Применение, устройство и расчет параметров электромагнитных реле

Применение, устройство и расчет параметров электромагнитных реле
Поделится:

Введение

В области электроники и автоматизации электромагнитные реле являются жизненно важными компонентами. Они используют малые сигналы для управления большими токами и напряжениями. Реле используются в различных областях, от промышленных систем управления до бытовой электроники.

Эта статья посвящена описанию основных принципов работы электромагнитных реле, а также их основных характеристик и методов расчета параметров. Поначалу мы рассмотрим основные типы электромагнитных реле, объясним, как они работают, а затем поговорим о том, как определяются ключевые параметры электромагнитных реле.

Определение электромагнитного реле

Электромагнитные реле — это устройства, которые реагируют на величину электрического тока посредством притяжения ферромагнитного якоря или сердечника при прохождении тока через его обмотку.

Основные типы электромагнитных реле

Вот более подробное описание основных типов электромагнитных реле:

  1. Втяжные реле: Эти реле имеют движущийся сердечник, который движется в направляющей втулке, сделанной из материала, который не магнитен. Втяжное реле часто называют соленоидным, если у него нет магнитопровода.
  2. Поворотные реле: Эти реле имеют подвижный якорь. Поворотное реле часто называют клапанным, если его угол поворота небольшой (от 5 до 10 градусов).
  3. Реле переменного тока: Электромагнитные реле переменного тока обычно имеют магнитную систему, состоящую из магнитопровода I-, П- или Ш-образной формы. Магнитопровод изготавливается из листовой электротехнической стали, которая имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи.
  4. Реле постоянного тока: Эти реле обычно используются в автомобильной электронике и других схемах, где требуется только постоянный ток.
  5. Твердотельное реле: Это реле с механическими функциями, но без движущихся частей. В большинстве случаев они более долговечны и надежны, чем механические реле.
  6. Силовые реле: Силовые реле часто используются в промышленных схемах, потому что они могут коммутировать большие токи, обычно более 40 ампер.
  7. Сигнальные реле: Сигнальные реле часто используются в телекоммуникационном оборудовании, потому что они могут коммутировать очень малые токи.
  8. Реле защиты: Реле защиты используются для защиты электрических цепей от перегрузки или короткого замыкания.
  9. Таймeры и задержки включения: После определенного времени эти реле включают или выключают электрическую цепь.
  10. Реле силовой электроники: Эти реле используют полупроводниковые устройства, такие как тиристоры и транзисторы, для коммутации электрических цепей.
  11. Термореле: Термореле широко используются в системах отопления и кондиционирования, поскольку они реагируют на изменение температуры.
  12. Реле давления: Реле давления часто используются в гидравлических и пневматических системах и реагируют на изменение давления.
  13. Реле уровня: Реле уровня отслеживают изменение уровня жидкости или твердых веществ.

Каждый тип реле используется для удовлетворения определенных требований системы и имеет свои особенности. Например, втяжные реле обычно используются в системах, которые требуют быстрого и точного переключения, в то время как поворотные реле обычно используются в системах, которые требуют более постепенного и плавного переключения. В то время как реле переменного тока часто используются в системах, требующих управления переменным током, твердотельные реле обычно используются в системах, которые требуют надежности и долговечности.

Принцип работы электромагнитных реле

Электромагнитные реле — это сложные устройства, состоящие из нескольких важных компонентов, каждый из которых играет ключевую роль в обеспечении их функциональности.

Принцип работы элeктромагнитного реле основан на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока через обмотку. Электромагнитное поле, созданное током в обмотке, притягивает подвижный элемент, такой как якорь, вызывая перемещение контактов и, следовательно, изменение состояния электрической цепи.

