курсовой проект / СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ / 8APRIK

определяемое зазором d₄=d_k, который определяется тол­щиной контактного покрытия и неровностями контактной поверхности. Разность между конечной электромагнитной силой P_э,к и конечной силой пружины P_пр,к P_{э,к -} P_пр,к = P_,н,к определяет контактное нажатие.

Для надежного срабатывания необходимо, чтобы F=(1.¸2)F_cp. Минимальная МДС срабатывания реле имеет место, когда зазор между КС геркона расположен посередине обмотки. Зависимость F_cp /F_cp,ном от положения обмотки управления относительно рабочего зазора герко­на показана на рис. . Здесь F_cp,ном - номинальная МДС срабатывания при Z=0. Следует отметить, что на чувствительность реле влияет также длина обмотки l_k. Уменьшение в определенных пределах значения l_k при не­изменности сечения приводит к увеличению магнитного потока в рабочем зазоре геркона и уменьшению МДС сра­батывания.

Изменение тока управления I_y обмотки и коммутируе­мого тока l_k показаны на рис. . Обмотка управления включается в момент времени t_o. Начало быстрого движения КС (после прохождения зазора d=d₃=d_ср на рис. ) обусловливает уменьшение скорости нарастания то­ка I_y (точка а на рис. ). В момент времени t₁ контак­ты касаются и вибрируют до момента времени t₂. В интер­вале от t₂ до t₃ контакты не размыкаются, но ток меняет­ся из-за изменения, контактного нажатия и вызванного этим изменения переходного сопротивления (шум контак­тов).

В отличие от электромагнитных реле обычного типа, у которых контактное нажатие зависит только от парамет­ров контактной пружины, контактное нажатие герконовых реле зависит от МДС обмотки и увеличивается с ее ростом.

Для размыкания контактов герконового реле необходи­мо, чтобы тяговая характеристика опустилась ниже точки В (см. рис. ). Коэффициент возврата герконового реле равен k_в=F_отп/F_cp— МДС отпускания.

Если увеличивается толщина немагнитного контактного ­ покрытия d_к. то МДС срабатывания F_ср не изменяется, так как начальный немагинтный зазор d_н остается без из­менения, а МДС F_отп увеличивается, несколько возраста­ет d_к, при этом коэффициент возврата k_в увеличивается. По сравнению с обычными электромагнитными реле он значи­тельно выше и иногда доходит до 0,9. Из-за технологиче­ских погрешностей коэффициент возврата, как и другие характеристики герконовых реле, имеет довольно большой разброс и у одного и того же типа реле может колебаться от 0,3 до 0,9.

5.2.2 Время срабатывания герконового реле. После подключения обмотки реле к источнику напряжения ток I_у начинает нарастать в соответствии с рис. . Движение КС геркона начинается практически сразу же после вклю­чения обмотки и длится до тех пор, пока зазор не достиг­нет значения зазора срыва d_з =d_ср (см. рис. ). После достижения d_ср КС быстро замыкаются. Скорость переме­щения подвижного КС на участке d_ср намного выше, чем на участке d_н -d_ср. Изменение воздушного зазора d и связанное с этим изменение магнитной проводимости приводит к тому, что индуктивность обмотки изменяется на протяжении всего времени срабатывания и особенно резко — после прохождения точки срыва, т. е. после,.d=d_ср В результате увеличения индуктивности скорость нараста­ния тока и его значение уменьшаются (момент времени от t_a до t₁ на рис. .). Аналитический расчет времени сра­батывания герконового реле очень сложен. В основном он заключается в расчете времени изменения зазора от d_н до d_ср. Для герконового реле, у которого длина КС одинако­ва, время с момента включения обмотки до первого каса­ния контактов можно определить с помощью уравнения

где m — эквивалентная масса подвижной части КС; А — постоянная, определяемая размерами, материалом и жест­костью КС.

Введение понятия эквивалентной массы вызвано различной траекторией движения для различных точек под­вижного КС. По опытным данным, это значение составляет 25 % перемещающейся массы подвижного КС.

5.3. К о н с т р у к ц и и г е р к о н о в ы х р е л е. Конструкция герконового реле, показанная на рис. , а, имеет разомкнутую магнитную цепь. По этой при­чине большая доля МДС катушки расходуется на прове­дение магнитного потока по воздуху. Кроме того, такая конструкция подвержена воздействию внешних магнитных полей, создаваемых расположенными рядом электротехни­ческими устройствами. Конструкция по рис. ,а может и сама явиться источником электромагнитных помех для этих устройств. Для устранения этого недостатка магнит­ная система герконового реле заключается в кожух (эк­ран) из магнитомягкого материала (рис. ,б,в). При этом увеличивается магнитная проводимость L_вш и снижа­ется МДС срабатывания. С целью увеличения эффектив­ности экрана паразитный зазоре (рис. б) стараются уменьшить либо увеличить его площадь (рис. , в). Ре­гулирование значений МДС срабатывания и отпускания в условиях серийного производства может производиться за счет либо изменения зазора е (рис. 11.9,6), либо изме­нения положения магнитного шунта (рис. ,г), либо осевого смещения геркона в обмотке (рис. ). Герконы могут быть установлены как внутри (рис. , а), так и снаружи управляющей обмотки (рис. , б).

Условия работы герконов в многоцелевых герконовых реле характеризуются следующими особенностями. Во-пер­вых, даже герконы одного типа и из одной партии имеют технологический разброс по МДС срабатывания и МДС отпускания. Во-вторых, из-за неравномерности магнитного поля первым срабатывает геркон, находящийся в области с большей напряженностью поля. В-третьих, срабатывание одного геркона приводит к магнитному шунтированию других, в результате МДС срабатывания второго геркона после срабатывания первoго увеличивается. В этом отно­шении конструкция с внешним расположением герконов (рис. ,б) предпочтительнее, чем с внутренним, так как обеспечивает меньшее взаимное влияние соседних герконов. Число герконов в одном реле может достигать 12 и более. По перечисленным причинам разные контакты мно­гоцелевых герконовых реле замыкаются и размыкаются не одновременно, что является их недостатком по сравне­нию с электромагнитными реле обычного тина.

Герконовые реле разнообразны по конструкции и на­значению. На рис. показан принцип действия герконового реле тока. В реле контроля большого тока ис­пользуется компоновка, по­казанная на рис . . Кон­тролируемый ток I проходит по шине 1. Магнитное поле этого тока замыкается вокруг шины и по КС геркона 2. Ток срабатывания геркона может регулироваться за счет изменения угла a и рас­стояния х между шиной и герконом. Наименьший ток срабатывания имеет место при a=90°. При a=0 геркон не срабатывает при любом значении тока, так как магнит­ный поток в направлении продольной оси КС равен нулю.

Если кроме основного поля управления (МДС F_у) соз­дать дополнительное поляризующее магнитное поле за счет специальной обмотки (МДС F_п) или постоянного маг­нита (рис. ), то герконовое реле становится поляри­зованным. Если F_п³F_у,ср то под действием МДС F_п, кон­такты геркона замкнутся. Для размыкания контактов МДС обмотки управления F_y должна быть меньше F_п и иметь обратный знак. Если продолжать увеличивать F_y, то при оп­ределенном ее значении произойдет повторное замыкание контактов геркона. В общем случае можно написать

F_ср = F_y + F_п г

где МДС поляризации F_п может быть положительной (совпадать но знаку с F_y) или отрицательной. В послед­нем случае

F_ср = F_y - F_п

Для отпускания геркона имеем F_отп = F_y + F_п =^:const.

`Влияние поляризующего поля на МДС срабатывания Fср и отпускания Fотп показано в табл.

Зависимость Fу.ср и Fу.отп от Fп (рис. ) представлена прямыми АВС и DEF.

Таблица

Fп	+Fп,cр	0	-Fп,cр	+Fп,отп	0	-Fп,отп
Fy,cp	0	Fcp	2Fcp	-	-	-
Fy,отп	-	-	-	0		2Fотп
Точки на характерискиках	А	В	С	D	E	F

5.4 Г е р к о н о в о е р е л е с п а м я т ь ю. Простейшее герконовое реле с магнитной памятью по­казано на рис. ,а. Два элемента магнитной памяти (ЭМП) 1 и 1' примыкают к КС геркона 3. ЭМП выполня­ются из так называемых реманентных материалов. Эти ма­териалы характеризуются прямоугольностью петли гисте­резиса, достаточно высокой остаточной индукцией и боль­шой магнитной энергией. В отличие от магнитотвердых сплавов, используемых для изготовления постоянных маг­нитов, реманентные материалы обладают очень малым временем перемагничивания, находящимся в пределах 10 - 50 мкс. Остаточный магнитный поток, создаваемый ЭМП, может быть использован для удержания герконов в замк­нутом состоянии после обесточивания обмоток управления. Реле с магнитной памятью часто называют ферридами. При появлении управляющего импульса и согласном включении обмоток 2 и 2' создаваемый ими магнитный поток проходит через КС и оба ЭМП, которые намагничиваются. После прохождения импульса КС притягиваются за счет потока остаточной индукции ЭМП. Для отключения реле в обмот­ку 2 подается импульс тока той же полярности и амплиту­ды, а в обмотку 2' — той же амплитуды и обратной поляр­ности. За счет разности МДС обмоток происходит размаг­ничивание ЭМП и уменьшение магнитного потока в зазоре между КС, и они размыкаются. Для надежного управле­ния длительность импульса тока срабатывания берется равной 100—300 мкс.

Для уменьшения минимально необходимого импульса МДС отпускания устанавливается магнитомягкий шунт 4 в зоне рабочего зазора геркона (рис. ,б). При подаче разнополярных импульсов в обмотки 2 и 2' магнитный по­ток замыкается через КС, магнитный шунт 4 и ЭМП, минуя рабочий зазор геркона. При подаче импульса на сра­батывание реле происходит намагничивание ЭМП, сбли­жение КС. После их соударения начинается вибрация кон­тактов, которая длится 0,5—2,5 мс. Общее время срабаты­вания реле с памятью 1—3 мс. У гезаконов (рис. ) оно меньше (1—2 мс).

Амплитуда импульса МДС срабатывания F_мax зависит от его длительности (рис. , а). Чем больше амплитуда F_маx, тем меньше потребная длительность импульса t_и,cp. На рис. ,б представлена зависимость энергии А и ко­личества электричества Q от амплитуды МДС. Здесь — количество электричества, необходимое для срабатывания реле при заданной амплитуде МДС; —энергия, затраченная источником питания при срабатывании реле.

Для каждого реле с памятью существует оптимальное значение амплитуды импульса F_отп, при котором энергия А и количество электричества Q имеют минимальное значе­ние. Эти величины особенно важны при питании феррида

от маломощного источника (конденсатора или аккумуля­тора).

Длительность импульса отпускания t_и,отп зависит от ам­плитуды F_и,ср и длительности t_и,ср импульса срабатывания. Чем больше _Fи.ср и _tи,ср, тем больше остаточная индукция. Для отпускания реле требуются большие значения Fи.отп и длительности импульса t_и,отп

Герконовое реле с магнитной памятью и переключающи­ми контактами (рис. ) имеет два ЭМП 1 и 1₁ и две обмотки управления 2 и 2₂. При согласном включении об­моток и подаче на них импульсов одинаковой полярности магнитный поток, созданный ЭМП 1 и 1₁. проходит через КС герконов 3₁ и 3₂, и они замыкаются. По КС герконов З_з и 3₄ магнитный поток не проходит, так как в месте их расположения магнитные потоки от ЭМП 1 и 1^/ встречны. После прохождения управляющего импульса герконы 3₁ и З₂ остаются замкнутыми, а 3_з и З₄—разомкнутыми. При подаче на обмотку 2₁ импульса того же знака, а на обмот­ку 2₂ такого же импульса обратного знака происходит из­менение направления намагничивания ЭМП 1₁. При этом магнитные потоки проходят через рабочие зазоры герко­нов З_з, 3₄ и не проходят через рабочие зазоры герконов 3₁ и З₂, которые размыкаются благодаря упругим свойствам КС.

В герконовом реле, показанном на рис. возмож­ны 16 комбинаций замкнутых и разомкнутых герконов в за­висимости от того, какие обмотки включены. Например, ес­ли все обмотки включены так, что создаваемые ими потоки направлены от центра к периферии, то все герконы будут разомкнуты.

Реле с магнитной памятью могут быть построены на базе специальных герконов, и которых ЭМП частично или полностью расположены внутри баллона. Такие герконы иногда называются гезаконами (герметичными запоминаю­щими контактами). Возможные исполнения гезаконов по­казаны на рис. . Для исполнения по рис. , а кон­тактные сердечники 1 и 2 изготавливаются из реманентных материалов 35KX12, 35KX15, 40КНБ (сплавы кобальта и хрома) и выполняют функции ЭМП. Соединительные пластины 6 соединяют выводы геркона с КС 1 и 2. В исполнении по рис. ,б из реманентного материала выполнен только КС 2. На баллоны гезаконов устанавливаются две обмотки управления. При согласном включении обмоток КС намагничиваются и замыкаются. Для размыкания необхо­димо при последующем включении изменить полярность импульса в одной из обмоток, что приводит к размагничи­ванию КС.

В случае рис. ,в управление происходит от одного источника разнонолярных импульсов. Через вывод 1 замы­кается поток поляризующего постоянного магнита 7. При подаче управляющего импульса, создающего магнитное по­ле, согласное с магнитным полем постоянного магнита эти поля складываются и КС замыкаются. При подаче встречного импульса КС размагничиваются и размыка­ются.

Переключающий гезакон (рис. , в) имеет две об­мотки управления. При согласном включении обмоток КС 1 и 2 намагничиваются согласно и КС 8 притягивается к КС 2. При изменении полярности импульса в одной из обмоток меняется направление намагниченности одного из КС и КС 8 притягивается к КС 1.

В гезаконе на рис. ,г ЭМП выполнены в виде тру­бок 9, 10, надеваемых на КС 1 и 2. При согласном вклю­чении обмоток управления трубки ЭМП 9 и 10 намаг­ничиваются согласно и КС замыкаются. Для отключе­ния геркона в одной из обмоток надо поменять полярность импульса.

5.5. Р а с ч е т о б м о т о к г е р к о н о в ы х р е л е. Важнейшим параметром геркона, который приводится в его паспорте, является МДС срабатывания F_cp, по значе­нию которой можно определить параметры обмотки. Рас­четная МДС обмотки

где k_F=1,2¸2—коэффициент запаса, учитывающий тех­нологические разброс параметров геркона, допустимые ко­лебания питающего напряжения и изменение сопротивле­ния обмотки при нагреве; k_n— коэффициент, учитывающий взаимное влияние совместно установленных герконов. По опытным данным, где n — число герконов в реле.

Рассмотрим случай, когда обмотка питается от источ­ника напряжения. Диаметр неизолированного провода d_пp обмотки можно найти,

где r_t—удельное сопротивление материала провода об­мотки в горячем состоянии; l_ср—средняя длина витка об­мотки; U — напряжение источника.

Удельное сопротивление r_t находим по формуле

Для медного провода ро=0,0175-10⁶ Ом*м при темпе­ратуре q_о=20°С;—температура окружающей среды, °С; t_доп=q_доп -q_окр —допустимое превышение температу­ры обмотки, ⁰С: a_R ==0,004 1/°С. Средняя длина витка

где d_в=d_d+2(D+D_кар)— внутренний диаметр обмотки;

d_d—диаметр баллона геркона; D- зазор между балло­ном и каркасом; D_кар—толщина каркаса катушки управ­ления; h_к — радиальная толщина обмотки.Для получения мини­мальной МДС срабатывания площадь сечения обмотки Q и ее радиальная толщина h_к выбираются по соотношениям Q=3d (L + d)/8; h_k=q/l_k» d_в; I_к = 4d(L+pd)/ d_в, где d — диаметр стержня КС; L — длина геркона. Ориентировочно длина обмотки I_к = (0,25—0,5)L Най­денный диаметр d_пp округляется до стандартной величины.

