Электромагнитные реле. Электромагнитные реле благодаря простому принципу действия и надежности получили широкое применение в системах автомати­ки

Электромагнитные реле благодаря простому принципу действия и надежности получили широкое применение в системах автомати­ки, а также в схемах защиты энергосистем.

Электромагнитным реле называют реле, у которого контакты перемещаются при притягивании якоря к сердечнику электромаг­нита, по обмотке которого протекает ток.

Основными параметрами электромагнитных реле являются:

ток срабатывания I _ср — это такое значение тока в катушке ре­ле, при котором оно срабатывает, т. е. его контакты переходят из исходного в другое состояние (замыкаются или размыкаются);

рабочий ток I _р —это такое значение тока в катушке реле, при котором обеспечивается заданное нажатие контактов, т. е. мини­мальное переходное сопротивление между контактами;

ток отпускания I _отп — это такое значение тока в катушке реле, при котором магнитный поток недостаточен для удержания якоря и контакты возвращаются в исходное состояние.

Реле постоянного тока являются наиболее распространенным видом электромагнитных реле. Это объясняется сравнительно прос­той конструкцией реле и значительным коэффициентом усиления К _у. На практике наиболее часто применяются электромагнитные реле с поворотным и втяжным якорем.

Реле с поворотным якорем показано на рис. 10.2, а. Под дейст­вием напряжения U в катушке 1 возникает ток I, который создает магнитный поток, замыкающийся через сердечник 2, магнитопровод 3 и якорь 4. Поток намагничивает якорь, возникает электро­магнитная сила, под действием которой якорь притягивается к сер­дечнику, поворачиваясь при этом вокруг центра О. Под действием якоря контакт 6 перемещается влево. В результате контакты 5 и 6 разомкнутся, а контакты 6 и 7 замкнутся. Цепь с лампой Л2 будет выключена, а с лампой Л1 включена.

После снятия напряжения U ток в катушке исчезнет, соответ­ственно исчезнет электромагнитная сила и якорь под действием си­лы возвратной пружины 6 (возвратной пружиной может являться сам контакт 6)отклонится в обратном направлении. При этом кон­такты 6, 7 разомкнутся, контакты 5, 6 замкнутся, Л1 погаснет и Л2 загорится.

Контакты 5, 6, 7 укреплены на основании 9 из диэлектрика. Бла­годаря штифту 8 якорь не будет вплотную прилегать к сердечнику (между ними всегда будет зазор), поэтому не возникнет эффект «залипання» (прохождения остаточного магнитного потока по магнитопроводу, якорю и сердечнику после исчезновения тока) и для Отрыва якоря от сердечника потребуется меньшая сила пружины, чем при отсутствии штифта.

Реле с втяжным якорем (рис. 10.2, б) срабатывает также при наличии тока в катушке 2 и создании при этом электромагнитной силы. Якорь 1 втягивается внутрь катушки и притягивается к сер­дечнику 3. Одновременно с якорем перемещается контактная перемычка 4, которая замыкает кон­такты 5. При отключении тока якорь под действием пружины возвращается в исходное поло­жение. Как следует из описания принципа действия, электромаг­нитное реле конструктивно со­стоит из магнитопровода (вклю­чая якорь), катушки и контакт­ной группы.

Магнитопровод выполняется из различных материалов с за­данными магнитными характеристиками. Различают следующие основные виды магнитных ма­териалов: магнитомягкие и магнитотвердые (рис. 10.3). Магнитомягкие (рис. 10.3, а) характеризуются низкой коэрцитивной силой Н _с(напряженность магнитного поля, необходимая для снижения остаточной индукции) и высоким значением магнитной проницаемости μ. Магнотототвердые (рис. 10.3, б) обладают высокими значениями коэрцитивной силы Н _с и низкими значениями магнитной проницаемости μ.

При выборе материала для магнитной системы учитывают требования, предъявляемые к реле, что определяется его назначением и стоимостью. Различают два основных вида магнитопровода: сплошной и шихтованный. Как правило, реле постоянного тока имеют магнитопровод из сплошного материала, а реле переменного тока - из шихтованного.

Катушка реле является одним из основных элементов электрического аппарата. Она должна удовлетворять следующим требованиям: иметь минимальные габаритные размеры, быть технологичной в производстве, не перегреваться при максимально допустимом напряжении питания, обладать механической устойчивостью и устойчивостью к испытательному напряжению для проверки диэлектрической прочности изоляции. Нагрев катушки определяется потерей мощности при протекании тока I / P = I ² R. Предельная допустимая температура нагрева катушки ограничивается теплостойкостью изоляции.

