Elektrotehnika_i_elektronika_2008
.pdf131 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины
'itt
Рис. 2.8. Вебер-амперная характеристика
где 1 -- ток в катушке; Ч, = 0) - потокосцепление; w - чйсло витков катушки; Ф - магнитный. поток в магнитопроводе и воздушном зазоре 1В при данной магнитодвижущей силе 0)1. .
Эту энергию можно изобразить в виде заштрихованной площади на рйс. 2.8. .
Если пренебречь магнитным сопротивлением магнитопровода,
то зависимость ^(i) при наличии воздушного зазора ,1В будет йзоб |
|
ражаться прямой линией (рис 2.9), . тогда +можно записать |
|
w^ = f^W^dчг |
(2.4) |
0 |
|
Рис. 2.9. Упрощенная вебер-амперная характеристика
Учитывая, что 'i' гоФ = .wBBSB, гдё s — площ дь, a 1в -- длина |
||
воздушного зазора, получим выражение |
|
|
w = |
_ В2 В'вив _ Имо v . |
(2.5) |
|
2 |
|
Здесь В - магнитная индукция в воздушном зазоре; Н - напря- |
||
женность магнитного |
толя в воздушном зазоре; W0удельная |
|
Электротехника и электроника |
132' |
г |
|
энёргия магнитного поля в, воздушном зазоре; V5— объем воздуш-
ного зазора.
Будем считать, что при срабатывании электромагнитного меха-
низма происходит уменьшение воздушного : зазора Л1 при неизмен - ном токе в обмотке возбуждения. При перемещении якоря произ-
водится, работа . |
(2.б) |
ЛА = Им1 — W 2 = РЛ4, |
где . WM 1— энергия, запасенная в магнитном поле электромагнитного
механизма по окончании .процесса перемагничивания при некотором значении длины воздушного зазора 1в (площадь 4а 1 Ы на характерис-
тике рис. 2..10); Им2 -- энергия магнитного поля электромагнитного механизма по окончании перемещения якоря на величину д' в направлeнии уменьшения воздушного зазора (площадь 0а2b2 на рис. 2.10).'
Рис. 2.10. Измерение вебер-амперной характеристики при измерении зазора
Очевидно, при. сделанных допущениях с уменьшением зазора магнитный поток в магнитопроводе возрастает (так как г й = const),
Таким образом, если учесть,. что (см. рис. ,2.10) |
. |
|||
- |
|
|
|
|
1 l |
ш^1 s1т |
|
В1'1 Н1 11 |
|
2. |
2 |
|
2 |
|
и . при новом положении якоря |
|
|
|
|
2 l |
С)в2 s1.1 |
= |
В2 s1 Н212 |
|
2 |
2 |
2 |
|
|
и приняв s1. = s (средняя площадь поперечного сечения воздушного зазора), найдем
(2.7)
133Глава 2. Электромагнитные устройства u элeктрические машины
•Учитывая, что B = µ0Н (для магнитного поля в воздушном зазоре), получим
( |
2.. |
|
^тг . |
|
(2.7а) |
аА = sB |
11 _ |
"^'^ |
г |
||
|
|
' |
|
Эта элементарная механическая работа может быть представлена как произведение электромагнитной силы ' F на элементарное перемещение якоря в направлении изменения воздушного . зазора, т. e.
F= лА/Л1$. |
(2.8) |
Из опыта известно, что сила направлена в сторону уменьшения зазора (якорь .притягивается к ярму). Примем что перемещение якоря на малую величину Л1 не приводит к изменению магнитно
го потока Ф в магнитопроводе и в воздушном зазоре, т. e . в (2.7а) |
|||
В1 = В2 = В. |
Тогда значение электромагнитной силы |
|
|
|
F .— s В2 |
= `Ф2 . ., . |
(2.9) |
|
s |
2µ0s |
|
|
2µo |
|
|
где В — значение магнитной индукции в воздушном зазоре длиной 1В сечением sB. .
Очевидно, значение силы, действующей на якорь, изменяется c изменением дгtины зазора 1В: известно,. что чем меньше 1 в, тем боль-
ше В, и, следовательно, тем больше сила F притяжения .к ирму
. Зависимость Р(i) называют тяговой характеристикой электромагнитного механизма.;
Если В выразить в тесла (Тл), площадь поперечного сечения s s за-
зора в м2 и учесть, что |
о-= 4i 1о . Гн/м, то сила тяги в килограммах |
определится по формуле |
|
F 4,О8В2 sB• 1О-4. |
|
|
|
Тяговая характеристика электро- |
д . |
|
|
магнитного механизма имеет вид |
'Fr |
|
|
гиперболической зависимости |
|
|
|
(рис . 2.11). Крутизна этой харак- |
|
|
|
теристики зависит от формы и |
|
|
|
размеров воздушного зазора, кон- |
|
|
wI2 |
фигypации магнитного поля в зазо- |
|
|
|
ре и значения магнитодвижущей Fnp |
|
|
|
силы со1. . |
|
|
|
По тяговой характеристике |
- ! |
|
, |
можно определить длину 1s, при |
|
||
которой сила F притяжения якоря |
12 |
1^ |
1В |
электромагнитного механизма к |
Рис. 2.11. Тяговые характеристи- |
|
ярму превышает силу F^ p противо |
||
ки электромагнитного механизма |
||
|
Электротеxника и электроника |
134 |
действующей пружины, удерживающей .якорь в начальном положении. Очевидно, при большей МДС (Ы2 механизм срабатывает и при
большем зазоре (из рис. 2.11 видно, что 1 2 > 11 ). По этой же характеристике , можно найти силу F притяжения якоря к. ярму при любом '^начении. 1в: Еще раз подчеркнем, что при уменьшении длины за - зора 1 сила F возрастаем:
2...4. Работа электромагнитны х механизмов переменного тока
Обращаясь к описанию работы индуктивной катушки на ферромагнитном магнитопроводе с воздушным зазором ; отметим, что. в электромагнитных механизмах переменного тока амплитуда магнитного потока Ф,,,. почти не зависит от, воздушного зазора 1В. Это утверждение тем строже, чем меньше потери энергии в обмотке.. При этом следует помнить, что действующий ток в обмотке зави=
сит от зазора. При включении электромагнитного механизма (пока значение 1в велико) ток l,, ' в катушке имеет большее значение., чем после срабатывания, когда зазор уменьшается почти до нуля. По-. этому задержка движения' якоря недопустима, так как 1„ К » 1 ном• Важно также помнить, что. ток 1 в катушке электромагнитного механизма, подключенной к источнику переменного синусоидального напряжения, отстает по фазе от.напряжёния U почти на 9.0 0 , . т. e. для возбуждения магнитного. поля необходима реактивная (индук-
тивная) мощность Q ; UI sin ср. ' .
Если магнитный поток в магнитопроводе и воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону Ф(в) = Ф,,, sin ф, то мгн вен-
ное значение силы, притягивающей якорь к ярму, выразится в виде
соотношения
|
- |
|
Фт s1ri 2 (^l;t', |
|
|
|||
|
^'{t }= |
|
'‚ |
|
|
|
(2:10) |
|
|
|
^ |
|
_ |
|
|
|
|
или |
|
ф2 |
|
ф2 |
cos(2(он) |
|
|
|
F{t} = |
"t |
т |
. |
(2.1оа) |
||||
|
4µ оSв. |
4р,оsв |
|
|||||
Следовательно, тяговaя сила содержит переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения,. и амплитуду, равную постоянной составляющей или среднему за период значению тяговой силы.
Таким образом, на якорь действует переменная сила, среднее значение которой
135 Глава 2. Элeктромагнuтныe устройства и электрические машины
С) |
1 |
Фт |
|
2 |
2iiр sВ |
||
|
Пульсация силы F(t) 'отрицательно сказывается на работе
электромагнитных механизмов переменного тока, вызывая . вйбрацию якоря (шум, дребезг).
B однофазных электромагнитных. механизмах (электромагнитах)
для устранения пульсации силы на якоре .размещают короткозамкну-
тый виток провода (рис.. 2.12): Переменный (синусоидальный)' магнитньгй поток Ф(г) наводит в короткозамкнутом витке ЭДС ё . ЭДС
е сдвинута относительно магнитного потока Ф,, на 9о° (рис. 2.13).
Короткозамкнутый
виток
Якорь
Рис. 2.12. Схема применения короткозамкнyтого витка провода
• в однофазных электромагнитах
"с
Рис. 2.13. Векторная диаграмма магнитных потоков
Электротехника и электроника |
136 |
Под действием ЭДС е возникает ток i ,. пoложительное направ-
ление которого совпадает с направлением . ЭДС е К. На рис. 2.13 ток
IK принят совпадающим c вектором Е. Магнитодвижуцщя сила свКгК
возбуждает магнитный поток ФКт, который практически совпадает c током I •
Суммарные магнитные потоки |
Ф21 + |
Ф' и Ф1 r — Ф 1 (РИС : 2.12) |
можно представить в виде комплексных амплитуд |
||
Ф1т !" Фкт ' |
Ф2 т `^' |
'1% _L +Фкт |
•и соответствующих изображающих векторов на диаграмме рис.: 2.1 3. Из диаграммы рис. 2.13 следует, что резулвтирующие магнитные
потоки Ф оказы ваются сдвинутыми по фазе на угол ср. При этом на
якорь, очевидно, начинают действовать две пульсирующие силы F, переменные составляющие которых сдвинуты по времени. B итоге постоянная составляющая результирующей силы возрастает, a пульсация уменьшается.
Fr
|
2 |
1 |
1 |
1 |
, |
На рис. 2.14 приведёны для сравнения
экспериментально полученные тяговые
характеристики электромагнитных механизмов постоянного (кривая 1) и пере-
. менного (кривая 2) токов. Из сравнения этих характеристик видно, что тяговое
усилие F в: электромагнитах переменного тока при изменений 1в в широких пределах изменяется меньше, чем в электромагнитах постоянного тока..
2.1.5. Электрические реле
1в. нач.. 1в
Основные понятия. Реле устройство,
Рис.. 2.14. Тяговые характе- в котором при достижении определеннористики электромагнитов го значения входной величины выходная
величина' изменяется скачком выходные контакты либо замыкаются в управляемой цепи появляется ток (напряжение), либо размыкаются. Реле применяют в цепях управления c током менее 1 A. входной величиной реле могут быть механические, тепловые, электрические и другие внешние воздей -
ствия..
Широкое распространение получили электрические реле (электро-
магнитные, магнитоэлектрические, электродинамические:, индукционные), которые реагируют на изменения тока (напряжения) в
обмотке .управления (намагничивающей обмотке). На рис. 2.15, a
показано устройство простейшего электромагнитного реле клапан-
137 Глава 2. Электромагнитные густройства и электрические машины
S
г
a
Рис. 2.15. Устройство (а) и внешний вид. (б) электромагнитного реле
клапанного типа
ного типа: при .определенной МДС в :цепи управления ^yly воз-
никающая электромагнитная сила F притяжения якоря 3 к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Реле срабатыва ёт, воздушный зазор уменьшается, клапан 4 нажимает на подвиж- ный контакт S и прижимает его ё силой F, зависящей от значения воздушного зазора в конце хода якоря, к неподвижному контакту б. Управляемая цепь (цепь управления) замыкается, исполнительный элемент 7 производит требуемое действие. Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнyты, в по-
следнем случае при срабатывании реле они размыкаются -- действие
каких-либо устройств прекращается. Первоначально открытые (за
мыкающие) контакты изображают на схемах, как показано на
рис. 2.1б, a, первоначально закрытые .(размыкающие) контакты
имеют условное обозначение, показанное на рис. 2.16, 6.
-0
а |
б |
Рис. 2.1б. Условное графическое обозначение контактов
Элёхтротехника и эл^ктроника
Многие электромагнитные реле имеют несколько контактных. пар, тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.
Электрические реле выполняют множество функций, связанных с контролем режимов работы важных элементов электрической цепи --- генераторов, трансформаторов, линий передач, различных приемников. ' .
При нарушении нормального режима того или иного элемента соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо ' отключает поврежденный участок. Такие реле --- реле защиты - могут «наблюдать» за током в цепи (токовая защита), напряжением на отдельных участках'.(защита по напряжению), изменениям мощности (реле мощ- :ности), измененйем. частоты тока и т..д. .
В зависимости от значения или направления входной. величины,
приводящей к срабатыванию реле, .различают реле: максимальные, 'мйнимальные, направленного действия, дифференциальные и др.
В , зависимости от времени срабатывания -- отрезка времени от момента появления управляющего воздействия до момента замыкания
контактов реле -- различают реле быстродействующие (t('р < 0,05 c), нормальные (t' = 0,05-0,25 c) и с выдержкой времени (реле времени).
Если реле «реагирует» только на значение входной величины
(тока) и «не реагирует» на направление этой величины, то его назывaют нейтральным. Реле, «чувствующие» полярность (направление) входной величины .(напряжения, тока), называются поляризованными. .
По способу воздействия исполнительного элемента реле на управляемую величину различают реле прямого действия, в которых исполнительный элемент (у ' электромеканинеских реле исполнительным элементом явлвется подвижная контактная система) не-
посредственно возде и ствует на цепь управления, и реле косвенного
й
действия, в которых исполнительный элемент воздействует на контролируемую цепь через другие аппараты. .
По способу включения воспринимающего элемента различают. первичные, вторичные и промежуточные, реле.
Вoспринимающим элементом электромагнитных реле является электромагнит, преобразующий управляющий ток (напряжение) в перемещение якоря относительно ярма. Воспринимающими элементами других электрических реле могут быть магнитоэлектрический механизм, индукционная система; электродинамический механизм и т. д.
