Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

20.

Контакторы

магнитные

пускатели

251

FP1 FPZ

Рис.

20.6. Схема включения трехфазного асинхронного электродвигателя с ревер-

сивным

магнитным пускателем

контактор

КН и своими силовыми контактами подключает к

трех-

фазной

сети обмотки электродвигателя. Последовательность соеди-

нения

фаз теперь

иная,

чем при срабатывании

контактора

KB: две

фазы

из

трех

поменялись местами. При срабатывании контактора

КН его блокировочные контакты разрывают цепь питания катушки

контактора

КВ.

Нетрудно видеть, что при одновременном включе-

нии

контакторов

и КН произошло бы короткое замыкание

двух

линейных

проводов трехфазной сети

друг

на

друга.

Для того чтобы

исключить такую аварию, и нужны блокировочные размыкающиеся

контакты

контакторов

и КН. Следовательно, если подряд нажать

обе кнопки (SB1 и SB2), то включится только тот контактор, кнопка

которого была нажата раньше (пусть

даже

на мгновение).

Для реверса электродвигателя надо предварительно нажать

кнопку

SB3 («Стоп»). В этом

случае

блокировочные контакты под-

готавливают цепь управления для нового включения. Для надежной

работы необходимо, чтобы силовые контакты контактора разомкну-

лись раньше, чем произойдет замыкание блокировочных контактов

цепи

другого

контактора. Это достигается соответствующей

регу-

лировкой

положения блокировочных контактов по

ходу

якоря элек-

тромагнитного механизма контактора. Для блокировки кнопок SB1

SB2 используются замыкающиеся блокировочные контакты соот-

ветствующего контактора, подключенные параллельно

кнопке.

Необходимо исключить одновременное срабатывание обоих

контакторов,

для чего используют двойную или

даже

тройную бло-

252

Раздел

III.

КОММУТАЦИОННЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

кировку.

Для этой цели в

схеме

рис. 20.6 применяют двухцепные

кнопки

SB1 и SB2. Например, кнопка SB1 при нажатии замыкает

свои контакты в цепи контактора

и разрывает свои контакты в

цепи

контактора КН. Аналогично работает двухцепная кнопка SB2.

Кроме

того, реверсивные магнитные пускатели

могут

иметь механи-

ческую блокировку с перекидным рычагом, препятствующим одно-

временному срабатыванию электромагнитов контакторов. Контакты

тепловых реле FP1 и FP2, включенные в две фазы обмотки электро-

двигателя, отключают цепь питания катушек обоих контакторов при

длительном протекании большого тока, чтобы не допустить пере-

грева обмоток. Для защиты

схемы

управления

служат

плавкие пре-

дохранители FV.

Магнитные пускатели и контакторы выбирают по номинально-

му току электродвигателя с

учетом

условий эксплуатации. В про-

мышленности применяются магнитные пускатели серий ПМЕ и

ПМЛ

с прямоходовыми контакторами и серии ПАЕ с подвижной

системой поворотного типа.

20.5.

Автоматические выключатели

Автоматический выключатель предназначен для включения и от-

ключения

электрических цепей и электрооборудования, а также для

защиты от больших токов, возникающих при коротких замыканиях

перегрузках. В отличие от магнитного пускателя автоматический

выключатель не может использоваться для автоматических систем,

использующих электрические управляющие сигналы. Он также не

обеспечивает реверса электродвигателя.

Автоматический

выключа-

тель часто используют для продолжительного включения нереверси-

руемых

электродвигателей. Может он также использоваться вместо

рубильника в

схемах

с магнитным пускателем (см. рис. 20.4 и 20.6).

Устройство автоматического воздушного выключателя (автома-

та) показано на рис. 20.7. С помощью рукоятки

производится

включение и отключение автомата. В состоянии, показанном на ри-

сунке, автомат отключен и подвижный контакт 2 не замкнут с непо-

движным контактом 3. Для включения автомата

следует

взвести

пружину 6, при этом рукоятка

перемещается вниз и поворачивает

деталь 4, которая своим нижним концом

входит

в зацепление с зу-

бом удерживающего рычага 5. Теперь автомат готов к включению.

Для его включения рукоятку / перемещают вверх. Пружина 6 зай-

мет такое положение, что шарнирно соединенные рычаги 7 и 8 пе-

ремещаются вверх по отношению к тому положению, когда они на-

Глава

20.

Контакторы

магнитные

пускатели

253

ходятся

на одной прямой.

Автомат

включится: цепь тока создается через

контакты 2 и 3,

расцепители

9 и 10.

Автоматическое отключение авто-

мата происходит при срабатывании

расцепителей. При длительных токо-

вых перегрузках срабатывает тепловой

биметаллический расцепитель 10, сво-

бодный конец которого перемещается

вниз,

поворачивая рычаг 5 по часовой

стрелке. Зуб рычага расцепляется с де-

талью

4, которая поворачивается, а

рычаги 7 и 8 проходят мертвое поло-

жение. Усилие пружины 6 направлено

вниз,

под его действием размыкаются

контакты 2

3. Отключение при мак-

симально допустимом токе происхо-

дит под действием электромагнитной

силы

выводящей зуб рычага 5 из

зацепления с

деталью

4. Если прои-

зошло автоматическое отключение на-

грузки, то рукоятка / остается в верхнем положении.

Ручное отключение автомата происходит при перемещении ру-

коятки

/ вниз. Возникающая при размыкании контактов 2 и 3 элек-

трическая

дуга

гасится с помощью дугогасительной решетки

11.

Автоматы

могут

снабжаться расцепителями минимального на-

пряжения,

отключающими автомат при напряжении в сети ниже

допустимого значения. Для дистанционного управления автомати-

ческим выключателем

могут

использоваться специальные их конст-

рукции, дополненные электромагнитным приводом рукоятки 1.

Выпускаемые промышленностью автоматические выключатели

типов АК, АП, АЕ имеют от 1 до 3 пар силовых контактов. Они

предназначены для цепей с напряжением от

110

до 500 В при токах

в десятки ампер. Время автоматического отключения составляет

0,02-0,04

с.

Рис.

20.7. Автоматический

выключатель

Контрольные

вопросы

Где используются контакторы и магнитные пускатели?

Чем отличается контактор от обычного реле?

Как работает автоматический выключатель?

254

Раздел

III.

КОММУТАЦИОННЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

Глава 21

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

21.1.

Назначение

электромагнитных исполнительных

устройств

Исполнительные

устройства в системах автоматики предназначены

для приведения в действие (т. е. для привода) различных регулирую-

щих органов, оказывающих непосредственное воздействие на объект

управления с целью достижения выходной величиной этого объекта

требуемого значения. Существует большое разнообразие регулирую-

щих органов: для изменения подачи жидкостей и газов в трубопро-

водах

устанавливаются заслонки, клапаны, шиберы и краны; в подъ-

емно-транспортных устройствах это различные контакторы, муфты,

тормоза, вариаторы скорости; в осветительных и нагревательных

электроустановках это различные коммутационные аппараты.

Для воздействия на регулирующие органы необходимо выпол-

нить

механическую

работу:

повернуть заслонку или кран, соединить

две половинки муфты, переместить шестерню на

валу

коробки пе-

редач, замкнуть контакты и т. д. Входным сигналом исполнительно-

го устройства в электрических системах автоматики является элект-

рический

ток или напряжение, а выходным сигналом— механиче-

ское перемещение.

Для преобразования электрической энергии в механическую

служат

электромагниты и электродвигатели. В данной главе

будут

рассмотрены только электромагнитные

исполнительные

устройства.

Электродвигатели являются электрическими машинами и изучаются

соответствующем курсе.

Следует

отметить, что почти всегда, когда

ставится вопрос о разработке привода для регулирующего органа,

приходится делать выбор

между

двумя вариантами: электромагнит

или

электродвигатель. Основное преимущество электромагнита —

простота конструкции. У электродвигателя достоинств больше: вы-

сокий

КПД, возможность получения любых скоростей и перемеще-

ний.

Однако эти преимущества проявляются только в сравнительно

сложных системах автоматики и при продолжительном режиме ра-

боты. При необходимости иметь небольшие перемещения (несколь-

ко

миллиметров) и усилия (несколько десятков — сотен ньютон)

электромагниты выгоднее, чем электродвигатель с редуктором.

В предыдущих

главах

уже рассматривались электромагниты, ис-

пользуемые как составная часть электромагнитных реле и контакте-

Глава

21.

Электромагнитные

исполнительные

устройства

255

ров.

В данной главе

будут

рассмотрены общие вопросы классифика-

ции

электромагнитов, их расчета, конструирования, применения в

качестве исполнительных элементов систем автоматики.

21.2.

Классификация

электромагнитов

В зависимости от вида тока в обмотке электромагниты подразделя-

ют на электромагниты постоянного и переменного токов, по скоро-

сти срабатывания — на быстродействующие, нормальные и замед-

ленного действия. По назначению электромагниты разделяют на

приводные и удерживающие.

Приводные

электромагниты

служат

для выполнения механиче-

ской

работы. При подаче питания они перемещают различные ис-

полнительные устройства: клапаны, толкатели, заслонки, золотни-

ки,

железнодорожные стрелки. Они перемещают контакты реле и

контакторов,

печатающие и перфорирующие устройства. Для вы-

полнения

этой работы электромагниты должны быть рассчитаны на

определенную силу и перемещение.

Удерживающие

электромагниты

служат

не для перемещения, а

лишь

для удерживания ферромагнитных деталей. Например, элект-

ромагнит, используемый при подъеме железного металлолома, толь-

ко

удерживает его, а перемещение осуществляется подъемным кра-

ном.

В этом

случае

электромагнит выполняет лишь роль крюка

подъемного крана. В металлообработке используются электромаг-

нитные

плиты для фиксации обрабатываемой детали на станке. Из-

вестны также электромагнитные замки. Поскольку удерживающие

электромагниты не совершают работы, они рассчитываются лишь

на

определенное усилие. В некоторых случаях электромагнит имеет

две катушки: одна, более мощная, используется для перемещения

якоря,

другая

— лишь для удерживания якоря в притянутом поло-

жении.

Велико разнообразие электромагнитов специального назначе-

ния.

Они используются для фокусировки электронных пучков в те-

левидении, в ускорителях элементарных частиц, в разнообразных

измерительных приборах, в медицинской аппаратуре и т. д.

По

конструктивному выполнению различают клапанные (пово-

ротные),

прямоходовые и электромагниты с поперечным движени-

ем.

Клапанные

электромагниты имеют небольшое перемещение яко-

ря

(несколько миллиметров) и развивают большое тяговое усилие.

Прямоходовые

электромагниты имеют большой ход якоря и

большее быстродействие; по размерам они меньше, чем клапанные.

256

Раздел

III.

КОММУТАЦИОННЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

Часто они представляют собой соленоид (цилиндрическую катушку,

втягивающую в себя ферромагнитный стержень), поэтому их иногда

называют соленоидными электромагнитами.

Различные конструкции электромагнитов показаны на рис. 21.1.

Несмотря на большое их многообразие (далеко не все возможные

конструкции показаны на этом рисунке), все они состоят из катуш-

ки

1, якоря (подвижного магнитопровода) 2, неподвижного магни-

топровода (сердечника 3 и ярма 4). Кроме того, они имеют различ-

ные пружины, крепежные, фиксирующие и передающие детали,

корпус. По конструкции магнитной цепи различают электромагни-

ты с разомкнутым (рис. 21.1, г, е) и замкнутым магнитопроводом

(рис.

21.1,

а,

б, в, д, ж, з). По форме магнитопровода различают

электромагниты с П-образным, Ш-образным и цилиндрическим

магнитопроводом.

Магнитопроводы электромагнитов постоянного тока обычно

выполняются сплошными из магнитомягких материалов: обычных

конструкционных сталей и низкоуглеродистых электротехнических

сталей. Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопро-

вод из пермаллоев (сплавов железа с никелем и кобальтом). В быст-

родействующих электромагнитах стремятся к уменьшению

вихревых

токов, для

чего

используют электротехнические кремнистые стали с

повышенным электрическим сопротивлением и шихтованный (на-

борный) магнитопровод.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод элект-

ромагнитов переменного тока собирают

(шихтуют)

из изолирован-

е)

ж) з)

Рис.

21.1. Варианты конструктивных

схем

электромагнитов

Глава

21.

Электромагнитные

исполнительные

устройства

257

ных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. В качестве материала испо-

льзуются

горячекатаные и холоднокатаные электротехнические ста-

ли.

Отдельные части магнитопровода, которые

трудно

выполнить

шихтованными, изготовляют из сплошного материала толщиной

2—3

мм.

Катушки электромагнитов по своей конструкции бывают кар-

касные

и бескаркасные, а по форме сечения —

круглые

и прямо-

угольные. Провод каркасной катушки наматывают на каркас из

изоляционного

материала (текстолит, гетинакс, пластмасса). Про-

вод бескаркасной катушки наматывают прямо на сердечник, обмо-

танный

изоляционной лентой, или на специальный шаблон. Для

обеспечения прочности катушки, выполненной на шаблоне, ее об-

матывают лентой (бандажируют) и пропитывают компаундным ла-

ком.

Катушки, как правило, наматывают медным проводом с изо-

ляцией,

выбираемой исходя из назначения и условий работы элект-

ромагнита.

В зависимости от способа включения различают последователь-

ные

и параллельные катушки. Параллельные катушки имеют боль-

шое число витков и наматываются тонким проводом. Обычно они

включаются на полное напряжение сети. Последовательные катуш-

ки

имеют сравнительно малое сопротивление, так как выполняются

толстым проводом и с малым числом витков. Ток такой катушки

определяется не ее сопротивлением, а зависит от тех устройств, с

которыми катушка включена последовательно.

Различают также электромагниты, предназначенные для длите-

льной,

кратковременной и повторно-кратковременной работы.

21.3.

Порядок

проектного

расчета

электромагнита

Исходными данными для расчета электромагнита обычно являются

требуемое

тяговое усилие

ход (или

угол

поворота) якоря и на-

пряжение

питания U. Кроме того, в задании на проектирование

указываются режим работы электромагнита и условия эксплуата-

ции.

Могут

быть заданы

требуемые

быстродействие, габариты, вес,

стоимость.

результате

расчета необходимо выбрать конструкцию электро-

магнита, материал магнитопровода, определить геометрические раз-

меры магнитопровода и катушки, обмоточные данные.

На

первом этапе проектного расчета необходимо выбрать конст-

рукцию электромагнита, используя понятие конструктивного фак-

9 Ю. М.

Келим

258

Раздел

HI.

КОММУТАЦИОННЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

тора А. Эта величина определяется в зависимости от тягового уси-

лия

хода

якоря 5:

4К/

(21.1)

где

— в Н; 8 — в см.

При

А < 0 ,2 используют прямоходовый электромагнит солено-

идного типа; при 1,85 < А< 16 — прямоходовый с коническим сто-

пом;

при

< А < 90 — прямоходовый с плоским стопом; при

2,6 < А < 26 — с поворотным якорем клапанного типа.

Форму электромагнита выбирают с

учетом

необходимой тяговой

характеристики. На рис. 21.2 показаны типичные тяговые характе-

ристики электромагнитов. Если необходимо иметь пологую тяговую

характеристику 1, то

следует

применять прямоходовый электромаг-

нит,

если

крутую

2 — клапанный электромагнит. Ш-образная фор-

ма электромагнита (кривая 3) используется преимущественно в схе-

мах переменного тока.

На

втором этапе выбирается индукция и определяется сечение

магнитопровода.

Сила притяжения якоря в основном создается магнитным пото-

ком

в воздушном зазоре. Поэтому при проектном расчете влияние

на

тяговую силу потоков рассеяния обычно не учитывается. Опти-

мальный магнитный поток и индукция в рабочем воздушном зазоре

может находиться в весьма широких пределах и зависит от соотно-

шения

между

тяговым усилием и величиной

хода,

т. е. от конструк-

тивного фактора А. На рис. 21.3 приведены зависимости индукции

от конструктивного фактора для

трех

конструкций электромагни-

тов (с плоским стопом, с коническим стопом, клапанного типа).

После выбора по этим кривым индукции

можтю

определить пло-

щадь сечения полюсного наконечника. На-

помним

формулу (17.13), связывающую тя-

говое усилие

с индукцией в зазоре

сечением полюсного наконечника s:

•

При

определении диаметра сердечника

/ необходимо предварительно задаться индук-

цией

в стали

ст

и коэффициентом рассея-

ния

магнитной системы. Для мощных

электромагнитов

В^

принимается в преде-

лах

1,2—1,4

Тл, для небольших магнитных

систем реле — в пределах от 0,4 до 0,7 Тл.

ма*гн"итов"р7зных"конст-

Коэффициент рассеяния

1,5*2,5.

Мень-

рукций шие значения берутся при малых

ходах

яко-

Глава

21. Электромагнитные

исполнительные

устройства

<259

BgT/i

1,2

1,0

0,8

0,6

ОЛ

0,2

ь——i

— .

ь——|

, -

——

••

[

-•

**•

—

•

'•

20WW50W100

200

600

1000

Рис.

21.3.

Зависимость индукции

зазоре электромагнита

размеров катушки

от

величины конструктивного фактора

ря,

большие — для перемещений в несколько сантиметров. Сечение

сердечника определяется по формуле

аЯ

5/Я

ст

(21.2)

Сечение ярма обычно принимается равным сечению сердечника

а сечение якоря — меньшим:

sjo.

(21.3)

На

следующем этапе определяются геометрические размеры

электромагнита, связанные с размещением катушки. При протека-

нии

по катушке с числом витков и тока / катушка должна создать

МДС,

обеспечивающую индукцию в зазоре

Так как часть этой

МДС

теряется в паразитных зазорах и в стали магнитопровода, то

следует

учесть долю МДС, не

участвующую

в создании требуемого

тягового усилия. Введем коэффициент а, представляющий собой

отношение МДС, не участвующей в создании тягового усилия, к

общей МДС катушки. Тогда, полагая проводимость воздушного за-

зора G =

s/5,

определяем полную МДС катушки:

B£/\x

(l-a),

(21.4)

где а =

0,15н-0,75.

Ее можно уточнить при расчете магнитной цепи с

использованием кривых намагничивания для выбранного материала

магнитопровода.

Соотношение высоты обмоточного пространства катушки h к

его ширине a

(t=

h/a) обычно выбирается по конструктивному фак-

260

Раздел

III.

КОММУТАЦИОННЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

тору (нижняя кривая на рис. 21.3). Конкретные размеры катушки

выбирают на основании условий нагрева катушки. При этом учиты-

ваются режим работы, коэффициент теплоотдачи

К^,

способ намот-

ки,

влияющий на коэффициент заполнения

изоляция провода,

определяющая допустимую температуру

уст

Кроме того, необходи-

мо

учесть

и возможность снижения напряжения питания

£/

ном

до

учетом

этих факторов ширина обмоточного пространства ка-

тушки определяется по формуле

)

/(2y

yzj

(21.5)

Зная

размеры катушки, можно определить все размеры магни-

топровода электромагнита: высоту сердечника и ярма, расстояние

между

ними и т. д.

21.4.

Особенности

расчета

электромагнитов

переменного

тока

В электромагнитах переменного тока индукция в магнитной цепи

изменяется

по синусоидальному закону. Так как максимальное (ам-

плитудное) значение индукции в

раз больше действующего зна-

чения,

а величина тягового усилия пропорциональна квадрату ин-

дукции, то электромагнит переменного тока при одинаковой степе-

ни

насыщения магнитопровода развивает в два раза меньшее

значение

тягового усилия. Поэтому при определении конструктив-

ного фактора для электромагнита

переменного*

тока принимается

удвоенное значение тягового усилия:

Щ/5.

(21.6)

Оптимальные соотношения

между

высотой и шириной обмо-

точного пространства катушки

t=h/a

получаются меньшими, чем

для электромагнитов постоянного тока. Поэтому катушки электро-

магнитов переменного тока

будут

короче и толще. Более короткая

катушка уменьшает длину сердечника и его объем, что приводит к

снижению

потерь в стали, вызванных гистерезисом и вихревыми то-

ками.

Этих потерь не было в электромагнитах постоянного тока.

Там стремились к уменьшению потерь в меди, что обеспечивалось

уменьшением средней длины витка катушки за счет малой ее тол-

щины.

В электромагнитах переменного тока надо стремиться к уме-

ньшению

суммарных потерь (и в меди, и в стали).