Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические и электронные аппараты. Лабораторный практикум
.pdf
P =
2
Ф
δ
2μ0S
=
B
2μ
2
S
δ
,
0
где μ
зора; В
– магнитная постоянная; S – эквивалентное сечение воздушного за-
0
– индукция в зазоре.
В реальных электромагнитах индукция распределена в зазоре неравномерно, поэтому расчет по приведенной формуле сопряжен со значительной погрешностью. Тяговую характеристику целесообразно рассчитывать
из условия энергетического баланса магнитной системы. В этом случае
можно использовать выражение
где A
P = -
– механическая работа, совершаемая якорем при своем перемеще-
m
dA
dδ
m
= -
1
dΨ
I
2
dδ
– Ψ
dI
dδ
,
нии; I – ток в обмотке электромагнита; – потокосцепление обмотки.
Если якорь неподвижен (статическая характеристика), то значение
тока в обмотке с числом витков W не зависит от зазора и производная
dI/d = 0. Тогда при допущении об отсутствии насыщения и с учетом того,
2
что = ФW = IW
, получим
1
P = -
dΨ
I
= -
2
dδ
1
IW
2
dΛ
2
= -
dδ
dΛ
1
2
F
2
, (2.1)
dδ
где Ф – полный магнитный поток; W – число витков обмотки; – полная
магнитная проводимость магнитной системы, включая и проводимость для
потоков рассеяния; F = IW – магнитодвижущая сила обмотки.
Статическая тяговая характеристика зависит от конструктивного исполнения электромагнита и от формы полюсов. Так, в клапанных электромагнитах проводимость для потоков рассеяния не зависит от величины за-
зора, поэтому можно считать, что dΛ/d = dΛ/d, где – магнитная проводимость рабочего зазора. Следовательно, в клапанных электромагнитах
тяговое усилие создается только рабочим потоком. В броневых электромагнитах при перемещении втягивающегося якоря потоки рассеяния меняются, поэтому в таких электромагнитах создается дополнительная составляющая силы, причем она может превышать силу, создаваемую рабочим потоком (если рабочий зазор достаточно велик).
При малом зазоре, пренебрежении потоками рассеяния и без учета
падения магнитного напряжения в сердечнике можно принять, что
Λ = Λ
1/, а dΛ/d 1/2. Поэтому по мере уменьшения зазора тяговое
усилие возрастает и при = 0 теоретически стремится к бесконечности. В
действительности при малых зазорах из-за роста магнитного потока растет
падение магнитного напряжения в магнитопроводе и при = 0 магнитный
поток имеет конечное значение, определяемое магнитным сопротивлением
11
сердечника. Следовательно, сила тяги имеет конечное значение. На рис. 2.1 показаны тяговые характеристики электромагнита (кривая 1 – расчетная характеристика без учета магнитного сопротивления сердечника, кривая 2 – действительная характеристика).
Для учета магнитного сопротивления стали
магнитопровода при расчете тягового усилия рекомендуется в формулу (2.1) подставлять не всю МДС
Рис. 2.1. Тяговая
характеристика
обмотки, а ту её часть F
душный зазор (магнитное напряжение воздушного
зазора). Величина F
, которая приходится на воз-
находится в результате расчета
магнитной цепи при положении якоря, соответству-
ющем , для которого определяется усилие.
Таким образом, для клапанных электромагнитов тяговое усилие мо-
жет находиться по формуле
1
dΛ
P = -
2
F
2
.
δ
dδ
Расчет усилия броневого электромагнита тоже может выполняться с
использованием F
, только при определении производной от магнитной
проводимости необходимо учитывать и потоки рассеяния.
Описание лабораторной установки
Для проведения экспериментов используется электромагнит постоянного тока втяжного типа со стопом (блок 382). Развиваемое электромагнитом усилие измеряется с помощью датчика силы. Питание на электромагнит подается от автотрансформатора (блок 318.2) через однофазный
трансформатор (блок 372) и выпрямитель (блок 322). Ток в обмотке регулируется изменением напряжения на выходе автотрансформатора. Напря-
жение +15 В для датчика силы получают от
источника питания на наборном поле
(блок 220). Величина тока в обмотке и выходное напряжение датчика измеряются
мультиметрами блока 508.2.
Усилие электромагнита передается на
Рис. 2.2. Распределение
сил, действующих
на датчик
датчик силы через рычаг. Развиваемая якорем
сила P
, приложенная к рычагу в точке А
ЭМ
(рис. 2.2), уравновешивается силой R реакции
датчика, действующей в точке В. В точке С можно подвесить груз для тарировки датчика. Соотношение плеч рычага ОВ/ОА = ОС/ОВ = 2.
12
Порядок выполнения работы:
1. Соедините желто-зелеными проводниками гнезда защитного заземления используемых в работе блоков с гнездом «РЕ» автотрансформатора.
