книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfdec oLt
0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 |
0}d |
0,2 0,4 0,6 |
0,8 |
r/R |
a) |
r/R |
в) |
Рис. 2.21. К расчету вращающего и тормозного момента индукционного реле:
а — зависимость х(г/Д); 6 — образование тормозного момента; в — зависимость K r ( rfR ) по
(2.77)
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X= 2Ктал= cos Р//д. |
|
(2.70) |
||||
Величина % является постоянной, зависящей только от |
||||||||
геометрических |
размеров r/R; |
a /R ; 2а |
(рис. 2.21, а), |
где |
г— |
|||
расстояние |
от |
центра |
диска |
до |
центра |
полюса; R — радиус |
||
диска; а, |
b — размеры |
полюса |
на рис. 2.21,5. На |
этом |
же |
рисунке сплошными и штриховыми линиями показаны зоны влияния потоков Oj и Ф2. На рис. 2.21, а схематично показан диск, расположение полюсов и основные геометрические раз меры реле. Там же показаны расчетные зависимости %(r/R) при разных значениях a0= a/R. Из приведенных зависимостей видно, что для получения максимального значения %, а сле довательно, и момента Мэ (2.69) необходимо выбирать соот ветствующие максимуму кривых значения r/R.
Тяговая характеристика М3(а), где а — угол поворота диска, графически изображается в виде прямой линии, параллельной оси абсцисс.
Конструкция одного из вариантов индукционного реле тока показана на рис. 2.22. В этой конструкции магнитная система образована магнитопроводом 2 с обмоткой 4. Полюс магнитопровода имеет короткозамкнутый виток 3, благодаря чему
основной |
магнитный |
поток |
разбивается |
на |
два |
потока |
<!>! и Ф2 |
(см. рис. 2.17 |
и 2.20), |
сдвинутых |
по |
фазе. |
Наличие |
Рис. 2.22. Конструкция индукционного реле тока
этих потоков обусловливает появление электромагнитного
момента |
Л/э, |
приложенного |
к диску |
1. |
При Мэ = Мтр, |
где |
Мтр — момент |
трения покоя, |
начинается |
движение диска |
1. |
||
При |
движении диск пересекает не |
только потоки Ф15 |
Ф2, |
но и магнитный поток Ф0 постоянного магнита. Под действием Ф0 в диске создаются дополнительные токи резания, демп фирующие его колебания при соударениях замыкающих кон тактов 5. На основании рис. 2.21, а и правила правой руки можно определить направление токов резания под полюсом, а затем по правилу левой руки определить направление тормозного усилия Рт, возникающего от взаимодействия токов резания с магнитными потоками Ф15 Ф2. Эти силы создают момент, направленный встречно направлению вращения диска.
Любой поток Ф создает в |
теле диска ЭДС вращения: |
||
|
е= —Barden/dt, |
(2.71) |
|
под |
воздействием которой |
создается |
ток |
|
е |
BrAb da |
(2.72) |
|
Гд |
Ар р dt |
|
|
|
||
|
|
|
(2.73) |
где |
Ар— коэффициент, учитывающий |
увеличение гд за счет |
частей диска, лежащих вне проекции полюса на поверхность
диска. |
В (2.71)—(2.73) обозначения геометрических размеров |
а, г, Ь, |
А соответствуют ранее принятым. |
Взаимодействием магнитного потока Ф и тока i создается
усилие, тормозящее |
вращение |
диска: |
|
|
||||
|
|
|
PT = Bai. |
|
|
(2.74) |
||
Мгновенное |
значение |
тормозного |
момента |
|||||
|
|
|
Мт = Лг. |
|
|
(2.75) |
||
Подставляя |
(2.74), |
(2.72) |
в |
|
(2.75) |
и учитывая, что |
||
5 = B msina>/, можно |
найти |
среднее |
за |
половину периода |
||||
сетевого напряжения |
значение |
тормозного |
момента |
|||||
|
|
_ (ВтаЬ)12345А |
г1 |
|
R2d* |
(2.76) |
||
|
|
т |
2раЬ |
-----Тл "Ti |
||||
|
|
KfR2 |
dt |
|
||||
где R — радиус |
диска. |
|
|
|
|
|
|
|
Вводя обозначения |
|
|
|
|
|
