Управление бистабильным поляризованным реле с двумя обмотками постоянным (логическим) уровнем

Принцип работы твердотельного реле

Рис. №3. Схема работы с использованием твердотельного реле. В положении выключено, когда на входе наблюдается 0 В, твердотельное реле не дает пройти току через нагрузку. В положение включено, на входе есть напряжение, ток идет через нагрузку.

Основные элементы регулируемой входной цепи переменного напряжения.

  1. Регулятор тока служит для поддержки неизменного значения тока.
  2. Двухполупериодный мост и конденсаторы на входе в устройство служат для преобразования сигнала переменного тока в постоянный.
  3. Встроенный оптрон оптической развязки, на него подается питающее напряжение и через него протекает входной ток.
  4. Тригерная цепь служит для управления эмиссией света встроенного оптрона, в случае прекращения подачи входного сигнала ток прекратит свое протекание через выход.
  5. Резисторы, расположенные в схеме последовательно.

В твердотельных реле используется два распространенных типа оптических развязок – семистор и транзистор.

Симистор обладает следующими преимуществами: включение в состав развязки тригерной цепи и ее защищенность от помех. К недостаткам следует отнести дороговизну и необходимость больших величин тока на входе в устройство, необходимого для переключения выхода.

Рис. №4.  Схема реле с семистором.

Тиристор  — не нуждается в наличии большого значения тока для переключения выхода. Недостаток – нахождение триггерной цепи вне развязки, а значит большее число элементов и слабая защита от помех.

Рис. №5. Схема реле с тиристором.

Рис. №6. Внешний вид и расположение элементов в конструкции твердотельного реле с транзисторным управлением.

Принцип работы твердотельного реле типа SCR полупериодного управления

При прохождении тока через реле исключительно в одном направлении величина мощности снижается почти на 50%. Для предотвращения этого явления используют  два параллельно подключенных  SCR, расположенные на выходе (катод соединяется анодом другого).

Рис. №7. Схема принципа работы полупериодного управления SCR

Типы коммутирования твердотельных реле

  1. Управление коммутационными действиями при переходе тока через ноль.

Рис. №8. Коммутация реле при переходе тока через ноль.

Используется для резистивной нагрузки в системах управления и контролирования нагревательных устройств. Использование в слабоиндуктивных и емкостных нагрузках.

  1. Фазовое управление твердотельным реле

Рис.№9. Схема фазного управления.

Основные показатели для выбора твердотельных реле

  • Ток: нагрузки, пусковой, номинальный.
  • Тип нагрузки: индуктивность, емкость или резистивная нагрузка.
  • Тип напряжения цепи: переменное или постоянное.
  • Тип сигнала управления.

Рекомендации по подбору реле и эксплуатационные нюансы

Токовая нагрузка и ее характер служат главным фактором, определяющим выбор. Реле выбирается с запасом по току, в который входит учет пускового тока (он должен выдержать 10-кратное превышение тока и перегруз на 10 мс). При работе с обогревателем номинальный ток превышает номинальный ток нагрузки не менее чем на 40%. При работе с электродвигателем запас по току рекомендован быть больше номинала не менее чем в 10 раз.

Ориентировочные примеры выбора реле при превышении тока

  1. Нагрузка активной мощности, например, ТЭН – запас 30-40%.
  2. Электродвигатель асинхронного типа, 10 кратный запас по току.
  3. Освещение с лампами накаливания – 12 кратный запас.
  4. Электромагнитные реле, катушки – от 4 до 10 кратного запаса.

Рис. №10. Примеры выбора реле при активной нагрузке по току.

Такой электронный компонент электрических цепей как твердотельное реле становиться обязательным интерфейсом в современных схемах и обеспечивает надежную электрическую изоляцию между всеми задействованными электроцепями.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поляризованные электромагнитные реле

Разновидностью электромагнитных реле
являются поляризованные электромагнитные
реле. Их принципиальное отличие от
нейтральных реле состоит в способности
реагировать на полярность управляющего
сигнала, заключающееся в том, что при
изменении полярности приложенного
напряжения меняется направление
притяжения якоря.

