Электромагнитное реле

Электромагнитное реле — реле, которое реагирует на величину электрического тока посредством притяжения ферромагнитного якоря или сердечника при прохождении тока через его обмотку.

Принцип действия реле

Воспринимающий орган электромагнитного реле — обмотка и магнитная система с подвижной частью (якорем или сердечником). Исполнительный орган — контакты. Орган сравнения образуется подвижной частью и дополнительными грузами и пружинами (возвратными и контактными). По характеру движения подвижной системы электромагнитные реле разделяются на втяжные и поворотные. Как втяжные так и поворотные реле могут быть уравновешенными или неуравновешенными по отношению к воздействующим на них ускорениям.

Во втяжных электромагнитных реле имеется подвижный сердечник, который движется в направляющей втулке из немагнитного материала. Конфигурация «стопы» неподвижного сердечника и обращенного к нему конца подвижного сердечника определяют вид тяговой характеристики реле. Если втяжное реле не имеет магнитопровода, то его часто называют соленоидным.

В поворотных электромагнитных реле имеется подвижный якорь. Если угол поворота небольшой (5-10°), то поворотное реле часто называют клапанным.

Основные характеристики воспринимающего органа электромагнитного реле — тяговая и механическая (нагрузочная). Тяговая характеристика определяется изменением усилия притяжения $P_{w}$при изменении рабочего воздушного зазора δ между неподвижной и подвижной (якорем или сердечником) частями магнитной системы при определённой намагничивающей силе обмотки $F$. Она определяется для реле постоянного тока, как:

$P_{w}={dw_{m,v} \over d\delta }=-{F_{v}^{2} \over 8\pi *981}*{dG_{v} \over d\delta }=-6,2*10^{-5}{\bigl (}I*w_{v})^{2}{dG_{v} \over d\delta }$

Принцип действия электромагнитного реле с поворотной подвижной системой, сверху — нормальное (обесточенное) состояние реле, снизу — включённое состояние реле.
1 — электромагнит (обмотка с ферромагнитным сердечником);
2 — подвижный якорь;
3 — контактная система (переключатель).

где, $F_{v}$- часть намагничивающей силы, создаваемой обмоткой реле, идущая на проведение магнитного потока через рабочий воздушный зазор.

Значение $F_{v}=F*k$, где $k=R_{m,v}/(R_{m,v}+R_{m,c})$; $R_{m,v}=1/G_{v}$и $R_{m,c}$- магнитные сопротивления рабочего воздушного зазора и магнитопровода,

${dG_{v} \over d\delta }$- производная изменения магнитной проводимости рабочего воздушного зазора по ходу якоря или сердечника.

Воспринимающий орган электромагнитных реле переменного тока обычно имеют магнитную систему, состоящую из магнитопровода I- , П- или Ш-образной формы, собранного из листовой электротехнической стали, обладающие малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Так как при переменном токе $I=I_{m}\sin {\omega t}$ и

$(Iw)^{2}={(Im)_{2}^{m}}\sin ^{2}\omega t={(Iw_{m}/2)}_{m}^{2}(1-\cos 2\omega t)$, то тяговые усилия (или тяговый момент) будут меняться по закону

$P_{w}={C_{0} \over 2}(Iw)_{m}^{2}-{C_{0} \over 2}(Iw)_{m}^{2}\cos 2\omega t=P_{w,0}-P_{w,0}\cos 2\omega t$

что приводит к непостоянству работы контактов и к механическому износу подвижной системы реле. Для устранения этого разбивают магнитный поток в рабочем воздушном зазоре на два потока, сдвинутые по фазе на угол φ. Это достигается охватом 1/2 или 2/3 полюсного наконечника короткозамкнутым витком. При этом тяговые усилия равны

$P_{w}=P_{w,0}-P_{w,01}\cos 2\omega t-P_{w,02}\cos 2(\omega t-\psi )$

Быстродействующие электромагнитные реле выполняются с небольшими весами и моментом инерции подвижных частей, с магнитной системой, изготовленной из листовой стали или стали, содержащей около 4 % кремния.

