Przekaźniki obojętne
Przekaźniki elektromagnetyczne stanowią do tej pory jeden z najbardziej rozpowszechnionych elementów automatyki. Wraz z rozwojem elektroniki i komputeryzacji maleje liczba ich zastosowań, jednak wydaje się, że ich zalety takie jak prostota rozwiązań technologicznych, prosta zasada działania, oddzielenie galwaniczne obwodu wejściowego od wyjściowego, minimalna oporność łączeniowa obwodu wyjściowego, jeszcze długo pozwolą na stosowanie przekaźników w wielu dziedzinach techniki.
Ponieważ opracowanie to ma być materiałem pomocniczym do przedmiotu Podstawy automatyki -laboratorium ograniczę się w nim do omówienia działania przekaźników elektromagnetycznych obojętnych.
Podstawowymi elementami przekaźnika rys. 1. są;
uzwojenie
wykonane z materiału elektrycznie przewodzącego,rdzeń, 3- jarzmo,
4- kotwica
wykonane z materiału ferromagnetycznego (i ewentualnie elektrycznie przewodzącego) ,
5- element prowadzący zestyki wykonany z materiału izolacyjnego,
element dystansowy wykonany z materiału magnetycznie obojętnego i odpornego na zgniatanie i uderzenia)
oś obrotu kotwicy,
Z- zestyk (wykonany z materiału sprężystego i elektrycznie przewodzącego)
Rys. 1. Schematyczny rysunek przekaźnika
ą - zestyk zwierny (jest zwierany gdy kotwica przekaźnika jest przyciągana)
ć - zestyk rozwierny (jest rozwierany gdy kotwica przekaźnika jest przyciągana)
ó - zestyk przełączny (złożenie zestyków zwiernego i rozwiernego - jest przełączany gdy kotwica przekaźnika jest przyciągana)
ń - styk ś - styczka
Rys. 2 rodzaje zestyków i ich elementy
Gdyby się ograniczyć do Pierwszego Poziomu Dociekliwości to zasada działania przekaźnika jest niezwykle prosta.
Przez uzwojenie przepływa prąd elektryczny wytwarzając strumień magnetyczny który magnesuje rdzeń i kotwicę, na kotwicę działa wówczas siła i następuje przyciąganie kotwicy. Kotwica poruszając się zmienia stany poszczególnych zestyków.
Zanik prądu powoduje zanik strumienie, zanik siły działającej na kotwicę, zwolnienie kotwicy i zestyki powinny powrócić do stanu wyjściowego.
Wszystko to jest jasne i piękne dopóty...?! No właśnie dopóty, dopóki nie spróbujemy opisać matematycznie zjawisk zachodzących w przekaźniku.
Wtedy niestety zaczynają się schodki lub schody w zależności od potrzeb zrozumienia tego co się w tym przekaźniku dzieje.
Ponieważ studenci są napaleni na zrozumienie działania przekaźnika bardziej dogłębnie niż przedstawia to Pierwszy Poziom Dociekliwości , więc spróbuję przypomnieć niektóre zagadnienia z podstaw elektrotechniki tak, aby rozpędzić mgłę niewiedzy w zakresie tematu tego opracowania i jednocześnie pokazać głębię i urok podstaw nauk technicznych a więc i otaczającego nas świata.
Od tego miejsca rozpocznę omawianie działania przekaźnika na
Drugim Poziomie Dociekliwości
który to poziom nie będzie wymagał stosowania miar wielkości fizycznych i pozwala wzory upraszczać do niezbędnych do zrozumienia wielkości fizycznych.
A zatem - uzwojenie 1 służy do wytworzenia pola magnetycznego którego natężenie H jest proporcjonalne do I - natężenia prądu przepływającego przez uzwojenie, z - liczby jego zwojów i jeszcze jakichś drobiazgów które ujmę jednym zdecydowanym określeniem - ć - czyli jakiejś stałej. Zależność tą opisuje poniższy wzór
H = I • z • ć 1
gdzie I - natężenie prądu przepływającego przez uzwojenie, z - liczba jego zwojów, ć - jakaś stała która zazwyczaj we wzorach występuje.
Jeżeli istnieje natężenie pola magnetycznego to musi powstać również strumień magnetyczny Φ.
Φ = H • μ • s• ń 2
gdzie μ - przenikalność magnetyczna drogi przez którą przepływa strumień magnetyczny,
s - powierzchnia przekroju przez który przepływa strumień magnetyczny, ń -to samo co ć tylko trochę inne. Dalej już nie będę pisał nic że coś jest stała bo mi się nie chce a Wy to chyba zrozumiecie.
Uogólniając prawo Ohma do postaci
3
i stosując powyższą zależność do obwodów magnetycznych można napisać
4
gdzie Rm jest opornością magnetyczną na drodze przepływu strumienia magnetycznego i ze wzoru 2
5
Patrząc na wzór 4 można zauważyć, że istnieją analogie pomiędzy obwodami elektrycznymi i magnetycznymi bo strumień magnetyczny Φ odpowiada natężeniu prądu I, natężenie pola H odpowiada napięciu U, zaś oporność magnetyczna Rm odpowiada oporności R.
Gdyby uzwojenie znajdowało się w powietrzu lub było nawinięte na rdzeniu z materiału o cechach magnetycznych zbliżonych do powietrza (paramagnetyki) wówczas strumień magnetyczny wewnątrz uzwojenia Φ byłby określony wzorem:
Φ = I • z • μ0 • s • ń 6
gdzie μ0 - przenikalność magnetyczna powietrza,
Gdyby uzwojenie przekaźnika było nałożone na rdzeń ferromagnetyczny i rdzeń ten był zamknięty bez żadnych szczelin powietrznych i gdybyśmy przyjęli liniową zależność strumienia od prądu ( krzywa magnesowania !?) to wówczas strumień magnetyczny opiszemy wzorem:
Φ = I • z • μ0 • μż • s • ń 7
gdzie μż - przenikalność względna materiału z którego jest wykonany rdzeń (μż >> 1)
Jak więc wynika z powyższych wzorów rdzeń spełnia funkcję wzmacniacza strumienia magnetycznego jednocześnie powodując, że jest on skupiony w rdzeniu.
Kontynuując rozważania na Drugim Poziomie Dociekliwości założymy, że strumień wytworzony przez prąd przepływający w uzwojeniu zamyka się w obwodzie magnetycznym złożonym z rdzenia, kotwicy i szczelin znajdujących się pomiędzy nimi (potraktujemy ten obwód jako główny i nim będziemy się zajmować w dalszych rozważaniach) oraz istnieje coś co nazwiemy strumieniem rozproszenia jak na rysunku obok.
Dokonując powyższych założeń sygnalizuję możliwość istnienia Wyższego niż Drugi Poziomu Dociekliwości. Przy takich założeniach strumień w obwodzie głównym możemy opisać wzorem
Φ = I • z •μw • ą 8
gdzie μw - przenikalność zastępcza obwodu magnetycznego.
Strumień w obwodzie głównym napotyka wobec tego na opory magnetyczne poszczególnych fragmentów drogi, które można sprowadzić do dwóch elementów - szczeliny wypadkowej (gdzie μsz = μ0) i rdzenia zastępczego (gdzie μr = μ0 • μż). Opory te są odwrotnie proporcjonalne do μ i wprost proporcjonalne do długości przebywanej drogi w danym środowisku (wzór 6).
Strumień (wywołany prądem przepływającym w danym kierunku przez uzwojenie) magnesuje rdzeń i kotwicę i zostaje wytworzona siła działająca na kotwicę.
a b
Rys. 3. Kierunki magnesowania obwodu magnetycznego przekaźnika
Jak widać z rysunków 3a i 3b kotwica będzie zawsze przyciągana niezależnie od kierunku przepływu prądu w uzwojeniu (obojętny kierunek zasilania uzwojenia przekaźnika).
Wartość siły działającej na kotwicę można opisać wzorem
9
gdzie d - odległość pomiędzy kotwicą i rdzeniem, χ - stała
lub wyrażając Φ wielkościami I, z i Rm
10
gdzie A- jakaś inna stała.
Jak widać wzory 9 i 10 (tylko 10 ma jakby trochę bardziej uwikłany zapis) na siłę przyciągającą kotwicę posiadają postać znaną wszystkim pod nazwą wzór Coulomba na siłę oddziaływania ładunków elektrostatycznych lub wzór Newtona na siłę grawitacji.
Oczywiście oprócz siły przyciągającej kotwicę działają na nią siły działające przeciwnie. Będą to siły: ciężkości kotwicy G, nacisku zestyków N i siły sprężyny odciągającej kotwicę O.
Wartości tych sił oraz wartość siły P - zastępującej siłę zestyków i sprężyny odciągającej kotwicę przedstawiają poniższe wzory
G = mg N = k1 * x O = k2 * x P. = kw * x 11
gdzie k1, k2 - współczynniki sprężystości zestyków i sprężyny odciągającej, kw - zastępczy współczynnik sprężystości.
Dla ułatwienia dalszych rozważań pozbawimy przekaźnik zestyków i wszelkich sprężyn.
Dla takiej konstrukcji możemy stwierdzić, że jeżeli ustawimy wartość I0 prądu I który wywoła taką wartość strumienia magnetycznego Φ0, aby wartość F0 siły przyciągania kotwicy przez niego wytworzona, była minimalnie większa od siły ciężkości kotwicy G o dowolnie małą wartość, to kotwica ruszy.
Ponieważ ruch kotwicy zmniejszy szczelinę powietrzną d a wartość Φ rośnie wraz ze zmniejszaniem się d, to siła przyciągająca kotwicę będzie wzrastała wraz z przyrostem przesunięcia pomimo, że nie będziemy zwiększali wartości prądu I..
W konsekwencji kotwica będzie się poruszała ruchem przyspieszonym i zostanie przyciągnięta do rdzenia (przy czym przyśpieszenie to również będzie wzrastało bo cały czas wzrasta siła).
Jeżeli wrócimy do konwencjonalnej konstrukcji przekaźnika, w której to występują zestyki i ewentualnie sprężyna odciągająca kotwicę, to zagadnienie trochę się skomplikuje.
Zakładając, że w stanie początkowym na kotwicę działa siła jej ciężkości a sprężyna odciągająca i zestyki nie wywierają na nią nacisku to działanie przekaźnika przy przyciąganiu kotwicy możemy przedstawić jak poniżej.
Ustawiając wartość I0 prądu I który wywoła wartość strumienia magnetycznego Φ0 taką, aby wartość F0 siły przyciągania kotwicy przez niego wytworzona była większa od siły ciężkości kotwicy G o dowolnie małą wartość, to kotwica ruszy (podobnie jak w przypadku omówionym powyżej) co spowoduje minimalny wzrost siły przyciągania. Jednak siła sprężystości styków i sprężyny odciągającej może na skutek tego przesunięcia wzrosnąć bardziej niż siła przyciągania. Wówczas kotwica zatrzyma się w jakiejś pozycji równowagi. Dalszy minimalny wzrost wartości prądu spowoduje dalszy przyrost siły przyciągającej a więc i kolejne minimalne przesunięcie. Ponieważ to przesunięcie wywoła dalszy wzrost sił przeciwdziałających, kotwica znowu się zatrzyma. Tak będzie się działo do momentu, dopóki kotwica nie znajdzie się w takim położeniu, od którego przyrost siły przyciągającej będzie większy niż przyrosty sił przeciwdziałających przesunięciu kotwicy.
Wykres (poglądowy) zależności sił działających na kotwicę od jej przesunięcia przedstawia rys.4.
PR - punkt równowagi sił działających na kotwicę przekaźnika
F0 - Wartość siły przyciągającej kotwicę równa sile ciężkości kotwicy
Rys. 4. Zależności sił działających na kotwicę przekaźnika od jej przesunięcia x
w początkowej fazie przemieszczania się kotwicy
Jeżeli założymy, że na kotwicę oprócz siły ciężkości kotwicy działają siła naprężenia sprężyny odciągającej i zestyków to przesuną się punkty F0 i PR ale przedstawione uprzednio rozumowaniu będzie miało zastosowanie i w tym przypadku. Ponieważ wiemy z dotychczasowych rozważań, że po osiągnięciu stanu równowagi sił dowolnie mały przyrost wartości natężenia prądu w uzwojeniu spowoduje, że dalsze przesunięcie kotwicy będzie następowało niezależnie od tego czy wzrasta wartość prądu czy też nie. Oczywiście wzrost wartości prądu spowoduje szybsze przesunięcie kotwicy a więc skrócenie czasu jej przyciągania.
Reasumując - istnieje taka wartość siły przyciągającej kotwicę (a więc strumienia magnetycznego i prądu który go wywołuje) , osiągnięcie której spowoduje przyciągnięcie kotwicy, niezależnie od tego czy prąd który ją wywoływał będzie dalej się zwiększać czy też nie.
Ten minimalny prąd który wywoła przyciągnięcie kotwicy (nie przyciąganie) nazywamy prądem przyciągania i oznaczamy go Ip.
Z powyższego wynika, że wszystkie prądy o wartościach większych od wartości prądu przyciągania również spowodują przyciągnięcie kotwicy. Dlatego też prąd znamionowy Izn(lub napięcie znamionowe Uzn którego wartość podaje się częściej ze względu na łatwość interpretacji) a więc parametr zapewniający poprawną, normalną pracę przekaźnika ma wartość o ok. 25-30% większą od prądu (napięcia) przyciągania. Można by zapytać dlaczego parametr znamionowy nie ma wartości jeszcze większej żeby zapewnić jeszcze pewniejszą pracę. Odpowiedź jest prosta. Za wszystko trzeba zapłacić a przecież wystarczy żeby przekaźnik pewnie pracował uwzględniając dopuszczalne odchylenia wielkości zasilania obwodów w których przekaźnik pracuje.
Przy badaniach przekaźników posługujemy się wielkością zwaną współczynnikiem zapasu kp który określamy jako
12
gdzie I - wartość prądu przepływającego przez uzwojenie, U - wartość napięcia dołączonego do uzwojenia przekaźnika, Up - napięcie przyciągania (odpowiednik prądu przyciągania).
Kontynuując rozważania na pasjonujący temat co się dzieje w przekaźniku i wiedząc, że im kotwica bliżej się przysuwa do rdzenia tym siła działająca na nią jest większa mamy kolejny problem. Bo, teoretyzując, - kiedy odległość pomiędzy kotwicą i rdzeniem osiągnie wartość 0 to siła przyciągania powinna dążyć do ∞. Jeżeli jednak weźmiemy pod uwagę, że jest to odległość pomiędzy środkami w/w elementów to siła przyciągania nigdy nie osiągnie nieskończoności , ale bardzo dużą wartość na pewno. A wtedy nawet po odłączeniu zasilania siła pochodząca od pozostałości magnetycznej w rdzeniu i kotwicy byłaby wystarczająca aby kotwica wciąż była mocno przytrzymywana.
Aby uniknąć problemów tego typu pomiędzy kotwicę i rdzeń wkłada się przekładkę (lub sztyft) z materiału niemagnetycznego i odpornego na uderzenia i ściskanie. Wówczas zawsze istnieje szczelina powietrzna pomiędzy kotwicą i rdzeniem i po kłopocie.
Skoro poznaliśmy zjawiska występujące przy przyciąganiu kotwicy pora zająć się procesami odwrotnymi czyli związanymi ze zwalnianiem kotwicy
Najpierw określmy stan istniejący (oczywiście przekaźnika a nie Waszej Drodzy Studenci wiedzy która jest prawie niezgłębiona).
Przez uzwojenie przekaźnika przepływa prąd o wartości nie mniejszej od prądu Ip w efekcie czego:
Kotwica jest przytrzymywana przy rdzeniu z siłą znacznie większą niż ta która była wystarczająca żeby rozpocząć przyciąganie,
Na kotwicę działają również siły: ciężkości kotwicy, zestyków i ewentualnie sprężyny odciągającej kotwicę, przy czym dwie ostatnie są trochę większe niż były w momencie rozpoczęcia ruchu kotwicy przy jej przyciąganiu,
Chcielibyśmy aby nastąpił ruch powrotny kotwicy (czyli zwolnienie kotwicy).
Aby nastąpiło 4 musimy doprowadzić do sytuacji w której siły określone w 3 będą minimalnie większe od siły określonej w 2. Ponieważ nie mamy wpływu na siły określone w 3 musimy odwrócić zagadnienie czyli doprowadzić do sytuacji w której siła przyciągania kotwicy będzie minimalnie mniejsza od sił odciągających kotwicę.
Żeby to uzyskać musimy zmniejszyć wartość prądu. Ponieważ szczelina powietrzna w sytuacji gdy kotwica jest przyciągnięta jest znacznie mniejsza (a więc opór magnetyczny w obwodzie magnetycznym przekaźnika jest znacznie mniejszy a strumień magnetyczny Φ i siła przyciągająca kotwicę są znacznie większe) niż w sytuacji gdy kotwica znajdowała się w punkcie PR aby uzyskać równowagę sił działających na kotwicę musimy zmniejszyć natężenie prądu znacznie poniżej wartości Ip.
Teraz jeżeli zmniejszymy wartość prądu I a co za tym idzie strumienia Φ o dowolnie małą wartość, to siła przyciągająca kotwicę będzie minimalnie mniejsza od sił odciągających i kotwica rozpocznie ruch zwalniania.
Na skutek odsunięcia kotwicy od rdzenia wzrośnie szczelina pomiędzy nimi i nastąpi dalsze zmniejszenie strumienia a więc i siły przytrzymującej kotwicę. Wobec tego kotwica przesunie się dalej i trochę szybciej i znowu wzrośnie szczelina i zmaleje strumień i siła przytrzymująca i kotwica jeszcze prędzej się odsunie i tak aż do pozycji spoczynkowej kotwicy i położenia wyjściowego zestyków.
Prąd (napięcie) który uzyskuje taką wartość aby kotwica została zwolniona nazywamy prądem (napięciem) zwalniania i opisujemy Iz (Uz ).
I to byłoby na tyle, gdyby nie ciągłe dążenie studentów do zgłębiania -
wiedzy w szczególności.
Żeby zaspokoić Wasz głód wiedzy otworzę Trzeci Poziom Dociekliwości
na którym to spróbujemy określić co się dzieje w obwodach przekaźnika (elektrycznym, magnetycznym i układzie mechanicznym) w czasie włączania i wyłączania zasilania jego uzwojenia.
Rozpocznijmy analizę pracy układów od określenia stanu początkowego a na początku tego stanu czyli przeddzidziu (bo nie wiesz Droga Młodzieży, że dzida składa się z przeddzidzia dzidzia i zadzidzia) uprościmy sobie trochę zagadnienie przyjmując, że parametrami obwodu elektrycznego w skład którego wchodzi uzwojenie przekaźnika będą wyłącznie rezystancja i indukcyjność.
Przyjmijmy, że uzwojenie nie jest zasilane czyli nie przepływa przez nie prąd, w obwodzie magnetycznym nie istnieje strumień magnetyczny i kotwica jest w stanie zwolnionym oraz, że ustalona wartość prądu będzie równa prądowi przyciągania.
Jeżeli włączymy zasilanie, to na uzwojeniu przekaźnika pojawi się napięcie (skokiem - zgodnie z 1-szą zasadą komutacji) i przez uzwojenie przekaźnika popłynie prąd.
Ponieważ wartość prądu będzie narastała od wartości = 0 do wartości określonej prawem Ohma = U / R a zjawisko to można opisać wzorem
13
gdzie t - czas występowania opisywanego zjawiska, τ - stała czasowa obwodu = L / R
to z bólem trzeba stwierdzić, że wyrażenie [1 - 
] osiągnie wartość 1 po upływie nieskończenie długiego czasu i dopiero wtedy prąd osiągnie wartość I = U / R.
Analizując przebieg wartości wyrażenia [1 - 
] = f (t) (co w pewnym zakresie obrazuje tabela pokazująca zmianę wartości prądu w czasie) można przyjąć, że po czasie równym 5τ będzie ona wystarczająco bliska 1 (wartość rzeczywista różni się mniej niż 1 % od wartości teoretycznej) a więc można również przyjąć, że po upływie tego czasu wartość prądu będzie równa U / R.
I / Iust = |
0 |
0,6321 |
0,8647 |
0,9502 |
0,9817 |
0,9932 |
0,9975 |
0,9991 |
0,9996 |
0,99988 |
0,99995 |
t = |
0 |
1τ |
2τ |
3τ |
4τ |
5τ |
6τ |
7τ |
8τ |
9τ |
10τ |
Tab. 1. Przebieg zmiany wartości prądu w czasie w uzwojeniu przekaźnika przy włączaniu zasilania
Ponieważ strumień Φ w obwodzie magnetycznym przekaźnika i siła F są bezpośrednio uzależnione od wartości prądu I [ 8, 10 ] i nie ma przesunięcia czasowego pomiędzy tymi wielkościami to powyższa tabela obrazuje również przebieg zmian tych wielkości w czasie.
Oczywiście należy pamiętać o tym, że raz magnesowane ciało posiada w sobie pozostałość magnetyczną. Ponieważ istnieje strumień szczątkowy, to charakterystyka dla przebiegu zmian strumienia magnetycznego zaczyna się nie od zera ale od tej wartości. Zagadnienie te obrazuje poniższa charakterystyka.
Rys. 5. Przebieg zmian wartości strumienia w obwodzie magnetycznym do momentu ruszenia kotwicy.
Ponieważ siła działająca na kotwicę jest nierozerwalnie związana ze strumieniem to powyższa charakterystyka obrazuje również przebieg zmian jej wartości oczywiście do tego samego momentu.
Poprzednia strona zasadniczo zawiera prawdę i tylko prawdę tylko !?. . . No właśnie - tylko co?
Tylko to, że ciągłe dążenie do prawdziwej prawdy wpędza nas coraz dalej w wiedzę czyli na coraz wyższy Poziom Dociekliwości.
To prawda, że strumień, siła i prąd są ze sobą w fazie a ich przebiegi mogą wyglądać jak w tabeli 1 i na rys.5 przedstawiono. Problemem jest tylko to, czy wiemy o jakich prądzie, strumieniu i sile dyskutujemy.
Siła jest niewątpliwie pochodną strumienia magnetycznego, strumień prądu a prąd ? I już wiadomo, że trzeba dojść do prądu lub prądów.
Mając wątpliwości czy istnieje jakiś inny prąd niż ten który płynie w uzwojeniu należy zastanowić się czy może płynąć jakiś inny.
Żeby płynął prąd muszą być spełnione dwa warunki zgodnie ze wzorem 3 - wymuszenie i opór na drodze prądu mniejszy od nieskończoności (najlepiej zresztą = 0 lub chociaż „ bardzo mnóstwo” mniejszy od ∞). Zaczynając od drugiego warunku trzeba by poszukać elementu elektrycznie lub magnetycznie związanego z uzwojeniem w którym mógłby płynąć prąd elektryczny a więc wykonanego z materiału elektrycznie przewodzącego. Spoglądając na rysunek 1 stwierdzić można, że takim elementem mogą być rdzeń i kotwica wykonane np. ze stali a więc z materiału m. in. elektrycznie przewodzącego. Mając spełniony pierwszy z warunków aby powstał prąd elektryczny potrzebujemy drugi czyli wymuszenie.
Reguła Lentz'a w postaci uogólnionej mówi że:
WSZYSTKIE ZMIANY WYWOŁUJĄ ZJAWISKA KTÓRE TAK PRZEBIEGAJĄ, ŻEBY ZLIKWIDOWAĆ PRZYCZYNĘ KTÓRA JE WYWOŁAŁA.
Po włączeniu napięcia zaczyna płynąć prąd i w rdzeniu (i kotwicy) zaczyna płynąć strumień magnetyczny. Ponieważ mamy zmiany, to w uzwojeniu musi powstać coś co będzie przeciwdziałało przyrostowi prądu i w rdzeniu i kotwicy musi powstać coś co zlikwiduje narastający strumień. W uzwojeniu oczywiście będzie to SEM samoindukcji a w rdzeniu i kotwicy musi to być coś, co wywoła strumień proporcjonalny do narastającego tylko odwrotnie skierowany. Czyli w rdzeniu i kotwicy musi popłynąć prąd a ponieważ najlepszy strumień daje prąd płynący w kółko powstają prądy wirowe.
Reasumując - w rdzeniu powstanie strumień będący sumą strumieni wywołanych prądem w uzwojeniu i prądami wirowymi w rdzeniu i kotwicy. Z tego wynika fakt, że gdybyśmy mieli rdzenie, jeden wykonany z materiału nieprzewodzącego drugi z materiału elektrycznie przewodzącego oba o takich samych parametrach magnetycznych to przekaźnik w tym drugim wykonaniu charakteryzował by się szybszym działaniem.
Wszystkie rozważania prowadzone do tej pory doprowadziły nas do momentu w którym prąd płynący w uzwojeniu przekaźnika uzyskał wartość Ip , strumień i siła przyciągająca kotwicę osiągnęły wartość przy której kotwica zaczyna być przyciągana.
No i co dalej?
Kotwica rusza, zmniejsza się szczelina pomiędzy rdzeniem a kotwicą i wzrasta strumień, wzrasta siła przyciągająca kotwicę, kotwica porusza się szybciej, jaszcze bardziej zmniejsza się szczelina pomiędzy rdzeniem a kotwicą i wzrasta strumień i wzrasta siła przyciągająca kotwicę i kotwica porusza się jeszcze szybciej, jaszcze bardziej zmniejsza się szczelina pomiędzy rdzeniem a kotwicą i wzrasta strumień i wzrasta siła przyciągająca kotwicę i tak do momentu dopóki kotwica nie walnie w rdzeń i zakończy się proces przyciągania. |
Prąd uzyskał wartość ustaloną i się nie zmienia.
Fajnie. A jak to będzie gdy wartość ustalona prądu będzie większa od wartości prądu przyciągania?
To proste. Całość zagadnienie należy podzielić na dwie części:
1 - do
2 - po.
Część pierwsza obejmuje interesujące nas zjawiska przebiegające do momentu A czyli osiągnięcia przez prąd wartości Ip a część druga, ku pełnemu zaskoczeniu wszystkich, od tego momentu.
Żeby trzymać się harmonogramu załatwimy najpierw część pierwszą zagadnienia.
Włączamy zasilanie i:
- skokiem pojawia się napięcie na uzwojeniu przekaźnika,
- narasta prąd, strumień i siła działająca na kotwicę.
I właściwie dalej nic się nie dzieje dopóki prąd nie osiągnie wartości Ip, przy czym wartość tą osiągnie w określonym czasie „znacznie znacznie” krótszym niż w poprzednim przypadku.
Od tego momentu rozpoczyna ruch kotwica i zupełnie spokojnie można by powtórzyć zacieniony akapit znajdujący się powyżej i zasadniczo byłby on zgodny z prawdą. Różnice polegają na szybkości zachodzących zmian gdyż w dalszym ciągu narasta prąd a więc i strumień i siła niezależnie od przyrostów wynikających ze zmniejszania się szczeliny pomiędzy kotwicą i rdzeniem. Efektem obu „skrótów” będzie skrócenie czasu oczekiwania na pojawienie się wartości Ip i skrócenie czasu lotu kotwicy. Efektem będzie skrócenie czasu przyciągania kotwicy a skrócenie to będzie większe im większa będzie wartość ustalona prądu.
Ciekawostką jest tutaj szybkość narastania prądu i strumienia, a co za tym idzie siły przyciągającej kotwicę, od momentu A.
Wiemy, przypominając sobie wzór 13, że prędkość narastania prądu uzależniona jest od trzech wielkości napięcia rezystancji i indukcyjności obwodu
Napięcie źródła jest jakie jest i możemy przyjąć, że jest stałe i to samo dotyczy rezystancji obwodu. Natomiast należy zastanowić się nad wartością L.
Przypominam, że L określa zdolność wytworzenia strumienia magnetycznego pod wpływem przepływającego prądu. Jeżeli parametry obwodów magnetycznego i elektrycznego przekaźnika nie ulegną zmianie wartość L będzie stała a więc i wartość τ = L / R będzie stała.
A więc kiedy może wartość L ulec zmianie i dlaczego.
Przypomnijmy sobie krzywą magnesowania jak również to czy zawsze mamy z nią do czynienia. W materiałach ferromagnetycznych zależność wartości strumienia od natężenia pola magnetycznego (H) przy większych wartościach H wchodzi w obszar nasycenia i wówczas zdolności tego obwodu do gromadzenia strumienia magnetycznego zmniejszają się i w końcowej fazie są identyczne jak powietrza. Natomiast, jeżeli mamy w obwodzie magnetycznym szczelinę powietrzną, to żeby osiągnąć nasycenie części ferromagnetycznej obwodu magnetycznego trzeba uzyskać znacznie większe natężenie pola niż w sytuacji gdyby tej szczeliny nie było. Im większa ta szczelina tym trudniej jest wejść w strefę nasycenia.
Wróćmy więc na chwilę do sytuacji gdy Iust = Ip.
W sytuacji gdy w uzwojeniu przekaźnika popłynie prąd o wartości równej wartości prądu przyciągania i kotwica zacznie być przyciągana do rdzenia, zacznie się zmniejszać szczelina powietrzna (oporność magnetyczna obwodu magnetycznego) i zacznie rosnąć strumień magnetyczny chociaż wartość prądu nie ulegnie zmianie. To znaczy, że zacznie się zwiększać indukcyjność uzwojenia L a więc zacznie rosnąć wartość τ i zjawisko to będzie występowało do momentu przyciągnięcia kotwicy do rdzenia. Wówczas L i τ uzyskają maksymalne wartości.
To znaczy, że w sytuacji gdy Iust > Ip, od momentu A zmiana wielkości szczeliny będzie powodowała, że przyrosty wartości prądu wraz ze zmniejszaniem się szczeliny będą coraz mniejsze, niż by to wynikało z krzywej przedstawionej na rys.5.
Przebieg ten w przybliżeniu obrazuje rys. 6.
Rys. 8. Przebieg wartości prądu w uzwojeniu przekaźnika przy stałym rozmiarze szczeliny pomiędzy kotwicą i rdzeniem - linia kropkowa, przy przyciąganiu kotwicy - linia ciągła, przy I ust = I p - linia przerywana. Punkt A odpowiada momentowi ruszenia kotwicy
przy wartości prądu ustalonego przekraczającej wartość prądu przyciągania.
Przebiegi przedstawione na rys. 8 powinny być liniami ciągłymi ale z czystego lenistwa zrobiłem je jako „łamańce” i jest to chyba oczywiste, że przebieg obrazujący zmianę wartości prądu w czasie przyciągania kotwicy będzie uzależniony od wartości Iust.
Dla przypomnienia pozwolę sobie tylko stwierdzić, że wszystko co dzieje się z kotwicą ma swoje odbicie w działaniu zestyków przekaźnika
Myślę, że wystarczy wiadomości na temat „Co się dzieje w przekaźniku gdy włączymy zasilanie”.
Przejdźmy teraz do równie pasjonującego tematu „Co się dzieje w przekaźniku gdy wyłączymy zasilanie”.
I znowu musimy zacząć od określenia stanu początkowego. Przyjmijmy więc, że:
kotwica przekaźnika jest przyciągnięta,
przez uzwojenie przekaźnika płynie prąd o natężeniu nie mniejszym od wartości Ip.
Wiedząc teraz gdzie jesteśmy możemy pójść na całość i . . . ciach, obcinamy zasilanie a nad skutkami naszego działania zastanowimy się za chwilę.
Chwila minęła więc cóż się dzieje - na początek w obwodzie elektrycznym przekaźnika?
zniknęło napięcie na uzwojeniu przekaźnika i przestał płynąć prąd i to wszystko skokiem.
Czy to znaczy , że zniknęło również pole magnetyczne (czytaj strumień magnetyczny)? I na tak postawione pytanie z całą mocą odpowiemy NIE.
Przypomnijmy sobie regułę pana L. Jest rewolucja więc musi być i przeciwdziałanie czyli musimy podtrzymać zanikający strumień. Już wiemy, że będą to prądy płynące w kółko tam gdzie będą mogły, czyli w rdzeniu i kotwicy. Jest wprawdzie oczywiste, że będą płynęły tym dłużej im większy strumień będzie zanikał. Ponieważ strumień ten pochodził od prądu w uzwojeniu to znaczy, ze im większy prąd tym dłużej trwa zanikanie strumienia w rdzeniu. Po osiągnięciu stanu nasycenia praktycznie strumień nie zwiększa się wraz ze wzrostem wartości prądu.. Ponieważ po przyciągnięciu kotwicy szczelina pomiędzy kotwicą a rdzeniem jest minimalna stosunkowo łatwo jest doprowadzić obwód magnetyczny przekaźnika do stanu nasycenia. Natomiast w stanie przekaźnika przed przyciągnięciem kotwicy szczelina ta jest duża i nasycenie jest raczej niemożliwe do osiągnięcia.
Biorąc powyższe pod uwagę, trzeba stwierdzić, że zjawisko nasycenia ogranicza czas zaniku strumienia a więc i czas zwalniania kotwicy przekaźnika, natomiast ma znacznie mniejszy wpływ na czas przyciągana kotwicy.
Żeby nie przemęczać Was wiedzą Droga Młodzieży ale jednocześnie trochę zapełnić Wasze chłonne umysły, pozwolę sobie na jedno max dwa zdania podsumowania.
To co się dzieje z zestykami przekaźnika jest uzależnione od tego co dzieje się z kotwicą⇒ to co się dzieje z kotwicą jest uzależnione od tego co się dzieje ze strumieniem ⇒ a zazwyczaj to co się dzieje ze strumieniem jest uzależnione od tego co się dzieje z prądem w uzwojeniu.
A więc analizując pracę przekaźnika zwróćcie przede wszystkim uwagę na to co się ze strumieniem magnetycznym a więc i z prądem (czasami prądami) dzieje.
Z życzeniami sukcesów w zdobywaniu wiedzy w Laboratorium Podstaw Automatyki (a jak wiadomo nie jest o nie łatwo)
Wasz J W
Włodarczyk Jerzy Przekobo4 Strona 11 99-12-21
F
PR
N
x
wartość
sił
G
O
Z
0
F0
3τ
6τ
5τ
1
4τ
1τ
7τ
wartośc początkowa
wartośc ustalona
2τ
8τ
9τ
10τ
0,9
0,8
0,7
0,6
0,3
0,2
0,1
t
0
I / Iust
I / Ip = 1
A
Wyszukiwarka