1.5 Электромагниты

В коммутационных аппаратах и устройствах электромагниты предназначены для перемещения контактов. В зависимости от рода тока они бывают постоянного и переменного тока. На катушку подаётся напряжение цепи управления меньшее, чем коммутационное (для контакторов).

Основные требования: максимальное быстродействие и возможно больший коэффициент возврата =(0,8 - 0,9).

Различают следующие характеристики электромагнитов:

1) - тяговая характеристика, это зависимость электромагнитного усилия от величины зазора;

2) - механическая характеристика, это зависимость усилий пружин ( в т.ч. и контактов) от величины зазора;

3) - коэффициент возврата;

4. - временная характеристика.

1.5.1. Электромагниты постоянного тока

Тяговая характеристика

Определим выражение для тяговой характеристики. Представим взаимное расположение якоря, катушки и сердечника в виде, представленном на рис. 1.6, где 1 - катушка; 2 - сердечник; 3 - якорь; 4 - штифт отлипания. Механическая работа А, совершаемая электромагнитным усилием при перемещении якоря на величину, определяется

.

При этом происходит изменение энергии в электромагнитной системе

,

где I - ток в катушке; w - число витков катушки; Ф₀ - магнитный поток при зазоре ; - магнитный поток при притянутом сердечнике.

Магнитный поток, в свою очередь, определяется

,

где и- магнитные сопротивление и проводимость цепи соответственно.

Положим, что магнитное сопротивление замкнутого магнитопровода сечением S определяется магнитным сопротивлением зазора , тогда

=,

гдеГ/м.

Изменение энергии в электромагнитной системе обусловлено механической работой по перемещению якоря, тогда

.

Переходя от приращений к производным, запишем

.

Переменной величиной является магнитная проводимость, а именно определяющий здесь ее параметр , тогда

. (1.8)

Минус в выражении (1.8) говорит о разных направлениях изменений X

и .

В соответствии с выражением (1.8) при зазоре электромагнитное усилиестремится к бесконечности. Однако фактически это не наблюдается, что обусловлено насыщением магнитопровода (рис.1.7,а). Механическая характеристикаформируется от усилий пружины возврата и в общем случае (для реле управления) от усилий размыкающихи замыкающихконтактов. Относительно тяговой характеристики она направлена в обратную сторону и должна располагаться в нижнем квадранте, однако для удобства рассмотрения механизма срабатывания на графиках рис. 1.7 она взята с обратным знаком. Взаимное расположение характеристики -представлено на рис.1.7,в. Характеристика -должна располагаться между двумя характеристиками, соответствующими току срабатывания и отпускания, т.е. при- якорь притягивается; - якорь отпускается. Если эти характеристики имеют точки контакта (это означает равенство электромагнитного и механического усилий), то в них возможно «залипание», т.е. останов якоря, а следовательно, и связанных с ним контактов.

Для резкого увеличения магнитного сопротивления цепи при снятии тока в катушке на якоре выполняют так называемый «штифт отлипания». Отсутствие его, кроме этого, может привести к "залипанию" якоря за счёт остаточной магнитной индукции.

Временные характеристики

Рассмотрим временные характеристики (рис.1.8) на примере электромагнитов реле постоянного тока клапанного типа.

Уравнение для цепи имеет вид

.

Отметим, что индуктивное сопротивление переменное и является функцией зазора, что отражено последней составляющей в уравнении (1.8). Рассмотрим характер изменения тока и положения якоря по участкам.

Участок 0-а. Происходит нарастание тока от 0 до тока трогания.

Якорь неподвижен, следовательно и последний член уравнения обращается в нуль.

Тогда уравнение (1.8) принимает вид

.

Решение его будет

, где ,.

Ток трогания соответствует равенству . При расчетах эта величина известна, тогда

.

Участок а - в. - Перемещение якоря. Здесь , если считатьи соответствующим минимальному зазору между якорем и сердечником, то ток будет нарастать согласно уравнению

, .

Однако величина переменная, решение уравнения в этом случае затруднительно. На временной диаграмме при движении якоря будет наблюдаться «завал», обусловленный падением напряжения на переменной индуктивности. При достижении якорь притянется к сердечнику.

Участок в - с. - Нарастание тока до установившегося значения.

.

Участок с-d. - замкнутого состояние контактов, ток электромагнита постоянный.

Участок d-е. - убывание тока до величины тока отпускания в соответствии с уравнением

.

Время трогания определяется при

.

Участок e-f. - перемещение контактов под действием силы . Время движения является функцией ,и подвижных масс и определяется эмпирической зависимостью

.

Как правило, = (0,5 - 0,8) .

Одной из характеристик электромагнитов и контакторов является коэффициент возврата

.

Это приводит к гистерезису характеристики (рис.1.9).

При использовании электромагнитных контактных АУ в системах управления желательно повышать их быстродействие и уменьшать петлю гистерезиса характеристики .

Способы изменения времени срабатывания и отпускания

Различают конструктивные и схемные. Конструктивныеспособы предусматривают снижение массы подвижных частей и уменьшение потерь на вихревые токи за счет выполнения магнитопровода из шихтованной электротехнической стали.

Схемные способы предусматривают изменение постоянной времени тока нарастания или убывания в катушке электромагнита.

Изменение времени срабатывания. Для этого необходимо уменьшить постоянную времени . Как правило, с этой целью вводят в цепь катушки добавочное сопротивление , одновременно повышая напряжение источника питания, соответствующего первоначально напряжению срабатывания реле, на величину(рис. 1.10,а).

Это приводит к увеличению постоянной времени

.

Для большего повышения быстродействия параллельно вводят дифференцирующий конденсатор С, постоянная времени уменьшается и крутизна временной характеристики увеличивается. Временные характеристики приведены на рис. 1.10,б.

Изменение времени отпускания. Самое быстродействующее размыкание - бездуговое, для этого используются два способа.

Первый предусматривает введение схем, замедляющих исчезновение тока в коммутирующей цепи , т.е. параллельно нагрузке (рис. 1.11,а) или контактам (рис. 1.11,б) вводится RС-цепочка.

При размыкании контактов ЭДС самоиндукции , которая, как правило, превышает напряжение горения дуги, замыкается на сопротивление нагрузки, образуя цепь разряда конденсатора непосредственно на катушку.

Второй способ предусматривает замедление тока в катушке электромагнита за счет шунтирования диодом (рис. 1.11,в) или конденсатором (рис. 1.11,г). ЭДС самоиндукции , наводимая на зажимах катушки, замыкается на сопротивление катушки. Схема вида рис.1.11,в применяется также для защиты катушки электромагнитов от межвиткового пробоя изоляции, так как . Причём, диод всегда включается встречно к .

1.5.2. Электромагниты переменного тока

При подаче переменного напряжения на катушку электромагнита , если не предпринимать никаких дополнительных мер, наблюдаются два нежелательных явления: возникает вибрация якоря; увеличиваются потери на вихревые токи, что приводит к сильному нагреванию.

Вибрация якоря однозначно определяет неработоспособность, так как при этом вибрируют контакты, размыкая и замыкая цепь.

Обратимся к уравнению (1.8). Здесь . При всех прочих одинаковых параметрах здесь можно записать

.

Тогда для цепи переменного тока электромагнитное усилие определяется

. (1.10)

График функции (1.10) приведен на рис. 1.12,а. изменяется согласно (1.10), т.е. возрастает до и убывает до нуля с частотой 2. Очевидно, что при контакты будут замыкаться, а при размыкаться.

Для исключения вибрации применяют два конструктивных решения. Первое заключается в использовании двух катушек, в которых сдвиг фаз токов составляет 90 за счёт введения в их цепь L,С - элементов (рис.1.12,б).

Суммарное электромагнитное усилие определяется суммой усилий от двух обмоток и или

.

Для этой конструктивной схемы

.

Активные сопротивления обмоток равны, тогда и окончательно имеем

.

В магнитной среде пульсируют два магнитных потока, создающие и со сдвигом 90°, а суммарное усилие постоянно (рис. 1.12,в). С точки зрения технологии производства и эксплуатации это решение не совсем удачное, так как требует специального профиля сечения магнитопровода, двух обмоток и реактивных элементов L, C.

Второе решение заключается в создании расщепленного магнитного потока со сдвигом фаз между потоками, близким к 90°. Конструкция магнитной системы иллюстрируется на рис. 1.12,г. В торце магнитопровода выфрезерован паз, в который уложен короткозамкнутый виток, как правило, круглого или прямоугольного сечения. В результате магнитный поток катушки расщепляется на 2, причем

.

В короткозамкнутом витке наводится ЭДС , по витку течёт ток, порождающий магнитный поток . В одной части магнитопровода он направлен согласно с потоком, а в другой - встречно с потоком . То есть потоккак бы подгоняется, а -замедляется. Тем самым между ними создается фазовый сдвиг 2. Создаваемые при этом электромагнитные усилия , определяются

или.

При фазовом сдвиге 45°, =0 и при будет

.

Такая конструкция электромагнитов применяется практически во всех контакторах и реле переменного тока. Соотношение усилий и регламентируется коэффициентом запаса , который принимается для различных конструктивных групп следующим:

- контакторы 1,2 - 1,5;

- удерживающие электромагниты 1,1 - 1,2;

- реле управления 1,5 - 2,0.

В зависимости от конструкции магнитопровода различают электромагниты следующих типов: а) клапанный (рис.1.13,а); б) П-образный (рис.1.13,б); в) Ш-образный (рис.1.13,в); г) броневой (рис.1.13,г). Магнитопровод набирают из шихтованной электротехнической стали.

Для заданных условий работы целесообразен определённый тип электромагнита, являющийся наиболее экономичным. Критерием, определяющим тип электромагнита, может служить коэффициент «конструктивный фактор»,/см

,

где - начальная сила электромагнита при отпущенном якоре;

- полный рабочий воздушный зазор.

Конструктивный фактор для различных электромагнитов характеризуется следующими значениями (для ):

- броневой с плоским штоком	50-280;
- броневой с коническим штоком	5,6-50;
- броневой без штока	0,65;
- клапанный	8,4 - 84;
- П-образный	2,2 - 780

Для электромагнитов переменного тока значение враз выше.

Для уменьшения потерь на вихревые токи особенно в магнитах переменного тока магнитопровод выполняют из шихтованной электротехнической стали. Электротехнические стали - это сплав железа и кремния (0,5 - 5%), обозначаются как (Э12, Э21, Э22, Э31 и т.д.). Расшифровка маркировки:

Э11 (ЭХУ):

Э - электротехническа;

Х - процент кремния ;

У - определяет рабочую частоту:

1,2,3: = 50 Гц,

4,5,6: = 400 Гц;

7,8 - с повышенными свойствами в слабых и средних полях.

Кремний ухудшает магнитные свойства, однако при легировании они несколько улучшаются. Увеличение кремния свыше 5% недопустимо, так как ухудшаются механические свойства сплава, повышаются его твёрдость и хрупкость. Положительный эффект введения кремния состоит в следующем:

а) переводит углерод в графит;

б) связывает часть растворимых в металлах газов (кислород);

в) способствует росту зерен в сплаве;

г) увеличивает удельное электрическое сопротивление сплава.

В итоге всё это улучшает свойства магнитного материала.

6. КОНТАКТОРЫ

Контакторы выполняются по конструктивной схеме рис. 1.1. Номинальные коммутируемые токи 3 - 4000 А, напряжение на главных контактах = 220, 440, 750 В; = 380, 660 В. При токах свыше 10 А дугогасительная камера обязательна. Технические требования к контакторам общепромышленного назначения определяет ГОСТ 11206-65. По механической прочности определены 4 класса, характеризуемые следующими параметрами (табл. 1.3).

По области применения контакторы делятся на следующие категории.

Для цепей переменного тока:

А₁ - электропечи, сопротивления, неиндуктивная или слабоиндуктивная нагрузка;

А₂ - пуск электродвигателей с фазным ротором, торможение противовключением;

А₃ - пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение вращающихся электродвигателей;

А₄ - пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей., реверсирование электродвигателей.

Для цепей постоянного тока:

Д₁ - аналогично А₁;

Д₂ - аналогично А₂; Д₃ - аналогично А₃.

Таблица 1.3

Класс износоустойчивости	Частота включения, цикл/ч.	Механическая износоустойчивость (число срабатываний)
I	30	0,25106
II	150	1,2106
III	600	5106
IV	1200	10106