Реле постійного струму

image002

Рис. 1.4. Електромагнітні реле постійного струму

Будова електромагнітних реле постійного струму показана на рис. 1.4: а – з обертовим якорем, б – з втяжним якорем. Головні деталі і вузли реле мають такі позначення: 1 – котушка на каркасі; 2 – ярмо;
3 – осердя; 4 – якір;
5 – штифт відлипання (немагнітна) проклад-ка); 6 – пружина зво-ротного руху; 7 – рухо-мі контакти; 8 – неру-хомі контакти.

Магнітопровід елек-тромагнітного механіз-му реле складається з нерухомої і рухомої частин. Рухома частина називається якорем. Нерухома частина складається з осердя, що знаходиться всередині котушки реле, і ярма — частини магнітопроводу, яка охоплює котушку.

В реле з обертовим якорем (рис. 1.4, а) електромагнітний механізм і контактний вузол закріплені на спільній ізоляційній основі 9. При протіканні струму по обмотці котушки 1, якір 4 притягується до осердя 3 і виконує оберт відносно точки опору А. При цьому, переміщуючи рухомий контакт 7, який розмикається з нерухомим контактом 8¢ і замикається з нерухомим контактом 8¢¢. Контакти закріплені на плоских пружинах 10, які служать і для підключення до зовнішнього кола. Коли струм в обмотці реле зникає, якір повертається в попередній стан.

В деяких реле це відбувається під дією сили тяжіння якоря, в деяких – під дією контактних пружин чи спеціальної пружини зворотного руху 6. Для того, щоб якір при відсутності струму не притягувався до осердя через залишкове намагнічування магнітопроводу, на якорі встановлюється штифт відлипання 5 – пластинка з немагнітного матеріалу, що забезпечує проміжок приблизно в 0,1 мм між якорем і осердям при спрацьовуванні реле. Часто осердя має полярний кінцевик 11 для зменшення магнітного опору робочого повітряного проміжку.

В електромагнітному реле з втяжним якорем (рис. 1.4, б) при протіканні струму по обмотці котушки 1 якір 4 втягується всередину неї до опори в осерді 3. При цьому рухомі мостові контакти 7 розмикаються з нерухомими контактами 8¢ і замикаються з нерухомими контактами 8¢¢. Повернення якоря 4 в попередній стан, при відсутності струму в реле, здійснюється під дією пружини зворотного руху 6. Як і в реле з обертовим якорем, для покращення якоря служить штифт відлипання 5. Для повернення якоря в початковий стан може бути використана сила тяжіння якоря.

Робота електромагнітного реле. Розглянемо послідовність роботи електромагнітного реле з моменту подачі напруги на обмотку реле до моменту відключення напруги з обмотки і повернення якоря в початковий стан. Оскільки обмотка реле має індуктивний опір, струм в ній не може змінюватись стрибком. Зміна струму (як збільшення, так і зменшення) відбувається плавно по експоненціальній кривій (рис. 1.5).

На рис. 1.5, що показує зміну струму обмотки реле в часі, можна виділити чотири проміжки.

Проміжок 1 характеризує спрацьовування реле. Він починається з моменту подачі напруги на обмотку реле (точка О) і закінчується в момент надійного замикання контактів (точка А). На цьому проміжку відбувається

image004

Рис. 1.5. Графік зміни струму в обмотці реле

спрацьовування реле і його тривалість називається часом спрацьовування tспр. Відразу після подачі напруги струм в обмотці реле збільшується достатньо швидко, оскільки стала часу відносно мала. Стала часу котушки, яка має опір R і індуктивність L, дорівнює відношенню L/R, а поки якір не почав наближуватись до осердя, магнітне коло має великий проміжок і, виходячи з цього, індуктивність мала. Коли струм в обмотці реле досягає значення Ізр, при якому якір починає рух, проміжок починає зменшуватись, індуктивність буде збільшуватись, а швидкість наростання струму буде зменшуватись. Час спрацьовування складається з часу зрушення tзр і часу руху якоря tр (tспр=tзр+tр). В точці А струм має значення Іспр. Струм спрацьовування більший за струм зрушення, оскільки за час tр продовжувалось його наростання.

В точці А закінчився рух якоря. Починається проміжок ІІ, що характеризує реле в робочому стані. Тривалість цього проміжку tроб. На початку цього проміжку струм продовжує збільшуватись. В точці В зростання струму зупиняється, його значення визначається відношенням напруги на обмотці U до активного опору обмотки R. Це струм, що встановився Івст=U/R. Проміжок АВ необхідний для того, щоб забезпечити надійне притягування якоря до осердя, виключаючи вібрацію якоря при струсах реле. Відношення струму, що встановився Івст до струму спрацьовування Іспр називається коефіцієнтом запасу реле по спрацюванню Кзап= Івст/Іспр; Кзап=1,5-2. В цей самий час Івст повинен бути обмеженим з міркувань щодо нагрівання.

Проміжок ІІІ починається з моменту зняття напруги з обмотки реле. В точці С починається зменшення струму, і в точці D якір починає відходити від осердя. В цій точці струм Івідп не забезпечує таку силу притягування, яка перевищувала б силу протидії пружини. Час відпускання складається з часу зрушення і часу руху якоря до розімкнення контактів: tвідп=tзр+tр. Відношення струму відпускання до струму спрацьовування називається коефіцієнтом повернення: Кп= Івідп/Іспр; Кп=0,4-0,8.

На проміжку ІV якір повертається в попередній стан і залишається в ньому до тих пір, поки не буде знову подана напруга на обмотку реле.

Характеристики електромагнітного реле. Переміщення якоря електромагнітного реле виконується під дією двох сил: сили тяжіння, обумовленої електромагнітним полем, і сили протидії, зумовленої пружною деформацією пружин. Дві ці сили залежать від переміщення якоря, тобто від величини зазору d між якорем і осердям.

Залежність між електромагнітною силою тяжіння Fе і величиною проміжку називається силовою характеристикою Fе=f(d). Залежність між силою протидії Fм і величиною зазору називається механічною характеристикою: FM =f(d).

Розглянемо спочатку силову характеристику електромагнітного механізму реле. До обмотки реле, що має активний опір R і кількість витків w, прикладено напругу u. Під дією цієї напруги по обмотці протікає струм i і створюється магнітний потік Ф.

Рівняння рівноваги напруги в процесі спрацьовування реле записується у відповідності з другим законом Кірхгофа і законом електромагнітної індукції:

u = Ri + wdФ/dtАС . (1.1)

Перемножимо вираз (1.1) почленно на idt і проінтегруємо його за часом від 0 до t , протягом якого магнітний потік зростає від 0 до Ф:

image006. (1.2)

Ліва частина рівняння (1.2) – це вся енергія, яка отримується від джерела живлення. Перший доданок в правій частині – це енергія, що витрачається на нагрівання обмотки. Другий доданок в правій частині – це енергія, яка збережена в магнітному полі реле:

image008 (1.3)

Даний інтеграл може бути зображений графічно як площа фігури, що міститься між кривою намагнічування і віссю ординат (рис. 1.6). Енергія магнітного поля складається з енергії, яка зосереджена в повітряному зазорі (заштрихована площа ObФ на рис. 1.6,а, і енергії, що розподілена в стальних частинах магнітопроводу (заштрихована площа Oаb на рис. 1.6,а). Магнітопровід реле, як правило, не насичений, тобто робота реле проходить на прямолінійному проміжку кривої намагнічування. Оскільки повітряний зазор має порівняно велику величину, можна знехтувати другою частиною енергії (площею Oаb ). Магнітну енергію, що збереглась в повітряному зазорі, наближено визначаємо як площу всього трикутника OаФ :

Wd » IwФ/2. (1.4)

image010

Рис. 1.6. Графічне зображення енергії, яка збереглась в магнітному полі реле

Тепер розглянемо процес зміни енергії магнітного поля при переміщенні якоря, вважаючи струм в обмотці незмінним: І=const. При переміщенні якоря зменшується зазор, а магнітний потік збільшується від Ф1 до Ф2. Відповідно, зміну енергії DW можна наближено визначити як площу прямокутника Ф1abФ2 на рис. 1.6, б:

DW = Iw (Ф1 — Ф2). (1.5)

До початку руху якоря енергія поля визначалась площею трикутника ОаФ1, після переміщення якоря на d , енергія поля визначалась площею трикутника ОbФ2. Різниця цих площ і дасть нам зміну енергії в повітряному зазорі:

DWd = Iw Ф2 /2- Iw Ф1 /2 = Iw (Ф2 – Ф1)/2. (1.6)

Зміна енергії DW за рівнянням (1.5) проходить за рахунок надходження енергії з мережі. Половина її, як видно із рівняння (1.6), пішла на зміну енергії в повітряному зазорі. Куди ж була використана друга половина енергії DW, яка чисельно приблизно дорівнює DWd?

Ця друга половина енергії (на рис. 1.6,б вона відповідає площі трикутника Оаb) витрачається на виконання механічної роботи Амех при переміщенні якоря під впливом електромагнітної сили Fе:

Амех= Fеd » DWd. (1.7)

Підставляючи в (1.7) вираз (1.6), одержуємо:

Амех= Iw (Ф2 – Ф1)/2, (1.8)

звідки

Fе = I w (Ф2 – Ф1)/(2d). (1.9)

Магнітний потік в повітряному зазорі створюється за рахунок магніторушійної сили (МРС) (Iw)d і пропорційний магнітній провідності зазору Gd.

Оскільки ми прийняли І = const, то і МРС (Iw)d = const, а зміна потоку DФ=Ф2 – Ф1 проходить за рахунок зміни провідності повітряного зазору DGd:

DФ=(Iw )d DGd. (1.10)

image011

Рис.1.7. Силова характеристика

Підставивши (1.10) в (1.9), одержимо:

Fе = (Iw )d2 DGd /(2d). (1.11)

Для повітряного зазору довжиною d між двома площинами, площа перерізу яких sd, магнітна провідність визначається за формулою:

Gd = m0sd /d, (1.12)

де m0=4p×10-7 Гн/м.

Підставивши (1.12) і значення m0 в (1.11), одержуємо електромагнітну силу при зміні зазору від d до нуля:

Fе = 2p×10-7(Iw)d2sd /d 2. (1.13)

Цю формулу можна перетворити, враховуючи, що Фd = Вd sd = (Iw)d Gd sd:

Fе = Фd2/(2m0sd) » 4 Вd2sd105. (1.14)

З (1.13) виходить, що електромагнітне тягове зусилля прямо пропорційне квадрату МРС, тобто не залежить від напрямку струму в обмотці реле. Ця сила тяжіння обернено пропорційна квадрату довжини d повітряного зазору.

Силова характеристика Fe=f(d) показана на рис. 1.7. В зоні малих зазорів реальна силова характеристика відрізняється від теоретичної, побудованої за (1.13), – пунктирна крива на рис. 1.7. Згадаємо, що ми виводили рівняння сили тяжіння, приймаючи деякі припущення. При малих зазорах необхідно враховувати магнітний опір стальних ділянок магнітопроводу, якими ми знехтували.

Розглянемо тепер механічну характеристику реле. Переміщенню якоря реле в напрямку осердя протидіють сили пружних елементів. Такими пружними елементами є контактна пружина та пружина зворотного руху.

Рухомий контакт реле, як правило, розміщується на плоскій пружині, що представляє собою пружну металічну пластину, один кінець якої нерухомо закріплений, а другий може переміщуватись (див., наприклад, контакт 6 на рис. 1.2). Сила протидії, що створюється плоскою пружиною, визначається за формулою

image013х, (1.15)

де Е - модуль пружності матеріалу пружини; J=bh3/12 – момент інерції пружини; b – ширина пружини; h – товщина пружини; l – відстань від місця закріплення пружини до точки прикладення сили; x – переміщення пружини в точці прикладення сили.

В початковому стані пружина не деформована, сила дорівнює нулю. Переміщення пружини х при спрацьовуванні реле буде проходити в напрямку зменшення зазору, і тому залежність Fм(d) має вигляд:

image015 (d -x), (1.16)

В якості поворотних, зазвичай використовують звиті пружини. Залежність зусилля, що розвивається гвинтовою пружиною, від переміщення має вигляд, що аналогічний рівнянню (1.16):

image017 (1.17)

де G – модуль пружності при зсуві; J – момент інерції при обертанні;
r
радіус витка пружини; n число витків; Fпоч – сила початкового натягу пружини.

Графіки залежності сил протидії пружин мають вигляд прямих ліній, оскільки ці сили пропорційні деформації (переміщенню) пружини.

Розглянемо побудову механічної характеристики реле на прикладі контактної групи, що показана на рис. 1.8, а. При спрацьовуванні реле якір 1 спочатку переборює натяг гвинтової пружини 4, потім, коли кінець важеля доходить до контактної пластини 2, додається і зусилля від її деформації, а коли контакт пластини 2 замикається з контактом пластини 3, додається і зусилля від деформації цієї пластини 3. Механічна характеристика Fм = f(d) показана на рис. 1.8, б. В початковому стані на якір діє початкове зусилля Fпоч – завчасний натяг пружини 4.

При зміні зазору d на d1 буде мати місце холостий хід важеля якоря до дотику з пластиною 2; сила протидії збільшується пропорційно деформації гвинтової пружини 4 (ділянка ab). Потім нахил прямої різко збільшується, оскільки почалась деформація пластини 2 (ділянка bc). Такий нахил зберігається при зміні зазору d на d2 – холостий хід пластини 2 до дотику з пластиною 3. Потім нахил прямої ще збільшується, оскільки почалась деформація пластини 3 (ділянка cd). Зростання протидійного зусилля зупиняється, коли якір повністю притягнеться до осердя. Значення зазору при цьому дорівнює товщині штифта відлипання d0. З графіка видно, що механічна характеристика має вигляд ламаної лінії, де кожен відрізок характеризує роботу якої-небудь групи пружин. В тому випадку, коли всі пружини, що створюють протидійне зусилля в контактній групі реле, мають початковий натяг, перехід з одного відрізка на другий відбувається стрибком (в точках b і c на рис. 1.8, в).

Для роботи реле необхідно, щоб силова і механічна характеристики були узгоджені. Для спрацьовування реле необхідно, щоб силова

image019

Рис. 1.8. Побудова механічної характеристики реле

характеристика, що відповідає струму спрацьовування, скрізь знаходилась вище механічної характеристики. При початковому зазорі ці характеристики мають спільну точку (точка А на рис. 1.9). Для відпускання реле необхідно, щоб силова характеристика, що відповідає струму відпускання, скрізь знаходилась нижче механічної характеристики. При мінімальному зазорі ці характеристики можуть мати спільну точку (точка Б на рис. 1.9).

image021

Рис. 1.9. Узгодження силової та механічних характеристик

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

Оставьте комментарий к статье