Тема 2.4.Бесконтактные электрические аппараты и датчики

Бесконтактные электрические аппараты построены на базе магнитных усилителей или полупроводниковых элементов. Такие аппараты коммутируют электрическую цепь без образования электрической дуги и не создают видимого разрыва электрической цепи. Бесконтактные аппараты не имеют подвижных устройств. Отсутствие подвижной системы и необходимости гасить дугу является их достоинствами. Они более надежны и быстродействующи.

Полупроводниковые бесконтактные аппараты очень чувствительны к перенапряжениям и сверхтокам, допускают лишь кратковременную нагрузку, что ограничивает их применение. Они не способны коммутировать одновременно несколько цепей, дороже, и не создают видимого разрыва электрической цепи.

Применяются на небольшие токи и напряжения.

Принцип действия этих аппаратов может быть основан на различных физических явлениях, однако во всех случаях их работа сводится к изменению тока в электрической цепи при воздействии на них управляющего сигналов.

По характеру реакции на управляющий сигнал бесконтактные устройства могут быть разбиты на две группы:

- усилители электрических сигналов;

- статические реле и бесконтактные выключатели;

- датчики

Усилители магнитные

Магнитный усилитель может рассматриваться как регулируемое индуктивное сопротивление, включаемое в цепь переменного тока. Изменение величины индуктивного сопротивления достигается путем создания постоянного магнитного потока в сердечнике из магнитомягкого материала. Если на постоянное магнитное поле, созданное обмоткой управления, накладывается переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой нагрузки, то результирующая магнитная индукция в определенную часть периода будет превышать индукцию насыщения, индуктивное сопротивление будет мало, и цепи будет протекать большой ток. При работе усилителя в зоне магнитного не до насыщения индуктивное сопротивление будет велико, и цепи будет протекать малый ток.

1 1´

3

 

2 2´

U~

w_р w_р

VD1 w_у VD2

I_у U_у

I_н

R_н

 

Рис.2.4.1Схема магнитного усилителя с самоподмагничиванием

Магнитные усилители представляют собой дроссели со стальным магнитопроводом, включаемые в цепь переменного тока. Путем подмагничивания этих дросселей постоянным током можно в широких пределах изменять переменный ток в регулируемой цепи.

Магнитный усилитель состоит из двух магнитопроводов 1 и 1´, изготовленных из листовой электротехнической стали. На каждом магнитопроводе расположена рабочая обмотка 2 и 2´с числом витков w_р.Обе обмотки включены параллельно и встречно. Последовательно с каждой обмоткой включены полупроводниковые диоды, для увеличения коэффициента усиления и быстродействия. Последовательно с магнитным усилителем в цепь переменного тока, включена нагрузка R_н. Обмотка управления 3 с числом витков w_у охватывает оба магнитопровода одновременно. Управляющий сигнал U_у подается на эту обмотку. Если управляющих сигналов несколько,то соответственно на магнитопроводах располагают и несколько обмоток управления.

Работа: из-за наличия вентилей каждая рабочая обмотка может проводить переменный ток только в течение одного полупериода. Поэтому, рассматривая работу усилителя в течении первого полупериода (интервал от 0 до π), ограничимся анализом процессов только в магнитопроводе 1. Предположим, что по обмотке протекает ток I_у, создающий МДС F_у. Тогда к началу первого полупериода в магнитопроводе уже будет создан начальный поток Ф₀. Под действием переменного напряжения приложенного к обмотке 2, будет происходить дальнейшее перемагничивание магнитопровода. Этот процесс будет продолжаться до полного насыщения магнитопровода. Время, в течение которого происходит перемагничивание магнитопровода, называется интервалом возбуждения. В этом интервале из-за большой индуктивности дросселя все напряжение питания практически прикладываются к дросселю и в нагрузке протекает лишь небольшой намагничивающий ток.

Когда магнитопровод будет насыщен, наступит интервал насыщения, продолжающийся до конца периода. В этом интервале поток магнитопровода не изменяется, индуктивность дросселя мала и все напряжение прикладываются к нагрузке. Ток в нагрузке резко возрастает до значения, определяемого сопротивлением нагрузки, и протекает в течении всего интервала насыщения, т.е от момента насыщения магнитопровода, до конца полупериода. В течении другого полупериода работает магнитопровод 2, причем процессы протекают аналогично.

Усилительные свойства магнитных усилителей определяются их коэффициентом усиления.

К_ус=Р_н/Р_у, (2.4.1)

где

Р_н -мощность нагрузки;

Р_у -мощность управления-это потери в сопротивлении обмотки управления

Р_н=U_н I_н, (2.4.2)

где

U_н, I_н -номинальные напряжения и ток нагрузки усилителя.

Коэффициент усиления зависит от конструктивных параметров магнитного усилителя, в частности от объема меди обмотки управления. Чем больше меди, тем больше коэффициент усиления.

Важным параметром магнитных усилителей является их быстродействие, т.е скорость установления выходного напряжения при подаче сигнала управления. Так параметрами влияющими на быстродействие усилителей являются: сопротивление цепи управления, количество меди в обмотках, коэффициент усиления (увеличение сопротивления увеличивает быстродействие, увеличение количества меди и коэффициента усиления уменьшает быстродействие).

Достоинства магнитных усилителей (простота конструкции, отсутствие движущихся частей и потребности в уходе, большой срок службы, высокий коэффициент усиления, возможность простого суммирования сигналов на входе усилителя) обусловили их широкое распространение в автоматике.