Вопрос 19 Коммутационные элементы и контакты реле, средства искро- и дуго-гашения

Контактные узлы делятся на:

• замыкающиеся

• размыкающиеся

• переключающиеся

К

онтактная группа состоит из подвижных и не подвижных контактов.

, где R_к – контактное сопративление

F – сила сжатия контактов

В процессе работы реле контакты изнашиваются:

• в разомкнутом состоянии контакты подвержены коррозии из-за химического воздействия окружающей среды;

• в замкнутом состоянии контакты подвержены ускоренной коррозии за счет химического воздействия окружающей среды при повышенной температуры;

• при коммутации контакты подвержены эрозии под действием искрения и дуг;

Для уменьшения эрозии контактов под воздействием дуги применяются методы дуго-гашения. Существуют 2 основных метода:

• шунтирование индуктивности разрываемой цепи:

• шунтирование контактов:

Вопрос20.

Электромагнитные реле постоянного тока, принцип действия, тяговая и механическая характеристики, статические и динамические характеристики реле как элементов автоматики.

Статические характеристики элементов автоматики

Наибольший интерес представляет зависимость выход­ной величины элемента автоматики от его входной величины. Входную ве­личину обычно называют входным, сигналом (будем обозначать его через х), а выходную величину — выходным сигналом (будем обозначать его через у). Режим работы, при котором входной и выходной сигналы постоянны , называют статическим или установившимся режимом. Характеристики, опреде­ляемые в этом режиме, называются статическими.

Следует отметить, что для многих электромеханических и маг­нитных устройств автоматики сигналом является напряжение или сила переменного тока. В статическом режиме постоянным явля­ется действующее значение напряжения или тока, хотя мгновен­ное значение при этом, естественно, изменяется по синусоидаль­ному закону.

Основной характеристикой всех элементов автоматики являет­ся статический коэффициент преобразования

Рис. 1.2. Статические характеристики элементов автоматики

Статические характеристики бывают линейными и нелинейными (рис. 1.2). Особенно явно нелинейность выраже­на для элементов типа реле. При увеличении входного сигнала реле от нуля до некоторого значения, называемого сигналом сра­батывания выходной сигнал равен нулю. При выход­ной сигнал изменяется скачком и при дальнейшем увеличении входного сигнала остается постоянным (рис. 1.2, в).

Выходной сигнал некоторых элементов равен нулю при малых значениях входного сигнала, т. е. эти элементы нечувствительны к слабым сигналам. Статическая характеристика элементов пока­зана на рис. 1.2, г. Только при начинается изменение вы­ходного сигнала у. В этом случае значение х=а называют поро­гом чувствительности. Диапазон изменения входного сигнала, при котором выходной сигнал равен нулю, называется зоной нечувст­вительности. Для элемента, характеристика которого показана на рис. 1.2,г, зона нечувствительности равна2а.

Точность работы датчика характеризуется погрешностью. Раз­личают абсолютную, относительную и приведенную погрешности. При определении погрешности сравнивают реальную статическую характеристику датчика с идеальной линейной статической харак­теристикой. Реальная статическая характеристика отличается от идеальной, поскольку выходной сигнал может изменяться за счет внутренних свойств элемента (износ, старение и т. д.) или засчет изменения внешних факторов (напряжение питания, темпе­ратура и т. д.). Абсолютная погрешность представляет собой раз­ность между реальным и расчетным (идеальным) выходны­ми сигналами при одном и том же значении входного сигнала х. Абсолютная погрешность имеет размерность выходной величины, ее называют еще ошибкой:

Относительная погрешность представляет собой отношение аб­солютной погрешности к расчетному значению выходной величи­ну и определяется в относительных единицах или в процентах

Приведенную погрешность определяют как отношение абсолют­ной погрешности к диапазону возможных значений выходного сигнала. Приведенную погрешность вычисляют в относительных единицах или в процентах. О точности датчика судят "обычно по максимальной приведенной погрешности.

Динамические характеристики элементов автоматики

Переход системы из одного установившегося режима в другой с иными значениями входного и выходного сигналов назы­вают динамическим режимом или переходным процессом. В динамическом режиме отношение выходного сигнала к входному мо­жет быть не равно коэффициенту преобразования. Поведение элемента или системы автоматики в переходном процессе может быть описано с помощью переходных характеристик. Переходной ха­рактеристикой называют зависимость выходного сигнала от вре­мени y(t) при скачкообразном изменении входного сигнала. На рис. 1.3 показаны график изменения входного сигнала и соответ­ствующие ему графики переходных характеристик наиболее рас­пространенных элементов автоматики.

Рис. 1.3. Переходные характеристики элементов авто­матики

В момент времени входной сигнал скачком изменяется от нуля до (рис. 1.3, а). Если элемент автоматики является безинерционным, то в тот же момент времени выходной сигнал скачком изменяется от нуля до (рис. 1.3, б). Как правило, электромеханические элементы обладают инерционностью, ко­торая тем больше, чем больше масса подвижных частей или ин­дуктивность обмотки. В этом случае изменение выходного сигнала запаздывает по сравнению с изменением входного (рис. 1.3,в). Переходная характеристика имеет вид экспоненты, т. е. кривой, стремящейся от нуля к значениюсо скоростью, пропорциональной в каждый момент времени разности междуи теку­щим значением выходного сигнала. Инерционность переходного процесса характеризуется значением постоянной времени Т, вы­ражаемой в секундах. На графике величину Т можно определить, проведя касательную к кривой y(t) при t=to и продолжив ее до пересечения с горизонтальной линией За время, равноеТ, выходной сигнал достигает 63% своего нового установившего­ся значения.

Уравнение переходной характеристики имеет следующий вид:

где—основание натурального логарифма.

Обычно на практике считают, что за время выходной сигнал достигает нового установившегося значения На самом деле за это время выходной сигнал достигает значений соответственно Разницу между значениями выходного сигнала в динамическом и установившемся режимах называют динамической погрешностью. Для ее уменьше­ния стремятся снизить постоянную времени, например, делая более легкими подвижные части элементов автоматики.

График колебательного затухающего переходного процесса показан на рис. 1.3, г. Как видно из этого графика, изменение выходного сигнала происходит относительно значения . Амплитуда этих колебаний постепенно уменьшается,затухает. Для количественной оценки этого процесса вводят по­нятие коэффициента затуханиякоторый определяют по форму­легде и А₃ — соседние амплитуды колебаний вы­ходного сигнала в одну сторону (т. е. одного знака).

При незатухающем колебательном процессе и коэффициент затухания Система автоматики является при этом неустойчивой. Если же коэффициент затухания стремится к единице, то переходный процесс будет апериодическим (рис. 1.3, в).

Электромагнитные реле постоянного тока

Устройство электромагнитных реле постоянного тока по­казано на рис. 17.4: а —с поворотным якорем, б —с втяжным яко-

рем. Основные детали и узлы реле имеют следующие обозначе­ния: / — катушка на каркасе; 2 — ярмо; 3 — сердечник; 4 — якорь;

5 — штифт отлипания (немагнитная прокладка); б — возвратная пружина; 7— подвижные контакты; 8 — неподвижные контакты.

Магпитопровод электромагнитного механизма реле состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть называется якорем. Неподвижная часть состоит из сердечника, который на­ходится внутри катушки, и ярма — той части магпитопроиода, ко­торая охватывает катушку.

В реле с поворотным якорем (рис. 17.4, а) электромагнитный механизм и контактный узел закреплены на общем изоляционном основании 9. При протекании тока по обмотке катушки / якорь 4 притягивается к сердечнику 3 и совершает поворот относитель­но точки опоры А. При этом якорь перемещает подвижный кон­такт 7, который размыкается с неподвижным контактом 8' и за­мыкается с неподвижным контактом 8". Контакты закреплены на плоских пружинах 10, которые служат и для подсоединения к внешней цепи. Когда ток через обмотку реле прекращается, якорь поворачивается в исходное положение.

