1. Çekmeli (attracted-armature) röleler, 2. Endüksiyon disk röleleri,
3. Manyeto-elektrik röleler, 4. Termik rölelerdir.
Yukarıdaki 3 gruba giren rölelerin belli ortak fonksiyonları olsa da yapıları bakımından bazı temel farklılıklar gösterirler. Bir kısım röleler tek elektriki büyüklük (akım veya gerilim) ile, bir kısmı ise iki elektriki büyüklük (akım-akım, akım-gerilim, akım-gerilim) ile çalışırlar. Yalnız A.A. ve D.A.
büyüklüklerle çalışan röleler arasında yapısal farklar vardır. Termik röleler ise elektrik akımının ısı etkisinden yararlanılarak yapılmışlardır.
2.1. Çekmeli Röleler
kullanılan en basit röle şeklidir. Genelde bir bobin içindeki manyetik devre ve karşısındaki paletten oluşur. Millendirilmiş bir armatür, selonoid içinde bir piston ya da döner bir kanat kullanılarak yapılan tipleri vardır. Bu elemanlar bobin içinden geçen akımla ayarlanan manyetik alan etkisiyle hareket ederek kendilerine bağlı kontakları açarlar ya da kaparlar.
Şekil – 1’de değişik tipte çekmeli rölelerin basit biçimde çizilmiş şekilleri görülmektedir.
a. D.A. geçmesi halinde:
Armatürün çekme kuvveti: Feℓ = k.Ø2’dir.
Ir.wr
Ø = ---, Fe1 = k´ .Ir2 yazılır.
Rm
Rm devrenin manyetik direnci wr ise röle bobininin sarım sayısıdır. Ir akımının belli bir değerinin üstüne çıkması halinde, manyetik devrenin direnci minimum olacak şekilde hareketli kısım yer değiştirir ve rölenin kontakları kapanır.
Manyetik direncin büyük kısmını hava aralığının direnci oluşturur. Manyetik akımın uniform olduğunu kabul edersek:
Rm = --- yazabiliriz. ( = hava aralığı direncidir.) Bunu da yukarıdaki 4S
denklemde yerine koyarsak, k´´ . Ir2
Feℓ = --- olarak Şekil – 2’deki gibi değişecektir.
2
Rölenin başlatma alabilmesi için Fe1 = FSP olmalıdır. (FSP : karşı yay kuvveti).
Şekil – 2 Elektromanyetik kuvvetin hava aralığına bağımlı olarak değişimi.
b. A.A. geçmesi halinde
A.A. büyüklükle çalışan rölelerde bobinden akan akım Ir = Im . sinwt olarak değişir. Akımın her sıfırdan geçişinde röle sükunete gelmek isteyeceğinden titreşimli ve gürültülü bir çalışma olacaktır.
Ir = Im . sinwt’nin bir t anında çekme kuvveti Feℓ = k.Ir2 idi.
Fe1 t = k.Im2.sin2wt olacaktır.
sin2wt = (1-cos 2 wt) x ½ den,
Feℓ t = k.Im2-k.Im2.cos 2wt elde edilir.
Fres = Feℓ t – Fsp dir. Şekil – 3’de bu değişimin şekli gösterilmiştir.
Taralı bölgelerde Feℓ yay kuvvetinden büyük olduğu için rölenin hareketli kısmının çekilmesini sağlamakta; diğer bölgelerde ise yay kuvveti elektriki kuvvetten büyük olduğu için röle bırakmaya meyletmekte; bu ise titreşimli çalışmaya sebep olmamaktadır.
Şekil – 3 A.A. Çekmeli tip rölelerde Feℓ ve Ø nin zamanının fonksiyon olarak değişimi.
Bu tür sakıncalı çalışmaya mani olmak için devreden geçen manyetik akı, aralarında faz farkı bulunan iki bileşene ayrılır. Bu iki akı aynı anda sıfır olmayacağından elektriki kuvvete hiçbir zaman sıfır olmayacaktır.
