Электромагнитные устройства

Лекция 7. 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: lФМ  Н ФМ  l З  Н З  I , (9.1) где: lФМ, lЗ - длина ферромагнитного участка и воздушного зазора соответственно; НФМ, НЗ - действующее значение напряженности магнитного поля на участках ферромагнитного материала и воздушного зазора соответственно; I - действующее значение тока в намагничивающей обмотке. Учитывая, что НЗ  В 0 Ф 1 , 0 S (9.2) а также что: RЗ  перепишем (9. 1): lЗ , 0 S (9.3) lФ  Н ФМ  RЗ  Ф  I . (9.4)  r магнитомягких Так как относительная магнитная проницаемость материалов в десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости воздуха 0, то очевидно, что lФМ  Н ФМ l З  Н З  Ф  RЗ . Поэтому вместо (9.4) можно использовать приближенное равенство: RЗФ    I . Подставляя в (9.5) вместо RЗ его значение из (9.3), а вместо: Ф (9.5) U ,   определим ток цепи: I U l .     0  S З 2 1 (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 ферромагнитных стабилизаторов Магнитные свойства ферромагнитных материалов, как правило, оценивают зависимостью: В   (Н ) , получая гистерезисные характеристики. Но нам уже известно, что: Н  lср  I , а: B Ф U .  S    S 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 вольт-амперные характеристики. I   (U ) . Такие характеристики полезны при расчете цепей из нескольких элементов. Общий вид зависимости I   (u) для магнитопровода приведен на рис. 9.1. Как и кривая начальной намагниченности, вольт-амперная характеристика имеет начальный участок (оа), линейный (аб), колено (бв) и насыщенная (в, г). Вольт-амперные характеристики применяются для определения физики работы ферромагнитных стабилизаторов. I I Dp1 I(U ) I(U ) 1 2 2 а б U в Dp 2 U Рис. 9.1 Rн Рис. 9.2 а// а/ б/ а Рис. 9.3 Упрощенная схема ферромагнитного стабилизатора включает в свой состав два разомкнутых магнитопровода (дросселя) Др1 и Др2 . Дроссель Др1 работает в линейном режиме. Он выполняет роль ограничителя максимального тока. Дроссель Др2 работает в режиме насыщения. Их вольт-амперные характеристики приведены на рис. 9.3. Здесь же приведена результирующая характеристика I (U1  U 2 ) . 2 б U Напряжение на нагрузке определяется падением напряжения на дросселе Др2 . Графики рис. 9,3. показывают, что если на входе цепи, действует напряжение Uоа, то нагрузка находится под напряжением U оа' . Часть входного напряжения падает на сопротивлении дросселя Др1 - Uоа". Пусть входное напряжение увеличилось на величину аб. Это вызывает увеличение напряжения на нагрузке на величину а'б'. Наглядно видно, что а'б' в несколько раз меньше участка аб. Реально 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.Принцип работы электромагнитных механизмов. Электромагнитные реле. В состав автоматизированных, полуавтоматизированных и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, технологическими установками и т.п. входят электромагнитные устройства (контакторы, пускатели, реле, электромагниты). С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию. Основными частями электромагнитных устройств являются: электрические контакты, механический или электромагнитный привод контактной группы, кнопки управления. 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. Рассмотрим принцип работы электромагнитного механизма. В электромагнитном механизме осуществляется преобразование электрической энергии источника питания в механическую энергию перемещения якоря. Схема механизма приведена на рис. 9.4. Она включает неподвижную 1 (ярмо) и подвижную 2 (якорь) части магнитопровода; намагничивающую катушку 3, удерживающую пружину 4. 2 1 3 4 Рис. 9.4 3 Появление тока в намагничивающей катушке приводит к намагничиванию ферромагнитных частей магнитопровода. Образовавшееся магнитное поле притягивает якорь к ярму. 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 создается падение напряжения U R  I  RL . Разность U -UR уравновешивает э.д.с. еL, т.е.: U  U R  eL . Тогда: U d  I  RL dt (9.7) (9.8) Умножим (9.8) на I  dt и проинтегрируем за время намагничивания. Тогда t  t 2  U  I  dt   I  d   R  I  dt , или: Wэ  WM  WП , где WП - энергия, затрачиваемая источником на нагрев катушки за время t. Решение выражения для WM имеет вид:  WM   Id    I / 2 (9.9) Учитывая, что:   Ф  BS , а:   I  H l , где S - площадь, а l - длина воздушного зазора, получим: WM  S  l  B  H / 2 . (9.10) При перемещении якоря совершается работа: A  WM 1  WM 2  F  l B , где WM 1 - энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воздушного зазора l1 ; WM 2 - энергия магнитного поля с длиной воздушного зазора l 2 ; l B  l1  l2 . С учетом (9.10) можем записать: 4 A  S  ( B  H ) / 2l B . Так как H  B /  0 , то:   A  S  B 2 /( 2 0 )  l B  F  l B , где: F  S  B 2 / 20  4,08  104  S  B 2  l[кГ ]. (9.11) Выражение (9.11) определяет силу [кГ], с которой магнитное поле действует на якорь. Очевидно, что значение силы зависит от длины зазора l B и магнитодвижущей силы   I . Если к катушке подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону: Ф(t )  ФМ  sin t . В этом случае мгновенное значение силы, притягивающий якорь к ярму определяется выражением:   2 F (t )  ФM /(20  S )  sin 2 t , где ФМ  ВМ  S . После преобразования получим: ФМ2 ФМ2 F (t )    cos 2t . 4 0 S 4 0 S (9.12) Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную составляющую. Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоянной составляющей. Пульсация F(t) вызывает вибрацию якоря (дребезг). В однофазных электромагнитных механизмах для устранения пульсации на якоре размещают короткозамкнутый (КЗ) виток провода. Переменный магнитный поток Ф(t) наводит в КЗ витке э.д.с., сдвинутую по фазе на 90 0 относительно ФМ. По витку протекает ток iK, который создает поток ФКМ, совпадающий по фазе с э.д.с. Теперь на якорь начинает действовать пульсирующая сила с удвоенной частотой, т.е. cos 4t. В итоге постоянная составляющая силы возрастает, пульсация уменьшается. Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком. Выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. Реле применяют в цепях управления с током не более 1А. Входной или управляющей 5 величиной реле могут быть электрические, механические, тепловые и др. воздействия. На рис. 9.5. показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенной магнитодвижущей силе (МДС) в цепи управления возникающая 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 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, электродвигателей и т.п. При нарушении нормального режима 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 быстродействующие (tср 0,05с ), нормальные (tср  0,05  0,25с ) и с выдержкой времени (реле времени). Реле, не реагирующее на направление управляющей величины (например, тока), называют нейтральным. Реле, чувствительные к полярности управляющей величины, называют поляризованными. Если исполнительный элемент реле (подвижные контакты) непосредственно воздействует на цепь управления, то это реле прямого действия. Когда воздействие осуществляется через другие аппараты - реле косвенного действия. 4 3 5 + U 6 7 2 wy + 1 Uy Iy Рис. 9.5 6 -