Принцип работы и схема токового реле

Первое упоминание о реле

Нельзя отнести изобретение только к одному ученому. Так как этот вопрос до сих пор является спорным. Одни считают, что первооткрывателем был русский ученый Шиллинг П. Л., который сконструировал реле в 1830-ых годах. Оно являлось основным элементом в телеграфе, им же созданным.

Другие утверждают, что первым создателем реле был физик Джозеф Генри. В 1835 году он начал усовершенствовать телеграфный аппарат, которого он создал в 1831 году. И для этого он изобрел контактное реле, которое работало на основе принципа электромагнитной индукции. На тот момент устройство было некоммутационное. В 1837 году реле начало выпускаться в больших количествах.

Как отдельное устройство, реле было упомянуто в патенте на телеграфный аппарат, который был выдан Самуэлю Морзе в 1837г.

Первоначально реле было устройством для телеграфа. В современном мире, почти каждое оборудование, техника, бытовые приборы, автомобили и т.д. имеет релейное устройство.

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.

Выбор и подключение

При выборе определённой модели реле специалист руководствуется рядом факторов

Важно обращать внимание даже на малейшие детали. Необходимо учитывать токовую нагрузку. Современные устройства могут крепиться к плоским поверхностям или же устанавливаться на рейках в распределительном шкафу

Современные устройства могут крепиться к плоским поверхностям или же устанавливаться на рейках в распределительном шкафу

Современные устройства могут крепиться к плоским поверхностям или же устанавливаться на рейках в распределительном шкафу.

Некоторые модели имеют довольно маленькие габариты. Желательно отдавать предпочтение аппаратам, где можно легко регулировать диапазон пороговых значений. Удобно, когда при срабатывании возникает звуковая и световая индикация. Для этого может быть светодиодный или жидкокристаллический дисплей. На выбор влияет также степень защищённости реле и климатические условия, где будет размещаться аппарат.

Инструкция по установке и подключению у каждого прибора своя. Монтаж реле вида ЕРР происходит следующим образом:

1. Питание полностью отключается.
2. Реле устанавливается на шине распределительного щита.
3. Подсоединение к питанию проводится по правилам, которые указаны в техдокументации.
4. Через сквозной канал для подключения реле проводится кабель измеряемой линии.
5. Провод питания сигнализации подсоединяется по очереди к контактам устройства для контроля тока.

При установке устройства неопытный мастер может допустить ошибку. Не следует забывать, что электромагнитные конструкции в высокогорье могут работать с перебоями. Это объясняется изменениями в атмосферном давлении. Поэтому перед установкой прибора необходимо внимательно изучить его описание. Обычно в инструкции указывается, что его можно применять при максимальной высоте в 2 тыс. м над уровнем море. Специалисты должны учитывать этот факт в работе с авиационной техникой.

Твердотельное реле

И вот, если мы соберем все плюсы механических и электронных импульсных реле, то получим достоинства твердотельных.

Суть работы твердотельного реле заключается в использовании эффекта воздействия света на pn-переход. В отличие от механических реле у твердотельных реле отсутствуют механические замыкания и размыкания контактов. Для этих целей в твердотельных реле используются полупроводниковые элементы.

Фото твердотельных реле Schneider Electric с охладителями

Принцип работы

Мы подаем ток на светодиод, и он, в свою очередь, воздействует на pn-переход коммутационной сети, замыкая или размыкая ее.

Твердотельные реле делятся на два основных вида. Это реле постоянного и переменного тока.

Твердотельные реле постоянного тока

Твердотельные реле постоянного тока очень надежны. Их срок службы, по сравнению с механическими, практически бесконечен. Работают они при температурах от -30 +70 градусов Цельсия.

Твердотельные реле переменного тока

Основная особенность твердотельных реле переменного тока — это пониженный уровень электромагнитных помех, малый расход энергии, абсолютная бесшумность и практически мгновенное срабатывание.

Достоинства

• Бесшумные.
• Отсутствуют подвижные детали. Срок службы — десятки лет.
• Коммутация с минимумом помех.
• Практически мгновенное срабатывание.
• Малое потребление электроэнергии.
• Очень малые размеры, при этом могут работать с большими токами.
• Широкая сфера применения. Благодаря минимальным размерам и большому количеству настроек срабатывания, используются практически везде.
• Благодаря большому расстоянию между цепью управления и управляемой цепью обеспечивается надежная изоляция.
• Очень прочные. Почти безразличны к вибрациям и ударам.

