Электромеханические реле

Электромеханические реле — аппараты управления, обеспечивающие скачкообразное, дискретное изменение управляемого показания при заданном изменении управляющего процесса. Реле применяют в качестве аппаратов косвенной защиты, датчиков в системах управления и для выполнения других операций управления. С помощью реле реализуются следующие основные виды защиты:

максимальная, при которой реле срабатывает, если значение контролируемого показателя превышает его заданное значение;

минимальная, когда где — наименьшее заданное шачение;

дифференциальная, когда где — наибольшая заданная разница сравниваемых показателей однородных контролируемых процессов.

Реле используют и как распорядительные аппараты при оперативной коммутации. Так, они выполняют функции задатчиков и элементов сравнения в простейших системах автоматического пуска или торможения (реле ускорения, реле автоматического пуска и др.).

Применяют реле и для порядково-временного связывания отдельных элементов оборудования, например для синхронизации групповых контроллеров совместно работающих локомотивов или их секций. В ряде случаев реле осуществляют функциональное связывание, при котором работа какого-то элемента оборудования становится в зависимость от заданного количественного показателя другого, функционально связанного с ним элемента.

Рис. 5.15 Обобщенная характеристика электромеханического реле

Реле любого типа обычно имеет следующие элементы: чувствительные или воспринимающие информацию о состоянии контролируемого показателя; исполнительные, изменяющие состояние реле; регулирующие, предназначенные для изменения его уставки. В реле, контролирующих электрические величины, роль чувствительных элементов выполняют преимущественно токовые катушки, включенные последовательно в цепь, и потенциальные, включенные параллельно. В реле неэлектрических величин применяют различные чувствительные элементы в зависимости от природы контролируемых показателей. Так, в реле давления это может быть диафрагма, манометрическая трубка, сильфон. Большинство реле выполняют по электромагнитному принципу и их исполнительный элемент — магнитный привод с контактами в цепях управления. Аналогичны исполнительные элементы у реле других типов. Уставку реле регулируют, обычно изменяя натяжение пружины или воздушный зазор между якорем и сердечником электромагнита.

Кроме этих элементов, некоторые реле имеют и дополнительные элементы: индикаторы срабатывания, показывающие, срабатывало ли данное реле; фиксирующие устройства, запирающие реле водном из его состояний; элементы восстановления — дистанционные устройства, выводящие реле из фиксированного состояния. Иногда предусматривают элементы задержки, обеспечивающие выдержку времени.

Рис. 5.16 Реле ускорения Р – 40: 1 – катушка токовая; 2 – катушка подмагничивания; 3 – магнитопровод; 4 – контакты; 5 – винт регулирования; 6 – якорь; 7 – пружина; 8 – упор якоря

Обобщенная характеристика эктромеханического реле (рис. 5.15) — зависимость у (х), где х — показатель входного сигнала (обычно ток, напряжение); у — выходного (также ток, напряжение). Под влиянием инерционности аппарата и сил трения зависимости у (х) при нарастании х (dx/dt > 0) и его снижении (dx/dt <0) не совпадают и между их диаграммами образуется площадка (заштрихована) — так называемая зона нечувствительности. В ее пределах между показателем отпадания якоря и его трогания зависимость у(х) имеет неопределенный характер.

Зону нечувствительности принято оценивать коэффициентом возврата реле

..

Обычно у электромагнитных реле < 0,50 0,75. Эти значения можно повысить до 0,95—0,98, применив шихтованные магнитные системы и подмагничивание.

Рассмотрим принцип подмагничивания на примере реле ускорения типа Р-40 (рис. 5.16). Это реле минимального тока, контакты которого должны замыкаться при снижении тока в контролируемой цепи шестых двигателей и в токовой катушке до. Работа реле усложнена тем, что при большом числе пусковых позиций время их переключения t может составлять доли секунды

,

где — скорость завершения пуска, км/ч; — среднее ускорение,, — общее число позиций соответственно пусковых и маневровых.

Ограничение времени приводит к необходимости повышения коэффициента возврата. Для этого, кроме токовой катушки 1 (число витков), предусмотрена катушка подмагничивания 2 (c числом витков), включенная на напряжение цепи управления. При включении м. д. с. трогания

.

Откуда:

.

При этом при условии, что

Все сказанное относится только к ненасыщенной магнитной системе, так как насыщение ее вводит нелинейности в зависимости процессов включения от м. д. с. В реле Р-40, чтобы снизить насыщение, магнитную цепь выполняют с большим остаточным зазором.

