Лекция 4

Тема: «Электромеханические реле»

На вход большого числа реле подается только одна электрическая величина - напряжение или ток. Эта величина сравнивается, как правило, с некоторым эталоном, на пример, механическим моментом пружины или стабилизированным напряжением. для этого подводимая электрическая величина должна быть предварительно преобразована в величину, однородную эталону, в данном случае - в механический момент или напряжение постоянного тока.

Электромагнитные реле. Среди реле, к которым подводится одна электрическая величина, наибольшее распространение получили электромагнитные реле тока, напряжения, промежуточные реле, реле времени). Они имеют разомкнутый магнитопровод 1 (рис 1), на котором размещена обмотка 2 с числом витков и подвижной стальной якорь 3, удерживаемый крайнем положении противодействующей пружиной 4.

На якоре имеется изоляционная колодка 5. На ней установлены подвижные контакты 6, которые при перемещении якоря замыкаются с неподвижными контактами 7. Ток I в обмотке реле создает намагничивающую силу под действием которой в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф. Этот магнитный поток создает в зазоре между якорем и магнитопроводом электромагнитную силу Р которая стремится притянуть якорь к магнитопроводу.

Рис. 1. Схема, поясняющая устройство электромагнитного реле

Электромагнитная сила для равномерного поля в зазоре определяется формулой Максвелла, Н:

, (1)

где В магнитная индукция в зазоре, Тл; S - сечение полюсов, м²; - магнитная проницаемость воздушного зазора Гн/м.

Учитывая, что магнитный поток Ф = ВS, получим вместо выражения

(6.1):

, (2)

где к — постоянная. Магнитный поток и ток связаны соотношением , где - магнитное сопротивление цепи, по которой замыкается магнитный поток.

Подставляя это соотношение в выражение (6.2), получаем:

. (3)

При изменении положения якоря изменяется зазор , а следователь но, и магнитное сопротивление ,. Поэтому в процессе притяжения якоря электромагнитная сила увеличивается. Вращающий момент, действующий на подвижной якорь от электромагнитной силы:

, ……………………………………………… ………………...(4)

где l- плечо силы .

Для срабатывания реле необходимо соблюдение условия:

, (5)

или

, (6)

где - тормозной момент от сил сопротивления пружины, трения в осях и веса якоря. Знак равенства в выражениях (6.5) и (6.6) соответствует граничному условию срабатывания, т. е. наименьшему моменту, а следовательно, и наименьшему значению тока , при котором произойдет срабатывание. Ток срабатывания ‚ найдем из выражения (3.4) при граничном условии срабатывания :

. (7)

Регулирование тока срабатывания осуществляют, изменяя момент . путем регулировки натяжения пружины и изменения числа витков с помощью отпаек. В электромагнитных реле, как следует из выражения (3), направление силы не зависит от полярности тока, так как вели чина тока входит в это выражение во второй степени. Поэтому электромагнитные реле возможно выполнять для цепей как постоянного, таки переменного тока.

Если по обмотке реле проходит переменный ток ‚ то мгновенное значение электромагнитного момента на основании выражений (3) и (4):

, (8)

где — действующее значение тока в обмотке реле .

Из выражения (8) следует, что мгновенное значение вращающего момента имеет постоянную составляющую и переменную составляющую , изменяющуюся с двойной частотой. Их сумма образует результирующий вращающий момент, который является пульсирующим (рис. 2). Там же приведен график тормозного момента , который имеет неизменное значение. В моменты, когда якорь стремится притянуться, а в моменты, когда - отпасть. Притянутый якорь непрерывно вибрирует, вызывая также вибрацию контактов при срабатывании. Вибрация контактов приводит к их подгоранию; нечеткое замыкание контактов может привести к отказу срабатывания защиты.

