книги / Электрические аппараты
..pdfсти L необходимо увеличивать сечение обмоточного прово да q, что вызывает увеличение окна Q„б и габаритов элект ромагнита в целом. Мощность, рассеиваемая в виде тепла, P = U 2/R также возрастает, что требует увеличения по верхности охлаждения катушки. Ускорить срабатывание электромагнита при неизменных его габаритах можно с по мощью специальных схем форсировки. Для того чтобы до биться эффекта уменьшения сопротивления R при неизмен ных размерах электромагнита, широко применяется схема форсировки (рис. 5.23, а). Введенный в схему добавочный резистор Ддоб шунтирован размыкающим контактом /<7, связанным с якорем электромагнита. После замыкания кон такта К2 малое сопротивление обмотки R способствует быстрому нарастанию тока до тока трогания. После начала движения якоря контакт KI размыкается и в цепь вводится сопротивление /?доб, благодаря чему мощность Р, выделяе мая в обмотке, ограничивается в соответствии с выраже нием
R + /?доб/ |
(5.82) |
|
|
Иногда вместо контакта К1 используется |
конденсатор |
С. В первый момент времени незаряженный |
конденсатор |
уменьшает падение напряжения на резисторе /?доб, благода ря чему обеспечивается форсировка электромагнита. В ус тановившемся режиме ток в цепи ограничивается резисто ром ЯдоС. Емкость конденсатора, мкФ, рекомендуется брать равной
С = L- \06/(RRno6), |
(5.83) |
где L — индуктивность обмотки электромагнита, Гн; R — ее активное сопротивление, Ом; Р доб — сопротивление до бавочного резистора, Ом.
Рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания. При уменьшении питающего напряжения умень шается значение / у установившегося тока, что ведет к уве
личению значения In------ ^------- в (5.76). При £тр= / у время 1 ~ (’тр/1 Ï
трогания £тр= оо.
Минимальное напряжение, при котором электромагнит может сработать, U = iTPR. С ростом питающего напряже ния время трогания уменьшается в связи с уменьшением
In------ 1------- из-за роста / у. Зависимость iTP(U) изображе- 1— hp/Iy
л а на рис. 5.24.
Иногда возникает необходимость ускорить срабатывание уже готового электромагнита, не затрагивая его конструк цию и входящие в нее узлы и детали. Увеличение питающе го напряжения без изменения активного сопротивления цепи ведет к ускорению срабатывания, но обмотка электромаг нита может сгореть, если при номинальном значении пита ющего напряжения ее температура близка к предельно до пустимой. В этих случаях рекомендуется при повышении питающего напряжения в цепь включать добавочный рези стор, сопротивление которого обеспечивает неизменность тока / у. Ускорение срабатывания происходит за счет умень
шения |
постояной времени. Величина In------ ;—-— остается |
|
I --(тр//у |
неизменной. |
|
На |
рис. 5.25 показаны зависимости i = f ( t) при различ |
ных значениях Т и при неизменном установившемся токе электромагнита. Кривые показывают, что чем больше по стоянная времени, тем больше время трогания.
|
Отметим, что при прочих равных условиях увеличение |
|
натяжения противодействующей пружины |
ведет к росту |
|
tTp И ^тр* |
з а м е д л е н н о |
|
|
Для создания э л е к т р о м а г н и т о в |
|
го |
действия применяется короткозамкнутая обмотка. Та |
|
кая |
обмотка может иметь всего один виток в виде медной |
|
Рис. 5.24. |
Зависимость |
времени |
Рис. 5.25. Зависимости i=f(t) при |
различных постоянных времени |
|||
трогания |
от напряжения |
питания |
и неизменном значении 1У |
или алюминиевой гильзы, надеваемой на сердечник элект ромагнита. Электромагнит с короткозамкнутой обмоткой w2 показан на рис. 5.26.
При включении питающей обмотки и нарастании созда ваемого ею магнитного потока в короткозамкнутой обмотке
наводится ЭДС. Последняя вызывает ток такого направле ния, при котором магнитный поток короткозамкнутой обмот ки направлен встречно потоку питающей обмотки. Резуль тирующий поток равен разности этих потоков. Скорость нарастания потока в электромагните уменьшается и время трогания увеличивается.
Если принять, что короткозамкнутая обмотка пронизы вается тем же потоком, что и питающая (отсутствует рас сеяние), то поток нарастает по экспоненте с суммарной по стоянной времени Тх-\-Т2.
|
ф = ф у ( 1 _ <Г ^ <г‘+7‘)), |
(5.84) |
где Фу = |
Лв — установившийся поток; |
T\ = L\IR\\ |
T2 = L2IR2 — постоянные времени обмоток.
Если пренебречь потоками рассеяния, то индуктивности
обмоток согласно (5.14) равны: |
|
l x= wj Л6; L2 = w\ Л6. |
(5.85) |
При отпущенном якоре б — 0н = 0та* и значение Лв мало. Суммарная постоянная времени Ti-\-T2 невелика, и замед ление электромагнита при срабатывании получается не большим.
При отключении электромагнита можно считать, что ток / У1 в питающей обмотке практически мгновенно спадает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка в отключающем аппарате К (рис. 5.27).
Рис. 5 26. Электромагнит замед |
Рис. 5.27. Изменение тока в об |
мотках электромагнита при отклю |
|
ленного действия |
чении |
Поскольку магнитный поток в системе мгновенно не мо жет измениться, в короткозамкнутой обмотке возникает ток h o = Iy \w Jw 2.
Спадание магнитного потока определяется процессом за тухания этого тока. При спадании потока в короткозамкну той обмотке наводится ЭДС и возникает ток, направленный так, что поток, создаваемый обмоткой w2, препятствует уменьшению потока в системе. Замедленное спадание пото ка создает в ы д е р ж к у в р е м е н и п р и о т п у с к а н и и .
Для короткозамкнутой обмотки и ненасыщенной маг нитной системе можно записать
О = ij R2 + |
û {dijdt). |
(5.86) |
Решив (5.86), получим |
|
|
h = V |
W!/4 |
(6.87) |
где ho — начальное значение тока в короткозамкнутой об
мотке (при £ = 0 ); L2 — индуктивность |
короткозамкнутой |
обмотки при притянутом якоре. Очевидно, что L2> L 2. Ум |
|
ножив обе части (5.87) на Л^, получим |
|
Ф - Фу е - 1/Т\ |
(5.88) |
где Фу = I2oW2A{, — установившийся магнитный поток при включенной питающей обмотке.
Рабочий |
зазор при притянутом якоре в десятки и даже |
в сотни раз |
меньше, чем при отпущенном. Поэтому посто |
янная времени при притянутом якоре T2^>Ti-\-T2, и замед ление времени трогания при отпускании может достигать 10с, тогда как задержка времени трогания при срабатыва нии составляет доли секунды.
После затухания тока i2 в цепи устанавливается оста точный магнитный поток, определяемый кривой размагни чивания материала магнитбпровода и воздушным зазором (§ 5.8). Возможны случаи, когда остаточный магнитный по ток создает силу притяжения большую, чем сила, развива емая пружиной. Происходит так называемое залипание яко ря, когда якорь остается в притянутом положении после отключения питающей обмотки. Для устранения залипания на торце сердечника или якоря устанавливается тонкая не магнитная прокладка. Наличие этой прокладки обеспечива ет фиксированный достаточно малый конечный зазор бк^О, что приводит к снижению остаточного магнитного потока
иустранению залипания.
Вэлектромагнитах для реле времени магнитная система при притянутом положении якоря сильно насыщена. В этом
случае справедливо уравнение
О = г2 /?2 + w3 йФ/сН. |
(5.89) |
Решив (5.89) относительно t, получим
а’Ф
tтР
г <*>2
где Фотп — магнитный поток, при котором усилие пружины равно электромагнитной силе; Фу — начальное значение по тока.
При отсутствии рассеяния F l = F2(Fi = iiw1; F2=i2W2), и тогда время трогания
^тр |
|
Г |
d<D |
(5.90) |
||
r 2 |
J |
Ft |
||||
|
|
|
||||
Для определения этого интеграла рассчитывается зави |
||||||
симость магнитного потока в |
рабочем зазоре от |
МДС |
F\ |
|||
и строится зависимость 1 /Р |= /(Ф ). После этого |
(5.90) |
ре |
||||
шается графическим интегрированием.
