Как рассчитать обмотку реле

Как пересчитать обмотку реле

В практике радиолюбителя часто встречаются случаи, когда возникает необходимость в перемотке катушки реле на другое рабочее напряжение.

Все необходимые данные на имеющееся реле можно найти в справочниках, но при отсутствии этих данных, их можно определить самостоятельно. Ток срабатывания и сопротивление обмотки можно замерить мультиметром. Диаметр провода по меди можно замерить микрометром.
Немного теории. Сопротивление обмотки реле равно:

где ро – удельное сопротивление меди; n – число витков обмотки; l – средняя длина витка, мм; d – диаметр провода обмотки реле, мм.
Ток срабатывания реле равен:

где Uc – напряжение срабатывания реле.
Известно, что основной характеристикой реле являются так называемые ампер-витки срабатывания. Ампер-витки, это произведение тока срабатывания на число витков обмотки реле.
Ампер-витки срабатывания реле можно определить по формуле:

Отсюда видно, что ампер-витки для конкретного реле пропорциональны произведению напряжения срабатывания на квадрат диаметра провода, и эта величина постоянна для данного реле при любой обмотке. При перемотке обмотки реле на другое рабочее напряжение должно соблюдаться равенство:

Откуда диаметр провода новой обмотки будет равен:

Все это справедливо, если средняя длина витка новой обмотки остается такой же, как и у старой, т.е. геометрические размеры катушек не изменялись. И так же это справедливо для любых тяговых электромагнитов.

Пересчет обмотки электромагнитного реле на другое напряжение

В ремонтной и любительской практике часто возникает необходимость перемотки катушки имеющегося электромагнитного реле для срабатывания его при определенном напряжении. В паспорте реле обычно указываются сопротивление его обмотки и диаметр провода, которым она намотана. При отсутствии этих параметров их легко определить.

Кроме того, необходимо знать ток срабатывания реле, который можно легко измерить.

Сопротивление обмотки равно:

где p — удельное сопротивление материала провода; n — число витков обмотки; l — средняя длина витка, мм; d — диаметр провода, мм. Соответственно ток срабатывания реле равен:

где Uс—напряжение срабатывания.

Известно, что основной характеристикой реле являются так называемые ампер-витки срабатывания, т. е. произведение тока срабатывания на число витков обмотки. Эта величина определяется конструкцией реле и зависит от длины магнитопровода, его материала, силы пружины и т. д.

Ампер-витки срабатывания равны:

Отсюда видно, что ампер-витки срабатывания для конкретного реле пропорциональны произведению напряжения срабатывания на квадрат диаметра провода, и эта величина для данного реле остается постоянной при любой обмотке.

Парадоксальный на первый взгляд вывод о том, что напряжение срабатывания не зависит от числа витков, объясняется очень просто. При увеличении числа витков ток срабатывания падает обратно пропорционально числу витков, но при этом прямо пропорционально числу витков растет сопротивление обмотки. Произведение же тока срабатывания на сопротивление, определяющее напряжение срабатывания, остается постоянным.

Ток срабатывания реле падает с увеличением числа витков, а напряжение остается примерно постоянным, поэтому мощность, потребляемая обмоткой, падает обратно пропорционально числу витков. Допустим, что для какого-либо реле известны диаметр провода и напряжение срабатывания, равное Uс = IсRоб.

При перемотке катушки реле на другое напряжение срабатывания должно быть соблюдено равенство:

откуда диаметр провода новой обмотки равен:

Сказанное справедливо не только для электромагнитных реле, но и для любых тяговых электромагнитов.

Пример. Имеется реле типа РС-13 с сопротивлением обмотки 8 кОм и током срабатывания 10 мА, намотанное проводом ПЭЛ-0,05. Нужно перемотать его обмотку для работы при 12 В.

Расчет. Напряжение срабатывания данного реле

Диаметр провода 12-вольтовой обмотки:

Примечание. Приведенные рассуждения справедливы для случая, когда средняя длина витка обмотки остается постоянной, что имеет место, если геометрические размеры обмоток одинаковы.

