книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfреле создается магнитный поток, замыкающийся по магнитной цепи из сердечника 2, ярма 3 и якоря 4. В воздушном зазоре между сердечником и якорем возникает электромагнитная сила, притягивающая их друг к другу. Под действием этой силы якорь поворачивается и через прокладку 7 воздействует на контакты 5, которые замыкаются. Контакты 5 установлены на плоских пружинах 10, закрепленных на изоляционной стойке 6. После отключения обмотки якорь под действием плоских пружин займет первоначальное положение и контакты 5 ра зомкнутся. Для того чтобы якорь не «залипал», т. е. не оставался притянутым к сердечнику 2 под действием остаточ ного магнитного потока при обесточенной обмотке 1, устанав ливается немагнитная прокладка или латунный штифт 8. Для увеличения электромагнитной силы на конце сердечника 2 уста навливается полюсный наконечник 9.
Реле как элемент автоматики можно представить в виде функционального узла, на вход которого подается сигнал х (ток или напряжение обмотки), а на выходе появляется сигнал у (ток в цепи контактов). Зависимость у(х) называют статической характеристикой управления реле (рис. 2.2). На рис. 2.2 по оси ординат отложено относительное значение сигнала на выходе:
У*=У/Утах,
где утах— максимальное значение этого сигнала.
На рисунке обозначены: хсраб— это минимальная величина параметра (например, мощность срабатывания Рсра6), которую необходимо подвести к воспринимающему органу (обмотке) для приведения в действие (срабатывания) реле; хотп — значение параметра х, обеспечивающее отпускание реле; храб — значение параметра х, обеспечивающее надежную работу.
Параметр (например, мощность), многократно коммутиру емый исполнительным органом реле (например, контактами), называется управляемым параметром (например, управляемая мощность Ру) или параметром нагрузки.
Чувствительность реле определяется МДС срабатывания и отпускания.
Рис. 2.3. Классификация реле
Реле характеризуется рядом коэффициентов. Коэффициент
возврата |
|
^в = ^отп/^сраб, |
(2.1) |
где FOTn, Fcраб— соответственно МДС |
отпускания и сра |
батывания. |
|
Для контактных реле Кв< 1.
Коэффициент запаса К3 характеризует надежность работы
реле |
|
|
|
К2 |
-Храб/^сраб• |
(2*2) |
|
Если реле предназначено для работы в стационарных |
|||
условиях, то К3= 1,1 -г-1,4. |
Для |
реле, |
устанавливаемых на |
подвижных объектах (электрокары, |
автомобили и т. д.), К2 мо |
||
жет доходить до 4. Чем больше коэффициент запаса, тем менее экономично реле.
В зависимости от физической природы явлений, на которые реагирует реле, различают следующие реле: электрические, тепловые, механические, магнитные, оптические, акустические, жидкостные, газовые, пневматические (рис. 2.3). Эти подгруппы
62
реле, в свою очередь, делятся на виды, указанные на рис. 2.3. Приведенная на рис. 2.3 классификация охватывает лишь чаще всего применяемые реле, не претендуя на описание всех известных подгрупп и видов. Виды реле можно далее подраз делять на подвиды. Например, резонансные (камертонные) реле подразделяются на реле с механическим и электрическим резонансом и т. д.
1 По роду тока различаются реле постоянного и переменного Тока. Реле постоянного тока подразделяются на нейтральные, поляризованные и нейтрально-поляризованные.
Действие нейтральных реле зависит только от магнитного потока и не зависит от направления тока в обмотке. Такие реле имеют два устойчивых состояния якоря и поэтому называются двухпозиционными.
Работа поляризованного реле зависит от направления тока в обмотке управления. Такие реле могут быть двух- и трех позиционными. Нейтрально-поляризованное реле представляет собой комбинированную конструкцию, содержащую нейтраль ный и поляризованный якоря. Поэтому такие конструкции имеют свойства как нейтральных, так и поляризованных реле.
В зависимости от физической величины, по уровню которой реле должны срабатывать, различают реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты, времени и т. д.
По областям применения различают реле для радиоэлек тронной автоматики, электрической связи, промышленной ав томатики, защиты энергосистем, автоблокировки и т. д.
Впрактике применяются различные тепловые режимы обмоток реле: кратковременный (управление импульсами вход ного параметра х), повторно-кратковременный и длительный.