Bunun için genellikle Şekil – 4’de görüldüğü gibi manyetik çekirdek ikiye ayrılır ve kutbun yarısına iletken bir halka takılır. Burada faz farkını oluşturan sebep, halkanın içinden geçen manyetik akının onun üzerinde bir endüksiyon gerilimi oluşturması ve bir akım (Isn) akıtmasıdır. Bu akımın meydana getirdiği manyetik akı (Øsn) halkanın içinden geçen akı bölümüne ters, halkanın dışından akan akı bölümü ile de aynı yönde akar ve onların arasında bir faz farkı oluşturur. Buna endüksiyon rölelerinde gölgeli kutup prensibi denir.
c. Denge Kollu Elektromanyetik Röleler:
Denge kollu elektromanyetik rölelere terazi kollu röleler de denir. Ortadan yataklanmış olan palete, bir tarafından yay kuvveti, diğer taraftan da elektromıknatısın çekme kuvveti etki yapmaktadır. Bobinden geçen akımla oluşan manyetik alanın çekme kuvveti, yayın ters yöndeki kuvvetini yendiğinden kontaklar açılır ya da kapanır. (Şekil – 5)
Şekil – 5 Denge kollu elektromanyetik röle
Denge koluna etki eden ters yöndeki yay kuvveti yerine, başka bir büyüklükle beslenen ikinci bir elektromıknatıs kullanılabilir.
Çekmeli röleler genellikle ani çalışma zamanlı olarak bilinirler. Ancak çalışma zamanı akıma göre değişir. Akım/zaman eğrisi, tipik bir röle için Şekil – 6’da görülmektedir. Bu tip rölelerde 5 mili saniyenin altında süratli çalışma sağlanamaz.
Şekil – 6 2.2. Endüksiyon Disk Röleleri
Bu tip rölelerde, manyetik bir devrenin kutupları arasında hareket edebilen bir disk vardır. Yönsüz ve yönlü olarak iki bölüme ayrılabilir. Tek elektriki büyüklükle çalışan röleler yönsüz; iki büyüklük ile çalışan röleler ise yönlüdür.
a. Gölgeli Kutup Prensibiyle Çalışan Röleler;
Şekil – 7’de gösterildiği gibi manyetik çekirdeğin diske bakan kısımlarına birer bakır levha takılmıştır. Bunun görevi, röle bobininden geçen Ir
akımının meydana getirdiği Ør manyetik akısını Ør1 ve Ør2 olarak iki kısma ayırmaktadır. Çünkü tek bir Ør akısıyla disk döndürülemez. Ør nin halkaları ve diskten geçen Ør1 bileşeni bakır halkalarda Isn akımını dolaştırır. Bu akımda manyetik çekirdekte Øsn (Øsn1 ve Øsn2) manyetik akımlarını meydana getirir. Manyetik çekirdeğin halkalı bölümündeki akı;
Ø1 = Ør1 + Øsn diğer akı ise, Ø2 = Ør2 - Øsn olur.
Şekil – 7 Gölge kutuplu endüksiyon röle
Ør1 ve Ør2 akılarının aynı fazda olmalarına karşılık, halkanın oluşturduğu Øsn akısından dolayı Ø1 ve Ø2 arasında, θ açısı kadar faz farkı olur.
Ø1 ile Ø2 arasındaki faz farkı Şekil – 8’deki vektör diyagramında gösterilmiştir. Ø2 akısı döner disk üzerinde E2 gerilimini endükler. Bu gerilim disk üzerinde I2 fuko akımını dolaştırır.
Ø1 akısı da disk üzerinde E2 ve I2 ye benzer şekilde E1 gerilimi ve I1 akımının meydana gelmesine sebep olacaktır. I2 akımının Ø1 üzerinde izdüşümü It2
olsun. Aynı şekilde I1 akımının da Ø2 üzerindeki izdüşümü It1 olsun. Diski döndüren kuvvet;
(Ø1.It2 – Ø2.It1) ile orantılı olup, neticede;
Me1 = k. Ø1. Ø2.sin θ dir.
Bu açı ne kadar büyük olursa, döndürme kuvveti o kadar büyük olacaktır.
Burada Ø1 ve Ø2 manyetik akıları, bobinden geçen Ir akımıyla orantılıdır.
Halka olmadığı takdirde θ=00 olacağından Me1 = 0 olur ve disk dönmez. Belli tipteki bir rölede θ açısı dizayna bağlı olup değişmediği için; Me1 = k.Ir2 dir.
Eğer röle bobinine gerilim uygulanıyorsa diski döndüren kuvvet;
Me1 = k.Vr2’dir.
Şekil – 8
Endüksiyon rölesinin çalışma zamanı Şekil – 9’dan görüleceği gibi, diskin dönmesiyle birlikte hareketli kontak, açısı kadar dönerek sabit kontağa temas eder. Diskin açısal hızı w olsun. Diskteki taralı alanı katetmek için geçen süre
t = --- dır.
w
Şekil – 9
sabit olarak rölenin üzerindeki zaman kadranından ayarlanır. (1, 2, 3, ...
eğrileri gibi) w ise röleye uygulanan Ir akımıyla artar. W açısal hızının, yani akımın artmasıyla, t zamanı Şekil-10’da gösterildiği gibi, hiperbolik olarak azalacaktır. Buna endüksiyon rölelerinde ters zaman karakteristiği denilir.
Emniyetli bir çalışma 1,5 x Ic değerinden sonra olur.
Şekil – 10
Örneğin rölenin akım tepi ayarı 3A ise; 1,5 x 3 = 4,5 A de zaman değeri alınmaya başlanmalıdır. (t1 zamanı). Röle ayar tepinin 5-10 katı akımdan sonra, manyetik devre doymaya gittiğinden kontak kapatma zamanı sabit kalır. Rölenin zaman ayar eğrisinin özelliğini değiştirmek için, Şekil – 9’da gösterilen M fren mıknatısı kullanılır. Disk ile mıknatısın ortak S yüzeyine bağlı olarak, Øm manyetik akısı artar veya azalır. Hıza bağlı olarak bu mıknatıs tarafından oluşturulan Mf = k. Øm2.w frenleme kuvveti diski durdurmaya çalışır. Örneğin rölede zaman azaltmak isteniyorsa, mıknatıs diskten dışarı çekilerek S yüzeyi ve dolayısıyla frenleme kuvveti azaltılmış olur. Bu mıknatıs olmadığı takdirde disk devamlı hızlanır, kararlı bir çalışma şekli elde edilemez.
b. Endüksiyon diskli yönlü güç röleleri:
Şekil – 11’de 1 nolu sargıya Vr geriliminin, 2 nolu sargıya ise Ir akımının verilmesiyle disk, belli şartlarda dönmeye başlayacaktır. Bu disk, serbest bırakıldığı takdirde, belli bir yönde devamlı dönebilir ve devreden geçen enerjiyi kaydedebilir.
Şekil – 11. Çift bobinli endüksiyon röle
Diske zıt kuvvet olarak bir yay bağlandığında, belli bir güç değerinden sonra yay kuvveti yenilerek disk harekete geçer ve üzerinde taşıdığı kontağı, sabit kontağa temas ettirir. Bu şekildeki yönlü güç röleleri, çeşitli dizayn şekillerine göre devreden geçen aktif, reaktif ve zahiri güçlere göre çalışırlar.
Devreye uygulanan Vr gerilimi ile Ir akımı arasındaki faz farkı ℓr olsun. Bu aynı zamanda yük açısıdır. Akımın 2 nolu sargıda meydana getirdiği manyetik akı Ø1 olup, akımla aynı fazdadır. Bir nolu gerilim bobinini besleyen gerilimin manyetik akısı ise kendisinden belli bir açısı kadar geri fazda olur. Buna aynı zamanda rölenin iç açısı da denir ve etiketinde yazılıdır. (Örneğin 200 veya 300 gibi).
Şekil – 12
Diske uygulanan döndürme momenti (Şekil – 12).
