Реле

Реле — это электромеханическое или электронное устройство, предназначенное для замыкания и размыкания электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Реле является одним из базовых элементов автоматики, телемеханики, силовой электротехники и систем управления. Основной принцип работы реле заключается в том, что относительно слабый управляющий сигнал (ток, напряжение, температура, давление) вызывает срабатывание исполнительного механизма, который коммутирует цепь с гораздо большей мощностью, обеспечивая тем самым гальваническую развязку между управляющей и управляемой цепями.

История

Первое реле было создано в 1835 году американским учёным Джозефом Генри, который продемонстрировал устройство, способное замыкать электрическую цепь с помощью электромагнита. Это изобретение стало основой для телеграфного аппарата Сэмюэла Морзе. В 1837 году Морзе и Альфред Вейл применили реле для усиления телеграфного сигнала на больших расстояниях, что позволило создать первую линию телеграфной связи между Вашингтоном и Балтимором.

В России развитие реле связано с работами П. Л. Шиллинга (1832 год, электромагнитный телеграф) и А. С. Попова (1895 год, использование реле в радиоприёмнике). В конце XIX века реле начали применяться в системах железнодорожной сигнализации и централизации. В 1920-х годах появились первые электромеханические реле защиты энергосистем, а в 1930-х — герконовые реле. С развитием полупроводниковой техники в 1960-х годах началось массовое внедрение твердотельных реле, а в 1970-х — программируемых логических контроллеров, где реле стали заменяться программной логикой, но сохранились в качестве выходных силовых элементов.

Классификация

Реле классифицируются по различным признакам: принципу действия, роду входного сигнала, конструктивному исполнению, назначению и коммутируемой мощности.

По принципу действия

• Электромеханические (электромагнитные) — наиболее распространённый тип. Основаны на взаимодействии электромагнита и якоря. При подаче тока на катушку создаётся магнитное поле, притягивающее якорь, который переключает контакты. Подразделяются на:
• нейтральные (постоянного тока) — полярность управляющего сигнала не имеет значения;
• поляризованные — срабатывают только при определённой полярности тока, обладают высокой чувствительностью;
• герконовые (герметизированные магнитоуправляемые контакты) — контакты помещены в герметичный стеклянный баллон, заполненный инертным газом, что обеспечивает высокую надёжность и быстродействие.
• Твердотельные (полупроводниковые) — не имеют подвижных частей. Коммутация осуществляется с помощью силовых полупроводниковых приборов (тиристоров, симисторов, транзисторов). Управляющий сигнал подаётся на оптрон, обеспечивающий гальваническую развязку. Отличаются высоким быстродействием, бесшумностью и большим ресурсом.
• Тепловые (термореле) — срабатывают при изменении температуры. Используют биметаллическую пластину, которая изгибается при нагреве и замыкает/размыкает контакты. Применяются для защиты электродвигателей от перегрузок.
• Электронные — построены на интегральных схемах и микроконтроллерах. Могут реализовывать сложные алгоритмы управления (например, реле времени с программируемой задержкой).
• Оптические (фотореле) — реагируют на изменение светового потока. Используются в системах автоматического освещения.
• Акустические — срабатывают при превышении уровня звукового давления.
• Пневматические и гидравлические — управляются давлением жидкости или газа. Применяются в промышленной автоматике.

По роду входного сигнала

• Реле тока (срабатывают при заданном значении тока).
• Реле напряжения (срабатывают при заданном значении напряжения).
• Реле мощности (реагируют на произведение тока и напряжения).
• Реле частоты (срабатывают при изменении частоты сигнала).
• Реле времени (срабатывают с заданной задержкой после подачи сигнала).
• Реле температуры, давления, уровня и т.д.

По конструктивному исполнению

• Моноблочные — все элементы размещены в одном корпусе.
• Модульные — устанавливаются на DIN-рейку, широко применяются в современных распределительных щитах.
• Герконовые — в герметичном стеклянном корпусе.
• Печатные — для монтажа на печатную плату.
• Силовые — для коммутации цепей с большими токами (до сотен ампер).

По назначению

• Реле защиты — предназначены для отключения электрооборудования при аварийных режимах (короткое замыкание, перегрузка, понижение/повышение напряжения). Являются основой релейной защиты энергосистем.
• Реле управления — используются в логических схемах автоматики, пускателях, контроллерах.
• Реле сигнализации — служат для подачи звуковых или световых сигналов при наступлении определённых событий.
• Промежуточные реле — усиливают слабые сигналы от датчиков до уровня, достаточного для управления мощными исполнительными устройствами.
• Реле времени — обеспечивают задержку включения или выключения нагрузки.
• Реле блокировки — предотвращают ошибочные действия оператора или неправильную последовательность операций.

Устройство и характеристики

Электромагнитное реле

Основные элементы электромагнитного реле:

• Катушка (обмотка) — намотанный на каркас провод, создающий магнитное поле при протекании тока.
• Магнитопровод (сердечник) — ферромагнитный элемент, усиливающий магнитное поле.
• Якорь — подвижная ферромагнитная пластина, притягиваемая к сердечнику.
• Контакты — замыкающие, размыкающие или переключающие группы. Изготавливаются из серебра, золота, палладия или их сплавов для обеспечения низкого переходного сопротивления и высокой износостойкости.
• Возвратная пружина — возвращает якорь в исходное положение при обесточивании катушки.
• Корпус — защищает механизм от пыли и механических повреждений.

Основные характеристики

• Номинальное напряжение катушки (Uн) — напряжение, при котором реле гарантированно срабатывает. Обычно 5, 12, 24, 48, 110, 220 В постоянного или переменного тока.
• Ток срабатывания — минимальный ток в катушке, необходимый для притяжения якоря.
• Ток отпускания — ток, при котором якорь возвращается в исходное положение.
• Коммутируемый ток — максимальный ток, который реле может безопасно замыкать и размыкать. Для силовых реле может достигать 100–300 А.
• Коммутируемое напряжение — максимальное напряжение на контактах.
• Время срабатывания — интервал от подачи сигнала до замыкания контактов. У электромагнитных реле — 5–50 мс, у твердотельных — 0.1–10 мс.
• Время отпускания — интервал от снятия сигнала до размыкания контактов.
• Электрическая износостойкость — количество циклов коммутации при номинальной нагрузке. У электромагнитных реле — от 10^5 до 10^7 циклов, у твердотельных — до 10^9.
• Механическая износостойкость — количество циклов без нагрузки.
• Сопротивление изоляции — между контактами и катушкой, а также между контактами и корпусом.
• Температурный диапазон — обычно от -40 до +85 °C.

Применение

Реле находят применение практически во всех областях электротехники и электроники:

• Промышленная автоматика — управление электродвигателями, насосами, вентиляторами, конвейерами. Реле входят в состав магнитных пускателей и контакторов.
• Энергетика — релейная защита линий электропередачи, трансформаторов, генераторов. Специализированные реле (дифференциальные, дистанционные, токовые) обеспечивают селективное отключение повреждённых участков сети.
• Транспорт — системы управления светофорами, стрелочными переводами, сигнализацией на железных дорогах. В автомобилях реле используются для управления стартером, фарами, стеклоподъёмниками, вентилятором охлаждения.
• Бытовая техника — холодильники, стиральные машины, микроволновые печи, кондиционеры. Реле времени управляют режимами работы, термореле защищают от перегрева.
• Телекоммуникации — коммутация телефонных линий, усилители сигналов.
• Медицина — аппараты ИВЛ, дефибрилляторы, диагностическое оборудование.
• Авиация и космонавтика — системы управления полётом, распределение электропитания.

Интересные факты

• Первое в мире реле было создано Джозефом Генри в 1835 году, который использовал его для демонстрации передачи электрического сигнала на расстояние.
• В СССР и России реле серии РЭС (реле электромагнитные слаботочные) и РП (реле промежуточные) выпускались миллионными тиражами и до сих пор используются на железнодорожном транспорте.
• Герконовые реле, разработанные в 1936 году в США, до сих пор применяются в системах безопасности и охранной сигнализации благодаря своей герметичности и надёжности.
• Твердотельные реле не имеют подвижных частей, что делает их бесшумными, но они требуют отвода тепла при больших токах и могут выходить из строя при перенапряжениях.
• В некоторых современных реле используется технология «умного» управления, позволяющая дистанционно контролировать состояние контактов через интернет (IoT-реле).

Источники

• Г. И. Атабеков. «Теоретические основы релейной защиты». — М.: Энергия, 1966.
• В. С. Алексеев, В. П. Мурашов. «Электрические реле». — М.: Энергия, 1970.
• ГОСТ 16022-83. «Реле электрические. Термины и определения».
• В. А. Григорьев. «Реле защиты и автоматики». — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• М. А. Шустов. «Реле и релейная защита». — СПб.: Издательство Политехнического университета, 2015.