Реле могут срабатывать при некотором задаваемом уровне входного параметра (уставке). По этому признаку различают реле минимального и максимального входного параметра (например, реле минимального тока, реле максимального напряжения и т. д.).
Вреле времени регулируется (чаще всего с помощью шкалы) уставка, т. е. выдержка времени, с которой срабатывает или отпускает реле.
Вавтоматике довольно часто применяют реле, в которых время срабатывания (отпускания) скорректировано в зависи мости от последовательности работы элементов схемы авто матического устройства. Такие реле могут быть с замедлением (ускорением) срабатывания (отпускания).
Надежность работы и срок службы реле зависят от надежности исполнительной части его — контактов. Повышен ные требования по надежности предъявляются к тем контактам, которые работают с большой частотой коммутации и в не прерывно-импульсном режиме.
m
J lit
M)
Рис. 2.4. Различные конструкции контактов реле
По принципу действия и конструкции различают непо движные (соединительные), коммутирующие и скользящие контакты. Наибольшую группу составляют коммутирующие контакты, применяемые в электрических реле, контакторах, переключателях, выключателях и т. д.
Контакт состоит из двух тел неокисляющегося материала
свысокой электропроводностью, конструктивно выполняемых
ввиде наклепок на плоские контактные пружины (рис. 2.4).
Контакты, изображенные на рис. 2.4, а — г, являются при жимными и применяются для коммутации цепей небольшой мощности (до 25—35 Вт). Коммутация цепей мощностью до
100— 150 Вт |
осуществляется |
прижимными |
контактами |
||||||
(рис. 2.4, д— з). В качестве |
мощных контактов |
пусковых |
реле |
||||||
(коммутируемая мощность до |
1000 Вт) применяют прижимные |
||||||||
контакты |
(рис. 2.4,н, /с), |
врубающие |
(рис. 2.4, л ), |
щеточные |
|||||
для |
редких включений (рис. 2.4, м). |
|
|
|
|
||||
|
Контакты в некоторых случаях состоят из разных матери |
||||||||
алов. Так, |
в контактах рис. 2.4, а: 1— серебро, |
2 — нейзильбер; |
|||||||
на |
рис. 2.4, д: |
1— фосфористая |
бронза, |
2 — серебро, |
3 — уголь; |
||||
на |
рис. 2.4, к: |
1— уголь, |
2 — серебро. |
В конструкциях |
на |
||||
рис. 2.4, а — в |
контакт-детали |
соприкасаются |
точкой, |
на |
|||||
Х У |
Х У |
Рис. 2.5. М о сти к о вы й |
к о н так т |
Рис. 2.6. Конструкции ртутных и вакуумных контактов:
а — ртутный размыкающий; |
б — ртутный переключающий; в — ртутный с плавающим |
||
ферромагнитным стержнем; |
г — ртутный с поворотным стержнем; д — вакуумный в стек |
||
лянном баллоне; е — вакуумный |
в |
металлическом баллоне |
|
рис. 2.4, д — з — линией, |
а |
рис. 2.4, и— м — плоскостью. Кроме |
|
указанных существуют |
и |
другие конструкции контактов. |
|
По характеру работы контакты подразделяются на раз мыкающие (при срабатывании реле цепь размыкается), замы кающие (при срабатывании реле цепь замыкается) и пере ключающие (при срабатывании реле одна цепь размыкается,
адругая— замыкается).
Внекоторых случаях применяются мостиковые конструкции контактов, при которых в управляемой цепи содержится двойной физический разрыв (рис. 2.5), или ртутные и вакуумные контакты (рис. 2.6), коммутирующие мощность более 2000 Вт (пусковые реле) и допускающие до 107 срабатываний. Баллоны ртутных контактов заполняют водородом, аргоном или азотом.
Для большей надежности замыкания цепи контактные пружины на концах разрезаются на два или три лепестка (рис. 2.4, г), на которых крепится контактный металл.
Схему включения реле характеризует коэффициент раз множения цепей:
|
Ка |
^вых/^вхэ |
(2*3) |
где пвых— число управляемых выходных |
цепей; пвх— число |
||
входных |
цепей. |
(отпускания |
готп) реле — это ин |
Время |
срабатывания tcpa6 |
||
тервал времени от момента подачи (или снятия) входной действующей величины до момента срабатывания (или от пускания) реле [8].
