Методическое пособие 477

21

быстродействующих ЭА и в цепях даже постоянного тока с большой индуктивностью напряжение, возникающее на контактах, может в десятки раз превышать напряжение источника. При этом изоляция самого ЭА и отключаемой цепи подвергается опасным перегрузкам. Для уменьшения перенапряжений желательно малое значение Ldi\dt, но с точки зрения уменьшения времени горения дуги Ldi\dt должно быть большим, т.к.

Поэтому в дугогасительных устройствах постоянного тока стремятся к большим значениям Ldi\dt при больших токах, и малым – в области нуля тока.

Особенностью гашения дуги переменного тока в цепи с активной нагрузкой является то, что независимо от степени ионизации дугового промежутка переменный ток два раза за период проходит через ноль.

В эти моменты дуга обрывается, и условия ее гашения сводятся к условиям невозможности восстановления тока после бестоковой паузы (время необходимое для достижения напряжения пробоя обеспеченного дугового промежутка).

Облегчению гашения дуги в эти периоды способствует некоторое снижение температуры ионизированного объема и интенсивные процессы рекомбинации и диффузии. Решающее значение для гашения дуги до 1000 В приобретают процессы у катода, где не должны появиться заряженные частицы (электроны) с энергией достаточной для ударной ионизации.

Это достигается применением несложных дугогасительных устройств. При гашении дуги в индуктивной цепи большое значение имеет процесс восстановления напряжения на контактах после прохождения тока через ноль. Мгновенное значение напряжения на контактах во время этого процесса называется восстанавливающим напряжением, оно стремится пробить межконтактный промежуток, который в это время восстанавливает свою электрическую прочность (рисунок 4.4). Если в любой момент времени после погасания дуги кривая 2электрической прочности будет выше кривой восстановления напряжения, то дуга гаснет окончательно. Если кривые пересекаются, то дуга возникает вновь в точке А.

Дугогасительные устройства выполняются с учетом основного уравнения дугогашения.

Из уравнения (4.3) следуют основные способы дугогашения:

1)путем увеличения ее длины lд;

2)воздействие на ее ствол с целью повышения продольного градиента

напряжения Eд;

3) использование околоэлектродного падения напряжения Uэ.

Механическое растягивание дуги

22

Для погасания дуги необходимо растянуть не достаточно большую длину, при которой:

где lд.кр – длина, при которой гаснет дуга, называется критической, как показывает опыт практически не зависит от скорости (при малых v0) расхождение контактов и растет с увеличением тока в дуге.

Время гашения дуги определяется как tг=lд.кр\v0.

При механическом растягивании дуги ее опорные точки стоят неподвижно на электродах, что приводит к их сильному обгоранию. Для уменьшения этого вредного явления требуются мощные отключающие

пружины (для увеличения v0). Поэтому гашение дуги механическим растягиванием применяют только при малых токах.

Гашение дуги в магнитном поле

Осуществляется в основном за счет охлаждения, ограничением термической ионизации. Теплоотвод можно осуществить путем движения дуги

через неподвижный воздух. С ростом скорости движения дуги vн охлаждение ее усиливается, и продольный градиент напряжения в дуге резко возрастает, что приводит к сокращению критической длины дуги в несколько раз. Интенсивное охлаждение дуги приводит к увеличению скорости рекомбинации и возрастанию диффузии. Поэтому за движущейся дугой наблюдается "хвост" светящихся ионизированных газов, что свидетельствует о выносе заряженных частиц из области горения дуги.

В неподвижной дуге плотность тока составляет 18-20 А\см2, в движущейся – достигает десятков тысяч, причем j=2 vн. Электромагнитные силы взаимодействия тока дуги и соответственно магнитного поля направлены к центру дуги и сжимают ее. С ростом скорости движения дуги растет плотность тока в ней, а, следовательно, и давление. Это в свою очередь приводит к усилению деионизации в стволе дуги и возрастанию продольного градиента.

При движении дуги по параллельным электродам ее длина остается неизменной, и гашение ее достигается только за счет возрастания градиента (рисунок 4.5а). При рогообразных электродах (рисунок 4.5б) при перемещении

дуга удлиняется и достигает lкр, поэтому в дугогасительных устройствах с движением дуги в магнитном поле электроды обычно выполняют рогообразными.

В реальных аппаратах дуга, как правило, перемещается под действием внешнего и собственного магнитного поля (т.е. под действием сил взаимодействия тока в дуге и магнитного поля этой области).

Гашение дуги в продольных щелях имеет широкое распространение.

Продольная щель – это щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги, образуется между двумя изоляционными пластинами (рисунок 4.6а).

23

Несколько параллельных щелей применяют при отключении больших токов (рисунок 4.6б).

Извилистая форма щели позволяет в небольшой камере уместить длину дуги (рисунок 4.6в).

Различают широкие щели (ширина значительно больше диаметра дуги) и узкие (ширина близка к диаметру дуги).

В щелях движение дуги под действием магнитного поля сильно стеснено, сечение ствола дуги деформировано, условия охлаждения резко изменены, что приводит к ряду явлений, отличных от открытой дуги.

С ростом тока скорость движения дуги в узких щелях сначала растет, но при некотором значении тока, называемом критическим наступает неустойчивое движение дуги и ее остановка. Остановке дуги способствует газогенерация из стенок камеры. Поэтому сильно газогенерирующий материал под действием высокой температуры, а также сильно гигроскопичные материалы не могут применяться для камер с узкими щелями.

При повышении напряженности магнитного поля скорость дуги в узких щелях резко, почти скачком, возрастает и значительно превосходит скорость открытой дуги и дуги в широких щелях.

Минимальное значение напряженности магнитного поля необходимое для обеспечения движения дуги при данном токе и ширине щели, называется

критическим - Hк. Это значение растет с ростом Iд и с уменьшением ширины щели.

Градиент напряженности дуги в узких щелях не зависит от скорости движения дуги. Поэтому напряженность поля должна выбираться такой, чтобы при всех условиях дуга не останавливалась.

В отличие от открытой дуги скорость движения дуги в узких щелях рассматривается не как метод повышения градиента напряжения, а как способ уменьшения износа стенок камеры.

Гашение дуги высоким давлением

означает, что продольный градиент напряжения в дуге возрастает с ростом P. Экспериментально установлена зависимость градиента напряжения в

устойчиво горящей дуге от P:

где E0 - при P=700 мм рт. ст.

Гашение дуги при помощи высокого P, создаваемого самой же дугой в малых плотно закрытых камерах широко используется (плавкие предохранители,..).

Гашение дуги в дугогасительной решетке

Используется не воздействие на ствол, а околоанодное падение напряжения. Над расходящимися контактами ЭА устанавливают неподвижные

25

Электромагниты нашли в ЭА широкое применение как силовые устройства. Конфигурация магнитной цепи электромагнита зависит от назначения ЭА и может быть различной. Рассмотрим основные соотношения магнитной цепи на примере наиболее типичной клапанной системы (рисунок 5.1а). Здесь якорь может совершать как поступательное, так и вращательное движение (если один конец его закреплен).

Катушка создает магнитодвижущую силу (МДС) – F=i*w, под действием которой возбуждается магнитный поток. Часть потока замыкается через

рабочий зазор , и называется рабочим потоком - Ф . Все остальные потоки замыкаются между другими частями магнитной цепи, имеющими различные

магнитные потенциалы, и называются они потоками рассеяния Ф . Магнитные цепи, в которых основное магнитное сопротивление –Rm

определяется величиной и по мере уменьшения последнего резко уменьшается до незначительной величины, называется замкнутыми или

насыщенными.

Цепи, сопротивление которых определяется паразитными зазорами и, следовательно, при притяжении якоря меняется незначительно, называются

незамкнутыми или рассыщенными магнитными цепями.

Сила, развиваемая электромагнитом, определяется потоком - Ф .

В расчете магнитной цепи решается либо прямая задача – по заданному

Фопределяется необходимая МДС катушки, либо обратная – определение Ф при известной МДС. Кроме того, необходимо знать зависимость этих величин

друг от друга при различных . Эти задачи решаются по схеме замещения (рисунок 5.1б) с помощью двух законов Кирхгофа для магнитной цепи:

проницаемостью - , длиной - l, сечением – s.

Формула (5.1) – алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равна нулю.

(5.2) – падение магнитного потенциала по замкнутому контуру равно сумме МДС, действующих в этом контуре.

При расчете магнитной цепи часто используют закон Ома.

где - G магнитная проводимость, величина обратная магнитному сопротивлению.

26

R , G - являются сложными нелинейными величинами, т.к.

определяются , зависимость их от индукции сильно затрудняет решение как прямой, так и обратной задачи.

Наконец, часто употребляемым при расчетах является закон полного тока: падение МДС вдоль замкнутого контура равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром.

l

При расчете магнитной системы важно знать проводимости зазоров из неферромагнитных материалов, в том числе проводимости воздушных зазоров

- G . В рабочем зазоре поток проходит через воздух, магнитная проницаемость

которого 0 является постоянной величиной, независимой от В.

Для прямоугольных и круглых полюсов при зазорах меньших двух

где s – сечение потока в зазоре.

При больших зазорах возникает поток выпучивания. В результате, при данном значении разности магнитных потенциалов, полный поток из полюса

увеличивается и возрастает G . Расчет G затрудняется ввиду сложности картины магнитного поля. В этом случае для расчета используют три основных метода:

1.Расчет по эмпирическим формулам.

2.Расчет с разбивкой поля на простые фигуры.

3.Расчет по графическому построению поля.

Зависимость магнитного потока от МДС магнитной цепи для данного конкретного магнитопровода называется кривой намагничивания и является основной зависимостью, на основании которой рассчитываются остальные параметры и величины, характеризующие магнитную цепь. Наиболее распространенными являются следующие зависимости: полного тока от

полных ампер-витков катушки – Ф=f(F) или потока в рабочем зазоре от

полных ампер-витков катушки Ф =f(F). Т.к. при притяжении якоря меняется, то изменяется и проводимость рабочего зазора, а, следовательно, изменяется и кривая намагничивания. Полностью магнитная система характеризуется семейством кривых намагничивания. Очевидно, что при

уменьшении , кривая намагничивания ложится выше и выше.

Известно, что при включении катушки электромагнита на напряжение питания, ток в ней не может мгновенно достигнуть установившегося значения, т.к. не может мгновенно установиться магнитный поток. Величина, характеризующая инертность магнитной системы и, равная отношению

потокосцеплений катушки к ее току, называется индуктивностью - L.

Следовательно, с уменьшением индуктивность возрастает. Следует также отметить, что при насыщении магнитной системы, когда магнитная проницаемость ферромагнитного материала резко уменьшается, индуктивность также резко падает (и само это понятие нуждается в видоизменении).

Рассмотрим влияние изменения на ток в катушке электромагнита и, следовательно, на ее МДС в установившихся режимах.

В электромагните с токовой катушкой постоянного или переменного тока величина тока в катушке определяется не сопротивлением самой катушки, а сопротивлением всей цепи, в которую последовательно включена катушка. Сопротивлением самой катушки можно пренебречь. Т.о. величина тока как на постоянном, так и на переменном токе от сопротивления катушки и от

величины зазора практически не зависит и остается постоянной при любой

величине , следовательно, остается постоянной и МДС катушки F=const.

В электромагните с катушкой напряжения постоянного тока ток в катушке определяется напряжением сети и активным сопротивлением.

Следовательно, F=I*w ,не зависит от и равна const.

В электромагните с катушкой напряжения переменного тока ток катушки

Следовательно, МДС катушки F=U/wG .

Пренебрегая сопротивлением стали паразитных зазоров, в первом

Поскольку с уменьшением G увеличивается, значение тока катушки и МДС уменьшается, т.е. МДС катушки зависит от зазора и является величиной переменной F=var.

28

Т.о. можно говорить о магнитных системах с постоянными и

переменными ампер-витками. Учет проводимостей рассеяния Gзависит от расположения катушки на магнитопроводе.

Вмагнитных системах с сосредоточенной МДС, когда поток рассеяния вне зависимости от его местоположения, на магнитной системе создается полная МДС катушки (рисунок 5.2а). Обычно принимают всю длину сердечника за один участок, а поток рассеяния считают сосредоточенным в его середине. Схема замещения в таком случае значительно упрощается (5.2б). Увеличенное сопротивление стали в нижней половине сердечника компенсируется уменьшенным сопротивлением стали в верхней половине сердечника. Разумеется, расчет с таким допуском имеет значительно большую погрешность, чем расчет с большим количеством участков. Т.к. сопротивление стали в зоне насыщения материала меняется нелинейно по отношению к потоку, но расчет существенно облегчен, а т.к. насыщение стали обычно происходит только при притянутом якоре, то и погрешность всего расчета будет не особенно велика.

Вмагнитных системах с распределенной МДС (рисунок 5.3а) величины отдельных потоков рассеяния зависят от их расположения и создаются отдельными ампер-витками катушки, величина которых определяется местоположением данного потока. Здесь можно всю длину сердечника поделить на ряд участков, считая для каждого участка поток рассеяния сосредоточенным. Однако при магнитной системе с распределенной МДС для каждого участка необходимо рассчитывать не только его поток рассеяния и сопротивление стали участка, но и величину МДС, которая создает поток рассеяния данного участка.

Расчет таким методом представляется довольно затруднительным, т.к.

схема замещения получается с n - количеством отдельных МДС.

В связи с этим производятся следующие допущения: считается, что поток рассеяния является сосредоточенным в середине зоны рассеяния и создается

полной МДС катушки, но для получения действительного Ф , проводимость рассеяния берется не полной, а приведенной:

для системы F=const; G п=G /2. для системы F=var; G п= G /3,

где G - полная проводимость рассеяния.

Упрощенная схема замещения тогда будет соответствовать (рисунок 5.3б). Как в случае с сосредоточенной МДС увеличенное сопротивление стали нижней половины сердечника компенсируется уменьшенным сопротивлением стали верхней половины, и допущение наиболее справедливо для ненасыщенного состояния материала. Обычно при расчетах магнитной

системы за основной поток принимается Ф , а все остальные выражаются через него. Отношение максимального потока магнитной системы к потоку Ф называется коэффициентом рассеяния магнитной системы .

29

участков магнитной цепи. При этом сопротивлением стали, как правило, пренебрегают.

Решение прямой задачи расчета магнитной системы

Имеем магнитную систему (рисунок 5.1а) с вычисленными R , Rп, R п, Rст, и заданным Ф .

В соответствии со схемой замещения (рисунок 5.1б), зная сопротивление воздушных зазоров и потоки, проходящие через них, определим падение МДС на каждом зазоре:

Падение МДС на стальных участках определим по закону полного тока:

Величина напряженности для каждого участка находится по кривой намагничивания материала в соответствии с вычисленной индукцией для этого участка Bi=Фi/Si.

Суммируя падения МДС по замкнутому контуру, в который входит МДС катушки, получим искомое значение МДС катушки необходимое для создания потока

F Hст2 lст2 Hст1 lст1 ФR Hя lя ФRп Hя1 lя1 Hя2 lя2 . (5.14)

Решение обратной задачи расчета магнитной системы

Оставив те же значения, что и в решении прямой задачи (рисунок 5.1б) определим Ф по известной F.

Всвязи с тем, что магнитное сопротивление стали, а, следовательно, и падение МДС в стальных участках магнитопровода зависит от величины магнитного потока, а эта зависимость не выражается аналитически, задача не имеет прямого аналитического решения и может быть решена либо методом последовательных приближений, либо графо-аналитически. Решение в обоих случаях сводится к решению ряда прямых задач.

Впервом случае задаемся произвольным значением Ф , и по нему

определяем необходимую F1. Если F1> F, то задаемся или новым Ф 2< Ф 1 или наоборот. При этом получим новое F2. Т.о. проводим ряд

последовательных расчетов, все более приближаясь к заданному F. Ясно, что расчет получается весьма громоздким, поэтому более употребляемым является графо-аналитический метод. При этом методе строится кривая намагничивания

магнитной системы по трем-четырем точкам: задаваясь Ф 1, Ф 2, Ф 3,

30

определяем соответствующие им F1, F2, F3 (рисунок 5.3). Здесь необходимо

соблюдать условие, чтобы заданная F лежала в области, охватываемой

расчетными МДС F1, F2, F3. Затем графически по заданной F находим Ф . Расчет катушки электромагнитов, обеспечивающих необходимую МДС

при известном рабочем зазоре, производят после расчета магнитной системы. Основным дополнительным условием является то, чтобы катушка в процессе работы не перегрелась.

Расчет обмотки напряжения постоянного тока производят, имея

где Qк – сечение окна;

q – коэффициент заполнения. Тогда

При изменении питающего напряжения для сохранения неизменной МДС необходимо выполнить равенства: