Сложно представить схемы автоматизации без применения реле. Они используются для изменения уровней сигналов и согласования цепей с разным напряжением и родом тока, для сигнализации и контроля различных величин, для включения исполнительных устройств и так далее. Сегодня мы поговорим о том, что такое электромагнитные реле, их устройстве и принципе действия.
Определение
Для начала разберёмся, что такое реле вообще. Определение звучит следующим образом:
Реле — элемент автоматики, который замыкает или размыкает электрические цепи при воздействии внешних явлений и сил. При этом у релейного элемента есть два стабильных состояния, назовём их условно «включено» и «выключено».
Различают реле по виду физических величин, на которые они реагируют: электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические. То есть реле необязательно управляется электрическим сигналом: оно может замыкать или размыкать контакты при воздействии температуры, магнитного поля, при механических воздействиях и прочих.
Однако реле, реагирующие на такие неэлектрические величины, часто состоят из датчика и электрического релейного элемента.
Ещё раз перефразируем вышесказанное простыми словами:
Реле – это такое устройство, которое скачкообразно, при воздействии на него какой-либо величины. Реле может быть либо только включено, либо только выключено, промежуточных состояний у него нет.
Определение и общие сведения
Электромагнитное реле – это такое реле, работа которого основана на воздействии магнитного поля неподвижной катушки на подвижный ферромагнитный элемент, который приводит в движение контакты.
Входные и выходные цепи электромагнитных реле гальванически не связаны, то есть цепь управления не имеет никаких контактов с коммутируемой цепью.
В 1931 году американский ученный Джозеф Генри изобрёл первое реле, основанное на электромагнитном принципе действия, но оно было не коммутационным.
Позже Самюэль Морзе в 1937 году изобрёл первое коммутационное реле, которое он использовал в телеграфном аппарате.
Слово «реле» происходит от английского «relay», что означает «передача» чего-либо, например, эстафеты в спорте.
С помощью электромагнитного реле можно:
- Гальванически развязать управляющую и исполнительную цепь.
- Изменить уровень сигнала, например, если какое-то устройство замыкает цепь или просто подаёт напряжение на выход, то с помощью реле с нормально замкнутыми контактами можно, наоборот, разрывать какую-либо цепь.
- Можно переключать цепи. Если у реле переключающие контакты, то когда нет управляющего тока будет замкнута одна цепь, а при подаче тока управление контакты переключатся – разорвут первую цепь и замнут вторую.
- Изменить величину и род сигнала. Если какое-то устройство автоматики выдаёт сигналы постоянного тока, а исполнительные цепи питаются переменным, то можно на катушку реле подавать этот постоянный ток, а его контакты будут замыкать цепь источника и нагрузки переменного тока. То же самое можно сделать и с напряжением разной величины — сигналом низкого напряжения можно управлять цепью с высоким напряжением. Главное, подобрать реле, у которого катушка и контакты будут рассчитаны на соответствующие род и величину тока и напряжения.
- Управлять слабым током мощной нагрузкой, например, с помощью микроконтроллера, у которого максимальный выходной ток составляет десятки миллиампер, включать нагрузку с током в десятки ампер.
- Выполнять логические операции, то есть коммутировать цепи при наличии на входе реле определённых сигналов.
- Контролировать величины для обеспечения защиты от различных аварийных ситуаций, таких как превышение напряжения, тока, отклонение частоты, понижение сопротивления.
Устройство и принцип действия
Как отмечалось выше, есть много разных видов реле, у одних реле катушка с малым сопротивлением и оно срабатывает при протекании какого-то относительно большого значения тока — они называются «реле тока», они включаются последовательно с какой-либо нагрузкой и срабатывают при достижении тока определённой величины, как электромагнитный расцепитель автоматического выключателя.
У других реле сопротивление и количество витков катушки большие, и оно срабатывает при протекании относительно малого тока. В характеристиках таких реле обычно указывают напряжение катушки, которое необходимо подать, чтобы она притянула якорь и переключила контакты. Такие реле называют исполнительными или промежуточными реле.
