книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfПри отпускании большинства РП необходимо полностью перемагнитить как минимум один из сердечников ЭМП. При этом расходуется энергия того же порядка, что и при срабатывании РП. Для повышения экономичности применяется ортогональное управление РП (рис. 3.26, в, г). В ЭМП таких РП достаточно лишь изменить ориентацию вектора намаг ниченности на 90° Обмотки управления должны создавать перпендикулярно направленные магнитные потоки [23, 31, 32, 35, 37, 52, 68].
При подаче сигнала произвольной полярности в обмотку 2 происходит намагничивание ЭМП 1 вдоль оси, параллельной продольной оси геркона 3. Под действием остаточного поля ЭМП геркон замыкается. При протекании сигнала управления по обмотке 2' вектор остаточной индукции ЭМП поворачива ется на 90° по отношению к вектору индукции при срабатыва
нии. |
Магнитный поток в зазоре геркона резко уменьшается, |
и РП |
отпускает. |
На рис. 3.26, г изображена иная конструкция РП с ортого нальным управлением [23, 25, 31, 40, 44]. Принцип работы такого РП такой же, как у описанного ранее (рис. 3.26, в). В этой конструкции ЭМП 1 выполнен в виде пустотелого цилиндра, на который намотана обмотка срабатывания 2. Обмотка отпуска ния 2' представляет собой одиночный проводник, проходящий сквозь ЭМП. При прохождении сигнала по обмотке 2 ЭМП намагничивается вдоль образующей цилиндра. Через потокопроводы 6 остаточный поток замыкается по КС геркона 3, вызывая его срабатывание. После прохождения тока по обмотке 2' направление остаточной индукции в ЭМП 1, определяемое по правилу буравчика, совпадает с направлением витков обмотки 2. Магнитный поток в рабочем зазоре геркона отсутствует, и КС под действием собственных упругих сил расходятся.
Наиболее перспективен безгистерезисный способ управления РП, для которого требуются незначительные по мощности сигналы. Сущность способа заключается в намагничивании ЭМП одновременным воздействием затухающего переменного и неизменного по направлению магнитных полей. При этом необходимы два источника — постоянного тока и затухающих сигналов переменного тока. В одну из обмоток управления (например, 2 на рис. 3.25, д, е или 3.26, а) подается сигнал от источника постоянного тока, а в другую 2' — затухающий сигнал переменного тока, приводящий к срабатыванию РП. Для отпускания необходимо размагнитить ЭМП. С этой целью в любую из указанных обмоток управления достаточно подать затухающий сигнал переменного тока.
Рассмотренные РП после воздействия управляющих сигналов замыкают или размыкают цепь нагрузки. На практике нередко требуется одновременное размыкание одной и замыкание другой цепи нагрузки. Для этого можно использовать комбинацию двух или более обычных РП или применить в них переключающие герконы типа КЭМ-3. Однако перспективно применение специ альных конструкций переключающих РП. В них для переключе ния используется перераспределение магнитных потоков. На основе таких РП легко реализуются многие элементы логики.
г)
Рис. 3.27. Переключающие РП:
/, Л — ЭМП; 2,, 22, 23, 24 — обмотки; 5,, J2, 23 и 34 — герконы
На |
рис. 3.27, а |
показана |
конструкция переключающего РП |
|
[33], |
состоящего |
из двух |
сердечников ЭМП 7, 1Х и |
четырех |
герконов Зх— 34. |
После прохождения положительных |
импуль |
||
сов по обмоткам управления 21? 22, герконы 319 32 срабаты вают. Герконы З3, 34 при этом разомкнуты. При изменении полярности импульса в одной из обмоток цепи нагрузки переключаются: герконы 3t9 32 разомкнутся, а З3, 34 замкнутся.
Работа РП не |
изменится, если любой |
из сердечников |
ЭМП |
|
с находящейся |
на |
нем обмоткой управления заменить ПМ. |
||
В конструкции |
переключающего РП |
(рис. 3.27, б) |
четыре |
|
обмотки управления располагаются на лучах крестообразного сердечника ЭМП 1 [23]. Между каждыми двумя концами ЭМП располагаются герконы 319 32, З3, 34. Если все обмотки 21? 22, 23, 24 создают магнитные потоки, направленные в одну сторону (от центра к периферии или наоборот), то все четыре геркона будут разомкнуты. Меняя число включенных обмоток управления, их расположение и полярность тока в них, можно получить десять различных комбинаций замкнутых и разомкну тых состояний герконов.