Если же новая обмотка занимает больше или меньше места, чем старая, то формула для определения диаметра провода имеет вид:

где l1 и l2 — соответственно средние длины витка старой и новой обмоток, определяемые как:

где Dmax, Dmin — соответственно максимальный и минимальный диаметры обмотки.

7. Основы расчета обмотки реле

В задачу расчета обмотки реле входит определение диаметра провода и числа витков. Конструкция катушки фактически определена конструкцией и размерами магнитной системы реле. По форме различают круглые и прямоугольные катушки реле. Круглая катушка (рис. 12, а) характеризуется внутренним (D_вн) и наружным (D_нар) диаметрами намотки, длиной намотки l_н, длиной каркаса катушки L_K. Сечение катушки при продольном разрезе катушки называется окном намотки. Площадь окна намотки

(17)

где — высота окна намотки. Средняя длина витка

(18)

Прямоугольная катушка (на рис. 12, б показана с торца) характеризуется двумя внутренними размерами (а и b) и двумя наружными размерами (А и В). Остальные размеры совпадают с размерами круглой катушки.

Высота окна намотки . Средняя длина витка определяется по формуле

(19)

где второе слагаемое учитывает закругление провода.

Рис. 12. Катушки реле

Для обмоток реле чаше всего применяют медные изолированные провода с удельным сопротивлением ρ = 0,0175 Ом • мм 2 /м. В зависимости от изоляции различают марки проводов ПЭЛ (эмалевая лакостойкая изоляция), ПЭВ (эмалевая винифлексовая изоляция), ПЭЛШО (с шелковой оплеткой поверх эмалевой изоляции), ПЭТВ (теплостойкая изоляция).

Существует три способа намотки провода на катушку:

рядовая намотка (рис. 13, а), когда витки в ряду расположены плотно, а витки соседних рядов лежат точно друг над другом;

шахматная намотка (рис. 13, б), когда витки очередного ряда расположены в углублениях между витками нижнего ряда;

намотка навалом, неупорядоченная намотка, когда витки укладываются рядами без соблюдения соосности слоев.

Важной характеристикой намотки является коэффициент заполнения, который учитывает заполнение окна катушки медью провода.

Коэффициентом заполнения называется отношение сечения меди катушки к площади окна:

(20)

где d — диаметр провода (без изоляции); w— число витков.

Коэффициент заполнения зависит от изоляции провода и катушки, способа намотки. Более высокие коэффициенты заполнения обеспечивает упорядоченная намотка (особенно шахматная). Однако для тонких проводов (d < 0,35 мм) упорядоченную намотку выполнить трудно и применяется, как правило, намотка навалом. Для тонких проводов относительная толщина изоляции больше, чем для толстых проводов. Например, для провода диаметром d= 0,1 мм диаметр с изоляцией ПЭЛ составляет 0,12 мм, с изоляцией ПЭВ-2 — 0,13 мм, с изоляцией ПЭЛШО — 0,175 мм, т. е. увеличивается соответственно в 1,2; 1,3; 1,75 раза. Для провода диаметром d=1,0 мм диаметр с изоляцией ПЭЛ составляет 1,07 мм, изоляцией ПЭВ-2 — 1,11 мм, с изоляцией ПЭЛШО — 1,135 мм, т. е. увеличивается соответственно в 1,07; 1,11; 1,135 раза. Поэтому для обмоток из толстых проводов коэффициент заполнения значительно выше, чем для тонких проводов. Надо также отметить, что для мощных реле используются бескаркасные обмотки. Они наматываются на временные разъемные шаблоны, затем закрепляются с помощью изолирующей ленты и пропитки лаками и устанавливаются непосредственно на сердечник реле.

Рис. 13. Способы намотки провода

Сопротивление обмотки реле

(21)

где — сечение провода.

В зависимости от условий работы различают реле напряжения, работающие при неизменном напряжении (U= const), и реле тока, работающие при заданном токе (_I= const).

Реле напряжения включается на полное напряжение источника питания и является в своей цепи единственной нагрузкой. Ток обмотки и, следовательно, МДС зависят от сопротивления обмотки. Если заданы напряжение U и МДС , то диаметр провода обмотки определяется по формуле

(22)

По справочнику выбирается ближайший больший стандартный диаметр провода. Число витков определяется с учетом коэффициента заполнения, выбираемого из справочника. Ток в обмотке определяется по закону Ома:

Выбранный диаметр провода проверяется на нагрев по допустимой плотности тока А/мм 2 (для новейших марок проводов с улучшенной изоляцией допускается большая плотность тока):

(23)

Реле тока может включаться последовательно с нагрузкой, имеющей значительно большее сопротивление, чем обмотка реле. Реле тока служат обычно для отключения нагрузки при аварийных значениях тока. Их называют максимальными реле. В практике используют также минимальные реле, действующие при уменьшении тока в нагрузке. При расчете обмотки токового реле число витков определяется по заданным значениям МДС и тока:

Диаметр провода определяется с учетом коэффициента заполнения на основании известной площади окна намоткиQ₀ с помощью уравнения (20):

(24)

После выбора стандартного диаметра (сечения) провода необходимо проверить его на нагрев по допустимой плотности тока.

Устройство, схема и подключение промежуточного реле. Часть 2

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем тему о промежуточном электромагнитном реле. В первой части статьи мы рассмотрели устройство, принцип работы, электрическую схему реле и обозначение реле на принципиальных электрических схемах, а в этой части рассмотрим основные параметры и схемы включения реле.

5. Основные параметры электромагнитных реле.

Основными параметрами, определяющими нормальную работоспособность реле и характеризующие эксплуатационные возможности, являются: 1. Чувствительность. 2. Ток (напряжение) срабатывания. 3. Ток (напряжение) отпускания. 4. Ток (напряжение) удержания. 5. Коэффициент запаса. 6. Рабочий ток (напряжение). 7. Сопротивление обмотки. 8. Коммутационная способность. 9. Износостойкость и количество коммутаций. 10. Количество контактных групп. 11. Временны́е параметры: время срабатывания, время отпускания, время дребезга контактов. 12. Вид нагрузки. 13. Частота коммутаций. 14. Электрическая изоляция.

Все эти параметры подробно приводятся в технических условиях (ТУ), справочниках или в руководствах по применению реле. Однако мы рассмотрим лишь некоторые из них, которыми, как правило, пользуются при повторении радиолюбительских конструкций.

1. Чувствительность реле определяется минимальной мощностью тока, подаваемой в обмотку реле и достаточной для приведения в движение якоря и переключения контактов. Чувствительность различных реле неодинаковая и зависит от конструкции реле и намоточных данных катушки. Чем меньше электрическая мощность тока, необходимая для срабатывания реле, тем реле чувствительнее. Как правило, обмотка более чувствительного реле содержит бо́льшее число витков и имеет бо́льшее сопротивление.

Однако в технической документации параметр чувствительность не указывается, а определяется как мощность срабатывания (Рср) и вычисляется из сопротивления обмотки и тока (напряжения) срабатывания:

2. Ток (напряжение) срабатывания определяет чувствительность реле при питании обмотки минимальным током или напряжением, при котором реле должно четко сработать и переключить контакты. А для их удержания в сработанном положении на обмотку подаются рабочие значения тока или напряжения.

Ток или напряжение срабатывания указывается в технической документации для нормальных условий и является контрольным параметром для проверки реле при их изготовлении и не является рабочим параметром.

3. Ток (напряжение) отпускания приводится в технической документации для нормальных условий и не является рабочим параметром. Отпускание реле (возвращение контактов в исходное состояние) происходит при снижении тока или напряжения в обмотке до значения, при котором якорь и контакты возвращаются в исходное положение.

