Электромеханические реле времени

 

В схемах защиты и автоматики часто требуется выдержка времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов. При автоматизации технологических процессов также может возникнуть необходимость в определенной временной последовательности операций. Для создания выдержки времени служат электрические аппараты, называемые реле времени.

Конструкция реле времени с электромагнитным замедлением типа РЭВ – 800 показана на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Реле времени с электромагнитным замедлением

 

Реле содержит П-образный магнитопровод 1 и якорь 2 с немагнитной прокладкой 3. Магнитопровод укрепляется на плите 4 с помощью литого алюминиевого цоколя 5, на котором устанавливается контактная система 6.

На магнитопроводе установлена намагничивающая обмотка 7 и короткозамкнутая обмотка в виде гильзы 8. Усилие возвратной пружины 9 регулируется с помощью регулировочной гайки 10, которая фиксируется шплинтом.

Выдержка времени при отпускании для насыщенной магнитной системы с короткозамкнутым витком или обмоткой может быть определена по формуле:

, (10.11)

где w – число витков короткозамкнутой обмотки;

R – ее сопротивление;

Ф_ОТП – значение магнитного потока, при котором происходит отпускание якоря;

Ф_О – установившееся значение магнитного потока в магнитопроводе при включенной намагничивающей обмотке;

i₁w₁ – МДС первичной обмотки.

Время срабатывания реле можно регулировать с помощью возвратной пружины 9. С увеличением сжатия этой пружины увеличивается электромагнитное усилие, необходимое для трогания якоря и определяемое потоком в магнитной цепи. При большем сжатии пружины поток трогания возрастает. Следовательно, возрастает время трогания.

Для получения выдержки времени более 1 с необходимо использовать отпускание якоря. Регулировка выдержки реле при отпускании может производиться плавно и ступенчато (грубо).

Плавное регулирование выдержки времени производится изменением усилия пружины 11, которая верхним концом упирается в шайбу 14, удерживаемую шпилькой 15, ввернутой в якорь реле. Нижний конец пружины посредством специальной пластины 16 предает силу через два латунных штифта 12, которые могут свободно перемещаться в отверстиях якоря. Оси латунных штифтов смещены относительно оси пружины. В притянутом положении якоря 2 штифты 12 перемещаются вверх и пружина 11 дополнительно сжимается. Пружина 11 создает основную силу, отрывающую якорь от сердечника. Начальное сжатие пружины изменяется с помощью гайки 13. С увеличением силы пружины 11 электромагнитное усилие, при котором происходит отрыв якоря, увеличивается и возрастает поток отпускания Ф_ОТП. При этом время отпускания уменьшается (рис. 10.6). Чем меньше сила пружины, тем больше выдержка времени.

а б

Рис. 10.6. Регулирование времени отпускания с помощью пружины (а)

и изменением немагнитного зазора (б)

 

Возвратная пружина 9 регулируется так, чтобы обеспечить необходимое нажатие размыкающих контактов реле и четкий возврат якоря в положение, показанное на рис. 10.5, после того как он оторвется от сердечника.

Грубое регулирование выдержки времени осуществляется изменением толщины немагнитной прокладки δ. Поскольку при притянутом якоре магнитная цепь насыщена, то толщина немагнитной прокладки мало сказывается на установившемся потоке. С уменьшением толщины немагнитной прокладки (δ₂ < δ₁) растет индуктивность катушки при ненасыщенном магнитопроводе и уменьшается скорость спадания магнитного потока. В результате при неизменном усилии пружины 11 (рис. 10.6,б) выдержка времени реле увеличивается. Толщину немагнитной прокладки не рекомендуется брать менее 0,1 мм, т.к. в этом случае якорь расклепывает прокладку и ее толщина уменьшается.

Промышленностью выпускаются многочисленные реле с электромагнитным замедлением и выдержкой времени при отпускании 0,3 – 5 с.

Реле с электромагнитным замедлением работают только при питании катушки постоянным напряжением.

Поэтому в цепях переменного тока применяют реле с пневматическим замедлением или с анкерным механизмом (рис. 10.7).

