2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ

Электромагнитные реле разделяются: на постоянного и переменного тока, на нейтральные и поляризованные, на реле с угловым (поворотные) и линейным (втяжные) перемещением якоря. Втяжные реле называются контакторами.

Основными деталями электромагнитных реле являются сердечник обмотка ярмо 3, якорь 7, возвратная пружина 4, контакты 6 (рис. VI 1.7). При отсутствии тока в обмотке реле якорь удерживается в исходном положении возвратной пружиной ток в нагрузке отсутствует. Если при подключении обмотки реле к источнику питания с напряжением ток то тяговое усилие становится больше сил, препятствующих движению якоря, и последний притягивается к сердечнику. Движение через штифт 5 передается подвижному контакту, и контакты 6 замыкаются. Если ток уменьшать, то размыкание контактов произойдет при другом значении

тока отпускания реле). Поэтому статическая характеристика такого релейного усилителя будет соответствовать характеристике, показанной на рис. VII. 1, г, у которой

Параметры статической характеристики — коэффициент возврата) определяются видом тяговой и механической характеристик реле (рис. VII.2, б). Для электромагнитного реле тяговой характеристикой называют зависимость тяговых усилий от величины зазора между якорем и сердечником при в интервале где бтах — максимально возможный зазор между якорем и сердечником, а — остаточный зазор, создаваемый штифтом отлипания 8 (рис. VII.7). Штифт отлипания выполняют из немагнитного материала; он предназначен для уменьшения тягового усилия, когда якорь притянут к сердечнику.

Рис. VI 1.7. Электромагнитное нейтральное реле: — напряжение питания

В общем случае тяговое усилие определяется следующим выражением:

где — часть намагничивающей силы обмотки, затрачиваемая на создание магнитного потока в воздушном зазоре; — магнитная проводимость воздушного зазора.

Поэтому для расчета тяговых характеристик необходимо знать зависимость которая определяется конструкцией магнитопровода реле, и величину которую определяют на основании расчета магнитной цепи.

Для случая, когда магнитопровод ненасыщен (магнитное сопротивление его невелико), если не учитывать потоки рассеяния и при этом иметь в виду нормальное и равномерное распределение магнитного поля к поверхности якоря при параллельности плоскостей якоря и сердечника, можно считать, что

где — магнитная проницаемость воздуха,

— площадь сечения торца сердечника,

Тогда согласно выражению (VII.5) будем иметь

Выражение (VII.6) позволяет определять тяговые характеристики в первом приближении, так как почти во всех электромагнитных реле имеет место насыщение магнитопровода. Для поворотных реле его можно использовать лишь при небольших угловых перемещениях якоря.

Механической характеристикой реле называют зависимость приведенной результирующей силы всех сил, препятствующих движению якоря к сердечнику, от величины Поэтому определяется характеристиками возвратной и контактной пружин. При проектировании реле стремятся, чтобы тяговая и механическая характеристики по своей форме приближались друг к другу для предотвращения сильных ударов якоря о сердечник или упор.

Для надежного срабатывания электромагнитного реле величина установившегося тока в обмотке или

— коэффициент запаса).

Рис. VII.8. Временные характеристики электромагнитного реле

Выходной ток определяемый напряжением питания и сопротивлением нагрузки, по своей величине не должен превышать допустимого тока через контакты.

Если в электромагнитном реле используются нормально замкнутые контакты, то характеристика релейного усилителя будет иметь вид, показанный на рис. VII. 1, в (при этом

Помимо рассмотренных статических параметров реле, часто при выборе электромагнитного реле необходимо знать такие его динамические параметры, как время срабатывания и время отпускания На рис. VI 1.8 показан характер изменения при скачкообразном изменении Как следует из графика, меняется не плавно. Это объясняется тем, что на участке (время движения якоря) изменяется зазор , следовательно, индуктивность обмотки. Поэтому

где — время трогания якоря соответственно, при срабатывании и отпускании реле.

Если до начала движения якоря считать индуктивность обмотки реле постоянная величина то

где

— активное сопротивление обмотки;

— индуктивность обмотки при

V — индуктивность обмотки при

— сопротивление искры.

Приведенные выражения часто используют для приближенной оценки значений так как в большинстве случаев Из выражений (VII.7) следует, что зависят от поэтому, изменяя величины можно изменять значения используется в различных схемных способах изменения временных параметров реле.

При необходимости определения динамических характеристик с учетом движения якоря решают следующую систему уравнений:

— приведенная к месту отсчета перемещения масса подвижных частей;

— коэффициент вязкого трения;

— коэффициент сухого трения.

Так как для совместного решения этих уравнений требуется применение методов численного интегрирования или вычислительной техники, то на практике часто пользуются приближенными уравнениями. Например, для определения используют выражения (VI 1.7), а для определения предполагают, что во время движения якоря ток в обмотке постоянен и, если пренебречь силами трения, то система уравнений (VI 1.8) принимает вид

Из рассмотрения динамических характеристик, следует, что для более точного анализа систем автоматического регулирования электромагнитные реле должны характеризоваться не просто звеном с постоянным запаздыванием а последовательно соединенными апериодическим звеном (с входным сигналом и выходным — и звеном с постоянным временным запаздыванием Такое замещение особенно целесообразно для поляризованных двухпозиционных реле. У реле же нейтральных постоянные времени могут значительно отличаться друг от друга.

