Продолжим разговор об электромагнитных реле, в прошлой части статьи я постарался простым языком описать принцип работы и устройство реле. Теперь давайте рассмотрим его технические характеристики, и для этого немного повторим информацию о принципе работы реле, НО немного подробнее.
Реле условно можно разделить на три части: воспринимающий орган (А), промежуточный орган (Б) и исполнительный орган (В).
В нашем случае, воспринимающий орган (А) — это катушка [2] с сердечником [1], которая преобразует входную величину (электрический ток), в промежуточную величину (механическая сила якоря [3]) .
Механическая сила якоря (Fя) воздействует на исполнительный орган (В), который представляет собой контактную группу. Промежуточный орган (Б) — это пружина, которая противодействует магнитной силе и отталкивает якорь, размыкая контакты, когда на катушку не подаётся ток.
Промежуточная величина — сила, с которой притягивается якорь (Fя) пропорциональна входной величине (Uупр), и для срабатывания реле, она должна быть больше заданного значения силы Fпр.
Если напряжение управления меньше напряжения срабатывания (Uупр<Uср), то сила, воздействующая на якорь меньше, чем сила, развиваемая пружиной (Fя<Fпр), и контакты исполнительного органа не двигаются и остаются в нормальном положении.
Когда напряжение управления больше либо равно напряжения срабатывания (Uвх>Uср), и сила якоря больше чем сила пружины (Fя>Fпр), то подвижные контакты скачкообразно переместятся — нормально разомкнутые замкнутся, а нормально замкнутые разомкнутся.
Рабочий цикл и основные параметры (скучная теория)
Цикл работы реле делят на 4 периода:
- Время срабатывания (tср).
- Рабочий период (tраб) когда реле включено.
- Время отключения (tоткл).
- Период покоя (tп) когда реле отключено.
Время срабатывания — это промежуток времени от момента подачи входного сигнала (Uупр) до момента замыкания контактов или появления другого вида сигнала в управляемой цепи. На диаграмме ниже этот момент соответствует участку tср, здесь ток в обмотке возрастает до значения, при котором сила, действующая на якорь (Fя) сможет противодействовать силе пружины (Fпр) и начать перемещать якорь.
Входная величина (тока или напряжения), при которой это происходит называется величиной трогания при срабатывании.
Отрезок времени от t0 до t1 называют периодом трогания (tтр), в момент времени t1 якорь начинает движение, и с t1 по t2 якорь преодолевает противодействие пружины и перемещается. В конце движения он толкает контакты, переключая их (замыкает или размыкает).
Входная величина (тока или напряжения), при которой начинается управление исполнительной цепью, называется величиной срабатывания, например, ток срабатывания (Iср). Мощность (Рср), которая при этом потребляется входным органом, соответствующая току срабатывания, называется мощностью срабатывания.
Время, за которое срабатывает реле tср=tтр+tдв, и в среднем, оно находится в диапазоне от 1-2 до 20 мс.
В начале рабочего периода, от момента перемещения якоря ток начинает расти до какого-то установившегося Iраб – это рабочее значение входного тока или напряжения, которое обеспечивает надёжное срабатывания реле.
Отношение рабочего тока к току срабатывания называется Коэффициентом запаса по срабатыванию:
kз=Iраб/Iср
Аналогично вычисляются и называются все остальные электрические параметры, как напряжение (Uср, Uотр, Uраб) и мощность (Wср, Wотп, Wр) так и все коэффициенты (kз=Uраб/Uср).
Для примера Коэффициент запаса у реле, применяемых в железнодорожной автоматике, лежит в пределах 1,4…4.
Для лучшего понимания что такое коэффициент запаса по срабатыванию приведём пример. Допустим, у нашего реле коэффициент запаса равен 2. Рабочее напряжение у нас 12В, якорь реле притянется при напряжении равном:
Uср=kз*Uраб=6В
То есть якорь притянется при 6 вольтах, а при 12В будет обеспечиваться надёжная работа реле без отпадания якоря, поэтому чем больше коэффициент запаса, тем надежнее работа реле на притяжение.
