лектротехническая сталь и ее свойства

Наибольшее применение в электротехнике получила листовая электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8 - 4,8%. Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными.

Кремний вводится в железо в виде ферросилиция (сплав сислицида железа FeSi с железом)и находится в нем в растворенном состоянии.Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью - кислородом, восстанавливая железо из его окислов FеО и образуя кремнезем SiO2, который переходит частично в шлак.

Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fе3С (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FеО и Fе3С), которые вызывают увеличение коэрцитивной силы и увеличивают - потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4 % и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи.

Несмотря на то что индукция насыщения Вs железа с увеличением кремния в нем значительно повышается и достигает при 6,4% кремния большой величины (Вs = 2800 гс), все же кремния вводят не более 4,8%. Увеличение содержания кремния более 4,8% приводит к тому, что стали приобретают повышенную хрупкость, т. е. механические свойства их ухудшаются.

Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холодно- и горячекатаную электротехническую сталь.

Железо имеет кубическую кристаллическую структуру. По исследованию намагничивания оказалось, что оно может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньшим - по диагонали грани и самым малым - по диагонали куба. Поэтому желательно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба.

Это достигается повторными прокатками листов стали, с сильным обжатием (до 70%) и последующим отжигом в атмосфере водорода. Это способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, чтобы ребра кристаллов совпадали с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными. У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали.

Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов. Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали.

Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурованной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции 6 = 1,0 тл в направлении прокатки магнитная проницаемость μм=50000, а в направлении перпендикулярно прокатке μм - 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°.

На рис. 2 приведены кривые намагничивания электротехнических сталей ЭЗЗОА и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля: 0 - 2,4, 0 - 24 и 0 - 240 а/см.

Рис. 2. Кривые намагничивания электротехнических сталей: а - сталь Э330А (текстурированная), б - сталь Э41 (нетекстурированная)

Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками - высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам она широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов.

Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.

Буква Э в обозначении стали означает "электротехническая сталь", первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в %: для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8, для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8, для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8, для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8.

Средняя величина удельного электрического сопротивления электротехнической стали ρ тоже зависит от количества кремния. Оно тем выше, чем больше содержание кремния в стали. Стали мирок Э1 имеют сопротивление ρ =0,25 ом х мм2/м, марок Э2 - 0,40 ом х мм2/м, марок ЭЗ - 0,5 ом х мм2/м и марок Э4 - 0,6 ом х мм2/м.

перемагничивании (вт/кг). Эти потери тем меньше, чем больше цифра, т. е. больше степень легирования стали кремнием. Нули после этих цифр означают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная малотекстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.

Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 720 до 2000 мм и толщиной 0,1, 0,2, 0,35, 0,5 и 1,0 мм. Наибольшее применение имеют текстурованные стали, поскольку они обладают наибольшими значениями магнитных характеристик.

4.2. Электромагнитные фрикционные муфты

а) Принцип действия. Простейшая конструкция электромагнитной фрикционной муфты представлена на рис. 14.3. Постоянное напряжение подводится к щеткам, скользящим по контактным кольцам 1, соединенным с выводами обмотки 2. Обмотка имеет цилиндрическую форму и окружена магнитопроводом ведущей части 3 муфты. Направляющая втулка 7 имеет выступ 6, который входит в паз 8 полумуфты 5, которая может перемещаться вдоль оси, оставаясь соединенной с валом 10.

Рис. 14.3. Электромагнитная фрикционная муфта:

а — разрез муфты; б — поверхность трения

В обесточенном состоянии пружина 9 упирается в направляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5 вправо. При этом поверхности трения (диски 4) не соприкасаются и ведомый вал 10 разобщен с ведущим валом П.

При подаче на обмотку управляющего напряжения возникает магнитный поток Ф. На полумуфты 3, 5, выполненные из магнитомягкого материала, начинает действовать электромагнитная сила, притягивающая их друг к другу. Таким образом полумуфты и обмотка представляют собой электромагнит. Между дисками 4, жестко связанными с деталями 3 и 5, возникает сила нажатия, обеспечивающая необходимую силу трения и их надежное сцепление.

Наиболее совершенны диски из металлокерамики. Металлокерамика на медной основе состоит из 68 % меди, 8 % олова, 7 % свинца, 6 % графита, 4 % кремния и 7 % железа. Составляющие в порошкообразном состоянии прессуются при высоком давлении (сотни мегапаскалей) и затем спекаются при температуре 700—800 °С. Аналогично изготовляется металлокерамика на железной основе. Металлокерамические материалы имеют высокое значение &Тр и допускают высокую рабочую температуру (до 200 °С).

Давление рУЛ определяется износом поверхностей трения дисков. Для металлокерамических материалов оно составляет 0,8—1, для сталей 0,4—0,6 МПа.

В процессе пуска момент, который должен быть передан муфтой, возрастает, так как кроме статического момента нагрузки Мп необходимо передать динамический момент Мдин. При этом проскальзывание (пробуксовка) поверхностей трения должно быть небольшим, иначе они могут выйти из строя из-за нагрева до высокой температуры.

При большом передаваемом моменте для уменьшения габаритных размеров муфты применяется многодисковая система (рис. 14.4). Диски 6 связаны с ведущей частью муфты 5 и могут свободно перемещаться вдоль направляющих 7. Диски 8, связанные с электромагнитом ведомой части, также могут перемещаться по направляющей 4. В данной конструкции магнитный поток, создаваемый обмоткой /, не проходит через диски, а замыкается через магнитопровод 2 и якорь 3, что позволяет уменьшить зазор электромагнита. Момент, развиваемый такой муфтой,

МтР = Мд(п-1), (14.4)

Рис. 14.4. Многодисковая фрикционная муфта

Зная поверхность трения S и допустимое давление на поверхности одного диска

Временем включения муфты называется промежуток времени от момента подачи напряжения на электромагнит до достижения вращающим моментом 0,9 установившегося значения.

Время включения возрастает с увеличением габаритов муфты, постоянной времени электромагнита, хода якоря, числа дисков и обычно находится в пределах от 0,07 до 0,3 с.

Время отключения представляет собой промежуток времени от обесточивания электромагнита до спада вращающего момента до 0,05 номинального значения. Это время увеличивается с ростом габаритных размеров муфты, магнитного потока и колеблется от 0,1 до 0,4 с.

При каждом сцеплении муфты происходит нагрев дисков за счет энергии, выделяемой при проскальзывании. Допустимое число включений муфты определяется температурой нагрева дисков [14.1].

Электромагниты муфт выполняются на постоянном токе, что упрощает технологию изготовления и уменьшает габаритные размеры муфты (§ 5.6). При питании переменным током полупроводниковые выпрямители могут встраиваться в муфту, причем переменный ток подается непосредственно на кольца. Для повышения быстродействия муфт применяется форсировка, описанная в § 5.7.

Электромагниты муфты изготавливаются из сплошного материала и поэтому имеют большую постоянную времени. При отключении муфты на контактах коммутирующего аппарата возникает дуга, которая замедляет процесс отключения и вызывает сильную эрозию контактов. При быстром обрыве дуги возможны возникновение перенапряжения и пробой обмотки. Для облегчения процесса отключения обмотка шунтируется разрядным резистором (рис. 3.9, а). Для устранения залипания якоря в притянутом состоянии магнитная система должна иметь конечный зазор.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для регулирования частоты вращения, вращающего момента на валу, для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов применяются электрические аппараты в виде муфт с электрическим управлением. Эти муфты можно подразделить на индукционные и электромагнитные.

Индукционные муфты (рис. 14.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутый ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором 2. Катушка возбуждения 4 создает постоянный магнитный поток 5, замыкающийся по якорю /.

Рис. 14.1. Индукционная муфта:

1 — якорь; 2 — индуктор; 3— магнитная система; 4 — катушка возбуждения; 5 — магнитный поток

При вращении якоря магнитное поле катушки индуктора пересекает цилиндрическое тело якоря, и в нем наводятся вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает силу, которая увлекает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточно больших вихревых токов, и высокой магнитной проницаемостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Регулируя ток возбуждения /в и тем самым меняя магнитное поле, можно плавно регулировать в широких пределах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

На рис. 14.2 показаны механические характеристики индукционной муфты. На этом рисунке /в*=/в/^в,ном — ток возбуждения в относительных единицах; М^—М/Мпом — передаваемый момент в относительных единицах, где -Мном — номинальный момент муфты; /в,ном — соответствующий ему номинальный ток возбуждения; п — частота вращения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

Рис. 14.2. Механические характеристики индукционной муфты при различном токе возбуждения

При увеличении момента нагрузки угловая скорость ведомого вала уменьшается. При этом возрастают скольжение и токи, наводимые в якоре муфты. Увеличение токов в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой и передаваемый на ведомый вал.

Механические характеристики индукционной муфты существенно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные регулирующие устройства.

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяжения между ферромагнитными телами (§ 5.6). Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощности на валу при сравнительно малой мощности управления. Ниже рассматриваются фрикционные, ферропорошковые и гисгерезисные электромагнитные муфты.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ

а) Классификация. Под реле понимают такой электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющего (входного) параметра до определенной наперед заданной величины происходит скачкообразное изменение управляемого (выходного) параметра. Хотя бы один из этих параметров должен быть электрическим.

По области применения реле можно разделить на реле для схем автоматики, для управления и защиты электропривода и защиты энергосистем. По принципу действия реле делятся на электромагнитные, поляризованные, тепловые, индукционные, магнитоэлектрические, полупроводниковые и др.

В зависимости от входного параметра реле можно разделить на реле тока, напряжения, мощности, частоты и других величин. Отметим, что реле может реагировать не только на входной параметр, но и на разность значений (дифференциальное реле), изменение знака или скорости изменения входного параметра. Иногда реле, имеющее только один входной параметр, должно воздействовать на несколько независимых цепей. В этом случае реле воздействует на другое, так называемое промежуточное реле, которое имеет необходимое число управляемых цепей. Промежуточное реле используется и тогда, когда мощность основного реле недостаточна для воздействия на управляемые цепи.

По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные. Выходным параметром бесконтактных реле является резкое изменение сопротивления, включенного в управляемую цепь. Разомкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует большое сопротивление управляемой цепи бесконтактного реле. Это состояние бесконтактного реле называется закрытым. Замкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует малое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле. Такое состояние бесконтактного реле называется открытым.

По способу включения реле различаются на первичные и вторичные.

Рис. 9.1. Характеристика управления реле

Рис. 9.2. Выходной и входной параметры электромагнитного реле

Первичные реле включаются в управляемую цепь непосредственно, вторичные — через измерительные трансформаторы.

б) Основные характеристики реле. Рассмотрим характеристику управления реле, представляющую собой зависимость выходного параметра от входного для реле с замыкающим контактом. У этих реле при отсутствии входного сигнала контакты разомкнуты и ток в управляемой цепи равен нулю. Для бесконтактных реле сопротивление, введенное в управляемую цепь, достаточно велико и ток имеет минимальное значение. На рис. 9.1 по оси абсцисс отложено значение входного параметра х, а по оси ординат — выходного параметра у. Значение входного параметра х (напряжения, тока и т.д.), при котором происходит срабатывание реле, называется параметром (напряжением, током и т. д.) срабатывания. До тех пор, пока х<хСр, выходной параметр у равен нулю либо своему минимальному значению уты {для бесконтактных аппаратов). При х = ХсР выходной параметр скачком меняется от утт до утах. Происходит срабатывание реле. Если после срабатывания уменьшать значение входного параметра, то при х^.Хотп происходит скачкообразное возвращение выходного параметра от значения утах до 0 или у mm — отпускание реле.

Значение входного параметра, при котором происходит скачкообразное отпускание реле, называется параметром отпускания. Значения параметров срабатывания или отпускания, на которые отрегулировано реле, называются уставкой по входному параметру.

Время с момента подачи команды на срабатывание до момента начала возрастания выходного параметра называется временем срабатывания. Это время зависит от конструкции реле, схемы его включения и входного параметра. Чем больше значение входного параметра храб по сравнению с хср, тем быстрее срабатывание реле. Отношение Жраб/^ср называется коэффициентом запаса. Следует отметить, что с ростом коэффициента запаса возрастает вибрация контактов электромагнитного реле.

Для ряда реле очень важно отношение Хотп/л'ср, называемое коэффициентом возврата.

Время с момента подачи команды на отключение до достижения минимального значения выходного параметра называется временем отключения. Для контактных реле это время состоит из двух интервалов — времени отпускания и времени горения дуги. На рис. 9 2 даны зависимости входного u и выходного г'и параметров электромагнитного реле от времени. Входным параметром в данном случае является ток в обмотке реле, выходным — ток в управляемой цепи (цепи нагрузки).

Для рис. 9.2 принято, что включение обмотки реле происходит при t = 0. При г = гтр якорь электромагнита реле трогается и начинает движение. В течение времени гдв якорь перемещается и в конце хода замыкается контакт в цепи нагрузки. Ток нагрузки возрастает от нуля до установившегося значения /и. Время /Ср = ^тр+^дв называет временем срабатывания реле. После этого ток в обмотке реле продолжает расти до установившегося значения /раб. При отключении реле из рабочего состояния граб цепь его Обмотки разрывается и ток в ней спадает. В момент времени Готп, когда усилие противодействующей пружины становится больше электромагнитного усилия, происходит ^тлускание якоря. Контакты реле разомкнутся после выбора провала контактов через время (см. § 3.4). После размыкания контактов загорается дуга, которая погаснет через время tA и ток в нагрузке sH = 0. Время г0тк= = Готп+Гпров,к-Нд называется временем отключения.

Важным параметром, характеризующим усилительные свойства реле, является отношение максимальной мощности нагрузки в управляемой цепи Ру к минимальной мощности входного сигнала Рср, при котором происходит срабатывание реле.

Для контактных реле максимальная мощность Ру определяется не длительным током, допустимым для данного контакта, а током нагрузки, который может быть многократно отключен.

в) Требования, предъявляемые к реле. Требования к реле в значительной мере определяются их назначением. К реле защиты энергосистем предъявляются требования селективности, быстродействия, чувствительности и надежности.

Под селективностью понимается способность реле отключать только поврежденный участок энергосистемы. Достаточно высокое быстродействие позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии. Минимальное значение входного параметра, при котором реле срабатывает, называется чувствительностью. Увеличение чувствительности позволяет улучшить качество электротехнических устройств. Так, например, повышение чувствительности релейной защиты позволяет сократить длину линии электропередачи, которая не может быть защищена от аварийных режимов.

Реле для защиты энергосистем должны иметь высокую надежность. В противном случае возможно развитие тяжелых аварий и недоотпуск большого количества электроэнергии.

Реле защиты энергосистемы эксплуатируются, как правило, в облегченных условиях. Они не подвержены воздействию ударов, вибрации, а также пыли и газов, вызывающих коррозию. Из-за того что аварийные режимы в системе редки, к этим реле не предъявляются высокие требования в части износостойкости.

К реле для схем автоматики, а также для управления и защиты электропривода предъявляются самые разнообразные специфические требования. Эти реле работают в тяжелых условиях эксплуатации: возможны удары, вибрация, воздух часто засорен пылью или агрессивными производственными примесями. Так как число включений в час в современных схемах электропривода достигает 1000— 1200 и более, реле управления должны иметь механическую и электрическую износостойкость до (1 - 10) • 10е циклов. Надежность работы схем автоматики зависит от надежности работы отдельных элементов, в том числе и реле.

Из-за большого количества реле в современных схемах и большого количества выполняемых ими операций к ним предъявляются требования высокой надежности.

Шахтная лебедка 1ЛШВ-01

Назначение и область применения

Шахтная лебедка 1ЛШВ-01 предназначена для откатки грузов в горизонтальных горных выработках. Лебедки могут применяться в шахтах любой категории по газу и опасных по пыли.

Технические характеристики:

Тяговое усилие, кН

14

Скорость каната на последнем слое навивки, м/с

0,82

Средняя скорость каната, м/с

0,7

Диаметр каната, мм

12

Канатоемкость барабана, м

300

Электродвигатель

АИУ132М4, Р=11 Квт, n=1500 об/мин;

U= 220-660В/50 Гц,

уровень взрывозащиты РВ-3В,класс изоляции F

Габаритные размеры, мм

870х1250х700

Масса лебедки (без каната), кг

7

1. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ТРУДА (ОТ)