книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

Теоретические значения g для наиболее распространенных форм магнитопроводов приведены в табл. 14.1.

Отметим, что такой учет рассеяния не совсем точен. Во-первых, магнитный поток по всей длине стали принимается равным значению потока у основания, в то время как он уменьшается по высоте сердеч­ ника до значения Фв, во-вторых, принято F = F6 и, в-третьих, теоре­ тические значения удельной проводимости g отличаются от реальных из-за краевых эффектов.

Однако в ненасыщенных магнитных цепях при зазоре б0 влияние потока Фрас незначительно сказывается на точности расчета величины н. с. срабатывания, так как н. с. стали составляет обычно несколько процентов полной н. с. даже при коэффициентах рассеяния порядка 2,5—2,7. Это влияние незначительно еще и потому, что для надежного срабатывания реле при расчете обмотки рабочую н. с. принимают в 1,7—2,2 раза больше, чем н. с. срабатывания. Такой запас обеспечи­ вает срабатывание при пониженном напряжении, нагретой обмотке, разбросе параметров пружин и влиянии других подобных факторов.

В некоторых конструкциях реле потоки рассеяния создают допол­ нительные электромагнитные усилия, величину которых можно оце­ нить следующим образом. Элементарная энергия рассеяния в контуре

о

Электромагнитное усилие, создаваемое потоком рассеяния.

в том случае, если при изменении воздушного зазора изменяется удель­ ная проводимость g. В противном случае производная dg/dd и усилие рэ. рас равны нулю. Следовательно, в реле рис. 14.6, а, у которого g не зависит от положения якоря, дополнительного усилия не создается,

ав реле рис. 14.6, 6 это усилие будет создаваться.

§14.3. ОБМОТКИ

Правильно рассчитанная обмотка должна создавать необходимую

н. с., полученную при расчете магнитной цепи реле, и в то же время не перегреваться.

Для обмоток обычно применяют медный провод в эмалевой, шел­ ковой или хлопчатобумажной изоляции. Для реле, работающих в ус­ ловиях высоких температур, используют изоляцию из стекловолокна.

340

Обмотки наматывают на каркасы из электрокартона или пластмассы. В мощных реле часто применяют бескаркасные обмотки, которые сна­ чала наматывают на шаблонах, а затем скрепляют изолирующими лен­ тами. Каркасные и бескаркасные обмотки пропитывают изолирующими лаками, что повышает электрическую прочность и влагостойкость, а также улучшает теплоотдачу.

При диаметре провода больше 0,3—0,4 мм производят рядовую намотку, когда витки в слое лежат плотно друг к другу, и всю обмотку выполняют слоями толщиной в диаметр провода. При меньших диа­ метрах провода намотку производят «навалом» и витки располагают без точной укладки. Так же, как для обмоток магнитных усилителей, в расчетах применяют коэффициент заполнения окна медью k3an, зна­ чения которого для проводов различных диаметров и вида изоляции приведены на рис. 3.17.

Обмотку реле можно включать последовательно с нагрузкой, име­ ющей значительно большее сопротивление, чем обмотка. В этом случае заданным является ток I в обмотке. При необходимости создания и. с. F число витков обмотки определяют сразу:

w — F/1.

Если известно окно под обмотку Q, то диаметр провода в случае рядовой намотки

d = Y Q / w ,

а в случае намотки «навалом»

Найденный диаметр округляют до стандартного, оценивают сопро­ тивление обмотки

где /ор — средняя длина витка обмотки, и проверяют обмотку на на­ грев.

Если при расчете обмотки заданы напряжение сети U и н. с. F, которую должна создать обмотка, то, подставляя в выражение

FV = —V w

R

сопротивление R из (14.22), получаем формулу для диаметра провода

Диаметр также округляют до стандартного значения, находят чис­ ло витков, размещающихся в окне,

nd-

оценивают сопротивление и ток в обмотке и производят проверку на нагрев.

341

Приближенно проверить обмотку на нагрев можно по плотности тока, которая при длительно включенной обмотке не должна превышать 2—3 а/мм2. Удобным критерием оценки нагрева является также удель­ ная величина боковой поверхности охлаждения. Наблюдения показали, что обмотка не перегревается, если на каждый ватт выделяющейся в ней мощности приходится 8—12 см2 боковой поверхности обмотки.

Режим, когда включение на время tx и отключение на время t2 чередуются, причем tx и t2 не превышают постоянной времени нагрева обмотки Т, называют п о в т о р н о - к р а т к о в р е м е н н ы м . При таком режиме во время вклю­ ченного состояния мощность (а следовательно, и н.с.), подводимую к обмотке, можно увеличить в k раз по сравнению с длительным режимом, где

І1+t2

Если после кратковременного включения обмотка остывает в течение вре­ мени t2 > 5Т, то допустимую мощность, подводимую во время включенного состояния, можно определить из условия, что все тепло поглощается медью:

Из^уравнения (14.24) следует важный вывод о том, что создание за­ данной н. с. в заданных габаритах обмотки (/ср и Q) требует выделения в обмотке определенной мощности, которую не удастся изменить какой бы то ни было комбинацией тока, числа витков и диаметра провода (считаем, что k2an не зависит от диаметра провода). Если обмотка пере­ гревается, то для сохранения н. с. без перегрева существует лишь один путь — увеличение окна обмотки Q.

Из выражения (14.24) следует еще один полезный вывод — о возможности быстрого пересчета обмотки реле с одного напряжения на другое. Если при таком пересчете окно, занимаемое обмоткой, и н. с., создаваемую обмоткой, сохранить неизменными, то тепловой режим обмотки также не изменится. Формулу пере­ счета диаметра провода при изменении напряжения питания легко получить из

выражения (14,23). В самом деле, для двух различных напряжений при неизмен­ ных параметрах р, /ср и F можно записать:

Откуда новый диаметр провода d2 связан с прежним диаметром rfj зависимостью

^2 = di V Ui/U2 ,

где - напряжение, на которое рассчитано реле; U2 - новое напряжение. При таком пересчете предполагается, что вид изоляции проводов один и тот же и примерно одинаковы их коэффициенты заполнения. Новым проводом долж­

но быть заполнено все окно, которое занимала обмотка с прежним проводом.

342

§ 14.4. КОНТАКТЫ. МЕТОДЫ ДУГО- И ИСКРОГАШЕНИЯ

Контакты, замыкающие и размыкающие электрические цепи, яв­ ляются исполнительными органами электромагнитных реле. К ним предъявляются следующие требования: надежность электрического соединения, долговечность, стойкость к влиянию внешней среды. Во время работы контакты могут находиться в четырех состояниях:

где Рк — усилие, я; а — коэффициент, зависящий от материала кон­ тактов, чистоты обработки контактной поверхности и степени ее окис-

Луженые медные контакты имеют меньший разброс коэффициента а вследствие того, что слой олова предохраняет медь от окисления. Из­ вестно, что проводимость окиси серебра равна проводимости серебра,

343

значит степень окисленности не влияет на сопротивление R K. Поэтому для ответственных слаботочных контактов часто применяют серебро.

В выражение (14.25) не входят размеры контактов. Однако их нель­ зя делать сколь угодно малыми, так как уменьшение поверхности ох­ лаждения приведет к перегреву контактов. Для нормальной работы в замкнутом состоянии необходимо, чтобы удовлетворялось уравне­ ние теплового баланса

s0XJI — полная поверхность охлаждения контактов, см2;

ДѲ — допустимое превышение температуры контактов по срав­ нению с температурой окружающей среды (допустимое ДѲ = 70° С).

Согласно изложенному в табл. 14.3 даны ориентировочные размеры серебряных контактов в зависимости от величины длительно протека­ ющего тока [1 ].

Увеличение температуры контактов приводит к изменению сопро­ тивления контактного перехода даже при неизменном контактном уси­ лии. Обнаружено, что температура контактов приблизительно пропор­ циональна падению напряжения на них UK.

Зависимость R Kот Дк показана на рис. 14.8. Вначале сопротивле­ ние R к растет из-за увеличения удельного сопротивления материала контактов во время нагревания. При напряжении Ѵг материал теряет прочность и сминается, увеличивается площадь соприкосновения sK, и сопротивление контактного перехода падает. Затем наблюдается участок с неизменным сопротивлением, пока при напряжении ІІ2 не произойдет сплавления контактов. Допустимым падением напряжения t/доц принято напряжение в 1,5—2 раза меньшее, чем Ux (табл. 14.4).

Т а б л и ц а 14.4

344

На основании изложенного можно составить следующий метод расчета или проверки контактов в замкнутом состоянии.

По заданному току I выбирают размеры, материал и вид контактов, исполь­

зуя статистические данные. По t/j и току I находят допустимое сопротивление контактного перехода

цепи больше некоторой предельной величины.

Дуга особенно сильно разрушает контакты. Найти условие по­

с ростом тока усиливается ионизация воздушного промежутка, уве­ личивается число токопереносящих частиц и тем самым снижаются сопротивление и падение напряжения на дуге. Вид характеристики зависит от материала контактов: чем более тугоплавок материал, тем выше лежит характеристика дуги (рис. 14.9, б). Чем больше расстоя­ ние между контактами, тем также выше лежит вольт-амперная харак­ теристика дуги (рис. 14.9, а).

Рассмотрим цепь (рис. 14.9, в), состоящую из нагрузки R, L и контактов, между которыми горит дуга. Для переходного режима по закону Кирхгофа

345

Если правая часть выражения (14.27) отрицательна, значит отрицательна и производная di/di, т. е. ток в цепи убывает. Если правая часть положительна, ток в цепи увеличивается. Для нахождения знака производной достаточно на вольт-амперную характеристику дуги для некоторого неизменного расстояния между контактами наложить вольт-амперную характеристику сопротивления R, проведя ее в виде прямой между точками напряжения сети U и тока 1, протекаю­ щего при замкнутом состоянии контактов. Тогда ординаты заштрихованных об-

di

ластей представляют собой слагаемое L—. На участке 1-2 они положительны, dt

а при токах, меньших 1Х и больших /2, — отрицательны.

Рис. 14.9. Вольт-амперные характеристики дуги:

в которой ток дуги увеличивается (положительная производная), возвращаясь к значению /2.

Очевидно, что для полного погасания дуги необходимо, чтобы при наиболь­ шем расстоянии между контактами вольт-амперная характеристика дуги лежала выше прямой U-1 (рис. 14.10, а). В этом случае, возникнув, дуга быстро погаснет.

Все способы дугогашения сводятся к тому, чтобы вольт-амперная характеристика дуги была выше вольт-амперной характеристики схе­ мы. Такими способами являются:

1)применение более тугоплавких металлов и сплавов;

2)увеличение расстояния между контактами в разомкнутом состоя­

нии;

3)расположение контактов в масле, где образование дуги затруд­

нено;

346

4)магнитное дутье.

Впоследнем способе используется принцип силы, действующей на проводник с током (каким является дуга), расположенный в магнит­ ном поле. При полярности магнита и направлении движения тока, ука­ занных на рис. 14.10, б, дуга будет вытесняться силой Р вверх, где рас­

стояние между контактами наибольшее. Отметим, что магнитное поле может создаваться самим током размыкаемой цепи. Для этого необ­ ходимо, чтобы размыкаемый ток обтекал специальные обмотки из не­ скольких витков, расположенные около контактов.

Если параметры цепи V и / таковы, что прямая U-I лежит ниже вольт-амперной характеристики дуги, соответствующей расстоянию между контактами, близкому к нулю, то при размыкании дуги вообще

Рис. 14.10. Дугогашение:

а —- необходимое расположение вольт-амперных характеристик дуги и цепи; б — магнитное дутье; в —предельная характеристика выключения

не возникает. Такие сочетания U и / могут быть различными, лишь бы прямая касалась, но не пересекала характеристику дуги. Для ряда касательных можно построить по точкам 1,2 и т. п. (рис. 14.10, в) п р е-

контактах и тока, протекающего через замкнутые контакты, может зна­ чительно превышать произведение V I для предельной характеристики.

Приведенный ранее анализ относится к цепям постоянного тока. В цепях переменного тока дуга гаснет при прохождении напря­ жения сети через нуль, а в следующий полупериод снова зажигается, если только условия для ее возникновения еще сохранились. Таким образом, гашение дуги при переменном токе протекает значительно легче, чем при постоянном. Поэтому одни и те же контакты допускают разрывную мощность в цепях переменного тока, в несколько раз большую, чем в цепях постоянного тока.

Если мощность цепи меньше мощности, соответствующей предель­ ной характеристике выключения, то процесс размыкания контактов может сопровождаться их искрением. Однако возникновение искры

347

возможно, если напряжение на контактах в процессе их перемещения

тактами (см) на давление воздуха (мм pm. cm.) (рис. 14.11, а). Мини­ мальная величина U3 порядка 300 в, поэтому может показаться, что в низковольтных цепях искрения не должно быть. Но при размыкании цепей, содержащих индуктивность, э. д. с. самоиндукции, наводимая при исчезновении тока,

может значительно превышать напряжение зажигания даже при напря­ жениях сети в несколько вольт. Поэтому все методы искрогашения сводятся к созданию замедленного исчезновения тока, т. е. к пони­ жению производной dHdt.

Рис. 14.11. Искрогашение:

а — характеристика зажигания; 6, в, г — методы искрогашения

Для этой цели часто применяют шунтирование емкостью с сопро­ тивлением либо контактов (рис. 14.11, в), либо индуктивной нагрузки (рис. 14.11, б). В обоих случаях появляется переходный ток і, который протекает еще некоторое время после размыкания контактов и тем са­ мым предотвращает наведение высоких э. д. с. самоиндукции, которые имели бы место при мгновенном разрыве тока контактами. Аналогичное действие производит диод, шунтирующий индуктивную нагрузку и про­ пускающий переходный ток і (рис. 14.11, г), который создается э. д. с. самоиндукции в момент разрыва цепи контактами. При замкнутых контактах диод заперт напряжением сети.

Для маломощных контактов применяют, как правило, серебро, вольфрам, золото, для более мощных — медь. Хорошие результа­ ты дает металлокерамика — материал, состоящий из двух компонен­ тов, из которых один обладает тугоплавкостью и механической проч­ ностью (например, окись кадмия), а второй — хорошей электропро­ водностью (серебро). Такие контакты хорошо сохраняют форму, так

как серебро, плавясь при размыкании, удерживается в порах окиси кадмия.

348

§ 14.5. В Р Е М Е Н Н Ы Е П А Р А М Е Т Р Ы Р Е Л Е И М Е Т О Д Ы И Х И З М Е Н Е Н И Я

Важно отметить, что время движения якоря при отсутствии спе­ циальных тормозящих устройств, как правило, значительно меньше времени трогания. Поэтому время срабатывания реле зависит в ос­ новном от времени трогания. ,

Реле можно разделить по временным параметрам на нормальные (/cpaG имеет порядок 30—50 мсек), быстродействующие (/сраб по­ рядка нескольких миллисекунд) и замедленные, так называемые реле времени, у которых временные параметры специальными методами увеличены в пределах от десятых долей секунды до минут.

Время срабатывания и отпускания реле можно изменять как схемными, так и конструктивными методами.

Схемные методы основаны на изменении длительности переход­ ных процессов в обмотке реле. Включение добавочного сопротивления R :Uj6 с одновременным повышением напряжения сети на А U так, чтобы установившееся значение тока оставалось неизменным (кривая 2 на рис. 14.12,6), приводит к ускорению срабатывания.В этой схеме нарастание тока происходит по экспоненте с постоянной времени, мень­

(кривая 3 и ^хр3).

Время отпускания будет минимальным в случае безыскрового разрыва цепи обмотки. Однако ввиду того, что обмотка реле пред­ ставляет собой индуктивную нагрузку, для сохранения контактов, замыкающих цепь обмотки, могут быть применены схемы искрогашения. При этом следует отметить, что шунтирование обмотки реле со-

349