Швидкодія електромагнітних реле

В 1.1 в числі головних параметрів електромагнітних реле були відмічені параметри, які характеризують швидкодію реле: час спрацьовування tспр і час відпускання tвідп. Ці параметри визначаються при аналізі перехідних процесів, які проходять при вмиканні і вимиканні реле. Розглянемо ці процеси по відношенню до обмотки реле постійного струму.

Коло обмотки реле можна зобразити у вигляді послідовного з’єднання активного опору R і індуктивності L. Перехідний процес при вмиканні реле можна розглядати як відомий із електротехніки випадок вмикання котушки індуктивності на постійну напругу (рис. 1.12). З моменту замикання ключа К виникає перехідний процес, під час якого струм в обмотці реле збільшується від нуля до деякого встановленого значення і = Івст, змінюється і напруга uR і uL. Електричний стан кола по схемі (рис. 1.12, а) в довільний момент перехідного процесу характеризується рівнянням:

image002

Розв’язок цього рівняння відносно струму має вигляд:

i=Iвст(1-e-t/T), (1.24)

де Iвст= U/R; T = L/R – стала часу кола.

Графік залежності i = f(t) представляє собою експоненту (штрихова крива 1 на рис. 1.12, б). Формула (1.24) отримана з припущенням, що

image005

Рис. 1.12. Перехідні процеси при вмиканні і вимиканні реле постійного струму

індуктивність L обмотки постійна. В дійсності в процесі руху якоря до осердя індуктивність L збільшується (аналогічно роботі електромагнітного індуктивного давача переміщення, розглянутого в розд. 6). Зміна індуктивності починається з того моменту часу, коли струм в обмотці досягає значення струму зрушення (i = Iзр). Початкове збільшення індуктивності призводить до збільшення сталої часу T = L/R. Отже, зростання струму сповільнюється. Крім того, швидке зростання магнітного потоку викликає збільшення проти-ЕРС, тобто напруги на індуктивності uL. Це призводить навіть до зменшення на деякий час струму в колі (див. суцільну криву 2 на рис. 1.12, б). Як тільки якір притягнеться до осердя, індуктивність обмотки перестає збільшуватись і струм знову збільшується по експоненті, але з меншою швидкістю, ніж на початковій ділянці, оскільки збільшилась стала часу.

Час спрацьовування реле tспр визначається двома складовими (рис. 1.12, б): часом зрушення tзр і часом руху tр, тобто

tспр=tзр+tр. (1.25)

Величину часу зрушення отримаємо, підставляючи в (1.24) значення

image007 (1.26)

звідки

image009 (1.27)

Час руху tр залежить від механічної інерції електромагнітного механізму реле. Воно може бути визначене на підставі другого закону Ньютона a=F/m, де a – прискорення, m - маса. Для зменшення часу руху необхідно намагатися зменшувати масу якоря. Для даного типу реле можна вважати величину tр приблизно постійною. І тому головним фактором, який впливає на час спрацьовування реле tспр, є стала часу T=L/R.

Розглянемо способи прискорення спрацьовування реле постійного струму, які основані саме на зміні тривалості перехідного процесу. Послідовно з обмотками реле вмикається додатковий активний опір Rдод (рис. 1.13), а напруга живлення підвищується на величину DU, яка обирається таким чином, щоб встановлене значення струму залишилось незмінним, тобто

image011 (1.28)

Тепер стала часу зменшилась image013 і збільшення струму буде проходити по більш крутій експоненті (крива 2 на рис. 1.13, б), ніж без додаткового опору (крива 1 на рис. 1.13, б).

image016

Ще більше прискорення спрацьовування реле можна одержати підключивши паралельно до додаткового опору Rдод конденсатор ємністю С (на рис. 1.13, а таке включення показане штрихом). При замиканні ключа К струм перехідного процесу проходить через ємність в обхід Rдод, тому що до замикання ключа напруга на конденсаторі дорівнювала нулю, а стрибком вона змінитись не може. Тому в перший момент часу вся збільшена напруга прикладена саме до котушки реле. В колі з’являється значний струм, але він безпечний для обмотки, оскільки діє протягом малого часу. По закінченні перехідного процесу струм зменшується до встановленого значення, оскільки він проходить через Rдод (через конденсатор постійний струм не проходить). Ємність конденсатора (в мкФ) обирається з умови:

image018 (1.29)

Тепер розглянемо перехідний процес при вимиканні реле. При розмиканні ключа К (рис. 1.12, а) струм в обмотці реле зменшується від значення Івст до нуля. Енергія, яка запаслась в магнітному полі обмотки реле, підтримує деякий час струм за рахунок дугового розряду між контактами ключа К. Рівняння струму перехідного процесу отримаємо, розв’язавши диференційне рівняння (1.23) при U=0:

i = Iвстe-t/T, (1.30)

де T=L/R ; L - індуктивність обмотки реле при притягнутому якорі.

Графік залежності i = f(t) показано на рис. 1.12, в у вигляді експоненти (штрихова лінія 1). Крива 2 показує реальну зміну струму в обмотці при відключенні. Сплеск струму на цій кривій пояснюється

image020

image022

Рис. 1.14. Схема для сповільнення Рис. 1.15. Схема вмикання часу спрацьовування реле з шунтувальним діодом

зміною індуктивності обмотки при русі якоря (аналогічно сплескові струму при вмиканні реле).

До схемних методів сповільнення часу спрацьовування і відпускання відноситься метод шунтування обмотки реле конденсатором (рис. 1.14). При вмиканні реле струм в його обмотці буде збільшуватись повільніше за рахунок процесу зарядки конденсатора. Час спрацьовування може бути збільшено приблизно до 1 с, а при вмиканні без конденсатора він становить приблизно 50 мс. При відключенні реле, навпаки, конденсатор буде розряджатись на обмотку реле, сповільнюючи в ній струм. Додатковий опір Rдод необхідний для обмеження струму, який споживається від джерела живлення.

Ефективним схемним методом сповільнення часу відпускання є підключення паралельно до обмотки реле діода (в непровідному, по відношенню до напруги живлення, напрямку). В цьому випадку (рис. 1.15) ЕРС самоіндукції, що виникає в обмотці реле при відключенні, створює струм, який протікає через обмотку і реле та утримує якір деякий час в притягнутому положенні. Підключення діода використовується і для захисту обмотки реле від пробою під дією перевантаження при вимиканні.

Сповільнення роботи забезпечується і за допомогою короткозамкненого витка (чи обмотки) на шляху магнітного потоку.

На рис. 1.16 приведені схемні варіанти зміни часових параметрів електромагнітних реле. До конструктивних методів зменшення часових параметрів реле відносяться зменшення руху якоря, зменшення вихрових струмів за рахунок застосування шихтованого (набраного з окремих пластин) магнітопроводу. Потрібно також згадати, що реле постійного струму є більш швидкодійним, ніж реле змінного струму.

Електромагнітне реле як дискретний елемент у першому наближенні можна розглядати в якості ланки чистого запізнювання з передаточною функцією:

W(p)=Uвих(p)/Uвх(p)= ke –ptспр, (1.31)

де Uвих(p) і Uвх(p) – зображення за Лапласом відповідно функцій Uвих(t) і Uвх(t);

k= Uвих/Uвх – коефіцієнт передачі реле; tспр – час спрацьовування реле.

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

Оставьте комментарий к статье