Elektrische aandrijvingen

Verschillende actuatoren worden gebruikt om de contacten van elektrische apparaten te sluiten en te openen. Bij een handmatige aandrijving wordt het vermogen van de menselijke hand via een systeem van mechanische overbrengingen naar de contacten overgebracht. Handmatige bediening wordt gebruikt in sommige scheiders, stroomonderbrekers, stroomonderbrekers en controllers.

Meestal wordt handmatige bediening gebruikt in niet-automatische apparaten, hoewel bij sommige beveiligingsapparaten het inschakelen handmatig gebeurt en automatisch wordt uitgeschakeld onder invloed van een samengedrukte veer. Externe aandrijvingen omvatten elektromagnetische, elektropneumatische, elektromotorische en thermische aandrijvingen.

Elektromagnetische aandrijving

De meest gebruikte in elektrische apparaten is een elektromagnetische aandrijving die de aantrekkingskracht van het anker tot in de kern gebruikt elektromagneet of de trekkracht van het anker solenoïde spoel.

Elk ferromagnetisch materiaal dat in een magnetisch veld wordt geplaatst, krijgt de eigenschappen van een magneet. Daarom zal een magneet of elektromagneet ferromagnetische lichamen naar zich toe trekken.Deze eigenschap is gebaseerd op de apparaten van verschillende soorten hef-, intrek- en roterende elektromagneten.

Een kracht F waarmee de elektromagneet of permanente magneet trekt een ferromagnetisch lichaam aan - een anker (Fig. 1, a),

waarbij B de magnetische inductie in de luchtspleet is; S is de dwarsdoorsnede van de polen.

De magnetische flux F gecreëerd door de spoel van de elektromagneet en dus de magnetische inductie B in de luchtspleet, zoals hierboven vermeld, hangt af van de magnetomotorische kracht van de spoel, d.w.z. van het aantal windingen w en de stroom die er doorheen stroomt. Daarom kan de kracht F (trekkracht van de elektromagneet) worden aangepast door de stroom in de spoel te veranderen.

De eigenschappen van de elektromagnetische aandrijving worden gekenmerkt door de afhankelijkheid van de kracht F van de positie van het anker. Deze afhankelijkheid wordt de tractiekarakteristiek van de elektromagnetische aandrijving genoemd. De vorm van het magneetsysteem heeft een grote invloed op het verloop van de trekkarakteristiek.

Een magnetisch systeem bestaande uit een U-vormige kern 1 (fig. 1, b) met een spoel 2 en een roterend anker 4, dat is verbonden met het beweegbare contact 3 van het apparaat, is wijdverbreid geworden in elektrische apparaten.

Een geschatte weergave van de tractiekarakteristieken wordt getoond in Fig. 2. Wanneer de contacten volledig open zijn, is de luchtspleet x tussen het anker en de kern relatief groot en zal de magnetische weerstand van het systeem het grootst zijn. Daarom zullen de magnetische flux F in de luchtspleet van de elektromagneet, de inductie B en de trekkracht F het kleinst zijn. Bij een correct berekende aandrijving zou deze kracht echter moeten zorgen voor de aantrekkingskracht van het anker op de kern.

Rijst. 1.Schematisch diagram van een elektromagneet (a) en diagram van een elektromagnetische aandrijving met een U-vormig magnetisch circuit (b)

Naarmate het anker dichter bij de kern komt en de luchtspleet kleiner wordt, neemt de magnetische flux in de opening toe en neemt de trekkracht dienovereenkomstig toe.

De stuwkracht F die door de aandrijving wordt gecreëerd, moet voldoende zijn om de weerstandskrachten van het voortstuwingssysteem van het voertuig te overwinnen. Deze omvatten de kracht van het gewicht van het bewegende systeem G, de contactdruk Q en de kracht P gecreëerd door de terugstelveer (zie Fig. 1, b). De verandering in de resulterende kracht bij het verplaatsen van het anker wordt weergegeven in het diagram (zie Fig. 2) door de stippellijn 1-2-3-4.

Naarmate het anker beweegt en de luchtspleet x kleiner wordt totdat de contacten elkaar raken, hoeft de aandrijving alleen de weerstand te overwinnen vanwege de massa van het bewegende systeem en de werking van de terugstelveer (hoofdstuk 1-2). Bovendien neemt de inspanning sterk toe met de waarde van het eerste indrukken van de contacten (2-3) en neemt toe met hun beweging (3-4).

Een vergelijking van de kenmerken getoond in Fig. 2, stelt ons in staat om de werking van het apparaat te beoordelen. Dus als de stroom in de stuurspoel ppm.I2w produceert, dan is de grootste opening x waarbij het apparaat kan worden ingeschakeld x2 (punt A) en bij lagere ppm. I1w, de trekkracht zal niet voldoende zijn en het apparaat kan alleen worden ingeschakeld als de opening afneemt tot x1 (punt B).

Wanneer het elektrische circuit van de aandrijfspoel wordt geopend, keert het bewegende systeem terug naar zijn oorspronkelijke positie onder invloed van veer en zwaartekracht.Bij kleine waarden van de luchtspleet en herstelkrachten kan het anker door de resterende magnetische flux in een tussenpositie worden gehouden. Dit fenomeen wordt verholpen door een vaste minimale luchtspleet in te stellen en de veren aan te passen.

Stroomonderbrekers gebruiken systemen met een vasthoudelektromagneet (Fig. 3, a). Het anker 1 wordt in een aangetrokken positie gehouden ten opzichte van het juk van de kern 5 door de magnetische flux F die wordt gegenereerd door de houdspoel 4 die wordt gevoed door het regelcircuit. Als het nodig is om te ontkoppelen, wordt er een stroom geleverd aan de ontkoppelspoel 3, die een magnetische flux Fo creëert die wordt gericht op de magnetische flux Fu van de spoel 4, die het anker en de kern demagnetiseert.

Rijst. 2. Tractiekarakteristieken van elektromagnetische aandrijving en krachtdiagram

Rijst. 3. Elektromagnetische aandrijving met houdelektromagneet (a) en met magnetische shunt (b)

Dientengevolge beweegt het anker onder invloed van de ontkoppelingsveer 2 weg van de kern en gaan de contacten 6 van het apparaat open. De uitschakelsnelheid wordt bereikt doordat aan het begin van de beweging van het beweegbare systeem de grootste krachten van de gespannen veer werken, terwijl bij de conventionele elektromagnetische aandrijving, eerder besproken, de beweging van het anker begint met een grote opening en een lage trekkracht.

Als bedieningsspoel 3 in stroomonderbrekers worden soms rails of demagnetiseringsspoelen gebruikt, waar de stroom van het door het apparaat beveiligde voedingscircuit doorheen gaat.

Wanneer de stroom in spoel 3 een bepaalde waarde bereikt die wordt bepaald door de instelling van het apparaat, neemt de resulterende magnetische flux Fu — Fo die door het anker gaat af tot een waarde die het anker niet langer in een getrokken toestand kan houden, en het apparaat is uitgeschakeld.

In snelle stroomonderbrekers (Fig. 3, b) zijn de stuur- en sluitspoelen geïnstalleerd in verschillende delen van het magnetische circuit om hun wederzijdse inductieve invloed te vermijden, wat de demagnetisatie van de kern vertraagt ​​en zijn eigen uitschakeltijd verlengt, vooral bij hoge stijgingspercentages van noodstroom in het beveiligde circuit.

De uitschakelspoel 3 is gemonteerd op de kern 7, die door luchtspleten is gescheiden van het magnetische hoofdcircuit.

Het anker 1, de kernen 5 en 7 zijn gemaakt in de vorm van pakketten van staalplaat en daarom zal de verandering van de magnetische flux daarin exact overeenkomen met de verandering van de stroom in het beveiligde circuit. De flux Fo gecreëerd door de afsnijspoel 3 wordt op twee manieren gesloten: door het anker 1 en door het ongeladen magnetische circuit 8 met de stuurspoel 4.

De verdeling van de flux Ф0 langs de magnetische circuits hangt af van de mate van verandering. Bij hoge toenamesnelheden van de noodstroom, die in dit geval een demagnetiserende flux Ф0 creëert, begint al deze flux door het anker te stromen, aangezien een snelle verandering in het deel van de flux Fo die door de kern gaat met de spoel 4 van de emf wordt voorkomen. D. s geïnduceerd in de houdspoel wanneer de stroom erdoor snel verandert. Deze e.enz. c) volgens de regel van Lenz creëert het een stroom die de groei van dat deel van de stroom Fo vertraagt.

Dientengevolge zal de uitschakelsnelheid van de snelle stroomonderbreker afhangen van de toenamesnelheid van de stroom die door de sluitspoel 3 gaat. Hoe sneller de stroom toeneemt, hoe lager de stroom, het uitschakelen van het apparaat begint. Deze eigenschap van een snelle stroomonderbreker is zeer waardevol omdat de stroom de hoogste snelheid heeft in de kortsluitmodi en hoe sneller de stroomonderbreker het circuit begint te onderbreken, hoe kleiner de stroom die erdoor wordt beperkt.

In sommige gevallen is het nodig om de werking van het elektrische apparaat te vertragen. Dit wordt gedaan met behulp van een inrichting voor het verkrijgen van een tijdvertraging, waaronder wordt verstaan ​​de tijd vanaf het moment dat de spanning wordt aangebracht of verwijderd van de aandrijfspoel van het apparaat tot het begin van de beweging van de contacten. het uitschakelen van elektrische apparaten die worden bestuurd door gelijkstroom, wordt uitgevoerd door middel van een extra kortsluitspoel die zich op hetzelfde magnetische circuit bevindt als de stuurspoel.

Wanneer de stroom van de stuurspoel wordt verwijderd, verandert de magnetische flux die door deze spoel wordt gecreëerd van de bedrijfswaarde naar nul.

Wanneer deze flux verandert, wordt in de kortgesloten spoel een stroom geïnduceerd in een zodanige richting dat de magnetische flux de vermindering van de magnetische flux van de stuurspoel verhindert en het anker van de elektromagnetische aandrijving van het apparaat in de aangetrokken positie houdt.

In plaats van een kortsluitspoel kan een koperen huls op het magnetische circuit worden geïnstalleerd. De werking is vergelijkbaar met die van een kortsluitspoel. Hetzelfde effect kan worden bereikt door het circuit van de stuurspoel kort te sluiten op het moment dat deze wordt losgekoppeld van het netwerk.

Om de sluitertijd te verkrijgen voor het inschakelen van het elektrische apparaat, worden verschillende mechanische timingmechanismen gebruikt, waarvan het werkingsprincipe vergelijkbaar is met een klok.

Elektromagnetische apparaataandrijvingen worden gekenmerkt door stroom- (of spannings-) aansturing en retour. Bedrijfsstroom (spanning) is de kleinste waarde van stroom (spanning) waarbij een duidelijke en betrouwbare werking van het apparaat is gegarandeerd. Voor tractietoestellen is de reactiespanning 75% van de nominale spanning.

Als u de stroom in de spoel geleidelijk vermindert, wordt het apparaat bij een bepaalde waarde uitgeschakeld. De hoogste waarde van de stroom (spanning) waarbij het apparaat al is uitgeschakeld, wordt de tegenstroom (spanning) genoemd. De tegenstroom Ib is altijd kleiner dan de bedrijfsstroom Iav, omdat bij het inschakelen van het mobiele systeem van het apparaat de wrijvingskrachten moeten worden overwonnen, evenals de grotere luchtspleten tussen het anker en het juk van het elektromagnetische systeem .

De verhouding van de retourstroom tot de opvangstroom wordt de retourfactor genoemd:

Deze coëfficiënt is altijd kleiner dan één.

Elektropneumatische aandrijving

In het eenvoudigste geval bestaat de pneumatische aandrijving uit een cilinder 1 (fig. 4) en een zuiger 2, die is verbonden met een beweegbaar contact 6. Als de klep 3 open is, is de cilinder aangesloten op de persluchtleiding 4, die de zuiger 2 in de bovenste stand brengt en de contacten sluit. Wanneer de klep vervolgens sluit, is het volume van de cilinder onder de zuiger verbonden met de atmosfeer en keert de zuiger onder invloed van de terugstelveer 5 terug naar zijn oorspronkelijke staat, waarbij de contacten worden geopend.Een dergelijke actuator kan een handbediende pneumatische actuator worden genoemd.

Om de toevoer van perslucht op afstand te kunnen regelen, wordt gebruik gemaakt van magneetventielen in plaats van een kraan. De magneetklep (fig. 5) is een systeem van twee kleppen (inlaat en uitlaat) met een laag vermogen (5-25 W) elektromagnetische aandrijving. Ze zijn onderverdeeld in aan en uit, afhankelijk van de aard van de bewerkingen die ze uitvoeren wanneer de spoel wordt bekrachtigd.

Wanneer de spoel wordt bekrachtigd, verbindt de afsluitklep de bedieningscilinder met de bron van perslucht, en wanneer de spoel spanningsloos is, communiceert deze de cilinder met de atmosfeer, terwijl tegelijkertijd de toegang tot de persluchtcilinder wordt geblokkeerd. Lucht uit de tank stroomt door opening B (fig. 5, a) naar de onderste klep 2, die in de uitgangspositie gesloten is.

Rijst. 4. Pneumatische aandrijving

Rijst. 5. Inschakelen (a) en uitschakelen (b) van magneetventielen

De cilinder van de pneumatische actuator aangesloten op poort A is via de open klep 1 verbonden met de atmosfeer via poort C. Wanneer de spoel K wordt bekrachtigd, drukt de solenoïdestang op de bovenste klep 1 en, het overwinnen van de kracht van de veer 3, sluit klep 1 en opent klep 2. Tegelijkertijd stroomt de perslucht van poort B via klep 2 en poort A in de pneumatische actuatorcilinder.

Integendeel, de afsluiter verbindt, wanneer de spoel niet wordt bekrachtigd, de cilinder met de perslucht en wanneer de spoel wordt bekrachtigd - met de atmosfeer. In de begintoestand is klep 1 (fig. 5, b) gesloten en klep 2 open, waardoor er een pad ontstaat voor perslucht van poort B naar poort A via klep 2.Wanneer de spoel wordt bekrachtigd, gaat klep 1 open, waardoor de cilinder met de atmosfeer wordt verbonden, en de luchttoevoer wordt gestopt door klep 2.

Elektrische aandrijving

Om een ​​aantal elektrische apparaten aan te drijven, worden elektromotoren gebruikt met mechanische systemen die de roterende beweging van de motoras omzetten in de translatiebeweging van het contactsysteem. Het belangrijkste voordeel van elektromotorische aandrijvingen in vergelijking met pneumatische aandrijvingen is de constantheid van hun kenmerken en de mogelijkheid van hun aanpassing. Volgens het werkingsprincipe kunnen deze aandrijvingen in twee groepen worden verdeeld: met permanente verbinding van de motoras met een elektrisch apparaat en met periodieke verbinding.

In een elektrisch apparaat met een elektromotor (fig. 6) wordt de rotatie van de elektromotor 1 via een tandwiel 2 overgebracht op de nokkenas 3. In een bepaalde positie tilt de nok van de as 4 de stang 5 op en sluit het bijbehorende beweegbare contact met het stationaire contact 6.

In het aandrijfsysteem van elektrische groepsapparaten worden soms apparaten geïntroduceerd die zorgen voor een stapsgewijze rotatie van de as van een elektrisch apparaat met een stop in elke positie. Tijdens het remmen wordt de motor uitgeschakeld. Een dergelijk systeem zorgt voor een nauwkeurige fixatie van de as van het elektrische apparaat op zijn plaats.

Als voorbeeld toont FIG. 7 is een schematische weergave van de zogenaamde Maltese kruisaandrijving die wordt gebruikt in groepsbesturingen.

Rijst. 6. Elektromotorische aandrijving met permanente verbinding van motorassen en elektrische apparaten

Rijst. 7. Elektromotorische aandrijving van de groepscontroller

Afb. 8. Thermische actuator met bimetalen plaat.

De aandrijving bestaat uit een servomotor en een wormwielkast met positiebepaling door middel van een Maltezer kruis. De worm 1 is verbonden met de servomotor en brengt de rotatie over op de as van het wormwiel 2, waarbij de schijf 3 met vingers en een grendel wordt aangedreven (Fig. 7, a). De as van het Maltezer kruis 4 draait pas als de vinger van de schijf 6 (Fig. 7, b) de groef van het Maltezer kruis binnengaat.

Bij verdere rotatie zal de vinger het kruis, en dus de as waarop het zit, 60 ° draaien, waarna de vinger wordt losgelaten en de vergrendelingssector 7 de positie van de as nauwkeurig zal fixeren. Wanneer u de wormwielas één slag draait, draait de Maltese kruisas 1/3 slag.

Versnelling 5 is gemonteerd op de as van het Maltezer kruis, die de rotatie overbrengt op de hoofdnokkenas van de groepscontroller.

Thermische aandrijving

Het belangrijkste element van dit apparaat is bimetalen plaat, die bestaat uit twee lagen ongelijksoortige metalen die stevig zijn verbonden over het gehele contactoppervlak. Deze metalen hebben verschillende temperatuurcoëfficiënten van lineaire uitzetting. Een metaallaag met een hoge lineaire uitzettingscoëfficiënt 1 (Fig. 8) wordt een thermoactieve laag genoemd, in tegenstelling tot een laag met een lagere lineaire uitzettingscoëfficiënt 3, die thermopassief wordt genoemd.

Wanneer de plaat wordt verwarmd door een stroom die er doorheen gaat of door een verwarmingselement (indirecte verwarming), ontstaat er een verschillende rek van de twee lagen en buigt de plaat naar een thermopassieve laag. Met een dergelijke buiging kunnen contacten 2 die op de plaat zijn aangesloten direct worden gesloten of geopend, wat wordt gebruikt in thermische relais.

Door de plaat te buigen kan ook de hendelvergrendeling op het elektrische apparaat worden vrijgegeven, die vervolgens wordt vrijgegeven door de veren. De ingestelde aandrijfstroom wordt geregeld door verwarmingselementen te selecteren (bij indirecte verwarming) of door de contactoplossing te veranderen (bij directe verwarming) De tijd om de bimetalen plaat na gebruik en afkoeling terug te brengen naar de oorspronkelijke positie varieert van 15 s tot 1,5 minuut.