Пособие Теория электрических аппаратов
.pdf
Для магнитопровода круглой формы, имеющего радиус r и длину l, постоянная времени находится по следующей формуле:
в = |
5,8 н |
, |
(6.25) |
где - магнитная постоянная, Гн/м;
-удельное сопротивление материала сердечника, Ом/м;
н- воздушной зазор при отпущенном якоре, м.
Для магнитопровода прямоугольной формы постоянная времени определяется по формуле:
в = |
н( + ) |
, |
(6.26) |
где a и b – размеры сторон прямоугольника, м.
Если за счет выбора специальной конструкции и параметров электромагнитов нельзя уменьшить время срабатывания до нужного значения, то прибегают к применению специальных схем (рис. 6.14).
Рис. 6.14 Схемы для ускорения срабатывания электромагнитов
Например, время трогания при срабатывании можно уменьшить, если одновременно с увеличением напряжения ввести добавочное сопротивление (рис.6.14, а). Уменьшение времени трогания получается за счет снижения постоянной времени. Основным недостатком является то, что ускорение достигается за счет пропорционального увеличения потерь мощности в добавочном сопротивлении.
Рассмотрим схему форсировки тока (рис. 6.14, б). Здесь, по сравнению с предыдущим случаем, в первый момент времени после подачи напряжения незаряженная еще емкость создает (шунтируя добавочное сопротивление) дополнительный путь для тока. Вследствие зарядки конденсатора, в обмотке электромагнита ток растет быстрее. Для рассматриваемой схемы существует значение оптимальной емкости, при которой время срабатывания получается минимальным:
110
опт. = |
∙10 |
, |
(6.27) |
д |
|
где - индуктивность катушки электромагнита, Гн;
– емкость, мкФ;
ид – добавочное сопротивление и сопротивление обмотки, Ом.
Недостатком этой схемы является наличие конденсатора, емкость которого обычно довольно значительна.
Рассмотрим схему форсировки срабатывания (рис.6.14, в). В схему включается добавочное сопротивление (шунтированное размыкающим контактом) последовательно с обмоткой электромагнита. Шунтированный контакт связан с якорем электромагнита, при обесточенной обмотке он замкнут, и размыкается лишь в конце хода якоря. В период срабатывания через обмотку протекает переходный ток, нарастающий до мень-
шего установившегося значения равного |
|
, который должен быть до- |
|
|
|||
статочным для удержания якоря электромагнитад |
в притянутом положе- |
||
нии. Ток достигает такого значения вследствие притяжения якоря и размыкания контакта, шунтирующего добавочное сопротивление. Эту схему можно применять также для уменьшения размеров электромагнита в установках, где особенно важно получить их минимальный вес. Минусом данной схемы является наличие размыкающего контакта.
Для получения электромагнитов замедленного действия (рис.6.15) используют конструктивные способы изменения времени срабатывания. Наиболее распространенным таким способом является демпфирование. В случае электромагнитного демпфирования применяют короткозамкнутые обмотки (выполняют обычно в виде сплошной медной втулки размещенной на магнитопроводе) и с их помощью получают увеличение времени трогания. В случае механического демпфирования применяют способы замедления движения якоря и увеличения времени движения.
Вихревые токи, которые появляются в короткозамкнутой (экранирующей) обмотке в момент замыкания или размыкания основной обмотки, создают замедление срабатывания и задерживают изменение магнитного потока при притяжении или отпускании якоря. При отключении обмотки переходный процесс происходит при втянутом якоре (когда индуктивность системы больше) и достигается большой замедляющий эффект. Из этого следует, что выдержка времени при отпускании якоря в электромагнитах с короткозамкнутыми гильзами может быть больше, чем при его притяжении. При включении электромагнита для основной обмотки и экранирующей обмотки справедливы следующие выражения:
= + |
Ф |
, |
(6.28) |
111 |
|
|
|
= э э + э |
Ф |
, |
(6.29) |
где |
Ф = |
э э |
. |
|
м |
||
Рис.6.15 Электромагнит замедленного действия
Применение аналитических формул для определения времени трогания электромагнитов является весьма сложным. Если связь между намагничивающей силой обмотки и потоком задана в графической форме в виде кривой намагничивания электромагнита, то время трогания можно найти с помощью метода графического интегрирования. Временем движения электромагнитов с короткозамкнутой гильзой чаще всего пренебрегают.
