Лабораторная работа № 1 (Изучение реле).
В шахтной аппаратуре автоматизации большое распространение имеют различные реле. При этом реле называют элемент (устройство), обеспечивающее скачкообразное появление выходного управляемого сигнала при подаче на вход управляющего сигнала номинальной величины. Реле получили широкое распространение благодаря возможности управления большими мощностями с помощью относительно малой мощности управляемых сигналов. Любое реле имеет три основные части: воспринимающую, промежуточную и исполнительную.
Воспринимающая часть, например катушка, принимает входной сигнал (напряжение, ток) и реагирует на его изменение. Промежуточная часть, например магнитопровод, передавая воздействие от воспринимающей части к исполнительной, как правило, преобразует энергию одного вида в другой. Так, в электрических реле входная величина — ток преобразуется в электромагнитное усилие. Исполнительная часть осуществляет скачкообразное изменение выходной величины, например переключение одного или группы контактов.
Реле можно классифицировать по ряду признаков: виду входного сигнала — электрические (напряжения, тока, частоты),
механические (давления, уровня), оптические (силы света, освещенности),
тепловые, акустические, химические и др.;
выполняемой функции — управления, контроля, защиты, блокировки, сигнализации и др.;
назначению и области использования — телефонные, общепромышленной автоматики, авиационные и др.;
величине потребляемой мощности — высокочувствительные (до 0,01 Вт), чувствительные (до 0,1 Вт) и нормальные (свыше 0,1 Вт);
времени срабатывания — сверхбыстродействующие или безынерционные (до 0,001 с), быстродействующие (до 0,05 с), нормальные (до 0,25 с), замедленные (до 1 с) и реле времени (свыше 1 с).
Электрические реле, получившие наибольшее применение в угольной промышленности, в свою очередь, классифицируются по следующим признакам:
роду управляющего тока — постоянного и переменного промышленной или высокой частоты;
2 3
Рис. 13. Схемы электромагнитных реле
принципу действия — электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные и др.;
влиянию направления тока при срабатывании — нейтральные и поляризованные;
характеру воздействия на управляемую цепь — контактные и бесконтактные.
Кроме того, электрические реле можно разделить по виду и характеру движения якоря, форме магнитопровода и поперечного сечения сердечника, числу обмоток катушки, числу контактов и контактных групп. Так, например, по первому признаку реле могут быть: с якорем клапанного вида (рис. 13, а), с угловым якорем (рис. 13б,б) и с втягиваемым якорем (рис. 13, в).
Принцип действия электромагнитных реле (рис. 13) состоит в следующем. При подаче напряжения на катушку 5, ток, протекающий через нее, создает электромагнитный поток, который проходит через сердечник 6, ярмо 7, якорь 2 и воздушный зазор 6 между якорем и сердечником. Возникающее при этом электромеханическое усилие притягивает якорь к сердечнику и вызывает замыкание, а в других случаях — размыкание или переключение контактов 4. При снятии напряжения (исчезновение тока) якорь возвращается в исходное положение пружиной 1, упругостью контактных пластин или упругостью специальных упорных пластин (на рисунке не показаны).
Для предотвращения задержки на отпускание якоря вследствие остаточного магнетизма служит латунная пластина 3 (или штифт) отлипания, при включенном реле между сердечником и якорем имеется постоянный воздушный (немагнитный) зазор (0,1—0,15 мм), облегчающий быстрое исчезновение электромагнитного потока после снятия напряжения с катушки и возврат якоря в исходное положение.
Ввиду меньшей надежности в работе и невозможности использования в искробезопасных цепях реле переменного тока в аппаратуре автоматизации наибольшее распространение получили электромагнитные реле постоянного тока.
В горной автоматике под реле часто подразумевают не только отдельный элемент схемы, но и комплектное устройство (специальное реле), включающее в себя несколько элементов и имеющее релейную характеристику (например, реле контроля температуры, положений, уровней и др.).