Кроме статической характеристики управления в реле рассматривают вольт-амперную характеристику (ВАХ) контак тов (зависимость падения напряжения на контактах от тока), механическую и тяговую характеристики. Две последние по казывают, какие механические усилия требуются для перемеще ния якоря с контактами.
Для контактов миниатюрных и малогабаритных реле, работающих при малых нажатиях, применяются благородные металлы: серебро, золото, палладий, родий, рений, вольфрам, платина и их сплавы. Для контактов, коммутирующих напряже ния до 500 В при токах 3—5 А, применяют твердые и тугоп лавкие металлы: вольфрам, молибден, рений и их сплавы. При таких электрических нагрузках металлы и их сплавы быстро окисляются, сплавляются. Возникает большая эрозия, т. е. испарение и разбрызгивание контактного материала. Поэтому для контактов сильноточных реле применяют ме таллокерамические композиции, представляющие собой меха нические смеси двух несплавляющихся металлов, из которых один тугоплавкий.
2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В зависимости от расположения якоря и характера воз действия на него магнитного потока условно различают следующие разновидности магнитных систем реле (рис. 2.7):
а) с внешним притягивающимся несимметричным якорем (реле клапанного типа, рис. 2.7, а);
б) с внешним притягивающимся симметричным уравнове
шенным |
якорем (реле поворотного типа, рис. 2.7,6); |
||
в) с |
внутренним симметричным якорем (рис. 2.7, в); |
||
г) с внутренним втягивающимся якорем (соленоидного типа, |
|||
рис. 2.7, г); |
|
(рис. 2.1,д). |
|
д) с |
несимметричным поворотным якорем |
||
В конструкциях, показанных на |
рис. 2.1, а, |
б, г, д, обмотки |
|
размещаются на сердечниках 2, а, |
в варианте в— внутри ярма |
||
3. Существуют и другие разновидности магнитных систем реле.
66
Рис. 2.7. |
Н ек о то р ы е р азн о в и д н о сти м агн и тн ы х |
си стем реле: |
|
1—якорь; |
2 —сердечник; 3 —ярмо; 4 —полюсный |
наконечник; |
Rc—расстояние между |
осями сердечника и поворота якоря; а — угол поворота якоря |
|
||
2.2.1. Механическая характеристика реле
При движении якоря преодолеваемые им механические усилия изменяются в широких пределах. Противодействующие усилия создаются контактными пружинами, массой якоря, трением в осях и пружиной, возвращающей якорь в исходное положение. При этом возвратная пружина имеется не у всех реле. Количество контактных пружин может быть различным, обычно от 2 до 26 и более.
Зависимость противодействующих механических усилий от перемещения якоря Рм%(8) называют механической (проти водействующей) характеристикой реле.
Перед расчетом механической характеристики путь пе ремещения якоря разбивается на ряд характерных участков, в пределах которых усилие Рмх изменяется по одному определенному закону. В качестве примера на рис. 2.8 схе матически изображена одна из конструкций переключающего
контакта. Плоские консольные контактные пружины |
В, С, |
Я закреплены одними концами в изоляционной |
стойке |
реле, на их других концах расположены контакты. Средняя пружина удлинена и входит в рамку 2. При срабатывании рамка перемещается вверх под действием тяги 3, механически соединенной с якорем реле.
Если обмотка реле отключена, то под действием возвратной пружины 1 рамка 2 опускается вниз, поворачивая якорь реле
висходное положение.
Вработе реле (рис. 2.8, 2.9) можно выделить следующие этапы:
Рис. 2.8. П ер ек л ю ч аю щ и й к о н т а к т реле:
1 — возвратная пружина; 2 — рамка; 3 — тяга, механически связанная с якорем
1) преодоление начального |
нажатия |
возвратной |
пружины |
||
р |
|
|
|
|
|
х М Х . Н ’ |
перемещение якоря на величину свободного хода 5СВХ; |
||||
2) |
|||||
3) |
нажатие на среднюю контактную пружину С и снятие |
||||
ее с |
нижнегЪ контакта |
Я, в |
результате чего изгиб |
пружин |
|
С— Я уменьшится до |
нуля; |
|
|
|
|
4) |
перемещение пружины С до соприкосновения с верхним |
||||
контактом В, в результате чего пружина |
С изгибается вверх; |
||||
5) |
совместный изгиб пружин С и В для создания контакт |
||||
ного |
нажатия Рк н. |
|
|
|
|
Первый этап характеризуется уменьшением Рмх.н до нуля. Второй начинается при Рмх.^О и заканчивается при касании
нижней стороны рамки |
со средней пружиной |
С. На |
этапе |
3 контактное нажатие |
РКтн н уменьшается до |
нуля. |
Далее |
следует четвертый этап, заканчивающийся при соприкосновении пружины С с контактом В. На пятом нарастает Рк н от нуля до заданного значения.
