Электромагнитные реле

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

КОНТАКТНАЯ РЕЛЕЙНАЯ ТЕХНИКА

Елабуга-2015

Цель работы: изучить основную контактную релейную технику (электромагнитные реле, герконы) и области ее применения.

Оборудование: учебные стенды, источник питания, соединительные провода, авометр.

Общие сведения о реле и их назначении

В автоматике слабые сигналы, исходящие от датчиков, должны управлять работой достаточно мощных исполнительных органов: включать их или выключать. Это часто осуществляется с помощью особых устройств - реле. Реле одновременно имеет две электрические цепи - слаботочную цепь управления и исполнительную цепь, в которую включен потребитель большой мощности - исполнительный орган. Реле позволяет с помощью слабого, малого тока замкнуть или разомкнуть цепь, где протекает большой ток.

Особенностью реле является скачкообразный характер их действия. Как только сила тока в цепи управления достигает определенного значения, называемого током срабатывания, сразу происходит скачкообразное изменение (возрастание или убыва­ние) силы тока в исполнительной цепи - срабатывание реле. Изменение же состояния реле при плавном убывании входной величины, приводящее к скачкообразному из­менению выходной величины обратного характера (убывание или возрастание со­ответственно), называется отпусканием реле.

В автоматических системах применяются различные типы реле. Наибольшее распространение получили электромеханические, электронные и ионные реле. Наиболее существенное различие между ними состоит в том, что электромеха­нические реле являются контактными, а электронные и ионные - бесконтактны­ми. Коммутация (включение и выключение) с помощью контактных групп связа­на с новообразованием и, следовательно, окислением контактов. Окислившиеся контакты не обеспечивают включения исполнительной цепи. В тех случаях, когда частота срабатывания и отпускания реле велика, преимущество, по указанной причине, за электронными и ионными реле. Последние также выгодно отличаются от электромеханических реле малым временем срабатывания и, следовательно, высо­ким быстродействием.

Контактные, электромеханические реле бывают различных систем. Наиболее рас­пространёнными из них являются электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические.

Электромагнитные реле

Схематически устройство электромагнитного реле показано на рисунке 1. Основ­ной частью такого реле является электромагнит, представляющий собой П-образный железный магнитопровод (сердечник) 1, на который надета катушка из изолиро­ванной проволоки 5. При прохождении по катушке электрического тока магнито­провод намагничивается и притягивает якорь, представляющий собой стальную планку 2 в форме угольника, имеющую возможность поворачиваться вокруг оси. Специальный изоляционный упорный штифт 6, укреплённый на конце угольника, соприкасается с плоской стальной пружиной 4, несущей подвижный контакт, - контактной пружиной.

При отсутствии тока в катушке сила упругости контактной пружины удерживает якорь в непритянутом состоянии, контакты 3 при этом разомкнуты. Когда же якорь притягивается, упорный штифт нажимает на контактную пружину и происходит их замыкание.

Рисунок 1 - Электромагнитное реле с нормально разомкнутой контактной парой

За счет остаточного магнетизма сердечника и якоря последний может оставаться в притянутом состоянии и после выключения тока в катушке (явление залипания якоря). Чтобы исключить такое нарушение, на якоре укреплен неферромагнитный (обычно латунный) штифт 7, ограничивающий приближение якоря к торцу сердечника. Поэтому сила притяжения, действующая на якорь за счёт остаточного магнетизма сердечника, оказывается меньше силы упругости пружины, и реле отпускается, то есть якорь возвращается в исходное положение, в котором он находился до включения тока в цепи катушки.

Как видно из рисунка 1, контакты реле при обесточенной катушке разомкнуты. Такие контакты называются нормально разомкнутыми.

Но на практике часто необходимо, чтобы при обесточенной катушке контакты реле были замкнуты, а при включении тока в цепи катушки контакты размыкались. Такие контакты называются нормально замкнутыми (рис. 2). Они отличаются от нормально замкнутых тем, что подвижным является не ближайший к сердечнику контакт, а дальний. Изоляционный упорный штифт в этом случае пропущен через отверстие в контактной пружине и при включении тока в цепи катушки (при срабатывании реле) нажимает на дальнюю контактную пружину, производя размыкание контактов.

Рисунок 2 - Нормально замкнутая контактная пара Рисунок 3 - Переключающая контактная группа

Наконец, контактная группа может быть переключающей (рис. 3). Она состоит из трех контактных пружин. Контактная пара, образуемая ближним и средним контактами, является нормально замкнутой, а средний и дальний контакты представляют собой нормально разомкнутую контактную пару, Упорный штифт якоря нажимает на среднюю контактную пружину, производя размыкание внутренней контактной пары и замыкание внешней. На рис. 4 показано применение реле, имеющего переключающую контактную группу. Оно используется для одновременного включения одного потребителя (двигателя М) и выключения другого - электрической лампы НL.

Рисунок 4 - Применение электромагнитного реле с переключающей контактной группой

Во многих случаях в автоматических устройствах используются реле, имеющие по несколько контактных групп, которые управляются общим упорным штифтом (рисунок 5).

Рисунок 5 - Электромагнитное реле с несколькими контактными группами

Такое реле при срабатывании или отпускании производит включение, выключение или переключение в нескольких электрических цепях одновременно (рис. 6).

Рисунок 6 - Применение реле с несколькими контактными группами

Основными физическими характеристиками электромагнитных реле являются:

· ток срабатывания, I_ср

· ток отпускания, I_от

· время срабатывания, t_ср

· время отпускания, t_от

· разрывная мощность контактов, P_к

· сопротивление обмотки, R.

