admin / 10.12.2018

Электромагнитное реле

Принцип действия

При протекании тока через проводник, вокруг него создается магнитное поле. Это магнитное поле можно усилить, если придать проводнику форму катушки. Но все же это еще не электромагнит. Вот если в эту катушку поместить сердечник из ферромагнитного материала (например, железа), тогда он станет электромагнитом.

Когда ток протекает по обмотке электромагнита, он создает магнитное поле, линии которого пронизывают сердечник, то есть ферромагнитный материал. Под действием этого поля, в сердечнике, мельчайшие области, которые обладают миниатюрными магнитными полями, называющиеся доменами, принимают упорядоченное положение. В результате, их магнитные поля складываются, и образуется одно большое и сильное магнитное поле, способное притянуть большие предметы. Причем, чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле, которое образуется электромагнитом. Но так будет происходить только до магнитного насыщения. Затем при увеличении тока, магнитное поле будет увеличиваться, но незначительно.

Если ток в электромагните убрать, то домены снова примут безупорядоченное положение, но часть их все же останется направленными одинаково. Эти оставшиеся направленными домены, будут создавать небольшое магнитное поле. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Самый мощный электромагнит

На данный момент известно, что самый мощный электромагнит в мире удалось создать в Лос-Аламосе (США). Только представьте, сила этого магнита 100 Тл! Это больше силы магнитного поля Земли в два миллиона раз! Его масса составляет 8200 кг.

Электромагнитные реле – это коммутационные КУ, в которых управление переключением цепей осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого специальной катушкой индуктивности.

Электромагнитные реле предназначены для выполнения разнообразных функций: дистанционного или автоматического управления работой отдельных устройств, блоков систем или аппаратуры в целом; сопряжения технических устройств, в том числе работающих на различных энергетических уровнях и основанных на разных физических принципах действия; для кодирования, преобразования и распределения электрических сигналов, особенно в многоканальных системах управления, сигнализации, контроля, защиты и т. п.

Классификация электромагнитных реле. Реле классифицируют по различным признакам.

По виду управления движением контактов различают якорные и герконовые реле.

В якорном реле (рис. 11.17, а) передача усилия замыкания-размыка­ния на контакты-детали 5 производится с помощью промежуточного элемента – якоря 3.

В реле на герметизированных контактах (герконах), рис. 11.17, б, магнитное поле катушки 2 непосредственно управляет движением контактных пружин-эле­к­тродов, изготовленных из специального ферромагнитного сплава, обыч­­но пермаллоя, и помещенных в герметизированный корпус 1.

По роду управляющего тока различают реле постоянного и переменного тока.

По принципу устройства воспринимающих органов различают нейтральные и поляризованные реле. Работа нейтральных реле не зависит, а поляризованных – зависит от направления тока в управляющей обмотке.

По величине мощности, потребляемой обмоткой, реле подразделяют на высокочувствительные (до 0,01 Вт), чувствительные (до 0,05 Вт) и нормальные (более 0,05 Вт). Чувствительные и высокочувствительные реле могут использоваться в аппаратуре с включением их непосредственно от микросхем без промежуточных усилителей.

По коммутируемой мощности электромагнитные реле подразделяются на следующие группы:

слаботочные (до 60 Вт постоянного или 120 ВА переменного тока);

повышенной мощности (более 150 Вт постоянного тока или 500 ВА пере­мен­ного тока);

контакторы (коммутируемая мощность более 500 ВА).

Реле со временем срабатывания tср = 5¼50 мс называют быстро­дей­ству­ющими, реле со временем срабатывания 50¼150 мс относят к нормальнодействующим, замедленные реле (реле времени) имеют время срабатывания, превышающее 1 с.

По способу защиты от внешних воздействий окружающей среды различают следующие разновидности исполнения реле:

герметизированные – это реле, снабженные корпусом-чехлом, который заварен или запаян; внутренний объем чехла заполнен сухим воздухом или инертным газом;

зачехленные – реле, закрытые чехлом, который механически соединен с основанием (цоколем) реле; чехол может быть завальцован или залит компаундом;

открытые – реле, не имеющие корпуса (старые разработки).

По массе выпускаемые реле можно разделить на следующие группы:

микроминиатюрные (массой менее 6 г); миниатюрные (до 16 г); малогабаритные (16¼40 г); нормальные (более 40 г).

