Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
Тяговые характеристики электромагнитов. Кривую FЭ (х), постро-
енную при некотором токе в катушке, называют статической тяговой
характеристикой электромагнита. Вид характеристики определяют:
конструкция электромагнита, насыщение его магнитопровода, форма наконечников и т. д.
Статические тяговые характеристики различных типов электро-
магнитов приведены на рисунке 3.1.
В соленоидном электромагните (см. рисунок 3.1, а) магнитный
поток катушки везде, кроме стального плунжера П, проходит по воздуху. Кривая 1 на тяговой характеристике показывает, как меняется
электромагнитная энергия АЭ при перемещении плунжера от центра катушки: в начальном состоянии х = 0 энергия АЭ наибольшая, а
при ходе плунжера вверх или вниз – АЭ уменьшается. В соответствии
с (3.1) сила FЭ при отклонении плунжера от среднего положения меняет знак, следуя кривой 2 на тяговой характеристике.
Наиболее распространенный клапанный электромагнит (см. ри-
сунок 3.1, б) имеет практически замкнутый стальной магнитопровод
(сердечник С и якорь Я). Поток проходит по воздуху только в зазорах между якорем и полюсными наконечниками сердечника. Якорь
поворачивается вокруг оси 0 в основном под действием силы в зазоре δ. При изменении δ магнитная энергия электромагнита АЭ меняется примерно по гиперболической кривой 1, а сила электромагнита согласно (3.1) по кривой 2.
В поворотном электромагните (см. рисунок 3.1, в) якорь повора-
чивается вокруг оси 0 на относительно большой угол α. Изменение
электромагнитной энергии АЭ по мере поворота якоря следует кривой 1, т. е. имеет максимум при α = 0 и минимум при α = 90. Соответственно момент вращения якоря МЭ изменяется согласно (3.1)
по кривой 2.
Тип электромагнита выбирают в зависимости от того, какая тя-
говая характеристика наиболее полно обеспечивает выполнение аппаратом его функций.
Динамическая тяговая характеристика. Тяговая характеристи-
ка электромагнита, в которой учтено изменение тока в катушке при
перемещении подвижных частей, называется динамической. Динамическая тяговая характеристика тяжело поддается расчету, так
как перемещение обычно происходит одновременно с переходными процессами в электрической цепи обмотки. При этом возможны
два случая: когда электрические переходные процессы в значительной мере определяются перемещением якоря электромагнита и когда
41
электрические процессы протекают независимо от перемещения якоря электромагнита.
Первый случай имеет место, в частности, для электромагнитов
с катушками напряжения постоянного тока. При включении такого электромагнитного привода движение механизма обычно начинается прежде, чем ток в цепи катушки установится, т. е. сила тяги
следует динамической характеристике, лежащей ниже статической.
При выключении катушки сила тяги не исчезает мгновенно вследствие вихревых токов в магнитопроводе и различного рода магнитосвязанных контурах. Примерный вид динамической тяговой характеристики клапанного электромагнита приведен на рисунке 3.2.
F
Э
1
2
δ
Рисунок 3.2 – Статическая (1) и динамическая (2)
тяговые характеристики электромагнитов
Для расчета тяговых характеристик используют обычно опытные
зависимости FЭ (δ) электромагнитных систем, наиболее близких по
конструкции и соотношению размеров к проектируемой. Если значения магнитной индукции в частях подобных систем одинаковы,
то при изменении линейных размеров и перемещения якоря в k раз
магнитодвижущая сила (МДС) катушки подобной системы меняется также в k раз, а площадь сечения магнитопровода катушки и силы
притяжения якоря – в k2 раз.
3.2.2 Нагрузочные и магнитные характеристики
Под нагрузочной характеристикой электромагнитного приво-
да понимают зависимость силы тяги электромагнита от МДС, т. е.
42
FЭ = f(I·w). Нагрузочные характеристики строят при постоянном воз-
Э
,
Iw
FS
= µ
δ
2
05
душном зазоре между якорем и ярмом δ = const.
С рядом допущений [3] нагрузочные характеристики FЭ = f(I·w)
для воздушных зазоров δ1 < δ2 < δ3 < δ4 можно рассчитать по выражению
, (3.2)
где µ – магнитная проницаемость воздушного зазора;
S – площадь сечения воздушного зазора.
Из семейства нагрузочных характеристик графическим путем для
заданных значений I·w получают статические тяговые характеристики (рисунок 3.3).
а б
F
Э
0
δ
1
Рисунок 3.3 – Получение статической тяговой характеристики (б)
из нагрузочных (а)
F
Э
δ
2
δ
3
δ2δ3δ
δ
1
Iw = const
4
δ
4
I
0
w
Магнитная характеристика электромагнитного привода представ-
ляет собой зависимость магнитного потока в воздушном зазоре от
МДС, т. е. Ф = f(I · w). Действие электромагнитного привода можно
разделить на два этапа:
– нарастание тока до начала перемещения якоря;
– перемещение якоря электромагнита.
