Понятие релейного элемента. Виды Реле

В интервалы времени ab, cd, ef в течение каждого периода Т, когда F_П> F_Э (рис.2.5), якорь реле стремится отпасть и разомкнуть контакты реле, а в интервале bс, de, когда F_Э >F_П, якорь вновь притягивается к электромагниту, стремясь замкнуть контакты. Вибрация якоря вызывает вибрацию контактов, оказывая вредное влияние на работу реле.

 
Для устранения вибрации применяется  расщепление магнитного потока Фр обмотки на две составляющие Ф_I и Ф_II, сдвинутые по фазе. Расщепление потока Фр достигается при помощи короткозамкнутого витка К (рис.2.6).

Короткозамкнутый виток К охватывает часть сечения магнитопровода. Под влиянием магнитного потока Ф_I в витке К возникает ток Iк, создающий поток Фк. На рис.2.6 показаны положительные направления магнитных потоков, а их векторная диаграмма приведена на рис.2.7.

В магнитопроводе реле циркулируют два результирующих магнитных потока: Ф_I – выходящий из-под сечения магнитопровода, охваченного витком К; Ф_II — выходящий из-под сечения S₂, не охваченного витком:

                                                                          (2.10)

Векторная диаграмма (рис.2.7) показывает, что магнитный поток Ф_I сдвинут относительно Ф_II на угол ψ.

Каждый из магнитных потоков (рис.2.8) Ф_I = Ф_Im sinwt и Ф_II = Ф_IIm sin(wt+ψ)создает силы F_ЭI и F_ЭII, кривые изменения которых смещены по фазе так же, как и магнитные потоки. В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизиться до нуля.

Отключающая способность  контактов зависит от значений тока, напряжения и индуктивности размыкаемой  цепи. Она условно характеризуется  мощностью S_K, представляющей собой произведение номинального напряжения источника оперативного тока U_О.Т и наибольшего допустимого тока I_К.Д, размыкание которого не вызывает повреждение контактов: S_K = U_О.Т I_KД. Следует отметить, что для цепей переменного тока допустимый ток I_KД. всегда больше, чем для цепи постоянного тока. Это объясняется тем, что при прохождении переменного тока через нулевое значение электрическая дуга гаснет, а возможность ее повторного зажигания уменьшается благодаря увеличению зазора между размыкающимися контактами и снижению значения E_L. Для облегчения работы контактов можно применять шунтирование обмотки аппарата, находящегося в управляемой цепи, искрогасительным контуром RC или цепью из R и диода VD (рис.2.9). В этом случае большая часть тока, вызываемого ЭДС E_L, замыкается по шунтирующему контуру, в котором и погашается (расходуется) основная часть энергии, накопленной в магнитном поле обмотки. В результате этого энергия, поддерживающая ток и электрическую дугу между контактами реле, уменьшается, что существенно облегчает работу контактов. Наличие искрогасительного контура замедляет возврат реле. Этого недостатка лишена схема на рис.2.9, б. Здесь диодом VD шунтируется контакт реле KL, размыкающий индуктивную цепь. При такой схеме ток i, обусловленный E_L, почти полностью замыкается, помимо размыкающихся контактов К, через контур и сопротивление источника U_О.Т. В нормальных условиях, когда контакты реле разомкнуты, контур, шунтирующий контакты, разомкнут диодом VD.

Электрическая дуга между  подвижным и неподвижным контактами возникает и при замыкании  управляемой цепи. При замыкании подвижный контакт ударяется о неподвижный, что порождает вибрацию контактов, сопровождаемую многократным замыканием и размыканием управляемой цепи. При этом в момент разрыва появляется дуга, которая может вызвать оплавление и приваривание контактов при сильном их нагреве. Вибрация прекратится, когда кинетическая энергия подвижной системы реле израсходуется на преодоление сопротивления подвижных контактов и нагрев элементов замыкаемой цепи.

Для предупреждения порчи  контактов электрической дугой  неподвижные контакты выполняются  в виде упругих пластин, колеблющихся вместе с подвижными контактами без  разрыва управляемой цепи. Применяются  также демпферы (механические успокоители), поглощающие кинетическую энергию  подвижной системы. Контакты выполняются  из тугоплавкого и менее подверженного  окислению материала. Применяется  серебро, металлокерамика и др.

 

3.Магнитно управляемые контакты

 

Для повышения быстродействия, надежности, срока службы и способности  работать в особо жестких условия агрессивной и пыльной среды разработаны конструкции реле с герметизированными магнитоуправляемыми контактами - герконами.

Герконы способны коммутировать  токи до 5 А при напряжении 100 В и обеспечивать десятки и сотни миллионов срабатываний. Длина геркона - несколько сантиметров. Выпускаются герконы разных модификаций, в том числе миниатюрные, служащие связующим звеном между полупроводниковыми элементами и электромагнитными реле. Существуют сухие (с твердыми контактами) и жидкометаллические герконы.

С герконами выпускаются (выпускались) промежуточные реле серии  РПГ, РЭС; реле напряжения РНГ; реле тока РТГ; реле времени РВГ. В машиностроении герконы нашли массовое применение в токарных станках с ЧПУ в  качестве датчиковпозиционных автоматических головок при выборе инструмента.

Принцип действия геркона. Под действием на геркон магнитного поля достаточной напряженности, создаваемого соленоидом, электромагнитом или постоянным магнитом, ферромагнитные контакты намагничиваются. На их концах образуются разноименные магнитные полюса. Разноименные полюса ферромагнитных пружин притягиваются, контактные пружины деформируются и замыкают контакт. При снятии воздействия магнитного поля силы упругости возвращают пружины в исходное положение, вледствие чего контакт размыкается.

• По сравнению с обычными электромагнитными реле герконы более быстродействующие устройства, время срабатывания их составляет 0,5-2 мс. Допустимая сила тока геркона - 5 А.

Магнитоуправляемый  контакт

 

 

 

Обозначение геркона в  электрических схемах

Чтобы отличить магнитоуправляемый контакт от контактов других типов, в его условное обозначение вводят символ герметичного корпуса - окружность.

Принадлежность к конкретному  реле указывают в позиционном  обозначении, например K1.1. Если же магнитоуправляемый контакт не является частью реле, а управляется постоянным магнитом, его обозначают буквенным кодом автоматического выключателя - буквами SF.

 

4. Путевые переключающие устройства

 

Эти устройства широко используют при автоматизации процессов, связанных с перемещениями механизмов. Путевой выключатель — это аппарат для замыкания и размыкания электрических цепей в системах автоматического управления электроприводами Он приводится в действие самим перемещающимся механизмом, который в отдельных точках своего пути вызывает замыкание или размыкание соответствующих контактов выключателя. При срабатывании контактов путевого выключателя вырабатываются электрические сигналы, приводящие в действие устройства управления автоматизированного электропривода. Если путевой выключатель действует только в конце пути, т.е. ограничивает путь передвижения механизма путем размыкания или замыкания цепи электропривода, он называется конечным выключателем или ограничителем хода. Один из наиболее распространенных примеров использования конечных выключателей — в схеме управления электрофииированной задвижки для отключения электропривода при ее полном открытии или закрытии.

По принципу действия путевые  выключатели разделяют на контактные (электромеханические) и бесконтактные (индуктивные, емкостные и др.). Контактные путевые выключатели, в свою очередь, делятся на одно- и многопредельные, в зависимости от количества пар рабочих контактов — одной или нескольких.

 

5. Реле времени

 

В общем случае срабатывание любого реле происходит с некоторой  временной задержкой после получения  управляющего сигнала. Однако существует специальный класс релейных устройств — реле времени, у которых задержку срабатывания (от нескольких миллисекунд до нескольких часов) можно регулировать.

Реле времени — устройство, контакты которого замыкаются (или размыкаются) с заданной временной задержкой после получения управляющего сигнала. Задержку можно регулировать произвольно, мияя на скорость изменения физической величины, воздействующей на релейный элемент реле времени от момента поступления сигнала до достижения порога срабатывания. Для создания выдержки времени применяются электрическая разрядная /?С-иепь, электромагнитное замедление посредством создания вихревых токов в короткозам- кнутых гильзах, механические механизмы (анкерный и планетарный), пьезокерамические элементы и др. Существуют также программные реле — это разновидность реле времени с несколькими контактами, имеющими различные, независимые друг от друга выдержки времени. Например, есть программные реле на основе счетчиков импульсов, контакты которых замыкаются после отсчета заранее заданного числа импульсов, подаваемых на счетчик.

 

6. Электромагнитные контакторы и магнитные пускатели

 

Контактор – это двухпозиционный  аппарат с самовозвратом, предназначенный  для частых коммутаций токов, не превышающих  токи перегрузки, и приводимый в  действие приводом. Этот аппарат имеет  два коммутационных положения, соответствующие  включенному и отключенному его  состояниям. В контакторах наиболее широко применяется электромагнитный привод. Возврат контактора в отключенное  состояние (самовозврат) происходит под  действием возвратной пружины, массы  подвижной системы или при  совместном действии этих факторов.

Пускатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, остановки и защиты электродвигателей без выведения и введения в их цепи сопротивлений резисторов. Пускатели осуществляют защиту электродвигателей от токов перегрузки. Распространенным элементом такой защиты является тепловое реле, встраиваемое в пускатель. 
Токи перегрузки для контакторов и пускателей не превышают (8-20)-кратных перегрузок по отношению к номинальному току. Для режима пуска двигателей с фазовым ротором и торможения противотоком характерны (2.5-4)-кратные токи перегрузки. Пусковые токи электродвигателей с короткозамкнутым ротором достигают (6-10)-кратных перегрузок по сравнению с номинальным током. 
Электромагнитный привод контакторов и пускателей при соответствующем выборе параметров может осуществлять функции защиты электрооборудования от понижения напряжения. Если электромагнитная сила, развиваемая приводом, при снижении напряжения в сети окажется недостаточной для удержания аппарата во включенном состоянии, то он самопроизвольно отключится и осуществит таким образом защиту от понижения напряжения. Как известно, понижение напряжения в питающей сети вызывает протекание токов перегрузки по обмоткам электродвигателей, если механическая нагрузка на них будет оставаться неизменной. 
Контакторы предназначены для коммутации силовых цепей электродвигателей и других мощных потребителей. В зависимости от рода коммутируемого тока главной цепи различают контакторы постоянного и переменного тока. Они имеют главные контакты, снабженные системой дугогашения, электромагнитный привод и вспомогательные контакты.Как правило, род тока в цепи управления, которая питает электромагнитный привод, совпадает с родом тока главной цепи. Однако известны случаи, когда катушки контакторов переменного тока получают питание от цепи постоянного тока. 
 
Рисунок 1 - Конструктивная схема контактора 
На рис. 1 изображена конструктивная схема контактора, отключающего цепь двигателя. В этом случае напряжение на катушке 12 отсутствует и его подвижная система под действием возвратной пружины 10, создающей силу Fв, придет в нормальное состояние.Возникающая при расхождении главных контактов дуга Д гасится в дугогасительной камере 5. 
Быстрое перемещение дуги с контактов в камеру обеспечивается системой магнитного дутья. В цепь главного тока включена последовательная катушка 1, которая размещена на стальном сердечнике 2. Стальные пластины – полюса 3, расположенные по бокам сердечника 2, подводят создаваемое катушкой 1 магнитное поле к зоне горения дуги в камере. Взаимодействие этого поля с током дуги приводит к появлению сил, которые перемещают дугу в камеру. 
Контактор включит цепь с током I0, если подать напряжение U на катушку 12 приводного электромагнита. Поток Ф, созданный током, протекающим через катушку электромагнита, разовьет тяговую силу и притянет якорь 9 электромагнита к сердечнику, преодолев силы Fвпротиводействия возвратной 10 и Fk контактной 8 пружин. 
Сердечник электромагнита оканчивается полюсным наконечником 11, поперечное сечение которого больше поперечного сечения самого сердечника. Установкой полюсного наконечника достигается некоторое увеличение силы, создаваемой электромагнитом, а также видоизменение тяговой характеристики электромагнита (зависимости электромагнитной силы от величины воздушного зазора). 
Соприкосновение контактов 4 и 6 друг с другом и замыкание цепи при включении контактора произойдет раньше, чем якорь электромагнита полностью притянется к полюсу. По мере движения якоря подвижный контакт 6 будет как бы «проваливаться», упираясь своей верхней частью в неподвижный контакт 4. Он повернется на некоторый угол вокруг точки А и вызовет дополнительное сжатие контактной пружины 8. Появится провал контактов, под которым подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален. 
Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под. действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора. 
После соприкосновения, контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекатывании происходит разрушение окисных пленок и других химических соединений, которые могут появиться на поверхности контактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздействию дуги и являющиеся поэтому более «чистыми». Все это уменьшает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются). 
В момент соприкосновения подвижный контакт 6 сразу же оказывает на неподвижный контакт 4давление, обусловленное предварительным натяжением контактной пружины 8. Вследствие этого переходное сопротивление контактов в момент их касания будет небольшим и контактная площадка не разогреется при включении до значительной температуры. Кроме того, предварительное контактное нажатие, созданное пружиной 8, позволяет снизить вибрацию(отскоки) подвижного контакта при ударе его о неподвижный контакт. Все это предохраняет контакты от приваривания при включении электрической .цепи. На контактах имеютсяконтактные накладки, выполненные из специального материала, например серебра, чтобы улучшить условия длительного прохождения тока через замкнутые контакты во включенном состоянии. Иногда применяются накладки из дугостойкого материала для уменьшения износа контактов под воздействием электрической дуги (металлокерамика «серебро-окись кадмия» и др.). Гибкая связь 7 (для подвода тока к подвижному контакту) изготовляется из медной фольги (ленты) или тонкой проволоки. 
Раствором контактов называется расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электромагнита. Это приводит к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощности катушки электромагнита и его габаритов. Минимальная величина раствора контактов определяется: технологическими и эксплуатационными условиями, возможностью образования металлического мостика между контактами при разрыве цепи тока, условиями устранения возможности смыкания контактов при отскоке подвижной системы от упора при отключении аппарата. Раствор контактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.

  
Рисунок 2 - Прямоходовой пускатель 
Изображенная на рис. 1 схема контактора поворотного типа довольно типичная. Обычно такие контакторы предназначаются для тяжелого режима работы (большая частота циклов коммутационных операций, индуктивные цепи) при относительно высоких значениях номинального тока (десятки и сотни ампер). Другой распространенный тип контакторов и пускателей — прямоходовой; он рассчитывается преимущественно на меньшие номинальные токи (десятки ампер) и более легкие условия работы. Прямоходовой пускатель (рис. 2) имеет мостиковые контакты 2 и 3, с которых дуга выдувается в дугогасительные камеры 1. Сила Fkконтактной пружины создает нажатие в замкнутых контактах, возвратная пружина Fпвозвращает подвижную систему аппарата в отключенное состояние, когда будет снято напряжение с катушки. Аппарат включается электромагнитом при подаче напряжения на его катушку 5. На полюсах электромагнита переменного тока устанавливаются короткозамкнутые витки 4, устраняющие вибрацию якоря во включенном положении аппарата. 
В отличие от контактора постоянного тока в контакторе переменного тока для уменьшения потерь на вихревые токи применяют шихтованные магнитопроводы и короткозамкнутые витки на полюсах для устранения вибрации якоря. Контакторы переменного тока чаще изготовляют трехполюсными, постоянного тока - однополюсными и двухполюсными. В качестве дугогасительного устройства в контакторах на постоянном токе чаще применяются щелевые камеры, на переменном - чаще дугогасительная решетка. 
Для гашения дуги применяют также камеры с дугогасительной решеткой. Дугогасительная решетка представляет собой пакет тонких металлических пластин 5 (рис. 1). Под действием электродинамических сил, создаваемых системой магнитного дутья, электрическая дуга попадает на решетку и рвется на ряд коротких дуг. Пластины интенсивно отводят тепло от дуги и гасят ее, но пластины дугогасительной решетки обладают значительной термической инерционностью - при большой частоте включений они перегреваются и эффективность дугогашения падает. 
Мощные контакторы переменного тока имеют главные контакты, снабженные системой дугогашения - магнитным дутьем и дугогасительной камерой с узкой щелью или дугогасительной решеткой, как и контакторы постоянного тока. Конструктивное отличие заключается в том, что контакторы переменного тока выполняют многополюсными; обычно они имеют три главных замыкающих контакта. Все три контактных узла работают от общего электромагнитного привода клапанного типа, который поворачивает вал контактора с установленными на нем подвижными контактами. На том же валу устанавливают вспомогательные контакты мостикового типа. Контакторы имеют достаточно большие габаритные размеры. Их применяют для управления электродвигателями значительной мощности. 
Для увеличения срока службы конструкция контакторов допускает смену контактов. 
Существуют комбинированные контакторы переменного тока, в которых параллельно главным замыкающим контактам включают два тиристора. Во включенном положении ток проходит через главные контакты, поскольку тиристоры находятся в закрытом состоянии и ток не проводят. При размыкании контактов схема управления открывает тиристоры, которые шунтируют цепь главных контактов и разгружают их от тока отключения, препятствуя возникновению электрической дуги. Поскольку тиристоры работают в кратковременном режиме, их номинальная мощность невелика и они не нуждаются в радиаторах охлаждения. 
Наша промышленность выпускает комбинированные контакторы типа КТ64 и КТ65 на номинальные токи, превышающие 100 А, выполненные на базе широко распространенных контакторов КТ6000 и снабженные дополнительным полупроводниковым блоком. 
Коммутационная износостойкость комбинированных контакторов в режиме нормальных коммутаций составляет не менее 5 млн. циклов, а коммутационная износостойкость полупроводниковых блоков примерно в 6 раз выше. Это позволяет многократно использовать их в системах управления. 
Для управления электродвигателями переменного тока небольшой мощности применяют прямоходовые контакторы с мостиковыми контактными узлами. Двукратный разрыв цепи и облегченные условия гашения дуги переменного тока позволяют обойтись без специальных дугогасительных камер, что существенно уменьшает габаритные размеры контакторов. 
Прямоходовые контакторы обычно выпускаются промышленностью в трехполюсном исполнении. При этом главные замыкающие контакты разделяются пластмассовыми перемычками 1. 
Наряду со слаботочными герконами, созданы герметичные силовые магнитоуправляемые контакты (герсиконы), способные коммутировать токи в несколько десятков ампер. На этой основе были разработаны контакторы для управления асинхронными электродвигателями мощностью до 1.1 кВт. Герсиконы отличаются увеличенным раствором контактов (до 1.5 мм) и повышенным контактным нажатием. Для создания значительной силы электромагнитного притяжения используют специальный магнитопровод. 
Область применения электромагнитных контакторов достаточно широка. В машиностроении контакторы переменного тока применяют чаще всего для управления асинхронными электродвигателями. В этом случае их называют магнитными пускателями. Магнитный пускатель представляет собой простейший комплект аппаратов для дистанционного управления электродвигателями и кроме самого контактора часто имеет кнопочную станцию и аппараты защиты.  
На рисунке 1 (а, б) показаны соответственно монтажная и принципиальная схемы соединений нереверсивного магнитного пускателя. На монтажной схеме границы одного аппарата обводят штриховой линией. Она удобна для монтажа аппаратуры и поиска неисправностей. Читать эти схемы трудно, так как они содержат много пересекающихся линий. 
 