Поляризованные реле в отличие от нейтральных реле реагируют на полярность входного напряжения. Это достигается применением двух независимых потоков: рабочего, создаваемого обмоткой, на которую подается и поляризующего, создаваемого постоянными магнитами (рис. VI 1.9, а) или специальной обмоткой.

Если в среднем положении якорь 4 не удерживается специальной пружиной, то реле имеет двухпозиционную характеристику (см. рис. VII.1, д), а если среднее положение является устойчивым при то характеристика будет трехпозиционной (см. рис. VII.1, е).

Параметры статической характеристики поляризованного реле могут изменяться за счет смещения неподвижных контактов 6 относительно нейтральной линии. Этот процесс называется настройкой поляризованного реле. Заметим, что при настройке поляризованных реле одновременно с изменением будет меняться и величина контактного усилия (при сближении контактов 6 величина контактного усилия падает), что вносит определенные ограничения на минимальные значения

Рис. VI 1.9. Релейный усилитель: а — поляризованное реле; 1 — магнитопровод; 2 — обмотка; 3 — магнит; 4 — якорь; 5 — подвижный контакт; 6 — неподвижный контакт; б — схема усилителя

Поляризованные реле благодаря возможности реагировать на полярность входного сигнала, высокой чувствительности (мощность срабатывания порядка милливатт) и сравнительно небольшого времени срабатывания , нашли широкое применение в системах автоматического регулирования. Например, в качестве первого каскада усилителя для получения реверсивной статической характеристики. Во втором и последующих каскадах усилителя могут быть использованы нейтральные реле (рис. VI 1.9, б).

Помимо рассмотренных реле в последнее время получили распространение реле с так называемыми магнитоуправляемыми контактами (МУК). В литературе они встречаются также и под такими названиями: безъякорные реле, герконы — герметизированные магнитоуправляемые контакты, контактроны (см. табл. VII. 1 и табл. VII.2).

МУК представляют собой стеклянный баллон внутри которого имеются контакты 2 (рис. VII. 10). С наружной стороны он охватывается обмоткой 3. Так как контактные пружины изготовляют из ферромагнитных материалов, то при протекании по обмотке тока создается магнитный поток Ф. Концы контактных пружин намагничиваются разноименно. При определенной величине тока контакты притягиваются и происходит их замыкание.

Таблица VII.1 (см. скан) Характеристики реле с магнитоуправляемыми контактами типа МК

Благодаря своей конструкции безъякорные реле работают при достаточно высоких напряжениях (сотни вольт) и токах (сотни миллиампер) и допускают большое число включений (более чем 108). Они, как и поляризованные реле, отличаются быстродействием и поэтому могут работать на частотах порядка и выше.

Рис. VII. 10. Реле с МУК

Рис. VII.11. Виды магнитоуправляемых контактов: а — нормально разомкнутые; б — нормально замкнутые; в — переключающие; г — поляризованные

По аналогии с контактами электромагнитных реле магнитоуправляемые контакты могут быть нормально разомкнутыми (рис. VII.11, а), нормальнозамкнутыми (рис. VII.11, б), переключающими (рис. VII.11, в), а при наличии в МУК дополнительного поляризующего потока (при применении постоянного магнита или специальной обмотки) — поляризованными МУК (рис. VII.11, г).

Помимо показанных конструкций МУК с гибкими подвижными электродами, существуют также МУК с жесткими подвижными электродами.

(кликните для просмотра скана)

Основные параметры МУК (значения намагничивающей силы н. с., соответствующих параметрам срабатывания и отпускания, быстродействие, длительность и интенсивность дребезга и др.) зависят от конструкции МУК, геометрических размеров и взаимного расположения электрода и физических свойств материала контактов.

Определение тяговых усилий в реле с МУК связано с известными трудностями, которые обусловлены изменением потока Ф за счет перераспределения потоков рассеяния в процессе сближения электродов. Поэтому практически приходится использовать экспериментально полученные соотношения [6].

Требуемый набор контактных групп в реле с МУК осуществляется объединением нескольких МУК с одной (или несколькими) обмоткой управления. Реле с МУК, в которых используются ферромагнетики с прямоугольной петлей гистерезиса, называют ферридами.

Конструкции большинства существующих МУК не допускают изменений их основных параметров. Поскольку магнитные свойства материала электродов МУК достаточно резко изменяются при деформациях, то нежелательно прибегать к изменению взаимного расположения электродов в готовом изделии.

Кроме управления работой МУК с помощью продольного магнитного поля, может быть использовано поперечное магнитное поле. Управление также может быть комбинированным, размещая несколько обмоток управления на баллоне или одновременно на баллоне и на выводах контактов.

Определенный интерес представляют конструкции МУК с проводящими ферромагнитными жидкостями, у которых электрический контакт осуществляется между каплей ртути, содержащей свободно плавающие амальгамированные ферромагнитные частицы, и неподвижным ферромагнитным электродом. В целях повышения величины коммутируемой мощности и долговечности безъякорные реле выполняют с цилиндрическими ртутнокапиллярными контактами.

В заключение следует подчеркнуть, что использование безъякорного реле вместо электромагнитного реле позволяет снизить вес и габаритные размеры электромеханических усилителей, а также повысить их быстродействие и величины преобразуемых напряжений. По своей надежности усилители с МУК уступают бесконтактным усилителям. Однако их широко применяют в автоматике, так как такие усилители не имеют гальванической связи между входными и выходными цепями.