4-4. РЕЛЕ

В автоматических и телемеханических системах широко применяются реле — устройства, предназначенные для прерывистого дискретного управления токами и напряжениями посредством электрических сигналов сравнительно малой мощности. Практически любой усилитель может работать в релейном режиме. Так, например, широко используется релейный режим работы магнитных усилителей, полуцроводниковых усилителей и специальных, электронных усилителей. Здесь рассматриваются лишь те типы реле, в которых управляющий сигнал вызывает механическое перемещение якоря и замыкание контактов. К числу таких реле относятся: 1) электромагнитные; 2) поляризованные; 3) магнитоэлектрические; 4) индукционные, электродинамические.

а) Устройство и характеристики электромагнитных реле

Несмотря на большое разнообразие конструкций магнитных систем и контактных групп электромагнитных реле, различают лишь два основных типа этих устройств: реле с поворотным якорем и реле втяжного типа.

Схема электромагнитного реле с поворотным якорем приведена на рис. 4-18. При протекании тока по обмотке возникает магнитный поток, который проходит через сердечник 1, магнитопровод 2, якорь 3 в замыкается в воздушном зазоре между якорем и сердечником. Сила притяжения, создаваемая этим магнитным потоком» вызывает срабатывание реле. Отпускает реле под воздействием либо специальной пружины 4, либо пружин контактов.

Контакты реле делятся на две группы: нормально разомкнутые контакты и нормально замкнутые контакты. Нормально разомкнутыми называются контакты, разомкнутые при отсутствии тока в обмотке и замыкающиеся при срабатывании реле. Нормально замкнутыми

Рис. 4-18. Реле с поворотным якорем

Рис. 4-19. Контактор.

называются контакты, замкнутые при отсутствии тока в обмотке и размыкающиеся при срабатывании реле.

Вторая группа реле втяжного типа —1 содержит втяжные или, как их еще называют, плунжерные электромагниты (рис. 4-19). Эти реле, применяемые обычно для управления устройствами значительной мощности, называют часто контакторами.

Процесс срабатывания: и отпускания электромагнитного реле проще всего проследить, рассматривая кривую изменения тока в обмотке реле. Пусть в момент времени к обмотке реле, ток в которой при отсутствовал, подключено напряжение

До момента времени якорь под действием пружины отведен в крайнее положение, воздушный зазор имеет максимальное значение и индуктивность обмотки минимальна:

С момента появления напряжения и в обмотке реле возрастает ток. Так как индуктивность обмотки при неподвижном якоре и сравнительно большом воздушном зазоре практически постоянна, то нарастание тока будет происходить по закону экспоненты:

где сопротивление цепи обмотки.

В тот момент, когда ток достигает значения, называемого током срабатывания, сила притяжения электромагнита станет равной силе натяжения пружины. После этого момента якорь начнет двигаться. Интервал времени от момента включения напряжения до начала движения якоря называется временем трогания (при срабатывании).

Время трогания удовлетворяет соотношению

где установившееся значение тока; Т мин постоянная времени. Отсюда

Коэффициент равный отношению установившегося значения тока к току срабатывания, выбирается обычно в пределах 3—6. При с ошибкой не более 6% можно принять так как

По истечении времени трогания начинается движение якоря. При этом воздушный зазор уменьшается и индуктивность возрастает. Уравнение напряжений в цепи обмотки имеет вид:

или

Индуктивность зависит от величины зазора меру влияния насыщения также от тока Определить изменение во времени можно, только интегрируя уравнение (4-39) совместно с уравнением движения якоря. Как показал А. И. Москвитин [4-7], интегрирование возможно для частного случая свободного якоря и плоского воздушного зазора. Этот случай в некоторой мере соответствует условиям работы мощных

Рис. 4-20. Изменение тока в обмотке управления при срабатывании и отпускании реле.

электромагнитов с массивными якорями. В реле на якорь, помимо силы электромагнита, действует сила пружины, и интегрирование уравнения движения в конечной форме невозможно. Однако легко указать характер изменения тока при движении якоря.

В процессе притяжения якоря и последний член в уравнении (4-39) отрицателен, т. е. имеет знак, противоположный знаку и. Наличие противо-э. д. с. , вызванной движением якоря, создает уменьшение тока если скорость притяжения достаточно велика. самом деле, чем быстрее притягивается якорь, тем меньше интеграл в правой части равенства

которое получается интегрированием в пределах времени движения якоря (В пределе при бесконечно быстром притяжении первый член в правой части этого равенства обращается в нуль, и ток обратно пропорционален индуктивности: При этом ток уменьшается от в начале движения до в конце движения. Для электромагнитных реле, за исключением специальных реле замедленного действия, скорость притяжения якоря такова, что уменьшение тока заметно в конце движения, когда якорь набирает достаточную скорость.

Итак, во время притяжения якоря от момента до Утр электромагнит совершает работу, затрачиваемую на деформацию пружины и сообщение кинетической энергии якорю. При достижении определенной скорости движения якоря ток в обмотке уменьшается (рис. Интервал носит названиё времени движения (при срабатывании). момент времени происходит соприкосновение контактов, и далее следует почти мгновенное торможение якоря. Считая, что якорь в момент времени останавливается, замечаем, что при изменение тока описывается уравнением

где индуктивность при притянутом якоре.

Если по-прежнему не учитывать нелинейность характеристики намагничивания (хотя при малом воздушном зазоре эта нелинейность имеет несколько большее значение), то и решение уравнения (4-40) имеет вид:

где постоянная с определяется из начального условия при

Таким образом, ток в обмотке реле после остановки якоря нарастает по

закону экспоненты с новой, большей постоянной времени

носит название времени срабатывания. Время срабатывания равно интервалу от момента включения напряжения до момента замыкания контактов реле.

Время срабатывания, время трогания и движения при срабатывании называют временными параметрами (характеристиками) реле.

Другую группу временных параметров составляют время отпускания, время трогания и движения при отпускании. Определение этих параметров поясняет правая часть рис. 4-20.

Если при выключении реле мгновенно исчезает напряжение, но сопротивление цепи остается прежним, то ток будет уменьшаться почти по экспоненциальному закону с постоянной времени

После того как ток станет равным току отпускания при котором сила электромагнита равна силе пружины, происходит отпускание реле.

(При отпускании реле якорь движется под действием пружины, воздушный зазор увеличивается, индуктивность обмотки уменьшается. Интервал времени от момента выключения напряжения до начала движения якоря носит название времени трогания при отпускании. Если сопротивление цепи обмотки при отпускании остается таким же, как и при срабатывании, то время трогания при отпускании больше при срабатывании. Действительно, при отпускании удовлетворяет в этом случае соотношению

откуда

Если вспомнить, что при срабатывании и что обычно значительно больше единицы, а то станет очевидной справедливость только что высказанного положения.

Однако часто реле отключаете» при разрыве цепи, если ток обмотки управляется контактами выключателя, реле меньшей мощности и т. д.

В этом случае спадание тока в обмотке описывается сложной функцией времени, зависящей от характера разряда при разрыве контактов, наличия вихревых токов и других факторов.

При мгновенном разрыве цепи обмотки время движения зависит лишь от механических параметров и минимально.

Уравнение э. д. с. при отпускании реле без разрыва цепи обмотки имеет вид:

При отпускании механическая энергия деформированной пружины превращается в электрическую, и ток при достаточно быстром, движении возрастает (рис. 4-20). Электродвижущая сила соответствующая этому превращению, здесь положительна После того как якорь доходит до упора или происходит замыкание нормально замкнутых контактов, якорь останавливается. Интервал времени от начала движения до остановки якоря называется временем движения при отпускании. После остановки якоря ток в цепи обмотки с неизменным противлением убывает по экспоненте с постоянной времени Сумма равная интервалу времени от момента выключения остановки якоря (замыкания нормально замкнутых контактов), называется временем отпуекания.

Таковы временные нараметры реле_и процессы, происходящие при срабатывании и отпускании.

Механическими характеристиками реле называют зависимости сил,

действующих на якорь, от положения якоря и тока, протекающего через обмотку. Определяются механические характеристики в статическом режиме, т. е. при неизменном, фиксированном воздушном зазоре и постоянном значении н. с. обмотки, электромагнита. От вида статических характеристик в определенной мере зависят быстродействие и надежность реле.

К числу механических характеристик относится тяговая характеристика — зависимость силы притяжения электромагнита от величины воздушного зазора и н. с. обмотки. Для вычисления силы притяжения электромагнита можно воспользоваться общей формулой, справедливой для ненасыщенной магнитной цепи:

где ток в обмотке; индуктивность обмотки; линейная координата якоря (обычно ширина воздушного зазора).

Для определения силы реле с поворотным якорем часто полагают:

здесь число витков обмотки; — ширина; площадь сечения воздушного зазора; магнитное сопротивление цепи за вычетом сопротивления зазора. Эта формула верна при отсутствии рассеяния и при однородном поле в воздушном зазоре. Подобные условия имеют место, когда длина воздушного зазора мала, а проницаемость магнитопровода, сердечника и якоря велика. При отсутствии насыщения железа и

Подставляя это выражение в (4-41), получаем:

Заметим, что величина

есть часть н. с. обмотки, приходящаяся на воздушный зазор, тогда

В этих формулах размерность .