4. Рабочий ток (напряжение) обмотки указывается в виде номинального значения с двухсторонними допусками, в пределах которых гарантируется работоспособность реле.

Верхнее значение рабочего тока или напряжения ограничивается в основном температурой нагрева провода обмотки, а нижнее значение определяется надежностью работы реле при снижении напряжения источника питания. При подаче на обмотку реле тока или напряжения в указанных пределах реле должно четко срабатывать.

5. Коммутационная способность контактов реле характеризуется величиной мощности, коммутируемой контактами. В технической документации коммутируемая мощность указывается верхним и нижним диапазоном коммутируемых токов и напряжений, в пределах которых гарантируется определенное число коммутаций (срабатываний).

Нижний предел токов и напряжений, коммутируемых контактами, ограничивается величиной переходного сопротивления материала, из которого выполнены контакты. Для большинства промежуточных электромагнитных реле нижним пределом является нагрузка контактов током 10 – 50 мкА при напряжении на контактах 10 – 50 мВ.

Верхним пределом токов и напряжений является нагрузка контактов максимальным коммутирующим током, предусмотренным в технической документации. Верхний предел ограничивается температурой нагрева контактов, при которой снижается механическая прочность контактных материалов, что может привести к нарушению рабочей поверхности.

6. Подключение промежуточных реле.

Схемы включения промежуточных реле практически ни чем не отличаются от схем включения контакторов и магнитных пускателей. Разница состоит лишь в мощности коммутируемой нагрузки. Если контакты промежуточных реле ограничены коммутационной мощностью контактов, составляющей около 5 А, то магнитные пускатели и контакторы способны коммутировать токи более 50 А и напряжения свыше 1000 В.

Разберем подключение реле на примере простых схем.

6.1. Схема с нормально разомкнутым контактом.

Схема питается от источника постоянного тока GB1 напряжением 12 В и состоит из кнопочного выключателя SB1, катушки реле KL1 и лампы накаливания HL1.

В исходном состоянии, когда контакты выключателя SB1 разомкнуты, напряжение питания на катушке реле KL1 отсутствует. Контакт реле KL1.1, стоящий в цепи питания лампы HL1, разомкнут, и на лампу не поступает напряжение.

При замыкании контактов выключателя SB1 напряжение от батареи GB1 поступает на обмотку реле KL1. Реле срабатывает, его контакт KL1.1 замыкается и включает лампу HL1.

При размыкании контактов выключателя SB1 движение тока через обмотку реле прекращается и реле возвращается в исходное положение.

6.2. Схема с нормально замкнутым контактом.

В исходном состоянии, когда контакты выключателя SB1 разомкнуты, реле KL1 обесточено, его нормально замкнутый контакт KL1.1 замкнут и напряжение питания 12 В поступает на лампу HL1. Лампа горит.

При замыкании контактов выключателя SB1 напряжение поступает на обмотку реле KL1. Реле срабатывает, его контакт KL1.1 размыкается и разрывает цепь питания лампы HL1. Лампа гаснет.

При размыкании контактов выключателя SB1 движение тока через обмотку реле прекращается и реле возвращается в исходное положение.

6.3. Схема с нормально замкнутым и нормально разомкнутым контактами.

В этой схеме используются сразу два контакта реле KL1.
В исходном состоянии, когда контакты выключателя SB1 разомкнуты, реле KL1 обесточено и его нормально разомкнутый контакт KL1.1 разомкнут, а нормально замкнутый KL1.2 замкнут. При этом лампа HL1 не горит, а лампа HL2 горит.

При замыкании контактов выключателя SB1 реле срабатывает и его контакт KL1.1 замыкается, а KL1.2 размыкается. Контакт KL1.1 замыкается и включает лампу HL1, а контакт KL1.2 размыкается и выключает лампу HL2.

При размыкании контактов выключателя SB1 движение тока через обмотку реле прекращается и реле возвращается в первоначальное положение.

