Реле.Общие сведения

Реле — это электромагнитные, электромеханические или электронные устройства, которые предназначены для коммутации цепей в схемах автоматизированного управления и защиты технологическими установками, электрическими сетями и системами.

Рис. 1. Характеристики «вход-выход» реле и регуляторов: а — контактных реле;б — бесконтактных реле; в — реверсивная характеристика; г, д — характеристики регуляторов

При автоматическом управлении работой каких-либо установок контроль, регулирование и защита их осуществляются без непосредственного участия человека. Действие автоматических устройств основано на установлении функциональной связи между двумя, обычно в энергетическом отношении самостоятельными физическими процессами. При отклонении контролируемого (управляемого, регулируемого) параметра X от заданного значения автоматически должно происходить изменение параметра Y, соответствующее заранее установленной функциональной зависимости. Эта зависимость называется характеристикой «вход — выход», где X — входной сигнал (параметр), a Y — выходной сигнал.
Изменение параметра Y при возрастании и убывании параметра X может быть скачкообразным или непрерывным. В первом случае (рис. 1, а и б) при непрерывном возрастаний: параметра X до некоторого его значения Хср, при котором реле срабатывает, происходит скачкообразное изменение параметра Y от Y=0 (или Y = Ymin) до значения Y = Ymax, которое при дальнейшем увеличении X остается неизменным. При уменьшении X до значения Хотп = Хср —ΔХ, при котором реле отпускает, происходит обратное скачкообразное изменение параметра Y
от Y= Ymax до значения Y = 0 (или Y = Ymin), которое остается неизменным при дальнейшем снижении X. Такой характер прерывистой функциональной связи называют релейным управлением, а аппараты, осуществляющие автоматическое прерывистое управление, — реле.
Во втором случае (непрерывное изменение параметра Y в зависимости от изменения X) каждому значению параметра X соответствует свое значение параметра Y (рис.1, г). Аппараты, осуществляющие непрерывное управление заданным параметром Y в функции параметра X, называются регуляторами. Характеристики «вход — выход» могут быть зависимыми от полярности (рис. 1, в, д), т. е. реверсивными или поляризованными.

Классификация реле.Реле классифицируются в зависимости от их функционального назначения и устройства.
По функциональным признакам различают: реле времени, тока, напряжения, мощности, промежуточные, сигнальные и др.
По признаку устройства реле делят на реле электромагнитные, электромеханические, магнитоуправляемые (герметизированные магнитоуправляемые контакты или герконы), электронные, элетронно-электромагнитные или комбинированные.
По признаку рода тока различают реле переменного и постоянного токов.
Электромагнитные реле состоят из магнитной системы с катушкой, расположенной на ее неподвижной части, якоря, механически связанного с замыкающими или размыкающими контактами. При включении катушки на напряжение якорь притягивается и воздействует на контакты, заставляя их замыкаться или размыкаться.
В электромеханических реле источником движения является небольшой исполнительный двигатель, связанный через редуктор с группами контактов. При включении двигателя редуктор приводит во вращение барабан с расположенными на них подвижными контактами, которые и обеспечивают по определенной программе замыкание или размыкание соответствующих контактов.
Герконы (герметизированные магнитоуправляемые контакты) представляют собой, как правило, запаянные в герметизированный баллон контакты, которые могут замыкаться или размыкаться под воздействием внешнего магнитного поля.
Электронные реле являются бесконтактными устройствами и представляют собой электронные схемы, в которых роль контактов выполняют полупроводниковые приборы: работающие в ключевом режиме транзисторы, тиристоры и др.
Комбинированные реле — это совокупность электронной схемы управления и электромагнитного или электромеханического реле в качестве исполнительного элемента.

Реле обычно содержит три основных функциональных элемента: воспринимающий, промежуточный и исполнительный.
Воспринимающий (контролирующий) элемент воспринимает контролируемую величину X и преобразует ее в физическую величину, необходимую для работы реле. В реле, имеющем подвижные части, воспринимающий элемент является двигательным органом. В контактных реле контролируемая величина преобразуется воспринимающим элементом, как правило, в механическую силу.
Промежуточный элемент (у контактных реле — пружина) сравнивает значение преобразованной воздействующей величины с эталоном (заданным значением) и при превышении контролируемым параметром заданного значения позволяет реле сработать, т. е. передает первичное воздействие исполнительному элементу.
Исполнительный элемент воздействует на управляемую цепь, изменяя параметр Y. В реле с подвижными частями (контактные реле) исполнительным элементом является подвижная контактная система.
Реле могут иметь еще четвертый элемент — элемент, создающий выдержку времени между моментом времени, когда воспринимающий элемент должен привести реле в действие, и моментом срабатывания исполнительного элемента. Выдержка времени может создаваться электромагнитным, механическим и другими способами.
Воспринимающий элемент (двигательная часть) реле может быть устроен различным способом, определяемым главным образом величиной, на которую реле должно реагировать. Например, в токовом реле это будет какой-то электромагнит, в реле давления — мембрана или сильфон, в реле уровня — поплавок и т. д. Воспринимающий элемент электрических реле, которые будут рассмотрены ниже, может быть выполнен на электромагнитном, индукционном, электродинамическом, магнитоэлектрическом, электронно-ионном, резонансном, тепловом или другом принципе. Соответственно этому различают и реле, имеющие одно и то же назначение. Например, реле тока электромагнитное, реле тока индукционное, реле времени электронное и т. п.
По способу включения воспринимающего элемента различают реле первичные, вторичные и промежуточные. Воспринимающий элемент первичных реле включается непосредственно в контролируемые цепи. У вторичных реле воспринимающий элемент включается в контролируемые цепи через измерительные трансформаторы. Промежуточные реле работают от исполнительных органов других реле и предназначаются для усиления сигнала, размножения сигнала и в точном значении слова не являются реле (по принципу работы они ближе к контакторам).
По принципу действия исполнительного элемента различают реле контактные и реле бесконтактные. Контактные реле воздействуют на управляемую цепь путем замыкания или размыкания ее при помощи своих контактов. Бесконтактные реле осуществляют управление путем скачкообразного (релейного) изменения параметров (индуктивности, емкости и т. п.) своего исполнительного элемента, включенного в управляемую цепь.
По способу воздействия исполнительного элемента на управляемый объект различают реле прямого действия — исполнительный элемент реле непосредственно управляет контролируемой цепью, и косвенного действия — исполнительный элемент воздействует на контролируемую цепь через другие аппараты.
По назначению реле можно разделить на три группы.
1. Реле защиты. Выполняются главным образом как вторичные реле косвенного действия. Их воспринимающие и исполнительные органы рассчитываются на сравнительно малые токи. В низковольтных сетях реле защиты выполняются как первичные реле также косвенного действия.
2. Реле управления электроприводами. Выполняются обычно как первичные реле прямого действия. Их воспринимающие органы могут быть рассчитаны на токи до нескольких тысяч ампер, а исполнительные органы — на десятки ампер.
3. Реле автоматики и электросвязи. Выполняются и как первичные, и как вторичные, прямого и косвенного действия. Воспринимающие и исполнительные органы рассчитываются на токи, измеряемые миллиамперами, редко — единицами ампер.

Основные характеристики реле. Различают следующие основные характеристики реле:
Значение величины срабатывания Хср — значение воздействующей величины, при котором реле включается (якорь притягивается).
Значение величины отпуска Хот — значение воздействующей величины, при котором реле отключается (якорь отпадает).
Коэффициент возврата Кв — отношение величины отпуска к величине срабатывания :

Кв = Xот/ Xср< 1

Коэффициент возврата в электрических реле всегда меньше единицы и колеблется в пределах от 0,2 до 0,99. Он зависит от характера и соотношения тяговой и механической характеристик реле.
Рабочее значение воздействующей величины Хр — максимальное значение этой величины, под воздействием которой воспринимающий элемент может длительно находиться, не перегреваясь (не разрушаясь) свыше допустимой температуры.
Коэффициент запаса по срабатыванию Kз — отношение рабочего значения воздействующей величины к величине срабатывания:

Kз= Xр/Xcp > 1

Мощность срабатывания Рср — мощность, соответствующая Хcp, т. е. мощность, которую реле потребляет при срабатывании.
Мощность управления Ру — электрическая мощность выходной цепи, соответствующая Ymax. Это — мощность, которую исполнительный элемент длительно может пропускать, а в контактных реле еще и та мощность, которую контакты могут включать и отключать при данном напряжении.
Коэффициент усиления Кус — отношение мощности управления к мощности срабатывания:

Кус = Ру/Рср.

Допустимая частота срабатывания — число срабатываний в единицу времени. Различают три основные группы реле:
1) с малой частотой срабатывания реле, срабатывающие относительно редко (реле защиты) — до одного срабатывания в минуту;
2) со средней частотой срабатывания — реле, срабатывающие от одного раза в минуту до десяти раз в секунду;
3) с большой частотой срабатывания реле, срабатывающие больше десяти раз в секунду (вибрационные реле).
Время срабатывания — промежуток времени tcp (рис. 2) от момента появления сигнала на воспринимающем элементе до момента появления сигнала в управляемой цепи.
Время отпуска — промежуток времени tотп от момента снятия сигнала с воспринимающего элемента до момента прекращения воздействия исполнительного органа на управляемую цепь (время горения дуги при отключении в собственное время реле не входит).
По времени срабатывания реле делятся на безынерционные (tср < 0,001 с), быстродействующие(tср < 0,05 с), нормальные (tср = 0,05 - 0,25 с), реле времени (замедленного действия) — tср (tотп) > 0,25 с.
Срок службы — допустимое число срабатываний. В зависимости от допускаемой частоты срабатывания от реле требуется число срабатываний от нескольких тысяч до нескольких десятков миллионов.
Требования, предъявляемые к реле. Реле должно быть надежно в работе — это требование предъявляется ко всем реле без исключения.
К реле защиты предъявляются повышенные требования по термической и динамической стойкости. Они должны иметь достаточный коэффициент запаса по срабатыванию, так как рабочее значение входной величины может во много раз превосходить величину срабатывания. Например, уставка по току срабатывания реле может быть (4 - 5) Iном, а ток короткого замыкания (30 - 50) Iном.
К реле управления и автоматики повышенные требования предъявляются в отношении коммутационной и механической износостойкости. Наиболее слабым элементом контактных реле является контактная система. Коммутационная износостойкость обычно намного ниже механической ,поэтому наблюдается тенденция в системах с большой частотой работы заменить реле контактные на реле бесконтактные, а при применении контактных реле — создать реле со штепсельным присоединением, чтобы обеспечить быструю замену вышедшего из строя аппарата, упростить осмотр и проверку, и реле на герконах.