В таких реле электромагнит постоянного или переменного тока воздействует на контактную систему, связанную с замедляющим устройством в виде пневматического демпфера или в виде часового (анкерного) механизма. Выдержка времени меняется путем регулирования замедляющего устройства. Работа реле практически не зависит от величины питающего напряжения, частоты питания, температуры.

Электромагнит переменного тока 1 имеет втяжной якорь 2, двигающийся поступательно. С якорем связана возвратная пружина 3. Пневматическое устройство 4 имеет две полости, разделенных диафрагмой 12, изготовленной из тонкой прорезиненной ткани. Нижняя полость свободно сообщается с атмосферой. Верхняя полость сообщается с атмосферой через регулируемое отверстие – дроссель 9 и выпускной клапан 10. Диафрагма 12 связана с пластмассовой колодкой 5, которая удерживается в верхнем положении упором, который, в свою очередь, связан с якорем электромагнита. Чем меньше сечение отверстия, тем медленнее движется диафрагма, а следовательно, и колодка 5. Когда колодка опустится до своего крайнего нижнего положения, она начинает воздействовать с помощью рычагов на штифт микропереключателя 7, который производит нужные переключения. Регулирование выдержки времени производится иглой 11, которая меняет сечение всасывающего отверстия. Контактная система микропереключателя имеет длительный ток 3 А, ток отключения 0,21 А при напряжении 380 В переменного тока.

Рис. 10.7. Реле времени с пневматическим замедлением

 

В замедлителях в виде анкерного механизма его пружина заводится под воздействием электромагнита. Контакты реле приходят в движение лишь после того, как связанный с ними анкерный механизм отсчитает определенное время уставки. Выдержка времени у этих реле регулируется в пределах от 7 до 17 с.

 

 

Лекция № 11

Полупроводниковые реле

 

Полупроводниковые реле в отношении быстродействия, селективности и надежности превосходят электромагнитные. В ряде случаев полупроводниковые реле обладают характеристиками, которые невозможно получить с помощью электромагнитных реле.

Рассмотрим некоторые полупроводниковые реле, например реле защиты от замыкания на землю, трёхфазное реле напряжения, полупроводниковые реле времени.

 

Реле защиты от замыкания на землю применяется в схемах защиты при замыкании на землю генераторов, двигателей, линий с малыми токами замыкания на землю. Основные параметры реле: ток срабатывания регулируется в пределах 0,02-0,12 А; коэффициент возврата не менее 0,93; коммутируемое напряжение не более 250 В; механическая износостойкость 10⁴ циклов; электрическая износостойкость не менее 10³ циклов.

Схема реле представлена на рис. 11.1.

Измерительный орган реле содержит промежуточный трансформатор ТА и резисторы R2-R7, которые вместе с выключателями SB1-SB5 служат для дискретной регулировки тока срабатывания. При отключенных выключателях ток срабатывания реле минимален. По мере включения R2-R 7 уменьшается напряжение на выходе операционного усилителя А1 и ток срабатывания увеличивается. Диоды VD1- VD4 служат для ограничения сигнала на входе А1. При большом входном сигнале трансформатор ТА насыщается и его входное сопротивление падает. R1 ограничивает ток в цепи трансформатора ТА.

Операционный усилитель А1 работает как активный фильтр. Многоконтурная отрицательная обратная связь с помощью резисторов R8, R9, R10 и конденсаторов С1, С2 позволяет отфильтровать высшие гармоники в сигнале и оставить основную частоту 50 Гц.

Сравнивающая часть реле состоит из порогового элемента на операционные усилители А2, времяизмерительной цепи VD5, R15, R16, С8и триггера Шмидта на операционном усилителе А3. Конденсаторы С3-С10 служат для стабилизации работы усилителя, исключая его самовозбуждение. Резистор R17 создает положительную обратную связь. Выходной каскад реле выполнен на транзисторе VT1, в цепь коллектора которого включено быстродействующее электромагнитное реле К.

