Учебное пособие: Электрические аппараты

В электромагните переменного тока средняя сила в 2 раза меньше, чем у электромагнита постоянного тока при том же значении индукции. Однако с ростом зазора, с одной стороны, растет магнитное сопротивление рабочего зазора, с другой — растет ток в обмотке, так что поток в рабочем зазоре падает только за счет активного падения напряжения в обмотке. Таким образом, электромагнит переменного тока как бы имеет автоматическую форсировку. При большом зазоре создается большая н. с. обмотки, которая обеспечивает необходимую величину потока в рабочем зазоре. В связи с этим электромагниты переменного тока могут работать при относительно больших ходах якоря.

Основы теории, динамика работы и время срабатывания электромагнитов

В большинстве электромагнитов, имеющих обмотку напряжения, процесс срабатывания имеет динамический характер.

После включения обмотки электромагнита происходит нарастание магнитного потока до тех пор, пока сила тяги не станет равна противодействующей силе. После этого якорь начинает двигаться, причем ток и магнитный поток изменяются по весьма сложному закону, определяемому параметрами электромагнита и противодействующей силой. После достижения якорем конечного положения ток и магнитный поток будут продолжать изменяться до тех пор, пока не достигнут установившихся значений. Время срабатывания электромагнита — это время с момента подачи напряжения на обмотку до момента остановки якоря:

где  — время трогания, представляющее собой время с начала подачи напряжения до начала движения якоря; — время движения, т. е. время перемещения якоря из положения при зазоре  до положения при зазоре.

К моменту остановки якоря переходной процесс еще не закончен и ток в обмотке продолжает возрастать от значения  до установившегося значения .

Рассмотрим подробно все эти стадии для электромагнита постоянного тока с обмоткой напряжения.

а) Время трогания.

После включения цепи напряжение источника уравновешивается активным падением напряжения и противо-ЭДС обмотки:

U

Так как в начальном положении якоря рабочий зазор относительно велик, то магнитную цепь можно считать не насыщенной, а индуктивность обмотки — постоянной. Поскольку и , можно преобразовать:

.

Решение этого уравнения имеет вид

,

где  — установившееся значение тока; — постоянная времени цепи.

Ток обмотки, при котором начинается движение якоря, называется током трогания , а время нарастания тока от нуля до — временем трогания .

Для момента трогания выражение для тока можно записать в виде

Решив относительно , получим

.

Время трогания пропорционально постоянной времени Т и зависит от отношения , увеличиваясь с приближением этого отношения к единице.

б) Движение якоря.

Как только начинается движение якоря (точка а на рис.1), зазор уменьшается и его магнитная проводимость возрастает и индуктивность обмотки увеличиваются, поскольку. Так как при движении якоря индуктивность изменяется, то примет вид

.

При движении якоря  поэтому и начинают уменьшаться, поскольку сумма всех слагаемых равна неизменному значению напряжения источника U. Зависимость тока от времени показана на рис. Чем больше скорость движения якоря, тем больше спад тока. В точке b, соответствующей крайнему положению якоря, уменьшение тока прекращается. Далее ток меняется по закону

где— постоянная времени при.

Начало движения якоря имеет место при (рис.). При движении якоря ток вначале еще немного нарастает, а затем падает до значения, меньшего . Таким образом, во время движения якоря, когда зазор меняется от начального  до конечного , ток в обмотке значительно меньше установившегося значения . Поэтому и сила тяги, развиваемая электромагнитом в динамике, значительно меньше, чем в статике при .

в) Отпускание электромагнита.

При размыкании цепи обмотки электромагнита магнитный поток в нем начинает уменьшаться из-за введения в цепь большого сопротивления дугового или тлеющего разряда между контактами. Магнитный поток уменьшается, и в момент, когда сила тяги электромагнита становится меньше усилия пружины, происходит отпускание якоря. Время отпускания состоит из времени спада потока  от установившегося до потока отпускания  и времени движения .

Процесс отпускания описывается уравнением

,

где  — сопротивление искры (дуги);  — индуктивность цепи обмотки при конечном зазоре.

Если положить, что, то решение уравнения примет вид

где  — постоянная времени, равная . Обычно .

Так как велико, то очень мало. Процесс спада тока, а следовательно, и магнитного потока протекает очень быстро. Если сердечник, на котором размещается обмотка, сплошной и имеет большое сечение, то спад магнитного потока замедляется, так как в сердечнике возникают вихревые токи, поле которых стремится поддерживать спадающий поток . Это необходимо учитывать при расчете .

После трогания якоря его движение происходит за счет усилия противодействующей пружины. Время движения при отключении определяется выражением

,

где

–среднее значение усилия противодействующей пружины при конечном и начальном зазоре,

масса подвижных частей электромагнита.

г) Ускорение и замедление срабатывания и отпускания электромагнитов постоянного тока.

В большинстве случаев основную часть времени срабатывания составляет время трогания. Поэтому для изменения времени срабатывания воздействуют прежде всего на .

Допустим, что ток трогания не изменяется (неизменна сила противодействующей пружины). Рассмотрим влияние активного сопротивления цепи при неизменных индуктивности и питающем напряжении. После включения электромагнита ток в обмотке изменяется по выражению

.

Скорость нарастания тока .

И при

.

Таким образом, скорость нарастания тока в момент включения не зависит от активного сопротивления цепи и определяется только питающим напряжением и индуктивностью цепи, . Изменение тока во времени при различных значениях активного сопротивления цепи и  показано на рис.1.

Следует отметить, что, поскольку  и — одинакова для обоих случаев кривая тока  идет выше кривой тока  и, что обеспечивает ускорение срабатывания при . Это же следует из анализа. По мере увеличения сопротивления  установившийся ток  приближается к току, знаменатель у логарифма стремится к нулю, а сам логарифм растет до бесконечно большого значения. Поэтому увеличение активного сопротивления ведет к росту времени трогания . Постоянная времени Т с ростом сопротивления уменьшается, и, следовательно, снижается время трогания, но влияние этого множителя меньше, чем влияние логарифма. Чем меньше активное сопротивление цепи, тем быстрее будет срабатывать электромагнит. Для уменьшения сопротивления R при неизменной индуктивности L необходимо увеличивать сечение обмоточного провода q, что вызывает увеличение окна Q0 и габаритов электромагнита в целом. Мощность, рассеиваемая в виде тепла,  также возрастает, что требует увеличения поверхности охлаждения катушки. Ускорить срабатывание электромагнита при неизменных его габаритах можно с помощью специальных схем форсировки. Для того чтобы добиться эффекта уменьшения сопротивления R при неизменных размерах электромагнита, широко применяется схема форсировки (рис. 1). Введенный в схему добавочный резистор шунтирован размыкающим контактом К1, связанным с якорем электромагнита. После замыкания контакта К2 малое сопротивление обмотки R способствует быстрому нарастанию тока до тока трогания. После начала движения якоря контакт К1 размыкается и в цепь вводится сопротивление, благодаря чему мощность Р, выделяемая в обмотке, ограничивается в соответствии с выражением

Иногда вместо контакта К.1 используется конденсатор С. В первый момент времени незаряженный конденсатор уменьшает падение напряжения на резисторе , благодаря чему обеспечивается форсировка электромагнита. В установившемся режиме ток в цепи ограничивается резистором . Емкость конденсатора, мкФ, рекомендуется брать равной

,

где L — индуктивность обмотки электромагнита, Гн; R — ее активное сопротивление, Ом; — сопротивление добавочного резистора, Ом.

 а)                                                                               б)

Рис.1. Изменение тока в обмотке при включении. Схема форсировки электромагнита (а); ток в обмотке электромагнита при различных активных сопротивлениях цепи (б).

Рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания. При уменьшении питающего напряжения уменьшается значение  установившегося тока, что ведет к увеличению значения . При  время трогания .

Минимальное напряжение, при котором электромагнит может сработать, . С ростом питающего напряжения время трогания уменьшается в связи с уменьшением  из-за роста. Зависимость  изображена на рис.1. Иногда возникает необходимость ускорить срабатывание уже готового электромагнита, не затрагивая его конструкцию и входящие в нее узлы и детали. Увеличение питающего напряжения без изменения активного сопротивления цепи ведет к ускорению срабатывания, но обмотка электромагнита может сгореть, если при номинальном значении питающего напряжения ее температура близка к предельно допустимой. В этих случаях рекомендуется при повышении питающего напряжения в цепь включать добавочный резистор, сопротивление которого обеспечивает неизменность тока . Ускорение срабатывания происходит за счет уменьшения постоянной времени. Величина           остается неизменной.

На рис.2 показаны зависимости  при различных значениях  и при неизменном установившемся токе электромагнита. Кривые показывают, что чем больше постоянная времени, тем больше время трогания.

Рис.2.Зависимость времени трогания от напряжения питания и зависимости i=f(t) при различных постоянных времени и неизменном значении .

Отметим, что при прочих равных условиях увеличение натяжения противодействующей пружины ведет к росту и .

Для создания электромагнитов замедленного действия применяется короткозамкнутая обмотка. Такая обмотка может иметь всего один виток в виде медной или алюминиевой гильзы, надеваемой на сердечник электромагнита. Электромагнит с короткозамкнутой обмоткой w2 показан на рис. 3.

При включении питающей обмотки и нарастании создаваемого ею магнитного потока в короткозамкнутой обмотке наводится ЭДС. Последняя вызывает ток такого направления, при котором магнитный поток короткозамкнутой обмотки направлен встречно потоку питающей обмотки. Результирующий поток равен разности этих потоков. Скорость нарастания потока в электромагните уменьшается и время трогания увеличивается.

Если принять, что короткозамкнутая обмотка пронизывается тем же потоком, что и питающая (отсутствует рассеяние), то поток нарастает по экспоненте с суммарной постоянной времени :

где  – установившийся поток;  ; — постоянные времени обмоток.

Если пренебречь потоками рассеяния, то индуктивности обмоток согласно равны:

;

При отпущенном якоре  и значение  мало. Суммарная постоянная времени  невелика, и замедление электромагнита при срабатывании получается небольшим.

Рис.3. Электромагнит замедленного действия, изменение тока в обмотках электромагнита при отключении

При отключении электромагнита можно считать, что ток  в питающей обмотке практически мгновенно спадает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка в отключающем аппарате К (рис. 3).

Поскольку магнитный поток в системе мгновенно не может измениться, в короткозамкнутой обмотке возникает ток

.

Спадание магнитного потока определяется процессом затухания этого тока. При спадании потока в короткозамкнутой обмотке наводится ЭДС и возникает ток, направленный так, что поток, создаваемый обмоткой , препятствует уменьшению потока в системе. Замедленное спадание потока создает выдержку времени при отпускании.

Для короткозамкнутой обмотки и ненасыщенной магнитной системе можно записать

,

Решив уравнение, получим

где  — начальное значение тока в короткозамкнутой обмотке (при t=0);  — индуктивность короткозамкнутой обмотки при притянутом якоре. Очевидно, что . Умножив обе части на получим

где—установившийся магнитный поток при включенной питающей обмотке.

Рабочий зазор при притянутом якоре в десятки и даже, в сотни раз меньше, чем при отпущенном. Поэтому постоянная времени при притянутом якоре  и замедление времени трогания при отпускании может достигать 10 с, тогда как задержка времени трогания при срабатывании составляет доли секунды.

После затухания тока i2 в цепи устанавливается остаточный магнитный поток, определяемый кривой размагничивания материала магнитопровода и воздушным зазором . Возможны случаи, когда остаточный магнитный поток создает силу притяжения большую, чем сила, развиваемая пружиной. Происходит так называемое залипание якоря, когда якорь остается в притянутом положении после отключения питающей обмотки. Для устранения залипания на торце сердечника или якоря устанавливается тонкая немагнитная прокладка. Наличие этой прокладки обеспечивает фиксированный достаточно малый конечный зазор, что приводит к снижению остаточного магнитного потока и устранению залипания.

В электромагнитах для реле времени магнитная система при притянутом положении якоря сильно насыщена. В этом случае справедливо уравнение

Решив уравнение относительно , получим

,

где  — магнитный поток, при котором усилие пружины равно электромагнитной силе;  — начальное значение потока.

Выдержка времени при отпускании при прочих равных условиях определяется начальным потоком Фу уравнения. Этот поток определяется кривой намагничивания магнитной системы в замкнутом состоянии. Поскольку напряжение и ток в обмотке пропорциональны, зависимость повторяет в другом масштабе зависимость . Если система при номинальном напряжении не насыщена, то поток Фу сильно зависит от питающего напряжения. При этом выдержка времени также зависит от напряжения обмотки. Для независимости выдержки времени от питающего напряжения магнитная цепь электромагнитов делается сильно насыщенной. На рис.4 представлена кривая намагничивания магнитной системы . В зоне насыщения колебания питающего напряжения на  ведут к незначительному изменению установившегося потока и колебанию времени отпускания в пределах от до . Вся рабочая зона лежит в области напряжений выше . При работе в ненасыщенной зоне  даже небольшие колебания питающего напряжения приводят к значительному изменению потока Фу и выдержки времени на отпускание.

 В разнообразных схемах автоматики, в которых используются электромагниты, напряжение на их питающие обмотки может подаваться кратковременно. В этом случае для стабильности выдержки времени при отпускании необходимо, чтобы длительность приложения питающего напряжения была достаточна для достижения потоком установившегося значения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22