§ 7.2. РЕЛЕ

Реле — специальный прибор, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачкок. С помощью реле можно осуществить автоматическое

управление работой мощных контакторов, масляных выключателей. Например, в случае короткого замыкания под действием недопустимо большого тока реле срабатывает, включая электродвигатель привода масляного выключателя, а последний отключает поврежденную электрическую установку. Более того, одновременное применение нескольких реле позволяет автоматически повторно включить установку немедленно после устранения повреждения.

Реле реагирует на изменения определенного параметра: тока, напряжения, мощности, температуры, давления и т. д.

Реле различаются:

а) по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, электродинамические, тепловые, электронные, газовые и др.;

б) по способу включения в контролируемую цепь: первичные, включаемые непосредственно в контролируемую цепь, и вторичные, включаемые через измерительные трансформаторы;

в) по способу воздействия на аппарат управления: прямого действия, которые сами, например, выключают цепь, и косвенного действия, которые выполняют операции через посредство промежуточных устройств (контакторов, масляных выключателей и т. д.).

Применение первичных реле в цепях высокого напряжения затруднительно, так как изоляция их получилась бы громоздкой, а обслуживание — опасным. Такие реле применяют лишь в цепях низкого напряжения.

Реле прямого действия применяют в маломощных цепях, так как при больших управляемых токах пришлось бы сильно увеличивать размеры подвижных частей и т. д., что сделало бы реле очень грубыми, поэтому в мощных электрических цепях высокого напряжения получили распространение вторичные реле косвенного действия, имеющие высокую точность срабатывания.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных типов реле.

Электромагнитные реле, получившие самое широкое распространение в промышленных и сельскохозяйственных установках, по конструктивному исполнению выпускают трех типов: клапанного, соленоидного и с поворотным якорем.

В клапанном реле на стальном сердечнике имеется обмотка, соединенная со вторичной обмоткой измерительного трансформатора (рис. 7-1). Под действием тока этой обмотки к ярму сердечника 1 притягивается шарнирно укрепленный клапан 2 и изолированной металлической пластинкой 3 замыкает неподвижные контакты 4 цепи оперативного тока. Среди реле этого типа на практике широко применяют электромагнитные реле максимального тока (рис. 7-2). Здесь токовая катушка 1 реле включается последовательно с нагрузкой. При токах нагрузки выше номинального значения якорь 3 гтршягивается к сердечнику 2 и одновременно замыкает контакт 4 оперативной цепи.

Рис. 7-1

Рис. 7-2

Из числа электромагнитных реле широкое применение нашли реле МК.У-48 (рис. 7-3) и реле телефонного типа (рис. 7-4).

К типу электромагнитного реле с поворотным якорем относится токовое реле серии ЭТ (рис. 7-5). На сердечник 1 из листов электротехнической стали навивают обмотку 2, обычно соединяемую со вторичной обмоткой трансформатора тока. При протекании тока по этой обмотке легкий стальной -образный якорь 3 поворачивается по часовой стрелке до расположения вдоль магнитного потока,

Рис. 7-3

Рис. 7-4

Рис. 7-5

Рис. 7-6

при этом неподвижные контакты 4 цепи оперативного тока замыкаются металлической пластинкой 5, укрепленной на оси якоря. Реле сработает. После того как контролируемая цепь будет отключена, сердечник размагнитится и Z-образный якорь под действием пружины 6 вернется в исходное положение, при котором контакты 4 снова будут разомкнуты. Поворотом рычага 7 по шкале 8 можно регулировать натяжение пружины, устанавливая тем самым контролируемый ток, при котором реле срабатывает.

В рассмотренных реле не предусмотрена выдержка времени, поэтому их называют реле мгновенного действия.

Для создания максимальной независимой защиты токовые реле мгновенного действия используют совместно с электромагнитными реле времени.

Рассмотренные выше электромагнитные реле срабатывают независимо от направления тока в катушках, т. е. они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. Такие реле получили название нейтральных.

В схемах защиты электрических установок часто применяют реле времени серии ЭВ (рис. 7-6). Его основной узел — часовой механизм 3, запускаемый электромагнитом 1. Катушка последнего включается в цепь контактов главного реле, при срабатывании которого электромагнит 1 через зубчатку 2 запускает часовой механизм. При этом подвижный контакт 4 равномерно перемещается вдоль шкалы 6 до неподвижного контакта 5. Требуемая выдержка времени устанавливается контактом 5.