Основные параметры электромагнитных реле. К основным параметрам реле относятся электрические, временные и конструктивные параметры .

1. Чувствительность – способность реле переключаться при определенном значении мощности сигнала, подаваемого в обмотку реле. Чувствительность ха­рактеризуется минимальной мощностью Рср, подаваемой в обмотку и достаточной для приведения в движение якоря или герметизированных контактов и переключения контактов реле:

, (11.18)

где Iср (Uср) – ток (напряжение) срабатывания, А (В), см. ниже; Rобм – сопротивление обмотки, Ом.

2. Сопротивление обмотки Rобм – активное сопротивление обмотки постоянному току при Тo = 20 °С. Сопротивление обмотки при любой другой температуре определяется по формуле

Rобм = Ro, Ом, (11.19)

где Ro – сопротивление обмотки при начальной температуре To, Ом; a = 0,00392 1/К – ­ТКС меди; Т – рабочая температура окружающей среды, при которой определяется сопротивление, °С.

3. Ток (напряжение) срабатывания Iср (Uср) – минимальное значение то­­ка (на­пря­же­ния) в обмотке, при котором происходит срабатывание реле (замыкание или переключение всех контактов). Величина тока (напря­же­ния) срабатывания определяет чувствительность реле.

В ряде случаев вместо тока срабатывания пользуются понятием магнитодвижущей силы срабатывания (МДС): qср = IсрN, где N – число витков обмотки катушки реле.

4. Ток (напряжение) отпускания Iот (Uот) – максимальное значение тока (напряжения) в обмотке реле, при котором наблюдается отпускание реле (переход реле в начальное состояние).

В ряде случаев вместо тока отпускания используют понятие магнитодвижущей силы отпускания: qот = IотN, где N – число витков обмотки катушки реле.

5. Коэффициент возврата kв – отношение значения тока (МДС) отпускания к току (МДС) срабатывания:

. (11.20)

Значение kв у различных конструкций реле колеблется в широких пределах – от 0,1 до 0,98.

6. Рабочий ток (напряжение) обмотки Iр (Uр) – значение тока (на­пря­же­ния) в обмотке, при котором гарантируется срабатывание реле в эксплуатационных условиях. Значение рабочего тока (напряжения) указывается в технической документации в виде номинального значения с двусторонними допусками, в пределах которых гарантируется работоспособность реле при воздействии климатических и механических факторов. Верхнее значение рабочего тока (напряжения) ограничивается в основном температурой нагрева провода обмотки.

7. Коэффициент запаса по срабатыванию kзап – отношение рабочего тока (МДС) к току (МДС) срабатывания:

. (11.21)

Значение коэффициента запаса kзап для различных конструкций реле составляет 1,4¼2. Минимальное значение коэффициента запаса определяет ни­жнее значение рабочего тока (напряжения), обеспечивающего необходи­­мое время срабатывания, надежность работы реле при снижении напряжения питания и при увеличении сопротивления обмотки за счет ее нагрева.

8. Время срабатывания tср – интервал времени от подачи рабочего напряжения на обмотку до первого замыкания любого замыкающего, размыкания любого размыкающего контакта или до первого замыкания разомкнутой цепи любого переключающего контакта при срабатывании реле.

9. Время отпускания tот – интервал времени от момента снятия напряжения с обмотки до первого замыкания любого размыкающего, размыкания любого замыкающего контакта или до первого замыкания разомкнутой цепи любого переключающего контакта при отпускании реле.

10. Время дребезга (вибрации) контактов tдр – длительность процесса самопроизвольного размыкания и следующих за ним замыканий коммутиру­ю­­щих контактов при механических и электродинамических воздействиях на реле.

11. Частота коммутации – число срабатываний реле в единицу времени с нагрузкой на контактах.

Кроме того, электромагнитные реле характеризуются такими параметрами, как сопротивление контактов, сопротивление электрической изоляции, коммутационная способность, массогабаритные характеристики, показатели устойчивости к внешним воздействиям и др.

Промышленностью выпускается несколько сот типов и типономиналов реле различного назначения. При заказе указывается тип реле и вариант его исполнения (номер паспорта).

Например: реле РЭС42 КЩО.450.014ТУ исполнение РС4.569.151 – нейтральное герконовое, двухпозиционное, одностабильное реле.

Принцип действия электромагнитных реле. Принцип действия якор­ного реле понятен из рис. 11.17, а, приведенного выше. В нейтральном якорном реле постоянного тока при протекании постоянного тока по обмотке электромагнита 1 в магнитопроводе 2 возникает магнитный поток Ф. При этом к зазору d прикладывается практически вся магнитодвижущая сила электромагнита. Под действием МДС в зазоре развивается тяговое усилие Fм. Тяговое усилие приводит в движение якорь 3, следствием чего является замыкание или размыкание электрических контактов 5.

В реле переменного тока (рис. 11.18, а) вибрации подвижной системы, возникающие при питании электромагнита переменным напряжением, устраняются путем создания в сердечнике 4 двух или нескольких магнитных потоков, сдвинутых по фазе относительно друг друга. С этой целью на стержне электромагнита около воздушного зазора делается паз, в который вкладывается короткозамкнутый виток. Составляющая основного магнитного потока, пересекая короткозамкнутый виток, наводит в нем ЭДС. В свою очередь, возникновение ЭДС в короткозамкнутом витке приводит к появлению в нем индукционного тока и, как следствие, магнитного потока Фв, отстающего по фазе от основного магнитного потока. По этой причине результирующий магнитный поток в сердечнике никогда не достигнет нулевого значения.

В поляризованных реле (рис. 11.18, б) положение перекидного якоря 3 зависит от направления тока в обмотке электромагнита. Для этого в реле используется разветвленный электромагнит, в котором образуются два потока: управляющий и поляризующий. Катушки 1 создают в магнитопроводе 2 управляющий магнитный поток Фу в од­ном направлении. Поляризующий магнитный поток постоянного магнита 4 проходит через подвижный якорь 3, изготовленный из фер­ромагнитного материала, и разветвляется налево и направо на магнитные потоки Ф01 и Ф02. Один из этих потоков совпадает, а второй противоположен по направлению потоку Фу. На конце подвижного якоря 3 имеется контакт, который замыкается с левым или правым неподвижным контактом 5. Если магнитный управляющий поток Фу отсутствует, то якорь 3 находится в среднем положении. Однако такое равновесие является неустойчивым. При появлении в обмотке электромагнита управляющего сигнала той или иной полярности магнитный управляющий поток Фу будет складываться с потоком Ф01 или Ф02 постоянного магнита, и якорь реле будет отклоняться в левое или правое положение.

Благодаря особенностям конструкции поляризованные реле характеризуются высокой чувствительностью и малым временем срабатывания.

В герконовых реле в качестве элемента, осуществляющего контактирование, применяют герметизированные магнитоуправляемые контакты (гер­коны). Нейтральное герконовое реле постоянного тока (рис. 11.17, б) представляет собой геркон 1, помещенный внутри катушки возбуждения 2.

По способу коммутации электрической цепи различают замыкающие, размыкающие и переключающие герконы, примеры конструкций которых показаны на рис. 11.19.

Нейтральный замыкающий геркон (рис. 11.19, а) представляет собой ми­ни­атюрную стеклянную колбу с впаянными ферромагнитными (пермал­ло­е­выми) контактами-деталями 2, между концами которых оставлен зазор 3. В конструкции геркона контакты-детали 2 выполняют одновременно функции магнитопровода и контактных пружин. При воздействии внешнего магнитного поля контакты-детали 2 намагничиваются. На них действует тяговое уси­лие, сближающее их. Соприкасающиеся поверхности контактов-дета­лей обычно покрывают слоем золота, серебра или родия толщиной около 5 мкм. Эти металлы снижают переходное сопротивление и предохраняют контакты-детали от эрозии и сваривания. Внешние выводы 4 контактов деталей служат для присоединения их к электрической цепи.

В целях улучшения условий дугогашения при размыкании контактов колба заполняется инертным газом, или в ней создается разряжение. Вакуумные герконы с высокой степенью вакуума (10–3¼10–4 Па) позволяют ком­мутировать цепи с напряжением до 5×103 В. Газонаполненные контакты за­пол­няются аргоногелиевой смесью, азотом или водородом до понижен­ного давления 5×103 Па.

Нейтральные размыкающие герконы (рис. 11.19, б) состоят из двух ферромагнитных пружин, заваренных в баллон так, что их контактные поверхности в исходном положении прижаты друг к другу, а оба выводных конца расположены по одну сторону от баллона. В магнитном поле электромагнитной катушки контакт размыкается. Нейтральные размыкающие герконы не нашли широкого применения, так как они менее надежны в работе и менее технологичны. Их функции выполняют более универсальные по коммутационным возможностям переключающие контакты.

Герконы на переключение состоят из трех контактных пружин. В изображенном на рис. 11.19, в варианте конструкции имеются две ферромагнитные и одна неферромагнитная (на рисунке зачернена) пружины. В исходном положении подвижная ферромагнитная пружина прижата к неферромагнитной пружине. Под воздействием управляющего магнитного поля ферромагнитные пружины притягиваются друг к другу, в результате чего создается контакт между ними. Нейтральные переключающие герконы хотя и уступают по массовости применения замыкающим, но имеют перед ними существенные преимущества своими более широкими коммутационными возможностями.

Поляризованные реле снабжены постоянными магнитами 5, размещаемыми внутри баллона (рис. 11.19, г) или снаружи его. Управляющее магнит­ное поле, создаваемое катушкой, направлено противоположно полю постоянного магнита, являющегося частью одного из контактов, и при до­ста­точной напряженности магнитного поля вызывает переключение контакта. Поляризованные герконы не нашли широкого применения из-за тех­но­логических трудностей при изготовлении. Поэтому большинство серийно выпускаемых поляризованных герконовых реле состоят из обычных герконов и внешних магнитов, что оказывается технически и экономически более выгодным.

Пример конструкции поляризованного герконового реле на размыкание показан на рис. 11.19, д. Устройство работает следующим образом. При отсутствии тока в обмотке магнит 5 замыкает контакты-детали. Проходящий через обмотку 6 ток Iр создает магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку, создаваемому постоянным магнитом. При определенном токе в катушке этот поток является достаточным для размыкания контактов-деталей и поддержания их в разомкнутом состоянии.

Характеристики некоторых типов герконов, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в таблице 11.2.

Условное обозначение геркона состоит из шести элементов. Первый элемент определяет условное наименование геркона: МК – контакт магнитоуправляемый герметизированный. Второй элемент указывает на схему ком­мутации геркона: А – замыкающий; В – размыкающий; С – переключающий; Д – перекидной. Третий элемент Р присутствует только в ртутных герконах. Четвертый элемент указывает на длину геркона в миллиметрах и состоит из двух цифр. Пятый элемент указывает на функциональное назна­чение герконов: 1 – малой и средней мощности; 2 – повышенной мощнос­ти; 3 – мощные; 4 –вы­со­ковольтные; 5 – высокочастотные; 6 – с “па­мятью”, 7 – специальные (с повышенной устойчивостью к воздействующим факторам и характеру нагрузки); 8 – измерительные.

В обозначении могут указываться один или два признака. Герконы, хара­ктеризующиеся двумя признаками, обозначаются двумя цифрами, располагаемыми в порядке возрастания. Герконы, характеризующиеся одним признаком, обозначаются цифрой, после которой добавляется нуль.

Например: геркон МКА-27101 замыкающий, с баллоном длиной 27 мм, малой и средней мощности, первой модификации для применения в коммутационных матрицах и других цепях квазиэлектронных телефонных станций; геркон МКС-15101 переключающий, с баллоном длиной 15 мм, малой и средней мощности, первой модификации.

Таблица 11.2

Характеристики герконов

Тип

геркона

Длина бал-

ло­на, мм

Раствор контактов dо, мм

МДС срабаты­ва­ния (отпуска­­ния), А

Комму­тируе­мый ток Imax, А

Коммути­руемое напряже­ние Umax, В

Время срабаты­ва­­ния tср (отпуска­ния tот), мс

Частота комму­тации, Гц

КЭМ-1

(замыка­ющий)

50

0,22

55…110 (25…30)

1

220

3,0

(0,8)

100

КЭМ-2

(замыкаю-

щий)

20

0,07

23¼64 (10…15)

0,25

180

1,0

(0,3)

100

МК-17

(замыка­ющий, вы-

сокочас-

то­т­ный)

20

0,1

30¼80 (15)

0,25*

80

1,5

(0,3)

100

МКВ-1 (размыка-

ющий)

23

0,1

70¼110

0,2

30

(0,3)

1,0

500

МКС-15101

(переклю­чаю­щий)

15

30¼45

0,01

36

1,5

100

* Максималь­ная частота коммутируе­мого тока f = 100 МГц

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*