Индукционное реле принцип действия. Принцип действия индукционного реле: устройство и особенности работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает индукционное реле. Какие основные элементы входят в его конструкцию. На каком физическом принципе основано действие индукционного реле. Каковы преимущества и недостатки индукционных реле. Где применяются индукционные реле в электротехнике.

Содержание

Что такое индукционное реле и его основные элементы

Индукционное реле — это электромеханическое устройство, принцип действия которого основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками в подвижном проводящем элементе.

Основные элементы конструкции индукционного реле:

Два неподвижных электромагнита
Подвижный элемент (диск или цилиндр) из проводящего немагнитного материала
Ось вращения подвижного элемента
Контактная система
Тормозной магнит (в реле с выдержкой времени)

Физический принцип работы индукционного реле

Принцип действия индукционного реле основан на явлении электромагнитной индукции. При протекании переменных токов по обмоткам электромагнитов создаются переменные магнитные потоки. Эти потоки пронизывают подвижный элемент и индуцируют в нем вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создает электромагнитные силы, приводящие подвижный элемент во вращение.

Каковы условия создания вращающего момента в индукционном реле?

Для создания вращающего момента в индукционном реле необходимо выполнение двух основных условий:

Наличие как минимум двух переменных магнитных потоков, сдвинутых в пространстве.
Наличие фазового сдвига между этими магнитными потоками.

При выполнении этих условий в зазоре реле создается вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как это происходит в асинхронном двигателе.

Особенности конструкции индукционных реле различных типов

Как устроено индукционное реле с короткозамкнутыми витками?

В индукционном реле с короткозамкнутыми витками для создания фазового сдвига магнитных потоков используются медные короткозамкнутые витки, охватывающие часть сечения полюсов электромагнита. Это приводит к появлению двух магнитных потоков, сдвинутых по фазе в пространстве.

Какие особенности имеет конструкция индукционного реле ваттметрового типа?

Индукционное реле ваттметрового типа имеет два электромагнита — токовый и напряжения. Токовый электромагнит питается от трансформатора тока, а электромагнит напряжения — от трансформатора напряжения. Это обеспечивает необходимый фазовый сдвиг между магнитными потоками.

Преимущества и недостатки индукционных реле

Каковы основные достоинства индукционных реле?

Основные преимущества индукционных реле:

Высокая чувствительность
Возможность получения различных времятоковых характеристик
Нечувствительность к вибрациям
Отсутствие необходимости подвода тока к подвижной части

Какие недостатки характерны для индукционных реле?

К недостаткам индукционных реле можно отнести:

Возможность работы только на переменном токе
Сравнительно низкое быстродействие
Зависимость характеристик от частоты тока
Наличие инерционного выбега

Основные области применения индукционных реле

Индукционные реле нашли широкое применение в различных областях электротехники и энергетики:

Релейная защита линий электропередачи и трансформаторов
Защита электродвигателей от перегрузки
Автоматика на железнодорожном транспорте
Счетчики электроэнергии индукционного типа

Почему индукционные реле часто используются в релейной защите?

Индукционные реле часто применяются в релейной защите благодаря следующим свойствам:

Возможность получения зависимых времятоковых характеристик
Высокая чувствительность
Надежность работы
Нечувствительность к вибрациям

Эти свойства делают индукционные реле незаменимыми в системах защиты электроэнергетических объектов.

Характеристики и регулировки индукционных реле

Какие основные характеристики имеют индукционные реле?

Основными характеристиками индукционных реле являются:

Ток срабатывания
Коэффициент возврата

Времятоковая характеристика
Потребляемая мощность

Как регулируется время срабатывания индукционного реле?

Время срабатывания индукционного реле регулируется несколькими способами:

Изменением начального положения подвижного элемента
Регулировкой тормозного момента постоянного магнита
Изменением передаточного числа часового механизма (для реле с часовым механизмом)

Эти регулировки позволяют настраивать реле для обеспечения требуемой времятоковой характеристики.

Современные тенденции в развитии индукционных реле

Несмотря на широкое распространение микропроцессорных устройств релейной защиты, индукционные реле продолжают совершенствоваться:

Улучшаются магнитные системы для повышения чувствительности
Применяются новые материалы для подвижных элементов
Разрабатываются комбинированные реле с использованием индукционных и статических элементов

Эти усовершенствования позволяют индукционным реле оставаться конкурентоспособными в некоторых областях применения.

4. Индукционные реле

Принцип действия индукционного реле основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками.

