Электромеханические реле — наиболее распространенный вид электрических реле. К ним относятся электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, электротепловые, пьезоэлектрические, электро- и ферродинамические, магнитострикционные, вибрационные, электретные реле и ряд других.
О работе реле судят по его характеристике управления (рис. 1). Она имеет релейный характер: скачкообразное увеличение выходной величины Упри некотором значении входной электрической воздействующей величины X(ток, напряжение, частота и т.п.) и такое же скачкообразное уменьшение выходной величины. При всех остальных значениях воздействующей входной величины выходная величина не меняется или изменяется незначительно. Реле — это автоматический аппарат релейного действия, в основном предназначенный для коммутации цепей управления более мощных аппаратов (например, цепи обмотки электромагнитного контактора), сигнализации, связи и так далее, а также для суммирования и разложения сигналов.
На рис. 2 изображено простейшее реле при нулевом значении входной величины X — тока Iвх в обмотке 7. Когда входной ток Iвх начинает увеличиваться, при определенном его значении якорь 10 отходит от упора 77 и притягивается к сердечнику 12. В процессе движения якоря его верхний конец, действуя через толкатель 9, выгибает плоскую контактную пружину 6 вверх до соприкосновения ее контакт-детали 8 с контакт-деталью 7 пружины 5, которая затем отходит вверх до упора 4. В результате по выходной цепи после окончания переходного процесса начинает протекать ток IВЬ1Х, представляющий собой выходную величину Y. При дальнейшем увеличении входного тока выходной ток практически не изменяется. Когда же входной ток начинает уменьшаться, при некотором его значении механическая сила изогнутых пружин преодолевает электромагнитную силу притяжения якоря к сердечнику. В результате контакт-детали размыкаются и выходная цепь обесточивается.
Рис. 1. Характеристики управления аппаратов релейного действия электромеханических (а...в, д), статических электрических (г), одностабильных (а, 6, г, д), двустабильных (в), максимальных (а, б, г), минимальных (д), работающих на замыкание (а, г, д), работающих на размыкание (б):
А"ср — параметр срабатывания; Хъ — параметр возврата (отпускания); Хр — рабочий параметр; Kmax, Kmin — максимальное и минимальное значения выходного параметра
Рис. 2. Простейшее электромагнитное реле с одним замыкающим контактным узлом:
1 — обмотка; 2 — ярмо; 3 — изоляционная планка; 4, 11 — упоры; 5, 6 — контактные пружины; 7,8 — контакт-детали; 9 — толкатель; 10 — якорь; 12 — сердечник
Под входной X и выходной величинами рассмотренного электрического аппарата можно подразумевать и другие параметры, например напряжение на обмотке и напряжение на нагрузочном резисторе RH.
Электромеханические реле предназначены для промышленной автоматики, защиты электроэнергетических систем, радиоэлектроники и т.д. Специфика областей применения определяет огромное разнообразие реле по принципу действия и конструктивным исполнениям.
Электромеханические реле реагируют на такие электрические параметры, как ток, напряжение, мощность, электрическое сопротивление цепи (активное, реактивное, полное) и т.п.
В зависимости от выполняемой функции электромеханические реле подразделяют на логические и измерительные.
Электромеханическое логическое реле предназначено для срабатывания и отпускания (возврата в исходное состояние) при изменении входной воздействующей величины, не нормируемой по значению. Входная воздействующая величина электромеханического логического реле — это электрическая величина, на которую реле реагирует, если та воздействует на него при заданных условиях. Существуют рекомендуемые стандартами номинальные значения и пределы рабочего диапазона воздействующих величин. Электромеханические логические реле подразделяют на промежуточные, указательные и реле времени. Промежуточное реле предназначено для размножения и усиления поступающего к нему сигнала, указательное реле — для указания срабатывания и возврата в исходное состояние других коммутационных аппаратов, реле времени — для создания выдержки времени.
Электромеханическое измерительное реле предназначено для срабатывания с определенной точностью при заданном значении или значениях характеристической величины. Характеристическая величина электромеханического измерительного реле — это электрическая величина, нормируемая по значению и определяющая функциональный признак реле. Для ее образования необходимы одна или несколько входных воздействующих величин электрического измерительного реле.
Чтобы уяснить разницу между логическим и измерительным реле, сравним два реле, имеющих одну и ту же входную воздействующую величину — электрическое напряжение. Логическое реле предназначено для срабатывания и возврата при дискретном изменении входной воздействующей величины от логического нуля до логической единицы (нет—да). В нашем примере это означает следующее: напряжение не подано или подано на вход реле. В отличие от логического реле на измерительное реле напряжение подается постоянно, т.е. входная величина измеряется непрерывно. Напряжение для такого реле — не только входная воздействующая, но и характеристическая величина.
Максимальное электромеханическое реле — это измерительное электромеханическое реле, срабатывающее при значениях характеристической величины, больших заданного значения. Минимальное электромеханическое реле — это измерительное реле, срабатывающее при значениях характеристической величины, меньших заданного значения.
Уставка по характеристической величине — заданное значение характеристической величины, при котором реле должно сработать.
Измерительные реле бывают следующих видов: со шкалой уставок, по которой в реле вводится уставка по характеристической величине; без шкалы, но с возможностью изменения уставки; с фиксированной настройкой на определенное значение характеристической величины.
В отличие от логического реле на вход (или входы) измерительного реле одновременно могут подаваться несколько входных воздействующих величин. Например, на входы реле мощности подаются ток и напряжение. Обе эти величины формируют одну характеристическую величину — мощность, уставка которой вводится в реле по шкале уставок. У измерительного реле с одной входной воздействующей величиной характеристическая величина совпадает с последней. Исключение составляет реле частоты, в котором характеристической величиной является частота, а входной воздействующей — напряжение.
Под срабатыванием электромеханического реле понимают выполнение этим реле функции, для которой оно предназначено. Возврат электрического реле — это переход реле в исходное состояние, в котором оно находилось до срабатывания.
Значение параметра срабатывания (возврата) электромеханического реле Хср(Хв) определяется значением входной воздействующей или характеристической величины, при котором реле соответственно срабатывает или возвращается при заданных условиях (см. рис. 1).
Отношение значения параметра возврата к значению параметра срабатывания называется коэффициентом возврата. К1 — Для максимальных реле К1< 1 (рис. 1, а, б, г); для минимальных К2 > 1 (рис. 1, д). Чем ближе к единице значение коэффициента возврата, тем в более узких пределах реле будет осуществлять контроль входного параметра.
Для надежного срабатывания логического реле рабочее значение Хр входной воздействующей величины выбирают с некоторым запасом (см. рис. 1, а). Коэффициент запаса по входной воздействующей величине К3 = Хр/Хср.
В зависимости от способа возвращения реле (изменившего свое состояние под действием входной воздействующей или характеристической величины) в прежнее состояние (после устранения этого действия) различают одностабильные (см. рис. 1, а, б, г, д) и двустабильные (см. рис. 1, в). Одностабильные реле возвращаются сами, а для возврата двустабильного реле необходимо приложить специальное воздействие. В двустабильных электромеханических реле фиксация состояния осуществляется чаще всего с помощью магнитных или механических блокировок.
Существуют электромеханические реле (как логические, так и измерительные) с нормируемым временем (нормируется по точности отсчета одного или нескольких значений времени, характеризующих репе) и с ненормируемым временем. Заданное значение выдержки времени, по истечении которого реле с нормируемым временем должно сработать в определенных условиях, называется уставкой выдержки времени.
Промежуточные и указательные логические реле — это реле с ненормируемым временем, а реле времени — с нормируемым. Различают реле времени следующих видов: со шкалой уставок выдержки времени, с регулируемой выдержкой времени, без шкалы уставок, с фиксированной настройкой на определенную выдержку времени.
Измерительное реле с нормируемым временем может быть с независимой выдержкой времени (выдержка времени практически не зависит от значения характеристической величины в заданных пределах ее изменения), с зависимой выдержкой времени (выдержка времени заданным образом изменяется в зависимости от значения характеристической величины) и с ограниченно зависимой выдержкой времени. На рис. 3, а...в приведены три вида зависимости времени срабатывания tcp от тока I в максимальном реле тока. Иногда график зависимости имеет ступеньку (рис. 3, г), которая свидетельствует о резком снижении времени срабатывания реле при токах, равных так называемому току отсечки Iотс и превышающих его.
По роду управляющего тока различают реле постоянного и переменного тока. У некоторых электромагнитных реле изменение рода тока управления требует только замены катушки и изредка других деталей. Такие реле называют универсальными.
Электрические реле постоянного тока, функционирование которых зависит от полярности их входной воздействующей величины, называются поляризованными.
Рис. 3. Виды (а...г) зависимости времени срабатывания реле максимального тока от характеристической величины
Проводящая часть цепи контакта внутри реле, электрически изолированная от других частей, если цепь контакта разомкнута, называется контактным элементом. На рис. 2 один из контактных элементов представляет собой совокупность деталей 5 и 7, а другой — деталей 6 и 8. Часть контактного элемента, с помощью которого непосредственно происходит замыкание или размыкание контакта электрического реле, называется контакт-деталью (детали 7 и 8).
Совокупность контактных элементов с изоляцией, которые в результате их движения относительно друг друга обеспечивают замыкание или размыкание цепи контакта, представляет собой контактную группу электрического реле, или контактный узел (например, на рис. 2 контактным узлом является совокупность деталей 3, 5, 6, 7 и 8).
Функционирование реле зависит не только от входных воздействующих величин, но и от условий работы. Условия работы определяются влияющими величинами и влияющими факторами, которые представляют собой любые величины и факторы, способные изменить хотя бы одну из заданных характеристик реле (срабатывание, возврат, точность и т.д.). Классификация величин и факторов, влияющих на электрические реле, приведена на рис. 4.
