9.2. Электромагнитные реле тока и напряжения

а) Согласование тяговых и противодействующих харак­теристик. Электромагнитные реле благодаря простоте кон­струкции и надежности широко распространены в схемах электропривода и в схемах защиты энергосистем. Электромагнитные ре­ле приводятся в действие с помощью электромагнитов постоянного или переменного тока (см. гл. 5).

Рассмотрим работу максималь­ного реле постоянного тока с про­стейшей магнитной системой кла­панного типа (см. рис. 5.5).

На рис. 9.3 изображены тяговая н противодействующая характери­стики реле. Противодействующие усилия создаются возвратной P₁ и контактными Р₂ пружинами.

Усилие контактных пружин со­здает предварительное нажатие в мо­мент соприкосновения контактов. В результате уменьшается вибрация

контактов при срабатывании и обеспечивается необходимое контактное нажатие.

С учетом линейной зависимости силы пружины от ее деформации и относительно небольшого перемещения яко­ря противодействующее усилие пружин, приведенное к яко­рю, меняется линейно с изменением зазора. Для срабаты­вания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика Р_э1 во всех точках хода якоря шла выше суммарной противо­действующей характеристики P_n = P₁+P₂. Для токового реле при данном начальном зазоре δ_н положение Р_э1 зависит от тока (см. § 5.6). При ненасыщенной магнитной системе тяговая сила пропорциональна квадрату тока.

Наименьшее значение тока, при котором кривая P_э1 начинает проходить выше зависимости Р_п, определяет ток трогания I_тр реле. Срабатывание реле определяется точ­кой в (зазор δ = δ_н), при которой Р_э1 идет выше Р_п. Для надежного включения в обмотку реле обычно подается ток I_раб>I_тр. Коэффициент запаса при этом k_з = I_раб/I_ср и обычно составляет k_з =1,4.

С ростом k_з тяговая характеристика поднимается, увеличивается тяговое электромагнитное усилие, действующее на якорь, увеличивается ускорение якоря, сокращается полное время включения. Однако при этом возрастают удары в механизме и вибрация контактов.

Для того чтобы устранить залипание якоря, в магнит­ной системе всегда создается конечный зазор δ_к. При этом зазоре тяговое усилие значительно превышает противодей­ствующее (Р_а - Р_б = Р_изб).

Для отключения реле тяговая характеристика Р_э2 во всех точках должна быть ниже характеристики Р_п. При этом усилие, развиваемое противодействующими пружина­ми, больше электромагнитного усилия и якорь возвратится в начальное положение. Ток при таком положении харак­теристики называется током отпускания или током воз­врата.

При отпускании реле определяющей точкой является точка б, в которой характеристика Р_э идет ниже характе­ристики Р_п.

Для реле защиты энергосистем и электропривода, конт­ролирующих значение тока в узких пределах, коэффициент возврата k_з = I_oтп/I_ср должен быть возможно ближе к еди­нице [9.1].

Допустим, требуется реле, которое срабатывает при токе 100 А и отпускает при токе 99 А, т. е. k_з = 0,99. В элект­ромагнитных реле такой k_в получить трудно, и в этих слу­чаях применяются электронные реле. Если реле применя­ется для защиты установки от чрезмерного понижения на­пряжения сети, то оно также должно иметь высокий k_в. Например, если установка должна отключаться от сети при напряжении, равном 70 % U_ном, то необходимо при­менить реле с k_в = 0,7. Такой k_в можно легко получить в электромагнитном реле переменного тока.

Рассмотренное реле срабатывает при любом направле­нии тока в обмотке. Такие реле называются нейтральными.

б) Влияние различных факторов на коэффиицент воз-

ирата. Для конечного зазора δ = δ_к (рис. 9.3)

P_a= =k₁ ,

где Р_а — электромагнитное усилие при δ = δ_к и токе срабатывания I_ср; k₁ — конструктивный фактор, равный ; S — площадь зазора; w —число витков обмотки.

Для отпускания реле необходимо так уменьшить ток, Чтобы развиваемое электромагнитное усилие стало равно

P_б = k₁

откуда можно получить

k_в= =

Из рис. 9.3

P_б = P_а ­­­­-­­­­­­­­­­ P_изб

Тогда

k_в = = (9.1)

Поскольку всегда Р_изб>0, коэффициент возврата макси­мального реле k_в <1. Для увеличения k_в необходимо мак­симально сблизить тяговую и противодействующую харак­теристики с целью уменьшения Р_изб. В реле, как правило, основное противодействующее усилие создается возвратной пружиной. Усилие контактной пружины невелико, и при рассмотрении коэффициента возврата им можно пренебречь.