|
||
|
Фт = ВтаЬКг — г21KpR 2, |
(2.77) |
||||||
можно записать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. . |
ФДДR2Kr da |
(2.78) |
||||
|
|
M'r= 2pab |
~dt |
|||||
|
|
|
Среднее значение суммарного тормозного момента с учетом действующих на диск магнитных потоков Ф1т, Ф2т, Ф0:
MTr = rmda/df, |
(2.79) |
|
Ф?тКг | Ф|щА:г | Фо2^Л AR |
(2.80) |
||||
|
гт |
2ab |
a0b0 |
I р |
||
|
2 аЪ |
|
||||
где а0, Ь0— размеры сечения |
полюса |
постоянного |
магнита. |
|||
Из анализа (2.66) вытекают основные функциональные |
||||||
возможности индукционных |
систем: |
|
|
|
||
1. При |
Ф1тФ2ш sin ф= const, |
co = var |
индукционная система |
|||
используется в качестве реле |
частоты |
сетевого напряжения. |
||||
2. При |
ш = const, ф = const, |
Ф1тФ2т = К011* = \аг |
индукцион |
ная система может быть использована в качестве реле тока,
одна |
из конструкций которого показана на рис. 2.22. |
3. |
При со = const, ф = const, ®1^ 2m = A^o2^ 2 = var индукцион |
ная система может быть использована в качестве реле напряжения.
4. Индукционная система может применяться в качестве реле мощности:
активной при со = const, Ф1шФ2т5тф = K03UIcos<p = var; реактивной при со = const, Ф1тФ2т8Шф = K04.UIsin q>= var.
5. При со = const, Ф1тФ2т = const, ф = уаг система применяется в качестве реле направления энергии.
2 |
4 |
1 3 |
Рис. 2.23. Согласование тяговой |
и ме |
|
м |
|
|
ханической характеристик (а ), |
конст |
|
|
|
|
рукция диска с вырезами, длина кото |
||
|
|
|
рых изменяется по спирали Архимеда |
||
|
|
|
(б): |
|
|
|
|
|
1 — механическая при нулевом натяге и бо |
||
|
|
|
льшой упругости пружины; 2 — тяговая при |
||
|
|
|
сплошном диске; 3 |
механическая при бо |
|
|
|
|
льшом начальном натяге и малой уп |
||
|
|
|
ругости пружины; |
4 — тяговая при |
диске |
|
|
|
с вырезами, длина которых изменяется по |
||
|
|
|
спирали Архимеда |
|
|
«)
При подключении обмоток реле мощности к сети после довательно с обмоткой напряжения включается сопротивление Z. Для реле активной мощности сопротивление Z представляет собой дроссель с пренебрежимо малым активным сопротив лением. Для реле реактивной мощности вместо сопротивления Z включается резистор.
Механическая характеристика индукционного реле определя ется усилием возвратной пружины. Обычно для согласования механической и тяговой характеристики используются воз вратные пружины с* малой упругостью и большим пред варительным натягом (рис. 2.23, а). Это объясняется следу ющим соображением. Если пружина обладает большой уп ругостью и малым натягом (характеристика 7), то в момент соприкосновения контактов (поворот диска на угол, равный ак) кинетическая энергия вращающейся части диска определя ется площадью ОАВС (2— тяговая характеристика реле при сплошном диске). При такой большой кинетической энергии контакты многократно отскакивают и соударяются, т. е. воз никает их вибрация. Если же применить пружину с большим предварительным натягом и малой упругостью (характеристика 3), то запасаемая кинетическая энергия определяется меньшей площадью ОхАВСх, т. е. запас энергии и вероятность вибрации контактов будут меньше. В некоторых случаях для сближения тяговой и механической характеристик на диске выполняют вырезы, длина которых изменяется по спирали Архимеда (рис. 2.23, б). Тогда тяговая характеристика становится нелиней ной (характеристика 4), но запас кинетической энергии, опре деляемый площадью ОА1В1С, позволяет использовать воз вратные пружины с малым предварительным натягом и боль шой упругостью.