Электромагнитные реле имеют электромагниты преимущественно клапанного типа, воздействующие на контакты цепей управления различных видов. В последнее время в них широко используют унифицированные магнитные системы (см. рис.4.13 и 4.16), а также унифицированные блоки контактов (рис. 5.17). Приведенные на рис. 5.17, а и б блоки рассчитаны на четыре контактных мостика. Отечественный образец конструкции Новочеркасского электровозостроительного завода (НЭВЗ) предусматривает их однорядное расположение по вертикали в блоке. В конструкции фирмы «Шкода» мостики расположены в два ряда. Это позволяет несколько уменьшить размеры блока, но создает затруднения для подвода приключаемых проводов.

Сила регулировочной (выключающей) пружины возврата 2, силы нажатия контактов, а также сравнительно небольшие силы трения определяют сопротивление движению подвижной части аппарата. Обычно регулировочные пружины реле изготовляют из калиброванной пружинной проволоки с жесткостью = 2,5 12 Н/мм; для серебряных контактов открытого исполнения требуется нажатие = 5 8 Н при жесткости на один мостик =5 6 Н/мм. Для мостика в защищенном исполнении принимают нажатие =4 при жесткости =2,5 3 Н/мм. Пружина, восстанавливающая состояние блока контактов, обычно имеет наибольшую силу жесткость

На рис. 5.18 представлены диаграммы сил электромагнитного реле, поясняющие способы регулирования его уставки.

В реле максимальной защиты на значительные токи, т. е. в так называемых реле перегрузки (см. рис. 2.13 и 4.13, а) катушки но существу отсутствуют. В реле РТ-253 роль катушки выполняет седлообразный отрезок шины, в реле RPD8 — такой же отрезок прямой без изгибов. Реле РТ-253 может быть использовано в цепях как постоянного, так и переменного тока; оно имеет шихтованный П-образный магнитопровод и демпферный виток. У реле RPD8 также шихтованный магнитопровод, но демпферного витка нет; оно предназначено только для э. п. с. постоянного тока. Контакты обоих реле мостикового типа

Рис. 5.17. Унифицированные блоки контактов управления конструкции НЭВЗ (а) и фирмы «Шкода» (б):

1 - панель; 2 - пружина возврата: 3 - пружина контактная: 4 - шток: 5 - контакт под­вижной; 6 - контакт неподвижный; 7 - выводы; 8 - корпус; 9 - колодка изоляционная

Рис. 5.18. Диаграммы сил электромагнитных, и сопротивлений движению реле (а), составляющих (б), регулирования уставки с помощью сил пружины сил выключающих, включающих контактов, восстановления блока (в), а также изменением воздушного зазора (г)

(см. рис 5.17, а, б). Реле РТ-253 имеет индикатор срабатывания (блинкер), приводимый в действие стержнем контактного устройства. Это реле с унифицированной магнитной системой, проволочной катушкой напряжения и унифицированным блоком контактов. Его особенность — наличие замкнутого кольца для получения выдержки времени.

Рис. 5.19. Схема реле перегрузки с фиксацией срабатывания

Реле перегрузки с фиксацией состояния срабатывания (рис. 5.19) чаще всего применяют на электропоездах. По существу такое реле состоит из реле перегрузки Р-103, включенного в цепь высокого напряжения, и механизма восстановления — реле Р-102, связанного с ним изоляционной планкой 4 на якоре 1. Последовательно в защищаемую цепь включена катушка 11, контролирующая ток. При срабатывании реле Р-103 его якорь 1 притягивается к сердечнику, преодолевая силу пружины 10, регулируемую гайкой 3, а конец планки 4 ударяет по упору 5, освобождая защелкой 6 якорь 7 механизма восстановления. С якорем 7 связаны контакты 8 цепей управления. При выключении силовой цепи исполнительными аппаратами по этим сигналам якорь 1 отпадает, но цепь управления не восстанавливается, так как не притянут якорь 7. Реле восстанавливается кратковременным включением катушки 9. Притянувшись, якорь 7 вновь запирается на защелку, восстанавливая цепи контактами 8. Сработавшее реле можно обнаружить, но отпаданию индикатора 12 при притяжении якоря 1. Применение всякого рода защелок в реле обычно снижает точность их срабатывания. Ток уставки регулируют винтом 2.

Точность срабатывания по ГОСТ 9219 - 88 для реле в тяговом исполнении определяется как отклонение от уставки. Для номинальных климатических условий, %,

,

где — среднее арифметическое значение ряда величин срабатывании в нормальных климатических условиях при уставке.

Кроме того, нормируется отклонение уставки для условии различных специальных испытаний. Эти отклонения определяют так же, как и бу, но для соответствующих условий. Нормированные значения и приведены в табл. 5.1.

Точность для реле остальных видов немногим отличается от нормированной.

Дифференциальные реле. Реле может контролировать не сам показатель по его минимальному или максимальному значению, а расхождения или отклонения этого показателя в пределах его значений. По такому принципу выполняют дифференциальную защиту. При этом нормированное отклонение от уставки показателя х

Обычно реле дифференциальной защиты разделяют на потенциальные и токовые.

Потенциальные дифференциальные реле контролируют возникновение ненормированных разностей потенциалов в точках эквипотенциальных в нормальных условиях. На э. п. с. их обычно используют в качестве защиты от боксоваиия: реле выявляют недопустимую разность потенциалов, появляющуюся вследствие разницы э. д. с. двигателей, зависящей от их частоты вращения.

Рис. 5.20 Включение реле боксования при последовательном (а) и параллельном (б) соединении тяговых двигателей

Таблица 5.1

Вид реле	Расчетное значение, не более	, не болем, для испытаний на
тепло-стойкость	холодо-стойкость	вибро-стойкость
Повышенного и пониженного напряжения, перегрузки
Защиты (с механической защелкой)
Для реле напряжения без учета погрешности от нагревания меди котушки

Реле боксования РБ включают в цепь тяговых двигателей так, как показано на рис. 5.20. При последовательном соединении, если сопротивления резисторов R1 и R2 равны, напряжение, в точке a при всех условиях равно напряжению в цепи якоря. Если боксование отсутствует, в точке б напряжение, а напряжение, на зажимах катушки реле РБ равно нулю. Возможны лишь небольшие отклонения вследствие расхождения характеристик двигателей.

При боксовании одной из колесных пар э. д. с., а значит, что вызывает срабатывание реле боксования РБ. Приблизительно такое же напряжение на зажимах катушки реле боксования возникает и при параллельном соединении двигателей.

Так как боксование — быстро развивающийся процесс, реле РБ должны обладать по возможности большим быстродействием, срабатывать при возможно меньших напряжениях. Их магнитные системы выполняют обычно шихтованными, с минимальными зазорами между якорем и сердечником. Значения случайны и практически не ограничены. Поэтому катушки реле должны обладать высокой теплостойкостью. Их изоляция от корпуса соответствует изоляции силовых цепей.

Широко распространено реле боксования типа РБ-469 (рис. 5.21). Его основные данные: номинальное напряжение от корпуса 2 кВ; ток катушки продолжительный 2,6 А; ток срабатывания 0,5 А; ток предельный 290 А в течение 0,1 с; время срабатывания при двукратном токе уставки 0,09 с; напряжение срабатывания при разности потенциалов между точками включения 2 В; коэффициент возврата не менее 0,3. Реле предназначено для э. п. с. переменного тока.

Токовое дифференциальное реле контролирует баланс токов в защищаемой цепи, т. е. равенство их на ее входе и выходе. Простейшее такое реле (см. рис. 4.13, б) используют для защиты вспомогательных цепей. Оно имеет две одинаковых катушки, м. д. с. которых направлены встречно. При отсутствии токов утечки в цепи м.д.с. взаимно компенсируются и магнитная система размагничена. Если в результате перекрытия или пробои изоляции возникает ток утечки, то баланс м.д.с. нарушается и результирующая м.д.с.

Эта м.д.с. вызовет срабатывание реле. Рассмотренная система проста; выполнена на базе унифицированного реле. Ей присущи некоторые недостатки: малая чувствительность и точность, возможность ложных сигналов и др.

Рис. 5.21. Реле боксования РБ-469:

1 — корпус блок-контактов: 2 — пружина; 3 — якорь; 4 — опора ножевая; 5 — магнитопровод шихтованный; 6 — катушка ^

Рис. 5.22. Дифференциальное реле типа РДЗ-504

В отечественной практике дифференциальные токовые реле широко применяют для защиты силовых цепей электровозов. Применительно к реле типа РДЗ-504 (рис. 5.22) принцип действия защиты пояснен на рис. 5.23. Реле включается, когда якорь 4 (см. рис. 5.22) притягивается к магнитопроводу 8 под действием катушки подмагничивания 5. При этом замыкаются его контакты 2, введенные в цепь удерживающей катушки БВ. Другие контакты реле вводят в цепь катушки 5, если притянут якорь, резистор 7 для снижения силы магнитного притяжения.

Рис. 5.23 Схема, поясняющая принцип действия дифференциального токового реле силовых цепей электровоза постоянного тока

Все части реле, включая и регулировочную пружину 6, установлены на изоляционной панели 1 и закрыты кожухом 3. Провода силовых цепей пропущены через нижнее окно разветвленного, шихтованного магнитопровода 8. В нормальном состоянии магнитный поток, показанный на рис. 5.23 сплошными линиями, создает только м.д.с. катушки 5. Реле срабатывает при появлении токов утечки, когда появляется м.д.с. небаланса. Возникающий при этом магнитный поток показан штриховыми линиями.

Значения тока утечки случайны и могут быть, столь значительны, что при перемагничивании системы ранее отпавший якорь 4 может вновь притянуться к магнитопроводу и контакты цепей управления вновь вернутся в исходное состояние. Для предотвращения этого магнитопровод выполнен с перемычкой, имеющей небольшой воздушный зазор. Она шунтирует магнитный поток в зоне непритянутого якоря.

Принцип расчета разветвленных магнитных систем. Схема (замещения магнитных цепей (рис. 5.24) составляется так же, как для электрических, причем м.д.с. подобна э. д. с. Е, магнитные потоки Ф – токам I, магнитные проводимости — проводимостям электрическим (i, магнитные сопротивления — электрическим R.

Рис. 5.24. Схемы расчетная (а) и за­мещения (б) разветвленного магнитопровода

Магнитные проводимости воздушных зазоров

,

где — площадь поперечного сечения воздушного зазора; при малых зазорах она

равна площади сечения стального сердечника, образующего зазор; — зазор.

Для стальных участков магнитопровода

,

где — длина участка стального магнитопровода; Н () — магнитная напряженность, зависящая от индукции на участке.

В некоторых случаях удобнее вводить в расчет не магнитные проводимости, а сопротивления.

Схему замещения рассчитывают теми же методами, что и аналогичные электрические системы. В рассматриваемом случае следует начать с расчета системы при, а затем, повышая значения, получить поток в зоне якоря при возможно меньшей м.д.с..

Своеобразно использованы принципы дифференциальной защиты в системах защиты от к.з. на электровозах переменного тока. Здесь блок БРД (рис. 5.25) из пары дифференциальных токовых реле контролирует резкие нарастания тока силовой цепи. Шина, включенная в цепь питания выпрямителей, по которой протекает ток I секции электровоза, разделена на участке, где включен блок БРД, на две параллельных ветви 5 и 6, имеющие одинаковые площади сечения, длины, активные сопротивления г. Индуктивность ветви 6 повышена установкой на ней шихтованного индуктивного шунта 4. Обе ветви перекрестно пропущены через нижние окна дифференциальных реле 1 и 3, подобных по принципу действия и конструкции реле РДЗ-504.

Рис. 5.25 Принципиальная схема блока дифференциальных реле

При таком расположении шин неравенство тока в параллельных ветвях вызывает появление м.д.с. небаланса, действующей согласно с м.д.с. катушки подмагничивания одного из реле и против другого реле. Подмагничивающие катушки обоих реле включены последовательно, что обеспечивает точное равенство их м.д.с. Если в первом реле лишь усилит силу притяжения якоря, то во втором может вызвать его отпадание. При достаточной разнице токов в параллельных ветвях сработавшее реле разомкнет цепь отключающей катушки 2, что вызовет срабатывание выключателя.

При установившихся режимах соотношение токов параллельных ветвей

где, — индуктивности соответственно шины и индуктивного шунта; — угловая частота переменного тока.

Рис. 5.26. Блок дифференциальных реле БРД-204:

1 — шина с индуктивным шунтом; 2— шина без шунта; 3 — панель; 4 — дифференциальное- токовое реле; 5 — резистор; 6 — сердечник индуктивного шунта; 7 — шпилька

Однако ток в цепи далеко не синусоидален, имеет гармонические составляющие, изменяющиеся в зависимости от режима работы. Чтобы реле не срабатывало при рабочих квазиустановившихся режимах, его уставку загрубляют, т. е. задают с учетом значительных токов дисбаланса. Для условий к.з. рассмотрим лишь свободные составляющие тока. Постоянные времени для обеих ветвей: и.

Соответственно свободные составляющие токов:

.

Их разность, определяющая срабатывание одного из реле,

Эти зависимости имеют также ориентировочный характер, так как они учитывают только одну (хотя и характерную) составляющую токов к.з. В качестве примера приведен блок БРД (рис. 5.26) для электровоза ВЛ. Его основные технические данные: номинальное напряжение 2,5 кВ; продолжительный ток силовой цепи (действующее значение) 1,5 кА; ток срабатывания А; время срабатывания при скорости нарастания тока 1,3 А/с 0,01 с; контакты управления на переменном токе при 380 В, на постоянном — 50 В; ток в цепи катушек подмагничивания при продолжительном включении 0,5—0,7 А, при притяжении якоря — не более 4,2 А.