Для получения высокого k_в противодействующая харак­теристика должна быть такой же нелинейной, как и тяговая. Для максимального сближения тяговой и противодейст­вующей характеристик последней можно придать нелиней­ный характер. Добиться этого удается ценой сложных кон­структивных решений, снижающих надежность реле (противодействующее усилие создается несколькими пру­жинами). Такие решения применяются редко.

В простейшем случае и при одной пружине рекоменду­ется выбирать ее с наибольшей возможной жесткостью, чтобы противодействующая характеристика совпадала с касательной, проведенной к тяговой характеристике при δ = δ_н. В этом случае значение Р_изб будет минимальным, a k_в максимальным.

Если выбрать достаточно большое значение δ_к и малым рабочий ход якоря, равный δ_н — δ_к, то характеристика противодействующей пружины достаточно близко подойдет к тяговой и коэффициент возврата может быть получен примерно 0,7—0,8 (рис. 9.4).

Большими возможностями согласования характеристик обладает электромагнитная система с поворотным движе­нием якоря (рис. 9.5). Якорь 3 Г-образной формы выполнен из тонкой электротехнической стали. При малом рабочем зазоре он насыщается, благодаря чему зна­чение Р_изб уменьшается и k_в воз­растает.

Изменяя форму якоря и полю­сов, можно получить практически любую тяговую характеристику.

Помимо указанных факторов на коэффициент возврата реле оказывают влияние трение пере­мещающихся деталей электромаг­нита и гистерезис материала магнитопровода. Трение является дополнительным усилием сопротивления и вызывает увели­чение тока трогания. Трение препятствует и отпусканию. Усилие возвратной пружины уменьшается, что вызывает уменьшение тока отпускания. В результате коэффициент возврата уменьшается. Для того чтобы трение меньше ска­зывалось на коэффициенте возврата, усилие противодейст­вующей пружины должно значительно превышать силу трения.

В ряде случаев необходимо контролировать уменьше­ние входного параметра. Эта задача решается с помощью минимальных реле. Так, например, контакты минимально­го реле напряжения отключают установку при снижении напряжения сети ниже допустимого. Напряжением сраба­тывания U_cp таких реле называется напряжение, при ко­тором происходит отпускание якоря, напряжением возвра­та U_в — напряжение, при котором якорь притягивается к полюсам электромагнита. Тогда k_в = U_в/U_сp>1. Анало­гично для реле минимального тока k_в = I_в/I_ср>1. Коэффициент возврата может легко меняться за счет изменения конечного рабочего зазора. Рассмотрим клапанную систему (рис. 5.15). Допустим, что магнитная цепь не насыщена. Будем менять конечный зазор с помощью тонких латунных прокладок. Начальное положение якоря оставим без изме­нения. Поскольку начальный зазор не меняется, то и ток трогания I_тр остается без изменения. При изменении ко­нечного зазора δ_к сила возвратной пружины остается практически неизменной, так как ее деформация невелика, а изменение длины на долю миллиметра не изменяет уси­лия.

Согласно (5.57)

I_отп = δ_к (9,2)

где Р_пр,отп — усилие пружины в момент отпускания при δ = δ_к.

Пусть δ_k1>δ_k2, тогда

k_в1 = I_отп1/I_ср; k_в2 = I_отп2/I_ср; k_в1/k_в2 = δ_к1/δ_к2.

Таким образом, чем больше δ_к, тем выше k_в. Следует отметить, что при изменении δ_к и δ_н = const ток срабатыва­ния I_ср остается неизменным.

Если менять начальный зазор δ_н при δ_к = const, то при тех же допущениях получим

= (9.3)

С ростом начального зазора δ_н коэффициент возврата k_в уменьшается.

Иногда для изменения I_cр меняется начальная сила пружины Р_пр,н. Можно показать [2.3], что с увеличением /ср за счет увеличения начального натяжения возвратной пру­жины k_B уменьшается. Максимальное значение k_a дости­гается при минимальном токе уставки.

В ряде случаев ток или напряжение отпускания реле в схемах автоматики должны быть значительно меньше тока или напряжения срабатывания. В этих схемах приме­няются реле с низким коэффициентом возврата.

Тяговая характеристика электромагнитов переменного тока более полога, чем электромагнитов постоянного тока, и ее легче согласовать с противодействующей. Поэтому высокий коэффициент возврата в реле переменного тока достигается легче, чем в реле постоянного тока.