Реле - электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.
Электромагнитные реле бывают самых различных конструкций. В наиболее распространенной конструкции электрический ток (соответствующего напряжения), проходя через катушку, создает магнитный поток в цепи сердечник — ярмо — якорь, в результате чего якорь притягивается к сердечнику. Это вызывает изменение положения контактов: замыкается один и размыкается другой.
В других конструкциях подвижный сердечник втягивается в катушку. В герметических реле трубчатого типа магнитный поток, создаваемый катушкой, действует непосредственно на контактные пружины, выполненные из магнитомягкого материала, вызывая их срабатывание. Такие контакты могут действовать под влиянием магнитного поля от постоянного магнита или под влиянием общего поля от постоянного магнита и катушки.
Релейные элементы (реле) находят широкое применение в схемах управления и автоматики, так как с их помощью можно:
- управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах;
- выполнять логические операции;
- создавать многофункциональные релейные устройства;
- осуществлять коммутацию электрических цепей;
- фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня;
- выполнять функции запоминающего элемента и т. д.
Первое реле было изобретено американцем Дж. Генри в 1831 г. и базировалась на электромагнитном принципе действия, следует отметить что первое реле было не коммутационным, а первое коммутационное реле изобретено американцем С. Бризом Морзе в 1837 г. которое в последствии он использовал в телеграфном аппарате.
Слово реле возникло от английского relay, что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relay) уставшим спортсменом.
На использовании электромагнитных реле построены все схемы автоматики с релейно-контактным управлением. До начал массового использования программируемых логических контроллеров реле были самыми важными элементами автоматики.
А вы это занете?
Датчики и реле - в чем разница?
Классификация реле
Реле классифицируются по различным признакам:
- по виду входных физических величин, на которые они реагируют;
- по функциям,
- которые они выполняют в системах управления;
- по конструкции и т. д.
По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и т.д. реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.
Устройство реле
Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного.
Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину.
Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент.
Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом.
Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству.
Например, в реле максимального тока или реле напряжения воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, в реле давления – в виде мембраны или сильфона, в реле уровня – в вице поплавка и т.д.
По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.
Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.
Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).
Характеристики реле
Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.
Различают следующие основные характеристики реле.
1. Величина срабатывания Хср реле – значение параметра входной величины, при которой реле включается. При Х < Хср выходная величина равна Уmin, при Х >Хср величина У скачком изменяется от Уmin до Уmax и реле включается. Величина срабатывания, на которую отрегулировано реле, называется уставкой.
2. Мощность срабатывания Рср реле – минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу для перевода его из состояния покоя в рабочее состояние.
3. Управляемая мощность Рупр – мощность, которой управляют коммутирующие органы реле в процессе переключении. По мощности управления различают реле цепей малой мощности (до 25 Вт), реле цепей средней мощности (до 100 Вт) и реле цепей повышенной мощности (свыше 100 Вт), которые относятся к силовым реле и называются контакторами.
4. Время срабатывания tср реле – промежуток времени от подачи на вход реле сигнала Хср до начала воздействия на управляемую цепь. По времени срабатывания различают нормальные, быстродействующие, замедленные реле и реле времени. Обычно для нормальных реле tср = 50…150 мс, для быстродействующих реле tср -1 с.
Принцип действия и устройство электромагнитных реле
Электромагнитные реле, благодаря простому принципу действия и высокой надежности, получили самое широкое применение в системах автоматики и в схемах защиты электроустановок. Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока.
Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, а поляризованные реле реагируют на полярность управляющего сигнала.
Смотрите: Особенности и отличия реле постоянного и переменного тока
Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются крышкой.
Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.
В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче напряжения электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение.
В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.
Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. То есть реле по сути выполняют роль усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи.
Когда через катушку электромагнитного реле начинает течь управляющий ток, якорь подтягивается к сердечнику с катушкой и замыкает подвижные контакты. Это запускает управляемое устройство в работу. В то же время для притяжения якоря достаточно гораздо меньшего управляющего тока, чем ток, протекающий по цепи управляющего устройства.
