МЭЭУ / МЭЭУ Практическое занятие 4

Практическое занятие 4

Задание 1. Самостоятельно изучить материал «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и ферриды и их применение. Ответить на вопросы.

В электромагнитных реле обычного исполнения наиболее ненадежным элементом являются контакты, подвергающиеся воздействиям окружающей среды (пыль, влажность, газы, пары металлов, вызывающие коррозию, и т.п.). Это один из серьезных недостатков реле.

Герметизация контактов в значительной мере повышает надежность работы контактов и реле в целом.

В автоматике находят все большее применение магнитоуправляемые контакты (МК), или герконы (герметизированные контакты), которые представляют собой (рисунок 1) две пластинки из пермаллоя (1), впаянные в колбочку (стеклянную трубочку, 2). Пластинки выполняют одновременно роль магнитопровода и контактных пружин, а их концы (3) являются контактами. Пространство внутри колбочки заполнено азотом или инертным газом. К наружным концам (4) пластинок могут припаиваться провода.

Рисунок 1

Пластинки в колбочке впаяны так, что в нормальном положении контакты разомкнуты. Если геркон поместить в магнитное поле, направленное вдоль пластинок, то в воздушном зазоре между контактами возникнет электромагнитное усилие. Контакты замкнутся, если это усилие больше механических сил упругости пластинок.

Магнитное поле, управляющее контактами, создается током в обмотке, представляющей собой соленоид, внутри которого помещен МК.

Другим недостатком электромагнитных реле является слишком большое время срабатывания, которое объясняется относительно большой массой якоря. В МК якоря нет, поэтому время срабатывания и отпускания составляет у них доли миллисекунды (в электромагнитных реле – десятки миллисекунд).

Улучшение контакта в МК достигается покрытием концов пермаллоевых пластин золотом, родием или смачиванием ртутью.

МК, подобно обычным реле, можно выполнить нейтральными и поляризованными, а также замыкающими, размыкающими и переключающими.

Преимущества МК. Благодаря особенностям конструктивного исполнения МК имеют следующие преимущества:

• высокую надежность коммутации в любой среде;

• длительный срок службы (до 10⁸…10⁹ срабатываний);

• высокое быстродействие;

• удовлетворительные виброустойчивость и радиационную стойкость;

• небольшую стоимость при изготовлении на автоматах.

Недостатки МК:

• малое число контактных групп (одна пара контактов в одной колбочке);

• дребезг при замыкании;

• в несколько раз большая, чем у обычных электромагнитных реле, намагничивающая сила срабатывания, так как магнитный поток должен преодолеть несколько воздушных промежутков.

Конструктивные исполнения МК. Среди различных конструкций и форм (рисунок 1) МК наиболее распространены:

• симметричные (а);

• несимметричные (б);

• переключающие (в и г).

Поляризованные МК осуществляют путем размещения внутри колбочки тонких пластинчатых постоянных магнитов, обеспечивающих в МК типа (рисунок 1,в), притяжение подвижного конца средней пластины к верхнему или нижнему контакту в зависимости от направления тока в обмотке. Из-за сложной технологии поляризованные МК распространения не получили.

Наряду с «сухими» применяют ртутные переключающие МК (рисунок 1,д). Ртуть, смачивая пластину, поднимается по ней к контактирующим участкам. Частотой переключения до 800 Гц обладают ртутные МК плунжерного типа (рисунок 1, е). Пермаллоевый плунжер (1) перемещается под действием электромагнитного усилия к левому (2) или правому (3) неподвижным контактам из пермаллоя в цилиндрической направляющей (4), наполненной ртутью.

Поколения МК:

I поколение. «Сухие» МК с диаметром колбочки больше 2 мм;

II поколение. МК плунжерного типа с внутренним объемом колбочки, не превышающим 2,5 мм³ на контакт;

III поколение. МК, сравнимые по габаритам с интегральными схемами, где использованы в качестве контактов пленочные пермаллоевые покрытия.

Управление контактами можно производить, используя магнитное поле катушки с током (рисунок 2,а), приближением к концам пластин постоянного магнита (рисунок 2,б), в результате чего срабатывание контактов осуществляется в зависимости от взаимного перемещения геркона и постоянного магнита (3).