Поляризованные реле работают
на электромагнитном принципе. Отличительной
особенностью их является то, что на
якорь реле действуют два независимых
магнитных потока: поляризующий ФП,
создаваемый постоянным магнитом, и
рабочий ФP,
создаваемый током, проходящим по обмоткам
реле.
Рис.
15. Принцип устройства и действия
поляризованного реле.

Такое положение является
неустойчивым и практически недостижимым.
Достаточно небольшой ассимметрии в
воздушных зазорах или внешнего толчка,
смещающего якорь с нейтрального
положения, как равенство магнитных
потоков в правом и левом зазорах, а
следовательно, и сил, воздействующих
на якорь, нарушится. В результате якорь
притянется к тому полюсу электромагнита,
сила притяжения к которому стала больше.

Поляризованные реле могут
применяться для работы только
на постоянном токе
.
При подаче переменного тока якорь реле
будет попеременно притягиваться то к
правому, то к левому полюсу электромагнита,
т. е. вибрировать с частотой приложенного
напряжения.

Конструкция

Обычно поляризованное реле состоит из ферромагнитного магнитомягкого сердечника (ярма) с двумя намагничивающими обмотками, подвижного ферромагнитного якоря и контактной системой. Якорь связан с контактной системой, как правило, состоящей из одного переключаемого контакта. Начальный постоянный магнитный поток в ярме создаётся с помощью постоянного магнита — элемента ярма.

Обычно ярмо имеет Ш-образную форму, с двумя или одной обмотками, расположенными на крайних стержнях ярма. Постоянный магнит, расположенный в разрыве среднего стержня магнитопровода ярма, порождает в отсутствие тока обмоток симметричный поток магнитного поля в крайних стержнях. Между полюсными наконечниками крайних стержней находится якорь, который может быть притянут к «левому» или «правому» стержню ярма. При подаче тока в эти две обмотки якорь, в зависимости от полярности тока, перемещается к одному из стержней, а именно к тому, где напряжённость магнитного поля в немагнитном (воздушном) зазоре больше, так как взаимодействие магнитных потоков усиливает поле в одном из зазоров и ослабляет его в другом.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЛЕ

Конструктивно электромагнитное реле представляет собой катушку выполняющую роль втягивающего устройства.

Она состоит из основания из немагнитного материала, на которое намотан медный провод, который, в зависимости от исполнения, может быть в изоляции из тканевых, синтетических материалов, но в большинстве случаев проводник покрывается диэлектрическим лаком.

При подаче напряжения на катушку происходит втягивание металлического сердечника, связанного с толкателем, который приводит в движение контакты.

В зависимости от назначения контактный блок реле может состоять из нормально открытых (разомкнутых) или нормально закрытых (замкнутых) контактов, в некоторых случаях блок контактов может совмещать в себе оба типа контактов.

Более подробно устройство реле можно понять если разбить его составляющие на блоки:

  • управляющий — служит для преобразования управляющего сигнала (в нашем случае из электрического — в магнитное поле);
  • блок промежуточных элементов — приводит в действие исполнительный механизм;
  • исполнительный блок — воздействует непосредственно на управляемую цепь. В качестве исполнительного блока можно рассматривать контактную группу устройства.

Также, при проектировании управляющих цепей с использованием электромагнитных реле необходимо учитывать, что ввиду того что чувствительным элементом является электромагнитная катушка, то ток в обмотке увеличивается или уменьшается не мгновенно, а в течении некоторого времени.

В связи с этим следует учитывать возможное время задержки срабатывания. Оно достаточно мало, но в некоторых ситуациях может оказывать влияние на работу других элементов схемы.

Электромагнитные реле можно классифицировать по следующим признакам:

области применения:

для цепей управления, защиты или сигнализации;

мощности управления:

малой мощности, управляющий сигнал ≤1 Вт, средней мощности, сигнал управления находится в пределах от 1 до 9 Вт, высокой мощности — мощность сигнала ≥10 Вт;

времени реакции на сигнал управления:

безынерционные время реакции ≤ 0,001 сек., быстродействующие — время реакции от 0,001 до 0,05 сек., замедленные время реакции от 0,05 до 1 сек., а также реле времени с регулируемой задержкой срабатывания.

характеру управляющего напряжения:

постоянного тока —нейтральные, поляризованные и переменного тока.

Отдельно стоит остановиться на особенностях реле постоянного тока. Как было выше сказано они подразделяются на нейтральные и поляризационные. Главное отличие этих двух групп заключается в том, что поляризационные устройства чувствительны к полярности приложенного напряжения, то есть подвижный сердечник меняет свое направление с правого на левое или наоборот в зависимости от полярности напряжения.

Электромагнитные реле постоянного тока делятся на:

  • двухпозиционные;
  • двухпозиционные с преобладанием;
  • трехпозиционные или реле с нечувствительной зоной.

Срабатывание же устройств нейтрального типа не зависит от полярности подаваемого напряжения. К недостаткам реле использующих, в качестве управляющего сигнала, постоянный ток можно отнести необходимость установки блоков питания, для подачи постоянного тока и высокая стоимость самого устройства.

Реле переменного тока этого лишены, но и у них есть свои недостатки такие как — необходимость доработки конструкции для устранения вибрации сердечника.

Рабочие параметры хуже, чем у устройств использующих линейную форму управляющего сигнала, а именно — хуже чувствительность, гораздо меньшее электрическое усилие. Но в тоже время они могут напрямую подключаться к электрической сети переменного тока.

Что такое электромагнитное реле, устройство, назначение

Электромагнитное реле — коммутирующее устройство, которое для работы использует электромагнитное поле. Состоит оно из электромагнитной катушки и подвижного якоря, подвижных и неподвижных контактов. Якорь и катушка закреплены на основании. Якорь подпружинен и расположен так, чтобы неподвижные контакты с неподвижными имели точки соприкосновения.

Устройство электромагнитного реле

Как работает электромагнитное реле? При подаче напряжения на обмотку в ней возникает электромагнитное поле. Закрепленный подвижно якорь притягивается к сердечнику катушки, контакты переключаются (смыкаются/размыкаются). В этом и состоит работа реле — перекидывать контакты. К ним подключена разная нагрузка и, в результате срабатывания, изменяется цепи, по которым протекает электрический ток.

При снятии питания электромагнитное поле исчезает, якорь под действием пружины возвращается в исходное состояние. Соответственно и схема возвращается в исходное состояние. По принципу действия очень похоже на работу обычного выключателя. С той лишь разницей, что кнопки нет и  «управляются» контакты автоматически, а вместо лампочки может быть участок цепи или какое-то устройство.

Для чего нужно реле в электросхемах

На рисунке выше представлена простейшая схема с электромагнитным реле. Есть кнопка, при помощи которой подается питание на катушку. К контактам подключен исполнительный орган, например, электрическая лампа. При нажатии кнопки питание подается на катушку, якорь притягивается к сердечнику катушки, и давит на контакты. Они замыкаются, на лампочку поступает напряжение и она загорается. При снятии питания с катушки, пружина оттягивает якорь в исходное положение, цепь питания лампочки разрывается и она тухнет. Этот пример показывает, для чего и как используют электромагнитные реле.

Электромагнитное реле - как это работает ?Электромагнитное реле — как это работает ?

Условия получения высокого коэффициента возврата

Если выбрать достаточно большое значение бк и малый рабочий ход якоря, то характеристика противодействующей пружины достаточно близко подойдет к тяговой и коэффициент возврата может быть получен примерно 0,7—0,8. Большими возможностями согласования характеристик обладает электромагнитная система с поворотным движением якоря (рис. 9.5). Якорь 3 Г-образной формы выполнен из тонкой электротехнической стали. При малом рабочем зазоре он насыщается, благодаря чему значение Ризб уменьшается и kB возрастает. Изменяя форму якоря и полюсов, можно получить практически любую тяговую   характеристику. Помимо указанных факторов на коэффициент возврата реле оказывают влияние трение перемещающихся деталей электромагнита и гистерезис материала магнитопровода.

Трение является дополнительным усилием сопротивления и вызывает увеличение тока трогания. Трение препятствует и отпусканию. Усилие возвратной пружины уменьшается, что вызывает уменьшение тока отпускания. В результате коэффициент возврата уменьшается. Для того чтобы трение меньше сказывалось на коэффициенте возврата, усилие противодействующей пружины должно значительно превышать силу трения. В ряде случаев необходимо контролировать уменьшение входного параметра. Эта задача решается с помощью минимальных реле. Так, например, контакты минимального реле напряжения отключают установку при снижении напряжения сети ниже допустимого.

Электромагнитное реле.

2.8. Индукционные реле

Принципы действия и выполнения
индукционных систем.
Работа индукционных
реле основана на взаимодействии
переменныхмагнитных потоков с
токами, индуктированными ими в подвижной
системе реле. Основными элементами реле
являются два электромагнита 1и 2 и
подвижная система 3, расположенная в
магнитном поле электромагнитов (рис.
2.26). Подвижная система выполняется из
немагнитного электропроводящего
материала в виде медного или алюминиевого
диска, либо полого цилиндра (барабанчика),
закрепленного на вращающейся оси 4. Сосью 4жестко связан подвижный
контакт реле 5, замыкающий при повороте
неподвижные контакты 6. движению диска
в сторону замыкания контактов
противодействует спиральная пружина
7.

Обмотки электромагнитов 1и 2 питаются
переменными (синусоидальными) токамиI1, иI2,которые создают переменные магнитные
потокиФ1иФ2 .
Положительное направление токов и
соответствующее им положительное
направление потоков, определяемое по
правилу буравчика, показаны на рис.
2.26. Векторная диаграмма их изображена
на рис. 2.27. Пренебрегая

потерями на намагничивание, потоки Ф1иФ2, показаны на диаграмме
совпадающими с токамиI1,
иI2. Магнитный
потокФ1пронизывая подвижную
систему 3, наводит в диске ЭДСпотокФ2ЭДС.
Наведенные ЭДС отстают по фазе на 90оот вызывающих их магнитных потоков. Под
действием ЭДСЕД1и ЕД2,
в подвижной системе возникают вихревые
токиIД1иIД2,
замыкающиеся вокруг оси индуктирующего
их магнитного потока. Положительные
направленияIД1иIД2, определенные
по правилу буравчика по положительному
направлению потоковФ1, иФ2показаны на рис. 2.27. Вследствие малой
индуктивности контура вихревых токов
их векторыIД1иIД2принимаются
совпадающими по фазе с вызвавшими их
ЭДС (ЕД1и ЕД2).

В рассматриваемой конструкции возникают
две силы: FЭ1 =k1Ф1IД2– обусловленная взаимодействием
магнитного потока Ф1, и токаIД2,
наведенного другим потоком Ф2,
иFЭ2 =k2Ф2IД1,
вызванная воздействием потока Ф2на токIД1наведенный потоком Ф1.

Силы взаимодействия
потока Ф1, со «своим» токомIД1, иФ2с вихревым токомIД2равны нулю.

Направление сил FЭ1иFЭ2и создаваемые
ими моменты вращения МЭ1и МЭ2определяются их средними значениями
за период, которые зависят от угла сдвига
фаз между взаимодействующими потоками
и токами в диске. СилыFЭ1иFЭ2определяются
по правилу «левой руки» и показаны
на рис. 2.26. Результирующая электромагнитная
силаFЭ=FЭ1+FЭ2 . Результирующий
электромагнитный момент МЭ=FЭd,гдеdплечо силыFЭ, относительно
оси вращения. Момент МЭ, приводит
в движение подвижную систему 3, которая
в зависимости от знака (направления)
МЭ, действует в сторону
замыкания или размыкания контактов
реле 5.

Электромагнитная сила FЭи ее момент МЭ.Значение результирующей электромагнитной
силыFЭ, выражается
через магнитные потокиФ1, иФ2создаваемые токами, питающими
обмотки электромагнитов реле, угол
сдвига фаз между ними ψ и частоту входных
токовf

FЭ=k’fФ1Ф2sinψ.

(2.12)

Соответственно электромагнитный момент

МЭ=FЭd=k’’fФ1Ф2sinψ=kfФ1Ф2sinψ,

(2.13)

где Ф1,
и Ф2,действующие значения
магнитных потоков;k,k’,k»постоянные
величины.

