Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

Степень ионизации Х зависит от давления газа Р в столбе дуги:

Из (4.1) следует, что с ростом давления степень ионизации уменьшается.

Всвязи с этим во многих дугогасильных устройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Кроме этого в ДУ принимаются меры против попадания металлических паров электродов в столб дуги (уменьшение сечения плавких вставок предохранителей, перемещение дуги по электродам, уменьшение температуры электродов и др.).

Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели) либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

Воколоанодной области поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая выше температуры катода.

Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.

Способы гашения электрической дуги

В современных электрических аппаратах различают множество способов гашения дуги. К ним относятся: воздействие на столб электрической дуги; перемещение дуги под воздействием магнитного поля; гашение дуги с помощью дугогасительной решетки; гашение дуги высоким давлением; гашение в потоке сжатого газа; гашение в трансформаторном масле; гашение электрической дуги с помощью полупроводниковых приборов и др.

Воздействие на столб электрической дуги

Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжений, при малом износе частей

23

аппарата, при минимальном объеме раскаленных газов, с минимальным звуковым и световым эффектами.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы вольт-

амперная характеристика (ВАХ) дуги Ud шла выше прямой U – iR (U –

напряжение источника питания, R – сопротивление нагрузки, рис. 4.1).

Рис.4.1. Статическая вольт-амперная характеристика дуги и прямая U-iR

где Eп - напряженность электрического поля в столбе дуги;

Uэ - околоэлектродное падение напряжения;

l - длина дуги,

подъем вольт-амперной характеристики дуги можно получить за счет увеличения длины дуги, увеличения градиента Eп и увеличения около-

электродного падения напряжения. Увеличение градиента Eп можно

получить за счет эффективного охлаждения дуги, и подъема давления среды, в которой она горит.

В электрических аппаратах низкого напряжения наиболее широко применяют ДУ с узкой щелью. Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели делается меньше диаметра дуги. Кроме того, по мере втягивания дуги в щель, она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и улучшается ее охлаждение. Перемещение дуги в такой камере осуществляется с помощью магнитного поля. Наиболее характерные формы керамических пластин ДУ изображены на рис. 4.2.

24

ного сечения с воздушными промежутками между витками. Обмотка параллельного магнитного дутья рассчитана на напряжение сети и имеет большое число витков. В обоих исполнениях взаимодействие магнитного поля с током дуги приводит к появлению усилия, перемещающего дугу в дугогасительную камеру.

б

в

Рис. 4.3. Дугогасительное устройство с системой магнитного дутья

Достоинствами ДУ с последовательной катушкой являются:

система хорошо работает в области больших токов;

система работает при любом направлении тока;

падение напряжения на катушке составляет доли вольта. К ее недостаткам можно отнести следующее:

неэффективно работает в системах с малыми токами;

большая затрата меди на катушку;

нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке. Основными недостатками ДУ с параллельной катушкой являются:

направление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока;

при КЗ в сети возможно снижение напряжения на катушке.

Всвязи с отмеченными недостатками ДУ с параллельной катушкой применяют только при отключении небольших токов (5-10 А), в основном в цепях постоянного тока при соблюдении правильной полярности включения катушки.

26

Гашение дуги высоким давлением

На основании ф-лы (4.1) следует, что степень ионизации Х уменьшается с увеличением давления. На этом принципе работают практически все корпусные предохранители, в замкнутом пространстве которых горение дуги создает повышенное давление, способствующее эффективному ее гашению.

Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

В высоковольтных коммутационных аппаратах для гашения дуги используют потоки сжатого воздуха или других газов.

Сжатый воздух (или газ) обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух (газ) при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка. Конструктивно ДУ выполняют как с поперечным, так и с продольным дутьем (рис. 4.4, а, б).

а б Рис. 4.4. Камеры ДУ с воздушным дутьём: а – поперечное дутьё; б – продольное дутьё

Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Как отмечалось выше, ВАХ дуги можно поднять за счет увеличе-

ния околоэлектродного падения напряжения Uэ. Это достигается в элек-

трических аппаратах путем использования дугогасительных решеток

(рис. 4.5).

27

После размыкания силовых контактов 1 и 2 возникшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг 4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет

20-25В .

Таким образом, удается поднять ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.

Рис. 4.5. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Лекция № 5

Электромагниты

Электромагниты являются основным рабочим элементом таких электрических аппаратов как реле, пускатели, автоматические выключатели, контакторы и ряда других.

Рассмотрим основные соотношения для магнитной цепи, представленной на рис. 5.1.

При прохождении тока по обмотке возникает МДС F , которая создаёт магнитный поток Ф . Этот поток замыкается как через зазор δ, так и между другими частями магнитной цепи, имеющими различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор δ, меняющийся при перемещении якоря, назы-

вается рабочим.

Магнитный поток, проходящий через воздушный зазор, также на-

зывается рабочим и обозначается Ф . Все остальные потоки, не прохо-

дящие через воздушный зазор, называются потоками рассеяния и обо-

значаютсяФσ .

28

где S – сечение данного участка магнитной цепи;

μа – абсолютная магнитная проницаемость участка длиной dl .

Для воздуха магнитная проницаемость берётся равной магнитной постоянной μ0

μ0 4π 10 7Гн/м.

Выражение dl / aS аналогично выражению для активного со-

противления элемента электрической цепи dl / S (где - удельная

электрическая проводимость материала проводника). В этом случае выражение (4.3) можно записать в виде

где dRМ магнитное сопротивление участка длиной dl.

Согласно второму закону Кирхгофа падение магнитного потенциала по замкнутому контуру равно сумме МДС, действующих в этом контуре.

В системе СИ единица абсолютной магнитной проницаемости – Гн/ м, следовательно, единицей магнитного сопротивления является

Гн 1.

Если на отдельных участках Ф const, то (5.4) можно записать

По аналогии с электрическим магнитное сопротивление Rm уча-

стка конечной длины l можно представить как

где ρm удельное магнитное сопротивление единицы длины магнитной

цепи при сечении, также равном единице, м/Гн.

При расчетах магнитных цепей часто используют величину, обратную магнитному сопротивлению, – магнитную проводимость:

Rm l

30

В этом случае уравнение (5.5) принимает вид

расчетах магнитных цепей, определяется μr μa . В рабочем зазоре по-

μ0

ток проходит через воздух, магнитная проницаемость которого не зави-

сит от индукции и является постоянной, равной μ0 .

Для прямоугольных и круглых полюсов при малом зазоре δ поле приближенно можно считать равномерным и магнитную проводимость легко определить по формуле:

W число витков катушки; I ток в катушке, А.

Полная МДС катушки с учетом магнитного сопротивления стали и потоков рассеяния определяется

31

где Ф магнитный поток в зазоре, Вб ;

Hiсс напряженность магнитного поля на участке i, Тл;

li длина i-го участка магнитопровода;

Rm магнитное сопротивление зазора; Ом.

Ток в обмотке электромагнита постоянного тока при неподвижном или медленно перемещающемся якоре не зависит от индуктивного сопротивления обмотки, а зависит только от ее активного сопротивления

U Iy R .

В цепях переменного тока ток в катушке в основном зависит от индуктивного сопротивления, которое изменяется при перемещении якоря.

Магнитное сопротивление магнитопровода при работе на пере-

менном токе зависит не только от магнитной постоянной μa , длинны

участка проводника l и площади сечения S , но и от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток. С целью уменьшения потерь магнитопровод аппаратов переменного тока выполняется шихтованным.

Рассмотрим простейшую цепь электромагнита без учета магнитного сопротивления стали и потерь в ней (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Магнитная цепь электромагнита переменного тока

Причем показанная на рис. 5.2 короткозамкнутая обмотка не влияет на работу электромагнита (ключ К разомкнут).

32