Реле: назначение, принцип действия, устройство

Реле – это коммутационное устройство (КУ), выполняющее соединение или разъединение цепи в электронных и электрических схемах при смене входных значений тока или другого параметра. Использование таких устройств позволяет защитить оборудование от поломки при перегреве или перегрузке. Также реле применяются для выполнения других функций, например, для включения или отключения света, для подачи звукового сигнала и т. д.

Принцип работы и устройство

Принцип действия у всех видов реле примерно одинаковый: при превышении величины измеряемого параметра (например, силы тока или напряжения), производится размыкание цепи или наоборот ее замыкание (в зависимости от назначения и типа переключателя).

Важно: далее в основном говорится о реле, которые срабатывают при превышении заданных параметров, то есть при их максимальных значениях. Но переключатели могут срабатывать и при минимальных значениях, когда величины определенных параметров ниже установленных величин.

Основные технические характеристики

При выборе реле важно ориентироваться на такие параметры:

• Чувствительность (время срабатывания) – она характеризует, как быстро будет срабатывать элемент при превышении измеряемого параметра;
• Нагрузка активации (ток) – минимальная величина, при которой происходит срабатывание реле;
• Нагрузка отпускания (ток) – величина измеряемого параметра, при которой коммутационное устройство отключается;
• Уставка. Данную характеристику обычно можно менять, она демонстрирует величину измеряемого параметра, при которой реле активируется;
• Сопротивление обмотки электромагнита.

Разновидности реле — классификация

По конструкции

Электромеханические реле

В конструкции есть электромагнит, металлический сердечник и якорный элемент, который необходим для замыкания и размыкания контактов. Когда ток, подающийся через катушку, выше установленных значений, якорный элемент смещается и размыкает цепь. Когда нагрузка на катушке восстанавливается, якорь возвращается и контакты соединяются.

Такие модели востребованы в управлении конвейерами и другим оборудованием на производстве. Плюсы электромеханических релейных устройств:

• Высокая скорость срабатывания;
• Способность выдерживать существенные перегрузки;
• Возможность использования при статическом напряжении и радиации;
• Надежность;
• Доступная цена;
• Возможность резервирования питающих линий и деактивации неисправных элементов.

Твердотельные реле

Небольшие устройства без трущихся механических элементов, что обеспечивает их повышенный ресурс. Вместо подвижных деталей здесь используются полупроводниковые компоненты – биполярные и МОП-транзисторы, симисторы, тиристоры.

Такие реле выделяются рядом положительных качеств:

• Невысокий уровень шума;
• Ресурсоемкость (примерно в 100 раз больше, чем у электромагнитных устройств);
• Быстродействие – несколько миллисекунд (у электромагнитных изделий отклик 50 мс – 1 с;
• Низкое энергопотребление (на 95% меньше, чем у электромагнитных аналогов).

Твердотельные реле используются в устройствах регулировки температуры, где нагревательным элементом является ТЭН (трубчатый электронагреватель). Также применяются в промышленных автоматических системах, телеметрии, в металлургии, химической отрасли, военной сфере, медицинском оборудовании.

Герконовые реле

По виду это катушка или баллон с инертным газом или вакуумом. Внутри реле устанавливаются соединительные детали в виде проволоки с контактами. Детали выполняются из прецизионных сплавов (материалов с точно заданным составом). Но в любом таком сплаве всегда есть железо и никель. Снаружи элементы имеют серебряное или золотое напыление. Устройства применяются как для замыкания цепи, так и для ее размыкания или переключения.

Достоинства герконовых реле:

• Небольшие размеры;
• Доступная цена;
• Отсутствие подвижных частей;
• Надежность (так как контактная группа находится в инертном газе или вакууме, что защищает ее от влаги).

Устройства применяются только в системах, где не бывает перегрузок, а ток всегда стабильный. Размыкание цепи или нарушение работы системы может возникнуть как при повышенном токе, так и при слишком низком.

