Функції та сценарії застосування реле

I. Основна функція реле

Функція реле обертається навколо трьох основних аспектів: 'перетворення сигналу', 'керування ланцюгом' і 'захист безпеки'. Завдяки ввімкненню та вимкненню механічних контактів або безконтактних структур вони досягають багатовимірних функцій електричного керування. Зокрема, їх можна класифікувати за такими п’ятьма основними категоріями:

(1) Посилення сигналу та перетворення потужності

Це одна з найважливіших функцій реле. У контурах керування вихідні сигнали контролерів (таких як однокристальні мікрокомп’ютери, PLCS і датчики) часто є слабкими та невеликими струмами (зазвичай на рівні міліампер), які не можуть напряму керувати потужними навантаженнями, такими як двигуни та нагрівачі. Реле перетворюють слабкі електричні сигнали в електромагнітну силу через електромагнітні котушки, змушуючи контакти замикатися або розмикатися, і таким чином контролюють увімкнення та вимкнення великих струмів (на рівні амперів або навіть на рівні кілоамперів) у головному ланцюзі. Наприклад, тригерний сигнал 10 мА, виявлений датчиком, після посилення реле може керувати запуском двигуна 10 А, досягаючи перетворення потужності «малого сигналу, що керує високою потужністю», і вирішує проблему невідповідності між вихідною потужністю контролера та потребою навантаження.

(2) Ізоляція ланцюга та захист безпеки

Ланцюг котушки та контактний ланцюг реле повністю електрично ізольовані, що робить його ключовим компонентом захисту безпеки ланцюга. З одного боку, ізолюйте ланцюги високої та низької напруги, щоб запобігти потраплянню високої напруги в ланцюг керування та пошкодженню пристроїв точного керування. Наприклад, у промисловому обладнанні головний ланцюг 380 В і ланцюг керування 24 В ізольовані за допомогою реле, щоб запобігти виходу з ладу ПЛК або однокристального мікрокомп’ютера високою напругою. З іншого боку, ізолюйте сильні та слабкі сигнальні ланцюги, зменшуйте електромагнітні перешкоди та забезпечуйте стабільність керуючих сигналів. Крім того, коли контакти реле роз’єднані, вони можуть витримувати відносно високу напругу, ефективно відключаючи несправні ланцюги, запобігаючи поширенню таких ризиків, як коротке замикання та витік, і підвищуючи безпеку ланцюгової системи.

(3) Логічне керування та перетворення сигналів

Реле можуть виконувати складні логічні операції та функції перетворення сигналу за допомогою таких конструкцій, як багатоконтактні комбінації та структури затримки. Наприклад, використовуючи послідовні та паралельні комбінації кількох реле, можна досягти основних логічних елементів керування, таких як 'і', 'АБО' та 'ні', що відповідає вимогам зв'язку процесів у системі автоматизації. Реле часу можуть перетворювати миттєві тригерні сигнали в сигнали затримки ввімкнення-вимкнення, забезпечуючи затримку запуску та послідовне керування обладнанням (наприклад, затримку перемикання при запуску двигунів зіркою-трикутником). Проміжні реле можуть розширювати один сигнал до кількох виходів, дозволяючи одному сигналу керування керувати синхронною роботою кількох навантажень і спрощуючи конструкцію схеми керування.

(4) Дистанційне керування та зв'язок автоматизації

Реле підтримують дистанційне керування за допомогою електричних сигналів, усуваючи потребу в прямому ручному контакті з високовольтними ланцюгами високого ризику. Вони є основними компонентами систем автоматизації та дистанційного керування. У промисловій автоматизації електричні сигнали, які надсилає оператор через пульт керування, керують роботою виробничого обладнання через реле. У розумних будинках бездротові сигнали, які надсилаються додатками для мобільних телефонів, перетворюються на електричні сигнали, а потім використовуються для керування ввімкненням і вимкненням таких пристроїв, як освітлення, кондиціонери та дверні замки через реле. В енергосистемі дистанційні інструкції з диспетчерського центру передаються через реле для дистанційного замикання та розмикання ліній електропередач і трансформаторів, підвищуючи зручність і гнучкість управління.

