Контакты реле. Средства дуго- и искрогашения

 

Контакты, являясь важнейшим элементом реле, определяют надежность и срок их службы. По характеру работы контакты подразделяются на замыкающие (при отсутствии сигнала в обмотке реле они разомкнуты, а при наличии тока в управляющей обмотке они замыкаются) и размыкающие (при отсутствии сигнала они замкнуты и размыкаются при наличии сигнала в обмотке реле). В процессе работы реле контакты могут находиться в следующих состояниях: замкнутом, в процессе размыкания, разомкнутом и в процессе замыкания.

К тяжелым условиям работы контактов, при которых происходит наибольший износ, относятся их замкнутое состояние, когда через контакты течет весь ток нагрузки, и процесс размыкания, когда между контактами возникает дуга.

По мере увеличения усилия F_K, действующего на контакты, увеличивается площадь их соприкосновения, а переходное сопротивление уменьшается. При наличии на поверхности контактов окисной пленки необходимо, чтобы механическое давление в точках контакта было достаточным для ее разрушения.

Зависимость переходного сопротивления от контактного давления следующая:

 

 

где а — коэффициент, зависящий от свойств контактного материала и шероховатости контактной поверхности; F_k — контактное усилие; b — коэффициент, характеризующий форму контактов.

Контакты по форме контактирующих поверхностей и в зависимости от тока, на который они рассчитаны, делят на три основные группы (рис. 11.14):

точечные — конус и плоскость или полусфера и плоскость (теоретически с соприкосновением в одной точке), рассчитаны на небольшие токи;

плоскостные — плоскость и плоскость, рассчитаны на средние токи;

линейные — с соприкосновением по линии, рассчитаны на большие токи.

В реле малой и средней мощностей наибольшее распространение имеет точечный контакт, как обеспечивающий надежное электрическое соединение при небольшом контактном давлении. Контакты при этом закрепляются на упругих плоских пружинах. Существуют контакты специальных типов: вакуумные и ртутные.

 

 

К материалам, из которых изготовляются контакты, предъявляются особые требования: они должны быть механически прочными, твердыми, иметь высокие значения температуры плавления, обладать хорошей тепло- и электропроводностью, легко обрабатываться, быть устойчивыми против коррозии и эрозии, а также дешевыми.

На практике при выборе материала контактов пользуются следующими соображениями:

малые давления — 0,01... 0,03 Н (высокочувствительные реле) — платина;

давления от 0,05 до 1 Н (при малой частоте срабатывания) — серебро;

давления от 0,3 до 1 Н (при большей частоте срабатывания) — металлокерамические материалы;

давление свыше 1 Н (большая частота срабатывания) — вольфрам.

Основной причиной разрушения контактов, определяющей срок их службы, является дуговой разряд, возникающий при их размыкании. Причиной интенсивного разряда является наличие в управляемой цепи реактивного сопротивления. Если оно имеет емкостный характер, то интенсивное искрение наблюдается при замыкании контактов. Если же управляемая цепь содержит значительную индуктивность, то особенно сильный и затяжной разряд возникает при разрыве этой цепи из-за образующегося перенапряжения на контактах. В большинстве случаев управляемая цепь содержит индуктивность.

Применяются два основных метода искро- и дугогашения: шунтирование индуктивности разрываемой цепи и шунтирование контактов. В обоих случаях, пока контакты замкнуты, в магнитном поле индуктивности накапливается энергия, которая при размыкании контактов расходуется не в дуге, а в шунтирующем устройстве. Методы искрогашения сводятся к созданию замедленного исчезновения тока.

На рис. 11.15 изображены основные схемы искрогашения. В схеме, представленной рис. 11.15, а, применяется метод шунтирования индуктивной нагрузки последовательным включением емкости с сопротивлением R_m. В момент размыкания контактов в контуре, образованном нагрузкой и шунтом, под действием энергии, запасенной в магнитном поле, возникает ток переходного процесса, который протекает еще некоторое время после размыкания контактов, предотвращая тем самым наведение высоких значений ЭДС самоиндукции.

 

 

Энергия магнитного поля переходит в теплоту, которая выделяется на сопротивлении шунта R_m. Наличие конденсатора в схеме исключает прохождение тока нагрузки при замкнутых контактах, и, следовательно, исключаются потери энергии в сопротивлении шунта.

