Оптимизация схем управления электромагнитными реле

Несмотря на стремительный прогресс в области бесконтактных полупроводниковых коммутационных устройств, применение электромагнитных реле в ряде случаев обеспечивает лучшее соотношение цена/надежность устройства.

В данной статье рассматриваются схемотехнические решения, позволяющие значительно уменьшить потребляемую обмотками реле мощность, увеличить их надежность, зачастую избавить от необходимости подбора реле с конкретными параметрами обмотки. Рассмотреныпрактические схемы реализации таких устройств.

Как известно, у реле постоянного тока есть два основных параметра: напряжение срабатывания Ucp и напряжение удержания Uуд. Как правило, Uуд в 1,5-3 раза меньше, чем Ucp. В идеальном случае Ucp нужно подать только на время срабатывания реле, а затем поддерживать Uуд. На практике Ucp подается на реле все время. Нетрудно подсчитать, какой лишний расход мощности.

На рис.1 показана схема, приблизительно обеспечивающая соотношение Ucp=2Uп, Uуд=Uп, где Uп - напряжение питания схемы. Эта схема позволяет организовать управление реле с обмоткой на 24 В при напряжении питания схемы 12 В. Мощность, потребляемая обмоткой при включенном состоянии реле, снижается в 4 раза.

Схема обеспечивающая нужное соотношение для напряжения срабатывания и отпускания реле

Рис. 1. Схема обеспечивающая нужное соотношение для напряжения срабатывания и отпускания реле.

Конденсатор С3 заряжается через диод VD1 и резистор R3 до напряжения Uс3, примерно равному Uп. Для включения реле на базу транзистора VT1 подается напряжение открывания. Зарядный ток конденсатора С1 открывает транзистор VT2, на обмотку реле подается суммарное напряжение Uп+Uс2 (примерно 23 В), и реле срабатывает.

После разряда С3 на обмотку реле через VT1, VD1 поступает Uп, этого достаточно для удержания реле. При снятии напряжения с базы VT1 реле выключается благодаря наличию диода VD3. С1 быстро разряжается, и схема возвращается в исходное состояние.

Диод VD2 служит, как обычно, для гашения напряжения самоиндукции обмотки реле.

Номиналы конденсаторов С1-С3, параметры диодов и транзисторов, Uп схемы могут варьироваться в зависимости от типа применяемого реле. При достаточной нагрузочной способности источника питания конденсатор С2 можно исключить.

На рис.2 показана схема, позволяющая организовать управление довольно мощным реле РП-21 с обмоткой на 12 В (сопротивление обмотки 80 Ом). При традиционном подходе для этого потребовался бы источник питания с применением дорогого понижающего трансформатора.

Схема управления мощным реле РП-21 с обмоткой на 12 В

Рис. 2. Схема управления мощным реле РП-21 с обмоткой на 12 В.

В исходном состоянии транзисторы VT1 и VT2 открыты током резистора R3. Напряжения на конденсаторе С2 недостаточно для срабатывания реле. При нажатии кнопки SB1 "Пуск" транзистор VT2 закрывается и конденсатор С2 заряжается до напряжения, примерно равного напряжению стабилизации стабилитрона VD6 (примерно 14 В).

При отпускании кнопки SB1 через открытые VT1 и VT2 напряжение с конденсатора С2 прикладывается к обмотке реле и вызывает его срабатывание. Ток перезаряда конденсатора С1 обеспечивает дальнейшее удержание реле во включенном состоянии. При нажатии на кнопку SB2 "Стоп" зарядный ток конденсатора С3 вызывает кратковременное закрытие транзисторов, что приводит к отпусканию реле.

Данная схема позволяет организовать также однокнопочное управление: нажатие в течение более 0,5 с и последующее отпускание кнопки SB1 приводит к срабатыванию реле, последующее кратковременное нажатие этой же кнопки выключает его. Можно заменить кнопку SB1 электронным ключом и управлять реле с помощью электрических сигналов. При необходимости обеспечить гальваническую развязку очень удобно применить диодный или транзисторный оптрон.

Номиналы элементов схемы для конкретного типа реле выбирают из следующих соображений: ток перезарядки конденсатора С1 должен удерживать реле во включенном состоянии и быть недостаточным для его срабатывания; напряжение стабилизации VD6 выбирают равным номинальному напряжению обмотки реле; емкость конденсатора С2 выбирают из условия надежного срабатывания реле, а С3 - его выключения. Параметры элементов VD1-VD5, VT1, VT2 выбирают в зависимости от номинальных значений тока и напряжения обмотки реле.

Хорошие результаты дает использование реле с обмоткой, рассчитанной на переменный ток при питании ее постоянным (пульсирующим) током. При экспериментах с довольно мощным реле РЭН-20, имеющим обмотку на 220 В, для удержания реле во включенном состоянии достаточно было подавать на обмотку постоянное напряжение всего 6...8 В. Примерно такие же результаты были получены с широко распространенным магнитным пускателем ПМЕ-211 с обмоткой на 380 В.

Самый простой способ оптимизации схемы включения магнитного пускателя основан на питании его обмотки пульсирующим напряжением по схеме рис.3. Диод VD1 осуществляет однополупериодное выпрямление сетевого напряжения; через диод VD2 замыкается напряжение самоиндукции обмотки.

Пускатель ПМЕ-211 с обмоткой на 380 В при таком включении надежно срабатывает от напряжения 220 В, практически устраняется гудение, иногда сопровождающее включение пускателей, значительно уменьшается нагрев обмотки. Очень удобно таким образом запитать от сети 220 В реле с обмоткой на более низкое напряжение, например 110 В, подобрав номинал гасящего резистора R1, на котором при данной схеме включения будет рассеиваться мощность в несколько раз меньше, чем при непосредственном включении обмотки в сеть через гасящий резистор.

На рис.4 показан пример оптимизации включения реле РЭН-20 с обмоткой на 220 В. При включении в сеть возникает импульс тока заряда конденсатора С1, его достаточно для срабатывания реле; дальнейшее удержание реле во включенном состоянии обеспечивает протекание тока примерно в 1 мА через резистор R1. Потребляемая мощность и нагрев обмотки при этом во много раз меньше, чем в случае обычного включения, значительно повышается надежность реле.

Схема включения магнитного пускателя для питания его обмотки пульсирующим напряжением

Рис. 3. Схема включения магнитного пускателя для питания его обмотки пульсирующим напряжением.

Подобным образом можно включать и другие типы реле, подобрав необходимые значения R1 и С1.

Пример оптимизации включения реле РЭН-20 с обмоткой на 220 В

Рис. 4. Пример оптимизации включения реле РЭН-20 с обмоткой на 220 В.

В схеме на рис.5 конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения напряжения сети и обеспечивает срабатывание реле при замыкании кнопки "Пуск", ток удержания определяется номиналом резистора R1.

Схема включения реле РЭН-20 и ПМЕ-211

Рис. 5. Схема включения реле РЭН-20 и ПМЕ-211.

На рис.6 показана упрощенная схема реализации устройства (например, таймера, терморегулятора), включение которого производится вручную нажатием кнопки "Пуск", а выключение -сигналом от схемы управления (СУ) при достижении заданного значения параметра, который регулируется (время, температура). Схема обеспечивает непосредственное управление магнитным пускателем с обмоткой на 220 (380) В и гальваническую развязку от сети.

Оптимизация схем управления электромагнитными реле

Рис. 6. Схема устройства (таймера, терморегулятора), включение которого производится вручную нажатием кнопки, а выключение сигналом от схемы.

При нажатии кнопки B1 "Пуск" конденсатор С1 отключается от катушки магнитного пускателя и подключается через ограничивающий резистор R1 к сети, заряжаясь до амплитудного значения напряжения сети. Импульс разрядного тока конденсатора С1, возникающий при отпускании кнопки, вызывает срабатывание магнитного пускателя КМ1, импульс напряжения с обмотки пускателя кратковременно открывает транзистор VT2, устанавливая СУ в исходное состояние.

На выходе СУ устанавливается низкий уровень напряжения, ключ на транзисторе VT1 через развязывающий диод VD4 подает на обмотку пускателя напряжение 12 В, достаточное для удержания ее во включенном состоянии.

После того как регулируемый параметр достигает заданного значения, меняется уровень сигнала на выходе СУ, обмотка пускателя обесточивается и нагрузка выключается. На рис.7 показан пример модернизации устройства, описанного в [1], позволивший исключить промежуточное маломощное реле, значительно снизить потребляемую мощность и повысить надежность.

Схема модернизации устройства

Рис. 7. Схема модернизации устройства.

Схема устройства защитного отключения

На рис. 8 показана практическая схема устройства защитного отключения (УЗО), разработанная с использованием вышеизложенных принципов оптимизации включения реле. Применение усилителя на микросхеме DA1 позволило значительно упростить изготовление дифференциального трансформатора (ДТ) Т1.

Схема устройства защитного отключения (УЗО) питания от сети 220В

Рис. 8. Схема устройства защитного отключения (УЗО) питания от сети 220В.

Принцип работы устройства не отличается от традиционного: при отсутствии тока утечки с нагрузки на "землю" токи, протекающие через обмотки I и II, равны и компенсируют друг друга, напряжение на обмотке III практически отсутствует. При возникновении тока утечки на выходе микросхемы DA1 возникает пропорциональное ему усиленное напряжение.

Положительные полуволны этого напряжения вызывают заряд через стабилизатор тока на транзисторе VT2 и конденсаторе С5. Снижение напряжения на нижней по схеме обкладке конденсатора С5 ниже напряжения на базе транзистора VT1 вызывает запирание последнего и выключение реле, нагрузка обесточивается.

Управление реле в основном реализовано по схеме рис.2. При нажатии на кнопку SB2 "Пуск" конденсатор С2 заряжается до напряжения примерно 13 В, которое при отпускании кнопки вызывает срабатывание и самоблокировку (через контакт К1.1) реле К1.

Падение напряжения на резисторе R4 используется для обеспечения двухполярного питания (±7 В) микросхемы DA1; светодиод VD6 - индикатор включения устройства. Времязадающая цепочка C5R9 обеспечивает подавление кратковременных импульсных помех с выхода DA1, возникающих, например, при искрении контактов, соединяющих устройство с нагрузкой.

Кнопка SB1 "Тест" создает искусственную "утечку" и служит для проверки работоспособности и выключения устройства. Устройство может выполнять функцию автоматического выключения при превышении заданного тока нагрузки - необходимо установить в схему резистор R2 такого номинала, чтобы вследствие определяемой им разности токов обмоток I и II ДТ при заданном максимальном токе нагрузки происходило выключение реле К1.

При изготовлении ДТ на ферритовое кольцо с наружным диаметром 20 мм равномерно наматывают обмотку III -100 витков провода 00,1...0,3 мм. Затем приклеивают трансформатор Т1 к плате и устанавливают обмотки I и II - впаивают на плату две П-образные скобки из медного провода 00,5.1 мм, проходящие через отверстие кольца.

На рис.9, 10 показаны соответственно рисунок печатной платы и схема расположения элементов. Удобно выполнить устройство в виде сетевой вилки, использовав корпус малогабаритного блока питания.

Печатная плата для схемы устройства

Рис. 9. Печатная плата для схемы устройства.

Расположение деталей на печатной плате

Рис. 10. Расположение деталей на печатной плате.

Схема усовершенствованного варианта устройства защиты

На рис.11 показана принципиальная схема усовершенствованного варианта устройства защиты электродвигателей. В качестве исполнительного устройства используется непосредственно магнитный пускатель. В устройстве применена самая распространенная и дешевая элементная база.

Помимо обычной защиты от пропадания одной из фаз, устройство обеспечивает защиту электродвигателя от перегрева, а также от значительного перекоса фаз, который вызывает перегрев.

При нажатии кнопки SB1 "Пуск" обмотка магнитного пускателя КМ1 через диод VD5 подключается к одной из фаз сети, что вызывает срабатывание пускателя и подачу напряжения на нагрузку (электродвигатель). После отпускания кнопки "Пуск" ток, удерживающий пускатель во включенном состоянии, протекает через блокирующий контакт (БЛК) пускателя, цепочку R5R6C3VD4. Диод VD3 обеспечивает перезарядку конденсатора С3.

В случае отсутствия напряжения одной (двух) фаз пульсирующее напряжение на выходе однополу-периодного трехфазного выпрямителя VD5, VD7, VD8 имеет провалы до нуля, уровень пульсаций на выходе фильтра R7C2 увеличивается настолько, что каскад на элементах R2, VD2, VT2 начинает ограничивать амплитуду пульсирующего напряжения на обмотке пускателя КМ1, вызывая выключение последнего и обесточивание нагрузки.

Принципиальная схема усовершенствованного варианта устройства защиты электродвигателей

Рис. 11. Принципиальная схема усовершенствованного варианта устройства защиты электродвигателей.

В случае наличия всех трех фаз, но значительном отличии амплитудного значения их напряжений (перекос фаз) уровень пульсаций на выходе фильтра R7C2 недостаточен для выключения пускателя каскадом R2VD2VT2. Каскад на транзисторе VT3 сравнивает напряжения на выходах фильтра R7C2 и делителя R9R8.

При определенном уровне перекоса фаз (в зависимости от положения движка переменного резистора R14) пульсации напряжения на резисторе R4 начинают открывать транзисторы VT4 и VT1, конденсатор С1 разряжается, каскад на транзисторе VT2 ограничивает амплитуду пульсирующего напряжения на обмотке пускателя, приводя к выключению последнего.

Датчик температуры - германиевый диод VD10 - имеет тепловой контакт с корпусом электродвигателя. При повышении температуры корпуса обратное сопротивление диода уменьшается, что приводит к открыванию транзисторов VT5, VT3, VT2 и выключению пускателя.

Печатная плата для схемы защиты электродвигателей

Рис. 12. Печатная плата для схемы защиты электродвигателей.

Переменным резистором R12 регулируют температуру срабатывания устройства. Транзистор VT6 используется как стабилитрон на 7 В.

Р асположение деталей на печатной плате

Рис. 13. Расположение деталей на печатной плате.

Рисунок печатной платы устройства и схема установки элементов показаны на рис.12, 13. Устройство защиты можно выполнить в штатном блоке управления, использовав его магнитный пускатель и кнопочный пульт.

В.Н. Каплун. г. Северодонеик. Луганская обл., Украина. Электрик-2004-12.

Литература: 1. Яковлев В.Ф. Устройство для защиты трехфазных потребителей//Электрик. -2001. - №10.

1 510 Ремонт и модернизация
реле защита питания
pcbway
х (мм)
Получи купон на $5.00!
Написать комментарий:

cashback