Фотореле (фотоэлектронные)

Ключевой рабочий элемент такого реле – фоторезистор. Это полупроводник, сопротивление которого меняется при изменении уровня освещенности. Подобные механизмы востребованы при организации систем освещения на улице: утром, во время рассвета, оборудование отключается, а при заходе солнца включается. Устройство работает автоматически. Также у многих приборов с фотореле есть регулятор порога срабатывания и механический выключатель.

По принципу работы

Электронные реле

Твердый элемент, или активатор, применяется в таком устройстве для соединения и разъединения коммутируемых контактов. В качестве активатора в системах с постоянным током применяется транзистор, в системах с переменным током – симистор или тиристор.

Электромеханические реле

Электромеханические устройства делятся на три категории: электромагнитные, индукционные и электротепловые.

Электромагнитные реле

Изделия состоят из обмотки со стальной сердцевиной и набора подвижных элементов для замыкания и размыкания электрической цепи.

Принцип действия переключателей такой:

• На катушку сердечника поступает управляющий ток;
• В сердечнике под действием тока возникает магнитное поле, которое притягивает контактную группу;
• Происходит замыкание или размыкание цепи.

Подвид электромагнитных реле – поляризованные. В отличие от нейтральных устройств, они реагируют на полярность сигнала. Замыкание или размыкание производится в зависимости от полярности подключения электромагнита. Такие модели более чувствительные, но подходят только для цепей постоянного тока.

Электротепловые (термические)

Тепловые переключатели состоят из биметаллических пластин, для производства которых применяются металлы с различными показателями расширения при нагреве.

Устройства применяются для защиты оборудования от перегрева. Они востребованы при подключении электродвигателей в сетях 220 и 380В. При сильном нагреве мотора пластина расширяется, отчего цепь размыкается и техника отключается. Когда агрегат остывает, металл возвращается в исходное состояние и цепь замыкается. Поэтому после отключения двигателя не требуется устанавливать новое реле (оно не перегорает).

Есть также тепловые реле с пластинами из легкоплавких сплавов. При срабатывании они не расширяются, а плавятся. Такие устройства затем нужно менять (они одноразовые).

Конструкция может дополняться колесиком для изменения температуры отключения электромотора и кнопкой для принудительного запуска оборудования.

Индукционные реле

Для работы прибора используется принцип взаимодействия переменных магнитных потоков с токами, которые индуцируются этими потоками в динамичном элементе – диске или роторе. Изделия подходят только для цепей переменного тока. Могут быть рамными, дисковыми и цилиндрическими.

Индукционные устройства популярны при организации систем релейной защиты и автоматики для самого разного оборудования.

Что выбрать: твердотельное реле или электромеханику?

Электромеханические переключатели – традиционный вариант, а твердотельные – более современный. У обоих видов переключателей есть свои поклонники. При выборе нужно учитывать область применения реле. Если устройство требуется для установки в старые щиты автоматики и управления, больше подойдет электромеханика. Она станет отличной заменой устаревшим аналогам, а от постоянного перегрева, который свойственен для старого оборудования, такие переключатели не будут портиться.

Если переключатель нужен для установки в новых щитах, с большим количеством электроники, где в любом случае будет поддерживаться нормальный тепловой режим и будет качественная система кондиционирования, можно использовать электронные модели. Они более долговечные, чем электромеханические изделия. Но в старых установках твердотельные устройства не применяются (потому что быстро перегреваются и выходят из строя).

По принципу воздействия

По методу воздействия различают такие виды реле:

• Контактные. Действуют на цепь посредством электрических контактов (их может быть до десяти). При замыкании или размыкании цепь полностью замыкается или разъединяется. Контакты выполняются из вольфрама, серебра или меди. Наиболее востребованы модели с четырьмя и пятью контактами. Они применяются в электросхемах авто, выполняя подключение и переключение цепей.
• Бесконтактные. Для воздействия на цепь используют не контакты или другие механические средства, а меняют характеристики выходных электрических цепей (емкость, индуктивность, сопротивление, ток, напряжение).