Рисунок 2

Изменение магнитного поля, воздействующего на контакты, может осуществляться и за счет изменения параметров магнитной цепи при перемещении ферромагнитного экрана (4) (рисунок 2,в).

Процессы срабатывания реле с МК отличаются от процессов обычных электромагнитных реле. В обычном реле движение якоря начинается только после того, как будут достигнуты (IW)сраб., при которых электромагнитное усилие превзойдет механическое в точке наибольшего воздушного зазора δ₀. В МК движение пластин начинается сразу с появлением тока в обмотке.

Рисунок 3

По мере роста н.с. обмотки воздушный зазор (рисунок 3, а) проходит положения δ₁, δ₂, …, в которых механическая характеристика контактных пластин пересекается с тяговыми характеристиками, соответствующими н.с. IW₁, IW₂, … . При достижении током (н.с.) критического значения, при котором тяговая характеристика касается механической, а зазор равен δ_кр, предварительное сближение пластин заканчивается.

Большая часть управляющего магнитного потока во всех схемах герконов, изображенных на рисунке 2, проходит по воздуху. Так как воздушные участки имеют значительное магнитное сопротивление, то чувствительность устройств на герконах сравнительно невелика. Она, например, ниже чувствительности якорных электромагнитных реле с одинаковыми коммутационными параметрами.

Для повышения чувствительности используют герконы с внешним магнитопроводом (рисунок 4).

Рисунок 4

Герконы с внешним магнитопроводом называются ферридами. Наличие внешнего магнитопровода увеличивает магнитную проводимость и, следовательно, индуктивность всей системы, но и увеличивает инерционность, т.к. пропорционально индуктивности возрастает постоянная времени. Название феррид объясняется тем, что первоначально эти элементы имели магнитопровод из феррита. Затем появились конструкции и с металлическим магнитопроводом. Так как материал магнитопровода имеет остаточную намагниченность, то феррид после отключения запоминает воспринятую информацию. Феррид представляет собой магнитный элемент релейного действия, в конструкции которого (рисунок 5, а) магнитоуправляемые контакты 1 и 2 объединены с магнитопроводом из ферромагнитного материала 3, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса.

В исходном положении контакты разомкнуты. В отличие от МК реле замыкания МК феррида в обмотку достаточно подать короткий импульс тока, после окончания которого, контакты остаются замкнутыми за счет остаточного магнитного потока ферромагнетика. Для отпускания необходимо подать в обмотку импульс тока противоположного направления, чтобы размагнитить магнитную систему.

Рисунок 5

Величина обратного импульса тока не должна, однако, создавать напряженность, превышающую коэрцитивную силу, так как в противном случае возможно новое срабатывание элемента от магнитного потока противоположного знака.

Намагничивающие силы срабатывания можно найти по тяговым и механическим характеристикам. Для определения тяговой характеристики надо рассчитать и построить петлю гистерезиса магнитопровода феррида без учета воздушного зазора между контактами (рисунок 5, б). Рабочая точка, характеризующая состояние феррида, перемещается по частному циклу, показанному пунктиром. Для определения тяговой характеристики при некотором значении н.с. обмотки надо из точки 1, соответствующей этой н.с., провести ряд лучей под углами:

где m_iw и m_ф – масштабы по соответствующим осям, G_δ – магнитная проводимость зазора между пластинами.

В точках пересечения лучей с восходящей ветвью частного цикла определяют величину магнитного потока для каждого из зазоров. Затем по формуле

рассчитывают электромагнитное усилие и строят тяговую характеристику Р_Э = ƒ(δ) по выражению где δ₀ – длина начального воздушного зазора, м; k_сим – коэффициент симметрии, равный 0,5 для симметричной формы МК (по рисунку 1,а) и 1,0 для несимметричной формы МК (по рисунку 1, б). Намагничивающая сила срабатывания определяется выражением

.

