Какие требования предъявляются к электромагнитным реле

2. Электромагнитное реле, принцип действия, параметры, характеристика. Требования к реле 1 класса надежности.

Любое электромагнитное реле состоит из 2 частей: магнитной системы(сердечник, обмотка, ярмо, подвижный якорь) и исполнительной части (контактная группа). Ярмо, сердечник и якорь образуют магнитопровод, обмотка с сердечником – воспринимающая часть.

Принцип действия. Ток в обмотке реле создает магнитный поток, который, замыкаясь по магнитопроводу, за счет магнитных сил притягивает якорь. Якорь, притягиваясь, замыкает фронтовой и общий контакты исполнительной части реле. Реле это элемент АТиС, имеющий выходную характеристику, называемую релейной. Скачкообразное изменение выходной величины при непрерывном изменении входной. Коэффициент возврата – отношение максимального значения входной величины при которой отпускается якорь к минимальному значению входной величины, при которой происходит срабатывание.

Коэффициент запаса – отношение рабочего тока к току притяжения.

Параметры: ток притяжения – минимальный ток в обмотке реле, при котором притягивается якорь и замыкаются фронтовые контакты, ток отпускания – наоборот, рабочий ток – ток перегрузки, при котором якорь надежно притянут, ток прямого подъема – без контактного давления замыкание контактов, ток полного подъема – с необходимым контактным давлением. Такие же параметры для напряжения, мощности, ампервитков и т. д. Переходное сопротивление контактов. Временные параметры: время трогания – время от момента подачи питания до трогания якоря (на притяжение и на отпускание), время перелета – время от размыкания общего и тылового до момента замыкания общего и фронтового контактов, время срабатывания – время трогания и перелета вместе. Характеристики: выходная (релейная), механическая(усилие от хода якоря), тяговая/электромеханическая (сила, создаваемая электромагнитом от хода якоря), нагрузочная (сила притяжения электромагнита от магнитодвижущей силы при постоянном зазоре), а также ВАХ контактов, предельные параметры, коммутируемая мощность и т. д.

Требования по 1 классу надежности: невозможность сваривания контактов реле, невозможность залипания якоря, отпадание якоря под собственным весом, обеспечение сохранности параметров реле (герметизация), мощная контактная система, большое межконтактное расстояние при разомкнутых контактах (более 3мм), большое контактное давление на замкнутых контактах (25-30 гр).

5. Способы увеличения срока службы контактов

Срок службы контактов определяется числом замыканий.

Искра той или иной интенсивности создает эрозию контактов, т. е. перенос металла с одного электрода на другой с частичным выгора­нием. В результате разрушения контактных поверхностей надежность замыкания цепи нарушается. Размеры эрозии зависят от значений то­ка, напряжения, индуктивности или емкости цепи, а также материала контактов, формы поверхности, скорости замыкания и размыкания, вибрации контактов и условий окружающей среды.

Для уменьшения искр и увеличения срока надежной работы кон­тактов применяют специальные меры:

использование искрогасящих схем,

специальные конструкции контактов.

Принцип действия искрогасящих схем заключается в том, что энергия, накопленная в магнитной цепи, расходуется (при размыкании) не в зазоре между контактами, а в сопротивлении контуров искрогашения. Значения шунтирующих со­противлений R и емкостей C подбирают и проверяют эксперименталь­но из условия, что перенапряжение, возникающее на контактах при выключении цепи, будет меньше напряжения зажигания искрового разряда Lз = (270 — 330)В. Наибольшее напряжение на контактах появляется в первый момент после их размыкания, т.е. при t=0. Для исключения искрового разряда на контактах необходимо, чтобы Uк=(270 — 330) В

Требования, предъявляемые к реле

Реле защиты – селективность, быстродействие, чувствительность, надежность, вторичные реле.

Под селективностью понимают способность реле отключать только поврежденный участок энергосистемы.

Достаточное быстродействие позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах.

Минимальное значение входного параметра, при котором срабатывает реле называется чувствительностью.

Реле защиты не подвержены воздействию ударов, вибрации, пыли, газов, вызывающих коррозию. Для реле защиты, контролирующих значения тока в узких пределах коэффициент возврата должен быть возможно ближе к единице.

Реле автоматики имеют самые разнообразные специфические требования. Они работают в тяжелых условиях эксплуатации: возможны удары, вибрации, воздух часто засорен пылью или агрессивными производственными примесями. Число включений в час достигает 1000-1200. Надежность схем автоматики зависит от надежности, в том числе и реле.

Реле управления – это первичные реле, включаются непосредственно в электрическую цепь и предназначены для частных включений. В таких реле предусматривается возможность регулирования уставок реле. Уставкой реле называется значение параметра, при котором реле срабатывает.

Реле напряжения, тока, промежуточные реле

Реле напряжения применяются для управления разгоном и торможением электродвигателями постоянного и переменного тока, а также для реализации нулевой защиты по напряжению.

Реле тока выполняют функции максимальных, минимальных и реле обратного тока. Минимальные реле применяются, главным образом, для контроля тока в цепях возбуждения машин. Максимальные реле выполняют функции максимальной токовой защиты установок. Катушки токовых реле выполняются на токи 1,5-600 А и включаются всегда последовательно с нагрузкой. Уставка по току осуществляется путем изменения натяжения противодействующей пружины.

Реле напряжения отличаются от токовых только числом и сечением витков катушек и схемой включения в цепь нагрузки – первые параллельно с нагрузкой, вторые – последовательно с нагрузкой.

Увеличение быстродействия реле напряжения достигается низким номинальным напряжением обмотки (24; 48 В) и последовательным включением добавочного резистора из константана, который позволяет увеличить напряжение срабатывания реле. Его сопротивление выбирается так, чтобы ток срабатывания лежал в пределах 0,3 I_н  I_ср  0,5 I_н. Чем больше отношение , тем больше время срабатывания. Включение добавочного резистора из константана уменьшает зависимость напряжения срабатыванияU_ср от температуры.

В ряде случаев необходимо контролировать уменьшение выходного параметра. Эту задачу решают с помощью минимальных реле тока или напряжения. При этом напряжением (током) срабатывания называется напряжение, при котором происходит отпускание якоря, а напряжением (током) возврата – напряжение, при котором якорь притягивается к полюсам электромагнита. Тогда коэффициент возврата К_в > 1,

.

Серии реле  тока РТ-40, реле напряжения РН-51; РН-53, реле min напряжения РН-54, РЭВ-300 (постоянный ток, реле тока).

Основным элементом реле является электромагнит постоянного или переменного тока. Срабатывают такие реле мгновенно, без выдержки времени.

Реле постоянного тока часто имеет магнитную систему клапанного типа с немагнитной прокладкой, размещаемой между якорем и сердечником, для устранения явления залипания якоря к сердечнику, ввиду наличия остаточной индукции в сердечнике.

Вместо токовой катушки в реле может быть установлена катушка напряжения. В этом случае получается реле напряжения.

Ток или напряжение срабатывания реле (установка реле) может регулироваться изменением натяжения возвратной пружины, а также изменением величины зазора между якорем и сердечником.

При затяжке пружины и увеличении зазора параметр срабатывания возрастает. Параметр возврата увеличивается по мере затяжки пружины. Таким образом, коэффициент возврата увеличивается при уменьшении зазора .

Реле тока и напряжения с катушками переменного тока выполняются аналогично по конструкции, но магнитная система выполняется шихтованной, а на стержнях сердечника размещаются к.з. витки.

Промежуточное реле. Это много контактное электромагнитное реле, используемое в сложных схемах автоматического управления, когда возникает необходимость «размножения» контактов какого-либо аппарата, введения различных блокировок и усиление маломощных сигналов. По принципу действия промежуточные реле аналогичны реле напряжения. Их коэффициент возврата и напряжения срабатывания не регулируются.

Промежуточное реле работают от исполнительных органов других реле и предназначаются для усиления и размножения сигналов. У таких реле напряжения срабатывания не регулируется на  тока их катушки изготовляются на 12; 36; 127; 220; 380; 500 В с числом контактов до 8. Число включений в час до 600 при ПВ = 60 %. Имеют прямоходовую магнитную систему Р₌ = 3 Вт; Р_ = 5 ВА; 4н.о + 4н.з.

