Электромагнитное реле

Электромагнитное реле  — реле, которое реагирует на величину электрического тока посредством притяжения ферромагнитного якоря или сердечника при прохождении тока через его обмотку.

Воспринимающий орган электромагнитного реле — обмотка и магнитная система с подвижной частью (якорем или сердечником). Исполнительный орган — контакты. Орган сравнения образуется подвижной частью и дополнительными грузами и пружинами (возвратными и контактными). По характеру движения подвижной системы электромагнитные реле разделяются на втяжные и поворотные. Как втяжные так и поворотные реле могут быть уравновешенными или неуравновешенными по отношению к воздействующим на них ускорениям.

Во втяжных электромагнитных реле имеется подвижный сердечник, который движется в направляющей втулке из немагнитного материала. Конфигурация «стопы» неподвижного сердечника и обращенного к нему конца подвижного сердечника определяют вид тяговой характеристики реле. Если втяжное реле не имеет магнитопровода, то его часто называют соленоидным.

В поворотных электромагнитных реле имеется подвижный якорь. Если угол поворота небольшой (5-10°), то поворотное реле часто называют клапанным.

Основные характеристики воспринимающего органа электромагнитного реле — тяговая и механическая (нагрузочная). Тяговая характеристика определяется изменением усилия притяжения ${\displaystyle P_{w}}$при изменении рабочего воздушного зазора δ между неподвижной и подвижной (якорем или сердечником) частями магнитной системы при определенной намагничивающей силе обмотки ${\displaystyle F}$. Она определяется для реле постоянного тока, как:

${\displaystyle P_{w}={dw_{m,v} \over d\delta }=-{F_{v}^{2} \over 8\pi *981}*{dG_{v} \over d\delta }=-6,2*10^{-5}{\bigl (}I*w_{v})^{2}{dG_{v} \over d\delta }}$

Принцип действия электромагнитного реле с поворотной подвижной системой, сверху — нормальное (обесточенное) состояние реле, снизу — включённое состояние реле.
1 — электромагнит (обмотка с ферромагнитным сердечником);
2 — подвижный якорь;
3 — контактная система (переключатель).

где, ${\displaystyle F_{v}}$- часть намагничивающей силы, создаваемой обмоткой реле, идущая на проведение магнитного потока через рабочий воздушный зазор.

Значение ${\displaystyle F_{v}=F*k}$, где ${\displaystyle k=R_{m,v}/(R_{m,v}+R_{m,c})}$; ${\displaystyle R_{m,v}=1/G_{v}}$и ${\displaystyle R_{m,c}}$- магнитные сопротивления рабочего воздушного зазора и магнитопровода,

${\displaystyle {dG_{v} \over d\delta }}$- производная изменения магнитной проводимости рабочего воздушного зазора по ходу якоря или сердечника.

Воспринимающий орган электромагнитных реле переменного тока обычно имеют магнитную систему, состоящую из магнитопровода I- , П- или Ш-образной формы, собранного из листовой электротехнической стали, обладающие малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Так как при переменном токе ${\displaystyle I=I_{m}\sin {\omega t}}$ и

${\displaystyle (Iw)^{2}={(Im)_{2}^{m}}\sin ^{2}\omega t={(Iw_{m}/2)}_{m}^{2}(1-\cos 2\omega t)}$, то тяговые усилия (или тяговый момент) будут меняться по закону

${\displaystyle P_{w}={C_{0} \over 2}(Iw)_{m}^{2}-{C_{0} \over 2}(Iw)_{m}^{2}\cos 2\omega t=P_{w,0}-P_{w,0}\cos 2\omega t}$

что приводит к непостоянству работы контактов и к механическому износу подвижной системы реле. Для устранения этого разбивают магнитный поток в рабочем воздушном зазоре на два потока, сдвинутые по фазе на угол φ. Это достигается охватом 1/2 или 2/3 полюсного наконечника короткозамкнутым витком. При этом тяговые усилия равны

${\displaystyle P_{w}=P_{w,0}-P_{w,01}\cos 2\omega t-P_{w,02}\cos 2(\omega t-\psi )}$

Быстродействующие электромагнитные реле выполняются с небольшими весами и моментом инерции подвижных частей, с магнитной системой, изготовленной из листовой стали или стали, содержащей около 4 % кремния.

В электромагнитных реле замедленного действия подвижные части выполняются с большим моментом инерции с надетым на сердечник короткозамкнутым витком или втулкой из меди или алюминия. Часто для замедления срабатывания и отпускания применяют схемы замедления с помощью которых достигается удлинение переходных процессов, происходящих в его обмотках. Как время срабатывания так и время отпускания реле складывается из времени трогания, то есть времени нарастания (или спадания) тока в обмотке до момента трогания якоря, и времени движения якоря до замыкания (или размыкания) контактов. Схемы замедления воздействуют на продолжительность времени трогания.

Основные схемы замедления

Схема замедления	Порядок достигаемых замедлений по отношению к нормальным при
	срабатывании	отпускании
	2	2
	1,5	2-8
	1,5	3-8
	2-3	1-2
	5-20	-
	10	10

Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с ярмом из магнитомягкого материала. Якорь — обычно пластина из магнитного материала, через толкатели воздействующая на контакты.

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче управляющего сигнала электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает и/или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения управляющего 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 или полупроводниковый диод, служащий для блокировки перенапряжений на обмотке реле при его обесточивании вследствие электромагнитной индукции.

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, то есть они гальванически изолированы друг от друга (в электротехнике используется термин «сухой контакт»). Более того, в управляемой цепи величина тока может быть намного больше, чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть слаботочные электрические схемы (например, дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы которые выдают малые величины тока и/или напряжения. Таким образом, реле, по сути, выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были вытеснены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами — работающими в ключевом (переключательном) режиме. В настоящее время производятся попытки возродить релейные вычислительные машины с использованием нанотехнологий.

Как правило, электромеханическое реле имеет ярко выраженную петлю гистерезиса функции входной ток — состояние контактов (то есть работают как Триггер Шмитта). Соответственно, для некоторых реле указывают два порога этой петли гистерезиса — ток срабатывания и ток отпускания. Ток срабатывания указывает при каком токе реле переходит из состояния выключено в состояние включено. Ток отпускания (иногда называют током удержания) указывает при каком токе реле переходит из состояния включено в состояние выключено.

В момент переключения реле в активный режим требуется значительно больший ток, чем для удерживания, поскольку вблизи к магниту поле значительно сильнее, чем на удалении.

В наши дни в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая «масляная ячейка»).

Реле до сих пор очень широко применяются в бытовой электротехнике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надёжнее электроники, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя и особенно к сильному броску напряжения при его отключении.