Промежуточные реле

Также среди контактных устройств выделяют отдельную группу – промежуточные реле. Они применяются в цепях не в качестве основного, а в виде дополнительного средства защиты, позволяя при необходимости увеличить число контактов главного переключателя, чтобы можно было воздействовать сразу на несколько цепей (например, замкнуть или разомкнуть их, или замкнуть одну, а разомкнуть другую цепь). Такие реле используются в автоматических схемах и управляющих цепях при необходимости усиления или изменения электросигналов, для устройств запоминания информации, распределения электроэнергии, соединения компонентов радиоэлектронных систем с разными способами работы и т. д.

Обычно в качестве промежуточных переключателей применяются электромагнитные устройства, имеющие контакты таких видов:

• Нормально разомкнутые (замыкают цепь). Когда нет энергии (ток не подается по цепи), изделие разомкнуто. При возникновении нагрузки контакты замыкаются;
• Нормально замкнутые (размыкают цепь). В обычных условиях (без питания в цепи) контакты замкнуты, но при подаче тока они разъединяются;
• Перекидные. Когда в таких устройствах нет нагрузки, расположенный внутри подвижный контакт соединен с одним из неподвижных элементов. При возникновении напряжения подвижный контакт разъединяется с одним неподвижным контактом и соединяется с другим.

Релейные модули

По виду такой модуль – эта плата с расположенными на ней несколькими переключателями. Элемент предназначен для повышения мощности выходных дискретных сигналов. Применяется для управления исполнительным и другим оборудованием.

По типу поступающего параметра

Электрические реле

К этой категории относят несколько подвидов устройств. Основные – это реле тока, мощности, напряжения и частоты.

Реле тока

Срабатывают при резком изменении силы тока. Могут отключать нагрузку на одном элементе системы или деактивировать все оборудование. Значение максимального тока, при котором производится размыкание цепи, задается регулятором.

Реле мощности

Элемент предназначен для ограничения мощности. Принцип действия аналогичен работе реле тока – при слишком высокой нагрузке (выше установленных значений) происходит размыкание цепи. Изделия могут иметь возможность повторного включения: при снижении мощности работа системы восстанавливается автоматически.

Реле напряжения

Срабатывают при изменении величины напряжения в цепи и подключаются через тран6сформаторное оборудование. Применяются для контроля фаз и обеспечивают защиту электрической техники от выхода из строя при перегрузках. Ключевой элемент конструкции – контроллер быстрого реагирования, который оценивает отклонения в показателях напряжения. Обычно такие коммутационные устройства срабатывают при напряжении ниже 170 В и выше 250 В.

Реле частоты

Контролируют частоту переменного тока, чтобы она была на уровне 50 или 60 Гц в сетях 220 В и 380 В. Традиционно такие КУ отличаются наличием фиксированной задержки срабатывания. А показатели частоты для размыкания электроцепи могут регулироваться. Также в устройстве может быть «память» аварии.

Механические реле

Такие устройства срабатывают при изменении механических величин (скорости, давления, расхода, перемещения и т. д.) или определенных параметров веществ (вязкости, упругости, плотности и т. д.). В конструкции механических реле имеются датчики, которые реагируют на заданный параметр.

Рассмотрим наиболее популярные виды устройств:

• Реле давления. Используются в насосах для отслеживания уровня давления нефтепродуктов, воздуха, воды и других веществ;
• Реле скорости. Контролируют частоту вращения в оборудовании для удаленного запуска аварийных дизель-генераторов и другой подобной техники;
• Реле расхода. Используются в трубопроводах, транспортирующих нефть, воду, химические вещества, воздух. Определяют момент начала или прекращения подачи состава;
• Реле усилия. Срабатывают при повышении механической нагрузки до значений выше установленных величин.

Оптические реле

Такие устройства используются в различной светотехнике. Они срабатывают при изменении уровня освещенности, уменьшении или увеличении светового потока, частоты колебаний света.

В конструкции обычно имеются датчики контроля оптических величин, которые дополняются релейным выходом или воздействуют на релейные компоненты.

Различают оптические реле со встроенным чувствительным элементом, с выносным элементом, с таймером, с регулятором чувствительности, с датчиком присутствия и т. д.

Акустические реле

Данные КУ срабатывают при изменении частоты звука, давления звуковой волны или акустических параметров объектов (коэффициентов отражения и поглощения). При этом устройства могут быть механическими или электрическими.

Приборы, реагирующие на шум, нередко сочетаются с реле освещения. При появлении звуков в помещении автоматически включается свет. Такие системы могут устанавливаться в коридорах, на лестницах и в других местах.

Газовые реле

Обычно это изделие в корпусе из металла, который врезается в маслопровод. В обычных условиях механизм заполнен маслом, а контакты не соединены. При увеличении концентрации газов они поступают в верхнюю часть КУ, выдавливая масло. Поплавок, который есть в реле, снижается при выдавливании масла, разворачивается и приводит к соединению контактов в сигнальной цепи. В системе возникает сигнал, который говорит о чрезмерном уровне газа.

По полярности

По данному параметру различают два типа реле: поляризованные и неполяризованные (нейтральные).

В поляризованных переключателях на положение контактов влияет направление течения тока, который есть в электромагнитной обмотке реле. А направление зависит от полярности подключения, которая возникает под действием вспомогательного магнитного потока, создаваемого установленным магнитом.

То есть, состояние якоря и контактов при прохождении через них тока зависит от двух магнитных потоков: который создает ток в обмотке (управляющий поток) и который создается постоянным магнитом (поляризующий поток).

Поляризованные реле используются только в цепях постоянного тока.

Другой вид переключателей – нейтральные, которые срабатывают в обоих видах цепей: с постоянным и переменным током. Работа неполяризованных реле не зависит от полярности или направления тока в обмотке.

По применению

• Реле контроля и управления – первичные средства защиты, которые располагаются прямо в электроцепи. Выполняют включение и отключение отдельных компонентов схемы. Могут применяться отдельно или в составе оборудования низкого напряжения (ящиков, шкафов, панелей);
• Реле автоматики – применяются в местах, где требуется выполнение автоматического действия (например, отключение оборудования) при повышении величины измеряемого параметра до определенных значений;
• Реле защиты – применяются в устройствах с термическими контактами – электрических двигателях, вентиляторах. При повышении уровня нагрева контакты разъединяются. Но после остывания контакты снова замыкаются, а работа оборудования восстанавливается.
• Реле сигнализации – используются в системах различного транспорта, на производствах, территориях возле домов. Используются для создания сигнала при превышении параметром заданных величин (реле срабатывает и включается сигнализация).
• Реле времени – применяются для временной выдержки и обеспечения корректной работы компонентов схемы. Устройства используются, когда нужно автоматически произвести какое-то действие, но не при появлении сигнала, а через определенное время после него.

Чем отличается реле от контактора?

Функции у обоих устройств одинаковые. Они предназначены для переключения электроцепей. По конструкции изделия тоже не слишком отличаются. Так, у них есть наружная оболочка для защиты всех компонентов, расположенных внутри.

Отличие между реле и контактором – в рабочей нагрузке. Контакторы предназначены для тока выше 15А и напряжения более 3 кВт, то есть, для высоких нагрузок. Реле используются в системах с более низкими значениями рабочих характеристик.

Есть и другие отличия:

• Реле всегда доступнее по цене, чем контакторы;
• Реле предназначены только для цепей управления, а контакторы также могут применяться в силовых цепях;
• Быстродействие у реле выше;
• Контактор ремонтопригоден, реле при поломке необходимо менять;
• В контакторе применяется не меньше трех контактов, в реле – только два.

Сферы применения у приборов тоже разные: реле используется в основном для переключения небольших схем, а контакторы устанавливаются в электрических двигателях и другом мощном оснащении.

Обозначения на схемах

На электросхемах общее коммутационное устройство указывается в виде прямоугольника, от которого тянутся выводы питания (в виде черточек). Назначение реле обозначается на чертежах аббревиатурами:

• KA – тока;
• KV – напряжения;
• KB – блокировки;
• KBS – блокировки от многократного включения;
• KH – указательное;
• KL – промежуточное;
• KQ – фиксации положения выключателя;
• KSV – контроля цепи напряжения;
• KSP – контроля давления;
• KSH – контроля напора;
• KSL – контроля уровня жидкости;
• KSR – скорости;
• KSQ – состава вещества;
• KW – мощности;
• KZ – сопротивления.