Электромагнитное реле: принцип действия, особенности подключения

Электромагнитное реле (ЭМР) представляет собой электромеханическое устройство, реагирующее на изменение параметра системы размыканием или замыканием контактов, основной задачей которого является выполнение коммутационных операций в электрических цепях. Срабатывание может выполняться под влиянием таких факторов как электрический ток, давление или уровень жидкости, световая энергия.

Основные сферы применения в системах автоматики

В большинстве случаев ЭМР применяют для переключений нагрузок при коммутационном токе 10–16 А в сетях переменного (220 В) или постоянного (5–24 В) тока. Такие технические характеристики позволяют использовать реле для защиты таких электроустановок как маломощные двигатели, нагреватели, электромагниты, другие потребители мощностью до 4 кВт. Кроме того, реле применяют для управления цепями

КИПиА;
систем сигнализации;
промышленной автоматики;
систем удалённого регулирования.

Особенно эффективны ЭМР при работе с низковольтными индуктивными нагрузками с малой постоянной времени (до 10 мс). При этом токовые перегрузки при пуске невелики, а при отключении оборудования не происходят скачки напряжения. Способность устройства коммутировать сложные нагрузки обеспечивается их комплектацией контактными группами, рассчитанными на соответствующие токи.

Конструкция

Основной элемент твердотельных реле — электронная плата, состоящая из трех главных элементов:

Блока управления, обеспечивающего стабильные уровни напряжения, которое на входе составляет от 70 до 220 Вольт.
Узла развязки, состоящего из элементов, подающих и принимающих световой сигнал. Между передающими и принимающими элементами расположен прозрачный диэлектрик.
Силовых ключей:

для постоянного тока — на базе транзисторов.
для переменного — на базе

симисторов или тиристоров.

Внутренние элементы реле.

Устройство должно монтироваться после нагрузки, с последующим заземлением, для предотвращения КЗ.

Преимущества и недостатки использования ЭМР

Основными аргументами в пользу использования в схеме управления электрическими цепями электромагнитного реле становится:

стойкость к воздействию на сети импульсных перенапряжений;
способность электроизоляции выдерживать до 5 кВ между контактами и управляющей катушкой;
незначительное падение напряжения на контактах в замкнутом состоянии;
возможность коммутации нагрузок до 4 кВт при размере менее 10 см³;
низкие показатели тепловыделения;
наличие гальванической развязки между контактной группой и цепями управления;
сравнительно доступная стоимость.

Среди «минусов» такого технического решения стоит выделить ограниченный механический ресурс оборудования, высокое потребление тока, создание помех в момент срабатывания.

Защита от коротких замыканий

КЗ могут возникнуть при повреждении изоляции в электрической цепи, внешних воздействиях или перегрузке сети.

Для защиты от КЗ используют быстродействующие плавкие предохранители, разработанные специально для твердотельных реле. Такие устройства способны разорвать цепь значительно быстрее, чем произойдет пробой входного элемента.

Важнейшим показателем плавких предохранителей является скорость срабатывания.

Значения номинальных токов плавких вставок указываются производителем в технической документации. Они должны быть выше максимальных токов защищаемых устройств.

После срабатывания плавкие предохранители подлежат замене.

Устройство и принцип работы

Основу конструкции ЭМР составляет сердечник из немагнитного сплава с электрической катушкой, выполненной из медной проволоки, покрытой диэлектриком (лаком, синтетической или тканевой изоляцией). При подаче напряжения на вход происходит втягивание подвижного элемента, за счёт чего контакты движутся.

Также конструкцией предусмотрено наличие нескольких функциональных блоков:

промежуточные элементы, которые обеспечивают срабатывание исполнительного механизма;
управляющие компоненты, преобразующие электрическую энергию на входе в магнитное поле);
исполнительные устройства (контакты), воздействующие непосредственно на цепи управления.

Выпускаются ЭМР с нормально замкнутыми, разомкнутыми контактами, аппараты смешанного исполнения.

Принцип действия электромагнитного реле основан на работе магнитного поля, силовые линии которого пронизывают сердечник при подаче на катушку электрического тока. В результате к сердечнику притягивается якорь, обладающий магнитными свойствами. В результате контактная группа размыкается или замыкается. При падении напряжения возвратная пружина возвращает подвижный элемент в исходное состояние.

Особенность конструкции промежуточных ЭМР заключается в наличии в составе устройства полупроводниковой приставки времени. Управление ею обеспечивается путём поворота резистора. Для уменьшения инерционных показателей аппарат может комплектоваться шихтованным сердечником.

Основные виды ЭМР

Реле ЭМР принято классифицировать по нескольким параметрам. Исходя из особенностей конструкции, разделяют контактные и бесконтактные устройства. В первом случае речь идёт об устройствах, которые при срабатывании воздействуют контактной группой на силовую цепь, обеспечивая соединение или разрыв в ней. Во втором — аналогичный результат достигается изменением одного из параметров (напряжения, силы тока, ёмкости, сопротивления).

В зависимости от способа присоединения оборудование разделяют на следующие виды.

Первичное (устройство подключается непосредственно в цепи управления).
Вторичное, предусматривающее необходимость присоединения к сети через измерительный трансформатор тока.
Промежуточное, работающее от исполнительных органов других релейных устройств. Такой принцип действия позволяет обеспечить размножение сигнала или его усиление.

В зависимости от вида напряжения на входе выпускаются устройства постоянного и переменного тока. Первый вариант в свою очередь можно разделить на поляризованные и нейтральные. Его ключевое отличие заключается в чувствительности устройства к полярности источника питания (в зависимости от этого якорь меняет направление движения якоря).

Среди недостатков оборудования постоянного тока выделяют сравнительно высокую стоимость и необходимость использования в комплексе с блоком питания. Подобных проблем при эксплуатации ЭМР переменного тока не возникает, но их существенным «минусом» станет вибрация во время работы и пониженная чувствительность.

Реле тока

Реле тока предназначено для контроля этого параметра в цепях электропотребителей. Возможно подключение устройства к силовым цепям или с использованием измерительного трансформатора. Передача данных в другие цепи выполняется путём подключения сопротивления.

Основным конструктивным отличием токового реле является конструкция катушки. Для неё используется толстый проводник, который обладает малым сопротивлением и наматывается на сердечник небольшим количеством витков. Для контроля заданных параметров предусмотрена автоматизированная система включения/отключения.

Реле времени

В большинстве случаев реле времени устанавливают при необходимости формирования каскадов пуска при подключении оборудования высокой мощности. Такой подход позволяет избежать резких скачков нагрузки в момент включения техники, превышающих допустимые значения. Задержка по времени обеспечивается за счёт дополнительного короткозамкнутого контура, роль которого выполняет надетая на сердечник медная гильза.

Принцип работы реле времени основан на «гашении» напряжённости электромагнитного поля за счёт наличия противоположно направленного тока. В итоге формируется задержка, величина которой может составлять 0.07–0.15 с. Регулировка выполняется пружиной якоря ЭМР. Тот же эффект наблюдается при выключении электропитания, но задержка может составлять 0.5–2 с.

Особенности подключения: типовые схемы

Наиболее распространена схема подключения однофазной нагрузки через релейные контакты или магнитный пускатель для защиты приводных механизмов от возникающих при аварийных ситуациях колебаний напряжения. Её использование допускает возможность регулировки рабочих параметров системы в достаточно широком диапазоне. К примеру, можно установить оптимальную по величине задержку включения.

Типовая схема подключения через релейные контакты

На приведенной на рисунке схеме реле 220 В подключается напрямую к контролируемой сети. Это позволяет прибору измерить входное напряжение, определить его соответствие допустимым параметрам. Если значение укладывается в заданный диапазон, включается АПВ (автоматический повтор включения). С установленным временным промежутком происходит замыкание контактов и подключение к сети.

Схема с магнитным пускателем

Подключение однофазной нагрузки может быть выполнено по схеме, предусматривающей управление коммутационными операциями через магнитные пускатели. Основным отличием в её работе является тот факт, что изначально происходит включение/отключение МП, который в свою очередь подключает или отключает нагрузку. Устройство выбирают в соответствии с характеристиками подключаемого оборудования.

Схема подключения промежуточных реле

При использовании в схеме промежуточного электромагнитного реле её конфигурация зависит от характера подключаемых нагрузок. В большинстве случаев устройство выполняет функцию контактора, который эффективно распределяет электропитание между элементами нагрузки.

При этом нейтраль подключается к контакту катушки напрямую. Питающий фазный провод подсоединяется через кнопку «Стоп», которая срабатывает на размыкание. Её второй контакт также присоединяется к фазе системы. Для подключения нагрузки используются нормально-замкнутые, а для фазы — нормально-разомкнутые контакты промежуточного ЭМР.

Для обеспечения непрерывной подачи электропитания на катушку один из выходных контактов подключается к нагрузке. Контактная группа при этом замкнута. Для отключения нагрузки и ЭМР электрическая цепь разрывается при помощи кнопки «Стоп». В схему для управления нагрузкой большой мощности может быть дополнительно включён магнитный пускатель. Для управления реле может использоваться терморегулятор, датчики освещённости, движения.

Электромагнитные реле на схемах: обмотки, контактные группы

Особенность реле в том, что оно состоит из двух частей — обмотки и контактов. Обмотка и контакты имеют различное обозначение. Обмотка графически выглядит как прямоугольник, контакты разного таки имеют каждый свое обозначение. Оно отражает их название/назначения, так что проблем с идентификацией обычно не возникает.

Типы контактов электромагнитных реле и их обозначение на схемах

Иногда рядом с графическим изображением ставят обозначение типа — НЗ (нормально замкнутый) или НО (нормально открытый). Но чаще прописывают принадлежность к реле и номер контактной группы, а тип контакта понятен по графическому изображению.

Вообще, искать контакты реле надо по всей схеме. Ведь физически оно находится в одном месте, а разные его контакты являются частью разных цепей. Это и отображается на схемах. Обмотка в одном месте — в цепи подачи питания. Контакты разбросаны в разных местах — в цепях, в которых они работают.

Пример схемы на электромагнитных реле: контакты находятся в соответствующих цепях (см. цветовую маркировку)

Для примера посмотрите на схему с реле. Реле КА, КV1 и КМ имеют одну контактную группу, КV3 — две, KV2 — три. Но три — это далеко не предел. Контактных групп в каждом реле может быть и десять-двенадцать и больше. И схема на рисунке простая. А если она занимает пару листов формата А2 и в ней масса элементов…

Проверка при первом включении

После монтажа нового устройства или отремонтированного ЭМР (после перемотки его катушек) обязательно проведение проверки оборудования. Полный комплекс работ включает в себя следующие операции.

Внешний осмотр, внутренняя диагностика и обслуживание (чистка, целостность пломб, состояние уплотнений, выводов).
Проверка контактной группы, механизма. При обнаружении дефектов выполняется их регулировка.
Тестирование ЭМР на соответствие фактических технических характеристик номинальным параметрам при срабатывании реле, возврате, удержании.
Проверка электрической прочности изоляции.
Проверка времени задержки при срабатывании или возврате.
Тестирование системы в условиях работы при пониженном напряжении.

Регулировка ЭМР

Способ измерений в зависимости от типа реле может существенно отличаться. При регулировке важно учитывать следующие принципы.

Ослабление возвратной пружины приводит к увеличению времени возврата и снижению напряжения срабатывания.
Если увеличить начальный зазор между сердечником и якорем, скорость срабатывания увеличится, а напряжение будет больше. Такой же эффект наблюдается при регулировке конечного зазора в отношении скорости и напряжения возврата.
С увеличением числа замыкающих/размыкающих контактов с одновременным увеличением давления пружины происходит повышение напряжение и скорости возврата и срабатывания соответственно.

Необходимо учитывать, что любые изменения напрямую влияют на работу контактной системы. Поэтому при регулировке параметров ЭМР необходимо выбрать положение, при котором возвратная пружина будет максимально натянута, а зазор сможет обеспечить наибольший ход якоря.

Основные параметры выбора реле

Контактная группа

Одним из ключевых параметров выбора ЭМР является конфигурация его контактов: механизм чаще всего срабатывает на размыкание, замыкание или переключение. При выборе необходимо учитывать следующие параметры:

падение напряжения;
номинальная нагрузка, при которой переключение выполняется с высокой надёжностью;
предельно допустимые коммутируемые мощность, напряжение и ток;
механическая и электрическая стойкость к износу;
импульсный ток;
минимальная нагрузка;
материал изготовления контактов.

Технические характеристики

За основу при выборе электромагнитного реле 220 В принимают:

рабочее напряжение и ток;
чувствительность (минимальное значение подаваемой на обмотку мощности, при которой устройство способно переключаться);
время срабатывания, отпускания, вибрации контактов;
коэффициент возврата, составляющий для ЭМР разных типов от 0.1 до 0.98;
ток срабатывания (его минимальное значение, при котором происходит переключение, замыкание или размыкание контактов);
коэффициент запаса (от 1.4 до 2);
частота коммутации реле.

Принцип действия

Чтобы понять принцип работы твердотельного реле, нужно знать их конструктивные особенности.

Взаимодействие управляемого и управляющего сигнала обеспечивает гальваническая или оптическая развязка.

Одним из основных элементов ТТР является оптоизолятор, или оптопара в виде светодиода и фоточувствительного устройства, изолирующего вход от выхода.

При прохождении электричества через светодиод, подключенный к входной секции твердотельного реле, он загорается. Фокусируясь через зазор, свет передается на фоточувствительный транзистор или семистор.

Принцип действия устройства заключается в замыкании и размыкании контактов, передающих напряжение.

Схема всех твердотельных устройств примерно одинаковая. Незначительные отличия в различных моделях совершенно не влияют на его функции.

Работа механизма заключается в замыкании и размыкании контактных клемм, передающих напряжение.

Эксплуатация ЭМР, частые неисправности оборудования

Реле — устройство с ограниченным механическим ресурсом: в процессе его эксплуатации периодически сгорает, контакты изнашиваются, на их поверхности образуется нагар. Именно поэтому при плановом техобслуживании ЭМР обязательно требуется чистка. Кроме того, стоит учитывать, что оборудование любого типа рассчитано на определённое число срабатываний. Это связано с тем, что под действием искр и электрической дуги, которая формируется при коммутации, происходит постепенное разрушение металла.

Самыми частыми проблемами, возникающими при эксплуатации реле, становится обрыв провода катушки или возникновение в ней межвиткового замыкания. Признаками подобной неисправности может стать громкий гул ЭМР, отказ при включении. Внешне о локальном перегреве и межвитковом замыкании может свидетельствовать потемнения на катушке. Об износе контактов может свидетельствовать треск реле.

При отключении цепи ЭМР может остаться в активном состоянии, в этом случае происходит «залипание» контактов. Для проверки технического состояния катушки используют мультиметр или прозвонку. Если цепь замкнута, обрыва нет. При подаче напряжения на обмотку контактная группа должна сработать, а сопротивление цепи — равно нулю. В рамках планового обслуживания выполняется чистка оборудования от пыли, загрязнений.