Функции и сценарии применения реле

I. Основная функция реле

Функция реле вращается вокруг трех основных аспектов: «преобразование сигнала», «управление цепью» и «защита безопасности». За счет включения-выключения механических контактов или бесконтактных структур они реализуют многомерные функции электрического управления. В частности, их можно разделить на следующие пять основных категорий:

(1) Усиление сигнала и преобразование мощности

Это одна из самых фундаментальных функций реле. В контурах управления сигналы, выводимые контроллерами (такими как однокристальные микрокомпьютеры, ПЛИС и датчики), часто представляют собой слабые и малые токи (обычно на уровне миллиампер), которые не могут напрямую управлять мощными нагрузками, такими как двигатели и нагреватели. Реле преобразуют слабые электрические сигналы в электромагнитную силу через электромагнитные катушки, заставляя контакты замыкаться или размыкаться и тем самым контролировать включение и выключение больших токов (уровня ампера или даже килоампера) в главной цепи. Например, триггерный сигнал 10 мА, обнаруженный датчиком, после усиления реле может управлять запуском двигателя 10 А, обеспечивая преобразование мощности в «маленький сигнал, управляющий большой мощностью», и решая проблему несоответствия между выходной мощностью контроллера и нагрузкой.

(2) Изоляция цепи и защита безопасности

Цепь катушки и контактная цепь реле полностью электрически изолированы, что делает его ключевым компонентом защиты цепи. С одной стороны, изолируйте цепи высокого и низкого напряжения, чтобы предотвратить попадание высокого напряжения в цепь управления и повреждение устройств прецизионного управления. Например, в промышленном оборудовании основная цепь 380 В и цепь управления 24 В изолированы с помощью реле, чтобы предотвратить выход из строя ПЛК или однокристального микрокомпьютера под высоким напряжением. С другой стороны, изолируйте сильные и слабые сигнальные цепи, уменьшите электромагнитные помехи и обеспечьте стабильность сигналов управления. Кроме того, когда контакты реле разъединены, они могут выдерживать относительно высокое напряжение пробоя, эффективно отключая неисправные цепи, предотвращая распространение таких рисков, как короткое замыкание и утечка, а также повышая безопасность системы цепей.

(3) Логическое управление и преобразование сигналов

Реле могут выполнять сложные логические операции и функции преобразования сигналов благодаря таким конструкциям, как многоконтактные комбинации и структуры задержки. Например, используя последовательные и параллельные комбинации нескольких реле, можно обеспечить базовое логическое управление, такое как «и», «ИЛИ» и «нет», отвечая требованиям связи процессов в системе автоматизации. Реле времени могут преобразовывать мгновенные триггерные сигналы в сигналы включения-выключения с задержкой, обеспечивая задержку запуска и последовательное управление оборудованием (например, задержку переключения при запуске двигателей по схеме «звезда-треугольник»). Промежуточные реле могут передавать один сигнал на несколько выходов, позволяя одному управляющему сигналу управлять синхронной работой нескольких нагрузок и упрощая конструкцию схемы управления.

(4) Связь дистанционного управления и автоматизации.

Реле поддерживают дистанционное управление с помощью электрических сигналов, устраняя необходимость прямого ручного контакта с цепями высокого напряжения и высокого риска. Они являются основными компонентами систем автоматизации и дистанционного управления. В промышленной автоматизации электрические сигналы, посылаемые оператором через консоль управления, управляют работой производственного оборудования через реле. В умных домах беспроводные сигналы, отправляемые приложениями для мобильных телефонов, преобразуются в электрические сигналы, а затем используются для управления включением и выключением таких устройств, как освещение, кондиционеры и дверные замки, с помощью реле. В энергосистеме через реле передаются дистанционные команды из диспетчерского центра на дистанционное закрытие и размыкание линий электропередачи и трансформаторов, что повышает удобство и гибкость управления.

(V) Защита от перегрузок и неисправностей

Некоторые специализированные реле (например, тепловые реле, реле максимального тока и реле минимального напряжения) оснащены функциями обнаружения неисправностей и защиты. Они могут отслеживать такие параметры, как ток и напряжение в цепи, в режиме реального времени. При возникновении неисправности они автоматически отключают цепь, чтобы обеспечить безопасность оборудования и линий. Например, тепловое реле определяет ток в обмотке двигателя. При перегрузке по току внутренняя биметаллическая полоса деформируется из-за нагрева, что приводит к размыканию контакта и отключению питания двигателя, предотвращая сгорание двигателя из-за перегрева. Реле пониженного напряжения автоматически срабатывает, когда напряжение сети слишком низкое, предотвращая работу оборудования при перегрузке при низком напряжении. Реле максимального тока могут быстро отключить токи короткого замыкания и предотвратить несчастные случаи, такие как пожары на линии.

II. Типичные сценарии применения реле

Сценарии применения реле охватывают множество областей, таких как промышленное производство, умный дом, транспорт, энергосистемы и электронное оборудование. Их выбор и функции адаптированы к основным требованиям различных сценариев. Ниже приводится подробное объяснение наиболее типичных сценариев применения:

(1) Область промышленной автоматизации

Промышленная автоматизация является наиболее основным сценарием применения реле. Практически все автоматизированное производственное оборудование не может обойтись без реле управления и защиты. Основные приложения включают в себя:

Связь с системой управления ПЛК: ПЛК (программируемый логический контроллер) является ядром промышленного управления, но нагрузочная способность выходного интерфейса ПЛК ограничена (обычно ≤0,5 А), и он не может напрямую управлять приводами, такими как контакторы и электромагнитные клапаны. В этот момент в качестве «реле» необходимо промежуточное реле. Выходной сигнал ПЛК запускает катушку промежуточного реле, а контакт большой емкости промежуточного реле затем приводит в действие катушку контактора, тем самым управляя запуском и остановкой мощного оборудования, такого как двигатели, конвейерные ленты и механические рычаги. Например, на автомобильной производственной линии ПЛК контролирует движение сварочных роботов, включение/выключение покрасочного оборудования и регулировку скорости сборочных линий с помощью промежуточных реле, обеспечивая точную связь в автоматизированном производственном процессе.

Управление и защита двигателей. Двигатели являются основным источником энергии в промышленном производстве. Их запуск, остановка, вращение вперед и назад, а также защита от неисправностей требуют участия реле. Например, при запуске двигателя контактор (по сути, мощное реле) используется для управления включением-выключением главной цепи, тепловое реле обеспечивает защиту от перегрузки, а реле времени реализует задержку переключения пуска звезда-треугольник (уменьшая влияние пускового тока на электросеть). В станочном оборудовании реле также могут обеспечивать управление прямым и обратным вращением двигателей (например, прямое и обратное вращение шпинделя токарного станка и переключение движения подачи) и предотвращать короткое замыкание посредством блокировки контактов.

Контроль последовательности производственной линии: при производстве сборочной линии реле используются для последовательного запуска и остановки оборудования, обеспечивая непрерывность производственного процесса. Например, на линии по производству упаковки для пищевых продуктов сначала необходимо запустить конвейерную ленту, затем оборудование для наполнения, оборудование для запечатывания, этикетировочное оборудование и, наконец, оборудование для обнаружения. За счет комбинации реле времени и промежуточных реле задержка запуска каждого устройства устанавливается для достижения последовательного управления «сначала запуск, а затем остановка». В химическом производстве реле контролируют последовательность нагрева, перемешивания, подачи и опорожнения реакционных сосудов. При этом давление и температура внутри реакционного сосуда контролируются с помощью реле давления и реле температуры. Когда параметры превышают стандарт, соответствующее оборудование автоматически отключается для обеспечения безопасности производства.

(2) Области умного дома и автоматизации зданий

С развитием технологии Интернета вещей (iot) реле стали основными компонентами управления в умных домах и автоматизации зданий, обеспечивая «бесконтактное управление» и «дистанционное управление». Основные приложения включают в себя:

Управление бытовой техникой и освещением. В системе умного дома релейный модуль является ключом к соединению беспроводных сигналов (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) с бытовой техникой. Например, умные выключатели оснащены встроенными реле. С помощью инструкций, выдаваемых приложениями для мобильных телефонов или голосовыми помощниками (такими как Xiaoai и Tmall Genie), они могут управлять включением и выключением таких устройств, как освещение, розетки, кондиционеры и телевизоры. Умная штора осуществляет автоматическое открытие и закрытие шторы, приводя двигатель во вращение вперед и назад через реле. Интеллектуальный дверной замок управляет электромагнитным переключателем корпуса замка через реле для удаленной разблокировки и закрытия дверного замка после разблокировки паролем.

Блокировка безопасности и противопожарной защиты здания. В офисных зданиях, жилых комплексах и других зданиях реле используются для блокировки управления системами безопасности и противопожарной защиты. Например, когда датчик дыма или инфракрасная сигнализация обнаруживает неисправность, он запускает реле, которое, в свою очередь, активирует звуковую и световую сигнализацию для подачи сигнала тревоги, лифт для аварийной посадки, закрывание противопожарной двери рольставни и включение аварийного освещения. В системе противопожарной защиты реле могут управлять также пуском спринклерных насосов и вентиляторов дымоудаления, а также наддувом пожарных гидрантов, обеспечивая эвакуацию персонала и нужды пожаротушения в случае пожара.

Управление HVAC: В центральной системе кондиционирования зданий реле используются для управления запуском и остановкой кондиционеров, регулировки скорости вентиляторов, а также открытия и закрытия электромагнитных клапанов. Например, датчик температуры определяет температуру в помещении. Когда температура превышает заданное значение, контроллер срабатывает реле для запуска компрессора и вентилятора. Когда оно падает ниже заданного значения, подача питания отключается. В системе приточного воздуха реле контролирует запуск и остановку вентилятора приточного воздуха и регулировку объема воздуха, и в то же время оно связывает включение и выключение очистителя воздуха для улучшения качества воздуха в помещении.

(3) Транспортный сектор

Электрические системы транспортных средств (автомобилей, поездов, кораблей, самолетов) сложны и к ним предъявляются чрезвычайно высокие требования к надежности, виброустойчивости, устойчивости реле к высоким и низким температурам. Основные приложения включают в себя:

Автомобильные электрические системы: Реле в автомобилях широко используются в управлении освещением, системах запуска, системах кондиционирования воздуха, противоугонных системах и т. д. Например, управление автомобильными фарами, сигналами поворота и стоп-сигналами должно осуществляться с помощью реле (специальные автомобильные реле обладают водонепроницаемыми и антивибрационными характеристиками), чтобы предотвратить прямое воздействие больших токов и перегорание выключателей. В системе запуска замок зажигания запускает пусковое реле, а мощный контакт пускового реле подключает питание стартера, приводя двигатель к запуску (рабочий ток стартера может достигать нескольких сотен ампер, и для достижения небольшого регулирования тока необходимо реле). Кроме того, муфта компрессора автомобильного кондиционера, электродвигатель подъема электрических дверей и стеклоподъемников, сигнализация противоугонной системы и т. д. управляются и защищаются посредством реле.

Системы железнодорожного транспорта. Электрические системы управления высокоскоростными железными дорогами, метро и другими системами железнодорожного транспорта полагаются на реле для обеспечения связи сигналов и обеспечения безопасности. Например, в тяговой системе поезда реле управляют пуском, регулированием скорости и торможением тягового двигателя. В системе сигнализации сигналы обнаружения рельсовой цепи преобразуются через реле в сигналы управления для блокировки секции поезда (для предотвращения наезда сзади). В системе управления дверями реле связывает электродвигатель дверного выключателя и предохранительный замок, чтобы гарантировать, что двери открываются и закрываются точно по прибытии поезда на станцию ​​и остаются запертыми во время движения поезда. Кроме того, реле используются также для управления системами кондиционирования, освещения и вентиляции поездов для обеспечения комфорта пассажиров.

Электрические системы кораблей и самолетов: энергетическая система, навигационная система и система связи судов требуют релейного управления. Например, запуск и остановка главного двигателя корабля, управление рулевым приводом и привод палубного оборудования (кранов, якорных кранов) осуществляются с помощью реле для управления мощным оборудованием с низким напряжением, а также обладают характеристиками водонепроницаемости и устойчивости к коррозии солевым туманом. В системе авионики самолета реле используются для управления таким оборудованием, как запуск двигателя, уборка и выдвижение шасси, кондиционирование салона и полетное освещение. От них требуется чрезвычайно высокая надежность (при крайне низкой отказоустойчивости) и способность выдерживать экстремальные условия эксплуатации (высокие и низкие температуры, большая высота и сильные вибрации).

(4) Энергетическая система и энергетическое поле

К звеньям энергосистемы по выработке, передаче и распределению электроэнергии предъявляются чрезвычайно высокие требования к безопасности и устойчивости. Реле, как основные компоненты управления и защиты, обеспечивают надежную работу электросети.

Управление линиями передачи и распределения: В линиях электропередачи высокого напряжения реле (например, вакуумные реле и элегазовые реле) используются для управления замыканием и размыканием линий. Диспетчерский центр запускает срабатывание реле посредством дистанционных сигналов, обеспечивая дистанционное управление линиями электропередачи. В распределительных трансформаторах реле применяются для защиты от перегрузки и газовой защиты (для масляных трансформаторов). Когда в трансформаторе возникает перегрузка или внутренняя неисправность, реле быстро отключает подачу питания, чтобы предотвратить распространение неисправности.

Автоматизация подстанций. Подстанции являются «концентраторами» энергосистемы, и их автоматическое управление зависит от большого количества реле. Например, реле напряжения контролирует напряжение на шине и активирует устройство регулирования напряжения, когда напряжение слишком высокое или слишком низкое. Реле тока контролирует ток линии для обеспечения защиты от перегрузки по току. Реле времени используются в устройствах повторного включения (после отключения линии они автоматически замыкаются с задержкой для повышения надежности электроснабжения). Кроме того, реле используются и при управлении устройствами компенсации реактивной мощности на подстанциях. Переключая батареи конденсаторов, они регулируют коэффициент мощности электросети и снижают энергопотребление.

Новые системы производства энергии: в новых системах производства энергии, таких как фотоэлектрические и ветровые, реле используются для переключения цепей и защиты. Например, переключение между фотоэлектрическими инверторами и электросетью между подключением к сети и отключением от нее должно осуществляться с помощью реле. При возникновении сбоя в электросети реле быстро размыкает цепь, подключенную к сети, чтобы предотвратить передачу тока повреждения фотоэлектрической системой в электросеть. В ветроэнергетических системах реле контролируют запуск и остановку ветряных турбин, направление системы отклонения от курса (отслеживание направления ветра), и в то же время реле максимального тока защищают генераторы, предотвращая перегрузку при слишком высокой скорости ветра.

(V) Электронное оборудование и область связи

В точном оборудовании, таком как бытовая электроника, устройства связи и медицинская электроника, реле в основном используются для преобразования сигналов, изоляции цепей и управления. Основные приложения включают в себя:

Управление бытовой электроникой. В бытовых приборах, таких как телевизоры, стиральные машины и холодильники, реле используются для переключения питания, переключения режимов и защиты от неисправностей. Например, запуск и остановка клапана подачи воды, сливного насоса и двигателя стиральной машины контролируются реле для достижения программной связи стирки, полоскания и обезвоживания. Запуск и остановка компрессора холодильника контролируется реле. Когда температура внутри коробки достигает заданного значения, реле отключает подачу питания на компрессор. После повторного повышения температуры работа возобновляется. Реле мощности телевизора обеспечивает быстрое переключение между режимами ожидания и включения, снижая энергопотребление в режиме ожидания.

Переключение сигналов коммуникационного оборудования. В устройствах связи, таких как маршрутизаторы, коммутаторы и базовые станции, реле используются для переключения сигнальных каналов и молниезащиты. Например, в оборудовании базовых станций реле используются для переключения радиочастотных сигналов (например, переключения основного и резервного каналов), обеспечивая непрерывность сигналов связи. Реле в роутере используется для молниезащиты порта Ethernet. При ударе молнии реле быстро замыкается накоротко, чтобы разрядить ток молнии, защищая внутренние микросхемы устройства. В дата-центрах реле также используются для резервной коммутации блоков питания серверов. При выходе из строя основного источника питания он быстро переключается на резервный источник питания, чтобы гарантировать, что данные не будут потеряны.

Управление медицинским электронным оборудованием. Медицинское электронное оборудование (например, аппараты искусственной вентиляции легких, аппараты электрокардиограммы и инструменты ультразвуковой диагностики) предъявляет чрезвычайно высокие требования к электрической безопасности и стабильности. Реле используются для изоляции цепей и точного управления. Например, в аппарате ИВЛ реле контролируют открытие и закрытие клапана воздушного потока и регулировку объема подачи кислорода. Изолирующие реле используются для предотвращения электрических помех между цепью управления и контактной цепью пациента, обеспечивая безопасность пациента. В электрокардиографе реле используются для переключения сигналов (например, переключения между различными отведениями), чтобы обеспечить точный сбор сигналов обнаружения. В системе электропитания медицинского оборудования реле также используются для защиты от перегрузок и защиты от утечек, чтобы сбои оборудования не причиняли вреда медицинскому персоналу и пациентам.

(6) Сельское хозяйство и сфера безопасности

Автоматизированное управление сельским хозяйством. В современном сельском хозяйстве реле используются в ирригационных системах, управлении теплицами и автоматическом управлении селекционным оборудованием. Например, в теплице датчик влажности определяет влажность почвы. Когда влажность падает ниже заданного значения, реле запускает водяной насос, обеспечивая автоматический полив. Датчик температуры контролирует включение и выключение ламп обогрева и вентиляторов для поддержания постоянной температуры и влажности внутри теплицы. В аквакультуре реле контролируют запуск и остановку аэраторов (автоматический запуск при недостаточном количестве растворенного кислорода в воде) и синхронизацию подачи кормушек, тем самым повышая эффективность аквакультуры.

Система мониторинга безопасности: В системах безопасности реле используются для связи между устройствами сигнализации и исполнительными механизмами. Например, когда детекторы инфракрасного луча и магнитные датчики дверей и окон обнаруживают незаконных злоумышленников, они запускают релейные действия, которые, в свою очередь, активируют звуковую и световую сигнализацию, камеры наблюдения для записи видео и системы контроля доступа для блокировки. В важных местах, таких как банки и музеи, реле также можно подключить к системе противопожарной защиты и дверям аварийных проходов. При возникновении аварийной ситуации они автоматически откроют аварийный проход и одновременно отключат ненужные источники питания.