ГЛАВА 5. РЕЛЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Реле — это звено САР, в котором при достижении известного значения входной величины выходная величина изменяется скачкообразно. В описанной выше релейной САР использовано поляризованное реле, в котором при достижении определенного значения входной величины (ток в обмотке реле) выходная величина (электрическое напряжение на клеммах исполнительного механизма) изменялась скачкообразно в результате замыкания контактов.
Выходным сигналом реле часто является электрическая величина, а входной сигнал, как будет показано в данной главе, может быть не только электрической, но и механической, и тепловой величиной. Имеются также реле с пневматической и гидравлической входной величиной. В связи с этим все реле принято разделять по входной величине на электрические и неэлектрические.
Нередко при автоматизации технологических процессов используются реле, у которых скачкообразное изменение выходной величины происходит с некоторой выдержкой времени, которую можно регулировать. Это так называемые реле выдержки времени.
В зависимости от места расположения в схеме САР реле могут называться первичными, вторичными, промежуточными, исполнительными.
Каждый измерительный элемент или датчик, имеющий выход в виде механического перемещения, нетрудно превратить в реле путем пристройки контактов. Реле, так же, как и датчики, работают с измерительными элементами (имеют воспринимающий орган) и выполняют роль преобразователей; однако в отличие от датчиков реле имеют исполнительный орган, например контактную пару, с помощью которого производится скачкообразное изменение выходного сигнала. Поэтому целесообразно привести некоторые сведения о контактах.
Контакт — это часть реле, производящая замыкание или размыкание электрической цепи посредством механического соприкосновения. Контактные пары разделяются на нормально открытые и нормально закрытые.
Нормально открытой называется контактная пара, которая при невозбужденном реле и отсутствующем механическом воздействии на нее находится в разомкнутом состоянии. В противном случае контактная пара называется нормально закрытой.
При работе реле контакты находятся под воздействием электрического искрового или дугового разрядов и, следовательно, являются уязвимыми деталями. Материал для изготовления контактов должен обладать хорошей сопротивляемостью к окислению, достаточной механической прочностью, высокой температурой плавления, хорошей тепло- и электропроводностью.
Для контактов применяются медь (при малоответственных реле), серебро, платина, платино-иридий (при высокочувствительных реле), вольфрам (при больших токовых нагрузках управляемых цепей). Кроме того, при управлении мощными электрическими цепями в качестве подвижного контакта часто используется ртуть, находящаяся обычно в вакуумной среде стеклянного баллона.
Следует отметить, что условия работы контактов в цепях с постоянным током из-за устойчивого горения дуги более тяжелые, чем в цепях с переменным током. Поэтому одни и те же контакты при постоянном токе могут размыкать цепь, мощность которой в 3—4 раза меньше, чем при переменном токе. Чтобы увеличить разрывную мощность и удлинить срок службы контактных пар реле, применяются специальные схемы искрогашения (рис. 15). Принцип действия этих схем основан на том, что энергия тока i, вызванного действием электродвижущей силы самоиндукции цепи, расходуется на преодоление сопротивления r и зарядку конденсатора емкостью С, но не на создание искрового разряда между контактами в момент размыкания цепи с током I в катушке индуктивности.
Все реле, у которых исполнительным органом являются контактные пары, называются контактными реле. Однако в настоящее время в автоматике все большее распространение получают весьма перспективные бесконтактные реле. Принцип действия этих реле основан на применении электрических цепей переменного тока с последовательным соединением конденсатора и катушки с ферромагнитным сердечником.
Допустим, что реле представляет собой именно такую электрическую цепь и при определенном напряжении (входной величине) путем регулировки емкости конденсатора настроено на режим работы, соответствующий резонансу (феррорезонансу) напряжений. Тогда даже при незначительном возрастании входного напряжения скачкообразно увеличится ток, т. е. в подобном устройстве отклонение напряжения скачкообразно преобразовывается в ток (выходную величину). Последний соответствующим образом может быть использован без применения контактов для управления исполнительным механизмом какого-то автоматического регулятора.
Имеются также бесконтактные реле, действие которых основано на использовании электронных ламп, полупроводников, контуров феррорезонанса токов и др.
Несмотря на большое разнообразие конструкций реле, все они имеют некоторые общие наименования параметров.
Параметр срабатывания (мощность срабатывания, ток срабатывания и т. п.) — минимальное значение физической величины, при котором происходит срабатывание реле.
Параметр отпускания — максимальное значение физической величины, при котором происходит отпускание реле.
Параметр трогания при срабатывании — максимальное значение физической величины, при котором происходит трогание реле при срабатывании.
Параметр трогания при отпускании — максимальное значение физической величины, при котором происходит трогание реле при отпускании.
Номинальный параметр — значение физической величины, указываемое заводом-изготовителем и соответствующее типовым режимам применения реле (напряжение, частота тока, давление между контактами, разрывная мощность контактов, потребляемая мощность и т. п.).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ
Электрические реле реагируют только на электрические величины. К ним относятся электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, электротепловые, электропневматические и другие реле.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ
Рис. 16. Схемы электрических реле:
а — электромагнитное многоконтактное унифицированное реле МКУ-48; б — электромагнитное реле тока ЭТ 521/6; в — магнитоэлектрическое реле; г — электродинамическое реле; д — индукционное реле; е — электротепловое реле.
Из электрических реле наибольшее распространение получили электромагнитные. Они используются для замыкания и размыкания цепей управления, усиления электрических сигналов и увеличения числа цепей, передающих сигналы автоматического регулятора, для защиты цепей от опасных токов и пр.
Очень часто в самых различных электрических регуляторах используются электромагнитные многоконтактные унифицированные реле МКУ-48 (рис. 16, а). Сердечник 7, корпус 9 и якорь 6 составляют магнитную цепь реле. При возбуждении катушки 8 входной величиной (током /) якорь притягивается к сердечнику При своем перемещении вокруг оси 5 якорь преодолевает усилие пружины 3, и пластмассовая дужка 11, жестко прикрепленная к нему, производит размыкание верхних нормально закрытых 1 и замыкание нижних нормально открытых контактов. Ограничение перемещения якоря обеспечивается ограничителем 10. Изоляция контактных пружин 2 изготовлена из пластмассовых пластинок 4.
Данное реле имеет четыре контактных пары (на рисунке другие пары контактов не видны).
Реле МКУ-48 выпускается для напряжений 220, 110, 60, 48 и 24 В постоянного тока и для напряжений 110, 220, 127 и 380 В переменного тока при частоте 50 Гц.
Разрывная мощность контактов в цепи постоянного тока — до 50 Вт, в цепи переменного тока — до 500 В-А. Допускаемая величина тока 5 А, при пуске — 10 А.
Следует указать, что реле постоянного тока, включенное в цепь переменного напряжения, будет иметь вибрацию якоря. От вибрации ускоряется износ, утяжеляется работа контактов и вызывается шум.
Однако при монтаже регуляторов из-за отсутствия нужного реле все же приходится иногда применять при переменном напряжении реле постоянного тока. При этом во избежание вибрации якоря может применяться монтажная схема подключения согласно рис. 16,а (полупроводниковый выпрямитель — катушка реле — конденсатор в роли фильтра).
На рис. 16,б показано электромагнитное реле тока ЭТ 521/6, используемое для защиты различных цепей от опасных токов. Магнитопровод 3 имеет полюса 2. По обмоткам 1 проходит ток I, на величину которого реагирует реле. В том случае, когда ток I достигнет величины тока трогания, ферромагнитный якорь 4, насаженный на ось 6 со спиральной пружиной 5, повернется и подвижный контакт 10 замкнет неподвижные контакты 11 цепи управления выключателем тока нагрузки САР.
Ручная настройка реле на нужный ток срабатывания осуществляется перестановкой стрелки 7 на ту или иную цифру шкалы 3. При повороте стрелки вправо через рычажок 9 происходит скручивание пружины, и тогда реле может срабатывать только при соответственном увеличении тока. Максимальный ток настройки 6 А. Эти же реле выпускаются также с пределом настройки 10 А.
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ
Магнитоэлектрические (рис. 16, в) электродинамические (рис. 16, г) и индукционные (рис. 16, д) реле имеют конструкции, соответственно подобные конструкциям электроизмерительных приборов магнитоэлектрических, ферродинамических и индукционных систем, которые детально изучаются в курсе электротехники. Поэтому здесь приводятся лишь некоторые сведения о них.
Все реле используются главным образом при управлении технологическими процессами на больших расстояниях в качестве реле тока и напряжения; индукционные реле применяются, кроме того, в устройствах для автоматической защиты как реле мощности и пр.
Магнитоэлектрические реле могут иметь очень сильные постоянные магниты, и поэтому из всех электрических реле они наиболее чувствительны. Недостатком этих реле является то, что они имеют очень малое давление между контактами, в связи с чем могут управлять только цепями с мощностью несколько ватт.
Электродинамические реле менее чувствительны, но имеют значительно большую разрывную мощность контактов, составляющую 50 Вт и более.
Индукционные реле пригодны только для переменного тока и по сравнению с электродинамическими имеют еще меньшую чувствительность и разрывную мощность контактов.
ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ
На рис. 16, е показана схема устройства электротеплового реле, применяемого в магнитных пускателях для защиты электрических двигателей от перегрева (схема реле обведена пунктиром). В том случае, когда ток I станет опасным в отношении перегрева двигателя Д, биметаллическая пластинка 5 нагревается от нагревательного элемента 4 и изгибается вправо. Рычаг 7 усилием пружины 6 поворачивается вокруг оси 10 и размыкает контактную пару 9. Цепь втягивающей катушки 3 магнитного пускателя оказывается без питания, пружина 1 размыкает контакты контактора 2 и двигатель останавливается для охлаждения.
Подготовка реле к повторному пуску двигателя осуществляется нажатием кнопки 8, предназначенной для возвращения рычага 7 в пусковое положение.
Заметим, что вследствие тепловой инерции реле не защищает от токов короткого замыкания: двигатель может быть поврежден раньше, чем сработает реле. Для защиты в этом случае используются предохранители.
ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РЕЛЕ
Электропневматические и электрогидравлические реле относятся к группе аппаратов, преобразующих дискретные (импульсные) входные величины в дискретные выходные величины. Входным сигналом этих устройств является электрический ток, а выходным — давление сжатого воздуха или рабочей жидкости (масла, воды).
Рис. 17. Принципиальная схема электропневматического реле ЭПР-4.
Реле используются в системах статического или двухпозиционного регулирования различных теплотехнических величин. Например, электропневматические реле в комплекте со многими специальными автоматическими регуляторами применяются для регулирования концентрации щелочи в бутылкомоечных машинах, температуры и влажности в установках для кондиционирования воздуха; электрогидравлические реле используются для регулирования прессов горения в котельных и т. д.
На рис. 17 изображена принципиальная схема электропневматического реле ЭПР-4. Оно состоит из двух соленоидных клапанов СК1 и СК2, двух вентилей В1 и В2 двух дросселей Д1 и Д2 узлов полупроводникового выпрямителя и обратной связи (на схеме эти узлы не показаны).
Все части реле смонтированы в корпусе, закрываемом крышкой.
Работа реле заключается в следующем. При отклонении регулируемого параметра от заданного значения управляющее устройство (мостиковая схема) через релейный блок системы регулирования подает напряжение на обмотку клапана CK1 или СК2. Если открыт клапан СК2, воздух проходит через дроссель к исполнительному механизму, манометру и сильфону обратной связи через дроссель Д1.
Поступление воздуха к исполнительному механизму продолжается до тех пор, пока ползунок, перемещаемый усилием сильфона по реостату обратной связи (реохорду), не приведет мостиковую схему в равновесие. После этого клапан СК2 закрывается.
Если открыт клапан СК1, то воздух из исполнительного механизма, сильфона обратной связи и манометра выходит в атмосферу. Вентили B1 и В2 предназначены для проверки работы исполнительного механизма при обесточенных катушках соленоидных клапанов. Имеющийся на лицевой стороне прибора манометр позволяет контролировать рабочее давление в исполнительном механизме, т. е. положение его регулирующего органа.
Реле питается переменным током напряжением 220 В при частоте 50 Гц; допустимая сила тока в реохорде 0,06 А, рабочее давление воздуха на входе 108 кПа (1,1 кгс/см2).
Отличие электрогидравлических реле от электропневматических в том, что командные импульсы исполнительному механизму, подачей которых они управляют, представляют собой давление рабочей жидкости, а не сжатого воздуха.
