Быстродействующие автоматы

Коммутируют цепи постоянного тока с параметрами 10 - 500 А, 380 В, время размыкания 0,002 - 0,01 с. Различают две группы таких автоматов - на электромагнитном и электродинамическом принципах.

Быстродействующие автоматы на электромагнитном принципе основаны на использовании эффекта возникновения магнитного потока в специально вводимой в цепь нагрузки катушки при больших бросках тока. Конструктивная схема автомата приведена на рис. 2.7,а.

На магнитопроводе (типа Ш-образного) расположены три катушки: удерживающая , включающая , отключения . Для замыкания контактов подается напряжение на включающую и удерживающую обмотки, якорь перемещается против часовой стрелки, обеспечивая замыкание контактов и взводя пружину возврата. Затем напряжение с катушки снимается. Так как магнитное сопротивление цепи при притянутой нижней части якоря и средней части значительно меньше первоначального, когда она располагается у левой части, то усилие, создаваемое потоком , превышает усилие пружины возврата , и якорь сохраняет положение, показанное на рис. 2.7,а. Поток при этом разделяется на два и , причем по отмеченной выше причине. При больших бросках токов в обмотке наводится поток , который направлен согласно с потоком . Возникающее при этом электромагнитное усилие вызывает перемещение якоря по часовой стрелке. Высокое быстродействие достигается за счет дифференциальной схемы сложения усилий и от потоков и .

Быстродействующий автомат на электродинамическом принципе (рис. 2.7,б) состоит из катушки 1, включённой в цепь тока нагрузки, подвижного алюминиевого диска 2, подвижного штока 3 и размыкающих контактов 4. В режиме замыкания цепи контакты замкнуты при помощи пружинной системы (на схеме не показано). При бросках тока нагрузки в алюминиевом диске наводятся вихревые токи, причем обратного направления по отношению к току в катушке. Вокруг этих проводников (катушки и диска) создаются силовые электрические поля, силовые линии которых в зазоре между катушкой и диском направлены согласно. В результате их взаимодействия возникает отталкивание проводников. Алюминиевый диск перемещается вправо, вызывая размыкание контактов.

2.5. СИНХРОННЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Предназначены для бездугового или с дугой небольшой мощности размыкания цепей переменного тока. Обеспечивают размыкание контактов непосредственно перед нулевым значением переменного тока, поэтому их и называют синхронными выключателями (СВ). Рассмотрим принцип действия их на примере выключателя с диодами в силовой цепи (рис. 2.8). Из временной диаграммы рис. 2.8,а видно, что можно выделить моменты времени, когда цепи с вентилями VD1, VD2 коммутируются управляемыми СВ1, СВ2 ключами К1, К2. Цепь соответствующего вентиля необходимо размыкать в непроводящий для него полупериод: вентиля - в отрицательный, а вентиля - в положительный. Задача СВ - определить моменты, которые реализуются путем определения полярности импульса . Функциональная схема СВ и временные диаграммы его работы приведены на рис. 2.9.

СВ состоит из усилителя - ограничителя (УО), линии задержки (ЛЗ), формрователя импульсов (ФИ), вентилей , и тиристоров , . На выходе УО напряжение изменяется ступенчато, причем полярность его соответствует полярности коммутируемой цепи. ЛЗ служит для синхронизации схемы с огибающей тока. На выходе ФИ формируются положительные и отрицательные импульсы, которые разветвляются вентилями и и управляют тиристорами , . Например, для размыкания силовой цепи подан управляющий сигнал в момент времени . В момент формируется положительный импульс, который откроет тиристор , и сработает контактор , размыкая свой контакт в силовой цепи. В момент времени формируется отрицательный импульс, открывающий тиристор , и срабатывает . Если управляющий сигнал подается в положительный полупериод, то сначала размыкается в следующий полупериод, а затем еще в следующий полупериод размыкается .

Схема непосредственного управления СВ с использованием пикового трансформатора тока (ТТ), тиристора , источника питания , электромагнита контактора с катушками возврата и удерживающей приведена на рис. 2.10.

Элементы схемы соответствуют замкнутому состоянию контакта в силовой цепи, контакт удерживается защелкой. Импульсы шунтируются кнопкой С, а на управляющий электрод подано отрицательное напряжение от источника . Если разомкнуть кнопку SB, то на управляющий электрод подаётся результирующее напряжение источника и от вторичной обмотки пик -трансформатора ТA, который является дифференцирующим элементом и формирует разнополярные импульсы напряжения, соответствующие знаку в моменты прохождения тока через нулевое значение. Когда импульс с ТA отрицательный, состояние схемы не меняется. Когда импульс с ТA положительный, результирующее напряжение положительное и тиристор открывается. По обмотке течёт ток, создаётся магнитный поток, порождающий электромагнитное усилие, вызывающее перемещение якоря и освобождение защелки. В результате под действием силы пружины возврата размыкается контакт в силовой цепи. Быстрое размыкание силовой цепи достигается за счет взведенной пружины возврата. Как уже отмечалось самое бастрое размыкание - бездуговое. Поэтому в быстродействующих автоматах, также как и в контакторах, используется система магнитного дутья.

2.6. ЗАЩИТА ТИРИСТОРОВ

Рассмотрим базовую схему тиристорного выключателя постоянного тока (рис. 2.11). Для включения необходимо подать управляющий импульс на тиристор .Тиристор и конденсатор служат для выключения тиристора по цепи катода. По сигналу датчика защиты или команде от схемы дистанционного управления открывается тиристор , и ток тиристора коммутируется в цепь прерывающего конденсатора ; одновременно снимается управляющий импульс с тиристора . Конденсатор перезаряжается, при этом к аноду прикладывается отрицательное напряжение, вызывающее его запирание.

На рис. 2.12 приведена схема защиты тиристорного реверсивного преобразователя (НИИ объединения ХЭМЗ) с емкостным прерывателем тока и импульсным дуговым коммутатором.

Для инвертора, ведомого сетью, характерны следующие виды аварий: внешние короткие замыкания; потеря тиристором вентильных свойств (способности выдерживать обратные напряжения); потеря тиристором запирающих свойств в прямом направлении; отказ в системе управления, приводящий к прекращению подачи управляющих импульсов на какой-либо тиристор. Это приводит к несквозному (однофазному) и к сквозному (двухфазному) опрокидыванию инвертора. Схема обеспечивает защиту преобразователя: при перегрузках двигателя (ЗШ); одновременном включении мостов (1Ш, 2Ш); внутренних коротких замыканиях в случае пробоя тиристоров (1ДТ, 2ДТ); при одно - и двухфазном опрокидывании инвертора. По команде датчиков максимального тока 1ДТ или 2ДТ или дифференциальной защиты, сравнивающей входной ток преобразователя (1ТТ-ЗТТ и (1ТТ-ЗТТ и выпрямитель В) с выходным (ЗШ), блок управления защитой (БУЗ) обеспечивает блокировку прохождения управляющих импульсов на силовые тиристоры в блоке фазового управления (БФУ) и срабатывает импульсный дуговой коммутатор (ИДК). Быстродействующие выключатели 1ВБ и 2ВБ являются резервной защитой.

Один из основных элементов защиты - датчик максимального тока (рис. 2.13). При увеличении тока в первичной цепи увеличивается напряжение на резисторе. Когда это напряжение превысит напряжение стабилизации стабилитрона, выходной транзистор или тиристор открывается, выдавая тем самым сигнал в последующие звенья защиты. Уставку срабатывания датчика можно изменять выбором типа стабилитрона или изменением сопротивления резистора, с которого снимается управляющий сигнал.

Более универсальным датчиком, пригодным для установки в цепях переменного и постоянного тока, является импульсный датчик максимального тока (рис.2.14).Датчик выполнен из сплава с прямоугольной петлей характеристики намагничивания. На тороидальном сердечнике датчика имеются 3 обмотки: обмотка смещения, обеспечивающая насыщенное состояние сердечника при нормальном режиме и определяющая уставку срабатывания датчика, обмотка управления, по которой протекает контролируемый ток, и выходная обмотка, на которой появляется импульсный сигнал при превышении током управления значения уставки. Как правило, обмотка управления является одновитковой и представляет собой шину или силовой провод цепи преобразования, на который надевается тороидальный сердечник датчика. Аналогично формируется импульс в аварийном режиме при токах короткого замыкания. Уставка регулируется в широком диапазоне изменением тока смещения.

Для защиты от внутренних повреждений силовой схемы преобразователей целесообразно использовать устройства дифференциальной защиты, позволяющие повысить быстродействие и увеличить чувствительность по сравнению с максимальной токовой защитой. Дифференциальная защита реагирует на разность входного и выходного токов преобразователя, что позволяет обнаружить повреждение в самом начале аварийного процесса и вызвать команду на отключение повреждения раньше, чем аварийные токи достигнут больших значений. В этом случае на ферритовом кольце датчика располагают две информационные обмотки через которые проходят токи первичного питания преобразователя и цепи нагрузки. Причем их параметры обеспечивают равные коэффициенты передачи этих токов, а обмотки включены в противофазе.

3. УСТРОЙСТВА КОММУТАЦИИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

3.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ

Электромагнитные муфты (ЭМ) предназначены для коммутации кинематических цепей металлорежущих станков и другого оборудования. По принципу действия муфты делятся на фрикционные, порошковые и гистерезисные, а по характеру подвода питания - на контактные и бесконтактные.

3.1.1.Электромагнитные фрикционные муфты

Выполняются в различном конструктиве: с фрикционными дисками и без них; контактные и бесконтактные.

Конструктивная схема ЭМ без фрикционных дисков приведена на рис. 3.1,а. ЭМ такой конструкции состоит из сердечника 2, расположенного на ведущем валу 1, обоймы 3, катушки 4, якоря 5, расположенного на ведомом валу 6. При подаче напряжения на катушку электромагнита якорь перемещается в сторону сердечника и прижимается к нему. Вращающий момент, передаваемый на ведомый вал, определяется

,

где - электромагнитное усилие, прижимающее якорь к сердечнику; - коэффициент трения; - средний диаметр.

Допустимое усилие и средний диаметр определяются

,

где - допустимое удельное усилие, зависящее от материала; - соответственно наружный и внутренний радиусы. Тогда максимально возможный момент, передаваемый муфтой, будет

.

Значения и характерных для ЭМ материалов определяются:

, Н/см

- сталь	40 - 60	0,08;
- феррокерамика	20 - 25	0,3;
-тонкие стальные диски, чугун	28 - 42	0,1 - 0,15.

Наша промышленность выпускает ЭМ такой конструкции серии МТ100, 250, 400, 630, 1000, 1600 (цифры обозначают крутящий момент г дц), рабочее напряжение 24, 110 В; время включения 20 - 30 мс, отключения - 15 - 25 мс.

Для передачи больших моментов используют муфты с фрикционными дисками контактные (рис. 3.1,б) и бесконтактные (рис. 3.1,в). На ведущем валу контактных муфт располагаются щеточный токосъём 1 и сердечник 2 с электромагнитом 3, диски 4,5, якорь 6. На ведомом валу расположена деталь типа водило 7, входящая своими пальцами в прорези подвижных дисков. В обесточенном состоянии диски 4,5 не поджаты, и диски 4 вращаются, водило и ведомый вал неподвижны. При подаче питания на катушку электромагнита якорь 6 притягивается к сердечнику 2, сжимая диски 4,5. В результате крутящий

момент передается через водило на ведомый вал.

Выражение для крутящего момента, передаваемого одним диском, можно определить через выражение

, где ; ,

тогда

.

Интегрируя это выражение по переменным и , получим

.

Соотношение наружного и внутреннего радиусов диска выбирается

0,3 - 0,8.

Для -дисков передаваемый момент определяется

.

Фрикционные диски имеют допуски на неплоскость 0,02 мм, на непараллельность 0,03 мм.

Недостатки контактных муфт:

а) катушки электромагнита увеличивают момент инерции;

б) возможно искрение щёточного контакта во время работы;

в) высокая концентричность контактных колец относительно оси вращения;

г) быстрый износ щеточного контакта.

В бесконтактных муфтах (рис. 3.1,в) катушка электромагнита располагается на неподвижном основании, а сердечник, диски и якорь на ведомом валу, водило - на ведущем.

Промышленность выпускает ЭМ с фрикционными дисками контактные и бесконтактные серии ЭТМ 053-071 с параметрами М = 25-500 Н×м, частота вращения 2000 - 4000 об/мин, время срабатывания 0,01 - 0,05 с. Причем эти параметры обеспечиваются при неподвижном ведомом валу, т.е. моменты и частота вращения передаются за время срабатывания.

3.1.2. Порошковые муфты

В порошковых муфтах передаваемый момент пропорционален подаваемому на катушку току. Муфта (рис. 3.1,г) состоит из двух дисков, в зазоре между которыми создается магнитное поле. Зазор заполняется суспензией,

состоящей из ферромагнитного порошка (размер частиц 2 - 8 мкм), талька, графита, масла. При подаче напряжения на катушку создается магнитный поток, под воздействием которого суспензия «затвердевает», причем степень затвердения пропорциональна потоку.

Предельный момент, передаваемый муфтой, определяется

,

где - средний диаметр по зазору; - площадь активной части зазора; - удельное тангенциальное давление.

Параметр в свою очередь определяется

,

где - индукция, создаваемая в зазоре катушкой муфты; -зазор; - магнитная проницаемость суспензии; - размерный коэффициент.

Графики (качественные) зависимости передаваемого крутящего момента для фрикционных и порошковых муфт приведены на рис. 3.1,д. Эти муфты передают значительные моменты (до 100 Н×м) при частотах вращения до 1000 . Недостатком их является старение смеси, приводящее к уменьшению подвижности частиц. Область применения - передача моментов в различных передачах, испытательные стенды. Срок службы без смены суспензии 400 - 500 часов.

3.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЗАКРЕПЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

И ДЕМАГНЕТИЗАТОРЫ

Применяются на плоскошлифовальных станках для закрепления деталей. Устройства для поступательного перемещения - электромагнитные плиты, для вращательного движения - электромагнитные столы.

Электромагнитное закрепление по сравнению с кулачковым имеет следующие преимущества:

а) можно закрепить много деталей, расположенных на поверхности плиты;

б) нет зажатия крупных деталей во многих точках;

в) большая точность обработки, так как деталь, не испытывая бокового сжатия, может свободно расширяться;

г) возможность обработки детали с торцов и боков.

Недостатки:

а) не обеспечиваются большие усилия;

б) при аварийном снятии питания происходит срыв детали с поверхности стола.

Конструкцию электромагнитной плиты можно проиллюстрировать (рис. 3.2). Разделение полюсов электромагнита выполнено из немагнитного ма-

териала: оловянные сплавы, бронза и сплав свинца и сурьмы. При пропускании тока через катушки все участки, окруженные немагнитным материалом, образуют магнит. Сила притяжения зависит от материала и размеров закрепляемой детали; числа деталей на её поверхности; расположения детали на плите и конструкции плиты.

Удельное тяговое усилие у современных электромагнитных плит Н/см², потребляемая мощность = 100 - 300 Вт. Питание = 24, 48, 110, 220 В. Питание переменным током не используется вследствие сильного размагничивающего и нагревающего действия вихревых токов. Схема включения привода движения должна иметь блокировку по току электромагнитной плиты (рис. 3.3).

Плиты с постоянными магнитами не требуют источников питания и не допускают срыва деталей, однако усложняются расположение и съём деталей.

При обработке на электромагнитных плитах детали намагничиваются. Для их размагничивания применяют так называемые демагнитизаторы (рис. 3.4). Подвергаясь перемагничиванию переменным полем детали теряют остаточный магнетизм.