Тема 15 Магнитные бесконтактные элементы электрических аппаратов Общий подход Бесконтактным эл
Работа добавлена на сайт samzan.net:
221
Тема 15
Магнитные бесконтактные элементы электрических аппаратов
Общий подход
Бесконтактным электрическим аппаратом будем называть устройство, предназначенное для включения и отключения электрических цепей без физического разрыва самой цепи.
Преимущества:
- быстродействующее переключение;
- долговечность;
- простота обслуживания;
- механическая стойкость;
- способность к работе во взрывоопасных и загрязненных средах;
- уменьшенный уровень радиополях.
Принцип действия бесконтактных аппаратов основан на использовании элементов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой. Основным из них являются ферромагнитные сердечники с обмотками, обладающие нелинейностью индуктивности, и полупроводниковые приборы с нелинейным активным сопротивлением.
Нелинейные элементы включаются в рабочую цепь между источником питания и нагрузкой и могут изменять свое сопротивления электрическому току от сравнительно малого до большого.
Это изменение сопротивления осуществляется обычно с помощью специального элемента, обеспечивающего усиление мощности нагрузки. Поэтому большинство бесконтактных аппаратов называются усилителями (магнитными, полупроводниковыми).
|
Структура простейшего усилителя |
Магнитные усилители двух типов (ДМУ) – дроссельные – по рабочем обмотки ток (МУС) – с самоподмагничиванием – по рабочей обмотке однополу выпрямляющий ток |
Основным элементом является дроссель насыщения. Это ферромагнитный сердечник с обмотками, работающий в своеобразном режиме: сердечник ДН может находиться в насыщенном состоянии или кратковременно, или периодически, или длительно.
Конструкция ДН, как правило, не отличается от трансформатора. Однако обычные режимы работы ДН являются аварийными для трансформатора. Кроме того, сердечник ДН во многих случаях находится под одновременным воздействием и = магнитных полей. Поэтому процессы в ДН более сложены, чем в трансформаторах.
ДН выполняются на сердечниках различной формы: тороидальной, П- или Ш-образной.
В зависимости от характера тока, протекающего по обмоткам дросселя, различают ДН без подмагничивания – только ток; и с подмагничиванием – проходит постоянная составляющая тока.
- индукция, создаваемая полем Н в пустоте.
При неизменных значениях S, p, l индуктивность L определяется абсолютной магнитной проницаемостью а.
В бесконтактных электрических аппаратах применяют магнито-мягкие материалы. В динамической петле гистерезиса, чем быстрее изменяется Н, т.е., чем больше , тем шире петля гистерезиса. Процесс перемагничивания тормозится магнитной вязкостью и вихревым токами.
|
- коэффициент прямоугольности - материал с высокой прямоугольностью петли гистерезиса - материал с низкой прямоугольностью |
Магнитный усилитель
Управляемый дроссель – катушка индуктивности с магнитопроводом. Характеризуется переменным индуктивным сопротивлением, обусловленным подмагничиванием ферромагнитного сердечника постоянным током. Ток в рабочей обмотке дросселя можно изменять по величине путем изменения магнитной проницаемости магнитопровода, подвергая его одновременному воздействию переменной и постоянной м.д.с.
При изменении значения постоянного тока обмотки управления изменяется магнитное сопротивление сердечника дросселя, а следовательно, значение индуктивности рабочей обмотки и ток в ней.
, ,
где S – сечение магнитопровода; p – число витков рабочей обмотки; l – средняя длина магнитной линии магнитопровода.
При подмагничивании магнитопровода дросселя постоянным током вследствие изменения его магнитного состояния уменьшается индуктивность рабочей обмотки и возрастает ток дросселя.
Вследствие того, что индуктивность рабочей обмотки дросселя зависит только от абсолютного значения подмагничивающего тока и не зависит от его полярности. Характеристика управления дросселя Iр (Iупр) оказывается симметричной относительно оси ординат.
|
На вид характеристики управления дросселя влияет напряжение, приложенное к рабочей обмотке, материал сердечника и соотношение числа витков рабочей обмотки и обмотки управления дросселя. |
Схема простейшего управляемого дросселя малопригодна для широкого применения, так как в обмотке управления с большим числом витков наводится значительная переменная ЭДС вследствие прямой трансформаторной связи между рабочей обмоткой и обмоткой управления. Кроме того, переменный ток в цепи нагрузки дросселя существенно искажает свою форму.
Поэтому для создания МУ используются конструкции, основанные на двух О-образных сердечниках или на одном Ш-образном сердечнике, лишенные указанных недостатков.
Для ДМУ применяются два дросселя, каждый из которых имеет по две обмотки: рабочую р и управляющую у.
р – включаются последовательно и согласно;
у – включаются последовательно и встречно.
При таком включении обмоток ЭДС, трансформируемые из рабочих цепей в цепи управления, оказываются в противофазе и взаимно компенсируются.
При плавном увеличении тока Iу ток нагрузки плавно увеличивается от до max значения за счет уменьшения магнитной проницаемости а.
В линейной зоне характеристику управления ДМУ соблюдается равенство средних значений м.д.с.
или .
Это равенство не зависит от колебаний питающего напряжения, сопротивления нагрузки и чистоты питания источника.
Данному значению тока управления всегда соответствует единственное значение тока нагрузки.
Таким образом, дроссельный МУ является управляемым источником тока.
Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управления. В этом случае в рабочем режиме ток в нагрузке будет определяться суммарным приведенным током управления
.
Таким образом, магнитный усилитель может быть использован как сумматор электрических сигналов, не связанных между собой.
Вследствие низких значений коэффициента усиления и большой массы ДМУ применяют редко, в основном как измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения. В первом случае роль обмотки управления выполняет шина, по которой протекает измеряемый = ток Iу.
Во втором случае обмотка управления wу включается параллельно сети измеряемого постоянного напряжения.
ДМУ в этом случае представляет собой сочетание двух тороидельных магнитнопроводов на некотором размещены рабочие обмотки и , и подключены к источнику напряжения. Рабочие обмотки и обмотка управления создают свои магнитные потоки и . В цепь рабочих обмоток через выпрямительный мост включен измерительный прибор, который в данном случае является нагрузкой усилителя.
|
Схема трансформатора постоянного тока |
Допустим, что в рассматриваемый полупериод вектор индукции совпадает по направлению с вектором индукции , а вектор направлен встречно. В результате магнитопровод I – насыщен, сопротивление обмотки Хр переменному току равно нулю, а магнитопровод II наоборот далек от насыщения. |
Материал магнитопроводов I и II имеет кривую намагничивания, близкую к прямоугольной. В таком материале при суммарном значении магнитной индукции B BS напряженность поля Н = 0, а = . При B > BS а = 0 и, следовательно, Хр 0 и не оказывает влияние на полное сопротивление цепи рабочих обмоток.
В магнитопроводе II, где B < BS, Н = 0 можно записать
, .
Из приведенного равенства следует, что ток ip в течение рассматриваемого полупериода повторяет форму тока управления iу. Так как iу = const, то и ток iр = const в течение данного полупериода, т.е. ток ip принимает прямоугольную форму, а затем выпрямляется с помощью выпрямителя.
Реальная форма кривой намагничивания отличается от прямоугольной. Поэтому форма тока ip не прямоугольная, а в токе iн появляются глубокие провалы, что вызывает определенную погрешность измерения.
Рассмотренное устройство может быть использовано и в качестве измерительного трансформатора постоянного напряжения. Для этого многовитковая обмотка управления wу подключается к измеряемому напряжению Uи через большое добавочное сопротивление Rдоб.
Ток в обмотке управления wу пропорционален напряжению
.
Для уменьшения потерь в Rдоб ток iу берется малым – около 10 мА. Измерение этого тока производится так же, как и в трансформаторе тока.
Измерительный трансформатор постоянного напряжения
Обратные связи в ДМУ
Для выбора рабочей точки магнитного усилителя применяют обмотки смещения, которые позволяют выбрать начальную рабочую точку в любом месте характеристики управления МУ. Делает усилитель чувствительным к полярности тока управления Iу: при + Iу рабочий ток Iр растет, при отрицательном значении Iу – уменьшается.
Обмотка смещения необходима для выбора рабочей точки МУ
При постоянной частоте сети коэффициент усиления ДМУ можно повысить только за счет повышения инерционности ДМУ, и наоборот – повысить быстродействие можно только за счет уменьшения усиления мощности.
При одном и том же коэффициенте усиления мощности ДМУ его быстродействие можно повысить за счет повышения частоты источника питания.
В усилителях ДМУ часто используются обратные связи, которые осуществляют процесс передачи сигнала, пропорционального какой-либо выходной величины устройства на вход системы.
|
Их различают: - положительные; - отрицательные. |
||
|
- жесткие = – установившийся и переходный режимы - гибкие = – переходный режим |
||
|
- внешний - внутренний |
магнитное сравнение обмотки электрическое сравнение (совмещенная обмотка) |
Внутренние ОС используются для создания дополнительного подмагничивания в рабочих обмотках постоянным током, всегда жесткие положительные и реализуются путем встречно-параллельного включения неуправляемых диодов в цепи рабочих обмоток МУ.
Внешние ОС представляют самостоятельные обмотки управления, на которые заводятся соответствующие сигналы обратных связей, они могут иметь разновидность.
Отрицательная ОС по напряжению поддерживает его постоянным при изменении тока нагрузки с точностью до значения статизма. Физически стабилизация напряжения объясняется тем, что при увеличении тока нагрузки снижается напряжение, уменьшается величина отрицательного сигнала ОС, что приводит к росту результирующего сигнала здания, а соответственно росту ЭДС элемента. Чем больше коэффициент усиления, тем сильнее действует ОС и в большей мере растет ЭДС. Действие ОС по напряжению прекращается, когда усилитель входит в насыщение и ЭДС достигает max значения , которое остается неизменным при дальнейшем росте тока.
Внешнее положительное жесткое ОС по напряжению используется для перевода усилителя в релейный режим.
|
жесткая обратная связь по току |
гибкая ОС по напряжению |
При жестких ОС характеристики цепи ОС пропускают все частоты, т.е. пропускают постоянный ток. При этом изменяются статические и динамические параметры МУ.
При гибких ОС цепь ОС пропускает лишь определенный диапазон частот (не пропускает постоянный ток); при этом изменяются статические и динамические параметры МУ.
Крутизна характеристики управления, все коэффициенты усиления, постоянные времени и добротность МУС при положительной ОС увеличиваются; при отрицательной ОС – уменьшаются.
Регулировать глубину ОС можно числом витков WОС или шунтировкой обмотки WОС резистором Rш.ОС.
Отрицательная ОС используется часто для стабилизации характеристики МУС и выбора начального напряжения, а также для построения операционных усилителей.
Положительная ОС используется в МУС главным образом для перевода усилителя в релейный режим.
В МУ в соответствии с назначением различают обмотки постоянного тока: управления, смещения, обратной связи.
Для увеличения коэффициента усиления МУ обычно выполняются с положительными обратными связями по току нагрузки.
Введение положительной обратной связи по току вызывает увеличение начального тока Iхх. При этом характеристика управления МУ становится резко несимметричной, крутизна ее возрастает по сравнению с той же характеристикой без обратной связи.
Магнитные усилители с самонасыщением (МУС)
Дроссельный магнитный усилитель в сочетании с внутренней положительной обратной связью по току – представляет собой МУС.
Внутренняя связь по току в данном случае реализуется путем включения в цепь рабочих обмоток МУ полупроводниковых диодов VD, с помощью которых в рабочих обмотках протекает как переменная, так и постоянная составляющие ток. Под действием них реализуется самоподмагничивание сердечника магнитопровода.
Магнитный усилитель с внутренней обратной связью обладает наиболее высоким коэффициентом усиления и быстродействием. В этом случае две обмотки управления могут быть заменены одной. При этом необходимо изменить направление включения рабочих обмоток Wр, они включаются параллельно и встречно.
|
При этом характеристика «вход-выход» МУС изменяет свой вид по сравнению с дроссельным МУ. В результате геометрического сложения двух характеристик характеристика МУС приобретает следующий вид. |
|
|
Как видно из рисунка величина напряжения холостого хода значительно возросла, что приводит к снижению КПД усилителя. Для устранения этого недостатка в МУС используют специальную дополнительную обмотку – обмотку смещения, которая формирует специальный магнитный поток, направленный встречно основному потоку управления, в результате появляется возможность переместить ось ординат в точку М минимального значения напряжения холостого хода. |
Величина тока смещения определяется из выражения
и создает отрицательное поле смещения.
При подаче положительного тока управления Iу МУС работает на линейном участке характеристики «вход-выход» - MN.
Следует иметь в виду, что МУС может иметь большое число управляющих обмоток, т.е. может быть использован как сумматор многих неизвестных переменных величин.
Влияние различных факторов на работу МУС
Свойства магнитного материала. На характеристику управления МУС большое влияние оказывают магнитные свойства материала, которые оцениваются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса . Чем больше Кп, тем круче характеристика управления и больше ее линейная часть.
Свойства вентилей. Прямое сопротивление вентилей входят в общее сопротивление рабочей цепи МУС. С увеличением прямого сопротивления уменьшается КПД - рабочей цепи усилителя.
На характеристику МУС существенно влияет обратное сопротивление вентилей Rобр. Если Rобр , то в управляющий полупериод через рабочую обмотку Wр проходит обратный ток, размагничивающий магнитопровод, при этом напряжение на нагрузке и ток в ней уменьшаются
.
Для того, чтобы обратный ток не сказывался на работе усилителя необходимо соблюдение неравенства
.
Чем лучше магнитный материал, тем меньше требуется для управления усилителей, тем меньше значение допустимого обратного тока.
Крутизна и протяженность линейной части характеристики управления МУС практически не зависит от питающего напряжения.
МУС является управляемым источником напряжения, т.е. напряжение на нагрузки мало зависит от сопротивления нагрузки.
МУС имеет запаздывание – выдержку времени между моментом скачкообразного изменения тока управления до момента появления тока нагрузки.
При питании МУС от сети повышенной частоты (500-1000 Гц) можно получить малую инерционность усилителя, т.е. повысить его быстродействие.
Реверсный МУС
В рассматриваемом реверсивном МУС изменение полярности сигнала управления вызывает изменение фазы и знака тока нагрузки.
|
без смещения |
со смещением |
Наклон рабочего линейного участка результирующей характеристики и коэффициент усиления по току реверсивного МУ в два раза больше, чем для отдельного МУ.
Результирующий ток холостого хода .
КПД реверсного МУС низкий - = 30-45 %, за счет потерь в балластных сопротивлениях.
Обмотки управления усилителя включены последовательно и встречно. Поэтому при увеличении тока управления в одном направлении ток одного усилителя увеличивается, а другого падает. Разность токов в нагрузке при этом возрастает.
Увеличение тока в другом направлении приводит также к возрастанию тока нагрузки, но уже при другой полярности.
Бесконтактные магнитные реле на основе МУС
Бесконтактное магнитное реле (БМР) представляют собой управляемый дроссель с внутренней положительной связью по току нагрузки в сочетании с обмоткой смещения и жесткой положительной обратной связи по напряжению нагрузки с сердечником с высокой прямоугольной петлей гистерезиса. Такие реле сохраняют включенное или отключенное состояние при кратковременном исчезновении питающего напряжения.
|
IОС – подмагничиваю-щий ток обмотки обрат-ной связи по напряже-нию пропорционален напряжению на нагруз-ке. Если в МУС введена обмотка смеще-ния, то в зависимости от ее м.д.с. можно полу-чить БМР с различными видами «контактов». При отрицатель-ном смещении БМР выполняет функции реле с замыкающим контак-том. При отсутствии обмотки смещение БМР |
выполняет функцию размыкающего контакта.
|
используется отрицательная обмотка смещения |
обмотка смещения отсутствует |
поляризованное реле с двумя устойчивыми состояниями |
|
реверсивный изменяется знак полярности на нагрузке |
Если отрицательное смещение , то характеристика уравнения принимает симметричный вид. В этом случае реле может находиться в двух устойчивых состояниях. Если вначале состояние БМР соответствовало точке 1 и был подан положительный сигнал , то после снятия сигнала напряжение на нагрузке остается равным . При подаче - напряжение упадет до и остается равным этому значению после снятия сигнала.
В БМР на реверсивных усилителях можно получить изменение знака напряжения на нагрузке.
Минимальная мощность срабатывания БМР достигает 10-10 Вт. Отсутствие контактов и подвижных частей делает БМР исключительно надежными, износостойкими, вибро- и ударостойкими, пригодными для работы во взрывоопасных средах.
Однако они имеют ряд недостатков:
1. При прямоугольной форме управляющего напряжения постоянная составляющая магнитного потока нарастает с постоянной времени цепи управления Ту. При этом происходит замедление времени срабатывания, обусловленное электромагнитными процессами в обмотке управления.
2. Параметры БМР зависят от напряжения и частоты питания, а также от температуры окружающей среды, что требует специальных мер по температурной стабилизации.
3. В положении, соответствующем , нагрузка остается электрически связанной с источником питания рабочих обмоток.
4. Схемы БМР, особенно при большом числе управляемых цепей бывают сложными и громоздкими.
5. КПД рабочей цепи БМР значительно ниже, чем у контактных коммутирующих аппаратов.
6. При большой мощности нагрузки масса и габариты БМР значительно больше, чем у контактных коммутирующих аппаратов той же мощности.
Магнитный усилитель
Характеристика управления реверсивного ДМУ
Реверсная схема на двух МУС
|
а |
б |
в |
Характеристики управления реверсивного МУС при различных МДС смещения: а – смещение отсутствует; б – характеристики смещены так, что при Iу = 0 в каждом усилителе ток нагрузки минимален; в – при Iу = 0 рабочие точки МУ1 и МУ2 находятся посередине характеристик управления
Схема МУС с обратной связью по напряжению нагрузки
|
а |
б |
|
в |
Схема трансформатора постоянного тока (а), изменение токов в его обмотках (б) и измерительный трансформатор постоянного напряжения (в)
|
а |
б |
в |
Характеристики ВМР
2. тематические операторы Visul Bsic 2
3. Тема 14 Управление рисками Цель- изучить понятие риска рассмотреть классификацию рисков источники возни
4. Е~бек ~ор~ау ж~не тіршілік ~ауіпсіздігі негіздері п~нінен с~ра~тар 1
5. то получится Когда стали поговаривать что роль Эмили предлагают Синди Кроуфорд мой оптимизм поуменьшилс
6. Введение в культуру нового энтомологического объекта Phthorime operculell Zeller (Lepidopter Gelechiide)
7. 10.97 ВВР 1998 N 2 ст
8. вариантов организации самостоятельной работы студентов в течение семестра
9. Податкові відрахування
10. 9 О техническом регулировании
11. Стратегия управления долгом города Москвы
12. Контрольная работа- Структура й функції інтегрованої банківської інформаційної системи
13. ПРАКТИКУМ ПО ВЫРАЗИТЕЛЬНОМУ ЧТЕНИЮ 1
14. стыд совесть и
15. Документация сущность значение виды документов и требования по их оформлению
16. Тенденции развития современной немецкой лексикографии
17. ом слоге бАнты неподвижн
18. Вариант 3. 1. Покажите административнотерриториальное деление Японии и США.
19. детоводитель Понятие педагог подразумевает профессию социальную роль вид деятельности и ее направле
20. Види і природа каналів просочування інформації при експлуатації ЕОМ На завершення розгляду технічних к