3.4. Преобразовательные устройства

Преобразовательное устройство электрического аппарата с коммутирующими контактами формирует механическое воздействие, передаваемое в контактную систему с помощью механической передачи. Если входным управляющим воздействием для преобразовательного устройства является мускульное усилие человека, то такой преобразователь обычно называют органом ручного управления. Это может быть кнопка, клавиша, рукоятка рычажного типа, рукоятка револьверного типа, штурвал, педаль и др. Разработка удобных для человека органов управления является объектом научного направления «Инженерная психология».

Механические преобразовательные устройства применяют в контролирующих аппаратах: реле давления, реле температуры, реле скорости, путевых и конечных выключателях, датчиках удара и др. В некоторых случаях механические преобразователи называют чувствительными элементами или измерительными преобразователями. Например, мембрану или сильфон именуют чувствительным элементом, преобразующим давление в перемещение. При известной функциональной зависимости перемещения от давления такой элемент рассматривается как измерительный преобразователь. Чувствительные элементы и измерительные преобразователи являются предметом изучения в дисциплине «Элементы систем автоматики».

В большинстве электрических аппаратов с дистанционным управлением их коммутирующими контактами используются электромеханические преобразователи, которые принимают электрический сигнал управления и преобразуют его в механическую форму энергии. Среди них наибольшее применение получили электромагнитные преобразователи – электромагниты, электромагнитные механизмы. Их применяют также в аппаратах управления передачей механической энергии (электромагнитных муфтах, электромагнитных тормозах и др.). Электромагнитные преобразовательные устройства рассматриваются в следующем разделе.

В магнитоэлектрических и электродинамических преобразовательных устройствах используется взаимодействие тока, протекающего по обмотке катушки, с магнитным полем.

В магнитоэлектрическом преобразователе магнитное поле создается постоянным магнитом. Обмотка располагается на подвижной рамке. В зависимости от конструкции устройства рамка, находясь в магнитном поле, может совершать поворотное или поступательное движение. Перемещение рамки происходит после подключения обмотки под напряжение. Сила F_МЭ и момент силы M_МЭ, действующие на рамку при взаимодействии тока I с магнитным полем, пропорциональны силе тока:

F_МЭ=k₁I, M_МЭ=k₂I .

Значения коэффициентов пропорциональности k₁ и k₂ зависят от конструкции магнитоэлектрического преобразователя.

Особенности магнитоэлектрических преобразователей:

это поляризованные устройства (при изменении направления тока в обмотке изменяется направление силы и момента);

им свойственна высокая чувствительность (магнитоэлектрические реле могут быть построены на мощность 10^-8…10^-10 Вт);

они неработоспособны при переменном токе.

В электродинамическом преобразователе магнитное поле создается не постоянным магнитом, а катушкой, по обмотке которой протекает электрический ток. Поэтому сила F_ЭД и вращающий момент M_ЭД , действующие на подвижную рамку с обмоткой, зависят от силы тока I_Р в обмотке рамки и силы тока I_K в катушке:

F_ЭД=k₃I_PI_K , M_ЭД=k₄ I_PI_K ,

где k₃ , k₄ - коэффициенты, значения которых зависят от конструкции преобразователя.

Электродинамические устройства способны работать на переменном токе. Если обмотки рамки и катушки соединить последовательно, тогда сила F_ЭД и момент M_ЭД будут сохранять определенную направленность действия при переменном токе. Преобразователи могут быть выполнены без магнитопровода, что позволяет применять их на повышенной частоте тока.

Биметаллический электротепловой преобразователь осуществляет преобразование электрической энергии в тепловую энергию, которая затем преобразуется в механическую энергию изгиба биметаллической пластины. Действие преобразователя основано на разном линейном удлинении двух скрепленных друг с другом пластин при их нагревании. Пластины соединяются либо сваркой, либо прокаткой в горячем состоянии, образуя так называемую биметаллическую пластину. Составляющие ее пластины имеют разные температурные коэффициенты линейного удлинения (расширения). Например, для одной пластины используется железоникелевый сплав «инвар» с малым значением температурного коэффициента, для другой – хромоникелевый сплав с большим значением температурного коэффициента. Поэтому при нагревании биметаллическая пластина изгибается.

Биметаллические преобразователи электрической энергии в механическую энергию выполняют различной конструкции. В них могут применяться биметаллические пластины разной формы. Общий для них принцип действия иллюстрируется на рис. 3.6.

Биметаллическая пластина 1 закреплена одним концом на неподвижном основании 3. Другой подвижный конец пластины соприкасается с толкателем (или защелкой) механической передачи МП. Пластина нагревается проходящем по ней или/и по нагревателю 2 (спирали) током. При изгибе она воздествует силой F на толкатель (защелку), перемещая его на расстояние ρ, что приводит к изменению положения коммутирующего контакта КК.

Биметаллические устройства применяют в аппаратах защиты электрических цепей и электроустановок от перегрузок, например, в электротепловых реле, автоматических выключателях и др.