Реле Переменного Тока: Особенности Работы, Разновидности

Реле переменного тока твердотельное

Схемотехника различных электрических и электро-механических устройств предполагает наличие элемента, который должен в определенный момент времени включать и отключать подачу электрического тока. Если говорить техническим языком, то релейный элемент – это устройство с несколькими состояниями равновесия, каждое из которых может быть сменено на другое при определенных внешних воздействиях или направленном управлении.

Реле переменного тока – прибор для коммутации в автоматическом режиме для электрических цепей по управляющему сигналу. Помимо этого эти устройства могут дополнительно выступать в роли усилителей, элементами управления  к электродвигателям и исполнительным устройствам.

Содержание

• Основные рабочие хаpaктеристики
  • Как работает реле
  • Прочие хаpaктеристики
• Разновидности электрических реле
  • Электромагнитные реле
    • Механическая и тяговая хаpaктеристики устройств
  • Реле поляризованного типа
  • Реле электромагнитные переменного тока

Основные рабочие хаpaктеристики

Промышленное реле на 24В

Итак, реле переменного тока является промежуточным элементом, который приводит в действие управляемую электрическую цепь.

Для этого устройства хаpaктерны следующие параметры:

• Мощность сpaбатывания (Р ср – измеряется в Ваттах) – ток минимальной мощности, который должен подаваться на реле для его нормальной активации. Номинально этот параметр подбирается согласно общим конструктивным и электрическим параметрам реле.
• Мощность управления (Р упр – измеряется в Ваттах) – максимальная мощность тока, которую способно передать реле в коммутируемой сети. Данное значение определяется параметрами рабочих контактов реле.

Совет! Не сложно догадаться, что при выборе реле для сети ориентируются на названные параметры, которые для определенных конструкций являются постоянными.

• Время сpaбатывания (Т ср – измеряется в секундах) – разница во времени от момента поступления сигнала на управляющий контакт до смыкания или размыкания контактов.
• Допустимая разрывная мощность (Р р – измеряется в Ваттах) – этот параметр можно встретить в сильноточных реле. Он обозначает мощность при определенном токе, которая при разрыве не позволит создать устойчивую электрическую дугу.

Как работает реле

Диаграмма работы реле во времени

Для управляющей цепи и самого реле хаpaктерна некоторая инертность, из-за чего входной ток на реле растет и убывает не мгновенно, а изменяется в некоторых пределах в течение времени, что прекрасно видно на показанной выше схеме, из которой так же понятно, что рабочий цикл состоит из трех этапов:

• Сpaбатывание;
• Работа;
• Возврат.

Давайте в качестве примера, для понимания основных принципов возьмем электромагнитное реле постоянного тока.

Назад в будущее: реле из 1983 года

• Внутри такого реле имеется катушка индуктивности, благодаря которой и происходит постепенное изменение параметров тока. Сама же работа реле для каждого этапа складывается из определенных временных отрезков.
• Сpaбатывание – имеет два таких интервала: время трогания (tтр) и время на движение якоря(tдв). То есть Т ср = tтр+tдв – все просто.
• Работа – также два участка, которые обозначены на временной линии отрезками АВ и ВС. На первом этапе ток продолжает еще какое-то время расти, пока не будет достигнуто установленное значение, что позволяет обеспечить надежное притяжение между якорем и сердечником, препятствующим вибрации якоря. На втором участке никаких изменений величины тока не происходит.
• Возврат – аналогично, 2 участка. На первом происходит отпускание реле, а на втором – возврат в исходное состояние. На протяжении всего периода сила тока падает.

Трехфазное реле переменного тока

Прочие хаpaктеристики

Помимо перечисленного, у реле разных типов в ходу следующие параметры:

• Коэффициент возврата (Kb) – отношение отпускающего тока к сpaбатывающему. Обычно данное значение варьируется от 0,4 до 0,8. Рассчитывается по формуле: Iот/Iср < 1.
• Коэффициент запаса (К зап) – это отношение тока установившегося (I уст), то есть максимального  к току сpaбатывания. Это значение  показывает, насколько надежен выбранный прибор.
• Последний параметр называется коэффициентом управления (К упр) и представлен отношением мощности управления к мощности сpaбатывания. То есть если реле используется как усилитель, то мы видим коэффициент этого усиления.

Разновидности электрических реле

Реле контроля изоляции переменного тока следит за уровнем сопротивления изоляции

Все реле можно разделить по нескольким признакам, и делят их:

• По назначению – тут можно встретить варианты предназначенные для защиты, управления или сигнализации.

• По принципу действия. Тут список будет куда шире: электромагнитные нейтральные; электромеханические; поляризованные электромагнитные; магнитоэлектрические; индукционные, электротермические; электродинамические; бесконтактные магнитные; фотоэлектронные и электронные, а также другие.

Реле времени переменного тока

• Делят также эти устройства по замеряемым величинам. Замеряться может электрический ток – его мощность, частота, сопротивление, напряжение, сила, коэффициент мощности. Слежение может происходить и за механическими параметрами: объем, сила, давление, скорость, уровень и прочее. Физическими величинами – температура. Временем.
• Естественно, разные устройства рассчитаны на отличающуюся мощность управления. Тут представлено три типа: малой мощности – приборы до 1 Вт; средней – от 1 до 10 Вт; высокой мощности – все, что выше 10 Вт.
• Важным параметром, хаpaктеризующим разные модели является время сpaбатывания прибора. Тут представлено 4 категории: самые быстрые безынерционные модели, чье время на сpaбатывание составляет меньше 0,001 секунды; далее идут быстродействующие – от 0,001 до 0,05 секунды; замедленные – от 0,15 до 1 секунды; реле времени, которым требуется больше 1 секунды.

Наибольшее распространение получили электромеханические реле, в которых при подаче управляющего тока происходит перемещение подвижной части, называемой якорем, в результате чего происходит замыкание управляемой цепи.

Электромагнитные реле

Электромагнитное реле

Данный тип реле делится на два вида – постоянного и переменного тока. Давайте сначала немного побеседуем про первый тип, который бывает нейтральным или поляризованным.

• Суть первого варианта заключается в том, что устройство одинаково реагирует на протекающий ток на его обмотке в разных направлениях, а это значит, что усилие на якоре никак не зависит от направления тока.
• Эти устройства разделяются еще на два типа, в зависимости от движения, которое совершает якорь. Существуют механизмы с угловым движением и втяжным.

Данное втягивающее реле можно встретить на стартере автомобиля ВАЗ 2110

• Принцип работы устройства предельно прост. При отсутствии управляющего тока якорь отстоит от сердечника на максимальном расстоянии и удерживается в таком положении за счет пружины возврата. В это время на реле будут сомкнуты размыкающие контакты и разомкнуты замыкающие.
• В момент, когда подается ток в обмотку, он проходит через сердечник, якорь, ярмо и воздушный зазор, при этом создается магнитное усилие, которое притягивает якорь к сердечнику, преодолевая сопротивление пружины.
• Якорь взаимодействует с колодкой, из-за чего замыкающие контакты смыкаются, а размыкающие, соответственно, разъединяются.

Принцип работы реле

Конструкция реле и тип применяемых контактов будут отличаться в зависимости от токов, на работу с которыми оно рассчитано. В случае маломощных устройств (связи, сигнализации, телемеханики) применяются контакты малой мощности, изготавливаемые из нейзильбера с контактными площадками (наклепанными) из вольфрама или серебра или фосфоритной бронзы.

Наклепки на контактах также могут быть изготовлены из золота, платины, палладия и прочих сплавов, их форма плоская или плоская цилиндрическая.

Контактное реле для автомобиля

В случае средних токов от 0,5 до 5 Ампер ставят контакты из тугоплавких металлов и их сплавов, например, платина-иридий, вольфрам, золото-палладий и прочие.

Беспроводное реле на 16 Ампер

Когда предполагается работа с большими токами, контакты делают медными или из механических смесей, изготавливаемых методом спекания порошков (металлокерамика).

Механическая и тяговая хаpaктеристики устройств

За время сpaбатывания реле меняется длина на воздушном зазоре, а значит, меняется и электромагнитное воздействие на якорь. Данная зависимость называется тяговой хаpaктеристикой и выражается формулой: Fэ = f(d).

Тяговая хаpaктеристика на диаграмме

Если не брать в расчет сопротивление элементов магнитопровода, изготовленных из стали, то тяговая хаpaктеристика должна, по идее, иметь форму гиперболы, однако магнитное сопротивление на воздушном зазоре Rмd при его уменьшении также снижается и сравнивается с сопротивлением магнитопровода Rмст. Исходя из этого, магнитное усилие не может быть больше, чем некая максимальная величина Fэ max. Не противоречит логике, что при самом большом значении воздушного зазора Fэ будет минимальным.

Когда отключается питание обмотки реле, на магнитопроводе остается намагничивание, из-за которого якорь может залипнуть. Чтобы избавиться от этого эффекта применят штифт из немагнитного материала.

Механическая хаpaктеристика реле

• Фактически, работа реле заключается в соединении и разъединении контактов, которых может быть 2 и намного больше. Во время перемещения якоря происходит рост силы упругости возвратной и контактных пружин. Эти силы будут иметь разное значение в зависимости от положения якоря и величины воздушного зазора. Данная зависимость носит название механической хаpaктеристики реле.
• Во время запуска реле, якорь первым преодолевает сопротивление возвратной пружины – на графике выше это усилие отмечено участком ab.
• На следующем участке bc отмечено усилие на ход до первой контактной пружины. Участок cd – преодоление совместного сопротивления двух пружин.
• Логично предположить, что тяговая хаpaктеристика у нормально работающего реле должна быть выше механической.

Интересно знать! В мощных устройствах процесс разъединения протекает намного сложнее первичного коммутирования, так как возникшая электродвижущая сила стремиться удержать значение текущего в управляемой цепи тока. В итоге в момент разъединения может образовываться искрение, а то и вовсе дуговой разряд, очень вредный для контактов реле.

Для того чтобы нейтрализовать описанный эффект используется либо увеличение активного сопротивления, либо специальные конструкции приборов.

Реле поляризованного типа

На фото — электромагнитное поляризованное реле

Работа таких устройств от описанных до этого отличается тем, что направление в котором действует электромагнитная сила меняется в зависимости от полярности тока, подаваемого на обмотку. Данный принцип реализуется посредством постоянного магнита. Подобных реле на рынке представлено великое множество, но все они делятся на мостовые и дифференциальные.

Также их можно разделить на три типа по настройке контактов:

• Двухпозиционные модели;
• Двухпозиционные с преобладанием вправо или влево;
• Трехпозиционные, имеющие зону нечувствительности.

Принцип действия двухпозиционного поляризованного реле

По представленной схеме можно понять, как работают такие реле:

• С разных сторон на сердечнике намотаны две катушки, обозначенные как 1.
• При подключении они создают устойчивое магнитное поле (Fэ) в ярме (2).
• Постоянный магнит (3) также имеет магнитное поле Ф0(п).
• В момент, когда якорь находится в центральном (нейтральном) положении ток на катушки не подается, и магнитный поток от постоянного магнита разбивается на 2 одинаковые части (Ф01 и Ф02), а значит, тяговая сила будет отсутствовать.
• Как только на обмотку подается питание, образующееся магнитное поле на ярме начнет выдавать результирующее поле, прибавляясь или отнимаясь от Ф01 и Ф02, в зависимости от полярности питания.
• Как только одно поле начинает преобладать над другим, возрастает тяговая сила, а значит, якорь начинает движение влево или вправо.

К неоспоримым достоинствам таких реле можно отнести высокую чувствительность, быстрое сpaбатывание, высокий коэффициент управления. К недостаткам относятся, разве что, большие габариты, сложная конструкция и цена.

Реле электромагнитные переменного тока

Оптореле переменного тока

Реле электромагнитные переменного тока, как несложно догадаться, отличается от постоянных моделей тем, что могут работать от электрических сетей с частотой тока от 50 до 400 Гц. Обозначение переменного тока на реле рисуется в виде волнистой черты. Тот же символ можно встретить и в схемотехнике – он помещается в кружочек (см. рисунок ниже).

Схематическое изображение реле переменного тока

Работает такое реле по следующей схеме:

• Переменный ток подается на обмотку, после чего якорь также притягивается к сердечнику.
• Почему контакт не размыкается при смене направления движения тока?
• Потому что тяговое усилие будет пропорционально квадрату силы намагничивания, а значит, и квадрату тока, текущего по обмотке.
• Получаем, что направление тягового усилия не зависит от направления тока.

Как меняется тяговое усилие при перемене направления тока

• Если представить себе два реле (постоянного и переменного тока) одинаковых размеров и с одинаковыми значениями самой высокой индукции, то тяговая сила у последнего будет в два раза меньше, так как оно вынуждено постоянно пульсировать с удвоенной частотой, опускаясь до нуля каждый раз, когда ток меняет свое направление, то есть 2 раза за такт.
• Из-за этого якорю реле приходится постоянно вибрировать, что вызывает быстрый износ детали. Чтобы избавиться от этого эффекта устанавливаются дифференциальные сердечники и фазосдвигающие детали, которые не дают магнитному потоку переходить через нуль.
• Сердечник может быть расщепленным с короткозамкнутой обмоткой, то есть конец элемента имеет пропил, делящий его на две части. На одну из таких частей и устанавливается короткозамкнутая обмотка из одного или пары витков.
• Во время работы реле переменное магнитное поле делится на две части (Ф1 и Ф2), одна из которых (Ф2) создает в к.з. витке ЭДС, после чего образуется еще одно магнитное поле (Фкз), воздействующее на поле ЭДС создающее (Ф2), в результате чего оно начнет отставать от первого потока (Ф1). Данный сдвиг будет в пределах 60-80 градусов, а значит результирующее поле (Fэ), создающее тяговую силу, никогда не упадет до нуля, и тем более не сменит своего направления.

Изменение тяговой силы

Чтобы реле переменного тока работало надежно, без вибраций его параметры рассчитываются так, чтобы усилие Fэ min было максимально большим.

Из полученной информации можно сделать вывод о том, что такие реле имеют куда худшие параметры по сравнению с постоянными по тяговому усилию и чувствительности. Добавьте сюда усложненную конструкцию, и как следствие более высокую цену.

Однако и достоинство у таких реле хоть и одно, но неоспоримое – возможность применения в общественных сетях.

Итак, подведем итоги. Мы разобрали назначение реле, их принципы работы, основные виды и узнали, чем отличается реле управляемое переменным током от постоянного. Информации было много, но только на первый взгляд, поэтому рекомендуем углубиться в тему, просмотрев предложенное видео.

Купи сейчас: