Принцип действия и выполнение электромагнитных реле

Для построения электромагнитных реле обычно используют следующие электромеханические системы: с втягивающимся яко­рем (рис. 2.1, а); с поворотным якорем (рис. 2.1,б); с поперечным движением якоря (рис. 2.1, в). Действие таких реле основано на притяжении стального подвижного якоря 2 к электромагниту 1, по неподвижной 3 и подвиж­ной 4 частей. Подвижная часть связана с якорем реле. При отсут­ствии тока в обмотке 6 якорь удерживается в исходном положении противодействующей пружиной 5 с усилием F_П, при этом контакт реле разомкнут.

При прохождении по обмотке реле тока возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через магнитопровод электромагнита, воз­душный зазор и якорь. При этом создается электромагнитная сила F_Э , стремящаяся притянуть якорь реле к электромагниту — обусло­вить действие реле:

F_Э = 0,5I_Р²ω_P²(dλ/dl)                                                  (2.1)

Где λ — магнитная проводимость; l — длина силовой магнитной ли­нии, м; ω_P — число витков обмотки реле.

Выражение (2.1) является общим для всех конструкций элек­тромагнитных реле. У реле с поворотным якорем магнитное поле в воздушном зазоре практически можно считать равномерным. При этом магнитную проводимость, которую в основном определяют длиной воздушного зазора δ и площадью его сечения S, с доста­точной точностью можно принять равной 4πS/δ. Так как при дви­жении якоря сокращается зазор, то dl = - dδ, при этом

 

dλ./(dl) = - dλ/dδ = 4πS/δ²                                           (2.2)

 

Подставляя (2.2) в выражение (2.1), можно найти

 

F_Э = 2πS ω_P²I_Р²/δ² = k I_Р²/ δ².                                         (2.3)

Для действия реле необходимо, чтобы на всем пути перемеще­ния якоря от начального положения (зазор δ_Н), в конечное поло­жение (зазор δ_К) выполнялось условие

 

F_Э.Д > F_П + F_Т = F_М.Д,                                             (2.4)

 

где f_Т — сила трения, Н.

Минимальное значение тока I_Р, при котором соблюдается усло­вие (2.4), является током действия реле I_{Д.Р .} Отпускание якоря, т. е. возврат реле в начальное состояние, мо­жет произойти, если на всем пути от δ_К до δ_Н  сохраняется условие F_Э.О < F_П — F_Т = F_М.О .

На рис. 2.2 изображены совмещено меха­нические характеристики реле с поворотным якорем с учетом сил трения при действии (F_М.Д) и при отпускании (F_М.О) и соответст­венно электромагнитные характеристики (F_Э.Д и F_Э.О), построенные для тока действия I_Д.Р и тока отпускания I_О.Р — максимального тока в обмотке реле, при котором оно переходит в начальное состояние.

Отношение тока отпускания к току действия характеризуется коэффициентом отпускания

 

k₀ = I_О.Р / I_Д.Р .                                                                  (2.5)

 

Исходя из требований чувствительности измерительных органов желательно иметь k₀ ≈ 1.

Электромагнитные характеристики (см. рис. 2.2) построены при условии, что ток I_Р при перемещении якоря и уменьшении зазора δ, несмотря на возрастание индуктивного сопротивления обмотки реле, остается неизменным. Это справед­ливо для реле тока, у которых ток не зависит от параметров электромагнита, а определяется источником тока, каковым является измерительный трансформа­тор тока. Если обмотка реле подключается к измерительному трансформатору напряжения, являющемуся источником ЭДС, то вместе с изменением индуктив­ного сопротивления обмотки изменяется и ток I_Р, а электромагнитная сила F_Э остается практически неизменной, так как изменение зазора δ компенсируется соответствующим изменением тока. Действие реле (притягивание якоря) не осу­ществляется. Поэтому обмотка реле напряжения выполняется с преобладанием активного сопротивления или последовательно с обмоткой включается резистор с относительно большим сопротивлением. При этом ток в обмотке реле при дви­жении якоря практически не изменяется, а электромагнитная сила возрастает и действие реле обеспечивается.

В качестве измерительных реле обычно применяются максимальные реле тока и напряжения и минимальные реле напряжения. Действие или отпускание реле, при котором оно выполняет предназначенные ему функции в автоматиче­ском устройстве, называется срабатыванием реле. Максимальные реле выполняют свои функции при возрастании тока или напряжения. Поэтому их срабатывание совпадает с действием и ток или напряжение действия соответственно называют током I_с.р или напряжением U_c.р срабатывания реле. При этом ток и напряже­ние отпускания называют током I_в.р и напряжением U_в.р возврата реле, а коэф­фициент отпускания (2.5) — коэффициентом возврата k_В, который всегда меньше единицы. Минимальное реле напряжения выполняет свою функцию в автомати­ческом устройстве при снижении напряжения. Поэтому его срабатывание совпа­дает с отпусканием. Напряжение срабатывания минимального реле равно напря­жению отпускания, а напряжение возврата равно напряжению действия. Поэтому значение коэффициента возврата минимального реле напряжения равно обрат­ному значению коэффициента возврата максимального реле и всегда больше единицы.

После притягивания якоря реле к электромагниту в связи с различным характером изменения электромагнитной и механичес­кой характеристик на подвижную часть реле действует избыточная сила F_изб. Значение k_В тем существеннее отличается от единицы, чем больше избыточная сила. С другой стороны, с ростом избыточ­ной силы повышается надежность работы замыкающих контактов реле. Поэтому избыточная сила должна быть достаточной для на­дежной работы контактов, но не слишком большой, чтобы не влиять значительно на коэффициент возврата. Эти условия удовлет­воряются при использовании П-образной магнитной системы с по­перечным движением якоря (см. рис. 2.1, в). На ее основе отечест­венной промышленностью выпускаются измерительные реле тока и реле напряжения.