В некоторых реле это происходит под действием силы тяже­сти якоря, в некоторых — под действием контактных пружин или специальной возвратной пружины 6. Для того чтобы якорь при обссточивапии обмотки не прилипал к сердечнику из-за остаточ­ного намагничивания магпитопровода, па якоре устанавливается штифт отлипания 5 — пластинка из немагнитного материала, обе­спечивающая зазор примерно в 0,1 мм между якорем и сердечни­ком при срабатывании реле. Обычно сердечник имеет полюсный наконечник 11 для уменьшения магнитного сопротивления рабо­чего воздушного зазора.

В электромагнитном реле с втяжным якорем (рис. 17.4, б) при протекании тока по обмотке катушки 1 якорь 4 втягивается внутрь ее до упора в сердечник 3. При этом подвижные мостиковые кон­такты 7 размыкаются с неподвижными контактами 8' и замыка­ются с неподвижными контактами 8". Возврат якоря 4 в исход­ное положение при обесточивании реле происходит под действием возвратной пружины 6. Как и в реле с поворотным якорем, для исключения залипания якоря служит штифт 5. Для возврата яко­ря в исходное положение может использоваться и сила тяжести якоря.

Последовательность работы электромагнитного реле, тяговая и механическая характеристики элмаг реле

Рассмотрим последовательность работы электромагнит­ного реле с момента подачи напряжения на обмотку реле до мо­мента снятия напряжения с обмотки и возвращения якоря в исход­ное положение. Поскольку обмотка реле имеет индуктивное сопро­тивление, ток в ней не может измениться скачком. Изменение тока щадь Оbф на рис. 17.6, а), и энергии, распределенной в стальных частях магнитопровода (заштрихованная площадь Оаb на рис. 17.6, а). Магнитопровод реле обычно не насыщен, т. е. работа реле происходит на прямолинейном участке кривой намагничивания.

По­скольку воздушный зазор имеет сравнительно большую величину, можно пренебречь второй частью энергии (площадьюOab). Маг­нитную энергию, запасенную в воздушном зазоре, приближенно определяем как площадь всего тре­угольника ОаФ:

W_b=Iw Ф/2. (17.4)

Теперь рассмотрим процесс, изменения энергии магнитного поля при перемещении якоря, по­лагая ток в обмотке реле неизт мепным: I = const. При переме­щении якоря уменьшается зазор, а магнитный поток увеличивается от Ф₁ до Ф₂. Следовательно, из­менение энергии AW можно

приближенно определить как площадь прямоугольника Ф,аbф₂ на рис. 17.6, б:

До начала движения якоря энергия поля определялась площадью треугольника ОаФ₁, после перемещения якоря на б энергия поля определялась площадью треугольника ОbФ₂. Разница этих площа­дей и даст нам изменение магнитной энергии в воздушном зазоре:

Изменение энергии AW по уравнению (17.5) произошло за счет поступления энергии из сети. Половина ее, как видно из уравнения (17.6), пошла на изменение энергии в воздушном зазоре. Куда же была израсходована вторая половина энергии AW, численно при­мерно равная AW_b?

Эта вторая половина энергии (на рис. 17.6, б она соответствует площади треугольника Oab) расходуется на создание механической работы A_мех при перемещении якоря под действием электромаг­нитной силы F_a:

Подставляя в (17.7) выражение (17.6), получим

Магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет магнито­движущей силы (МДС) (/w) в и пропорционален магнитной прово­димости зазора Ge.

Так как мы приняли /=const, то и МДС (/w) = const, а изме­нение потока Ф = Ф₂—Ф1 происходит за счет изменения прово­димости воздушного зазора G_:

Для воздушного зазора длиной б между двумя плоскостями, площадь сечения которых s, магнитная проводимость определяет­ся по формуле

Подставляя (17.11) и значение ₀ в (17.10), получим электромагнитную силу при изменении зазора от до нуля:

Эту формулу можно преобразовать, учитывая что

Из (17.12) следует, что электромагнитное тяговое усилие прямо пропорционально квадрату МДС, т. е. не зависит от направления тока в обмотке реле. Эта сила тяги обратно пропорциональна квад­рату длины б воздушного зазора. Тяговая характеристика F_a—f() показана на рис. 17.7. В зоне малых зазоров реальная тяговая ха­рактеристика отличается от теоретической, построенной по (17.12), — штриховая кривая на рис. 17.7. Напомним, что мы вы­водили уравнение силы тяги, приняв некоторые допущения. При малых зазорах необходимо учитывать магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода, которыми мы пренебрегли.

Рассмотрим теперь механическую характеристику реле. Пере­мещению якоря реле в направлении сердечника противодействуют силы упругих элементов. Такими упругими элементами являются возвратная и контактная пружины.

Подвижный контакт реле обычно размещается на плоской пру­жине, представляющей собой упругую металлическую пластину, один конец которой жестко закреплен, а другой может переме­щаться (см., например, контакт 6 на рис. 17.2). Противодействую­щая сила, развиваемая плоской пружиной, определяется по формуле

где E —модуль упругости материала пружины; I=bh³/12 — момент инерции пружины; b — ширина; h — толщина пружины; I — рассто­яние от места закрепления пружины до точки приложения силы; х — перемещение пружины в точке приложения силы.

Висходном состоянии пружина не деформирована, сила равна нулю. Перемещение пружиных при срабатывании реле будет происходить в направлении уменьшения зазора, по­этому зависимость F_ь{)имеет вид

(17.15)

В качестве возвратных обычно используются, ви­тые пружины. Зависи­мость усилия, развивае­мого винтовой пружиной, от перемещения имеет вид, аналогичный уравне­нию (17.15):

(17.16)

где G — модуль упруго­сти при сдвиге; J — мо­мент инерции при круче­нии; г — радиус витка пружины; n —число витков; F_nar— сила предварительного натяга пружины.

Графики зависимости противодействующих сил пружин имеют вид прямых линий, поскольку эти силы пропорциональны дефор­мации (перемещению) пружины.

Рассмотрим построение механической характеристики реле на примере контактной группы, показанной на рис. 17.8, а. При сра­батывании реле якорь 1 сначала преодолевает натяжение винтовой пружины 4, затем, когда конец рычага доходит до контактной плас­тины 2, добавляется усилие от ее деформации, а когда контакт плас­тины 2 замыкается с контактом пластины 3, добавляется и усилие от деформации этой пластины 3. Механическая характеристика Fм=f() показана на рис. 17.8,6. В исходном состоянии на якорь действует лишь начальное усилие Fнач — предварительный натяг пружины 4.

При изменении зазора о на 6i будет холостой ход рычага якоря до соприкосновения с пластиной 2, противодействующая сила воз­растает пропорционально деформации винтовой пружины 4 (учас­ток ab).

Затем наклон прямой резко возрастает, поскольку началась де­формация пластины 2 (участок be). Такой наклон сохраняется приизменении зазора на ₂ — холостой ход пластины 2 до соприкосновения с пластиной 3. Затем наклон прямой еще возрастает, поскольку началась дефор­мация пластины 3 (участок cd). Рост противодействующего усилия прекраща­ется, когда якорь полностью притянется к сердечнику. Величина зазора при этом равна толщине штифта отлипания о- Из построения видно, что механическая ха­рактеристика имеет вид ломаной линии, где каждый отрезок характеризует рабо­ту какой-либо группы пружин.

Втом случае, когда все пружины, создающие противодействующее усилие в контактной группе реле, имеют на­чальное натяжение, переход с одного от-резка на другой происходит скачком (в точкахb и с на рис. 17.8, в).

Для работы реле необходимо, чтобы тяговая и механическая ха­рактеристики были согласованы. Для срабатывания реле необхо­димо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току сраба­тывания, везде находилась выше механической характеристики. При начальном зазоре эти характеристики имеют общую точку (точка А па рис. 19.9). Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току отпускания, везде находилась ниже механической характеристики. При минимальном зазоре эти характеристики могут иметь общую точку (точка Б на рис. 17.9).

74