Meℓ = k. Ø1. Øu sin(Ø1. Øu) = k. Ø1. Øu sin(-ℓr) dir.
veya
Meℓ = k.Vr.Ir.sin (-ℓr) dir.
sabit olup, ℓr yük karakterine bağlıdır. Döndürme momenti de ℓr ye bağlı olarak değişir.
açısına değişik değerler vererek üç tip güç rölesi elde edilir.
1. = 00 için Meℓ = k.Vr.Ir.sinℓr; devreden geçen reaktif gücü ölçer; eğer disk serbest ise reaktif enerji ölçülür. Reaktif sayacın çalışma şekli elde edilir.
2. = 900 için Meℓ = kVr.Ir.cosℓr devreden geçen aktif gücü ölçer. Aktif enerji ölçen sayaçların çalışma prensibidir.
3. = 1 değeri için röle zahiri güç değerine göre, yani aktif güç ve reaktif güç karışımına göre çalışır.
2.3. Manyeto-Elektrik Röleler
a. (Sabit mıknatıs) hareketli bobinli röleler.
Bu tip rölenin şematik yapısı Şekil – 13’de gösterilmiştir. Ölçü aletlerine benzer şekilde hareketli bobin sabit bir mıknatısın 2 kutbu arasında dönmektedir. Bu tip rölelerle doğru akım ölçümleri yapılmaktadır (aynı zamanda uygun doğrultucularla alternatif akım ölçümleri de yapılabilir).
Bu rölede dikdörtgen şeklinde hafif bir bobin, iki kenarı sabit mıknatısın 2 kutbu ve yumuşak demir nüve arasına gelecek şekilde millendirilmiştir.
Hareketli bobin aynı zamanda üstünde hareketli bir kontak bulunan bir kol taşımaktadır.
Şekil – 13 Hareketli bobinli röle
Bobinden geçen akım Ir, magnetteki manyetik akı yoğunluğu Bm, bobin sarım sayısı wr, bir tur sarımın uzunluğu 1 ise; döndürme momenti Meℓ = k.Bm.Ir.1.wr dir. Manyetik devredeki bütün hava aralıkları küçük olduğundan radyal akı yoğunluğu düzgündür. Dolayısıyla Bm sabit olduğundan Meℓ = k´.Ir yazabiliriz. Böylelikle çalışma momenti akımla doğru orantılı olur. Bu doğru orantının sonucunda örneğin akımın iki kat artması;
momentin iki kat artması, dolayısıyla bobinin dönüş zamanının yarıya düşmesi demektir. Böylelikle bu röleler ters çalışma karakteristiklerine haizdirler. (Şekil – 14).
Şekil – 14 Hareketli bobinli rölenin zaman/akım karakteristiği
Hareketli bobinli rölelerde 30 milisaniyeye kadar çalışma zamanı elde edilmesine karşın daha düşük çalışma zamanı, yayın sarsıntıya dayanıklı olabilmesi için uygulanan sönümleme (damping) momenti ile kısıtlanmıştır.
Rölede hareketin hafif olması VA gücünün çok düşük olmasını sağlar.
Çekme ve bırakma değerleri yakındır. Hareketli bobinli röle mekanik röleler arasında en duyarlı röle niteliğine sahiptir.
b. Polarize röleler (kutuplandırılmış röleler):
Manyeto-elektrik rölenin değişik bir tipidir. Sabit manyetik alan içinde döner bobin yerine döner mıknatıs kullanılır. Sargılar ise daimi mıknatısın üzerine sarılmıştır. Değişik dizayn şekilleri vardır. Şekil – 15’de köprü manyetik sistemle çalışan bir röle tipinin yapısı şematik olarak verilmiştir.