Качественное построение механической характеристики для рассматриваемого случая приведено на рис. 2.9.
Для того чтобы при износе контактов обеспечивалось достаточное контактное нажатие, предусматривается некоторое дополнительное перемещение якоря Ьс. Перемещение ас— это рабочий ход якоря. Механическая характеристика реле пред ставляет собой ломаную линию, состоящую из прямолинейных участков, характеризующих отдельные этапы работы пружины.
Поскольку прогиб контактной пружины мал по сравнению с ее длиной и не выходит за пределы упругих деформаций, при расчете механической характеристики плоская контактная пружина рассматривается как балка, защемленная одним концом и нагруженная сосредоточенной силой Рмх. При этом
68
Рис. 2.9. Механические характеристики реле и пружин:
штриховая линия — контактных пружин; штрихпунктирная — возвратной пружины; сплош ная— реле в целом
необходимо правильно составить расчетную схему и установить точки приложения механических усилий Рмх.
Контактные пружины могут быть разнообразной формы: плоские прямоугольные, с расположением под углом, плоские ступенчатой формы, плоские трапециевидной формы, плоские изогнутые, винтовые цилиндрические и т. д. В зависимости от формы пружины и ее конструкции применяются соответст вующие расчетные формулы [13].
2.2.2. Тяговая и нагрузочная характеристики реле
Воздушный зазор между якорем и сердечником изменяется. Поэтому расчет магнитной цепи отличается от аналогичного расчета для электромеханических устройств с постоянным воздушным зазором (например, электрических машин, транс форматоров). Основные различия заключаются в изменении магнитного сопротивления Rm магнитной цепи при срабатыва нии реле, причем небольшому изменению воздушного зазора 6 соответствуют большие изменения Rm.
Рабочим (основным) магнитным потоком Фр будем называть полный, с учетом выпучивания, магнитный поток в воздушном зазоре между якорем и сердечником. При расчете магнитной цепи с 5= var широко используются известные методы и фор мулы [1, 4, 5, 14, 15].
Если сердечник реле имеет относительно большую площадь 5 поперечного сечения или специальные полюсные наконечники при небольшом ходе 5 якоря, то приближенно можно считать, что в рабочем воздушном зазоре магнитное поле равномерно.
Исследования |
показали, что это справедливо |
при |
|
У ^Ь ю б . |
(2.4) |
Для этого |
случая |
|
|
A&= li0S/8. |
(2.5) |
1 |
f----- |
--- 1 |
! |
! |
1° |
г |
|||
г |
|
| |
! |
|
|
1 |
г |
т |
г |
|
\ |
|||
|
|
ф*\ |
||
|
1 |
|
||
|
|
-------- 1--* |
1 |
|
- — 1
I
‘ °Pd *
%
JГ ’
\р'3d 1 1-»----^i
а)
I
^ 6)
При расчете электромаг нитного усилия используется производная dA6/d8. Для рав номерного магнитного поля
dA6/d 5 = - p 0S/52. (2.6) В (2.6) знак минус означа ет, что с уменьшением 5 воз растает значение производной. Обычно (2.6) используют без знака, по абсолютному значе
нию производной.
Поток <Dd рассеяния харак теризуется приращением прово димости Ль т. е. проводимо стью на единицу длины сердеч ника. Конструкции магнитных цепей реле, в которых усилия Рэ и P3d, создаваемые соответ ственно рабочим потоком Фр и потоком рассеяния <t>d, направлены различным обра зом, показаны на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Различные случаи взаимо действия электромагнитных сил
Рэ и P3d:
а — силы складываются; 6 — силы вычита ются; в — силы взаимно ортогональны
Рис. 2.11. Семейство нагрузочных характеристик реле