Поляризованные электромагнитные реле

В отличие от рассмотренных ранее нейтральных электромагнитных реле, у поляризованного реле направление электромагнитного усилия зависит от полярности сигнала постоянного тока в обмотке. Поляризация этих реле осуществляется при помощи постоянного магнита.

Существует много конструктивных разновидностей поляризованных реле, которые классифицируются по ряду признаков. По конструктивной схеме магнитной цепи различают реле с последовательной, параллельной (дифференциальной) и мостовой магнитными цепями, по числу обмоток управления — одно и многообмоточные, по способу настройки контактов (числу устойчивых положений якоря) — двух- и трехпозиционные.

Поляризованные реле могут быть использованы также в качестве вибропреобразователей, но наибольшее распространение они получили в маломощной автоматике, особенно в следящих системах при управлении реверсивными двигателями.

К числу достоинств поляризованных реле относятся:

- высокая чувствительность, которая характеризуется малой мощностью срабатывания и составляет 10^-5 Вт;

- большой коэффициент управления;

- малое время срабатывания (единицы миллисекунд).

Недостатки по сравнению с нейтральными электромагнитными реле следующие:

- несколько сложнее конструкция;

- большие габаритные размеры, вес и стоимость.

В поляризованных реле используют дифференциальные и мостовые схемы магнитных цепей, которые имеют много разновидностей (название цепей определяется типом электрической схемы замещения электромагнитной системы). На рис. 6.5 изображено поляризованное реле с дифференциальной схемой магнитной цепи.

Рисунок 6.5. Поляризованное реле с дифференциальной схемой магнитной цепи: 1,1’ - намагничивающие катушки; 2- ярмо; 3- постоянный магнит;

4- якорь; 5,5^’- контакты.

На якорь реле действует два независимых друг от друга потока: поток Ф_0(п), создаваемый постоянным магнитом 3 и не зависящий от рабочего состояния схемы, в которую включено реле, и рабочий (управляющий) поток Ф_э(р), создаваемый намагничивающими катушками 1 и 1’ изависящий от тока, протекающего по их обмоткам.

Электромагнитное усилие, действующее на якорь 4, зависит, таким образом, от суммарного действия потоков Ф_э(р) и Ф_0(п). Изменение направления электромагнитного усилия при изменении полярности тока в рабочей обмотке происходит вследствие того, что изменяется направление рабочего потока относительно поляризующего.

Поляризующий поток Ф_0(п) проходит по якорю и разветвляется на две части — Ф₀₁ и Ф₀₂ в соответствии с проводимостями воздушных зазоров слева δ_Л и справа δ_пр от якоря. В зависимости от полярности управляющего сигнала рабочий поток Ф_э(р) вычитается из потока Ф₀₁ в зазоре слева от якоря и прибавляется к потоку Ф₀₂ справа от якоря (как показано на рис. 6.5), или наоборот. В случае, показанном на рисунке, якорь перекинется из левого положения в правое. При выключении сигнала якорь будет находиться в том положении, которое он занимал до выключения сигнала. Таким образом, результирующее электромагнитное усилие, действующее на якорь, будет направлено в строну того зазора, где магнитные потоки суммируются.

Поляризованные реле находят широкое применение в схемах автоматики благодаря своим характерным особенностям. Наличие нескольких обмоток позволяет использовать их в качестве логических элементов, небольшая мощность срабатывания — в качестве элементов контроля небольших электрических сигналов, малое время срабатывания и чувствительность к полярности входных сигналов — в качестве амплитудных модуляторов и демодуляторов. Благодаря высокой чувствительности поляризованные реле часто используют в маломощных цепях переменного тока с включением через выпрямитель.

Реле времени

Реле времени создает регулируемую выдержку времени от момента подачи сигнала на срабатывание до момента замыкания (или размыкания) контактов. Программное реле — это разновидность реле времени с несколькими контактами, имеющими различные регулируемые, как правило, независимые друг от друга выдержки времени. Например, существуют реле счета импульсов, контакты которых замыкаются после отсчета заранее заданного числа импульсов, подаваемых на катушку управления. Устройство таких реле имеет много общего с шаговыми искателями.

Для создания выдержки времени применяются электрический разрядный RC - контур, электромагнитные реле с короткозамкнутыми гильзами, механические механизмы (анкерный и планетарный), пневматические и др.

На рис. 6.6 дана схема реле времени с пъезокерамическим элементом. Пьезокерамические материалы, полученные, например, на основе титаната бария, обладают свойством изменять свои линейные размеры в электрическом поле. Пьезокерамический биморфный элемент (БЭ) состоит из двух прочно склеенных пластинок, на наружных поверхностях которых, а также в месте их соединения размещены металлические обкладки. Верхний слой элемента в электрическом поле удлиняется, нижний — укорачивается. В результате этот элемент, консольно закрепленный на одном конце, изгибается, что приводит к замыканию контакта К1. При снятии электрического поля с обкладок деформация биморфного элемента исчезает, контакт К1 размыкается, а контакт К2 замыкается.

Рисунок 6.6. Схема реле времени с пьезокерамическим элементом.

При замкнутой кнопке управления (КУ) конденсатор С и обкладки БЭ заряжены до напряжения U₀ и сам БЭ деформирован. При отключении КУ начинается разряд конденсатора С на резистор R. Напряжение на обкладках БЭ постепенно снижается, и его механическая деформация также постепенно исчезает.

