2513

31

При U2> U1 мощность, потребляемая обмоткой, увеличится и наоборот. Затем проводят тепловой расчет, учитывая режим работы ЭА.

Расчет токовой обмотки электромагнита постоянного тока ведут по известным F=I*w и Iн - номинальному току внешней цепи. Тогда

и производят тепловой расчет катушки. Аналогичен приведенному расчет токовой катушки электромагнита переменного тока.

Расчет обмотки напряжения электромагнита переменного тока начинают, имея значение питающего напряжения и МДС. Тогда

Т.к.R<<XL , то при первом приближении, пренебрегая R можно считать:

где 0,7=0,9 – коэффициент, учитывающий пренебрежение R.

Сечение провода определяют, задавшись его плотностью по режиму. Выбрав стандартный диаметр провода и способ его укладки по таблицам

находят fм и рассчитывают площадь окна, занимаемую проводом (формула 5.23). Затем определяют lср и сопротивление обмотки

Проверка по формуле 5.24 считается удовлетворительной, если левая часть уравнения отличается от правой не более чем на 10% (в противном случае меняют число витков).

Проверка нагрева катушки производится с учетом нагрева магнитопровода от потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Пересчет катушки на другое напряжение ведут, исходя из условий:

32

Q1 fм1 Q2 fм2 ,

при этом потребляемая мощность остается постоянной, т.к. U1I1= U2I2.

Механическая характеристика электромагнитного устройства – это зависимость всех механических сил или моментов, приведенных к оси действия тяговой силы от величины хода якоря (т.е. от величины рабочего

зазора) или от угла поворота якоря Pмех=f( ); Mмех=f( ) - (рисунок 5.4), кривая 1.

Основными элементами кинематической схемы ЭА, создающими различные механические усилия, необходимые для работы аппарата, являются пружины (контактные, отключающие и т.д.), а также силы трения, тяжести и д.р. Для включения электромагнита (притяжение якоря) необходимо, чтобы

электромагнитные усилия (они называются также тяговыми - Pтяг) развиваемые им при различных зазорах были больше механических усилий.

Зависимость Pтяг=f( ) – называется тяговой характеристикой ЭА. Т.о.

условием срабатывания ЭА при включении является преобладание тяговой характеристики над механической.

Рассмотрим как определяются для различных . При включении катушки приложенное напряжение уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении и ЭДС самоиндукции:

энергия: i2 R dt - нагрев, i d - создание магнитного поля.

Механическая работа, совершаемая якорем, получается за счет изменения электромагнитной энергии при движении якоря. Построим одну из

разновидностей кривой намагничивания – =f(i) зависимость для некоторого воздушного зазора (рисунок 5.5а).

Величина записанной электромагнитной энергии при данном потокосцеплении 0:

что величина изменения электромагнитной энергии определится площадью между двумя кривыми (рисунок 5.5б).

Аналогичным образом, рассуждая относительно системы c F=var (рисунок 5.5в), можно получить выражение для тягового усилия:

Формулы 5.36 и 5.37 справедливы для равномерного магнитного поля рабочего зазора, но материал системы не должен быть насыщен, что обычно и

бывает при больших . Т.о. формулы 5.36 и 5.37 целесообразно применять при

больших зазорах, при малых же , когда поле в зазоре равномерно за счет усилий притяжения, ведется обычно по формуле Максвелла.

Вернемся теперь к рассмотрению тяговых характеристик электромагнитных систем различного типа, т.к. этот вопрос весьма важен с

точки зрения соотношения Pтяг=f( ) и Pмех=f( ). Т.к. Ф=FG, то по формуле 5.38

Тяговая характеристика системы F=const изображена на рисунке 5.6а и является довольно крутой квадратичной зависимостью. Характеристика с

учетом Ф имеет большую крутизну и сближается с характеристикой без учета Ф при малых зазорах, т.к. рассеяние при этом уменьшается.

Для систем с F=var МДС катушки зависит от и проводимости магнитной системы (рисунок 5.6б).

Впервом приближении, пренебрегая сопротивлением стали и

Pтяг также постоянна (рисунок 5.6б). Однако это утверждение справедливо лишь для малых . При больших за счет больших Ф поток в рабочем зазоре будет значительно меньше полного потока. Ход характеристики Pтяг=f( ) с учетом Ф отражен пунктиром (рисунок 5.6б).

Т.к. тяговое усилие возрастает с уменьшением , то крутизна тяговой характеристики значительно меньше, чем для системы с F=const; начальное усилие будет больше, а конечное меньше в 2раза.

Усилия притяжения в магнитной системе переменного тока

Поскольку на переменном токе значение тока меняется как по величине, так и по времени, то, очевидно, по такому же закону меняется Ф и Pтяг

среднюю силу за период тока, и переменную, причем величина амплитуды последней равна постоянной составляющей, а частота в 2 раза выше частоты магнитного потока. Отобразим это на рисунке 5.7.

Суммарная сила притяжения колеблется от двойного амплитудного значения до нуля. Противодействующие силы – Pмех, стремящиеся оторвать якорь, по величине больше нуля, поэтому в отдельные моменты t, когда их

35

величина больше Pтяг, якорь начинает отходить от сердечника, а затем вновь притягиваться и т.д., т.е. появляется вибрация.

Вибрация якоря сопровождается сильным шумом (f=100 Гц), износом поверхностей соприкосновения якоря и сердечника, некоторым перемещением замкнутых контактов, что приводит их к подгоранию. Однако все вышесказанное относится только к однофазному току.

В магнитной системе трехфазного тока, вследствие сдвига токов и магнитных потоков на 1200 друг относительно друга, силы от разных фаз суммируются в действии на один и тот же якорь, и результирующая сила постоянна.

Устранение вибрации в однофазной магнитной системе сводится к тому, чтобы в воздушном зазоре создавать два магнитных потока, сдвинутых друг относительно друга по фазе и в пространстве. Тогда в момент нулевых усилий от первого потока в воздушном зазоре будет проходить второй поток, который создает свое усилие и не дает возможности якорю оторваться. Очевидно, что

наиболее рациональным будет угол сдвига потоков =900, т.к. при этом нулевому усилию одного потока будет соответствовать максимальное усилие другого (рисунок 5.7б).

Наиболее распространенным методом создания двух потоков является метод к.з. экранирующего витка, который располагается непосредственно у рабочего зазора и охватывает приблизительно 2\3 полюсного наконечника

(рисунок 5.7в). Часть основного потока, проходящая через контур витка,

сдвинутый по отношению к основному потоку. В результате сложения Фк.з. с

Коэффициент возврата магнитной системы – Кв – это отношение тока или МДС катушки, при которых якорь отпадает, к току или МДС катушки, при которых якорь притягивается.

Коэффициент возврата характеризует чувствительность магнитной системы конкретного ЭА к изменению тока в катушке. Для различных систем он может колебаться в широких пределах 0,05-0,95. Искусственным путем при

помощи различных схем включения катушки можно получить Кв=1.

Кв зависит от соотношения тяговых и механических характеристик (рисунок 5.8а). Для того чтобы якорь притянулся при включении ЭА

т.к. срабатывание произойдет тогда, когда усилие притяжения будет равно противодействующему усилию. Усилие отпадания Pотп определяется величиной противодействующего усилия при притянутом якоре и

Из тяговых и механических характеристик (рисунок 5.8а) видно, что Кв качественно характеризует P=Pотп-Pср. Очевидно, что чем больше P, тем

ниже Кв.

Т.о. для получения магнитной системы с высоким Кв необходимо максимальное сближение тяговых и механических характеристик, на чем и

основаны приведенные ниже способы увеличения Кв (рисунок 5.8).

1 Применение специальных исполнений магнитной системы, имеющих пологую тяговую характеристику, близко подходящую к механической: соленоиды, системы с F=var и магнитные системы с F=const, но имеющие разомкнутую магнитную цепь, вследствие чего суммарный конечный зазор такой системы всегда незначителен. Существенный недостаток последних в ослаблении тяговых усилий, но Кв может достигать 0,95.

2 Введение немагнитной прокладки.

По сути это частный случай системы с незамкнутой магнитной цепью,

разница в том, что если в незамкнутой магнитной цепи величина к весьма значительна (до десятков мм), то толщина прокладки обычно 2-3 мм. Такие системы имеют те же усилия притяжения, что и без прокладок, но конечное усилие, которое резко возрастает именно на последних двух-трех миллиметрах хода якоря существенно уменьшается. При этом Кв=0,3-0,5.

3 Увеличение противодействующих усилий в конце хода якоря (рисунок

5.8б).

Обычно это увеличение осуществляется за счет специальной пружины, имеющей предварительный натяг и жесткую характеристику, вступающей в

37

действие на последних 2-3 мм хода якоря. Увеличения Кв можно достичь и за счет увеличения контактного нажатия замыкающих пружин, но, конечно, это увеличение не должно приводить к повышенному износу или увеличению Iср.

Кв до 0,6.

4 Форсирование катушки (рисунок 5.8в).

При этом способе в конце хода якоря в цепь катушки вводятся

добавочное сопротивление Rд (рисунок 5.8г), которое уменьшает ток в

катушке и тем самым уменьшает во включенном состоянии. Существенным достоинством этого способа является то, что во включенном состоянии уменьшается потребление энергии.

Динамика и время срабатывания электромагнита

В большинстве электромагнитов процессы включения и отключения носят динамический характер, т.е. после включения обмотки электромагнита

происходит нарастание Ф до тех пор, пока Pтяг не станет равна противодействующей: тогда якорь начинает двигаться. При этом ток и поток меняются по весьма сложному закону, определяемому параметрами электромагнита и противодействующей силой.

Рассмотрим две наиболее важных стадии в процессе включения электромагнита. Первая – с момента подачи напряжения до начала трогания якоря. Известно уравнение переходного процесса в этом случае:

Решение этого уравнения относительно тока имеет вид:

t

трогания - iтр, а время его нарастания от 0 до tтр – временем трогания, тогда:

t тр

сближении iтр и Iу.

38

После начала движения якоря начинает увеличиваться L, т.к. L=w2G. Уравнение переходного процесса для второй стадии движения будет:

Этот процесс характеризуется участком а-б (рисунок 5.9). Причем, чем больше скорость движения якоря, тем больше спад тока в цепи катушки. В точке б якорь полностью притянут к магнитопроводу, движение его прекратилось, и прекратился спад тока. После остановки якоря начинается третья стадия: нарастание тока до установившегося значения Iу=U/R .Постоянная времени

экспоненциальным, в случае если к очень мало и магнитная система достигла насыщения. В процессе движения якоря величина тока в обмотке значительно ниже Iу (рисунок 5.9), т.о. сила, развиваемая электромагнитом в динамическом процессе меньше, чем в статическом при Iу=const.

Ускорение и замедление срабатывания и отпускания

Полное время срабатывания состоит из времени трогания и времени движения:

Как правило основной частью является время трогания. Поэтому при ускорении и замедлении действуют в основном на tтр.

Как же влияют различные факторы на tтр?

Уменьшение активного сопротивления цепи обмотки приводит к уменьшению tтр, т.к. в этом случае хотя и растет постоянная времени T, но

одновременно растет и мощность, потребляемая обмоткой, что может привести к ее перегреву и выходу из строя. Ограничение температуры нагрева может быть за счет увеличения размеров катушки, что в свою очередь требует увеличения размеров магнитопровода, а это уже невыгодно. Для ограничения размеров электромагнита в настоящее время широко применяется форсировка по схеме (рисунок 5.10).

Здесь в отключенном состоянии Räîá шунтирован размыкающим контактом электромагнита. При замыкании К малое сопротивление R способствует быстрому нарастанию тока до величины Iтр. После начала движения якоря БК размыкается и в цепь последовательно включается Räîá,

39

благодаря чему ограничивается мощность, выделяемая в обмотке до уровня

момент времени конденсатор уменьшает падение напряжение на Räîá, благодаря чему обеспечивается режим форсировки. В установившемся же режиме ток в цепи ограничивается Räîá.

Большое влияние на оказывает величина питающего напряжения

(рисунок 5.11). При уменьшении питающего напряжения уменьшается Iу, что

напряжения tтр уменьшается в соответствии с уменьшением логарифма

(рисунок 5.11).

Ускорение срабатывания уже готового электромагнита можно провести путем увеличения питающего напряжения, однако, при этом обмотка электромагнита значительно разогревается. В этом случае необходимо в цепь

включать добавочное сопротивление так, чтобы величина Iу оставалась неизменной. Ускорение срабатывания в этом случае происходит за счет постоянной времени, а ln остается постоянным.

Далее отметим, что при прочих равных условиях увеличение натяжения противодействующей пружины ведет к росту iтр, при этом tтр также увеличивается.

Время отпускания якоря состоит из времени спадания потока до потока отпускания, при котором сила электромагнита становится равной противодействующей и времени движения при отпускании (это зеркальное отображение кривой на рисунке 5.8).

Определяющим в большинстве случаев является время движения.

Для создания электромагнитов замедленного действия используется к.з. обмотки или гильза (рисунок 5.12).

При включении нарастающий поток от рабочей обмотки наводит в гильзе ЭДС, которая вызывает ток такого направления, при котором поток к.з. обмотки (гильзы) направлен встречно намагничивающему. Скорость нарастания основного потока уменьшается, а время трогания увеличивается. Однако замедление на включение в этом случае получается небольшим (до 0,5

с).

При отключении электромагнита с к.з. обмоткой можно считать, что ток в первичной обмотке практически мгновенно падает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка отключающего аппарата.

40

Изменение потока определяется процессом затухания тока в к.з. обмотке. Наведенная ЭДС в этом случае вызывает ток, направленный так, что поток от к.з. обмотки препятствует уменьшению первичного потока. Благодаря тому, что рабочий зазор в притянутом состоянии в десятки и сотни раз меньше, чем в отпущенном, постоянная времени уравнения (5.4) получается весьма значительной (индуктивность сильно увеличена), поэтому можно получить время трогания или отпускания до 10 с. Для получения еще большей выдержки желательно после отключения рабочей обмотки закоротить ее концы. Закорачивание рабочей обмотки в настоящее время нашло широкое применение. Его можно проводить различными способами, приведенными на рисунке 5.12.

В случае 5.12а закорачивание обмотки производится НЗ блок контактом. Недостаток способа в том, что должен четко соблюдаться порядок включения и выключения контактов, иначе можно либо не получить выдержки времени (если замыкание контактов 1 запаздывает) или получить к.з. (если 1 включается слишком рано).

Схема 5.12б дает небольшое время выдержки и имеет

непроизводительный расход энергии в . Rä.

Схема 5.12в – поляризованная схема. В случае неправильного включения или пробоя диода получается к.з.

Схема 5.12г – емкостное закорачивание, для получения большой выдержки времени необходима большая емкость конденсатора, вследствие чего конденсаторная цепь имеет большие габариты.

6 КОНТАКТНЫЕ КОММУТАЦИОННЫЕ ЭА

Коммутационная аппаратура – устройства, предназначенные для включения, отключения и переключения электрических целей. Бывают ручного РУ, дистанционного и автоматического управления.

Ручные подразделяются на: коммутацию силовых целей и целей управления (различные токи и напряжения). Все аппараты ручного управления имеют обязательные узлы: неподвижные контакты, подвижные контакты и