2. Соберите электрическую цепь по схеме на рис. 2.3.
ВНИМАНИЕ! Питание на датчик силы должно подаваться от гнезд
«+15 В» и «0» источника питания. Недопустимо подключение датчика к
гнездам «+15 В» и «-15 В»!
Рис. 2.3. Схема лабораторной установки
Переключатель пределов мультиметра, используемого в качестве
амперметра, установите в положение «2 А» постоянного тока, прибор
включать в схему через гнезда «СОМ» и «А». Переключатель пределов
мультиметра, используемого в качестве вольтметра, установите в положение «2 V» постоянного тока. К выходу датчика силы прибор подключается
с помощью штатных щупов через гнезда «СОМ» и «V».
3. Включите тумблеры «СЕТЬ» источника питания и блока мульти-
метров, включите используемые приборы.
4. Для определения чувствительности датчика силы ослабьте регулировочный винт якоря электромагнита, снимите с рычага груз, приподнимите рычаг так, чтобы он не касался датчика, и измерьте выходное напряжение датчика без нагрузки (U
набор грузов (1 кг) и измерьте выходное напряжение U
, мВ). Затем повесьте на рычаг полный
0
, мВ. Чувствитель-
1
ность датчика α, мВ/Н, определяется по формуле
α =
U
1
2∙9,8
13
– U
0
.
5. Для снятия тяговой характеристики электромагнита включите
тумблер «СЕТЬ» автотрансформатора и, увеличивая напряжение на выходе автотрансформатора, установите в обмотке электромагнита ток 0,5 А.
Затем, вращая регулировочный винт, увеличивайте усилие до тех пор, пока
якорь электромагнита не тронется с места. Максимальное напряжение на
выходе датчика, возникшее перед отрыванием якоря, запишите в табл. 2.1
в колонку δ = 0. Далее следует регулировочным винтом изменять ход якоря в пределах от 0 до 7 мм, отсчитывая его по шкале от начального положения. При значениях хода, указанных в табл. 2.1, измеряйте напряжение
на выходе датчика силы, записывая полученные значения в табл. 2.1.
ВНИМАНИЕ! Попытка дальнейшего увеличения хода якоря приведет к резкому возрастанию нагрузки на датчик силы и может вызвать
его повреждение!
Таблица 2.1
Ход δ, мм 0 1 2 3 4 5 6 7
Напряжение U, мВ
Сила тяги Р, Н
Сила тяги электромагнита P, Н, рассчитывается по формуле
U
P = 2
.
α
По результатам опыта постройте тяговую характеристику электромагнита P = f(δ).
6. Для снятия нагрузочной характеристики электромагнита установите в его обмотке ток 0,1 А. Регулировочным винтом выставьте величину
хода якоря 1 мм. Изменяя ток в пределах от 0,1 до 0,5 А, измерьте напряжение на выходе датчика силы при шести-семи значениях тока. Результаты
измерений записывайте в табл. 2.2. Повторите эксперимент, установив величину хода якоря электромагнита 5 мм.
Таблица 2.2
Ток I, А
Напряжение U, мВ
Сила тяги P, Н
По полученным данным постройте нагрузочные характеристики
электромагнита P = f(I) при δ = 1 мм и δ = 5 мм.
В отчете к лабораторной работе следует указать цель работы, привести электрическую схему установки, результаты измерений и расчетов,
графики и выводы.
14
Контрольные вопросы
1. Что называют статической тяговой характеристикой электромагнита?
2. При каких условиях для расчета тягового усилия электромагнита
можно использовать формулу Максвелла?
3. Составить схему замещения магнитной цепи исследуемого элек-
тромагнита с учетом потока рассеяния.
4. Как влияет насыщение магнитопровода на тяговую характеристи-
ку электромагнита?
5. Какие факторы влияют на тяговую и нагрузочную характеристики
электромагнита?
6. От каких параметров зависит значение тока в обмотке электромаг-
нита постоянного тока; переменного тока?
7. Может ли электромагнит постоянного тока работать на перемен-
ном токе того же напряжения?
8. Что называется коэффициентом возврата электромагнита? Как его
можно увеличить?
2.2. Лабораторная работа 2. Нагрев электромагнита
постоянного тока
Цели работы: экспериментально изучить процессы изменения температуры электромагнита постоянного тока при его работе в повторнократковременном и кратковременном режимах; установить, как связаны
допустимое время работы электромагнита и значение тока в его обмотке.
Общие сведения
После включения электромагнита его температура достигает установившегося значения не сразу. Процесс нагрева любого тела описывается
уравнением теплового баланса
Pꞏdt = k
где Р – тепловая мощность, выделяющаяся в теле, Вт; k
теплообмена, включающий все виды теплоотдачи, Вт/(м
2
поверхности охлаждения, м
; – превышение температуры тела над темпе-
ꞏSꞏꞏdt + cꞏmꞏd, (2.2)
т
– коэффициент
т
2
С); S – площадь
ратурой окружающей среды, С; m – масса тела, кг; с – удельная теплоем-
кость, Дж/(кгС).
Левая часть уравнения (2.2) есть энергия, выделяющаяся в теле за
время dt, первый член правой части – количество тепла, отдаваемое в
окружающую среду за то же время, второй – количество тепла, поглощен-
ное телом при изменении его температуры на d.
15
При Р = const решение уравнения теплового баланса имеет вид
д
τ = τ
t
-
T
e
+ τу1 – e
0
t
-
T
, (2.3)
где
у
– превышение температуры тела в начале процесса при t = 0;
0
= P/(kтS) – установившееся превышение температуры; T = cꞏm/(kтS) – по-
стоянная времени нагрева.
Постоянная времени нагрева – это время, в течение которого тело
нагревается до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи. Зависимо-
сти = f(t) (кривая 1 – при
при
= 0) приведены на рис. 2.4. После до-
0
0, кривая 2 –
0
стижения установившейся температуры
наступает состояние теплового равновесия
– все тепло, выделяющееся в теле, отдается
в окружающую среду, температура тела не
растет.
Рис. 2.4. Процесс нагрева
и охлаж
ения тела
тело начинает остывать. Уравнение тепло-
При прекращении выделения тепла
вого баланса для этого процесса получаем из формулы (2.2), принимая
Р = 0:
cꞏmꞏd = -k
ꞏSꞏꞏdt.
т
При условии, что для t = 0 =
, его решение имеет вид
у
t
-
T
e
τ = τ
.
у
Зависимость = f(t) при охлаждении представлена кривой 3 (см.
рис. 2.4).
Кратковременный режим работы электромагнита характеризуется
тем, что за время его включения температура не успевает достигнуть установившегося значения, а новое включение происходит после того, как он
остынет до температуры окружающей среды (рис. 2.5, а). Длительность t
периода включения и величина тока I
в обмотке выбираются так, чтобы
кр
кр
максимальное превышение температуры не превосходило допустимого
значения
. Время tкр, за которое будет достигнуто
доп
выражения (2.3), подставив в него
= τ
τ
где
– превышение температуры при бесконечно длительном протека-
у-кр
нии тока I
кр
доп
.
у-кр
= 0; t = tкр; =
0
t
кр
-
1 – e
T
, (2.4)
доп
, можно найти из
доп
:
16
а)
б)
Рис. 2.5. Нагрев и охлаждение тела при кратковременном (а)
и повторно-кратковременном (б) режимах работы
Из формулы (2.4) выражаем длительность периода включения t
τ
t
= -T∙ln 1 –
кр
τ
доп
у-кр
.
кр
Связь между допустимым током длительного режима работы I
допустимым током кратковременного режима I
2
зом. Учитывая, что Р = I
R, для длительного режима работы получаем
2
I
R
= τ
τ
у
доп
дл
=
,
S
k
T
найдем следующим обра-
кр
дл
и
для кратковременного режима работы
2
I
R
кр
=
τ
у-кр
Подставляя эти соотношения в формулу (2.4) и выражая I
=
I
кр
1 – e
Из выражений, полученных для t
.
S
k
т
, получаем
кр
I
дл
кр
.
t
кр
-
T
и Iкр, следует, что с увеличением
постоянной времени Т растет допустимое время кратковременного режима
(при фиксированном I
) или допустимый ток (при фиксированном tкр). По-
кр
этому для аппаратов, работающих в кратковременном режиме, рекомендуется увеличение постоянной времени, что обычно достигается увеличением массы материала, участвующего в нагреве.
В повторно-кратковременном режиме периоды работы t
с паузами t
(рис. 2.5, б), причем за время включения электромагнит не
п
чередуются
р
17
успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы не
успевает полностью охладиться. Через некоторое время наступает так
называемый квазиустановившийся режим, когда максимальные
нимальные
превышения температуры соседних циклов становятся
min
и ми-
max
практически неизменными. Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения (ПВ), %:
t
р
ПВ =
t
+ t
р
п
где t
= tр + tп – длительность цикла.
ц
Установившееся значение превышения температуры
повторно-кратковременного режима I
τ
=
у-пв
∙100 =
р
t
р
∙100,
t
ц
для тока
у-пв
2
I
R
р
.
S
k
T
Максимальное превышение температуры нагрева тела в повторно-
кратковременном режиме
t
р
-
T
.
t
ц
-
T
τ
max
= τ
1 – e
у-пв
1 – e
При условии, что
max
=
, максимально допустимый ток повторно-
доп
кратковременного режима равен
1 – e
-
100t
T∙ПВ
t
р
-
T
р
.
I
р
= I
дл
1 – e
1 – e
t
ц
-
T
= I
t
р
-
T
дл
1 – e
При неизменном ПВ максимально допустимый ток зависит от отно-
шения t
/T. При возрастании этого соотношения тепловая нагрузка увели-
p
чивается, а допустимый ток электромагнита снижается.
Описание лабораторной установки
Для проведения экспериментов используется электромагнит постоянного тока втяжного типа (блок 382). Температура аппарата измеряется с
помощью термопары, спай которой расположен на поверхности его обмотки. Питание на электромагнит подается от автотрансформатора (блок 318.2)
через однофазный трансформатор (блок 372) и выпрямитель (блок 322).
Ток в обмотке регулируется изменением напряжения на выходе автотрансформатора. Величина тока и термо-ЭДС термопары измеряются
мультиметрами блока 508.2. Электрическая схема соединений показана на
рис. 2.6.
18
Рис. 2.6. Схема лабораторной установки
Порядок выполнения работы:
ВНИМАНИЕ! Все отдельные опыты по исследованию нагрева электромагнита следует начинать при равенстве его температуры температуре окружающей среды, т.е. тогда, когда электромагнит полностью
охладился после предыдущего эксперимента.
1. Соедините желто-зелеными проводниками гнезда защитного зазем-
ления используемых в работе блоков с гнездом «РЕ» автотрансформатора.
2. Соберите электрическую цепь по схеме на рис. 2.6. Переключатель
пределов мультиметра, используемого в качестве амперметра, установите
в положение «2 А» постоянного тока, прибор включать в схему через гнезда «СОМ» и «А».
3. Подключите выводы термопары к гнездам «СОМ» и «V» мультиметра, установите переключатель пределов этого прибора в положение
«200 mV» постоянного тока.
4. Включите тумблеры «СЕТЬ» автотрансформатора и блока мультиметров, включите используемые приборы.
5. Измерьте величину термо-ЭДС термопары.
6. Увеличивая напряжение на выходе автотрансформатора, установите в обмотке электромагнита указанную преподавателем величину тока
(максимально допустимое значение 0,7 А).
7. Исследуя нагрев электромагнита при повторно-кратковременном
режиме работы, необходимо в течение 1 ч чередовать периоды включения
с паузами, измеряя величину термо-ЭДС и тока в обмотке каждую минуту.
Длительность интервалов включения и пауз определяется согласно расчетам по п. 4. Во время рабочих периодов поддерживайте постоянную величину тока, регулируя напряжение на выходе автотрансформатора. Результаты измерений заносятся в табл. 2.3. В первую колонку следует записать
начальное значение термо-ЭДС. Температура t, °С, рассчитывается по
формуле
где t
– комнатная температура, °С; Е и Е
к
ния термо-ЭДС, мВ.
t = t
+ 25,33(Е – Е
к
19
),
нач
– текущее и начальное значе-
нач
Таблица 2.3
Время, мин 0 1234…
Ток, А
Термо-ЭДС, мВ
Температура, °С
8. По результатам измерений постройте графики изменения тока и
температуры электромагнита во времени.
Кратковременный режим работы
9. Исследуя нагрев электромагнита при кратковременном режиме
работы, необходимо измерить начальную термо-ЭДС, включить автотрансформатор, установить в обмотке ток 0,7 А, который следует поддерживать постоянным, и измерять каждую минуту значения термо-ЭДС и тока. Продолжительность включения определяется моментом, пока не будет
достигнута температура (термо-ЭДС), равная максимальной температуре
(термо-ЭДС) при повторно-кратковременном режиме. По достижении этой
температуры отключите электромагнит и продолжайте измерения термоЭДС до тех пор, пока его температура не станет практически равной комнатной (ориентировочно в течение 1 ч). Результаты измерений заносятся в
табл. 2.3.
10. Повторите измерения при токе в обмотке, равном 0,6 А.
11. Постройте графики изменения тока и температуры во времени,
сравните допустимое время работы электромагнита при токах 0,7 А и
0,6 А.
В отчете к лабораторной работе следует указать цель работы, привести электрическую схему установки, результаты измерений и расчетов,
графики и выводы.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение следующих режимов работы: кратковременного
и повторно-кратковременного. Какими параметрами они характеризуются?
2. Чем отличаются повторно-кратковременный и перемежающийся
режимы работы аппарата?
3. Как связаны допустимое время кратковременного режима и вели-
чина тока в этом режиме?
4. Поясните, почему допустимый ток кратковременного режима при
заданном времени работы зависит от постоянной времени нагрева аппарата.
5. Каким образом можно увеличить допустимое время кратковре-
менного режима работы аппарата при заданном токе?
6. Какое допущение принимается при расчете нагрева аппарата то-
ком короткого замыкания?
7. Чем характеризуется термическая стойкость аппарата?
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]