Общие сведения.
Современные электротехнические устройства и системы управления во всех случаях оборудованы средствами контроля за течением электрических и технологических процессов. Помимо чисто визуального контроля, осуществляемого оператором при помощи измерительных приборов и путем наблюдения за работой устройства и управляемого объекта, применяются аппараты объективного контроля — реле.
Осуществляя контроль, реле автоматически выполняют следующие действия:
полное или частичное отключение установки при всевозможных нарушениях нормального режима ее работы;
сигнализацию о состоянии контролируемых объектов и аппаратов;
производство необходимых предусмотренных переключений в схеме устройства в зависимости от заданных параметров;
соблюдение заданного времени исполнения коммутационных процессов.
Реле представляют собой элементы связи между контролируемыми параметрами и управляемым объектом. Действие реле не является непрерывным; оно вырабатывает импульс, направляемый в систему коммутации, по достижении контролируемым параметром определенного заданного значения. Такое действие реле называется его срабатыванием. Осуществляемая по этому принципу связь называется релейной связью.
Значение параметра, при котором реле срабатывает, во многих конструкциях реле может быть изменено путем соответствующей настройки. Отрегулированное значение параметра срабатывания называется уставкой реле.
Реле характеризуется следующими параметрами:
величина срабатывания Хср—параметр, под действием которого срабатывает реле;
величина возврата Хв — тот же параметр, при котором реле возвращается в исходное состояние;
коэффициент возврата — отношение величины возврата к величине срабатывания: kв=Xв/Xcр.
Коэффициент возврата обычно меньше единицы: чем ближе он к единице, тем совершеннее реле1.
Время срабатывания tср — промежуток времени от момента появления импульса, вызывающего срабатывание реле, до момента появления импульса в управляемой цепи.
Выдержка времени — длительность времени срабатывания при наличии устройств замедления.
Собственное время срабатывания реле — время срабатывания без устройств замедления (для реле мгновенного действия).
Время возврата — промежуток времени от момента прекращения действия параметра, вызвавшего срабатывание реле, до момента снятия воздействия реле на управляемую цепь.
Допустимая частота срабатывания — максимальное число срабатываний в единицу времени, не снижающее работоспособности реле.
Износостойкость — полное допустимое число срабатываний, при котором реле сохраняет работоспособность и неискаженные характеристики.
Погрешность (или разброс параметров срабатывания) — максимальное отклонение величины параметра срабатывания при многократном включении реле от его среднего значения.
Коммутационная способность для контактных реле определяет допустимую мощность или ток, разрываемый контактами; при одном и том же напряжении коммутационная способность на переменном токе примерно в 10 раз выше, чем на постоянном.
По назначению реле делятся на две большие группы: реле управления и реле зашиты. Приборы, относящиеся к указанным группам, должны отвечать разным требованиям и конструктивно отличаются одни от других.
Реле управления рассчитаны на большое количество и частоту срабатываний; к ним предъявляются повышенные требования по износостойкости и коммутационной способности контактов.
Реле защиты, срабатывающие сравнительно редко, не рассчитаны на большую частоту включений; они отличаются большей точностью работы. Кроме того, реле защиты должны обладать стойкостью по отношению к параметрам, значительно превышающим номинальные. Так, реле максимального тока должны пропускать кратковременно ток короткого замыкания. Реле защиты должны иметь более высокий коэффициент возврата.
Реле классифицируются по роду контролируемого параметра: тока, напряжения, времени и т. д.; особую разновидность составляют промежуточные и сигнальные реле. По способу образования, управляющего сигнала, вырабатываемого реле, они делятся на контактные и бесконтактные.
Реле различаются также по принципу действия и конструктивному исполнению. Существуют электромагнитные, индукционные, электронные, механические, пневматические реле и др. 1
В системах управления очень широко распространены электромагнитные реле, отвечающие требованиям высокой механической износостойкости.
Электромагнитные реле выполняются в трех конструктивных видах.
Клапанная конструкция состоит из электромагнита с притягивающимся к нему якорем, который поворачивается около оси на одном из своих концов (к клапанному виду относятся магнитные системы контакторов с поворотным якорем; см. § 2-2).
Соленоидная (или втяжная) конструкция имеет якорь, втягивающийся в катушку электромагнита при перемещении вдоль оси электромагнитной системы.
Конструкция реле с поворотным якорем представляет собой труппу полюсов неподвижного электромагнита, в поле которых помещен якорь, поворачивающийся на оси, проходящей через его центр симметрии.
