41. Класифікація виконавчих устріїв. Електромеханічні елементи: загальна будова і характеристики. Реле.
К релейным элементам автоматики (реле) относятся устройства, преобразующие плавное изменение входной величины в скачкообразное изменение выходной. Реле широко применяют в системах автоматики в качестве элементов управления и защиты, дискретных датчиков и усилителей, размножителей сигналов и логических элементов, в электрических установках, при автоматическом управлении и регистрации различных технических процессов.
Реле классифицируют по различным признакам:
- по виду физических величин, поступающих на вход реле, - электрические и неэлектрические;
- по назначению – реле управления, защиты, сигнализации, связи и т.д.;
- по принципу воздействия на выходную цепь – контактные, бесконтактные;
- по роду величины, на которую реагирует реле, - реле токовое, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.;
- по исполнению – реле открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные и герметические.
Из электрических реле в современных дискретных схемах автоматики широко используются электромеханические реле являющиеся контактными устройствами, и полупроводниковые реле, являющиеся бесконтактными устройствами.
В контактных реле скачкообразное изменение выходной величины достигается замыканием или размыканием выходной цепи; в бесконтактных реле – путем резкого изменения параметров выходной цепи (R, L, C).
К основным характеристикам реле относятся:
- мощность срабатывания Рср – это минимальная мощность, потребляемая катушкой реле при срабатывании;
- выходная, или коммутируемая мощность РВЫХ – это произведение максимального отключаемого тока на напряжение источника питания выходной цепи;
- время срабатывания реле tср.;
- время отпускания реле t отп;
- коэффициент возврата реле K взв (Квзв = Х отп /Х ср <1), который характеризует относительную ширину релейной петли статической характеристики;
- коэффициент запаса Кзап – это отношение магнитодвижущей силы (МДС) катушки реле при установившемся режиме к МДС при токе срабатывания, т.е. Кзап = I уст Wp / (Icp Wp);
- коэффициент управления (усиления) Кy есть отношение максимального значения выходного сигнала к входному при срабатывании, т.е. Кy = Уmax/Хср.
При выборе типа реле принимают во внимание все указанные характеристики и параметры.
Выбор реле.
Промышленностью выпускается большое количество различных типов и серий реле, выбор которых производится в соответствии с техническими данными реле, электрическими режимами работы и условиями их эксплуатации. Выбор типа реле осуществляется в зависимости от рода тока, напряжения питания, величины коммутируемых токов и выходного напряжения, времени срабатывания и отпускания, числа контактов, массы и габаритов. Особое внимание обращается на соответствие номинальных данных обмоток реле и контактов режимам их работы в различных устройствах электроавтоматики.
Для коммутации сильноточных цепей используют реле серии РПК-1. Для размножения сигналов в цепях автоматики или увеличения их мощности применяют реле серий РПУ-6, РПУ-4, ПЭ-20, ПЭ-21, РП-13, РП-1. В автоматических устройствах применяют также различные миниатюрные реле (РЭС-34, РЭС-47, РЭС-49, РЭС-60 и т.д.) и др.
Реле выбирают также в зависимости от тока срабатывания, необходимого числа контактных групп и их исходного состояния.
Электромеханическое реле.
В электромеханических реле электрическая величина преобразуется в механическое перемещение, вызывающее замыкание или размыкание контакта. В автоматике находят применение электромеханическим реле следующих типов:
а) электромагнитные реле постоянного и переменного тока;
б) магнитоэлектрические реле;
в) электродинамические реле;
г) индукционные реле;
д) электротермические реле.
Можно заметить, что наименование типов реле в основном повторяет наименование систем электроизмерительных приборов. Действительно, в основе действия реле лежат те же физические принципы, что и в основе электроизмерительных приборов.
Электромагнитные реле.
Электромагнитные реле являются одним из наиболее распространенных элементов автоматики. Электромагнитные реле, применяемые для переключений сравнительно мощных цепей тока, часто называют контакторами.
Электромагнитные реле постоянного тока разделяются на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке. Поляризованное реле работает различным образом в зависимости от направления тока.
Электромагнитное реле содержит рис.1:
неподвижный сердечник 1 и подвижный якорь 3, выполненные из магнитомягкого материала;
одну или более катушек возбуждения 2, которые создают рабочий магнитный поток;
один или более комплектов контактов 4 в каждом из которых одна группа подвижна и прикреплена к якорю, другая неподвижна;
возвратные пружины, которые удерживают якорь в положении максимального воздушного зазора;
упоры, ограничивающие чрезмерный ход якоря.
1
– сердечник,
2
– катушка, 3 – якорь, – контакты.
Рис.1 Электромагнитное реле
Вспомогательные средства систем автоматизации.
Для дистанционного управления электрическими устройствами, а также для коммутации электрических систем автоматизации применяют различные вспомогательные средства: кнопки управления, кнопочные станции, переключатели, реле, контакторы и магнитные пускатели, командные устройства и др.
Кнопки управления и универсальный переключатель. Кнопки управления представляют собой простейшие электрические аппараты с ручным управлением.
Кнопочная станция – комплект кнопок, установленных на общем основании. По числу кнопок кнопочные станции бывают двух- и трех- кнопочные.
Кнопка управления К-2 имеет два замыкающих контакта, которые срабатывают при нажатии стержня-толкателя.
Кнопки управления и кнопочные станции выпускают различных конструкций и назначений. Их подразделяют по числу нормально открытых (НО) и нормально закрытых (НЗ) контактов, способу монтажа, виду защиты от окружающей среды (открытое, защищенное, герметическое, взрывобезопасное исполнение). Широко применяемые кнопки типа К и кнопочные станции типа КУ-121, КС-1, ПЭ предназначены для дистанционного управления электрическими аппаратами переменного тока напряжением до 500В и постоянного тока до 400В.
Универсальный переключатель применяют на те же напряжения постоянного и переменного (50 Гц) тока.
Переключатели предназначены для переключения цепей управления исполнительными механизмами, электроустановками. Их используют в качестве переключателей для электроизмерительных приборов. С их помощью можно выполнить переключение от двух до шестнадцати электрических цепей в разнообразных комбинациях.
Универсальный переключатель УП состоит из набора стандартных секций, число которых определяется количеством подводимых электрических цепей. Секции разделены изоляционными перегородками и насажены на квадратный валик, на одном конце которого укреплена рукоятка. В верхней части переключателя, по всей длине проложена изоляционная рейка, на которой закреплены неподвижные контакты. Подвижные контакты закреплены на осях. Которые проходят чрез все секции и торцевые планки. Перед первой секцией на квадратном валике установлен фиксатор положения рукоятки. Цепи переключаются поворотом рукоятки на 450.
Контакторы и магнитные пускатели. Контакторы являются электромагнитными реле. Которые имеют мощную контактную систему и предназначены для коммутации рабочих цепей электродвигателей.
Контакторы подразделяют на контакторы постоянного и переменного тока.
Контакторы постоянного тока служат для коммутации цепей постоянного тока, на их обмотку подается постоянный ток напряжением 110 или 200В. Они имеют один или два главных контакта и до пяти блок-контактов, служащих для коммутации вспомогательных цепей, цепей сигнализации и т.д.
Контакторы переменного тока служат для коммутации цепей переменного тока, на их обмотку подается переменный ток промышленной частоты. Напряжением до 500 В. Число главных контактов от 1 до 5, кроме них имеются также маломощные блок-контакты, предназначенные для самоблокировки, коммутации дополнительных цепей и т.д.
Магнитные пускатели представляют собой контакторы, которые служат для дистанционного управления трехфазными асинхронными двигателями. Их подразделяют на два вида – нереверсивные и реверсивные. Для защиты двигателей от перегрева в магнитных пускателях установлены тепловые реле, допускающие протекание больших кратковременных пусковых токов в двигателях, но размыкающие цепи питания двигателей при длительных перегрузках. Для защиты двигателей от токов короткого замыкания установлены плавкие предохранители. Схема состоит из двух частей: силовой и управляющей. Силовая часть включает двигатель 1, два тепловых реле 1 РТ и 2РТ, две группы рабочих контактов: 1 РК 1, 1 РК 2, 1 РК 3 – контакты первого контактора, 2 РК 1, 2 РК2, 3 РК 3 – контакты второго контактора и плавкие предохранители 2.
Управляющая часть включает обмотку 1 К первого контактора и 2 К второго контактора, кнопочные выключатели 1 П и 2 П, блок-контакты контакторов БК 1 и БК 2, кнопочный выключатель Ст, контакты 1 РТ, 2 РТ тепловых реле и блок-контакты взаимной блокировки 1 К1 и 2К1.
Рис. 16 Схема реверсивного магнитного пускателя
Системы блокировки широко применяют в системах промышленной автоматики для исключения нарушения нормальной эксплуатации различных объектов. При блокировке в результате взаимной связи отдельных элементов обеспечивается определенная последовательность включения отдельных устройств (механизмов) или выключения технологических операций, а также нормальное функционирование автоматических устройств, при этом повышается надежность схем автоматики.
