Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

Вобесточенном состоянии пружина 9 упирается в направляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5 вправо. При этом поверхности трения (диски 4) не соприкасаются и ведомый вал 10 разобщен с ведущим валом 11.

При подаче на обмотку управляющего напряжения возникает магнитный поток Ф. На полумуфты 3, 5, выполненные из магнитомягкого материала, начинает действовать электромагнитная сила, притягивающая их друг к другу. Таким образом, полумуфты и обмотка представляют собой электромагнит. Между дисками 4, жестко связанными с деталями 3 и 5, возникает сила нажатия, обеспечивающая необходимую силу трения и их надежное сцепление.

Вферропорошковой муфте барабанного типа (рис. 18.4) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с ферромагнитным цилиндром (барабаном) 3.

Рис. 18.4. Электромагнитная ферропорошковая муфта барабанного типа

Внутри цилиндра располагается электромагнит 4, связанный с ведомым валом 6. Обмотка 5 электромагнита питается через контактные кольца. Внутренняя полость 7 заполнена ферромагнитным порошком (чистое или карбонильное железо) с зернами размером от 4-6 до 20-50 мкм, смешанными с сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторное, кремнийорганические масла) наполнителем.

При обесточенной обмотке и вращении ведущей части (барабана) электромагнит и ведомый вал остаются неподвижными, т.к. ферромагнитные зерна наполнителя свободно перемещаются относительно друг друга.

При подаче напряжения на электромагнит зерна ферромагнитного порошка теряют свободу перемещения под воздействием магнитного поля обмотки. Вязкость среды в барабане резко возрастает. Увеличивается сила трения между барабаном и электромагнитом. На ведомом валу появляется вращающий момент.

143

При определенном значении тока возбуждения ферромагнитный порошок и наполнитель полностью затвердевают. Барабан и электромагнит становятся жестко связанными.

Сила трения, возникающая на единице внутренней поверхности барабана:

где kтр,эк - эквивалентный коэффициент трения;

Pуд - удельное усилие, нормальное к ведущей поверхности,

оно создаётся магнитным потоком;

B- индукция в зазоре;

μrc - относительная магнитная проницаемость смеси.

Момент, передаваемый муфтой, равен:

где R – радиус барабана;

L– его длина.

Если положить, что магнитное сопротивление барабана и электро-

магнита равны нулю и μrc const , то момент, передаваемый муфтой,

пропорционален квадрату тока:

где - зазор между электромагнитом и барабаном;

F - МДС электромагнита.

Рассмотрим характеристики муфты в статическом режиме. Во втором квадранте на рис. 18.5 изображена зависимость момента, передавае-

144

мент Ма и ведомый вал имеет скорость 2 (точка а') при скорости двигателя 1 (точка а'').

Рис. 18.5. Характеристики муфты и приводного двигателя

Мощность, отдаваемая двигателем, Рдв Маω1, а мощность, пе-

редаваемая в нагрузку, Рн Маω2. Потери в муфте за счёт скольже-

ния:

Потери Рп расходуются на нагрев муфты и наряду с потерями мощности в обмотке электромагнита определяют её температуру.

При токе возбуждения I2 ведомый и ведущий валы соединены жестко и вращаются с угловой скоростью ωmax , передаваемый момент

где Мно - начальный момент нагрузки;

kн и kg - коэффициенты пропорциональности;

ω10 - угловая скорость холостого хода двигателя.

Выразим потери Рп через момент (18.5) и (18.6):

145

10 Мно

Мmax 1 k1н . (18.8) kн kg

Для определения Рпmax необходимо производную dPп /dM

приравнять к нулю, тогда:

где Ркат - мощность потерь в обмотке;

kт - коэффициент теплоотдачи с внешней поверхностью бараба-

на;

Sохл - площадь внешней поверхности барабана;

пред 80 120 град - предельно допустимая температура поверхности барабана;

На зерна ферромагнитного порошка кроме электромагнитных сил

Рэм действуют центробежные силы Рц , пропорциональные квадрату

угловой скорости. Для оценки влияния центробежных сил Рц вводится

отношение kц Рц /Рэм .

Это отношение увеличивается с ростом диаметра муфты, угловой скорости и уменьшается с ростом индукции в зазоре.

Ферропорошковые муфты имеют большое быстродействие благодаря отсутствию якоря. В схемах автоматики порошковая муфта является инерционным звеном первого порядка. Большим преимуществом ферропорошковой муфты является отсутствие быстроизнашивающихся дисков трения.

146

Ферропорошковые муфты целесообразно применять там, где требуются высокое быстродействие, большая частота включения и плавное регулирование скорости ведомого вала.

Возможны два варианта исполнения гистерезисных муфт: в первом магнитное поле индуктора создается обмоткой, во втором - постоянными магнитами. Недостатком первого варианта является наличие контактной системы для передачи тока в индуктор, достоинством - возможность электрического управления муфтой. Муфты с постоянными магнитами (магнитогистерезисные) обладают высокой надежностью. Однако регулирование передаваемого момента в них затруднено.

В магнитогистерезисной муфте (рис. 18.6) постоянные магниты 1 с полюсными наконечниками 2 укреплены в магнитопроводе 3 индуктора, связанного с ведущим валом.

Рис. 18.6. Магнитогистерезисная муфта с радиальным рабочим зазором

На ось ведомого вала насажен ротор, состоящий из втулки 5 из немагнитного или магнитомягкого материала и колец 4 активного слоя. Кольца активного слоя изготовлены из материала с широкой петлёй гистерезиса, имеющей высокие значения остаточной индукции и коэрцитивной силы. Шихтованная структура активного слоя позволяет уменьшить вихревые токи и асинхронный вращающий момент.

Пусть ротор заторможен, а индуктор вращается приводным двига-

телем с угловой скоростью ω1. Потери на гистерезис за один цикл пе-

ремагничивания определяются максимальным значением индукции в активном слое ротора. Частота перемагничивания активного слоя равна

где р - число пар полюсов индуктора.

Мощность, передаваемая активному слою через рабочий зазор, определяется:

147

где рГ удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания;

VГ объем активного слоя.

Взаимодействие поля постоянных магнитов индуктора с полем, образованным активным слоем, создает на роторе гистерезисный момент:

Момент, передаваемый муфтой на ведомый вал, равен:

го вала увеличивается, пока не станет равной скоростиω1. Муфта достигает синхронной скорости вращения. По мере увеличения нагрузки возрастает угол между векторами вращающегося поля индуктора и ак-

тивного слоя, и при МН МГ этот угол достигает максимального зна-

чения max , которое зависит от свойств материала активного гистере-

зисного слоя. Момент, развиваемый гистерезисной муфтой, равен:

где c конструктивный фактор; F МДС индуктора;

148

При дальнейшем возрастании момента нагрузки (МН>MГ) муфта переходит в асинхронный режим, когда частота вращения муфты меньше частоты вращения индуктора.

На рис. 18.7 приведены механические характеристики муфты,

представляющие собой зависимости момента нагрузки МН и момента муфты МГ от скольжения.

Рис. 18.7. Механические характеристики гистерезисной муфты

Пока М МГ , ведомый вал вращается с синхронной скоростью

Н

при S=0 (кривая 1 на рис. 18.7). Если М МГ , то ведомый вал враща-

Н

ется со скольжением (кривая 2). Однако момент, передаваемый муфтой,

остается постоянным и равным МГ .

тивный слой выполнен в виде литого цилиндра, то за счёт вихревых то-

ков, кроме гистерезисного момента МГ , появляется асинхронный мо-

мент (прямая 3), пропорциональный скольжению М МГ sMamax .

В этом режиме скольжение отлично от нуля, ротор отстает от вращающегося индуктора и в нем создается дополнительный момент, как в асинхронном двигателе.

149

Преимущество гистерезисной муфты заключается в постоянстве передаваемого момента. Если нагрузочный момент МН резко возрастает (неполадки, поломки механизма), то максимальный момент, переда-

ваемый на приводной двигатель, ограничен величиной МГ и гистере-

зисная муфта защищает двигатель от перегрузок. Постоянство момента муфты обеспечивает быструю остановку привода.

Гистерезисные муфты применяются для передачи момента в агрессивную среду, отделенную от окружающей среды металлической немагнитной оболочкой и находящуюся под высоким давлением. В этом случае применяются муфты с аксиальным рабочим зазором. Ведущая часть с индуктором отделена немагнитной стенкой от ведомой части с активным слоем в виде колец.

Лекция № 19

Выключатели переменного тока высокого напряжения

Выключатели высокого напряжения предназначены для коммутации цепей переменного тока с напряжением 3 кВ и выше во всех режимах, возможных в эксплуатации: включение и отключение номинальных токов, токов КЗ, токов холостого хода силовых трансформаторов и емкостных токов конденсаторных батарей и длинных линий.