Реле управления выполняется главным образом 1-й и 2-й конструктивных разновидностей. Система с поворотным якорем используется в конструкциях реле защиты.
Выбор реле производится по их техническим данным: назначению, роду тока (постоянному или переменному), номинальным значениям контролируемого параметра — тока, напряжения, времени, а для регулируемых реле — пределам регулирования. При выборе реле необходимо учитывать характеристики, перечисленные выше.
Из множества существующих реле, описание которых содержится в каталогах, здесь рассматриваются наиболее распространенные виды контактных реле управления2: реле тока, напряжения, времени и промежуточные реле.
Требованию высокой износостойкости удовлетворяют электромагнитные реле, в связи с чем этот конструктивный вид чаще всего применяется в устройствах управления.
1 Реле минимального тока и минимального напряжения (см. ниже) являются исключением; их коэффициент возврата kв>1.
2 Реле защиты рассматриваются в § 13-3. Бесконтактные реле (логические элементы) описаны в § 4-5.
Реле тока
Реле тока включаются последовательно в цепь и выполняют необходимую коммутацию (соответствующие переключения) при достижении током заданных предельных значений. В зависимости от условий реле должны реагировать на наибольшее либо наименьшее значение тока. Соответственно этому различают максимальные и минимальные реле тока.
На рис. 2-13 показано электромагнитное реле максимального тока серии РЭВ-200. Реле этого вида выполняются для переменного (РЭВ-201, РЭВ-203) и постоянного тока (РЭВ-312) от 0,6 до 630 А. Другая модификация (РЭВ-571) содержит реле на номинальный ток до 1200 А.
Рис. 2-13. Реле тока серии РЭВ-200.
1— магнитопровод; 2 — катушка; 3 —якорь; 4 — контакты; 5 — винт регулирования зазора; 6 — пружина оттягивающая; 7 — винт регулирования оттягивающей пружины.
При прохождении через катушку тока заданного значения якорь, преодолевая сопротивление регулировочной пружины, притягивается к полюсу электромагнита; при этом происходит замыкание или размыкание контактов реле.
Ток срабатывания Icр регулируется натяжением пружины в различных пределах, в зависимости от исполнения реле Iср=(1,1-:-3,5)Iн или Iср= (2,2-:-7)Iн для реле переменного тона и Iср=(0,3-:-0,65)Iв или Iср= (0,6-5- 1,5)Iн для реле постоянного тока.
Реле переменного тока с регулированием до 3,5Iн могут применяться для коммутационных цепей асинхронных двигателей с фазным ротором; с пределом до 7Iн—для двигателей с большой кратностью пускового тока, например для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Коммутирующая способность контактов (предельный ток размыкания): на переменном токе 380/220 В—10—20 А; на постоянном токе 110 В — 1—2,5 А; на постоянном токе 220 В — 0,5—1,5 А. Механический срок службы реле — до 20-106 срабатываний. Погрешность реле типа РЭВ не превышает ±10%.
Реле минимального тока по принципу конструкции и техническим данным не отличаются от рассмотренных реле максимального тока. Разница между ними заключается лишь в том, что номинальный ток срабатывания у первых обусловливает не притягивание, а отпадание якоря магнитной системы.
Реле напряжения
Реле напряжения выполняют необходимые переключения при наличии в контролируемой цепи напряжения заданного значения.
Электромагнитные реле напряжения серии РЭВ, конструктивно сходные с реле тока, выполняются для постоянного тока напряжением UH= 12, 24, 48, 110 и 220 В.
В отличие от реле тока рассматриваемые реле включаются параллельно питающему напряжению, в связи с чем они отличаются большим числом витков катушки электромагнита, а следовательно, и сопротивлением.
Напряжение срабатывания Ucp регулируется в пределах Uср = (0,3+0,6)Uн.
Коммутирующая способность контактов, погрешность и износостойкость— те же, что у реле тока.
Реле времени.
В системах управления часто бывает необходимо, чтобы изменения контролируемого параметра (тока, напряжения и пр.) вызывали не мгновенные переключения в коммутируемой цепи, а с некоторой заданной выдержкой времени. Реле времени, работая обычно в сочетании, с другими реле (например, тока или напряжения) или с контакторами обеспечивают необходимую выдержку времени срабатывания.
Электромагнитные реле времени срабатывают при отпадании якоря и действуют на постоянном токе. Они конструктивно подобны реле тока и отличаются тем, что имеют особое устройство, замедляющее спад магнитного потока, удерживающего якорь в притянутом состоянии при отключении катушки. Устройство замедления представляет собой токопроводящую гильзу, надетую на стержень сердечника магнитопровода
Рис. 2-14. Электромагнитное реле времени с демпферной гильзой.
1 — магнитопровод; 2 —демпферная гильза; 3— катушке; 4— якорь; 5 — немагнитная прокладка; 6 — контакты; 7 —оттягивающая пружина; 8 — регулировочная гайка.
(рис. 2-14). Такая гильза называется демпферной.
Реле работает следующим образом. При наличии тока в катушке реле якорь притянут к сердечнику под действием постоянного магнитного потока Ф. Отключение катушки влечет за собой изменение магнитного потока от значения Ф до нуля. При этом, согласно закону Ленца, в замкнутом контуре гильзы наводится ток, направленный на поддержание исчезающего магнитного потока.
Снижение магнитного потока Ф· происходит по закону экспоненциальной функции:
где t — текущее время; Tэ=L/r — электромагнитная постоянная времени; L и r — соответственно индуктивность и сопротивление замкнутого витка, образованного гильзой.
В определенный момент магнитный поток снижается до такого значения, при котором якорь перестает удерживаться в притянутом состоянии и под действием возвратной пружины отпадает, что влечет за собой замыкание (или размыкание) контактов реле.
На рис. 2-15 показан характер спада магнитного потока, конечное значение которого соответствует остаточному магнетизму в сердечнике. Как видно из рисунка, уставка времени отпадания реле tу соответствует определенному значению магнитного потока Фотп - потоку отпускания.
На внутренней стороне якоря закрепляется плоская тонкая немагнитная прокладка; она предотвращает прилипание якоря к сердечнику.
Регулирование уставки времени осуществляется путем изменения потока отпускания натяжением возвратной пружины, а также изменением толщины немагнитной прокладки.
При включении катушки реле также действует закон инерции магнитного потока, определяемый в данном случае возрастающей экспоненциальной функцией. Однако при разомкнутом магнитопроводе индуктивность L, а следовательно, и постоянная времени Tэ малы, и притягивание якоря происходит практически без выдержки времени. Поэтому электромагнитные реле времени работают с выдержкой времени при отпадании якоря.
Рис. 2-15. Кривая спада магнитного потока электромагнитного реле времени.
Эффект замедления спада магнитного потока может быть достигнут на реле тех же конструкций и без демпферной гильзы. В этом случае срабатывание должно происходить при закорачивании его катушки. Замедленный спад магнитного потока обусловлен тогда электродвижущей силой и током самоиндукции в катушке.
Электромагнитные реле серии РЭВ изготовляются с пределами выдержки времени:
Реле времени серии РЭВ рассчитаны на напряжение 12, 24, 48, 110, 220 В. Цифровые обозначения типа определяют различные комбинации замыкающих и размыкающих контактов.
Некоторые разновидности реле изготовляются без демпферной гильзы; роль последней выполняет массивное алюминиевое основание, в которое встроен сердечник магнитопровода.
Электромагнитные реле работают в режиме большого насыщения за пределом колена кривой намагничивания, поэтому колебания напряжения на катушке не оказывают существенного влияния на параметры срабатывания реле.
Коэффициент возврата реле составляет 0,3. Реле представляет собой весьма надежную конструкцию, рассчитанную на число включений
Рис. 2-16. Схема маятникового реле времени.
1,2 — контакты; 3 — вал выключателя или реле мгновенного действия; 4 — двуплечий рычаг; 5 — зубчатый сегмент; 6 — зубчатые колеса; 7—анкерное устройство с храповым колесом в маятником.
до 20 млн. Коммутационная способность контактов та же, что и у реле напряжения и тока. Погрешность реле не превышает ±10%.
Механические реле времени выпускаются в различных исполнениях: маятниковые,
двигательные и др. Рассмотрим принцип действия таких реле.
Маятниковое реле, кинематическая схема которого представлена на рис. 2-16, работает в сочетании с аппаратом мгновенного действия: контактором, выключателем или реле, не имеющим элемента времени. Приводом реле в данном случае служит вал контактора, выключателя или другого аппарата.
При повороте вала подвижной системы аппарата мостик сближается с контактами реле. Замыкание последних происходит с выдержкой времени, поскольку анкерное устройство задерживает поворот системы, шестерен, сцепленных с зубчатым сектором, который закреплен на конце двуплечего рычага, несущего контактный мостик.