После прекращения тока в обмотке электромагнитное усилие определяется точкой 2 (рисунок 5, б) пересечения нисходящей ветви гистерезиса и прямой 0 – 2, соответствующей зазору δ_min ≈ 0призамкнутых контактах. В таком состоянии феррида контактное усилие

где Р_М – механическое усилие при зазоре δ_min.

Отложим на рисунке (5,б) величину потока Ф_М, соответствующую усилию Р_М. Если из точки 3, соответствующей этому потоку, провести прямую 3 – 4, параллельную 0 – 2, точка 4 определит величину н.с. отпускания (IW)_отп, при которой контактные пружины начнут размыкаться. После размыкания, когда зазор станет равным δ₀, магнитный поток уменьшится до значения, определяемого точкой 5 пересечения петли гистерезиса с прямой 4 – 5, соответствующей магнитной проводимости зазора δ₀. На рисунке (5,г) показан график изменения потока феррида в зависимости от н.с. обмотки.

Применение магнитоуправляемых контактов. На основе магнитоуправляемых контактов выпускаются высоконадежные промежуточные электромагнитные реле с числом контактных групп до десяти. В таких реле внутри общей катушки управления размещается несколько пар контактов (рисунок 6).

Рисунок 6

Как уже отмечалось, по сравнению с обычными электромагнитными реле, герконовые имеют большее быстродействие и более надежны. Однако, им свойственны и некоторые недостатки. Они имеют в 2 – 3 раза меньшие значения токовых нагрузок на контакты, более критичны к переходным процессам в коммутируемой цепи. Например, при 3 – 5-кратном увеличении тока, по сравнению с номинальным током, возможно сваривание контактов. В цепях с конденсаторами возможны значительные броски тока, поэтому применение герконовых реле для коммутации таких цепей не рекомендуется.

Необходимо отметить и характерный для герконовых реле недостаток – вибрации контактов при срабатывании. Это явление называется «дребезг» контактов. После подачи управляющего сигнала контакты сначала замыкаются, но тут же размыкаются по действием сил упругости. Таких циклов замыкания-размыкания может быть несколько. Затем происходит несколько колебаний контактов без размыкания; при этом происходит изменение контактного сопротивления. Время вибрации контактов может составлять половину полного времени срабатывания. Для борьбы с дребезгом контактов применяют специальные конструктивные и схемные решения.

На основе магнитоуправляемых контактов могут быть построены различные путевые и конечные выключатели, реле различных неэлектрических величин.

В качестве примера на рисунке 7 показаны термоэлектрические реле (а) с биметаллической пластиной и реле давления (б) с упругим элементом в виде сильфона (гофрированного упругого стакана из фосфористой бронзы). При изменении температуры или давления постоянный магнит приближается к геркону и его контакты срабатывают.

Рисунок 7

Магнитоуправляемые контакты специальной конструкции начинают применяться и для переключения в силовых цепях с мощностью до нескольких сотен ватт. В таких устройствах используется более массивный жесткий подвижный контактный сердечник, закрепленный на возвратной пружине. При этом за счет снижения электрического сопротивления контактной системы и улучшения теплоотдачи удается повысить ток через контакты. Для этих же целей возможно применение жидкометаллических герметизированных контактов, внутри герметизированного баллона которых токопроводящие детали частично или полностью смочены ртутью.

Можно отметить, что на смену ферридам приходят герконы с так называемой «внутренней памятью», которые сохраняют замкнутое состояние благодаря контакт-деталям, выполненным из магнитополужесткого материала с коэрцитивной силой 20 – 25 А/см. Такие герконы переключаются импульсным магнитным полем с минимальной длительностью 15 – 20 мкс.

Рисунок 8

На рисунке 8 показано реле промежуточное на герконах серии РПГ:

1 – обмотка; 2 – герконы; 3 – резиновые втулки; 4 – пластмассовая колодка; 5 – скоба; 6 – основание; 7 – магнитный экран; 8 – кожух.

Вопросы для самопроверки:

1 Что представляют собой магнитоуправляемые контакты?

2 Чем ферриды отличаются от герконов?

3 Какова причина появления таких разработок?

4 Где находят применение магнитоуправляемые контакты?

7