Поляризованные реле в отличие от нейтральных имеют дополнительный постоянный магнит, и направление движения якоря зависит от направления тока в катушке, поэтому они срабатывают только под действием постоянного тока Поляризованное электромагнитное реле (рис. 7-7, а) состоит из двух катушек 1 и 2, создающих в стальном ярме рабочий магнитный поток Ф, и постоянного магнита 6. Последний создает поляризующий магнитный поток Магнитный поток постоянного магнита замыкается через якорь 4 и разветвляется на два потока: Последние взаимодействуют с потоком Ф (складываются в правой ветви и вычитаются в левой). Якорь реле 4 может поворачиваться около оси 7 до упора с неподвижными контактами, замыкая правую или левую цепи.

При отсутствии тока в катушках (управляющего сигнала) действует только один магнитный поток Если якорь находится в среднем (вертикальном) положении, то действующие на него силы справа и слева будут равны и противоположны и якорь должен остаться в равновесии. Однако такое равновесие является неустойчивым, и на практике якорь всегда притянут каким-либо из полюсов. Изменение направления отклонения якоря осуществляется изменением направления тока в катушках.

На практике применяют поляризованные реле трех типов настройки: нейтральная РП-4, на преобладание РП-7 и трехпозиционная РП-5.

Настройка на преобладание, при которой один из неподвижных контактов смещен за нейтральную линию (рис. 7-7, б), характерна тем, что в отсутствие управляющего сигнала якорь всегда притянут к нормально установленному контакту.

В случае трехпозиционной настройки (рис. 7-7, в) в отсутствие управляющего сигнала якорь обязательно устанавливается в вертикальном положении с помощью двух специальных пружин

С помощью поляризованного реле можно управлять мощными электрическими цепями при очень малой управляющей мощности, так как на его якорь действует сумма сил, создаваемых магнитными потоками постоянного магнита и катушки с управляющим током

Рис. 7-7

Рис. 7-8

Рис. 7-9

Трехпозиционное реле РП-5 (рис. 7-8) широко используют в школьном физическом эксперименте, в частности в демонстрационных опытах при изучении электромагнитных колебаний и волн. Оно сделано на специальной подставке и приспособлено для использования в комплекте с другими приборами Реле РП-5 обладает быстродействием и высокой чувствительностью. Регулировкой контактов можно изменять ток срабатывания от 0,058 до 0,24 мА, а контакты реле можно нагружать током до 0,5 А.

Магнитоэлектрические реле по принципу действия и устройству не отличаются от магнитоэлектрических измерительных приборов с той лишь разницей, что вместо стрелки на оси подвижной системы укрепляется небольшой рычажок 1 с контактом 2 (рис. 7-9).

Магнитоэлектрические реле являются очень чувствительными и применяются в сложных приборах в качестве связующего звена между чувствительным элементом (датчиком) и управляемыми цепями. Для более надежной работы вращающий момент этих реле делают возможно большим. Для предотвращения порчи подвижной системы при резком повороте и ударе ее о неподвижный контакт питание реле осуществляется плавно изменяющимся током управления. При этом реле срабатывает при незначительном токе.

Тепловое реле (рис. 7-10) используют для защиты электроустановок от токов перегрузки. Устроено и работает это реле следующим образом. На биметаллическую пластинку 1 (спай двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения) навита спираль 2, по которой проходит ток нагрузки. При длительных перегрузках (0,5 — 1 мин) спираль и биметаллическая пластинка нагреваются, при этом пластинка 1 изгибается вверх и освобождает рычаг 7. Рычаг пружиной 4 поворачивается вокруг оси 8 и тягой 5 размыкает контакты 6 вспомогательной оперативной цепи (например, магнитного пускателя). Установка отключается. После устранения перегрузки и охлаждения биметаллической пластинки реле возвращается в исходное положение нажатием кпопки 3.

Магнитоуправляемые контакты, или герконы (герметизированные контакты), представляют собой две пластины из пермаллоя,

Рис. 7-10

Рис. 7-11

Рис. 7-12

впаянные в стеклянную колбочку, в которую введен азот или инертный газ (рис. 7-11). Пластины являются и магнитопроводом и контактными пружинами, а их концы, находящиеся в колбочке, — контактами.