В схемах с кнопочным управлением реле Р, магнитными пускателями и контакторами К аппараты включают с помощью кнопок управления П (пуск) с замыкающими контактами, а отключают – с помощью кнопок Ст (стоп) с размыкающими контактами. При нажатии на кнопки управления они замыкают (размыкают) свои контакты, а при отпускании под воздействием пружин возвращаются в исходное положение.
Для нормальной работы релейной схемы рис.17а. с кнопочным управлением применятся самоблокировка реле, контактора или магнитного пускателя. При самоблокировке // контактам пусковой кнопки П включается замыкающий контакт реле Р или контактора К.
а)
б)
Рис. 17 Схемы блокировок управляющих элементов
Благодаря этому после включения, например, контактора К с помощью кнопки П сохраняется цепь питания катушки независимо от положения пусковой кнопки.
При необходимости управление реле, контакторами или магнитными пускателями с разных мест (местное и дистанционное управление) или при осуществлении автоматического режима включающие кнопки П, замыкающие контакты управляющих реле (ЗКУР), включается //, а отключающие кнопки Ст и размыкающие контакты управляющих реле (РКУР), используемые для отключения, включаются последовательно. Рядом представлена схема рис.17.б. взаимной блокировки, исключающая одновременно включение двух реле, а следовательно, и управляемых ими выходных, исполнительных и других устройств. При выключении реле Р1 размыкается контакт реле Р1 в цепи катушки Р2, что делает невозможным включение реле Р2 и наоборот.
С помощью блокировок обеспечивают определенную последовательность технологических операций, включения и отключения исполнительных механизмов и других устройств.
На схемах рис.18 а) и б) реализуется последовательное включение трех исполнительных электродвигателей М1, М2, М3.
Схема на рис.18, а обеспечивает независимое включение М1 и включение М2 и М3 после включения соответственно М1 и М2. В случае отключения М1 автоматически отключаются М2 и М3 и при отключении М2 отключается М3. На рис.18, б приведена схема последовательного включения исполнительных электродвигателей с центрального пульта кнопкой управления П. Остановка осуществляется либо с центрального пульта кнопкой Ст, либо в аварийных случаях кнопками Ст1, Ст2, Ст3. Напряжение к каждому электродвигателю рис.18, в подводится через автоматический выключатель АВ с электромагнитным или тепловыми расцепителями, обеспечивающими отключение АВ при коротких замыканиях и перегрузках и через главные контакты контакторов К.
При необходимости включения резервного агрегата используют различные схемы автоматического включения резерва (АВР). Простейший пример такой схемы на рис.19. Двигатели М1 и М2 подключают совместно с соответствующими цепями управления через автоматы АВ1 и АВ2
Рис. 19 Релейно-контактная схема включения резервного агрегата при исчезновении питания основного агрегата
к различным источникам питания. Для обеспечения включения эл.двигателя резервного агрегата при отключении рабочего в цепи его управления включается размыкающий контакт контактора рабочего эл.двигателя. Если агрегат с двигателем М1 находится в работе, а с М2 – в резерве, то универсальный переключатель УП должен быть установлен в левое положение (М1 раб.), а его контакт 2 замкнут. При этом контакт К1 в цепи катушки К2 разомкнут. При отключении М1 обесточится катушка К1 и замкнется размыкающий контакт К1, что обеспечит замыкание цепи катушки К2 и включение резервного агрегата. При начальном запуске агрегата УП находится в среднем положении. Если агрегат с двигателем М1 находится в резерве, а рабочим является агрегат М2, то АВР осуществляется аналогично, только УП переключается в правое положение (М2 раб.).
Рис. 20 Релейно-контактная схема автоматическим управлением компрессора
На рис.20 представлена релейно-контактная схема автоматического управления компрессором.
Датчиком давления является электроконтактный манометр ЭКМ. Компрессор включается кнопкой П при ручном управлении (переключатель УП установлен в левое положение) или замыканием контакта реле РП 1 в цепи катушки магнитного пускателя ПМ при автоматическом управлении (переключатель УП повернут вправо). Если давление в системе упадет до установленного на ЭКМ минимального значения, то будет подан сигнал на включение компрессора. При работе компрессора давление в системе будет повышаться. Что приведет к размыканию контактов ЭКМ min. Однако благодаря самоблокировке реле РП1 не отключается и компрессор будет продолжать работать. Если давление в системе превышает установленное на ЭКМ, то вызовет отключение компрессора. В результате периодичного включения и отключения компрессора обеспечивается двухпозиционное регулирование давления в пределах от минимального до максимального заданного значения. Тепловые реле РТ и расцепители автоматов АВ предназначены для отключения электродвигателя при перегрузках и коротких замыканиях.