9.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Рис 9.3. Согласование характеристик электромагнитного реле
а) Согласование тяговых и противодействующих характеристик. Электромагнитные реле благодаря простоте конструкции и надежности широко распространены в схемах электропривода и в схемах защиты энергосистем. Электромагнитные реле приводятся в действие с помощью электромагнитов постоянного или переменного тока (см. гл. 5).
Рассмотрим работу максимального реле постоянного тока с простейшей магнитной системой клапанного типа (см. рис. 5.5).
На рис. 9.3 изображены тяговая и противодействующая характеристики реле. Противодействующие усилия создаются возвратной Pi и контактными Р2 пружинами.
Усилие контактных пружин создает предварительное нажатие в момент соприкосновения контактов. В результате уменьшается вибрация
контактов при срабатывании и обеспечивается необходимое контактное нажатие.
С учетом линейной зависимости силы пружины от ее деформации и относительно небольшого перемещения якоря противодействующее усилие пружин, приведенное к якорю, меняется линейно с изменением зазора. Для срабатывания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика Рэ\ во всех точках хода якоря шла выше суммарной противодействующей характеристики Ра = Р\-\-Р2. Для токового реле при данном начальном зазоре бн положение Pai зависит от тока (см. § 5.6). При ненасыщенной магнитной системе тяговая сила пропорциональна квадрату тока.
Наименьшее значение тока, при котором кривая P3i начинает проходить выше зависимости Рш определяет ток трогания /Тр реле. Срабатывание реле определяется точкой в (зазор б = бн), при которой Рэ] идет выше Рп. Для надежного включения в обмотку реле обычно подается ток /раб>/тр. Коэффициент запаса при этом £3 = /раб//ср и обычно составляет k3 — l,4.
С ростом ki тяговая характеристика поднимается, увеличивается тяговое электромагнитное усилие, действующее на якорь, увеличивается ускорение якоря, сокращается полное время включения. Однако при этом возрастают удары в механизме и вибрация контактов.
Для того чтобы устранить залипание якоря, в магнитной системе всегда создается конечный зазор бк. При этом . зазоре тяговое усилие значительно превышает противодействующее (Ра—Рб = Ризб).
Для отключения реле тяговая характеристика Рт во . всех точках должна быть ниже характеристики Рп. При этом усилие, развиваемое противодействующими пружинами, больше электромагнитного усилия и якорь возвратится в начальное положение. Ток при таком положении характеристики называется током отпускания или током возврата.
При отпускании реле определяющей точкой является точка б, в которой характеристика Ра идет ниже характеристики Рп.
Для реле защиты энергосистем и электропривода, контролирующих значение тока в узких пределах, коэффициент возврата йв = /0тп//Ср должен быть возможно ближе к единице [9.1].
Допустим, требуется реле, которое срабатывает при токе 100 А и отпускает при токе 99 А, т. е. £в = 0,99. В электромагнитных реле такой k5 получить трудно, и в этих случаях применяются электронные реле. Если реле применяется для защиты установки от чрезмерного понижения напряжения сети, то оно также должно иметь высокий kB. Например, если установка должна отключаться от сети при напряжении, равном 70 % Uhqm, то необходимо применить реле с kB = Q,7. Такой kB можно легко получить в электромагнитном реле переменного тока.
Рассмотренное реле срабатывает при любом направлении тока в обмотке. Такие реле называются нейтральными.
Поскольку всегда РПЗб>0, коэффициент возврата максимального реле kB<\. Для увеличения kB необходимо максимально сблизить тяговую и противодействующую характеристики с целью уменьшения РИЗб- В реле, как правило, основное противодействующее усилие создается возвратной пружиной. Усилие контактной пружины невелико, и при рассмотрении коэффициента возврата им можно пренебречь.
Для получения высокого kB противодействующая характеристика должна быть такой же нелинейной, как и тяговая. Для максимального сближения тяговой и противодействующей характеристик последней можно придать нелинейный характер. Добиться этого удается ценой сложных конструктивных решений, снижающих надежность реле .(противодействующее усилие создается несколькими пружинами). Такие решения применяются редко.
В простейшем случае и при одной пружине рекомендуется выбирать ее с наибольшей возможной жесткостью, чтобы противодействующая характеристика совпадала с касательной, проведенной к тяговой характеристике при б = бн. В этом случае значение РИзб будет минимальным, а kB максимальным.
Рис. 9.4. 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 (рис. 9.4).
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. Рассмотрим клапанную систему (рис. 5.15).
Рис. 9.5. Электромагнитное реле серии РТ-40
Допустим, что магнитная цепь не насыщена. Будем менять конечный зазор с помощью тонких латунных прокладок. Начальное положение якоря оставим без изменения. Поскольку начальный зазор не меняется, то и ток трогания /тр остается без изменения. При изменении конечного зазора бк сила возвратной пружины остается практически неизменной, так как ее деформация невелика, а изменение длины на долю миллиметра не изменяет усилия.
С ростом начального зазора бн коэффициент возврата ks уменьшается.
Иногда для изменения /ср меняется начальная сила пружины Рпр.и. Можно показать [2.3], что с увеличением hp за счет увеличения начального натяжения возвратной пружины kB уменьшается. Максимальное значение kB достигается при минимальном токе уставки.
В ряде случаев ток или напряжение отпускания реле в схемах автоматики должны быть значительно меньше тока или напряжения срабатывания. В этих схемах применяются реле с низким коэффициентом возврата.
Тяговая характеристика электромагнитов переменного тока более полога, чем электромагнитов постоянного тока, п ее легче согласовать с противодействующей. Поэтому высокий коэффициент возврата в реле переменного тока достигается легче, чем в реле постоянного тока.