Двигатель Однофазный Переменного Тока: Принцип Работы

Двигатель однофазный переменного тока – принцип работы и устройство агрегата

Любой электрический двигатель – это устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в кинетическую, то есть энергию вращения, которая по цепям передается на ведомые устройства. Применяются электрические двигатели сегодня практически везде. Эти устройства, которые практически не изменились за последние 150 лет, можно встретить даже в зубных щетках.

Сегодня мы поговорим с вами про электродвигатели переменного тока однофазные, узнаем, как они устроены и за счет каких сил приводятся в движение.

Основная информация
- Принцип действия однофазного двигателя
- Подключение двигателя
Строение асинхронного однофазного двигателя
- Асинхронный двигатель
- Что происходит в обмотках при включении

Основная информация

Итак, особенностью однофазного двигателя является то, что он способен запитываться от стандартной электрической сети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Ставят такие электромоторы в основном в устройствах небольшой мощности, так как по эффективности они существенно уступают двухфазным и трехфазным аналогам.
Мощность данных агрегатов варьируется от 5 Вт до 10 кВт.
Однофазная схема подключения двигателя существенно влияет на его КПД, который приблизительно равен 70% от показателей такого же по мощности двигателя, но трехфазного. Также у них меньше пусковой момент, а перегрузочная способность выше.

На самом деле, если разобрать строение такого двигателя, то он будет иметь 2 фазы, но так как задействуется, фактически, лишь одна из них, то и называют его однофазным.
Строение мотор имеет самое что ни наесть классическое – подвижная часть (ротор или якорь) и неподвижная часть (статор).
Вращение подвижных частей двигателя происходит за счет взаимодействия магнитных полей – подробнее об этом чуть дальше.
Несомненным плюсом такого мотора можно считать простую и надежную конструкцию с короткозамкнутым ротором.
А главным минусом можно посчитать неспособность самостоятельно выработать магнитное поле, что не позволяет ему самостоятельно запускаться при подключении к сети питания.
Считается, что для того чтобы ротор пришел в движение требуется минимум 2 обмотки, а также смещение одной относительно второй на определенный градус.

Если сопоставить все эти моменты, то можно понять следующее.
На статоре однофазного электромотора располагается пусковая обмотка, которая смещена по отношению к рабочей, основной обмотке на 90 градусов.
В цепь, питающую обмотку, включаю фазосдвигающее устройство – конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы активного типа.
То есть, фактически мы говорим про те же моторы двух- и трехфазного типа, только сдвиг фазы достигается не за счет подключения, а за счет схем согласования.

Принцип действия однофазного двигателя

Теперь давайте попробуем систематизировать то, что мы понаписали в предыдущей главе, чтобы принцип работы таких устройств стал понятен каждому.

Итак, при подключении питания, ток начинает бежать по обмоткам статора. Движение тока порождаем пульсирующее магнитное поле. Почему пульсирующее, да потому что ток в общественных сетях имеет частоту в 50 Гц, то есть за секунду 50 раз меняет направление своего движения. Соответственно меняются и параметры магнитного поля
Мы все знаем про такое явление, как электромагнитная индукция. Если кто-то не знает, то бегом читать – вкратце, это явление порождает электрический ток в проводнике, который перемещается поперек магнитного поля, причем нет никакой разницы, что будет двигаться – проводник или поле.
Если устройство не будет иметь пусковых механизмов, то ротор останется неподвижным, так как в нем до сих пор нет тока, а значит и магнитного поля, а магнитные поля от тока в статора равнозначны, и тянут, так сказать, в разных направлениях, как лебедь, рак и щука.
Но если ротору дать толчок в любую из сторон, в нем моментально начнет расти электродвижущая сила (ЭДС), которая начнет генерировать свое магнитное поле. В результате взаимодействия этих полей двигатель продолжит вращаться в туже сторону, несмотря на то, что основное магнитное поле постоянно меняет свое направление.

Заставляет сдвинуться с места ротор пусковая обмотка, которую мы уже упоминали. Точнее делает это результирующее магнитное поле от основной и пусковой обмоток.
Эта обмотка требует включения только при пуске мотора.

Интересно знать! В маломощных моторах пусковая обмотка является короткозамкнутой.

Момент включения пусковой обмотки связан с пусковой кнопкой – обычно ее необходимо удерживать на протяжении нескольких секунд, пока двигатель не начнет вращаться с нормальной скоростью.
Когда контакт на кнопке размыкается, двигатель переходит полностью в однофазный режим.
Важно помнить, что пусковая фаза не предназначается для долгой работы – обычно время ее активного состояния составляет около 3 секунд. Если попытаться превысить данное значение обмотка начнет перегреваться, что может привести к выходу элемента из строя.
Становится понятным, что ручной контроль за пуском двигателя неэффективен и малонадежен, поэтому данный процесс в современных устройствах автоматизирован. В них устанавливаются тепловые реле и центробежные выключатели.
Первый элемент контролирует нагрев обеих обмоток и отключает питание, если температура достигает критического значения.
Второй отключает питание пусковой фазы, как только ротор разгонится до нужных оборотов.

Подключение двигателя

Итак, мы уже поняли, что для работы такому мотору требуется всего одна фаза на 220 В, то есть включается он в обыкновенную розетку, что, собственно, и делает эти устройства такими популярными несмотря на низкий КПД и прочие недостатки.

Интересно знать! Практически все бытовые приборы оборудованы именно такими двигателями.

Однофазные двигатели переменного тока по подключению делят на три типа: вариант с пусковой обмоткой и рабочим конденсатором.
В первом пусковая обмотка запитана через конденсатор только во время старта – собственно, его мы описали в предыдущей главе.
Во втором она подключена через конденсатор постоянно.
В третьем вместо конденсатора используется сопротивление.

Для последнего типа подключения может использоваться пусковой резистор, который подключается к пусковой обмотке последовательно. За счет этого удается получить сдвиг фаз на 30 градусов, чего вполне хватает для раскрутки двигателя.
Также дополнительная обмотка может сама по себе иметь высокое активное сопротивление.
Сдвиг фаз также может быть получен за счет того, что пусковая фаза будет иметь высокое сопротивление и меньшую индуктивность.

Конденсаторный пуск имеет следующие особенности:

Чтобы достигнуть максимального значения пускового момента, достаточного для старта двигателя, нужно вращающееся круговое магнитное поле. Таковое возникает, когда обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов – сразу становится понятно, что ни резистор, ни дроссель не смогут задать такое значение. А вот если правильно подобрать емкость конденсатора – ну вы поняли…
Конденсатор необходимо подбирать по потребляемому току.

Интересно знать! На нашем сайте есть очень познавательная статья про то, как конденсаторы ведут себя в цепи переменного тока. Если интересно, обязательно ознакомьтесь.

Кстати, если вы пытаетесь самостоятельно подключить такой двигатель в сеть, но не знаете, какие выводы к какой обмотке относятся, просто замерьте их сопротивление. Для основной оно составит где-то 12 Ом, а для пусковой – 30.

Строение асинхронного однофазного двигателя

Итак, мы вами в первой части статьи разобрали общие понятия об однофазных двигателях, принципе их работы и подключении. Такой информации хватило бы для поверхностного изучения, но нас такой подход не совсем устраивает. Для любителей технических подробностей, давайте разберем теперь все детальнее.

Асинхронный двигатель

Электрические моторы бывают синхронными и асинхронными. Разница между ними состоит в том, что в синхронном, скорость вращения якоря совпадает с вращением магнитного поля, а в асинхронном ротор несколько отстает.

Последний вариант является самым распространенным, так как имеет более простую конструкцию и очень надежен. Синхронные применяются лишь в тех сферах, где очень важен контроль за оборотами двигателя.
Вы уже, наверное, обратили внимание на то, что словом фаза называются разные понятия – и количество питающих проводов, и обмотки на статоре и сдвиг по углам. И мы даже сказали, что однофазные двигатели, фактически имеют две фазы, но называются они таковыми именно по количеству питающих проводов.
Мы также писали, что мотор имеет подвижную и неподвижную части. Давайте разберем их строение подробнее.

Ротор агрегата представляет собой вал, который держится в корпусе двигателя при помощи подшипников вращения. За счет них же он свободно крутится вокруг своей оси. Строение этого элемента будет отличаться в зависимости от того является двигатель коллекторным или бесколлекторным. Давайте начнем со второго.
На валу бесколлекторного фазного ротора закреплен магнитопровод, который набирается из шихтованных стальных пластин.
Снаружи магнитопровода имеются пазы, в которых находятся стержни обмоток – обычно из меди.

С концов стержни соединяются с кольцами, которые накоротко их замыкают – их называют замыкающими кольцами.

Внутри данной обмотки будет течь ток, который индуктируется магнитным полем статора – никаких внешних подключений он не имеет.
Магнитопровод служит для лучшего прохождения магнитного поля, которое создается в роторе.
Для таких устройств характерна высокая надежность, так как они не имеют трущихся деталей. Управление скоростью вращения двигателя осуществляется только за счет тока на основной обмотке статора.
Коллекторный двигатель переменного тока однофазный по своему строению мало чем отличается от ротора двигателя постоянного тока. Собственно, такие двигатели являются универсальными и могут запитываться как переменным, так и постоянным током.
Фазы ротора подключаются к питающей сети через коллектор, который контактирует со щетками, которые в свою очередь уже соединяются с питающей цепью.
Строение таких двигателей более сложное, также их надежность будет ниже, но они являются более гибкими в управлении.

Статор является пассивной частью электромотора – он неподвижен и состоит из магнитопровода и обмотки.
Назначение этого элемента – генерирование неподвижного или вращающегося магнитного поля.
У однофазного двигателя от статора будет отходить четыре вывода – два для рабочей обмотки и два для пусковой. Как их отличить мы уже писали.

Помимо этих элементов двигатели имеют следующие составляющие:

Станина и корпус устройства, которые удерживают в себе все рабочие части и позволяют закрепить устройство на поверхности;
Внешняя электрическая цепь – кнопка включения, устройство регулировки оборотов, провода и устройства для шунтирования дополнительной обмотки;
Крыльчатка – активное охлаждение двигателя, располагается также на валу;
Подшипники вращения.

Что происходит в обмотках при включении

Чтобы лучше понять принцип взаимодействия магнитных полей, давайте представим, что у нашего двигателя обмотка имеет всего один виток. Провод при этом уложен в магнитопроводе так, что его части разведены на 180 градусов, то есть уложены друг напротив друга.

Подключаем питание, и по нашему проводу начинает течь синусоидальный или переменный ток.

Период синусоидального тока состоит из двух полупериодов, при которых ток двигается в разных направлениях. Именно это изображено на схеме выше.
Как вы можете видеть, изначально значение тока равно нулю, затем он растет, достигая пика, после чего падает до нулевой отметки и опять возрастает, но уже в другом направлении.
Давайте представим, что ток и магнитное поле от него замерли в какой-то точке. Представьте, что смотрите на виток сбоку – он будет похож на букву «С».
Ток протекает в верхней горизонтальной части обмотки влево, соответственно, в нижней – вправо. При этом ток одинаков и получается так, что создаваемое им магнитное поле противодействует друг другу. Почему ротор и находится в неподвижном состоянии.
Итак, ток течет, меняется его величина и направление, как и у магнитного поля, но они всегда остаются в противовесном состоянии, поэтому ротор так и продолжает стоять.

Как же создается сила, заставляющая ротор вращаться?

Как вариант можно толкнуть его рукой и этого будет достаточно, чтобы совершить пуск, но мы же говорим про техническое решение вопроса!
Ну ладно, мы уже знаем, что нам потребуется еще одна обмотка.
Обмотка сделана из более толстого провода, чтобы она смогла пропустить большие токи. Фаза тока в этой обмотке отстает от основной на 90 градусов, то есть когда ток в основной обмотке уже опустился до нуля, здесь он буден на пике (отстает на четверть периода). В итоге разница магнитных полей придает ротору первый вращающий импульс. Направление вращения зависит от полярности подключения концов пусковой обмотки.
Как только ротор начинает вращаться, в нем создается ЭДС.
Направление тока в стержнях будет противоположно направленным, так как на них воздействуют разные магнитные поля.
За счет возникновения вращающего момента двигатель моментально подхватит направление вращения и начнет раскручивать ротор до достижения им максимальных оборотов. Но почему не происходит торможения, когда ток в статоре меняет свое направление на обратное?
Дело в том, что, по сути ничего не меняется. Просто подталкивающая вращение сила будет переходить с верхней части обмотки на нижнюю и обратно. А так как двигатель уже получил смещение в одну из сторон, а противодействующая сила может лишь уравновесить, то коэффициент ускорения будет несколько сильнее торможения.

То есть, в роторе будут наводиться токи с разной частотой, которые будут создавать моменты сил с разными направлениями, именно поэтому якорь продолжит вращаться в том же направлении.

На этом закончим наш материал. Мы узнали, как устроены электродвигатели переменного тока однофазные, если тема вам интересно, то посмотрите следующее увлекательное видео.

Двигатель переменного тока: история создания, устройство и сфера применения

Двигатели переменного тока получили наибольшую популярность среди всех существующих видов электроприводов. В чем же их преимущества? Каковы главные принципы работы? Обо всем подробно поговорим ниже.

История появления двигателя переменного тока

Двигатели переменного тока понадобились примерно в середине XIX века, когда началось массовое внедрение осветительных сетей с одной фазой. Первым приводом переменного тока по праву считается синхронный двигатель на основе постоянных магнитов, который собрал Чарльз Уинстон в 1841 году.

Пусковой момент у таких двигателей отсутствовал, поэтому на практике стали применять лишь машины, созданные Томсоном и Сименсом уже 1884-1885 годах. В это же время были созданы двигатели намного большей мощности. Это связано с математическим формулированием концепции магнитного поля, которое вращается (заслуга Галилео Феррариса). Никола Тесла смог реализовать концепцию в своих синхронных и асинхронных многофазных приводах. Эти агрегаты и были запущены в массовое производство.

Виды, устройство и принцип работы машин переменного тока

Существует три основных вида электродвигателей переменного тока. Что это за агрегаты и каковы их различия? Об этом поговорим ниже.

Асинхронный двигатель

Первый асинхронный агрегат был изобретен инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Двигатель был трехфазным и имел короткозамкнутый тип ротора.

Это было началом переворота в промышленности всех стран мира.

«Асинхронный» в названии говорит о том, что магнитное поле в статоре двигателя всегда вращается с большей частотой, чем у ротора.

Устройство

Основные элементы – статор и ротор.

Форма статора цилиндрическая, саму деталь собирают из стальных листов. В пазы статора укладывают обмотку. Последнюю делают из специального обмоточного провода. Ось каждой обмотки в статоре сдвинута на 120° относительно всех других. Существует два типа соединения концов обмоток: треугольник и звезда. Выбор типа зависит от напряжения в сети.

В таком виде двигателя бывают две разновидности ротора: короткозамкнутые и фазные.

Короткозамкнутые роторы тоже собирают из стальных листов. В пазы заливают расплавленный алюминий, который образует некие стержни. Их накоротко замыкают торцевые кольца. Эту конструкцию еще называют «беличья клетка». Она и является короткозамкнутой обмоткой якоря (ротора).

В фазном роторе присутствует трехфазная обмотка, почти такая же, как в статоре. Ее концы соединяют по схеме звезды, а те, что остаются свободными, подводят к кольцам. К ним также подключены щетки, которые позволяют вводить резистор. Он помогает изменить активное сопротивление в цепи якоря. Это уменьшает большие пусковые токи.

Принцип работы

Магнитное поле статора взаимодействует с токами, которые наводит это самое поле в роторе. При этом вращение возникнет только тогда, когда есть определенная разница в частоте вращения магнитных полей. В этом и заключается основополагающий принцип работы асинхронного электродвигателя.

Синхронный двигатель

В машине этого типа, в отличие от предыдущего, ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле.

Устройство

Основные части машины – якорь и обмотка возбуждения (индуктор). Ротор в таком электроприводе находится на статоре, а индуктор располагается на роторе, который от неподвижной части машины отделен неким зазором.

Можно сказать, что принцип действия синхронной машины – «вывернутый наизнанку» двигатель постоянного тока. Получение переменного тока обмоткой происходит от внешнего источника, а не от коллектора.

Якорем синхронного двигателя является одна или несколько обмоток. С помощью токов, которые туда подаются, появляется магнитное поле, сцепляющееся с полем индуктора на роторе. Именно так происходит превращение электрического ресурса в механический.

Индуктор синхронной машины состоит из электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Существует две конструкции индукторов:

явнополюсная конструкция машины имеет ярко выраженные полюса. Они очень похожи на устройство полюсов в агрегатах постоянного тока;
неявнополюсная конструкция схожа со строением фазного ротора, где обмотку укладывают в пазах сердечника. Принципиальная разница заключается в том, что в устройстве синхронной неявнополюсной машины есть место между полюсами, которое не заполняют проводниками. Это снижает механическую нагрузку на полюса.

Принцип действия

Принципом действия синхронного двигателя является взаимодействие между магнитным полем якоря и магнитным полем индуктора. Постоянные магниты используются для маломощных машин, а электромагниты в более мощных.

Нужно также упомянуть о том, что есть так называемая обращенная конструкция синхронного двигателя. В ней индуктор размещен на статоре, а якорь на роторе. Такую вариацию использовали на уже устаревших двигателях и до сих пор используют при создании криогенных синхронных агрегатов (в их обмотках, как правило, используют сверхпроводники).

Универсальный коллекторный двигатель

В общем, понятие коллекторного двигателя подразумевает под собой электродвигатель, способный не только преобразовать электрическую энергию в механическую, но и наоборот. В таком типе двигателя переменного тока хотя бы одна обмотка должна быть соединена с коллектором.

В коллекторных двигателях коллекторы выполняют сразу две функции:

переключатель обмоток;
датчик, с помощью которого определяют положение ротора.

Различают два вида коллекторных двигателей. Их классификация происходит в зависимости от типа питания:

Питание от постоянного тока. У таких двигателей высокий пусковой момент, частота вращения имеет плавное управление, а конструкция самого привода достаточно простая.
Универсальные же двигатели могут работать при питании переменной и постоянной электроэнергией. Размеры машины относительно компактные, управлять ей просто.

В рамках темы нас интересует коллекторный двигатель универсального типа.

Рисунок ниже изображает машину такого вида и ее основные детали. Схожим образом выглядят и все остальные КД.

Возбуждение у таких двигателей может быть последовательное и параллельное. Машины второго типа уже устарели и сняты с производства, поэтому на нем мы останавливаться не будет. А схема подключения двигателя с коллектором представлена на рисунке ниже.

Принцип работы коллекторного двигателя от переменного тока заключается в следующем: во время смены полярности ток в обмотках статора и ротора изменяется и направление. Это не дает изменить свое направление вращательному моменту.

Применение УКД

В прошлом веке универсальные КД использовали при конструировании бытовой техники, однако сегодня все современные производители предпочитают использовать бесколлекторные двигатели.

Вот главные недостатки таких приводов:

коэффициент полезного действия снижен;
щеточно-коллекторный узлы характеризуются повышенным образованием искр, это влияет на быструю скорость износа прибора, он также может быть опасен.

Чем отличаются приводы постоянного и переменного тока?

Оба типа двигателей, постоянного и переменного тока, предназначены для выполнения одинаковой функции – превращения электроэнергии в механическую. Тем не менее их сравнение имеет смысл, они в корне отличаются друг от друга по нескольким пунктам:

тип питания;
процесс создания;
система управления.

Первый пункт, питание, является самым главным отличием, что ясно даже из названия машин. Понятно, что электроприводы переменного тока питают источники переменного тока, а двигатели постоянного тока – источники постоянного тока (например, это могут батареи или преобразователи питания).

Электроприводы с полем постоянного тока содержат в своей конструкции щетки и коммутаторы, что усложняет их обслуживание и сокращает сроки эксплуатации относительно, скажем, асинхронных агрегатов, чего не скажешь о последних. Они, наоборот, отличаются своей прочностью и долговечностью.

Еще одно коренное отличие двигателей заключается в контроле скорости.

В машинах постоянного тока скорость работы можно регулировать с помощью изменения тока в обмотках ротора. В электромоторах переменного – с помощью регулировки частоты вращения.

Реверс машины переменного тока

Реверс в работе с двигателем – процесс изменения вращения якоря на супротивный в машинах постоянного тока, асинхронных и универсальных коллекторных двигателях. Работу двигателя практически невозможно представить без такой функции. Без изменения направления вращения ротора не будет работать тельфер, кран-балка, лебедка, лифты и все остальные механизмы для подъема грузов.

Как осуществить реверс в двигателе переменного тока рассмотрим ниже.

Как изменить направление вращения ротора в электроприводе переменного тока?

Из всех машин переменного тока наиболее популярными стали асинхронные, питающиеся от напряжения 380В. Об их реверсе мы и поговорим.

Первое, что нужно знать – для осуществления реверса асинхронного двигателя хватить изменения двух фаз.

Самая распространенная схема подключения – с двумя магнитными пускателями. Для реверса двигателей постоянного тока она особенно не отличается, в нашем случае характерно использование двухполюсных пускателей, о чем говорит даже ее название: «схема реверсивного пускателя».

Когда с помощью кнопки «Пуск 1» включается пускатель КМ1, напряжение начинает подаваться на обмотки, при этом кнопка «Пуск 2» будет блокирована от незапланированного включения. Это происходит благодаря тому, что размыкаются нормально-замкнутые контакты КМ1. Ротор начинает вращение.

Когда пускатель КМ1 отключается с помощью кнопки «Стоп» (можно также снять напряжение), нажатием кнопки «Пуск 2» включается КМ2. Результат – прямая подача через контакты линии L2, линии L1 и L3 занимают места друг друга. Теперь блокируется уже кнопка «Пуск 1», ведь нормально-замкнутые контакты КМ2 размыкаются. Начинается вращение в противоположную сторону.

Такая схема применима ко всем асинхронным трехфазным двигателям. Простота осуществления и доступные детали – главные положительные стороны.

Зачастую реверс осуществляется благодаря эл. системам управления двигателями. Их коммутационные схемы собираются на тиристорах, пускателей нет. Тем не менее их можно установить, чтобы сделать возможным дистанционное включение/выключение в цепи.

Устройства на тиристорах гораздо надежнее, хоть и сложнее тех, что на контакторах. В них используют импульсно-фазные и частотные системы управления. Такие устройства выполняют несколько функций: изменение направления вращения ротора в двигателе, а также регулирование частоты его вращения.

Быту иногда нужно подключить двигатель на 380В в сеть на 220В с возможностью реверса. Для этого в первую очередь нужно переподключить обмотку по другой схеме (звезда или треугольник).

Если же возникает необходимость подключения асинхронного трехфазного электропривода к сети с одной фазой, то нужно использовать конденсаторные двигатели. Конденсатор можно подключить отдельно по схеме ниже.

Для того чтобы реверс был осуществлен, контакт с сети под буквой В нужно подключить к клемме под буквой А. Для конденсатора все наоборот: отсоединяем от А и подключаем к клемме В. Для максимального удобства лучше использовать шестиконтактный тумблер.

Системы управления двигателями переменного тока

Главная особенность современной схемы управления двигателями переменного тока – многофункциональность. Зачастую она включает в себя не только механизм, благодаря которому осуществляется реверс, но и тот, что помогает контролировать частоту вращения ротора. Такая схему начала распространяться из-за развития микропроцессоров. Микропроцессорная электроника – основа работы современных преобразователей частоты. Подобные блоки для управления переменными машинами характерен своей высокой надежностью и «приятной» ценой. Еще один весомый плюс многофункциональной системы управления – значительная экономия электроэнергии (около 40%). Электродвигателями переменного тока можно управлять, основываясь на одном из двух существующих для этого принципов. Методы перечислены в списке ниже:

принцип вольт-частотного регулирования;
принцип векторного управления.

При вольт-частотном (или скалярном) принципе регулирования электромотора скорость вращения вала изменяется посредством смены частоты и напряжения в статоре. Модуль напряжения тоже изменяется. Регулирующих факторов в итоге два: частота и напряжение. Они имеют одинаковое значение. Чтобы двигатель работал, важно постоянство отношения напряжения в обмотке статора и его напряжения. Другими словами, любая смена частоты должна быть синхронизирована со сменой напряжения и наоборот. КПД привода в это время не меняется.

Удобство такой схемы заключается в том, что возможна одновременная работа с несколькими устройствами. Это критически важно во время работы сложных технологических линий, к примеру, во время контроля того, как движется конвейер. С вольт-частотным регулированием максимально возможный диапазон 1/40. Этого хватит, чтобы решить почти все задачи производства.