Анализируя выражение (2.13), можно сделать
следующие выводы:

1) результирующий момент пропорционален
действующим (или амплитудным) значениям
магнитных потоков и зависит от сдвига
фаз ψ между токами, подведенными к реле.
Это означает, что индукционные реле
могут служить для сравнения фаз входных
токов. Реле имеет максимальный момент
при ψ = 90oи не
действует при ψ = 0;

2) знак моментазависит отsinψ.
Результирующая силаFЭ;направлена от оси опережающего к оси
отстающего магнитного потока;

3) конструкция реле должна обеспечить
создание не менее двух переменных
магнитных потоков (Ф1, и Ф2),
пронизывающих подвижную систему в
разных точках и сдвинутых по фазе на
угол ψ ≠ 0;

4) поскольку действующие значения
магнитных потоков Ф1, и Ф2являются постоянными величинами, то
мгновенное значение моментов индукционных
реле в отличие от электромагнитных не
изменяется во времени. Поэтому у
индукционных реле отсутствует вибрация
контактов, если токи и напряжения,
создающие соответствующие потоки,
синусоидальны;

5) на индукционном принципе могут
выполняться только реле переменного
тока: реле тока, направления мощности,
сопротивления и др.

Эксплуатационные причины несрабатывания реле

Несрабатывание коммутационного реле – это незамыкание или неразмыкание его контактов после подачи (снятия) управляющего сигнала обмотки, фиксируемое в цепях аппаратуры в виде не подключения или не отключения некой нагрузки. Обычно это происходит из-за повышенного переходного сопротивления контактов, их сваривания или превышенного износа. (Не срабатывать (не перемещаться) контакты могут и вследствие повышенного трения в оси якоря или в связи с перегоранием обмотки при эксплуатации негерметичного реле в экстремальных условиях (вакуум или пониженное давление окружающей среды, невесомость и т.п.)).

Повышенное переходное сопротивление контактов Rk является следствием загрязнения их изолирующими веществами. Для надежного контактирования статическая величина Rk должна быть порядка 50–100 мОм, а при коммутации нагрузки сопротивление контактов должно сохранять стабильность и быть как минимум на порядок меньше общего сопротивления коммутируемой электроцепи. Величина переходного сопротивления замкнутых контактов зависит от состояния их поверхности и величины тока.

Первоначально соприкосновение контактов происходит в одной или в нескольких точках микронных размеров. Эти точки имеют металлическую и квазиметаллическую (туннельный эффект) проводимость тока или вообще не проводят ток вследствие большой толщины изолирующих пленок на их поверхности. Изолирующие материалы на рабочей поверхности контактов имеют органическое, неорганическое и механическое происхождение.

Основным источником загрязнения контактов реле являются органические (углеводородные) вещества пластмассового каркаса катушки и изоляции провода обмотки, которые в процессе изготовления реле должны тщательно обезгаживаться. Для реле, изготавливаемых с применением пайки, дополнительным источником загрязнения контактов являются флюс и припой. В недостаточно герметичное реле органика может проникать и вследствие разности парциальных давлений органических веществ внутри и вне реле.

Концентрация органических веществ во внутреннем объеме реле возрастает с ростом температуры обмотки и понижением атмосферного давления. Парообразная органика адсорбируется поверхностями контактов в пока еще проводящие ток мономолекулярные слои, которые в дальнейшем самопроизвольно или в результате трения контактных поверхностей полимеризуются, т.е. превращаются в высокомолекулярные пленки с высоким электросопротивлением. В процессе коммутации контакты нагреваются до высокой температуры, при которой происходит пиролиз органических соединений, т.е. их термическое разложение с образованием твердого углерода. Наиболее активно пиролиз происходит при коммутации малых и средних (промежуточных) токов, когда между контактами возникают короткие дуговые разряды, энергии которых достаточно для нагрева контактов, но еще недостаточно для испарения органических пленок без их разложения.

