Электродинамические реле

Принцип действия электродинамического реле основан на взаимодействии двух катушек с током, одна из которых подвижна, а другая неподвижна. От магнитоэлектрического реле электродинамическое реле отличается тем, что индукция в рабочем зазоре создается не постоянным магнитом, а неподвижной катушкой на сердечнике, г. е. электромагнитным способом. От электромагнитного реле электродинамическое реле отличается тем, что тяговое усилие воздействует не на стальной якорь, а на подвижную катушку.

Рис. 2. Электродинамическое реле

Устройство электродинамического реле показано на рис. 2. На магнитопровод 3 надета неподвижная катушка 2, обтекаемая током I₂. Между полюсными наконечниками магнитопровода находится цилиндрический стальной сердечник 4. В кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиально направленное магнитное поле. В зазоре размещена легкая алюминиевая рамка 1 с обмоткой из тонкого провода, к которой подводится ток I₁ по спиральным пружинам, создающим противодействующий момент, стремящийся установить плоскость рамки 1 вдоль оси полюсных наконечников.

При подаче управляющего тока I₁ в обмотку рамки 1 она будет поворачиваться в зазоре между полюсными наконечниками и сердечником. Жестко закрепленный на рамке подвижный контакт 5 замыкается с одним из неподвижных контактов 6 и 7.

Сила, действующая на проводники рамки электродинамического реле, так же как и для магнитоэлектрического реле, определяется законом Ампера. Следовательно, будут справедливы уравнения (1) и (2). Однако входящая в эти уравнения индукция В не постоянна, а определяется намагничивающей силой, создаваемой катушкой 2 с током I₂:

(4)

где R_м — магнитное сопротивление на пути магнитного потока возбуждения; — площадь поперечного сечения рабочего воздушного зазора.

Подставляя (4) в (2) и выразив через постоянный коэффициент К сочетание всех неизменных конструктивных и обмоточных данных реле, получим уравнение для вращающего момента электродинамического реле:

(5)

Из (5) видно, что направление поворота рамки зависит от направления токов в обеих обмотках реле, т. е. оно будет положительным при одинаковых направлениях токов и отрицательным при разных направлениях.

При работе реле на постоянном токе и питании его неизменным по значению и направлению током возбуждения I₂ электродинамическое реле (как и магнитоэлектрическое) является поляризованным и трехпозиционным. В зависимость от направления управляющего тока I₁ замыкается пара контактов 6—7 или 6—8, а при отсутствии тока I₁ контакт 6 находится в среднем, незамкнутом, положении.

Однако в отличие от магнитоэлектрического реле электродинамическое может работать при питании переменным током. В этом случае на рамку воздействует переменный магнитный поток, а направление поворота определяется средним за период значением вращающего момента

(6)

где I₁ и I₂ действующие значения токов в обмотках; — угол сдвига фаз между токами.

Из (6) следует, что электродинамическое реле реагирует на фазу входного сигнала, т. е. его можно использовать как реле сдвига фаз, срабатывающее при определенном значении . Это же реле может реагировать и на мощность переменного или постоянного тока. В этом случае на одну из обмоток подается ток, а на другую — напряжение цепи.

При последовательном соединении обмоток I₁= I₂ =I вращающий момент

(7)

т. е. зависимость тягового усилия от тока будет аналогична электромагнитному нейтральному реле.

К недостаткам электродинамических реле следует отнести их большие габариты и вес.

Индукционные реле

Принцип действия индукционного реле основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками.

Индукционное реле (рис. 3) состоит из двух неподвижных электромагнитов 1 и 2, по обмоткам которых протекают соответственно переменные токи I₁ и I₂. В воздушном зазоре электромагнитов установлен алюминиевый или медный диск 3, который может поворачиваться относительно оси 4. Переменные магнитные потоки, создаваемые электромагнитами 1 и 2, индуцируют ЭДС в диске 3, под действием которых в диске создаются вихревые токи (так же, как в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя).

Для того чтобы взаимодействие магнитных потоков с вызванными ими же токами привело к созданию вращающего момента, необходимо наличие сдвига по фазе токов I₁ и I₂. Только в этом случае в зазоре индукционного реле будет создано вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как это происходит в двухфазном асинхронном двигателе. При сдвиге фаз между токами I₁ и I₂ в 90° сила взаимодействия магнитного потока электромагнита 1 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 2, будет всегда совпадать по направлению с силой взаимодействия магнитного потока электромагнита 2 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 1. При совпадении токов I₁ и I₂ по фазе в среднем за период результирующая сила будет равна нулю.

