Электромагнитные реле времени с магнитным демпфированием.Принцип действия

Для притяжения или отпускания якоря электромагнитного реле необходимо наличие определенного магнитного потока, значение которого достигается не сразу в момент включения или выключения, а через определенное время. Замедляя нарастание или спад магнитного потока (осуществляя магнитное демпфирование), можно регулировать время срабатывания или отпускания реле.
Замедление нарастания или спада магнитного потока может быть осуществлено не только схемными, но и конструктивными методами. Чаще всего для этого применяют исполнение магнитной системы с двумя обмотками: одной рабочей и одной короткозамкнутой. Короткозамкнутая обмотка, иногда называемая демпфирующей, нередко исполняется в виде медной гильзы или медных колец, которые насаживаются на сердечник вместе с рабочей катуштой.Кроме того, иногда используются добавочные обмотки, создающие магнитный поток, противоположный магнитному потоку основной обмотки.
а) Замедление срабатывания реле. Замедление нарастания магнитного потока реле из-за наличия короткозамкнутой обмотки происходит следующим образом. При появлении тока в рабочей обмотке реле начинает зарастать магнитный поток в сердечнике. Изменение магнитного потока влечет за собой появление в короткозамкнутой обмотке (витке) э. д. с, под действием которой образуется ток. Последний создает магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку рабочей обмотки, замедляя при этом скорость увеличения результирующего магнитного потока в рабочем зазоре.
Конструктивно короткозамкнутая обмотка нередко выполняется в виде медной втулки, насаживаемой на сердечник концентрически с основной рабочей обмоткой
(рис. 1а). Иногда короткозамкнутая обмотка (виток) выполняется в виде медного кольца, расположенного у рабочего зазора (рис. 1,б).Такое расположение короткозамкнутого витка применяют для дополнительного влияния на распределение магнитного потока при переходном процессе. При срабатывании реле магнитный поток, образуемый токами в кольце, направлен навстречу основному потоку, создаваемому током в рабочей обмотке, и как бы отталкивает последний от рабочего зазора. Из-за этого возрастают потоки рассеяния в середине и у корня сердечника и сильно ослабляется поток в рабочем зазоре. В результате усиливается влияние короткозамкнутого витка на время срабатывания реле (одновременно увеличивается время отпускания).
Путем магнитного демпфирования удается получить выдержку времени при срабатывании реле порядка 0,1 — 0,5 сек. Большие выдержки времени получить очень трудно, так как нарастание магнитного потока происходит при большом зазоре между якорем и сердечником. Это определяет малую индуктивность системы, а следовательно, и быстрый рост магнитного потока. Поэтому обычно очень редко пользуются магнитным демпфированием для получения большой выдержки времени при срабатывании реле.
б) Замедление отпускания реле. После отключения рабочей обмотки реле от источника питания убывает магнитный поток в сердечнике. Если имеется короткозамкнутая обмотка (виток), то в ней при изменении магнитного потока наводится э. д. с. и возникает ток, который создает магнитный поток, препятствующий изменению основного магнитного потока. В результате реле отпускает со значительным замедлением.
Магнитное демпфирование более удобно применять для замедления отпускания реле, чем для замедления обрабатывания. Спад магнитного потока происходит при малом рабочем зазоре, т. е. при большой индуктивности системы, что определяет ее большую инерционность.
Замедление отпускания реле с помощью короткозамкнутых витков широко применяется на практике. В них получают выдержку времени от 0,2 до 10 сек.
Для получения больших выдержек времени необходимо, чтобы в системе был накоплен запас энергии и система была достаточно инерционной. Поэтому рассматриваемые реле времени стараются исполнять с большой м. д. с. так, чтобы ,при притянутом якоре имело место насыщение магнитопровода. Кроме того, при насыщении магнитопровода обеспечивается стабильность выдержки времени при колебаниях напряжения питания. Обычно применяют материал с большим значением индукции насыщения, например армко-железо. Магнитопровод и катушки имеют большие габариты. Вес реле достигает 5 кг.