Есть ещё такой параметр, как предельное значение рабочей величины, например, предельный ток Iраб.мах или предельное напряжение Uраб.мах. Это такое значение, которое выдерживает катушка в течение короткого нормируемого промежутка времени. Но при работе в нормальном режиме такая величина входного тока или напряжения недопустима, так как приведут к перегреву и выходу из строя входного органа — катушки.
Нагрузочная способность реле характеризуется таким понятием, как мощность управления Pу — это такая мощность, которую исполнительный орган способен длительно пропускать. Говоря проще – это максимальная мощность нагрузки, которую могут включать или выключать контакты реле и длительно её питать.
Время отключения tоткл – это период, в который ток управления Iвх от рабочего значения уменьшается до нуля. В него входит время отпускания tотп, в который ток управления Iвх уменьшается до какого-то определённого значения Iотп (ток отпускания), при котором магнитная сила Fя становится ниже, чем усилие пружины Fпр, и происходит отпускание якоря – его возврат в исходное положение.
При размыкании контактов (период tк=t5–t4 на диаграмме) между ними загорается дуга, которая гаснет через время tд=t5-t6, а ток нагрузки в это же время снижается от какого-то значения Iн до нуля.
Таким образом, период отключения реле состоит из трёх частей tоткл = tотп + tк + tд.
А сам период отключения характеризуется коэффициентом возврата, равным отношению тока отпускания к току срабатывания:
kв=Iотп/Iср.
Зачастую в реле защиты и управления, которые контролируют входной параметр в узких пределах он близок к единице.
Ток (напряжение) срабатывания обычно больше тока (напряжения) отпускания. Например, коэффициент возврата у тех же реле, применяемых в железнодорожной автоматике, находится в пределах 0,3…0,5.
Для большей понятности приведём пример. Допустим, коэффициент возврата (kв) у нас равен 0.4, а напряжение срабатывания (Uср) 12В. Это значит, что при подаче напряжения на катушку 12В якорь притянется к сердечнику. Если опустить напряжение до, скажем, 10В якорь всё ещё будет притянут к сердечнику, отключится реле только при снижении напряжения до:
Uотп=Uср*kв= 12*0.4=4.8В
То есть реле будет оставаться включённым вплоть до напряжения в 4.8 вольт. Чем больше коэффициент возврата, тем надёжнее работа реле на отпускание (ниже вероятность отпадания реле тогда, когда это не требуется). На циклограмме ниже это наглядно продемонстрировано.
И последний период – это период покоя, промежуток времени от t7 до t6. Для него есть такая характеристика, как величина несрабатывания – это такое значение входной величины, при котором реле не срабатывает и не удерживается в рабочем состоянии. Время несрабатывания всегда меньше времени трогания и времени отпускания.
Отношение мощности управления к мощности срабатывания называется коэффициентом усиления
kу=Pу/Pср.
Частота включений в секунду или другую единицу времени, обратно пропорционально времени цикла работы, и вычисляется по формуле:
f = 1/tц = 1/(tсраб +tраб + tоткл +tп)
Примеры из практики
Наконец, когда вы пролистали скучную теорию, давайте посмотрим, что у нас есть на практике. Описанное выше – это может быть полезно для специалистов по релейной защите и автоматике, так как всё это учитывается в сложных системах защиты. И большая часть описанной выше информации никогда не пригодится в большинстве типовых задач, которые возникают перед электриком.
На практике вам придётся работать с промежуточными реле для гальванической развязки, увеличения количества выходов или изменения рода и величины управляющего сигнала. Например, как описывалось в первой статье, когда у какого-то контроллера на выходах сигналы постоянного напряжения, например, 12В, а нужно управлять нагрузкой напряжением 220В. Поэтому давайте рассмотрим, какими бывают реле для таких задач.