Из уравнения движения диска
(2.81)
Рис. 2.24. Зависимость времени сраба тывания индукционного реле от рабо чего тока
где J — момент его инерции, можно определить зависи мость времени /сраб срабатыва ния реле от вращающего мо мента.
Обычно
_ d2OL da ] - ц р ^ г- И ' Мэ — Мтр~ const.
Поэтому
|
|
, ^ ~ м э- м тр. |
(2.82) |
|||
Если угол раствора |
контактов ак, то |
|
||||
|
|
^сраб |
|</о/Л| |
(2.83) |
||
Определяя |
du/dl из |
(2.82) и |
подставляя это |
значение |
||
в (2.83), можно найти |
зависимость tcpa6(Ma): |
|
||||
|
tcpa6~ м |
(м ,/м |
- \ у |
(2.84) |
||
|
|
|
лтр\шэ11УЛтр 1) |
|
||
По (2.66) |
Мэ зависит |
от |
магнитных потоков, |
которые, |
в свою очередь, определяются токами обмоток. В рассмот ренной конструкции реле (см. рис. 2.22) оба магнитных потока, входящих в (2.66), зависят от тока /р одной обмотки. Зависимость времени tcpa6 от тока 1Р показана на рис. 2.24.
2.4. ДРУГИЕ ТИПЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЛЕ
2.4.1. Поляризованные реле
2.4.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Поляризованные реле обладают высокой чувствительностью и большим быстродействием ( / сРаб — 2 мс). Они могут управ ляться непрерывными или импульсными токами одного или двух направлений и используются для коммутации, усиления и генерирования импульсов, непрерывного управления ревер сивными двигателями и т. д.
В поляризованных реле создаются два независимых магнит ных потока: поляризующий и рабочий (управляющий). Поляри-
95
Ip
Рис. 2.25. Поляризованное реле
зующий магнитный поток Фп создается постоянными магнита ми (ПМ) либо электромагнитами. Рабочий магнитный поток Фр создается обмотками, по которым протекает ток управления.
Если Фр = 0, |
то на якорь действует только |
электромагнитная |
сила Рэ, создаваемая поляризующим потоком Фп. |
||
Принцип |
работы поляризованного реле |
иллюстрируется |
рис. 2.25. Поляризующий магнитный поток Фп постоянного магнита проходит через воздушные зазоры 5 1э 82, разделяясь на два Фп1 и Фп2. В зависимости от предыдущего режима
работы якорь реле находится справа |
(рабочий |
контакт — КР) |
или слева («контакт покоя» — КП) от |
среднего |
неустойчивого |
положения. После включения обмоток возникает рабочий поток Фр. Если якорь располагается у КП, то результирующий магнитный поток в зазоре 5 х
Ф1=Фп1-Фр,
а в зазоре 52
Ф 2 = Ф П2 + Фр.
Поскольку 5 ! < 52, ТО ФП1>ФП2- Поэтому при небольшом Фр Ф!>Ф2.
При токе обмотки, равном току срабатывания /сраб, воз никают условия
Ф2>Фх; Р32>Рэ1-
Поэтому якорь перебрасывается к КР. Если изменить направ ление тока в обмотках, то якорь перебросится от КР к КП.