Основные параметры выключателей: номинальное напряжение, номинальный (длительный) ток, номинальный ток термической стойкости, номинальный ток электродинамической стойкости, номинальный ток отключения, номинальная мощность отключения, номинальный ток включения, собственное время включения и отключения выключателя, полное время включения и отключения.

Номинальный ток отключения IОном представляет собой наибольший ток, который выключатель способен надежно отключать при возвращающемся напряжении между фазами, равном наибольшему рабочему напряжению сети.

Номинальный ток включения – это наибольший ударный ток КЗ, на который выключатель включается без сваривания контактов и других повреждений, препятствующих его дальнейшей нормальной работе. Этот ток определяется либо амплитудой, либо действующим значением ударного тока за период после начала КЗ.

Время включения выключателя – это время от подачи команды на включение до завершения операции включения.

Основным требованием к выключателям является особо высокая надежность их работы во всех эксплуатационных режимах. Отключение

150

выключателем любых нагрузок не должно сопровождаться перенапряжениями, опасными для изоляции элементов установки. Отключение цепи при КЗ должно происходить за минимальное время.

По методу гашения дуги выключатели подразделяются на масляные, воздушные, электромагнитные и вакуумные.

Баковый масляный выключатель на напряжение 110 кВ, номинальным током 2000 А и номинальным током отключения 40 кА показан на рис. 19.1.

Pис. 19.1. Бaковый мacляный выключатель

151

Встальном баке 1 на маслонаполненных вводах 2 расположены дугогасительные устройства (камеры) З. Macлoнaпoлненный ввод (проходной изолятор) служит для проведения токоведущей цепи, находящейся под высоким напряжением, через металлическую стенку или другие преграды. Траверса 4 перемыкает выходные контакты 11 камер. Горячие ионизированные выхлопные гaзы, выходящие из камер, могут вызвать перекрытие дуги с камер на бак. Для предотвращения этого явления имеется баковая изоляция 5. Перемещение траверсы 4 происходит под действием штанги 6, движущейся по направляющим 7 под действием пружин механизма и пружин камер 10.

На выключателе установлены магнитопроводы 8 со вторичными обмотками трансформаторов тока (в данном случае их четыре). Первичной обмоткой трансформаторов являются токоведущие стержни вводов

2.Для сохранения вязкости трансформаторного масла при низких температурах предусмотрен электрический подогрев масла устройством 9.

Дугогасительное устройство выключателя показано на pиc.19.2.

Впрочном стеклоэпоксидном цилиндре 1 расположены неподвижные контакты 2 и 3. Неподвижные контакты 2 и 3 выполнены в виде многоламельного торцевого контакта. Промежуточный контакт 4 сделан в виде сквозной poзeтки. Для уменьшения износа контакты облицованы металлокерамикой. Камера имеет два разрыва. Первый образуется между контактом 2 и промежуточным подвижным контактом 5, второй - между контактами 3 и 6. Дугогасительная решетка 7 имеет два следующих друг за другом дутьевых канала 8, 9. Во включенном положении эти каналы пepeкрыты телом подвижных контактов 5 и 6. Вся внутренняя полость камеры заполнена трансформаторным маслом. При отключении контакты движутся вниз под действием пружины камеры 10. В каждом разрыве образуется дуга. Под действием энергии дуги масло разлагается на водород, метан и другие газы. В течение сотой доли секунды давление возрастает до 5-8 МПа. Необходимо отметить, что в момент прохождения тока через нуль дуга гаснет и подвод мощности к ней прекращается. Однако энергия, выделенная дугой на протяжении предыдущего полупериода, создает в камере объем газа, в котором запасена oпpeдeлeннaя энepгия. Этот газ находится под высоким давлением. К моменту нуля тoка это давление уменьшается, однако остается еще дoстатoчно большим, чтобы создать газовый поток, охлаждающий дугу и восстанавливающий электрическую прочность дуговoгo пpомeжуткa. После того, как тело подвижного контакта откроет дутьевую щель 5, создается поток газов и паров масла, oхлаждaющиx и деионизирующих дугу. Следует отметить, что энергия, необходимая для гашения, выделяется самой дугой. Поэтому чем больше ток, тем больше давление в камере и интенсивнее гашение дуги. При токах, близких к номинальному току отключения, длительность дуги не более 0,02 с. Наибольшая длительность горения дуги нaблюдaeтся при небольших индуктивных токах (500-2000 А).

152