Электромагнитные реле

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

Электромеханические реле могут выполняться на электромагнитном, индукционном, электродинамическом, индукционно-динамическом и магнитоэлектрическом принципах. Отечественная промышленность изготовляет электромеханические реле в основ ном на электромагнитном ииндукционном принципах, которые позволяют создать все требующиеся в эксплуатации разновидно­сти реле.

Переходя к рассмотрению электромеханических конструкций, следует отметить некоторые наиболее важные и общие требования, предъявляемые к основным элементам этих реле: контактам и обмоткам.

Контакты реле являются очень ответственным элемен­том в схемах защит. Они должны обеспечить надежное замыкание иразмыкание тока в управляемых ими цепях и быть рассчитаны на многократное действие.

Коммутационная способность контактов условно характери­зуется мощностью, при которой они обеспечивают замыкание и раз­мыкание цепей.

Значение этой мощности S_К выражается как произведение на­пряжения источника оперативного тока U на наибольший ток I_к, прохождение которого допускается через контакт, т. е. S_К = UI_к.

Обмотки реле должны обладать термической стой­костью, характеризуемой в зависимости от типа реле значени­ями тока или напряжения, допускаемыми длительно и кратковре­менно, и иметь приемлемую потребляемую мощность S_p, характе­ризуемую произведением тока I_р, проходящего по обмотке, на напряжение U_Р на зажимах этой обмотки.

Потребляемая мощность S_p зависит от усилий, которые должны создать намагничивающие силы обмоток для приведения в действие подвижной системы реле и надежного замыкания контактов реле.

а) Принцип действия

На рис. 2-1представлены три основные разновидности конструк­ций электромагнитных реле.

Каждая конструкция содержит электромагнит 1, состоящий из стального сердечника и обмотки, стальной подвижный якорь 2, несущий подвижный контакт 3, неподвижные контакты 4 и противо­действующую пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток I_р создает намаг­ничивающую силу (н. с.) I_pw_p, под действием которой возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник электромаг­нита 1, воздушный зазор d и якорь 2. Якорь намагничивается и в результате этого притягивается к полюсу электромагнита. Переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом 3 замыкает неподвижные контакты реле 4. Начальное положение якоря ограничивается упором 6.

где l_Р — плечо силы F_э.

Коэффициенты к' и к" в выражениях (2-3) и [(2-4) зависят от R_м и поэтому сохраняют постоянное значение только при отсутствии насыщения.

Из (2-3) и (2-4) следует, что сила притяжения F_э или ее момент М_э пропорциональны квадрату тока I_р в обмотке реле и имеют, следовательно, постоянное направление, не зависящее от направ­ления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и перемен-

¹ При питании обмотки реле переменным током под Ф подразумевается мгновенное значение потока Ф_t = Ф_m sin wt

снизив ток Iр до значения, при котором момент М_э2 уменьшится до М¢_э2. Тогда момент пружины М_П2 преодолеет электромагнит­ный момент М'_э2 и трения М_т и заставит якорь вернуться из поло­жения d₂ в начальное положение d₁. Условия возврата опреде­ляются уравнением (см. рис. 2-3)

где М¢_э2 является наибольшим значением М_э, при котором начи­нается возврат реле; его называют моментом возврата М_э.воз. Соответствующий ему ток I_р обозначается I_воз, при этом токе обеспечивается условие возврата (2-9).

Таким образом, током возврата реле I_воз называется наибольший ток в реле, при котором якорь реле возвращается в начальное положен и е.

У реле, реагирующих на возрастание тока, I_с.р. > I_воз и к_воз < 1. Величина к_воз у различных конструкций колеблется в довольно широких пределах, от 0,1 до 0,98. Из (2-10) следует, что к_в03 зависит от соотношения М_{э. с.р} и М_э.воз.

Для выяснения условий срабатывания и возврата реле и способов изме­нения k_воз рассмотрим диаграмму моментов, действующих на якорь реле в функции от величины воздушного зазора d (рис.2-3).

Предположим, что в обмотку электромагнитного реле (например, с по­воротным якорем — рис. 2-1, б) подан ток, равный току срабатывания. Возникающий при этом электромагнитный момент М_э1 преодолевает сопро­тивление пружины и трение (М_П1 и М_Т) и приводит в движение якорь. Началу движения якоря соответствует соотношение моментов: М_э1 = М_П1 + М_т.

По мере перемещения якоря воздушный зазор d уменьшается от началь­ного значения d₁ до конечного d₂ (рис. 2-3), противодействующая пружина растягивается и ее момент М_П (прямая 2) при этом нарастает по линейному закону (обратно пропорционально изменению d). Электромагнитный момент М_э (кривая 1) также увеличивается, но по нелинейной зависимости (2-5), имеющей для реле с поворотным якорем вид параболы. Когда якорь достигает конечного положения d₂, то благодаря более быстрому нарастанию М_э по сравнению с М_П образуется избыточный момент DМ = М_э2 — М_П2. Для возврата якоря необходимо уменьшить ток в обмотке реле от I_с._р до значения I_в.с, при котором электромагнитный момент М_э снизится от

При этом условии момент пружины М_П2 преодолевает электромагнитный момент М'_э2 и момент трения М_Т, и якорь реле возвращается в начальное положение d₁.

Приведенная диаграмма моментов позволяет сделать вывод, что различив в значении I_воз и I_с.р вызывается различием (неидентичностью) характера изменения моментов М_э и М_п при перемещении якоря из начального положе­ния в конечное.

Из диаграммы (рис. 2-3) следует, что чем больше избыточный момент DМ и трение М_Т, тем больше разница между I_воз и I_с.р и, следовательно, меньше к_воз.

Для улучшения коэффициента возврата необходимо обеспечить:

а) совпадение или наибольшее сближение характеристик изме­нения моментов М_э и М_п (прямая 2 и кривая 7), что достигается подбором такого участка кривой М_э = f(d), где имеется лучшее совпадение с характеристикой пружины М_П = f(d). На диаграмме рис. 2-2, б таким участком является отрезок АВ, которому соответ­ствует угол поворота якоря от a₁ до a₂.

Улучшения k_воз можно достигнуть также за счет сокращения хода подвижной системы изменением конечного положения якоря d₂, что приводит к уменьшению DМ (рис. 2-3);

б) уменьшение трения в осях подвижной системы (якоря) реле. Некоторое ухудшающее влияние на к_воз оказывает гистерезис.

в) Реле максимального и минимального действия

Следовательно, мгновенное значение F_эt содержит две состав­ляющие: постоянную kI²_m и переменную kI²_m соs 2wt, изменяющуюся с двойной частотой. Результирующая электромаг­нитная сила F_э имеет пульсирующий характер, дважды изменяясь от нуля до максимального значения в течение каждого периода (рис. 2-5). В то же время противодействующая сила пружины F_П имеет неизменное значение.

В результате в период времени аb, сд, еf и т. д., когда F_П > F_эt, якорь реле стремится отпасть, а в периоды времени bс, dе и т. д., когда F_эt>F_П — вновь втянуться. Притянутый якорь при этом непрерывно вибрирует вследствие периодического изменения знака действующей на него результирующей силы F_рез = F_эt-F_П.

Вибрация якоря оказывает вредное влияние на работу реле, вызывает вибрацию контактов при срабатывании, что приводит к их подгоранию, а также вызывает износ осей и цапф, на которые они опираются.

При большом моменте инерции якоря он не успевает следовать за быстрым изменением знака результирующей силы F_рез = F_э — F_П, в таких случаях вибрации не наблюдается. Если же момент инерции якоря недостаточен, то для устранения вибрации приме­няется расщепление магнитного потока обмотки на две составля­ющие, сдвинутые по фазе. Расщепление достигается или при помощи короткозамкнутого витка К (рис. 2-6), или путем выполнения обмотки реле в виде двух параллельных секций с разными угло­выми сдвигами, расположенных на разных магнитопроводах (рис. 2-9).

В реле, изображенном на рис. 2-6, короткозамкнутый виток охватывает часть сечения магнитопровода. Под влиянием магнит­ного потока, пронизывающего виток, в нем возникает ток I_k, создающий поток Ф_к. На рис. 2-6 показаны положительные направления магнитных потоков и пути, по которым они замыкаются.

Из-под сечения, охваченного короткозамкнутым витком, выхо­дит результирующий поток Ф₁, состоящий из части потока обмотки

ся э.д.с. Е_к, наведенная в коротко-замкнутом витке потоком Ф₁, отстающая от него на 90°. Ток в короткозамкнутом витке İ _к почти совпадает с э. д. с. Ė_к вслед­ствие малой индуктивности витка. Пренебрегая потерями на намагничивание поток Ф_к показываем сов­падающим с создающим его током I_к. Зная Ф₁ и Ф_к, из выражения (2-11)

находим:

Магнитный поток Ф_р2 совпадает по фазе с потоком Ф_Р1, так как они со­здаются одной и той же н. с, (I_рw_р) и имеют однородное магнитное сопротив­ление. На основании выражения (2-12) находится поток Ф_II.

Полученная векторная диаграмма (рис. 2-7) показывает, что магнитный поток Ф_I всегда сдвинут относительно потока Ф_II на

угол ψ. Сдвиг по фазе магнитных потоков обусловлен нали­чием потока Ф_k.

Каждый из магнитных потоков (рис. 2-8) Ф₁ = Ф_1макс sinwt

и_ Ф_IIмакc sin (wt +ψ) создает силы F_эt1 и F_эII, кривые

изменения которых смещены так же, как и магнитные потоки.

В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизиться до нуля.

Для устранения вибрации результирующая сила

должна в каждый момент времени превышать F_П. Наилучшие результаты получаются при ψ = 90° и Ф₁ = Ф_II; в этом случае F_рез имеет постоянное значение, что следует из (2-12а).

Аналогичный ре­зультат достигается при исполнении обмотки ре­ле в виде двух секций: 1 и 2, расположенных на двух полюсах магнито-нровода (рис. 2-9, а).

Обмотка 1 подклю­чается непосредственно к источнику питания, а обмотка 2 — через конденсатор С. В ре­зультате токи I₁ и I₂ имеют различные сдвиги относительно напряжения U_р на зажимах реле. Построив векторную диаграмму (рис. 2-9, б) токов и потоков, устанавливаем, что потоки Ф₁ и Ф_II имеют сдвиг по фазе ψ. Следо­вательно, результирующая электромагнитная сила F_рез имеет та­кой же характер, как и на рис. 2-8 и выражается по (2-12а).

Дата добавления: 2014-12-23