ГРАФИКИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЭТОТ ПРОЦЕСС

механическая характеристика равна сумме сил, противодействующих движению якоря.

Только в некоторых областях якорь будет притягиваться (заштрихованные области). В остальных промежутках якорь отпадает.

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЯКОРЯ

1. Включение электромагнита на выпрямленное напряжение.

2. На стадии изготовления используют короткозамкнутый виток.

В сердечнике электромагнита делается прорезь и около 80% сечения охватывается короткозамкнутым витком, выполненным из материала с высокой электропроводностью.

Магнитный поток делится на 2 составляющие и . В соответствии с законом Ленца появляется поток от короткозамкнутого витка. Причем, в левой части зазора потоки и складываются, а в правой части (охваченной короткозамкнутым витком) и вычитаются. Результирующие потоки оказываются сдвинутыми во времени на угол (векторная диаграмма). В результате значения магнитных потоков определяются:

Зона, не охваченная короткозамкнутым витком:

Зона, которая охвачена короткозамкнутым витком: В результате получим з ависимости тягового усилия во времени

сдвинута относительно на .

Из графика видно, что тяговое усилие больше механического. Таким образом, вибрация якоря отсутствует.

Рассмотрим условия, при которых полностью отсутствует вибрация.

при 1)

2)

Реально =60-65⁰, переменная составляющая – при этом вибрация якоря.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ К.З. ВИТКА

- – площадь сечения, охваченная к.з. витком

- – площадь сечения, неохваченная к.з. витком

- – конечный зазор при полностью притянутом якоре.

КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАТУШКАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

1. Надежное включение электромагнита в наихудших условиях, т.е. при пониженном напряжении и повышенной температуре.

2. Температура не должна превышать допустимую для данного класса изоляции при повышенном напряжении.

3. Минимальные габариты и экономичная технология в изготовлении.

4. Механическая прочность.

5. Влагостойкость, в некоторых случаях кислото и маслостойкость.

Конструктивно катушки делятся на: каркасные, бескаркасные, бандажированные, бескаркасные с намоткой на сердечник.

По способу включения: катушки тока (мало витков провода большого сечения), катушки напряжения (много витков провода малого сечения).

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ КАТУШЕК:

- род тока (“—” или “~”);

- ;

- требуемое значение М.Д.С.;

- допустимое отклонение напряжения;

- режим работы (продолжительный, кратковременный…);

- окружающая среда и ее предельная температура (воздух 40⁰, масло 60⁰)

В РЕЗУЛЬТАТЕ РАСЧЕТА ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ:

- число витков ( );

- сечение провода ( );

- диаметр провода ( );

- сопротивление катушки ( );

- индуктивность катушки ( );

- потребляемая мощность ( );

- превышение температуры катушки над температурой окружающей среды ( ).

РАССМОТРИМ РАСЧЕТ КАТУШКИ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА “—” ТОКА

- длина и высота намотки - диаметр катушкиДано: +5%-30% (м.д.с.)

– средняя длина витка

– сечение провода

Коэффициент заполнения обмоточного пространства медью:

Коэффициент укладки:

, - диаметр провода по меди;

₁ - диаметр провода с учетом изоляции.

РАСЧЕТ КАТУШКИ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дано: , , , конструктивные размеры.

(*)

- нечетное число витков, т.к. не учтено R

Ток катушки

Задаемся плотностью тока:

А/мм² – продолжительный режим

А/мм² – повторно-кратковременный

А/мм² – кратковременный

Проверка уравнения (*) - 10%, если больше 10% делаем перерасчет.

СПОСОБЫ УКЛАДКИ (НАМОТКИ) ПРОВОДОВ

Существует три способа намотки:

1 – рядовая 2 – шахматная

3 – дикая

На практике по диаметру и марке провода находим .

Число витков После этого определяем ток в катушке

Сравниваем с заданной М.Д.С. ,

если отличие >10% производим перерасчет (изменяя ).

Определяем мощность, выделяемую в катушке:

По формуле Ньютона установившееся превышение температуры: ,

- обобщающий коэффициент теплоотдачи с поверхности.

Для катушек такого типа Вт/м².

Полученное значение температуры сравнивается с допустимым для данного провода. Если , то принимается провод с более высоким уровнем изоляции, если и это не помогает, то такую катушку в продолжительном режиме использовать нельзя.

Коэффициент включения:

Будем смотреть, при каком ПВ или наша катушка работает без перегрева.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

Электрический контакт – это место перехода тока из одной контакт детали (токоведущей детали, осуществляющей контакт) в другую. (Слово контакт происходит от латинского слова contactus – прикосновение).

Контакты бывают – 1) неразъемные (болтовое соединение двух шин)2) скользящие (реостат, ЛАТР) 3) коммутирующие

По форме контакты различают на следующие группы:

1) ТОЧЕЧНЫЕ – т.е. контакт происходит в одной точке. При точечном контакте контактные нажатия небольшие и для уменьшения сопротивления контактов применяют драгоценные металлы, не образующие окиси.

2) ЛИНЕЙНЫЕ – условное контактирование происходит по линии. В этом случае можно создать большую степень нажатия. Эти контакты выполняются так, что цилиндр во время контактирования перемещается по плоскости и окислы стираются. Для этих контактов применяют медь.

3) ПОВЕРХНОСТНЫЕ – контактирование между двумя поверхностями. Применяются при больших токах, создается высокая степень нажатия, благодаря чему в некоторых местах поверхность очищается от окислов.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ КОНТАКТОВ

На малые токи контакты выполняются в основном точечными.

Контакты, рассчитанные на средние и большие токи, делятся на следующие группы.

1. – РЫЧАЖНЫЕ – в них применяется проскальзывание подвижного контакта по неподвижному для стирания окислов, в качестве материала контактов применяется медь.

2. МОСТИКОВЫЕ – контакт осуществляется в точке сфера-сфера. Применяется для прямоходовых магнитных систем. В качестве материала используется серебро и его сплавы.

3. ВРУБНЫЕ – применяются в низковольтной аппаратуре (рубильники, предохранители). Материал – медь.

4. РОЛИКОВЫЕ – предназначены для токосъема.

5. ТОРЦЕВЫЕ – контактирование по плоскости, контакт имеет большое переходное сопротивление и используется преимущественно как дугогаситель.

6. КОНТАКТЫ С ПЛОСКИМИ КОНСОЛЬНЫМИ ПРУЖИНАМИ – слаботочная аппаратура, контакт в точке сфера-сфера, материал серебро и его сплавы.

7. ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ КОНТАКТ – содержащий главные контакты и дугогасительные контакты (большие токи – при включении замыкаются вначале дугогасящие, а потом главные, а при отключении наоборот).

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1. РАСТВОР – наименьшее расстояние между полностью разомкнутыми контактами. Его величина определяется условиями гашения дуги, родом и величиной тока.

2. ПРОВАЛ – расстояние, которое проходит до полной остановки подвижный контакт после первого соприкосновения с неподвижным, если неподвижный убрать. Провал дает возможность скомпенсировать износ контактов, поэтому чем больше провал, тем больше срок службы контактов, но это требует и более мощную магнитную систему.

3. КОНТАКТНОЕ НАЖАТИЕ – это сила, сжимающая контакты деталей в месте их соприкосновения. Различают начальное контактное нажатие в момент первого соприкосновения контактов, т.е. когда провал равен 0. ,С – жесткость контактной пружины; - ее первоначальное сжатие

Конечное контактное сжатие при полностью выбранном провале ,

- дополнительное сжатие пружины при выборе провала.

ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ ВО ВКЛЮЧЕННОМ СОСТОЯНИИ

Существование переходного сопротивления контактов (ПСК) связано с:

- наличием окисных пленок на поверхности контактов;

- при соприкосновении контактов контактирование происходит не по поверхности, а в некоторых отдельных точках.

КАРТИНА ПРОТЕКАНИЯ ТОКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОНТАКТЕ

Суммарное сопротивление контактов: ,

R_пл – сопротивление плёнок;R_ст – сопротивление стягивания.

Для слаботочных контактов наибольшее влияние оказывает первая составляющая - . Для сильноточных - .

ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАВИСИТ ОТ:

1. Величины контактного нажатия:

,

- величина контактного нажатия;

- показатель степени, зависящий от формы контактов: =0,5 – для точечных;

=0,5 0,8 – для линейных; =1 – для поверхностных;

- коэффициент, зависящий от материала контакта.

2. От температуры:

, - температурный коэффициентПСК.

I – нарастание переходного сопротивления (ПС) до температуры, при которой происходит

II – уменьшение ПС при рекристаллизации (происходит размягчение контактов и их смятие);

III – при дальнейшем повышении температуры ПС возрастает до температуры плавления материала

IV – на этом участке при температуре плавления контакты свариваются и практически падает до 0 (t_пл для меди примерно равна 1100 °С).

3. От состояния поверхности контактов

Шлифовка контактной поверхности увеличивает ПС. Контакты сильноточных аппаратов должны зачищаться только крупнозернистыми напильниками, но не наждачной шкуркой. При шлифовке бугорки на поверхности становятся более пологими и смятие их затрудняется.

4. От материала контактов

У меди ПС с течением времени увеличивается в 1000 раз в отключенном состоянии и в сотни раз во включенном. Поэтому для медных контактов, находящихся длительное время во включенном состоянии, необходимо через каждые 8 часов отключать контакты и пару раз включить их под нагрузкой. При этом сжигаются (дуга) окислы и ПС уменьшается. Окислы серебра имеют практически такое же сопротивление как и серебро, поэтому с течением времени это сопротивление не изменяется.

ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ

При размыкании контактов количество площадок контактирования уменьшается и, наконец, остается одна площадка, которая под действием тока разогревается, металл в этом месте расплавляется и возникает жидкометаллический мостик, который впоследствии рвется. Вследствие чего возникает либо электрическая искра, либо электрическая дуга. Все определяется порогом дугообразования

ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ МАЛЫХ ТОКАХ

Если а появляется электрическая искра. Возможны 2 процесса износа:

1. износ, связанный с образованием окисных пленок или коррозия;

2. износ, связанный с переносом материала контактов с одного на другой и в окружающую среду под действием электрического поля. Он называется эрозией контакта.

Износ контактов при малых токах определяется по формуле: ,

g_и – коэффициент, характеризующий материал контакта;q – количество электричества.

Износ контактов при малых токах появляется из-за наличия цепи с индуктивностью. При резком снижении тока появляется разность потенциалов, обусловленная ЭДС самоиндукции, из-за этого возникает искровой разряд. Для уменьшения износа под действием искрового раз ряда применяют искрогасительные цепочки.

В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается.

ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ БОЛЬШИХ ТОКАХ

Возникает, если , т.е. появляется электрическая дуга.

Износ зависит:1) От количества размыканий контактов (линейная зависимость от числа размыканий)

,

- суммарный износ; - одно размыкание; - количество размыканий.

2) От напряженности магнитного поля (с увеличением износ уменьшается).

При малых дуга горит в основном на одних и тех же опорных площадках (точках) – износ достаточно велик.

При увеличении дуга перемещается к поверхности контакта – износ снижается.

При дальнейшем нарастании магнитного поля часть материала контактов выбрасывается этим полем за пределы межконтактного промежутка и износ увеличивается. При еще большем увеличении поля уже весь материал из расплавленного перешейка выбрасывается за пределы контактного промежутка и износ стабилизируется (мы отмечали , что на расходящихся контактах появляется перешеек из расплавленного металла).

3) От напряжения. При наличии магнитного поля дуга покидает межконтактный промежуток уже при зазоре 1...2 мм, поэтому износ от практически не зависит.

4) От тока (зависимость линейная). Чем больше ток, тем больше износ контактов.

5) От скорости расхождения контактов. При наличии поля износ от скорости практически не зависит. При отсутствии поля зависимость обратная, т.е. чем больше скорость расхождения, тем износ меньше.

ИЗНОС КОНТАКТОВ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИИзнос контактов при включении имеет дуговой характер и существует за счет дребезга контактов.

- максимальный ход контактов (максимальная величина отброса контакта).

- величина упругого восстановления деформации материала контактов.

Пусть контакты соприкоснулись в т. А, появился ток в цепи. Под действием силы натяжения контактной пружины контакты продолжают двигаться навстречу друг другу. В т. В движение заканчивается и под действием упругих сил начинается обратный ход контактов. В т. С контакты размыкаются. В т. Д они снова замыкаются под действием контактной пружины и т.д. В промежутке СД появляется электрическая дуга, т.е. условия появления электрической дуги

Через 2-3 периода это условие не выполняется и дребезг контактов прекращается.

Износ контактов при включении зависит от:

- предварительной деформации контактной пружины или начального контактного нажатия

с уменьшается до некоторых пор. При дальнейшем нарастании возможен отброс контактов и появления дуги, износ .

с уменьшается до некоторых пор. При дальнейшем нарастании возможен отброс контактов и появления дуги, износ .

- жесткости контактной пружины - с увеличением жесткости ;

- соотношения тяговой и механической характеристик

,

- избыточное усилие (разность между тяговой и механической характеристиками). Чем больше , тем больше скорость отброса якоря, больше энергия отброса контактов, больше износ контактов (кривая 4).

11 – механическая характеристика;22,3,4 – тяговые характеристики.

При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа.

Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 3).

МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ

Основные требования:

1. высокая электро- и теплопроводность;

2. высокая коррозионная стойкость;

3. стойкость к образованию окисных пленок с высоким удельным сопротивлением;

4. высокая твердость для исключения механического износа при частых коммутациях;

5. малая твердость для уменьшения силы контактного нажатия;

6. высокая дугостойкость ( );

7. простота обработки и низкая стоимость.

МЕДЬ

Достоинства:

1. высокая электро- и теплопроводность;

2. высокие значения порогов дугообразования;

3. относительно малая стоимость.

Недостаток: - наличие окисных пленок с высоким удельным сопротивлением.

Область применения: шины, контакты аппаратов, рассчитанные на сильно высокие токи.

СЕРЕБРО

Достоинства:

1. высокая проводимость;

2. малое удельное сопротивление.

Недостатки:

1. твердость;

2. высокая стоимость.

Область применения: контакты, накладки главных контактов 2^х ступенчатых контактных систем.

АЛЮМИНИЙ

Достоинства:

1. легкий в обработке;

2. низкая цена.

Недостаток: неудаляемость окисной пленки с высоким удельным сопротивлением.

Область применения: шины, провода.

ПЛАТИНА, ЗОЛОТО

Достоинства: что и у серебра.

Недостатки:

1. малая дугостойкость;

2. высокая стоимость.

ВОЛЬФРАМ

Достоинства:

1. высокая дугостойкость и твердость;

2. стойкость против эрозии и сваривания.

Недостатки:

1. высокое удельное сопротивление;

2. образо вание сульфидных и окисных пленок.

Область применения – в качестве дугогасительных контактов.

МЕТАЛЛОКЕРАМИКА

Результат спекания порошка вольфрама, серебра, меди, никеля. В результате полученный материал обладает всеми положительными качествами перечисленных компонентов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

При размыкании электрических цепей с помощью контактов электрических аппаратов (выключателей, автоматов, рубильников, контакторов) обычно на этих контактах возникает дуговой разряд если величины тока и напряжения превосходят некоторые критические значения.

ДУГА – это явление прохождения электрического поля через газ, который под действием различных факторов ионизируется.

Известно четыре основных пути появления в дуговом промежутке электрических зарядов – ударная и термическая ионизация, термо- и автоэлектронная эмиссии.

Ионизация есть процесс появления в дуговых промежутках электрических зарядов – положительных и отрицательных электронов.

1. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление испускания электронов из раскаленной поверхности катода.

После разрыва жидкометаллического мостика на катоде образуется пятно, которое и является основанием дуги. Под действием температуры этого пятна электроны получают энергию для преодоления потенциального барьера и выскакивают с электрона в пространство.

Количество электронов в результате термоэлектронной эмиссии невелико и этот процесс служит для разжигания дуги, т.е. является инициатором возникновения дуги. Но его недостаточно для поддержания горения. Наряду с этим процессом возникает процесс автоэлектронной эмиссии.

2. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление испускания электронов из катода под действием сильного электрического поля. (Напряженность электрического поля >100 МВ/см). Этот процесс тоже незначительный, он также может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий.

Основные два процесса, которые поддерживают дугу это:

— термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высокой температуры (основной вид ионизации).

Температура ствола дуги достигает 7000 К. Под действием этой высокой температуры возрастает число и скорость движения заряженных частиц. При этом они соударяются, электрон при столкновении с нейтральной частицей может выбить из нее электрон. В результате получается свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется – ударной ионизацией.

ПРОЦЕССЫ ДЕИОНИЗАЦИИ (гашение дуги):

1. Рекомбинация – процесс образования нейтральных атомов при соударении разноименно заряженных частиц.

2. Диффузия – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. (Вынос заряженных частиц с помощью магнитного поля).

ВАХ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Основной характеристикой электрической дуги является вольтамперная характеристика, т.е. зависимость падения напряжения на дуге от величины тока. При свободном горении дуги ВАХ дуги имеет падающий характер – с увеличением тока в дуге напряжение на ней уменьшается, т.к. сопротивление дуги уменьшается обратно пропорционально квадрату тока.

Падение напряжения на дуге зависит не только от величины тока, но также от скорости его изменения. При медленном изменении тока процессы ионизации и деионизации успевают следовать за изменениями тока, вольтамперная характеристика, снятая при таком условии, носит название статической.

При быстром изменении тока дуговой промежуток не успевает прийти в соответствие с величиной тока в цепи и напряжение на дуге будет уже не таким, как при медленном изменении тока. Характеристику дуги для такого случая называют динамической.

1- статическая характеристика (бывает только одна); 2- динамические характеристики; 3- идеальная динамическая характеристика – при мгновенном изменении тока.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ КАТОДНОЕ ПАДЕНИЕ – сосредоточено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмосферном давлении). Средняя напряженность электрического поля у катода достигает величины порядка 10⁵ В/см.

.

ПО ДЛИНЕ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Анодное падение напряжения – имеет место в области непосредственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым условием существования дугового разряда, т.к. задача анода относительно пассивна – принимать идущий к нему электронный поток.

Величина анодного падения напряжения зависит от температуры анода, рода металла и пр.

Падение напряжения в дуговом столбе ( ) представляет собой произведение напряженности электрического поля ( ) на длину столба ( ).

Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе существенно зависит от условий, в которых горит дуга и свойств дугогасящей среды. Меньшее значение относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большее – к дугам, находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.