Реле электромеханические

Добавлено 30.10.2025

Реле электромеханические: принцип действия, конструкция, классификация и применение

Электромеханическое реле — это коммутационное устройство, предназначенное для замыкания или размыкания электрических цепей при заданных изменениях входных электрических величин (тока, напряжения, мощности) или неэлектрических величин (давления, температуры, уровня), преобразованных в электрический сигнал. Его работа основана на взаимодействии магнитных, механических и электрических явлений. Фундаментальный принцип заключается в преобразовании электрической энергии управляющего сигнала в механическое перемещение якоря, который, в свою очередь, воздействует на группу контактов, коммутирующих силовую или управляющую цепь.

Принцип действия и базовая конструкция

Основными функциональными узлами любого электромеханического реле являются:

Катушка (электромагнит): Состоит из сердечника, выполненного из магнитомягкого материала (чаще всего электротехнической стали), каркаса и намотанного на него медного обмоточного провода. При подаче напряжения на катушку протекающий ток создает магнитный поток, который намагничивает сердечник.
Якорь (якорная пластина): Подвижный элемент из магнитного материала, шарнирно закрепленный относительно сердечника. Под действием магнитного потока якорь притягивается к сердечнику, преодолевая усилие возвратной пружины.
Возвратная пружина: Обеспечивает возврат якоря в исходное положение при снятии напряжения с катушки.
Контактная группа: Система подвижных и неподвижных контактов, механически связанная с якорем. Перемещение якоря приводит к замыканию или размыканию контактов. Контакты изготавливаются из материалов с высокой электропроводностью и стойкостью к эрозии (серебро, сплавы серебра, вольфрам).
Каркас и защитный кожух: Обеспечивают механическую прочность, изоляцию между элементами и защиту от внешних воздействий (пыли, влаги).

Процесс срабатывания: при достижении тока в катушке значения, достаточного для создания магнитодвижущей силы, превышающей противодействующее усилие пружины, якорь начинает движение и притягивается к сердечнику. Связанная с ним контактная группа изменяет свое состояние. При снижении тока ниже значения удержания (или при полном его исчезновении) пружина возвращает якорь и контакты в исходное положение.

Классификация электромеханических реле

Классификация проводится по нескольким ключевым признакам, определяющим область применения и технические характеристики.

1. По виду управляющего сигнала (назначению):

Реле тока: Срабатывают при достижении заданного уровня тока в контролируемой цепи. Бывают максимального и минимального тока. Включаются последовательно в контролируемую цепь или через трансформатор тока.
Реле напряжения: Контролируют уровень напряжения. Бывают максимального, минимального и комбинированного (например, реле контроля фаз). Включаются параллельно цепи.
Реле времени (таймеры): Обеспечивают выдержку времени при срабатывании или возврате. Конструктивно могут быть с часовым, анкерным или моторным механизмом, а также пневматические и электротермические.
Реле мощности: Реагируют на изменение мощности в цепи, чаще всего используются как реле направления мощности в защите линий электропередачи.
Промежуточные реле: Предназначены для размножения контактов (управления несколькими цепями от одного сигнала), усиления сигнала по току/напряжению и гальванической развязки цепей.

2. По конструкции контактной системы:

С нормально разомкнутыми (NO, замыкающими) контактами: Контакты разомкнуты при обесточенной катушке и замыкаются при срабатывании.
С нормально замкнутыми (NC, размыкающими) контактами: Контакты замкнуты при обесточенной катушке и размыкаются при срабатывании.
С перекидными (переключающими) контактами: Группа содержит общую точку (COM), нормально замкнутый (NC) и нормально разомкнутый (NO) контакты. При срабатывании происходит разрыв цепи с NC и замыкание цепи с NO.

3. По типу и мощности коммутируемых цепей:

Силовые реле (контакторы): Предназначены для коммутации больших токов (десятки-сотни ампер) в силовых цепях. Имеют дугогасительные камеры и массивные контакты.
Реле управления: Коммутируют токи в цепях управления до 10-20 А. Не имеют развитых дугогасительных систем.
Маломощные реле (сигнальные): Для коммутации цепей с током до 2-5 А в схемах автоматики и связи.

Основные технические параметры и характеристики

При выборе реле необходимо анализировать следующие параметры:

**Таблица 1. Ключевые параметры электромеханических реле**
Параметр	Обозначение/Единица измерения	Описание и практическое значение
Номинальное напряжение катушки	U_ном, В (постоянного или переменного тока)	Напряжение, при котором реле надежно срабатывает и может длительно работать без перегрева. Диапазон рабочих напряжений обычно составляет 0.7-1.2 U_ном.
Сопротивление катушки	R_к, Ом	Определяет потребляемую мощность (P=U²/R) и ток управления. Важно для согласования с выходными каскадами управляющей аппаратуры (ПЛК, микроконтроллеры).
Мощность срабатывания	P_ср, Вт или ВА	Минимальная мощность, требуемая для перевода реле в рабочее состояние.
Номинальный ток контактов	I_ном, А	Максимальный ток, который контакты могут коммутировать и проводить длительно в заданных условиях без превышения допустимой температуры.
Коммутационная способность	I_ком, А при U_ком, В	Максимальный ток, который контакты могут надежно включить и отключить при заданном напряжении и коэффициенте мощности (cos φ). Для индуктивных и ламповых нагрузок значение существенно ниже, чем для активных.
Количество и тип контактов	Например, 2НО (2з) + 2НЗ (2р)	Определяет логику работы и количество управляемых цепей. Конфигурация может быть фиксированной или переставляемой (сменной).
Время срабатывания	t_ср, мс	Интервал от момента подачи напряжения на катушку до первого замыкания контактов. Зависит от массы якоря и конструкции.
Время отпускания	t_отп, мс	Интервал от момента снятия напряжения с катушки до размыкания контактов. Может быть больше времени срабатывания из-за остаточного магнетизма и демпфирования.
Механическая износостойкость	Циклы (миллионы)	Количество циклов «срабатывание-возврат» без подачи напряжения на контакты. Характеризует механический ресурс.
Электрическая износостойкость	Циклы (сотни тысяч)	Количество циклов коммутации под номинальной нагрузкой до выхода параметров за допустимые пределы. Зависит от материала контактов и условий гашения дуги.
Степень защиты	IPXX	Определяет защиту от проникновения твердых тел и воды. Для открытых реле — IP00, для герметичных (залитых) — IP67, IP54.

Особенности применения и схемы включения

В силовых цепях и цепях управления переменного тока широко используются реле с катушками на переменное напряжение. Их особенностью является наличие короткозамкнутого витка на сердечнике или фазосдвигающего шунта для предотвращения вибрации якоря с частотой сети (100 Гц). При нулевом значении синусоиды магнитный поток также стремится к нулю, и без дополнительных мер якорь начал бы отходить от сердечника. Короткозамкнутый виток создает сдвинутый по фазе магнитный поток, который поддерживает результирующий поток выше нуля.

Для защиты полупроводниковых элементов управления (транзисторов, выходов микросхем) от бросков ЭДС самоиндукции, возникающих при отключении катушки реле, обязательно применяются схемы гашения. Наиболее эффективные методы:

Обратный диод (защитный диод): Подключается параллельно катушке в обратной полярности (катод к «+»). При отключении ток самоиндукции замыкается через диод, энергия рассеивается на активном сопротивлении катушки. Применяется только в цепях постоянного тока.
Варистор: Подключается параллельно катушке. Ограничивает пиковое напряжение до уровня напряжения ограничения варистора. Работает на постоянном и переменном токе.
RC-цепь (снаббер): Последовательная RC-цепь, подключаемая параллельно контактам, коммутирующим индуктивную нагрузку, или параллельно катушке. Поглощает энергию коммутационных перенапряжений.

Преимущества и недостатки по сравнению с твердотельными реле (SSR)

**Таблица 2. Сравнение электромеханических и твердотельных реле**
Критерий	Электромеханическое реле (ЭМР)	Твердотельное реле (SSR)
Принцип действия	Механическое замыкание контактов	Коммутация полупроводниковым ключом (симистор, транзистор)
Скорость работы	Средняя (10-100 мс), ограничена механическим движением	Высокая (микросекунды — миллисекунды)
Ресурс	Ограничен механическим и электрическим износом контактов (10⁵-10⁷ циклов)	Высокий (10⁸-10¹⁰ циклов), нет движущихся частей
Устойчивость к перегрузкам	Высокая, кратковременные перегрузки по току переносятся хорошо	Низкая, требуется значительный запас по току и обязательное использование радиаторов
Сопротивление в открытом состоянии	Очень низкое (доли мОм), малое падение напряжения и нагрев	Конечное (единицы-десятки мОм у мощных моделей), вызывает нагрев, требующий отвода тепла
Гальваническая развязка	Встроенная, обеспечивается воздушным зазором и изоляцией между катушкой и контактами	Требуется отдельный элемент (оптопара, трансформатор)
Чувствительность к помехам	Низкая, устойчивы к импульсным перенапряжениям	Высокая, требуются дополнительные схемы защиты от dV/dt и бросков тока
Собственное энергопотребление	Зависит от типа: для удержания состояния требуется ток в катушке	Как правило, ниже, особенно в статическом состоянии
Коммутация постоянного тока	Универсальны, но требуется гашение дуги на постоянном токе	Требуют применения транзисторных ключей, специфичных для постоянного тока

Области применения в электроэнергетике и промышленности

Релейная защита и автоматика (РЗА): Токовые и voltage реле максимальной и минимальной защиты, промежуточные и указательные реле в схемах защит линий, трансформаторов, генераторов. Несмотря на активное внедрение цифровых терминалов, электромеханические реле сохраняются благодаря исключительной надежности и устойчивости к электромагнитным помехам.
Системы управления электроприводами: Промежуточные реле в цепях управления пускателями и контакторами, реле блокировок, реле времени в схемах пуска двигателей (звезда-треугольник, переключение обмоток).
Автоматизация технологических процессов: Реле контроля уровня, давления, температуры (с выносными датчиками), реле-датчики приближения.
Низковольтные комплектные устройства (НКУ): Широкое применение в панелях управления, распределительных щитах в качестве вспомогательных элементов для размножения сигналов, гальванической развязки цепей управления и силовых цепей.
Устройства связи и телемеханики: Маломощные герконовые реле и реле высокой частоты.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему при коммутации индуктивной нагрузки (катушка контактора, электромагнит) контакты реле быстрее выходят из строя?

При размыкании цепи с индуктивностью возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся поддержать ток. Это приводит к возникновению электрической дуги между расходящимися контактами. Дуга имеет высокую температуру (тысячи градусов), что вызывает интенсивную эрозию и оплавление контактного материала. Для увеличения срока службы необходимо применять устройства гашения дуги (варисторы, RC-цепи, защитные диоды), выбирать реле с контактами, рассчитанными на индуктивную нагрузку, или использовать реле с завышенной коммутационной способностью.

2. Можно ли использовать реле с катушкой на постоянное напряжение в цепи переменного тока, и наоборот?

Нет, это недопустимо. Реле постоянного тока имеют катушку с большим числом витков и активным сопротивлением, рассчитанным на определенный постоянный ток. При подключении к переменному току полное сопротивление катушки будет определяться в основном ее индуктивностью, что приведет к резкому снижению тока и невозможности срабатывания. Кроме того, переменный магнитный поток вызовет сильный нагрев сердечника из-за вихревых токов. Реле переменного тока, подключенное к постоянному напряжению номинальной величины, создаст ток, ограниченный только активным сопротивлением катушки, который будет чрезмерно большим, что приведет к перегреву и сгоранию обмотки.

