Релета

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2010

РелетаРелетаРелета

Конструкция, принцип на работа и класификация

   В термина "реле" се означават голям набор от устройства, работещи на различен принцип и изпълняващи многообразни функции. Най-разпространени са електромагнитните релета, които представляват електрически управляем ключ. За първи път са използвани при изграждането на телеграфни линии, в ролята им на усилвателен елемент. С релета са били изградени и някои от първите изчислителни машини, маршрутизатори на сигнали, системи за управление на процеси и агрегати и други. Въпреки появата на по-модерни електрически устройства, релетата все още намират широко приложение в практиката, благодарение на предимствата, които предлагат – голяма надеждност, ниска цена, галванично разделяне между управляващата и управляваната вериги и др.

Конструкция и принцип на работа
Задвижващият механизъм на електромагнитното реле се състои от електромагнит, изграден от магнитопровод, котва и намотка. Освен това, конструкцията обикновено включва възвратна пружина и контактна система. Магнитопроводът и котвата са изработени от материал с голяма магнитна проницаемост (електротехническа стомана) (фиг. 1).
Когато през намотката протече ток, той възбужда магнитен поток. Той минава през участъците с най-малко магнитно съпротивление, т.е. през магнитопровода и котвата, тъй като те са с най-голяма магнитна проницаемост (минимално магнитно съпротивление). Магнитният поток се затваря през магнитопровода и околния въздух. Точно този участък е известен като „работна въздушна междина”. На фиг. 2 са изобразени магнитните силови линии, възбудени при протичане на ток през намотката.
Без да се придържаме към строгия научен изказ, бихме могли да отбележим, че самата същност на магнитните силови линии ги кара да се стремят да намалят своята дължина, т.е. да се "свият". Именно този стремеж към "свиване", присъщ на природата на магнитния феномен, води до появата на електромагнитна сила, която се стреми да привлече котвата на електромагнита към магнитопровода. Електромагнитната сила преодолява съпротивлението на пружината и предизвиква затваряне на котвата – т.е. минимизиране на работната въздушна междина. При прекъсване на тока в намотката се прекратява и възбуждането на магнитен поток, следователно се прекратява и действието на електромагнитната сила и пружината връща котвата в изходно положение.
Котвата на електромагнита, освен към пружината, е свързана и към контактна система посредством рамо, което извършва въртеливо или постъпателно движение и премества подвижната част на контактната система. Конструкцията от клапанен тип, която е показана на фигури 1 и 2 е предпочитана при релетата, предназначени да комутират токове в диапазона 1 - 20 А и напрежения от няколко десетки до няколкостотин волта.

Класификация на релетата
Електрическите релета могат да се класифицират на основата на много различни принципи.
Според начина на въздействие на входната величина съществуват: класически релета, измервателни релета – такива са например максималнотоковото или минимално напреженовите релета, диференциални релета, които задействат при превишаване на определена разлика от величини – например разлика от токове, дирекционни релета – сработват при изменение на посоката на управляващата величина – например при смяна на реда на фазите.
Според броя на стабилните положения – с едно стабилно състояние, какъвто е случаят при класическите електромагнитни релета или с две стабилни състояния, наричани бистабилни или поляризирани.
Релетата се класифицират и спрямо вида на въздействащата величина – за електрически и за неелектрически величини. Типични представители на релетата за неелектрически величини са времерелетата, термичните релета и др.
На основата на принципа си на действие релетата могат да бъдат електромагнитни, поляризирани, индукционни, магнитоелектрични, електродинамични, термични и др. Релетата могат да се класифицират и по мощността, която може да комутира контактната система. Разнообразието по този показател е много голямо – от миниатюрни релета, превключващи милиампери, до мощни устройства, способни да комутират стотици ампери. При големи токове и особено при трифазни вериги се използват контактори, които представляват спициализиран тип електромагнитни релета, обособени в отделен клас, заради много широкото си и специфично приложение.

Електромагнитни релета
Разгледаното вече електромагнитно реле, в различни модификации е масово използван тип, произвеждан за малки, средни и големи мощности. Наред с това, обаче, в експлоатация се намират и много други типове, използвани в специални приложения.
Класическите електромагнитни релета най-общо се разделят на напреженови и токови. Принципът на работа и при двата типа е един и същ, но са налице конструктивни разлики. Напреженовите намотки се навиват от тънък проводник и съдържат голям брой навивки. Така техният импеданс е голям и когато се свържат паралелно на захранващия източник, през тях протича относително малък ток. Токовите намотки от своя страна са навити от дебел проводник и съдържат малък брой навивки. Те се свързват последователно на товара, като по този начин се задействат от неговия ток. Типичното приложение на такива релета е в различни видове токови защити.

Релета, управлявани и с постоянен, и с променлив ток
Голяма част от предлаганите на пазара маломощни и средномощни релета могат да работят както при постоянен, така и при променлив ток (става въпрос за свързването на управляващата бобина). Оперативните напрежения в този случай обикновено са в диапазона 5 - 24 V. При по-големи мощности или при по-високи оперативни напрежения е по-трудно да се направи реле, което да може да се управлява както с променлив, така и с постоянен ток, затова диференциацията по този показател трябва стриктно да се спазва.
Релетата за постоянно оперативно (т.е. управляващо) напрежение се изработват с плътен магнитопровод, а бобината им съдържа голям брой навивки, за да се осигури достатъчно голямо активно съпротивление, което да ограничи тока в установено състояние. При релетата за променлив ток, магнитопроводът трябва да е шихтован, за да се намалят загубите от вихрови токове, а токът през управляващата бобина се ограничава не само от активното, но и от индуктивното й съпротивление.
При високи оперативни напрежения – 230 - 400 V, постояннотоковите релета са по-рядко срещани и са предназначени за използване в транспортни средства или за работа с резервно акумулаторно захранване.

Рид-релета
Рид-релетата съдържат рид-ампула, разположена по оста на цилиндрична намотка (фиг. 3). Когато по намотката се пропусне електрически ток, създаденото магнитно поле предизвиква затварянето (или отварянето на контактите на рид-ампулата).
Рид-ампулата се състои от две тънки пластини от феромагнитен материал, които са затворени в стъклена ампула. По такъв начин те са предпазени от вредните атмосферни влияния като замърсяване, прах, влага и др. При нормално отворени контакти, между двете пластини съществува определена междина, която прекъсва електрическата верига и се поддържа от еластичността на феромагнитните пластини. При наличие на външно магнитно поле, феромагнитните пластини концентрират в себе си магнитния поток, като го карат да се затвори през малката междина. Вследствие на абсолютно същия принцип, а именно, че магнитните силови линии се стремят да намалят дължината си, възниква електромагнитна сила, която се стреми да минимизира междината, огъва феромагнитните пластини и затваря електрическата верига. Рид-ампулата би могла да се превключи от всякакво външно поле с достатъчно голям интензитет – например от постоянен магнит.

Приложение на рид-релетата
Рид-релетата се използват за превключване на ниски напрежения и малки токове. Обикновено става въпрос за напрежения от няколко десетки волта и токове до няколкостотин милиампера. Съществуват обаче релета, които могат да превключват малки токове, дори при 220 V. Дори те, обаче, не са в състояние да управляват товари, свързани към мрежово напрежение, защото не могат да се справят с пренапреженията в електроснабдителните мрежи.
Основното им приложение е да управляват маломощни сигнали, главно в електронни приложения, като предимствата им пред електромагнитните релета са: малки размери, изключително малка мощност на управляващата бобина, голямо бързодействие – времето на превключване може да е дори под 1 ms, голяма износоустойчивост – до 109 комутационни цикъла.
В миналото са произвеждани рид-релета с потопени в живак контакти. Живакът е служил за отстраняване на вибрациите на контактите при комутация. Очевидните недостатъци на този тип релета – сложна конструкция, присъствие на опасни химически вещества, малко съпротивление в изключено състояние, както и наличието на по-качествени електронни заместители са довели до преустановяване на производството им. В някои от съвременните релета зоните на феромагнитните пластини, които осъществяват електрическия контакт се покриват с благороден метал (злато, сребро), за да се намали съпротивлението на контакта и да се удължи животът на контактната група.

Индукционни релета
Индукционните релета работят на принцип, аналогичен на характерния за индукционните електромери. Моментът, който действа върху алуминиев (меден) диск или барабан, се появява вследствие на взаимодействието между два дефазирани помежду си магнитни потока и индуктираните от тях вихрови токове. В зависимост от големината на двата магнитни потока и ъгъла на тяхното дефазиране, моментът върху диска се изменя както по големина, така и по посока. В миналото, индукционните релета са позволявали изграждането на електромеханични устройства, които да реагират на трудни за контролиране величини като например мощност или посока на мощността. В момента релета от този тип все още работят на някои места в енергийната система, но като правило се заменят от електронни релейни защити.

Статията продължава в следващ брой на списание Инженеринг ревю, в който ще ви запознаем с поляризираните релета и полупроводниковите (твърдотелни) релета.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top