книги / Электромеханические аппараты автоматики

Посвящается светлой памяти доктора техн. наук проф. Болеслава Казимировича Буля

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие современной техники невозможно без широкого использования электрических аппаратов — устройств управления потоками энергии или информации, предназначенных для включения и отключения электрических цепей объектов, при­ нимающих участие в получении, преобразовании, передаче, распределении и потреблении электроэнергии; контроля и из­ мерения параметров указанных объектов; защиты перечислен­ ных объектов от аномальных режимов работы; управления технологическими процессами; регулирования (поддержание на неизменном уровне или изменение по определенному закону) параметров отмеченных выше объектов, а также преобразова­ ния неэлектрических величин в электрические; создание маг­ нитного поля определенной величины и направления в заданном объеме [1—7, 74—76, 84].

Заметное место среди электрических аппаратов занимают электромеханические аппараты автоматики (ЭМАА). С каждым годом увеличиваются число их разработок и промышленный выпуск. Конструкции постоянно совершенствуются и обновля­ ются, в то время как принципы их действия остаются неизменными. Поэтому авторы основное внимание уделяют прежде всего описанию фундаментальных принципов и законов, лежащих в основе этих аппаратов, отражению общего и выяв­ лению частного в их параметрах и характеристиках.

До сих пор в нашей стране рассмотрению конструктивных и расчетных особенностей электромеханических аппаратов, их характеристик, областей применения и т. д. посвящено очень мало публикаций. Большинство основополагающих книг извест­

назад, и с тех пор они не переиздавались. Устранению указанного пробела и служит предлагаемая книга. Для об­ легчения восприятия излагаемых вопросов книга снабжена соответствующими примерами. Авторы постарались охватить

з

максимальное число электрических аппаратов в основном электромеханических или традиционно относящихся к ним. Поскольку при расчете, проектировании и анализе работы электрических аппаратов необходимо бывает знать магнитные проводимости между различными участками их магнитной цепи, то авторы сочли целесообразным рассмотреть магнитные цепи электрических аппаратов автоматики.

При написании книги работа между авторами была рас­ пределена следующим образом: гл. 1, 3, 4, § 7.9, 7.10 написаны

техн. наук, заслуженному деятелю науки и техники УССР, проф. К. К. Намитокову за большой труд по рецензированию книги, полезные советы и доброжелательные замечания и редак­ тору книги инж. И. Д. Беликову за устранение многих сти­ листических и технических погрешностей.

Авторы сердечно благодарны коллегам по работе за полезные советы и рекомендации, а также всем, оказавшим содействие и помощь в подготовке книги к изданию.

Авторы осознают, что книга не лишена недостатков, и с благодарностью примут критические замечания, которые желательно направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Успехи современного общества во многом определяются степенью автоматизации производственных процессов, которые невозможны без использования электрических аппаратов. Тех­ нические средства автоматики, с помощью которых выполня­ ются различные операции с сигналами (получение, считывание, формирование, преобразование, сравнение, хранение, размноже­ ние, регулирование уровня, логические операции и т. д.), в дальнейшем будем называть электрическими аппаратами автоматики, если хотя бы один из сигналов (на входе или выходе аппарата) электрический. Под сигналом подразумева­ ется воспринимаемая или передаваемая информация о вещест­ венном (размер, цвет, плотность и т. п.) или энергетическом (скорость, давление, температура, напряжение, ток, coscp, КПД и т. п.) параметре. Сигналы могут быть электрическими и неэлектрическими, непрерывными и дискретными, пери­ одическими и непериодическими.

Электрические аппараты автоматики подразделяются на два класса: статические, функционирование которых не связано с перемещением их составных частей, и электромеханические, основанные на использовании этого перемещения. Последние могут быть контактными и бесконтактными. Статические электрические аппараты автоматики, основанные на использова­ нии электронных, полупроводниковых, микроэлектронных и маг­ нитных элементов, обладают следующими достоинствами: высоким быстродействием, на несколько порядков превыша­ ющим быстродействие контактных электромеханических аппара­ тов; долговечностью (в связи с отсутствием трущихся подвижных частей и контактов практически отсутствуют ограничения по числу переключений, а срок службы определяется старением компонентов — изоляции, материала магнитопровода, полупро­ водника и т. п.); простотой обслуживания (поскольку отсутству­ ют контакты и движущиеся части, не требуются их чистка и регулировка); бесшумностью в работе; способностью работать в пожаро- и взрывоопасных помещениях, в условиях повышенной запыленности, влажности и агрессивности окружающей среды.

Электромеханические аппараты автоматики в отличие от статических, как правило, обладают: значительно большей перегрузочной способностью по цепям управления и нагрузки; меньшей стоимостью (в пересчете на один канал управления); возможностью одновременной коммутации большого числа независимых, гальванически не связанных электрических цепей с различными токами и напряжениями; малым и стабильным переходным сопротивлением в замкнутом состоянии контактов (менее 0,1 Ом) и большим (более 100 МОм) сопротивлением — в разомкнутом; незначительным падением напряжения на кон­ тактных переходах (в полупроводниковых элементах это на­ пряжение составляет 0,5— 1,5 В).

При разработке автоматических устройств предпочтительны аппараты, наиболее полно удовлетворяющие конкретным тре­ бованиям. В ряде случаев целесообразно сочетание статических и электромеханических аппаратов.

Электрические аппараты автоматики по своему назначению классифицируются следующим образом:

датчики — преобразующие контролируемую (входную) не­ электрическую величину в выходной электрический сигнал;

преобразователи и усилители — преобразующие сигнал дат­

мацию в виде электрических сигналов по различным каналам связи;

регуляторы (сумматоры) — обрабатывающие поступающую по различным каналам в виде электрических сигналов ин­ формацию и вырабатывающие команду (сигнал) для испол­ нительных устройств управления;

исполнительные устройства управления — выполняющие за­ ключительную фазу процесса управления.

Перечисленные электрические аппараты автоматики могут быть построены на использовании различных физических принципов. Основное внимание в данной книге уделено эле­ ктромеханическим аппаратам автоматики, анализу их работы и применения, методике их расчета, проектирования и выбора.

Глава первая

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ АППАРАТОВ АВТОМАТИКИ

Под магнитной цепью понимается совокупность ферромагнит­ ных тел и немагнитных промежутков между ними, в которой при наличии МДС создается магнитный поток. Немагнитные промежутки, по которым замыкается основной рабочий поток, принято называть немагнитными или воздушными зазорами. Для создания МДС служит постоянный магнит или обмотки управления (возбуждения). Обмотки могут быть использованы и для получения наведенной ЭДС, возникающей при изменении магнитного потока (выходные или сигнальные обмотки). Ферромагнитные тела, входящие в магнитную цепь, составляют магнитопровод, служащий для проведения магнитного потока по пути с наименьшим магнитным сопротивлением и для подведения магнитного потока к немагнитному рабочему зазору, в котором создается магнитное поле определенной конфигурации, величины и направления.

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

Для удобства анализа и расчета магнитные цепи можно подразделить на два вида [5]: в которых магнитный поток рассеяния мал по сравнению с основным рабочим магнитным потоком и может не учитываться и в которых необходимо учитывать поток рассеяния.

Вопрос о причислении магнитной цепи к тому или иному виду решается в зависимости от требований, предъявляемых к точности расчета электрического аппарата.

Обычно магнитные цепи относятся к первому виду в следу­ ющих случаях:

1)магнитопровод замкнут и ненасыщен;

2)магнитопровод разомкнут, но немагнитный зазор очень

мал и практически не сказывается на картине магнитного поля, а ферромагнитные участки магнитной цепи ненасыщены; 3) размагничивающее действие короткозамкнутых витков,

электромагнитных экранов и вторичных обмоток невелико. К первому виду можно отнести магнитную цепь дросселя

насыщения, выполненного на тороидальном сердечнике с рав-

случае нельзя ограничиться рассмотрением или расчетом одной лишь половины магнитной цепи, а результаты распространить на вторую половину. Этот подвид охватывает наибольшее количество ЭМАА самого разнообразного конструктивного исполнения. Сюда относятся магнитные цепи (рис. 1.1, ж и з) со сложным потокораспределением, зависящим от формы

иразмеров магнитной цепи.

1.2.МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ НЕМАГНИТНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ

При анализе и расчете магнитных цепей возникает необ­ ходимость в определении магнитных сопротивлений их раз­ личных участков. Магнитное сопротивление Лмлюбого участка магнитной цепи может быть найдено, если известны разность магнитных потенциалов UM на его границах и магнитный поток Ф, протекающий по нему под действием этой разности потенциалов:

ф . (1.1)

Величина, обратная магнитному сопротивлению, носит название магнитной проводимости и обозначается А. В за­ висимости от характера задачи пользуются магнитным со­ противлением или магнитной проводимостью. При рассмот­ рении немагнитных участков магнитной цепи обычно пользу­ ются магнитными проводимостями.

Методы расчета магнитных проводимостей можно разбить на три группы: строгие аналитические, упрощенные и при­ ближенные [9 ].

Расчет с помощью строгих аналитических методов возможен лишь при известных законах распределения линий магнитной индукции и эквипотенциальных уровней. Эти законы могут быть аналитически записаны лишь для ограниченного числа частных случаев. Поэтому строгие аналитические методы используются редко. Иллюстрацией использования метода может служить расчет магнитной проводимости участка рав­ номерного магнитного поля, заключенного между двумя парал­ лельными плоскостями и находящегося на достаточном удале­ нии от их краев (рис. 1.2).

Магнитная проводимость элементарного немагнитного объ­ ема сечением dS и длиной 8 может быть найдена из соотношения

где цо=0,4я • 10-6 Гн/м — магнитная постоянная.