Для расширения функциональных возможностей рассмот
ренные выше |
РП могут быть объединены в «цепочку» |
(рис. 3.27, в, г). |
|
3.2.5. Ферриды
3.2.5.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ
Реле с памятью могут быть построены и на базе специ альных конструкций, в которых ЭМП частично или полностью располагаются внутри баллона. Такие устройства получили название ферридов (см. § 3.1.2). Обычно в ферридах функции ЭМП выполняют КС.
Для управления ферридами применимы те же способы, что и для управления РП. В ферриде с аддитивным управле
нием |
(рис. 3.28, а) |
обмотка |
2Х располагается |
вокруг ЭМП 119 |
а две |
одинаковые |
обмотки |
22, 23 — вокруг |
ЭМП 72, причем |
магнитные поля, создаваемые ими, направлены встречно. При переводе переключателя К в положение «Сраб» обмотка 2А и обмотка 22 создают согласные магнитные поля, под действием которых КС намагничиваются и замыкаются. Для отпускания переключатель К переводится в положение «Отп». Тогда обмотки 2Х и 23 создают встречные магнитные поля; внутренние перекрывающиеся концы КС намагничиваются одноименно и расходятся.
Исследования показали [31, 34, 35], что между одноименно намагниченными перекрывающимися КС может возникать не сила отталкивания, а сила притяжения, приводящая к их
залипанию. Появление этой силы объясняется взаимодействием участка ЭМП, находящегося на внутреннем конце одного КС и обладающего большим магнитным потенциалом, с проти волежащим в зоне перекрытия одноименно намагниченным, но обладающим меньшим магнитным потенциалом участком ЭМП другого КС. Последнее возможно лишь при наличии перекрытия между КС.
В случае отсутствия или незначительного перекрытия КС при любых рабочих зазорах существуют потоки, вызывающие лишь силу отталкивания внутренних концов КС. Однако уменьшение перекрытия КС ведет к уменьшению коммутируемой мощности.
При наличии перекрытия и изменении зазора от нуля до некоторого фиксированного значения между КС существует лишь электромагнитная сила притяжения. При дальнейшем увеличении зазора электромагнитная сила меняет свой знак, превращаясь в силу отталкивания. Однако увеличение конеч ного зазора, препятствующее залипанию КС при отпускании, приводит к уменьшению электромагнитной силы притяжения КС при срабатывании феррида. В результате снижается контактное нажатие и ухудшаются условия коммутации. Для устранения этих противоречий в зоне перекрытия КС желатель но устанавливать магнитомягкие шунты 4 (рис. 3.28). В этом случае магнитные потоки, вызывающие силу притяжения КС, в значительной степени замыкаются через магнитный шунт, минуя рабочий зазор.
Помимо перечисленных факторов на процесс залипания ферридов могут влиять геометрические размеры и положение обмоток управления относительно перекрытия КС.
При увеличении диаметра обмоток управления и удалении их от места перекрытия довольно большие участки КС в зоне перекрытия могут не перемагничиваться при воздействии импульсов отпускания. Разность магнитных потенциалов оста вшихся неперемагниченными участков поддерживает КС в зам кнутом состоянии. Для уменьшения неперемагниченных при отпускании участков КС в зоне перекрытия устанавливается магнитомягкий шунт. В этом случае даже при значительных диаметрах обмоток управления и удалении их от места перекрытия КС обеспечивается надежное отпускание феррида. Диаметр такого шунта должен быть в 4—5 раз больше диаметра баллона феррида, а толщина его в 1,5— 2 раза превышать размер перекрытия.
Следует отметить, что уменьшение диаметра обмоток управления и установка магнитомягких шунтов помимо улуч шения условий отпускания приводят к повышению чувст вительности феррида при срабатывании.
Дифференциальное управление ферридом (рис. 3.28, б) стро ится так же, как в герконовых РП (рис. 3.25, ж , з). Все ранее
154
Рис. 3.28. Ферриды и схемы управления ими:
о, б — двухобмоточный с аддитивным и дифференциальным возбуждением; в — переключа ющий; г — с управляющим шунтом; д — биполярный; е — с ортогональным управлением; ж — с управляющим диодом; / 2, 1Ъ и / 4 — ЭМП; 2,, 22, 23 и 24 — обмотки; 3 — баллон; 4 — магнитный шунт; 5 — постоянный магнит; 6, 7— контактные сердечники
сказанное о дифференциальном управлении РП полностью применимо и к ферридам.
Для переключения цепей можно использовать комбинацию двух и более ферридов. На рис. 3.28, в два феррида объединены общими магнитным шунтом 4 и обмоткой управления 23.
При подаче положительного сигнала управления происходит размыкание КС 73, 74 и замыкание КС 719 72. Изменение полярности сигнала управления приводит к размыканию КС 71э 12 и замыканию КС 73, 74. Благодаря наличию в схеме двух диодов при изменении полярности сигнала управления включается обмотка управления 2t или 22, поля которых встречны полю обмотки 23. Это гарантирует надежное раз мыкание соответствующих КС ферридов.
В ферридах, как и в РП, повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей может быть достигнуто поляризацией. В биполярном (поляризованном) асимметричном ферриде (рис. 3.28, д) неподвижный КС 12 вы полняет и функции ЭМП. Вокруг него расположена обмотка управления 2. Магнитный шунт 4, как и в ранее описанных конструкциях, предназначен для облегчения условий отпускания. Поляризующий ПМ 5 установлен у вывода подвижного КС 7^ КС 7Х выполняется из магнитомягкого или реманентного материала, КС 12— из реманентного материала. Меняя поляр ность сигналов, поступающих в обмотку 2, можно вызвать срабатывание и отпускание феррида.
Наличие ПМ ведет к уменьшению начального зазора между КС феррида и к повышению его чувствительности. Одновремен но ухудшается виброударостойкость феррида в разомкнутом состоянии. Чем больше поле ПМ, тем значительнее уменьша ется начальный зазор. Поэтому малейшее случайное возмуще ние может оказаться достаточным для ложного замыкания КС.
Гораздо надежнее размыкающие ферриды. Их КС находится в замкнутом состоянии под действием поля поляризующего ПМ. Размыкание КС происходит при одновременном воздей ствии встречно направленных полей ПМ и ЭМП.
Управляться от одного источника разнополярных импульсов могут не только биполярные ферриды, но и ферриды, схемы
управления |
которых содержат диоды, например схема на |
рис. 3.28, в, |
являющаяся по сути аддитивной, и дифференци |
альная схема на рис. 3.28, ж [36, 37]. Воздействие положитель ного сигнала управления приводит к тому, что все обмотки 2{—24 создают соответствующие магнитные поля и феррид срабатывает. При изменении полярности импульса диод за крывается, главная и вспомогательная части одной из обмоток управления отключаются и феррид отпускает.
В дифференциальной схеме на рис. 3.28, г магнитный шунт 4 используется не только для повышения чувствительности при отпускании, но и для реализации самого дифференци ального возбуждения [31]. Главные части обмоток 23 и 24 размещаются на шунте 4, а вспомогательные 2Хи 22 — вокруг
КС 7j и 72 по разные стороны шунта. |
Соединение |
главных |
и вспомогательных частей обмоток такое |
же, как и |
в других |
156
дифференциальных схемах (рис. 3.25, ж, з, 3.28, б). В результате при подаче сигнала любой полярности в одну из обмоток ее главная и вспомогательная части создают встречно направ ленные магнитные потоки.
Если подан сигнал в первую обмотку 219 то магнитные потоки в системе распределяются как показано на диаграмме / рис. 3.28, г. На диаграмме обозначено: Фп , Ф12, Ф4— потоки в КС 119 КС 12 и шунте 4 соответственно. Магнитные потоки в КС феррида направлены в разные стороны от центра перекрытия. Таким образом, перекрывающиеся концы КС имеют одноименную полярность и не притягиваются друг к другу. То же самое наблюдается при подаче сигнала управления лишь в одну обмотку 2г с той лишь разницей, что потоки в КС 1Х и 72 меняют свое направление (диаграмма //), а перекрывающиеся концы КС меняют свою полярность.
При одновременной подаче сигналов управления в обе обмотки магнитные потоки, созданные их главными частями в шунте 4, взаимно компенсируются, а потоки в КС 1Х, 12 направлены в одну сторону (диаграмма III). Под действием этих потоков феррид срабатывает. Для его отпускания необ ходимо повторно подать импульс управления любой поляр ности в одну из обмоток или разнополярные импульсы в обе обмотки сразу.
В ферриде с ортогональным управлением (рис. 3.28, е) ЭМП 1Х и 12 в виде трубок надеты на КС 6, 7, изготовленные из магнитомягкого материала. При воздействии внешнего магнитного поля торцы ЭМП, обращенные к месту перекрытия, намагничиваются разноименно и феррид срабатывает. Для отпускания феррида необходимо подать кратковременный боль шой импульс тока по замкнутым КС. Это вызовет перемагничивание ЭМП в направлении, определяемом по правилу буравчика, и уменьшение потока в рабочем зазоре. Этот же феррид может управляться аддитивным и дифференциальным способом при наличии сответствующих обмоток управления
вокруг ЭМП |
и 12. |
3.2.5.2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ФЕРРИДОВ И РЕЛЕ С ПАМЯТЬЮ
Воздействуя на предварительно полностью размагниченное РП или феррид сигналом управления с плавно возрастающей амплитудой, можно установить амплитуду сигнала, при ко торой произойдет замыкание КС (точка М9 рис. 3.29). Если затем плавно уменьшать амплитуду сигнала, то при определен ном ее значении произойдет отпускание РП. Это значение тем меньше, чем больше была амплитуда предыдущего сигнала срабатывания. Объясняется это тем, что с ростом амплитуды сигнала срабатывания увеличивается остаточный поток ЭМП,
который при уменьшении воздействующего сигнала будет составлять все большую долю в создании усилия удержания КС в замкнутом состоянии. Подобный процесс наблюдается до того момента (точка N), когда ЭМП намагнитится настолько, что КС удерживаются в замкнутом состоянии только за счет остаточного потока. Тогда для отпускания КС РП необходимо изменить полярность управляющего сигнала. При этом пока рабочая точка ЭМП в координатах (В, Н) не окажется на предельной петле гистерезиса, амплитуда сигнала зависит от амплитуды сигнала сра батывания. В дальнейшем амплитуда сигнала отпускания остается практически неизменной при увеличении амплитуды сигнала срабатывания [23].
Из сказанного следует, что РП и ферридам присущи режим работы без запоминания (от точки М до точки N), когда остаточный магнитный поток ЭМП недостаточен для удер жания КС в замкнутом состоянии при отсутствии сигнала управления, и режим работы с запоминанием (от точки N до точки S и далее), когда прекращение сигнала управления не вызывает размыкания КС. Указанные режимы наблюдаются и при импульсном управлении [23, 31].
Помимо рассмотренных режимов РП и ферридам присущи следующие режимы воздействия управляющего сигнала в за висимости от его длительности:
1)длительный, когда длительность сигнала управления превышает время срабатывания (отпускания);
2)кратковременный, когда сигнал управления заканчивается
раньше, чем КС придут в движение; 3) промежуточный, когда движение КС начинается при
наличии сигнала управления, а заканчивается после его прохож дения.
При длительном режиме РП и ферриды не отличаются от обычных герконовых реле. Для этого режима справедливы все соотношения, приведенные в § 3.1.5 и 3.1.6. При кратков ременном режиме работа РП и ферридов характеризуется кривыми размагничивания и прямыми возврата материала ЭМП, что значительно усложняет анализ их работы [31, 37, 38, 41 ]. Надежность отпускания зависит от правильного выбора амплитуды и длительности сигнала отпускания. Между ми нимально необходимой длительностью fOTn импульса отпуска ния, при однократной подаче которого происходит надежное размыкание КС РП или феррида, и длительностью /сраб импульса, вызывающего срабатывание, существует определен ная связь (рис. 3.30). Эта связь неоднозначна и зависит от конструкции устройства и амплитуды Fma импульса отпускания.
Чем больше длительность гсраб или амплитуда Fcpa6 импульса при срабатывании, тем больше будет остаточный поток ЭМП.
158
ZD |
W |
60 |
80 Fcp(Lt,A |
Рис. 3.29. Влияние МДС срабатывания феррида на МДС отпускания при плавном изменении сигнала управления
Рис. 3.30. Влияние длительности импульса срабатывания /сраб феррида на длительность импульса отпускания готп (Fcpa6= 100 А)
Поэтому |
при |
отпускании требуются большее значение FOTn |
или ;отп |
[12, |
38]. |
Важной характеристикой ферридов является время замыка ния и размыкания контактов. По данным некоторых авторов,
в их экспериментах время tl |
до первого соударения КС |
лежало в пределах 0,2—0,22 мс. |
Время вибрации контактов |
имело тот же порядок, что и у герконов, и составляло 0,22—0,24 мс. Время первого надежного замыкания КС рав нялось 0,45—0,55 мс [25, 38, 39, 40, 41].
Исследования, проведенные на некоторых образцах фер ридов, показали, что время tx до первого соударения КС и время Гдр их вибрации зависит от амплитуды сигнала управления, его длительности, размеров и расположения об
моток управления и |
других факторов [12]. |
||
Между минимально необходимой длительностью /сраб упра |
|||
вления и его значением F, при котором происходит надежное |
|||
замыкание |
феррида, |
существует |
однозначная связь. На |
рис. 3.31, а |
приведена |
подобная зависимость для одного из |
|
исследованных ферридов [12]. Для |
характеристик ферридов |
||
и РП можно использовать понятие импульсной восприим чивости срабатывания Qmin [12, 23]:
Qmin =Im inW tmin> |
( 3 -3 1 ) |
где Iminw— минимальная МДС срабатывания феррида; tmin— минимальная длительность импульса, на которую реагирует феррид.
Для |
большинства |
исследованных |
ферридов |
импульсная |
||
восприимчивость составляла 9—50 мкКл [12, 23]. |
||||||
Качество |
работы |
ферридов |
в |
импульсном режиме |
||
может |
быть |
охарактеризовано |
не |
только |
импульсной |
|
^cpa5»MKC |
Л;мкДж1 |
|
40 |
|
10 |
ъг |
|
8 |
24 |
|
6 |
16 |
|
4 |
8 |
|
г |
О |
100 |
200 300 400 FfA |
|
||
о)
Рис. 3.31. Связь между величиной и длительностью импульса срабатывания
феррида:
а—зависимость длительности импульса от его значения; б— расход количества элект ричества Q и потребление энергии А при срабатывании
восприимчивостью, но |
и расходом количества электричества |
Q и потреблением |
электроэнергии А. На рис. 3.31,6 |
приведены зависимости, которые показывают изменение (расход) количества электричества Q и потребление энергии А от источника в момент срабатывания феррида в функции амплитуды импульса управления. Обе эти зависимости имеют явно выраженный минимум, что позволяет оп тимизировать условия работы. При работе в зоне минимума расхода количества электричества можно увеличить число циклов срабатывания феррида и использовать для управления источники питания ограниченной емкости (конденсаторные и аккумуляторные батареи). Для уменьшения потребляемой энергии желательно работать в районе минимума А. Для рассматриваемого феррида в обмотку управления необходимо подавать импульсы амплитудой 0,55 А и дли тельностью 12 мкс (из анализа рис. 3.31, а и б).
3.3. УПРАВЛЕНИЕ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫМИ КОНТАКТАМИ ПОЛЕМ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА
Замыкание или размыкание МК в устройствах автоматики, управляемых полем постоянного магнита, достигается путем перемещения одного из элементов магнитной системы, который носит название управляющего. Его роль могут выполнять ПМ (см. рис. 3.13), ферромагнитная деталь магнитной системы
160