Серии МКУ-48 как на = ток и на  тока.

Серия РЭП-31 – на  тока до 250 В (U_кат = 5; 6; 12; 15; 24; 60 В).

Серия ТРПУ-1 – на = токе до 110 В, клапанной тип, I_{контактов} = 6 А;

Р_кат = 6 Вт; U_кат = 24; 50; 75; 110 В; 6н.о + 2н.з, 4н.о + 4н.з.

Серия РПУ-4 (универсальная) для управления электрическими приводами. U_кат = (12-440 В); U_кат = (12-220 В) номинальный и длительно допустимый ток контактов 6 и 10 А.

19. Реле, определение и назначение. Классификация реле. Конструкция электромагнитного реле. Параметры электромагнитных реле. Эксплуатационно-технические требования к реле.

Р еле – это элемент автоматики, который реализует гистерезисную нелинейную, дискретную зависимость y=f(x) , где x – входная величина реле –изменяется непрерывно; y – выходная величина – дискретно. Принимает значения: y_min, x_max . Реле строится на различных элементах с использованием различных принципов: (магнитных свойств – электромагнитное реле; полупроводниковых свойств – транзисторное; оптических

Классификация.

По принципу работы воспринимающей части

По виду характеристики

— большой (более 10 Вт).

По принципу работы исполнительной части

По способу коммутации

автоматики (0,007-0,03 с);

связи (0,001-0,01 с).

автоматики (0,1-0,4 с);

автоматики (0,6-1,2 с);

связи (больше 0,05 с).

Электромагнитные реле. Параметры электромагнитных реле

Реле работа которого обеспечивает постоянное напряжение на обмотке реле. В рабочем режиме протекает ток, создается магнитный поток одного направления.

Ток срабатывания – линейный ток, протекающий через обмотку электромагнитного реле, при котором создается такая магнитодвижущая сила, что замыкаются фронтовые контакты.

Ток отпускания — максимальный ток протекающий через обмотку электромагнитного реле, при котором размыкаются фронтовые и замыкаются тыловые контакты.

I_раб=nI_ср, n > 1; n=2÷5.

Ток рабочий – ток перегрузки реле, протекающий через обмотку реле при которой надежно замыкаются фронтовые контакты. Обеспечивает надежное срабатывание реле.

Ток прямого подъема – ток, при котором фронтовые контакты замкнуты, но притянуты друг к другу.

Ток полного подъема – ток, протекающий через обмотку реле, при котором и фронтовые контакты замкнуты, и сила не меньше установленной техническими требованиями.

n — коэффициент запаса – отношение рабочего тока к току прямого подъема

Коэффициент возврата – отношение тока отпускания к току срабатывания.

Быстродействие реле оценивается временами:

Время притяжения – время с момента включения реле до замыкания фронтовых контактов (время срабатывания)

Время трогания – это время, прошедшее с момента включения обмотки реле, до размыкания тыловых контактов.

Время перелета – время, прошедшее с момента размыкания тыловых контактов до замыкания фронтовых.

Эксплуатационные требования к реле

Включают в себя:

— устойчивость к климатическим факторам

1)Требования по безопасности сводятся к минимизации вероятности опасного отказа.

Опасный отказ – это отказ, который может привести к приказу, влияющему на безопасность движения поездов.

К наибольшим требованиям безопасности относят реле 1 класса надежности.

2)Фронтовые и осевые контакты не должны свариваться при протекании больших токов.

3)Магнитная система из магнитомягкого материала с узкой петлей гистерезиса.

4)Между якорем и сердечником электромагнита остается небольшой воздушный промежуток.

5)В разомкнутом состоянии между контактами расстояние 1-3 мм.

6)Контактные пружины из материалов с большим модулем упругости и поддающимся усталостному разрушению (нейзильбер – «новое серебро», специальное образец — бронза).

7) Климатические требования:

— температура — 40, +60 0 С

— устойчивость против биологических воздействий

— срок службы 15-20 лет

— количество замыканий 10 6 — 10 7 раз.

