Одним из наиболее распространенных исполнительных элементов различных автоматических систем являются реле. К ним относятся устройства, преобразующие плавное изменение входной величины в скачкообразное изменение выходной. Реле используются в системах автоматики в качестве элементов управления и защиты, дискретных датчиков и усилителей, размножителей сигналов и логических элементов.
Реле классифицируются по:
- виду физических величин, поступающих на вход (электрические и неэлектрические);
- назначению (реле управления, защиты, сигнализации, связи);
- принципу воздействия на выходную цепь (контактные и бесконтактные);
- роду величины, на которую реагируют реле (токовые, напряжения, мощности, частоты, сопротивления);
- исполнению (открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащи- щенные, герметические).
Упрощенная структурная схема показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Структурная схема реле
Всякое реле содержит воспринимающий орган, который воспринимает сигналы, подаваемые на реле извне; исполнительный орган, предназначенный для передачи сигналов от реле во внешнюю цепь, и промежуточные органы, перерабатывающие и передающие сигналы от воспринимающих органов к исполнительным. В различных конструкциях реле эти органы могут быть явно выражены или объединены друг с другом.
В современных дискретных системах автоматики широко используются электромеханические (контактные), магнитные и полупроводниковые (бесконтактные) реле.
Основой всех электромеханических реле является электромагнит – наиболее простой преобразователь электрического сигнала в механическое усилие и перемещение. Входной электрический сигнал подается в обмотку электромагнита, который притягивает подвижную часть, называемую якорем (рис. 2.2).
|
|
Рис. 2.2. Электромагнитное реле с втягивающимся якорем
В технических устройствах электромагниты являются приводными (тяговыми) элементами и служат для перемещения таких исполнительных устройств, как клапаны, заслонки, золотники, рули и т.д. В автоматике наиболее распространены электромагниты, снабженные контактными системами – электромагнитные реле.
По роду тока в обмотке различают электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока подразделяются на:
- нейтральные – притягивают якорь при любой полярности в обмотке;
- поляризованные – направление усилия, действующего на якорь, изменяется при изменении тока в обмотке.
В системах автоматики, где основным источником энергии является сеть переменного тока, целесообразно применение реле, обмотки которых рассчитаны на питание переменным током. Работа реле переменного тока имеет ряд особенностей, обуславливающих его конструкцию, которые заключаются в том, что:
- в стали магнитопровода проходит переменный ток и создаются потери на вихревые токи и гистерезис (снижение потерь определяется тем, что магнитопровод набирают как трансформаторы из листовой электротехнической стали);
- зависимость тяговых характеристик зависит от способа включения обмотки. Если обмотку реле включают последовательно с балластным активным сопротивлением, определяющем ток в обмотке, то можно считать, что при любом значении воздушного зазора ток в обмотке останется постоянным;
|
|
- возникает вибрация якоря при работе. Для устранения этого явления необходимы два потока, сдвинутых во времени. Это обеспечивается в двухобмоточным реле, если с помощью внешних индуктивности и емкости (рис. 2.3) создается сдвиг во времени между потоками I1 и I2, равный π / 2:
Рис. 2.3. Снижение вибрации якоря
Электромагнитные реле можно классифицировать по назначению:
- пусковое реле (контактор, пускатель магнитный);
- максимальное - отключение контролируемой цепи, когда ток или напряжение становятся больше заданного значения;
- минимальное - отключение контролируемой цепи, когда ток или напряжение становятся меньше определенной величины;
- выдержка времени – создание при включении электрических цепей необходимой выдержки времени.
- мощности управления:
- маломощное – Py ≤ 1 Вт;
- средней мощности - Py = 1..10 Вт;
- мощное – Py ≥ 10 Вт.
- времени срабатывания:
- безынерционные – tср ≤ 1 мс;
- быстродействующие – tср = 5..50 мс;
- нормальное - tср = 50..150 мс;
- замедленное - tср = 150..1000 мс.
К основным параметрам, определяющим функциональные способности реле относятся:
- параметр срабатывания (минимальное значение входного сигнала, при котором происходит переключение контактов реле). Параметр срабатывания характеризует чувствительность реле. Электрические реле выполняются на токи срабатывания от десятков микроампер (электронные реле) до десятков ампер (электромагнитные реле);
- параметр отпускания (максимальное значение входного сигнала, при котором происходит возврат реле в исходное состояние);
|
|
- рабочий параметр (установившееся значение физической величины в рабочем номинальном режиме реле).
Величины срабатывания и отпускания реле связаны между собой коэффициентом возврата, который равен отношению параметра отпускания с параметру срабатывания. Для реле мощности:
Kв = Pотп / Pср. (2.1)
Для электромагнитных реле Kв = 0,4…0,9, для электронных реле Kв = 0,98…0,99.
Отношение рабочего параметра к параметру срабатывания называется коэффициентом запаса при срабатывании. Для реле мощности:
Kз.ср = Рр / Рср . (2.2)
Величина этого коэффициента всегда выше "1".
Отношение параметра отпускания к рабочему параметру называется коэффициентом запаса при отпускании. Для реле мощности:
Кз.отп = Ротп / Рр. (2.3)
Величина данного коэффициента всегда меньше "1".
К важнейшим параметрам реле относятся время его срабатывания и отпускания. При подаче напряжения на обмотку реле или после снятия его, реле срабатывают не мгновенно, а с замедлением (рис. 2.4). Эти замедления объясняются тем, что вследствие большой индуктивности обмоток реле ток возрастает и спадает не мгновенно, а постепенно.
Рис. 2.4. Ток в обмотке реле при срабатывании и отпускании
Моменту подачи напряжения соответствует точка "0". В течение времени tmp подвижные части реле находятся в покое, а ток возрастает до тока (Iср) срабатывания реле. Время tmp называется временем трогания реле. В промежуток времени tср – tmp подвижные части реле переходят из одного устойчивого состояния в другое, то есть реле срабатывает.
Основной характеристикой реле является статическая характеристика или характеристика управления, выражающая зависимость выходной величины y от входной x. Для статических характеристик большинства реле характерным является наличие гистерезисной релейной петли, объясняющейся неоднозначностью характеристик при увеличении и уменьшении входного сигнала. Для статических характеристик реле характерно, что при достижении входной величиной x определенного значения происходит скачкообразное изменение выходной величины y (рис. 2.5).
а) б) в)
г) д)
Рис. 2.5. Виды статических характеристик релейных элементов
Характеристики на рис. 2.5, а и 2.5, б принадлежат двухпозиционным нейтральным реле, не реагирующим на знак входного сигнала.
На рис. 2.5, в приведена характеристика двухпозиционного релейного устройства, обладающего двумя устойчивыми состояниями. Отличием этой зависимости является ее реверсивный характер – при изменении знака сигнала на входе меняется знак сигнала на выходе.
На рис. 2.5, г и 2.5, д представлены характеристики трехпозиционных релейных элементов с зоной нечувствительности, а на рис. 2.5, г – еще и с неоднозначной зависимостью сигнала на выходе от входного сигнала.
При выборе типа реле принимают во внимание все указанные характеристики и параметры, отдавая предпочтение тем, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям разрабатываемого устройства и условиям его эксплуатации.
Для определения токов и напряжений срабатывания и отпускания реле применяется схема, изображенная на рис. 2.6.
Плавно увеличивая потенциометром П напряжение на обмотке реле Р по загоранию лампы Л определяют ток и напряжение срабатывания. При определении напряжения и тока отпускания потенциометром П напряжение на реле снижается.
Для создания определенной временной задержки при передаче сигнала от одного элемента автоматики к другому применяют реле задержки времени. В электроавтоматике наибольшее распространение получили реле с электрическими воспринимающими органами, реагирующие на сигналы постоянного или переменного тока. При сравнительно небольшой выдержке времени (до 5 сек.) применяются простейшие схемные методы, замедляющие нарастание или спадание токов в обмотке электромагнитного реле при помощи резисторов, конденсаторов, полупроводниковых диодов и т. д. (рис. 2.7).
Рис. 2.6. Схема испытания реле
а) б) в)
Рис. 2.7. Схемные способы замедления срабатывания
и отпускания реле постоянного тока
Выдержка времени на отпускание реле может быть определена по формуле:
t = (L · In [Uвх / Iтр · Rр]) / (Rp + R), (2.4)
где Rp и L – соответственно активное сопротивление и индуктивность обмотки реле в положении покоя;
Iтp – ток трогания якоря реле при срабатывании.
Существуют программные устройства, которые представляют собой разновидность реле выдержки времени, и имеют обычно несколько независимых выдержек времени сравнительно большой величины.
В качестве своеобразного программного импульсного релейного устройства следует отметить двухрелейный генератор импульсов (пульс – схема), состоящей из двух реле – 1П и 2П, схема которого представлена на рис. 2.8, и подключается к зажимам a и b (рис. 2.6).
Рис. 2.8. Двухрелейный генератор импульсов
При замыкании ключа КП (рис. 2.6) срабатывает реле 1П и замыкает цепь реле 2П. Реле 2П размыкает цепь 1П, которое в свою очередь разомкнет цепь реле 2П. Последнее, размыкая свои контакты, замкнет цепь реле 1П и т. д. Таким образом, в результате многократного повторения процесса формируются импульсы напряжения.