ТРИА Комплекс инженерных систем
facebook.com/group.triakomm twitter.com/triakomm triakomm.livejournal.com instagram.com/triakomplex
Проектирование инженерных систем Сервис инженерных систем
Поставка инженерного оборудования Монтаж инженерных систем
Объекты
ТРИА
Комплекс
инженерных
систем
При заказе проекта котельной — ТЗ в подарок!
Сформируем ТЗ на котельную без визита в офис, если оплатить счет и заполнить опросный лист по котельной для вашего объекта.

Электрические реле для автоматики инженерных систем: виды, отличия, особенности применения

Автор: Виктор Коробейников


1. Электромагнитное реле     2. Импульсное (поляризованное) реле     3. Твердотельное реле

Наша компания многие годы занимается созданием домашней автоматики и систем управления инженерным оборудованием, в которых важные функции включения, выключения устройств, приборов и самых различных агрегатов выполняют электрические реле. Производители предлагают множество коммутационных устройств с различными характеристиками, именно с этой целью здесь была собрана обобщенная информация о различных видах реле для изучения и рассмотрения.

Если вы решили автоматизировать систему освещения и другое инженерное оборудование в своем доме, офисе, коттедже, квартире или ресторане, то вам однозначно придется выбирать какие-либо реле, из приведенных в данной статье. Надеемся, что многим читателям эта информация откроет понимание некоторых важных вопросов, которые открываются вниманию заказчиков только после того, когда проект, а то и монтаж реле с автоматикой уже выполнены.


Джозеф Генри, изобретатель реле

Реле предназначены для управления электрической цепью, они позволяют управлять инженерным оборудованием дистанционно.

Первое реле было изобретено американцем Джозефом Генри, и его работа основывалась на электромагнитном принципе действия. Это самый простой механизм действия, жив он и в наши дни. Его разберем первым.

1. Электромагнитное реле

Благодаря своей простоте, невысокой цене и относительной надежности электромагнитные реле получили максимальное распространение. Работа данного типа реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Над сердечником установлена подвижная пластина (якорь) с контактом. Напротив контакта установлены соответствующие парные неподвижные контакты.

Схема работы простейшего электромагнитного реле
Схема работы простейшего электромагнитного реле

В начальном положении якорь удерживается пружиной. При подаче управляющего напряжения на катушку якорь притягивается к сердечнику, преодолевая усилие пружины, и замыкает контакты. После отключения напряжения пружину ничто не сдерживает, и она возвращает якорь в исходное положение.

Электромагнитное реле чаще всего используется в схемах защиты электроустановок и в системах автоматики.

Достоинства электромагнитных реле

  • Низкая цена.
  • Способность коммутации (переключения) нагрузок мощностью до 4 кВт при достаточно малых размерах менее 10 см³.
  • Устойчивость к импульсным перенапряжениям.
  • Малое выделение тепла.
  • Максимальная электрическая изоляция.

Недостатки электромагнитных реле

  • Большая задержка с момента поступления управляющего напряжения до контакта.
  • Ограниченный механический ресурс.
  • Создание радиопомех при срабатывании.
  • Громкий щелчок при размыкании, замыкании контактов.
  • Необходимость хоть и редкого, но регулярного технического обслуживания.
  • Большое потребление электрического тока.

На наших объектах мы часто используем реле Finder. Их многие видели и знают.

Фото реле Finder
Так выглядит реле Finder

Электромагнитные реле в системах автоматики

Электромагнитные реле работают, делают цепь замкнутой, только в течение того времени, пока на него подается напряжение. Этот момент является определяющим в управлении электроснабжением потребителей.

Именно поэтому электромагнитное реле не может работать с кнопками, так как кнопка — это не выключатель с фиксацией, который «запоминает» внешнее воздействие (сигнал) человека. Кнопка подает только кратковременный сигнал для включения, выключения. А вот если нажать клавишу выключателя в положение «включено», электрическая цепь будет замкнута до тех пор (и напряжение на реле будет подаваться, соответственно), пока кто-либо не изменит положение выключателя. Поэтому с фиксируемым выключателем электромагнитное реле работает, а с кнопкой — нет.

    Это раз, так как среди предлагаемой производителями электротехнической продукции и фурнитуры — огромное множество различных коммутирующих устройств, но не все они будут работать с этими реле.
 !  Во всех примерах здесь мы не рассматриваем простейшие ручные схемы управления освещением, когда нажал на фиксируемый выключатель, реле им удерживается, и свет включается, пока не нажать на клавишу фиксируемого выключателя в положение «выключено».

В системах управления освещения с автоматикой всегда применяются кнопки, а не фиксированные выключатели, поэтому на работу всех реле будем смотреть, принимая во внимание их взаимодействие с кнопками (или выключателями без фиксации).

Однако если подключить кнопки к контроллеру, а от контроллера — к реле, то все будет работать нормально. Контроллер будет подавать управляющее, удерживающее напряжение на реле, и цепь будет замкнута до тех пор, пока с кнопки на вход контроллера не поступит следующий, отключающий напряжение сигнал.

Если говорить о реле в общем, в контексте систем управления и автоматизации, то все реле, к примеру, для автоматизации систем освещения в проходных зонах, применяются только с контроллерами. Именно контроллер в данном случае является этим «запоминателем» состояния включения света. Причем в проходной зоне с 3–4-мя входами-выходами, в которой включением света управляют, к примеру, 3–4 выключателя (и более), расположенные у каждой двери (а еще и датчики), только контроллер может знать, что делать с включением, выключением света, если от одного из выключателей поступил управляющий сигнал.

Шум есть, но не критичный. Возможен монтаж реле на этаже

Шум от работы этих реле присутствует, но его величина не особенно критична, поэтому монтаж электромагнитных реле может производиться на этажах, то есть в данном случае возможна поэтажная разводка электропроводки.

2. Импульсное (поляризованное) реле

Здесь уже поинтереснее. Потребности людей в комфорте, безопасности, скорости срабатывания росли, и на замену электромеханическому реле пришло импульсное или поляризованное реле. Данный тип реле используется в большом количестве отраслей, благодаря своей надежности, относительно высокой скорости срабатывания и возможности управления им малыми токами.

Устройство импульсного реле схоже с устройством электромагнитного. Однако, катушка электромагнитного реле, находящегося в рабочем состоянии, должна быть всегда под напряжением, а катушка импульсного реле для устойчивого переключения получает только кратковременные импульсы. Благодаря чему потребляет энергию только в момент импульса и «запоминает», включено оно или нет, даже если напряжение исчезает (обычное реле так «не умеет», работает только при постоянной подаче тока).

Наибольшее распространение данный тип реле получил в области управления освещением.

Фото импульсных реле известных зарубежных производителей
Импульсные реле известных зарубежных производителей

Импульсные реле можно разделить на несколько типов:

  • электромагнитные;
  • индукционные;
  • магнитоэлектрические;
  • электродинамические;
  • электронные (будут выделены отдельно).

Принцип работы у всех этих вариаций схож с работой обычного электромагнитного реле. Разница лишь в способе замыкания.

Импульсные электромагнитные реле.
Эти реле применяются чаще остальных. У них простой метод работы, основанный на электромагнетизме в ферромагнитном сердечнике. Так же как и у электромагнитного реле, в катушке есть ток, сердечник превращается в магнит и замыкает, размыкает контакт, механизм контакта позволяет ему оставаться в этом положении до следующего импульса. Таким образом, импульсное реле не требует постоянной подачи напряжения и работает благодаря управляющим импульсам.

Индукционные реле.
Индукционные основаны на взаимодействии переменного тока и индуцированного в проводнике тока. Такое взаимодействие создает вращающий момент, который, в свою очередь, приводит в движение или диск, или замыкатель в рамке, или механизм реле со «стаканом». Чем выше ток, тем быстрее срабатывает механизм.

Схема работы индукционного реле
Схема работы индукционного реле

Применяется данное реле только в цепях переменного тока, как реле защиты.

Магнитоэлектрическое реле.
Катушка вращается в поле постоянного магнита. С катушкой связан контакт. При поступлении тока контакт замыкается, при его отсутствии пружины возвращают систему в исходное положение. Практически не используются, ибо время срабатывания долгое — порядка 0,1-0,2 с.

Схема работы магнитоэлектрического реле
Схема работы магнитоэлектрического реле

Электродинамические реле.
Две катушки. Одна жестко закреплена, другая подвижна. Индукция в рабочем зазоре создается не постоянным магнитом, а закрепленной катушкой на сердечнике. И тяговое усилие воздействует не на якорь, как мы привыкли, а на подвижную катушку.

