7. Электромагнитные устройства автоматики

Электромагнит (ЭМ) является наиболее распространенным преобразователем электрического сигнала в механическое движение. ЭМ получили применение в системах автоматики в качестве приводных и управляющих устройств. Например, в подъемных и тормозных устройствах, приводах для включения и выключения коммутационных аппаратов, электромагнитных контакторах, автоматических регуляторах, приводах для включения и отключения механических, пневматических, гидравлических цепей, а также для сцепления и расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, заслонок, золотников на небольшое расстояние с усилием в несколько десятков ньютонов.

По назначению различают электромагниты:

• удерживающие, которые служат для фиксации положения ферромагнитных тел (например, предназначенные для подъема предметов из ферромагнитного материала, электромагнитные плиты для фиксации деталей на металлообрабатывающих станках, электромагнитные станки);

• приводные, которые служат для перемещений исполнительных устройств (например, клапанов, золотников, заслонок, железнодорожных стрелок), а также используются в контакторах, электромагнитных муфтах и др.;

• специальные, которые используются в ускорителях элементарных частиц, медицинской аппаратуре и др.

По роду тока в обмотке различают ЭМ постоянного и переменного токов. ЭМ постоянного тока делят на нейтральные, не реагирующие на полярность управляющего сигнала, и поляризованные, реагирующие на полярность сигнала (когда на якорь действуют два независящих друг от друга потока).

По конструктивному исполнению различают следующие типы ЭМ.

Клапанные — с внешним притягивающим якорем (рисунок 2.1, а-г), при этом магнитные системы могут иметь различную форму:

• П-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения;

• П-образный магнитопровод и плоский якорь-ярмо;

• Ш-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения;

• цилиндрический магнитопровод.

В клапанных ЭМ происходит небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров), благодаря чему они развивают большие усилия и имеют высокую чувствительность.

Прямоходовые - с поступательным движением якоря. Используются, как правило, в виде соленоидов и поэтому часто называются соленоидными ЭМ (рисунок 2.1, д, е). Прямоходовые ЭМ имеют большой ход якоря, меньшие, чем клапанные, размеры и большее быстродействие, однако чувствительность у них меньше.

Рисунок 2.1 — Нейтральные электромагниты различных конструкций:

а ... г — клапанные; д, е — прямоходовые; ж, з — с поперечным движением якоря; 1 — сердечник; 2 — якорь; 3 — полюсный наконечник; 4 — катушка; 5 — ярмо; 6 — направляющая трубка; 7 — пружина; ?_н — начальный воздушный зазор

По своему назначению прямоходовые ЭМ выполняются в двух вариантах:

1. с неподвижным сердечником-«стопом» (рисунок 2.1, д, е) и без сердечника со сквозным отверстием по оси катушки — так называемые длинноходовые электромагниты (рисунок 2.1, е).

2. ЭМ с неподвижным сердечником создает большое усилие, значение которого возрастает по мере приближения якоря к сердечнику. Длинноходовые системы позволяют получить относительно большой ход якоря (до 200 мм) за счет удлинения катушки.

Эти ЭМ применяются в установках, работающих в режиме кратковременной нагрузки, т.е. когда ток, проходящий через катушку, имеет большое значение, но не вызывает ее перегрева.

С поперечным движением — якорь движется в поперечном направлении к средней линии между полюсами. Практическое использование получили следующие формы магнитных систем:

• с выступающим якорем (рисунок 2.1, ж) — применяется при углах поворота якоря 25...40°;

• с вытягивающимся якорем (рисунок 2.1, з) — применяют при углах поворота якоря 10... 15°. Позволяют получить тяговую характеристику любой формы (возрастающую, спадающую с любым углом наклона), что обеспечивается соответствующим выбора профиля якоря.

В этих системах якорь подвешивается на пружине, а рабочий угол поворота якоря выбирается таким, чтобы он не занимал крайних положений против полюсов.

Рассмотренные системы с движущимся в поперечном направлении якорем применяются в автоматических регуляторах, когда требуется получить большое значение коэффициента возврата. Кроме того, их удобно использовать в устройствах, работающих на постоянном токе (при переменном токе могут возникнуть вибрации якоря, в то время как зазор между полюсами и якорем должен быть постоянным).

ЭМ состоит из магнитопровода и собственно катушки.

Поведение якоря электромагнита после прекращения тока в обмотке во многом зависит от магнитных свойств магнитопровода, а именно от величины его остаточной индукции B_Т и коэрцитивной силы H_C. При перемагничивании ферромагнетика полем обратного знака остаточная индукция B_Т уменьшается и при значении поля H_С индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная H_С, называется коэрцитивной силой. Доводя внешнее поле до —H_S, можно получить нижнюю ветвь кривой намагничивания, а, изменяя поле от —H_S до +H_S, получить замкнутую петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей, пропорциональна работе, которая затрачивается на нагревание ферромагнетика, и определяет потери энергии на перемагничивание.

Низкокоэрцитивные магнетики (H_C = 0,8…150 А/м) обладают узкой петлей гистерезиса и называются магнитомягкими материалами, которые в свою очередь подразделяются на две группы:

• электротехнические стали, используемые для работы в средних и сильных магнитных полях (Н = 2…200 А/см) и обладающие большой величиной индукции насыщения B_S(более 2 Тл) и сравнительно высокой магнитной проницаемостью ? (4…6 ? 10³) при средней индукции 0,5…1,2 Тл;

• железо-никелевые сплавы, обладающие в слабых полях (Н << 1 А/см) высокой и сверхвысокой магнитной проницаемостью (? = 10⁴…10⁵), что и используется для усиления таких полей.

Магнитомягкие ферромагнетики имеют малое магнитное сопротивление и поэтому используются в качестве магнитопроводов.

Высококоэрцитивные (Нс = 400…1200 А/см) магнитожесткие (магнито-твердые) материалы обладают широкой петлей гистерезиса, имеют значительное магнитное сопротивление и требуют больших затрат энергии на намагничивание и перемагничивание. Из магнитожестких материалов путем их предварительного намагничивания получают постоянные магниты, которые используются в ЭМР как источники дополнительной намагничивающей силы.

В ЭМ постоянного тока магнитопровод выполняется сплошным из полосового или круглого материала - технически чистого железа марок Э, ЭА и ЭАА. Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопровод из железоникелевых и железоникелькобальтовых сплавов, это пермаллои марок 79НМ, 79НМА и гайперники марок 50НП, 45Н, 45НП. Широкое применение в магнитопроводах быстродействующих ЭМ нашли легированные кремнием стали марок Э11, Э21 и т.д. Легирование электротехнических сталей кремнием обусловливает значительное повышение электросопротивления. При этом уменьшаются потери энергии на вихревые токи, что позволяет применять сталь в более мощных устройствах, работающих на переменном токе.

Магнитопроводы ЭМ переменного тока выполняют шихтованными, т.е. собирают из пластин, штампуемых из листового материала толщиной 0,3...0,5 мм. Материалами могут быть: горяче- и холоднокатаная электротехническая сталь марок Э11... Э43, Э1100, Э310 и др.

В некоторых случаях магнитопроводы ЭМ постоянного тока также делают шихтованными для устранения вихревых токов, возникающих в процессе включения и выключения. Иногда в целях экономии небольшие ЭМ переменного тока изготовляют из сплошного материала толщиной 2... 3 мм.

По своей конструкции катушки бывают каркасными и бескаркасными, а по форме — круглого и прямоугольного сечения. Каркасная катушка состоит из каркаса и обмотки. На одном каркасе может быть несколько обмоток, уложенных рядами. Бескаркасная катушка проще каркасной. Отсутствие каркаса позволяет полностью использовать намоточное окно.

Электромагнитные реле (ЭМР) представляют собой электромеханические контактные устройства, преобразующие управляющий электрический ток в магнитное поле, которое оказывает силовое скачкообразное воздействие на подвижное намагниченное тело, механически связанное с электрическим контактом реле или являющееся подвижной частью этого контакта. При возникновении управляющего тока в ЭМР происходит скачкообразное срабатывание контакта, который из разомкнутого (замкнутого) состояния через замыкание (размыкание) переходит в замкнутое (разомкнутое) состояние.

В разомкнутом состоянии контакт имеет видимый разрыв с высокой электрической прочностью и контактным сопротивлением на уровне поверхностного сопротивления элементов конструкции реле. В замкнутом состоянии переходное сопротивление механического контакта, выполненного из соответствующих материалов, составляет единицы — десятки мОм, а падение напряжения на контакте даже при протекании тока силой в десятки ампер не превышает 100 ...200 мВ.

На работу контактов ЭМР, помимо управляющей электромагнитной силы, существенное влияние оказывают также силы упругой деформации контактных элементов и/или специальной (возвратной) пружины, которые в процессе срабатывания реле препятствуют действию электромагнитной силы, а в ее отсутствие способствуют возвращению контактов в исходное состояние.

Конструкции ЭМР в зависимости от принципа силового воздействия магнитного поля на подвижный элемент контакта подразделяются на два основных вида:

• реле с магнитоуправляемым якорем или якорные реле, в которых подвижное магнитоуправляемое тело — якорь, который либо несет на себе подвижный контактный элемент, либо механически воздействует на него посредством толкателя, поводка и т.п. передающего органа;

• реле с магнитоуправляемым контактом (МУК), в которых магнитоуправляемым телом является сам подвижный элемент контакта — геркон.

Дальнейшим шагом по совершенствованию ЭМР с МУК было заключение рабочей части контакта в герметичный магнитопроницаемый баллон. Такой контакт называют герметизированным контактом или герконом, а ЭМР на их основе — герконовым реле. Для повышения чувствительности и уменьшения габаритов реле геркон помещают вблизи или внутри обмотки ЭМ, получая, таким образом, разомкнутую магнитную цепь со стороны выводов.

Помимо обычных «сухих» контактов, геркон может содержать контакты, смоченные жидким металлом, например, ртутью, что позволяет повысить скорость размыкания жидкометаллических герконов.

По общетехническим признакам реле подразделяются:

• по выполняемым функциям (логические (или коммутирующие) и измерительные). Для логических реле входная воздействующая величина не нормируется в отношении точности и должна находиться в неком рабочем диапазоне. Измерительные реле должны срабатывать только при определенном значении входного сигнала, который, как правило, подается непрерывно;

• по количеству коммутационных позиций (двухпозиционные, трех-позиционные);

• по количеству обмоток управления и их номинальному сопротивлению;

• по количеству контактов;

• по виду контактов (с замыкающими, размыкающими, переключающими, перекрывающими, неперекрывающими контактами и с их сочетанием);

• по роду тока в цепи управления (постоянного тока, переменного тока);

• по чувствительности к управляющему току (сверхчувствительные (например, измерительные реле, регистрирующие сверхмалые токи менее 1 мкА), высокочувствительные и нормально чувствительные (до 10^-5Вт));

• по характеру и величине управляющего сигнала (реле тока, реле напряжения);

• по количеству начальных состояний (одностабильные (с самовозвратом), двустабильные (с самоблокировкой));

• по принципу действия (нейтральные, действие которых не зависит от направления тока в обмотке и поляризованные — со вспомогательным поляризующим магнитным полем);

• по времени действия (нормальнодействующие, с замедлением, быстродействующие, сверхбыстродействующие);

• по частоте коммутируемого тока (низкочастотные, высокочастотные);

• по величине коммутируемого тока (слаботочные и сильноточные, низковольтные и высоковольтные). Разделение ЭМР по величине коммутируемого сигнала носит условный характер. В электротехнике сильноточными (силовыми) реле или контакторами принято считать устройства, коммутирующие ток свыше 50…60 А, а высоковольтными — ЭМР, коммутирующие напряжение от 500 до 1200 В и более. Некоторые зарубежные производители считают силовыми индустриальные реле, коммутирующие номинальный ток более 5 А и др.

Слаботочные электромагнитные реле (СЭМР) составляют наиболее многочисленную по номенклатуре и исполнениям группу малогабаритных, миниатюрных и сверхминиатюрных ЭМР, предназначенных для работы в устройствах связи, сигнализации, автоматики, телемеханики и т.п.

Поведение якоря ЭМР после прекращения тока в обмотке во многом зависит от магнитных свойств магнитопровода, а именно от величины его остаточной индукции B_r и коэрцитивной силы H_C. При перемагничивании ферромагнетика полем обратного знака остаточная индукция B_r уменьшается и при значении поля H_С индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная H_С, называется коэрцитивной силой. Доводя внешнее поле до —H_S, можно получить нижнюю ветвь кривой намагничивания, а, изменяя поле от —H_S до +H_S, получить замкнутую петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей, пропорциональна работе, которая затрачивается на нагревание ферромагнетика, и определяет потери энергии на перемагничивание.

Низкокоэрцитивные магнетики (H_C = 0,8…150 А/м) обладают узкой петлей гистерезиса и называются магнитомягкими материалами, которые в свою очередь подразделяются на две группы:

— электротехнические стали, используемые для работы в средних и сильных магнитных полях (Н = 2…200 А/см) и обладающие большой величиной индукции насыщения B_S (более 2 Тл или 2 ? 10⁴ Гс) и сравнительно высокой магнитной проницаемостью ? (4…6 ? 10³) при средней индукции 0,5…1,2 Тл;

 — железо-никелевые сплавы, обладающие в слабых полях (Н << 1 А/см) высокой и сверхвысокой магнитной проницаемостью (? = 10⁴…10⁵), что и используется для усиления таких полей.

Магнитомягкие ферромагнетики имеют малое магнитное сопротивление и поэтому используются в качестве магнитопроводов.

Высококоэрцитивные (Нс = 400…1200 А/см) магнитожесткие (магнитотвердые) материалы обладают широкой петлей гистерезиса, имеют значительное магнитное сопротивление и требуют больших затрат энергии на намагничивание и перемагничивание. Из магнитожестких материалов путем их предварительного намагничивания получают постоянные магниты, которые используются в ЭМР как источники дополнительной намагничивающей силы.

Существуют также реманентные среднекоэрцитивные материалы на основе ферритов, ремендюров и т.п. сплавов, имеющие достаточно большую коэрцитивность (Нс = 20…100 А/см), что позволяет использовать эти материалы в качестве постоянных магнитов, намагничиваемых и перемагничиваемых при помощи маломощных электрообмоток.

Устройство реле с магнитоуправляемым контактом описывается всего одним динамическим СЭ, состоящим из электромагнитного механизма, подвижным телом которого является подвижный элемент контакта. Ферромагнитные контактные элементы намагничиваются искусственным магнитным полем, создаваемым управляющим током, в результате чего близко расположенные нормально разомкнутые контактные элементы притягиваются, преодолевая упругие силы противодействия.

Прототипом первого ЭМР с МУК, показанного на рисунке 11.3, является реле В.И. Коваленкова, предложенное в 1925 г. с целью упрощения конструкции и повышения быстродействия классического якорного реле. В исходном состоянии (управляющий ток в обмотке отсутствует) перекрывающиеся концы ПКЭ разомкнуты и отстоят друг от друга на расстоянии воздушного зазора ?.

Рисунок 11.3 — Схема ЭМР с МУК и замкнутой магнитной цепью: О — обмотка; С — сердечник; Яр — ярмо; Из — изолятор; ПКЭ — подвижный контактный элемент; ГМПБ — герметичный магнитопроницаемый баллон

При подаче сигнала управления в обмотку О в магнитной системе протекает магнитный поток, замыкающийся через рабочий зазор ? и создающий в нем электромагнитную силу F_Э, замыкающую ПКЭ. Максимального значения F_Э достигает при ? >0 и сохраняет это значение до тех пор, пока действует НС (I ? 0).

После прекращения тока в обмотке поведение ПКЭ, как и якоря у классических ЭМР, во многом зависит от магнитных свойств магнитопровода.

Дальнейшим шагом по совершенствованию ЭМР с МУК было заключение рабочей части контакта (выделено пунктиром на рис. 3) в герметичный магнитопроницаемый баллон. Такой контакт называют герметизированным контактом или герконом, а ЭМР на их основе — герконовым реле. Для повышения чувствительности и уменьшения габаритов реле геркон помещают вблизи или внутри обмотки ЭМ, получая, таким образом, разомкнутую магнитную цепь со стороны выводов ПКЭ (см. рис. 11.4).

Рисунок 11.4 — Схема герконового ЭМР с разомкнутой магнитной цепью

Простейшим герконом и ЭМР на его основе является нормально разомкнутый или замыкающийся контакт, срабатывающий при любой поляризации постоянного тока. Простейший размыкающийся контакт образуется, если параллельно нормально разомкнутому контакту установлен постоянный магнит, поляризующее поле которого постоянно держит контакт в замкнутом состоянии. Такой контакт разомкнется только после подачи в обмотку реле тока определенной полярности.

Помимо обычных «сухих» контактов, геркон может содержать контакты, смоченные жидким металлом, например, ртутью, что позволяет повысить скорость размыкания жидкометаллических герконов.

По общетехническим признакам реле подразделяются:

— по выполняемым функциям: на логические (коммутирующие) и измерительные. Для логических реле входная воздействующая величина не нормируется в отношении точности и должна находиться в неком рабочем диапазоне. Измерительные реле должны срабатывать только при определенном значении входного сигнала, который, как правило, подается непрерывно;

— по количеству коммутационных позиций: двухпозиционные, трехпозиционные;

— по количеству обмоток управления и их номинальному сопротивлению;

— по количеству контактов;

— по виду контактов: с замыкающими, размыкающими, переключающими, перекрывающими, неперекрывающими контактами и с их сочетанием;

— по роду тока в цепи управления: постоянного тока, переменного тока;

— по чувствительности к управляющему току: сверхчувствительные (например, измерительные реле, регистрирующие сверхмалые токи менее 1 мкА), высокочувствительные и нормально чувствительные (до 10^-5 Вт);

— по характеру и величине управляющего сигнала: реле тока, реле напряжения;

— по количеству начальных состояний: одностабильные (с самовозвратом), двустабильные (с самоблокировкой);

— по принципу действия: неполяризованные (нейтральные), поляризованные.

— по частоте коммутируемого тока: низкочастотные, высокочастотные;

— по величине коммутируемого тока: слаботочные и сильноточные, низковольтные и высоковольтные.

Разделение ЭМР по величине коммутируемого сигнала носит условный характер. В электротехнике сильноточными (силовыми) реле или контакторами принято считать устройства, коммутирующие ток свыше 50…60 А, а высоковольтными — ЭМР, коммутирующие напряжение от 500 до 1200 В и более. Некоторые зарубежные производители считают силовыми индустриальные реле, коммутирующие номинальный ток более 5 А;

— по виду и величине коммутируемой нагрузки, которая может быть активной, емкостной и индуктивной.

Слаботочные электромагнитные реле (СЭМР) составляют наиболее многочисленную по номенклатуре и исполнениям группу малогабаритных, миниатюрных и сверхминиатюрных ЭМР, предназначенных для работы в устройствах связи, сигнализации, автоматики, телемеханики, радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) и т.п.

Конструктивно-технологическая разновидность отечественных СЭМР появилась в 50-х годах прошлого века в связи с совершенствованием РЭА, ракетно-космической и военной техники, что существенно повышало эксплуатационно-технические требования к ЭМР. Они должны были иметь не только малый вес и высокую герметичность, но и длительно безотказно работать в широких диапазонах температур, ударов, вибраций, ускорений и т.п. воздействий. Для реализации этих требований в СЭМР были применены новые конструктивно-технологические решения, новые контактные и конструкционные материалы, микропровода. В производстве реле использовалась микросварка, термовакуумная очистка и др. специальные технологии.

В связи с широкой номенклатурой СЭМР и их массовым применением в 1974 г. в СССР была образована слаботочная релейная отрасль, состоящая из десятка предприятий-производителей реле во главе с НИИ коммутационной техники, вошедшим в ленинградское НПО «Северная заря».

Электромагнитные реле в последние годы вытесняются бесконтактными элементами и устройствами автоматики (полупроводниковыми диодами, транзисторами, интегральными микросхемами и др.). Однако реле еще длительное время будут оставаться одними из самых распространенных элементов аппаратуры автоматики и телемеханики в различных отраслях промышленности. Это связано как с традиционными преимуществами реле (высокая нагрузочная способность, значительные перегрузочная способность и помехозащищенность и др.), так и с появлением современных реле пятого поколения, в том числе, твердотельных, сверхбыстродействующих и др.

Наиболее широкое применение получили следующие типовые релейные схемы:

1. самоблокировки;

2. взаимной блокировки;

3. экономичного включения;

4. искробезопасного включения;

5. замедления (реле времени).

В схеме самоблокировки реле при кратковременном замыкании кнопки SB1 Пуск реле срабатывает (рисунок 2.1) и своим замыкающим контактом блокирует цепь питания этой кнопки, благодаря чему последующее отпускание кнопки SB1 не приведет к отключению реле. Для отключения реле необходимо разорвать общую цепь питания нажатием кнопки SB2.

Схема взаимной блокировки, показанная на рисунке 2.2, не допускает одновременного включения реле, так как в цепь обмотки каждого реле введен размыкающий контакт другого реле.

Рисунок 2.1 — Релейная схема самоблокировки

Необходимость взаимной блокировки встречается в схемах, предохраняющих от возможной аварии. Например, одно реле служит для включения двигателя в прямом направлении вращения, а другое — на реверс.

Рисунок 2.2 — Релейная схема взаимной блокировки

Рисунок 2.3 — Схема и график экономичного включения реле

На рисунке 2.3 показаны схема и график экономичного включения реле. Если в обычных схемах реле срабатывает при напряжении срабатывания U_ср и остается в этом состоянии при таком напряжении за счет цепи самоблокировки, то в рассматриваемой схеме реле, срабатывающее также при напряжении U_ср, при отпускании кнопки SB1 остается в рабочем состоянии через цепь резистора R при напряжении U_р. На графике видно, что U_ср> U_р, поэтому и потребление энергии в рабочем состоянии реле намного меньше, чем в ранее рассмотренных схемах. Необходимым условием работы схемы является U_р> U_от, в противном случае при отпускании кнопки SB1 реле будет отключаться.

Отличительная особенность схемы искробезопасного включения реле, широко применяющейся в различной рудничной и шахтной аппаратуре автоматизации (рисунок 2.4), заключается в том, что цепь питания реле осуществляется искробезопасным напряжением U_иск.

Искробезопасные параметры цепи питания достигаются выполнением обмотки II проводом высокого удельного сопротивления или включением в цепь питания ограничительного резистора R2. В исходном положении при поданном питании реле К не работает, так как U_ср> U_р. При нажатии кнопки SB1 реле срабатывает и остается во включенном состоянии. При этом выполняется соотношение U_ср> U_р > U_от. Через обмотку реле протекает однополупериодный постоянный ток, второй полупериод закорачивается в цепи искробезопасного напряжения через диод VD1. Сопротивление обмотки реле однополупериодному току мало и реле работает устойчиво.

Рисунок 2.4 — Схема искробезопасного включения реле

При нажатии кнопки SB2 сопротивление обмотки реле для переменного тока возрастает, реле отключается и схема возвращается в исходное положение. Следует отметить, что когда работает реле К, диод VD1 переводит его в режим замедления — реле времени (за счет ЭДС самоиндукции, которая действует от однополупериодного тока в обмотке), что предотвращает вибрацию якоря реле.

На рисунке 2.5 показана схема замедления срабатывания реле с помощью шунтирования его обмотки конденсатором. В этом случае при замыкании ключа заряд конденсатора происходит за определенный промежуток времени.

Рисунок 2.5 — Схема замедления срабатывания реле

В схеме на рисунке 2.6 время отпускания реле увеличивается за счет того, что при размыкании ключа в цепи, состоящей из параллельного соединения обмотки реле, конденсатора и резистора, некоторое время сохраняется ток разряда конденсатора.

Рисунок 2.6 — Схема увеличения времени отпускания реле

Чтобы переходный процесс в этой цепи имел апериодический характер, применяют достаточно большую емкость конденсатора и большое значение сопротивления резистора.

Синтез и минимизация дискретных схем логического управления