Недостатки

Казалось бы, давайте заменим все реле на твердотельные, и бед знать не будем, но здесь не все так просто. Два недостатка у твердотельных реле все же есть. И порой они становятся решающими.

1. Сильный нагрев.
2. Высокая цена.

При малых токах величина нагрева, конечно же, не существенна. Однако когда мы говорим о больших потребителях электричества, например, требуется коммутировать электрический обогреватель, то величина нагрева увеличиваются значительно. А если в цепи произойдет короткое замыкание, то полупроводники в твердотельных реле расплавятся очень быстро. Да, реле, конечно, может быть защищено от короткого замыкания и оснащено системой охлаждения, но при этом оно становится достаточно дорогим.

Абсолютная тишина. Можно монтировать на этаже

Полное отсутствие шума в процессе работы этих реле позволяет выполнять монтаж твердотельных реле, где угодно. Можно монтировать в электрических щитах на этажах, здесь ограничений нет.

Твердотельное реле в системах управления и автоматики

Как и электромагнитное реле, твердотельное реле работает, удерживает цепь замкнутой, только в течение того времени, пока на реле подается напряжение. То есть это не тот случай, как с триггером или поляризованным реле, когда подал управляющее напряжение, и «забыл» — цепь будет замкнута сколько угодно долго до следующего отключающего сигнала. Для замыкания цепи на твердотельное реле должно подаваться напряжение постоянно, поэтому это реле не может работать с кнопками без контроллера.

Между кнопками включения света и твердотельным реле всегда требуется контроллер, который подает на реле удерживающее коммутацию напряжение.

Назначение и виды

Реле контроля тока – это устройство, которое реагирует на резкие перепады величины поступающего электрического тока и при необходимости отключает питание определенного потребителя или всей системы электрообеспечения. Его принцип действия основан на сравнивании внешних электрических сигналов и мгновенном реагировании при их несовпадении с параметрами работы прибора. Используется для работы генератора, насоса, двигателя автомобиля, станочного оборудования, бытовых приборов и прочего.

Фото — OptiDin ОМ-110

Существуют такие виды приборов постоянного и переменного тока:

1. Промежуточные;
2. Защитные;
3. Измерительные;
4. Давления;
5. Времени.

Промежуточное устройство или реле максимального тока (РТМ, РСТ 11М, РС-80М, РЭО-401) применяется для размыкания или замыкания цепей определенной электрической сети при достижении определенного значения тока. Чаще всего используется в квартирах или домах с целью повышения защиты бытового оборудования от скачков напряжения и силы тока.

Фото — схема РТЗ – 50

Принцип действия теплового или защитного прибора основан на контроле температуры контактов определенного прибора. Оно используется для защиты приборов от перенагревания. К примеру, если утюг перегреется, то такой датчик автоматически отключит питание и включит его после остывания прибора.

Фото — РСТ-80АВ

Статическое или измерительное реле (РЭВ) помогает замыкать контакты цепи при появлении определенного значения электрического тока. Его главное назначение – это сравнение имеющихся параметров сети и необходимых, а также быстрое реагирование на их изменение.

Реле давления (РПИ-15, 20, РПЖ-1М, FQS-U, FLU и прочие) необходимо для контроля жидкости (воды, масла, нефти), воздуха и т. д. Используется для отключения насоса или прочего оборудования при достижении установленных показателей давления. Часто используются в водопроводных системах и на станциях техобслуживания авто.

Реле выдержки времени (производитель EPL, Danfoss, а также модели РТВ) необходимы для управления и замедления реагирования определенных приборов при обнаружении утечки тока или других неполадках в сети. Такие приборы релейной защиты применяются как в быту, так и в промышленности. Они препятствуют преждевременному включению аварийного режима, срабатыванию УЗО (оно же дифференциальное реле) и автоматических выключателей. Схема их установки часто сочетается с принципом включения в сеть защитного оборудования и дифов.

Помимо этого также бывают электромагнитные реле напряжения и тока, механические, твердотельные и т. д.