Для того чтобы в контуре L_H - R_H - С - R _ш не возникли автоколебания тока, емкость выбирают из условия R_H + R_m > 2 √L_H/C.

В схеме на рис. 1.15, б диод производит аналогичное действие, т. е. шунтирует индуктивную нагрузку и пропускает ток переходного процесса I, который создает ЭДС самоиндукции в момент разрыва управляемой цепи. При замкнутых контактах диод заперт напряжением сети и не пропускает ток нагрузки.

На рис. 11.15, в изображена схема шунтирования контактов емкостью с сопротивлением. Здесь емкость исключает протекание тока нагрузки в шунтирующей цепи при разомкнутых контактах. Кроме того, устраняется расход энергии как в цепи нагрузки, так и в шунтирующем сопротивлении, поскольку конденсатор не пропускает постоянный ток.

Цепочка R_ш — С создает путь мимо контактов для убывающего после их разрыва тока нагрузки и для рассеяния энергии, запасенной в магнитном поле цепи нагрузки. После размыкания контактов ток по мере заряда конденсатора от нуля до напряжения питания U постепенно уменьшается до нуля (т.е. резкого увеличения напряжения на контактах не возникает). Напряжение на контактах, как и на емкости, постепенно увеличивается до значения U. Ток в этом случае проходит мимо контактов через цепочку R_ш — С и дуговой разряд не возникает. Так как на практике емкость конденсатора выбирают в пределах 0,5... 2 мкФ, то зарядка конденсатора будет происходить медленно и, следовательно, напряжение на контактах будет также нарастать достаточно медленно.

 

Реле времени

 

Реле времени создает регулируемую выдержку времени от момента подачи сигнала на срабатывание до момента замыкания (или размыкания) контактов. Программное реле — это разновидность реле времени с несколькими контактами, имеющими различные регулируемые, как правило, независимые друг от друга выдержки времени. Например, существуют реле счета импульсов, контакты которых замыкаются после отсчета заранее заданного числа импульсов, подаваемых на катушку управления. Устройство таких реле имеет много общего с шаговыми искателями.

Для создания выдержки времени применяются электрический разрядный RC - контур, электромагнитные реле с короткозамкнутыми гильзами, механические механизмы (анкерный и планетарный), пневматические и др.

На рис. 11.16 дана схема реле времени с пъезокерамическим элементом. Пьезокерамические материалы, полученные, например, на основе титаната бария, обладают свойством изменять свои линейные размеры в электрическом поле. Пьезокерамический биморфный элемент (БЭ) состоит из двух прочно склеенных пластинок, на наружных поверхностях которых, а также в месте их соединения размещены металлические обкладки. Верхний слой элемента в электрическом поле удлиняется, нижний — укорачивается. В результате этот элемент, консольно закрепленный на одном конце, изгибается, что приводит к замыканию контакта К1. При снятии электрического поля с обкладок деформация биморфного элемента исчезает, контакт К1 размыкается, а контакт К2 замыкается.

 

 

При замкнутой кнопке управления (КУ) конденсатор С и обкладки БЭ заряжены до напряжения U₀ и сам БЭ деформирован. При отключении КУ начинается разряд конденсатора С на резистор R. Напряжение на обкладках БЭ постепенно снижается, и его механическая деформация также постепенно исчезает.

Процесс разряда конденсатора описывается уравнением

 

 

Решение этого уравнения при начальном условии t = 0 и I = I ₀ имеет вид

 

 

Изменение напряжения на конденсаторе в обкладках БЭ описывается аналогичной зависимостью

 

 

Допустим, что реле срабатывает и его контакт К2 замыкается, когда напряжение снизится до значения U_cpa6. Тогда время срабатывания

 

 

Реле времени с электромагнитным замедлением (электромагнитное реле времени) основано на использовании вихревых токов для замедления срабатывания электромагнитной системы. На магнитопровод 1 (рис. 11.17) надета металлическая (обычно медная) гильза (или шайба) 3, равнозначная короткозамкнутой обмотке с одним витком. Когда изменяется основной поток Ф_о, созданный током катушки 2, в гильзе 3 наводятся вихревые токи, поток Ф_вх от которых имеет направление, препятствующее изменению основного потока в соответствии с принципом инерции Ленца. Когда поток Ф_о нарастает, поток Ф_вх имеет противоположное направление, а когда Ф_о снижается — направление Ф_вх совпадает с Ф_о.