Контакты замыкающий и размыкающий известны в отечественной литературе как нормально открытые (НО) и нормально замкнутые (НЗ) соответственно. «Нормальным» считается состояние обесточенного реле или ненажажой кнопки. Можно привести следующее мнемоническое правило: «Реле (кнопка) находится в нормальном состоянии, если лежит на складе».
Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки тока определенной частоты, то есть основным источником энергии является сеть переменного тока.
Конструкция реле переменного тока напоминает конструкцию реле постоянного тока, только сердечник и якорь изготавливаются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи.
Достоинства и недостатки электромагнитных реле
- способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3;
- устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;
- исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой — последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей;
- малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете;
- экстремально низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами
Отмечая достоинства электромеханики, отметим и недостатки реле: малая скорость работы, ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс, создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов и, наконец, последнее и самое неприятное свойство — проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.
Типовая практика применения мощных электромагнитных реле — это коммутация нагрузок на переменном токе 220 В или на постоянном токе от 5 до 24 В при токах коммутации до 10–16 А.
Обычными нагрузками для контактных групп мощных реле являются нагреватели, маломощные электродвигатели (например, вентиляторы и сервоприводы), лампы накаливания, электромагниты и прочие активные, индуктивные и емкостные потребители электрической мощности в диапазоне от 1 Вт до 2–3 кВт.
Поляризованные электромагнитные реле
Разновидностью электромагнитных реле являются поляризованные электромагнитные реле. Их принципиальное отличие от нейтральных реле состоит в способности реагировать на полярность управляющего сигнала.
Твердотельные реле
В настоящее время все чаще функции реле выполняют полупроводниковые схемы - твердотельные реле (SSR - Solid-State-Relay).
Как работает SSR? Входной ток протекает через оптоэлектронную систему, которая дополнительно обеспечивает разделение входной и выходной цепи и управляет силовой цепью. Конечный эффект такой же, как и в случае с электромагнитным реле — после подачи напряжения на вход включается выход. Единственное отличие состоит в том, что в случае твердотельного реле нагрузка переключается электронными компонентами.
Поскольку это полупроводниковый переключающий элемент, он не содержит (в отличие от электромагнитного реле) каких-либо движущихся частей, которые могут изнашиваться при частом переключении. Другими преимуществами являются бесшумность работы и меньшие размеры при той же мощности переключения. И последнее, но не менее важное: скорость переключения выше, чем у электромагнитных реле.
С другой стороны, недостатком твердотельных реле является более высокое падение напряжения на переключающем элементе и, как правило, необходимость охлаждения такого реле с помощью дополнительного пассивного радиатора. Другим недостатком, связанным с меньшим расширением SSR на практике, является более высокая цена по сравнению с электромагнитными реле.
В отличие от полупроводников в твердотельном реле, электромагнитное реле позволяет гальванически (электрически) разделить цепь управления и цепь управления (смотрите - Что такое гальваническая развязка).
Твердотельные реле часто используется в автоматическом управлении электрическим нагревом, когда нагреватель включается и выключается через короткие переменные интервалы (широко-импульсная модуляция, ШИМ) для регулирования температуры нагревателей.
При выборе решения для вашего проекта стоит обратить внимание на важные отличия твердотельных реле SSR от электромагнитных EMR. Обе группы характеризуются совершенно разными свойствами, связанными с их устройством. Зная особенности реле, можно осознанно использовать их преимущества, выбирая решение, соответствующее конкретным условиям, продиктованным спецификой анализируемого процесса.
В частности, стоит ответить на следующие вопросы:
- Как часто должно переключаться реле?
- Это приложение, которое требует очень частого переключения?
- В каких условиях окружающей среды будет работать ваше реле?
- Требуется ли бесшумная работа реле?
- Требуется ли вашему приложению быстрое время отклика и высокая частота переключений?
- Достаточно ли места в шкафу управления для радиатора и достаточной вентиляции?
При выборе реле также помните о теплоотводе!
Чтобы обеспечить правильную работу твердотельных реле, выделяемое ими тепло должно правильно отводиться. Количество выделяемого тепла зависит от величины тока нагрузки (на выбор радиатора также влияет температура окружающей среды).
Максимальная температура, которую может «выдержать» система SCR, составляет 125°С. Если температура продолжит расти, реле выйдет из строя. Чтобы этого не произошло, реле монтируют на правильно подобранные радиаторы, благодаря которым тепло отводится в окружающую среду.
Реле с радиаторами должны быть установлены на необходимых расстояниях друг от друга и, конечно же, внутри шкафа управления должна быть обеспечена достаточная вентиляция.
Самые распространенные серии электромагнитных реле управления
Реле промежуточное серии РПЛ. Реле предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в стационарных установках, в основном в схемах управления электроприводами при напряжении до 440В постоянного тока и до 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц.
Реле пригодны для работы в системах управления с применением микропроцессорной техники при шунтировании включающей катушки ограничителем ОПН или при тиристорном управлении. При необходимости на промежуточное реле может быть установлена одна из приставок ПКЛ и ПВЛ. Номинальный ток контактов – 16А
Реле промежуточное серии РПУ-2М. Реле промежуточные РПУ-2М предназначены для работы в электрических цепях управления и промышленной автоматики переменного тока напряжением до 415В, частоты 50Гц и постоянного тока напряжением до 220В.
Реле серии РПУ-0, РПУ-2, РПУ-4. Реле изготавливаются с втягивающими катушками постоянного тока на напряжения 12, 24, 48, 60, 110, 220 В и токи 0,4 - 10 А и втягивающими катушками переменного тока - на напряжения 12, 24, 36, 110, 127, 220, 230, 240, 380 и токаи 1 - 10 А. Реле РПУ-3 с втягивающими катушками постоянного тока - на напряжения 24, 48, 60, 110 и 220 В.
Реле промежуточное серии РП-21 предназначены для применения в цепях управления электроприводами переменного тока напряжением до 380В и в цепях постоянного тока напряжением до 220В. Реле РП-21 комплектуются розетками под пайку, под дин. рейку или под винт.
Основные характеристики реле РП-21:
- Диапазон напряжений питания, В: постоянного тока - 6, 12, 24, 27, 48, 60, 110, переменного тока частоты 50 Гц - 12, 24, 36, 40, 110, 127, 220, 230, 240, переменного тока частоты 60 Гц - 12, 24, 36, 48, 110, 220, 230, 240.
- Номинальное напряжение цепи контактов, В: реле постоянного тока - 12...220, реле переменного тока - 12...380 Номинальный ток - 6,0 А.
- Количество контактов замык. / размык. / перекл. - 0...4 / 0...2 / 0...4.
- Механическая износостойкость - не менее 20 млн. циклов.
Большое распространение в системах автоматики станков, механизмов и машин получили электромагнитные реле постоянного тока серии РЭС-6 в качестве промежуточного реле напряждением 80 - 300 В, коммутируемый ток 0,1 - 3 А
В качестве промежуточных применяются также электромагнитные реле серий РП-250, РП-321, РП-341, РП-42 и ряд других, которые могут использоваться и как реле напряжения.
Как выбрать электромагнитное реле
Рабочие напряжения и токи в обмотке реле должны находится в пределах допустимых значений. Уменьшение рабочего тока в обмотке приводит к снижению надежности контактирования, а увеличение к перегреву обмотки, снижению надежности реле при максимально-допустимой положительной температуре.
Нежелательна даже кратковременная подача на обмотку реле повышенного рабочего напряжения, так как при этом возникают механические перенапряжения в деталях магнитопровода и контактных групп, а электрическое перенапряжение обмотки при размыкании ее цепи может вызвать пробой изоляции.
При выборе режима работы контактов реле необходимо учитывать значение и род коммутируемого тока, характер нагрузки, общее количество и частоту коммутации.
При коммутации активных и индуктивных нагрузок наиболее тяжелым для контактов является процесс размыкания цепи, так как при этом из-за образования дугового разряда происходит основной износ контактов.
Смотрите также: