Глава 6. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ

6.1. Виды реле

Работа поляризованных реле, в отличие от нейтральных, зависит от полярности подключения полюсов питающей батареи к выводам рабочей обмотки. Это достигается вследствие действия в магнитной цепи реле двух независимых магнитных потоков: поляризующего Ф_п и рабочего Ф_р. Поток Ф_п создается постоянным магнитом или специальной (второй) поляризующей обмоткой и действует в магнитной цепи постоянно. Поэтому при отсутствии тока в рабочей обмотке на якорь действует сила притяжения, создаваемая потоком Ф_п.

Поляризованные реле имеют два преимущества по сравнению с нейтральными: способность решать функционально более сложную задачу – реагировать не только на значение питающего тока, но и на его полярность; более высокое быстродействие и высокая чувствительность. Это определяется тем, что в магнитной цепи поляризованного реле существует постоянное подмагничивание потоком Ф_п. Поэтому при включении рабочей обмотки и появлении потока Ф_р общий магнитный поток достигает значения срабатывания реле быстрее, чем у нейтрального реле. Конструкция большинства поляризованных реле выполнена так, что постоянная времени их обмоток мала, ход якоря невелик, а сам якорь изготавливают легким.

В зависимости от схемы магнитной цепи поляризованные реле делят на реле с последовательной, параллельной (дифференциальной) и с мостовой цепями. В последовательной схеме (рис. 6.1) потоки Ф_п и Ф_р проходят по общей цепи. Если рабочая обмотка 2 отключена, то в магнитной цепи действует только поток Ф_п, создаваемый постоянным магнитом 1 (рис. 6.1, б). Их МДС недостаточны для срабатывания якоря 3, поэтому Ф_п < Ф_ср, и замкнут нормальный контакт НК. Если полярность подключения рабочей обмотки такова, что в воздушном зазоре потоки Ф_п и Ф_р имеют встречное направление, то общий поток меньше Ф_п, и якорь остается в прежнем положении. При этом Ф_п + Ф_р > Ф_ср, и якорь переключается, замыкая переведенный контакт ПК. При отключении рабочей обмотки якорь возвращается в исходное положение вследствие собственной массы или возвратной пружины. Такой режим работы поляризованного якоря, когда после отключения рабочей обмотки он возвращается в исходное положение, называют режимом с преобладанием. В данном случае режим с преобладанием обеспечивается нормальным контактом НК.

Рис. 6.1. Схемы последовательной магнитной цепи

Рис. 6.2. Схема дифференциальной магнитной цепи реле ПМПШ и его релейная характеристика

Подобные реле называют еще однополярными, так как у них якорь переключается только при одной полярности тока. Недостаток конструкции реле (см. рис. 6.1, а) заключается в том, что рабочий поток проходит через постоянный магнит, выполненный из магнитотвердого материала и имеющий большое магнитное сопротивление. Поэтому значительная часть МДС рабочей обмотки затрачивается на преодоление потока по постоянному магниту, чувствительность таких реле сравнительно невелика. Реле (см. рис. 6.1, б) не имеет этого недостатка, но есть другой – потребление тока при обесточенной рабочей обмотке.

В реле с дифференциальной магнитной цепью (рис. 6.2, а) имеются два воздушных зазора d₁ и d₂. Поляризующий поток разветвляется по двум параллельным цепям Ф_п1 и Ф_п2 и имеет разное направление (по часовой стрелке и против) в зазорах d₁ и d₂. Рабочий поток Ф_р имеет одно направление в обоих зазорах и не ответвляется в цепь магнита, поскольку его магнитное сопротивление велико. Если электромагнит включен и d₂ > d₁, то Ф_п2 > Ф_п1 и f₂ > f₁, где f₁, f₂ – силы, действующие на якорь в зазорах d₁ и d₂. На якорь действует разность сил, возникающих в воздушных зазорах, и якорь удерживается у правого сердечника.

При включении электромагнита с полярностью, указанной на рис. 6.2, а, поток Фр направлен против часовой стрелки. Результирующие потоки в воздушных зазорах Ф₁ = Ф_р + Ф_п1; Ф₂ = Ф_р - Ф_п2. МДС рабочей обмотки рассчитывается так, чтобы Ф₁ > Ф₂ и f₁ > f₂. В результате чего якорь переключается к левому сердечнику и контакты переключаются. После отключения электромагнита якорь сохраняет свое положение благодаря МДС постоянного магнита, так как d₁ < d₂. Такой режим работы поляризованного якоря называют режимом с удержанием или режимом с нейтральной регулировкой (рис. 6.2, б). Среднее положение якоря между полюсами сердечников, когда результирующая сила равна нулю и оба контакта НК и ПК (см. рис. 6.2, а) разомкнуты, является устойчивым при выключенной рабочей обмотке (ОК – общий контакт). Это положение можно сохранить, если использовать специальную удерживающую пружину. В этом случае режим работы поляризованного якоря называют трехпозиционным.

На рис 6.2, а показана магнитная цепь реле ПМПШ-150/150. Постоянный магнит изготавливают из магнитотвердого материала типа Альнико, представляющего собой сплав алюминия, никеля и кобальта. Реле имеет два усиленных металлокерамических контакта с магнитным дутьем (см. рис. 3.9), которые используют в пусковых цепях стрелочных электродвигателей, и два неусиленных переключающих контакта. Электрические характеристики реле: рабочее напряжение 24 В; напряжение переключения якоря реле 10-16 В. Реле ПМПШ не относится к реле I класса надежности, так как не выполняется основное требование: возвращение якоря в исходное положение под действием силы тяжести. Поэтому в схемах, обеспечивающих безопасность, необходимо контролировать его работу.

Рис. 6.3. Магнитная система импульсного реле

Мостовую магнитную цепь (рис. 6.3) применяют в железнодорожных импульсных реле типа ИМШ. Они представляют собой быстродействующие электромагнитные реле, реагирующие на короткие импульсы тока. Это свойство и определило называние реле. Их используют в качестве путевых реле в импульсных рельсовых цепях. Реле типа ИМШ1 работает от импульсных сигналов постоянного тока. Реле типа ИМВШ-110 имеет выпрямитель, поэтому его применяют в рельсовых цепях переменного тока.

Магнитная система импульсного реле имеет якорь 3, который представляет собой плоскую упругую пружину, находящуюся внутри катушки с обмоткой 6; постоянный магнит 5; два магнитопровода 7, имеющие две пары полюсных наконечников в виде винтов 4, 1, 9, 8; пружину 2 общего контакта, укрепленную на якоре. Магнитная цепь называется мостовой, так как имеет четыре воздушных зазора d₁, d₂, d₃, d₄, которые образуют плечи моста. Воздушные зазоры изменяю перемещением полюсных наконечников.

При выключенной обмотке в магнитной цепи действует поляризующий поток Ф_п. Поскольку d₁ < d₂ и d₃ < d₄, то f₁ >f₂, f₃ > f₄, и концы якоря притягиваются к сердечникам 4 и 9. Замкнут контакт Н. При подключении к обмотке напряжение, полярность которого указана на рис. 6.3., возникает рабочий поток Ф_р (штриховая линия) такого направления, что в зазорах d₂ и d₄ потоки Ф_р и Ф_в складываются, а в зазорах d₁ d₃ – вычитаются. Поэтому f₂ > f₁, f₄ > f₃, и якорь переключается к сердечникам 1 и 8. Замыкается контакт П.

Импульсное реле работает в режиме с преобладанием – при обесточивании реле якорь возвращается в исходное положение, и замыкается контакт Н. Это достигается благодаря несимметричному расположению полюсных наконечников и контакта относительно оси крепления якоря. Это расположение таково, что даже при переключении якоря к контакту П оказывается, что d₁ < d₂ и d₃ < d₄. Поэтому при обесточивании реле имеют место неравенства f₁ > f₂, f₃ > f₄, и якорь возвращается к контакту Н.

Поляризованные реле с мостовой магнитной цепью обладают наибольшими чувствительностью и быстродействием, поскольку силы притяжения действуют согласно на оба конца якоря, и якорь выполнен легким (с небольшими площадью сечения и массой) без опасности его насыщения, так как поляризующий поток направлен не вдоль, а перпендикулярно плоскости якоря.

Реле ИМШ1 и ИМШВШ-110 имеют один контактный тройник. Контакты изготавливают из металлокерамического сплава СрКд86-14. Эти реле относятся ко II классу надежности. Их используют в ответственных схемах (рельсовые цепи) с контролем импульсного характера работы реле. Напряжение переключения якоря реле ИМШВ-110 2-2,3 В; напряжение возврата якоря 1,0 В.

6.2. Однополярное реле ПЛ

Рис. 6.4. Однополярное реле ПЛ

На базе реле РЭЛ разработаны поляризованные реле ПЛЗ (штепсельное) и БПЗ (нештепсельное). Конструкция реле (рис. 6.4) отличается от конструкции реле РЭЛ (см. рис. 4.12) наличием магнитопроводной перемычки МП из стали, закрепленной между полюсными наконечниками обоих сердечников.

Одна из обмоток реле L₂₁ является поляризующей и включена постоянно. Ее магнитный поток замыкается по цепи: сердечник – магнитопроводная перемычка – сердечник – ярмо (штриховая линия), т.е. магнитный поток не проходит по горизонтальной части ярма. Так как воздушные зазоры между сердечником и якорем имеют значительно большее магнитное сопротивление чем магнитопроводная перемычка, то магнитный поток не проходит по якорю, и он не притягивается к сердечнику. При этом происходит насыщение материала магнитопроводной перемычки. Вторая обмотка реле L₁₁ является рабочей, и ее магнитный поток проходит по аналогичному контуру.

Работа реле ПЛ зависит от полярности подключения выводов рабочей обмотки к источнику питания. Если направления магнитных потоков обеих обмоток совпадают, то якорь не притягивается. При встречном направлении магнитных потоков в сердечниках и магнитопроводной перемычке материал последней выходит из насыщения, магнитное сопротивление перемычки резко возрастает и происходит “вытеснение” магнитных потоков в воздушные зазоры. При этом два магнитных потока, создаваемых обмотками, замыкаются по контурам: сердечник – воздушный зазор – якорь – ярмо (штриховая линия), и якорь притягивается к сердечнику. Вариант подключения полярности питающей батареи, при котором происходит притяжения якоря, показан на рис. 6.4.

Анализируя работу магнитных цепей реле РЭЛ и ПЛ, можно сделать вывод о том, что, если у реле РЭЛ горизонтальная часть ярма не участвует в проведении рабочего магнитного потока, то у реле ПЛ задействованы все участки магнитопровода. Поэтому подвижные грузы на якоре у реле ПЛ изготавливают из латуни (а не из стали) для уменьшения потоков рассеивания.

Таким образом, реле ПЛ реагирует только на одно направление тока в рабочей обмотке и поэтому является однополярным. Достоинством этого реле по сравнению с реле ПМПШ является отсутствие в конструкции постоянного магнита. В результате улучшается технологичность изготовления реле на заводе, так как унифицируются конструкции нейтрального поляризованного реле. У реле ПЛ отпускание якоря происходит под действием силы тяжести, это реле удовлетворяет (в отличие от реле ПМПШ) требованиям к реле I класса надежности. Однако отсутствие постоянного магнита приводит также к тому, что реле ПЛ не обладает свойством “запоминания” полярности управляющего сигнала после выключения тока в реле. Иначе говоря, оно не может работать в режиме с удержанием, а работает только в режиме с преобладанием.

Электрические параметры реле ПЛЗ3-2700/4500: рабочее напряжение – 24 В, напряжение питания – 14 В, напряжение отпускания – 3 В.