 

 

Рис. 11.1. Реле защиты от замыканий на землю

 

 

Питание схемы осуществляется от сети постоянного тока (контакты 4, 1 при U=220 B и 4, 2 при U=110 B) или от сети переменного тока напряжением 100 В (контакты 4, 3). С помощью стабилитронов VD6 и VD7 получаются два симметричных напряжения -15 В и +15 В для питания операционного усилителя.

Порог срабатывания порогового элемента определяется резисторами R11 - R14. Настройка реле на минимальную уставку производится резистором R11.

В схеме трехфазного реле напряжения (рис. 11.2) напряжение срабатывания регулируется резистором R 1.

Реле может работать как максимальное (переключатель S в положении 1) и как минимальное (переключатель S в положении 2). Коэффициент возврата реле регулируется в широком диапазоне с помощью резистора R2, которым изменяется коэффициент положительной обратной связи в усилителях А1, А2, А3. Логический элемент И обеспечивает срабатывание реле в случае, когда напряжение хотя бы в одной фазе падает ниже допустимого (при S в положении 2).

Рис. 11.2. Трёхфазное реле напряжения

 

Структурная схема реле напряжения для защиты электродвигателей, тиристорных преобразователей и других трехфазных потребителей при недопустимом снижении симметричного напряжения, асимметрии междуфазных напряжений, обратном чередовании фаз приведена на рис. 11.3.

На входе реле включены пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2, ПЭ3, образующие пороговый блок ПБ. С выхода ПБ система полученных в нем прямоугольных импульсов (рис. 11.4).поступает в логическую схему ЛС на триггеры Т1, Т2 и логический элемент И. Полученная в ЛС система прямоугольных импульсов через дифференцирующую цепочку RC подается на схему временной установки СВУ, которая с выдержкой времени открывает транзистор VT выходного усилителя ВУ. Если контролируемое напряжение симметрично и близко к номинальному значению, то выходные импульсы ЛБ не приводят к срабатыванию СВУ и ВУ (см. рис. 11.4).

 

 

Рис. 11.3. Структурная схема реле напряжения

 

Рис. 11.4. Диаграммы к работе схемы на рис. 11.3

 

Когда изменения трёхфазного напряжения или порядка чередования фаз выходят за пределы допустимых, на выходе ЛС исчезает показанная на рис. 11.4 последовательность импульсов. При этом по истечении выдержки времени в СВУ выдаётся сигнал на ВУ и выходное реле срабатывает. Например, при исчезновении напряжения в фазе А перестает работать триггер Т1 и на выходе логического элемента И появится логический 0. Триггер Т2 тоже перестает переключаться. На выходе RC цепочки сигнал пропадает, на вход СВУ и ВУ не подается сигнал ЛС, и реле К отключает цепь. Реле срабатывает при снижении напряжения в одной из фаз до (55-65)% от номинального при номинальном напряжении в остальных фазах. При обрыве двух или трех фаз одновременно или при обратном чередовании фаз реле срабатывает при напряжении (70-75)% от номинального. Коэффициент возврата реле составляет не менее 0,9, время срабатывания не превышает 5 с. Реле не срабатывает при колебании симметричного напряжения в пределах (85-110)% от номинального.

Полупроводниковые реле времени служат для регулирования времени срабатывания основной коммутационной аппаратуры

В схеме простейшего полупроводникового реле времени (рис. 11.5.) при замыкании контакта 1 напряжение на конденсаторе растёт по экспоненте с постоянной времени T=RC и подается на пороговый элемент. При равенстве пороговому напряжению пороговый элемент срабатывает с выдержкой времени и выдает сигнал на усилитель мощности, который управляет выходным электромагнитным реле. Возможно использование процесса разряда конденсатора (при этом контакт замыкается в положение 2).

а б

Рис. 11.5. Полупроводниковое реле времени:

а – принципиальная схема;

б – процессы заряда 1 и разряда 2 конденсатора С

 

Процесс разряда конденсатора происходит по кривой 2 (рис. 11.5,б). Реле работает на начальных участках кривых 1 и 2. Выдержка времени регулируется за счёт изменения величин сопротивления R и ёмкости конденсатора С. Предельная выдержка времени достигает 10 с.

Для повышения точности работы реле заряд конденсатора производят через токостабилизирующее устройство (рис. 11.6).

Поскольку напряжение на базе транзистора стабилизировано, то коллекторный ток не зависит от напряжения на коллекторе (схема генератора тока). Ток заряда конденсатора устанавливается потенциометром R1. Чем больше ток заряда конденсатора, тем меньше выдержка времени t_с. Стабилитрон VD стабилизирует напряжение на R1, что позволяет получить постоянное время срабатывания при данном положении движка потенциометра.

б

а

Рис. 11.6. Полупроводниковое реле времени с зарядом конденсатора

от источника тока (а) и процесс заряда конденсатора (б)

 

Для увеличения выдержки времени реле используется заряд конденсатора от источника импульсного напряжения (рис.11.7, а).

Рис. 11.7. Полупроводниковое реле времени (а) и диаграмма его работы (б)

 

На цепочку R2-С2 подаётся импульсное напряжение прямоугольной формы, вырабатываемое генератором G. При каждом импульсе напряжение на конденсаторе возрастает на небольшую величину, после чего во время паузы остается неизменным. Напряжение приложено к пороговому элементу. При равенстве напряжения порогового элемента и напряжения на конденсаторе С2 () реле срабатывает. Чем больше скважность импульса тем большая выдержка времени может быть получена. Грубая регулировка выдержки времени осуществляется изменением частоты импульсов с помощью резистора R₁, а плавная – с помощью резистора R₂.

Цифровые реле времени применяются для обеспечения высокой точности задания и отработки выдержек времени. Схема цифрового реле времени приведена на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Цифровое реле времени

 

Управляющее устройство УУ запускает генератор G. Импульсы от генератора G подаются на вход несинхронизируемого двоичного счётчика СТ2. На входе дешифратора DC сравниваются сигналы заданной выдержки времени и выход счетчика, величина которого увеличивается на единицу после прихода счетного импульса с заданной частотой. В момент совпадения кода времени на выходе счетчика с заданной установкой сигнал дешифратора DC скачкообразно меняется и выходной импульс подается на усилители А1, А2, АЗ. После каждого цикла работы счётчик обнуляется. Возможны цифровые реле времени без дешифраторов.

Цифровые реле времени типов ВЛ могут использоваться как реле времени и как программные устройства. Диапазон выдержек времени реле от 0,1 с до 10 ч.

Для обеспечения гальванической развязки между цепью управления и нагрузкой применяются оптоэлектронные приборы (оптроны). В корпусе оптрона установлены излучающий элемент, обычно фотодиод, и воспринимающий элемент – фототранзистор, фототиристор или фоторезистор, образующие вместе оптопару.

При подаче сигнала на фотодиод он начинает излучать, и его излучение воздействует на воспринимающий элемент, открывая фототранзистор или фототиристор в цепи нагрузки. Электрическое сопротивление между цепями управления и нагрузки составляет ёмкость между ними менее пФ. Эти свойства оптронов позволяют повысить помехоустойчивость и надёжность аппарата, упростить его схему. Оптроны дают малую задержку в срабатывании (1 мкс).

На рис. 11.9 показан один из вариантов бесконтактного оптронного реле.

Рис. 11.9. Оптронное реле

 

Нагрузка включается тиристором , включенным в диагональ моста. Управление тиристором производится с помощью оптопары и транзисторов и . При отсутствии управляющего сигнала транзистор оптрона закрыт, открыт. Сигнал на управляющем электроде равен нулю, и он закрыт. При подаче сигнала транзистор открывается, а закрывается. На подаётся открывающий потенциал, он открывается и через нагрузку потечёт ток. Тиристор открывается каждый полупериод. При снятии сигнала закрывается. Если напряжение питания превысит заданный уровень, то открывается и отключается.

Оптронные реле могут быть выполнены на силовых оптронах (рис. 11.10).

Силовые оптроны непосредственно управляют током в нагрузке Светоизлучающие диоды оптронов управляются транзистором В настоящее время созданы опторезисторы на ток до и напряжение до

Рис. 11.10. Реле на силовых оптронах

 

Лекция № 12