Устройство

Устройство электромагнитного реле
  1. Магнитная система и катушка: Спираль провода, обернутая вокруг магнитного материала, называется обмоткой. Магнитное поле образуется, когда электрический ток проходит через обмотку. Якорь или сердечник, подвижная часть магнитной системы, подвергается воздействию магнитного поля и перемещается.
  2. Контакты: Контакты — это элeктрические проводники, которые соединяются или разъединяются в ответ на движение подвижной части. Состояние контактов определяет, открыта ли или закрыта электрическая цепь в реле.
  3. Пружины: Реле имеет пружины, которые выполняют функции возвратных и контактных элементов. Они обеспечивают, что когда магнитное поле прекращается, подвижная часть и контакты возвращаются в первоначальное положение.
  4. Орган для сравнения: Подвижная часть, дополнительные грузы и пружины являются компонентами, которые составляют орган сравнения. Он обеспечивает стабильность работы реле и помогает контролировать перемещение контактов.
  5. Якорь: Якорь является еще одним важным компонентом электромагнитного реле. Это движущийся компонент, который реагирует на магнитное поле, созданное в обмотке. Якорь может быть сделан из металлической пластины или сердечника, который может двигаться, когда магнитное поле воздействует на него. На состояние электрической цепи в реле влияет изменение положения контактов в результате движения якоря. Принцип работы электромагнитного реле зависит от правильного управления этим подвижным компонентом; это очень важно для обеспечения надежной и эффективной работы всего устройства.

Расчет параметров электромагнитных реле

Расчет параметров электромагнитных реле включает в себя определение ключевых характеристик реле, таких как тяговая характеристика и механическая (нагрузочная) характеристика.

Расчет обмотки

Сопротивление обмотки

Сопротивление обмотки реле можно рассчитать по следующей формуле:

R = \frac{ρ * (n * l)} {(π * (\frac{d}{2})^2)}

где,

  • R — сопротивление обмотки,
  • ρ — удельное сопротивление материала провода,
  • n — число витков обмотки,
  • l — средняя длина витка,
  • d — диаметр провода.

Ток срабатывания реле

Ток срабатывания реле раве:

I = \frac{Uс}{ R}

где,

  • I — ток срабатывания,
  • Uс — напряжение срабатывания,
  • R — сопротивление обмотки.

Индуктивность (L)

Формула:

L= \frac{μ_0×μ_i×N^2×A}{l}
​

где,

  • μ0​ — магнитная постоянная,
  • μi​ — относительная магнитная проницаемость материала обмотки,
  • N — число витков,
  • A — площадь поперечного сечения провода,
  • l — длина обмотки.

Механическая (нагрузочная) характеристика

Механическая (нагрузочная) характеристика определяет максимальное усилие, которое может быть передано через контакты реле.

Важно отметить, что эти формулы являются упрощенными и могут не учитывать все факторы, влияющие на работу реле. В реальных условиях могут потребоваться более сложные расчеты, учитывающие такие факторы, как температура, вибрация, влажность и другие параметры.

Тяговая характеристика якоря

Тяговая характеристика определяется изменением усилия притяжения при изменении рабочего воздушного зазора δ между неподвижной и подвижной (якорем или сердечником) частями магнитной системы при определённой намагничивающей силе обмотки. Она определяется для реле постоянного тока, как:

F = \frac{(μ0 * μ * N^2 * I^2)} {(2 * g^2)}

где,

  • F — сила притяжения,
  • μ0 — магнитная постоянная,
  • μ — относительная магнитная проницаемость материала,
  • N — число витков обмотки,
  • I — ток через обмотку,
  • g — воздушный зазор.

Масса якоря (m)

Формула:

m = \rho_{\text{материала}} \times V_{\text{якоря}}

где,

  • ρматериала​ — плотность материала якоря,
  • Vякоря​ — объем якоря.

Расчет магнитной проводимости рабочего воздушного зазора

Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора может быть рассчитана по следующей формуле:

Λ = \frac{μ0 * μ * A} { g}

где,

  • Λ — магнитная проводимость,
  • μ0 — магнитная постоянная,
  • μ — относительная магнитная проницаемость материала,
  • A — площадь поперечного сечения,
  • g — воздушный зазор.

Расчет магнитного потока

Магнитный поток в электромагнитном реле может быть рассчитан по следующей формуле:

Φ = B * A

где,

  • Φ — магнитный поток,
  • B — магнитная индукция,
  • A — площадь поперечного сечения.

Сила, действующая на якорь (F)

F=B*I*l

где,

  • B — магнитная индукция,
  • I — ток через обмотку,
  • l — длина якоря в магнитном поле.

Сила пружины (F)

Формула:

F=k*x

где,

  • k — коэффициент упругости пружины,
  • x — величина сжатия или растяжения.

Примеры расчетов

Давайте рассмотрим пример расчета параметров для электромагнитного реле.

Предположим, у нас есть реле с обмоткой из медного провода диаметром 0.5 мм, число витков обмотки N = 500, и мы хотим рассчитать сопротивление обмотки и ток срабатывания при напряжении срабатывания 12 В.

Расчет сопротивления обмотки:

Для меди удельное сопротивление

\rho \approx 1.68 \times 10^{-8} \, \text{Ом} \cdot \text{м}

Длина витка l можно приближенно рассчитать как периметр квадрата со стороной, равной диаметру провода. Тогда получаем:

l = \pi \cdot d \approx 3.14 \cdot 0.0005 \, \text{м} = 0.00157 \, \text{м}

Тогда сопротивление обмотки R будет:

R = \frac{\rho \cdot (n \cdot l)}{\pi \cdot \left(\frac{d}{2}\right)^2} \approx \frac{1.68 \times 10^{-8} \cdot (500 \cdot 0.00157)}{3.14 \cdot \left(\frac{0.0005}{2}\right)^2} \approx 8.9 \, \text{Ом}

Расчет тока срабатывания реле:

Ток срабатывания I можно рассчитать по формуле:

I = \frac{U_c}{R} = \frac{12 \, \text{В}}{8.9 \, \text{Ом}} \approx 1.35 \, \text{А}

Таким образом, для данного реле ток срабатывания составит примерно 1.35 А.

Применение электромагнитных реле

Электромагнитные реле широко используются в различных областях из-за их способностей управлять электрическими цепями эффективно. Вот некоторые примеры применения электромагнитных реле:

  1. Автомобильная промышленность:
    • Пример: Реле используются в автомобильных системах для управления фарой дальнего света, обогревом заднего стекла, вентилятором радиатора и другими электрическими устройствами.
  2. Электроэнергетика:
    • Пример: Реле используются для защиты и контроля в электроэнергетических системах, таких как реле перегрузки, реле дифференциальной защиты, реле напряжения и т.д.
  3. Промышленная автоматизация:
    • Пример: В промышленных системах реле применяются для управления электродвигателями, освещением, клапанами, насосами и другими устройствами.
  4. Телекоммуникации:
    • Пример: В телекоммуникационных системах реле могут использоваться для переключения между различными каналами связи, управления питанием оборудования и т.д.
  5. Бытовая техника:
    • Пример: Реле применяются в бытовых устройствах, таких как холодильники, стиральные машины, кондиционеры, для управления компрессорами и другими компонентами.
  6. Медицинское оборудование:
    • Пример: В медицинском оборудовании реле могут использоваться для управления электрическими частями аппаратов, включения и выключения устройств, контроля температуры и других функций.
  7. Информационные технологии:
    • Пример: В серверных комнатах и компьютерных системах реле могут применяться для аварийного отключения электропитания, управления вентиляцией, и других важных функций.
  8. Автоматизированные системы безопасности:
    • Пример: Реле используются в системах безопасности для управления сигнализацией, замками, контроля доступа и другими аспектами.
  9. Электроника управления:
    • Пример: Реле могут входить в состав электронных устройств для переключения различных режимов работы, управления временными задержками и другими функциями.
  10. Транспортные системы:
    • Пример: В железнодорожной отрасли реле могут использоваться для управления светофорами, сигналами и другими системами безопасности.

Заключение

Электромагнитные реле играют важную роль в технике, требуя точного выбора и расчета параметров для обеспечения надежности и эффективности систем. Правильные параметры гарантируют стабильность, низкое энергопотребление и соответствие техническим требованиям.

  • 22.11.2023