Выдержка времени реле обычно регулируется до 10 с изменением длины пути зацепления зубчатой пары сегмента с колесом и длины маятника. Погрешность реле, не превышает ±10%.
Маятниковые реле выполняются также с электромагнитным приводом, когда срабатывание контактов происходит в результате притягивания якоря к сердечнику электромагнита. Задержка срабатывания обусловлена действием анкерного устройства подобно рассмотренному.
Двигательные реле времени имеют в качестве движущего элемента коллекторный или синхронный микродвигатель. Уставка времени регулируется изменением передаточного числа редуктора, связывающего вал двигателя с контактной системой. Двигательные реле могут быть отрегулированы на выдержку времени до 180 с и работают с высокой точностью.
Промежуточные реле
Часто оперативные реле, работающие в различных схемах, своими: контактами замыкают или размыкают цепи других аппаратов, токи в которых превышают коммутационную способность контактов реле. Кроме того, возможны случай, когда срабатывание оперативного реле должно повлечь за собой не одно, а несколько разнохарактерных переключений в различных цепях. В последнем случае импульс срабатывания, оперативного реле должен быть размножен.
Функции дублирования импульса, разгрузки контактов основного реле и размножения числа коммутируемых цепей выполняют промежуточные реле.
Конструктивно они выполняются в виде электромагнитных аппаратов клапанного или соленоидного типа. Промышленность изготовляет промежуточные реле для работы на постоянном и переменном токе, с токовыми катушками и катушками напряжения.
Реле с токовыми катушками включаются в цепи управления последовательно; срабатывание их зависит от тока цепи. Промежуточные реле напряжения своими катушками включаются на полное напряжение цепей управления.
Реле постоянного тока параллельного включения изготовляются на напряжения 24, 48, 110 и 220 В; реле переменного тока — на 36, 127, 220 и 380 В.
Имеется множество модификаций промежуточных реле клапанного и соленоидного исполнений. Принципиального различия они не имеют, каталоги электроаппаратов содержат исчерпывающие сведения о реле любых типов. Ниже в качестве примера рассматриваются некоторые из них.
Реле клапанной конструкции. Сюда относятся несколько разновидностей, различающихся числом контактов.
Реле серии РЭВ выпускаются для постоянного и переменного тока; они аналогичны рассмотренным выше реле тока и напряжения. Реле имеют обычно две пары контактов, коммутационная способность которых та же, что у прочих реле этой серии. Погрешность, износостойкость, время срабатывания и другие характеристики не отличаются от параметров реле напряжения и тока серий РЭВ.
Рис. 2-17. Промежуточное реле типа МКУ-48.
1 — магнитопровод; 2 — якорь; 3 — изолирующая рамка; 4 — контакты; 5 — катушка.
Реле МКУ-48 отличаются компактностью при большом количестве контактов.
Реле выполняются для постоянного и переменного тока, последовательного или параллельного включения.
Принцип работы реле усматривается из рис. 2-17. Под действием поля электромагнита якорь с закрепленной на нем изолирующей рамкой, поворачиваясь около своей оси, притягивается электромагнитом и смещает систему подвижных контактов относительно неподвижных. Контактная система содержит до шестнадцати контактов; их можно набрать в различных сочетаниях для получения необходимого количества замыкающих и размыкающих групп. Возврат реле в исходное положение осуществляется пружиной.
Собственное потребление катушек реле при постоянном токе составляет 3 Вт, при переменном — от 5 до 7 Вт. Мощность размыкания контактов при постоянном токе с индуктивной нагрузкой — около 50 Вт, в цепях переменного тока—до 500 В·А. Реле надежно работают при напряжении от 85 до 110% номинального. Собственное время срабатывания, зависящее от числа контактных групп, не превышает 0,03 с. Износостойкость реле—1 млн. срабатываний.
Реле соленоидного типа срабатывает при втягивании электромагнитом якоря, перемещающегося в вертикальном направлении.
Примером соленоидного реле могут служить реле переменного тока типа РП-1, РП-2 и РП-3, выпускаемые для параллельного включения на напряжение 12, 24, 36, 127, 220 и 380 В.
Реле имеет до шести контактных групп, исполняемых в различных сочетаниях замыкающих и размыкающих контактов. При втягивании якоря тяга, несущая контактные мостики, замыкает одни и размыкает другие группы. Реле выдерживает не менее 3 млн. срабатываний при частоте до 2000 в 1 ч. Контакты рассчитаны на длительный ток 12 А; отключаемая мощность при переменном токе — до .1200 Β·Α. Реле предназначены только для вертикальной установки.