43
Зависимость Ф(I · w) при неподвижном якоре до его притяжения
изображена на кривой δ = δ
на рисунке 3.4. В процессе перемеще-
max
ния якоря (на 2-м этапе) происходит увеличение магнитного потока
от Ф1 до Ф2 вследствие уменьшения воздушного зазора.
F
Э
Ф
2
δ = 0
Ф
1
δ = δ
max
0
б
а
I
w
Рисунок 3.4 – Магнитные характеристики
электромагнитного привода
Предельное положение δ = 0 магнитная характеристика займет
после окончания процесса включения электромагнита. Характер изменения Ф(I · w) в процессе перемещения якоря зависит от того, завершилось ли нарастание тока в катушке до начала перемещения или
нет. Зависимость Ф(I · w) при перемещении якоря условно изображена кривой а и б на рисунке 3.4.
Магнитные характеристики электромагнита используют при ис-
следовании энергетики электромагнитного привода. Так, заштрихованная область на рисунке 3.4 характеризует работу перемещения якоря.
3.2.3 Силы сопротивления электромагнитного привода и условие
его срабатывания. Коэффициент возврата
Пригодность магнитной системы для аппарата можно опреде-
лить, сопоставляя диаграмму сил сопротивления подвижной системы, которые привод должен преодолеть, с тяговой характеристикой
44
электромагнита. Диаграмма сил может иметь различный вид в зависимости от характеристик пружин, их предварительного натяжения,
числа и типа блокировочных и силовых контактов.
Рассмотрим наиболее распространенную систему электромагнит-
ного привода (рисунок 3.5) клапанного типа, состоящую из Г-образного ярма, сердечника с катушкой и поворотного якоря, шарнирно
соединенного с ярмом в точке 0. К якорю присоединена выключающая пружина В. Держатель подвижного контакта присоединен
к якорю с помощью притирающей пружины П и вместе они составляют единую подвижную систему с центром тяжести в точке 01 (сила G).
F
Q'
П
0
0
X
1
П
B
0
Q'
В
G'
Э
Рисунок 3.5 – Силы, действующие в приводе с электромагнитом
клапанного типа при включении
Из диаграммы сил, действующих в точке 0, следует, что для вклю-
чения аппарата сила FЭ, создаваемая электромагнитом, должна преодолеть приведенные к оси 0X силы сопротивления выключающей
пружины Q'В, притирающей пружины Q'П и веса подвижной системы G'
F
где Q'
, G'X – проекции на ось 0X соответственно сил Q'П и G'.
ПX
> Q'В + Q'ПX + G'X , (3.3)
Э
Неравенство (3.3) характеризует условие срабатывания электро-
магнитного привода. В графическом виде выражение (3.3) представлено на рисунке 3.6.
45
F
Q'B(δ)
G'
X
FЭ(δ)
Q(δ)
Q'ПX(δ)
(δ)
Q
F
(δ)
1
0
δ
δ
1
П
H
δδ
Рисунок 3.6 – График сил, действующих в электромагнитном приводе
при включении
Как видно из рисунка 3.6, включение аппарата становится воз-
можным, если при перемещении подвижных частей от точки начала действия привода δН до точки 0 – рабочее положение контактов –
сила FЭ превышает сумму всех сил сопротивления ΣQ = Q'В + Q'ПX + G'X.
Точка δН определяется нарушением неравенства (3.3) и установлением равновесия между включающими и выключающими силами, действующими в аппарате. Поэтому параметры электромагнита и подвижной системы аппарата подбирают так, чтобы воздушный зазор
δН был не ниже раствора контактов. Начальное касание контактов
аппарата происходит в точке δП, в которой начинается притирание
контактов и установление рабочей величины контактного нажатия.
Если по каким-то причинам произойдет снижение силы тяги электромагнита (тяговая характеристика F1(δ) на рисунке 3.6), точка начала действия привода переместится в δ1, якорь после начального соприкосновения контактов остановится в точке δ
, так как силы тяги
П
не будет хватать для преодоления сил сопротивления.
Один из характерных показателей работы электромагнитного при-
вода – коэффициент возврата, представляющий собой отношение
46
МДС отпадания якоря к МДС его притяжения. Допустим, что суммарная характеристика сил сопротивления представлена линией Q (δ)
(рисунок 3.7), минимальный и максимальный воздушные зазоры
равны соответственно δ1 и δ
Тогда минимальная МДС, необходи-
2.
мая для притяжения якоря при зазоре δ2, равна F2, а максимальная
МДС, которой соответствует начало отпадания якоря при зазоре δ1,
равна F1. Коэффициент возврата составит
К
F
Q
0
F2(δ)
F
(δ)
1
δ
1
= F1/F2. (3.4)
В
Q(δ)
2
δδ
Рисунок 3.7 – Определение коэффициента возврата
Согласно рисунку 3.7 коэффициент возврата можно повысить,
уменьшая ход якоря и соответственно разрыв контактов. При обычной конструкции привода с замкнутой магнитной системой и малым зазором между якорем и сердечником в притянутом положении
кВ ≈ 0,2…0,3 [3], а в некоторых случаях имеет еще более низкое значение.
Коэффициент возврата не имеет существенного значения для
электромагнитных контакторов и других аппаратов, которые всегда
выключаются при полном размыкании цепи катушки привода. Однако в приводах некоторых реле необходим высокий коэффициент
возврата. Его можно достичь, приближая наклон суммарной характеристики сил сопротивления к наклону статической характеристики электромагнитного привода в заданных пределах изменения воз-
47
душного зазора от δ1 до δ2 и существенно уменьшая или полностью
устраняя скачок силы сопротивления Q(δ) в момент соприкосновения контактов. Наклон тяговых характеристик можно уменьшить,
если использовать область относительно больших воздушных зазоров или снизить перепад силы Q(δ), уменьшив начальное нажатие
притирающей пружины.
Наиболее просто обеспечить повышение коэффициента возвра-
та при характеристиках приводов с разомкнутой магнитной цепью
(см. рисунок 3.1, а), где возможно получить КВ = 0,95…0,98.
3.3 Электропневматический привод
3.3.1 По сравнению с электромагнитным приводом электропнев-
матический имеет ряд преимуществ:
– обеспечивает большие поступательные и угловые перемещения;
– обеспечивает большие приводные усилия, а значит, большие
контактные нажатия;
– меньший прямой расход электроэнергии на поддержание при-
водного усилия на требуемом уровне (катушка электромагнитного
привода должна непрерывно получать питание, а в электропневматическом приводе достаточно поддерживать постоянное давление
на поршень);
– лучшие массо-габаритные показатели при использовании
в электроаппаратах, работающих с токами более 100 А.
К недостаткам электропневматического привода следует отнести:
– косвенный расход электроэнергии, связанный с восполнением
утечек воздуха в пневматической части привода;
– большие затраты на обслуживание и ремонт вследствие слож-
ности конструкции привода.
Область применения электропневматического привода:
– индивидуальные контакторы силовых цепей;
– высоковольтные и низковольтные переключатели с любым ко-
личеством рабочих позиций;
– быстродействующие выключатели;
– токоприемники;
– противоразгрузочные устройства;
– стеклоочистители, клапаны песочниц и другие вспомогатель-
ные устройства.
По конструктивному исполнению электропневматические при-
воды ТЭА могут быть поршневыми и диафрагменными.
48
3.3.2 Принцип действия и конструкция поршневого привода
В пневматических приводах сжатый воздух давит на поршень,
движение которого передается подвижным контактам аппарата через промежуточные механизмы.
Различают пневматические приводы по конструкции и числу пор-
шней, числу фиксированных позиций, способу их фиксации и виду
механизма, передающего движение контактам аппарата.
Рассмотрим конструкцию пневматического привода в индивиду-
альных контакторах 1SVAD5, применяемых на электровозах ЧС2Т.
Пневмопривод (рисунок 3.8) конструктивно представляет собой цилиндр 7 с поршнем 9 и пружиной 1, под действием которой поршень при отсутствии сжатого воздуха перемещается вверх. Когда
в цилиндр подается сжатый воздух, поршень, преодолевая противодействие пружины, перемещается вниз. Движение поршня передается рычагу контакта через изоляционную тягу 12.
4
3
2
5
6
7
8
9
1
Рисунок 3.8 – Пневмопривод индивидуального контактора типа 1SVAD5:
1 – выключающая пружина; 2,3 – уплотняющие кольца; 4 – вентиль;
5,10 – крышка; 6 – воздухораспределитель; 7 – цилиндр; 8 – болт;
9 – поршень; 11 – гайка; 12 – изоляционная тяга
10
11
12
49
Впуск и выпуск сжатого воздуха осуществляется с помощью элек-
тромагнитных вентилей – распорядительных устройств цепей управления. Различают вентили включающие и выключающие. Принцип
действия вентиля включающего типа пояснен на рисунке 3.9.
При подаче напряжения на включающую катушку 3 якорь 2, при-
жимаясь к сердечнику 4, перемещает ствол с верхним (атмосферным)
клапаном 5, закрывая атмосферное отверстие. Одновременно открывается нижний (питательный) клапан 7, сообщая цилиндр пневматического привода с источником сжатого воздуха. После обесточивания
катушки якорь 2 и клапанная система под действием пружины 9 перемещаются вверх. Закрывается питательный клапан 7, и открывается атмосферный клапан 5, сообщая цилиндр привода с атмосферой.
Вентиль выключающего типа (рисунок 3.10) впускает сжатый воз-
дух в аппарат при обесточенной катушке. После подачи питания на
катушку якорь притягивается и нажимает на ствол клапана, который
открывает верхний клапан и закрывает нижний. В этом случае цилиндр привода соединяется с атмосферой. Если снять напряжение
с катушки вентиля, то под действием пружины верхний клапан закрывается, а нижний открывается силой давления сжатого воздуха,
который поступает в цилиндр пневматического привода аппарата.
1
U
В
В атмосферу
В аппарат
Из
резервуара
Б
10
А
9
8
Рисунок 3.9 – Электромагнитный вентиль включающего типа
50
2
3
4
5
6
В цилиндр
привода
7
Из
резервуара
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]