Если бы ампер-витки воздушного зазора оставались неизменными при перемещении якоря, то зависимость силы притяжения от воздушного зазора выражалась бы квадратной гиперболой (рис. 4-21). В этом случае сила притяжения неограниченно нарастает при уменьшении воздушного зазора.

Действительная статическая тяговая характеристика, определенная при постоянной общей н. с. (пунктирная линия на рис. 4-21), отличается от только что указанной, особенно в области малых и больших воздушных зазоров.

В области малых воздушных зазоров магнитное сопротивление стальной части «машинному потоку

Рис. 4-21. Тяговая характеристика реле С» с поворотным якорем.

Рис. 4-22, Семейство тяговых характеристик и характеристика пружины реле.

становится преобладающим в общем сопротивлении. Это может иметь место не только за счет уменьшения сопротивления но и за счет насыщения стали. Из-за магнитного сопротивления стали сила притяжения стремится при к определенному конечному значению.

При больших воздушных зазорах увеличиваются потоки рассеяния, которые формулой не учитываются. При наличии потоков рассеяния производная по абсолютной величине становится меньше, и сила притяжения убывает быстрее, чем 1/62.

Точное определение силы притяжения требует вычисления индуктивности или пропорциональной этой величине магнитной проводимости с учетом потоков рассеяния и насыщения стали. Подобные вычисления довольно трудоемки, хотя приемы их хорошо разработаны. В ряде случаев рабочий диапазон изменения воздушного зазора в реле не выходит за пределы (рис. 4-21), и формулу (4-44) можно применять для определения силы притяжения.

Второй механической характеристикой реле является зависимость силы, создаваемой пружинами, от перемещения якоря. При подборе пружин реле прежде всего необходимо согласовать характеристику пружины с тяговой характеристикой реле. Согласование характеристик определяет соотношение силы притяжения якоря и силы пружины во всем диапазоне изменения воздушного зазора. От согласования характеристик зависит "отношение тока отпускания к току срабатывания, время срабатывания и так называемый дребезг реле.

На рис. 4-22 представлено семейство тяговых характеристик, соответствующих различным намагничивающим силам обмотки, и изображена характеристика пружины Статические тяговые характеристики при некоторых условиях выражают силы, действующие на якорь и в процессе его движения. Это имеет место при большом сопротивлении обмотки, когда противо-э. д. с. не вызывает заметного изменения тока и н. с. практически постоянна. Перемещение якоря реле ограничено пределами При отсутствии тока в обмотке и на якорь действует только сила пружины (рис. 4-22). При увеличении тока сила притяжения возрастает и при становится равной силе пружины (точка а). Происходит срабатывание реле, в процессе которого сила притяжения возрастает до значения ее, а сила пружины — до значения

Заштрихованная площадь, ограниченная тяговой характеристикой и характеристикой пружины, представляет собой разность работы, совершенной электромагнитом, и энергии деформации пружины. Энергия, выраженная заштрихованной площадью, превращается в кинетическую энергию якоря, расходуемую при ударе контактов и соприкосновении якоря с ограничителем.

При уменьшении тока в обмотке сработавшего реле отпускание происходит в точке В этой точке пересекается характеристика пружины с тяговой характеристикой Так как тяговые характеристики при идут значительно круче линейной характеристики пружины, ампер-витки отпускания обычно существенно меньше н. с. срабатывания

Отношение н. с. отпускания к

Рис. 4-23. Схемы магнитных систем поляризованных реле.

н. с. срабатывания носит название коэффициента возврата

Для реле, работающих в системе автоматического управления, часто желательно иметь коэффициент возврата, близкий к единице. Между тем при линейной характеристике пружины коэффициент возврата редко превышает 0,6-0,7, а в некоторых реле составляет всего 0,2. Поэтому применяют пружины с нелинейными характеристиками. Ставя дополнительную пружину, можно, в частности, изменить характеристику так, как показано на рис. 4-22 пунктиром. Ясно, что ток отпускания при этом увеличивается и возрастает.

Согласование механических характеристик уменьшает удар контактов. Если площадь, ограниченная тяговой характеристикой и характеристикой пружины, велика, то якорь при срабатывании реле приобретает значительную кинетическую энергию и может наблюдаться отскакивание, дребезг контактов при ударе. Поэтому желательно указанную площадь делать возможно меньшей. Однако уменьшение энергии, сообщаемой якорю, связано с увеличением времени движения якоря и целесообразно лишь в определенных пределах.