Схема электродинамического реле
Схема электродинамического реле

Достоинства электромеханических импульсных реле

  • Потребляют ток только в момент переключения.
  • Управляются из разных мест, в т. ч. контроллерами.
  • Малое теплообразование.
  • Устойчивы к перенапряжениям цепи.
  • Повышенная помехоустойчивость.

Недостатки

  • Громкий щелчок в момент срабатывания, шумность работы.
  • Низкая функциональность.
  • Много подвижных частей.
  • Возникновение помех при коммутации.
  • Длительное время срабатывания.

Электронные реле.
Вынесены отдельно, ибо они являются переходным звеном от механических видов реле к твердотельным.

Конструкция у них с одной стороны сложна, а с другой стороны — самая простая из всех выше перечисленных. Данное реле также имеет подвижные механизмы, отличает данный тип только способ управления внутри самого реле. Это блок, в состав которого входит микроконтроллер с полупроводником на печатной плате. И это маленькое новшество дает огромное количество вариантов использования данного реле.

Можно программировать реле на включение, выключение при определенных параметрах времени, температуры, освещенности и т. д.

Плюсы электронных импульсных реле

  • Безопасность (на входе используются малые токи).
  • Низкое тепловыделение.
  • Возможность управления разного рода устройствами (датчики движения и т. п.).
  • Индикация состояния.

Недостатки

  • Высокая чувствительность к перепадам напряжения.
  • Восприимчивость к помехам.
  • Ложные срабатывания.
  • Высокая стоимость (за такую цену проще купить твердотельное реле).

Импульсные электромеханические реле гораздо более надежные и простые, чем электронные. Электронные реле зависимы от стабильности напряжения, постоянного питания, а также они «не любят» помехи в сети. Тем не менее, они более безопасны, чем механические.

О применении импульсных поляризованных реле в автоматике

Импульсное поляризованное реле работает, как триггер. Оно длительно находится в одном из двух устойчивых состояний (включено, выключено) и чередует их под воздействием внешних сигналов.

То есть свет включается и выключается этими реле следующим образом:

  • Подал на это реле сигнал управляющей кнопкой всего один раз, реле замкнуло цепь, и свет включился.
  • Нужно выключить свет, еще раз нажимаем на кнопку, на реле идет управляющий сигнал, реле переключается, цепь размыкается, свет гаснет.
  • Подавать управляющее напряжение на это реле постоянно, чтобы оно удерживало включенную электрическую цепь, не требуется.

Этот момент обеспечивает применение импульсных поляризованных реле в системах освещения, подсоединяя кнопку (нефиксируемый переключатель) включения, выключения света напрямую к источнику света через это реле. Дополнительных контроллеров, которые обеспечивают простейшее управление светом, подающие напряжение, как в случае с обычными электромагнитными реле, чтобы электрическая цепь удерживалась, здесь не требуется.

То есть в данном случае с импульсными поляризованными реле можно применять кнопки, которые не имеют функций фиксируемого выключателя. О кнопках и выключателях уже было написано выше, но повторим еще раз:

  • Выключатель с фиксацией «запоминает» внешнее воздействие (сигнал) человека. Если нажать клавишу выключателя в положение «включено», цепь будет замкнута до тех пор, пока кто-либо не изменит положение выключателя.
  • Кнопка таким свойством не обладает. Механическая кнопка самостоятельно возвращается в исходное положение, как только на нее перестают нажимать, или же, как в случае с электронной кнопкой — подает только кратковременный управляющий сигнал в момент нажатия.

Этот момент запоминания состояния переключения в данном типе реле делает их более универсальными в применении, но портит свойство превосходности их шумность.

Шумность срабатывания требует монтировать реле в удаленных от людей местах здания

Импульсные поляризованные реле громко щелкают при срабатывании, значительно громче любых других реле. Эти щелчки нельзя не заметить. Треск реле в электрическом щите или шкафу, установленном на этаже рядом со спальней, не даст вам спокойно жить и отдыхать.

Шумность срабатывания импульсных поляризованных реле накладывает свои ограничения на схему монтажа и электрической разводки. Электрический щит или шкаф с такими реле требуется убирать с этажей в подвал или какое-либо техническое помещение. То есть в случае применения импульсных поляризованных реле предпочтительна схема централизованного монтажа реле в одном шкафу в каком-либо техническом помещении, подальше от людей, но в этом случае усложняется процесс электрической разводки проводов в здании, так как вся проводка от реле к выключателям тянется по всему дому из этого помещения, где щелкают эти реле. А сложность разводки, сама электропроводка и ее монтаж по всему дому из удаленного подвального или технического помещения делают всю систему электрики дороже.

Эти моменты следует учитывать при выборе реле и схем монтажа электрических щитов.

3. Твердотельное реле

И вот, если мы соберем все плюсы механических и электронных импульсных реле, то получим достоинства твердотельных.

Суть работы твердотельного реле заключается в использовании эффекта воздействия света на pn-переход. В отличие от механических реле у твердотельных реле отсутствуют механические замыкания и размыкания контактов. Для этих целей в твердотельных реле используются полупроводниковые элементы.

Фото твердотельных реле Schneider Electric с охладителями
Фото твердотельных реле Schneider Electric с охладителями

Принцип работы

Мы подаем ток на светодиод, и он, в свою очередь, воздействует на pn-переход коммутационной сети, замыкая или размыкая ее.

Твердотельные реле делятся на два основных вида. Это реле постоянного и переменного тока.

Твердотельные реле постоянного тока

Твердотельные реле постоянного тока очень надежны. Их срок службы, по сравнению с механическими, практически бесконечен. Работают они при температурах от -30 +70 градусов Цельсия.

Твердотельные реле переменного тока

Основная особенность твердотельных реле переменного тока — это пониженный уровень электромагнитных помех, малый расход энергии, абсолютная бесшумность и практически мгновенное срабатывание.

Достоинства

  • Бесшумные.
  • Отсутствуют подвижные детали. Срок службы — десятки лет.
  • Коммутация с минимумом помех.
  • Практически мгновенное срабатывание.
  • Малое потребление электроэнергии.
  • Очень малые размеры, при этом могут работать с большими токами.
  • Широкая сфера применения. Благодаря минимальным размерам и большому количеству настроек срабатывания, используются практически везде.
  • Благодаря большому расстоянию между цепью управления и управляемой цепью обеспечивается надежная изоляция.
  • Очень прочные. Почти безразличны к вибрациям и ударам.

Недостатки

Казалось бы, давайте заменим все реле на твердотельные, и бед знать не будем, но здесь не все так просто. Два недостатка у твердотельных реле все же есть. И порой они становятся решающими.

  1. Сильный нагрев.
  2. Высокая цена.

При малых токах величина нагрева, конечно же, не существенна. Однако когда мы говорим о больших потребителях электричества, например, требуется коммутировать электрический обогреватель, то величина нагрева увеличиваются значительно. А если в цепи произойдет короткое замыкание, то полупроводники в твердотельных реле расплавятся очень быстро. Да, реле, конечно, может быть защищено от короткого замыкания и оснащено системой охлаждения, но при этом оно становится достаточно дорогим.

Абсолютная тишина. Можно монтировать на этаже

Полное отсутствие шума в процессе работы этих реле позволяет выполнять монтаж твердотельных реле, где угодно. Можно монтировать в электрических щитах на этажах, здесь ограничений нет.

Твердотельное реле в системах управления и автоматики

Как и электромагнитное реле, твердотельное реле работает, удерживает цепь замкнутой, только в течение того времени, пока на реле подается напряжение. То есть это не тот случай, как с триггером или поляризованным реле, когда подал управляющее напряжение, и «забыл» — цепь будет замкнута сколько угодно долго до следующего отключающего сигнала. Для замыкания цепи на твердотельное реле должно подаваться напряжение постоянно, поэтому это реле не может работать с кнопками без контроллера.

Между кнопками включения света и твердотельным реле всегда требуется контроллер, который подает на реле удерживающее коммутацию напряжение.

Выводы

Представленная в статье информация и личное мнение пользователей уже созданных систем автоматики на базе различных реле не являются окончательным экспертным заключением в пользу применения того или иного их вида. Тем более, что в различных случаях и условиях выбор того или иного реле обусловлен влиянием совершенно различных критериев.