Глава 7. РЕЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

7.1. Реле с выпрямителями

Реле переменного тока по сути это реле постоянного тока, включенное через выпрямитель. Реле с выпрямителями используют в качестве путевых, огневых и аварийных в цепях переменного тока. При этом реле НМШ и РЭЛ снабжают специальными платами, которые размещают внутри корпуса над контактной системой и на которых смонтированы выпрямители (диоды Д242, Д7Г у реле НМШ или КД206А, КД105В, КД2052 у реле РЭЛ).

Первый способ включения выпрямителей (рис. 7.1, а) состоит во включении обмотки реле через диодный мост. Этот способ используют в аварийных реле, которые предназначены для контроля наличия включения резервного источника при прекращении подачи питания от основного. Аварийные реле имеют усиленные металлокерамические контакты и увеличенный межконтактный зазор. На основе реле НМШ выпускаются аварийные реле АШ12, АСШ2-24, АСШ2-220, на основе реле РЭЛ – А2-220, БА2-220. Последнее число указывает значение контролируемого напряжения.

Рис. 7.1. Схемы включения нейтральных реле с выпрямителями

Второй способ (рис. 7.1, б) включения диодов применен в двухобмоточных огневых реле для контроля горения ламп станционных светофоров. Одна обмотки реле ОМШ2-40 включена последовательно с первичной обмоткой ω₁ сигнального трансформатора СТ, со вторичной обмотки ω₂ которого снимается напряжения 12 В для питания светофорной лампы EL мощностью 15 или 25 Вт. Якорь реле притягивается благодаря постоянной составляющей напряжения, которое индуцируется во второй обмотке реле (выводы 13-73), замкнутой на диод. При перегорании нити лампы EL резко уменьшается ток в обмотке 1-4 до значения тока холостого хода трансформатора, и реле отпускает якорь, чем и контролируется неисправность светофорной лампы.

Для контроля светофорных ламп у перегонных сигналов автоблокировки используют реле АОШ2-180/0,45. На основе РЖЛ созданы огневые реле, имеющие обозначения 02-0,7/150; БО2-0,7/150 (для лампы мощностью 15 Вт) и 02-0,33/150; БО2-0,33/150 (для лампы мощностью 25 Вт).

7.2. Реле непосредственного действия

Реле переменного тока непосредственного действия по сравнению с реле постоянного тока имеют две особенности. Во-первых, для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание, магнитопровод выполняют из листовой стали с высоким удельным сопротивлением. Поэтому магнитопровод имеет обычно квадратное или прямоугольное сечение. Во-вторых, у реле переменного тока существует вибрация якоря, так как магнитный поток и тяговое усилие периодически становятся равными нулю, и реле “стремится” отпустить якорь.

Для построения тяговой характеристики реле переменного тока используем формулу (4.16). Пренебрегая падением МДС в стали, будем считать Iw_в = Iw = iw. Тогда

Поскольку у реле R << wL, то z ≈ wL. Применяя формулы (5.1) и (4.3), получим

(7.1)

Подставим выражение (7.1) в (4.16), получим

(7.2)

Из уравнения (7.2) следует, что в отличие от реле постоянного тока тяговое усилие у реле переменного тока является функцией времени и не зависит от воздушного зазора δ. Сила f_э имеет постоянную составляющую и переменную f_э = - f_э’cos2ωt, которая изменяется с двойной частотой по сравнению с частотой питающего напряжения.

Рис. 7.2. Тяговая характеристика реле переменного тока

Тяговая характеристика построена как график функции (7.2) (рис. 7.2). Сила f_э всегда положительна, но периодически становится равной нулю при u = 0. Если f_м – минимальное усилие, необходимое для удержания якоря в притянутом положении, то в моменты времени (заштрихованные области), когда f_э < f_м, якорь будет отпущен. Вибрация якоря приводит к преждевременному механическому износу осей его крепления и разрушает надежность замыкания контактов.

Рис. 7.3. Реле с экранирующим кольцом

Для борьбы с вибрацией якорь делают тяжелым, массивным относительно всей конструкции реле. В результате момент инерции якоря возрастает, реле не успевает отпустить якорь за время, когда f_э < f_м. Это, однако, увеличивает МДС притяжения реле и не устраняет причину вибрации. Причину можно устранить, если создать в магнитной цепи реле два потока со сдвигом по фазе. Они создают два тяговых усилия f_э1 и f_э2 со сдвигом по фазе φ (рис. 7.3, а) такие, что суммарное усилие f_э = f_э1 + f_э2 всегда больше f_м. Причем, f_э1 + f_э2 = max при .

Два магнитных потока со сдвигом по фазе получают в результате экранирования части сердечника медным кольцом (рис. 7.3, б) или короткозамкнутой обмоткой. Поток электромагнита расщепляется на две части Ф₁ и Ф₂. Переменный поток Ф₂ тока i_к препятствует изменению потока Ф₂. Если, например, поток Ф₂ в данный момент времени возрастает, то поток Ф_к направлен навстречу ему, но совпадает по направлению с потоком Ф₁. Как следует из векторной диаграммы (рис. 7.3, в), суммарный поток под неэкранированной частью сердечника Ф_b опережает суммарный поток под экранированной частью сердечника Фa на угол φ. При построении векторной диаграммы предполагается, что векторы Ф_к и I_к совпадают по фазе с вектором e_к (пренебрегая индуктивностью медного кольца), который отстает от вектора Ф₂ на 90º. Такой способ обеспечивает угол .

7.3. Индукционные двухэлементные реле

Индукционные двухэлементные секторные реле переменного тока ДСШ применяют в качестве путевых реле в рельсовых цепях с непрерывным питанием частотой 50 Гц (ДСШ-12) и 25 Гц (ДСШ-13). Их конструкция (рис. 7.4) состоит из двух электромагнитов переменного тока, которые называют местным (МЭ) 1 и путевым (ПЭ) 6 элементами. Сердечники МЭ и ПЭ расположены симметрично друг относительно друга и представляют собой соответственно Ш-образный 1 и П-образный 6 пакеты из листовой трансформаторной стали. Оба элемента закреплены на металлической станине, в воздушном зазоре между ними перемещается в вертикальной плоскости легкий алюминиевый сектор (якорь) 5. Ход сектора ограничивается роликами 4 и 7. К сектору крепится тяга 2, управляющая контактной системой 3. Когда реле выключено, то сектор находится в нижнем положении (у ролика 4). При включении электромагнитов на сектор действует вращающий момент, который перемещает его вверх (к ролику 7), переключая контакты. Фронтовые и тыловые контакты выполнены из графита с серебряным наполнением, а общие контакты – из серебра.

Рис. 7.4. Реле ДСШ: 1, 6 – местные электромагниты; 2 – тяга; 3 – контактная система; 4, 7 – ролики; 5 – якорь	Рис. 7.5. Индукционное реле: 1 – ось подвески; 2 – сектор; 3 – полюса электромагнитов

Реле ДСШ относится к I классу надежности, так как его сектор отпускается под действием силы тяжести. У индукционного реле отсутствует явление магнитного залипания якоря.

Электромагниты ндукционного реле (рис. 7.5) создают два переменных магнитных потока со сдвигом по фазе на угол φ: Ф₁ = Ф_m1sinωt, Ф₂ = Ф_m2sin(ωt + φ). Потоки Ф₁ и Ф₂ индуцируют в секторе вихревые токи i₁ и i₂. Пусть в данный момент времени поток Ф₁ направлен за плоскость чертежа (+) и возрастает (­), а поток Ф₂ имеет противоположное направление (-) и убывает (¯). Магнитный поток вихревого тока препятствует изменению порождающего потока. Исходя из этого и, применяя правило правой руки для катушки с током, определим, что токи i₁ и i₂ направлены против часовой стрелки.

Рис. 7.6. Тяговая характеристика индукционного реле

На проводник с током в магнитном поле действует механическая сила, направление которой определяется по правилу левой руки. Обозначим через f₁(f₂) силу, возникающую в результате взаимодействия потока Ф₁(Ф₂) с током i₂(i₁). В данном случае силы f₁ и f₂ направлены вправо. Они создают вращающий момент, перемещающий сектор вверх. Таким образом, принцип действия индукционного реле основан на взаимодействии переменного магнитного потока одного электромагнита с током, индуцированным в секторе переменным магнитным потоком другого электромагнита.

Построим тяговую характеристику индукционного реле (рис. 7.6). Токи i₁, i₂ отстают от потоков Ф₁ и Ф₂ на 90º. В результате весь период разбивается на восемь участков. На рис. 7.7 для каждого участка показаны характер изменения и направление потоков, токов и сил f₁, f₂. Силы направлены вправо (участки с нечетными номерами) или в разные стороны (участки с четными номерами). В последнем случае потоки имеют одно направление и одинаковое изменение, а сила, направленная вправо, всегда больше силы, направленной влево. Например, на участке 2 f₁ > f₂, поскольку Ф₁ > Ф₂ и i₂ > i₁. Поэтому результирующая сила всегда направлена в одну сторону (вправо), и сектор перемещается в эту сторону (а не раскачивается).

Рис. 7.7. Варианты взаимодействия потоков и токов в индукционном реле

Зависимости сил f₁ и f₂ от wt (см. рис. 7.6) построены исходя из того, что , если Ф₁ = 0 или , а , если Ф₂ = 0 или . При этом за положительное направление силы принято направление вправо. График f_рез = f₁ + f₂ - тяговая характеристика индукционного реле.

Силы f₁ и f₂ изменяются с двойной частотой по сравнению с частотой питающего напряжения. Сила тяги, действующая на сектор, всегда направлена в одну сторону (f_рез > 0), и нет вибрации сектора из-за воздействия на сектор двух сил со сдвигом по фазе. Чтобы изменить направление результирующей силы, надо изменить на 180º фазу одного из потоков.

Результирующая сила максимальная при угле φ = 90º. При этом имеют место только нечетные участки, когда силы f₁ и f₂ направлены в одну сторону (рис. 7.8, а). По этой причине угол сдвига фаз между потоками Ф₁ и Ф₂, равный 90º, называют идеальным.

Результирующая сила равна 0 при угле φ = 0º. При этом имеют место только четные участки, когда силы f₁ и f₂ направлены в разные стороны и уравновешивают друг друга ( рис. 7.8, б). Таким образом, чтобы индукционное реле работало, необходим некоторый угол сдвига между магнитными потоками электромагнитов. Поэтому его также называют фазочувствительным.

Рис. 7.8. Частные случаи тяговой характеристики индукционного реле

Рис. 7.9. Схема и векторная диаграмма сил, действующих на сектор индукционного реле

Чтобы выяснить зависимость работы индукционного реле от угла φ, найдем формулу для расчета вращающего момента, действующего на сектор. Будем считать, что силы f₁ и f₂ приложены к точкам сектора, совпадающим с центрами полюсов электромагнитов (рис. 7.9, а). Вращающий момент создают тангенциальные составляющие f₁́ и f₂́. На основании закона Био-Савара средняя сила, действующая на проводник с током в магнитном поле за период f = cФ_mI_mcosβ, где Ф_m, I_m - амплитудные значения потока и тока, β – угол сдвига фаз между ними, с – постоянная величина. Учитывая фазовые соотношения в индукционном реле (рис. 7.9, б), можно написать:

f₁ = cФ_m1I_m2cosβ₁ = cФ_m1I_m2cos(90⁰ + φ ) = - cФ_m1I_m2sin φ;

f₂ = cФ_m2I_m1cosβ₂ = cФ_m2I_m1cos(90⁰ - φ ) = cФ_m2I_m1sin φ.

Если потоки Ф₁ и Ф₂ имеют одно направление и одинаковое изменение, то силы f₁ и f₂ направлены в разные стороны (участки 2, 4, 6, 8 на рис. 7.7).

Результирующий вращающий момент

М = М₂ – М₁ = f’₂r – f’₁r = f₂cosαr – f₁cosαr = crcosα(Ф_m2I_m1 + Ф_m1I_m2) sin φ.

Подставляя амплитудное значение вихревого тока , и используя соотношение , получим:

.

Рис. 7.10. Схема включения и векторная диаграмма реле ДСШ-12

Таким образом, вращающий момент пропорционален величине . При φ = 90º (идеальный угол) , и вращающий момент максимален. Если φ = 0º, то и M = 0. Увеличить вращающий момент можно, увеличивая токи в электромагнитах I₁, I₂ и уменьшая сопротивление сектора z_c. Поэтому сектор выполняется из алюминия, который является легким материалом и обладает хорошей электропроводностью.

Индукционные реле в железнодорожной автоматике применяют в качестве путевых в рельсовых цепях переменного тока. Рельсовая цепь (рис. 7.10, а) представляет собой участок пути, ограниченный изолирующими стыками ИС. На одном конце в рельсы подается переменное напряжение через питающий трансформатор ПТ. На другом конце через релейный трансформатор РТ включен путевой элемент ПЭ индукционного реле. Местный элемент МЭ получается местное питание. В рельсы и на МЭ подается напряжение одной фазы.

Рельсовая цепь служит для контроля свободности участка пути. Это одно из основных условий безопасности, которое проверяется при движении поезда. Реле ДСШ обеспечивает это условие, поскольку является реле I класса надежности. Если участок пути свободен, то сектор реле находится в верхнем положении. Для этого в реле обеспечиваются фазовые соотношения, близкие к идеальным.

На векторной диаграмме реле ДСШ-12 для идеальных фазовых соотношений (рис. 7.10, б) угол между векторами I_мэ и I_пэ равен 90º. Углы 65º и 72º определяются индуктивностями ПЭ и МЭ. В паспорте реле в качестве идеального указывается угол 162º между векторами I_пэ и U_мэ, поскольку большинство фазометров измеряют углы сдвига фаз между током и напряжением.

Сдвиг фаз между токами I_пэ и I_мэ, близкий к 90º, создается благодаря тому, что рельсовая цепь является нагрузкой индуктивного характера, а также благодаря включению дополнительных реактивных элементов, которые на схеме (см. рис. 7.10, а) не показаны.

При занятии рельсовой цепи хотя бы одной колесной парой сектор индукционного реле отпускается из-за резкого уменьшения вращающего момента по двум причинам [см. формулу (7.3)]. Во-первых, резко уменьшается ток I_пэ, поскольку сопротивление колесной пары (0,06 Ом) намного меньше сопротивление ПЭ, и реле шунтируется. Во-вторых, происходит нарушение идеальных фазовых соотношений из-за наличия в схеме дополнительного сопротивления колесной пары.