Повышенная влажность во внутреннем объеме реле также создает условия для отказа контактов вследствие их обледенения в зоне контактирования при пониженной температуре окружающей среды. Кроме того, влага – серьезный инициатор электрохимической коррозии и активатор многих органических веществ. Влага может выделяться из недостаточно осушенной обмотки или проникать внутрь недостаточно герметичного реле из внешней среды.

Таким образом, загрязнение контактов особенно активно происходит при разгерметизации реле и перегреве его обмотки, повышая переходное сопротивление контактов, коммутирующих слаботочные нагрузки.

Износ (разрушение) поверхности коммутирующих контактов также может стать причиной незамыкания контактов. Под износом контактов обычно понимают потерю материала контактов или изменение формы их поверхности, приводящие к потере механического контактирования вследствие ограниченной просадки подвижного контакта. Износ контактов реле обычно вызван одновременным действием механических, химических и электрических факторов. Для СЭМР наиболее существенен электроэрозионный износ контактов, вызванный электрическими разрядами при размыкании контактов или в момент их отскока при замыкании с дребезгом. Ускоренному износу контактов способствуют жесткие режимы коммутаций, характеризуемые образованием в межконтактном зазоре дуговых разрядов.

3.2 Индукционные реле

Устройство
индукционного реле показано на рис.
3.1. Основными элементами реле являются
два электромагнитных элемента (местный
5 и путевой 3), алюминиевый сектор 2,
закрепленный на оси и расположенный в
воздушном зазоре между путевым и местным
элементами, контактная тяга 6, контактная
система 7, состоящая из контактных пружин
и контактов трех типов – общего О,
фронтового Ф и тылового Т. Путевой
элемент индукционного реле представляет
собой П-образный сердечник, на котором
расположена обмотка, называемая путевой.
Местный элемент представляет собой
Ш-образный сердечник, на среднем стержне
которого расположена обмотка, называемая
местной. Обе обмотки имеют выводы для
подключения к разным источникам
переменного тока 
«путевому» и «местному» соответственно.

а

б

Рис. 3.1,а,б. Устройство индукционного
реле

Так,
при использовании индукционного реле
в качестве путевого реле станционной
рельсовой цепи, переменный ток поступает
на путевую обмотку из рельсовой линии,
на местную – непосредственно от
«местного» источника, входящего в состав
электропитающей установки.

Принцип
действия индукционного реле заключается
в следующем. В исходном состоянии, когда
обмотки реле отключены от источников
тока, сектор находится в нижнем положении
и упирается в нижний ограничительный
ролик 1 (рис. 3.1, а). Тыловой контакт
замкнут, фронтовой – разомкнут.

При
подключении обмоток к источникам
переменного тока в сердечниках путевого
и местного элементов создаются переменные
магнитные потоки соответственно
ФП
и
ФМ.
Магнитный поток ФМ
наводит
в секторе вихревые токи. Сектор становится
проводником с током, который находится
в магнитном поле путевого элемента. В
результате взаимодействия магнитного
потока ФП
и вихревых токов сектора создается
вращающий
момент, результирующая сила которого
перемещает сектор вверх до упора в
ограничительный ролик 4. В результате
контактная тяга перемещается вниз,
размыкая тыловой и замыкая фронтовой
контакт (рис. 3.1, б).

Сила
подъема сектора определяется выражением

,
(3.1)

где
w
– круговая частота питающего напряжения;

zc– сопротивление
сектора;

IМ
– ток местного элемента;

IП
– ток путевого элемента;

sin
– угол сдвига между токами IМ
и IП.

Для
срабатывания индукционного реле
необходимо, чтобы угол сдвига фаз между
токами IМ
иIП
принимал определенное в технических
условиях значение. Как видно из формулы
(3.1), максимальный вращающий момент
создается при угле сдвига фаз, равном
90
(идеальный угол).

Индукционное
реле возвращается в исходное состояние
при выполнении одного из двух условий:
отключении обмотки (одной или обеих) от
источника тока или нарушении фазового
соотношения между токамиIМ
иIП.
При этом сектор опускается в нижнее
положение под действием силы тяжести
(собственного веса), перемещая контактную
тягу вверх. В результате фронтовой
контакт размыкается, а тыловойзамыкается.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий