Реле переменного тока

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики применяют реле переменного тока: двухэлементные секторные реле ДСШ, используемые в основном в качестве путевых реле. Для контроля целостности нитей светофорных ламп применяют нейтральные реле постоянного тока с выпрямителями ОМШ, для переключения питания устройств на резервный источник предназначены аварийные реле АОШ, АПШ и АСШ.

Двухэлементные штепсельные реле переменного тока ДСШ широко применяют как путевые реле в рельсовых цепях переменного тока 50 и 25 Гц. В метрополитенах применяют реле ДСШ-2 в качестве путевых и линейных реле. Реле ДСШ I класса надежности являются индукционными, работающими только от переменного тока.

Принцип действия двухэлементного реле основан на взаимодействии переменного магнитного потока одного элемента с током, индуцируемым в секторе переменным магнитным потоком другого элемента. В соответствии с законом электромагнитной индукции на проводник с током (сектор), помещенный в магнитное поле, действует сила, приводящая его в движение. Сектор реле поворачивается и переключает контакты. Сила, действующая на сектор, пропорциональна произведению токов местного и путе­вого элементов и зависит от угла сдвига фаз между ними.

Электромагнитная система реле ДСШ (рис. 2.9, а) имеет два элемента — местный и путевой. Местный элемент состоит из сердечника 1 и катушки 2. На сердечнике путевого элемента 3 помещена катушка 4. Между полюсами сердечников расположен алюминиевый сектор 5. Ток, проходящий по местной обмотке, образует совпадающий с ним по фазе магнитный поток Ф_М, который индуцирует в секторе токи i_М , отстающие по фазе от потока Ф_М на угол 90° (рис. 2.9, б). Под действием тока путевого элемента возникает магнитный поток Ф_П, индуцирующий в секторе токи i_П.

Взаимодействие индуцированных токов i_М с магнитным потоком Ф_П создает вращающий момент M1, а токов i_М с магнитным потоком Ф_М — вращающий момент М2. Под действием суммарного вращающего момента
М = М2 + М1 сектор перемещается вверх и замыкает фронтовые контакты. При выключении тока в путевой или местной обмотке сектор возвращается в исходное положение (вниз) под действием собственного веса. Поворот сектора ограничивается сверху и снизу роликами, которые для смягчения ударов могут перемещаться в направляющих их держателях.

Положительный вращающий момент и движение сектора вверх возможны только при определенном соотношении фаз между токами (напряжениями) путевого и местного элементов. Так как магнитные потоки Ф_П и Ф_м и индуцируемые ими в секторе токи i_П и i_М пропорциональны токам путевого и местного элементов, вращающий момент пропорционален произведению токов путевого и местного элементов и зависит от угла сдвига фаз между ними:

M = I_П I _M sin (φ),

где φ — угол сдвига фаз I_П и I _M.

Наибольший вращающий момент реализуется при угле сдвига фаз между токами путевого и местного элементов, равном 90°.

Таким образом, токи и совпадающие с ними потоки путевого и местного элементов должны быть сдвинуты на угол 90°. Если бы катушки и сердечники путевого и местного элементов были одинаковы, то и опережающие ток напряжения U_П и U_М также были бы сдвинуты между собой на угол 90°. Однако из-за некоторого отличия характеристик катушек и сердечников путевого и местного элементов U_М опережает по фазе I_М на 72°, a U_П опережает по фазе I_П на 65°. Поэтому напряжения U_M и U_П сдвинуты по фазе не на 90°, а на 97°.

Рис. 2.9. Принципиальная схема реле ДСШ

Рис.2.10. Векторная диаграмма реле ДСШ

Практически для индукционных реле ДСШ обычно задается такой угол сдвига фаз между напряжением местного элемента и током путевого элемента, при котором реализуется максимальный вращаю­щий момент.

Для реле ДСШ при частотах сигнального тока 50 и 25 Гц для реализации максимального вращающего момента необходимо, чтобы напряжение местной обмотки опережало ток путевой обмотки на угол (162±5)°. Этот угол называется идеальным углом сдвига фаз. Напомним, что угол сдвига фаз между токами и магнитными потоками путевого и местного элементом составляет при этом 90°.

Идеальные фазовые соотношения характеризуются следующими углами сдвига фаз (рис. 2.10): 90⁰ между токами и магнитными потоками путевого и местного элементов; 162° между током путевого и напряжением местного элементов; 97° между напряжениями путевого и местного элементов.

Если фазовые соотношения отличаются от идеальных, то для обеспечения работы реле и получения необходимого вращающего момен­та требуется увеличить напряжение U_Пна обмотке путевого элемента до величины:

,

где φ_И и φ_Д — идеальный и действительный фазовые углы.

Приведенная формула верна при φ_И>φ_Д и φ_И<φ_Д, так как функ­ция сos.φ одинакова при положительном и отрицательном углах.

Практически в условиях эксплуатации угол расстройки не должен превышать 25—30°. При отклонении угла расстройки на ±30° вращающий момент изменяется незначительно. Так как cos.30°=0,867, то требуется увеличение напряжения на путевой обмотке на 13—14% по сравнению со случаем идеальных фазовых соотношений. При дальнейшей расстройке функции соs(φ_И – φ_Д) изменяется более резко, рельсовая цепь работает неустойчиво, так как дальнейшие незначительные возрастания расстройки приводят к заметному снижению вращающего момента и силы подъема сектора. При расстройке 60° требуется увеличить напряжение на путевой обмотке в два раза.

Трансмиттеры

Маятниковый трансмиттер МТ-1 применяют для импульсного питания рельсовых цепей постоянного тока. Он вырабатывает импульсы тока с интервалами между ними: длительность импульсов и интервалов одинакова и равна 0,3 с.

Основными частями маятникового трансмиттера (рис. 2.11) являются электромагнитная система, ось с шайбами и маятником и контактная система. Электромагнитная система состоит из двух сердечников 1 с полюсными наконечниками, между которыми помещен якорь 2. На ось якоря насажены маятник 3 и гетинаксовые шайбы 4, 5 и 6, которые переключают контакты. На сердечники помещены катушки К1 и К2. Якорь насажен на ось так, чтобы в спокойном положении маятника ось якоря не совпадала с магнитной осью M1 и М2. В этом положении кулачковой шайбой 4 замкнут управляющий контакт УК. При включении тока якорь 2 под действием магнитного поля поворачивается против часовой стрелки, стремясь занять положение по оси М1-М2. Вместе с якорем поворачиваются маятник и кулачковые шайбы 4, 5 и 6. Управляющий контакт при этом размыкается и размыкает цепь питания обмоток. Маятник по инерции продолжает замедленное движение за счет запасенной кинетической энергии, затем под действием силы тяжести маятник вместе с осью и якорем начинает движение в обратном направлении. Проходя исходное (среднее) положение, шайба 4 замыкает контакт УК, включая обмотку. Однако маятник по инерции еще продолжает движение, затем движение возобновляется против часовой стрелки.

При прохождении якоря через среднее положение снова замыка­ются контакты УК, и обмотки включаются. Якорь вместе с маятни­ком получают дополнительное усилие. Таким образом, за счет энергии источника питания при каждом прохождении среднего по­ложения маятник получает дополнительное ускоряющее усилие, устанавливаются незатухающие автоматические колебания. Транс­миттер МТ-1 совершает 95—115 колебаний в минуту. С такой же частотой замыкаются и размыкаются контакты 31-32 и 41-42. Через эти контакты в рельсовую цепь передаются импульсы тока. Трансмиттер МТ-2 имеет аналогичное устройство и отличается длительностью вырабатываемых импульсов и интервалов. Он совер­шает 40 + 2 колебаний в минуту, его контакт 31-32 замкнут и разом­кнут в течение (0,75 + 0,1) с, а контакт 41-42 замкнут в течение (1+0,05) с, а разомкнут в течение (0,5 + 0,1) с. В положении покоя контакт 41-42 замкнут, а контакт 31-32 разомкнут. Трансмиттер МТ-2 применяют в схемах включения светофоров для обеспечения мигающего режима горения ламп. Маятниковые трансмиттеры рассчитаны для работы от источников постоянного тока напряже­нием 12 и 24 В.