Şekil – 15 Kutuplandırılmış röle
Øp magnetin kendi daimi manyetik akısıdır. Sargıdan geçen Ir akımının meydana getirdiği manyetik akı ise Ør ile gösterilmiştir. Øp, Øpa ve Ø
pb diye iki kola ayrılmaktadır. Manyetin ortadaki kutupları arasındaki ve sol taraftaki toplam manyetik akı (Øpb- Ør) ve sağ tarafında ise; (Øpa- Ør) şeklindedir. Ir akımının ayarlı olduğu değerin üzerine çıkması, veya yön değiştirmesi durumunda, hareketli mıknatıs yer değiştirecektir. Bu sistemin A.A. ile çalıştırılması titreşimlere neden olduğundan; D.A. ile çalıştırılması uygundur.
Polarize röleler genellikle çift elektriki büyüklüğün kıyaslandığı diferansiyel ve mesafe koruma gibi rölelerde kullanılır. Avantajları şunlardır:
a. Güç sarfiyatı düşük, çalışma hassasiyetleri yüksektir. Fiziki yapıları küçüktür.
b. Kısa süreli büyük akımlara dayanma süreleri fazladır.
c. Çalışma zamanı kısadır.
Dezavantajları ise; kontak kapasiteleri küçüktür, bırakma değerinin çekme değerine oranı küçüktür, kontak aralıkları çok küçük olduğundan gereksiz atlamalar olabilir.
2.4. Termik Röleler
Doğrudan sıcaklığı ölçen termik röleler kullanılmakla birlikte (yağ sıcaklığını ölçen röleler gibi) çoğunlukla akımın ısıtma özelliğinden yararlanılarak sıcaklık ölçmesini dolaylı yoldan yapan termik röleler kullanılmaktadır.
a. İki madenli (bimetal) tip röleler
Bimetal rölelerde ısınan parça, yüz yüze kaynatılmış sıcaklıkla uzama katsayıları farklı iki madenden meydana gelen ve spiral yay şeklinde biçimlendirilmiş bir şerittir. Ölçülecek akım, ya doğrudan bimetal spiral yayın içinden geçirilir ya da bimetal şeritin üzerine sarılmış bir ısıtıcı elemandan geçirilmesiyle dolaylı olarak bimetal ısınır.
Bu tip röleler daha çok aşırı yük rölesi olarak kullanılır. Rölenin çalışma zamanı hem ısıya duyarlı termik eleman ve ısıtıcının dizaynına, hem de ısınan parçanın ısıl kütlesi ve yalıtımına bağlıdır.
b. Isıl Çiftli (termokupllu) tip röleler:
Termokupllu rölelerde ısınan parça farklı iki maddenin lehim noktası olup ısıtıcı parça ise bu lehim noktasına çok yakın ince ve kısa bir direnç telidir.
Isınan lehim noktasının sıcaklığı ve dolayısıyla meydana gelen ısıl elektromotor kuvvet (termoelektrik), termokupllun uçlarına bağlanan bir döner bobinli röleyi çalıştırır.
Şekil – 16’da termokupll prensibine dayalı bir rölenin iç bağlantısı şematik olarak gösterilmiştir. Filtre (süzgeç) pozitif ve sıfır bileşen akımlarını elimine eder ve dolayısıyla sadece negatif bileşen akım röleye uygulanır.
Şekilde gösterilen alarm rölesi ise kutuplandırılmış döner demirli tip bir röle olup, korunan teçhizatın hasarlanmadan dayanacağı müsaade edilen maksimum negatif bileşen akım değerine ayarlanır.
Şekil – 16 Negatif bileşen rölesi
c. Diğer bir çeşit röle de ısıya duyarlı direnç (termistör) kullanılarak yapılır.
Isıya duyarlı direnç, değeri sabit (değişmeyen) dirençlerle birleştirilerek veston köprüsü oluşturulur. Isı seçilen bir değeri geçince köprünün denge koşulu bozulur ve duyarlı eleman (döner bobinli alet veya elektronik devre) çalışarak ilgili işlevlerini yapar. Özellikle güç trafolarının sargı sıcaklıklarının ölçülmesi bu şekilde dolaylı yoldan yapılır. (Şekil–17–18).
3. ELEKTROMEKANİK AKIM RÖLELERİNDE AKIM AYARININ DEĞİŞTİRLMESİ