Глава 9. Бесkohtaktkныe реле

9.1. Сравнительная характеристика контактных и бесконтактных реле

Отличие бесконтактных элементов релейного действия от кон­тактных реле состоит в том, что они воздействуют на внешние цепи не в результате механического размыкания и замыкания контактов, а вследствие резкого изменения какого-либо парамет­ра цепи (см.рис. 2.6) — активного сопротивления, индуктивности или емкости.

Бесконтактные реле имеют более высокую надежность из-за отсутствия подвижных частей (якорь) и их механического износа, а также из-за отсутствия контактов, которые подвергаются интенсив­ному разрушению под действием искры и дуги. Отсутствие инерци­онных подвижных частей определяет также более высокое быстро­действие бесконтактных реле и также независимость их работы от положения в пространстве. Последним свойством не обладает боль­шинство контактных реле.

Важным достоинством бесконтактных реле являются их малые размеры. Особенно это касается элементов в микроэлектронном исполнении.

К наиболее типичным недостаткам бесконтактных реле по сравнению с контактными относятся их более высокая чувстви­тельность к внешним электромагнитным влияниям, помехам, подверженность воздействию радиации, зависимость от каче­ства электрического питания. Это требует применения экра­нов, фильтров и других защитных мероприятий. Для бесконтак­тных элементов характерен такой трудно обнаруживаемый от­каз как сбой (кратковременная потеря работоспособности). В этом смысле можно сказать, что контактные реле — менее "прихотливый", более "грубый" элемент, который не требует настройки и не подвержен внешним помехам. По этой причине проблема создания бесконтактного реле I класса надежности с интенсивностью отказов λ = 10^-12-10^-14 1/ч более сложна, чем у контактных реле, где это достигается достаточно просты­ми конструктивными мерами. Важным качеством контактных реле является также то, что их состояние можно наблюдать визуально. Это облегчает контроль их работы и упрощает про­цедуры поиска отказов.

Еще один недостаток бесконтактных реле заключается в от­сутствии полного гальванического отключения нагрузки; как это обеспечивают контакты. В результате этого в выключенном со­стоянии в цепи нагрузки может протекать некоторый ток холосто­го хода.

9.2. Бесконтактное магнитное реле

Бесконтактное магнитное реле (БМР) представляет собой маг­нитный усилитель, работающий в релейном режиме. Простейший магнитный усилитель (рис. 9.1, а) образуется из замкнутого ферро­магнитного сердечника, на котором намотаны обмотка переменного тока (рабочая) w_р, в цепь которой включены нагрузка z_h, и обмотка постоянного тока (управления) w_у. Входным током усилителя явля­ется ток управления I_у, а выходным — ток нагрузки I_н.

Принцип действия магнитного усилителя основан на том, что при изменении подмагничивающего тока I_у изменяется магнитная про­ницаемость ферромагнитного материала μ=dB/dH и индуктив­ность рабочей обмотки

где S, l — соответственно площадь поперечного сечения и длина силовой линии сер­дечника.

Зависимость L_p(I_у) [μ(I_у)] приведена на рис. 9.2, а (кривая 1). При I = 0 (H = 0) величина μ максимальна, так как максимальна ско­рость изменения индукции на основной кривой намагничивания В(Н). С увеличением I_у происходит насыщение материала сердечни­ка, крутизна кривой В(Н) уменьшается и уменьшается величина μ. Зависимость I_н( I_у), которая называется нагрузочной характери­стикой, имеет обратный вид (кривая 2), поскольку I_н U/(ωL). При I_у = 0 по нагрузке протекает ток холостого хода І_хх.

Для увеличения коэффициента усиления k_y = I_н /I_у использует­ся еще одна обмотка постоянного тока (обмотка смещения) w_см (см. рис. 9.1, а), которая обеспечивает постоянное подмагничивание сер­дечника (U_см = const), и нагрузочная характеристика смещается параллельно влево (кривая 3) или вправо. При этом возрастает k_y (в области положительных значений I_у), но и увеличивается ток холо­стого хода.

Более эффективным средством повышения k_y является примене­ние обмотки положительной обратной связи w_ос, включаемой через выпрямитель в цепь нагрузки (рис. 9.1, б). В ней создается постоян­ная составляющая напряженности поля, которая действует соглас­но с напряженностью поля обмотки управления.

Коэффициент обратной связи

K_ос = Н_ос / Н_р w_ос / w_р.

В сравнении с характеристикой простого усилителя (кривая 2) (рис. 9.2, б) нагрузочная характеристика магнитного усилителя с обратной связью (кривая 4) сдвигается влево с поворотом против часовой стрелки. Это увеличивает крутизну характеристики и, сле­довательно, коэффициент усиления. Угол поворота кривой и ее кру­тизна тем больше, чем больше k_oc. При k_oc >1 скачкообразно изменя­ется ток нагрузки (кривая 5), и магнитный усилитель работает в релейном режиме.

В зависимости от наличия и значения тока смещения БМР может иметь три режима работы. При отсутствии тока смещения — пол­учается режим с нормально замкнутым выходом (рис. 9.3, а). Если I_у = 0, то I_н = max, и нагрузка включена. Это соответствует работе тылового контакта (см. рис. 2.3, б). При определенном I_cм релейная характеристика смещается вправо так, что возникает режим с нор­мально разомкнутым выходом (рис. 9.3, б). Это соответствует работе фронтового контакта (см. рис. 2.3, а). Если I_cм таков, что ось I_н проходит по середине релейной характеристики (рис. 9.3, в), то БМР работает аналогично поляризованному реле в режиме с нейтраль­ной регулировкой (см. рис. 6.2, б).

Достоинствами БМР являются высокая надежность, отсутствие контактов и подвижных частей, независимость работы от положения в пространстве, виброустойчивость, недостатками — наличие тока холостого хода, возможность коммутации только одной цепи нагруз­ки, сравнительно большие размеры и большое потребление энергии.