В ряде случаев также используют механические реле, выполняющие обычно функцию датчиков с релейным выходом, в которых входными являются такие величины, как расход, давление и др. Так, например, при автоматизации насосов для контроля производительности используют реле РПФВ-1К и РПН, а для контроля давления — реле РДВ.
3.2 Конструкции электромагнитных и герконовых реле.
Надежность и долговечность работы любого электромагнитного реле определяется состоянием его контактов и катушек. От состояния контактов зависят надежность и срок службы реле. Работоспособность контактов реле определяется допустимой разрывной мощностью и ресурсом (числом включений).
Наиболее тяжелый режим работы для контактов — процесс размыкания цепи постоянного тока, особенно при наличии в цепи индуктивности. При размыкании цепи изменяются площадь контактного перехода и давление, а следовательно, в начале размыкания резко возрастает переходное сопротивление. Между поверхностями контакта образуются иглы из расплавленного металла и создаются условия для возникновения газового искрового разряда.
Электрические контакты реле по форме исполнения делят: на точечные с соприкосновением (теоретически) в одной точке, линейные с соприкосновением по линии и плоскостные с соприкосновением по плоскости.
При этом наиболее распространенными контактами реле являются точечные, так как они обеспечивают наилучшие условия коммутации. Металлами для изготовления контактов служат платина, серебро, золото, а также сплавы их с вольфрамом, молибденом, иридием, палладием и др. Повышенную прочность и термостойкость имеют сплавы серебра с вольфрамом и молибденом.
В последние годы в датчиках и реле широкое применение получили герметизированные контакты — герконы, отличающиеся большой надежностью и высоким быстродействием. Ресурс этих контактов достигает сотен миллионов срабатываний при частоте, достигающей нескольких сот герц. Геркон конструктивно представляет собой стеклянный или керамический баллон (корпус), заполненный инертным газом. Внутри размещены пластины — электроды из упругого ферромагнитного материала, обычно пермоллоя, контактируемые концы которых покрыты слоем родия или золота. К выходящим из баллона штырькам припаивают монтажные провода. Управляют (замыкание, размыкание, переключение) контактами воздействием внешнего поля электромагнитной катушки или постоянного магнита.
На рис. 14, а—г показаны некоторые разновидности герконов, отличающихся друг от друга взаимным расположением подвижных и неподвижных пластин электродов, с диаметрами баллонов 5—7 мм и длиной 20—50 мм.
Рис. 14. Конструкции герметизированных контактов (герконов)
Рис. 15. Реле электромагнитное РКН
Срок службы изоляции, а следовательно, и катушки (с одной или несколькими обмотками) в основном обусловливается величиной протекающего по ней тока и условиями окружающей среды (температура, влажность, наличие кислотных и щелочных паров). Нагрев, катушки током, превышающим номинальное значение, повышенная температура и влажность, агрессивная среда ускоряют нарушение изоляции катушки.
Для намотки катушек реле чаще всего, используют провода с эмалевой изоляцией марок ПЭЛ, ПЭВ и ПЭМ, допустимая температура нагрева для которых составляет 105° С. Реже используют провода в волокнистой изоляции марок ПЭЛШО, ПЭЛШКО, ПВО и ГБД с такой же допустимой температурой нагрева.
В аппаратуре автоматизации угольных предприятий в основном используют реле типов РКН, РКМ, ПЭ-5, РЭС и РСМ. Реле Р К Н (с круглым сердечником, нейтральное) используют в управляющих цепях при напряжении до 60 В с током коммутации до 3 А. Реле состоит из основания 1 (рис. 15), катушки 2, сердечника 3, якоря 4, рабочих контактов 5 с выводами 6 и выводов 7 концов катушки. Якорь с помощью винта и стальной пружины крепят к призматической опоре основания. На внутренней стороне якоря находится штифт отлипания.
Реле имеет две контактные группы, в каждой от 2 до 10 контактных пластин, реле РКН предназначено для работы в импульсных режимах. В притянутом положении узкий перешеек якоря насыщается и ограничивает поток в магнитопроводе реле. При этом время отпускания реле приближается к времени срабатывания.
Реле Р К М (с круглым сердечником, малогабаритное) имеет конструкцию, подобную реле РКН, но меньшие размеры и массу. Реле выпускают с одной, двумя и тремя контактными группами, с общим числом контактов (замыкающих, размыкающих, переключающих) не более шести. Реле изготовляют на напряжение питания до 100 В и ток нагрузки контактов 1—3 А.
Рис. 16
Рис. 16 Реле электромагнитное ПЭ-5 (МКУ-48)
Рис. 17. Схема реле на герконах
Реле П Э-5 (взамен реле МКУ-48) в пластмассовом корпусе или без него (рис. 16), унифицировано и выпускается как на постоянный, так и на переменный ток. На сердечнике с раздвоенным полюсом, жестко связанном с магнитопроводом 11, помещена катушка 13, закрепленная короткозамкнутым витком 10. Магнитопровод с сердечником закреплен винтами 14 на стальной скобе 16, служащей для крепления при монтаже. Плоский якорь 9 с помощью оси 19 укреплен на основании 18, удерживающем контактную систему. Основание прикреплено к магнитопроводу, на противоположной стороне которого винтами 12 закреплен ограничитель 8 хода якоря. На якоре имеется медная пластина 7 (только у реле постоянного тока) толщиной 0,15—0,2 мм, служащая для предотвращения залипания. Пружиной 17 якорь удерживается в исходном состоянии, а винтом 15 регулируется натяжение возвратной пружины.
Контактная система с изолирующими прокладками 2 крепится к основанию стягивающими болтами 1. При этом система имеет две группы с числом контактных систем в каждой от двух до пяти и позволяет набирать их в различных сочетаниях. При срабатывании реле контакты подвижных пластин 5 замыкаются с контактами неподвижных пластин 6 с помощью рамки 4, закрепленной на якоре. Упорные пружинящие пластины 3 служат для исключения вибрации контактных пластин при возврате якоря после отключения реле.
Для реле ПЭ-5 постоянного тока предусмотрен стальной короткозамкнутый виток, а для реле переменного тока — виток медный с удалением пластины отлипания. Обмотки реле рассчитаны на напряжение постоянного 12—220 В и переменного 12—380 В тока, контакты — на напряжение до 220 В и ток до 5 А. Мощность, потребляемая катушкой реле, составляет 0,5—7 ВА.
Реле Р Э С наиболее разнообразны по исполнению и перспективны для использования в аппаратуре. Так, реле РЭС-9, РЭС-22, РЭС 29 предназначены для искробезопасных цепей, РЭС-10, РЭС-32 имеют пылебрызгозащищенное исполнение, РЭС-42, РЭС-66 изготовляют на герконах.
Электромагнитное безъякорное реле на герконах (рис. 17) для управления контактными пластинами 3 имеет катушку 4. При протекании через нее тока создается электромагнитное поле, которое, воздействуя на пластины, вызывает притягивание их друг к другу и замыкание управляемой электрической цепи. При снятии управляющего напряжения контактные пластины под влиянием упругости размыкаются и возвращаются в исходное состояние. Из герметичного корпуса 2 выведены штырьки 1 для припайки к ним монтажных проводов. Реле обладает высокой надежностью и быстродействием, весьма малыми размерами и массой, не превышающей 50 г.
Реле Р С М (сигнальное, миниатюрное) с габаритами 17X26X37 мм изготовляют защищенным в пластмассовом или алюминиевом корпусе с одной или двумя контактными группами и общим числом контактов в группе не более двух. Катушка рассчитана на напряжение 24 В, а контакты — на ток до 1 А при напряжении до 28 В.