Рис. 2. Изменение электромагнитного момента во времени

Для уменьшения вибрации контактов увеличивают момент инерции якоря или осуществляют расщепление магнитного по тока обмотки на две составляющих, сдвинутых по фазе. Однако эти меры увеличивают время срабатывания и потребление реле.

Реле тока. Наиболее распространенным видом электромагнитных реле тока являются реле серии РТ-40. Если такое реле выполняется в унифицированной оболочке, то ему присваивается шифр РТ - 140.

На магнитопроводе 1 (рис. 3) серийных реле тока РТ-40 и реле напряжения РН-50 размещены две полуобмотки 2. Стальной якорь З укреплен на осях 8 и 8’ и может поворачиваться вокруг них. В крайнем положении он удерживается спиральной противодействующей пружиной 4. На якоре с помощью изоляционной колодки установлены подвижные контакты 6, которые при повороте якоря замыкаются с не подвижными контактами 7. Уставку срабатывания регулируют, соединяя полуобмотки 2 последовательно или параллельно и изменяя натяжение пружины 4 при помощи поводка 5. Коэффициент возврата 0, 8—0, 85, время срабатывания при токе 3 равно 0, 03 с, потребляемая мощность реле тока 0, 5 ВА. Разрывная мощность контактов в цепи постоянного тока 60 Вт, в цепи переменного тока—300 В (при напряжении до 220 В и токе не выше 2А). Увеличение числа и разрывной способности контактов вызвало бы резкое ухудшение остальных показателей реле и их нельзя было бы использовать в качестве измерительных.

Рис. 3. Схема, поясняющая устройство реле тока РТ-40

Обмотки реле тока рассчитаны на длительное протекание тока вторичных цепей трансформаторов тока; эти обмотки выполняют, в основном, изолированным проводом диаметром 2—3 мм со сравнительно небольшим числом витков (от единиц до нескольких десятков).

Реле напряжения. Конструкции реле напряжения РН-50 и реле тока РТ-40 в основном аналогичны. Реле напряжения в унифицированной оболочке имеют марку РН- 150. Катушки реле напряжения выполнены проводом диаметром 0, 1—0, 25 мм с числом витков от 2 до 14 тысяч и рассчитаны на длительное подключение к цепям, напряжение которых соответствует номинальному напряжению реле.

В реле напряжения, предназначенных для цепей постоянного тока (РН-51), на обмотку подается контролируемое напряжение непосредственно через встроенный добавочный резистор.

В реле напряжения, предназначенныых для цепей переменного тока (РН-53), контролируемое напряженипе подается на обмотку через встроенные выпрямительный мост и добавочные резисторы. Это снижант потребляемою мощность и уменьшает вибрацию контактов.

Промежуточные реле. Если требуется коммутировать несколько цепей контактами с большой разрывной способностью, то при меняют промежуточные реле, обмотка которых получает питание через маломощные конгакты измерительных реле. В качестве примера рассмотрим конструкцию промежуточного реле РП-23 (рис. 4), выполняемого для работы на постоянном токе. Обмотка реле 1 размещается на сердечнике магнитопровода 2 с шарнирно закрепленным якорем 3. Хвостовик 4 якоря механически связан с подвижной контактной системой 7. Реле имеет неподвижные контакты б, возвратную пружину 8, упор 5, регулировочные пластины 10. Основанием служит цоколь 9, закрывается реле кожухом 11. При подаче на обмотку реле напряжения якорь опускается и хвостовиком 4 перемещает контактную систему.

Рис. 4. Промежуточное реле РП-23

Промежуточные реле должны надежно срабатывать при снижении напряжения питания до 0, 7 номинального. У них низкий коэффициент возврата: 0, 1 —0, 4. Потребляемая мощность при номинальном напряжении 6 - 8 Вт, время срабатывания 0, 06 с. Имеются и более быстро действующие промежуточные реле со временем действия до 0, 01 с, например серии РП-220, а также реле с замедлением на срабатывание или возврат до 0, 12 с, например серии РП-250.

Реле времени. Для создания регулируемой выдержки времени при меняют реле времени. Реле времени ЭВ – 100 выпускают для работы на постоянном оперативном токе, реле времени, ЭВ-200 на - на переменном токе. Различные модификации реле времени позволяют устанавливать выдержку времени от 0, 1 до 20 с.

Индукционные реле. К обмоткам такого реле подводится переменная электрическая величина (ток, напряжение). Конструкция индукционных реле не проще, а время действия существенно больше, чем у реле электромагнитных. Поэтому применение индукционных реле,. с одной подведенной величиной целесообразно только в том случае, если время срабатывания должно зависеть от кратности превышения ток от обмотке величины уставки срабатывания.

Индукционное реле тока (рис. 5) состоит из электромагнита 1, на верхнем и нижнем полюсах которого имеются короткозамкнугые нитки 3. На сердечнике электромагнита расположена обмётка 2 с ответвлениями для регулирования тока срабатывания. Алюминиевый диск 4 свободно входит в зазор между полюсами электромагнита 1. Ось этого диска укреплена в подшипниках. При токе в обмотке 2, равном 0, 1—0, 2 оттока срабатывания индукционного элемента, диск 4 приходит во вращение. Вращающий момент создается благодаря взаимодействию изменяющихся во времени магнитных потоков в зазоре между полюсами с токами в диске..

Рис. 5. Схема, поясняющая устройство индукционного реле тока

Взаимодействие между магнитным потоком Ф₁ и вихревым током, наведенном магнитным потоком Ф₁₁, создает электромагнитную силу действующую на диск:

, (9)

где - частота; - постоянный коэффициент.

Электромагнитный момент, действующий на диск, равен произведению электромагнитной силы на расстояние от точки ее приложения до оси диска. Полагая это расстояние, а также частоту неизменными, получаем:

. (10)

Поскольку оба магнитных потока пропорциональны току в обмотке 2 реле, то выражение (6.10) можно представить в виде:

. (11)

На вращающий диск действует также тормозной момент , который складывается из момента трения в подшипниках, противодействующего момента спиральной пружины 8 (см. рис. 5), тормозных моментов от успокоительного магнита 5, момента инерции диска.

Вращение диска происходит под влиянием избыточного вращающего момента . На оси диска укреплен подвижной контакт 6. Поворачиваясь под воздействием , диск замыкает подвижной контакт 6 с неподвижным 7. Чем больше , тем больше частота вращения диска и тем меньше время действия реле.

Промышленность выпускает индукционные реле тока типа РТ-80 и РТ-90.. Такое реле является комбинированным, оно имеет индукционный и электромагнитный элементы с общей магнитной системой.

Когда ток в катушке достигнет 0, 1—0, 2 тока срабатывания реле диск начнет вращаться под действием силы . При определенном значении тока (токе срабатывания) эта рамка повернется вокруг своей оси. Сегмент войдет в зацепление с черня ком. Рычаг сегмента начнет подниматься, упрется в коромысло поднимет его. Коромысло жестко связано с якорем, поэтому последний повернется так, что воздушный зазор между его правым магнитопроводом уменьшится. Якорь притянется к электромагнит и коромыслом замкнет контакты.

Если ток в катушке реле достигнет значения (2 8) ‚ то якорь мгновенно повернется и замкнет контакты. В этом случае реле действует без выдержки времени. Уставку срабатывания индукционной системы регулируют изменением числа витков обмотки. При данном числе витков регулировку уставки электромагнитной системы осуществляют, изменяя воздушный зазор между правым краем якоря б и магнитопроводом с помощью винта.

Использование индукционной и электромагнитной систем в реле РТ-80 и РТ-90 позволяет выполнить с помощью одного реле и токовую отсечку от к.з., и МТЗ с выдержкой времени от перегрузки К_в=0, 8.

Недостатком реле является сложность конструкции и большое собственное потребление при срабатывании (10 В^.А).