Число витков обмотки

w= h_k I_кk_з,м/q

Коэффициент заполнения обмотки медью k_з,м берется по табличным данным. Расчет превышения температуры t обмоток для установившегося режима ведеюя пo формуле

t=P/( k_TS_охл)

где k_T коэффициент теплоотдачи (10 Вт*м^-2 С ^~1);

S_охл - Поверхносное охлаждения обмотки; Р—мощность, выделяемая в обмотке

P= I²R=U²/R=U²q/(l_ср)=U²q/[r_tp(d_в+h_к)]

Повершность охлаждения S_охл=p(d_в+h_к)l_к

Диаметр провода d_пр проверяем из условий нагревав установившемся режиме

I²R=4I²r_tl_срw/(pd²_пр.4)=k_тS_охлt

После выбора d_пр проводится проверочный расчет F и t с учетом коеффициента заполнения k_з,м. Если обмотка работает в режиме кратковременного включения, то допустимое время включения

t_вкл=Tlnt_p/(t_p-q_доп+q_окр), где t_р допустимое превышение температуры; Т - постоянная времени нагрева обмотки

где с - удельная теплоемкость материала провода ( дла меди с=390 Вт*с/(кг*⁰С) G- масса провода кг, для меди g=8900 кг/м³⁾

5.6.П р е и м у щ е с т в а и н е д о с т а т к и г е р к о н о в.

1)Благодаря полной герметизации герконы обладают следующими преимуществами: возможность работы в условиях повышенной влажности, запыленности и т. п. при низком переходном сопротивлении в замкнутом положении'(0,01—0,001 Ом) и малом падении напряжения на кон­тактах;

2) простота конструкции, малые масса и габариты, что позволяет автоматизировать их производство и снизить

стоимость изготовления;

3) высокое быcтродействие (время срабатывания и от­пускания 1—3 мс), что позволяет использовать герконы при частоте коммутаций до 1000 в секунду;

4) oтсутствие трущихся деталей и сложных кинематиче­ских пар обеспечивает надежную работу герконов в тече­ние 10''—10" циклов:

5) высокая электрическая прочность междуконтактного промежутка;

6) гальваническая развязка цепей управления и комму­тируемых цепей;

7) возможность управления как электромагнитным по­лем, так и полем постоянного магнита, что расширяет функ­циональные области применения герконов;

8) надежность работы в широком диапазоне температур (от —60 до +120 "С);

9) удобство согласования с современными изделиями микроэлектроники. Возможность работы от кратковременных импульсов (но не менее 10 мкс) и малая энергия, потребляемая при таком управлении, позволяют широко использовать герконы как выходные (усилительные) элементы в серии полупроводни­ковых элементов «Логика И».

Герконы имеют следующие недостатки:

1) сравнительно низкая чувствительность но МДС управ­ления;

2) восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от их воздействия;

3) хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и вибрациям, что требует специальных мер по амортизации места установки герконов;

4) значительное время вибрации контакта, которое мо­жет составлять до половины времени срабатывания;

5) малая мощность коммутируемых цепей;

6) возможность самопроизвольного размыкания кон­тактов при больших токах;

7) недопустимое размыкание и замыкание контактов при питании обмотки током низкой частоты;

8) значительный технологический разброс параметров. преимущества и недостатки герконов предопределили их область применения. Они широко используются в схе­мах автоматики и защиты как логические элементы, преоб­разователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупро­водниковыми устройствами и силовыми электрическими ап­паратами.

В табл. приведены технические данные герконов отечественного производства. В таблице приведены макси­мально допустимые значения коммутируемого тока I_max, напряжения U_max и мощности Р_мах. При уменьшении ком­мутируемого тока значение допустимого напряжения уве­личивается (U=Р_mах/I), но не должно превышать значе­ния U_mаx, определяемого электрической прочностью рабо­чего зазора. При уменьшении напряжения коммутируемый ток увеличивается, но не должен быть больше значе­ния I_мах.

Параметры коммутируемых цепей приведены для чисто активной нагрузки. При смешанной нагрузке RL коммута­ционная способность геркона ухудшается и должна огова­риваться заводом-изготовителем для данного значения по­стоянной времени нагрузки T=L/R. Если заданы парамет­ры только для активной нагрузки, а цепь имеет смешанный характер, то для облегчения работы контакты реле следует шунтировать цепочкой R,С, параметры которой выбира­ются по рис.