Михеев Теоретические основы специалности Елементная база автоматических систем Лабораторный практикум 2012

2)таблицы с экспериментальными результатами;

3)графики по результатам эксперимента;

4)расчеты требуемых параметров;

5)заключение с анализом полученных результатов.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Введение

Всовременных САУ широко применяются различные электромагнитные устройства. Весьма распространены регулирующие (исполнительные) органы с электромагнитным приводом, фрикционные тормоза с электромагнитным управлением, электромагнитные механизмы (ЭММ) систем защиты. Часто в схемах САУ встречается различная коммутирующая контактная аппаратура с электромагнитным приводом – реле, контакторы, переключатели. Выходными узлами релейно-контактных аппаратов являются контактные системы, коммутирующие электрические цепи.

Электромагнитные механизмы являются пассивными преобразователями электрической энергии в механическую работу. В них использовано свойство намагниченных ферромагнитных тел притягиваться друг к другу.

ВЭММ имеется катушка, состоящая из одной или нескольких управляющих обмоток, и магнитопровод, выполненный из магнит- но-мягких материалов (рис. 2.1).

Магнитопровод состоит из неподвижных (основание, сердечник, корпус, ярмо) и подвижных (якорь, плунжер) частей, разделенных воздушными зазорами. При протекании тока по обмоткам управления в ЭММ (рис. 2.1, а, б) якорь 3 притягивается к сердечнику 2, совершая небольшое угловое или линейное перемещение. В ЭММ (рис. 2.1, в) плунжер 4 втягивается внутрь корпуса 1, двигаясь по немагнитной направляющей втулке 5. Поворотный якорь 3 ЭММ (рис. 2.1, г) совершает достаточно большое угловое перемещение.

21

Рис. 2.1

Входным сигналом ЭММ является ток или напряжение на обмотках управления, выходным – механическое перемещение якоря, а нагрузочным параметром ЭММ – усилие или момент, действующий на якорь. Это усилие или момент называют тяговым усилием QT или тяговым моментом МТ. ЭММ преобразуют электрическую энергию, поступающую в обмотку управления, в механическую работу с промежуточным преобразованием в энергию магнитного поля. ЭММ работают от постоянного или переменного тока. Они могут быть нереверсивными и реверсивными, у которых при изменении полярности (фазы) входного сигнала направление перемещения якоря изменяется.

Перемещения якоря или плунжера определяются соотношением между силой тяги и силами сопротивления. Сила тяги пропорциональна сигналу управления и зависит от параметров электрической и магнитной цепи ЭММ.

Сила сопротивления ЭММ зависит от сил трения в них, массы подвижных частей, упругости возвратных пружин и т.п.

Регулировочные характеристики подавляющего большинства ЭММ, представляющие собой зависимость перемещения якоря x от напряжения управления Uy при постоянной силе сопротивления внешней нагрузки Qн, x = f (Uy) при Qн = const.

Условные обозначения обмоток нереверсивных ЭММ на электрических схемах показаны на рис. 2.2. На рис. 2.2, а – однообмоточные ЭММ, а на рис. 2.2, б – двухобмоточные.

22

положении якоря ЭММ воздушный зазор равен δн. При увеличении сигнала управления на обмотке ЭММ увеличивается сила тяги Qт. При НС равной Fуср (верхняя пунктирная кривая) сила тяги Qт сравняется с силой сопротивления Qc, и якорь сместится в конечное положение с воздушным зазором δк, причем на него будет дей-

ствовать сила Q = Qт макс – Qc. Qт макс – это максимальное значение силы тяги, соответствующее насыщенному состоянию магнитопро-

вода.

Если теперь мы будем уменьшать управляющее воздействие на обмотку ЭММ, то при значении Fу отп1 (нижняя пунктирная кривая), якорь переместится в исходное начальное положение δн. Перемещение якоря при срабатывании и отпускании будет носить релейный характер, как показано на рис. 2.5, б.

Для нагрузки вида QC = Кпx (на рис. 2.5, а показана наклонной пунктирной прямой) регулировочная характеристика также будет релейной, но с более узкой петлей гистерезиса, так как отпускание якоря произойдет при НС равной Fотп2 .

В том случае, если крутизна характеристики нагрузки QC=Кпx будет превышать крутизну тяговой характеристики (рис. 2.6, а) при всех положениях якоря, регулировочная характеристика будет непрерывной (рис. 2.6, б).

Рис. 2.6

Таким образом, характер работы ЭММ (непрерывный или релейный) зависит от соотношения крутизны тяговой и нагрузочной

26

характеристики. Если крутизна нагрузочной характеристики меньше крутизны тяговой, то режим работы ЭММ релейный, причем ширина петли гистерезиса регулировочной характеристики зависит от крутизны нагрузочной характеристики. Чем больше крутизна нагрузочной характеристики (чем жестче возвратная пружина) тем уже петля гистерезиса.

Если крутизна нагрузочной характеристики при всех значениях δ превышает крутизну тяговой характеристики, то режим работы ЭММ непрерывный. Линейность регулировочной характеристики определяется конструкцией ЭММ. Если при некоторых значениях δ крутизна тяговой характеристики меньше, а при других значениях больше крутизны нагрузочной характеристики, то регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный на рис. 2.7.

Релейный или непрерывный режимы работы ЭММ используются в зависимости от области применения. Так в случае, если ЭММ используется в качестве исполнительных механизмов, выходной величиной которых является линейное или угловое перемещение, то используется непрерывный режим работы. При этом используются, как правило, ЭММ плунжерного типа, которые обеспечивают большие перемещения плунжера и линейность характеристики.

Выражение (2.1) для силы тяги ЭММ справедливо и для ЭММ переменного тока, если под силой тяги qT и намагничивающей силой НС (iw)δ понимать их мгновенные значения:

Поскольку при перемещении якоря или плунжера изменяется индуктивное сопротивление обмоток управления (вследствие изменения индуктивности Lу = (wу)2GМ ), то характеристики ЭММ переменного тока будут различны при питании обмотки управления от источников напряжения и тока.

Если обмотка управления включена на источник тока i = Im sin ωt , то

27

перемещаются под действием средней силы тяги, а переменная составляющая (QT )cp cos 2ωt вызывает вибрации всех подвижных де-

талей и шум.

При невысокой частоте питания и наличии противодействующей пружины относительно легкий якорь может совершать колебательные движения. (Такие ЭММ используются в различных вибраторах, прерывателях, зуммерах и т.п.)

Статические характеристики ЭММ с массивным якорем при питании от источника тока, определяемые выражением

(QT )cp = 12 (Iw)δ2 ∂∂Gxδ ,

будут иметь тот же вид, что и у ЭММ постоянного тока, поскольку сигналом управления в обоих случаях является намагничивающая

сила Fу = Iу wу.

Если же обмотка управления подключена к источнику напряжения u =Um cosωt , то условия работы ЭММ существенно изменятся.

Электрическую цепь ЭММ с ненасыщенным магнитопроводом можно приближенно считать линейной, для которой

28

U = UR2 +UL2 = I R2 + X L2 .

Если XL >> R , что обычно имеет место для ненасыщенных

ЭММ, то U ≈ UL = IXL = IωL = I(wу)2GМ = ωwуФ, так как Fу = Iуwу, Ф = FуGМ и Lу = (wу)2GМ.

Из этого выражения следует, что величине управляющего сигнала пропорциональна не намагничивающая сила катушки Fy , а

поток Φ ≈ ωUwy , и действующее значение потока ЭММ перемен-

ного тока не зависит от его магнитного сопротивления, т.е. от положения якоря.

Мгновенное значение силы тяги qТ ЭММ с притягивающимся

определяется только напряжением управления и не зависит от положения якоря. На рис. 2.9 приведены статические характеристики ЭММ с магнитопроводом, обладающим идеальной кривой намагничивания.

29

Статические характеристики реальных ЭММ переменного тока этого типа с учетом некоторого увеличения потока при δ → 0 показаны на рис. 2.10, а, б. Приведенные выше уравнения справедливы, естественно, для ЭММ с ненасыщенными цепями.

Рис. 2.10 а б

Существенными недостатками ЭММ переменного тока с массивным якорем являются, во-первых, меньшая сила тяги, чем в ЭММ постоянного тока с такими же размерами магнитопровода, и, во-вторых, пульсация силы тяги, приводящая к быстрому разрушению шарнирных соединений в ЭММ и нагрузке, и к сильному шуму. Если первый недостаток является органическим следствием синусоидальной формы переменного тока и избавиться от него можно только переходя к переменному току прямоугольной формы, то второй недостаток можно существенно ослабить довольно простыми средствами, рассмотренными ниже.

Для уменьшения пульсации силы тяги, которая вызывает вредную вибрацию подвижных деталей, используют ЭММ с несколькими магнитными потоками, сдвинутыми по фазе относительно друг друга. На рис. 2.11 приведена схема ЭММ, в котором фазовый сдвиг потока относительно Ф1 осуществляется путем сдвига тока I2 по фазе относительно I1 с помощью конденсатора, включенного последо-

30