(V) Захист від перевантаження та збоїв

Деякі спеціалізовані реле (такі як теплові реле, реле максимального струму та реле мінімальної напруги) оснащені функціями виявлення несправностей і захисту. Вони можуть контролювати такі параметри, як струм і напруга в ланцюзі в реальному часі. У разі виникнення аномалії вони автоматично відключать ланцюг, щоб захистити безпеку обладнання та ліній. Наприклад, теплове реле визначає струм в обмотці двигуна. Коли струм перевантажується, внутрішня біметалева стрічка деформується через нагрівання, змушуючи контакт розмикатися та відключати живлення двигуна, запобігаючи перегоранню двигуна через перегрів. Реле мінімальної напруги автоматично спрацьовує, коли напруга в мережі занадто низька, запобігаючи роботі обладнання під перевантаженням при низькій напрузі. Реле надструму можуть швидко відключити струми короткого замикання та запобігти нещасним випадкам, таким як пожежі в лінії.

II. Типові сценарії застосування реле

Сценарії застосування реле охоплюють різні галузі, такі як промислове виробництво, розумний дім, транспорт, системи живлення та електронне обладнання. Їх вибір і функції адаптовані до основних вимог різних сценаріїв. Нижче наведено детальне пояснення найбільш типових сценаріїв застосування:

(1) Область промислової автоматизації

Промислова автоматизація є основним сценарієм застосування реле. Практично все автоматизоване виробниче обладнання не може обійтися без реле управління і захисту. Основні програми включають:

Зв’язок системи керування ПЛК: ПЛК (програмований логічний контролер) є ядром промислового керування, але навантажувальна здатність вихідного інтерфейсу ПЛК обмежена (зазвичай ≤0,5 A), і він не може безпосередньо керувати приводами, такими як контактори та електромагнітні клапани. У цей момент потрібне проміжне реле як 'реле'. Вихідний сигнал ПЛК запускає котушку проміжного реле, а контакт проміжного реле великої ємності потім приводить в дію котушку контактора, тим самим керуючи запуском і зупинкою потужного обладнання, такого як двигуни, конвеєрні стрічки та механічні важелі. Наприклад, на автомобільній виробничій лінії PLC контролює рух зварювальних роботів, увімкнення/вимкнення фарбувального обладнання та регулювання швидкості складальних ліній через проміжні реле, досягаючи точного зв’язку в автоматизованому виробничому процесі.

Управління та захист двигуна: двигуни є основним джерелом енергії в промисловому виробництві. Їх пуск, зупинка, прямий і зворотний оберт, а також захист від несправностей вимагають участі реле. Наприклад, коли двигун запускається, контактор (по суті реле високої потужності) використовується для керування вмиканням і вимкненням основного кола, теплове реле забезпечує захист від перевантаження, а реле часу реалізує затримку перемикання пуску зірка-трикутник (зменшуючи вплив пускового струму на електромережу). У верстатному обладнанні реле також можуть досягати керування прямим і зворотним обертанням двигунів (наприклад, прямим і зворотним обертанням шпинделя токарного верстата та перемиканням руху подачі) і запобігати коротким замиканням через блокування контактів.

Контроль послідовності виробничої лінії: у конвеєрному виробництві реле використовуються для досягнення послідовного запуску та зупинки обладнання, що забезпечує безперервність виробничого процесу. Наприклад, на лінії виробництва харчової упаковки спочатку потрібно запустити конвеєрну стрічку, потім обладнання для наповнення, обладнання для запечатування, обладнання для маркування та, нарешті, обладнання для виявлення. За допомогою комбінації реле часу та проміжних реле затримка запуску кожного пристрою встановлюється для досягнення послідовного керування 'спочатку старт, а потім зупинка'. У хімічному виробництві реле контролюють послідовність нагрівання, перемішування, подачі та розвантаження реакційних посудин. Тим часом тиск і температура всередині реакційної ємності контролюються за допомогою реле тиску та температури. Коли параметри перевищують стандарт, відповідне обладнання автоматично відключається для забезпечення безпеки виробництва.

(2) Розумний дім і автоматизація будівель

З розвитком технології Інтернету речей (IOT) реле стали основними компонентами керування в розумних будинках і автоматизації будівель, що забезпечує «безконтактне керування» та «дистанційне керування». Основні програми включають:

Керування побутовою технікою та освітленням: у системі розумного дому релейний модуль є ключовим для підключення бездротових сигналів (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) до побутової техніки. Наприклад, розумні вимикачі оснащені вбудованими реле. За допомогою інструкцій, виданих додатками для мобільних телефонів або голосовими помічниками (такими як Xiaoai і Tmall Genie), вони можуть контролювати вмикання та вимикання таких пристроїв, як світло, розетки, кондиціонери та телевізори. Розумна завіса реалізує автоматичне відкривання та закривання завіси, керуючи двигуном, який обертається вперед і назад через реле. Розумний дверний замок керує електромагнітним перемикачем корпусу замка через реле для досягнення дистанційного розблокування та закриття дверного замка після розблокування паролем.

Блокування безпеки та протипожежного захисту будівель: в офісних будівлях, житлових будинках та інших будівлях реле використовуються для блокування систем безпеки та протипожежного захисту. Наприклад, коли датчик диму або інфрачервона сигналізація виявляють аномалію, вони спрацьовують реле, яке, у свою чергу, активує звукову та світлову сигналізацію, щоб подати сигнал тривоги, ліфт, щоб здійснити аварійну посадку, вогнетривкі двері-ролети, щоб закрити, і аварійне освітлення, щоб увімкнути. У системі протипожежного захисту реле також можуть керувати запуском спринклерних насосів і вентиляторів димовидалення, а також наддувом пожежних гідрантів, забезпечуючи евакуацію персоналу та потреби пожежогасіння у разі пожежі.

Контроль HVAC: у центральній системі кондиціонування повітря будинків реле використовуються для керування запуском і зупинкою блоків кондиціонування повітря, регулювання швидкості вентиляторів, відкриття та закриття електромагнітних клапанів. Наприклад, датчик температури визначає температуру в приміщенні. Коли температура перевищує встановлене значення, контролер спрацьовує реле для запуску компресора та вентилятора. Коли він падає нижче встановленого значення, подача електроенергії припиняється. У системі свіжого повітря реле контролює запуск і зупинку вентилятора свіжого повітря та регулювання об’єму повітря, і водночас воно пов’язує вмикання та вимикання очищувача повітря для покращення якості повітря в приміщенні.

(3) Транспортний сектор

Електричні системи транспортних засобів (автомобілів, поїздів, суден, літаків) складні, і до них висуваються надзвичайно високі вимоги до надійності, вібростійкості, стійкості до високих і низьких температур реле. Основні програми включають:

Автомобільні електричні системи: реле в автомобілях широко використовуються в системах керування освітленням, системах запуску, системах кондиціонування повітря, протиугінних системах тощо. Наприклад, керування автомобільними фарами, покажчиками повороту та стоп-сигналами має здійснюватися через реле (автомобільні реле мають водонепроникні та антивібраційні характеристики), щоб запобігти прямому впливу сильних струмів і перегоранню перемикачів. У системі запуску замок запалювання спрацьовує пускове реле, а потужний контакт пускового реле підключає джерело живлення стартера, приводячи двигун до запуску (робочий струм стартера може досягати кількох сотень ампер, і реле необхідно для досягнення невеликого контролю струму). Крім того, муфта компресора автомобільного кондиціонера, двигун підйому електричних дверей і вікон, а також пристрій сигналізації протиугінної системи тощо контролюються та захищаються за допомогою реле.

Залізничні транзитні системи. Електричні системи керування високошвидкісними залізницями, метро та іншими залізничними транзитними системами покладаються на реле для досягнення зв’язку сигналу та захисту безпеки. Наприклад, у системі тяги поїзда реле керують пуском, регулюванням швидкості та гальмуванням тягового двигуна. У сигнальній системі сигнали виявлення колійного кола перетворюються в сигнали управління через реле для досягнення блокування ділянки поїзда (для запобігання зіткненням ззаду). У системі керування дверима реле пов’язує двигун дверного вимикача та запобіжний замок, щоб гарантувати, що двері відкриваються та закриваються точно, коли поїзд прибуває на станцію, і залишаються заблокованими під час роботи поїзда. Крім того, реле також використовуються для керування системами кондиціонування, освітлення та вентиляції поїздів для забезпечення комфорту пасажирів.

Електричні системи кораблів і літаків: енергетична система, система навігації та система зв’язку кораблів потребують релейного керування. Наприклад, запуск і зупинка головного двигуна судна, керування рульовим механізмом і привід палубного обладнання (крани, якірні крани) — усе це досягається за допомогою реле для керування потужним обладнанням із низькою напругою, і вони також мають характеристики водонепроникності та стійкості до корозії із сольових бризок. У системі авіоніки літака реле використовуються для керування таким обладнанням, як запуск двигуна, втягування та висування шасі, система кондиціонування повітря в кабіні та польотні вогні. Від них вимагається надзвичайно висока надійність (з надзвичайно низькою відмовостійкістю) і здатність протистояти екстремальним умовам (високі та низькі температури, велика висота та сильна вібрація).

(4) Енергетична система та енергетичне поле

До ліній виробництва, передачі та розподілу електроенергії в енергосистемі висуваються надзвичайно високі вимоги щодо безпеки та стабільності. Реле, як основні елементи керування та захисту, забезпечують надійну роботу електромережі.

Управління лініями передачі та розподілу. У високовольтних лініях електропередачі реле (такі як вакуумні реле та елегазові реле) використовуються для керування закриттям та розмиканням ліній. Диспетчерський центр запускає реле для дії через дистанційні сигнали, досягаючи дистанційного керування лініями електропередачі. У розподільних трансформаторах реле використовуються для захисту від перевантаження та газового захисту (для масляних трансформаторів). Коли в трансформаторі виникає перевантаження або внутрішня несправність, реле швидко відключає живлення, щоб запобігти поширенню несправності.

Автоматизація підстанції: Підстанції є «центрами» енергосистеми, і їхнє автоматичне керування залежить від великої кількості реле. Наприклад, реле напруги контролює напругу шини та запускає пристрій регулювання напруги, щоб діяти, коли напруга занадто висока або занадто низька. Реле струму контролює струм лінії для досягнення захисту від перевантаження по струму. Реле часу використовуються в пристроях повторного вмикання (після відключення мережі вони автоматично замикаються після затримки для підвищення надійності електропостачання). Крім того, реле використовуються також при управлінні пристроями компенсації реактивної потужності на підстанціях. Перемикаючи батареї конденсаторів, вони регулюють коефіцієнт потужності електромережі та зменшують споживання енергії.

Нові системи виробництва електроенергії: у нових системах виробництва енергії, таких як фотоелектричні та вітрові, реле використовуються для комутації ланцюгів і захисту безпеки. Наприклад, перемикання фотоелектричних інверторів і електромережі між фотоелектричними інверторами та мережевим підключенням до мережі має здійснюватися за допомогою реле. Коли відбувається збій електромережі, реле швидко відключає підключену до мережі ланцюг, щоб запобігти передачі фотоелектричною системою струму пошкодження в електромережу. У вітроенергетичних системах реле контролюють запуск і зупинку вітряних турбін, напрямок системи повороту (відстеження напрямку вітру), і в той же час реле надструму захищають генератори від перевантаження, коли швидкість вітру надто висока.

(V) Електронне обладнання та сфера зв'язку

У прецизійному обладнанні, такому як споживча електроніка, комунікаційні пристрої та медична електроніка, реле в основному використовуються для перетворення сигналу, ізоляції ланцюга та керування. Основні програми включають:

Управління побутовою електронікою: у побутових приладах, таких як телевізори, пральні машини та холодильники, реле використовуються для перемикання живлення, перемикання режимів і захисту від несправностей. Наприклад, запуск і зупинка впускного клапана води, зливного насоса та двигуна пральної машини контролюються реле для досягнення програмного зв’язку прання, полоскання та зневоднення. Пуск і зупинка компресора холодильника контролюються реле. Коли температура всередині боксу досягає заданого значення, реле відключає живлення компресора. Коли температура знову підвищиться, він перезапускається. Реле живлення телевізора може забезпечити швидке перемикання між режимом очікування та режимом увімкнення, зменшуючи споживання енергії в режимі очікування.

Комутація сигналів комунікаційного обладнання: у комунікаційних пристроях, таких як маршрутизатори, комутатори та базові станції, реле використовуються для комутації каналів сигналу та захисту від блискавки. Наприклад, в обладнанні базових станцій реле використовуються для перемикання радіочастотних сигналів (таких як перемикання основної та резервної лінії), забезпечуючи безперервність сигналів зв’язку. Реле в маршрутизаторі використовується для блискавкозахисту порту Ethernet. При попаданні блискавки реле швидко замикається, щоб розрядити струм блискавки, захищаючи внутрішні мікросхеми пристрою. У центрах обробки даних реле також використовуються для резервної комутації джерел живлення серверів. У разі виходу з ладу основного джерела живлення він швидко перемикається на резервне джерело живлення, щоб запобігти втраті даних.

Контроль медичного електронного обладнання: медичне електронне обладнання (таке як апарати штучної вентиляції легень, електрокардіограми та ультразвукові діагностичні інструменти) має надзвичайно високі вимоги щодо електричної безпеки та стабільності. Реле використовуються для ізоляції ланцюгів і точного керування. Наприклад, в апараті штучної вентиляції легенів реле контролює відкриття та закриття клапана потоку повітря та регулювання об’єму подачі кисню. Ізоляційні реле використовуються для запобігання електричним перешкодам між ланцюгом керування та контактним ланцюгом пацієнта, забезпечуючи безпеку пацієнта. В електрокардіографі реле використовуються для перемикання сигналів (наприклад, перемикання між різними відведеннями), щоб забезпечити точний збір сигналів виявлення. У системі електроживлення медичного обладнання реле також використовуються для захисту від перевантаження та захисту від витоку, щоб запобігти збоям обладнання, які завдають шкоди медичному персоналу та пацієнтам.

(6) Сільське господарство та сфери безпеки

Автоматизоване керування сільським господарством: у сучасному сільському господарстві реле використовуються в системах зрошення, тепличному контролі та автоматизованому управлінні племінним обладнанням. Наприклад, у теплиці датчик вологості визначає вологість ґрунту. Коли вологість падає нижче встановленого значення, реле запускає водяний насос, що забезпечує автоматичне зрошення. Датчик температури контролює ввімкнення та вимикання ламп опалення та вентиляторів для підтримки постійної температури та вологості в теплиці. В аквакультурі реле контролює запуск і зупинку аераторів (автоматично запускаються, коли розчиненого кисню у воді недостатньо) і розраховану за часом подачу годівниць, тим самим підвищуючи ефективність аквакультури.

Система моніторингу безпеки: У системах безпеки реле використовуються для зв’язку між пристроями сигналізації та приводами. Наприклад, коли інфрачервоні промені сповіщувачів і дверних і віконних магнітних датчиків виявляють незаконних зловмисників, вони спрацьовують релейні дії, які, у свою чергу, запускають звукову та світлову сигналізацію, камери спостереження для запису відео та системи контролю доступу для замків. У важливих місцях, таких як банки та музеї, реле також можна підключити до системи протипожежного захисту та дверей аварійного проходу. При виникненні надзвичайної ситуації вони автоматично відкривають аварійний прохід і одночасно відключають непотрібні джерела живлення.