Электромеханические элементы

Курсовая работа

на тему:

"Электромеханические элементы"

1. Общие сведения об электромеханических системах

На основе электромеханических элементов создавались устройства релейной защиты и автоматики первого поколения. Начиная с 60-х годов электромеханическая элементная база стала заменяться полупроводниковой, а затем микропроцессорной. Однако и сейчас в устройствах релейной защиты и автоматики систем электроснабжения используют электромеханические реле: электромагнитные, индукционные, магнитоэлектрические. По назначению они делятся на измерительные и логические. Под электромеханическим реле, согласно ГОСТ 16022—83, понимают электрическое реле, работа которого основана на использовании относительного перемещения его механических элементов под воздействием электрического тока, протекающего по его обмотке.

На основе электромеханических систем можно создать измерительные реле с одной воздействующей величиной и более, реагирующие элементы схем сравнения, а также реле для логической части автоматических устройств. Как и прежде, широко применяются электромагнитные и индукционные измерительные реле, причем в первом случае осуществляется сравнение величин по абсолютному значению, а во втором — их сравнение по фазе. Реле логической части обычно являются электромагнитными. Магнитоэлектрические и поляризованные реле используют в качестве реагирующих элементов схем сравнения.

2. Принцип действия и выполнение электромагнитных реле

Для построения электромагнитных реле обычно используют следующие электромеханические системы: с втягивающимся якорем; с поворотным якорем; с поперечным движением якоря. Действие таких реле основано на взаимодействии между ферромагнитным якорем 2 и магнитным полем обмотки 6, обтекаемой током /_р. Реле косвенного действия имеет контактную систему, которая состоит из неподвижной 3 и подвижной 4 частей. Подвижная часть связана с якорем реле. При отсутствии тока в обмотке 6 якорь удерживается в исходном положении противодействующей пружиной 5 с усилием F_n, при этом контакт реле разомкнут.

При прохождении по обмотке реле тока возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через магнитопровод электромагнита, воздушный зазор и якорь. При этом создается электромагнитная сила F₃, стремящаяся притянуть якорь реле к электромагниту — обусловить действие реле:

где— магнитная проводимость; / — длина силовой магнитной линии, м; w_p — число витков обмотки, реле.

Выражение является общим для всех конструкций электромагнитных реле. У реле с поворотным якорем магнитное поле в воздушном зазоре практически можно считать равномерным. При этом магнитную проводимость, которую в основном определяют длиной воздушного зазораи площадью его сечения s, с достаточной точностью можно принять равнойТак как при движении якоря сокращается зазор, то при этом

Подставляя в выражение, можно найти

Для действия реле необходимо, чтобы на всем пути перемещения якоря от начального положения в конечное положение выполнялось условие

где F_w — сила трения, Н.

Минимальное значение тока /_р, при котором соблюдается условие, является током действия реле /_др. Отпускание якоря, т. е. возврат реле в начальное состояние, может произойти, если на всем пути от досохраняется условие

На рис. 2 изображены совмещенно механические характеристики реле с поворотным якорем с учетом сил трения при действии F_MJl и при отпускании F_M0 и соответственно электромагнитные характеристики F_3Jiи F_3B, построенные для тока действия /_д „ и тока отпускания /_0р — максимального тока в обмотке реле, при котором оно переходит в начальное состояние.

Отношение тока отпускания к току действия характеризуется коэффициентом отпускания

Исходя из требований чувствительности измерительных органов желательно иметь k₀ = 1.

Электромагнитные характеристики построены при условии, что ток /_р при перемещении якоря и уменьшении зазора 8, несмотря на возрастание индуктивного сопротивления обмотки реле, остается неизменным. Это справедливо для реле тока, у которых ток не зависит от параметров электромагнита, а определяется источником тока, каковым является измерительный трансформатор тока. Если обмотка реле подключается к измерительному трансформатору напряжения, являющемуся источником ЭДС, то вместе с изменением индуктивного сопротивления обмотки изменяется и ток /_р, а электромагнитная сила F_a остается практически неизменной, так как изменение зазора 8 компенсируется соответствующим изменением тока. Действие реле не осуществляется, поэтому обмотка реле напряжения выполняется с преобладанием активного сопротивления или последовательно с обмоткой включается резистор с относительно большим сопротивлением. При этом ток в обмотке реле при движении якоря практически не изменяется, а электромагнитная сила возрастает и действие реле обеспечивается.

В качестве измерительных реле обычно применяются максимальные реле тока и напряжения и минимальные реле напряжения. Действие или отпускание реле, при котором оно выполняет предназначенные ему функции в автоматическом устройстве, называется срабатыванием реле. Максимальные реле выполняют свои функции при возрастании тока или напряжения. Поэтому их срабатывание совпадает с действием, ток или напряжение действия соответственно называют током /_ср или напряжением U_cp срабатывания реле, а коэффициент отпускания — коэффициентом возврата который всегда меньше единицы.

Минимальное реле напряжения выполняет свою функцию в автоматическом устройстве при снижении напряжения, поэтому его срабатывание совпадает с отпусканием. Напряжение срабатывания минимального реле равно напряжению отпускания, а напряжение возврата равно напряжению действия. Поэтому значение коэффициента возврата минимального реле напряжения равно обратному значению коэффициента возврата максимального реле и всегда больше единицы.

После притягивания якоря реле к электромагниту в связи с различным характером изменения электромагнитной и механической характеристик на подвижную часть реле действует избыточная сила F^. Значение к_ъ тем существеннее отличается от единицы, чем больше избыточная сила. С другой стороны, с ростом избыточной силы повышается надежность работы замыкающих контактов реле. Поэтому избыточная сила должна быть достаточной для надежной работы контактов, но не слишком большой, чтобы не влиять на коэффициент возврата. Эти условия удовлетворяются при использовании П-образной магнитной системы с поперечным движением якоря. На ее основе отечественной промышленностью выпускаются измерительные реле тока и реле напряжения типа РТ40 и РН53.

Для выполнения логических реле используют одну из электромеханических систем: с поворотным или с втягивающимся якорем. Система с втягивающимся якорем используется также у измерительных реле тока и напряжения РТМ, РТВ и РН, РНВ.

Из следует, что электромагнитный принцип можно использовать для выполнения реле постоянного и реле переменного тока, так как мгновенное значение электромагнитной силы F_3i пропорционально квадрату тока и, следовательно, не зависит от его знака. При линейной зависимости между потоком Ф и током /_р значение /L пропорционально квадрату мгновенного значения потока Ф„ т. е.. Для синусоидального тока

С учетом того, чтополучается

Таким образом, мгновенное значение электромагнитной силы состоит из постоянной и переменной составляющих. В результате их сложения получается электромагнитная сила F₃„ изменяющаяся во времени с двойной частотой. При этом в некоторые моменты времени она становится меньше противодействующей силы F_M, что вызывает вибрацию якоря. Для устранения вибрации необходимо, чтобы результирующая электромагнитная сила F_3i при изменении тока во времени оставалась все время больше противодействующей силы F_M.

Этого можно достичь, например, при наличии двух электромагнитных сил и F^, смещенных друг относительно друга по фазе. Результирующая электромагнитная сила, равная их сумме, изменяется во времени незначительно, оставаясь все время больше противодействующей силы

Для получения двух электромагнитных сил необходимо иметь два магнитных потока Ф. При этом магнитный поток Ф, отстает от потока Ф₂ на угол.

Для выполнения измерительного органа с двумя электрическими величинами можно использовать так называемую балансную электромагнитную систему с двумя катушками и подвижным якорем в виде коромысла. Эта система производит сравнение квадратов абсолютных значений токов /, и /₂. На подвижную систему действуют в противоположные стороны электромагнитные силы

Реле срабатывает, если F,, > F^,. В комплексной плоскости W граничная линия определяется условиеми имеет вид окружности. Зона действия реле располагается вне окружности.

Для релейной защиты и автоматики важными параметрами являются время срабатывания и время возврата реле, под которыми понимают время от момента, когда входная воздействующая величина принимает в заданных условиях определенное значение, до момента, когда реле завершает срабатывание или возврат. У электромагнитных реле время срабатывания складывается из двух составляющих:

где t„ — время от момента достижения воздействующей величиной значения срабатывания до момента начала движения якоря, с; t_n — время от начала движения якоря до момента завершения срабатывания реле, с.

Время t_H зависит от скорости нарастания тока в обмотке реле, а время t_R — от хода якоря и скорости его перемещения. У обычных электромагнитных реле без специальных дополнительных устройств время срабатывания составляет f_cp = 0,02...0,I с.

Для релейной зашиты и автоматики требуются также реле, замыкающие или размыкающие контакты с некоторым замедлением, у промежуточных реле это замедление обычно получают за счет увеличения времени t„, а у реле времени — за счет увеличения времени /_я. Для увеличения времени /_н, а следовательно, и времени срабатывания реле необходимо замедлить нарастание магнитного потока при включении.

Замедления нарастания магнитного потока в реле можно достичь с помощью медной втулки, располагаемой концентрически с основной обмоткой на общем магнитопроводе. При этом удается получить время срабатывания реле около /^,_с1, = 0,1...0,5 с. Применение медной втулки для замедления возврата реле более эффективно в связи с тем, что магнитный поток затухает при малом воздушном зазоре, т. е. при большой индуктивности цепи обмотки реле. Время возврата реле удается получить около нескольких секунд. Реле с медной втулкой получили название реле с магнитным демпфированием. Они используются в цепях постоянного тока и при включении их через выпрямители могут быть применены в схемах переменного тока.

Реле времени, у которых выдержка времени создается путем увеличения составляющей t_R, называются реле с механическим демпфированием. Их можно разделить на две группы: реле с замедленным движением якоря и реле с часовым механизмом. Реле с замедленным движением якоря обычно имеют зависимую характеристику выдержки времени. Для получения замедленного движения якоря в конструкциях реле применяют, как правило, жидкостные или воздушные демпферы и используют торможение вихревыми токами. С помощью часового механизма выполняют реле как с независимой, так и с ограниченно зависимой характеристикой выдержки времени.