228

Тема 15 Магнитные бесконтактные элементы электрических аппаратов Общий подход

Бесконтактным электрическим аппаратом будем называть устройство, предназначенное для включения и отключения электрических цепей без физического разрыва самой цепи.

Преимущества:

- быстродействующее переключение;

- долговечность;

- простота обслуживания;

- механическая стойкость;

- способность к работе во взрывоопасных и загрязненных средах;

- уменьшенный уровень радиополях.

Принцип действия бесконтактных аппаратов основан на использовании элементов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой. Основным из них являются ферромагнитные сердечники с обмотками, обладающие нелинейностью индуктивности, и полупроводниковые приборы с нелинейным активным сопротивлением.

Нелинейные элементы включаются в рабочую цепь между источником питания и нагрузкой и могут изменять свое сопротивления электрическому току от сравнительно малого до большого.

Это изменение сопротивления осуществляется обычно с помощью специального элемента, обеспечивающего усиление мощности нагрузки. Поэтому большинство бесконтактных аппаратов называются усилителями (магнитными, полупроводниковыми).

Структура простейшего усилителя	Магнитные усилители двух типов (ДМУ) – дроссельные – по рабочем обмотки  ток (МУС) – с самоподмагничиванием – по рабочей обмотке однополу выпрямляющий ток

Основным элементом является дроссель насыщения. Это ферромагнитный сердечник с обмотками, работающий в своеобразном режиме: сердечник ДН может находиться в насыщенном состоянии или кратковременно, или периодически, или длительно.

Конструкция ДН, как правило, не отличается от трансформатора. Однако обычные режимы работы ДН являются аварийными для трансформатора. Кроме того, сердечник ДН во многих случаях находится под одновременным воздействием  и = магнитных полей. Поэтому процессы в ДН более сложены, чем в трансформаторах.

ДН выполняются на сердечниках различной формы: тороидальной, П- или Ш-образной.

В зависимости от характера тока, протекающего по обмоткам дросселя, различают ДН без подмагничивания – только  ток; и с подмагничиванием – проходит постоянная составляющая тока.

- индукция, создаваемая полем Н в пустоте.

При неизменных значениях S, _p, l индуктивность L определяется абсолютной магнитной проницаемостью _а.

В бесконтактных электрических аппаратах применяют магнито-мягкие материалы. В динамической петле гистерезиса, чем быстрее изменяется Н, т.е., чем больше , тем шире петля гистерезиса. Процесс перемагничивания тормозится магнитной вязкостью и вихревым токами.

- коэффициент прямоугольности - материал с высокой прямоугольностью петли гистерезиса - материал с низкой прямоугольностью

Магнитный усилитель

Управляемый дроссель – катушка индуктивности с магнитопроводом. Характеризуется переменным индуктивным сопротивлением, обусловленным подмагничиванием ферромагнитного сердечника постоянным током. Ток в рабочей обмотке дросселя можно изменять по величине путем изменения магнитной проницаемости магнитопровода, подвергая его одновременному воздействию переменной и постоянной м.д.с.

При изменении значения постоянного тока обмотки управления изменяется магнитное сопротивление сердечника дросселя, а следовательно, значение индуктивности рабочей обмотки и ток в ней.

, ,

где S – сечение магнитопровода; _p – число витков рабочей обмотки; l – средняя длина магнитной линии магнитопровода.

При подмагничивании магнитопровода дросселя постоянным током вследствие изменения его магнитного состояния уменьшается индуктивность рабочей обмотки и возрастает ток дросселя.

Вследствие того, что индуктивность рабочей обмотки дросселя зависит только от абсолютного значения подмагничивающего тока и не зависит от его полярности. Характеристика управления дросселя I_р (I_упр) оказывается симметричной относительно оси ординат.

На вид характеристики управления дросселя влияет напряжение, приложенное к рабочей обмотке, материал сердечника и соотношение числа витков рабочей обмотки и обмотки управления дросселя.

Схема простейшего управляемого дросселя малопригодна для широкого применения, так как в обмотке управления с большим числом витков наводится значительная переменная ЭДС вследствие прямой трансформаторной связи между рабочей обмоткой и обмоткой управления. Кроме того, переменный ток в цепи нагрузки дросселя существенно искажает свою форму.

Поэтому для создания МУ используются конструкции, основанные на двух О-образных сердечниках или на одном Ш-образном сердечнике, лишенные указанных недостатков.

Для ДМУ применяются два дросселя, каждый из которых имеет по две обмотки: рабочую _р и управляющую _у.

_р – включаются последовательно и согласно;

_у – включаются последовательно и встречно.

При таком включении обмоток ЭДС, трансформируемые из рабочих цепей в цепи управления, оказываются в противофазе и взаимно компенсируются.

При плавном увеличении тока I_у ток нагрузки плавно увеличивается от до max значения за счет уменьшения магнитной проницаемости _а.

В линейной зоне характеристику управления ДМУ соблюдается равенство средних значений м.д.с.

или .

Это равенство не зависит от колебаний питающего напряжения, сопротивления нагрузки и чистоты питания источника.

Данному значению тока управления всегда соответствует единственное значение тока нагрузки.

Таким образом, дроссельный МУ является управляемым источником тока.

Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управления. В этом случае в рабочем режиме ток в нагрузке будет определяться суммарным приведенным током управления

.

Таким образом, магнитный усилитель может быть использован как сумматор электрических сигналов, не связанных между собой.

Вследствие низких значений коэффициента усиления и большой массы ДМУ применяют редко, в основном как измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения. В первом случае роль обмотки управления выполняет шина, по которой протекает измеряемый = ток I_у.

Во втором случае обмотка управления w_у включается параллельно сети измеряемого постоянного напряжения.

ДМУ в этом случае представляет собой сочетание двух тороидельных магнитнопроводов на некотором размещены рабочие обмотки и , и подключены к источнику  напряжения. Рабочие обмотки и обмотка управления создают свои магнитные потоки и . В цепь рабочих обмоток через выпрямительный мост включен измерительный прибор, который в данном случае является нагрузкой усилителя.

Схема трансформатора постоянного тока

Допустим, что в рассматриваемый полупериод вектор индукции совпадает по направлению с вектором индукции , а вектор направлен встречно . В результате магнитопровод I – насыщен, сопротивление обмотки Хр переменному току равно нулю, а магнитопровод II наоборот далек от насыщения.

Материал магнитопроводов I и II имеет кривую намагничивания, близкую к прямоугольной. В таком материале при суммарном значении магнитной индукции B  B_S напряженность поля Н = 0, _а = . При B > B_S _а = 0 и, следовательно, Х_р  0 и не оказывает влияние на полное сопротивление цепи рабочих обмоток.

В магнитопроводе II, где B < B_S, Н = 0 можно записать

, .

Из приведенного равенства следует, что ток i_p в течение рассматриваемого полупериода повторяет форму тока управления i_у. Так как i_у = const, то и ток i_р = const в течение данного полупериода, т.е. ток i_p принимает прямоугольную форму, а затем выпрямляется с помощью выпрямителя.

Реальная форма кривой намагничивания отличается от прямоугольной. Поэтому форма тока i_p не прямоугольная, а в токе i_н появляются глубокие провалы, что вызывает определенную погрешность измерения.

Рассмотренное устройство может быть использовано и в качестве измерительного трансформатора постоянного напряжения. Для этого многовитковая обмотка управления w_у подключается к измеряемому напряжению U_и через большое добавочное сопротивление R_доб.

Ток в обмотке управления w_у пропорционален напряжению

.

Для уменьшения потерь в R_доб ток i_у берется малым – около 10 мА. Измерение этого тока производится так же, как и в трансформаторе тока.

Измерительный трансформатор постоянного напряжения