Электромагниты и их применение (реле, контактор)

В 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед (1777-1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. Однако магнитное поле отдельного проводника очень слабое. Наиболее сильным магнитным действием обладает проводник с током, свернутым в виде спирали, если в нее вставлен стальной сердечник. Катушка со стальным сердечником получила название электромагнита.

 











На рисунке изображен электромагнит(а) и его условное изображение на электрических схемах(б).
Электромагниты создают сильные магнитные поля. Первый электромагнит был изготовлен в 1825 г. английским изобретателем Уильямом Стердженом (1783-1850). Он имел вид подковы из мягкого железа, на который был намотан изолированный медный провод. С помощью этого электромагнита, подключавшегося к химическому источнику тока, поднимали до трех килограммов железа.
Более мощные подковообразные электромагниты сконструировал американский физик Джозеф Генри (1797-1878) в 1828 г., применив многослойную обмотку из изолированной проволоки, обеспечивая грузоподъемность до одной тонны. В настоящее время электромагниты могут поднимать груз от долей грамма до сотен тонн, потребляя электрическую мощность от долей ватт до десятков мегаватт.
Используются электромагниты очень широко и имеют различные размеры (муфты сцепления, тормоза, выключатели, электрические машины, измерительные приборы и т.д.). Например, электромагнит Серпуховского ускорителя протонов длиною 1320 м состоит из 120 блоков общим весом 20 тыс. т. Несмотря на конструктивное разнообразие, все электромагниты состоят из следующих основных частей: катушки с токопроводящей обмоткой, намагничивающегося сердечника и якоря, передающего усилие деталям механизма.

 

Для снижения потерь энергии на нагревание сердечники выполняют из набора листов специальной стали. Подъемная сила электромагнита равна силе, которая необходима для отрыва от электромагнита притянутого им куска стали. Она определяется числом витков катушки, силой тока проходящего по катушке, магнитными свойствами сердечника.
Электромагнит нашел широкое применение в устройстве электромагнитного реле (термин реле происходит от французского геlауег — сменять, заменять), которое построил впервые американский физик Джозеф Генри. Первоначально реле предназначалось для усиления сигнала электротелеграфа. Линия связи делилась на несколько участков, в конце каждого из них помещался электромагнит с подвижным якорем и контактами, позволяющими подключить новый участок линии связи с более мощным источником тока. Это была как бы «перепряжка» тока в пути — по аналогии с конной почтой, когда на промежуточных станциях происходила смена лошадей.
Электромагнитное реле представляет собой электромеханический прибор, реагирующий на изменение величины или направления какого-либо параметра и позволяющий включать и выключать электрические устройства соответствующих участков электрической цепи. Реле широко применяется в системах автоматики, телеуправления, в аппаратах связи и т.п.
 

С помощью установки, изображенной на рис. справа, а, выясняют принцип действия реле, контакты которого работают на замыкание цепи.
Основная часть реле — электромагнит с сердечником П-образной формы, стальная пластинка (якорь), закрепленная на одном конце, и контакты, выполняющие роль выключателя другой электрической цепи (управляемой) со своим источником тока.
Схема реле (рис. б) имеет две электрические цепи: цепь управления (1) и исполнительную или управляемую цепь (2). Первая состоит из электромагнита, источника тока и выключателя, вторая — из источника тока, лампы накаливания, замыкающих контактов реле.
Как действует эта установка? При замыкании выключателя в цепи управления идет электрический ток, который, протекая по обмотке электромагнита, намагничивает его сердечник; к сердечнику притягивается якорь, замыкающий контакты и включающий исполнительную цепь со своим отдельным источником тока и потребителем (лампа накаливания, электродвигатель и др.). Кроме реле с разомкнутой контактной парой широко применяется электромагнитное реле с нормально замкнутой контактной парой.

Разновидностью реле являются электромагнитные контакторы,   которые  предназначены  для  дистанционного включения и отключения электрических цепей, рассчитанных на сравнительно большее значение силы тока (например, для управления работой мощных      электродвигателей троллейбусов, электрооборудования кранов и т.д.).

Контактор состоит из подвижных и неподвижных контактов и электромагнита, замыкающего контакты при прохождении тока по обмотке его катушки. 
 На рис. справа показана конструктивная схема однополюсного контактора. Контактор устанавливается на изоляционной панели 1. Он состоит из катушки 2 со стальным сердечником 3, подвижного  якоря   4,   силовых контактов 5, а также дугогасительной камеры и системы блокировочных контактов (нормально открытых и нормально закрытых).

Силовые контакты рассчитаны на включение и выключение значительных токов (десятки и сотни ампер). Блокировочные контакты используются для различного рода переключений в цепях управления и рассчитаны на относительно небольшую силу тока (доли и единицы ампера).

Если катушку электромагнита включают в цепь источника тока, то якорь контактора притягивается к сердечнику и замыкает силовые контакты. Одновременно с этим замыкаются нормально открытые и размыкаются нормально закрытые контакты.
При отключении катушки электромагнита главные и блокировочные контакты возвращаются в исходное положение. В зависимости от числа контактных пар различают одно-, двух- и трехполюсные контакторы.

 Управление контактором производят с помощью кнопочной станции (рис. слева), состоящей из двух кнопок
«Пуск» (черная) и «Стоп» (красная).

Кнопка «Пуск» в начальном положении разомкнута, а кнопка «Стоп» — замкнута.
Кнопки соединены с металлическими пластинками 1, на которых установлены подвижные контакты 2. При нажатии кнопки «Пуск» неподвижные контакты 3 замыкаются, а при отпускании пружина 4 возвращает кнопку и контакты в исходное положение. При нажатии кнопки «Стоп» неподвижные контакты 3 размыкаются, а при отпускании кнопки они вновь замкнутся.
Контактор вместе с кнопочной станцией представляет собой магнитный пускатель, применяемый для управления работой станков и других электротехнических устройств.