Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

для специальных сталей 1,2...2,8 кДж/м3; для бариевых ферритов

3...15 кДж/м3.

Изоляционные – для электрической изоляции токоведущих частей – целлюлоза, хлопок, шелк (пропитанный и непропитанный), синтетические материалы, материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна.

Основные требования к изоляционным материалам – высокое удельное электрическое сопротивление, электрическая прочность и термовлагоемкость.

Изоляционные материалы подразделяются на две группы: органи-

ческие и неорганические. К органическим изоляционным материалам

относятся: слюда (миканит, слюдинит), стекло (стеклоткани, стеклотекстолит), асбест (асбестоцемент, асбодин) и керамика (фарфор).

К неорганическим изоляционным материалам относятся: полимерные материалы (резина, полихлорвинил, полиэтилен и др.), пластмассы

ислоистые пластики (гетинакс, текстолит, бумажно-бакелитовые изделия), волокнистые материалы (бумага, электрокартон, лакоткани

идр.). По нагревостойкости изоляционные материалы разделяют на семь классов с температурой от 90 до 180 °С и выше.

Технические характеристики электроизоляционных материалов приводятся в справочных изданиях и ГОСТах.

Контактные (для контактов) – серебро, медь, графит, металлокерамика и др.

Основные требования, предъявляемые к контактным материалам:

•стойкость к механическому износу (истиранию);

•минимальные химические износы (коррозия);

•электрические (эрозия) износы.

Вместе с этим контактные материалы должны обладать достаточной электро- и теплопроводностью, иметь минимальную способность к свариванию. Так как контактные материалы лишь частично удовлетворяют этим требованиям, то при расчете контактов выбирают материал, наиболее полно удовлетворяющий всем требованиям. Характеристики контактов электрических аппаратов приведены в технической литературе.

Дугостойкие изоляционные (для дугогасительных устройств) – асбест, керамика, пластмассы. Материалы для дугогасительных устройств должны обладать повышенной стойкостью к воздействию электрической дуги, прочностью и влагостойкостью.

21

Сплавы с высоким удельным сопротивлением (для резисторов) –

константан, нихром, хромаль, фехраль и др.

Биметаллы – для элементов, использующих различное линейное удлинение металлов при нагревании их током.

Конструкционные (для деталей, основным назначением которых является восприятие и передача механических усилий, и для деталей, придающих электрическим аппаратам те или иные формы) – металлы, пластмассы и др.

22

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

2.1. Общие сведения

Составной частью многих ЭА являются электромагнитные системы, выполненные обычно в виде электромагнитных механизмов или устройств. Основными элементами электромагнитной системы являются одна или несколько обмоток и магнитная цепь.

Электромагнитным механизмом называется электромагнитная система, подвижная часть которой совершает полезную работу при своем перемещении вследствие изменения или перераспределения магнитного потока (электромагниты, электромагнитные муфты и др.).

Электромагнитным устройством называется электромагнитная система, в обмотках которой при изменении или распределении магнитного потока изменяется величина тока или напряжения (силовые измерительные трансформаторы, дроссели и др.). В электромагнитных устройствах магнитная цепь не имеет воздушного зазора и выполняется либо в виде тороида, либо имеет специальную форму путем набора из отдельных пластин электротехнической стали.

В электромагнитных механизмах обмотка предназначена для создания магнитного потока, вызывающей перемещение подвижной части магнитной цепи. Магнитная цепь служит для проведения магнитного потока, создаваемого обмоткой, и представляет собой совокупность элементов, через которые замыкается поток магнитной индукции. В электромагнитных механизмах магнитная цепь имеет подвижную часть (якорь), которая при перемещении поступательного или вращательного характера совершает полезную работу. Часть магнитной цепи, к которой притягивается якорь, называется сердечником. Неподвижная часть магнитной цепи, соединяющая сердечник (несколько сердечников) и якорь, называется ярмом. Расстоянием между якорем и сердечником называется рабочим воздушным зазором и обозначается δ.

Создаваемый обмоткой полный магнитный поток состоит из потока Ф, проходящий вдоль всей магнитной цепи лишь частично и замыкающийся по воздуху или через расположенные поблизости детали конструкции аппарата. Поток Ф называется рабочим магнитным потоком, поток ФS – потоком рассеяния. В электромагнитных устройствах потоки рассеяния незначительны, так как магнитные цепи не

23

имеют воздушных зазоров. В электромагнитных механизмах потоки рассеяния могут составлять значительную часть полного магнитного потока. Магнитный поток, проходящий через рабочий воздушный зазор, называется главным рабочим потоком Фδ, который обусловливает возникновение механических сил, вызывающих перемещение якоря.

Поток рассеяния зависит от конфигурации магнитной цепи, взаимного расположения ее элементов, степени ее насыщения, размеров воздушных зазоров. С увеличением воздушных зазоров и повышением насыщения магнитной цепи потоки рассеяния увеличиваются. Как следствие, в электромагнитных механизмах поток рассеяния изменяется при перемещении якоря относительно сердечника. Обмотка электромагнитной системы может быть размещена таким образом, что поток рассеяния будет сцеплен со всеми витками обмотки, создавая сосредоточенную магнитодвижущую силу. Электромагнитная система, в которой обмотка размещена так, что потоки рассеяния сцеплены с различными витками обмотки, называется системой с распределенной магнитодвижущей силой (МДС).

Применяемые в электрических аппаратах электромагнитные системы могут быть классифицированы по роду тока питающей обмотки – системы постоянного и переменного тока; исполнению магнитной цепи – без воздушного зазора, с воздушным зазором; разветвленная и неразветвленная.

Магнитные цепи в целях уменьшения их магнитного сопротивления выполняются, как правило, из ферромагнитных материалов, основной характеристикой которых является зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. При помещении ферромагнитного материала в магнитное поле и постепенном увеличении напряженности Н процесс возрастания магнитной индукции В в образце характеризуется определенной кривой первоначального намагничивания. Семейство данных кривых имеет название – семейство симметричных петель гистерезиса. При высоких значениях Н наступает режим насыщения, при котором индукция с увеличением Н не будет изменяться, оставаясь практически постоянной; эта величина называется индукцией насыщения ВS.

При периодическом изменении напряженности поля (рис. 2.1) от значений +Нmax до –Нmax и обратно кривая индукции В опишет симметричную предельную петлю гистерезиса, специфическую для каждого материала. Ширина предельной петли гистерезиса характеризуется коэрцитивной силой Нс, представляющей напряженность поля,

24

необходимую для проведения остаточной индукции Вr до нулевого значения. Циклическое изменение напряженности поля от значений +Нmax до –Нmax позволяет получить частные петли гистерезиса. Кривая, проходящая через начало координат и вершины частных петель гистерезиса, называется основной или коммутационной кривой намагничивания. Абсолютная магнитная проницаемость материала µA = BH , от значения которой зависит его магнитное сопротивление, определяется по основным кривым намагничивания. Чем больше µA , тем меньше магнитное сопротивление материала. Зависимость B = f (H ) нелинейная, магнитная проницаемость µA определяется по кривой намагничивания, Гн/см; В – индукция, Вб/см2, Н – напряженность, А/см.

- В, Вб/см2

Рис. 2.1. Семейство петель гистерезиса

2.2. Основные принципы расчета электромагнитных систем

При расчете электромагнитных систем решается одна из двух задач:

1) прямая – при заданном магнитном потоке на определенном участке магнитной цепи (воздушном зазоре) определяется МДС;

25

2) обратная – при заданной МДС определяется величина потока на определенном участке цепи.

При решении любой из задач должны быть известны размеры и материал магнитопровода. Расчет электромагнитных систем основан на использовании основных законов электрических цепей постоянного и переменного тока с соответствующей заменой тока на магнитный поток, напряжения на МДС и электрического сопротивления – на магнитное сопротивление.

При расчете магнитных цепей постоянного тока используются следующие законы:

1. Первый закон Кирхгофа – сумма магнитных потоков в каждой точке магнитной цепи равна нулю:

∑Ф = 0 .

2. Второй закон Кирхгофа – падение магнитного потенциала по замкнутому контуру равно сумме МДС, действующих в этом контуре:

ϕФdRm = ∑Fm ,

где Fm – МДС, А;

Rm = µl S

A

l – длина участка, по которому проходит магнитный поток, см;

S – поперечное сечение магнитной цепи, см2.

3. Закон Ома – падение магнитного потенциала а участке магнитной цепи равно произведению магнитного потока Фi, проходящего по данному участку, на магнитное сопротивление этого участка Rmi:

Если магнитная цепь имеет воздушный зазор, то его магнитное со-

противление, Гн–1, Rmδ = 1 , где Gδ – проводимость воздушного зазора.

Gδ

Падение МДС в воздушном зазоре

Fmδ =ФδRmδ .

При расчетах магнитных цепей переменного тока используются эти же законы, однако учитывается род тока. Так, первый закон Кирх-

26

гофа, с учетом угловых сдвигов между магнитными потоками характеризуется уравнением ∑Ф =0 . Закон Ома применительно к магнитным цепям переменного тока выражается в виде: Fm =Ф Zm , где Zm – полное комплексное магнитное сопротивление участка.

2.3. Расчет магнитных цепей постоянного тока без учета потоков рассеяния

В магнитных цепях без воздушных зазоров и в цепях с небольшими воздушными зазорами, потоки рассеяния имеют малую величину, не превышающую 5…10% от основного магнитного потока. Поэтому ими можно пренебречь, не внося в расчеты больших погрешностей.

Примером магнитной цепи постоянного тока без воздушного зазора может служить тороид с равномерно распределенной по его длине намагничивающей катушкой.

Решение прямой задачи – по заданному магнитному потоку Ф определить МДС – производится следующим образом:

1)при известной площади поперечного сечения магнитопровода S определяется индукция в магнитопроводе В;

2)по кривой намагничивания для конкретного материала устанавливается напряженность магнитного поля Н;

3)по значению Н находится МДС, необходимая для проведения магнитного потока по всей длине магнитопровода; для расчета МДС необходимо знать величину магнитной проводимости воздушного за-

зора Gδ: Fmδ =ФGδ .

В качестве примера магнитной цепи с воздушным зазором рассмотрим электромагнитную систему, схема которой приведена на рис. 2.2.

Воздушный зазор, Гн/см представляет собой участок магнитной цепи с постоянной магнитной проницаемостью µ0 = 4π 10−9 .

Считая что магнитопровод по длине имеет одинаковое сечение, результирующую МДС определяют по выражению

Fm = Ф + Hlст ,

Gδ

где Н – напряженность магнитного поля в материале магнитопровода, А/см;

Gδ – магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн; lст – длина «магнитного потока», см.

27

Решение обратной задачи предусматривает посторенние зависимости Ф = f (Fm.ст ). По оси абсцисс откладывают заданные значения МДС Fзад и из конца этого отрезка под углом α проводят прямую до пересечения с кривой. Отрезок на оси ординат в соответствующем масштабе выражает магнитный поток в воздушном зазоре.

Из рис. 2.3 видно, что площадь треугольника abc в масштабе выражает магнитную энергию воздушного зазора:

29

Эм = 12 ФFзад = BH2 δ Vδ ,

где Vδ – объем воздушного зазора, см3.

Из приведенного выше выражения следует, что при определенной МДС, путем изменения магнитной проводимости Gδ, необходимо обеспечить работу магнитной системы с максимальной магнитной энергией в воздушном зазоре. Применительно к рассмотренному случаю, максимальное значение магнитной энергии соответствует углу αопт, при котором площадь треугольника ba′c′ максимальна. Магнитная проводимость воздушного зазора, обеспечивающая оптимальный режим равна

Gδопт = tgαопт mh .

Оптимальное значение проводимости Gδопт определяется графо­ аналитическим методом. По оси абсцисс откладывают значения МДС обмотки (отрезок Ob). Из точки b проводится ряд прямых до пересечения с кривой Ф = f (Fm.ст ). Определяются площади полученных треугольников, в результате чего выбирается треугольник с наибольшей площадью. Угол αопт этого треугольника определяет оптимальное значение проводимости рабочего воздушного зазора. Таким образом, графоаналитический способ позволяет определить магнитный поток в воздушном зазоре МДС обмотки и оптимальное значение Gδ, при котором магнитная энергия в воздушном зазоре будет максимальной. В рационально выполненных конструкциях магнитных цепей потери МДС в нерабочих воздушных зазорах составляют 5…15% от полной МДС, а потери МДС в материале магнитопровода – 10…20% от полной МДС обмотки.

30