В электромагнитных реле замедленного действия подвижные части выполняются с большим моментом инерции с надетым на сердечник короткозамкнутым витком или втулкой из меди или алюминия. Часто для замедления срабатывания и отпускания применяют схемы замедления с помощью которых достигается удлинение переходных процессов, происходящих в его обмотках. Как время срабатывания так и время отпускания реле складывается из времени трогания, то есть времени нарастания (или спадания) тока в обмотке до момента трогания якоря, и времени движения якоря до замыкания (или размыкания) контактов. Схемы замедления воздействуют на продолжительность времени трогания.

Основные схемы замедления

Схема замедления	Порядок достигаемых замедлений по отношению к нормальным при
	срабатывании	отпускании
	2	2
	1,5	2-8
	1,5	3-8
	2-3	1-2
	5-20	-
	10	10

Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с ярмом из магнитомягкого материала. Якорь — обычно пластина из магнитного материала, через толкатели воздействующая на контакты.

Ряд номинальных напряжений, применяемых для питания катушек реле, согласно DIN IEC 38

Переменное напряжение (вольт)		Постоянное напряжение (вольт)
Предпочтительное значение	Допустимое значение	Предпочтительное значение	Допустимое значение
-	2	-	2,4
-	-	-	3
-	-	-	4
-	-	-	4,5
-	5	-	5
6	-	6	-
-	-	-	7,5
-	-	-	9
12	-	12	-
-	15	-	15
24	-	24	-
-	-	-	30
-	36	36	-
-	-	-	40
-	42	-	-
48	-	48	-
-	60	60	-
-	-	72	-
-	-	-	80
-	-	96	-
-	100	-	-
110	-	110	-
-	-	-	125
220	-	-	-
-	-	-	250
380	-	-	-
440	-	440	-
-	-	-	600

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче управляющего сигнала электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает и/или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения управляющего напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех или полупроводниковый диод, служащий для блокировки перенапряжений на обмотке реле при его обесточивании вследствие электромагнитной индукции.

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, то есть они гальванически изолированы друг от друга (электротехниками нередко используется калька с английского dry contact термин «сухой контакт» вместо более русскоязычного словосочетания «изолированный контакт»). Более того, в управляемой цепи величина тока может быть намного больше, чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть слаботочные электрические схемы (например, дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы которые выдают малые величины тока и/или напряжения. Таким образом, реле, по сути, выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были вытеснены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами — работающими в ключевом (переключательном) режиме. В настоящее время производятся попытки возродить релейные вычислительные машины с использованием нанотехнологий.

Как правило, электромеханическое реле имеет ярко выраженную петлю гистерезиса функции входной ток — состояние контактов (то есть работают как Триггер Шмитта). Соответственно, для некоторых реле указывают два порога этой петли гистерезиса — ток срабатывания и ток отпускания. Ток срабатывания указывает при каком токе реле переходит из состояния выключено в состояние включено. Ток отпускания (иногда называют током удержания) указывает при каком токе реле переходит из состояния включено в состояние выключено.

В момент переключения реле в активный режим требуется значительно больший ток, чем для удерживания, поскольку вблизи к магниту поле значительно сильнее, чем на удалении.

В наши дни в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая «масляная ячейка»).

Реле до сих пор очень широко применяются в бытовой электротехнике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надёжнее электроники, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя и особенно к сильному броску напряжения при его отключении.

Литература

• Сотсков Б.С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств автомата. — Москва, 1959.
• Ступель Ф.А. Электромеханические реле. — Харьков, 1956.
• Пик Р., Уэйгар Г.,. Расчет коммутационных реле / пер. с англ.. — 1961.
• Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле для аппаратуры автоматики и связи. — 1956.