Билет №1 (1)Дуга переменного тока при отключении индуктивной нагрузки

Рассмотрим процесс гашения дуги в цепи с большой индуктивностью  создаваемой в момент расхождения контактов загорается дуга (рисунок 2.10) и напряжение на дуге изменяется во времени так же, как на рисунке 2.9. В момент времени   дуга гаснет. Благодаря процессу деионизации в ДУ электрическая прочность промежутка увеличивается по кривой  . К промежутку прикладывается восстанавливающееся напряжение на контактах  , создаваемое источником. Данный случай принципиально отличается от предыдущего тем, что в момент погасания дуги ЭДС источника близка к амплитуде. При этом напряжение на промежутке восстанавливается с большой скоростью. В точке спрочность промежутка ниже восстанавливающегося на нем напряжения и происходит пробой.

Дуга горит еще полпериода и снова гаснет в точке  . В точке   снова происходит пробой междуконтактного промежутка, так как после момента времени   кривая электрической прочности  ниже кривой восстанавливающегося напряжения  . При этом загорается дуга, которая гаснет в точке   и снова начинается процесс нарастания электрической прочности (кривая  ) и восстановления напряжения  .

После точки   благодаря эффективному действию ДУ кривая восстанавливающейся электрической прочности   идет выше кривой восстанавливающегося напряжения   и происходит окончательное гашение дуги. Для расчета восстанавливающегося напряжения составим схему замещения (рисунок 2.11,а, б), в которой:  - индуктивность, соответствующая реактивному сопротивлению КЗ источника  ;  - активное сопротивление цепи;   эквивалентная емкость на зажимах выключателя.

Рисунок 2.10 - Отключение индуктивной нагрузки переменного тока

Рисунок 2.11 - К расчету восстанавливающегося напряжения: а - электрическая схема отключения цепи; б- схема замещения; в - восстанавливающееся напряжение на контактах; г - огибающая кривой допустимого восстанавливающегося напряжения 1 и восстанавливающееся напряжение в месте установки выключателя 2

Эта емкость определяется емкостью источника питания, коммутирующего электрического аппарата С и токоподводящих шин относительно емкости земли С₃. Емкость источника питания (обмотки генераторов, трансформаторов) является распределенной. Для упрощения расчетов от распределенной емкости переходят к сосредоточенной, которая вместе с индуктивностью   дает частоту   равную частоте первой гармоники реальных обмоток.

Предположим, что напряжение на дуге во время ее горения очень мало и им можно пренебречь (сопротивление дуги равно нулю) и что после гашения дуги сопротивление ее стало сразу бесконечно большим. Дуга с такой характеристикой называется идеализированной. Тогда процесс изменения напряжения на контактах можно представить так: при горении дуги емкость С_Э закорочена и напряжение на ней равно нулю. После прохождения тока через нуль дуга гаснет и начинается заряд емкости от источника Е через индуктивность L и сопротивление R . Так как   близок к нулю, можно считать, что мгновенное значение ЭДС источника в момент прохождения тока через нуль (мгновенное возвращающееся напряжение) равно амплитуде ЭДС (рисунок 2.11, в).

Длительность переходного процесса восстановления напряжения много меньше полупериода промышленной частоты. Поэтому можно принять для данного момента времени, что схема питается от источника постоянной ЭДС Е (рисунок 2.11, б). Когда дуга горит, контакт К замкнут и напряжение на дуге  .

При прохождении тока через нуль дуга гаснет и ее сопротивление  , что равносильно размыканию контакта К . После размыкания К начинается процесс заряда емкости С_Э через R и L от источника Е. Из-за наличия сопротивления R этот процесс (рисунок 2.11, в) носит затухающий характер. Восстанавливающееся напряжение на емкости меняется по закону (2.13)

, (2.13)

где E - ЭДС источника в момент нуля тока;   - коэффициент затухания, равный  ; -собственная угловая частота контура  , практически равная 

В действительности процесс гашения дуги восстановления напряжения идет сложнее. Когда дуга горит, то ее сопротивление очень мало. После прохождения тока через нуль подвод мощности к дуге прекращается и благодаря ДУ сопротивление дугового промежутка возрастает. В этот же момент времени к промежутку приложено восстанавливающееся напряжение и через сопротивление течет ток, который называется остаточным  . В дуге выделяется мощность,  Если отводимая от дуги с помощью ДУ   мощность то дуга продолжает охлаждаться, ее сопротивление увеличивается и процесс гашения заканчивается успешно. Если   происходит разогрев столба дуги, ее сопротивление падает и происходит пробой. Поэтому под электрической прочностью следует понимать такое напряжение на дуге, при котором 

.

Сопротивление   будучи включенным параллельно конденсатору С_ЭК дополнительно демпфирует процесс восстановления напряжения. Чем меньше сопротивление   (рисунок 2.11, а), тем большее затухание имеет кривая восстанавливающегося напряжения. Как правило, угловая частота колебаний   мало зависит от реальных значений   и  , которые в основном сказываются на коэффициенте затухания. если предположить, что  , то коэффициент затухания  .

Для характеристики сети с точки зрения восстанавливающегося напряжения принимают . Следует отметить, что рассчитать зависимость  исключительно трудно, и об этом сопротивлении чаще судят по результатам испытаний.

(2)Сравнение тяговых характеристик электромагнитов переменного и постоянного тока.

Статические характеристики электромагнитов снимают, когда в обмотках электромагнитов протекает неизменный ток при неподвижном и движущемся якоре.Статическая тяговая характеристика – зависимость силы тяги электромагнита F от величины зазора d для электромагнитов постоянного и переменного тока (рис.11). Кривая 2 (рис.11, а) изображает зависимость F = f(d), снятую экспериментально. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что при больших зазорах, когда поток в системе мал (падением магнитного потенциала можно пренебречь), эти кривые почти совпадают. Для электромагнитов переменного тока (рис.11, б) при увеличении зазора d растет магнитное сопротивление рабочего зазора и ток в обмотке, уменьшается индуктивность катушки, а поток (Ф_d) в рабочем зазоре остается постоянным. Однако влияние активного сопротивления R катушки ограничивает рост тока и, следовательно, тяговое усилие F из-за этого уменьшается.

Выше были приведены тяговые характеристики, соответствующие простому клапанному электромагниту. Для более сложных электромагнитов типичные тяговые характеристики представлены на рис.12, где кривая 1 имеет гиперболический вид, характерный для электромагнитов, у которых поток рассеяния не создает силы; кривая 2 – седлообразный вид, свойственный электромагнитам, у которых возникает дополнительная сила, создаваемая потоком рассеяния; кривая 3 – Л-образный вид, наблюдается у электромагнитов, состоящих из катушки и якоря, втягиваемого внутрь катушки (электромагниты соленоидного типа), а также у электромагнитов, якорь которых перемещается перпендикулярно к направлению магнитного потока; кривая 4 – пологий вид, свойственный электромагнитам с незамкнутой и замкнутой магнитными цепями, у которых якорь втягивается внутрь катушки.

Подключение обмоток электромагнитов постоянного и переменного тока к источнику питания преимущественно параллельное, в отдельных случаях (токовые реле) – последовательное.

При сравнении статических характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока следует сделать следующие выводы:

1. Поскольку среднее значение силы тяги при переменном токе  (см. рис.10), для электромагнитов переменного и постоянного тока F_ср.пер = 0,5F_{ср.пост}, поэтому электромагнит постоянного тока развивает в 2 раза большее усилие, чем электромагнит переменного тока.

2. Электромагнит переменного тока имеет вибрацию якоря.

3. В электромагнитах постоянного тока сила тяги резко падает при увеличении зазора, поэтому эти электромагниты делаются с малым зазором.

4. В электромагнитах переменного тока при увеличении зазора растет магнитное сопротивление R_mзазора и ток в обмотке. При этом в рабочем зазоре поток Ф_d падает только за счет активного сопротивления в обмотке, т.е.

,

где Iw – м.д.с. обмотки.

Таким образом, электромагнит переменного тока как бы имеет автоматическую форсировку. При большем зазоре создается большая м.д.с. обмотки, которая обеспечивает необходимый поток в рабочем зазоре, поэтому у электромагнитов переменного тока возможен большой ход якоря.

Особенностью работы электромагнитов переменного тока является вибрация якоря. Для борьбы с вибрацией якоря в однофазных электромагнитах применяются короткозамкнутые витки (рис.13, а), полностью или частично охватывающие полюсы магнитопровода. Основное назначение экранов – изменение фазы магнитного потока.

Экран создает свой магнитный поток Ф_2, который отстает по фазе на угол y от основного потока Ф₁ и создает свою намагничивающую силу F₂. Каждый из потоков создает под своей частью полюса свою силу тяги F₁ и F₂ (рис.13, б).

В верхней части полюса развивается сила тяги

,

в нижней части

.

Результирующая сила тяги, действующая на якорь, равна сумме сил F₁ и F₂ (рис.13, в). Согласно рис.13, г амплитуда переменной составляющей может быть найдена из векторной диаграммы, тогда

F_m.пер =  . (7)

Обычно электромагнит проектируется так, чтобы его минимальная сила тяги F_min была больше противодействующей силы:

F_min = F_ср – F_m.пер > F_прот .

Чем меньше F_m.пер, тем меньше пульсация силы тяги. Из (7) следует, что для уменьшения пульсации тяговой силы необходимо уменьшение амплитуды F_m.пер, что возможно при следующих условиях:F_m.пер = 0 при F_ср1 = F_ср2 и y = 90°^. Эти условия выполнить невозможно, поэтому для ненасыщенных потоков Ф₂ = Ф₁ при y = 60°¸65°, а сила F_ср1 ¹ F_ср2. Поскольку короткозамкнутый виток уменьшает поток под нижней частью полюса, с целью выравнивания потоков Ф₁ и Ф₂ этот виток охватывает бóльшую часть полюса (обычно 2/3).

Для уменьшения вибрации якоря в трехфазном электромагните используется естественный сдвиг потоков в этой системе (т.е. при трехфазном источнике питания). Магнитные потоки всех трех фаз электромагнитов симметричны. Примем, что насыщение отсутствует, тогда сила тяги, развиваемая под каждым полюсом,

.

Результирующая сила, действующая на якорь, равна сумме этих сил:

.

Таким образом, результирующая сила в трехфазном электромагните во времени не меняется. Однако вибрация якоря полностью не устраняется. При прохождении магнитного потока в каждой фазе через ноль сила, развиваемая этой фазой, также равна нулю. В результате точка приложения электромагнитной силы перемещается. Поскольку точка приложения противодействующей силы неизменна, возникает перекатывание якоря, т.е. вибрация.