Реле напряжения, тока и времени. Исполнитель

Реле напряжения, тока и времени.

Цель:

                                                           План:  

                1. Общие сведения.

                2. Электромагнитные реле.

                3. Конструкция электромагнитных реле тока и напряжения.

                4. Тепловые реле.

                5. Поляризованные реле.

                6. Реле с электромагнитным замедлением.

                7. Схемы включения реле.

                8. Регулирование времени работы реле.

 {spoiler=Подробнее}

                                                  1. Общие сведения.

         а) Классификация. Под реле понимают такой электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющей ( входной) величины происходит скачкообразное изменение управляемой (выходной) величины. Из двух величин хотя бы одна должна быть электрической. По области применения реле можно разделить на реле для схем автоматики, для управления и защиты энергосистем.

         По принципу действия реле делятся на электромагнитные, поляризованные, индукционные, магнитоэлектрические, полупроводниковые и др.

         По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные.

         Первые воздействуют на выходной параметр путём замыкания или размыкания контактов в управляемой цепи; во-вторых, при срабатывании реле резко меняется сопротивление, включенное в управляемую цепь. Разомкнутому  состоянию контактной системы соответствует большое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле. Это состояние бесконтактного реле носит название закрытого состояния. Замкнутому состоянию контактного исполнительного органа соответствует малое сопротивлении между выходными зажимами бесконтактного реле. При этом говорят об открытом состоянии бесконтактного реле.

         б) Основные характеристики реле. Значение воздействующей величины, при которой происходит срабатывание реле, называется значением величины срабатывания.

         Значение воздействующей величины, при котором произошло скачкообразное уменьшение выходного параметра с у_макс до у_мин, называется значением величины отпускания. Заданное значение величины (срабатывания или отпускания), на которую отрегулирован аппарат, называется установкой по воздействующей величине.

         Для целого ряда реле очень важным является отношение х_отп ∕х_ср. Это отношение называется коэффициентом возврата. 

         Время с момента подачи команды на отключение до момента достижения минимального значения выходной величиной называется временем отключения.

         в) Требования, предъявляемые к реле. Требования к реле в значительной мере определяются их значением. К реле защиты энергосистем предъявляются следующие четыре основных требования: селективность, быстрота действия, чувствительность и надёжность.

         Под селективность понимается способность реле отключать только повреждённый участок энергосистемы. Быстрота действия позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии. Повышение чувствительности реле позволяет уменьшить «мёртвую» незащищённую зону.

         Реле для защиты энергосистем должны иметь высокую надёжность, так как неправильная работа реле может привести к развитию тяжёлых аварий и недопуску большого количества энергии.

         При работе схем защиты и автоматики часто требуется создать выдержку времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов. При автоматизации технологических процессов также может возникнуть необходимость производить операции в определенной временной последовательности.

Для создания выдержки времени служат аппараты, называемые реле времени.

Общими требованиями для реле времени являются:

а) стабильность выдержки времени вне зависимости от колебаний питающего напряжения, частоты, температуры окружающей среды и других факторов;

б) малые потребляемая мощность, масса и габариты;

в) достаточная мощность контактной системы. Возврат реле в исходное положение происходит, как правило, при его обесточивании. Поэтому к коэффициенту возврата не предъявляется особых требований, и он может быть очень низким.В зависимости от назначения реле к ним предъявляются специфические требования.Для схем автоматического управления приводом при большой частоте включений в час требуются реле с высокой механической износостойкостью (5-10)10­­⁶ срабатываний. Требуемые выдержки времени находятся в пределах 0,25-10 с. К этим реле не предъявляются высокие требования относительно точности работы. Разброс времени срабатывания может достигать 10%. Реле должны работать в условиях производственных цехов, при вибрации и тряске.

Реле для защиты энергосистем должны иметь большую точность выдержки времени. Эти реле работают относительно редко, поэтому к ним не предъявляются особые требования по износостойкости. Износостойкость реле времени защиты порядка (5-10)10³ срабатываний. Выдержки времени таких реле составляют 0,1-20 с. Для автоматизации технологических процессов необходимо создание больших выдержек времени, начиная от нескольких минут и до часа.

                                      2. Электромагнитные реле.

         а) Согласование тяговых и противодействующих характеристик. Электромагнитные реле благодаря своей простоте, надёжности получили широкое распространение как в схемах электропривода, так и схемах защиты энергосистем.

         Для того, чтобы реле включалось, необходимо чтобы тяговая характеристика F_э1 во всех точках хода механизма шла выше, чем суммарная противодействующая характеристика F_п = F₁+F₂.

         Наименьшее значение тока, при котором кривая F_э1 во всех точках проходит выше ломаной F_п, называется током трогания. Для надёжного включения в обмотку реле обычно подаётся ток I_p, больший, чем ток трогания.

         Для отключения реле необходимо, чтобы тяговая характеристика F_э2 во всех точках пошла ниже характеристики F_п. При этом сила, развиваемая противодействующими пружинами, будет больше сил электромагнита и якорь возвратиться в начальное положение. Ток, при котором имеет место такое положение характеристик, называется током отпускания или током возврата.

         б)Влияние различных  факторов на коэффициент возврата. Для получения высокого коэффициента возврата желательно применение электромагнита, имеющего малый рабочий ход и большую величину конечного зазора в магнитной цепи при притянутом якоре. Если выбрать достаточно большле значение δ_н – δ_к, то характеристика противодействующей пружины достаточно близко подойдёт к тяговой и коэффициент возврата может быть получен порядка 0,7 – 0,8.

         Большие возможности даёт электромагнитная система с вращательным движением якоря. Изменяя форму якоря и полюсов, можно получить практически любую тяговую характеристику.

         Помимо указанных выше факторов, на коэффициент возврата оказывают влияние трение в механизме и гистерезис магнитного материала.

         Наличие трения создаёт дополнительные силы сопротивления, что вызывает увеличение тока трогания. При возврате сила трения препятствует движению. При этом усилие пружины, действующее на механизм, уменьшается, что вызывает уменьшение тока отпускания. В результате коэффициент возврата уменьшается. Для того чтобы трение мало сказывалось на коэффициенте возврата, необходимо, чтобы сила, развиваемая противодействующей пружиной, была значительно больше, чем сила трения. Гистерезис магнитного материала также ведёт к уменьшению коэффициента возврата. Дело в том, что при трогании процесс намагничивания цепи идёт по восходящей ветви гистерезиса, а при отпускании – по нисходящей ветви. При этом ток трогания возрастает, а ток отпускания падает по сравнению со случаем безгистерезисного материала.        

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

            3. Конструкция электромагнитных реле тока и напряжения.

         а) Реле для энергосистем. В схемах защиты энергосистем, крупных и ответственных установок широко применяются реле серии ЭТ.

         Магнитопровод штрихуется  из листов электротехнической стали. Обмотка реле разбита на две части и позволяет соединять секции параллельно и последовательно. Якорь выполнен из тонкого листа электротехнической стали и имеет Z-образную форму. При повороте якоря происходит увеличение потока и насыщение якоря даже при токах, близких к току трогания. Это ограничивает момент, развиваемый реле в конце хода якоря.

         Применение поворотной системы и легко насыщающегося якоря позволяет приблизить тяговый момент к противодействующему и получить высокий коэффициент возврата (0,85). Подвижный контакт мостикового типа шарнирно укреплён на рычаге, связанном с валом. Это даёт возможность контакту самоустанавливаться. Для устранения вибраций контактов служит масляный демпфер, связанный с валом реле. Противодействующая сила создаётся спиральной пружиной. Начальная деформация пружины меняется рычагом. Начальное и конечное положения якоря определяются специальными упорами.

          К недостаткам реле следует отнести малую мощность контактной системы, необходимость тщательной регулировки реле во избежание вибрации контактов. Мощность контактов на размыкание составляет всего 50 Вт постоянного тока при напряжении 220 В.

         б) Реле тока и напряжения для управления электроприводом. В схемах управления и защиты применяется реле постоянного тока серии РЭВ-300 с высоким коэффициентом возврата.

                                                               Рис.1. Реле серии РЭВ-300

         На рис.1 изображено токовое реле. Магнитопровод 1 имеет U-образную форму и выполнен из прутка круглого сечения. Плоский якорь 2 вращается на призме, что обеспечивает высокую механическую износоустойчивость реле. Обмотка 3 выполняется из меди в соответствии с номинальном током реле. Регулирование силы пружиной 5 осуществляется гайкой 6. Якорь 2 связан с подвижным контактом 8 с помощью изоляционной пластины 7. Реле имеет два неподвижных контакта 9 и 10. Подвижный контакт 8 соединяется с зажимом 11 с помощью гибкой связи 12. Реле выполняется в виде единого блока, который с помощью шпилек 4 может устанавливаться на металлических рейках сборной панели. Высокий коэффициент возврата достигается благодаря тому, что конечный зазор может быть достаточно большим ( до 5·10^-3 ), а ход якоря может составлять доли миллиметра. В реле тока установка тока срабатывания регулируется в пределах 30 – 65% номинального значения путём изменения начального усилия сжатия пружины 5.

         В реле напряжения установка срабатывания меняется в пределах 30 – 50%U_н. При увеличении сжатия пружины растёт напряжение трогания U_тр, увеличивается время трогания  согласно уравнению

где L_р – индуктивность и R_р – сопротивление цепи обмотки реле.

         в) Реле защиты схем электропривода. В целом ряде схем управление производится  не с помощью кнопки, а с помощью командоконтроллёра. В этом случае после обесточивания якорной цепи двигателя реле отпустит свой якорь и контакты этого реле подадут напряжение на катушку линейного контактора. Произойдёт повторное включение на короткое замыкание. При этом последует новое отключение и т.д. В результате повреждений двигатель будет многократно включать в сеть.

         Для устранения этого недостатка реле снабжаются специальным устройством, предотвращающим возврат реле в исходное состояние после прекращения тока в катушке. Такие реле называются реле без самовозврата.

                                               4. Тепловые реле.

         а) Принцип действия. Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость длительности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надёжная и длительная эксплуатация оборудования.

         Для защиты от перегрузок наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластиной.

         Биметаллическая пластина состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент расширения α₁, другая – меньший α₂. В месте прилегания друг к другу пластины жёстко скреплены либо за счёт проката в горячем состоянии, либо за счёт сварки. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдёт изгиб пластины в сторону материала с меньшим α. Именно это явление используется в тепловых реле.

         Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение α) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение α).

         б) Конструкция тепловых реле. Прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство.

         Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепловыми реле ТРП (однофазное) и ТРН (двухфазное). Реле типа ТРП представлено на рис.2. Биметаллическая пластина имеет комбинированную систему нагрева. Пластина 1 нагревается как за счёт нагревателя 5, так и за счёт прохождения токп через саму пластину. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3. Реле позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока установки). Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка позволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя. Возврат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4, Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды. Установка меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на 10°с. Высокая ударо- и вибростойкость реле позволяют использовать его в самых тяжёлых условиях.

                                                                              Рис.2. Тепловое реле ТРП

                                     5. Поляризованные реле.

         В поляризованных реле контакты приводятся в действие поляризованным электромагнитом, в котором на якорь действуют два потока: поляризующий, создаваемый постоянным магнитом, и поток, создаваемый катушкой, по которой проходит управляющий ток.    

         Отличительной особенностью поляризованного электромагнита является изменение направления силы, действующий на якорь, при изменении направления тока в катушке.

         Поляризованные реле могут иметь различное исполнение контактной системы. При подаче тока в направлении срабатывания размыкается левый и замыкается  правый контакты. При отключении тока снова замыкается левый контакт (однопозиционная настройка с преобладанием).

         Широкое распространение получили реле  типа РП. Эти реле допускают максимальную частоту переключений до 200 в секунду . Магнитодвижущая сила срабатывания 1,5 – 5 А. Нажатие контактов при отсутствии тока в обмотке 1 - 5·10^-2 Н, длительный ток контактов 0,2 А, напряжение управляемой цепи 24 В. Поляризованные реле имеют следующие преимущества перед электромагнитными:

направленностью действия в зависимости от направления тока в рабочей обмотке;

обладают очень высокой чувствительностью;

позволяют создать быстродействующие аппараты с временем срабатывания около 2 мс;

обладают высокой устойчивостью к перегрузкам. Допустимая кратность тока через обмотку к току срабатывания достигает 20;

за счёт расположения упоров можно осуществлять однопозиционную, нейтральную и двухпозиционную настройки реле.

                                6. Реле с электромагнитным замедлением.

         а) Устройство реле и влияние различных факторов на его работу. Конструкция реле с электромагнитным замедлением типа РЭВ-800 изображена на рис.3. Магнитная цепь реле состоит из магнитопровода 1, якоря 2 и немагнитной прокладки 3. Магнитопровод укрепляется на плите 4 с помощью литого алюминиевого цоколя 5. Этот же цоколь служит для крепления контактной системы 6.

                                                  Рис. 3. Реле с электромагнитным замедлением.

На ярме прямоугольного сечения магнитопровода устанавливается короткозамкнутая обмотка в виде сплюснутой гильзы 8. Намагничивающая обмотка 7 устанавливается на цилиндрическом сердечнике. Якорь вращается относительно стержня 1 на призме. Усилие, развиваемое пружиной 9, изменяется с помощью корончатой гайки 10, которая фиксируется после регулировки с помощью шплинта.

Магнитопровод реле выполняется из стали ЭАА. Сердечник катушки имеет круглое сечение, что позволяет применять катушку цилиндрической формы, удобную в производстве. Стержень 1 имеет сечение вытянутого прямоугольника, что увеличивает длину линии касания якоря с торцом ярма и повышает механическую износостойкость реле.

         Для получения большого времени при отпускании необходимо иметь высокую магнитную проводимость рабочего и паразитного зазоров в замкнутом состоянии магнитной системы. С этой целью торцы ярма и сердечника и прилегающая к ним поверхность якоря тщательно шлифуются.

         Литое основание из алюминия создает дополнительный короткозамкнутый виток, миния создает дополнительный короткозамкнутый виток, увеличивающий выдержку времени (в схеме замещения все короткозамкнутые обмотки заменяются одним витком с суммарной электрической проводимостью).

         У реальных магнитных материалов после отключения намагничивающей обмотки поток спадает до Ф_ост, который определяется свойствами материала магнитопровода и геометрическими размерами магнитной цепи. Чем меньше коэрцитивная сила магнитного материала при заданных размерах магнитной цепи, тем ниже величина остаточной индукции, а следовательно, остаточного потока. При этом возрастает наибольшая выдержка времени, которая может быть получена от реле. Применение стали ЭАА, имеющей низкое значение Н_с, позволяет увеличить выдержку времени реле.

         Выдержка времени для насыщенной системы может быть найдена с помощью формулы ( ):

 (1)

где w – число витков короткозамкнутой обмотки;

      R – ее сопротивление;

      i – ток в короткозамкнутой обмотке.

         Выдержка времени при прочих равных условиях определяется начальным потоком Ф₀ уравнения (1). Этот поток определяется кривой намагничивания магнитной системы в замкнутом состоянии. Поскольку напряжение и ток в обмотке пропорциональны друг другу, то зависимость Ф(U) повторяет, только в другом масштабе, зависимость Ф(Iw). Если система при номинальном напряжении не будет насыщена, то поток Ф₀ будет в сильной степени зависеть от питающего напряжения. При этом выдержка времени также будет зависеть от напряжения, приложенного к обмотке. В схемах привода на обмотку реле часто подается напряжение ниже номинального, при этом реле будет иметь пониженные выдержки времени. Для того, чтобы сделать выдержку времени реле независимой от питающего напряжения, магнитная цепь делается сильно насыщенной (рис. 4). Для того чтобы выдержка времени при отпускании была стабильной, необходимо, чтобы длительность приложения напряжения к питающей катушке была достаточная для достижения потоком установившегося значения. Это время называется временем подготовки или зарядки реле.

Рис. 4. Зависимость времени отпускания от напряжения питания.

                         7. Схемы включения реле.

Время срабатывания реле при подаче напряжения очень мало, так как м.д.с. трогания значительно меньше установившегося значения. Для реле с короткозамкнутым витком это время равно 0,005-0,2 с. При отсутствии короткозамкнутого витка это время составляет всего 0,02-0,05 с. Таким образом, возможности реле с электромагнитным замедлением при срабатывании очень ограничены. Если необходимо при замыкании управляющих контактов иметь большие выдержки времени, то целесообразно применить схему с промежуточным реле РП (рис.5, а). Обмотка реле времени РВ находится под напряжением, все время питаясь через размыкающий контакт реле РП. При подаче напряжения на обмотку РП последнее размыкает свой контакт и обесточивает реле РВ. Якорь РВ отпадает, создавая необходимую выдержку времени. Реле РВ в этой схеме должно обязательно иметь короткозамкнутый виток.

В некоторых схемах реле времени может не иметь короткозамкнутого витка. Роль этого витка играет сам намагничивающая обмотка, замкнутая накоротко (рис.5,б). Обмотка РВ питается через резистор R_доб. Величина напряжения на РВ должна быть достаточной для достижения потока насыщения в замкнутом состоянии магнитной цепи.

Рис. 5. Схемы включения реле с электромагнитным замедлением.

         При замыкании управляющего контакта К обмотка реле закорачивается, обеспечивая медленный спад потока в магнитной цепи. Отсутствие короткозамкнутой обмотки позволяет все окно магнитной системы занять намагничивающей обмоткой и создать большой запас в м.д.с. При этом выдержка времени не уменьшается даже в том случае, когда питающее напряжение на обмотке составляет 0,5 U_Н. Такая схема широко применяется в электроприводе. Реле включается параллельно ступени пускового резистора в цепи якоря. При закорачивании этой ступени обмотка реле времени замыкается и с выдержкой это реле производит включение контактора, шунтирующего следующую ступень пускового резистора.

Применение полупроводникового вентиля также позволяет использовать реле без короткозамкнутого витка (рис. 5,в). При включении питающей обмотки ток через вентиль практически равен нулю, так как он включен в непроводящем направлении. При отключении контакта К поток в магнитной цепи спадает, при этом на зажимах обмотки появляется э.д.с. с полярностью, указанной на рис 5,в. При этом через вентиль протекает ток, определяемой этой э.д.с., активным сопротивлением обмотки и вентиля и индуктивностью обмотки.

Для того чтобы прямое сопротивление вентиля не приводило к уменьшению выдержки времени (растет активное сопротивление короткозамкнутой цепи), это сопротивление должно быть на один-два порядка ниже сопротивления намагничивающей обмотки реле.

При любых схемах питание намагничивающей обмотки реле должно производиться либо от источника постоянного тока, либо от источника переменного тока с применением мостовой схемы на полупроводниковых вентилях.

                         8.Регулирование времени работы реле

Время срабатывания реле можно плавно регулировать с помощью возвратной пружины 9 (рис 3).С увеличением сжатия этой пружины увеличивается сила, необходимая для трогания якоря. Эта сила определяется потоком в магнитной цепи. При большем натяге пружины поток трогания возрастает. Следовательно, возрастает время трогания. Ввиду того что в разомкнутом положении магнитной цепи постоянная времени мала, максимальные выдержки времени также незначительны (около 0,2с). Выдержка времени может быть значительно увеличена, если поток трогания приблизить к установившемуся потоку. Однако в этом случае реле работает на пологой части кривой Ф(t). При этом наблюдаются большие разбросы времени срабатывания. В некоторых случаях якорь может вообще не притянуться к сердечнику.

В том случае, когда необходимо иметь время выдержки около 1с и более, необходимо использовать реле при отпускании якоря.

Регулировка выдержки реле при отпускании может производиться плавно и скачком.

Плавное регулирование выдержки времени производится с изменением силы, развиваемой пружиной 11 (рис.3). Эта пружина верхним концом упирается в шайбу 14, которая удерживается шпилькой 15, ввернутой в якорь реле. Нижний конец пружины посредством специальной пластины 16 передает силу на два латунных штифта 12, которые могут свободно перемещаться в отверстиях якоря. Оси латунных штифтов 12 смещены относительно оси пружины. В притянутом положении якоря 2 штифты 12 перемещаются вверх и пружина 11 дополнительно сжимается.

Пружина 11 создает основную силу, отрывающую якорь от сердечника. Начальное сжатие пружины изменяется с помощью гайки 13.

С увеличением силы пружины 11 сила, при которой происходит отрыв якоря, увеличивается, следовательно, возрастает и поток отпускания Ф_отп. При этом время отпускания уменьшается (рис. 6). Чем меньше сила пружины, тем больше выдержка времени. По мере приближения Ф_отп к остаточному потоку Ф_ост выдержка времени начинает резко возрастать. Нестабильность работы механизма может приводить к большим разбросам во времени срабатывания. Следует отметить, что при Ф_отп, близком к Ф_ост, якорь реле вообще может не отпадать от сердечника.

Рис6 Регулировка времени отпускания с помощью пружины                                                                                    

Рис7. Регулировка времени отпускания немагнитным зазором

Возвратная пружина 9 регулируется таким образом, чтобы обеспечить необходимое нажатие размыкающих контактов реле и четкий возврат якоря в положение, указанное на рис. 3.

Грубо выдержка времени в реле может регулироваться толщиной немагнитной прокладки. Поскольку магнитная цепь в замкнутом положении насыщена, то толщина немагнитной прокладки мало сказывается на величине установившегося потока. При уменьшении толщины немагнитной прокладки возрастает индуктивность катушки в ненасыщенном состоянии сердечника и уменьшается скорость спада потока. В результате при неизменной силе возвратной пружины выдержка времени увеличивается (рис.7). Минимальную толщину немагнитной прокладки не рекомендуется брать менее 0,1 мм. В повторно-кратковременном режиме работы якорь расклепывает немагнитную прокладку, при этом толщина ее падает, что ведет к изменению выдержки времени. Если толщина немагнитной прокладки 0,1 мм, то нестабильностью работы за счет расклепа прокладки можно пренебречь.

В заключение следует отметить, что электромагнитные реле времени имеют простой механизм, который не боится ударов и вибраций, обладающий большой износостойкостью. Допустимое число включений в час равно 600.

Реле описанного типа могут использоваться в схемах автоматики электропривода как реле тока, напряжения и промежуточные реле.

{/spoilers}