Рис. 2.11. Принципиальная схема маятникового трансмиттера МТ-1

Кодовые путевые трансмиттеры переменного тока КПТШ служат для образования кодовых сигналов, используемых в системах число­вой кодовой автоблокировки и автоматической локомотивной сигна­лизации.

Трансмиттеры КПТШ-515 и КПТШ-715 используют в системе число­вой кодовой автоблокировки и АЛСН переменного тока 50 Гц, КПТШ-815 и КПТШ-915 — при частоте сигнального тока 75 Гц. Про­должительность кодового цикла у трансмиттеров КПТШ-515 и КПТШ 815 составляет 1,6 с, а у трансмиттеров КПТШ-715 и КПТШ-915 — 1,86 с.

Основными частями трансмиттера являются однофаз­ный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, редуктор, кулачковые шайбы и контактная система. Статор имеет две обмотки, смещенные в пространстве на угол 90°. Параллельно одной из обмо­ток у трансмиттеров, работающих от переменного тока 50 Гц, включен конденсатор емкостью 6 мкФ для расщепления фазы (у трансмит­теров, работающих от тока частотой 75 Гц, для этой же цели включен конденсатор емкостью 2 мкФ последовательно с обмоткой).

Благодаря пространственному смещению обмоток и электрическо­му смещению тока в одной из них включением конденсатора при питании статора однофазным переменным током создается перемен­ное вращающееся магнитное поле, подобно вращающемуся магнит­ному полю трехфазных асинхронных двигателей. Переменное магнит­ное поле статора наводит ток в короткозамкнутом роторе. Взаимо­действие вращающегося магнитного поля статора с наведенным током ротора создает вращающий момент, и ротор (якорь) начинает вращаться. Частота его вращения при заданных параметрах дви­гателя пропорциональна частоте тока, питающего обмотки статора. При частоте питающего тока 50 Гц частота вращения якоря электро­двигателя равна 982 об/мин, а при частоте 75 Гц—1473 об/мин (в 1,5 раза выше). Во всех трансмиттерах применяют одинаковые электродвигатели.

Рис. 2.12. Контактная система трансмиттера КПТШ

При вращении якоря через редуктор приводятся во вращение кодовые кулачковые шайбы, связанные с контактами. Редуктор снижает частоту вращения до 30,8 или 36,5 об/мин в зависимости от типа трансмиттера. С такой частотой вращаются кодовые шайбы КЖ, Ж и 3, которые имеют различное число выступов, отличаю­щихся длиной, что обеспечивает различную продолжительность за­мыкания и размыкания контактов, связанных с шайбами КЖ, Ж и 3 (рис.2.12), укрепленными на одной общей оси. Каждая шайба вырабатывает определенный кодовый сигнал: КЖ — с одним, Ж — с двумя и 3 — с тремя импульсами в кодовом цикле. За один оборот шайбы КЖ вырабатывается два кодовых цикла, а шайб Ж и 3 — один. Кодовые шайбы расположены выступами так, что большие интервалы кодовых циклов КЖ, Ж и 3 совпадают (вернее, совпадают моменты их окончания, а начало не совпадает из-за их различной продолжи­тельности). Такое расположение шайб улучшает условия работы устройств автоматической локомотивной сигнализации при смене ко­довых сигналов в рельсах, например при движении поезда к путе­вому светофору, когда желтый огонь меняется на зеленый.

Рис. 2.13. Графики кодовых сигналов трансмиттеров КПТШ

Графики кодовых сигналов, вырабатываемых трансмиттерами различных типов, приведены на рис. 2.13.

Электродвигатель мощностью 16,5 Вт (при частоте 50 Гц) получа­ет питание от сети переменного тока напряжением 110 или 220 В.

Коэффициент полезного действия электродвигателя равен 0,3, cos.φ=l, потребляемый ток — 0,13 А при частоте питающего тока 50 Гц и 0,1 А при 75 Гц.

Каждая кодовая шайба (КЖ, Ж и 3) имеет две пары контактов на замыкание, выполненных из серебра или металлокерамического сплава. Контакты трансмиттера не рассчитаны на коммутирование больших мощностей, поэтому непосредственно в рельсовую цепь не включаются. Через контакты трансмиттера включаются трансмиттерные реле, через усиленные контакты которых мощные кодовые сиг­налы передаются в рельсы.