Коммутационные характеристики реле определяются режимом работы контактов реле, значениями влияющих величин и факторов, условиями коммутации.
Различают два режима работы реле: режим нормальных коммутаций, когда контакт коммутирует цепь многократно; режим предельных (редких) коммутаций, когда контакт коммутирует цепь несколько раз или несколько десятков раз.
К условиям коммутации относятся: продолжительность включения, частота коммутаций, характер и параметры коммутируемой цепи. Этими параметрами являются: род тока (постоянный или переменный), частота переменного тока, напряжение источника, ток цепи до размыкания, соотношение замыкаемого и размыкаемого токов.
При постоянном токе коммутируемую цепь характеризуют постоянной времени электрической цепи т = L/R, где L — индуктивность; R — активное сопротивление нагрузки; при переменном токе — сдвигом фаз ф между током цепи и напряжением источника, собственной частотой Iо и коэффициентом Кв превышения амплитуды приложенного напряжения над восстанавливающимся напряжением.
К наиболее часто указываемым в технической документации коммутационным характеристикам реле относятся:
• коммутационная износостойкость — число циклов включения- отключения, гарантированное изготовителем при работе реле в режиме нормальных коммутаций при заданных условиях (напряжение, постоянная времени, cosφ и т.д.);
Рис. 4. Классификация основных величин и факторов, влияющих на электрические реле
предельная коммутационная способность циклического действия — наибольшее значение тока, который контакт реле может последовательно замыкать и размыкать в режиме редких коммутаций при заданных условиях (напряжение, число циклов, постоянная времени, cosφ и т.д.);
предельная отключающая способность — наибольшее значение тока, который контакт реле способен размыкать в заданных условиях.
Характер нагрузки, ток и напряжение при испытаниях на предельную коммутационную износостойкость регламентируются категорией применения реле.
Кроме перечисленных могут приводиться и другие коммутационные характеристики, например минимальные значения напряжения и тока коммутируемой цепи, число срабатываний и нормы отказов для некоторых значений напряжения и тока, установленных по соглашению между потребителем и изготовителем реле.
К характеристикам контактов реле относятся:
предельный длительный ток цепи контакта — наибольшее значение тока, который предварительно замкнутая цепь контакта способна выдержать в заданных условиях в течение заданного короткого промежутка времени;
сопротивление контактов;
электрическая прочность межконтактного промежутка;
число отказов (различают временный отказ — сбой, самоустраняющийся при последующей коммутации, и постоянный отказ, не устраняющийся сам по себе).
При разработке электромеханических реле выполняют согласование их тяговых и механических характеристик. Тяговая характеристика электромагнитного реле — это зависимость электромагнитной силы Рэм (или электромагнитного момента Мэм), действующей (действующего) на якорь и приведенной (приведенного) к рабочему зазору 8 (см. рис. 2), от значения этого зазора (от угла а поворота якоря).
При срабатывании реле электромагнитная сила (или электромагнитный момент) является движущей, при возврате — противодействующей движению якоря. Сила трения оказывает противодействие как при срабатывании, так и при возврате. Силой трения будем пренебрегать.
Тяговая характеристика Рэм = I(8) или Мэм = I(а) при медленном перемещении якоря (когда можно пренебречь изменением тока в обмотке) называется статической, а при быстром — динамической.
Под механической характеристикой Рмех = I(8) или Ммех = I(а) электромагнитного реле обычно понимают зависимость суммарной силы (момента) за вычетом электромагнитной силы (электромагнитного момента), действующей (действующего) на якорь и приведенной (приведенного) к рабочему зазору от значения этого зазора (от угла поворота якоря).
Механическая характеристика при медленном перемещении (когда можно пренебречь силами инерции движущихся масс) называется статической механической характеристикой (далее — просто механической).
При срабатывании реле механические силы, как правило, противодействуют движению якоря. Поэтому механическую характеристику иногда называют противодействующей. Однако при возврате механические силы являются движущими, вследствие чего «противодействующая» менее удачен, чем «механическая».
Для нормальной работы реле его динамические тяговые и механические характеристики при срабатывании и возврате должны быть согласованы.
Часто из-за схожести определения динамических характеристик ограничиваются согласованием только статических характеристик. Пример такого согласования для реле, схематично изображенного на рис. 2, показан на рис. 5. Статическая тяговая характеристика 1 при МДС обмотки Fcр, соответствующей срабатыванию реле, проходит выше, а статическая тяговая характеристика 2 при МДС обмотки FB, соответствующей возврату реле, — ниже, чем статическая механическая характеристика 3 при всех зазорах от 8min до 8тах. Зазор 8, соответствует замыканию контакт-деталей 7 и 8 (см. рис. 2), а зазор 82 — отходу пружины 5 вверх до упора 4.
Рис. 5. Согласование статических тяговых {1,2) и механической (3) характеристик реле, изображенного на рис. 2