Рассмотренная схема включения реле не обеспечивает гальваническую развязку между обмоткой реле и нагрузкой, так как они питаются от общего источника напряжения. Т.е. если необходимо коммутировать нагрузку, например, с рабочим переменным напряжением 220 В, то и реле необходимо использовать с обмоткой, рассчитанной на такое же рабочее напряжение. Если же разделить управление обмоткой и нагрузкой, то их можно применять с любым напряжением.

6.4. Схема с гальванической развязкой.

На схеме показаны две цепи – управляющая и исполнительная (силовая):

управляющая цепь питается напряжением 12 В и включает в себя источник постоянного тока GB1, кнопочный выключатель SB1 и катушку реле KL1;

исполнительная цепь, или ее еще называют силовой, питается переменным напряжением 220 В. В нее входят две лампы накаливания HL1 и HL2, рассчитанные на рабочее напряжение 220 В, и два контакта реле KL1.1 и KL1.2, служащие для управления лампами.

При замыкании контактов выключателя SB1 напряжение от батареи GB1 поступает на обмотку реле KL1. Реле срабатывает и его контакт KL1.1 замыкается, а KL1.2 размыкается. Контакт KL1.1 замыкаясь включает лампу HL1, а контакт KL1.2 размыкаясь выключает лампу HL2.

6.5. Схема технологической сигнализации.

А теперь рассмотрим схему технологической сигнализации, используемую в системах управления технологическими процессами. Работа такой схемы заключается в контролировании технологических параметров (температура, давление, уровень) и выдаче световой и звуковой информации об отклонении этих параметров за пределы заданных значений.

Для контроля за технологическими параметрами применяют специализированные датчики и приборы, например, сигнализаторы, электроконтактные манометры и т.д., контакты которых задействованы в схеме сигнализации. При выходе параметра за пределы допустимого значения контакт датчика или прибора замыкается или размыкается и этот сигнал запускает сигнализацию в работу.

Рассмотрим упрощенную схему с одним контролируемым параметром.

Схема состоит из двух кнопок SB1 и SB2, двух промежуточных реле KL1 и KL2, сирены HA1, лампы накаливания HL1 и контакта датчика Р1.

При отклонении технологического параметра от заданного значения замыкается контакт датчика Р1 и включаются световая и звуковая сигнализации. Световая сигнализация HL1 включается при срабатывании реле KL2, которое своим нормально разомкнутым контактом KL2.1 подает фазу А1 на лампу. Звуковая сигнализация НА1 включается через замкнутый контакт датчика Р1 и нормально разомкнутый контакт KL1.2. И пока контакт Р1 не разомкнется лампа будет светить, а сирена звенеть.

Чтобы сирена постоянно не звенела, ее отключают нажатием кнопки SB2. При этом фаза А1 через контакт Р1 и контакты кнопки SB2 поступит на катушку реле KL1. Реле сработает и своим нормально разомкнутым контактом KL1.1 встанет на самоподхват, а нормально замкнутым контактом KL1.2 разорвет цепь питания звонка НА1. При возвращении технологического параметра в норму контакт датчика Р1 разомкнется и схема сигнализации вернется в первоначальное состояние.

Для проверки работоспособности сигнализации предусмотрена кнопка SВ1. При ее нажатии фаза А1 через нормально замкнутый контакт KL1.2 поступает на сирену НА1 и сирена начинает звенеть. И одновременно фаза А1 поступает на катушку реле KL2, которое срабатывает и своим контактом KL2.1 включает лампу HL1.

И в дополнение к статье видеоролик о промежуточных реле.

Ну вот в принципе и все, что хотел сказать о промежуточных реле.
Удачи!

1. И. Г. Игловский, Г. В. Владимиров – «Справочник по электромагнитным реле», Л., Энергия, 1975 г.
2. М. Т. Левченко, П. Д. Черняев – «Промежуточные и указательные реле в устройствах релейной защиты и автоматики», Энергия, Москва, 1968, (Б-ка электромонтера, вып. 255).
3. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.