Регулирование выдержки времени осуществляется изменением величины воздушного зазора между якорем и сердечником, изменением натяжения пружины, отрывающей якорь от сердечника, и регулировкой тока в так называемой ссаживающей катушке.
Воздушный зазор между притянутым якорем и сердечником обычно изменяют в условиях мастерской. Этот зазор осуществляется путем применения немагнитных прокладок толщиной от 0,05 до 0,5 мм. При уменьшении толщины прокладки увеличивается значение самоиндукции системы, т. е. ее инерционность, и кривая спада магнитного потока становится более пологой. Поэтому для получения больших выдержек времени нужны тонкие прокладки. Однако при очень малой толщине прокладки она может быть повреждена при эксплуатации, а без прокладки якорь будет прилипать к сердечнику. Регулировка выдержки времени путем изменения толщины немагнитной прокладки является грубой.
Плавную регулировку выдержки времени осущеставляют в эксплуатации изменением натяжения пружины якоря. При изменении натяжения пружины меняется значение магнитного поля тока, при котором якорь отрывается от сердечника. Например, если пружина была отрегулирована так, что отрыв якоря реле от сердечника присходил при магнитном потоке Ф1 (рис. 2),то при уменьшении натяжения пружины якорь будет начинать движение при меньшем значении магнитного по-
тока Ф2 на рис. 2, т. е. выдержка времени увеличится(t2 > t1).Однако магнитный поток в системе спадает с течением времени не до нуля, а до некоторого значенияФост. Значение Фост зависит от остаточной индукции и коэрцитивной силы материала магнитопровода. Величина Фост ограничивает возможность увеличения выдержки времени путем уменьшения натяжения пружины якоря. Действительно, предельная выдержка времени соответствует такому натяжению оттягивающей якорь пружины, при котором отпускание якоря происходит при минимальном значении магнитного потока Фмин причем Фмин>Фост (рис. 2). Если пружина натянута так слабо, что отпускание якоря происходит при Фмин= Фост, то возможны случаи залипания якоря.
Для того чтобы уменьшить значение Фост и увеличить возможную выдержку времени, часто применяют третью обмотку. Эта небольшая катушка, обычно называемая ссаживающей, включается так, что создаваемый ею магнитный поток уменьшает магнитный поток рабо-
чей обмотки, снижая, таким образом, кривую спада магнитного потока (рис. 3).
Так как при наличии ссаживающей катушки кривая спадания потока идет ниже, то можно увеличить выдержку времени дальнейшим ослаблением пружины якоря, не опасаясь при этом залипания якоря.
Так как м. д. с. ссаживающей катушки мала, то она оказывает малое влияние на магнитный поток системы при насыщении магнитопровода. Влияние ссаживающей катушки на магнитный поток системы увеличивается по мере спадания этого потока.
Путем изменения тока в ссаживающей катушке можно регулировать выдержку времени на расстоянии.
Перед отпусканием якоря реле должно накопить полный запас магнитной энергии. Поэтому перед отключением рабочей катушки реле она должна некоторое время (иногда до 0,8 сек) находиться под напряжением, с тем чтобы магнитный поток системы, медленно нарастающий при притянутом якоре, успел достичь своего максимального значения. Реле с магнитным демпфированием стараются включать так, чтобы время «зарядки» было не менее половины времени «отпускания».
Если время зарядки реле будет недостаточным, то время отпускания якоря уменьшается, что иллюстрируют кривые рис. 4, где приведены зависимости выдержки времени при отпускании реле от длительности импульса напряжения . Кривые 1 и 2 на рис. 4 показывают, что выдержка времени реле с магнитным демпфированием сильно зависит от механической нагрузки якоря.
Реле времени с магнитным демпфированием предназначены для использования в цепях постоянного тока. Для использования реле в схемах на переменном токе рабочую обмотку присоединяют к источнику тока через выпрямители. Обычно применяют полупроводниковые выпрямители. При применении двухполупериюдного выпрямления выдержка времени получается примерно такой же, как и при включении в сеть постоянного тока. Добавочный нагрев катушки за счет пульсации тока невелик. При применении однополупериодного выпрямителя выдержка времени уменьшается.
в) Реле с быстрым срабатыванием и выдержкой времени при отпускании. В реле с магнитным демпфированием, предназначенных для получения значительных выдержек при отпускании якоря, время срабатывания может быть также довольно значительным. Кроме того, после включения реле под напряжение оно должно некоторое время перед применением «заряжаться».
Время, в течение которого реле приводится в рабочее состояние, часто стремятся уменьшить. С этой целью .применяют либо схемные методы ускорения переходного процесса при включении реле, или несколько изменяют конструкцию реле.
На рис. 5,а и б приведены примеры схемного решения вопроса.

 В схеме рис. 5,а в первый момент после включения напряжение на емкости равно нулю и на обмотку реле лриходится все напряжение .источника питания, которое подбирается значительно большим номинального для данного реле напряжения. Поэтому магнитный поток растет быстрее и время срабатывания уменьшается. По мере заряда конденсатора напряжение на обмотке реле уменьшается, однако за это время реле успевает сработать.
В схеме рис. 5,б последовательно с обмоткой реле включена лампа накаливания с металлической нитью.
В холодном состоянии сопротивление нити лампы мало и при замыкании контактов К почти все напряжение U будет приложено к обмотке реле, в результате чего ток в ней быстро растет. При нагреве лампы сопротивление ее нити увеличивается, и через некоторое время на обмотке реле будет нормальное рабочее напряжение.
На рис. 5,в и г приведены конструктивные способы уменьшения влияния короткозамкнутого витка на время срабатывания реле с выдержкой времени при отпускании.
Согласно рис. 5,в вместо медной втулки или колец в реле выполняется дополнительная обмотка 1, концы которой выведены наружу и присоединены к полупроводниковому выпрямителю 2. Выпрямитель подсоединен так, что пропускает токи, возникающие в обмотке 1 только при отпускании реле. При срабатывании реле дополнительная обмотка благодаря большому обратному сопротивлению выпрямителя не оказывает влияния на нарастание магнитного потока в системе. Поэтому реле имеет нормальное время срабатывания и дает выдержку времени при отпускании. Дополнительная обмотка рассчитывается на максимальное напряжение на ее зажимах

В целях более полного использования полезного окна магнитопровода рабочую и вспомогательную обмотки можно соединить последовательно.
На рис. 5,г показано расположение короткозамкну-того витка, выполненного в виде медного кольца 3 у корня сердечника. При срабатывании реле магнитный поток, образуемый током в кольце, смещает результирующий магнитный поток системы к рабочему зазору. Поэтому медное кольцо меньше влияет на время срабатывания реле. При отпускании реле медное кольцо оказывает обычное действие и существенно увеличивает время отпускания реле. (Напомним, что при расположении медного кольца у рабочего зазора замедляется как срабатывание, так и отпускание реле.)
Реле времени с магнитным демпфированием обычно исполняют так, что магнитопровод насыщается при напряжении, значительно меньшем номинального (при 0,5Uн). Поэтому возможные колебания напряжения от 0,85Uн до 1,1Uн не влияют на выдержку времени. Существенное влияние на стабильность выдержки времени оказывает температура, ибо при изменении температуры обмоток происходит изменение их сопротивления. В рабочем диапазоне температур реле обеспечивает выдержку времени с точностью 5—10%.
Так как для получения большей выдержки времени уменьшают натяжение пружины якоря, который к тому же имеет значительную массу, то некоторые конструкции реле с магнитным демпфированием плохо переносят большие механические перегрузки (возможны ложные срабатывания),
Реле времени с магнитным демпифированием применяются в основном в стационарных условиях. В импульсных схемах эти реле стараются не применять.