ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ГЕРКОНОВОЕ РЕЛЕ Российский патент 1997 года по МПК H01H51/28 

Изобретение относится к электромагнитным реле на базе герконов, в частности жидкометаллических, получающим питание от источника двухполупериодного выпрямленного напряжения.

Известно электромагнитное герконовое реле, содержащее две катушки, каждая из которых имеет обмотку управления и обмотку синхронизации, два силовых диода. Внутри катушек расположены по два жидкометаллических геркона [1] Реле получает питание от источника двухполупериодного выпрямленного напряжения.

Недостатком реле является то, что в зависимости от угла (начальной фазы) включения возможно кратковременное, обычно однократное, размыкание нормально разомкнутых и замыкание нормально замкнутых контактов в процессе срабатывания реле. Это явление обусловлено не дребезгом (отскоками контакт-деталей после механического соударения), а пульсациями питающего напряжения и неудачным соотношением между конструктивными параметрами реле, при котором ток переходного процесса включения катушки управления несколько раз переходит порог срабатывания и отпадания реле. Благодаря высокому быстродействию язычковые герконы переключают контакты при таких колебаниях тока катушки управления. Кратковременное размыкание контактов в процессе срабатывания реле нежелательно, так как увеличивается износ контакта и повторное замыкание происходит через короткий интервал времени, которого может не хватить для восстановления жидкостной пленки в зоне контактирования. В этом случае возможно сваривание контакта.

Известно применение сглаживающих фильтров в схемах выпрямительных герконовых реле [2] Недостатком таких реле является увеличение стоимости схемы и возможность потери эффекта сглаживания при повреждениях (обрывах или пробоях) элементов фильтра.

Известна конструкция электромагнитного герконового выпрямительного реле с электромагнитным сглаживанием, в которой для сглаживания пульсаций магнитного потока на геркон надевается трубка из электропроводного неферромагнитного материала [3] Недостатком реле являются большие размеры экранирующих трубок, что повышает стоимость и увеличивает габариты реле.

Известно импульсное электромагнитное герконовое реле, содержащее катушку управления, размещенную на ферромагнитном сердечнике, магнитопровод в виде Г-образной пластины, два полых соосно установленных ферромагнитных цилиндра, причем один полый ферромагнитный цилиндр жестко закреплен на одном из торцов ферромагнитного сердечника, а другой полый ферромагнитный цилиндр установлен на одном из концов Г-образной пластины с возможностью перемещения, другой конец Г-образной пластины закреплен на другом конце ферромагнитного сердечника, а геркон размещен внутри указанных полых ферромагнитных цилиндров в плоскости, перпендикулярной продольной оси катушки управления [4] Реле может содержать один или несколько герконов и получает питание в виде импульсов постоянного тока (двухполупериодного выпрямления без сглаживания пульсаций фильтрами).

Недостатком этого реле является то, что при его включении форма тока катушки управления может (в зависимости от угла включения) несколько раз пересекать значение тока срабатывания и тока отпадания реле (прямые i=I_ср и i=I_отп на фиг. 1). В результате наблюдается однократное размыкание контактов в процессе включения реле. Это происходит из-за неудачного выбора соотношения между основными конструктивными параметрами реле (числом витков, активным сопротивлением обмотки, проводимостью магнитной цепи, магнитодвижущей силой срабатывания и отпадания), что позволяет исключить только периодические размыкания контактов при пульсациях намагничивающей силы в установившемся режиме, но не исключают однократных размыканий в процессе включения реле при неблагоприятных значениях начальной фазы питающего напряжения.

Кратковременное размыкание контактов в процессе срабатывания реле снижает ресурс, увеличивает эрозию и повышает вероятность сваривания (так как времени разомкнутого состояния может не хватить для восстановления жидкости в зоне контактирования), уменьшает предельно допустимую величину замыкаемых токов.

Цель изобретения исключение кратковременного размыкания контактов в процессе включения реле вне зависимости от угла включения.

Для этого в известном электромагнитном герконовом реле, содержащем катушку управления с ферромагнитным сердечником, магнитопровод, по крайней мере один геркон и предназначенном для подключения к источнику двухполупериодного выпрямленного напряжения, параметры реле: W число витков обмотки, R активное сопротивление обмотки, G проводимость магнитной цепи, F_ср магнитодвижущая сила срабатывания, F_отп магнитодвижущая сила отпадания выбираются таким образом, чтобы при любых углах включения кривая тока переходного процесса включения катушки управления i:

где Um амплитудное значение питающего напряжения, B;
ω круговая частота питающего напряжения, рад/с;
L W² • G индуктивность обмотки управления, Гн;
t время, с;
j угол включения, рад;
n = int((ωt+ψ)/π)+1 номер полупериода, n 1,2,3.

Φ = arctg(ωL/R) угол сдвига по фазе между напряжением и током, рад;
τ = L/R постоянная времени цепи, с;
после пересечения порога срабатывания, не пересекала порог отпадания реле.

Новым в заявляемом реле по сравнению с прототипом является соотношение между основными конструктивными параметрами: W, R, G, F_ср, F_отп, численные значения которых выбираются при решении уравнения (1) таким образом, чтобы кривая тока через катушку управления при ее включении не пересекала прямую i= I_отп после пересечения прямой i=I_ср, вне зависимости от угла включения. Уравнение (1) получено при решении переходного процесса включения обмотки на двухполупериодное выпрямленное напряжение путем сложения установившейся составляющей (Сливинская А. Г. Гордон А.В. Электромагниты со встроенными выпрямителями. М. Энергия, 1970), записанной с учетом начальной фазы, и свободной составляющей, определенной с помощью первого закона коммутации.

При выборе соотношения между основными конструктивными параметрами на основе решения уравнения (1) реле получает новое свойство отсутствие кратковременного выключения в процессе срабатывания вне зависимости от начальной фазы питающего напряжения в момент включения. Следовательно заявляемое реле соответствует критерию изобретения "новизна".

При рассмотрении известных технических решений из данной и смежных областей техники установлено:
1. Отсутствуют решения с применением отличительных признаков заявляемого реле для целей исключения кратковременного выключения реле в процессе его срабатывания.

2. Известные решения по выбору постоянной времени нарастания тока в катушке управления (τ) путем размещения ее на сердечнике [4] или последовательного включения дросселя с обмоткой управления [2] устраняют периодические размыкания контактов (вибрации) в установившемся режиме, однако не устраняют разового выключения реле при неблагоприятной начальной фазе питающего напряжения в момент включения, так как для исключения разового выключения реле в процессе его срабатывания при любых углах включения к величине параметра предъявляются более строгие требования (например, на рис. 1, исключаются периодические размыкания контактов, однако не исключается однократное размыкание в процессе включения реле). Кроме того, при последовательном включении с катушкой управления дросселя увеличивается потребляемая мощность, поскольку часть напряжения падает на дросселе.

3. Известные решения по выбору высокого значения коэффициента запаса по напряжению [1] с целью исключения периодических размыканий контактов (вибрации) из-за пульсаций питающего напряжения не исключают разового выключения реле в процессе его срабатывания при неблагоприятных углах включения, так как для этого к параметру предъявляются более строгие требования.

4. Известна зависимость времени срабатывания электромагнита [5] и герконового реле [6] от фазы напряжения в момент включения. Причем в [6] предлагается строить кривую переходного процесса напряжения на сглаживающем конденсаторе для определения времени срабатывания. Известно влияние коэффициента возврата геркона на быстродействие реле и наличие вибрации в установившемся режиме [6] Известна зависимость коэффициента запаса по срабатыванию от коэффициента возврата геркона по условию отсутствия вибрации в установившемся режиме [3] Однако, в этих работах не отмечается возможность однократного выключения реле в процессе его срабатывания при неблагоприятных углах включения и не приводятся пути по устранению этого недостатка.

5. Известны решения по исключению дребезга при замыкании "сухих" герконов путем формирования управляющего сигнала специальной формы. В [7] предлагается колоколообразный сигнал управления, а в [8] прерывистый импульс прямоугольной формы с определенными временными параметрами. Однако сложность и многоэлементность этих устройств не позволяет их использовать для реле железнодорожной автоматики.

Технические свойства совокупности признаков являются новыми по отношению к сумме свойств отличительных признаков, проявляемых в известных технических решениях (исключаются как периодические размыкания контактов в установившемся режиме, так и однократные в процессе срабатывания реле при неблагоприятных углах включения), что позволяет автору сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена форма тока переходного процесса для неблагоприятного угла включения, поясняющая причину однократного выключения реле в процессе его срабатывания; на фиг. 2 представлены результаты расчетов по (1), позволяющие выбрать соотношение между конструктивными параметрами реле для исключения кратковременных размыканий контактов.