При выборе реле в каталоге вы столкнётесь с несколько другими названиями характеристик, но их значение в целом аналогично предыдущим:
- Номинальное напряжение цепи управления и род тока. Например, если указано 12В DC – значит, что для включения и удержания реле во включённом состоянии нужно подать на катушку 12 вольт постоянного тока. Иногда пишут или говорят «напряжение катушки».
- Номинальное рабочее напряжение контактов (AC) — это напряжение цепи переменного тока, которую могут замыкать и размыкать контакты реле.
- Номинальное рабочее напряжение контактов (DC) — это напряжение цепи постоянного тока, которую могут замыкать и размыкать контакты реле.
- Номинальный ток контактов – это ток, который могут включать и выключать контакты реле и длительно проводить его.
- Ток потребляемый катушкой — ток, который потребляет катушка во включённом состоянии. На этот параметр вам придётся обращать внимание при подключении реле к выходам какой-либо электронной автоматики, различных контроллеров с транзисторными выходами. Этот параметр указывается для какого-либо напряжения. Например, фраза «Ток, потребляемый катушкой при AC 24В — 190 мА» значит, что катушка рассчитана на напряжение 24В, то при включении она будет потреблять 190 мА.
- Мощность катушки управления — мощность, которую потребляет катушка во включённом состоянии. Например, фраза «Мощность катушки управления при AC 24В — 4.6 ВА» значит, что катушка рассчитана на напряжение 24В, то при включении она будет потреблять 4.6 ВА.
- Количество групп переключающих контактов. Название характеристики говорит нам само за себя: сколько групп контактов находится в этом реле. Бывают реле как с 1 группой контактов, так и с несколькими. Сами же контакты могут быть как переключающими (NO/NC), так и нормально замкнутыми (NC) или нормально открытыми (NO). Если у реле есть и нормально закрытые и нормально открытые контакты, то в характеристиках может так и указываться «количество групп NC-контактов», «количество групп NO-контактов».
Кроме перечисленных, могут указываться и такие данные как: сопротивление изоляции, электрическая и механическая износостойкость (говорят о количестве циклов, которое реле способно отработать), климатическое исполнение и степень защиты.
Реле выпускаются многими компаниями, и хороший ассортимент можно найти, например, в каталоге IEK. Начнём с вариантов в классическом исполнении с разъёмным соединением, таких как реле серии РЭК77 и РЭК78.
Спереди на крышке обычно указываются основные данные о реле, такие как номинальный ток контактов для цепи постоянного или переменного тока и величина напряжения коммутируемой цепи и номинальное напряжение катушки (но не всегда, оно может указываться со стороны контактов).
На обратной стороне реле расположены плоские штырьки для подключения в специальный розеточный разъём, непосредственно к которому уже подключаются провода. К эти штырькам присоединены выводы катушки и всех контактов. Назначение каждого из контактов указывается либо в документации к реле, либо непосредственно на его корпусе.
На рассмотренном примере на крышке каждый из контактов пронумерован и подписан, например катушка у РЭК77/3 выведена на 10 и 11 контакты, а у РЭК77/4 на 13 и 14. Сами переключающие контакты выведены на штырьки с номерами с 1 по 9 у РЭК77/3 и с 1 по 12 у РЭК77/4.
В зависимости от устройства розеточный разъём может монтироваться либо на дин-рейку, либо на ровные поверхности в щитах. В них все плоские контакты выведены на привычные всем винтовые клеммы. Удобство такого решения заключается в простоте обслуживания, например, при выходе из строя реле вам нужно его просто выдернуть из розетки и вставить аналогичное новое, не нужно ничего переподключать, или отсоединять провода.
Ассортимент таких реле насчитывает десятки наименований, например, рассматриваемые РЭК от IEKа бывают такими:
• по коммутационной способности: РЭК78 на 3А или 5А, РЭК77 — на 10А;
• по количеству контактных групп РЭК77/3 – с тремя группами, РЭК77/4 с четырьмя;
• по напряжению цепи управления — 12VDC, 12VAC, 24VDC, 24VAC, 230VAC;
• с индикацией включения и без неё.