Ток срабатывания электромагнитного реле зависит от числа витков обмотки, так как в соответствии с принципом суперпозиции полей магнитная индукции В является суммой магнитной индукции магнитных полей, создаваемых отдельными витками обмотки при протекании по ним тока. Вместе с тем ток срабатывания зависит от суммарной жёсткости контактных пружин, которые перемещаются упорным штифтом. Регулировкой длины контактного штифта можно изменять в определён­ных пределах начальную деформацию контактных пружин и, следовательно, значе­ние тока срабатывания.

Во многих случаях используются многообмоточные реле, то есть реле, в которых на сердечник надевают катушку с несколькими обмотками, имеющими отдельные выводы, либо одну обмотку с несколькими промежуточными выводами. В зави­симости от числа витков включаемой обмотки (или части обмотки) реле будет ха­рактеризоваться тем или иным током срабатывания.

Срабатывание многообмоточного реле может зависеть от значений и направлений токов, протекающих в различных цепях, в которые включены эти обмотки.

В автоматических устройствах к реле предъявляются различные требования в отношении времени срабатывания и времени отпускания. В одних случаях их значения должны быть минимальными, то есть реле должно срабатывать или отпускать как можно быстрее после поступления или исчезновения управляющего электрического импульса.В других же случаях необходимо их увеличивать.

Время срабатывания реле складывается из времени строгания и времени движения якоря. Время строгания при срабатывании реле - это реле, за которое после замыкания цепи катушки сила тока в ней возрастает до значения, равного току срабатывания. В зависимости от конструктивных особенностей конкретного реле время срабатывания составляет величину, которая колеблется в пределах от 5 до 60 мс.

Время отпускания реле также складывается из времени строгания и времени движения якоря. Время трогания при отпускании - это время между моментом выключения тока в катушке и моментом, когда магнитный поток достигает такого малого значения, что под действием силы упругости пружины якорь начинает двигаться от сердечника (начинается отпускание реле). Время движения якоря при отпускании - это время от момента трогания реле до момента срабатывания контактных групп (их замыкание либо размыкание).

Время движения якоря при срабатывании и отпускании зависит от инертности якоря и разности между магнитной силой и силой упругости в процессе его движения.

Так как время строгания при срабатывании и отпускании реле зависит от быстроты изменения (нарастания или убывания) тока в катушке, то его можно увеличить за счет применения соответствующих схем включения катушки. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается время трогания за счет применения той или иной схемы включения катушки реле, называется кратностью замедления.

На рис.7 приведена в качестве примера схема включения катушки электромеханического реле K, обеспечивающая увеличение времени трогания при отпускании в 5 - 6 раз. При замыкании ключа S ток по ветви R-VDне течет, так как диод VDвключен в обратном направлении. Следовательно, эта ветвь не влияет на время трогания при срабатывании. Но после размыкания ключа S ток самоиндукции, возникающий благодаря наличию у катушки реле индуктивности, течет через диод D и резистор R(для тока самоиндукции диод оказывается включённым в пропускном направлении). Это и приводит к увеличению времени трогания при отпускании.

Рисунок 7 - Схема включения электромагнитного реле обеспечивающая увеличение времени трогания при отпускании

Реле с повышенным временем срабатывания или отпускания называются реле времени. Одним из вариантов реле времени, собранном на двух электромагнитных реле, является пульс-пара. В автоматике такие реле применяются для обеспечения нужной последовательности включения разных элементов.

При разведении контактов реле не всегда может быть обеспечено прекраще­ние тока. В определенных условиях между контактами возникает электрическая дуга и через нее продолжает течь ток в цепи. В этом случае контактная пара не раз­мыкает исполнительную цепь. Кроме того, возникновение электрической дуги приводит к окислению и разрушению поверхности контактов, к увеличению пе­реходного сопротивления.

Основным параметром, от которого зависит возникновение электрической дуги, является значение мощности тока Р, которое равно произведению напряже­ния на зажимах источника тока и силы тока в электрической цепи.

Как известно, электрическая дуга - это самостоятельный газовый разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией. Но для возникновения термоэлек­тронной эмиссии необходимо, чтобы контакт, имеющий соединение с отрица­тельным зажимом источника, нагревался до высокой температуры. Такой нагрев может возникнуть при бомбардировке контакта интенсивным потоком ионов, имеющих большую кинетическую энергию. А это означает, что термоэлектрон­ная эмиссия и, следовательно, электрическая дуга возникает, если разрывная мощность тока достаточно велика. Большое значение имеют условия нагрева и охлаждения контакта, а также его площадь и масса. Поэтому в каждом конкрет­ном случае контактная пара имеет те или иные конструктивные особенности.

Контакты, предназначенные для размыкания цепей небольшой мощности тока, изготавливаются из серебра, платины, платиноиридиевого сплава, сплавов серебра с золотом, никелем и другими металлами. Более мощные контакты изготавливаются из вольфрама и его сплавов с серебром. Для размыкания цепей с током очень большой мощности контакты делаются из красной меди и графита.

Таким образом, в зависимости от материала и конструкции контактной группы она может применяться для разрыва цепи с током большей или меньшей мощности. В связи с этим очень важной характеристикой контактов является их разрывная мощность, то есть наибольшая мощность электрического тока в цепи, размыкание которой можно осуществить при помощи данной контактной пары без разрушения контактной поверхности.