Индукционное реле (рис. 3) состоит из двух неподвижных электромагнитов 1 и 2, по обмоткам которых протекают соответственно переменные токи I₁и I₂. В воздушном зазоре электромагнитов установлен алюминиевый или медный диск 3, который может поворачиваться относительно оси 4. Переменные магнитные потоки, создаваемые электромагнитами 1 и 2, индуцируют ЭДС в диске 3, под действием которых в диске создаются вихревые токи (так же, как в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя).

Для того чтобы взаимодействие магнитных потоков с вызванными ими же токами привело к созданию вращающего момента, необходимо наличие сдвига по фазе токов

I₁и I₂.

Только в этом случае в зазоре индукционного реле будет создано вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как это происходит в двухфазном асинхронном двигателе. При сдвиге фаз между токами I₁и I₂в 90° сила взаимодействия магнитного потока электромагнита 1 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 2, будет всегда совпадать по направлению с силой взаимодействия магнитного потока электромагнита 2 с током, индуцированным в диске от потока электромагнита 1. При совпадении токов I₁и I₂по фазе в среднем за период результирующая сила будет равна нулю.

Вращающий момент, приложенный к диску, определяется так:

(8)

где К — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных и обмоточных данных реле;— фазовый сдвиг между I₁и I₂

Рис. 3. Индукционное реле

Этот вращающий момент, преодолевая сопротивление пружины 4, поворачивает диск до тех пор, пока не замкнутся контакты 5.

Поскольку индукционное реле реагирует на фазу, его (как и электродинамическое) можно применять в качестве реле фазы. Малая инерция подвижной части позволяет использовать такие реле как быстродействующие в схемах автоматической защиты и блокировки. Особенно они распространены в автоматике на железных дорогах. Они могут использоваться в качестве реле тока, напряжения, мощности, частоты, фазы, сопротивления. Достоинством их является то, что они не требуют подвода тока к подвижной части. Чувствительность индукционных реле невелика, для их срабатывания требуется мощность не менее 0,5 Вт.

Рассмотрим также применение индукционного реле в качестве реле скорости (рис. 4). Входной вал 5 реле связан с механизмом, скорость которого требуется контролировать. На валу 5 установлен цилиндрический постоянный магнит 4. При вращении поле магнита пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 3 поворотного статора 6. В обмотке 3 наводится ЭДС, значение которой пропорционально скорости вращения входного вала 5. Под действием этой ЭДС по обмотке 3 проходит ток, сила взаимодействия которого с вращающимся полем магнита 4 стремится повернуть статор 6 в направлении вращения. При определенной скорости вращения сила возрастает настолько, что упор

2, преодолевая противодействие плоской пружины, переключает контакты реле. В зависимости от направления вращения переключается контактный узел 1 или 7. Точность работы индукционного реле скорости невелика. В точных системах контроля скорости необходимо использование более сложной схемы, включающей в себя индукционный датчик скорости и высокочувствительное поляризованное реле.

Рис. 4. Индукционное реле скорости

132. Токовые индукционные реле. Принцип работы, характеристики, особенности реализации.

Реле с короткозамкнутыми витками (экранами). Реле, реагирующее на один синусоидальный ток, выполняется (рис.2.28) с помощью электромагнита 1, охватывающего своими полюсами диск 2 с контактом 4. Для получения двух магнитных потоков, сдвинутых по фазе в пространстве, на верхнем и нижнем полюсах электромагнита насажены короткозамкнутые медные витки

3, охватывающие часть (около половины) сечения полюсов. Ток в обмотке реле I_P и индуктированный в короткозамкнутых витках ток I_K создают магнитные потоки Ф_P и Ф_K (рис.2.28). Из-под сечения полюса I, охваченного короткозамкнутым витком, выходит результирующий магнитный поток Ф₁ = Ф_P1 + Ф_К1, из-под сечения II – Ф₂ = Ф_P2 – Ф_К2.

Оба магнитных потока пронизывают диск в двух разных точках, индуцируя в нем вихревые токи I_Д1 и I_Д2. Векторная диаграмма потоков показана на рис.2.28, в

. Взаимодействие магнитных потоков Ф₁ и Ф₂с индуцированными в диске токами создает электромагнитную силу F_Э и действующий на диск момент:

(2.14)

Поскольку оба магнитных потока пропорциональны току I_Р и угол ψ при изменении тока I_Р остается неизменным, выражение (2.14) можно представить в виде

(2.15)

Время действия индукционных реле. Конструкция индукционных реле позволяет выполнять их с выдержкой времени без применения специальных часовых механизмов. Время действия индукционного реле зависит от угла α, на который должен повернуться диск для замыкания контактов К реле, и угловой скорости движения диска реле w_Р (рис.2.29, а). Если допустить, что угловая скорость постоянная, то t_P = α/w_P.

Движение диска происходит под влиянием избыточного момента М_ВР = М_Э – М_С, представляющего собой разность электромагнитного момента и противодействующего ему момента сопротивления М_С. Составляющие момента сопротивления Мс показаны на рис.2.29, а. Момент вращения преодолевает момент инерции подвижной системы, сообщая ей ускорение :

(2.15 а)

Время действия индукционного реле является функцией тока: с увеличением тока времени t_Р уменьшается.

Такая характеристика времени действия реле называется зависимой и изображена кривой 1 на рис.2.29, б. Часто применяются токовые реле с ограниченно зависимой характеристикой выдержки времени, имеющей вид кривой 2 на рис.2.29, б. Начиная с некоторого значения тока в реле время действия реле остается неизменным, т.е. не зависящим от тока. Эта часть характеристики называется независимой.

Чтобы повысить выдержку времени индукционных реле, устанавливается постоянный магнит М, охватывающий своими полюсами диск (рис.2.29, а). При вращении диск пересекает силовые линии магнитного потока Ф_М постоянного магнита, в результате этого в нем наводятся вихревые токи, называемые токами «резания». От их взаимодействия с магнитным потоком Ф_М возникает момент

(2.16)

противодействующий движению диска. Момент М_М уменьшает избыточный момент, за счет чего уменьшается скорость w_Р и возрастает выдержка времени t_P.

Время действия индукционных реле регулируется изменением расстояния между подвижным и неподвижным контактами К.

Индукционные реле мгновенного действия выполняются без постоянных магнитов и с минимальным ходом подвижной системы. Кроме того, для повышения быстродействия реле принимаются меры к увеличению скорости движения подвижной системы. Поэтому вместо систем с диском, имеющих большой момент инерции за счет значительного диаметра, используются системы с цилиндрическим ротором, который имеет малый диаметр и момент инерции. Реле с цилиндрическим ротором могут действовать с временем около 0,02-0,04 с, а минимальное время действия реле с диском примерно 0,1 с.

Инерционный выбег. Вращающийся диск индукционного реле после прекращения действия электромагнитной силы продолжает свое движение по инерции за счет накопленной кинетической энергии. Инерционный выбег диска может привести к замыканию по инерции контактов реле после отключения КЗ в сети. Поэтому во избежание ложного действия РЗ с такими реле ступень селективности при выборе выдержки времени увеличивается на величину инерционной ошибки.

В начало

Реле индукционного типа — реле с затененным полюсом, счетчик ватт-часов и индукционная чашка мотор. Развиваемая рабочая сила будет обусловлена взаимодействием смещенных во времени и пространстве потоков в роторе (подвижном элементе). Реле в основном используются для защиты линий и аппаратуры. Индукционные реле подразделяются на два типа следующим образом:

Индукционное дисковое реле,
Индукционное реле.

Индукционное дисковое реле:

Принцип работы индукционного дискового реле:

Индукционное дисковое реле работает по принципу электромагнитной индукции, подобно асинхронному двигателю. Момент, создаваемый в этих реле, возникает при взаимодействии переменного потока с одним из магнитов и вихревых токов, индуцируемых в роторе (диске) с другим переменным потоком.

Частота обоих потоков одинакова, но между ними будет фазовая задержка. Таким образом, эти реле работают только в цепях переменного тока. В этом реле подвижным элементом является диск, на котором закреплен подвижный контакт реле.

Конструкция индукционного дискового реле:

Ниже показана конструкция индукционного дискового реле. Он состоит из вращающегося диска, установленного на валу, расположенного между двумя электромагнитами. Катушки электромагнита питаются рабочим током, в который включено реле защиты.

При возникновении неисправности в системе катушки возбуждаются и создают магнитное поле. Это магнитное поле вызовет вихревые токи в диске, и эти вихревые токи создадут собственное магнитное поле.

Магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, при взаимодействии с магнитным полем, создаваемым катушкой, приводит к возникновению крутящего момента на диске. Это заставляет диск вращаться и приближает подвижный контакт к неподвижному контакту, что замыкает цепь отключения.

Когда ток короткого замыкания падает ниже значения срабатывания, пружина сопротивляется движению диска из-за своей сдерживающей силы и размыкает цепь отключения, отодвигая подвижный контакт от неподвижного контакта. Время замыкания контакта зависит от расстояния перемещения контакта, которое задается временной задержкой.

Индукционные дисковые реле бывают двух типов. Это:

Индукционное реле с экранированными полюсами,
Индукционное реле типа ваттметра.

Индукционное реле с экранированными полюсами:

Ниже показана конструкция индукционного дискового реле с экранированными полюсами. При этом основной поток разделяется на два смещенных во времени и пространстве потока с помощью затеняющего кольца.

Экранирующее кольцо или катушка изготовлены из меди (Cu) и охватывают часть поверхности каждого полюса на воздушном зазоре. Таким образом, возникают два знакопеременных потока, смещенных во времени и пространстве. Поток в воздушном зазоре заштрихованных полюсов отстает от потока незатененных полюсов.

Следовательно, крутящий момент создается взаимодействием одного потока с вихревым током, создаваемым другим потоком. Этот результирующий крутящий момент вращает диск, который, в свою очередь, приводит в действие установленный на нем контакт реле. Постоянный магнит обеспечивает торможение вихревыми токами в диске.

Индукционное реле типа ваттметра :

Конструкция этого типа реле аналогична ваттметру, который измеряет электрическую мощность, протекающую по цепи. Он состоит из двух электромагнитов и диска, который может свободно вращаться между двумя электромагнитами.

Верхний электромагнит имеет Е-образную форму, а нижний электромагнит имеет U-образную форму. Верхний электромагнит несет две обмотки (первичную и вторичную) на центральном стержне. В то время как нижний магнит состоит из вторичной обмотки, как показано ниже.

Две обмотки создают переменный поток, когда они находятся под напряжением. Пусть потоки равны Ф ₁ и Ф ₂ соответственно. Фазовый угол θ между потоками можно регулировать, используя реактивное сопротивление параллельно вторичной обмотке. Результирующий вращающий момент, создаваемый взаимодействием потока одного из магнитов с вихревыми токами другого в диске, пропорционален Φ ₁ Φ ₂ sinθ.

Преимущества индукционных дисковых реле:

Индукционные дисковые реле имеют прочную конструкцию.
Работой индукционного дискового реле можно легко управлять в ненормальных условиях, просто разомкнув вторичную обмотку.
С помощью индукционных дисковых реле можно легко получить настройки тока и времени.
Индукционные реле дискового типа надежны и точны.
Могут использоваться для защиты от перегрузки по току.

Применение индукционных дисковых реле:

Индукционные дисковые реле используются там, где необходимы надежность и надежность.
Эти типы реле находят широкое применение там, где требуются низкоскоростные реле.
Индукционные реле дискового типа используются там, где требуется регулируемое время срабатывания и функция задержки времени.
Этот тип реле используется там, где требуется высокий коэффициент возврата к срабатыванию.

Реле индукционной чашки:

Конструкция индукционного реле аналогична асинхронному двигателю. Ниже показана конструкция индукционного реле. Индукционное реле состоит из следующих частей:

Неподвижный железный сердечник (статор),
Полая цилиндрическая чашка (ротор),
Электромагнит и
Катушки.

Неподвижный железный сердечник действует как статор, состоящий из двух, четырех или более полюсов. В настоящее время он строится на 4 и более полюсов. Полая цилиндрическая чашка действует как ротор, подобно диску в двух других реле. Он может свободно вращаться в воздушном зазоре между электромагнитами и неподвижным железным сердечником.

Электромагниты создают магнитное поле. Он состоит из двух пар катушек, когда на эти катушки подается напряжение, в катушках возникает поток. Эти потоки будут иметь одинаковую частоту, но смещены друг от друга на угол α. Затем эти катушки возбуждают железный сердечник, создавая вращающийся поток в воздушном зазоре.

Благодаря этим потокам в роторе циркулируют вихревые токи. Таким образом, возникает сила, действующая на ротор. Итак, полая чашка вращается в направлении магнитного поля между магнитами и неподвижным железным сердечником как ротор асинхронного двигателя.

Замыкает фиксированные контакты цепи отключения и отправляет сигнал отключения на выключатель для размыкания цепи. К шпинделю чашки прикреплена пружинная блокировка, предотвращающая постоянное вращение ротора.

Преимущества индукционных реле перед дисковыми индукционными реле:

В индукционных реле инерция чашки намного меньше, чем у диска в индукционных дисковых реле.
Конструкции индукционных чашек имеют очень высокое отношение крутящего момента к весу и поэтому очень чувствительны.
Они очень быстро работают благодаря легкому ротору (время работы менее 0,10 секунды) и поэтому подходят для работы на высоких скоростях.
Утечка в магнитопроводе минимальна в реле с индукционной чашкой благодаря более эффективной магнитной системе. Это также снижает сопротивление пути индуцированного тока в роторе.
Благодаря эффективной магнитной системе и легкому ротору нагрузка в вольт-амперах (ВА) в реле с индукционной чашкой значительно снижена. Крутящий момент на ВА примерно в три раза больше, чем у индукционных дисковых реле.
Реле с индукционными чашками могут иметь линейные характеристики при соответствующей конструкции. Их можно заставить работать точно в широком диапазоне с высоким коэффициентом возврата к значению срабатывания.
Создают постоянный крутящий момент без вибрации.
Паразитный крутящий момент, обусловленный только током или напряжением, в реле с индукционной чашкой мал.
Они по своей природе менее чувствительны к переходным процессам постоянного тока.
Эти реле лучше всего подходят для защиты, когда нормальные ненормальные условия отличаются незначительно.

Принцип действия реле индукционного типа

26 апреля 2018 г. 18 сентября 2016 г.

Все реле срабатывают в ответ на одну или несколько электрических величин либо на замыкание, либо на размыкание контактов. На самом деле существует только два принципиально разных принципа действия:

Реле электромагнитного притяжения работают благодаря тому, что плунжер втягивается в соленоид, или якорь притягивается к полюсам электромагнита. Такие реле могут приводиться в действие величинами постоянного или переменного тока. Посетите Индукционное реле — Детали конструкции, чтобы узнать о конструктивных особенностях индукционного реле.

Электромагнитно-индукционные реле используют принцип асинхронного двигателя, в котором крутящий момент создается за счет индукции в роторе; этот принцип действия применим только к реле, приводимым в действие переменным током и называемым реле индукционного типа.

Реле индукционного типа наиболее широко используются для целей релейной защиты, связанных с величинами переменного тока. Их нельзя использовать с величинами постоянного тока из-за их принципа действия.

Реле индукционного типа представляет собой двухфазный асинхронный двигатель с контактами. Управляющее усилие развивается в подвижном элементе, которым может быть диск или другая форма ротора из немагнитного токопроводящего материала, за счет взаимодействия электромагнитных потоков с вихревыми токами, индуцируемыми в роторе этими потоками.

На рисунке ниже показано, как создается сила в секции ротора, обращенной к двум соседним потокам переменного тока. Различные величины проявляются в тот момент, когда оба потока направлены вниз и увеличиваются по величине. Каждый поток индуцирует вокруг себя напряжение в роторе, и под действием двух напряжений в роторе текут токи. Ток, создаваемый одним потоком, взаимодействует с другим потоком и наоборот, создавая силы, действующие на ротор.

Величины, задействованные в реле индукционного типа, могут быть выражены следующим образом:

Ø ₁ = Ø _1M SINWT

Ø ₂ = Ø _2M SIN (WT + ɵ)

, где ɵ — фазовый угол, по которому Ø ₂. Приводки Ø ₁. С пренебрежимо малой ошибкой можно предположить, что пути, по которым протекают токи ротора, имеют пренебрежимо малую собственную индуктивность и, следовательно, токи ротора совпадают по фазе с их напряжениями: 1 coswt

iØ ₂ ∝ d Ø ₂ / dt ∝ Ø ₂ cos (wt+Ɵ)

Как видно из приведенного выше рисунка, две силы F1 и F2 противодействуют, и, следовательно, мы можем написать уравнение для равнодействующей силы (F) следующим образом:

F = (F ₂ — F ₁)

∝ (Ø ₂ I _Ø1 — Ø ₁ I _Ø2) …………………………. 1)

Подставляя значения величин в уравнение (1), получаем

F ∝ Ø _1м Ø _2м. Реле индукционного типа прямо пропорционально смещению фаз между двумя потоками. Для максимальной силы срабатывания смещение фаз Ɵ должно составлять 90°.

Таким образом, действующее усилие создается при наличии противофазных потоков. Один только поток не произвел бы результирующей силы. Должно быть по крайней мере два противофазных потока, чтобы создать любую результирующую силу, и максимальная сила создается, когда два потока равны 90° не по фазе. Кроме того, направление силы — и, следовательно, направление движения подвижного элемента реле — зависит от того, какой поток опережает другой.

Более полное представление о создании приводной силы в индукционном реле можно получить, нанеся две составляющие выражения в скобки уравнения (2). На рисунке ниже показан такой график, когда Ɵ считается равным 90 °. Следует отметить, что каждое выражение представляет собой синусоидальную волну с двойной частотой.

Две волны смещены друг от друга на 90° по основной частоте или на 180° по удвоенной частоте.