а)                                        б) 
Рисунок 1 - Схемы нереверсивного пускателя 
На принципиальной схеме все элементы одного аппарата имеют одинаковые буквенно-цифровые обозначения. Это позволяет не связывать вместе условные изображения катушки контактора и контактов, добиваясь наибольшей простоты и наглядности схемы. 
Нереверсивный магнитный пускатель имеет контактор KM с тремя главными замыкающими контактами (Л1-С1, Л2-С2, Л3-С3) и одним вспомогательным замыкающим контактом (3-5). 
Главные цепи, по которым протекает ток электродвигателя, принято изображать жирными линиями, а цепи питания катушки контактора (или цепи управления) с наибольшим током – тонкими линиями. 
Для включения электродвигателя М необходимо кратковременно нажать кнопку SB2 «Пуск». При этом по цепи катушки контактора потечет ток, якорь притянется к сердечнику. Это приведет к замыканию главных контактов в цепи питания электродвигателя. Одновременно замкнется вспомогательный контакт 3 – 5,  
что создаст параллельную цепь питания катушки контактора. Если теперь кнопку «Пуск» отпустить, то катушка контактора будет включена через собственный вспомогательный контакт. Такую схему называют схемой самоблокировки. Она обеспечивает так называемую нулевую защиту электродвигателя. Если в процессе работы электродвигателя напряжение в сети исчезнет или значительно снизится (обычно более чем на 40% от номинального значения), то контактор отключается и его вспомогательный контакт размыкается. После восстановления напряжения для включения электродвигателя необходимо повторно нажать кнопку «Пуск». Нулевая защита превращает непредвиденный, самопроизвольный пуск электродвигателя, который может привести к аварии. 
Аппараты ручного управления (рубильники, конечные выключатели) нулевой защитой не обладают, поэтому в системах управления станочным приводом обычно применяют контакторное управление. 
Для отключения электродвигателя достаточно нажать кнопку SB1 «Стоп». Это приводит к размыканию цепи самопитания и отключению катушки контактора. 
В том случае, когда необходимо использовать два направления вращения электродвигателя, применяют реверсивный магнитный пускатель, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2, а. Для изменения направления вращения асинхронного электродвигателя необходимо изменить порядок чередования фаз статорной обмотки. В реверсивном магнитном пускателе используют два контактора: КМ1 и КМ2. Из схемы видно, что при случайном одновременном включении обоих контакторов в цепи главного тока произойдет короткое замыкание. Для исключения этого схема снабжена блокировкой. Если после нажатия кнопки SВ3 «Вперед» и включения контактора КМ1 нажать кнопку SB2 «Назад», то размыкающий контакт этой кнопки отключит катушку контактора КМ1, а замыкающий контакт подаст питание в катушку контактора КМ2. Произойдет реверсирование электродвигателя.