Контакты изготовляются из различных материалов, выбираемых в зависимости от принятого давления в контактах, условий работы по частоте, разрывной мощности и ресурса работы. Разрушение контактов определяется механическим износом (получается вследствие ударов подвижного контакта о неподвижный), химическим износом - коррозией (получается вследствие окисления материала при высоких температурах) и электрическим износом - эрозией (выражается в переносе металла с одного контакта на другой и нарушении при этом контактной поверхности).

Наиболее распространенная форма контактов приведена на рис.10.4.

При замыкании и размыкании контактов, включенных в электрическую цепь с ЭДС, происходит искрение между контактами.

Наиболее сильное искрение получается при размыкании цепи с индуктивной нагрузкой. Такой нагрузкой может быть обмотка контактора, электромагнита, электродвигателя и т. д. Искрение приводит к обгоранию и оплавлению контактов, кроме того, при искрении возникает помехи, которые могут нарушать работу находя­щейся поблизости электронной аппаратуры и радиоаппаратуры. Та­ким образом, искрение вредно и его стараются уменьшить, применяя различные схемы искрогашения. На рис. 10.5 представлены схемы с полупроводниковым диодом VД1 (рис. 10.5, а) и конденсатором С1 (рис. 10.5, б), включенным параллельно индуктивной нагруз­ке. При размыкании контактов Р1 в катушке реле Р2 возникает ЭДС самоиндукции. Ток, вызванный этой ЭДС, замыкается через диод VД1 и катушку Р2 (в схеме с диодом) и через источник пи­тания Е, конденсатор С1 и катушку Р2, минуя контакты P1. За счет этого искрение контактов Р1 уменьшается. Следует отметить, что в схеме с диодом изменять полярность питающего напряжения Е нельзя, так как в случае замены диод при замыкании контактов Р1 замкнет накоротко источник Е, т. е. возникнет короткое замыка­ние.

При включении и отключении электромагнитного реле возникают переходные процессы, влияющие на время срабатывания t _cp и время от­пускания t _отп. При замыкании контакта Р1 (рис. 10.6) напряжение U на катушке реле Р увеличивается скачком от 0 до Е. С этого момента ток в катушке начинает возрастать по экспоненциальному закону:

(10.1)

где I _р =E/R — рабочий ток; R — активное сопротивление цепи ка­тушки; τ=L ₁ /R — постоянная вре­мени цепи катушки реле; L ₁— ин­дуктивность катушки.

При размыкании контактов Р1 напряжение U скачком уменьшается. С этого момента ток в катушке начинает уменьшаться по экспоненте:

, (10.2)

где — постоянная времени цепи катушки при при­тянутом якоре; Q — сопротивление между контактами Р1 при иск­рении.

Подставив в формулу (10.1) i = I _cp и t = t _ср, а в формулу (10.2) i = I _отп и t = t _отп, можно соответственно получить

; (10.3)

. (10.4)

Из формул (10.3) и (10.4) следует, что и , т. е. быстродействие реле, зависят от постоянной времени цепи катушки и то­ковых параметров реле.

Электромагнитные реле переменного тока по принципу действия не отличаются от реле постоянного тока, однако имеют особенности конструкции, обусловленные тем, что ток в катушке дважды за период прини­мает нулевые значения и тем самым вызы­вает вибрацию якоря и контактов. Для уменьшения вибрации один полюс сердеч­ника 1 (рис. 10.7) раздваивают и на одну половину помещают медную пластину 2 (короткозамкнутый виток). Ток i создает магнитный поток, который разветвляется в полюсе сердечника на два потока Ф₁ и Ф₂. Поток Ф₂ наводит в короткозамкнутом вит­ке ток, который препятствует изменениям потока Ф₂ (по закону электромагнитной индукции). В результате поток Ф₂ отстает по фазе от потока Ф₁. Тогда при Ф₁=0 Ф₂ 0и наоборот, поэтому электромагнит­ная сила прочно удерживает якорь возле сердечника. Сердечник и якорь 3 выполняются шихтованными из листовой трансформаторной стали с целью уменьшения по­терь на гистерезис и вихревые токи.