Есть и другие варианты реле подобной конструкции но рассматривать их все не имеет особого смысла.
Другой вариант — это модульные реле для монтажа на din-рейку, они выглядят как привычные нам автоматы, а их преимущество в том, что требуется меньше места в щите. Например, у компании Евроавтоматика F&F есть множество реле подобного класса, перечислим некоторые из них:
- PK-1P с 1 переключающим (NO/NC) контактом на 16 А.
- PK-2P с 2 переключающим (NO/NC) контактом по 8 А.
- PK-3P с 3 переключающим (NO/NC) контактом по 8 А.
- PK-4P с 4 переключающим (NO/NC) контактом по 8 А.
- PK-4PZ с 2 переключающим (NO/NC) контактом и 2 нормально разомкнутыми (NO) контактами, все по 8 А.
- PK-4PR с 2 переключающим (NO/NC) контактом и 2 нормально замкнутыми (NC) контактами, все по 8 А.
- PK-1Z-30 с одним нормально открым контактом, способным коммутировать до 32А.
Почти все они могут быть с разными напряжениями цепи управления: 12B, 24B, 48B, AC/DC, 110B, 230В AC.
Типовые схемы
Простейший вариант подключения реле — это схема для управления нагрузкой нажатием кнопки без фиксации:
Здесь в качестве нагрузки указана лампа EL, при нажатии на кнопку SB1 ток пойдёт через катушку реле К1, его якорь втянется, а нормально-разомкнутый контакт замкнётся, и лампа загорится. Когда кнопку отпустят – нагрузка выключится.
Если нужно, чтобы нагрузка включалась и продолжала работать после однократного нажатия кнопки и её отпускания, то нужно применять схему с самоподхватом, но на практике такие схемы чаще используются с контакторами.
Для этой схемы нужно, чтобы у реле был одна свободная нормально разомкнутая контактная группа. То есть если у вас в схеме задействован 1 контакт, то у реле должно быть 2 контактных группы, как на примере ниже.
Принцип работы этой схемы: при нажатии на нормально разомкнутую кнопку SB1 ток пойдёт от фазы, через нормально замкнутую кнопку SB2, через SB1 к катушке, после чего реле включится, якорь притянется и замкнёт контакты К1.1 и К1.2. После того как вы отпустите кнопку SB1, катушка продолжит питаться через К1.2 и реле не отключится. Это и называется «самоподхватом», т.е. реле питается через свои же контакты. А нагрузка питается через контакты К1.1. Для отключения реле и нагрузки нужно разорвать цепь, через которую питается катушка, для этого нужно нажать на нормально замкнутую кнопку SB2.
Соответственно цепь SB2, SB1, K1, K1.2 можно подключать к одному источнику питания, а нагрузку и K1.1 к другому источнику, что может понадобиться, когда нужно цепь управления выполнить низким напряжением.
Но на практике, такое изображение этой схемы вы не встретите. Схему с самоподхватом принято рисовать несколько иначе: контакт К1.2 изображается около кнопки «ПУСК» (SB1), а его принадлежность к конкретному реле указывается в позиционном обозначении (дополнительной цифрой). То есть К1.2 значит, что это один из контактов реле К1.
Разберём еще одну схему. Представим, что у нас есть устройство автоматики на выходе которого появляются 12В постоянного тока, а нужно включать нагрузку 220В, соответственно подключить нагрузку к нему напрямую нельзя. Тогда нужно найти реле с катушкой на 12В, а схема подключения будет такой.
Здесь, когда на первом выходе контроллера появится положительный сигнал (напряжение +12 вольт), то через катушку реле потечёт ток и оно включится, после чего нагрузка, лампа EL, включится. Никаких самоподхватов в подобных случаях зачастую нет, так как контроллер должен сам подавать, удерживать и снимать сигнал.
На этом закончим разговор об электромагнитных реле, если вам интересно, я могу подготовить видео, где покажу всё сказанное в двух статьях более наглядно.
Алексей Бартош специально для ЭТМ.