Если герконы поместить в магнитное поле, направленное вдоль пластин, то контакты замкнутся. Управление контактами можно осуществлять приближением постоянного магнита к пластинкам (контакты замыкаются) либо обмоткой с током, навиваемой поверх геркона (соленоид, внутри которого помещают геркон). Для улучшения контакта концы пластин геркона покрывают золотом, серебром, родием или смачивают ртутью.

Вначале появились «сухие» герконы с диаметром колбочки около 2 мм, затем ртутные с объемом 2,5 мм3 на контакт, в настоящее время в качестве контактов используют пленочные пермаллоевые покрытия, а по размерам современные герконы соизмеримы с интегральными схемами.

Достоинства герконов: малое время срабатывания (доли миллисекунды против десятков миллисекунд у электромагнитных реле); высокая надежность коммутации в любой среде благодаря герметизации контактов; малые размеры; возможность изготовления на автоматах и небольшая стоимость.

Электронные реле представляют собой обычно совокупность электронных ламп или транзисторов с электронным реле. Простейшее быстродействующее электронное реле содержит в качестве воспринимающего органа электронную лампу Л, в анодную цепь которой включено электромагнитное реле Р (рис. 7-12). Начальный анодный ток (ток покоя) выбирают так, чтобы он был значительно меньше тока, при котором реле срабатывает. Для этого от сеточной батареи на сетку подается отрицательное напряжение,

Рис. 7-13

Рис. 7-14

Рис. 7-15

смещающее надлежащим образом рабочую точку анодно-сеточной характеристики. При подаче на сетку лампы положительного напряжения от управляющей цепи анодный ток возрастает и реле срабатывает.

Основным недостатком такого реле является то обстоятельство, что по обмотке реле постоянно протекает ток покоя. Увеличение же отрицательного смещения с целью ограничения тока покоя сильно снижает чувствительность реле Указанный недостаток устраняется применением мостовой схемы (рис. 7-13). Здесь плечами моста служат две одинаковые электронные лампы и (обычно двойной триод) и два одинаковых резистора в диагональ моста включена обмотка электромагнитного реле. При отсутствии сигнала от управляющей цепи мост сбалансирован с помощью потенциометра ток в его диагонали отсутствует. При подаче сигнала на вход на сетки ламп подаются противоположные по знаку потенциалы, в результате анодные токи будут значительно отличаться и через реле Р будет протекать уравнительный ток моста; реле сработает. Если в диагональ моста включить поляризованное реле, то полярность управляющего сигнала определит направление отклонения его якоря.

Простейшее электронное реле времени отличается от быстродействующего наличием конденсатора С в цепи сетки электронной лампы (рис. 7-14). При замкнутом контакте К верхняя обкладка конденсатора С и сетка лампы имеют отрицательный потенциал. Лампа закрыта. При размыкании контакта К конденсатор С начнет разряжаться через резистор и отрицательный потенциал сетки станет уменьшаться, а анодный ток в лампе — увеличиваться. По достижении определенного значения анодного тока реле Р сработает. Выдержка во времени между размыканием контакта К и срабатыванием

реле Р тем больше, чем больше значения и С (постоянная времени При новом замыкании контакта К сетка триода получит большой отрицательный потенциал, анодный ток в лампе резко уменьшится и реле Р отпустит.

Если в анодную цепь триода электронного реле времени включить последовательно несколько электромагнитных реле, настроенных на разные токи срабатывания, то система будет представлять собой программное реле времени.

Пример схемы электронного реле времени на транзисторах приведен на рисунке 7-15. Здесь при размыкании контактов К (начало действия реле) заряженный от источника § конденсатор С начнет разряжаться, что приведет к понижению отрицательного потенциала базы транзистора и к повышению отрицательного потенциала коллектора. В результате напряжение на базе транзистора уменьшится, а ток в цепи эмиттера начнет возрастать, достигая значения, при котором электромагнитное реле Р сработает.

Электронные реле имеют высокую чувствительность и являются практически безынерционными, благодаря чему они получили широкое применение в чувствительных автоматических устройствах. Электронные реле времени позволяют получать выдержки во времени в пределах от до десятков секунд.