20. Электромагнитное реле. Необходимость ускорения и замедления срабатывания реле. Способы замедления и ускорения работы электромагнитных реле. Электрический способ замедления. Схемные способы замедления срабатывания и отпускания.

Реле работа которого обеспечивает постоянное напряжение на обмотке реле. В рабочем режиме протекает ток, создается магнитный поток одного направления.

Способы замедления и ускорения электромагнитного реле

В системах АТС часто возникают задержки реле. Причины временной задержки (технические, алгорифмические)

Технические: кратковременное пропадание питания.

Алгорифмические: причины, обусловленные логикой работы телемеханики. При этом некоторые реле может замыкать исполнительное устройство нормально-замкнутыми контактами, но при протекании питания блокируется своими собственными контактами, таким образом предварительное реле может быть отключено от питания рассматриваемого исполнительного реле.

Для того, чтобы обеспечить замедление существует 3 способа:

1. механический
2. электрический
3. схемный

Механический, при этом способе замедление реле осуществляются за счет электромагнитной постоянной времени подвижной системы. Необходимо увеличить массу груза.

Электрический, при этом способе замедление реле происходит за счет изменения электромагнитной постоянной времени. Изменение магнитопровода сердечника, количество витков обмотки реле, изменение индуктивности обмотки реле.

Схемный – предусматривает создание некоторых внешних схем, которые увеличили бы постоянную времени срабатывания/отпускания электромагнитного реле постоянного тока.

Схемные способы замедления срабатывания и отпускания.

Схемное (электрический метод) решение изменения временных параметров реле заключается в шунтировании катушки реле резистором, конденсатором, диодом или их комбинацией, а также путем закорачивания второй катушки реле.

Электромагнитные реле

Электромеханические реле могут выполняться на электромагнитном, индукционном, электродинамическом, индукционно-динамическом и магнитоэлектрическом принципах. Отечественная промышленность изготовляет электромеханические реле в основ ном на электромагнитном ииндукционном принципах, которые позволяют создать все требующиеся в эксплуатации разновидно­сти реле.

Переходя к рассмотрению электромеханических конструкций, следует отметить некоторые наиболее важные и общие требования, предъявляемые к основным элементам этих реле: контактам и обмоткам.

Контакты реле являются очень ответственным элемен­том в схемах защит. Они должны обеспечить надежное замыкание иразмыкание тока в управляемых ими цепях и быть рассчитаны на многократное действие.

Коммутационная способность контактов условно характери­зуется мощностью, при которой они обеспечивают замыкание и раз­мыкание цепей.

Значение этой мощности S_К выражается как произведение на­пряжения источника оперативного тока U на наибольший ток I_к, прохождение которого допускается через контакт, т. е. S_К = UI_к.

Обмотки реле должны обладать термической стой­костью, характеризуемой в зависимости от типа реле значени­ями тока или напряжения, допускаемыми длительно и кратковре­менно, и иметь приемлемую потребляемую мощность S_p, характе­ризуемую произведением тока I_р, проходящего по обмотке, на напряжение U_Р на зажимах этой обмотки.

Потребляемая мощность S_p зависит от усилий, которые должны создать намагничивающие силы обмоток для приведения в действие подвижной системы реле и надежного замыкания контактов реле.

а) Принцип действия

На рис. 2-1представлены три основные разновидности конструк­ций электромагнитных реле.

Каждая конструкция содержит электромагнит 1, состоящий из стального сердечника и обмотки, стальной подвижный якорь 2, несущий подвижный контакт 3, неподвижные контакты 4 и противо­действующую пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток I_р создает намаг­ничивающую силу (н. с.) I_pw_p, под действием которой возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник электромаг­нита 1, воздушный зазор d и якорь 2. Якорь намагничивается и в результате этого притягивается к полюсу электромагнита. Переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом 3 замыкает неподвижные контакты реле 4. Начальное положение якоря ограничивается упором 6.

где l_Р — плечо силы F_э.

Коэффициенты к’ и к» в выражениях (2-3) и [(2-4) зависят от R_м и поэтому сохраняют постоянное значение только при отсутствии насыщения.

Из (2-3) и (2-4) следует, что сила притяжения F_э или ее момент М_э пропорциональны квадрату тока I_р в обмотке реле и имеют, следовательно, постоянное направление, не зависящее от направ­ления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и перемен-

1 При питании обмотки реле переменным током под Ф подразумевается мгновенное значение потока Ф_t = Ф_m sin wt

снизив ток Iр до значения, при котором момент М_э2 уменьшится до М¢_э2. Тогда момент пружины М_П2 преодолеет электромагнит­ный момент М’_э2 и трения М_т и заставит якорь вернуться из поло­жения d₂ в начальное положение d₁. Условия возврата опреде­ляются уравнением (см. рис. 2-3)

где М¢_э2 является наибольшим значением М_э, при котором начи­нается возврат реле; его называют моментом возврата М_э.воз. Соответствующий ему ток I_р обозначается I_воз, при этом токе обеспечивается условие возврата (2-9).

Таким образом, током возврата реле I_воз называется наибольший ток в реле, при котором якорь реле возвращается в начальное положен и е.

У реле, реагирующих на возрастание тока, I_с.р. > I_воз и к_воз < 1. Величина к_воз у различных конструкций колеблется в довольно широких пределах, от 0,1 до 0,98. Из (2-10) следует, что к_в03 зависит от соотношения М_{э. с.р} и М_э.воз.

Для выяснения условий срабатывания и возврата реле и способов изме­нения k_воз рассмотрим диаграмму моментов, действующих на якорь реле в функции от величины воздушного зазора d (рис.2-3).

Предположим, что в обмотку электромагнитного реле (например, с по­воротным якорем — рис. 2-1, б) подан ток, равный току срабатывания. Возникающий при этом электромагнитный момент М_э1 преодолевает сопро­тивление пружины и трение (М_П1 и М_Т) и приводит в движение якорь. Началу движения якоря соответствует соотношение моментов: М_э1 = М_П1 + М_т.

По мере перемещения якоря воздушный зазор d уменьшается от началь­ного значения d₁ до конечного d₂ (рис. 2-3), противодействующая пружина растягивается и ее момент М_П (прямая 2) при этом нарастает по линейному закону (обратно пропорционально изменению d). Электромагнитный момент М_э (кривая 1) также увеличивается, но по нелинейной зависимости (2-5), имеющей для реле с поворотным якорем вид параболы. Когда якорь достигает конечного положения d₂, то благодаря более быстрому нарастанию М_э по сравнению с М_П образуется избыточный момент DМ = М_э2 — М_П2. Для возврата якоря необходимо уменьшить ток в обмотке реле от I_с._р до значения I_в.с, при котором электромагнитный момент М_э снизится от

При этом условии момент пружины М_П2 преодолевает электромагнитный момент М’_э2 и момент трения М_Т, и якорь реле возвращается в начальное положение d₁.

Приведенная диаграмма моментов позволяет сделать вывод, что различив в значении I_воз и I_с.р вызывается различием (неидентичностью) характера изменения моментов М_э и М_п при перемещении якоря из начального положе­ния в конечное.

Из диаграммы (рис. 2-3) следует, что чем больше избыточный момент DМ и трение М_Т, тем больше разница между I_воз и I_с.р и, следовательно, меньше к_воз.

Для улучшения коэффициента возврата необходимо обеспечить:

а) совпадение или наибольшее сближение характеристик изме­нения моментов М_э и М_п (прямая 2 и кривая 7), что достигается подбором такого участка кривой М_э = f(d), где имеется лучшее совпадение с характеристикой пружины М_П = f(d). На диаграмме рис. 2-2, б таким участком является отрезок АВ, которому соответ­ствует угол поворота якоря от a₁ до a₂.

Улучшения k_воз можно достигнуть также за счет сокращения хода подвижной системы изменением конечного положения якоря d₂, что приводит к уменьшению DМ (рис. 2-3);

б) уменьшение трения в осях подвижной системы (якоря) реле. Некоторое ухудшающее влияние на к_воз оказывает гистерезис.

в) Реле максимального и минимального действия

Следовательно, мгновенное значение F_эt содержит две состав­ляющие: постоянную kI 2 _m и переменную kI 2 _m соs 2wt, изменяющуюся с двойной частотой. Результирующая электромаг­нитная сила F_э имеет пульсирующий характер, дважды изменяясь от нуля до максимального значения в течение каждого периода (рис. 2-5). В то же время противодействующая сила пружины F_П имеет неизменное значение.

В результате в период времени аb, сд, еf и т. д., когда F_П > F_эt, якорь реле стремится отпасть, а в периоды времени bс, dе и т. д., когда F_эt>F_П — вновь втянуться. Притянутый якорь при этом непрерывно вибрирует вследствие периодического изменения знака действующей на него результирующей силы F_рез = F_эt-F_П.

Вибрация якоря оказывает вредное влияние на работу реле, вызывает вибрацию контактов при срабатывании, что приводит к их подгоранию, а также вызывает износ осей и цапф, на которые они опираются.

При большом моменте инерции якоря он не успевает следовать за быстрым изменением знака результирующей силы F_рез = F_э — F_П, в таких случаях вибрации не наблюдается. Если же момент инерции якоря недостаточен, то для устранения вибрации приме­няется расщепление магнитного потока обмотки на две составля­ющие, сдвинутые по фазе. Расщепление достигается или при помощи короткозамкнутого витка К (рис. 2-6), или путем выполнения обмотки реле в виде двух параллельных секций с разными угло­выми сдвигами, расположенных на разных магнитопроводах (рис. 2-9).

В реле, изображенном на рис. 2-6, короткозамкнутый виток охватывает часть сечения магнитопровода. Под влиянием магнит­ного потока, пронизывающего виток, в нем возникает ток I_k, создающий поток Ф_к. На рис. 2-6 показаны положительные направления магнитных потоков и пути, по которым они замыкаются.

Из-под сечения, охваченного короткозамкнутым витком, выхо­дит результирующий поток Ф₁, состоящий из части потока обмотки

ся э.д.с. Е_к, наведенная в коротко-замкнутом витке потоком Ф₁, отстающая от него на 90°. Ток в короткозамкнутом витке İ _к почти совпадает с э. д. с. Ė_к вслед­ствие малой индуктивности витка. Пренебрегая потерями на намагничивание поток Ф_к показываем сов­падающим с создающим его током I_к. Зная Ф₁ и Ф_к, из выражения (2-11)

Магнитный поток Ф_р2 совпадает по фазе с потоком Ф_Р1, так как они со­здаются одной и той же н. с, (I_рw_р) и имеют однородное магнитное сопротив­ление. На основании выражения (2-12) находится поток Ф_II.

Полученная векторная диаграмма (рис. 2-7) показывает, что магнитный поток Ф_I всегда сдвинут относительно потока Ф_II на

угол ψ. Сдвиг по фазе магнитных потоков обусловлен нали­чием потока Ф_k.

Каждый из магнитных потоков (рис. 2-8) Ф₁ = Ф_1макс sinwt

изменения которых смещены так же, как и магнитные потоки.

В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизиться до нуля.

Для устранения вибрации результирующая сила

должна в каждый момент времени превышать F_П. Наилучшие результаты получаются при ψ = 90° и Ф₁ = Ф_II; в этом случае F_рез имеет постоянное значение, что следует из (2-12а).

Аналогичный ре­зультат достигается при исполнении обмотки ре­ле в виде двух секций: 1 и 2, расположенных на двух полюсах магнито-нровода (рис. 2-9, а).

Обмотка 1 подклю­чается непосредственно к источнику питания, а обмотка 2 — через конденсатор С. В ре­зультате токи I₁ и I₂ имеют различные сдвиги относительно напряжения U_р на зажимах реле. Построив векторную диаграмму (рис. 2-9, б) токов и потоков, устанавливаем, что потоки Ф₁ и Ф_II имеют сдвиг по фазе ψ. Следо­вательно, результирующая электромагнитная сила F_рез имеет та­кой же характер, как и на рис. 2-8 и выражается по (2-12а).