Из выражения (2.3) следует, что электромагнитный принцип можно использовать для выполнения как реле постоянного, так и реле переменного тока, так как мгновенное значение электромаг­нитной силы F_эi пропорционально квадрату тока и, следовательно, не зависит от его знака. При линейной зависимости между потоком Ф и током I_Р значение F_эi  пропорционально квадрату мгновенного значения потока Ф_i, т.е. F_эi = k'Ф_i². Для синусоидального тока

                Ф_i = Ф_msinωt  и   F_эi = k'(Ф_msinωt)².                     (2.6)

 

С учетом того, что sin²ωt = 0,5(1 – cos2ωt), получается

                    

                  F_эi = 0,5k'Ф² – 0,5k'Ф²cos2ωt.                                        (2.7)

Рис. 2.3. Зависимость мгновенных значений магнитного потока, электромагнитной и противодействующей сил от времени для элек­тромагнитного реле переменного тока с одним (а) и двумя (б) маг­нитными потоками, смещенными по фазе

Рис. 2.4. Электромагнитное реле с двумя магнитными потоками, век­торная диаграмма

 

Таким образом, мгновенное значение электромагнитной силы со­стоит из постоянной и переменной составляющих (рис. 2.3, а). В ре­зультате их сложения получается электромагнитная сила F_эi, изме­няющаяся во времени с двойной частотой. При этом в некоторые мо­менты времени она становится меньше противодействующей силы f_M, что вызывает вибрацию якоря. Для устранения вибрации необ­ходимо, чтобы результирующая электромагнитная сила F_эi при из­менении тока во времени оставалась все время больше противодействую­щей силы F_м. Этого можно достичь, например, при наличии двух электромагнитных сил F_эi1  и F_эi2, смёщенных относительно друг друга по фазе (рис. 2.3, 6). Результирующая электромагнитная сила F_эi, равная их сумме, изменяется во времени не­значительно, оставаясь все время больше противодействующей силы.

Для получения двух электромагнитных сил необходимо иметь два магнитных потока Ф_i1 и Ф_i2, смещенных во времени. Обычно это достигается разделением потока в воздушном зазоре на два потока с помощью короткозамкнутого витка (рис. 2.4, а). При этом магнитный поток Ф₁ отстает от потока Ф₂ на угол ψ (рис. 2.4, б).

Для выполнения измерительного органа с двумя электрическими величинами можно использовать так называемую балансную электромагнитную систему с двумя катушками и подвижным якорем в виде коромысла.

Эта система производит сравнение квадратов абсолютных значений токов I₁ и I₂. На подвижную систему действуют в противоположные стороны электромаг­нитные силы

 

F_Э1 = k₁l₁²/δ₁² и F_Э2 = k₂l₂²/δ₂².                               (2.8)

 

Реле срабатывает, если F_э1 > F_э2 . В комплексной плоскости W граничная линия определяется условием W = F_э1/F_э2 = 1 и имеет вид окружности. Зона действия реле располагается вне окружности (см. рис. В.7,а).

Для релейной защиты, автоматики и телемеханики важными параметрами являются время срабатывания и время возврата ре­ле, под которыми понимают интервал времени от момента дости­жения воздействующей величиной значений срабатывания или воз­врата соответственно до момента завершения срабатывания или возврата реле. У электромагнитных реле время срабатывания складывается из двух составляющих:

t _с.р = t _н + t _д,                                                                  (2.9)

где t _н — время от момента достижения воздействующей величиной значения срабатывания до момента начала движения якоря, с; t _д — время от начала движения якоря до момента завершения сра­батывания реле, с.

Время t_Н зависит от скорости нарастания тока в обмотке реле, а время t _д — от хода якоря и скорости его перемещения. У обыч­ных электромагнитных реле без специальных дополнительных устройств время срабатывания составляет t_{с .р} = 0,02÷0,1 с.

Для релейной защиты и автоматики требуются также реле, за­мыкающие или размыкающие контакты с некоторым замедлением. У промежуточных реле это замедление обычно получают за счет увеличения времени t_Н , а у реле времени — за счет увеличения вре­мени t _д.

Для увеличения времени t_Н , а следовательно, и времени срабатывания реле необходимо замедлить нарастание магнитного потока при включении.

Замедления нарастания магнитного потока в реле можно достичь с помощью медной втулки, располагаемой концентрически с основной обмоткой на общем сердечнике. При этом удается получить время срабатывания реле около t _c.p =0,1÷0,5 с. Применение медной втулки для замедления возврата реле явля­ется более эффективным в связи с тем, что затухание магнитного потока про­исходит при малом воздушном зазоре, т. е. при большой индуктивности цепи обмотки реле. Время возврата реле удается получить около нескольких секунд. Реле с медной втулкой получили название реле с магнитным демпфированием.

Реле времени, у которых выдержка времени создается путем увеличения составляющей t _д , называются реле с механическим демпфированием. Их можно разделить на две группы: реле с за­медленным движением якоря и реле с часовым механизмом.

Реле с замедленным движением якоря обычно имеют зависи­мую характеристику выдержки времени. Для получения замедлен­ного движения якоря в конструкциях реле применяют, как прави­ло, жидкостные или воздушные демпферы и используют торможе­ние вихревыми токами.

С помощью часового механизма выполняют реле как с незави­симой, так и с ограниченно зависимой характеристикой выдержки времени.