Вращающий момент, приложенный к диску, определяется так:

(8)

где К — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных и обмоточных данных реле; — фазовый сдвиг между I₁ и I₂

Рис. 3. Индукционное реле

Этот вращающий момент, преодолевая сопротивление пружины 4, поворачивает диск до тех пор, пока не замкнутся контакты 5.

Поскольку индукционное реле реагирует на фазу, его (как и электродинамическое) можно применять в качестве реле фазы. Малая инерция подвижной части позволяет использовать такие реле как быстродействующие в схемах автоматической защиты и блокировки. Особенно они распространены в автоматике на железных дорогах. Они могут использоваться в качестве реле тока, напряжения, мощности, частоты, фазы, сопротивления. Достоинством их является то, что они не требуют подвода тока к подвижной части. Чувствительность индукционных реле невелика, для их срабатывания требуется мощность не менее 0,5 Вт.

Рассмотрим также применение индукционного реле в качестве реле скорости (рис. 4). Входной вал 5 реле связан с механизмом, скорость которого требуется контролировать. На валу 5 установлен цилиндрический постоянный магнит 4. При вращении поле магнита пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 3 поворотного статора 6. В обмотке 3 наводится ЭДС, значение которой пропорционально скорости вращения входного вала 5. Под действием этой ЭДС по обмотке 3 проходит ток, сила взаимодействия которого с вращающимся полем магнита 4 стремится повернуть статор 6 в направлении вращения. При определенной скорости вращения сила возрастает настолько, что упор 2, преодолевая противодействие плоской пружины, переключает контакты реле. В зависимости от направления вращения переключается контактный узел 1 или 7. Точность работы индукционного реле скорости невелика. В точных системах контроля скорости необходимо использование более сложной схемы, включающей в себя индукционный датчик скорости и высокочувствительное поляризованное реле.

Рис. 4. Индукционное реле скорости

Реле времени

Для получения больших замедлений при включении и отключении контактов используются реле времени. В этих реле обычно используют электромагнит, который приводит в действие какое-либо механическое устройство, имеющее значительную инерционность, либо включает электродвигатель, перемещающий контакты через редуктор с большим передаточным отношением.

Рассмотрим в качестве примера несколько типов реле времени.

Маятниковое (часовое) реле времени (рис. 5) состоит из электромагнита с втяжным якорем 1, который при подаче входного сигнала перемещает тягу 2 и, сжимая пружину 3, стремится переместить рычаг с зубчатым сектором 4 справа налево. Но спусковое зубчатое колесо 5 со скобой 6 может поворачиваться за каждое качание маятника 7 только на один зуб, благодаря чему скорость перемещения зубчатого сектора ограничивается. После того как все зубцы сектора 4 выйдут из зацепления с храповым колесом 8, сработает микропереключатель 9.

Рис. 5. Маятниковое реле времени с электромагнитом

При снятии выходного сигнала с электромагнита 1 сектор 4 быстро возвращается в исходное положение под действием веса якоря электромагнита 1 и усилия пружины 3. Микропереключатель выключается без задержки времени. Таким образом, обеспечивается задержка времени только при срабатывании реле, но не при отпускании.

Грубая настройка времени срабатывания регулируется винтом 10, ограничивающим длину зацепления сектора 4 с храповым колесом 8. Точная настройка времени срабатывания регулируется перемещением груза маятника 7. Маятниковое реле обеспечивает выдержку времени до десятков секунд.

Рис. 6. Пневматическое реле времени с электромагнитом

Пневматическое реле времени (рис. 6) также имеет электромагнит 1 и пневматическую приставку с микропереключателем 2. Герметическая камера 3 пневматической приставки сообщается с атмосферой через узкое отверстие 4. Камера 3 перегорожена эластичной плоской мембраной 5, выполненной из силиконовой резины. Мембрана соединена со штоком 6, который опирается на якорь электромагнита 1.

При подаче управляющего сигнала якорь электромагнита 1 втягивается. Шток 6, лишенный опоры, под действием пружины 11 медленно опускается вниз по мере заполнения полости приставки воздухом через отверстие 4. В конце хода штока рычаг 8 производит переключение контактов микропереключателя 2. Возврат реле в исходное положение происходит при снятии входного сигнала с электромагнита под действием пружины 9. При этом воздух из пневматической камеры мгновенно вытесняется через обратный клапан 7. Возврат контактов реле, следовательно, происходит без задержки времени. Если обратный клапан 7 размещен не в верхней, а в нижней камере, то соответственно с замедлением будет происходить не срабатывание реле, а отпускание. Для регулировки выдержки времени реле используется винт 10, изменяющий сечение дросселирующего отверстия 4. Пневматические реле обеспечивают выдержку времени до нескольких минут.