Из отрицательных качеств схемы можно упомянуть невозможность контроля вращающего момента и режима позиционирования. Основная область применения данного способа управления – конвейеры, насосы, вентиляторы.

При векторном управлении электромотором можно производить не только регулирование описанное выше, но и работу с магнитным потоком. Основа системы – представление основных параметров двигателя как векторов в пространстве. Микросхемы векторного управления созданы для контроля и изменения как амплитуды, так и фазы электротока в статоре. Это фактически меняет его вектор. Результат – возможность контроля вращающего момента электромотора.

Чтобы управление фазами тока было эффективным, нужно обязательно понимать, в каком состоянии он находится в конкретном моменте. Эту проблему решает датчик, который отслеживает положение ротора или система, определяющая его положение по двум параметрам: напряжению и токам в обмотках статичной части двигателя. При наличии устройства, контролирующего обратную связь, ее можно регулировать в диапазоне 1-1000 с точностью до сотых долей процента.

Преимущества и недостатки использования машин переменного тока

Преимущества двигателей переменного тока:

Простое устройство агрегата.
Невысокая цена установки, обслуживания и ремонта.
Надежность, долговечная эксплуатация.
Неприхотливость в обслуживании.
Простое управление.

Двигатели обладают высокой эффективностью, так как потери на трение отсутствуют, а коэффициент мощности достаточно велик.

Недостатки двигателей переменного тока:

Невозможно контролировать с полным сохранением мощности.
Уменьшение момента с увеличением нагрузки.

Если вы перечислите преимущества и недостатки двигателей, станет понятно, что положительные стороны перевешивают любые минусы приводов.

Где применяют обсуждаемые типы двигателей

Электроприводы переменного тока нашли свое место почти в каждой производственной сфере. Их используют на электростанциях, в машиностроении, производстве автомобилей и бытовой техники. Такие положительные характеристики двигателя, как простое устройство , гарантия надежности и долговечности, высокий коэффициент полезного действия – все это делает их «универсальными солдатами».

Наиболее распространенные асинхронные машины являются частью приводных систем в станках, машинах, компрессорах и приборах по всему земному шару.

Синхронные агрегаты используют как двигатели и генераторы, их лучше выбрать для приводных системах больших установок, где одна из главных задач управления – контроль скорости.

Исполнительные двигатели постоянного и переменного токов обладают небольшой мощностью. Как правило, их используют в автоматических системах управления. Их задача – преобразовать электросигнал в угловое перемещение вала, что воздействует на аппарат контроля, регулировки или управления.

Тяговые двигатели предназначены для приведения в движение транспорта (электровозы, электропоезда, трамваи и троллейбусы, танки и машины на «гусеницах»).

Принцип работы и технические характеристики герконовых датчиков

Для быстроты реакции охранной, противопожарной системы, установок экстренного оповещения и контроля применяется герконовый датчик. Элемент выявляет состояние объекта, появление дыма, пыли, предотвращает несанкционированный доступ.

Что такое герконовый датчик
Конструкция и внешний вид
Классификация герконов
Нормальное состояние контактов
Конструкция
Технические параметры
Принцип работы
Параметры прибора
Преимущества и недостатки
Подключение герконового датчика
Практическое использование в быту
Использование в охранных системах
Усиление защиты от несанкционированного проникновения
Нюансы применения герконов

Что такое герконовый датчик

Датчик геркон представляет собой прибор электромеханического типа. Он может размыкать и замыкать контакты при воздействии магнитного поля, создаваемого электрическим либо постоянным магнитом.

Расшифровка термина – герметичный контакт, что определяется его конструкцией. Прибор состоит из пары ферромагнитных пластинок, запаянных в капсулу из стекла. Резервуар заполняется инертным газом, азотом, иссушенным воздухом, имеет два выхода. Подобная колба предотвращает воздействие внешних факторов и повышает надежность прибора.

Для повышения коммутируемого напряжения оболочку вакуумируют.

Конструкция и внешний вид

Внешний вид герконового выключателя – герметичная колба из стекла с магнитными контактами-сердечниками. Между ними имеется зазор. Элементы фиксируются сваркой с торцов оболочки и подключаются в сеть внешними частями. Сам датчик выглядит как поплавок и состоит из трех частей:

стеклянная колба;
контакт переключения;
неподвижный контакт.

Благодаря прямоугольным контактам из ферромагнитной проволоки прибор может замыкать сеть. Тип покрытия контактных элементов зависит от мощности и габаритов изделия. Производители используют золото, родий, серебро или пермаллоевую проволоку.

Датчики с инертным газом или вакуумные модификации не подвергаются коррозии.

Классификация герконов

Принцип работы нормально-разомкнутого геркона

Герконовые переключатели подразделяются на виды по нескольким критериям.

Нормальное состояние контактов

замкнутые – размыкание цепи происходит посредством магнитного поля;
переключаемые/бистабильные — один контакт замыкается при воздействии поля, другой – если его нет;
разомкнутые – геркон срабатывает в момент образования магнитного поля.

Принцип действия нормально-замкнутого геркона

Модели с переключаемыми контактами имеют 3 вывода.

Конструкция

Срабатывание переключающего геркона

Существуют такие датчики:

гильзовые – стеклянная оболочка заполняется инертным газом либо воздухом;
ртутные – для улучшения коммутации, снижения сопротивления и устранения вибраций контакты покрываются ртутью.

Гильзовые герконы имеют сухие контакты.

Технические параметры

В зависимости от технических характеристик бывают:

Геркотрон – герконовое реле с изоляцией высоковольтного типа. Работает в сети под напряжением 10-100 кВ.
Газакон – модификация, которая запоминает положение контактов после выключения магнитного поля.
Герксикон – реле, с помощью которого активируется сигнализация и оборудование мощностью до 3 кВт. Отличается повышенным током коммутации и дугогасительными контактами.

Устройства могут заменить электромеханическое реле.

Принцип работы

Упрощеное изображение конструкции герконового реле

Принцип работы герконового датчика основывается на размыкании или замыкании сети, где он стоит, под воздействием электромагнитного поля. Напряжение магнитного потока определяет положение контактов. Поле генерируется постоянным или электрическим магнитом.

Внутренние контакты прибора намагничиваются в момент попадания под действие силовой линии. Притягивание элементов осуществляется под действием, преодолевающим силу упругости. Так происходит замыкание цепи. При подключении линии к источнику питания ток протекает через устройство.

Это состояние длится до момента прекращения воздействия силовой линии. Контакты размыкаются без магнитного поля. Для повторного замыкания понадобится вновь генерировать поле.

Геркон – это малогабаритный переключатель, работающий от силового воздействия магнитного потока.

Параметры прибора

Технические характеристики основных типов герконовых выключателей

Тип оборудования, к которому относится магнитный герконовый датчик – релейный. Перед его покупкой стоит учитывать следующие характеристики:

Время срабатывания. Зависит от времени реакции на появление магнитного поля и не превышает 2 мкс.
Сила магнитного поля. Чувствительность зависит от ферромагнетика и габаритов.
Мощность коммутации. Предел передаваемой через геркон энергии с учетом материала и сечения контактов.
Предельное напряжение. Определяет амплитуду сигнала выдержки аппарата.
Сопротивление замкнутых контактов. При меньшей величине теряется меньше сигнальной мощности.
Допустимый температурный режим эксплуатации. Зависит от производителя, но чаще всего элемент работает при температуре от -60 до +120 градусов.
Частота. Срабатывание происходит на частоте до 1 мГц.
Количество циклов коммутации. Определяет число срабатываний.
Емкость контактов. Зависит от дистанции между площадками в разомкнутом положении.
Физические габариты. Горизонтальный баллон может иметь от 4 мм в длину.

Емкость контактов – паразитный критерий.

Преимущества и недостатки

Малогабаритный геркон рассчитан на ток аналогичный стандартному реле

К положительным факторам применения герконов относятся:

отсутствие дребезжания у модификаций с ртутными выводами;
надежность – датчик не сломается при падении и превышает показатели стандартного реле в 100 раз;
отсутствие рисков обгорания контактов, расположенных в вакууме или инертном газе;
малогабаритный датчик рассчитан на ток, аналогичный стандартному реле;
наличие гальванической развязки – устройства подключаются к сети последовательно;
коммутация слабых сигналов;
большое количество включений без трения;
эксплуатация без привязки к источнику электричества.

Низкая стоимость приборов обусловлена отсутствие драгоценных и тугоплавких металлов в контактах.

К минусам эксплуатации герконов относятся:

большой вес в сравнении с реле с открытыми контактами;
необходимость генерации магнитного поля;
не всегда выдерживают удары и вибрации;
необходимость защиты от внешнего магнитного поля;
сложность вывода контактов из замкнутого состояния;
ограниченная скорость срабатывания.

При воздействии большого тока происходит самопроизвольное размыкание контактов.

Подключение герконового датчика

Схема управления освещением в прихожей

В комплекте с поплавковым датчиком поставляется документация, регламентирующая процесс подключения. Пошагово работают так:

Узел для создания магнитного поля устанавливается на подвижную часть.
Геркон фиксируется на неподвижной части конструкции.
Замыкание цепи. Подвижная часть должна примыкать плотно для воздействия магнитным полем катушки на контакты.
Получение информации об исправности установки.
Уведомление о нарушении целостности. Катушка прекращает воздействовать на геркон.

Устанавливать датчики можно скрытым или наружным способом на конструкциях из стали или магнитопассивного типа.

Практическое использование в быту

Герконы используются для защиты клавишных синтезаторов и промышленных установок от взрывов, увеличения сроков работы оборудования. Детали управляют механизмами, а датчик уровня поплавковый нужен для замера жидкости в резервуаре.

Герконы ставятся в телевизионную аппаратуру, отображают открытие или закрытие створок. Приборы совместимы с компьютерными или охранными системами – оповещают, закрыта ли дверь, окно.

В электронных счетчиках тока имеются герконовые датчики.

Использование в охранных системах

Простая домашняя сигнализация

Особенность геркона, внедряемого в охранный комплекс – адаптированность к материалу основания. Такой прием исключает влияние магнитного поля конструкции на магнитное поле, нужное для срабатывания устройства.

Датчик работает по принципу магнитной защелки. Выключатель устанавливается на дверной короб, раму, а затем к нему подключается кабель. Открытый способ монтажа обеспечивает просматриваемость устройства, но повышает магнитное поле. Для скрытой установки подходят только чувствительные модификации, реагирующие на магнит. В противном случае существуют риски взлома.

Усиление защиты от несанкционированного проникновения

В стандартном исполнении геркон находится на раме, а магнит – на дверной или оконной створке. Закрытое положение конструкции обеспечивает максимальное приближение магнита к датчику. В момент открытия он удаляется, поэтому злоумышленники легко найдут места установки.

Для повышения защиты прибора используются:

Скрытый прибор. Замыкает сигнализационную цепь в момент открытия створки. Минус технологии – открытие створки при помощи дополнительного магнита.
Электрический магнит. Особенность электромагнитного замка с герконом – сложность подделки за счет случайной повторяемости сигналов. Защита также срабатывает при задержке импульса.

Для электромагнита нужно напряжение определенной длительности.

Нюансы применения герконов

Применение геркона с магнитом

Перед использованием или установкой герконового датчика нужно учитывать:

Прибор не совместим с источниками ультразвука, т.к. изменяет электрические параметры.
Магнитное поле влияет на особенности выключателя.
При ударе инертный газ разбалтывается, баллон может лопнуть.
Переключатель не коммутирует большой ток по причине малой мощности сердечника.

Герконы не подходят для подключения мощной техники.

Миниатюрный герконовый датчик отличается быстродействием и рассчитан на 4-5 млрд срабатываний. Прибор совместим с нагрузкой низковольтной сети и функционирует без привязки к источнику электроэнергии.

Принцип работы и виды герконовых датчиков, схема и применение

Для уменьшения влияния негативных факторов, влияющих на контакты и несущих разрушающее воздействие, разработаны герконовые датчики — коммутирующие устройства. Контактная группа в них помещается в герметичную колбу.

Эти контакты переводят магнитопровод, могут менять своё положение. Конструкция геркона распространена, несмотря на свою хрупкость.

Описание и назначение

Герконом является устройство электромеханического типа, которое размыкает или замыкает электрические контакты. Это происходит за счёт магнитно-контактного поля, которое генерирует электромагнит. Это может делать и постоянный магнит.

Геркон переводится как герметичный контакт. Это обуславливается его конструкцией. Его составляющие — ферромагнитными пластинами, которые запаяны в капсулу из стекла. Она заполняется инертным газом, вместе с двумя контактами выхода.

Благодаря оболочке воздействие внешних факторов сводится к минимуму, при этом устройство может функционировать в нормальном режиме.

В колбе может содержаться иссушенный воздух, азот и любой другой инертный газ. Кроме этого, его могут откачать, чтобы создать вакуум. Это делают, чтобы повысить уровень коммутируемого напряжения.

Датчики из геркона применяются в разных системах и устройствах:

Бытовые счетчики.
Клавиатуры в оборудовании промышленного назначения и синтезаторах. Возникновение искры с них исключено. Именно поэтому их широко используют при производстве взрывоопасных вещей (где есть пыльные испарения или горючие).
Оборудование для медицинских учреждений.
Системы, которые охраняют и контролируют положение, работающее по автоматическому принципу.
Телекоммуникационные системы.

Для систем безопасности актуальны устройства, изготавливаемые из магнита и геркона. Они дают сигнал о закрытии и открытии дверей.

Стоит отметить, что распространены герконовые реле, которые состоят из проволочной обмотки и контактного датчика. У такой системы отмечают значимые преимущества: устойчивость к влаге, простое использование, нет деталей, которые двигаются.

С помощью герконов защищаются электроустановки от перегрузок.

Схема

Устройство и принцип работы

Принцип работы геркона похож на выключатель. Его составляющие — пара сердечников, проводящих ток и зазор. Их герметично запаивают в стеклянной колбе, у которой инертная среда. Благодаря этому исключается процесс окисления.

Управляющая обмотка находится вокруг колбы и питается постоянным током, за счет которого работает. Магнитное поле генерируется с помощью обмотки после подачи питания. После отключения от питания катушки магнитный поток прекращается. После этого размыкаются пружинами контакты. Так как трение отсутствует, они являются абсолютно надежными.

У герконового датчика есть своя особенность: в состоянии покоя на пружины реле не действуют никакие силы. Благодаря этому они замыкают контакт за несколько секунд.

Магниты постоянного характера также используются. Их принято относить к поляризованным.
Стандартные устройства работают по другому принципу функционирования. Система магнитов под воздействием электромагнита заряжает каждый сердечник потенциалом.

Это заставляет их размыкать цепь и отталкиваться друг от друга.

Герконы, которые переключаются, состоят из трёх контактов. Два из них сделаны из специального ферромагнитного сплава, один не магнитится. Когда наводится магнитное поле, разомкнутые контакты замыкаются, при этом пара немагнитного размыкается.

Как осуществляется управление

Управление герцогом осуществляется несколькими способами. Самый простой — управление магнитом в электрической схеме. Его перемещение осуществляется линейным способом. Это актуально для охранных сигнализаций, в которых магнит крепится на дверь, после чего геркон срабатывает (при закрытой двери).

Существует угловое перемещение магнита. Его используют редко, когда недоступны к применению остальные способы.

Перекрытие шторкой, как один из способов, уже не применяется. Его использовали для вычислительных устройств и их клавиатур до девяностых годов.

Плюсы и минусы

У герконовых датчиков есть свои преимущества и недостатки. К плюсам относят:

В контактах отсутствует дребезг. Это актуально для тех, выводы которых смочены ртутью.
По сравнению с классическим реле датчики отличаются высоким быстродействием.
Датчик считается долговечным и не поддаётся физическим ударам (например, при неосторожном обращении или падении).
Такой вид датчика не создаёт шум.
Контакты слабо сгорают, так как располагаются в вакууме или инертном газе. Это относится и к тем случаям, когда замыкание с размыванием происходит с возникновением искры.
Доступная для всех цена, так как при производстве не используют тугоплавкие или драгоценные металлы.
Небольшой размер по сравнению с классическими реле.

По сравнению с открытыми контактами они тяжеловаты.
Скорость срабатывания ограничена.
Нужно создавать магнитное поле.
Бывают случаи, когда контакты остаются в замкнутом состоянии и вывести их из него нельзя.
Внешние магнитные поля влияют на них.

Разновидности

Устройство работает по принципу размыкания, либо замыкания линии, передающей электричество. Напряженность магнитного потока задает замкнутое или разомкнутое положение. Примечательно, что не важно, откуда возникает магнитное поле. Оно может появляться как от электромагнита, так и постоянного магнита.

Намагничивание в устройстве начинает происходить тогда, когда под действие попадают силовые линии. После этого, сила упругости преодолевается и притягивает контакты друг к другу. В итоге цепь замыкается.

В таком состоянии датчик будет находиться до тех пор, пока будет оставаться магнитное поле. После прекращения воздействия силовых линий контакты размыкаются. Чтобы произошло следующее замыкание, необходимо, чтобы создалось поле вокруг устройства снова.

Исходя из этого, специалисты считают геркон переключателем.

Замыкающие

Замыкающие по своему принципу работы постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Для них это нормальное статичное положение, а контакты между собой не соединятся.

Переключающие

У такого типа в составляющей конструкции есть три вывода. При нормальном состоянии, когда отсутствует влияние электромагнитного поля, оба контакта замкнуты (один с другим). После появления поля, в одном контакте происходит замыкание, а тот, который замкнут нормально — размыкается.

Размыкающие

Размыкающие отличаются тем, что когда магнитное поле отсутствует, контакты соединяются между собой. Такой тип относят к нормально разомкнутым.

Типы по технологическим особенностям

Так как конструкций различных герконовых реле много, выделяют ряд характеристик. Благодаря ним можно отличать конкретный вид от остальных. К основным характеристикам относят:

Время отпускания — этот тот период времени от момента, когда ток в катушке пропадает, до перехода контактов в своё обычное положение. Промежуток времени — 0,2-1 мкс.
Уровень вибрации. Этот заданный уровень нельзя превышать, так как стеклянные колбы трескаются. Измерение величины вибрации происходит количеством колебания в секунду.
Время реакции. Промежуток времени, начинающийся с подачей тока, и завершаемый в момент размыкания или замыкания. Составляет примерно 0,5-2 мкс.
Допустимое показание. Мощность герконового датчика определяется из совокупности сечения контактов и материала. Измерение происходит в кВт и Вт.
Емкость контактов. Она может измеряться только тогда, когда контакты разомкнуты.

Сухие

Сухой выглядит как герметичный баллон, состоящий из стекла. Внутри него находятся контакты. К контактам относятся сердечники из магнита, они привариваются снаружи колбы, с торца. При этом ртуть в этом случае не добавляется.

Ртутные

При ртутном контакте в стеклянный корпус добавляются ртутные капли, благодаря которым смачивается деталь. При срабатывании геркона качество контакта улучшается. Благодаря такой системе можно избежать дребезга и вибрации в контактах. Это увеличит время срабатывания.

Примеры практического применения в быту

Геркон позволяет управлять освещением в коридоре. Например, используя геркон, свет может включаться автоматически, при открытии входной двери. Спустя несколько минут он будет выключаться. При этом, когда уровень освещения нормальный – в течение дня, свет включаться в коридоре не будет.
Используется он и в домашней, охранной сигнализации как извещатель.

Наиболее распространенным видом герконовых датчиков является разомкнутый геркон. Каждый контакт в стеклянной емкости представляет собой плоскую проволоку. Поверхности контактов покрыты золотом, палладием, радием или серебром, что способствует уменьшению сопротивления и позволяет защитить контакты от коррозии. Пространство стеклянной колбы заполнено водородом, аргоном или азотом, либо просто представляет собой вакуумное пространство, что также способствует повышению антикоррозийных свойств.

Что такое герконовый датчик и где он применяется?

Ни одна современная система охраны, контроля, пожаротушения, экстренного оповещения не может функционировать без применения датчиков, связывающих ее с окружающим миром. Датчики определяют наличие задымления, пыли в воздухе, движение объектов и еще множество других изменений.

Герконовый датчик по-прежнему используется во многих подобных системах благодаря своей надежности.

Что такое геркон

Геркон — электромеханическое устройство, замыкающее либо размыкающее электрические контакты под влиянием магнитного поля, генерируемого электромагнитом, либо постоянным магнитом.

Термин «геркон» означает герметичный контакт. Обусловлено это его конструкцией. Состоит он из двух ферромагнитных пластин, запаянных в стеклянную капсулу с двумя выходными контактами и заполненную инертным газом. Такая оболочка минимизирует воздействие окружающей среды и обеспечивает надежное функционирование устройства.

Колба может содержать азот, иссушенный воздух, иной инертный газ. Также из колбы может быть откачан весь газ до состояния вакуума. Этим добиваются повышения уровня коммутируемого напряжения.

Назначение и область применения

Герконовые датчики, несмотря на вытеснение их датчиками Холла, по-прежнему находят применение во многих устройствах и системах:

Клавиатуры синтезаторов и промышленного оборудования. Конструкция датчиков исключает возможность возникновения искры. Поэтому в первую очередь их применяют на взрывоопасном производстве, где присутствуют горючие испарения или пыль.
Бытовые счетчики.
Автоматические системы охраны и контроля положения.
Оборудование, работающее под водой или в условиях высокой влажности.
Телекоммуникационные системы.
Медицинское оборудование.

В системах безопасности применяются устройства, состоящие из геркона и магнита. Они сообщают об открытии или закрытии дверей.

Также применяются герконовые реле, состоящие из контактного датчика и проволочной обмотки. Такая система обладает некоторыми преимуществами: простота, компактность, влагостойкость, отсутствие движущихся деталей.

Используются герконы и в особых областях — это механизмы защиты от перегрузок и короткого замыкания высоковольтных и радиотехнических электроустановок. Также это высокомощные радары, лазеры, радиопередатчики и прочее оборудование, работающее под напряжением до 100 кВ.

Разновидности

В зависимости от нормального состояния контактов устройства разделяют на:

замкнутые — цепь размыкается под воздействием магнитного поля;
переключаемые — под воздействием поля замыкается один контакт, а при отсутствии поля — другой;
разомкнутые — срабатывание геркона происходит при появлении магнитного поля.

В зависимости от конструкции датчики бывают:

газовые — стеклянная гильза заполнена сухим воздухом или инертным газом;
ртутные — на контакты, дополнительно наносится ртуть, которая способствует улучшению коммутации, минимизирует сопротивление и убирает вибрацию замыкаемых пластин.

Герконы по техническим характеристикам подразделяются на:

Герконы.
Газакон — устройство, обладающее функцией памяти. То есть положение контактов сохраняется после отключения магнитного поля.
Геркотроны — реле с высоковольтной изоляцией. Предназначено для работы в устройствах с напряжением от 10 до 100 кВ.
Герсикон — реле, предназначенное для управления оборудованием и автоматикой с мощностью до 3 кВт. Конструкция характеризуется увеличенным коммутационным током и наличием дугогасительных контактов.

Благодаря разнообразию конструкций герконы продолжают использовать во многих областях.

Принцип действия

Геркон по принципу работы схож с выключателем. Реле состоит из пары токопроводящих сердечников с зазором между ними. Они герметично запаяны в стеклянной колбе с инертной средой, исключающей процесс окисления.

Вокруг колбы размещается управляющая обмотка, питаемая постоянным током. При подаче питания обмотка генерирует магнитное поле, воздействующее на сердечники, и приводит к замыканию контактов между собой.

При отключении катушки от питания магнитный поток исчезает и контакты размыкаются пружинами. Надежность обеспечивается отсутствием трения между контактами, которые, в свою очередь, выполняют роль проводника, пружины и магнитопровода.

Особенностью герконового датчика является то, что на пружины реле в состоянии покоя не действуют никакие силы. Это позволяет им замыкать контакт за доли секунды.

Применяться могут и постоянные магниты. Такие устройства называют поляризованными.

Нормально замкнутые устройства имеют другой принцип функционирования. Под воздействием электромагнитной силы система магнитов заряжает сердечники одним потенциалом, заставляя их отталкиваться друг от друга, размыкая цепь.

Переключаемые герконы состоят из трех контактов. Один из них установлен стационарно и не магнитится, 2 других сделаны из ферромагнитного сплава. При наведении магнитного поля пара разомкнутых контактов замыкается, размыкая пару с немагнитным контактом.

Геркон: технические характеристики, принцип работы, примеры применения

Любые механические контакты подвержены износу. Чтобы уменьшить влияние этого деструктивного фактора, в первой половине прошлого века было разработаны магнитоуправляемые коммутационные устройства, контактная группа которых помещалась в вакуумную колбу. В СССР такие элементы получили название «Геркон», по сокращению от «герметизированный контакт», в англоязычной технической документации принято название «reed switch».

Давайте рассмотрим принцип действия этих устройств, конструкцию, основные характеристики, достоинства и недостатки. В завершении статьи будет приведена пара полезных схем, где используются герконы.

Внешний вид и особенности конструкции

Данные устройства представляют собой контактную группу, изготовленную на основе ферримагнитного материала, которая помещается в стеклянную колбу. Из нее откачен воздух (созданы условия максимально приближенные к вакууму), как вариант возможно наполнение инертным газом. Внешний вид устройства и его обозначение на принципиальных схемах представлены ниже.

А) внешний вид геркона; В) обозначение на принципиальных схемах

С конструктивным исполнением, можно ознакомиться на рисунке 2.

Конструкция геркона

Обозначение:

А – выводы устройства.
В – стеклянная колба.
С – контактная группа.
D – инертный газ или вакуум.

Разновидности

Коммутационные устройства данного класса принято разделять в зависимости от устройства контактной группы на следующие виды:

Элементы с нормально-разомкнутыми контактами (внешний вид такого устройства показан на рис. 1).
Элементы с нормально-замкнутым контактом.
С переключающимся контактом.

Помимо функциональных признаков, перечисленных выше, имеются и технологические, разделяющие герметичные коммутирующие устройства на две группы: сухие и ртутные. Отличительная особенность последних заключается в том, что внутри колбы содержится капля ртути. Она служит для «смачивания» контактной группы, это позволяет существенно снизить переходное сопротивление и вибрацию (дребезг) контактов при коммутации, что положительно отражается на качестве контакта.

Принцип действия

Срабатывание устройства (замыкание, размыкание или переключение контактов) требуется воздействовать на элемент магнитным полем, напряженность которого будет достаточной для коммутации. В качестве источника такого поля может выступать обычный или электромагнит.

Под воздействием силовых линий происходит намагничивание контактов и по преодолению порога упругости они коммутируют цепь.

Принцип работы нормально-разомкнутого геркона

Соответственно, как только на контактную группу перестанет действовать магнитное поле, она вернется в исходное состояние. То есть, функционально контакты помимо своего прямого назначения играют роль магнитопровода и упругого элемента.

Устройства с нормально-замкнутыми контактами действуют несколько иначе. Их ферримагнитные упругие элементы, попадая под воздействие магнитного, поля приобретают одинаковый заряд, что заставляет их отталкиваться, разрывая контакт.

Принцип действия нормально-замкнутого геркона

Иногда в таких коммутаторах только один упругий элемент выполнен из ферримагнитного сплава, в результате приближения магнита он притягивается к нему, отключая цепь.

Подобный принцип задействован в герконах с переключающей группой контактов, в котором два из них изготавливаются из магнитного материала. Под воздействием магнита они притягиваются друг к другу, а немагнитный контакт остается в исходном положении. В результате происходит перекоммутация цепи.

Срабатывание переключающего геркона

Основные параметры

Свойства герметичных коммутаторов определяются механическими и электрическими параметрами. К первым относятся:

N_max – число, указывающее максимально допустимое количество срабатываний без изменения основных характеристик.
V_cp – величина отображающая интенсивность поля необходимую для реакции устройства. В технической терминологии данную характеристику называют магнитодвижущей силой.
V_отп – величина соответствующая силе размыкания.
t_cp — время, необходимое на срабатывание контактной группы.
t_отп – интервал времени, необходимый на отпускание.
Последние два параметра наиболее значимые из механических характеристик, поскольку описывают скорость коммутации.
Теперь перечислим основные электрические характеристики:
R_K – сопротивление между контактами в замкнутом состоянии.
R_ИЗ – сопротивление разомкнутых контактов.
U_ПР – напряжения пробоя, данная характеристика зависит как от предыдущего параметра, так и расстояния между группой контактов. Помимо этого на электрическую прочность влияет наполнение колбы.
P_max – коммутируемая мощность.
C_K – емкость, образуемая разомкнутыми контактами.

Как осуществляется управление?

Управлять герметичным коммутатором можно двумя способами:

используя постоянный магнит;
воздействуя катушкой, подключенной к постоянному источнику тока.

В первом варианте управление может осуществляться путем линейного или углового перемещения постоянного магнита. Также встречается способ, при котором поле перекрывается при помощи специальной шторки.

В качестве примера использования способа управления при помощи магнита можно привести датчики уровня, а также положения, охранную сигнализацию и т.д.

Второй вариант позволяет создать реле на основе геркона. В отличие от традиционной конструкции, такое устройство будет более надежным и долговечным, поскольку практически не содержит в себе подвижных механических элементов. Что касается небольшого количества контактных групп, то этот недостаток легко устраняется путем увеличения количества задействованных герконов.

Упрощенное изображение конструкции герконового реле

Примером применения данного способа управления может служить токовое реле на основе геркона. Оно представляет собой катушку, намотанную проводом толстого сечения, внутри которой размещается герметичный коммутатор. Данное приспособление может служить в качестве защитной системы от перегрузки в цепях постоянного тока. Чувствительность прибора легко регулировать путем линейного перемещения коммутатора внутри катушки.

Плюсы и минусы

Любая конструкция помимо преимуществ не лишена недостатков. Зная сильные и слабые стороны устройства можно найти оптимальную сферу для его применения. Давайте рассмотрим, в чем заключается преимущества герметичных коммутаторов, к таковым свойствам можно отнести:

Высокую надежность коммутации. Она практически на два порядка превышает этот показатель у открытых контактных групп. Это достигается за счет высокого сопротивления между разомкнутыми контактами (R_ИЗ), оно может исчисляться десятками МОм. Немаловажную роль играет и показатель электрической прочности (U_ПР), напряжение пробоя у некоторых моделей превышает 10 кВ.
Быстродействие также является неоспоримым преимуществом. Частота коммутации многих моделей приближается к 1 кГц. Что касается параметров, описывающих скорость коммутации, то они находятся в следующих диапазонах: t_cp — от 0,4 до 1,8 мс, t_отп – от 0,25 до 0,9 мс, что намного превышает подобные характеристики открытых контактных групп.
Долговечность, число срабатываний исчисляется миллиардами, ни одна открытая контактная группа даже близко не может приблизиться к этому рубежу.
Данный тип коммутаторов нетребователен к согласованию с нагрузкой.
Управление может производиться без использования электроэнергии.

Характерные недостатки:

Низкие показатели коммутируемой мощности.
Небольшое число контактов.
Дребезг при срабатывании (конструкции «мокрого» типа избавлены от этого недостатка).
Большие размеры для современной радиотехнической базы.
Недостаточная прочность стеклянной колбы.
Чувствительность к воздействию внешних магнитных полей.

Несмотря на явное преобладание положительных качеств, данные устройства постепенно вытесняются полупроводниковыми аналогами, такими как датчики Холла. Отсутствие дребезга, небольшие размеры и более высокая прочность сыграли решающую роль.

Примеры практического применения в быту

Как и было обещано в начале статьи, приводим пару полезных схем, в которых используются герконы. Начнем с универсального управления освещением в прихожей. Принцип работы заключается в следующем: при открытии входной двери автоматически включается свет, и спустя несколько минут выключается. При достаточном уровне освещения, свет в прихожей не включается.

Схема управления освещением прихожей

Обозначения:

Резисторы: R1 – 68 кОм, R2 – 33 кОм, R3 – 470 кОм, R4 – 10 кОм, R5 – 27 кОм.
Конденсаторы: С1 – 0,1 мкФ, С2 – 100 мкФ х 25 В, С3 – 470 мкФ х 25 В.
Стабилитрон и диоды: VD1 – КС212Ж, VD2 и VD3 – КД522 (1N4148), VD4 – КД209 (1N4004).
Транзисторы: VT1 и VT2 – ÌRF840.
SG1 – любой обычный герконовый датчик, например, 59145-030.
FR1 – фоторезистор, подойдет любого типа с сопротивлением на свету не ниже 8 кОм, в темноте – 120-180 кОм.
Триггер D1 – К561ТМ2 (СD4013).

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R1, для выбора оптимального времени задержки отключения освещения.

Теперь рассмотрим схему простой домашней сигнализации, где в также используется типовой герконовый датчик для двери.

Простая домашняя сигнализация

Обозначения:

Резисторы: R1, R2 и R3 – 100 кОм, R4 – 33 кОм, R5 – 100 кОм, R6 – 1 кОм.
Конденсаторы: С1 – 100 мкФ х 16 В, С2 – 50 мкФ х 16 В, С3 0,068 мкФ.
Диоды и светодиод: VD1 и VD2 – КД522 (1Т4148), HL1 — АЛ307Б.
Транзисторы: VT1 – КТ829, VT2 – К361.
Микросхема: К561ЛА7.
S1 – герконовый датчик 59145-030.

В качестве сирены используется звуковой оповещатель АС-10.

Питание схемы осуществляется от аккумулятора 12 В, емкостью 4 А*ч.

Герконовый датчик и принцип его работы

Использование датчиков необходимо в системах, где необходим постоянный мониторинг состояния. Обычно это охранные или пожарооповещательные системы. Они бывают разными, однако наиболее известные, простые и дешевые — герконы. Подробнее о том, что такое герконовые датчики и для чего они нужны — читайте в статье.

Что такое герконовый датчик

И в первую очередь, говоря о герконе, нужно определить, что это такое. Герконовый датчик — это электромеханическое устройство, благодаря которому можно разомкнуть или замкнуть электрические контакты. Все это происходит под воздействием магнитного поля, источником которого обычно выступает электро- или постоянный магнит.

Если немного затронуть этимологию его названия, то само слово «геркон» является результатом совмещения слов «герметичный» и «контакт». Это также описывает его конструкцию и дальнейший принцип работы, потому что дает понять, что датчик сделан из ферромагнитных пластин, помещенных в стеклянную капсулу. Подобное позволяет ему нивелировать любое внешнее воздействие, а также быстро реагировать при изменении.

Принцип работы

И когда мы знаем, что такое геркон, разберем принцип его работы. Ближайшей аналогией по отношению к нему можно считать выключатель, потому что его конструкция представляет следующее: реле из двух токопроводящих сердечников, которые расположены в герметичном пространстве с инертной средой. Последнее необходимо для избавления от окисления.

Непосредственное же замыкание производится посредством размещения вокруг колбы управляющей обмотки. В нее поступает постоянный ток и, после того как подается питание, обмотка создает магнитное поле. Оно же оказывает действие на сердечники, что в итоге приводит к замыканию — это полный принцип действия геркона.

Следовательно, что при отключении питания нивелируется магнитный поток, а контакты размыкаются. Так надежность геркона, благодаря которой это устройство до сих пор имеет популярность, обусловлена никелированным трением контактов. Помимо, отсутствие какого-либо воздействия в незамкнутом состоянии фактически дает возможность моментального замыкания при необходимости.

Использование постоянных магнитов

Существует также альтернатива в виде использования постоянных магнитов. Их также еще называют магнитными герконовыми датчиками или поляризованными. Вот как он работает: электромагнит заряжает контакты одним и тем же потенциалом, что приводит к их отталкиванию друг от друга. Это в свою очередь размыкает цепь. Нюанс также в том, что в них три контакта: один стационарный и не имеет никакого воздействия магнита, а два других произведены из ферромагнитного сплава за счет чего производится замыкание и размыкание при воздействии магнитного поля.

Существует также несколько видов этого датчика:

замыкающий: в таком типе есть один разомкнутый контакт;
переключающий: есть один контакт, отвечающий за переключение;
размыкающий: есть один замкнутый контакт.

Однако это не единственные различия, что у них есть.

Отличия по конструкции

Помимо всего, герконовые — вне зависимости от типа — датчики, которые имеют различия по их технологиям исполнения. К таковым, как правило, относят:

Сухие. Это простая конструкция, у которой есть очевидные недостатки в виде вибрации при замыкании и размыкании. В бытовом плане их проще выразить в щелчках или дребезге, что также может вызвать множественную коммутацию при передаче сигнала. Эффект весьма нежелательный, однако исправить его нельзя.
Ртутные. Здесь же внутри конструкции есть немного ртути, что смачивает контакты и нивелирует вибрацию. Благодаря ей также производится снижение сопротивления у контакта.

Выбрать один идеальный не получится, потому у каждого есть свои недостатки. Здесь стоит посмотреть на условия использования оного.

Область применения

Теперь касательно того, как и где применяются герконы. И хотя датчики Холла почти что везде вытеснили их ввиду лучших характеристик, остались области, где их использование вполне оправдано:

Синтезаторы и промышленное оборудование. Благодаря конструктивным особенностям полностью исключается появление искры. Это делает незаменимым их использование на том производстве, где есть высокая вероятность взрыва и работа с горючими жидкостями.
Бытовые счетчики. Решение относительно надежное, дешевое и проверенное временем. Нет никакой необходимости его замены.
Системы охраны и положения. Благодаря молниеносной реакции, и как следствие замыканию, герконы попросту в них незаменимы.
Работающее под водой оборудование. Та герметичность, что обеспечивает конструкция, позволяет использовать их под водой. Причем это достаточно надежно даже под давлением.
Телекоммуникационные системы и медицинское оборудование. Благодаря универсальности и стабильности они не заменимы в тех устройствах, где нужна продолжительная работа.
Механизмы защиты. Здесь речь идет о тех системах, что защищают от перегрузок или короткого замыкания при высоковольтных нагрузках.

Стоит также отметить, что в системах безопасности всегда используют аппаратные приспособление из геркона и магнита для индикации открытия и закрытия дверей. Есть еще решения реле с датчиками и обмоткой, что реализует себя в случаях, когда нужна компактность, влагостойкость и отсутствие подвижных элементов.

Как подключить датчик

Если говорить о том, как подключить геркон, то начать стоит со способов монтажа. Креплений всего два:

скрытое;
наружное.

Учитывать также стоит характеристики поверхности, где будет осуществляться монтаж, потому разделяют две «базы» для подключения:

стальная;
магнитнопассивная.

Итак, часть реле, которая отвечает за магнитное поле, закрепляется на подвижной части конструкции. Геркон же должен быть установлен там, от чего отходит движущийся элемент. Происходит примерно следующее: движущаяся часть примыкает к стационарной, параллельно производят магнитной поле и замыкая цепь. Если же катушка, благодаря которой функционирует поле, не оказывает никакого воздействия, то происходит размыкание и соответствующая программа сообщит о нарушении. Все достаточно просто, потому что это фактически то, как работают датчики открытия дверей в умных домах.

Особенности установки

К нюансам же, которые нужно учитывать при подключении геркона, относят:

Использование в местах, где есть или может быть ультразвук, не рекомендуется, потому как он может сбить датчик и его настройки.
Если рядом есть еще один источник магнитного поля — его нужно исключить.
Не подвергать колбу ударам, потому как ее деформация приводит к негодности сердечников.

И немного касательно того, как проверить геркон: в первую очередь нужно настроить программу, после проверить работоспособность и, приложить друг к другу еще незакрепленные элементы. После их можно разъединить и посмотреть за реакцией программы, которая отвечает за уведомления. Если все в норме — крепим датчики на нужное место.

Плюсы и минусы

Теперь вкратце о преимуществах:

Благодаря герметичности можно использовать на объектах с высокой пожароопасностью.
Способность быстрого оповещения, что автоматически допускает использования при высокой частоте.
Компактность: минимальный размер — 4 мм.
Нет трения поверхностей сердечников.

И также недостатках:

Магниты зачастую имеют небольшую чувствительность.
Датчик слишком восприимчив к внешним магнитным потокам, что заставляет исключить их из близлежащего радиуса.
Материал капсулы всегда тонкое стекло.
Низкая частота способствует хаотичному замыканию и размыканию сети.

В итоге присутствует некий баланс, который не позволяет сказать, что все плюсы перевешивают минусы, и наоборот. Некоторым покажется, что это делает устройство спорным, однако на самом деле это дает больше вариантов для выбора.

Использование герконовых датчиков до конца не исчезло и навряд ли когда-нибудь это произойдет. Подобное решение надежно и дешево, что полностью оправдывает его использование. Оно также не применяется в критически важных устройствах, когда выход из строя недопустим, а потому априори не сможет испортить что-либо. И не стоит также забывать о герконовых датчиках уровня воды, благодаря которым можно обезопасить свой дом от затопления.