Игумнов Н. П. Типовые элементы и устройства систем автоматического управления (стр. 4 из 33)
Для уменьшения вибрации один полюс сердечника, рисунок 1.7, а, раздваивают и на одну половину помещают медную пластину (короткозамкнутый виток). Ток i создает магнитный поток, который разветвляется в полюсе сердечника на два потока Ф1 и Ф2. Поток Ф2 наводит в короткозамкнутом витке ток, который препятствует изменениям потока Ф2 (по закону электромагнитной индукции). В результате поток Ф2 отстает по фазе от потока Ф1. Следовательно, в рабочем зазоре реле переменного тока будут действовать два сдвинутых во времени потока, см. рисунок 1.7, б. Тогда при Ф1 = 0, а Ф2 ≠ 0 и наоборот, поэтому электромагнитная сила прочно удерживает якорь возле сердечника. Сердечник и якорь выполняют шихтованным из листовой трансформаторной стали с целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.
Рисунок 1.7 Короткозамкнутый виток в реле переменного тока
Электромагнитные реле переменного тока, несмотря, на недостатки (сложность конструкции, дополнительные потери в магнитопроводе и д.р.) достаточно широко применяют в системах автоматики.
В качестве промежуточных применяют также реле типов РП-250; РП-321; РП-341, РП-42; РП-2; ПЭ-21; РПУ-2; РП-25.
1.5 Быстродействие электромагнитных реле
Выше были рассмотрены основные параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания tср и время отпускания tотп. Эти параметры определяются при анализе переходных процессов, происходящих при включении и отключении реле. Переходной процесс при включении реле можно рассматривать как известный из электротехники случай включения катушки индуктивности на постоянное напряжение, рисунок 18, а.
Рассмотрим график переходного процесса при включении реле постоянного тока, рисунок 1.8, б. В процессе движения якоря к сердечнику индуктивность L увеличивается (аналогично работе электромагнитного индуктивного датчика перемещения). Изменение индуктивности начинается с того момента времени, когда ток в обмотке достиг значения тока трогания (i = Iтр). Начинающееся увеличение индуктивности приводит к увеличению постоянной времени T = L/R. Следовательно, рост тока замедляется. Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличение противо-ЭДС, т.е. напряжения на индуктивности uL. Это приводит даже к уменьшению на некоторое время тока в цепи (см. сплошную кривую 2 на рисунке 1.8, б). Как только якорь притянется к сердечнику, индуктивность обмотки перестает увеличиваться, и ток снова возрастает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начальном участке, поскольку увеличилась постоянная времени.
Рисунок 1.8 Переходные процессы при включении и выключении реле постоянного тока
Время срабатывания реле tср определяется двумя составляющими, рисунок 1.8, б: временем трогания tтр и временем движения tдв, т.е. tср = tтр + tдв.
Время движения tдв зависит от механической инерционности электромагнитного механизма реле. Оно может быть определено на основании второго закона Ньютона a = F/m, где а – ускорение, m – масса. Для уменьшения времени движения необходимо стремиться к уменьшению массы якоря. Для данного типа реле можно считать величину tдв приблизительно постоянной. Поэтому основным фактором, влияющим на время срабатывания реле tср, является постоянная времени T.
Рассмотрим способы ускорения и замедления срабатывания электромагнитных реле. Время срабатывания и отпускания реле с помощью специальных схем можно изменять в некоторых пределах. Наиболее распространенные схемы представлены на рисунке 1.9. Последовательно с обмоткой реле включается добавочное активное сопротивление Rдоб, а напряжение питания повышается на величину ΔU, которая выбрана таким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неизменным, т.е.
.Теперь постоянная времени уменьшилась
,и нарастание тока будет происходить по боле крутой экспоненте (кривая 2 на рисунке 1.9, б), чем без добавочного сопротивления (кривая 1 на рисунке1.9, б).
Еще большее ускорение срабатывания реле можно получить, подключив параллельно добавочному сопротивлению Rдоб конденсатор емкостью С, на рисунке 1.9, а это подключение показано пунктиром. При замыкании ключа К ток переходного процесса проходит через емкость в обход Rдоб. Ведь до замыкания ключа напряжение на конденсаторе было равно нулю, а скачком оно измениться не может. Поэтому в первый момент времени все повышенное напряжение приложено именно к катушке реле. В цепи появляется значительный ток, но он не опасен для обмотки, т.к. действует короткое время. По окончании переходного процесса ток уменьшается до установившегося значения, поскольку он проходит через Rдоб (через конденсатор постоянный ток не проходит). Емкость конденсатора выбирается из условия
Рисунок 1.9 Способы ускорения срабатывания реле постоянного тока
В ряде случаев возникает необходимость не ускорения, а замедления времени срабатывания реле. К схемным методам замедления времени срабатывания и отпускания относится метод шунтирования обмотки реле конденсатором, рисунок 1.10. При включении реле ток в обмотке будет нарастать медленнее за счет процесса зарядки конденсатора. Время срабатывания может быть увеличено примерно до 1 с по сравнению 50 мс при включении без конденсатора. При отключении реле, наоборот, конденсатор будет разряжаться на сопротивление Rдоб необходимо для ограничения тока, потребляемого от источника питания.
Рисунок 1.10 Схема для замедления времени срабатывания
Эффективным схемным методом замедления времени отпускания является включение параллельно обмотке реле диода (в непроводящем по отношению к напряжению питания направлении), рисунок 1.11. В этом случае ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке реле и удерживающий якорь некоторое время в притянутом положении. Включение диода используется и для защиты обмотки реле от пробоя под действием перенапряжений при отключении.
Рисунок 1.11 Схема включения реле с шунтирующим диодом
К конструктивным методам уменьшения временных параметров реле относятся уменьшение хода якоря, уменьшение вихревых токов за счет применения шихтованного магнитопровода. Следует также помнить, что реле постоянного тока являются более быстродействующими, чем реле переменного тока.
1.2 Контактные элементы электромеханических релейных устройств
В коммутационных и электромеханических элементах, предназначенных для переключений электрических цепей при ручном управлении и автоматическом управлении, основным является контактный узел. Именно надежность контактного узла определяет работоспособность любой коммутационной аппаратуры.
Контактный узел состоит из подвижного и неподвижного контактов. Эти контакты могут находиться в замкнутом и разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии сопротивление между контактами должно быть минимальным. Это сопротивление называют сопротивлением контактного перехода, надо увеличивать площадь соприкосновения контактов. Однако даже при самой тщательной шлифовке поверхности контактов остается много микровыступов и микровпадин, рисунок 1.12. Поэтому площадь реально контактирующей поверхности меньше площади контактов. Для того чтобы увеличить реальную контактирующую поверхность, надо приложить силу, прижимающую контакты друг к другу. В первый момент при сближении контактов они соприкасаются лишь в одной точке, рисунок 1.12, а, площадь которой очень мала, а сопротивление контактного перехода велико. Усилие прижима F создает на малой площади большое удельное давление, что приводит к смятию материала контактов, увеличению площади соприкосновения и появлению новых точек соприкосновения, рисунок 1.12, б. Удельное давление уменьшается, и процесс сближения контактов и смятие их материала завершится тогда, когда это удельное давление сравняется с пределом прочности материала на смятие. Характер зависимости сопротивления контактного перехода Rк от удельного контактного давления Fуд, рисунок 1.12, в, показывает, что увеличение Fуд целесообразно только до некоторого предела, при котором сопротивление Rк уже достаточно близко к минимально возможному, определяемому электропроводностью материала контактов. Через замкнутые контакты проходит ток I, и они нагреваются под действием выделяющейся теплоты, соответствующей мощности потерь в контактном переходе: Pк = I2Rк. Поэтому допустимое значение тока, проходящего через контакты, зависит от термической прочности контактов и от условий теплоотвода, т.е. от конструкции и размеров контактов.