈ t_тр = τ’ln (5.6)

Из выражения (5.6) следует, что время отпускания возрастает при увеличении , т.е. при увеличении индуктивности реле; время отпускания возрастает при увеличении рабочего тока (напряжения).

Временны́е и электрические параметры некоторых нейтральных реле железнодорожной автоматики приведены в табл. 5.1.

5.2. Способы замедления и ускорения работы реле

В процессе эксплуатации иногда возникает необходимость изменить временны́е параметры реле. Например, замедление на срабатывание реле используют для исключения критических состояний или для сохранения состояния реле или кратковременном исчезновении питающего напряжения. Применяют электрические (изменяют t реле), схемные (изменяют t схемы включения реле), механические (изменяют время движения якоря) способы воздействия на временны́е параметры.

Электрический способ состоит в применении короткозамкнутого витка в виде медной гильзы (рис. 5.2, а), шайбы или медного каркаса катушки, что дает замедление на притяжение и отпускание якоря реле. Этот эффект объясняется тем, что при изменении магнитного потока в момент срабатывания или обесточивания реле в медной гильзе индуцируются вихревые токи. Их магнитный поток препятствует изменению силового потока, в результате чего общий поток изменяется медленнее и соответственно реле работает медленнее.

Наличие медной гильзы увеличивает постоянную времени реле τ_р = τ_об + τ_г, где τ_г = L_г/R_г. Рассматривая гильзу как одновитковую обмотку и учитывая выражения (5.1) и (4.3), имеем: L_г = ω²G_в = μ₀S/δ . Чтобы определить сопротивление гильзы вихревому току R_г, рассмотрим элементарную трубку толщиной dx на расстоянии x от центра (рис. 5.2, б). Для вихревого тока она является проводником длиной 2px и сечением ldx (заштрихованная область).

Тогда

dR_г = ρ_м .

Полная проводимость гильзы

,

а постоянная времени

(5.7)

Из выражения (5.7) следует, что время замедления увеличивается с возрастанием массы гильзы (длины l и толщины D/d), а также с уменьшением удельного сопротивления материала гильзы r (поэтому используют медь); время на отпускание якоря реле больше, чем на его притяжение. Последнее вытекает из того, что в выражении (5.7) все величины постоянные, кроме d. Поэтому τ_г = с/d, где . Физически это объясняется различной магнитной проводимостью при притянутом и отпущенном якоре: G_{в прит} > G_{в отп}. Поэтому магнитный поток вихревых токов при обесточивании реле больше, чем при его срабатывании. Реле с медной гильзой, применяемые на железнодорожном транспорте, называют медленнодействующими. Они имеют в обозначении букву М (НМШМ, РЭЛ 1М). Время отпускания якоря таких реле возрастает в 5 - 10 раз, а время притяжения – в 2 - 4 раза.

Рис. 5.2. Медная гильза

В схеме (рис. 5.3), воздействующей на временны́е параметры реле, включение конденсатора С параллельно обмотке реле (рис. 5.3, а) дает замедление на притяжение и отпускание якоря. При срабатывании реле сначала заряжается конденсатор С. Когда напряжение u_c на конденсаторе достигает значения U_пр реле притянет якорь. Во время обесточивания реле конденсатор С разряжается на обмотку реле. Когда напряжение u_c, на конденсаторе достигает значения U_отп, реле отпускает якорь. Чем больше емкость конденсатора С, тем больше замедление. Схему используют, когда необходимо получить большое замедление на отпускание якоря (несколько секунд). При этом емкость конденсатора С = 1000 – 2000 мкФ. Недостаток данной схемы – большой зарядный ток конденсатора.

Рис. 5.3. Схемы замедления и ускорения работы реле

Включение резистора параллельно обмотке реле (рис. 5.3, б) дает замедление на притяжение и отпускание якоря. Замедление возникает из-за увеличения постоянной времени схемы по сравнению с t_р:

Когда реле обесточивается, через резистор протекает экстраток размыкания, который удерживает некоторое время якорь реле притянутым. Чем меньше R, тем больше замедление. Недостаток схемы – уменьшение общего сопротивления нагрузки.

Схема (рис. 5.3, в) не имеет недостатков схем (см. рис. 5.3, а и б). Схема (рис. 5.3, г) по сравнению со схемой (см. рис. 5.3, б) дает замедление только на притяжение. Самой распространенной является схема (рис. 5.3, д), в которой замедление на отпускание якоря осуществляется вследствие протекания через диод экстратока размыкания.

Схема (рис. 5.3, е) обеспечивает ускорение на притяжения якоря. На реле подается большее напряжение питания, чем необходимое рабочее напряжение. Поэтому при срабатывании реле через него протекает ток перегрузки, в 2 - 4 раза больший, чем рабочий ток I_р, что согласно выражению (5.4) уменьшает t_пр. Длительную перегрузку исключают включением в цепь фронтового контакта реле А резистора R.

Изменять временны́е параметры реле можно, используя вторую обмотку реле (рис. 5.3, ж). Обмотки I и II включены согласно, причем обмотка II нормально отключена монтажной перемычкой П. Если эту перемычку установить, то в магнитной цепи реле постоянно действует магнитный поток Ф_П < Ф_пр, что обеспечивает ускорение на притяжение и замедление на отпускание якоря. При встречном включении обмоток I и II (рис. 5.3, з) осуществляется замедление на притяжение и ускорение на отпускание якоря.

Механические способы замедления используют для получения больших выдержек времени (до нескольких десятков секунд). При этом увеличивается время движения якоря вследствие присоединения его к демпфирующему устройству, воздающему тормозное усилие, пропорциональное скорости перемещения. Демпфирующие устройства бывают механические (анкерные, часовые), гидравлические и пневматические.

5.3. Временны́е диаграммы работы реле

Процессы, которые происходят при притяжении и отпускании якоря реле, удобно отображать на специальных временны́х диаграммах (рис 5.4). При срабатывании реле происходит три события, которым соответствуют точки на временно́й диаграмме (рис. 5.4, а): точка 1 – момент срабатывания реле; точка 2 – момент размыкания тылового контакта; точка 3 – момент замыкания фронтового контакта. Отрезок 1-2 соответствует времени t_{тр пр} (см. п. 2.3), отрезок 2-3 – t_{пер пр}, отрезок 1-2 – t_пр. При обесточивании реле также происходят три события: точка 4 – выключение обмотки реле, точка 5 – момент размыкания фронтового контакта, точка 6 – момент замыкания тылового контакта. Отрезок 4-5 соответствует времени t_{тр отп}, отрезок 5-6 – t_{пер отп}, отрезок 4-5 – t_отп. Заштрихованная площадь на диаграмме представляет собой время (отрезок 1-4), в течение которого по обмотке реле протекает ток.

На рис. 5.4, б приведена временна́я диаграмма для мостового контакта (см. рис. 3.2. г). При срабатывании реле у него сначала (во времени) замыкается фронтовой контакт (точка 3), а затем размыкается тыловой (точка 2). При обесточивании реле сначала замыкается тыловой контакт (точка 6), а затем размыкается фронтовой (точка 5).

Временны́е диаграммы используют для записи работы релейно-контактных схем. Работа пульс-пары (рис. 5.5, а) генератора импульсов на двух реле А и В отображена на временно́й диаграмме (рис. 5.5, б). В момент нажатия кнопки S срабатывает реле А (точка 1). При замыкании фронтового контакта 11-12 А (точка 3) срабатывает реле В (точка 1¢). Размыкание тылового контакта 11-13 В (точка 2¢) приводит к обесточиванию реле А (точка 4). При размыкании контакта 11-12 А (точка 5) обесточивается реле В (точка 4¢), а при замыкании контакта 11-13 В (точка 6¢) опять срабатывает реле А и работа схемы повторяется до тех пор, пока нажата кнопка S. Лампа EL периодически включается контактом 21-22 А.

Рис. 5.4. Временны́е диаграммы работы реле

Рис. 5.5. Схема пульс-пары и временна́я диаграмма ее работы

Рис. 5.6. Строчная запись работы пульс-пары	Рис. 5.7. Схема с мостовыми контактами

Временны́е диаграммы являются наиболее детальным способом записи работы релейно-контактных схем, который отражает все события, происходящие в ее работе, и позволяет рассчитывать временны́е характеристики схемы. Например, зная временны́е параметры реле А и В, можно рассчитать время, в течение которого горит (t_имп) и не горит (t_инт) лампа EL:

t_имп = t(1’ – 2’) + t(4 - 5) = t_{тр. пр. В} + t_{тр. отп. А},

t_инт = t(4’ – 6’) + t(1” – 3”) = t_{отп. В} + t_{пр. А},

Другие способы записи – таблица переходов (табл. 5.2) и строчная запись (рис. 5.6) – не обладают такой степенью детализации.

Таблица 5.2

Рис. 5.8. Временна́я диаграмма работы схемы с мостовыми контактами

Для схемы (рис. 5.7) с мостовыми контактами построена временна́я диаграмма (рис. 5.8). По ней можно определить время горения ламп EL1 и EL2 соответственно:

t₁ = t_отп.А – t_{пер.пр.Д}; t₂ = t_тр.пр.С