Твердотельное реле – это однофазное устройство для коммутации больших токов (от 250 А), обеспечивающее гальваническую защиту и изоляцию электрических цепей. Это, в большинстве случаев, электронное оборудование, предназначенное для быстрого и точного реагирования на возникновение проблем в сети. Еще одним преимуществом является то, что такое токовое реле можно сделать своими руками.

По конструкции реле классифицируются на механические и электромагнитные, а сейчас уже, как сказано выше, на электронные. Механическое может использоваться в различных условиях работы, для его подключения не требуется сложная схема, оно долговечное и надежное. Но вместе с этим, недостаточно точное. Поэтому сейчас в основном используются его более современные электронные аналоги.

Фото — РТ85

Что такое реле времени, для чего нужно и где используется

Это устройство, предназначенное для включения и выключения электрической цепи в автоматическом режиме, через определенный интервал времени, используется в электротехнике и чаще в быту. По принципу работы разделяются на следующие виды:

1. Электромагнитные
2. Пневматические
3. С часовым механизмом
4. Моторные
5. Электронные

В электротехнике также существуют интервальные реле, они используются для создания интервального включения цепи с определенной выдержкой по времени после заданного сигнала, когда необходимо выполнить включение с интервалом после включения или выключения.

Бытовые приборы бывают механические и электронные. Сегодня на рынке чаще можно встретить электронные устройства с большим набором функций. Конструкция представляет из себя простую схему с магнитной катушкой и контактной группой, основным отличием от других устройств, является встроенная интегральная схема, управляющая питанием катушки.

В механических приборах интегральную схему заменяет специальный механизм, напоминающий вращающийся диск. За счет вращения диска и перемещения на нем специальных рисок происходит включение или отключение цепи в определенное время.

Реле времени невероятно полезное устройство, нашедшее свое применение во многих сферах жизни, активно применяется для управления питанием электрических приборов от 220В, управлением духовых шкафов, теплых полов, стиральных машин, отопления и систем кондиционирования.

Например, когда необходимо включить электропитание водяного насоса на даче для набора воды без вашего участия и вовремя отключить, чтобы уберечь его от сухого хода. Или полностью обесточить электросеть в определённые часы с целью сбережения электроэнергии.

Твердотельное реле переменного тока из недорогих компонентов

Сегодня промышленность выпускает твердотельные реле (SSR) практически под любые требования, какие только можно себе представить. Только плати — и будет тебе черная коробочка, подав на вход которой несколько миллиампер можно управлять чем угодно: от слабых измерительных сигналов до многих киловатт нагрузки и более.

Маленький камушек оптореле, рассчитанный на коммутацию нескольких сот ватт от бытовой сети будет стоить порядка $10 или более. В то же время, если ограничиться твердотельным реле с максимальным током коммутации в 100мА — мы сразу попадаем в ценовую категорию в районе одного доллара.

Мощное оптореле своими руками

Предлагаю вот такую несложную схему, общая стоимость компонентов в которой едва ли превысит пару баксов. Используя «телефонное» твердотельное реле и широко распространённый симистор (идёт во всякие бытовые диммеры), можно управлять весьма большими мощностями.

• «Телефонное» твердотельное реле (SSR) = Lh2500 (datasheet)
• Симистор (TRIAC) = BT139

    Демпферная цепочка из резистора и конденсатора, т.н. «snubber circuit», ставится для предотвращения нежелательного отпирания симистора в случае очень высокой скорости нарастания напряжения на коммутаторе. На практике, в приложениях типа управления лампами да моторами такое практически не случается. Но в любом случае советую оставить эту цепочку — она ведь ещё служит и хорошим подавителем помех.  По поводу рассчёта этой цепи отсылаю моих читателей к замечательной работе от  Fairchild Semiconductor: Application Note AN-3008 RC Snubber Networks for Thyristor Power Control and Transient Suppression (на английском, если действительно надо — спрашивайте, помогу разобраться).

Если быть педантичным, к схеме надо ещё добавить какой-нибудь вариант подавителя высоковольтных выбросов напряжения. К счастью, симисторы норовят сами просто открыться в подобных сценариях и ограничивают импульсы перенапряжения весьма эффективно. К тому же, в цивилизованном мире, наша схема будет ведь запитана через сообразный фильтр сетевых помех

Как этим управлять

Схемы управления твердотельными реле могут быть очень разнообразны. В простейшем случае сгодится выход ТТЛ или КМОП логики с токоограничивающим резистором последовательно с управляющим входом реле.

В достаточно серьёзной системе, с потенциально длинными кабелями, разделяющими схемы управления и исполнительные (силовые) коробки, я использовал источники тока, управляемые непосредственно от микроконтроллера. Светодиод (1.7В падения) в данной схеме не несёт никакой особой функциональности кроме собственно индикации. Если он не нужен — сопротивление токозадающего резистора следует увеличить до 430 Ом, чтобы обеспечить ток управления в районе 10 мА.

Чтобы облегчить себе жизнь и позволить витым парам действительно перекручиваться так как им заблагорассудится — удобно поставить маленький диодный мостик прямо перед входом реле. Дополнительный резистор в 100 Ом защищает светодиод оптрона от немедленного сгорания в случае неверной коммутации и подачи не слишком высокого питающего напряжения прямо на вход нашего реле. К сожалению все эти удобства «роняют» на себе несколько дополнительных вольт напряжения, поэтому управлять схемой, что идёт ниже, надо источником тока с достаточно большим запасом по напряжению (вольт 12 хотя бы) — как раз сгодится предыдущая схема.

Внимание: приведённая в данной статье схема твердотельного реле противопоказана к применению в аудио разработках и рядом с ними. Несмотря на применение демпфирующей цепочки, а так же сколько бы дополнительных фильтров на неё ни навесить — производимые схемой переключательные помехи норовят самым неприятным образом просочиться в аудио сигнал. Кстати, фирменные твердотельные реле с контролем перехода через ноль на поверку шумят ещё больше

Кстати, фирменные твердотельные реле с контролем перехода через ноль на поверку шумят ещё больше.

Вот как фирма Siemens, выпускающая Lh2500, предлагает включать сей продукт в своей документации:

Application:   Motor, Light, Heat, Solenoid Control  

Equipment:    Industrial Controls, Programmable Controllers, Factory Automation Equipment, Appliances  

Поделитесь статьёй со знакомыми.

Виды контактных групп

Электромагнитные реле имеют различные конфигурации и конструктивные особенности контактных групп. Перечислим распространенные типы элементов:

1. Нормально разомкнутые (Нормально Открытые — НО или Normally Open — NO) – их главная особенность заключается в том, что контактные пары постоянно находятся в разомкнутом состоянии, и срабатывают только после подачи напряжения на электромагнитную катушку. В результате этого электрическая цепь замыкается, проводники начинают функционировать в соответствии с заданными алгоритмами.
2. Нормально замкнутые (Нормально Закрытые — НЗ или Normally Closed — NC) – контакты находятся в постоянно замкнутом состоянии и при запитке электромагнитного реле (подачи на катушку напряжения), размыкаются.
3. Перекидные – это совмещение нормально замкнутого и разомкнутого контактов. Имеется три контакта, общий, обозначается обычно COM, замкнутый с общим и разомкнутый с общим. При подаче напряжения на катушку – НЗ контакт размыкается, а НО замыкается.

Модели электромагнитных реле, в конструкции которых имеется несколько контактных групп, обеспечивают коммутационные процессы в нескольких автоматизированных сетях.

Устройство реле тока

Токовое электромеханическое реле Ознакомиться с особенностями конструкции и принципом работы токового реле (ТР) удобнее всего на самой распространенной его разновидности – электромагнитном приборе.

В отличие от индукционного и электронного аналогов устройство э/м защитного прибора позволяет наглядно представить, как он действует.

Любое твердотельное токовое реле содержит в своем составе следующие обязательные элементы:

• Магнитопровод (сердечник), состоящий из 2-х частей и имеющий постоянный или регулируемый воздушный зазор.
• Каркас с катушкой, расположенный на неподвижной части сердечника.
• Пружина, размещенная на подвижной его половинке и создающая момент противодействия при срабатывании реле.

Кроме перечисленных узлов в него входят вспомогательные элементы, повышающие функциональность системы.

Применение

Пожалуй, наиболее широкое распространение реле, работающие с использованием электромагнитного принципа получили в сфере распределения и производства электрической энергии. Релейная защита высоковольтных линий обеспечивает безаварийный режим работы подстанций и другого подключенного оборудования. Управляющие элементы, используемые в установках релейной защиты рассчитаны на коммутацию присоединения при рабочих напряжениях, достигающих нескольких сотен тысяч вольт.

Будет интересно Герконовое реле: устройство и принцип работы

Широкое распространение релейной защиты высоковольтных линий обусловлено:

• высокой долговечностью релейных элементов;
• быстрой реакцией на изменение параметров подключенных линий;
• способностью работы в условиях высокой напряженности электромагнитных полей и нечувствительностью к появлению паразитных электрических потенциалов.

Также посредством установок релейной защиты осуществляется резервирование линий электропередач и моментальный вывод из работы поврежденных участков электросети, к примеру, при замыкании линии на землю или обрыве токоведущих частей. На сегодняшний день еще не изобретены более надежные средства защиты линий электропередач чем релейная защита.

Кроме того, в настоящее время электромагнитный тип реле широко используется в системах управления производственными, конвейерными линиями. Чаще всего данный вид систем управления используется на производствах с наличием высоких паразитных потенциалов делающих невозможным использование полупроводниковых систем управления. К примеру, известен случай, когда при модернизации систем управления конвейерными линиями на одном из элеваторов новое оборудование, построенное новейших полупроводниковых элементах, постоянно выходило из строя.

Как позже выяснилось причиной поломки стало статическое электричество, возникающее при движении зерна по конвейерной ленте, а так как система выравнивания потенциалов была не предусмотрена в данных помещениях, то стал вопрос о переносе пульта управления в защищенное помещение. Это было сопряжено с огромными материальными затратами. В результате было принято решение перейти на релейные блоки управления, нечувствительные к статическому напряжению. Принципы работы заложенные в основу функционирования электромагнитных реле используются в устройствах дистанционного управления нагрузкой — пускателях или контакторах.

Токовое реле разных размеров.

Устройство реле тока

Для начала давайте разберем принцип реле тока и его устройство. На данный момент существуют электромагнитные, индукционные и электронные реле.

Мы будем разбирать устройство наиболее распространенных электромагнитных реле. Тем более, что они дают возможность наиболее наглядно понять их принцип работы.

Устройство электромагнитного реле тока

• Начнем с основных элементов любого реле тока. Оно в обязательном порядке имеет магнитопровод. Причем, этот магнитопровод имеет участок с воздушным зазором. Таких зазоров может быть 1, 2 или более — в зависимости от конструкции магнитопровода. На нашем фото таких зазора два.
• На неподвижной части магнитопровода имеется катушка. А подвижная часть магнитопровода закреплена пружиной, которая противодействует соединению двух частей магнитопровода.

Принцип действия электромагнитного токового реле

• При появлении на катушке напряжения, в магнитопроводе наводится ЭДС. Благодаря этому, подвижная и неподвижная части магнитопровода становятся как два магнита, которые хотят соединиться. Не дает им это сделать пружина.
• По мере увеличения тока в катушке, ЭДС будет нарастать. Соответственно, будет нарастать притяжение подвижного и неподвижного участка магнитопровода. При достижении определенного значения силы тока, ЭДС будет настолько велико, что преодолеет противодействие пружины.
• Воздушный зазор между двумя участками магнитопровода начнет сокращаться. Но как говорит инструкция и логика, чем меньше воздушный зазор, тем больше становится сила притяжения, и тем с большей скоростью магнитопроводы соединяются. В результате, процесс коммутации занимает сотые доли секунды.

Существуют токовые реле разных типов исполнения

К подвижной части магнитопровода жестко прикреплены подвижные контакты. Они замыкаются с неподвижными контактами и сигнализируют, что сила тока на катушке реле достигла установленного значения.

Регулировка тока возврата токового реле

Для возврата в исходное положение, сила тока в реле должна уменьшиться как на видео. Насколько оно должно уменьшится, зависит от так называемого коэффициента возврата реле.

Оно зависит от конструкции, а также может настраиваться индивидуального для каждого реле за счет натяжения или ослабления пружины. Это вполне можно сделать своими руками.

Это интересно: Как передать показания электросчетчика через интернет и другими способами