Прежде чем приступить к описанию реле серий РТ-80 и РТ-90, целесообразно вспомнить принципы действия электромагнитных и индукционных реле тока, так как в рассматриваемых реле сочетаются оба принципа.
В электромагнитных реле переключение контактов происходит под действием электромеханической силы притяжения ферромагнитного якоря к электромагниту.
На рис. 1 показано схематическое устройство электромагнитного реле тока. На магнитопровод 1 насажена катушка 2. Ток Ip, протекающий по ней, создает магнитный поток Фм, который замыкается по контуру: магнитопровод, воздушные зазоры, якорь 3. Направление магнитных силовых линий определяется по известному правилу буравчика. Нетрудно видеть, что при любом направлении тока магнитопровод и якорь представляют два магнита, обращенные друг к другу разноименными полюсами. Так, на рисунке магнитные силовые линии направлены в магнитопроводе от правого полюса к левому, а в якоре - от левого к правому. Поэтому между якорем и магнитопроводом возникает сила притяжения. При определенном токе, называемом током срабатывания, эта сила преодолевает силу притяжения возвратной пружины 4. Тогда якорь притянется к магнитопроводу, замкнув контакт 5. Размыкание контакта и возврат реле в исходное положение происходит при снижении тока до тока возврата. При этом токе сила притяжения становится меньше силы пружины.
Магнитный поток определяется соотношением, которое иногда называют законом Ома для магнитной цепи:
Здесь произведение тока Ip на число витков w называют намагничивающей силой по аналогии с ЭДС в электрической цепи; Rm - магнитное сопротивление контура, по которому замыкается поток. В данном случае оно складывается из магнитного сопротивления железа Rж и магнитного сопротивления воздушных зазоров R , причем R составляет всего несколько процентов общего сопротивления. Совершенно очевидно, что сопротивление воздушных зазоров пропорционально их суммарному значению дельта. Таким образом,
(2)
Электромагнитная сила притяжения F3 пропорциональна квадрату магнитного потока
(3)
Рис. 1. Устройство электромагнитного реле
Срабатывание и возврат происходят при равенстве электромагнитной силы притяжения противодействующей силе. Анализируя (3), можно сделать следующие выводы.
1. Если увеличить число витков, то во столько же раз уменьшится ток срабатывания и наоборот.
2. Сила притяжения обратно пропорциональна квадрату размера воздушного зазора б. Поэтому в начале движения якоря с уменьшением зазора эта сила резко возрастает, и якорь движется с большим ускорением. Процесс срабатывания протекает сотые доли секунды, т. е. изменение состояния реле происходит скачком. По этой же причине ток возврата реле меньше его тока срабатывания. Отношение тока возврата к току срабатывания реле называется коэффициентом возврата
3. Уменьшение противодействующей силы ведет к уменьшению тока срабатывания и тока возврата.
Таким образом, ток срабатывания реле можно регулировать числом витков, размером зазора и натяжением пружины.
В индукционных реле подвижной частью служит алюминиевый диск или барабанчик, укрепленный на оси и поворачивающийся под действием вращающего момента. Вращающий момент является результатом взаимодействия магнитных потоков с наведенными ими в диске или барабанчике вихревыми токами.
Рис. 2. Принцип действия индукционного реле
Поместим диск в зазорах двух электромагнитов, по катушкам которых протекают переменные токи I1 и I2 (рис. 2). Каждый ток создает магнитный поток, пронизывающий диск. Если известны положительные направления токов (обозначены стрелками), то по правилу "буравчика" легко определить направления потоков. При вращении рукоятки по направлению тока движение буравчика совпадает с направлением силовых линий. Если смотреть на диск сверху, то поток Фх, создаваемый током I1, направлен от наблюдателя (крестик - хвост летящей стрелы); поток Ф2, создаваемый током I2, направлен к наблюдателю (точка - острие летящей стрелы).
Если изменения токов происходят синусоидально, то таким же образом изменяются магнитные потоки. Но тогда согласно закону электромагнитной индукции в диске должны наводиться ЭДС и циркулировать вихревые токи (токи трансформации). Вокруг следа полюсов первого электромагнита образуется контур с током I1д , вокруг следа полюсов второго электромагнита I2д- Направления этих токов определяются опять по правилу буравчика: если буравчик движется по направлению потока, рукоятка вращается по направлению тока.
Как известно, между магнитным потоком и током, находящимся в его поле, возникают электромеханические силы взаимодействия. Так как здесь мы имеем два потока и два контура с током, то необходимо рассмотреть четыре силы. Направления этих сил определяются по правилу "левой руки". Результирующая сила взаимодействия потока Ф, с током I1д при симметрии магнитного потока равно нулю, потому что она представляет сумму взаимно уравновешенных сил левой и правой половины контура. Точно так же равна нулю и сила взаимодействия потока Ф2 со "своим" током i2d, (На рис. 2 эти силы не показаны.) Отсюда следует, что в индукционных реле и приборах должно быть не менее двух потоков.
Иной результат получается при взаимодействии потока Ф2 с током i1д. Токи в левой и в правой половинах контура противоположны. Поэтому правая часть контура отталкивается от потока Ф2 с силой f1 , а левая - притягивается к нему с силой I2. Но поскольку правая половина расположена от оси магнитного потока ближе, чем левая, то Д >f2 и равнодействующая Fl =Д -— f2 направлена влево. Рассматривая аналогично взаимодействие потока Ф, с током i2d , устанавливаем, что F2 = f3 - f4 направлена вправо. Итак, мы имеем две силы, направленные противоположно: Fl - сила взаимодействия тока f1д с потоком Ф2 и F2 -сила взаимодействия тока L с потоком Ф,.
Если магнитные потоки сдвинуты по фазе, то равнодействующая сила не равна нулю. Можно доказать, что она всегда направлена от оси опережающего магнитного потока к оси отстающего. Иными словами, отстающий магнитный поток притягивает контур с током, созданным опережающим магнитным потоком.
Равнодействующая сила F = F± - F2 создает вращающий электромагнитный момент JW = Fnd, где d - плечо силы.
Вращающий момент пропорционален магнитным потокам и синусу угла сдвига между ними
Мэ = k* Ф1*Ф2*sinф. (5)
Очевидно, что наибольший вращающий момент возникнет при сдвиге потоков на 90°.
В индукционных реле тока магнитный поток, созданный протекающим по катушке током, необходимо расщепить на два потока и сдвинуть их пространственно и по фазе. Достигается это следующим образом (рис. 3). На верхний и нижний полюсы электромагнита насаживаются короткозамкнутые витки (экраны), охватывающие часть сечения магнитопровода. Через экранированную часть полюсов проходит поток Ф1} через неэкранированную часть - поток Ф2. Поток Ф1 индуктирует в короткозамкнутых витках ЭДС Ек, отстающие от него на 90°.
В короткозамкнутых витках протекают токи Iк, вызванные Ек и примерно совпадающие с ней по фазе.
Рис. 3. Принцип действия (а, б) и векторная диаграмма (в) индукционного реле тока с диском
Поток Ф1 вызывается током намагничивания Iнам и с некоторым допущением совпадает с ним по фазе. Ток намагничивания определится как векторная сумма части тока в катушке и тока в короткозамкнутых витках (приведенных к числу витков катушки):
Iнам= kIp + Ik
Что же касается потока Ф2, выходящего из неэкранированной части полюсов, то он вызывается только током катушки Ip пропорционален ему и при том же допущении совпадает с ним по фазе.
Рассматривая векторную диаграмму (рис. 3, в), видим, что требуемый сдвиг потоков достигнут и создан вращающий момент. Его значение определяется по (5). Если поток пропорционален току, вращающий момент пропорционален квадрату тока:
Мэ =k*I2. (6)
Однако, как известно, вследствие насыщения магнитопровода пропорциональность магнитного потока создавшему его току сохраняется до некоторого предела. При дальнейшем возрастании тока магнитный поток не изменяется.
Рис. 4. Зависимость времени срабатывания реле от тока:
А — зависимая часть; В — независимая часть
На вращающийся диск действуют вращающий и тормозной моменты. Тормозной момент Мт вызывается рядом факторов: трением в опорах, сопротивлением воздуха, взаимодействием токов "резания", индуктированных в диске при его вращении, с магнитными потоками, и наконец, моментом, создаваемым имеющимся в реле тормозным магнитом. Вращаясь между полюсами магнита, диск пересекает его магнитные силовые линии. В результате этого в диске наводится ЭДС, пропорциональная частоте вращения со. Под ее действием возникают контуры с током. Электромеханическая сила взаимодействия этих токов с потоком создает тормозной момент, значительно превосходящий вышеперечисленные. Поэтому с достаточной точностью можно считать, что М = к' w . При постоянной частоте
(7)
Следовательно, частота вращения пропорциональна квадрату тока.
Как только ток Ip достигнет тока срабатывания реле, ось диска свяжется червячной передачей с толкателем, воздействующим на контакты так, что их переключение происходит после определенного числа оборотов. Таким образом создается логический элемент "время" без использования часового механизма. Выдержка времени определится так
(8)
где п - число оборотов, определяемое положением толкателя.
При заданном числе оборотов выдержка времени обратно пропорциональна квадрату тока. Зависимость времени срабатывания реле от тока представлена на рис. 4. Характеристика имеет зависимую и независимую части. Переход характеристики в независимую часть при определенном токе объясняется насыщением магнитопровода. Дальнейшее увеличение тока не приводит к возрастанию магнитного потока. Поэтому частота вращения не увеличивается. Согласно принятой терминологии реле имеет ограниченно-зависимую характеристику выдержки времени.