6.3. Комбинированное реле

Комбинированное реле КМШ (рис. 6.5) представляет собой сочетание нейтрального и поляризованного реле с дифференциальной магнитной цепью. Реле имеет нейтральный НЯ и поляризованный ПЯ якоря, которые контактными тягами связаны с системами нейтральных и поляризованных контактов. Реле КМШ-750 имеет два тройника НЯ и два тройника ПЯ, рабочее напряжение 24 В, переключения ПЯ 6-11 В, притяжения НЯ 20 В, отпускания НЯ 6 В.

Рис. 6.5. Комбинированное реле КМШ

В отличие от реле НМШ и ПМПШ, которые являются двухпозиционными, реле КМШ имеет следующие положения якорей: НЯ отпущен (НЯ¯), ПЯ притянут к правому сердечнику ( ); НЯ притянут (НЯ­), ; НЯ¯, ; НЯ­, . Реле ПМПШ может решать более широкий класс задач.

Рассмотрим задачу перевода стрелки. Она требует формирования трех приказов: стрелка переводится в плюсовое положение; стрелка переводится в минусовое положение; стрелка не переводится. С помощью одного нейтрального или одного поляризованного реле эту задачу не решить, поскольку они имеют только два состояния. Задача решается с помощью одного комбинированного реле. Первому приказу сопоставим состояние реле НЯ­, , второму приказу - НЯ­, , третьему приказу – два состояния НЯ¯, и НЯ¯, .

В работе комбинированного реле можно выделить три режима с учетом того, что ПЯ работает в режиме с удержанием: 1) если при включении на обмотку реле подается напряжение той же полярности, которая поступала при предыдущем включении, то НЯ притягивается, а ПЯ сохраняет свое состояние; 2) если же подается напряжение обратной полярности, то НЯ притягивается, а ПЯ переключается; 3) если при включенном реле меняется полярность питания. В этом случае в момент прохождения магнитного потока через 0, НЯ отпускается. Затем ПЯ переключается, и НЯ снова притягивается. Для исключения кратковременного отпускания НЯ в этом режиме надо использовать средства искусственного замедления на отпускание.

6.4. Временна́я диаграмма работы поляризованного реле

На временно́й диаграмме работы поляризованного контакта реле в режиме с удержанием (рис. 6.6, а) лини 0-2,7-8 соответствуют замкнутому состоянию нормального контакта НК. Срабатывание реле от тока обратной полярности отражено на временно́й диаграмме точками 1 (момент включения обмотки реле), 2 (момент размыкания нормального контакта), 3 (момент замыкания переведенного контакта). Отрезок 1-2 соответствует времени трогания, 2-3 – времени переключения, 1-3 – времени срабатывания.

Рис. 6.6. Схема поляризованного контакта и временны́е диаграммы работы поляризованного реле

Рис. 6.7. Релейно-контактные схемы с комбинированным реле

Рис. 6.8. Временна́я диаграмма работы схемы с комбинированным реле

Нижняя линия 3-6 соответствует замкнутому состоянию переведенного контакта. После отключения обмотки реле (точка 4) эта линия продолжается, поскольку контакт ПК остается замкнутым. При включении реле током прямой полярности (точка 5) якорь снова переключается, размыкается ПК (точка 6) и замыкается НК (точка 7).

Если поляризованное реле работает в режиме с преобладанием (рис. 6.6, б), то после отключения обмотки реле (точка 4) через некоторое время трогания (отрезок 4-5) якорь возвращается в исходное положение, размыкается ПК (точка 5) и замыкается НК (точка 6).

При построении временно́й диаграммы схемы комбинированного реле (рис. 6.7) необходимо отдельно строить диаграммы для нейтрального и поляризованного якорей (рис. 6.8). По ней можно определить время горения ламп EL1 и EL2: t₁ = t_S1- t_пр.А - t_пр.С + t_отп.А + t_отп.С; t₂ = t_S2- t_пр.В - t_пр.С + t_отп.В + t_отп.С; где t_S1(t_S2) – время, в течение которого нажата кнопка S1(S2).