Поляризовані реле

В автоматичних системах досить часто вимагається, щоб елементи, в тому числі і електромагнітні реле, реагували не тільки на значення, але й на полярність струму на вході. Наприклад, в системі автоматичного

регулювання температури, при температурі, яка перевищує те значення, що вимагається, повинен включатись охолоджувач (наприклад,

image003

Рис. 1.16. Зміна часових параметрів електромагнітних реле

вентилятор), а при температурі нижче значення, що вимагається, повинен включатись нагрівач. Отже, реле при одній полярності вхідного сигналу повинно включати одну групу контактів, а при іншій полярності – іншу. Як відомо з електротехніки, при пропусканні струму по котушці з осердям, створюється магнітне поле і на сталеві деталі, що знаходяться в цьому полі, буде діяти сила притягання. Напрямок струму або знак індукції магнітного поля не впливають на напрямок сили. Це завжди сила притягання, а не відштовхування. В попередній главі наведені формули для електромагнітної сили (1.13) і (1.14). В цих формулах значення струму або магнітного потоку взято в квадраті, що і математично доводить незмінність напрямку електромагнітної сили при модифікації знаку струму або потоку.

Для одержання в електромагнітному механізмі знакозмінної залежності сили тяжіння від напрямку вхідного сигналу необхідна наявність двох магнітних потоків: потоку, що створюється струмом в обмотці реле, і постійного, незмінного за величиною і напрямком, що створюється зазвичай постійним магнітом. Таким чином, при одному напрямку струму в обмотці реле магнітні потоки будуть додаватись, а при іншому напрямку струму – відніматись. Отже, модифікація напрямку струму призведе до модифікації абсолютної величини магнітного потоку, чого не було в електромагнітних нейтральних реле.

Чутливість до напрямку (поляризація) здійснюється за рахунок постійного магнітного потоку. Всі поляризовані реле основані на використанні в електромагнітному механізмі двох потоків. За конструктивною схемою магнітного кола розрізняють поляризовані реле, що побудовані за диференційною і мостовою схемами. За кількістю стійких положень якоря розрізняють двопозиційні і трипозиційні поляризовані реле. Поляризоване реле з диференційною схемою магнітного кола показано на рис. 1.17. Робочий (керувальний) магнітний потік Фу створюється при проходженні струму по обмотці реле, що складається з двох однакових половин 1 і 1¢, ввімкнених послідовно та узгоджено. Постійний (поляризувальний) магнітний потік Фп створюється постійним магнітом 2. Котушки реле 1 і 1¢ розміщені на нерухомому осерді 3. Якір 4 може обертатись відносно вісі О в робочому зазорі d. На якорі розміщений рухомий контакт, який може замикатись з нерухомими контактами 5 або 5¢.

Рис. 1.17. Поляризоване реле

image005

Шлях магнітного потоку Фу показаний пунктиром, а шлях магнітного потоку Фп – неперер-вною лінією. Напрямок потоку Фп незмінний, а напрямок потоку Фу залежить від напрямку струму в котушці реле. На рис. 1.17 напрямок потоку Фу показаний для позначеного на цьому рисунку напрямку струму І.

Поляризувальний потік Фп проходить по якорю 4 і розділяється на дві частини Фп1 і Фп2 у відповідності з провідностями повітряних зазорів ліворуч (dл) і праворуч (dп) від якоря. В залежності від полярності струму в обмотці реле робочий потік Фу віднімається від потоку Фп1 в зазорі ліворуч від якоря і додається до потоку Фп2 в зазорі праворуч від якоря (як показано на рис. 1.17), або навпаки: потоки додаються в лівому зазорі і віднімаються в правому зазорі при протилежному напрямку струму. На якір діють дві електромагнітні сили, направлені назустріч одна одній, кожна з яких пропорційна у відповідності з рівнянням (1.14) квадрату потоку у відповідній частині зазору. Для напрямків струму і магнітних потоків, що наведені на рис. 1.17, результуюче тягове зусилля змусить якір перекинутись з лівого положення в праве. При відключенні вхідного сигналу (І=0) якір залишається в тому ж положенні, що він займав до вимикання сигналу. Реле, яке показане на рис. 1.17, є двопозиційним. Підсумкове електромагнітне зусилля, що діє на якір поляризованого реле, направлене в сторону того зазору, в якому керувальний і поляризувальний магнітні потоки додаються.

Розглянемо зусилля, що діє на якір поляризованого реле. Воно визначається у відповідності з рівнянням (1.14). В середньому положенні якоря магнітні провідності лівого і правого зазору однакові і тому поляризувальний потік поділяється на дві рівні частини: Фп1=Фп2=Фп/2. Через відсутність потоку управління на якір будуть діяти однакові зусилля ліворуч і праворуч:

Fел=Fеп=4*105*(Фп/2)2*1/sd=105*Ф2п/sd , (1.32)

де sd – площа перерізу повітряного зазору.

Підсумкова сила, яка дорівнює різниці Fел і Fеn при середньому положенні якоря, буде дорівнювати нулю. Однак якір в середньому положенні знаходиться в стані нестійкої рівноваги. Достатньо незначного зміщення якоря від середнього положення, щоб відбувся перерозподіл потоку. Буде зменшуватись магнітний опір того зазору, в який бік змістився якір. Отже, в той самий бік збільшиться магнітний потік, а відповідно, і сила, направлена в бік зменшення зазору. Вважаючи перетин повітряного зазору незмінним, розглянемо перерозподіл поляризувального потоку в залежності від магнітного опору, що буде в цьому випадку пропорційний величині зазору.

Відношення магнітних потоків в лівому і правому зазорі обернено пропорційне відношенню магнітних опорів цих зазорів:

Фп1/Фп2=Rм2/Rм1=dл/dп . (1.33)

Враховуючи, що Фп1+Фп2=Фп, а dл+dп=d (рис. 1.17), після перетворень отримуємо:

Фп1=Фп*(d-dл)/d, (1.34)

Фп2=Фп*dл/d. (1.35)

Відповідно електромагнітні сили притягання якоря, направлені ліворуч і праворуч:

Fел=4*105*Ф2п/sd*(d-dл)2/d 2, (1.36)

Fеп=4*105*Ф2п/s¢d*d 2л/d 2. (1.37)

Підсумкова сила визначається як різниця цих сил:

Fе=Fел-Fеп=4*105*Ф2п/sd*(d 2-2ddл)/ d 2=4*105*Фп/sd*(d-2dл)/ d (1.38)

При dл<d/2 (якір ближче до лівого крайнього положення) сила тягне якір вліво.

При dл>d/2 (якір ближче до правого крайнього положення) сила тягне якір вправо.

Контактний тиск вимкнутого реле визначається силою при dл=0

Fео=4* 105*Ф2п/sd (1.39)

При подачі струму в обмотку поляризованого реле в магнітному колі виникає магнітний потік Фу, який (для полярності, що зображено на рис. 1.17) додається у правому зазорі до Фп2 і у лівому віднімається від Фп1.

image007

Рис. 1.18. Поляризоване реле з мостовим магнітним ланцюгом

При досягненні Фу значення рівного Фп контактне зусилля буде рівним нулю. Як тільки Фу стане більшим за Фп, якір перекинеться в крайнє праве положення. Струм, при якому якір перекидається в нове положення, називається струмом спрацьовування Ісп. В новому положенні якоря відбудеться перерозподіл поляризувального магнітного потоку між зазорами. Сумарний потік в новому положенні якоря при Ісп буде дорівнювати åФ=Фп+Фу. Оскільки при спрацьовуванні Фу=Фп, то åФ=2Фп, а зусилля, пропорційне квадрату магнітного потоку, зросте в чотири рази у порівнянні з зусиллям в реле, в якому відсутній струм. Таким чином, в процесі переміщення якоря з одного положення в інше відбувається значне збільшення тягового зусилля. Цим і пояснюється те, що поляризовані реле мають дуже високу швидкодію: час спрацьовування складає декілька мілісекунд. Крім того, додаткове зусилля, стискаючи контакти, дозволяє при дуже малому сигналі керування управляти відносно потужними електричними колами. Однак головною перевагою поляризованих реле є їх висока чутливість. Найчастіше намагаються запобігти збільшенню розривної потужності їх контактів, оскільки це вимагає збільшення ходу якоря, що призводить до втрати чутливості. Тому високочутливі поляризовані реле виконуються малопотужними, з ходом якоря від одного крайнього положення до іншого порядку 0,1 ‑ 0,2 мм.

Робота поляризованого реле з мостовою схемою магнітного кола (рис. 1.18) відбувається аналогічно роботі реле з диференційною схемою. Відмінністю є те, що магнітне коло для потоку управління Фу, що створюється обмоткою реле, виконане окремо від магнітного кола для поляризувального потоку Фп, яке створюється постійним магнітом. Завдяки цьому поляризовані реле мостового типу мають більш високу стабільність параметрів і більшу стійкість до зовнішніх механічних впливів.

Побудова поляризованого реле. Окрім електромагнітного зусилля, на якір поляризованого реле впливає зусилля пружин, не показаних на рис. 1.17 і 1.18. В залежності від положення нерухомих контактів і натягу (або стиску) пружин поляризовані реле можуть настроюватись на дво- або трипозиційну роботу.

image009

Рис. 1.19. Настроювання контактів поляризованого реле

Розглянемо настроювання контактів реле на двопозиційну роботу. Пружини з двох сторін впливають на якір з рівними зусиллями в нейтральному положенні. Якщо зусилля пружин невеликі і нерухомі контакти розміщені симетрично відносно нейтралi, то за відсутності вхідного сигналу (струму в обмотці реле) за рахунок однієї із складових поляризувального потоку (Фп1 або Фп2) якір 1 залишається в тому ж положенні, в якому він знаходився до зняття вхідного сигналу. Отже, залишаються замкненими відповідні контакти реле (наприклад, контакти 2‑3 на рис. 1.19, а). В цьому випадку механічне зусилля пружин 5, яке прагне повернути якір в нейтральне положення, менше за тягове зусилля потоку постійного магніту, що прагне утримати якір в притягнутому положенні. При подачі струму протилежної полярності в обмотку реле, якір перекидається в протилежне крайнє положення, розмикаючи контакти 2‑3 і замикаючи контакти 2‑4. При знятті цього вхідного сигналу контакти 2‑4 залишаються замкненими. Навіть якщо вхідний сигнал буде знятий у той момент, коли якір знаходиться в нейтральному положенні, таке положення буде нестійким. При найменшому відхиленні якоря від цього положення (наприклад, внаслідок незначного струсу або вібрації) зросте поляризувальний потік в тому напрямку, куди відхилився якір, і відповідне йому електромагнітне зусилля перемістить якір до упору у тому ж напрямку.

Таким чином, при такій настройці якір реле займає тільки два стійких симетричних положення (позиції): крайнє ліве (замкнені контакти 2‑3) або крайнє праве (замкнені контакти 2‑4).

Можливе настроювання на двопозиційну роботу з домінуванням (пріоритетом) однієї з позицій (рис. 1.19, б). Якщо нерухомий контакт, наприклад 3, встановити з тієї ж сторони відносно нейтралі, що і другий нерухомий контакт 4, то тягове зусилля від поляризувального потоку Фп1, яке намагається утримати якір реле в крайньому лівому положенні, буде набагато меншим за тягове зусилля від поляризувального потоку Фп2, що прагне утримати якір в крайньому правому положенні. В результаті цього при знятті вхідного сигналу якір реле під дією тягового зусилля від потоку Фп2 буде встановлюватись і відраховуватись в крайньому правому положенні. Таким чином, подібне настроювання забезпечує двопозиційне настроювання реле з пріоритетом однієї позиції. При подачі в обмотку реле струму відповідної полярності якір займає крайнє ліве положення (замкнені контакти 2‑3), а при подачі струму протилежної полярності, або при відсутності струму в обмотці реле, якір займає крайнє праве положення (замкнені контакти 2‑4).

Для настроювання поляризованого реле на трипозиційну роботу необхідні пружини 5 великої жорсткості, що забезпечують перевищення механічного зусилля над електромагнітним зусиллям від поляризувального магніту в крайніх положеннях якоря. В цьому випадку при відсутності струму в обмотці реле його якір буде встановлюватись в нейтральне положення при розімкнених контактах (рис. 1.19, б). Таким чином, забезпечуються три позиції (положення) якоря: 1) крайнє ліве положення (замкнені контакти 2‑3) – при подачі в обмотку струму відповідної полярності; 2) крайнє праве положення (замкнені контакти 2‑4) – при подачі в обмотку реле струму протилежної полярності; 3) нейтральне середнє положення (всі контакти розімкнені) – при знятті вхідного сигналу з обмотки реле.

image011

image011Вітчизняною промисловістю випускаються поляризовані реле різноманітних типів і з різноманітним настроюванням контактів.

Наприклад, реле типу РП-4 – двопозиційне (з нейтральним настроюванням); реле типу

РП-5 – трипозиційне; реле типу РП-7 – двопозиційне з домінуванням. Ці реле можуть мати декілька незалежних обмоток, що розширює можливості їх застосування в системах автоматики. На рис. 1.20 приведене поляризоване реле типу РП-7, що складається з котушки 1, полюсних кінцевикiв 2, якоря 3, контактних пружин з рухомими контактами 4, нерухомих контактів 5, магніто-проводу 6, керамічної колодки 7 зі штирковими виводами, що дозволяє швидко вмикати реле в робочу схему, вставляючи його у відповідну з’єднува

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні механізми та виконавчі пристрої автоматики”

Оставьте комментарий к статье