Устройство электромагнитного реле

Электромагнитные  реле

Реле́ - электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.

Релейные элементы (реле) находят широкое применение в  схемах управления и автоматики, так  как с их помощью можно управлять  большими мощностями на выходе при  малых по мощности входных сигналах; выполнять логические операции; создавать  многофункциональные релейные устройства; осуществлять коммутацию электрических  цепей; фиксировать отклонения контролируемого  параметра от заданного уровня; выполнять  функции запоминающего элемента и т. д.

Физик Джозеф Генри

Первое реле было изобретено американцем Дж. Генри в 1831 г. и базировалось на электромагнитном принципе действия, следует отметить что первое реле было не коммутационным, а первое коммутационное реле изобретено американцем С. Бризом Морзе в 1837 г. которое в последствии он использовал в телеграфном аппарате. Слово реле возникло от английского relay, что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты уставшим спортсменом.

Рис 1.Электромагнитное реле

 

1.Классификация реле

Реле классифицируются по различным признакам: по виду входных  физических величин, на которые они  реагируют; по функциям, которые они  выполняют в системах управления; по конструкции и т. д. По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и т.д. реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

 

 
По начальному состоянию контактов выделяются реле с:

Нормально замкнутыми контактами; 
Нормально разомкнутыми контактами; 
Переключающимися контактами. 
По типу управляющего сигнала выделяются реле:

Постоянного тока;

2.Устройство реле

Реле состоит из трех основных функциональных элементов:

1). Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину.

2). Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент.

3). Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом.

Воспринимающий элемент  в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству. Например, в реле максимального тока или реле напряжения воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, в реле давления - в виде мембраны или сильфона, в реле уровня - в вице поплавка и т.д.

По устройству исполнительного  элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.

Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).

 

3. Основные характеристики  электромагнитного реле

Основные характеристики реле определяются зависимостями между  параметрами выходной и входной  величины.

Различают следующие основные характеристики реле.

1. Величина срабатывания Х_ср реле - значение параметра входной величины, при которой реле включается. При Х < Х_ср выходная величина равна У_min, при Х > Х_ср величина У скачком изменяется от У_min до У_max и реле включается. Величина срабатывания, на которую отрегулировано реле, называется уставкой.

2. Мощность срабатывания Р_ср реле - минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу для перевода его из состояния покоя в рабочее состояние.

3. Управляемая мощность Р_упр - мощность, которой управляют коммутирующие органы реле в процессе переключении. По мощности управления различают реле цепей малой мощности (до 25 Вт), реле цепей средней мощности (до 100 Вт) и реле цепей повышенной мощности (свыше 100 Вт), которые относятся к силовым реле и называются контакторами.

4. Время срабатывания  t_ср реле - промежуток времени от подачи на вход реле сигнала Хср до начала воздействия на управляемую цепь. По времени срабатывания различают нормальные, быстродействующие, замедленные реле и реле времени. Обычно для нормальных реле t_ср = 50...150 мс, для быстродействующих реле t_ср<1 с.

4.Принцип действия и устройство  электромагнитных реле

Электромагнитные реле, благодаря  простому принципу действия и высокой  надежности, получили самое широкое  применение в системах автоматики и  в схемах защиты электроустановок. Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, а поляризованные реле реагируют на полярность управляющего сигнала.

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом  сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются  крышкой.

Рис2.Электромагнитное реле:

1 - контактные пружины; 2 - контакты; 3 - якорь; 4 - сердечник; 5 – обмотка

Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие  парные неподвижные контакты.

Рис 3. Рисунок, поясняющий принцип действия реле.

В исходном положении якорь  удерживается пружиной. При подаче напряжения электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.

Рис 4. Работа электромагнитного реле

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, более того в управляемой цепи величина тока может быть намного  больше чем в управляющей. То есть реле по сути выполняют роль усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи.

Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки  тока определенной частоты, то есть основным источником энергии является сеть переменного  тока. Конструкция реле переменного  тока напоминает конструкцию реле постоянного  тока, только сердечник и якорь  изготавливаются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи.

5.Достоинства и недостатки  электромагнитных реле

Электромагнитное реле обладает рядом преимуществ, отсутствующих  у полупроводниковых конкурентов:

1. способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см³;
2. устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;
3. исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой - последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей;
4. малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете;
5. экстремально низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами.

 Отмечая достоинства электромеханики, отметим и недостатки реле: малая скорость работы, ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс, создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов и, наконец, последнее и самое неприятное свойство - проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.

Типовая практика применения мощных электромагнитных реле - это  коммутация нагрузок на переменном токе 230 В или на постоянном токе от 5 до 24 В при токах коммутации до 10-16 А. Обычными нагрузками для контактных групп мощных реле являются нагреватели, маломощные электродвигатели (например, вентиляторы и сервоприводы), лампы накаливания, электромагниты и прочие активные, индуктивные и емкостные потребители электрической мощности в диапазоне от 1 Вт до 2-3 кВт.

Виды реле

Производства  СССР (РП21, РЭН18)

Современные реле. Китай, Европа

 

Основные типы электромагнитных реле 
 
На электромагнитном принципе выполняются реле трех основных типов: реле с втягивающимся якорем, реле с поворотным якорем и реле с поперечным движением якоря. 
 
Реле с втягивающимся якорем (рис 5) состоит из неподвижного сердечника (полюса) 1, катушки (обмотки)7, стального якоря 2, подвижного контакта 4, укрепленного на якоре с помощью изоляционной планки, неподвижных контактов 3, упора 6 и противодействующей пружины 5.

Рис 5. Принцип действия электромагнитного  реле

с втягивающимся якорем

 

При отсутствии тока в реле якорь под влиянием пружины и собственного веса находится в нижнем положении, на упоре. При подаче тока в катушку реле возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник 1 и якорь 2. В результате этого якорь притягивается к сердечнику и укрепленный на нем контакт 4 замыкает контакты 3. 
 
С помощью электромагнитной системы такого типа выполняются реле прямого действия, отключающие и включающие электромагниты приводов выключателей и другие аппараты. 
 
Реле с поворотным якорем (рис 6-1) и реле с поперечным движением якоря (рис 6-2) состоят из стального сердечника (магнитопровода) 1, катушки (обмотки) 7, стального якоря 2, подвижного контакта 4, укрепленного на якоре(рис 6-1)или на оси якоря (рис 6-2), неподвижных контактов 3, упора 6 и противодействующей пружины 5. Действие этих реле аналогично действию рассмотренного выше реле с втягивающимся якорем. 
 

Рис 6.Принцип действия электромагнитных реле с поворотным якорем 1; споперечным движением якоря 2;

 
Работа электромагнитных реле на переменном токе . 
 
При периодическом изменении направления переменного тока, проходящего по обмотке электромагнитного реле, также периодически изменяется полярность намагничивания как сердечника, так и якоря реле. Поэтому сердечник и якорь всегда обращены друг к другу разноименными полюсами и притягиваются.

Следовательно, направление  силы притяжения якоря не зависит  от направления тока в обмотке  реле, и поэтому электромагнитные реле могут применяться как для  постоянного, так и для переменного  тока. 
 
Однако при включении обмотки электромагнитного реле в цепь переменного тока сила притяжения якоря также будет переменной по величине и, как показано на рис. 3-3, будет изменяться с двойной частотой от нуля до наибольшего значения.

Таким образом, если частота  переменного тока составляет 50 Гц, то сила притяжения якоря будет 100 раз  в течение 1 с достигать наибольшего значения и 100 раз становиться равной нулю. 

 
Вследствие этого, когда электромагнитная сила притяжения F_Э,

 

уменьшаясь, становится меньше противодействующей силы F_M, создаваемой пружиной и весом якоря, якорь будет отходить, а затем вновь притягиваться при нарастании силы притяжения. Эти колебания якоря (вибрация) ухудшают работу контактов реле, вызывают их подгорание и неприятное гудение реле. Особенно нежелательна вибрация у реле, работающих нормально с притянутым якорем (например, магнитные пускатели). 
 
Для устранения вибрации на часть полюса сердечника насаживается медный короткозамкнутый виток, называемый экраном (рис. 3-4). Благодаря этому магнитный поток, создаваемый током, проходящим по обмотке реле, расщепляется на два потока Ф ₁ и Ф₂, сдвинутые между собой на некоторый угол. Каждый магнитный поток будет создавать силу притяжения якоря F_Э1 и F_Э2. В результате суммарная сила притяжения F_Э.СУМ равная F_Э1+ F_Э2 (рис. 3-5), будет иметь незначительные колебания и всегда будет превышать противодействующую силу пружины и веса якоря F_М. Поэтому реле с экранами вибрации подвижной системы не имеют.