Автоматиканың электромагниттік құрылғылары

9.  Автоматиканың электромагниттік құрылғылары

9.1 Тұрақты токтың электромагнитті релесі

Автоматиканың электромагнитті құрылғылары өнеркәсіптің түрлі салаларында кең қолданыс табуда.

Электромагнитті құрылғы – бұл электрлік сигналды механикалық орын ауыстыру мен күшке айналдыратын түрлендіргіш болып табылады. Қазіргі уақытта бұл құрылғылардың сыртқы көрінісі өзгеріске ұшыраған және жетілдірілген, олар басқа да электрлік сигналдарды түрлендіргіштермен бәсекеге түсе алады.

Электромагнитті құрылғысындағы негізгі элемент электромагнит болып табылады, ол электрлік сигналды механикалық күшейтуге және орын ауыстыруға түрлендіретін қарапайым түрлендіргіш. Кіріс электрлік сигналы электромагнит орамына беріледі, ол якорь деп аталатын жылжымалы бөлікті өзіне тартады.

Орамдағы ток түріне байланысты олар тұрақты және айнымалы ток элементтері болып бөлінеді. Тұрақты ток электромагниттерін нейтралды және поляризацияланған деп бөлеміз. Нейтралды электромагниттер орамдағы токтың кез келген өрісінде якорды өзіне тартады. Плоляризацияланған электромагниттерде якорьға әсер ететін күшейту бағыты, орамдағы ток өрісінің өзгерісі кезінде өзгеріске ұшырайды.

Құрылысы бойынша клапан түріндегі якорь тартпалы және бұрмалы якоры бар электромагниттер болып бөлінеді.

Реле электромагниттері негізгі тартқыш элемент болып табылады. Бірақ түйіспелі жүйемен жабдықталған электромагниттер, яғни осыдан ары қарай қарастырылатын электромеханикалық элементтер негізіндегі электромагниттік релелер кең таралған.

Клапан түріндегі реле құрылымы 9.1- суретте сұлба түрінде көрсетілген. Корпустан, өзекшеден және якордан тұратын магнитөткізгіш электротехникалық болаттан жасалған. Қалыпты жағдайда,яғни реле орамы таусылған уақытта, якорь қайтымды серіппенің және жылжымалы түйіспелердың түйіспелі серіппесінің әсерінің есебінен өзекшеден максималды түрде алшақтайды. Реле түйіспелер жұбына ие болады (кей жағдайда түйіспенің бірнеше жұбы). Егер түйіспелер жұбы тұйықталған болса, онда олар тұйықталған түйіспе (K3) деп аталады, ал егер ашық болса , онда ашық түйіспелер (KP) деп аталады. Реле орамына кернеу берілген кезде орамдар арқылы магниттік ағынды құрайтын ток ағады. Бұл ағын электромагниттік күштерді жоғарылата отырып, якорьды өзекшеге қарай тартады, бұл кезде серіппенің механикалық күштік әсерін жеңе отырып электромагниттік күшейтілу жоғарылайды.

Электромагниттік күшейтілудің якорь мен өзекше арасындағы бос ауа қуысы шамасына тәуелділігін электромеханикалық құрылғылардың тартқыш сипаттамалыры деп атайды.

Якорь мен өзекше арасындағы бос ауа қуысына келтірілген механикалық күштердің осы бос ауа қуысы шамасына тәуелділігін құрылғының механикалық сипаттамасы деп атайды. Электромагниттік күшейтуге арналған аналитикалық теңдеуді Максвел формулаларынан алуға болады.

 

Мұндағы В – беттік s элементтің сыртқы жағындағы индукция векторы;n – s беттік элементінің бірлік сыртқы нормалі, бұл кезде интеграциялау күш әсер ететін денені қамтитын толық бет арқылы жүзеге асырылады.

.

 

 

 9.1. Сурет. Клапан тәрізді реле:

1 – тұрық пен орам; 2 – ярмо; 3 – орамдардың ұшы; 4 – эбонит  штифт;

5 – түйіспелі серіппе; 6 –тұйықтаушы түйіспе; 7 –жылжымалы түйіспе;

8 – ажыратқыш түйіспе; 9 –кері серіппе; 10 – якорь;

11 – жабысқыш штифт ; 12 – өзекше

Егер фиксацияланған бос ауа қуысы реле орамы (9.2,а – сурет ) кернеуі U болатын, тұрақты ток көзіне қосылған болса, онда орамдағы токтың орамдағы токтың өзгерісі келесі теңдеумен анықталады:

                                     (9.1)

мұндағы r және  - реле орамының кедергісі мен орамдар саны; Ф- реленің магнит ағыны.

(9.1) формуланы idt-ға көбейтіп және оны 0-ден t уақытқа дейін интегралдай отырып, бұл кезде ағын 0-ден Ф-қа дейін өседі, алатынымыз           

                               (9,2)

(9.2)-теңдеудің сол жақ бөлігі тұрақты ток көзінің энегиясын көрсетеді, оң жақ бөлігінің бірінші қосындысы – жылулыққа көшкен энергияны; ал екінші қосындысы – реленің магниттік өрісіндегі артық энергияны көрсетеді .

9.2,б – суретте магниттік энергия графикалық түрде көрсетілген, ол үшбұрыш ауданымен анақталады, мұндағы  - бос ауа қуысының МДС-н құрайтын орамдағы ток бөлігі; I – орамның толық тогы. Егер магнит өткізгіштің болат бөлігіндегі ағынды өткізуге кететін МДС-ті есепке алмайтын болсақ, онда реленің барлық магнит энергиясын бос ауа қуысына жинақталған деп есептеуге болады, яғни W=W  және (9.2) теңдеумен 9.2,б-суретке сәйкес келесі теңдеуді жазуға болады:      

                                     (9.3)

Орамдағы тұрақты ток I кезінде электроиагниттегі энергетикалық баланс және якорьдың  шамасына орын ауыстыруы негізінде 9.2,а – сурет Х координатасын анықтауға болады:

       .                                 (9.4)

Якорьдың орын ауыстыруы кезінде бос ауа қуысы, яғни магниттік тізбектің кедергісі төмендейді, ал магниттік ағын -ден -ге дейін жоғарылайды.(9.6-сурет)

Бұл кезде орамдағы тұрақты ток жағдайында электрожеліден энергия алынады, ол тікбұрыш ауданына тең болады а b :

            .                              (9.5)

Бос ауа қуысындағы магнит энергиясы якорь орын ауыстырғанша Оа  үшбұрыш ауданына тең болатын, ал орын ауыстырудан кейін - Оа  үшбұрыш ауданына тең болдады.

 

 9.2. Сурет. Электромагнитті күшті анықтау үшін

 

Осылайша бос ауа қуысына магнит энергиясы, (9.3) шартты сақтай отырып желіден алынған энергияның жартысына тең шамаға өседі:

    (9.6)

Осы жерден саны жағынан біріншіге тең және Оаb үшбұрышына сәйкес келетін энергияның екінші жартысы якорьдың Р_э күші әсерімен болған қозғалысы кезінде жасалған жұмысты атқаруға жұмсалады:

.                                  (9.7)

Электромагниттік күшейтілу үшін шектерге өте отырып, (9.7) тең не сәйкес келесі теңдеуді аламыз:

                                    (9.8)

мұндағы .

Теріс  таңба оң күшейтілуге бос ауа қуысының төмендеуі сәйкес келетінін көрсетеді.

Магнит энергиясын (9.3) мына түрде көрсетуге болады:

 

,          (9.9)

мұндағы G  - бос ауа қуысының магнит өтімділігі, Гн.

           (9.9) теңдеуді есепке ала отырып, ньютонмен (Н) өрнектелетін электромагниттік күшейтілу үшін (9.8) теңдеу мына түрге келеді.

 ,                                (9.10)

мұндағы (  – бос ауа қуысының МҚК

Жазық параллельді бос ауа қуысы үшін:

                            (9.11)

мұндағы   және - сәйкесінше қима, м²  және бос ауа қуысының ұзындығы, м болып табылады;  - магниттік тұрақты,Гн/м.

(9.11) теңдеуден бойынша алынған туындыны (9.10) теңдеуіне қоя отырып алатынымыз

.                   (9.12)

Практикалық есептеулер жүргізу үшін (9.12) формуланың басқа түрі ыңғайлырақ болып келеді. Күрделі емес теңдеулер жүргізу нәтижесінде келесі теңдеуді аламыз.

,  (9.13)

Мұндағы - бос ауа қуысы индукциясы, Тл;  - ағын, Вб; - бос ауа қуысы қимасы, м²;

           (9.12) теңдеуге - ның түрлі мәндерін қоя отырып, орамдағы тұрақты ток кезіндегі реленің тартқыш сипаттамасын құруға болады. Теориялық жағынан алғанда бұл сипаттама  ұмтылғанда шексіздікке барады. Шын мәнінде күшейтілу тек P_эmax мәніне ғана жетеді. Реледе әрқашан да якорьға магнитті емес штифті бекіте отырып, минималды бос ауа қуысын _min шектеп отырады. Қарсы жағдайда якорь “жабысып” қалуы мүмкін.

           Реленің механикалық сипаттамалары ереже бойынша сынған түзулер (9.3,б – сурет) түрінде болуы мүмкін және қайтымды серіппе (ВП) мен КР және К3 түйіспелі серіппелерінің сипаттамаларының қосындысы нәтижесінде алынады.

Жұмыс жасау тогы (МДС) (F_сраб) деп орамдағы токты айтамыз, оның әсерінен  кезінде электромагниттік күшейтілу механикалықтан аса бастайды және реле якорь өзекшеге қарай тартылады.

Жіберу тогы (МДС) I_отпр (F_отпр) деп бос ауа қуысын _min кезінде электромагниттік күшейтілуді құрауға күші жетпейтінін және якорьды тартылған күйінде ұстап қалатын токты айтады, нәтижесінде якорь өзінің қалыпты күйіне келеді.

Реленің тартқыш және механикалық сипаттамалары дұрыс сәйкестендірілген болуы тиіс. Бұл үшін  және I_отп  токтары болған жағдайдағы тартқыш сипаттамалар, механикалық сипаттамалардың 1 және 2 нүктелері арқылы өте отырып, механикалық сипаттамамен  аймағында (9.3,а – сурет) қиылыспауы қажет. Қарсы жағдайда якорь сипаттамаларының аралық нүктелерінде “қыстырылып” қалуы мүмкін. (9.3,б – суреттегі 3 және 4 нүктелер).

Реленің қайтарылу коэффициенті деп келесі қатынасты айтамыз:

.

Реленің уақыттық параметрі. Реленің іске қосылу уақыты орнынан жылжу уақыты мен якорьдың қозғалу уақытынан тұрады:

t_сраб=t_тр+t_дв

 

Мұндағы t_тр – орнынан жылжу уақыты, яғни ток нольден іске қосылу тогына (9.3,б – сурет) дейін жоғарылайтын уақыт аралығы; осы аралықтың соңында электромагниттік күш оған қарсы келген күштен асып кетеді және якорь қозғалысқа түседі; t_дв – якорьдың қалыпты жағдайын тартылған жағдайға орын ауыстыру кезіндегі қозғалу уақыты.

Жіберу уақыты t_отп да екі құраушыдан тұрады:

t_отп= .

Якорьдың қозғалс уақыты арнайы тежегіш құрылғылар болмаған жағдайда, ереже бойынша орнынан қозғалу уақытынан біршама төмен болатындығын ескерген жөн. Сондықтан реленің іске қосылу уақыты негізінен орнынан қозғалу уақытына байланысты болады.

Релені уақыттың параметріне байланысты қалыпты (t_сраб 30-50мс), жылдам әсер ететін (t_сраб бірнеше милисекунд) және баяулатылған деп бөлуге болады.

Реленің іске қосылу және жіберу уақытын сұлбалы, сондайақ құрылымдық әдісінен өзгертуге болады.

 

 9.3. Сурет. Реленің тарту және механикалық сипаттамалары