Выдержка времени при отпускании при прочих равных условиях определяется начальным потоком Фу уравнения (5.90). Этот поток определяется кривой намагничивания магнитной' системы в замкнутом состоянии. Поскольку на пряжение и ток в обмотке пропорциональны, зависимость
Рис. 5.28. Характеристика намагничивания магнитной системы и зави симость времени отпускания от напряжения питания
Ф(£7) повторяет в другом масштабе зависимость Ф(/да). Если система при номинальном напряжении не на сыщена, то поток Фу сильно зависит от питающего напря жения. При этом выдержка времени также зависит от на пряжения обмотки. Для независимости выдержки времени от питающего напряжения магнитная цепь электромагнитов делается сильно насыщенной. На рис. 5.28, а представлена кривая намагничивания магнитной системы ф = /( £ /) . В зо
не насыщения колебания |
питающего напряжения на ± Д U |
||
ведут |
к незначительному |
изменению установившегося |
по |
тока |
Фу и колебанию времени отпускания в пределах |
от |
|
11 до U. Вся рабочая зона лежит в области напряжений вы |
|||
ше 0,5£/НОм. При работе |
в ненасыщенной зоне t/< 0 ,5 t/HoM |
||
даже небольшие колебания питающего напряжения приво дят к значительному изменению потока Фу и выдержки времени на отпускание.
В разнообразных схемах автоматики, в которых исполь зуются электромагниты, напряжение на их питающие обмот ки может подаваться кратковременно. В этом случае для стабильности выдержки времени при отпускании необходи мо, чтобы длительность приложения питающего напряжения была достаточна для достижения потоком установившегося значения. Это время называется в р е м е н е м п о д г о т о в - к и или зарядки. Если длительность приложения напряже ния меньше этого времени, то выдержка времени уменьша ется. Время зарядки зависит от габаритов реле и состав ляет около 1 с.
На выдержку времени электромагнита влияет темпера тура короткозамкнутой обмотки. Согласно (5.90)
^ ___ |
1 |
Фотп |
w2dO |
Г* |
|||
/?02(1 |
-Ь |
J |
h |
|
|
ФУ |
|
Здесь t — время отпускания; 0 — температура нагретой короткозамкнутой обмотки.
Заводы-изготовители гарантируют работу таких элект ромагнитов в диапазоне температур от —40 до + 6 0 °С. Если температура короткозамкнутой обмотки равна окру жающей, то при указанном изменении температуры сопро тивление, а следовательно, и выдержка времени изменятся почти в 1,5 раза. В среднем можно считать, что изменение температуры на каждые 10 °С ведет к изменению времени выдержки на 4 %. Зависимость выдержки времени от тем
пературы является одним из основных недостатков электро магнитов с короткозамкнутой обмоткой.
д) |
Динамика электромагнитов |
переменного тока. Рас |
|||||||
смотрим электромагнит переменного типа с ненасыщенным |
|||||||||
магнитопроводом. |
Пусть |
включение |
питающей |
катушки |
|||||
происходит в момент времени, когда |
приложенное |
напря |
|||||||
жение проходит через нулевое значение. Можно записать |
|||||||||
|
|
Uт sin bit = iR + |
wdïbldt. |
|
(5.91) |
||||
Поскольку магнитопровод ненасыщен и магнитная цепь |
|||||||||
линейна, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i = Фда/L |
|
|
|
(5.92) |
Подставив (5.92) в (5.91), получим уравнение |
|
|
|||||||
|
|
ГГ |
• |
J |
R /Т |
I |
|
|
|
|
|
Um Sin (ùt — — Фш + W---- . |
|
|
|||||
|
|
т |
|
|
L |
|
<и ' |
|
|
решив которое, найдем |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Ф = |
Фт (e~m/L — cos соt), |
|
(5.93) |
||||
где Фта — максимальное значение магнитного потока, опре |
|||||||||
деляемое (5.25) или (5.27). |
|
|
|
|
|||||
Согласно |
(5.93) |
при t= Q поток в системе также |
равен |
||||||
нулю. Через |
время |
t = n / со поток |
достигает наибольшего |
||||||
значения, поскольку постоянная составляющая магнитного |
|||||||||
потока складывается с переменной составляющей. Если пре |
|||||||||
небречь затуханием, то через полпериода поток |
достигнет |
||||||||
величины, равной 2Фт . Кривая изменения магнитного пото |
|||||||||
ка во времени аналогична кривой изменения тока при КЗ |
|||||||||
(см. рис. |
1.16). |
|
|
|
|
|
|
|
|
По мере затухания постоянной составляющей магнитно |
|||||||||
го потока пиковое значение потока будет уменьшаться, пока |
|||||||||
не достигнет |
Фш. Таким |
образом, |
в |
электромагните пере |
|||||
менного тока наибольшие пиковые значения магнитного по тока, а следовательно, и силы будут иметь место в начале включения, причем пиковые значения потока и силы насту пают примерно через 0,01 с после начала включения (при частоте тока 50 Гц), чем обеспечивается малое время трогания.