Регулировка поляризованных реле может быть нейтральной или с преобладанием притяжения к одному из контактов. В зависимости от числа устойчивых состояний (позиций) якоря
%
Рис. 2.26. Магнитные цепи поляризованных реле
различают двух- и трехпозиционную настройку реле. При нейтральной регулировке якорь перебрасывается от одного контакта к другому при одинаковых токах срабатывания. При /= 0 якорь остается у того контакта, к которому он был переброшен при последнем срабатывании. Такая регулировка достигается симметричным расположением якоря относительно нейтральной линии Н. При регулировке с полным преоблада нием после отключения тока якорь всегда перебрасывается к КП. При регулировке с частичным преобладанием переброс якоря к разным контактам осуществляется при разных токах срабатывания, а при выключении тока якорь остается у того контакта, к которому он был переброшен. При трехпозици онной настройке якорь фиксируется при / < / сраб в нейтральном положении с помощью пружины. При этом цепи неподвижных
контактов |
остаются |
разомкнутыми. |
|
||
По схеме магнитной цепи различают поляризованные реле |
|||||
с последовательной |
(рис. 2.26, а), параллельной (дифференци |
||||
альной) |
(рис. 2.26, б, в) |
и |
мостовой |
магнитной цепью |
|
(рис. 2.26, г, д, е, ж). |
Реле с мостовой магнитной цепью могут |
||||
иметь общие (рис. 2.26, г, д) |
и раздельные |
(рис. 2.26, е, ж) пути |
|||
магнитных |
потоков |
Фп |
и Фр. |
|
Кроме рассмотренных применяются нейтрально-поляризо ванные (комбинированные) магнитные цепи реле (рис. 2.27), содержащие элементы как нейтрального, так и поляризованного реле. Реле содержит два якоря. Якорь 1 реагирует на изменение направления тока обмотки, как якорь поляризованного реле.
Заказ 2046
Рис. 2.27. Магнитная цепь нейтрально-поляризо ванного реле
Якорь 2 притягивается как |
якорь нейтрального реле. При |
|
выключении тока обмотки якорь 2 |
отпадает, а якорь 1 остается |
|
у того полюса, к которому |
был |
притянут. |
Особенностью всех поляризованных реле является
чувствительность |
к внешним |
магнитным |
полям,, из-за |
|
чего не рекомендуется устанавливать |
их |
близко друг к |
||
ДРУГУ- |
|
|
|
|
2.4.1.2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ РЕЛЕ |
||||
Поляризующий |
магнитный |
поток Фп |
может создаваться |
не только постоянным магнитом (ПМ), но и электромагнитом. Если поток Фп создается подмагничивающей обмоткой, то расчет реле ведется так же, как и нейтрального реле [75]. При проектировании поляризованного реле с постоянным магнитом раздельно рассчитывается электромагнит и ПМ. При этом исходят из зависимости контактного нажатия Рк„ от магнитного усилия Р„, действующего на якорь при Фр = 0. При анализе этой зависимости исходят из следующих до пущений.
1. Магнитное сопротивление /?цст стальных участков при ненасыщенном магнитопроводе пренебрежимо мало по срав
нению |
с |
магнитным |
сопротивлением Д ,5 |
воздушных |
зазоров. |
|||||||
Обычно |
/?цст не |
превышает 5% от |
Лм6 и полагают |
/?цст~ 0. |
||||||||
2. |
Ход |
якоря |
A<5! + 52 |
(с м . |
рис. 2.26), |
поэтому |
при |
|||||
перемещении |
|
якоря |
Фп = const |
и |
F„= const. |
Хотя |
||||||
Т?Ц51 |
и |
|
52 |
в |
отдельности |
изменяются, |
их |
сумма |
||||
/?Ц51 + /?P52= const, |
что |
позволяет |
пренебречь |
зависимостью |
||||||||
•М&х + бг). В приведенных соотношениях |
F„— МДС ПМ, |
Fnl, |
||||||||||
Fn2 — МДС воздушных |
зазоров |
5i |
и б2. |
|
|
|
|
3. Магнитное поле между полюсом сердечника и наклон ными плоскостями якоря такое же, как и при расчетных параллельных плоскостях. Расстояние между расчетными парал лельными плоскостями равно среднему расстоянию между наклонными плоскостями.
4. Индукция в воздушном зазоре распределяется равномер
но, а поток рассеяния Ф„»0. |
б ^ б г |
при Fnl —^„2 — |
Учитывая (см. рис. 2.25), что |
||
Л ,= Л и - Рп2 = у |
PoS |
(2.85) |
Контактное нажатие |
|
|
Лс.„ = /1Л ,//2. |
(2.86) |
Из (2.85) и (2.86) следует, что чем больше Fn, тем больше Рп и Рк н, т. е. тем выше надежность работы реле. Если ток в обмотке реле 1Ф0, то Fn суммируется с МДС Fp, об разованной током обмотки. Результирующее усилие, дейст вующее на якорь, в этом случае
D |
(^ni-^pi)2^ ! |
(Fn2 +Fp2)2 d \ &2 |
/о оп\ |
Рр„ = -------j-------Ж |
2------- Л Г |
(2‘87) |
Якорь начинает движение после прохождения Ррсз через
нуль. Поэтому из |
(2.87) |
при |
ФР1=ФР2= ФР |
|
Фр= (Ф„1-Фп2)/2; Л = Л (Л 51- Л 52)/2Л6. |
(2.88) |
|||
Таким образом, |
из |
(2.85), |
(2.86) и (2.88) следует, что |
с увеличением Fn возрастает надежность работы реле, но увеличивается Fp, что приводит к снижению чувствительности. В связи с этим наиболее высокую чувствительность имеют реле с малой мощностью коммутируемых цепей и с небольшим контактным нажатием. Если предусмотрена противодейству
ющая возвратная пружина с усилием |
Рых, то при РМХ<Р„ |
реле является двухпозиционным, а при |
РМХ>Р„— трехпозици |
онным. И в том и в другом случае необходимо учитывать
противодействующее |
механическое |
усилие Рмх так |
же, |
как |
||
и для нейтрального |
реле. |
расчете поляризованных реле |
||||
При конструировании |
и |
|||||
возникает необходимость |
в |
выборе материала и |
размеров |
|||
ПМ. Известно [7], |
что размеры |
ПМ минимальны, |
если |
его |
рабочая точка в координатах В, Н соответствует точке максимальной энергии. Поскольку в реле используются ПМ, предварительно намагниченные без арматуры, их рабочая точка (Вр, Яр) лежит на линии возврата, приближенно описывающей частный цикл гистерезиса на кривой размаг ничивания материала ПМ (рис. 2.28). Чтобы габариты ПМ
Рис. 2.28. К расчету постоянного |
магнита (Х||М |
и . Хр магнитные проводимости |
постоянного |
магнита и рабочей) |
|
ния, остаточная индукция, коэрцитив ная сила и коэффициент прямоугольное™ петли гистерезиса материала ПМ соответственно.
Поставленные условия могут быть выполнены лишь при определенной конфигурации и размерах ПМ и всей магнитной системы. Для выбора длины ПМ воспользуемся вторым законом Кирхгофа для магнитной цепи
|
|
|
Я 85х = Ям/м, |
|
|
(2.92) |
|
где |
Я 8, |
Ям — магнитная |
напряженность |
в |
рабочем |
зазоре |
|
и |
в |
теле |
ПМ соответственно; 5, /м — длина |
рабочего |
зазора |
||
и |
ПМ; х — коэффициент, |
учитывающ ий |
падение магнитного |
потенциала во всех дополнительных конструктивных зазорах (обычно х = 1,1).
Разность магнитных потенциалов в зазоре Нъ5 может быть
определена как |
Ф5/Л 5: |
|
|
|
х Г = и Т ^ = я ^ ' |
(2.93) |
|
|
Л6 |
Ай |
|
Отсюда |
|
|
|
|
/м = * а д / А 6ЯМ. |
(2.94) |
|
Если учесть, |
что |
|
|
|
|
|
(2.95) |
где SM— поперечное сечение ПМ; ст— коэффициент рассеяния, который может принимать любые знЗ^ния (в большинстве случаев а = 2), то
х B„SM
(2.96)
Ай Ям5 *
то