ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 15

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕРКОНОВЫХ РЕЛЕ

Цель работы: изучение конструкций и принцип действия

герконов и реле на их основе, исследование их параметров.

1. Общие положения

Контактная система электрических аппаратов в процессе эксплуатации подвергается воздействию большого числа неблагоприятно влияющих факто­ров, поэтому является наименее надежным узлом. Герметизация электромагнитных реле (ЭМР) исключает воздействие внешней среды, но не устраняет выделение летучих веществ из изоляционных материалов катушек, траверс и других деталей самих реле, вызывающих отказы контактов. К тому же герметизация связана с большими конструктивными и технологическими трудностями [1,2].

Существенным недостатком ЭМР является и наличие трущихся механичес­ких деталей, износ которых так же уменьшает их работоспособность. Дру­гим недостатком ЭМР является их инерционность, обусловленная значи­тельной массой подвижных деталей. Для получения требуемого быстродейс­твия применяют специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.

ЭМР представляют собой достаточно сложную конструкцию, содержащую в ряде случаев более сотни деталей, что затрудняет автоматизацию их про­изводства [3,4].

Перечисленные недостатки ЭМР привели к созданию реле с герконами.

Согласно ГОСТ 17499-72 (Контакты магнитоуправляемые. Термины и опре­деления. Введен 01.07.73г, с.1-12) магнитоуправляемым контактом называ­ется «контакт электрической цепи, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического замыкания или размыкания ее при воз­действии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов и участков электрических и магнитных цепей» [3].

Герконом или герметизированным магнитоуправляемым контактом называ­ется помещенный в герметизированный баллон магнитоуправляемый контакт.

Так как детали геркона реализуют функции контактов и участков элект­рических и магнитных цепей, они имеют название контактные сердечники (КС). Контактные сердечники могут быть неподвижными и подвижными. Часто КС выполняются гибкими – в этом случае они выполняют и роль возвратной пружины [3,5]

Герконы бывают замыкающими, размыкающими, переключающими и запоминающими. Существуют сухие (с твердыми контактами) и жидкометаллические (контакты смочены жидким металлом) герконы. Как те, так и другие быва­ют нейтральными и поляризованными. Большое распространение получили нейтральные замыкающие и переключающие герконы [3].

2. Конструкции герконовых реле

Простейшее герконовое реле (ГКР) с симметричным замыкающим контактом изображено на рис.1.

Рис.1. Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом

Контактные сердечники 1 и 2 изготовляются из пермаллоя, имеющего вы­сокую магнитную проницаемость, и ввариваются в герметичный стеклянный баллон 3.

Баллон заполняется инертным газом – чистым азотом или азотом с небольшой (около 3%) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (0.4-0.6)10⁵ Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавливается в обмотке управления 4. При подаче тока в об­мотку 4 возникает магнитный поток Ф, проходящий по КС 1 и 2 через рабочий зазор d между ними и замыкается вокруг обмотки 4. Упрощенная картина магнитного поля показана на рис. 2. Поток Ф при про­хождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Р_эм которая, преодолевая упругость КС, соединяет из между собой. Для улучшения контактирования поверхности касания покрывают тонким слоем (2-50 мкм) золота, рения, серебра и др. При отключении обмотки магнитный по­ток и электромагнитная сила спадают и под действием сил

упругости КС размыкаются. Таким образом в герконовых реле нет деталей, подверженных трению, а КС одновременно выполняют функции магнитопровода, токопровода, контактной и возвратной пружин. На рисунке приведена механическая характеристика P_мех=f₁(d) и стати­ческие тяговые характеристики P_эм=f₂(d). При медленном увеличении магнитодвижущей силы (МДС) обмотки до значения F₁ рабочий зазор d_р между КС уменьшается от значения d_н до d₁. При дальней­шем медленном увеличении МДС КС сближаются до зазора срабатывания d_ср соответствующего МДС статического срабатывания F_ср и определяемого точкой касания механической характеристики с тяговой характеристикой при F_ср. С достижением d_ср КС быстро переходят к замкнутому состоянию при конечном рабочем магнитном зазоре d_к. Резкий переход КС от зазора d_ср к d_к называют «срывом» [1].

С уменьшением МДС до значения МДС возврата F_в КС разомкнутся и после цикла затухающих колебаний останутся на расстоянии d_z между собой.

При дальнейшем снижении МДС до нуля в случае отсутствия магнитного и механического гистерезиса КС вернутся в свое первоначальное положение d_н. В замкнутом состоянии при F>F_в КС воздействуют друг на друга с си­лой контактного нажатия

, (1)

где Р_эм.к и Р_мех.к электромагнитная и механическая силы при . Для надежного срабатывания необходимо иметь

. (2)

График зависимости МДС срабатывания от смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС приведен на рис.4. Минимальная МДС срабатывания, реле имеет место при расположении зазора между КС геркона посередине обмотки. F_ср.ном – номинальная МДС срабатывания, имеющая место при отсутствий смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС, т.е. Z=0. Уменьшение в опреде­ленных пределах длины обмотки при неизменности сечения приводит к увеличению магнитного потока в ра­бочем зазоре геркона и уменьшению МДС срабатывания [3].

Рис. 4. Влияние смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС на МДС срабатывания геркона.

Изменение тока управления I_у обмотки и коммутируемого тока I_к при срабатывании геркона показано на рис.5. Обмотка включается в момент времени t₀. Начало быстрого движения КС (после прохождения зазора d=d_ср на рис.3.) обуславливает уменьшение скорости нарастания тока I_у (точка а). 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 резкого увеличения ин­дуктивности после d_ср скорость нарастания тока и его значение умень­шаются (интервал времени от t_a до t₁). В момент времени t₁ контакты касаются и вибрируют до момента времени t₂. В интервале от t₂ до t₃ контакты не размыкаются, но ток I_k меняет­ся из-за изменения переходного сопротивления, вызванного изменением контактного нажатия. Контактное нажатие герконовых реле увеличивается с ростом МДС обмотки. Коэффициент возврата герконовых реле

(3)

Увеличение толщины немагнитного контактного покрытия не влияет на ве­личину МДС срабатывания F_ср, т.к. начальный немагнитный зазор d_н при этом не изменяется, а МДС F_отп увеличивается, поскольку возрастает d_к что приводит к увеличению коэффициента возврата k_в [1,3]. По сравнению с обычными ЭМР у герконовых реле k_в значительно выше и доходит до 0.9. Из-за технологических погрешностей k_в, 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.

К временным параметрам герконового замыкающего реле относятся время срабатывания t_ср и время возврата t_в [3].

В зависимости от предъявляемых к реле требований под t_ср может пони­маться разное время, но как минимум оно принимается равным времени первого замыкания геркона – t₃=t₁ т.е. t_ср1=t₃, составляющее для герконов обычно от 10^-4 до 10^-3 сек.

Чаще всего во время t_ср кроме t₃ включают также время дребезга при срабатывании t_др.ср – процесса размыканий и замыканий электрической цепи, вызванных чередующимися соударениями и отскоками КС, следующими за их первым замыканием, т.е.

. (4)

Под временем возврата t_в в зависимости от требований, предъявляемых к реле, также может пониматься длительность разных процессов. Например

, , и др. (5)

где t_p – время с момента отключения обмотки от источника напряжения до первого размыкания КС,

t_раз – время разрядных процессов при отсутствии повторных замы­каний КС,

t_др.в – время наблюдаемого в ряде случаев дребезга при возврате.

Конструкция простейшего ГКР имеет разомкнутую магнитную цепь и его магнитопровод составляет только КС (рис.6,а).

Рис. 6. Конструктивные схемы выполнения герконовых реле.

Н едостатки такой конструкции:

1. требуется большая МДС, т.к. зна­чительная ее доля затрачивается на проведение магнитного потока по воздуху;

2. подвержена воздействию внешних магнитных полей, создаваемых други­ми близко расположенными электромагнитными устройствами, а также само устройство может являться источником помех.

Эти недостатки устраняются помещением ГКР в кожух (экран) из магнитомягкого материала (рис.6,б,в). При этом увеличивается маг­нитная проводимость для рабочего потока Ф и снижается МДС срабатыва­ния. Для увеличения эффективности экрана паразитный зазор е стараются уменьшить или увеличить его площадь.

В условиях серийного производства регулирование значений МДС срабаты­вания и отпускания может произво­дится либо изменением зазора е, ли­бо изменением положения магнитного шунта (рис. 6,г), либо осевым смещением геркона в обмотке.

Существуют многоцепевые ГКР, имеющие до 12 и более герконов, управ­ляемых одной обмоткой [1].

Особенности условий работы многоце­певых ГКР:

1. большой технологический разброс по МДС срабатывания и отпускания герконов;

2. неодновременность срабатывания герконов из-за неравномерности маг­нитного поля;

3. магнитное шунтирование сработав­шим герконом других, приводящее к увеличению МДС срабатывания еще не сработавших герконов.

В некоторых конструкциях герконы устанавливаются снаружи обмотки уп­равления. Это обеспечивает меньшее взаимное влияние соседних герконов.

Рис. 8. Реле тока на герконе.

В реле контроля большого тока используется следующая компоновка (рис.8). Контролируемый ток I проходит по шине и создает вокруг шины магнит­ный поток Ф, который и используется для управления герконом. Ток сраба­тывания ГК может регулироваться путем:

1. изменением угла a;

2. изменением расстояния х между герконом и шиной.

Наименьший ток срабатывания имеет место при a=90^о, а при a=0^о геркон не срабатывает при любом токе I.

Часто для усиления магнитного потока шины между ГК и шиной устанавливают магнитный шунт, имеющий участок уменьшенного сечения как показана на рис. 9. При опреде­ленном токе этот участок насыщается и увеличивается поток выпучивания, замыкающийся через КС геркона, и замыкает его. Такие реле выпускают­ся для постоянного и выпрямленного тока.

Управлять состоянием герконов можно с помощью не только магнитного поля, создаваемого катушкой управления, но и поля постоянного магнита (рис. 10). Это широко применяется современных слаботочных аппаратах управления (тумблеры, переключатели, кнопки, командоаппараты) и контрольно-изме­рительной аппаратуре (сигнализаторы положения, конечные выключатели, датчики).

Рис. 10. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана.

При приближении постоянного магнита к геркону увеличивается магнит­ный поток, замыкающийся между контактными сердечниками, и при опреде­ленном расстоянии срабатывания Х_ср создается тяговое усилие между КС, достаточное для их замыкания, т.е. срабатывания. Для создания требуемого контактного нажатия делают рабочее расстояние Х_р<Х_ср. Отпускание геркона, т.е. размыкание контактов, происходит при увеличении расстоя­ния до Х_отп. При наличии постоянно­го магнита управление герконом мо­жет производиться и за счет переме­щения ферромагнитного шунта.

П ростейшее ГКР с магнитной памятью феррид имеет два элемента магнитной памяти (ЭМП), примыкающие к КС (рис.11). ЭМП выполняют из так называемых реманентных материалов, характеризующихся прямоугольностью петли гисте­резиса, имеющих достаточно высокую остаточную индукцию и большую маг­нитную энергию. Реманентные матери­алы обладают очень малым временем перемагничивания (10-50 мкс). Оста­точный магнитный поток, создаваемый ЭМП, используется для удержания герконов в замкнутом состоянии пос­ле обесточивания обмотки управления.

При появлении управляющего импульса и согласном включении обмоток создаваемый ими магнитный поток, проходя через КС и ЭМП намагничивает их. После прохождения импульса КС остаются в замкнутом состоянии бла­годаря остаточному потоку намагниченных ЭМП, т.е. как бы запоминают и сохраняют предыдущее свое замкнутое состояние.

Реле отключается подачей импульса той же амплитуды и той же поляр­ности на одну обмотку, но обратной полярности - на другую обмотку. За счет разности МДС обмоток ЭМП размагничиваются, поток между КС умень­шается и они размыкаются.

Г езакон (герметизированный запоминающий контакт) - это ГКР с магнит­ной памятью, в которых ЭМП полностью или частично расположены внутри баллона (рис.12). Здесь КС выполнены из реманентных материалов и выполняют функции ЭМП. На баллоны гезаконов устанавливают две обмотки управле­ния. При согласном включении обмо­ток КС замыкаются. Для размыкания при помоток подают ючении в одну из обмоток подают импульс обратной по­лярности. Это размагничивает ЭМП и гезакон размыкается.

В настоящее, время выпускаются герсиконы (герметизированные силовые контакты), имеющие относительно большую коммутационную способность. На основе герсикона типа КМГ-12 созданы контакторы. Герсиконы типа КМГ-1 имеют: номинальный ток 6,ЗА, включаемый ток до 180А, отключаемый ток 63А. Максимальная мощность двигателя, который может запускаться в режиме АС-3 при напряжении 380В, равна 3 кВт при частоте включения до 1200 в час. Механическая и коммутационная износостойкость при мощности двигателя 1.8 кВт составляет 10⁷ циклов. При постоянном токе 1А и напряжении 220В коммутационная износостойкость достигает 3*10⁶ циклов. Время срабатывания не более 20 мс.

Максимальный ток герсиконов может быть доведен до 100А при напряже­нии 380В. Высокая надежность и простота конструкции делают герсиконы весьма перспективными для применения в коммутационных аппаратах [1].