Электромагнитные устройства и электрические машины

Одним из наиболее распространенных элементов автоматики [3] является реле, которое обеспечивает скачкообразное изменение выходного сигнала при подаче на вход управляющего сигнала. На рисунке 2.16 изображена схема электромагнитного реле. Сердечник 1, ярмо 2 и якорь 3 изготовляются из электротехнической стали. При прохождении тока i по обмотке 4 якорь притягивается к сердечнику, замыкая контакты 5, приваренные к упругим пластинкам из фосфористой бронзы. При обесточивании обмотки реле якорь возвращается в исходное состояние пружиной 6 и токопроводящие контакты реле размыкаются.

Рисунок 2.16 – Электромагнитное реле

Реле срабатывает (замыкает контакты) при определенном токе – токе срабатывания I_ср. Для получения надежного контакта обмотку сердечника реле питают током, который в 3–4 раза превышает ток срабатывания. При подключении напряжения u_вх ток i нарастает по экспоненциальному закону и достигает тока срабатывания через некоторое время. Это время примерно равно времени срабатывания реле.

Ток, при котором якорь отрывается от сердечника, называют током отпускания I_отп. Вследствие гистерезиса магнитной системы реле ток отпускания оказывается в несколько раз меньше тока срабатывания. Электромагнитное реле можно сделать чувстви­тельным к полярности напряжения, подводимого к об­мотке сердечника. При этом управляющее напряжение положительной полярности вызывает замыкание одной пары контак­тов, а при изменении полярности напряжения якорь от­клоняется в противоположную сторону и замыкает дру­гую пару контактов. Такое реле называется поляри­зованным.

Еще одна разновидность реле – магнитоуправляемые контакты, заключенные в герметичный корпус (геркон). В стеклянную ампулу впаяны две пластины из магнитомягкого материала, покры­тые тонким слоем металла с высокой электропровод­ностью. Пластинки монтируются таким образом, что между их контактирующими концами остается зазор. Если к геркону поднести постоянный магнит, то пластинки намагничиваются и притягиваются друг к другу. Вместо постоянного магнита можно использовать обмотку, размещенную на колбе. При подаче управляющего тока в обмотке возникает магнитное поле, через пластинки замыкается магнитный поток. Намаг­ниченные таким образом пластинки взаимно притя­гиваются, образуя контактное соединение.

Магнитные усилители

Устройства систем автоматического регулирования обычно вырабатывают маломощные сигналы управления, которые непосредственно не могут привести в действие исполнительные механизмы. Чтобы получить мощность, необходимую для рабо­ты исполнительных устройств, применяют магнитные усилители. Они практически нечувствительны к вибрациям и механическим воздействиям, позволяют получить на выходе значительные токи, просты в эксплуатации, сравнительно недороги и очень надежны. Различают дроссельные и трансформаторные магнитные усилители.

В дроссельных усилителях рабочая обмотка (об­мотка переменного тока) выполняет функцию дроссельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке включенной (обычно последовательно) в цепь рабочей обмотки. В трансформаторных усилителях передача энергии из цепи питания в цепь нагрузки осущест­вляется за счет магнитной связи между ними. Воздействуя на общий магнитный поток, сцепленный с витками обмоток цепей питания и нагрузки, можно менять мощность, передаваемую в цепь нагрузки.

Рисунок 2.17 – Зависимость магнитного потока от количества ампер-витков

На рисунке 2.17 изображен магнитопровод, на кото­рый намотаны две обмотки: рабочая w_р, питаемая синусоидальным напряжением, и управляющая w_у к которой подводится усиливаемое напряжение. Изменяя магнитное состояние магнитопровода, можно менять ток в рабочей обмотке, а следовательно, и в нагрузке Z_н, которая включена последовательно с w_р.

Дроссельный магнитный усилитель прост как по устройству, так и по принципу работы, однако его применение ограничено, так как ему присущ ряд недостатков. Прежде всего существенная не­линейность зависимости тока в нагрузке от тока уп­равления. Так, при токе управления I_у = 0 ток в нагрузке I_р ¹ 0. Этот нулевой ток I₀ увели­чивает погрешность регулирования и потери мощности. Другой недостаток – сравни­тельно низкий коэффициент усиления. Кроме того, дроссельный усилитель не реагирует на полярность сигнала управ­ления. Эти недостатки устранены в более сложных схе­мах магнитных усилителей.

Схема трансформаторного магнитного усилителя изображена на рисунке 2.18. Синусоидальное напряже­ние питания подводится к обмотке w₁, а нагрузка Z_н включена в цепь специальной обмотки w₂. Пока сердечник не насыщен, синусоидальный ток, проходящий по обмотке w₁, вызывает значительные изменения магнитного потока в магнитопроводе. Переменный магнитный поток, пронизывая витки обмотки w₂, наводит в этой обмотке ЭДС, которая используется для питания нагрузки Z_н. Чем больше скорость изменения магнитного потока, тем больше наведенная ЭДС и ток в нагрузке.

При насыщении магнитопроводаскорость изменения магнитного потока резкоуменьшается, ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке w₂, становится небольшой, соответственно уменьшается и ток в нагрузке. Рабочая характеристика трансформаторного маг­нитного усилителя изображена на рисунке 2.18. Видно, что с увеличением тока управления I_у ток в нагрузке I_р, уменьшается.

Рисунок 2.18 – Трансформаторный магнитный усилитель