15. Переключающие устройства и распределители

Переключающие устройства и распределители предназначены для исключения, отключения, переключения электрических цепей в элек­троприводе и потоков жидкости или газа в гидро- и пневмоприводе.

1. Электромагнитные реле.

Электромагнитное реле - типовой элемент автоматики, уп­равляющий подачей значительной мощности источника питания в нагрузку, переключая контакты реле за счет использования не­большой мощности в цепи управления. Реле в общем случае пред­ставляют собой промежуточный элемент, приводящий в действие одну или несколько электрических цепей.

По сравнению с бесконтактными полупроводниковыми пере­ключателями (транзисторами и тиристорами) контактные реле обладают следующими преимуществами:

устойчивостью к изменению температуры;

широким диапазоном коммутируемых токов и напряжений;

устойчивостью к электрическим перегрузкам как на контактах, так и в цепи управления;

радиационной стойкостью;

возможностью коммутации большого числа гальванически развязанных цепей;

небольшими массой, габаритными размерами, стоимостью.

Существуют реле постоянного и переменного тока. В основном применяются реле постоянного тока, подразделяемые на нейтральные и поляризованные.

Схема нейтрального реле и его характеристика приведены н рис. 3.37, а, б. При росте управляющего тока в катушке 1 растет сила притяжения якоря 6 к сердечнику 2, которой противодействует упругая сила изгиба контакта 4. При достижении управляющим током значения тока срабатывания происходит вначале размыкание нормально замкнутых (размыкающих) контактов 4, что приведет к размыканию цепи с лампой HL1, потом замыкание нормально разомкнутых (замыкающих) контактов 4, 3 и замыкание цепи с лампой HL2. Дальнейшее увеличение тока в управляющей цепи никак не влияет на выходной сигнал. При умень­шении управляющего тока сила, притягивающая якорь к сердеч­нику, убывает, и при токе отпускания сила упругости разомкнет контакты 4, 3 и замкнет контакты 4, 5 выходных цепей.

Изменение знака управляющего сигнала в нейтральных реле не меняет знака выходного сигнала. Так как для намагничивания сердечника при росте управляющего тока затрачивается энергия магнитного поля, при уменьшении управляющего тока магнит­ная индукция и сила притяжения якоря сердечником падают с некоторым запаздыванием и ток срабатывания, как правило, больше тока отпускания, а характеристика имеет петлю гис­терезиса.

Нейтральное реле имеет два устойчивых состояния: контакты реле разомкнуты или контакты реле замкнуты, статическая ха­рактеристика реле двухпозиционная, имеет вид ступеньки. Мощ­ность в управляющей цепи реле может быть значительно меньше мощности в цепи нагрузки, поэтому можно говорить об электро­магнитном реле как об усилителе мощности.

На рис. 3.37, в приведена схема сигнализации на базе нейт­рального реле. Катушка и контакты реле обозначены одинаково - буквой К- и соединены пунктиром. Если в качестве кнопки при­менить путевой выключатель, а вместо ламп - электропривод стан­ка, получим схему концевого выключателя электропривода.

В поляризованных электромагнитных реле направление откло­нения якоря от нейтрального положения зависит от направления тока в катушке, что вызывает замыкание (размыкание) одной из двух групп контактов.

На рис. 3.38, а приведена схема поляризованного реле, состоя­щего из управляющих обмоток 2 и 5, включенных последовательно и согласно (их магнитные потоки дополняют друг друга), постоян­ного магнита 3, сердечника 4, якоря l и контактов 6, 7. Постоян­ный магнит создает в сердечнике постоянный поляризующий маг­нитный поток Фп. Ток в управляющих обмотках 2 и 5 создает управ­ляющий магнитный поток Ф,,, направление и величина которого определяются направлением и величиной управляющего тока I. При I= 0 якорь 1 находится в равновесии, контакт 1- между контактами б и 7, выходные цепи разомкнуты. При росте управля­ющего тока на поляризующий магнитный поток Ф, наложится поток ФУ от обмоток 2 и 5, причем для указанного направления тока потоки Ф и ФУ в левом полусердечнике будут складываться, а в правом - вычитаться, так что якорь будет сильнее притя­гиваться к левому полусердечнику, чем к правому, повернется вле­во и замкнет контакты 1 и 6. При изменении полярности управляю­щего сигнала якорь повернется вправо и замкнет контакты 1 и 7.

Реле имеет три устойчивых состояния (рис. 3.38, 6): нейтральное и два положения срабатывания, определяемых направлением управляющего тока. Характеристика имеет петлю гистерезиса и зону нечувствительности. Поляризованные реле имеют высокую чувстви­тельность и быстродействие и широко применяются в автоматике.

Основными параметрами, характеризующими работу реле, являются:

• мощность срабатывания Рсраб - электрическая мощность на входе реле, при которой происходит замыкание (размыкание) контактов (0,001... 0,1 Вт);

• время срабатывания - время между моментом подачи на реле управляющего импульса и моментом замыкания контактов управ­ляемой цепи (0,001...0,2 с);

• мощность управления РуПр - электрическая мощность управ­ляемой цепи (10... 1000 Вт и более).

Коэффициент усиления по мощности для реле, иногда называ­емый коэффициентом управления, определяется как kP = Р/Рсраб и составляет 40... 106.

Вместо контактных электромагнитных реле все чаще применя­ют полупроводниковые ключи, построенные на базе транзисто­ров и тиристоров. Простейший ключ на транзисторе (рис. 3.39, а) представляет собой усилитель с релейной характеристикой. При наличии напряжения на базе транзистор пропускает ток, его со­противление в цепи эмиттер-коллектор мало. При отсутствии на­пряжения на базе транзистор закрыт, ток от эмиттера к коллекто­ру и в выходной цепи отсутствует.

Тиристор - это полупроводниковый четырехслойный прибор, способный, подобно диоду, пропускать ток только в одну сторо­ну, причем ток пойдет только при наличии на управляющем элек­троде открывающего напряжения. Когда входной сигнал достига­ет заданного уровня (рис. 3.39, 6), сопротивление ключа мало (ключ открыт); если входной сигнал ниже заданного порогового - сопротивление ключа велико (ключ закрыт). После снятия управляющего сигнала тиристор будет пропускать ток еще некоторое время, пока не закроется, поэтому тиристоры называют приборами с неполной управляемостью.

Тиристор имеет релейную характеристику при двух устойчи­вых состояниях - открытом и закрытом. Для ускорения запира­ния тиристора применяют специальные схемы.

Переключение полупроводниковых ключей занимает несколь­ко микросекунд, т. е. происходит практически мгновенно. Полу­проводниковые ключи имеют малые габаритные размеры, боль­шую механическую прочность, устойчиво работают в диапазоне температур - 60... 150 °С, способны пропускать токи до 300 А.

r