3. Что такое «дребезг контактов» и как с ним бороться?

Дребезг — это многократные неконтролируемые замыкания и размыкания контактов в момент их первого соприкосновения или разъединения, вызванные упругими колебаниями и отскоком контактных групп. Длительность дребезга обычно составляет 1-10 мс. В цифровых и логических схемах это может восприниматься как серия импульсов и приводить к сбоям. Методы борьбы:

Аппаратные: использование реле с мостиковыми или специальными демпфированными контактами, применение RC-фильтров на входе управляемого устройства.
Программные: в микроконтроллерных системах реализуется алгоритм задержки (дебаунс) при опросе состояния контакта (10-50 мс).

4. Чем отличается контактор от силового реле?

Контактор является подклассом электромеханических реле, но имеет четкие конструктивные и функциональные отличия, ориентированные на частые коммутации больших токов (обычно от 25 А и выше):

Наличие дугогасительной камеры с деионной решеткой для быстрого гашения электрической дуги.
Двойной разрыв цепи на полюс (две пары контактов последовательно) для увеличения скорости гашения дуги.
Массивные контакты из металлокерамики (например, серебро-кадмиевая композиция).
Как правило, нормально разомкнутые (замыкающие) главные контакты и блок-контакты (нормально разомкнутые и нормально замкнутые) для цепей управления.
Предназначен для работы в сетях с большим количеством включений в час (до 1500 и более).

Таким образом, контактор — это специализированное реле для тяжелых условий работы в силовых цепях.

5. Как правильно выбрать реле для конкретной задачи?

Алгоритм выбора должен включать следующие шаги:

Определение параметров управляющей цепи: род тока (постоянный/переменный), номинальное напряжение катушки, доступная мощность для срабатывания.
Анализ нагрузки: род тока и напряжение коммутируемой цепи; тип нагрузки (активная, индуктивная, ламповая, двигательная); номинальный рабочий ток и пусковой ток (может в 5-10 раз превышать номинальный); частота коммутаций.
Выбор по коммутационной способности: Номинальный ток контактов реле должен быть с запасом не менее 20-30% от рабочего тока нагрузки. Для индуктивных и двигательных нагрузок необходимо использовать данные из раздела «Коммутационная способность при cos φ < 0.7» или применять дополнительный запас 2-3 раза.
Определение необходимого количества и типа контактов: (НО, НЗ, перекидные).
Учет условий эксплуатации: температура окружающей среды, вибрации, влажность, наличие агрессивной среды. При необходимости выбирать реле с соответствующим классом защиты корпуса (IP).
Проверка монтажных и габаритных характеристик: тип крепления (на DIN-рейку, панель, винты), способ подключения проводов (пайка, винтовые клеммы, быстросъемные разъемы).

6. Почему реле переменного тока иногда гудит?

Гудение (вибрация с частотой 100 Гц) свидетельствует о неисправности или неоптимальных условиях работы. Основные причины:

Ослабление крепления сердечника, якоря или каркаса катушки, что позволяет деталям вибрировать с частотой сети.
Неисправность короткозамкнутого витка (перегорание, плохой контакт). Этот виток предназначен для устранения вибрации, и при его повреждении якорь начинает отрываться от сердечника каждый раз при переходе магнитного потока через ноль.
Снижение напряжения питания катушки ниже 0.85 U_ном, при котором электромагнитная сила становится недостаточной для надежного притяжения якоря.
Загрязнение или механический износ рабочих поверхностей сердечника и якоря, препятствующие их плотному прилеганию.

Длительная работа реле с гудением приводит к перегреву катушки, ускоренному механическому износу и выходу из строя.

Реле электромеханические