Процесс разряда конденсатора описывается уравнением

Решение этого уравнения при начальном условии t = 0 и I = I ₀ имеет вид

Изменение напряжения на конденсаторе в обкладках БЭ описывается аналогичной зависимостью

Допустим, что реле срабатывает и его контакт К2 замыкается, когда напряжение снизится до значения U_cpa6. Тогда время срабатывания

Реле времени с электромагнитным замедлением (электромагнитное реле времени) основано на использовании вихревых токов для замедления срабатывания электромагнитной системы. На магнитопровод 1 (рис. 6.7) надета металлическая (обычно медная) гильза (или шайба) 3, равнозначная короткозамкнутой обмотке с одним витком. Когда изменяется основной поток Ф_о, созданный током катушки 2, в гильзе 3 наводятся вихревые токи, поток Ф_вх от которых имеет направление, препятствующее изменению основного потока в соответствии с принципом инерции Ленца. Когда поток Ф_о нарастает, поток Ф_вх имеет противоположное направление, а когда Ф_о снижается — направление Ф_вх совпадает с Ф_о.

Рисунок 6.7. Электромагнитное реле времени:

1-магнитопровод; 2- катушка; 3- медная гильза.

Широко распространены реле времени с механическим замедлением, в частности с часовым механизмом. В таких реле (рис. 6.8) при подаче напряжения на электромагнитный привод 1 растягивается пружина 2 и часовой механизм приходит в действие. Анкер 4, поворачиваясь вокруг оси О₂, «перепускает» зубчатый диск 3, который вращается вокруг оси О₁. Перемещающийся вместе с ним рычаг 8 в конце пути упирается в пластинчатый контакт 9 и замыкает его. Храповой механизм дает подвижной системе реле возможность возвратиться в исходное положение, когда будет снято напряжение электромагнитного привода 1. Возврат осуществляется специальной пружиной (на рисунке не показана). Изменяя расстояние от грузика 5 до оси О₂ и массу грузика, можно регулировать момент инерции анкера и через него — выдержку времени реле.

Рисунок 6.8 Реле времени с анкерным механизмом:

1-электромагнитный привод; 2- пружина; 3- зубчатый диск; 4- анкер; 5- грузик; 6- храповое колесо; 7- собачка; 8- рычаг; 9- пластинчатый контакт

Выдержка времени, создаваемая реле с часовым механизмом,

где α — угол поворота подвижной системы от начала движения до замыкания контактов; n — передаточное число зубчатого механизма; z — число зубьев ходового колеса; T _а — период колебаний анкера,

здесь J — момент инерции анкера; φ — угол поворота анкера при колебаниях; М _дв — момент, создаваемый движущимися силами; M _прд — момент, создаваемый противодействующими силами.

В некоторых реле применяется пневматическое или гидравлическое замедление. Изменением сечения отверстия, через которое проникает воздух (или жидкость) из одного объема в другой, достигается регулировка выдержки времени. Наиболее высокие выдержки времени (до несколько часов) достигаются в реле с планетарным механизмами.

Тепловые реле

Измерительным органом теплового реле является биметаллический элемент, который при нагреве изгибается и переводит контактную систему в отключенное или включенное состояние. Биметаллический элемент представляет собой двухслойную пластинку из металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). При нагреве слой термоактивного металла существенно расширяется, в то время как слой термоинертного металла почти не деформируется. Если один конец биметаллической пластинки жестко закрепить, то другой свободный конец ее будет изгибаться.

Пластинки биметаллического элемента, прочно соединенные между собой, должны иметь возможно большую разность ТКЛР, что будет увеличивать чувствительность теплового реле. Пределы упругости компонентов биметалла должны быть высокими. В этом случае для них допустима большая температура нагрева, не вызывающая остаточных деформаций.

В качестве материала с низким ТКЛР (термоинертного компонента) часто применяется сплав никеля с железом, называемый инваром. Инвар 36Н содержит 36 % никеля, инвар 39Н — 39 %. В качестве термоактивного компонента с высоким ТКЛР используются различные стали, латунь, константан и другие материалы.

На рис. 6.9 изображена конструктивная схема теплового реле. Биметаллическая пластина 1 такого реле упирается в верхний конец пружины 7. Нижний конец пружины давит на выступ пластмассовой колодки 4, которая может поворачиваться вокруг оси О₁.

Рисунок 6.9. Схема теплового реле:

1-биметаллическая пластина; 2- кнопка ручного возврата; 3,8- упоры; 4- пластмассовая колодка; 5- подвижный контакт; 6- неподвижный контакт; 7- пружина

В положении, изображенном на рис. 6.9, движение пластины 1 и верхнего конца пружины 7 влево ограничено упором 8. Сила пружины 7 воздействует на выступ пластмассовой колодки 4 так, что она оказывается повернутой по часовой стрелке, а укрепленный на ней подвижный контакт 5 — замкнутым с неподвижным контактом 6.

Рисунок 6.10. Характеристика теплового реле

При протекании повышенного тока по нагревательному элементу — НЭ (или непосредственно по пластине 1) — биметаллическая пластина 1 нагревается и ее нижний конец перемещается в направлении стрелки А. В результате верхний конец пружины 7переходит вправо и создаваемая ею сила воздействует на колодку 4 так, что она поворачивается на некоторый угол против часовой стрелки, а контакты 5 и 6 размыкаются. Упоры 3 и 8 ограничивают перемещение нижнего конца пластины 1. Возврат реле в исходное положение происходит самопроизвольно, когда биметаллическая пластинка остынет. В других конструкциях перевод реле в исходное положение осуществляется кнопкой ручного возврата 2.

На рис. 6.10 дана типичная для тепловых реле зависимость времени срабатывания t от тока I. При минимальном (пограничном) токе срабатывания I _погр время срабатывания велико, с увеличением тока оно уменьшается.