 

 

Широко распространены реле времени с механическим замедлением, в частности с часовым механизмом. В таких реле (рис. 11.18) при подаче напряжения на электромагнитный привод 1 растягивается пружина 2 и часовой механизм приходит в действие. Анкер 4, поворачиваясь вокруг оси О₂, «перепускает» зубчатый диск 3, который вращается вокруг оси О₁. Перемещающийся вместе с ним рычаг 8 в конце пути упирается в пластинчатый контакт 9 и замыкает его. Храповой механизм дает подвижной системе реле возможность возвратиться в исходное положение, когда будет снято напряжение электромагнитного привода 1. Возврат осуществляется специальной пружиной (на рисунке не показана). Изменяя расстояние от грузика 5 до оси О₂ и массу грузика, можно регулировать момент инерции анкера и через него — выдержку времени реле.

 

 

Выдержка времени, создаваемая реле с часовым механизмом,

 

 

где α — угол поворота подвижной системы от начала движения до замыкания контактов; n — передаточное число зубчатого механизма; z — число зубьев ходового колеса; T _а — период колебаний анкера,

 

 

здесь J — момент инерции анкера; φ — угол поворота анкера при колебаниях; М _дв — момент, создаваемый движущимися силами; M _прд — момент, создаваемый противодействующими силами.

В некоторых реле применяется пневматическое или гидравлическое замедление. Изменением сечения отверстия, через которое проникает воздух (или жидкость) из одного объема в другой, достигается регулировка выдержки времени. Наиболее высокие выдержки времени (до несколько часов) достигаются в реле с планетарным механизмами.

 

Тепловые реле

 

Измерительным органом теплового реле является биметаллический элемент, который при нагреве изгибается и переводит контактную систему в отключенное или включенное состояние. Биметаллический элемент представляет собой двухслойную пластинку из металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). При нагреве слой термоактивного металла существенно расширяется, в то время как слой термоинертного металла почти не деформируется. Если один конец биметаллической пластинки жестко закрепить, то другой свободный конец ее будет изгибаться.

Пластинки биметаллического элемента, прочно соединенные между собой, должны иметь возможно большую разность ТКЛР, что будет увеличивать чувствительность теплового реле. Пределы упругости компонентов биметалла должны быть высокими. В этом случае для них допустима большая температура нагрева, не вызывающая остаточных деформаций.

В качестве материала с низким ТКЛР (термоинертного компонента) часто применяется сплав никеля с железом, называемый инваром. Инвар 36Н содержит 36 % никеля, инвар 39Н — 39 %. В качестве термоактивного компонента с высоким ТКЛР используются различные стали, латунь, константан и другие материалы.

На рис. 11.19 изображена конструктивная схема теплового реле. Биметаллическая пластина / такого реле упирается в верхний конец пружины 7. Нижний конец пружины давит на выступ пластмассовой колодки 4, которая может поворачиваться вокруг оси О₁.

 

 

В положении, изображенном на рис. 11.19, движение пластины 1 и верхнего конца пружины /влево ограничено упором 8. Сила пружины 7 воздействует на выступ пластмассовой колодки 4 так, что она оказывается повернутой по часовой стрелке, а укрепленный на ней подвижный контакт 5 — замкнутым с неподвижным контактом 6.

 

При протекании повышенного тока по нагревательному элементу — НЭ (или непосредственно по пластине 1) — биметаллическая пластина 1 нагревается и ее нижний конец перемещается в направлении стрелки А. В результате верхний конец пружины 7переходит вправо и создаваемая ею сила воздействует на колодку 4 так, что она поворачивается на некоторый угол против часовой стрелки, а контакты 5 и 6 размыкаются. Упоры 3 и 8 ограничивают перемещение нижнего конца пластины 1. Возврат реле в исходное положение происходит самопроизвольно, когда биметаллическая пластинка остынет. В других конструкциях перевод реле в исходное положение осуществляется кнопкой ручного возврата 2.

На рис. 11.20 дана типичная для тепловых реле зависимость времени срабатывания t от тока I. При минимальном (пограничном) токе срабатывания I _погр время срабатывания велико, с увеличением тока оно уменьшается.

 

Глава 12