Теория электромеханических процессов.

4.1. Механическая характеристика реле

Работу реле определяют две характеристики – механическая и тяговая. Рассмотрим механическую характеристику на примере реле НМШ (рис. 4.1). Основными частями этого реле являются: обмотка 10, сердечник 7, ярмо 1, якорь 6, груз 9 для возвращения якоря в опущенное положение, антимагнитный штифт 8 высотой d₀, контактная тяга 4 с верхним 3 и нижним 2 штифтами, контактная система 5. Когда якорь реле опущен, воздушный зазор равен d, а когда притянут, то d₀.

Механической характеристикой реле называется зависимость механических усилий, преодолеваемых при перемещении якоря, от значения ходя якоря: .

Рис. 4.1. Реле НМШ	Рис. 4.2. Механическая характеристика реле

Притяжению якоря препятствуют масса якоря и груза Q, сопротивление упругих контактных пружин и силы трения. Механическая характеристика реле НМШ (рис. 4.2) имеет вид ломаной линии abcd и может быть построена экспериментально или в результате расчета.

В исходном положении, когда якорь реле отпущен, под действием силы Q (см. рис. 4.1) верхний штифт 3 контактной тяги давит сверху вниз на пружину О и изгибает ее, чем создается контактное нажатие на тыловом контакте. Точка a (см. рис. 4.2) соответствует началу движения якоря. При этом воздушный зазор равен d, и требуется приложить к якорю силу Q. Участок ab характеристики соответствует первому этапу движения якоря, когда контактная тяга 4 (см. рис. 4.1) поднимается вверх и выпрямляется пружина О. Для этого требуется приложить силу f₁ (см. рис. 4.2) и якорь перемещается на расстояние d₁. Затем нижний штифт 2 (см. рис. 4.1) подхватывает снизу пружину О и перемещает ее вверх до замыкания фронтового контакта. Этому соответствует участок bc (см. рис. 4.2). Участок cd соответствует совместному изгибу вверх пружин О и Ф, чем обеспечивается контактное нажатие на фронтовом контакте.

Механическая характеристика необходима для расчета параметров электромагнита реле. Тяговое усилие f_э, развиваемое электромагнитом, должно быть больше силы f_м, препятствующей притяжению якоря, при всех значениях d. Это условие срабатывания реле:

f_э > f_м (4.1)

Контактная система реле 5 (рис. 4.1) несколько упрощена. Не показаны регулировочные пластины, имеющие в отличие от контактных пружин, большие значения остаточных деформаций. Они позволяют устанавливать зазоры между контактами и создавать предварительное натяжение контактных пружин. В связи с этим на механической характеристике (рис. 4.2) в точках b и c имеются вертикальные участки, определяющие величины контактных давлений между тыловым – общим и общим – фронтовым контактами соответственно.

4.2. Особенности магнитной цепи реле

Обозначим через Ф_м магнитный поток в воздушном зазоре (рис. 4.3). Его еще называют рабочим потоком, так как он непосредственно создает тяговое усилие. По длине сердечника магнитный поток изменяется из-за наличия потоков утечки Ф_у, замыкающихся между горизонтальной частью ярма и сердечником. Максимальный поток наблюдается у основания сердечника:

Ф₀ = Ф_в + Ф_у. (4.2)

Магнитная цепь реле имеет переменный воздушный промежуток. Так как магнитная проводимость воздуха G_в значительно меньше магнитной проводимости стали G_ст, то магнитный поток Ф_в в основном распределяется проводимостью G_в.

Если отношение площади сечения сердечника S к ходу якоря d больше 10, то можно считать, что в воздушном зазоре создается равномерное магнитное поле, и с погрешностью, не превышающей 5%, можно использовать выражение:

G_в = μ₀S/δ, (4.3)

где μ₀ = 4π ∙ 10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха.

Рис. 4.3. Магнитная цепь реле

Удельная магнитная проводимость для потоков утечки между круглым сердечником и ярмом

, (4.4)

где a – расстояние между сердечником и ярмом; r – радиус сердечника.

