Буль - Электромеханические аппараты автоматики. Учебник (1988)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник написан по программе курса «Электромеханические аппараты автоматики» для студентов  специальности «Электрические аппараты». Он может быть полезен также студентам специальностей «Электрические машины»,  «Автоматика и телемеханика», «Электрооборудование самолетов и  автомобилей», «Электропривод и автоматизация промышленных  установок», «Электрификация и автоматизация горных работ»,  «Автоматизация и комплексная механизация машиностроения», «Электрические станции», «Электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства».

Материал учебника состоит из пяти разделов. Первый раздел посвящен общим вопросам анализа и расчета магнитных систем постоянного и переменного тока  электромеханических аппаратов автоматики.

Во втором разделе рассмотрены различные  электромеханические реле, в том числе принцип их действия, основные понятия, определения и параметры, контакты, механические характеристики и согласование последних с тяговыми характеристиками.  Приведены примеры электромагнитных реле для промышленной  автоматики, защиты и радиоэлектроники. Третий раздел посвящен электрическим аппаратам с  герметизированными магнитоуправляемыми контактами (МК) — герконами. Дан анализ МК и рассмотрены их характеристики. Изложены вопросы теории и конструирования герконовых реле и командоаппаратов на базе МК; описаны ферриды — запоминающие аппараты с МК, управляемые кратковременными импульсами магнитного поля.

В четвертом разделе рассмотрены различные параметрические и генераторные первичные измерительные преобразователи: резисторные, емкостные, индуктивные, трансформаторные,  индукционные и др. В пятом разделе описаны различные исполнительные  устройства (магнитоэлектрические, ферродинамические. электромагнитные, электромагнитные поляризованные) и магнитные опоры. В основу учебника положены курсы лекций, которые авторы на протяжении многих лет читали в Московском энергетическом  институте (МЭИ) и во Всесоюзном заочном политехническом институте (ВЗПИ). При его написании авторы использовали результаты своей научной работы, а также публикации других исследователей.

Распределение материала учебника между авторами следующее: предисловие, введение, с шестой по девятую главы, пятнадцатая глава (кроме §15.4) и заключение — В. Н. Шоффа; с первой по пятую (кроме § 4.3) главы — О. Б. Буль; с десятой по  тринадцатую главы, а также § 4.3 и § 15.4 — В. А. Азаиов;  четырнадцатая глава (кроме § 14.4)—совместно Б. К- Буль и О. Б. Буль; § 14.4 —Б. К- Буль.

При работе над учебником авторы с благодарностью учли  замечания и пожелания, отмеченные в рецензиях кафедры  электрических аппаратов Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Ю. В. Софронов) и д-ра техн. наук, проф. Д. В. Орлова, а также пожелания,  высказанные преподавателями кафедр электрических аппаратов  Московского энергетического института и Ереванского политехнического института, кафедры электрических машин и аппаратов Всесоюзного заочного политехнического института.

ВВЕДЕНИЕ

Автоматика представляет собой  совокупность методов и технических средств, предназначенных для  исключения участия человека в выполнении операций какого-либо  процесса.

Автомат — это устройство, выполняющее по заданной программе без непосредственного участия человека процессы получения,  преобразования, передачи и использования энергии, материала или  информации. История развития автоматов. До XVIII в. автоматы были  только редкими примерами искусства мастеров. Промышленная  революция XVIII—XIX вв. создала условия для механизации процесса производства. Важнейшими достижениями этого периода стали  изобретения: в России — автоматического суппорта для токарно-копировальных станков (А. Нартов, 20-е годы XVIII в.), поплавкового регулятора уровня воды в паровом котле (И. И. Ползунов, 1765 г.); в Англии — центробежного регулятора скорости паровой машины (Дж. Уатт, 1784 г.); во Франции — ткацкого станка с программным управлением от перфокарт (Ж. Жаккар, 1808 г.). Достижения науки в области электротехники послужили базой для разработки новых видов автоматов — электрических. Основные теоретические положения, применяемые для их построения, были заимствованы из электроизмерительной техники. В создании  электрических измерительных приборов и средств автоматики  значительны заслуги русских ученых. В 1830—1832 гг. П. Л. Шиллинг изобрел электромеханическое реле и телеграфный аппарат. В 1834 г. Б. С. Якоби создал первый электродвигатель с непрерывным  движением вращения. В 1887 г. К- А. Мосцицкий разработал одну из первых в мире автоматических телефонных станций (АТС). В 80-е годы XIX в. Ф. М. Балюкевич, В. М. Тагайчиков и другие  разработали ряд устройств автоматической сигнализации на  железнодорожном транспорте. В конце XIX в. М. О. Доливо-Добровольский, основываясь на принципе вращающегося магнитного поля,  открытом итальянским физиком Г. Феррарисом (1885 г.), предложил систему трехфазного тока и, развивая идею ее применения,  разработал трехфазный асинхронный двигатель и ряд новых  электроизмерительных приборов, в частности первый фазометр. В прошлом веке появились также реле А. П. Давыдова для автоматической мины, регуляторы В. Н. Чиколева и А. И. Шпаковского для  дуговых ламп, реле Р. Р. Вредена для защиты телефона от действия токов осветительной сети и др. В 1913 г. М. О.  Доливо-Добровольский, основываясь на работах А. Г. Столетова по намагничиванию сталей, впервые разработал ферродинамические приборы. В СССР освоение автоматизированных средств управления и регулирования производственных процессов проводилось в  соответствии с постановлениями партии и правительства об  индустриализации. В 1930 г. по инициативе Г. М. Кржижановского был  организован комитет для руководства работами по автоматизации в  энергетике. В 1935 г. в системе АН СССР стала работать Комиссия  телемеханики и автоматики для обобщения и координации научно- исследовательских работ в этой области. В период 1928—1941 гг. создаются первые заводы по производству приборов и аппаратуры автоматики.

В послевоенном плане восстановления и развития народного хозяйства (1946—1950 гг.) была предусмотрена дальнейшая  автоматизация в энергетике, химической, нефтяной и нефтехимической промышленностях, широкое внедрение в производство  автоматизированного электропривода. В 50-х годах автоматизация  производства начала распространяться на все важнейшие отрасли народного хозяйства СССР. XXI съезд КПСС (1959 г.) сформулировал как одну из важнейших задач в развитии народного хозяйства переход к комплексной автоматизации процессов и предприятий, отметив целесообразность применения ЭВМ для управления сложными  автоматизированными производствами. Все последующие съезды партии уделяли этому вопросу большое внимание.

В Основных направлениях экономического и социального  развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года  предусмотрена всемерная интенсификация и повышение эффективности производства на базе научно-технического прогресса. Для  достижения этой цели с 1986 по 1990 г. уровень автоматизации  производства намечено поднять примерно в два раза. Основная роль в решении этой задачи отводится современным системам  автоматизации, в том числе с применением робототехнических комплексов. Высшим видом этих систем в наше время являются такие  комплексно-автоматизированные производства, которые можно быстро и экономично перестраивать, а именно гибкие автоматизированные производства (ГАП).

Автоматика как наука. Наука «автоматика» возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой были  заложены в работах Дж. К- Максвелла A868 г.), И. А. Вышнеградского A872—1878 гг.), А. Стодолы A899 г.) и др. В стадии  становления она опиралась сначала на теоретическую механику, а затем на теорию электрических цепей.

Как самостоятельная область техники автоматика получила признание на Второй Мировой энергетической конференции  (Берлин, 1930 г.). Совершенствование технических средств привело к созданию комплексных автоматических систем, что предъявило новые  требования к автоматике как к науке, объединяющей ряд теоретических аспектов: теорию автоматического регулирования, теорию  электрических аппаратов автоматики, теорию различных видов связи и другие специальные науки. И, наконец, потребовалось направление в науке, которое определяло бы сходство между процессами в  машинах и живых организмах (в том числе в людях) с целью  облегчения создания машин, помогающих человеку в его умственном труде. Направление науки, определяющее общие законы  получения, хранения, передачи и переработки информации, называется кибернетикой. Кибернетика сложилась в 40-е годы XX в. и связана с именами американского математика Н. Винера, мексиканского нейрофизиолога А. Розенблюта и американского исследователя Дж. X. Бигелоу. Однако сам Н. Винер в своей книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» упоминает, что им использовались труды советского математика А. Н. Колмогорова; упоминаются также работы Н.Н. Боголюбова и Н. М. Крылова,  труды ряда ученых других стран. Основными техническими средствами для решения задач кибернетики являются ЭВМ. Современная  кибернетика состоит из ряда разделов, представляющих собой  самостоятельные научные направления (теория информации, теория алгоритмов, теория оптимального управления, теория  распознавания образов и др.).

Технические средства автоматики. По назначению они  разделяются на несколько групп. Первая группа — первичные измерительные  преобразователи, воспринимающие изменения параметров контролируемого  объекта и вырабатывающие информацию в форме, удобной для ее  передачи и дальнейшего преобразования. Вторая группа — устройства для передачи (распределения) информации: а) аппаратура телеконтроля для передачи сигнала  информации по каналам связи; б) коммутаторы для распределения сигналов информации на места ее представления и обработки.

Третья группа — устройства для логической и  математической обработки информации: а) преобразователи, изменяющие  характер сигналов информации с целью ее обработки или хранения; б) устройства (в том числе ЭВМ) для переработки информации по заданным алгоритмам с целью осуществления законов и режимов управления (регулирования), в том числе для хранения сигналов информации, создания программных сигналов, сравнения  информационных сигналов с программными.

Четвертая группа — исполнительные устройства  контроля, показывающие оператору состояние процессов в  контролируемом объекте: сигнальные табло, мнемонические схемы, стрелочные и цифровые приборы, указательные (сигнальные) реле,  алфавитные или цифровые печатающие машины.

Пятая группа — устройства выработки управляющих  воздействий, преобразующие сигналы информации в более мощные сигналы требуемой формы (часто и другой физической природы относительно информационных сигналов) для приведения в  действия исполнительных устройств управления.

Шестая группа — исполнительные устройства управления, выполняющие заключительную операцию процесса управления. Таким образом, технические средства автоматики выполняют функции контроля и управления, которые могут реализовываться отдельно или быть связанными. В последнем случае это часто  делается для выполнения функции регулирования. Что же из  перечисленных выше технических средств относится к аппаратам  автоматики, электрическим аппаратам автоматики и  электромеханическим аппаратам автоматики в частности?

Согласно «Советскому энциклопедическому словарю»,  аппарат— это прибор, техническое устройство, приспособление. Если следовать такому определению, то все указанные выше технические средства автоматики относятся к аппаратам автоматики. Таким образом, аппараты автоматики (АА) служат для получения  измерительной (контрольной) информации об объектах, ее передачи, преобразования, запоминания и сравнения с программными  данными, а также для формирования, передачи (распределения)  обратной, командной (управляющей) информации с целью  воздействия на объекты. Для построения АА используются различные  физические явления, чаще всего электрические, гидравлические и пневматические. Следует, однако, отметить, что к электрическим аппаратам автоматики (ЭАА) не относят ЭВМ, печатающие  машины, сигнальные, табло, мнемонические схемы, измерительные приборы, электромоторные исполнительные механизмы. Электрические аппараты (ЭА), принцип действия которых не связан с использованием перемещения их составных элементов, называются статическими электрическими аппаратами (СЭА). Электрические аппараты, функционирование которых основано на использовании перемещения их составных элементов, называются электромеханическими аппаратами (ЭМА). К электромеханическим аппаратам автоматики (ЭМАА)  традиционно относят:

—- первичные электромеханические измерительные  преобразователи;

— различные электромеханические реле;

•— шаговые искатели (распределители), осуществляющие  поочередное подключение одной цепи к ряду других;

— командная аппаратура: конечные и путевые выключатели,  поворотные переключатели и др.;

— различные исполнительные аппараты контроля и управления, в том числе: электромагнитные муфты, электромагнитные  клапаны и др.;

•— электрические и магнитные опоры.

В настоящем учебнике рассмотрены вопросы теории и принципы построения большинства из этих аппаратов. Такие ЭА, как контакторы и пускатели, контроллеры,  автоматические выключатели, тепловые реле, предохранители, рубильники и пакетные переключатели, традиционно рассматриваются в курсе «Электрические аппараты управления» (ЭАУ), хотя разделение учебного материала на курсы ЭМАА и ЭАУ весьма условно, так как помимо рубильников и пакетных переключателей все  остальные аппараты, анализируемые в курсе ЭАУ, представляют собой электрические аппараты автоматики в связи с тем, что  автоматическое управление является частью автоматики. Дисциплина ЭМАА представляет собой одну из составных  частей системы дисциплин, изучаемых по специальности  «Электрические аппараты». Основной целью этой дисциплины является  получение знаний по устройству и принципам действия различных ЭМАА, методам анализа протекающих при их работе процессов и приобретение навыков творческого использования этих знаний на практике.

Раздел первый

Магнитные системы электромеханических аппаратов автоматики

Магнитная система (МС)— это  совокупность проводников с током (или постоянных магнитов) и  ферромагнитных элементов, предназначенная для создания заданного магнитного поля. Проводник с током в МС чаще всего  используется в виде обмотки — несколько раз обвивает ферромагнитный элемент МС. Ферромагнитные элементы МС образуют  магнитопровод, который предназначен для уменьшения магнитного  сопротивления потоку и подведения его к тому пространству, в котором  поток используется.

Магнитная система — неотъемлемая часть подавляющего  большинства ЭМАА. Она имеется у ЭМАА электромагнитного,  поляризованного электромагнитного, магнитоэлектрического,  индукционного и других принципов действия, поэтому вопросам расчета МС в учебнике уделяется большое внимание.

Магнитопровод МС большинства ЭМАА, как правило,  разомкнут одним или несколькими немагнитными промежутками,  необходимыми для того, чтобы тем или иным образом использовать  магнитное поле системы. Наличие этих промежутков существенно  усложняет расчет МС, так как магнитный поток проходит не только через них. Он распределяется во всем немагнитном пространстве, окружающем магнитопровод. Расчет таких устройств возможен двумя путями: с помощью методов теории поля (полевые) и с  использованием методов теории цепей (целевые). В последнее время все более широкое применение находят полевые методы, особенно для расчета МС ответственных и дорогостоящих  электротехнических установок. Интерес к полевым методам объясняется, с одной стороны, достаточно высоким уровнем развития цифровой  вычислительной техники, без применения которой многие полевые  методы практически невозможно использовать, а с другой —  возможностью получения более точных решений, чем целевыми методами.

К полевым можно отнести методы: вторичных источников,  конечных разностей, конечных элементов, зеркальных отражений,  сеток, конформных преобразований и др. Некоторые из этих методов рассматриваются в курсах теоретических основ электротехники [9J, основ теории электрических аппаратов [1] и в специальной литературе [30—32].

Расчет трехмерных полей этими методами связан обычно с  такими вычислительными трудностями, что не всегда экономически оправдан даже при использовании ЭВМ. Большим недостатком  полевых методов является обычно слишком сложная связь между конкретными геометрическими размерами и характеристиками МС.

От этого недостатка в значительной степени свободны цепевые  методы расчета МС, являющиеся традиционными для электроаппаратостроения. Они применяются в настоящее время, и будут  применяться в обозримом будущем наряду с полевыми методами. В  целом цепевые методы дают большие погрешности при расчете, так как при их использовании картина трехмерного магнитного поля заменяется упрощенной; потоки немагнитного пространства,  окружающего магнитопровод, разбиваются на отдельные группы;  упрощается направление линий индукции. На последнем этапе  расчета МС рассматривается в виде магнитной цепи.

Магнитная цепь (МЦ) — это некоторое упрощенное  представление о МС и ее магнитном поле, при котором электромагнитные процессы описываются уравнениями, содержащими понятия:  магнитодвижущая сила (МДС), разность скалярных магнитных  потенциалов (магнитное напряжение), магнитный поток, магнитное сопротивление, магнитная проводимость. Эти понятия формально аналогичны электродвижущей силе, электрическому напряжению, току, сопротивлению, проводимости электрической цепи  соответственно. Понятие «магнитная цепь» введено для расчета МС  методами теории цепей, которые разработаны главным образом  применительно к электрическим цепям.

Электрический ток течет в среде, проводимость которой  существенно выше проводимости окружающей проводник изоляции.  Подобно этому проводимость среды, по которой проходит основной магнитный поток (магнитопровод), выше проводимости  немагнитной среды, окружающей магнитопровод. Аналогия эта формальна потому, что магнитное поле и поле электрического тока —  физически разные виды материи. Между магнитной цепью и  электрической есть и другие отличия: удельная электропроводность  проводников примерно в 1010—1020 раз выше, чем у изоляторов, тогда как магнитная проницаемость ферромагнитных материалов обычно не более чем в 103—106 раз больше, чем у немагнитных материалов; МЦ большинства ЭМАА, как уже было сказано, разомкнуты немагнитными зазорами, которые не прерывают магнитного потока, а только увеличивают магнитное сопротивление на его пути. 

Электрические цепи постоянного тока должны быть замкнуты:  изоляционный промежуток в такой цепи практически означает полное отсутствие тока. Эти отличия делают расчеты МЦ существенно более сложными, чем расчеты электрических цепей постоянного тока.

Под расчетом магнитной цепи имеется в виду обычно одна из двух задач анализа: прямая и обратная. При прямой задаче  считается известным магнитный поток (или индукция), требуется  определить магнитодвижущую силу (МДС) обмотки. При обратной задаче известна МДС, требуется определить поток (или индукцию). Как при прямой, так и при обратной задачах известны также все размеры МС и материал магнитопровода. В учебнике  рассматриваются методы расчета МЦ постоянного тока только при безгистерезисном намагничивании, при котором расчет сопротивления  магнитопровода проводится по основной кривой намагничивания  материала магнитопровода. Проектный расчет (синтез) возможен  путем анализа нескольких предварительно выбранных вариантов конструкции, т. е. путем последовательного приближения к  окончательным размерам, поэтому приобретает особое значение  возможность использовать такие методы расчета МЦ, которые позволяют решать задачу в несколько этапов: сначала приближенно, а при окончательном расчете — с наименьшим количеством допущений.

Деление методов расчета МС на полевые и целевые является условным, так как при расчете разомкнутых МС целевыми  методами мы все равно предварительно решаем полевую задачу —  определяем магнитные проводимости немагнитного пространства,  окружающего магнитопровод МС. Точность расчета всей МС в  значительной степени зависит от точности расчета этих проводимостей.

Методы расчета магнитных проводимостей рассматриваются в курсе «Основы теории электрических аппаратов» и в [1—7]. В первом разделе учебника объясняются основные понятия,  усвоение которых необходимо для расчета МС методами теории цепей.

ГЛАВА 1. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В этой главе рассматриваются основы теории МЦ постоянного тока (основные законы МЦ, приведение магнитной проводимости рассеяния к МДС обмотки по потоку и потокосцеплению, изменение потока вдоль сердечника, схемы  замещения, зависимость индуктивности обмотки от длины рабочего немагнитного зазора, коэффициенты рассеяния по потоку и  потокосцеплению). Магнитные цепи классифицируются в зависимости от соотношения магнитных сопротивлений немагнитных зазоров и магнитопровода.