Если начальное значение потока Фт достаточно близко
к потоку насыщения, то удвоение |
потока |
к моменту |
t — |
= я /ю ведет к насыщению магнитопровода |
и резкому |
воз |
|
растанию намагничивающего тока |
(из-за |
падения индук- |
|
Рос. 5.29. Динамические характеристики электромагнита переменного то ка, рассчитанные на ЭВМ
тивности обмотки). Форма намагничивающего тока резко отличается от синусоидальной.
При включении обмотки в момент времени, соответству ющий нулю тока (потока), постоянная составляющая не по является и пиковое значение потока появляется через периода после включения. Таким образом, в электромагни тах переменного тока обеспечивается быстрое трогание элек тромагнита без применения специальных мер.
Рис. 5.30. Зависимость тока в об мотке от времени при включении электромагнита переменною тока
Аналитический расчет динамических характеристик электромагнитов переменного тока очень труден и может быть обеспечен применением ЭВМ.
На рис. 5.29 показаны динамические характеристики электромагнита переменного тока частотой 50 Гц с ходом якоря 6 мм, полученные на ЭВМ. Здесь х — перемещение якоря; dxfdt — скорость его перемещения; Р эм— сила тяги электромагнита; i — ток обмотки; и — напряжение на об мотке. Включение обмотки происходит в момент прохожде ния питающего напряжения через нуль (рис. 5.29,а). Из приведенных кривых видно, что ток в обмотке имеет апери одическую составляющую. Кривая силы тяги Р Эм достигает максимума через 0,01 с после включения и имеет довольно сложный характер. Если включение происходит при ампли тудном значении напряжения на обмотке (рис. 5.29,6), то первый максимум силы наступает через 0,004 с после вклю чения. Второй максимум Рэм превышает первый в 6 раз и достигается через 0,015 с после включения обмотки. Таким образом, в первом случае время срабатывания электромаг нита составляет около 0,011, во втором случае 0,0135 с (ход якоря хсР= 6 м м ) .
Необходимо отметить, что в момент включения электро магнита рабочий зазор в магнитной цепи велик, что вызы вает согласно (5.22) большой намагничивающий ток, в де сятки раз больший, чем ток при притянутом положении якоря.
Зависимость тока в обмотке от времени при включе нии электромагнита переменного тока приведена на рис. 5.30.
а) |
Общие сведения. Для создания постоянного магнит |
||
ного поля в некоторых электрических аппаратах использу |
|||
ются |
п о с т о я н н ы е м а г н и т ы . |
Постоянные |
магниты |
изготавливаются из м а г н и т о т в е р д ы х м а т е р и а л о в , |
|||
т. е. материалов, имеющих широкую |
петлю гистерезиса. |
||
В постоянных магнитах для создания магнитного |
поля не |
||
требуется непрерывное подведение электроэнергии. Опре деленная энергия тратится только на первоначальное намаг ничивание постоянного магнита. Магнитное поле магнита сохраняется бесконечно долго без затраты энергии извне.
Рис. 5.31. Кривая размагничивания Рис. 5 32. Постоянный |
магнчт то |
|
постоянного магнита |
роидальной формы |
|
Для намагничивания |
постоянного магнита в |
его теле |
создается магнитное поле, напряженность которого во мно го раз превышает коэрцитивную силу Нс магнитотвердого материала. После снятия этого поля материал постоянного магнита остается намагниченным. Намагничивание постоян ных магнитов осуществляется в специальных намагничива ющих установках, позволяющих создавать сильное магнит ное поле с напряженностью до 400 кА/м.
Состояние постоянного магнита описывается участком 0— (—# с) петли гистерезиса (рис. 5.31), называемым к р и в о й р а з м а г н и ч и в а н и я .
Рассмотрим постоянный магнит в форме тороида с ма лым зазором б (рис. 5.32). Благодаря тороидальной форме и малому зазору потоками рассеяния в таком магните мож но пренебречь (§ 5.2).
При малом зазоре магнитное поле в нем можно считать равномерным. Если пренебречь потоком выпучивания, то