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.

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 индукционного реле (рис. 7.5) создают два пе­ременных магнитных потока со сдвигом по фазе на угол φ: Ф₁ =Ф_m1sinωt, Ф₂ = Ф_m1sin(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.

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 90°. 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 f_рез = f₁ + f₂ всегда направлена в одну сторону (вправо), и сектор перемещается в эту сторону (а не раскачивается).

Зависимости сил f₁ и f₂ от ωt (см. рис. 7.6) построены исходя из того, что f₁= 0, если Ф₁ = 0 или i₂ = 0, а f₂ = 0, если Ф₂ = 0 или i₁ = 0. 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 180° фазу одного из потоков.

Результирующая сила максимальна при угле φ = 90°. 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 90°, называют идеальным.

Результирующая сила равна 0 при угле φ = 0°. 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 фаз между магнитными потоками электромагнитов. Поэто­му его также называют фазочувствительным.

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 f₁^΄ и f₂^΄ . На основании закона Био-Савара средняя сила, действующая на проводник с током в магнитном поле за период, f = сФ_mI_mсоsβ, где Ф_m , I_m— амплитудные значения потока и тока, φ — угол сдвига фаз между ними, с — постоянная величина. Учитывая фазовые соотно­шения в индукционном реле (рис. 7.9, б), можно написать:

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

Результирующий вращающий момент

М = М₂ – М₁= f₂^΄r - f₁^΄r = f₂cosαr - f₁cosαr = crcosα(Ф_m2 I_m1 + Ф_m1 I_m2)sinφ.

Подставляя амплитудное значение вихревого тока I_m = E_m/z_c=ωФ_m / z_c и используя соотношение LI = ωФ, полу­чим

Таким образом, вращающий момент пропорционален величине sinφ. При φ = 90° (идеальный угол) sinφ = 1, и вращающий момент максимален. Если φ = 0, то s sinφ = 0 и М = 0. Увеличить вращаю­щий момент можно, увеличивая токи в электромагнитах 1₁, 1₂ и уменьшая сопротивление сектора z_c. Поэтому сектор выполняется из алюминия, который является легким материалом и обладает хорошей электропроводимостью.

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 получает 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 90°. Углы 65° и 72° определяются индуктивностями ПЭ и МЭ. В паспорте реле в качестве идеального указывается угол 162° 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 90°, 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 сопротивления ПЭ, и реле шунтирует­ся. Во-вторых, происходит нарушение идеальных фазовых соотно­шений из-за наличия в схеме дополнительного сопротивления ко­лесной пары.