Реле содержит катушку управления, размещенную на ферромагнитном сердечнике, магнитопровод, по крайней мере один геркон. Регулировка F_ср и F_отп производится изменением магнитных проводимостей участков магнитной цепи реле или выбором соответствующего геркона.

Выбор параметров реле, исключающих кратковременное размыкание контактов в процессе включения реле, производится следующим образом. Задаваясь углами включения от 0 до 180^o, по (1) проводится расчет кривой тока переходного процесса для конструктивных параметров макета реле. Если для одного из углов включения кривая, после пересечения порога срабатывания, пересекает порог отпадания, то необходимо увеличить τ (путем увеличения W, уменьшения R, увеличения G), увеличить коэффициент запаса реле (путем уменьшения F_ср, уменьшения R), уменьшить коэффициент возврата (путем выбора геркона) и повторить расчеты.

На фиг. 2 приведены полученные по (1) графики, позволяющие проверить для заданных значений t коэффициента запаса (отношения амплитудного значения магнитодвижущей силы в установившемся режиме F_м к F_ср), коэффициента возврата, отсутствуют ли однократные размыкания контактов в процессе срабатывания реле.

При подключении обмотки реле к источнику двухполупериодного выпрямленного напряжения, магнитный поток, создаваемый обмоткой управления проходит по сердечнику, магнитопроводу, геркону, вызывая его срабатывание. Поскольку основные конструктивные параметры реле путем решения уравнения (1) для различных углов включения выбраны таким образом, что кривая тока переходного процесса после пересечения порога срабатывания (прямой i=I_ср) не пересекает порог отпадания реле (прямую i=I_отп) и магнитный поток имеет аналогичную форму, то в процессе включения реле не происходит однократного размыкания контактов.

Применение изобретения позволит:
1. Увеличить срок службы реле, так как сокращается количество переключений контактов. Если длительность цикла кодового сигнала кратна частоте питающего напряжения, то такие срабатывания (с кратковременным выключением реле) могли бы происходить в каждом цикле.

2. Увеличить предельно-допустимое значение тока, коммутируемого контактами реле, так как времени разомкнутого состояния контакта (при кратковременном выключении в процессе срабатывания) может не хватить для восстановления количества жидкости в зоне контактирования, что способствует свариванию контакта при его замыкании.

3. Исключить ложное преобразование сигнала при сопряжении реле с бесконтактной аппаратурой, так как при импульсной работе реле кратковременное переключение контактов в процессе включения реле может восприниматься как наличие двух импульсов вместо одного. В результате повышается надежность и расширяется область применения реле.

Использование: в области электротехники, в устройствах железнодорожной автоматики. Существо изобретения заключается в том, что в реле, содержащем сердечник с катушкой управления, магнитопровод, один или несколько герконов, выбирается новое соотношение между основными конструктивными параметрами: числом витков, активным сопротивлением обмотки, проводимостью магнитной цепи реле, магнитодвижущей силой срабатывания и отпадания, чтобы ток переходного процесса включения обмотки после пересечения порога срабатывания реле не пересекал порог отпадания. При этом исключается кратковременное размыкание контактов в процессе включения реле. В результате увеличивается срок службы реле, повышается предельно допустимое значение коммутируемого контактами тока, исключается ложное появление дополнительного импульса на контакте. 2 ил.

Электромагнитное герконовое реле, содержащее катушку управления с ферромагнитным сердечником, магнитопровод, по крайней мере, один геркон и предназначенное для подключения к источнику двухполупериодного выпрямленного напряжения, отличающееся тем, что параметры реле: W число витков обмотки, R активное сопртивление обмотки, G проводимость магнитной цепи, F_с р магнитодвижущая сила срабатывания, F_о т п магнитодвижущая сила отпадания выбираются таким образом, чтобы при любых углах включения кривая тока переходного процесса включения катушки управления i

где U_m амплитудное значение питающего напряжения, В;
ω - круговая частота питающего напряжения, рад/с;
L W² • G индуктивность обмотки управления, Гн;
t время, с;
ψ - угол включения, рад;
n = int((ωt+ψ)/π)+1 - номер полупериода, n 1,2,3.

Φ = arctg(ωL/R) - угол сдвига по фазе между напряжением и током, рад;
τ = L/R - постоянная времени цепи, с,
после пересечения порога срабатывания, не пересекала порог отпадания реле.