Если не учитывать эти особенности, то общая конструкция и составляющие элементы всех видов электромагнитных реле одинаковы. Типичное электромагнитное реле состоит из следующих частей:
- Ферромагнитный сердечник.
- Катушка.
- Якорь.
- Контакты.
- Пружина.
- Ярмо.
Катушка в реле обычно выполняется медным проводом и используется для создания магнитного поля. Ферромагнитный сердечник нужен, чтобы это поле усилить. Якорь приводит в движение контакты — замыкает или размыкает их.
По конструкции контакты могут быть нормально замкнутыми (NC), нормально разомкнутыми (NO), переключающими (NO/NC). При этом в одном реле может быть несколько контактных групп, разной конфигурации (NO и NC), которые включаются одновременно при подаче тока на катушку.
С конструкцией разобрались, теперь разберём принцип действия электромагнитного реле.
Когда на катушку реле подают ток, вокруг неё возникает магнитное поле, которое притягивает якорь. Тот, прижимаясь к сердечнику, приводит в движение контакты — замыкает или размыкает их. На иллюстрации ниже вы видите, как это происходит.
На иллюстрации «первичная цепь» — это цепь управления, здесь приведён пример с обычной кнопкой, вместо которой может быть другое реле, микроконтроллер и прочие устройства автоматики.
«Вторичная цепь» — это коммутируемая цепь, которую включает исполнительный орган. Вместо нагрузки тоже могут быть другие реле, входы контроллеров и других устройств автоматики.
По конструкции реле и их контакты бывают разными: один из контактов может быть расположен на якоре и соединён гибким проводником, на конце якоря может быть непроводящая траверса, которая толкает гибкие контакты замыкая или размыкая их (как на иллюстрации выше), контактных групп может быть одна или несколько и так далее. Ниже приведена подборка фото и схем устройства различных типов реле.
По роду тока управления реле бывают для цепей постоянного тока и переменного тока. Конструктивное отличие у них одно — у реле, предназначенных для управления переменным током на сердечнике есть короткозамкнутый виток (он же «экранирующее кольцо»), который выглядит просто как кольцо из медной проволоки.
Это кольцо разделяет магнитный поток Ф через сердечник на два отдельных потока — Ф1 и Ф2 (позиция «а» на рисунке выше), один из которых наводит в кольце ток (позиция «б»). Этот ток тоже создаёт магнитный поток (Фкэ) противодействующий одному из основных магнитных потоков, а именно Ф2, согласно правилу Ленца. В результате этого мы получаем два магнитных потока через сердечник сдвинутых друг относительно друга по фазе на 60-80 градусов (позиция «в»), и оба потока проходят через ноль в разные моменты времени. Поэтому сила, действующая на якорь, никогда становится нулевой и он не дребезжит.
Если на катушку реле постоянного тока (без короткозамкнутого кольца) на сердечнике подать переменный ток, то в момент перехода тока через ноль якорь может отпасть от сердечника, что приведёт к кратковременному отключению реле. На практике это выглядит как дребезжание якоря с характерным звуком, что приводит к повышенному износу контактов. Такое же техническое решение используется и в контакторах.
Поэтому, когда выбирают реле в первую очередь учитывают род тока и величину напряжения управляющей цепи, и силу тока в исполнительной цепи. При этом его контакты могут коммутировать хоть переменный, хоть постоянный ток.
Подведём итоги
Как отмечалось выше, есть множество видов реле, например, по назначению их делят на три группы:
- Основные. Реагируют непосредственно на изменение контролируемой величины (тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления).
- Вспомогательные. Управляются другими реле и выполняют различные функции (выдержка времени, размножение контактов, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим и т.д.).
- Сигнальные или указательные реле. Фиксируют действие защиты и управляют звуковой и световой сигнализацией.
Кроме того, они бывают: моностабильные, импульсные или бистабильные, поляризованные реле и прочие, но рассматривать их в одной статье не имеет смысла — это дело такой дисциплины как «Релейная Защита и Автоматика» (кто получал электротехническое образование, тот вспомнит).
В следующей части статьи рассмотрим основные характеристики реле и вопросы из практики.