б) Поляризованные реле

Обычное электромагнитное реле не реагирует на знак сигнала: срабатывание реле происходит одинаково при обоих возможных направлениях тока в обмотке. Между тем во многих устройствах необходимы реле, реагирующие на знак сигнала и замыкающие ту или другую группу контактов в зависимости от направления тока в управляющей обмотке. Такие реле называются поляризованными. В поляризованных реле используется взаимодействие поля постоянного магнита с полем управляющей обмотки. В этом отношении поляризованные реле относятся к группе магнитоэлектрических устройств. Однако конструкция распространенных поляризованных реле резко отличается от конструкции магнитоэлектрических измерительных приборов, вследствие чего за этими устройствами и сохранено специальное название. Те поляризованные реле, которые имеют конструкцию, близкую к конструкции магнитоэлектрических измерительных приборов, носят название гальванометрических или магнитоэлектрических. Они будут рассмотрены отдельно.

На рис. 4-23 изображены схемы основных типов магнитных систем поляризованных реле. На этих схемах показаны пути магнитных потоков, причем потоки постоянных магнитов обозначены сплошными линиями, а потоки управляющих обмоток — пунктирными.

В схеме а якорь 1 намагничивается управляющей обмоткой 3. Якорь расположен между полюсными наконечниками 5, постоянного

магнита 4 и может поворачиваться вокруг точки 2. С якорем связан подвижный контакт 6, замыкающийся с неподвижными контактами 7 при срабатывании реле. При отсутствии тока обмотке среднем положении якоря магнитные потоки в обоих воздушных зазорах равны, силы притяжения якоря полюсными наконечниками одинаковы и уравновешиваются. Якорь при этом находится в равновесии, которое при отсутствии дополнительной пружины неустойчиво.

При протекании тока по управляющей обмотке возникает магнитный поток, который в одном из воздушных зазоров направлен встречно, а в другом — согласно потоку постоянного магнита. На якорь действует результирующая сила, и реле срабатывает. Направление результирующей силы зависит от направления тока в управляющей обмотке. Поэтому в зависимости от полярности входного сигнала ион-такт 6 замыкается с одним из неподвижных контактов 7.

Принцип действия реле, имеющего магнитную систему типа рис. 4-23,6, аналогичен только что рассмотренному. Отличие заключается лишь в том, что управляющая обмотка размещена на магнитопроводе, а постоянный магнит как бы включен последовательно с якорем.

В схеме в якорь поворачивается вокруг точки 2. Полюсные наконечники раздвоены. При протекании тока по управляющей обмотке магнитные потоки в накрест расположенных ларах воздушных зазоров становятся различными и появляется момент, вызывающий срабатывание .реле.

В настоящее время наибольшее распространение получила магннтная система поляризованных реле, схема которой представлена на рис. 4-23,г.

Конструкция реле с такой магнитной системой изображена на рис. 4-24.

Управляющая обмотка в этих реле расположена на магнитопрводе 5. В промежутке между полюсными наконечниками магнитопровода расположен конец якоря 1, составленного из двух тонких стальных пластинок.

Рис. 4-24. Конструкция поляризованного реле.

Якорь подвешен на пластинчатой пружине, закрепленной на неподвижной стойке 2. Вблизи якоря располагается постоянный магнит 4. Якорь не имеет непосредственного соприкосновения с магнитом, однако специальные наконечники 7 (рис. 4-24) обеспечивают достаточно малое магнитное сопротивление на пути потока от магнита к якорю. Другой конец магнита соединен с полюсными наконечниками магнитопровода через значительное магнитное сопротивление. На схеме рис. 4-23,г это магнитное сопротивление изображено в виде воздушного зазора. В действительности, как видно из рис. 4-24, указанное магнитное сопротивление реализуется посредством болтов 8 и прокладок из немагнитного материала. С якорем связаны подвижные контакты 6. Положение неподвижных контактов регулируется с помощью винтов 9.

При отсутствии тока в управляющей обмотке и среднем положении якоря постоянный магнит создает равные магнитные потоки по обеим сторонам якоря. Поток постоянного магнита проходит от верхнего полюса магнита (рис. 4-23) через наконечники, через якорь и у нижнего его конца разветвляется

на два; эти два потока через полюсные наконечники магнитопровода и болты 8 (рис. 4-24) идут к нижнему концу магнита.

При протекании тока по обмотке реле возникает дополнительная составляющая магнитных потоков в воздушных зазорах. Магнитное сопротивление болтов 8 и прокладок подобрано так, чтобы не слишком сильно уменьшать поток обмотки в воздушном зазоре при шунтировании Зазора цепью этих магнитных сопротивлений. Магнитный поток обмотки в одном из зазоров между полюсным наконечником и якорем складывается, а в другом вычитается из потока постоянного магнита. Неравенство результирующих магнитных потоков вызывает срабатывание реле.

Рассмотрим тяговые характеристики поляризованного реле с магнитной системой, показанной на рис. 4-23,г. Магнитные потоки в воздушных зазорах равны сумме и разности потока постоянного магнита и потока обмотки управления. Сумма магнитных сопротивлений воздушных зазоров при перемещении якоря не меняется, так как общая ширина этих зазоров постоянна. Поэтому магнитный поток обмотки, пронизывающий последовательно оба зазора, остается постоянным при перемещении якоря. Распределение потока постоянного магнита между воздушными зазорами меняется при перемещении якоря: в том зазоре, ширина которого уменьшается, поток увеличивается, а в расширяющемся зазоре поток падает. Формулу для силы притяжения можно записать в следующем виде:

где - магнитныи поток.

В соответствии с этим силу, действующую на якорь поляризованного реле, можно выразить так:

здесь поток обмотки управления; — потоки постоянного магнита в правом и левом зазорах.

Если, как мы делали и раньше, характеризовать положение якоря отклонением 5 от среднего положения, то

где магнитное сопротивление на пути потока постоянного магнита за вычетом сопротивления зазора; постоянного магнита. При среднем положении якоря потоки и равны:

где

Поделим и умножим правую часть равенства (4-45) на Ф:

Заметим, что

Здесь относительное смещение якоря; относительная н. с. управляющей обмотки.

Рис. 4-25. Тяговые характеристики поляризованных реле.

В выражении для потока мы пренебрегли магнитным сопротивлением стали.

Используя эти выражения, переписываем (4-46) так:

где сила притяжения якоря к одному из полюсных наконечников при отсутствии тока в управляющей обмотке и среднем положении якоря.

Семейство тяговых характеристик, соответствующее выведенной формуле при представлено на рис. 4-25. Сила ограничена на всем интервале изменения от —1 до 1. Если ток в обмотке реле отсутствует и замыкание контактов происходит при относительном перемещении якоря то сила контактного давления выразится формулой

Намагничивающую силу срабатывания определяем, приравнивая силу при нулю (силой пружины пренебрегаем):

откуда

Уменьшение за счет уменьшения сопряжено с уменьшением контактного давления. Уменьшая м. д. с. постоянного магнита мы наряду с уменьшением получаем быстрое уменьшение

При определении контактного давления и н. с. срабатывания не учитывалось влияние пружины. Между тем в некоторых поляризованных реле, в частности в трехпозиционных (с устойчивым средним положением якоря), жесткость пружины значительна. Для отыскания силы, действующей на якорь реле при наличии пружины, нужно сложить ординаты тяговых характеристик с характеристикой пружины. Пружины имеют «положительную жесткость», т. е. характеристика ее имеет противоположный наклон по сравнению с тяговыми характеристиками. Если жесткость пружины достаточно велика, то результирующая характеристика, по крайней мере в области малых отклонений якоря, получает положительный наклон и среднее положение якоря становится устойчивым.

Рис. 4-26. Тяговая характеристика и характеристика пружины поляризованного реле.

На рис. 4-26 представлен такой случай. Формулы для контактного давления и токов срабатывания трехпозиционного реле могут быть получены из ранее выведенных добавлением силы пружины.