Для получения больших выдержек времени (десятки минут и часы) используют электродвигательные (моторные) реле времени. На рис. 7 показана схема устройства такого реле. При подаче управляющего сигнала на обмотку электромагнита 1 включается муфта сцепления 2 и вращение синхронного микроэлектродвигателя 3 через редуктор 4 передается кулачку с упором 5, который после поворота на некоторый угол включит микропереключатель 6. После снятия управляющего сигнала муфта сцепления разъединяет кинематическую цепь от электродвигателя к кулачку, а сам кулачок под действием пружины 7 возвращается в исходное положение, выключая при этом микропереключатель 6. Точная настройка времени срабатывания электродвигательного реле обеспечивается изменением начального положения кулачка с упором, а грубая — изменением передаточного отношения редуктора.

Существуют многоценные реле такого типа, в которых на валу установлено в разных положениях несколько кулачков, обеспечивающих независимые выдержки времени срабатывания и отключения соответствующего количества контактных групп. С помощью таких устройств (иногда их называют командо аппаратами) обеспечивается программное (по времени) управление комплектными электроустановками.

Рис. 7. Моторное реле времени с электромагнитом

6. Электротермические реле

Электротермические реле предназначены для автоматического переключения электрических контактов в зависимости от температуры Задача поддержания необходимой температуры или отключения какого-либо устройства при достижении некоторой температуры очень распространена в технике, причем не только в промышленной, но и в бытовой. Например, в холодильнике, в электроутюге в духовке электрической плиты установлены электротермические реле, которые также часто называют тепловыми реле. Потребность в тепловых реле исчисляется миллионами штук в год, поэтому главными требованиями к ним являются простота, дешевизна, надежность.

Наиболее широкое распространение получили биметаллические реле. Элементом, воспринимающим температуру, в таких реле является биметаллическая пластина (рис. 8, а). Она состоит из слоев двух металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. Например, для латуни этот коэффициент почти в 20 раз больше, чем для инвара (сплав железа с никелем). Поэтому при увеличении температуры слой латуни удлиняется значительно больше, чем слой инвара. Эти слои соединены жестко (сваркой или пайкой), и вся биметаллическая пластина при нагреве изгибается в сторону инвара. Поскольку один конец биметаллической пластины закреплен, второй конец перемещается, размыкая одну пару контактов и замыкая другую.

С помощью тепловых реле осуществляется и токовая защита различных электроустановок. В электротермических реле для токовой защиты используется тепловое действие электрического тока Нагрев биметаллической пластины производится с помощью нагревательной спирали, по которой проходит ток. На рис. 8, б показана схема реле защиты электродвигателя от перегрева. Через нагревательную спираль 1 проходит ток одной из фаз цепи питания электродвигателя. Если нагрузка электродвигателя возрастает сверхдопустимых пределов, ток в спирали 7 увеличивается, температура растет и биметаллическая пластина 2 изгибается влево, освобождая защелку спускового механизма 3. Это приводит к размыканию контактов 4 реле, которые находятся в цепи питания аппаратуры включения электродвигателя. После остановки электродвигателя возврат контактов 4 реле и спускового механизма 3 в исходное положение выполняется вручную нажатием на кнопку 5 после остывания биметаллической пластины. Но для повторного запуска электродвигателя этого недостаточно, необходима подача специального сигнала на аппаратуру включения электродвигателя. Биметаллические реле обладают большой инерционностью и не реагируют на большие, но кратковременные увеличения тока. Поэтому пусковые токи электродвигателя не приводят к срабатыванию теплового реле.

Рис. 8. Тепловое (электротермическое) реле

В некоторых реле используется не косвенный нагрев биметаллической пластины с помощью спирали, а прямой — пропусканием тока непосредственно через пластину. Основным недостатком биметаллических реле является низкая точность. Но благодаря простоте и низкой стоимости они получили преимущественное распространение. Из числа других электротермических реле следует упомянуть электроконтактные термометры, в которых контакты замыкаются столбиком ртути, по уровню которой можно одновременно определить значение истинной температуры. Точность электроконтактных термометров выше, чем у биметаллических. Известны также электротермические реле с расширяющимся газом. В таких реле газ при нагреве вытесняет ртуть, находящуюся на дне баллона, и тем самым разрывает контакт.

Поиск по сайту: