Динамика электромагнита

Под инерционностью ЭМ понимают запаздывание перемещения якоря по сравнению с изменениями выходного напряжения. Она определяется отставанием изменения тока в обмотке от изменения приложенного к ней напряжения и механической инерции якоря и связанных с ним подвижных частей.

Динамические свойства ЭМ как элемента дискретного действия характеризуется двумя временными параметрами: временем срабатывания t_ср и временем отпускания t_отп.

Время от подачи входного напряжения на зажимы обмотки ЭМ до полного притяжения якоря ( = _к) называют временем срабатывания - t_ср, а от снятия входного напряжения до возвращения якоря в начальное положение ( = _н) – временем отпускания - t_отп.

где t_дв, - время движения якоря соответственно от _н до _к и наоборот.

Для включения обмотки ЭМ на постоянное напряжение источника справедливо уравнение

.

Так как при срабатывании ЭМ начальный зазор _н максимален, то до трогания якоря магнитопровод можно считать ненасыщенным и, следовательно, индуктивность обмотки постоянной (L_н = const, где L_н индуктивность при  = _н.

Тогда , решением которого при скачкообразном ступенчатом увеличении входного напряжения от 0 до U служит выражение

,

где - установившееся значение тока в обмотке; - электромагнитная постоянная времени обмотки при  = _н.

Ток i в обмотке увеличивается по экспоненте, пока якорь остается неподвижным.

По достижении i = I_тр тяговое усилие становится больше противодействующего и якорь начинается перемещаться

,

где I_тр – минимальный ток, обеспечивающий срабатывание.

С начала движения якоря ток перестает нарастать по экспоненте и начинает падать, так как индуктивность обмотки увеличивается

,

где  - число витков; R_ - магнитное сопротивление.

По окончании движения якоря зазор становится минимальным ( = _к), а индуктивность – максимальной.

Ток достигает установившегося значения I_уст, нарастая по экспоненте с большей постоянной времени ( ). При малых скоростях движение якоря ток в катушке может не уменьшаться. При неподвижном якоре нарастание тока происходит по пунктирному участку. Время движения якоря t_дв во многих случаях значительно меньше времени трогания t_тр и часто считается приблизительно постоянным. При таких условиях t_ср зависит в основном от t_тр.

включение

отключение

Возможны два способа отключения реле:

- разрывом цепи обмотки;

- шунтированием обмотки.

В первом случае ток практически мгновенно падает до нуля, тогда t_отп  t_дв, так как .

Во втором случае переходной процесс при отпускании протекает по экспоненте.

За время движения якоря индуктивность обмотки уменьшается от максимума L_к до минимума L_н, вследствие чего ток в это время увеличивается. По окончанию движения ток опять уменьшается по экспоненте, но уже с меньшей, чем до начала движения, постоянной времени Т_эн < Т_эк.

Время движения при отпускании определяется принципиально так же, как и при срабатывании.

Для ЭМ нормального быстродействия значения t_ср и t_отп обычно оказываются равными 0,05-0,15 с. Увеличить или уменьшить их можно конструктивными и схемными способами.

Для получения быстродействующих ЭМ и ЭМ замедленного действия применяют различные конструктивные способы:

- чтобы снизить t_ср и t_отп – уменьшение вихревых токов в магнитопроводе и ход якоря;

- чтобы увеличить t_ср и t_отп – применение электромагнитных, механических, пневматических и гидравлических демпферов, присоединяемых к якорю.

Этими средствами можно снизить t_ср и t_отп до нескольких миллисекунд и увеличить их до десятков секунд.

Электромагнитные демпферы выполняются в виде конструктивных элементов из электропроводящего материала, помещенных в магнитное поле.

Если требуется получить t_ср и t_отп порядка одной или нескольких секунд, то прибегают к экранированию: на сердечник размещают медную втулку, охватывающую все его сечения; возникающий при движении якоря ток экрана затягивает нарастание и спадение потока в магнитопроводе. При спадении потока в к.з. обмотке наводится Э.Д.С. и возникает ток, препятствующий уменьшению потока системы. Выдержка до 10 сек.

Схемы увеличения t_ср

Увеличение активного сопротивления ведет к росту времени трогания, чем оно меньше, тем быстрее срабатывает ЭМ. Ускорить срабатывание ЭМ при неизменных его габаритах можно с помощью схем форсировки.

Схема уменьшения t_ср

В первый момент времени незаряженный конденсатор С уменьшает падение напряжения в резисторе Rд, благодаря чему обеспечивается форсировка ЭМ. В установившемся режиме ток в цепи ограничивается резистором Rд. Емкость выбирается из условия (Гн / Ом).

Схемы увеличения t_ср за счет большего t_тр

Приведение схемы обеспечивают стабильное снижение t_ср нормальных по быстродействию ЭМ до нескольких миллисекунд или увеличения их t_отп до нескольких секунд.

Основной недостаток электромагнитного демпфера – зависимость выдержки времени от температуры окружающей среды. Изменение температуры окружающей среды на каждые 10⁰С ведет к изменению выдержки времени на 4 %.