3.5.4. Изменение скорости срабатывания электромагнитов постоянного тока

В большинстве случаев основную часть времени срабатывания составляет время трогания (t_тр). Поэтому для изменения времени срабатывания, прежде всего, воздействуют на время трогания

, (3.41)

где L/R – постоянная времени цепи (T); i_тр – ток, при котором начинается движение якоря (ток трогания); I_у = U/R – установившееся значение тока.

Примем, что ток трогания не изменяется (неизменна сила противодействующей пружины). Рассмотрим влияние активного сопротивления цепи при неизменной индуктивности и питающем напряжении. После включения электромагнита ток в обмотке изменяется

.

Скорость нарастания тока

и при t = 0

.

Таким образом, скорость нарастания тока в момент включения не зависит от активного сопротивления цепи и определяется только питающим напряжением и индуктивностью цепи, tg = const. Изменение тока во времени при различных значениях активного сопротивления цепи и L = const показано на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Ток в обмотке электромагнита при различных активных сопротивлениях цепи

Следует отметить, что, поскольку I_у2 > I_у1 и одинакова для обоих случаев, кривая тока i₂ идет выше кривой тока i₁, что обеспечивает ускорение срабатывания при R = R₂.

По мере увеличения сопротивления R установившийся ток I_у = U/R приближается к току i_тр, знаменатель у логарифма в (3.41) стремится к нулю, а сам логарифм растет до бесконечно большого значения. Поэтому увеличение активного сопротивления ведет к росту времени трогания t_тр. Постоянная времени Т с ростом сопротивления уменьшается (T₁ < T₂), и, следовательно, снижается время трогания, но влияние этого множителя в (3.41) меньше, чем влияние логарифма, следовательно, чем меньше активное сопротивление цепи, тем быстрее будет срабатывать электромагнит. Для уменьшения сопротивления R при неизменной индуктивности L необходимо увеличивать сечение обмоточного провода S, что вызывает увеличение окна S_ок и габаритов электромагнита в целом. Мощность, рассеиваемая в виде тепла, P = U ²/R также возрастает, что требует увеличения поверхности охлаждения катушки.

Ускорить срабатывание электромагнита при неизменной конструкции можно с помощью специальных схем форсировки. Для того чтобы добиться эффекта уменьшения сопротивления R при неизменных размерах электромагнита, широко применяется схема форсировки рис. 3.19.

Рис. 3.19. Схема форсировки электромагнита

Введенный в схему добавочный резистор R_доб шунтирован размыкающим контактом К1 связанным с якорем электромагнита. После замыкания контакта К2 малое сопротивление обмотки R способствует быстрому нарастанию тока до тока трогания. После начала движения якоря контакт К1 размыкается и в цепь вводится сопротивление R_доб, благодаря чему мощность Р, выделяемая в обмотке, ограничивается в соответствии с выражением

.

Иногда вместо контакта К1 используется конденсатор С. В первый момент времени незаряженный конденсатор уменьшает падение напряжения на резисторе R_доб, благодаря чему обеспечивается форсировка электромагнита. В установившемся режиме ток в цепи ограничивается резистором R_доб. Емкость конденсатора (в микрофарадах) рекомендуется брать равной

,

где L – индуктивность обмотки электромагнита, Гн; R – ее активное сопротивление, Ом; R_доб – сопротивление добавочного резистора, Ом.

Рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания. При уменьшении питающего напряжения уменьшается значение I_у установившегося тока, что ведет к увеличению значения логарифма в (3.41).

При i_тр = I_у время трогания t_тр = . С ростом питающего напряжения время трогания уменьшается в связи с уменьшением логарифма из-за роста I_у. Зависимость t_тр(U) изображена на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Зависимость времени трогания от напряжения питания

Иногда возникает необходимость ускорить срабатывание уже готового электромагнита, не затрагивая его конструкцию и входящие в нее узлы и детали. Увеличение питающего напряжения без изменения активного сопротивления цепи ведет к ускорению срабатывания, но обмотка электромагнита может сгореть, если при номинальном значении питающего напряжения ее температура близка к предельно допустимой. В этих случаях рекомендуется при повышении питающего напряжения в цепь включать добавочный резистор, сопротивление которого обеспечивает неизменность тока I_у. Ускорение срабатывания происходит за счет уменьшения постоянной времени. Величина (3.42) остается неизменной.

На рис. 3.21 показаны зависимости i = f(t) при различных значениях Т и при неизменном установившемся токе электромагнита. Кривые показывают, что чем больше постоянная времени, тем больше время трогания.

Рис. 3.21. Зависимости i = f(t) при различных постоянных времени

Отметим, что при прочих равных условия увеличение натяжения противодействующей пружины ведет к росту i_тр и t_тр.

Для создания электромагнитов замедленного действия применяется короткозамкнутая обмотка. Такая обмотка может иметь всего один виток. Электромагнит с короткозамкнутой обмоткой w₂ показан на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Электромагнит замедленного действия

При включении питающей обмотки и нарастании создаваемого ею магнитного потока в короткозамкнутой обмотке наводится ЭДС. Что вызывает ток такого направления, при котором магнитный поток короткозамкнутой обмотки направлен встречно потоку питающей обмотки. Результирующий поток равен разности этих потоков. Скорость нарастания потока в электромагните уменьшается, и время трогания увеличивается.

Если принять, что короткозамкнутая обмотка пронизывается тем же потоком, что и питающая (отсутствует рассеяние), то поток нарастает по экспоненте с суммарной постоянной времени T₁+T₂

,

где _у = (U/R)w₁_ – установившийся поток; T₁=L₁/R₁; T₂ = L₂/R₂ – постоянные времени обмоток. Если пренебречь потоками рассеяния, то индуктивности обмоток согласно (3.28) равны

.

При ощущенном якоре  = _max и значение _ мало, поэтому суммарная постоянная времени Т₁+Т₂ невелика, и замедление электромагнита при срабатывании получается незначительным.

При отключении электромагнита можно считать, что ток I_у в питающей обмотке практически мгновенно спадает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка в отключающемся аппарате, рис. 3.23.

Рис. 3.23. Изменение тока в обмотках электромагнита при отключении

Поскольку магнитный поток в системе мгновенно не может измениться, в короткозамкнутой обмотке возникает ток

.

Спадание магнитного потока определяется процессом затухания этого тока. При спадании потока в короткозамкнутой обмотке наводится ЭДС и возникает ток, направленный так, что поток, создаваемый обмоткой w ₂, препятствует уменьшению потока в системе. Замедленное спадание потока создает выдержку времени при отпускании.

Для короткозамкнутой обмотки и ненасыщенной магнитной системе можно записать

. (3.43)

Решение (3.43)

, (3.44)

где I₂₀ – начальное значение тока в короткозамкнутой обмотке (при t = 0); L₂ – индуктивность короткозамкнутой обмотки при притянутом якоре. Очевидно, что L₂ > L₂.

Умножив обе части (3.44) на , получим

,

где – установившийся магнитный поток при включенной питающей обмотке.

Рабочий зазор при притянутом якоре в сотни раз меньше, чем при отпущенном, поэтому постоянная времени при притянутом якоре T₂ >> T₁+T₂. Замедление времени трогания при отпускании может достигать 10 с, тогда как задержка времени трогания при притяжении якоря составляет доли секунды.