Полный поток утечки для конструкции магнитной цепи с поворотным якорем можно определить, используя экспериментальную формулу, отражающую закон изменения магнитного потока в сердечнике. Тогда поток в сердечнике на расстоянии x от основания

Ф_х = Ф₀ – сх², (4.5)

где с – постоянная величина.

Продифференцируем выражение (4.5):

dФ_х = -2схdx, (4.6)

.

Приращение потока утечки на элементарном участке dx на расстоянии x от основания сердечника

dФ_yx = Iω_xgdx, (4.7)

где - МДС электромагнита для сечения x.

Так как приращение потока утечки равно убыванию основного потока, то dФ_ух = -dФ_х, а из выражения (4.6) и (4.7) получаем:

или Iω_x = 2cx/g. При x = ₃ Iω_x = Iω_в = 2с ₃/g, отсюда

Iω_x = . (4.8)

Подставим выражение (4.8) в (4.7):

dФ_yx = Iω_вg dx. (4.9)

Тогда

Ф_у = (4.10)

Максимальный поток

Ф₀ = Ф_в + Ф_у = Iω_yG_в + Iω_в = Iω_в(G_в + ). (4.11)

4.3. Тяговая характеристика реле

Тяговой, или электромеханической, характеристикой реле называется зависимость силы притяжения якоря, создаваемой электромагнитом, от значения воздушного зазора при постоянной магнитодвижущей силе: f_э = φ(δ), .

Для того чтобы найти выражение для определения f_э, воспользуемся уравнением для момента включения обмотки электромагнита на постоянное напряжение (рис. 4.4., а):

.

Умножим все члены данного уравнения на idt:

Uidt = i²Rdt + iωdФ

Проинтегрировав это выражение, получим уравнение баланса энергии в цепи:

Левая часть уравнения определяет электрическую энергию, отбираемую из сети. Первое слагаемое правой части уравнения соответствует тепловым потерям, а второе – магнитной энергии электромагнита:

W_m = (4.12)

Рис. 4.4. Схема включения обмотки электромагнита и графики изменения потоков в магнитной цепи при притяжении якоря

Одна часть магнитной энергии W_{m мех} затрачивается на механическую работу по перемещению якоря, а другая W_{m зап}, - запасается электромагнитом, т.е.

W_m = W_mмех + W_mзап.

Сила притяжения электромагнита:

f_э = –

Знак минус указывает на то, что механическая работа совершается благодаря расходу магнитной энергии.

Согласно выражению (4.12) графически магнитная энергия выражается площадью, ограниченной кривой изменения потока и осью ординат (рис. 4.4 б и в). Зависимость Ф(Iω) является основной кривой намагничивания, так как величины Ф и Iω пропорциональны величинам B и H. На рис. 4.4, б показаны две зависимости Ф(Iω) – при отпущенном якоре d и притянутом якоре d₀. При притяжении якоря магнитный поток возрастает по кривой ОАВ. Участок ОА соответствует изменению потока до начала движения якоря. При этом воздушный зазор не изменяется и равен d. Во время движения якоря реле магнитный поток изменяется по кривой АВ. В этом случае МДС возрастает до значения Iω_пр, а воздушный зазор становится равным d₀ (высота антимагнитного штифта). Таким образом:

W_m = = пл.ОАА’ + пл.АВВ’A’.

Магнитная энергия, запасенная электромагнитом после окончания движения якоря:

W_mзап = пл.ОВВ’.

Поэтому

W_mмех = W_m – W_mзап = пл.ОАА’ + пл.АВВ’А = пл.ОАВ.

Рассчитаем заштрихованную площадь (см. рис. 4.4, в). Для упрощения допустим, что зависимости Ф(Iω) прямые линии, так как реле работают в слабонасыщенных полях при (на прямолинейном участке кривой намагничивания). Допустим также, что Iω_тр = Iω_пр. Тогда рассчитаем площадь треугольника ОАВ:

W_mмех = пл.ОАВ = пл.ОАА’ + пл.АВВ’А – пл.ОВВ’ =

= 0,5IωФ₁ + Iω(Ф₂ – Ф₁) – 0,5IωФ₂ = 0,5Iω(Ф₂ – Ф₁) = 0,5IωdФ

Магнитодвижущая сила электромагнита реле затрачивается на прохождение магнитного потока по стали и воздуху: Iω = Iω_ст + Iω_в. Так как G_в << G_ст, то Iω_в >> Iω_cn, и поэтому будем считать, что Iω = Iω_в. Пренебрежем потоками утечки и будем считать, что Ф = Ф_в. Тогда W_mмех = 0,5Iω_вdФ_в. На основании закона Ома для магнитной цепи dФ_в = Iω_вdG_в.

Тогда:

W_mмех = 0,5I dG_в. (4.14)

Подставим выражение (4.14) в (4.13):

f_э = – 0,5I (4.15)

С учетом выражения (4.3) получим

f_э = – 0,5I (4.16)

Из выражения (4.16) следует, что при сила притяжения электромагнита обратно пропорциональна квадрату значения воздушного зазора. Поэтому график тяговой характеристики имеет вид гиперболы (рис. 4.5). Условие срабатывания реле (4.1) графически выражается в том, что кривая тяговой характеристики лежит выше ломаной механической характеристики для всех d. В этом случае тяговая и механическая характеристики согласованы. Точка касания выступа механической характеристики и кривой f_э(d) называется критической точкой (точка а), а соответствующая МДС - критической МДС или МДС срабатывания.

Если подставить по закону Ома для магнитной цепи в выражение (4.16)

Iω_в = ,

где , то получим формулу Максвелла для расчета электромагнитов, не имеющую ранее введенных двух допущений

f_э = .

Рис. 4.5. Тяговая и механическая характеристики

4.4. Нейтральные реле железнодорожной автоматики и связи

Было разработано четыре поколения железнодорожных реле. Первые нейтральные реле НР (рис. 4.6) внедряли в 20 – 30-х годах и на них были построены первые отечественные системы электрической централизации и автоблокировки. Реле имеет I класс надежности: тяжелый и массивный якорь отпускается под действием собственной массы, контакты выполнены из графита и серебра. Недостатки реле – нештепсельное оформление и большие размеры. На смену им пришли штепсельные крупногабаритные реле НГ (рис. 4.7). С начала 60-х годов в эксплуатации находятся малогабаритные штепсельные реле НМШ (рис. 4.8, а), являющиеся основными в действующих устройствах. Магнитопровод реле состоит из якоря 15, сердечника 13 и Г-образного ярма 11, которые изготавливают из стали марки 20832 или 20880. на сердечнике располагаются две катушки с обмотками 12 из меди. Каркасы катушек выполнены из пластмассы. Якорь скреплен с массивным грузом 5 из немагнитного (цинкового) сплава. Ход якоря ограничивается скобкой 1.

Рис. 4.6. Реле НР: 1 – обмотка; 2 – фронтовой контакт; 3 – тыловой контакт; 4 – общий контакт; 5 – корпус; 6 – якорь; 7 – сердечник	Рис. 4.7. Реле НШ: 1 – обмотки; 2 – фронтовой контакт; 3 – тыловой контакт; 4 – корпус; 5 – якорь; 6 – сердечник; 7 – общий контакт

На якоре укреплен антимагнитный штифт 14 из бронзы высотой 0,1 – 0,2 мм. Контактная система и якорь связаны контактной тягой 6 из пластмассы, которую укрепляют на грузе. Фронтовой контакт изготавливают из графито-серебряной смеси, а общий и тыловой контакты – из серебра. Контактные пружины выполнены из фосфористой бронзы. Их ход ограничивается бронзовыми упорными пружинами 7, правые концы которых служат контактными ножками 9 и вставляются в гнезда штепсельной розетки. Пружины изолированы друг от друга пластмассовыми прокладками 8. Все детали реле крепят на пластмассовой плате 10. Прозрачный колпак 4 из оргстекла защищает реле от внешних воздействий. Реле крепят в штепсельной розетке фиксирующим винтом 3 с ручкой 2.

Параметры контактной системы реле: переходное сопротивление фронтовых контактов не более 0,3 Ом, тыловых – не более 0,03 Ом; контактное нажатие на фронтовом контакте 0,294 Н, на тыловом – 0,147 Н. Коэффициент возврата реле не менее 0,4. Ресурс не менее 1,2ּ10⁶ срабатываний. Размеры реле 112´87´200 мм, масса 1,6 кг. Допустимая температура окружающей среды: от минус 50 до плюс 60ºС.

Штепсельную розетку (рис. 4.8, б) выполняют из пластмассы со специальными гнездами, в которые устанавливают штепсельный разъем. Он представляет собой контактные лепестки из фосфористой бронзы, являющиеся своеобразными пружинами, в которые вставляют контактные ножи. Выводы и контакты нумеруют с монтажной стороны. Выводы контактных групп располагают по вертикали, а выводы обмоток – по горизонтали. Обмотки можно включать последовательно или параллельно. Два отверстия в нижней части розетки предназначены для механической блокировки при установке реле с помощью направляющих стержней. Отверстие в средней части розетки имеет резьбу и служит для закрепления реле фиксирующим винтом.

Реле НМШ является “малогабаритным” только по сравнению с реле типов НР и НШ. В начале 80-х годов было разработано и внедряется в системах автоматики новое реле I класса надежности РЭЛ (реле электромагнитное). По сравнению с реле НМШ у этих реле размеры уменьшены в 1,7 раза, а масса – в 1,5 раза; сокращен расход дефицитных материалов (серебра и меди); повышена виброустойчивость; коммутационный ресурс увеличен до 10⁷ срабатываний; повышена надежность штепсельного соединения; исключено “тройниковое” замыкание одновременно фронтового, общего и тылового контакта при сваривании двух последних.

Рис. 4.8. Реле НМШ

Рис. 4.9. Реле РЭЛ

Новые реле имеют унифицированную конструкцию основных деталей, на основании которых освоено производство нейтральных, однополярных, огневых, аварийных и других реле. Реле в нештепсельном исполнении получили обозначении БН.

Основными деталями реле РЭЛ (рис. 4.9, а) являются якорь 10; ярмо 11 Г-образного вида; два сердечника 12, расположенные в горизонтальной плоскости; антимагнитная бронзовая пластинка 13, исключающая магнитное залипание якоря; четыре катушки 15, установленные по две на каждом сердечнике; два груза 14, подвижно укрепленные на якоре, под действием массы которых якорь опять опускается, и корпус 9. Подвижное крепление груза повышает виброустойчивость реле.

Контактная система состоит из фронтовых контактов 4, изготовляемых из графито-серебряной смеси, общих 5 и тыловых 6 контактов серебра. Контактные пружины 3 изготовлены из нейзильбера, упорные пластины 2 и контактные ножи 1, вставляемые в штепсельную розетку, выполнены из латуни. Пружины общего контакта перемещаются с помощью пластмассового проводника 7, закрепленного на якоре. Пластмассовый упор 8, закрепленный на ярме, ограничивает ход пружин тыловых контактов, чем исключается “тройниковое” замыкание.

Параметры контактной системы реле: межконтактное расстояние не менее 1,3 мм; контактное нажатие не менее 0,306 Н на фронтовых и 0,153 Н на тыловых контактах; переходное сопротивление не более 0,3 Ом у фронтовых и 0,03 Ом у тыловых контактов. Контакты обеспечивают длительное пропускание тока 3 А и исключают появление опасных отказов при токе 6 А. Число коммутаций каждым контактом цепей постоянного тока 50 мА, 24 В не менее 30ּ10⁶. Механический ресурс реле не менее 10⁷ срабатываний.

В зависимости от контактного набора выпускают реле, имеющие шесть переключающих и два фронтовых контакта (РЭЛ1, БН1), и реле, имеющие четыре переключающих контакта (РЭЛ2, БН2). Обмотки реле могут быть включены раздельно, последовательно или параллельно. Независимо от этого магнитный поток замыкается по контуру, показанному штриховой линией, минуя горизонтальную часть ярма. Магнитопровод реле и грузы изготовляют из стали марки 20864, каркасы катушек – из пластмассы или меди. Медный каркас катушек используется у медленнодействующих реле.

Штепсельную розетку реле РЭЛ (рис. 4.9, б) изготовляют из термореактивной пластмассы, что обеспечивает сопротивление изоляции между соседними контактными пружинами не менее 1000 Мом. Розетка исключает ошибочную установку другого реле. Для этого она имеет пластину с десятью кодовыми отверстиями А – К, в которые входят соответствующие пять штырей реле. Штыри избирательности позволяют выполнить не менее 250 вариантов избирательного включения в розетку ( ).

К железнодорожным реле III класса надежности относятся кодовые реле КДР, КДРШ. Их применяют в схемах, не обеспечивающих безопасность движения поездов. По сравнению с реле НМШ и РЭЛ кодовое реле (рис 4.10) имеет меньшие размеры и более высокое быстродействие. Оно состоит из ярма 7, сердечника 6, обмотки 5, якоря 3, антимагнитной пластинки 4. Изолированная пластинка 2, укрепленная на якоре, воздействует на контактную группу 1. Якорь возвращается в отпущенное положение под действием силы реакции упругих контактных пружин, а не силы тяжести как у реле I класса надежности. Все контактные поверхности выполнены из серебра. Реле не имеют стандартных контактных наборов и могут иметь мостовой контакт. Каркас катушки изготовляют из карболита, а у медленнодействующих реле – из меди.

Рис. 4.10. Реле КДР с Г-образным ярмом и мостовым контактом (а) и с П-образным ярмом и переключающим контактом (б)

Рис. 4.11. Реле РКН	Рис. 4.12. Реле РПН

Конструкция реле электрической связи и промышленной автоматики та же, что и конструкция реле КДР. Магнитная цепь нейтрального реле с круглым сердечником РКН (рис. 4.11) имеет Г-образное ярмо 2, якорь 1, сердечник 4, изготовленные из электротехнической стали и покрытые никелем. Якорь снабжен бронзовым штифтом 5. Каркас катушки 3 выполнен из гетинакса. Контакты из серебра имеют полусферическую форму. Контактные пружины сделаны из нейзильбера.

Особенность конструкции нейтрального реле с плоским сердечником РПН (рис. 4.12) это отсутствие ярма, которое совмещено с якорем. Магнитная цепь состоит из сердечника 2 прямоугольной формы, частью которого служит основание 7. Якорь 4 расположен параллельно сердечнику, огибая катушку 5. Якорь прижимается к основанию сердечника плоской пружиной 6 и имеет антимагнитную пластину 3. Якорь и сердечник изготовлены из стали и покрыты никелем. С помощью гетинаксового упора 1 якорь связан с контактными пружинами из нейзильбера. Контактные наклепки выполнены из серебра.

Рис. 4.13. Реле РЭС10

В системах связи и промышленной автоматики используют малогабаритные и миниатюрные реле РС и РЭС. Они имеют мало контактов. Реле РЭС10 (рис. 4.13) имеет один переключающий контакт. Катушка 1 расположена на сердечнике 2. Якорь 3 прикреплен к ярму 7 пружиной 4. Он возвращается в отпущенное состояние пружинами 6 из бериллиевой бронзы, которые давят на выступы 5 якоря. Реле приспособлено для монтажа на печатной плате и защищено алюминиевым чехлом. Габаритные размеры реле 11,15´16,7´19 мм, масса 7,5 г.