Релейным элементом (реле) называется устройство, в котором осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала под воздействием управляющего (входного) сигнала, изменяющегося непрерывно в определенных пределах (рис. 1).
Реле широко применяют в системах автоматики и электропроводе, 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 οι заданного уровня, выполнять функции запоминающего элемент и т. д.
На рисунке 1 приведена характеристика управления реле, отражающая зависимость выходной величины от входной. При достижении определенного значения входной величины Хср выходная величина вменяется скачкообразно, т. е. происходит срабатывание реле. Большинство реле имеют характеристику управления с гистерезисной петлей, т. е. значение выходной величины, при котором происходит переход выходной величины в исходное состояние Х1, (отпускание реле), не равно параметру срабатывания Хср.
Рис. 1. Характеристика управления реле
Классификация реле.
Реле классифицируют по следующим признакам: роду входных физических величин, на которые они реагируют; функциям, которые они выполняют в системах управления; конструкции и т. п.
По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и другие реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальное реле), изменение знака величины (поляризованное реле) или скорость изменения входной величины.
Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного.
Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует ее в другую физическую величину.
Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент. Исполнительный элемент передает воздействие от реле в управляемые цепи. Эти элементы могут быть выполнены самостоятельно или объединены между собой.
По устройству исполнительного элемента различают контактные и бесконтактные реле. 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 путем резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).
Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, па которую он реагирует, может иметь различные исполнения как по принципу действия, так и по устройству. Например, в реле максимального тока или реле напряжении воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, а в реле давления — в виде мембраны или сильфона, в реле уровня — в виде поплавка и т. д.
Основные характеристики
Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами входной и выходной величины. Различают следующие основные характеристики реле:
величина срабатывания Хср — значение параметра входной величины, при котором реле включается. При Х<Хср выходная величина равна при Х>Хср величина У скачком изменяется от Утин до Умах и реле включается. Величина срабатывания, на которую отрегулировано реле, называется уставкой;
мощность срабатывания Рср — минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу реле, чтобы перевести его из состояния покоя в рабочее состояние;
управляемая мощность — мощность нагрузки, которой управляют коммутирующие органы реле в процессе переключений. По мощности управления различают реле цепей малой мощности (до 25 Вт), средней мощности (до 100 Вт) и повышенной мощности (свыше 100 Вт). Последние относятся к силовым реле и называются контакторами;
время срабатывания tcp — 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.
Электромагнитные реле благодаря простой конструкции и высокой надежности широко применяют в различных системах управления, защиты, контроля и т. д. Электромагнитным называется реле, у которого контакты перемещаются при притягивании якоря к сердечнику электромагнита, по обмотке которого протекает электрический ток.
Устройство электромагнитного реле.
Основные части электромагнитного реле: контактная система, магнитопровод (ярмо, сердечник, якорь) и катушка. Существуют реле различных конструктивных форм, но наиболее распространены среди них реле с поворотным якорем. На рисунке 3 изображена конструктивная схема электромагнитного реле постоянного тока с поворотным якорем. Реле состоит из контактных пружин 1 с контактами 2, якоря 3, латунного штифта отлипания 4, служащего для облегчения отрыва якоря от сердечника при выключении управляющего сигнала, каркаса с обмоткой 5, сердечника 6 и ярма 7. При протекании электрического тока по обмотке 5 возникает магнитное поле. Магнитный поток замыкается через ярмо 7, якорь 3, воздушный зазор между якорем и сердечником и через сердечник 6. Сердечник и якорь намагничиваются, в результате чего возникает электромеханическая сила и якорь притягивает к неподвижному сердечнику 6. При этом конец якоря сжимает контактные пружины 1 и замыкает (размыкает) контакты 2.
Рис. 3. Конструктивная схема электромагнитного реле:
1 — контактные пружины; 2— контакты; 3 — якорь; 4 — штифт отлипания; 5—обмотка; 6—сердечник; 7 — ярмо
При отключении обмотки от сети исчезает сила, притягивающая якорь к сердечнику, и под действием контактных пружин якорь возвращается в исходное положение.
Обмотку реле показывают на принципиальных электрических схемах так, как на рисунке 4, а. Реле может иметь различное число контактов. Некоторые из них разомкнуты при отсутствии тока и обмотке и замыкаются при срабатывании реле. На принципиальных схемах их изображают так, как на рисунке 4, б. Другие контакты замкнуты при отсутствии тока и размыкаются при срабатывании реле. Их обозначают, как показано на рисунке 4, в.
Рис. 4. Условные обозначения реле:
а — катушки; б—замыкающегося контакта; в — размыкающегося контакта
На принципиальных электрических схемах положение контактов реле показывают для обесточенного состояния катушки данного реле.
Реле переменного тока
Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки переменного тока определенной частоты. Эти реле применяют в тех случаях, когда основным источником энергии является есть переменного тока.
Конструкция реле переменного тока напоминает конструкцию реле постоянного тока, только сердечник и якорь реле переменного тока изготовляют из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи.
Если не предпринимать специальных мер, то электромеханическая сила, с помощью которой притягивается подвижный якорь реле переменного тока, становится пульсирующей и проходит через нуль дважды за период питающего напряжения (кривая F, на рис. 4, а). Для устранения вибраций якоря торец неподвижного сердечника реле расщепляется на две части (рис. 4, б), на одну из которых насаживается короткозамкнутый медный виток, выполняющий роль экрана.
При подаче переменного питающего напряжения на обмотку реле по сердечнику приходит переменный магнитный поток Ф, который у конца сердечника разветвляется. В результате воздействия потока Ф, исток Ф, отстает по фазе относительно потока Ф, на угол 60...80°. Потоки Ф1 и Ф2 создают электромеханические усилия F1 и 2, сдвинутые между собой также на угол 60...80°. Поэтому суммарное электромеханическое усилие, приложенное к ярму (FэM на рис. 4, а), никогда не равно нулю, поскольку обе его составляющие F1 и F2 проходят через нуль в разные моменты времени.
Широко распространены реле, в которых применяют герметизированные контакты (герконы). Магнитоуправляемый герметизированный контакт (геркон) представляет собой стеклянную ампулу 1 (рис. 5), заполненную инертным газом, в которую впаяны упругие ферромагнитные пластинки 2. Зазор между пластинками составляет порядка 300...500 мкм.
Рис. 5.44. К принципу действия реле переменного тока:
а — кривые сил; б — конструкция
Рис. 5. Схема устройства герконового реле
Управление герконом возможно как с помощью постоянного магнита, так и с помощью обмотки, намотанной непосредственно на геркон (см. рис. 5). В последнем случае устройство называется герконовым реле постоянного тока. Герконовые реле существенно надежнее обычных и имеют гораздо меньшие размеры и массу.
Реле времени
Реле времени представляют собой устройства, конструкция которых содержит специальный узел, обеспечивающий задержку появления (исчезновения) выходного сигнала после подачи (снятия) входного. Реле времени можно классифицировать по принципу действия на следующие группы: с электромагнитным замедлением, с пневматической задержкой, моторные реле времени, с часовым механизмом, электронные и т. д.
В реле времени с электромагнитным замедлением задержка в срабатывании или отпускании создается электромагнитным демпфированием, осуществляемым специальной короткозамкнутой об моткой или гильзой из меди, латуни или алюминия, размещенной на магнитопроводе реле. Эти реле просты и надежны. Выдержка времени в них составляет 0,15...10 с и зависит от толщины немагнитной прокладки между якорем и сердечником и натяжения пружины. Недостатки реле — большие размеры и небольшой диапазон выдержек времени.
В электромагнитных реле времени с пневматической задержкой задержка создается пневматическим механизмом, пристроенным к приводному механизму электромагнитного типа. Эти реле обеспечивают выдержку времени в диапазоне 0,2... 180 с.
Для получения различных по величине регулируемых выдержек времени по нескольким выходным цепям широко применяют моторные реле времени. Они представляет собой электромеханическое устройство с приводом от электродвигателя. Вращение от двигателя через редуктор передается диску сцепления, который свободно вращается на своей оси. При включении электромагнита диск сцепления притягивается к шестерне главной оси, входит с ней в зацепление и начинает вращать главную ось, на которой расположен набор шкал (их может быть три или шесть), стянутых между собой при помощи зажимной гайки. Когда гайка отпущена, шкалы можно поворачивать одну относительно другой и тем самым задавать нужную программу выдержек времени.
Все время работы реле шкалы движутся и укрепленные на них упоры перебрасывают кулачки, а те переключают контактные системы. После отработки программы размыкающий контакт концевого выключателя отключает двигатель реле и главная ось со шкалами останавливается в том положении, которого они достигли. Выключение электромагнита приводит к возврату шкал в исходное положение. При этом все контакты реле вновь окажутся в исходном положении и реле времени готово к новому включению.
Часовые реле времени имеют встроенный часовой механизм, который запускается при подаче входною сигнала на реле. Функцию стрелок в таком устройстве выполняет подвижный контакт, который через заданный промежуток времени взаимодействует с неподвижным контактом. Часовые реле времени позволяют получать выдержки от нескольких секунд до десятков часов. Их основные недостатки — громоздкость, сложность конструкции и высокая стоимость.
Наиболее распространены универсальные и относительно недорогие электронные реле времени. Принцип их действия основан на пересчете электрических импульсов, вырабатываемых генератором стабильной частоты. Поскольку период следования импульсов постоянен, то их количество пропорционально времени. Такие реле состоят из генератора импульсов, управляемого счетчика импульсов и выходного устройства, воздействующего на управляемую цепь. Настраивая счетчик на заданное количество импульсов, можно обеспечить любую выдержку времени.
