ЛЕКЦИЯ 9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Перечень электромагнитных устройств очень большой. В лекции будут рассмотрены примеры применения теории магнитного поля к построению сварочных трансформаторов, ферромагнитных стабилизаторов, электромагнитных реле.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СВАРОЧНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

Известно, что для неразветвленного магнитопровода с зазором закон полного тока имеет вид:

(9.1)

где: l_ФМ, l_З – длина ферромагнитного участка и воздушного зазора соответственно; Н_ФМ, Н_З – действующее значение напряженности магнитного поля на участках ферромагнитного материала и воздушного зазора соответственно; I – действующее значение тока в намагничивающей обмотке.

Учитывая, что

, (9.2)

а также, что:

(9.3)

перепишем (9. 1):

. (9.4)

Так как относительная магнитная проницаемость магнитомягких материалов в десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости воздуха m₀, то очевидно, что Поэтому вместо (9.4) можно использовать приближенное равенство:

. (9.5)

Подставляя в (9.5) вместо R_З его значение из (9.3), а вместо Ф его значение

,

определим ток цепи:

. (9.6)

Теперь очевидно, что ток в цепи магнитопровода с зазором можно регулировать, изменяя длину воздушного зазора. Это свойство и используется в сварочных аппаратах для регулирования тока дуги.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ

СТАБИЛИЗАТОРОВ

Магнитные свойства ферромагнитных материалов, как правило,

оценивают зависимостью:

,

получая гистерезисные характеристики. Но нам уже известно, что:

,

а

.

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.

.

Такие характеристики полезны при расчете разветвленных магнитных цепей, включающих несколько элементов. Общий вид зависимости 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.

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 .

Напряжение на нагрузке определяется падением напряжения на дросселе Др₂ Графики рис. 9.2. показывают, что если на входе цепи действует напряжение U_{вх min}, то нагрузка находится под напряжением U_{Rн min}. Часть входного напряжения падает на сопротивлении дросселя Др₁ – U_{др min}.

Пусть входное напряжение увеличилось на величину ∆U_вх = U_{вх max} - U_{вх min}. Это вызывает увеличение напряжения на нагрузке на величину ∆U_Rн = U_{Rн max} - U_{Rн min}. Наглядно видно, что ∆U_Rн в несколько раз меньше ∆U_вх. Реальные ферромагнитные стабилизаторы ослабляют колебания входного напряжения в 5¸10 раз.

Таким образом, дроссель, включенный параллельно нагрузке и работающий

в режиме 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 перенапряжений, называются электрическими аппаратами. К ним относятся контакторы, 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.

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

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 R_L создается падение напряжения .

Разность напряжений U – U_R уравновешиваетcя Э.Д.С. катушки – е_L, т.е.

, (9.7)

где

Тогда

. (9.8)

Умножим (9.8) на и проинтегрируем за время намагничивания. Тогда

Левая часть последнего выражения представляет количественную оценку энергии источника – W_Э, которая используется электромагнитным механизмом. Первое слагаемое правой части – энергию магнитного поля – W_М 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 – W_П. Учитывая это, перепишем последнее выражение в виде:

.

Раскроем выражение для W_M:

(9.9)

Напомним, что

,

а

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

Подставляя в выражение для W_М значения ψ и , получим:

. (9.10)

При перемещении якоря совершается работа:

,

где – энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воздушного зазора , – энергия магнитного поля с длиной воздушного зазора , .

С учетом (9.10) можем записать:

Так как , то

где

(9.11)

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

Если к намагничивающей обмотке механизма подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и в

воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону

.

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

,

где

.

После преобразования последнего выражения получим:

. (9.12)

Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную составляющую (рис. 9.4). Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоянной составляющей , относительно которой она изменяется.

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 пульса-ции 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 Ф_М на угол 90⁰. Под

действием наведенной Э.Д.С. по витку протекает ток i_K, который создает поток Ф_КМ. 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 учетверенной частотой, т.е. cos 4wt. В итоге постоянная составляющая силы возрастает, пульсация уменьшается.

3.3 Электромагнитные реле

Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком. Управляющими величинами могут быть ток или напряжение. При достижении этими величинами заданных значений выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. При замыкании контактов в управляемой 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.

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 различают реле максимального, минимального или направленного действия.

В зависимости от времени срабатывания различают реле быстродей-ствующие ), нормальные ) 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 косвенного действия.

Электромагнитные реле широко применяются в схемах электрооборудования транспортных машин и транспортно – технологических комплексов. 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.

По конструктивному исполнению реле разделяются на три группы: обычные, малогабаритные и специальные. В каждой из этих групп реле разделяются по напряжению – на 12 и 24В.

По схеме коммутации реле разделяются на замыкающие, размыкающие и переключающие, а по режиму работы на реле продолжительного и кратковременного режима.

Для удобства монтажа и замены на транспортных средствах, реле имеют штекерные выводы и устанавливаются в едином блоке с предохранителями. В сильноточных цепях с токами больше 50А используются контакторы на 12В и 24В с замыкающими контактами и на 24В с переключающими контактами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1. Как и почему воздушный зазор магнитопровода влияет на ток намагничивающей обмотки?

9.2. Изобразите ВАХ магнитопровода и поясните ее ход. Какое физическое явление положено в основу построения ферромагнитного стабилизатора?

9.3. Сформулируйте определение для устройства, называемого электрическим аппаратом.

9.4. Приведите классификацию электрических аппаратов.

9.5. Какие физические явления положены в основу работы электрических аппаратов?

9.6. Назовите обязательные составные части электрических аппаратов.

9.7. Приведите уравнение баланса энергии намагничивающей катушки электрических аппаратов.

9.8. В чем заключаются особенности работы электромагнитных механизмов переменного тока?

9.9. Отчего возникает и как устраняется вибрация якоря электромагнитного механизма переменного тока?