Электромагнитные реле.

Принцип работы электромагнитных механизмов.

В состав автоматизированных, полуавтоматизированных и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, технологическими установками и т.п. входят электромагнитные устройства (контакторы, пускатели, реле, электромагниты). С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию. Основными частями электромагнитных устройств являются: электрические контакты, механический или электромагнитный привод контактной группы, кнопки управления.

По назначению различают следующие электромагнитные устройства:

-коммутационные (разъединители, выключатели, переключатели);

-защитные (предохранители, реле защиты);

-пускорегулирующие (контакторы, пускатели, реле управления);

-контролирующие и регулирующие (датчики, реле);

-электромагниты.

Рассмотрим принцип работы электромагнитного механизма. В электромагнитном механизме осуществляется преобразование электрической энергии источника питания в механическую энергию перемещения якоря. Схема механизма приведена на рис. 9.4. Она включает неподвижную 1 (ярмо) и подвижную 2 (якорь) части магнитопровода; намагничивающую катушку 3, удерживающую пружину 4.

Появление тока в намагничивающей катушке приводит к намагничиванию ферромагнитных частей магнитопровода. Образовавшееся магнитное поле притягивает якорь к ярму.

Проведем анализ процесса преобразования энергии источника в механическую энергию перемещения якоря. Пусть к намагничивающей катушке приложено напряжение U, и через нее протекает ток I. На сопротивлении катушки R создается падение напряжения .

Разность U -U_R уравновешивает э.д.с. е_L, т.е.:

. (9.7)

Тогда:

(9.8)

Умножим (9.8) на и проинтегрируем за время намагничивания. Тогда

или:

,

где W_П - энергия, затрачиваемая источником на нагрев катушки за время t.

Решение выражения для W_M имеет вид:

(9.9)

Учитывая, что:

,

а:

,

где S - площадь, а l - длина воздушного зазора, получим:

. (9.10)

При перемещении якоря совершается работа:

,

где - энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воздушного зазора ;

- энергия магнитного поля с длиной воздушного зазора ;

.

С учетом (9.10) можем записать:

.

Так как , то:

,

где:

(9.11)

Выражение (9.11) определяет силу [кГ], с которой магнитное поле действует на якорь. Очевидно, что значение силы зависит от длины зазора и магнитодвижущей силы .

Если к катушке подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону:

.

В этом случае мгновенное значение силы, притягивающий якорь к ярму определяется выражением:

,

где

.

После преобразования получим:

. (9.12)

Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную составляющую. Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоянной составляющей. Пульсация F(t) вызывает вибрацию якоря (дребезг).

В однофазных электромагнитных механизмах для устранения пульсации на якоре размещают короткозамкнутый (КЗ) виток провода. Переменный магнитный поток Ф(t) наводит в КЗ витке э.д.с., сдвинутую по фазе на 90⁰ относительно Ф_М. По витку протекает ток i_K, который создает поток Ф_КМ, совпадающий по фазе с э.д.с.

Теперь на якорь начинает действовать пульсирующая сила с удвоенной частотой, т.е. cos 4wt. В итоге постоянная составляющая силы возрастает, пульсация уменьшается.

Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком. Выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. Реле применяют в цепях управления с током не более 1А. Входной или управляющей величиной реле могут быть электрические, механические, тепловые и др. воздействия.

На рис. 9.5. показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенной магнитодвижущей силе (МДС) в цепи управления возникающая сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств прекращается. Многие реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.

Функции реле связаны с контролем режима работы важных элементов электрической цепи: генераторов, трансформаторов, линий передач, электродвигателей и т.п.

При нарушении нормального режима соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо отключает поврежденный участок. Такие реле называют "реле защиты". Они "наблюдают" за током в цепи (токовая защита), за напряжением на отдельных участках (защита по напряжению), за изменением мощности, частоты тока и т.д.

В зависимости от значения или направления входной величины различают реле максимального, минимального или направленного действия.

В зависимости от времени срабатывания различают реле быстродействующие ), нормальные ) и с выдержкой времени (реле времени).

Реле, не реагирующее на направление управляющей величины (например, тока), называют нейтральным. Реле, чувствительные к полярности управляющей величины, называют поляризованными.

Если исполнительный элемент реле (подвижные контакты) непосредственно воздействует на цепь управления, то это реле прямого действия. Когда воздействие осуществляется через другие аппараты - реле косвенного действия.

Рис. 9.5