Воспринимающий элемент, первичных реле включается непос редственно в контролируемые цепи. Y вторичных реле восприни мающий элемент включается в контролируемые цепи через измери тельные трансформаторы. Промежуточные реле работают в цепях
139 Глава 2. Электpомагнитные нустройства и электрические машины
исполнительных элементов других реле и предназначаются для уси-
ления и преобразования сигналов первичных или вторичных реле. Реле защиты . Рассмотрим устройство: . и принцип действия
электромагнитных реле токовой защиты реле максимального тока. Электромагнитные реле; получившие очeнь широкое распростра= . нение, по конструктивному исполнению воспринимающего элемен-
та бывают клапанного типа и с поворотным якорем. .
Реле клапанного тира (см. рис. 2.15, б) широко применяют в качестве реле максимального тока. обозначения на рис. 2;15, б: 1--
•катушка возбуждения; 2 - ярмо; 3 — клапан (якорь); 4 — l онтактная группа. Катушка возбуждения реле тока Р включается
последовательно в контролируемую цепь (рис: 2.17). При токах I в этой цепи, превышающих допустимые значения, сила притяжения
якоря к ярму преодолевает сопротивление пружины и приводит к
размы канию или замыканию контактов Р в цепи управления. другого аппарата (рис. 2.17, a, б) — аппарата КМ.,
гIсточник1 |
КМ |
р |
|
Т |
|
. |
|
^ |
|
|
|
|
PT |
|
|
I 17pueмнuк 1 |
a |
б |
|
Рис. 2.17. Схемы включения реле максимального тока
. Размыкание контактов Рт в цепи аппарата (реле) КМ (рис. 2.17, a) приводит к размыканию контактов КМ в контролируемой цепи
питания приемника, т. в. цепь тока I разрывания . (одновременно
размыкаются контакты КМ 1 , 'шунтировавшие кнопку «Пуск»). Ис-
чезновение тока I в цепи возбуждения реле тока Р,. приводит вновь к замыканию его контактов Р (контакты этого реле при отсутствий
тока в его обмотке всегда замкнуты), .но теперь цепь. возбyждения
реле КМ разомкнута, так как кнопка «Пуск» не включена и разом кнуты контакты КМ 1 Для включения. цепи питания приемника ,
следует вновь нажать кнопкy «Пуск», реле КМ сработает й замкнет
свои контакты КМ 1 . Кнопку «пуск> после этого можно отпустить; так как цепь возбуждения реле КМ продолжает быть замкнутой через шунтирующие кнопку «Пуск». контакты КМ 1 .
Срабатывание реле - Р на схеме рис. 2. .17, 6 приводит к замыка-
нию первоначально разомкнуты к контактов Р в цепи реле КМ. Реле
Электротехника и электроника |
144 |
• КМ срабатывает и размыкает свои первоначально замкнутые контакты КМ, шунтировавшие резистор R в цепи питания приемника. При этом последовательно c приемником включается резистор с со - противлением Р и тем самым значение тока в цепи ограничивается. Когда ток снизится до нормального значения, реле Р,, «отпустит» свои контакты Р,., реле КМ отключится и резистор , будет вновь зашунтирован контактами КМ.
B качестве токовых реле применяют также реле c поворотным якорем (рис. 2.18 ) , где между полюсами электромагнита 1 помещен якорь 3 из магнитомягкого материала. B отсутствие тока в обмотке
Рис. 2.18. Устройство реле c поворотным якорем
возбуждения 2 пружина 4 удерживает якорь в таком положении, что контакты 5 и б разомкнуты, т. е, цепь управления (1у -- 2у) разомкнута. Когда ток в обмотке возбуждения электромагнита достигнет значения, при котором сила, стремящаяся повернуть якорь к ярму, превысит силу противодействия пружины, якорь повернется, контакты 5 и 6 замкнутся, в. управляемой' цепи произойдет желаемое.
изменение режима. Вращение поводка, связанного c пружиной, вызывает изменение силы противодействия 'пружины 4 и, следовательно, настройку реле на требуемый ток срабатывания. Значения токов срабатывания указывают на шкале. Это же реле может быть использовано для контроля значения напряжения на каком-либо элементе. B этом случае его обмотка возбуждения, очевидно, должна иметь значительно большее количество витков из провода мень- шего диаметра по сравнению c обмоткой тока.
Защиту приемника' от недопустимого снижения напряжения на
нем можно осуществить c помощью реле Минимального напряжения, включенного по схеме' рис. 2.19.