Релейные и бесконтактные логические элементы автоматики

Релейный элемент (реле) — это элемент автоматики, в котором при плавном изменении входного сигнала выходной изменяется скачкообразно, принимая одно из двух или трех стабильных значений.

Релейные характеристики — характеристики кусочно-линейного вида, соответствующие преобразованию в техническом устройстве (системе) непрерывной входной величины х в дискретные значения выходной величины уп, где п — число возможных ее значений (уровней 2 или 3), были предварительно рассмотрены нами в параграфе 4.6.

На рис. 7.18 приведены релейные характеристики основных типов: релейные характеристики идеальных (рис. 7.18, а, 6) и реальных (рис. 7.18, в> г) двухпозиционных (рис. 7.18, а, в) и трехпозиционных (рис. 7.18, б, г) релейных элементов.

Релейную характеристику типа, представленного на рис. 7.18, в, имеют, например, простейшие двухпозиционные электромагнитные реле, а релейную характеристику типа, представленного на рис. 7.18, г, — трехпозиционные поляризованные реле.

Релейные элементы характеризуются порогом срабатывания хср минимальным значением входного сигнала, при котором срабатывает реле, т.е. переключаются его контакты, и порогом отпускания хОТп максимальным значением входного сигнала, при котором контакты реле возвращаются в исходное состояние. Рабочим параметром хр называют номинальное значение входной величины, при котором контакты реле удерживаются в замкнутом состоянии.

Релейные характеристики

Рис. 7.18. Релейные характеристики: двухпозиционных (а, в) и трехпозиционных (б, г) релейных элементов

Связь параметров срабатывания и отпускания устанавливает коэффициент возврата:

Коэффициент возврата ku < 1, и в различных конструкциях реле он изменяется в пределах 0,4—0,95. Связь рабочего параметра с параметрами срабатывания и отпускания устанавливает коэффициент запаса:

при срабатывании

при отпускании

Некоторые релейные элементы могут обладать свойством фиксации, т.е. оставаться в занятом ими состоянии и после снятия воздействия на входе. В этом случае релейный элемент возвращается в первоначальное состояние обычно после подачи воздействия на другой его вход (или воздействия другого знака на тот же вход). Релейный элемент с фиксацией применяют, например, для реализации памяти вычислительных и управляющих машин. Характеристикой релейного элемента служит также его быстродействие, определяемое временем срабатывания и временем отпускания, или возврата.

Рассмотрим наиболее распространенные контактные электромеханические реле, в которых электрическая величина преобразуется в механическое перемещение, вызывающее замыкание или размыкание контактов.

Существуют различные виды электромеханических реле:

  • • электромагнитные реле постоянного и переменного тока;
  • • магнитоэлектрические реле;
  • • электродинамические реле;
  • • индукционные реле;
  • • электротермические реле.

Электромагнитное нейтральное реле постоянного тока (рис. 7.19, а) состоит из неподвижного магнитопровода У, являющегося сердечником обмотки 4, и подвижного якоря 2. Якорь и сердечник реле изготовляют из магнитомягкого материала. При протекании через обмотку 4 тока / определенной величины якорь 2 притягивается к сердечнику, что приводит к замыканию контактов 6. При снятии напряжения якорь 2 и контакты 6 возвращаются в исходное положение под действием пружины 5. Для устранения влияния остаточного магнитного потока (отлипания якоря от сердечника) на якоре предусмотрен штифт 3 из немагнитного материала (латунь, медь). Контакты реле, показанные на рис. 7.19, а, замыкаются при срабатывании реле и размыкаются при отпускании. Такие контакты называют замыкающими. Если контакты при срабатывании реле размыкаются, а при отпускании замыкаются, их называют размыкающими. Реле может иметь не один контакт, а контактную группу, в которой есть замыкающиеся и размыкающиеся контакты.

Электромагнитные реле постоянного тока

Рис. 7.19. Электромагнитные реле постоянного тока:

а — нейтральное; 6 — поляризованное

Процессы при включении и отключении реле очень сложны. Они описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. При подаче на обмотку реле входного сигнала в виде напряжения ток в обмотке реле начинает возрастать по экспоненциальному закону. В момент времени, когда МДС катушки достигнет значения, называемого МДС трогания при срабатывании, якорь реле начинает двигаться. В результате этого индуктивность катушки реле увеличивается, и параметры экспоненты, по которой нарастает ток, изменяются. Такие же сложные процессы происходят и при отключении реле.

Временем срабатывания реле называют промежуток времени, через который срабатывает реле при подаче на его обмотку входного сигнала. По времени срабатывания реле делят на быстродействующие (?ср = 1—50 мс), нормально действующие (?ср = 50—150 мс) и медленно действующие (?ср = 0,5—1 с). Временем отпускания реле называют промежуток времени, через который размыкаются контакты реле после выключения входного сигнала. Время срабатывания и отпускания реле является важной характеристикой, имеющей большое значение для быстродействия систем автоматики и телемеханики.

В автоматике и телемеханике часто встречается необходимость замедления работы реле. Замедление осуществляют механическим или электрическим методами. Механические методы заключаются в том, что движение якоря замедляется с помощью пневматического, гидравлического или магнитного демпфера. Механические методы позволяют получить время срабатывания и отпускания реле до десятков секунд.

Электрические методы замедления работы реле заключаются в применении таких схем включения реле, которые замедляют нарастание или спадание магнитного потока в магнитопроводе реле. Например, шунтирование обмотки реле резистором вызывает замедление отпускания. Однако шунтирующий резистор вызывает дополнительные потери мощности. Для замедления спадания потока при отключении применяют также шунтирование катушки реле конденсатором и введение короткозамкнутых витков. Взамен короткозамкнутых витков на сердечник реле часто надевают медную гильзу. При включении и отключении реле в гильзе создается ЭДС и возникает ток, вызывающий магнитный поток такого направления, что изменение результирующего магнитного потока замедляется. Электрические методы замедления позволяют увеличить время работы реле примерно до 1 с.

Поляризованное реле постоянного тока (рис. 7.19, б), так же как нейтральное электромагнитное реле, имеет неподвижный сердечник /, подвижный якорь 2, две неподвижные обмотки 3 и У и переключающиеся контакты 4. Кроме этого реле содержит постоянный магнит 5, который поляризует реле, т.е. делает его чувствительным к направлению потока. Благодаря постоянному магниту наряду с потоком Ф в его основном магнитопроводе создается магнитный поток Фп, который, проходя по якорю, разделяется на два потока: и Ф2. При отсутствии напряжения на обмотках 3 и 3' потоки Ф{ и Ф2 равны, якорь находится в нейтральном положении и оба контакта реле разомкнуты.

Если при полярности приложенного напряжения к обмоткам 3—3' создается магнитный поток Ф, совпадающий по направлению, например, с потоком Ф{, как показано на рис. 7.19, б, то с ним он складывается, а из потока Ф2 — вычитается. Сила притяжения в правом зазоре увеличивается, в левом — уменьшается, и якорь притягивается вправо, замыкая контакт 4.2. Такая конструкция реле удобна для применения его в качестве дифференциального реле, реагирующего на разность токов в катушках 3 и 3', питаемых от разных цепей.

Поляризованное реле может быть использовано как двухпозиционное или трехпозиционное реле. Двухпозиционное поляризованное реле не имеет противодействующей пружины. Поэтому якорь симметрично отрегулированного реле при выключении тока в катушке остается в том же положении, в каком он был при наличии тока. Если снова пропустить по обмотке реле ток того же направления, что было до отключения, то якорь не изменит своего положения. Если же пропустить ток обратного направления, то якорь перебросится в другое положение.

Трехпозиционное поляризованное реле получается в том случае, если в симметрично отрегулированном реле имеется пружина, возвращающая якорь в среднее положение. В таком реле при отсутствии тока оба контакта разомкнуты и в зависимости от направления тока замыкается тот или иной контакт.

Поляризованное реле обладает высокой чувствительностью и быстродействием. Мощность срабатывания его составляет 0,1 — 1 мВт, время срабатывания — 1—5 мс. Благодаря быстродействию и применению гибких подвижных и неподвижных контактов отдельные конструкции поляризованных реле могут надежно работать без дребезга контактов в качестве вибраторов на частотах до 100 Гц и выше.

Электромагнитное реле переменного тока (рис. 7.20) по устройству аналогично электромагнитному реле постоянного тока, но для уменьшения вихревых токов и потерь на перемагничивание стали его сердечник и якорь изготовляют из листовой электротехнической стали. Сила притяжения якоря F изменяется пропорционально квадрату магнитного потока с двойной частотой / переменного тока:

где Етах — максимальное значение силы притяжения.

Если обычное реле постоянного тока включить в цепь переменного тока, то якорь реле будет вибрировать, поскольку два раза за период ток /, магнитный поток Ф, а следовательно, и сила притяжения F будут проходить через нуль. Вибрация вызовет шум, утяжелит работу контактов и ускорит их износ.

Чтобы устранить вибрации якоря реле и уменьшить искрение контактов, предусматривают такую конструкцию реле, чтобы на якорь действовали два переменных магнитных потока, сдвинутых друг относительно друга по фазе, с тем чтобы тяговое усилие никогда не падало до нуля. Конструкция такого реле приведена на рис. 7.20.

Полюс сердечника реле раздвоен. Поэтому магнитный поток Ф сердечника раздваивается на два потока: и Ф2. На одну половину раздвоенного сердечника с потоком Фt надет медный короткозамкнутый виток. В витке наводится ЭДС и возникает ток, который, в свою очередь, создает магнитный поток Фк. В результате магнитный поток Ф1? проходящий через короткозамкнутый виток, отстает по фазе на угол ф от потока Ф2, проходящего через свободную половину полюса (рис. 7.21, а).

Электромагнитное реле переменного тока

Рис. 7.20. Электромагнитное реле переменного тока

Зависимость магнитных потоков в электромагнитном реле (а) и создаваемых ими тяговых усилий (б) от времени

Рис. 7.21. Зависимость магнитных потоков в электромагнитном реле (а) и создаваемых ими тяговых усилий (б) от времени

О 0,02 0,04 tf с

Сумма тяговых усилий Fx + F2> создаваемая потоками Фх и Ф2, сдвинутыми на угол (р, никогда не равна нулю. Суммарное тяговое усилие сравнительно мало колеблется около среднего значения, обеспечивая надежную работу реле и почти полное устранение вибраций (рис. 7.21, б).

Магнитоэлектрические у электродинамические и индукционные реле по своей конструкции обычно напоминают магнитоэлектрические, электродинамические или индукционные измерительные приборы, но только вместо стрелки установлен подвижный контакт.

Электротермическое реле основано на расширении твердого тела, жидкости или газа при нагревании их электрическим током. Механическое перемещение, вызванное этим нагреванием, приводит к замыканию или размыканию электрического контакта.

Одним из наиболее распространенных тепловых реле является биметаллическое реле (рис. 7.22). Такое реле содержит биметаллическую пластину У, состоящую из двух слоев металлов, имеющих различный температурный коэффициент линейного расширения. Биметаллическая пластина несет на себе контакт 2. На пластину намотана обмотка 3, нагреваемая протекающим по ней током. Вследствие различного удлинения слоев металлов пластинка при нагревании изгибается и замыкает контакт 2 с контактом 2'. Для того чтобы избежать влияния температуры окружающей среды на работу реле, контакт 2f иногда также укрепляется на биметаллической пластинке 4. Для облегчения работы контактов, которые в таких реле перемещаются сравнительно медленно, биметаллические пластинки помещают в вакуум или применяют такую конструкцию, когда по достижении определенной температуры контакты скачком переходят из одного положения в другое. Мощность срабатывания биметаллических реле составляет обычно не менее нескольких ватт, а время срабатывания — от десятых долей секунды до нескольких секунд.

Биметаллическое реле

Рис. 7.22. Биметаллическое реле

Герконовые реле. Геркон — это герметизированный магнитоуправляе- мый ферромагнитный контакт, замыкающийся под действием магнитного поля. Герконы нашли широкое применение в устройствах автоматики и телемеханики.

Герконы представляют собой контактные пружины 1 (рис. 7.23), выполненные из магнитомягкого материала и помещенные в стеклянную ампулу 2. В ампуле создают вакуум или заполняют ее инертным газом. Для изготовления контактных пружин герконов в большинстве случаев используют пермаллои различных марок — железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей. В вакууме и в среде инертного газа практически отсутствует искрообразование и коррозия контактов. Поэтому они выдерживают до 108 срабатываний (при малых токах).

Герметизированный магнитоунравляеммй контакт

Рис. 7.23. Герметизированный магнитоунравляеммй контакт

Принцип действия геркона заключается в том, что при наличии магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом или электромагнитом, контактные пружины притягиваются друг к другу, соединяясь электрически. При отсутствии магнитного потока или при снижении его ниже определенного уровня контакты реле размыкаются под действием сил упругости контактных пружин. Контактные пружины в герконах одновременно выполняют функции контактов и магнитопроводов. Поэтому они должны обладать высокой электропроводностью, высокой относительной магнитной проницаемостью и малой остаточной магнитной индукцией. Кроме того, контактные пружины должны обладать и достаточной упругостью. Контакты у геркона могут быть замыкающими, размыкающими или переключающими.

Контактирующие поверхности контактных пружин покрывают тонким слоем (несколько микрон) благородного металла (золота, серебра, палладия) или сплавов из них для обеспечения надежного соединения с малым переходным сопротивлением. Один или несколько герконов, помещенных внутри электромагнитной катушки, образуют герконовое реле (рис. 7.24).

Герконовое реле

Рис. 7.24. Герконовое реле

Механические перемещения в герконовых реле минимальные. Поэтому быстродействие у них намного выше, чем у большинства обычных электромагнитных реле. Масса, габариты и стоимость герконовых реле гораздо меньше, чем у обычных реле, а надежность выше. Благодаря герметичности контакты могут работать в агрессивных и взрывоопасных средах при температуре от -100 до 200°С в любом положении по отношению к горизонтали.

Реле времени — это устройства автоматики, предназначенные для задержки во времени сигнала включения (отключения) цепей управления и исполнительных механизмов. Чтобы задержать сигнал на время от долей секунды до нескольких десятков секунд, используют конденсаторное реле времени (ВЛ-43, ВЛ-44).

Конденсаторные реле основаны на явлении заряда конденсатора, а также на принципе пересчета импульсов при заряде конденсатора.

В реле с механическим устройством замедления выдержка времени создается с помощью часового механизма или синхронных двигателей. Аналогичное устройство имеют циклические программные реле времени, обеспечивающие включение и отключение ИМ с заданной периодичностью в течение конкретного цикла времени (РВМ, МКП, КЭП-12).

С конструктивной точки зрения в релейном элементе выделяют воспринимающие органы, которые реагируют на внешние воздействия, исполнительные, предназначенные для передачи воздействий на релейный элемент вовне, и промежуточные, перерабатывающие и передающие воздействия от воспринимающих органов к исполнительным.

Также имеются и другие релейные элементы: контакторы и магнитные пускатели.

Контакторы — это специальные электромагнитные реле постоянного или переменного тока, используемые для подключения силовых токоприемников к источнику питания. Их изготовляют с числом полюсов от 1 до 5 и оснащают блок-контактами. Наиболее распространены контакторы постоянного тока типа КП и переменного тока типа КТ.

Магнитные пускатели — это контакторы, оборудованные защитными устройствами. Широко применяют магнитные пускатели типа ПМЛ, ПМА, ПА, предназначенные для управления трехфазными установками переменного тока и защиты от перегрузок с помощью тепловых реле.

Контакты являются важнейшими и в то же время наиболее уязвимыми элементами электромагнитных реле, контакторов и пускателей. Под электрическим контактом в физическом смысле понимают место соприкосновения или соединения составных частей электрической цени, обеспечивающее прохождение между ними электрического тока. Различают контакты монтажные и аппаратные. Монтажные контакты за счет постоянного механического соединения всегда замкнуты. С помощью аппаратных контактов электрическую цепь можно размыкать и замыкать. В разомкнутом состоянии части не соприкасаются друг с другом, а в замкнутом соприкасаются. Поскольку аппаратные контакты (контакты реле, выключателей, контакторов) периодически замыкают и размыкают электрическую цепь, то их называют разрывными контактами, в отличие от скользящих контактов, например, движка, скользящего по поверхности потенциометра.

В месте соприкосновения разрывных контактов, особенно при их сближении или расхождении, происходят сложные тепловые, химические и электрические процессы. Под воздействием кислорода воздуха, азота, озона и других химических реагентов на поверхности контактов образуются различные пленки. Среди них наиболее распространены пленки окисные (на медном контакте Си20) толщиной 10_9м и сульфидные (H2S) толщиной 10_8м. Удельное сопротивление пленок составляет 104—1010 Ом • м.

При замыкании контактов по мере увеличения силы нажатия на контакты пленки в местах соприкосновения начинают трескаться и продавливаться, образуя зоны чисто металлического касания, через которые проходит рабочий ток. Увеличение силы нажатия в контакте приводит к росту количества зон касания и их площади.

В совокупности все эти механизмы проводимости определяют переходное сопротивление Rм контактов. Переходное сопротивление контактов в микроомах (мкОм) определяется по эмпирическим формулам, наиболее часто из которых применяется следующая формула:

где К0 — постоянный коэффициент, величина которого лежит в пределах 60—400 мкОм/Нш в зависимости от материала контактов; FK — нажатие в контактах, Н; т — показатель степени, величина которого лежит в пределах 0,5—1 в зависимости от характера контактирующих поверхностей.

В процессе работы происходит электрическая эрозия контактов, что выражается в расплавлении и переносе расплавленного металла с одного контакта на другой. Она происходит под воздействием электрической энергии, выделяемой протекающим током при размыкании контактов или при недостаточном нажатии. В начальной стадии размыкания цепи с током между контактами образуется расплавленный металлический мостик. При каждом отключении температура контактов оказывается неодинаковой, и на одной стороне образуется больше расплавленного металла, а на другом — меньше. В результате при большом числе отключений на одном контакте металл наращивается, а на другом — убывает. Наиболее тяжелым условием работы контактов является разрыв цени постоянного тока, особенно при активно-индуктивной нагрузке, в качестве которой может выступать, например, обмотка промежуточного реле или контактора. Известно, что ток в индуктивности нельзя выключить мгновенно, так как в этом случае возникает ЭДС самоиндукции, теоретически равная бесконечности, что создает наибольшие возможности для возникновения и поддержания дуги на контактах. Дуга вызывает эрозию на контактирующих поверхностях: на них образуются наросты и кратеры.

Отметим, что в ряде контактных пар благодаря соответствующему сочетанию теплофизических параметров материалов наблюдается выравнивание тепловой асимметрии жидкого металлического мостика и самоограничение эрозии. Это происходит, например, в цепях постоянного тока, когда катодом является платина или палладий, а анодом — серебро или золото.

Кроме электрической эрозии при размыкании тока происходит и дуговой износ контактов. Дуговой износ происходит за счет выжигания материала под действием высокой температуры и энергии дуги. Величина дугового износа также определяется по эмпирическим формулам.

Если контакт реле коммутирует цепь переменного тока, то при прохождении тока через нуль дуга обрывается и гаснет. На переменном токе контакты реле могут коммутировать в 3—4 раза большую мощность, чем на постоянном токе.

Усиливает износ контактов их вибрация при включениях. Контактирующие поверхности могут частично расплавиться и привариться друг к другу. В этом случае контакты уже не смогут разомкнуться. Поэтому очень важно, чтобы контактные материалы обладали высокой стойкостью к свариванию.

Резюмируя, можно заключить, что контакт должен надежно, без дребезжания замыкать и размыкать цепь необходимой мощности и при этом не обгорать и сохранять малое переходное сопротивление.

Для хорошей работы контакта большое значение имеет выбор материала контакта. В качестве материала слаботочных контактов используют благородные металлы — серебро, золото и плагину, а также платино-иридиевые сплавы и тугоплавкие металлы — палладий и вольфрам, а также их сплавы. Для сильноточных разрывных контактов наибольшее применение из металлов нашли медь и серебро, а также сплавы вольфрама с серебром и композиции «серебро — никель», «медь — вольфрам» и др.

Схемы искрогашения в контакте реле Р

Рис. 7.25. Схемы искрогашения в контакте реле Р

Для уменьшения новообразования на контактах очень часто применяют гак называемые схемы искрогашения. Для реле небольшой мощности искрогашение обычно осуществляется путем включения параллельно контактам цепочки RC (выше было и курсивом) (рис. 7.25, а). Кроме того, на постоянном токе параллельно активно-индуктивной нагрузке или катушке другого, более мощного, реле также включают цепь RC или обратный диод VD, осуществляющий диодную защиту (рис. 7.25, б, в).

Бесконтактные логические элементы автоматики. Износ контактов силовой аппаратуры и необходимость их постоянного обслуживания являются недостатками электромеханической аппаратуры. Поэтому она все чаще заменяется бесконтактной аппаратурой.

На рис. 7.26, а приведена схема простейшего бесконтактного компаратора, выполненная на операционном усилителе без обратной связи. Назначение компаратора — установить, какой из двух сигналов больше, или определить, когда сигнал достигнет заданного значения. В зависимости от знака разности входных напряжений с точностью до нескольких долей милливольта операционный усилитель оказывается в положительном или отрицательном насыщении.

Бесконтактные элементы

Рис. 7.26. Бесконтактные элементы:

а — компаратор; б — триггер Шмитта; в — тиристорный пускатель

На рис. 7.26, б показана транзисторная схема бесконтактного реле - триггера Шмитта с эффектом гистерезиса. Более подробное описание приведенных бесконтактных релейных элементов дано в специальной литературе [34, 35].

На рис. 7.26, в приведена принципиальная схема тиристорного пускателя. Он состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров Tj и Т2, включенных последовательно с нагрузкой, и блока управления БУ. Когда на вход блока управления подан сигнал «Вкл.», то на управляющие входы каждого из тиристоров в начале соответствующего полупе- риода питающего напряжения подаются управляющие сигналы, и тиристоры открываются. В этом положении тиристорный пускатель включен и в нагрузку поступает ток. Если сигнал «Вкл.» снимается, то управляющие сигналы на входы тиристоров не подаются. Тиристоры закрыты. Они не проводят ток. Тиристорный пускатель выключен.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >