4. Общие сведения и классификация реле
Электромагнитное реле появилось во второй половине XIX века после изобретения электромагнита. Само слово “реле” - французское relais и означает “пункт перегрузки”, “место смены лошадей”. Выбор этого термина отражает тот факт, что реле – элемент, переключающий внешние цепи нагрузки.
Теперь мы можем сказать, что изобретение реле явилось важным событием в истории развития техники по своему значению сравнимое с последующим изобретением транзистора. С помощью реле появилась возможность создавать сложные автоматические системы управления и возможность эффективно управлять объектами на расстоянии. Это в свою очередь вызвало развитие теории автоматического управления, теории релейных схем и дискретных устройств. На реле были построены первые вычислительные устройства и машины. Таким образом, именно изобретение электромагнитного реле положило начало сегодняшнему высокому уровню развития средств автоматизации.
Элементом релейного действия, или реле, называется элемент автоматики, имеющий выходную характеристику (рис. 2.1), называемую релейной. Ее особенностью является скачкообразное изменение выходной величины y при непрерывном изменении входной величины x. В этом состоит отличие реле от других элементов (усилители, двигатели, трансформаторы и др.), у которых выходная величина изменяется плавно, непрерывно. Реле еще называют дискретным элементом, так как его состояние меняется скачком, дискретно.
Реле имеет два состояния. Состоянию “Выключено” соответствует значение у = увыкл, состоянию “Включено” – у = увкл.
Если х = 0, то реле обесточено и у = увыкл (точка а). С увеличением значения x выходная величина y до определенного предела не изменяется. При х = хвкл реле срабатывает, и величина y, изменяясь скачкообразно, принимает значение увкл (точка b). При дальнейшем увеличении x значение y не изменяется. В случае уменьшения величины x и достижения значения х = хвыкл происходит обратный скачок, реле обесточивается и у = увыкл (точка с). При дальнейшем уменьшении x до нуля значение y не изменяется.
Таким образом, реле является двоичным (двухпозиционным) элементом, обладающим свойством гистерезиса, так как хвыкл < хвкл. Данная характеристика является идеальной. В некоторых случаях у реальных элементов релейная характеристика отличается тем, что ее отрезки не строго параллельны осям x и y или не строго прямые линии.
Рис. 2.3. Релейные характеристики контактного реле
Электромагнитное реле постоянного тока (рис. 2.2) состоит из электромагнита и контактной системы. Обмотка 6 служит для создания магнитного потока Ф и располагается на сердечнике 1. Путь для магнитного потока (магнитопровод) образует сердечник 1, ярмо 2, якорь 4 и воздушный зазор 5. На ярме крепятся контактная система 3 и якорь. Якорь является подвижной частью магнитопровода и служит для механического воздействия на контакты. На якоре устанавливается диамагнитный штифт (штифт отлипания), который сохраняет некоторый воздушный зазор между якорем и сердечником при срабатывании реле. Контактная система, переключающая внешние цепи (нагрузки Rн1 и Rн2), состоит из трех упругих пружин с укрепленными на них контактами. Пружина О общего контакта механически связана с якорем. Нижний контакт Т называется тыловым. Он замкнут, если реле обесточено. Через тыловой контакт включается нагрузка Rн1, которая нормально должна быть включена (например, красная лампа входного светофора на станции). Верхний контакт Ф называется фронтовым. Он разомкнут, если реле обесточено. Через фронтовой контакт включается нагрузка Rн2, которая нормально должна быть выключена (например зеленая лампа светофора на станции).
Принцип действия данного реле – это принцип действия электромагнита. При замыкании ключа S в выводам обмотки подключается источник питания. По обмотке протекает ток и создается магнитный поток Ф. В результате чего якорь притягивается к сердечнику и перемещает вверх пружину О. Размыкается тыловой контакт и замыкается фронтовой. Нагрузка Rн1 выключается, а нагрузка Rн2 включается. При размыкании ключа S и отключении обмотки реле от источника питания якорь возвращается в исходное (отпущенное) состояние под действием силы со стороны упругих пружин Ф и О; размыкается фронтовой контакт и замыкается тыловой. Нагрузка Rн2 выключается, а нагрузка Rн1 включается.
Построим вход-выходную характеристику данного элемента относительно фронтового контакта. Входной величиной x является ток в обмотке реле Iр, а выходной y – ток в нагрузке Iн2. Когда реле обесточено, Ip = 0 , якорь реле отпущен. Поэтому контакт Ф разомкнут и ток в нагрузке равен нулю (точка а) (рис. 2.3, а). В случае увеличения тока в реле и достижения значения, называемого током притяжения Iпр, якорь реле притягивается, контакт Ф замыкается и ток Iн2 возрастает скачкообразно (точка b). Дальнейшее увеличение тока в обмотке реле не влияет на ток нагрузки, который определяется сопротивлением нагрузки Rн2. При уменьшении тока Iр и достижения значения, называемого током отпускания Iотп, реле отпускает якорь, контакт Ф размыкается, и ток в нагрузке становится равным нулю (точка с). Таким образом, мы получили чистый случай идеальной релейной характеристики (см. рис. 2.1), в которой увыкл = 0. Релейная характеристика относительно тылового контакта показана на рис. 2.3, б.
Конструкцию электромагнитного реле (см. рис. 2.2) можно разбить на две части: воспринимающую и исполнительную. Воспринимающая часть реагирует на входную величину x. К ней относятся обмотка, сердечник, ярмо и якорь, т.е. электромагнит, который реагирует на значение тока в обмотке. Исполнительная часть, воздействующая на внешние цепи, представляет собой контактную систему.
Реле классифицируют в зависимости от физической природы величины x и принципа действия воспринимающей части. Существуют электрические, механические, тепловые, пневматические, гидравлические, акустические и оптические реле. Наибольшее распространение получили электрические реле, как имеющие простую конструкцию и высокую надежность действия.
У механических реле в качестве входной величины x используется скорость, ускорение, перемещение в пространстве или деформация.
Рис. 2.4. Примеры реле
Центробежное реле (рис. 2.4, а) реагирует на вращения вала. При увеличении частоты вращения под действием центробежных сил грузы Г расходятся и подвижная муфта ПМ перемещается вправо, что приводит к замыканию контакта К.
Тепловые, или термореле срабатывают под влиянием температуры окружающей среды или от нагрева током, протекающим по обмотке. Биметаллическое термореле (рис. 2.4, б) используют в качестве реле времени или для защиты электрических цепей от перегрузок по току. Реле состоит из двух плоских биметаллических пластинок, один конец которых закрепляют неподвижно, другой связан с контактом. Биметаллическая пластинка образуется из двух слоев металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При нагреве током, протекающим по обмотке, оба слоя расширяются неодинаково и пластина изгибается в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом расширения. В результате изгиба замыкается контакт.
Пневматические (рис. 2.4, в) и гидравлические реле срабатывают под действием давления сжатого воздуха или жидкости. Их удобно использовать в том случае, если техническая система имеет соответствующую компрессорную установку. В пневматическом реле сжатый воздух из воздушной магистрали 5 поступает в цилиндр 4 и перемещает поршень3, который с помощью штока 1 связан с контактной системой. Контакты замыкаются. При уменьшении давления в воздушной магистрали поршень под действием пружины 2 перемещается вправо, и контакты размыкаются.
В устройствах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи в основном используют электрические реле. По принципу действия воспринимающей части электрические реле делятся на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, электронные, полупроводниковые, магнитные и др. Наибольшее распространение имеет электромагнитное реле (см. рис. 2.2).
Работа магнитоэлектрического реле (рис. 2.5, а) основана на использовании силы, действующей на проводник (рамку) 1 с током, размещенный в магнитом поле постоянного магнита 2. В электродинамическом реле (рис. 2.5, б) подвижная обмотка 3 располагается в магнитном поле электромагнита, состоящего из обмотки 1 и магнитопровода 2.
По принципу действия исполнительной части электрические реле бывают контактные и бесконтактные. Контактные реле воздействуют на нагрузку Rн, вследствие механического замыкания или размыкания цепей (рис. 2.6, а). В бесконтактных реле это осуществляется благодаря резкому изменению какого-либо параметра цепи (сопротивление, индуктивность, емкость) без механического размыкания цепи. Управлять нагрузкой можно, резко изменяя сопротивления некоторого элемента (рис. 2.6, б). Таким элементом может являться, например, транзистор, работающий в ключевом режиме (рис. 2.6, в). Достоинством контактного способа коммутации является полное гальваническое отключение нагрузки Iвыкл = 0, что не обеспечивается при бесконтактном способе Iвыкл не равен 0 (см. рис. 2.3 и 2.1). Однако контактный способ коммутации имеет более низкую надежность по сравнению с бесконтактным способом.
Рис. 2.5. Магнитоэлектрическое и электродинамическое реле
В зависимости от рода питающего тока реле могут быть постоянного или переменного тока. Подавляющее большинство используемых реле постоянного тока. Это связано с тем, что их конструкция более проста и, кроме того, реле постоянного тока можно использовать в цепях переменного тока, включая их через выпрямитель.
По характеру работы якоря электромагнитные реле могут быть разделены на реле с угловым перемещением якоря [поворотный якорь (см. рис. 2.2)] и реле с линейным перемещением якоря [(реле соленоидного типа (рис. 2.7)]. Наибольшее распространение получили реле с поворотным якорем, так как они потребляют меньшую мощность.
Рис. 2.6. Схемы коммутации нагрузки
Рис. 2.7. Реле соленоидного типа: 1 – обмотка; 2 – ярмо; 3 – якорь; 4 – контакты
Рис. 2.8. Реле с поворотным якорем: 1 – обмотка; 2 – ярмо; 3 – сердечник; 4 – якорь
У этих реле три способа возврата якоря в исходное положение при выключении обмотки: под действием силы упругости контактных пружин (см. рис. 2.2), под действием собственной массы якоря (рис. 2.8, а) и под действием специальной возвратной пружины (рис. 2.8, б). Наиболее надежным является способ возврата под действием массы якоря, поскольку сила тяжести никогда не исчезнет, а возвратные пружины в процессе длительной работы могут потерять свойства упругости.
Электромагнитные реле постоянного тока бывают нейтральные, поляризованные и комбинированные. Работа нейтрального реле не зависит от полярности подключения к выводам обмотки полюсов питающей батареи. Его якорь (нейтральный) притягивается к сердечнику независимо от направления тока в обмотке. Среди реле железнодорожной автоматики и связи к нейтральным относятся реле НМШ, РЭЛ, НШ, НР, КДР, РКН, РПН, РЭС. Работа поляризованного реле зависит от полярности подключения выводов обмотки. Поляризованный якорь переключается в одно из двух положений в зависимости от направления тока в обмотке (реле ПМПШ, ИМШ, ПЛ). Комбинированное реле имеет нейтральный и поляризованный якоря (реле КМШ, КШ).
Реле переменного тока подразделяются на выпрямительные, индукционные и переменного тока непосредственного действия.