Реле или устройство релейного действия?
В данной статье предлагается новый, возможно даже и неверный, взгляд на казалось бы понятные и привычные вещи.
Любой человек, хоть мало-мальски знакомый с электричеством знает, что такое реле. Характерная конструкция с катушкой провода и узкими пластинками-тоководами и капельками-контактами на конце мало кого сможет поставить в тупик. Более продвинутые знатоки смогут объяснить, что такое реле времени и реле поворотов, ну а совсем уж крутые специалисты знают, что такое микропроцессорные реле защиты и вероятно хотя бы раз в жизни видели их воочию.
Конструкция реле, родившись на заре развития электротехники, за минувшие 150 лет почти не претерпела изменений. Все та же обмотка, (Рис. 1)
магнитопровод с сердечником, подвижный якорь, ярмо, пружины (хотя существует целый класс реле, у которых нет пружин, их функции выполняет сила тяжести), контакты и изоляционная система. Но с развитием техники появилось множество устройств, которые не подходят под данное описание.
У герконовых реле (Рис. 2)
роль магнитопровода и подвижного якоря выполняет контактная система, а у бесконтактных магнитных реле и полупроводниковых реле
(Рис. 3)
нет подвижного якоря, ярма и контактов. Кроме этого существует множество устройств, которые заставляют сомневаться, правильно ли их называют «реле» или неправильно.
Например, электромагнитное (ЭМ) реле - это электрический аппарат, в котором при изменении управляющего (входного) сигнала в некоторых пределах в сторону увеличения или в сторону уменьшения происходит скачкообразное изменение состояния управляемого (выходного) узла из состояния «выключено» в состояние «включено» или наоборот.
Реле состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий элемент реагирует на входной параметр (ток, напряжение, уровень, давление и т.д.) и преобразует его в физическую величину (например, электромагнитную силу), необходимую для работы реле. Конструктивное исполнение воспринимающего элемента определяется в основном параметром, на которое реле должно реагировать. В реле тока и напряжения воспринимающий элемент - электромагнит, в реле давления - мембрана, в реле уровня - поплавок и т.д. Промежуточный элемент (противодействующие пружины и успокоители в контактном реле) передает первичное воздействие от воспринимающего элемента на исполнительный элемент. Исполнительный элемент (чаще всего это контакты) воздействует на управляемую цепь. Но так бывает не всегда. Как упоминалось выше, у герконовых реле промежуточный элемент отсутствует.
Реле относится к аппаратам скачкообразного действия, так как его рабочее состояние определяется двумя состояниями исполнительного элемента: «включено» и «выключено» (Рис. 4)
.
В зависимости от входного сигнала различают реле, реагирующие на максимальное или минимальное значения тока или напряжения, на определенную мощность или частоту; разность значений входных сигналов (дифференциальное реле), изменение знака (реле обратной мощности) или скорости входного сигнала.
По принципу воздействия на управляемую цепь различают контактные и бесконтактные реле. Контактные реле воздействуют на управляемую цепь путем размыкания и замыкания ее при помощи контактов. Бесконтактные реле осуществляют управление за счет скачкообразного (релейного) изменения параметров своего исполнительного элемента, включенного в управляемую цепь (полупроводниковые - активное сопротивление, магнитные - реактивное сопротивление). Разомкнутому состоянию контактов ЭМ реле соответствует большое сопротивление управляемой цепи бесконтактного реле (закрытое состояние). Замкнутому состоянию контактов ЭМ реле соответствует малое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле (открытое состояние).
Чтобы дополнить понятие «реле» можно обратиться к [1], где сказано: «… всякое реле должно обладать следующими тремя признаками:
1. автоматичностью действия;
2. наличием контактного органа, могущего замыкать или размыкать электрическую цепь (срабатывать);
3. способностью «срабатывать» при достижении какой-либо физической величиной определенных значений или при наступлении определенных физических явлений.
При таком определении под категорию реле не попадают, например, устройства, устанавливаемые на выключателях, включаемые непосредственно или через измерительные трансформаторы в цепь тока защищаемого элемента и при достижении этим током определенной величины, механически действующие на отключающий механизм выключателя. Такие устройства представляют собой как бы незаконченные реле, не имеющие собственного контактного органа…»
Рабочие свойства реле определяются их основными характеристиками управления (характеристика «вход-выход»), представляющая зависимость выходного сигнала (например, наличие тока через замкнутые контакты реле и его отсутствие через разомкнутые) от входного (например, строго определенное значение тока в обмотке реле).
В ЭМ реле при отсутствии входного сигнала контактные пары, работающие на замыкание разомкнуты и ток в управляемой цепи отсутствует, а контактные пары, работающие на размыкание замкнуты и через них может протекать ток нагрузки. Для бесконтактных реле сопротивление в управляемой цепи достаточно велико и ток стремится к нулю.
При наличии входного сигнала необходимого значения, контактные пары, работающие на замыкание замкнуты и через них может протекать ток нагрузки, а контактные пары, работающие на размыкание разомкнуты, и ток в управляемой ими цепи отсутствует. Для бесконтактных реле сопротивление в управляемой цепи минимально и ток может иметь максимальное значение.
В [2] книге, которая может быть интересной и поучительной для старшеклассника и студента и весьма информативной для специалиста в данной области подпадают под определение «реле» совсем миниатюрное Сube Style Relays 881-ER134 фирмы Teledyne Relays ([2] стр.125) и такой монстр как рудничный магнитный пускатель ПВ-1140 ([2] стр.129, хотя на фото изображен ПВИ-250) во взрывозащищенном исполнении. В это трудно поверить но устройство предназначенное для работы в угольных шахтах опасных по взрывам газа и угольной пыли рассчитанное на ток 250 А и напряжение 1140 В с габаритами 870 х 850 х 980 мм. и массой 410 кг. в стальном корпусе с толщиной стенок 8 мм. способными выдержать внутренний взрыв без его повреждений предлагают считать реле. Как мы увидим дальше - это совсем не так.
Еще несколько расширить наши познания, что такое реле может ГОСТ IEC 61810-1-2013
[3]. Например, согласно [3] электрическое реле – это устройство, предназначенное для внезапных и предопределенных изменений в одной или нескольких выходных цепях при выполнении определенных условий во входных цепях, управляющих устройством.
Выходные цепи - это контактные цепи, термин «катушка» используется для обозначения «входной цепи», но возможны и другие виды входных цепей.
Логическое электрическое реле - это устройство, которое возбуждается воздействующей величиной, значение которой находится в ее рабочем диапазоне либо практически равно нулю. Под термином «логические реле» подразумевается и понятия «простые реле», которые предназначены для срабатывания и возврата без нормируемой задержки времени, и «реле времени», для которых задержка времени нормируется.
Электромеханическое реле – это электрическое реле, предопределенная реакция которого главным образом является результатом движения механических элементов.
Электромагнитное реле – это электромеханическое реле, предопределенная реакция которого является результатом действия электромагнитных сил.
В ( [2] стр. 564) по мнению автора этих строк верно интерпретируется термин «микропроцессорные устройства релейной зашиты», но в тоже время сам термин «микропроцессорные реле» - это нонсенс.
Так как же отличить реле от устройства релейного действия? Небольшая подсказка содержится в ГОСТ Р 50515-93 [4].
Далее цитата:
«Настоящий стандарт распространяется … на …логические электрические реле, имеющие контакты в своей выходной цепи.
Если в цепях возбуждения таких реле используются статические устройства (усилители, выпрямители и т.п.), этот стандарт следует при необходимости дополнить специальными требованиями».
Например, тиристор можно с уверенностью считать полупроводниковым реле, а однофазные оптоэлектронные контакторы (Рис. 5)
– это не реле, а устройство релейного действия.
А все потому, что они содержат еще и промежуточные элементы устройства управления.
Гибридные тиристорные контакторы ([2] стр.301) (Рис. 6)
и высоковольтные гибридные коммутационные аппараты ([2] стр.303) – это тоже не реле, а устройство релейного действия. А все из-за промежуточных элементов устройства управления.
Электромагнитные реле времени (Рис. 7)
,
у которых выдержка времени основана на дополнительной короткозамкнутой обмотке или медной втулке на сердечнике ([2] стр.307) – это реле. А устройство выдержки времени, у которого эта выдержка зависит от дополнительной электронной схемы – это устройство релейного действия.
Устройства выдержки времени с пружинным часовым механизмом и пусковым соленоидом и с моторным приводом часового механизма ([2] стр.312, 313) - это конечно же реле. В них замыкание контактов выходной цепи происходит за счет действия часовой пружины или электромотора, которые являются и воспринимающим и исполнительным функциональным элементом одновременно.
Устройствам с гидравлическим или пневматическим демпфером ([2] стр.316 – 321) – это тоже реле.
Устройства, построенные на основе интегральных таймеров ([2] стр.329), триггеров, мультивибраторов, даже если в качестве исполнительного органа применяется реле (неважно, электромагнитное или полупроводниковое) это устройство релейного действия. «Виной» всему специальные схемы для адаптации входного сигнала (в данном случае – напряжения питания) в соответствии с заданным алгоритмом и подачи его на вход исполнительного элемента (электромагнитного или полупроводникового реле). Ведь реле может работать без адаптированного сигнала и схема на его характеристики никак не влияет.
Ускоренные форсированные устройства на основе конденсатора и резистора (Рис. 8),
([2] стр.336) - это устройства релейного действия, а вот устройства на основе пусковой и удерживающей обмоток ( если эти обмотки расположены на одном магнитопроводе) – это реле.
С тепловыми реле все значительно проще. Их значительно проще отличить от устройств релейного действия. Устройство на основе биметаллического теплового элемента (Рис. 9)
([2] стр.340) – это реле, а если устройство имеет трансформатор тока или шунт и подогреватель биметаллической пластины и к тому же управляет нагрузкой через мощный контактор – то это устройство релейного действия. Тоже самое касается дилатометрических, манометрических и ртутных термореле. И наверное, нет нужды повторять, что полупроводниковые устройства контроля температуры на основе термоэлементов ([2] стр.360) – это уж никак не реле.
Еще в [2] описан такой очень интересный прибор - трехвыводная микросхема LM35. Она «умеет» выдавать на выходе линейное напряжение с коэффициентом 10мВ/°С. Однако, как уже упоминалось выше, в реле при изменении входного сигнала происходит скачкообразное изменение состояния выходного узла. Поэтому LM35 ([2] стр.364) никак не попадает под классификацию «реле» и даже под классификацию «устройство релейного действия». Это же относится и к микросхеме 590kH. Это просто датчики. А вот микросхема ТРМ01РТ ([2] стр.365) хоть и не является реле, но зато устройством релейного действия является.
Дальше нет смысла продолжать, но можно сформулировать основные отличия реле от устройств релейного действия.
1. Реле состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий элемент реагирует на входной параметр и преобразует его в физическую величину, необходимую для срабатывания реле.
Но не следует путать воспринимающий элемент со схемой адаптации входного сигнала. То есть, если взять узел защиты УМЗЧ (Рис.10)
от постоянного напряжения на выходе на 2-х транзисторах КТ315 и реле РЭС-47 [5], то будет ошибкой считать, что узел на транзисторах и является воспринимающим элементом. Узел на транзисторах – это схема адаптации входного сигнала, а реле РЭС-47 имеет свои собственные воспринимающий, промежуточный и исполнительный элементы.
2. Реле - это аппарат или электронный компонент, в котором при увеличении или уменьшении входного сигнала происходит скачкообразное изменение состояния выходного узла из состояния «выключено» в состояние «включено» или наоборот. Это также касается устройств с релейными характеристиками в виде тиристоров, транзисторов, радиоламп, оптронов и т.д. То есть если, к примеру, тиристор в силу своих физических особенностей может работать только в ключевом режиме, то его можно смело причислить к классу полупроводниковых реле. А если взять транзистор, который создавался для работы в линейных режимах и путем схемотехнических ухищрений был переведен в ключевой режим – то это никоим образом не реле. То же касается и радиоламп.
3. Реле является самодостаточным устройством, «вещью в себе» и всякое его усложнение путем добавления разного рода усилителей, преобразователей, адаптеров и пр. переводит его на следующий уровень иерархии, т.к. вместе с добавленной схемой оно становится устройством релейного действия.
Ну и в свете вышесказанного рудничный магнитный пускатель ПВ-1140 (Рис.11, 12),
который предназначен для управления электродвигателями, при переменном напряжении 500-1140 В частотой 50/60 Гц с возможностью реверсирования, с блокировочным разъединителем, с защитой от токов короткого замыкания, от перегрузки, от повышения сопротивления цепи заземления, от снижения сопротивления изоляции, с нулевой защитой уж никак не может быть реле.
И еще стоит упомянуть еще об одном реле.
В угольной промышленности для контроля за качеством изоляции в сетях переменного тока применяют отдельный класс специальных устройств типа УАКИ, РУВ, РУ (Рис.14),
АЗАК, чаще всего именуемых «реле утечки».
Например, УАКИ (устройство автоматического контроля изоляции) применяют для защиты неразветвленных сетей напряжением 127, 380, 660 В от токов утечки на землю.
Устройство состоит из следующих основных узлов: корпуса во взрывобезопасном исполнении РВ; разъединителя; выпрямительных устройств; устройства для частичной компенсации емкости сети; фильтра постоянного тока и двухобмоточного реле, у которого обмотки катушек намотаны навстречу друг другу. Количество ампервитков подобраны таким образом, чтобы при отсутствии сосредоточенного тока утечки их магнитные потоки уравновешивались. Когда ток утечки превысит некоторое минимальное значение, которое может быть опасным для жизни человека, из-за разбаланса магнитных потоков реле срабатывает, а устройство дает команду на отключение электрооборудования.
Как видно, это довольно сложное изделие является устройством релейного действия, а название «реле» не более чем клише, словесный штамп, который сохранился с тех времен, когда оно состояло из одного лишь элемента – ЭМ реле и в таком виде застыл на страницах учебников. Но то, что эта трактовка неверна, можно убедиться в ГОСТ 22929-78 [6], где к подобным устройствам не применяется термин «реле» а применяется термин «аппарат».
А что касается так называемых бесконтактных магнитных реле, то это тема настолько обширна, что требует отдельного исследования.
1. М. Ф. Костров, И. И. Соловьев, А. М. Федосеев. Основы техники релейной защиты
Под общей редакцией А. М. Федосеева. Государственное энергетическое издательство Москва - Ленинград 1944г.
2. В. И. Гуревич. Электрические реле. Устройство, принцип действия и применения.
Настольная книга электротехника. Серия «Компоненты и Технологии». —
М.: СОЛОН-Пресс, 2011. - 688 с.: ил.
3. ГОСТ IEC 61810-1-2013 Реле логические электромеханические с ненормируемым временем срабатывания.
4. ГОСТ Р 50515-93 (МЭК 255-1-00-75)
Государственный стандарт российской федерации. Реле логические электрические.
Издание официальное
5. Д.И.Атаев, В.А.Болотников. Практические схемы высококачественного
звуковоспроизведения. © Издательство «Радио и связь», 1986г.
6. ГОСТ 22929-78 Межгосударственный стандарт. Аппараты зашиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В
