Основные конструкционные узлы и принцип действия контактных реле

Наиболее распространенными элементами систем железнодорож­ной автоматики и телемеханики являются реле и приборы релей­ного действия, при помощи которых осуществляются процессы автоматического управления, регулирования и контроля движения поездов, а также различные схемные зависимости.

Основным отличием реле и приборов релейного действия от дру­гих элементов автоматики и телемеханики является скачкообраз­ное изменение выходной величины упри плавном изменении вход­ной величины х . При изменении входной величины от нуля до х_сp (срабатывания) выходная величина у остается постоянной и равной нулю (или близкой к нулю). После достижения входной величиной значения х_ср скачкообразно изменяется выходная величина от нуля до у₁. При дальнейшем изменении входной вели­чины выходная величина не изменяется и остается равной у₁. При уменьшении входной величины до х₀ (отпускания) выходная вели­чина скачкообразно уменьшается до нуля и остается неизменной.

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики, как правило, применяют реле и приборы релейного действия, в которых входными и выходными являются электрические величины (ток и на­пряжение). Если скачкообразное изменение тока в выходной цепи достигается физическим размыканием цепи, то такой элемент назы­вают контактным реле, или просто реле. Если скачкообразное изменение тока в выходной цепи обусловливается изменением внут­реннего состояния элемента (внутреннего сопротивления проводи­мости, индуктивности и т. п.) без физического размыкания цепи, то такой элемент называют прибором релейного действия, или бесконтактным реле.

Основной частью реле является электромагнит — наиболее простой преобразователь электрического сигнала в меха­ническое перемещение. Электромагнит состоит из обмотки с сер­дечником , ярма и подвижной части, называемый якорем. Якорь воздействует на исполнительный орган – контакты. При прохожде­нии тока по обмотке возникает магнитный поток; магнитные силовые линии замыкаются через воздушный зазор, пронизывают якорь, который под действием электромагнитных сил притягивает­ся, замыкая контакты. Это явление называется срабатыванием (возбуждением) реле. При выключении тока якорь под действием силы тяжести (собственного веса) или сил реакции контактных пружин возвращается в исходное состояние, размыкая контакты. Это явление называется отпусканием (обесточиванием) реле.

Для условного обозначения состояний элементов автоматики и телемеханики, в том числе и реле, применяют двоичную систему счисления: возбужденное состояние реле обозначают символом 1, обесточенное — символом 0.

Контактные реле получили наибольшее распространение в экс­плуатируемых устройствах железнодорожной автоматики и теле­механики благодаря их простоте и надежности работы. К их до­стоинствам следует отнести возможность одновременного независимого переключении нескольких выходных цепей постоянного и пере­менного тока, что обусловлено наличием раздельных групп контак­тов у этих элементов. При этом выходные цепи оказываются галь­ванически не связанными одна с другой и с входной цепью.

Достоинствами реле также являются малые потери мощности в контактном переходе, практически бесконечное отношение сопротив­лений контакта в разомкнутом и замкнутом состояниях, независи­мость от воздействия электрических и магнитных нолей, высокая электрическая прочность и др.

Однако контактные реле имеют относительно большие размеры и массу, небольшой срок службы, особенно при работе в импульсном режиме, недостаточное быстродействие, обусловленное наличием механических перемещений при работе реле. Указанные недостатки в основном могут быть устранены применением бесконтактных реле, у которых отсутствуют подвижные трущиеся элементы. Бесконтактные приборы обладают большим быстродействием, имеют малые размеры и массу, менее подвержены воздействию вибрации, наблюдающейся при проследовании подвижного состава. Бесконтактные приборы получают все более широкое внедрение.

Вместе с тем бесконтактные приборы релейного действия имеют и существенные недостатки, которые связаны с трудностью построения бесконтактных элементов, отвечающих одному из основных требова­ний к устройствам СЦБ — исключению опасных положений при по­вреждении отдельных элементов схем. При использовании бескон­тактных реле возникает трудность одновременного коммутирования нескольких выходных цепей, гальванически не связанных друг с дру­гом. Указанные недостатки ограничивают область применения бес­контактных реле в устройствах железнодорожной автоматики и те­лемеханики, поэтому в ответственных исполнительных цепях, а также при необходимости коммутации нескольких гальванически не связан­ных выходных цепей сохраняются, как правило, контактные реле, ко­торые непрерывно совершенствуются.

В перспективе наиболее приемлемым следует признать оптималь­ное сочетание контактных и бесконтактных приборов. Применение тех или иных приборов в конкретных системах автоматики и телемехани­ки определяется на основании эксплуатационных, технических и экономических требований, предъявляемых к вновь разрабатывае­мым и проектируемым системам.

Рассмотренные классификация и основ­ные характеристики относятся лишь к контактным реле.

Требования к надежности работы реле

По надежности действия реле подразделяются на I и низшие клас­сы надежности.

К реле I класса надежности относятся реле, у которых возврат якоря при выключении тока в обмотках обеспечивается с максималь­ной гарантией и осуществляется под действием собственного веса (силы тяжести). Реле I класса надежности имеют также следующие дополнительные свойства, обеспечивающие высокую надежность их действия:

несвариваемость фронтовых контактов, замыкающих наиболее ответственные цепи при возбужденном состоянии реле; для этого фронтовые контакты изготовляют из графита с примесью серебра, а остальные контакты — из серебра;

надежное контактное нажатие и сравнительно большие меж­контактные расстояния (нажатие на фронтовые контакты не менее 0, 3 Н, на тыловые — не менее 0, 15 Н), зазор между контактами при крайних положениях якоря должен быть не менее 1, 3 мм; исключение залипания якоря при выключении тока в обмотке реле, что обеспечивается наличием антимагнитных штифтов на якоре.

Реле I класса надежности применяют во всех системах автоматики и телемеханики без дополнительного схемного контроля отпускания якоря.

У реле низших классов надежности возврат якоря при выключении тока в обмотках реле может обеспечиваться как под действием собственного веса, так и под действием сил реакции контактных пру­жин. Эти реле, как правило, используют в схемах, не связанных непо­средственно с обеспечением безопасности движения поездов (дис­петчерский контроль, схемы наборной группы маршрутно-релейной централизации, кодовая аппаратура диспетчерской централизации и др.). При использовании этих реле в ответственных цепях (дешифраторы автоблокировки и АЛС, путевые реле импульсных рельсо­вых цепей и др.) предусматривают обязательный схемный контроль притяжения и отпускания якоря реле при непрерывной импульсной работе. Если же эти реле работают в ответственных цепях с непрерыв­ным питанием, то применяют их дублирование (параллельное или последовательное включение обмоток реле и последовательное вклю­чение контактов).

Магнитная система реле

В конструкции реле следует применять такие магнитные материалы, которые обладают максимальной магнитной проницаемостью и незначительной коэрцитивной силой и не подвергаться заметному старению.

Ферромагнитный материал проявляет явления гистерезиса и насыщения и чья проницаемость зависит отнапряженности магнитного поля.Микроскопически элементарные магниты выстраиваются параллельно вобъемах, называемых доменами. Ненамагниченное состояние ферромагнитного материала обусловленополной нейтрализацией намагничивания доменов, создающее нулевое внешнее намагничивание.

Конструкция реле должна предусматривать максимальное использование магнитного материала для основного назначения. Тяговое усилие электромагнита реле и противодействующие механические силы, возникающие во время движения якоря, должны быть согласованы так, чтобы были исключены сильные удары якоря о сердечник и не нарушалось соответствие положения контактов с положением якоря. Движение якоря ограничивается упорами, которые должны быть изготовлены из полностью антимагнитного и устойчивого к коррозии материала.

В течение предписанного срока службы реле воздушный зазор для притянутого якоря не должен быть меньше 0, 2 мм, чтобы не вызвать примыкания якоря.

Магнитная цепь – устройство, содержащее сердечники из ферромагнитных материалов, через которые замыкается магнитный поток. Рис.1.7

Рис.1.7

Магнитные цепи являются составными частями электротехнических установок: двигателей, генераторов, трансформаторов, реле и других устройств.

Магнитная цепь представляет собой совокупность источника намагничивающей силы и магнитопровода.

Источником намагничивающей силы является обычно обмотка (катушка) с током или постоянный магнит.

Магнитопроводы предназначены для усиления магнитного потока и придания магнитному полю определенной конфигурации. Иногда магнитопровод может включать воздушные промежутки. В качестве материала для магнитопроводов применяются ферромагнитные материалы.

Закон Ома для неразветвленной магнитной цепи: магнитный поток прямо пропорционален магнитодвижущей силе и обратно пропорционален полному магнитному сопротивлению цепи.

(практически не применяется из-за нелинейности сопротивлений).

Законы Кирхгофа для магнитных цепей:

I закон Кирхгофа для магнитной цепи – алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равна нулю.

II закон Кирхгофа для магнитной цепи – в контуре магнитной цепи алгебраическая сумма магнитодвижущих сил равна алгебраической сумме магнитных напряжений на отдельных участках.

Рассчитать магнитную цепь - это значит по заданному магнитному потоку (магнитной индукции), кривым намагничивания и геометрическим размерам магнитной цепи определить намагничивающую силу, необходимую для создания заданного потока.

Расчет неразветвленных магнитных цепей:

1.Проводят среднюю магнитную линию и по ней разбивают цепь на однородные участки (т.е. одинакового поперечного сечения и магнитной проницаемости) и определяют их длину и сечение.

2.По формуле В=Ф/S определяют магнитные индукции участков.

3.Необходимую напряженность для участков, выполненных из ферромагнитных материалов находят по кривым намагничивания, а для воздушных зазоров по формуле Н₀=В/m₀.

4.По закону полного тока складывая магнитные напряжения всех участков определяют намагничивающую силу, необходимую для создания в данной цепи потока Ф: Iw=Н₁l₁+H₂l₂+…

Рис.1.8

Простейший электромагнит - стальной сердечник, на котором размещается катушка. Рис.1.8

Контактная система реле

Влияние физических факторов на сопротивление контактов. Параметры контактной системы.

1. Раствор контактов – кратчайшее расстояние между разомкнутыми контактными поверхностями подвижной и неподвижной контакт-деталей.

2. Провал контактной системы – продвижение подвижного контакта

после соприкосновения контактных поверхностей ( l).

3. Контактное нажатие – сила, сжимающая контакты. Различаются начальное Р_н и конечное Р_к нажатия, где Р_к = Р_н + с l (с – жесткость контактной пружины).

Контактное нажатие:

увеличением контактного нажатия переходное сопротивление снижается. Это объясняется тем, что по мере роста нажатия на контакты увеличивается действительная площадь их соприкосновения вследствие деформации неровностей на соприкасающихся поверхностях. При дальнейшем увеличении нажатия материал контактов деформируется в меньшей степени, и уменьшение переходного сопротивления замедляется

Характер изменения переходного сопротивления при уменьшении контактного нажатия иной. Это обусловлено наличием остаточной деформации микронеровностей на контактирующих поверхностях. Это справедливо для твердометаллических контактов.

Для ЖМК сопротивление контактов практически не зависит от нажатия и оно в несколько раз ниже, чем для твердометаллических контактов. Это объясняется тем, что в ЖМК действительная контактная поверхность равна кажущейся, т. е. микронеровности контактной поверхности не влияют на величину контактного сопротивления.

Контактная поверхность:

увеличением площади контактной поверхности увеличивается число точек соприкосновения n в выражении.

Однако для твердометаллических контактов влияние контактной поверхности на переходное контактное сопротивление невелико вследствие того, что переходное сопротивление зависит не от удельного, а от полного нажатия на контакты, поскольку контактирование происходит не по кажущейся площади контакта, а в контактной точке (действительной площади).

Однако с величиной контактной поверхности приходится считаться в силу того, что при протекании тока через контакт происходит нагрев материала контакта. Поэтому при больших токах электрические потери могут быть значительными и для отвода тепла от контакта необходима достаточная величина поверхности контактного соединения.

Сопротивление ЖМК существенно уменьшается с увеличением площади их соприкосновения, вследствие указанной выше причины.

Температура контактной поверхности.

увеличением температуры нагрева твердометаллического контакта его переходное сопротивление возрастает вследствие повышения удельного электросопротивления контактного материала

Но с возрастанием температуры увеличивается поверхность соприкосновения, так как увеличивается деформация микронеровностей на контактирующих поверхностях вследствие снижения механической прочности контактного материала, и сопротивление контакта уменьшается.Последующее резкое снижение переходного сопротивления (в точке г) после некоторого его возрастания происходит при достижении температуры плавления контактного материала.

Сопротивление ЖМК монотонно возрастает с повышением температуры (прямая 2), вследствие увеличения удельного сопротивления жидкого металла.

При переходе тока через контактную поверхность происходит выделение тепла. Из-за наличия переходного сопротивления температура контактной поверхности превышает температуру контакт-детали. Превышение температуры контактной площадки над температурой контакт-детали будет соответствовать.

Эффект Пельтье возникает при протекании тока через место контактирования проводников из 2-х разнородных металлов. Он объясняется наличием контактной разности потенциалов. Если электрическое поле, создаваемое контактной разностью потенциалов, ускоряет электроны, то в спае выделяется теплота Пельтье; если поле задерживает движение электронов, то теплота поглощается.

Эффект Колера является результатом туннельного сопротивления, присущего пленкам на поверхности соприкасающихся контактов. Кинетическая энергия прошедших через пленку туннельных электронов увеличивается, когда они достигают анода, имеющего меньший отрицательный потенциал, чем катод. Избыток энергии преобразуется в виде теплоты. В результате анодная сторона на пленке нагревается сильнее.

Все три эффекта имеют место независимо от выделения теплоты Джоуля в контакте. Существенное влияние они могут приобретать лишь в контактах при протекании весьма малых токов.

Состояние контактных поверхностей.

Выше отмечалось, что на величину контактного сопротивления существенно влияют окисные пленки и загрязнения на поверхности контактов. Это особенно влияет на контакты, работающие в химически агрессивных средах, в условиях повышенной температуры, влажности, запыленности. Кроме некоторых благородных металлов (золота, платины), почти все металлы взаимодействуют с окружающей средой, образуя различные пленки.

Следует отметить, что окиси серебра имеют низкое электрическое сопротивление сравнимое с сопротивлением чистого серебра. Поэтому, учитывая относительно низкую стоимость серебра, серебряные контакты получили наибольшее применение в электрических аппаратах.

Коррозия контактных поверхностей может привести к временному или полному нарушению проводимости контакта.

Сильное окисление меди начинается уже при 70°С, а при 100°С сопротивление медных контактов может возрасти в несколько десятков раз. Необходимо защищать контакты от коррозии. Это осуществляется применением антикоррозийных покрытий из металла, лака или смазки. Для защиты контактов от коррозии применяется нажатие большой силы на контактные поверхности (происходит механическое разрушение окисных пленок).

В коммутирующих подвижных контактах происходит эффект самоочищения контактных поверхностей от окисных пленок вследствие их разрушения при трении и взаимном перемещении контактов относительно друг друга.

Шлифовка контактных поверхностей увеличивает переходное сопротивление по сравнению с обработкой напильником, так как при шлифовке бугорки, микронеровности на поверхности контакта становятся более

пологими, и смятие их затрудняется.

Время эксплуатации

Электрическое сопротивление контакта не остается постоянным во времени, так как толщина окисных пленок на поверхности контакта с течением времени увеличивается. Однако при этом увеличивается падение напряжения на контактном переходе, градиент электрического поля в пленке и температура контакта

Совместное действие высокой температуры нагрева и электрического поля приводит к электрическому пробою (фритингу) и разрушению окисной пленки. Контактное сопротивление падает, но в последствии процесс повторяется.

Особенности работы подвижных контактных соединений

Режимы работы контактов

- работе подвижных контактов аппаратов различают три режима: замкнутое состояние, размыкание контактов, замыкание контактов.

Замкнутое состояние.Процессы, происходящие в замкнутом состоянии контактных соединений, аналогичны процессам, происходящим в неподвижных контактах. Это наиболее благоприятный момент работы для подвижных контактов.

Процесс размыкания цепи. Это наиболее тяжелый момент работы подвижных контактов. Процесс размыкания имеет несколько фаз.

а) Начальная фаза − от t = 0 до t = T₁, контакты еще не разошлись, но изменяется либо площадь, либо усилие на контактах, что приводит к изменению переходного сопротивления Г_пер. При t = T₁ Г_пер резко возрастает,

вызывая усиленный нагрев контакта, который может быть достаточен для расплавления материала контакта.

б) Фаза при t ≥ T₁ соответствует началу расхождения контактов. При этом первое время между контактами будет существовать жидкий мостик из расплавленного металла, который, при дальнейшем расхождении контакта прерывается, унося часть металла с анода. в) При этой фазе расхождения контактов происходит резкое увеличение падения напряжения на контактах, которое может привести к возникновению газового разряда (дуги). Например: для Сu: U = 12 В, I = 0, 42 A;

для Al: U = 14 В, I = 0, 5 A.

Процесс замыкание цепи.

При уменьшении расстояния между контактами до 10^{− 5} см резко увеличивается градиент напряжения E = ^du_dx. Под влиянием этого электрического поля Е возникает автоэлектронная эмиссия электронов с поверхности катода, являющаяся причиной появления искры. Так как в

следующий момент времени контакты замыкаются, то искра не успевает обычно превратиться в дугу. Однако дуга может возникнуть при замыкании контактов в случае наличия вибрации их. Таким образом, возникновение электрических разрядов при замыкании и размыкании подвижных контактов приводит к разрушению их вследствие электрического износа.

Электрический износ контактов. Электрический износ или эрозия –это явления физического характера (плавление, испарение, распыление металла), происходящие на рабочих

поверхностях. Сопровождаются переносом металла с одного контакта на другой. При малых токах разрушение контакта вызывается плавлением контактных точек и вытягиванием жидких мостиков металла. Следствием этого является перенос металла контакта с анода на катод и образование иглы на поверхности катода и углубления (кратера) на поверхности анода, что приводит к значительному изменению формы контакта. При горящей дуге интенсивная ионизация молекул газа вызывает бомбардировку и разрушение катода ионами газа. В этом случае наблюдается перенос металла с катода на анод. Вследствие термического действия дуги происходит испарение, разбрызгивание материала контактов. Разрушение происходит как у анода, так и у катода. Износ контактов тем больше, чем больше ток, протекающий через контакты.

Более твердые контактные материалы дают меньший износ, чем мягкие. При дуговом разряде имеет место перенос металла с катода на анод, при искревом разряде – наоборот.

Следует отметить, что благородные металлы хорошо сопротивляются коррозии и сильнее подвержены действию эрозии.

Уменьшение эрозии контактов достигается:

-за счет быстрого перемещения дуги из зоны горения и гашение ее (меньше расплавлено металла);

- применением эрозионно стойких материалов из металлокерамики (медь – графит и др);

- при малых токах применением шунтирования контакта емкостью (часть энергии разряда уходит на заряд конденсатора).

Механический износ контактов. Силы сжатия при ударе контактов, скольжение их друг о друга и контактное нажатие вызывают расплющивание, растрескивание, истирание материала контактов, т. е. их механическое разрушение. Чем больше число замыканий в единицу времени, тем больше износ. Чем выше сила нажатия, тем выше износ. Практически механический износ очень мал и составляет 1-3% от электрического износа.

В процессе работы подвижные контакты подвержены коррозии больше, чем неподвижные. Это вызывается большей возможностью для проникновения коррозии к контактным поверхностям при разомкнутых контактах. Кроме того из-за повышенной температуры, вызванной увеличением переходного сопротивления в момент размыкания, окисление контактов проходит более интенсивно.

Однако следует иметь ввиду, что у подвижных контактов замыкание и размыкание сопровождаются ударами и скольжением контактных поверхностей друг об друга, это приводит к разрушению и удалению окисного слоя (самоочищению), следовательно, Г_пер уменьшается. У неподвижных же контактов процесс самоочищения отсутствует. Вибрация и сваривание контактов

Вибрация контактов – отскакивание подвижных контактов − связана с механическими и электродинамическими силами в контактных соединениях.

Сваривание контактов происходит в результате высокого нагрева и плавления контактных точек. К свариванию может привести наличие вибрации, эрозии, больших токов короткого замыкания. Возникающая в результате вибраций электрическая дуга расплавляет поверхности контактов и при последующем соударении расплавленные поверхности, приходя в соприкосновение, сцепляются, металл застывает, так как уже дуги нет, и контакты оказываются сваренными.

Контакты могут свариться и в замкнутом состоянии, если через них протекает ток короткого замыкания, который вызывает значительное выделение тепла в переходном сопротивлении.

Сваривания можно избежать, уменьшая вибрации: увеличивая силу нажатия; уменьшая переходное сопротивление; применяя жидкометаллические контакты.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. B. Принципы единогласия и компенсации
2. DSM-IV-TR: Основные характеристики.
3. I. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ НАПИСАНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
4. I. Сила толерантного взаимодействия
5. I. ЭТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПСИХОЛОГА
6. I.1. Основные предпосылки и механизмы развития речевой деятельности
7. II. Основные задачи управления персоналом.
8. II. Основные принципы создания ИС и ИТ управления.
9. III. ЗАЩИТНЫЕ ДЕЙСТВИЯ Я, РАССМАТРИВАЕМЫЕ КАК ОБЪЕКТ АНАЛИЗА
10. III. Основные идеологические течения в истории гражданского права. Идеализм и позитивизм
11. III. Основные учебники, учебные пособия, словари и хрестоматии.
12. III. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАЙОННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОФСОЮЗА