Электротехника Ч1

111

Магнитные свойства ферромагнитных материалов, как правило,оценивают зависимостью:

В = ϕ (Н ) ,

получая гистерезисные характеристики. Но нам уже известно, что:

Приведенные выражения наглядно показывают прямую пропорциональную зависимость напряженности магнитного поля Н от тока I, а магнитной индукции В от напряжения U. Это позволяет применять к исследованию магнитопроводов вольтамперные характеристики.

I = ϕ (U ) .

Такие характеристики полезны при расчете разветвленных магнитных цепей, включающих несколько элементов. Общий вид зависимости I = ϕ (u)

для однородного неразветвленного магнитопровода приведен на рис. 9.1, а. Как и кривая начальной намагниченности, вольтамперная характеристика имеет начальный участок (оа), линейный (аб), колено (бв) и насыщения (в,

г).

Применим вольтамперные характеристики к анализу принципа работы ферромагнитных стабилизаторов. Упрощенная схема ферромагнитного стабилизатора приведена на рис. 9.1, б. Она включает в свой состав два разомкнутых магнитопровода (дросселя) – Др1 и Др2.

112

Дроссель Др1 работает в линейном режиме. Он исполняет роль ограничителя максимального тока. Дроссель Др2 работает в режиме насыщения. Их вольтамперные характеристики приведены на рис. 9.2. На этом же рисунке приведена результирующая характеристика I (U1 + U2 ) .

Напряжение на нагрузке определяется падением напряжения на дросселе Др2 Графики рис. 9.2. показывают, что если на входе цепи действует напряжение Uвх min, то нагрузка находится под напряжением URн min. Часть входного напряжения падает на сопротивлении дросселя Др1 – Uдр

min.

Пусть входное напряжение увеличилось на величину 2Uвх = Uвх max - Uвх min. Это вызывает увеличение напряжения на нагрузке на величину 2URн = URн max - URн min. Наглядно видно, что 2URн в несколько раз меньше 2Uвх. Реальные ферромагнитные стабилизаторы ослабляют колебания входного напряжения в 5 10 раз.

113

Таким образом, дроссель, включенный параллельно нагрузке и работающий

врежиме насыщения, способен сглаживать броски напряжения на входе цепи.

3.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

3.1. Назначение и классификация электрических аппаратов

Электромагнитные устройства, предназначенные для коммутации,

управления и защиты электрических цепей от перегрузок и перенапряже-

ний, называются электрическими аппаратами. К ним относятся контакто-

ры, пускатели, реле, электромагниты и др. устройства. Электрические аппараты входят в состав автоматических, полуавтоматических и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, системами электроосвещения и электротехнологическими установками.

Электрические аппараты применяют для управления пуском, для регулирования частоты вращения и для электрического торможения электродвигателей. С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию.

114

Работа электрических аппаратов основана на использовании ряда физических явлений:

–взаимодействие ферромагнитных тел в магнитопроводе;

–силовое взаимодействие проводника с током и магнитного поля;

–возникновение Э.Д.С. в катушках с током в переменном магнитном

поле;

–возникновение вихревых токов в массивных электропроводящих телах в переменном магнитном поле;

–тепловое действие электрического тока и переменного магнитного потока и др.

К основным частям электромагнитных устройств относятся:

–электрические контакты (неподвижные и подвижные, нормально замкнутые и нормально разомкнутые, главные и вспомогательные);

–механический или электромагнитный механизм (привод) контактной группы (осуществляющий срабатывание контактной группы);

–кнопки управления;

–рабочие обмотки.

По назначению различают следующие электромагнитные устройства:

–коммутационные (разъединители, выключатели, переключатели);

–защитные (предохранители, реле защиты);

–пускорегулирующие (контакторы, пускатели, реле управления);

–контролирующие и регулирующие (датчики, реле);

–электромагниты.

3.2.Принцип работы электромагнитных механизмов

Электромагнитный механизм является одним из основных узлов элек-

трических аппаратов. В электромагнитном механизме осуществляется преобразование электрической энергии источника питания в механическую энергию перемещения якоря. Схема механизма приведена на рис. 9.3. Она

115

включает неподвижную 1 (ярмо) и подвижную 2 (якорь) части магнитопровода, намагничивающую катушку 3, удерживающую пружину 4.

Появление тока в намагничивающей катушке приводит к намагничиванию ферромагнитных частей магнитопровода. Образовавшееся магнитное поле притягивает якорь к ярму, в результате чего выполняется механическая работа перемещения якоря.

2

1

3 4

Рис. 9.3. Схема электромагнитного механизма

Проведем анализ процесса преобразования энергии источника в механическую энергию перемещения якоря. Пусть к намагничивающей катушке приложено напряжение U, и через нее протекает ток I. На сопротивлении катушки RL создается падение напряжения U R

Разность напряжений U – UR уравновешиваетcя Э.Д.С. катушки – еL, т.е.

dψ

где eL = − dt . Тогда

Умножим (9.8) на I dt и проинтегрируем за время намагничивания.

Тогда

t ψ t

∫U I dt = ∫ I dψ + ∫ R I 2 dt.

0 0 0

116

Левая часть последнего выражения представляет количественную оценку энергии источника – WЭ, которая используется электромагнитным механизмом. Первое слагаемое правой части – энергию магнитного поля – WМ катушки с током. Эта энергия используется на выполнение работы по перемещению якоря. Второе слагаемое правой части представляет оценку энергии, затрачиваемой на нагрев провода намагничивающей обмотки – WП. Учитывая это, перепишем последнее выражение в виде:

Wэ = WM + WП .

Раскроем выражение для WM:

0

Напомним, что

ψ = ϖ Ф = ϖ B S ,

а

ϖ I = H lЗ ,

где S – площадь поперечного сечения магнитопровода, lЗ – длина воздушного зазора.

Подставляя в выражение для WМ значения ψ и ϖ I , получим:

где WM 1 – энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воз-

душного зазора l1 , WM 2 – энергия магнитного поля с длиной воздушного зазора l2 , lЗ = l1 − l2 .

С учетом (9.10) можем записать:

A = S B H lЗ . 2

Выражение (9.11) определяет силу F[кГ], с которой магнитное поле действует на якорь. Очевидно, что значение силы зависит от длины зазора - lЗ и от значения магнитодвижущей силы – ϖ I .

Если к намагничивающей обмотке механизма подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и в воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону

Ф(t) = ФМ sin ωt .

В этом случае и сила, притягивающая якорь к ярму, становится переменной во времени. Ее мгновенное значение определяется выражением:

где

ФМ = ВМ S .

После преобразования последнего выражения получим:

Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную составляющую (рис. 9.4). Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоян-

ной составляющей FM = ФМ2 /(4 µ0 S) , относительно которой она изменя-

ется.

118

Пульсация F(t) приводит к тому, что в течение интервалов времени 0 – t1; t2 – t3; t4 – t5; и т. д. тяговая сила механизма становится меньше силы удерживающей пружины. Якорь отрывается от ярма. Возникает вибрация якоря (дребезг).

В однофазных электромагнитных механизмах для устранения пульсации на якоре размещают короткозамкнутый (КЗ) виток провода. Перемен ный магнитный поток Ф(t) наводит в КЗ витке Э.Д.С. самоиндукции. Фаза наведенной Э.Д.С. отстает от фазы магнитного потока ФМ на угол 900. Под действием наведенной Э.Д.С. по витку протекает ток iK, который создает поток ФКМ. Этот поток совпадает по фазе с Э.Д.С., но имеет частоту в четыре раза больше начальной.

Теперь на якорь начинает действовать пульсирующая сила с учетве-

ренной частотой, т.е. cos 4ωt. В итоге постоянная составляющая силы возрастает, пульсация уменьшается.

3.3 Электромагнитные реле Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достиже-

нии определенного значения входной величины выходная величина изменяет-

ся скачком. Управляющими величинами могут быть ток или напряжение. При достижении этими величинами заданных значений выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. При замыкании контактов в управляе-

119

мой цепи возникает ток (напряжение). При размыкании выходных контактов управляемая цепь обесточивается.

Реле применяют в цепях управления с током не более 1А. Входной или управляющей величиной реле могут быть как электрические, так и механические, тепловые и др. внешние воздействия. Широкое распространение получили электрические реле (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические или индукционные).

На рис. 9.5. показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенном значении магнитодвижущей силы в цепи управления сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств в управляемой цепи прекращается. Многие реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.

7

U

6

Рис 9.5. Схема электромагнитного реле

120

Функции реле связаны с контролем режима работы важных элементов электрической цепи: генераторов, трансформаторов, линий передач, и т. п. При нарушении нормального режима работы какого либо элемента цепи соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо отключает поврежденный участок. Такие реле называют "реле защиты". Они "наблюдают" за током в цепи (токовая защита), за напряжением на отдельных участках (защита по напряжению), за изменением мощности, частоты тока и т.д.

В зависимости от значения или направления входной величины разли-

чают реле максимального, минимального или направленного действия.

В зависимости от времени срабатывания различают реле быстродей-

ствующие (tср < 0,05с), нормальные (tср = 0,05 0,25с ) и с выдержкой времени

(реле времени).

Реле, не реагирующее на направление управляющей величины (например, тока), называют нейтральными. Реле, чувствительные к полярности управляющей величины, – поляризованными.

Если исполнительный элемент реле (подвижные контакты) непосредственно воздействует на цепь управления, то это реле прямого действия. Когда воздействие осуществляется через другие аппараты, то это реле кос-

венного действия.

Электромагнитные реле широко применяются в схемах электрообору-

дования транспортных машин и транспортно – технологических комплек-

сов. Реле применяются для включения стартера, сигналов дальнего и ближнего света фар, электровентилятора в системе охлаждения двигателя, обогрева заднего стекла, отопителя, фароочистителей, отключения обмотки возбуждения генератора. Реле – прерыватели применяются в схемах контрольной лампы ручного тормоза.