2.5 Электромагниты переменного тока

Весьма широкое распространение имеют электромагниты, питание которых осуществляется от источников переменного тока.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока.

Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как это приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях и к прямому нарушению нормальной работы. Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы. Характеристики и конструкции таких электромагнитов коренным образом отличаются от электромагнитов постоянного тока.

Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного потока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе друг относительно друга.

В последнее время благодаря появлению компактных экономичных полупроводниковых вентилей широкое распространение получают электромагниты переменного тока с встроенными выпрямителями. В этом случае магнитная система обтекается не переменным, а пульсирующим магнитным потоком, причем пульсация сглаживается за счет индуктивности обмотки электромагнита.

Электромагниты переменного тока, так же как и электромагниты постоянного тока, состоят из следующих основных частей: 1 – катушки с расположенной на ней намагничивающей обмоткой; 2 – неподвижной части магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала; 3 – подвижной части магнитопровода (якоря).

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.

Количество и характер воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты с втягивающимся якорем и электромагниты с внешним притягивающимся якорем.

2.6 Сравнение электромагнитов постоянного и переменного токов

Полученные в предыдущих параграфах общие соотношения, характеризующие электромагниты переменного тока, позволяют сопоставить их с электромагнитами постоянного тока. Такое сопоставление дает возможность определить целесообразные области применения каждой из этих разновидностей. В частности, оно необходимо для разумного вывода в том, когда выгоднее применять электромагниты переменного тока, работающие при переменном магнитном потоке, и когда электромагниты с встроенными выпрямителями.

Сила тяги. При заданной площади сечения полюсов, образующих рабочий воздушный зазор, средняя величина силы в электромагните переменного тока будет вдвое меньше, чем сила в электромагните постоянного тока. Это относится в равной степени как к однофазным, так и многофазным системам. Иными словами, использование железа в электромагните переменного тока, по крайней мере, в два раза хуже, чем в электромагните постоянного тока.

Вес. При заданных силе тяги и ходе якоря электромагнит переменного тока получается значительно большего веса, чем электромагнит постоянного тока, так как необходимо взять, по крайней мере, вдвое больше стали и существенно увеличить объем меди из-за того, что требуется иметь определенную величину кажущейся мощности.

Необходимый минимум реактивной мощности. Потребляемая электромагнитом переменного тока в момент его включения реактивная мощность однозначно связана с величиной механической работы, которую требуется получить от этого электромагнита, и не может быть снижена путем увеличения его размеров. В электромагнитах постоянного тока такой связи нет и, если не касаться вопроса о скорости действия, потребляемая мощность может быть уменьшена соответствующим увеличением размеров.

Влияние вихревых токов. Из-за необходимости предотвратить возникновение чрезмерных потерь от вихревых токов магнитопроводы электромагнитов переменного тока приходится выполнять шихтованными или разрезными, в то время как на постоянном токе это требуется лишь для быстродействующих электромагнитов.

Такое исполнение магнитопровода приводит к ухудшению заполнения объема сталью, а также предопределяет призматическую форму частей магнитопровода. Последнее вызывает увеличение длины среднего витка обмотки и приводит к некоторым конструктивным и технологическим недостаткам.

Потери на вихревые токи, а также на перемагничивание, увеличивают потребление электромагнита и его нагрев. В электромагнитах постоянного тока все перечисленные ограничения отпадают.

Область применения. В обычных стационарных промышленных установках, питающихся от сети переменного тока (частотой 50 гц) достаточной мощности, многие из приведенных отрицательных моментов не являются препятствием для применения электромагнитов переменного тока.

Большое потребление реактивной мощности в начале хода существенно не отразится на других потребителях. Если в конце хода якоря электромагнита воздушные зазоры незначительны, потребляемая реактивная мощность при притянутом якоре будет невелика.

Рисунок 2.1 - Разновидности магнитных цепей, в которых пренебрегают потоком рассеяния:

а – магнитный усилитель; б - электроагнитное реле в замкнутом состоянии; в – индуктивный датчик; г – быстродействующий выключатель

Рисунок 2.2 - Магнитные цепи с электромагнитным экраном:

а – индуктивно-тепловые реле;

б – индукционное быстродействующее реле направления мощности

Рисунок 2.3 - Магнитные цепи с сосредоточенной м. д. с.:

а – датчик больших линейных перемещений с подвижной катушкой;

б - датчик больших линейных перемещений с неподвижной сигнальной катушкой и подвижным якорем;

в – индукционное реле тока с диском

Рисунок 2.4 - Магнитные цепи с распределенной м. д. с. и постоянной удельной проводимостью рассеяния:

а – тяговый электромагнит;

б – индуктивный датчик;

в – электромагнит переменного тока;

г – электромагнитная муфта

Рисунок 2.5 - Симметричные магнитные цепи с распределительной м. д. с. и переменной удельной проводимостью рассеяния:

а – электромагнит; б – индукционное реле;

в – индукционное реле мощности

Рисунок 2.6 - Несимметричные магнитные цепи с распределенной м. д. с. и переменной удельной проводимостью рассеяния:

а – электромагнит с плоским фасонным якорем;

б – поляризованный электромеханизм;

в – электромагнитное реле с плоским якорем