3.4.3. Процесс отключения переменного тока.

Условия отключения цепей переменного тока облегчаются тем, что при переходах тока через нулевые значения электромагнитная энергия обращается в нуль.

Образующаяся на контактах электрическая дуга или искра создает токопроводящую связь в цепи до перехода тока через нулевое значение, когда наступает наиболее благоприятные условия для окончательного отключения.

При переходе тока через нулевое значение создаются самые благоприятные условия для гашения дуги и отключения цепи. Это момент наиболее интенсивного роста восстанавливающейся прочности (U_в.п) межконтактного промежутка и напряжения на нем. Напряжение дуги (u_д), горевшей в течение полупериода, бывает сравнительно небольшим. Вблизи перехода тока через нуль начинается интенсивный процесс восстановления напряжения на промежутке до мгновенного напряжения источника (U_в0). Процесс отключения переменного тока представлен на рис. 3.11, где U_в.п0 – «начальная» восстанавливающаяся прочность (на интервале 5…10 мкс); u_в – восстанавливающееся напряжение; t₁ – время начала процесса отключения, t₂ – время перехода тока через нуль; t_кр – время наступления первого максимума, f₀ – собственная частота колебаний.

Рис. 3.11 Отключение цепи переменного тока

В момент перехода тока через нуль межконтактный промежуток близок по свойствам к диэлектрику и переходный процесс восстановления напряжения протекает в колебательном контуре, состоящем из индуктивности, емкости и сопротивления утечки (R_ш). При R_ш   наблюдаются колебательные процессы с собственной частотой f₀

. (3.20)

В реальных сетях низкого напряжения f₀ = 1 ÷ 100 кГц.

Первый максимум восстанавливающегося напряжения (U_max) наступает в момент времени

. (3.21)

Условия гашения дуги переменного тока – электрическая дуга переменного тока будет погашена и цепь отключена, если за переходом тока дуги через нулевое значение кривая восстанавливающейся прочности u_в.п межконтактного промежутка будет лежать выше кривой восстанавливающегося напряжения u_в. Если эти кривые пересекутся, возникнет повторное зажигание дуги.

3.5. Электромагниты

Электромагнит предназначен для создания механической силы притяжения между стальными полюсами за счет магнитного потока, создаваемого протекающим по обмотке током. Эта сила называется электромагнитной или тяговой. Электромагниты используются не только как приводные элементы электрических аппаратов, но и как самостоятельные аппараты, коммутирующие механическую нагрузку (электромагнитные муфты, тормозные электромагниты).

3.5.1. Основные положения теории магнитных цепей

Магнитная цепь – совокупность ферромагнитных тел и немагнитных промежутков между ними, в которой при наличии магнитодвижущей силы (МДС) создается магнитный поток. Для создания МДС служат обмотки управления. Дополнительные обмотки могут быть использованы и для получения наведенной ЭДС, возникающей при изменении магнитного потока (выходные или сигнальные обмотки).

Немагнитные рабочие или воздушные зазоры () – немагнитные промежутки, по которым замыкается основной рабочий поток (_).

Магнитопровод – ферромагнитные тела, входящие в магнитную цепь, служит для проведения магнитного потока (_м) по пути с наименьшим магнитным сопротивлением и для подведения магнитного потока к немагнитному рабочему зазору, в котором создается магнитное поле определенной конфигурации, величины и направления.

Поток рассеяния – магнитный поток (_), который не замыкается ни через магнитный материал, ни через рабочие зазоры.

Намагничивающая сила – произведение тока на число витков катушки (I∙w), иначе намагничивающие ампервитки. Схематическое изображение магнитной цепи приведено на рис. 3.12, где М – магнитопровод; Я – якорь.

Рис. 3.12. Магнитная цепь

Для магнитных цепей справедливы следующие основные зависимости.

Первый закон Кирхгофа для магнитной цепи – алгебраическая сумма магнитных потоков в любом сечении магнитопровода равна нулю

. (3.22)

Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи – сумма падений магнитного потенциала по замкнутому контуру равна результирующей намагничивающей силе контура

, (3.23)

где R_м – магнитное сопротивление.

Величина обратная магнитному сопротивлению – магнитная проводимость

_.

Для простейшей неразветвленной магнитной цепи второй закон Кирхгофа принимает вид

. (3.24)

Закон Ома для простой магнитной цепи

. (3.25)

Скорость протекания переходных процессов в электромагнитах зависит от электромагнитной постоянной времени (L/R), где L – индуктивность, R – активное сопротивление катушки электромагнита. В условиях полного сцепления магнитного потока со всеми витками катушки

. (3.26)

С учетом зависимости (3.25)

. (3.27)

В отпущенном состоянии якоря электромагнита рабочие воздушные зазоры имеют наибольшую длину, их магнитное сопротивление обычно значительно превышает сопротивление стального магнитопровода. В этом случае индуктивность можно выразить через магнитное сопротивление (R_) или магнитную проводимость (_) рабочего зазора

. (3.28)

Магнитное сопротивление R_м и магнитная проводимость L ферромагнитных участков цепи выражаются через магнитную проницаемость материала , длину l и поперечное сечение S следующими формулами

;

.

Абсолютная магнитная проницаемость 

,

где B – магнитная индукция; H – напряженности магнитного поля;_м – удельное магнитное сопротивление.

Магнитная проницаемость воздуха принимается примерно равной магнитной проницаемости вакуума: ₀ = 4∙10^–7 Гн/м.

Относительная магнитная проницаемость _отн

.

При расчетах магнитных цепей обычно используется абсолютная магнитная проницаемость.

В динамических режимах магнитное состояние ферромагнитных материалов характеризуется не основной кривой намагничивания, а петлями гистерезиса (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Петля гистерезиса

Если магнитный материал полностью размагничен, то индукция в нем равна нулю. При возрастании напряженности H магнитного поля индукция B в нем будет изменяться по основной кривой намагничивания «ова» при положительной H и «огб» – при отрицательной. При переменной напряженности поля магнитная индукция изменяется в зависимости от частных петель гистерезиса (см. кривые 1, 2), соответствующих максимальным абсолютным значениям напряженности Н₁, Н₂. Основная кривая намагничивания проходит через вершины частных петель гистерезиса, полученных при переменных магнитных полях.

Площадь петель гистерезиса и их ширина для данного магнитного материала меняются при определенных условиях. Например, при переменном магнитном поле ширина петли гистерезиса увеличивается с ростом частоты источника питания и увеличением толщины листов материала магнитопровода.

Площадь петли гистерезиса за один магнитный цикл определяет удельные потери на гистерезис (Дж/см³):

,

где H_x – максимальные абсолютные значения напряженности поля, соответствующие вершинам петли гистерезиса.

Магнитные характеристики материалов, определяемые петлями гистерезиса, имеют большое значение для электромагнитов переменного тока.