Чтобы увеличить выдержку времени увеличивают время движения якоря. Делают это следующим образом: якорь присоединяют к демпфирующему устройству, которое создает противодействующие усилие, пропорциональное скорости перемещения.
Устройства, замедляющие срабатывание также могут быть механическими, гидравлическими и пневматическими. Чтобы увеличить силы противодействия эти устройства присоединяют к якорю электромагнита через повышающую зубчатую передачу.
При включении электромагнита схемным способом желательно получать увеличение времени трогания. Если напряжение фиксировано, то время трогания может быть увеличено включением дополнительного добавочного сопротивления последовательно с обмоткой электромагнита (рис.6.14). Это время также можно увеличить, если включить последова-
112
тельно с обмоткой индуктивность, что увеличивает постоянную времени цепи и не меняет установившегося тока.
Также существуют схемные способы увеличения времени трогания при отключении электромагнита (рис.6.16). Если шунтирующее сопротивление включить параллельно обмотке электромагнита (рис.6.16 а), то оно образует с обмоткой замкнутый контур для переходного тока с постоянной времени, определяемой следующей по формуле:
к = + |
ш . |
|
к |
|
(6.30) |
Недостатком данной схемы является наличие сопротивления шунта, так как в нем имеют место потери мощности в течении всего времени, пока обмотка находится под напряжением.
Рис. 6.16 Схемы замедленного срабатывания электромагнитов
В схемах, приведенных на рис.6.16 б и в, этот недостаток отсутствует, так как во второй схеме вместо сопротивления шунта включен полупроводниковый вентиль, а в третьей схеме последовательно с сопротивлением шунта подключена емкость. Необходимо отметить, что для четкой работы электромагнита по третьей схеме (рис. 6.16 в) необходимо создать апериодический переходный процесс, который должен обеспечиваться выбором достаточно большого активного сопротивления + ш.
Контрольные вопросы
1.Какую роль в электрических аппаратах выполняют магнитные цепи? В чём сходство и различие электрических и магнитных цепей?
2.Сформулируйте основные законы, применяемые при расчёте магнитных цепей.
3.Что такое коэрцитивная сила?
4.Что представляет собой электромагнитная система электрических аппаратов?
5.Отличаются ли тяговые характеристики электромагнитов постоянного и переменного тока?
6.Поясните назначение короткозамкнутого витка в конструкции электромагнита переменного тока.
7.Приведите примеры конструктивных мер по изменению временных
113
параметров срабатывания электромагнитов постоянного тока.
8.Поясните характер изменения тока в обмотке при включении электромагнита постоянного тока.
9.Связаны ли между собой индуктивность электромагнита и величина воздушного зазора?
10.Приведите примеры схемных мер по уменьшению времени срабатывания электромагнитов постоянного тока.
11.Выведите выражение для определения силы тяги электромагнита постоянного тока.
12.Приведите примеры схемных решений по увеличению времени срабатывания электромагнитов постоянного тока.
13.Что такое тяговая характеристика электромагнита?
14.Приведите примеры схемных решений по увеличению времени возврата электромагнитов постоянного тока.
15.Почему при подаче питания на обмотку электромагнита переменного тока возникает большой пусковой ток?
16.Сформулируйте особенности электромагнитов переменного тока.
17.Почему магнитопроводы некоторых электрических аппаратов выполнены из шихтованного железа?
18.Поясните, что может произойти, если якорь электромагнита переменного тока в своём движении затормозиться и не замкнёт магнитную цепь?
114
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Методы расчёта магнитных систем электрических аппаратов. Про-
грамма ANSYS: учеб. пособ. / О.Б. Буль. М.: Academia, 2006. 286 с.
2.Гуревич В.И. Электрические реле. Устройство, принцип действия
иприменения. – М.: ДМК Пресс (ЭБС), 2011. 688с.
1.Юндин М.А. Токовая защита электроустановок. 2-е издание., испр.
СПб.: ЛАНЬ (ЭБС), 2011. 288 с.
2.Булычев А.В., Наволочный А.А. Релейная защита в распределительных электрических сетях. Пособие для практических расчётов. М.:
ЭНАС (ЭСБ), 2010. 208 с.
3.Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1988. 720с.
4.Родштейн Л.А. Электрические аппараты. Л.:Энергоиздат,1981.304с.
5.Таев И.С. Электрические аппараты управления, М.: Энергоатомиз-
дат, 1988. 247 с.
6.Теория электрических аппаратов./ Под ред. Г.Н. Александрова. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. 540 с.
7.Теория электрических аппаратов: учебник / [Г.Н. Александров, В.В. Борисов, Г.С. Каплан и др.]; под ред. Г.Н. Александрова. 2-е изд., перераб. И доп. СПб.: СПбГТУ, 2000. 539 с.
8.Электронные приборы и устройства: учебник / Ф.А. Ткаченко. Минск: Новое знание: М.: ИНФРА-М, 2011. 681 с.
115
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... |
3 |
1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗНАЧЕНИЯ И КЛАССИФИ- |
|
КАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ......................................... |
4 |
1.1. Классификация электрических аппаратов...................................... |
4 |
1.2. Защитные оболочки электрических аппаратов............................... |
6 |
1.3. Воздействие климатических факторов на электрические аппа- |
|
раты…………………………………………………………………….. |
6 |
1.4. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам............. |
8 |
Контрольные вопросы....................................................................... |
9 |
2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ |
|
АППАРАТАХ........................................................................................... |
10 |
2.1. Общие сведения................................................................................ |
10 |
2.2. ЭДУ при различных конфигурациях токоведущих частей........... |
12 |
2.2.1. Усилия между двумя параллельными проводниками................. |
12 |
2.2.2.Усилия, возникающие в одном проводнике с переменным |
|
сечением.................................................................................................... |
12 |
2.2.3.Усилия, возникающие между проводником с током и ферро- |
|
магнитной стенкой................................................................................... |
12 |
2.2.4. Усилия в проводниках, расположенных под прямым углом..... |
13 |
2.2.5. Усилия, возникающие в проводнике П-образной формы.......... |
13 |
2.2.6. Усилия в витке, катушке и между витками................................. |
14 |
2.3. ЭДУ при переменном однофазном токе.......................................... |
16 |
2.4. ЭДУ при переменном трёхфазном токе (при отсутствии апери- |
|
одической составляющей).................................................................. |
17 |
2.5. ЭДУ в цепи однофазного переменного тока при возникновении |
|
короткого замыкания (КЗ)...................................................................... |
19 |
2.6. Электродинамическая стойкость аппаратов................................... |
20 |
Контрольные вопросы....................................................................... |
21 |
3. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.................................... |
22 |
3.1. Допускаемые режимы работы и температуры нагрева электри- |
22 |
ческих аппаратов...................................................................................... |
|
116
3.2. Источники тепла в электрических аппаратах................................. |
26 |
3.2.1. Потери в проводниках.................................................................... |
26 |
3.2.2. Потери в диэлектриках (изоляции)............................................... |
27 |
3.2.3.Потери в ферромагнитных материалах электрического аппа- |
|
рата............................................................................................................ |
28 |
3.2.4.Нагрев элементов электрического аппарата вследствие нагре- |
|
ва электрической дуги............................................................................. |
30 |
3.3. Передача тепла в электрических аппаратах.................................... |
30 |
3.4. Нагрев электрических аппаратов при различных режимах ра- |
|
боты........................................................................................................... |
31 |
3.4.1. Нагрев при продолжительном режиме работы........................... |
31 |
3.4.2. Нагрев при кратковременном режиме работы............................ |
32 |
3.4.3. Нагрев аппарата при повторно-кратковременном режиме ра- |
|
боты........................................................................................................... |
34 |
3.5. Нагрев электрических аппаратов в режиме протекания токов |
|
короткого замыкания............................................................................... |
35 |
3.6. Проверка электрических аппаратов на термическую стойкость. |
38 |
Контрольные вопросы....................................................................... |
39 |
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ....................................................... |
40 |
4.1. Общие сведения................................................................................. |
40 |
4.2. Микроструктура электрического контакта и распределение |
|
тока в нём.................................................................................................. |
41 |
4.3. Переходное сопротивление контактов............................................ |
41 |
4.4. Материалы контактов........................................................................ |
44 |
4.5. Конструкции и параметры контактов.............................................. |
46 |
4.5.1. Рычажные контакты....................................................................... |
46 |
4.5.2. Мостиковый контакт...................................................................... |
48 |
4.5.3. Врубной контакт............................................................................. |
49 |
4.5.4. Кольцевой контакт......................................................................... |
50 |
4.5.5. Стыковой контакт........................................................................... |
51 |
4.5.6. Герметичный контакт..................................................................... |
52 |
117
4.5.7. Жидкометаллические контакты.................................................... |
56 |
4.6. Основные характеристики контактов. ЭДУ в зоне контакта. |
|
Особенность работы контактов в режиме протекания токов КЗ......... |
57 |
Контрольные вопросы....................................................................... |
58 |
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА………………………………………… |
59 |
5.1. Общие сведения................................................................................. |
59 |
5.2. Дуга постоянного тока. Основные статические и динамические |
|
характеристики дуги. Условия гашения дуги постоянного тока........ |
63 |
5.3. Перенапряжение при отключении цепи постоянного тока........... |
69 |
5.4. Электрическая дуга переменного тока. Процесс отключения |
|
дуги переменного тока............................................................................. |
70 |
5.5. Отключение электрической цепи переменного тока с активным |
|
сопротивлением........................................................................................ |
71 |
5.6. Отключение электрической цепи переменного тока с индуктив- |
|
ностью........................................................................................................ |
73 |
5.7. Способы гашения дуги...................................................................... |
75 |
5.7.1. Растягивание электрической дуги постоянного тока................. |
75 |
5.7.2. Повышение давления в межконтактном промежутке................ |
76 |
5.7.3. Перемещение электрической дуги в воздушной среде.............. |
76 |
5.7.4. Деление длиной дуги на ряд коротких......................................... |
79 |
5.7.5. Соприкосновение дуги с поверхностью твёрдого диэлектри- |
|
ка................................................................................................................ |
81 |
5.7.6. Шунтирование межконтактного промежутка активным со- |
|
противлением........................................................................................... |
82 |
5.7.7. Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа.................. |
83 |
5.7.8. Гашение дуги в трансформаторном масле.................................. |
86 |
5.7.9. Гашение дуги в вакууме................................................................ |
87 |
5.7.10. Гашение электрической дуги с помощью полупроводнико- |
|
вых приборов. Бездуговая коммутация................................................. |
87 |
Контрольные вопросы....................................................................... |
90 |
6. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.. |
91 |
6.1. Общие сведения о магнитных системах электрических аппара- |
|
тов............................................................................................................... |
91 |
118
6.2. Магнитные цепи постоянного тока................................................. |
97 |
6.3. Магнитные цепи переменного тока................................................. |
102 |
6.4. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного то- |
|
ков.............................................................................................................. |
105 |
6.5. Ускорение и замедление срабатывания электромагни- |
|
тов.............................................................................................................. |
107 |
Контрольные вопросы....................................................................... |
111 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………......................................... |
113 |
119