Меню

Динамика работы электромагнита постоянного тока

ДИНАМИКА И ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

а) Время срабатывания. До сих пор мы рассматри­вали только статические характеристики электромагни­тов, когда в их обмотке проходит неизменный ток, при­чем якорь либо неподвижен, либо якорь движется, но ток в обмотке не меняется по своему действующему зна­чению, поскольку электромагнит имеет последователь­ную обмотку. В таком режиме работают тормозные и удерживающие электромагниты. В большинстве электромагнитов процесс имеет динамический характер. В этом случае после включения обмотки электромагнита про­исходит нарастание потока в магнитной цепи до тех нор, пока сила, развиваемая электромагнитом, не станет рав­на противодействующей силе. По достижении указанно­го равенства якорь начинает двигаться. При этом ток и поток меняются по весьма сложному закону, определяе­мому параметрами электромагнита и противодействую­щей силой. После того как якорь придет в свое конеч­ное положение, ток и поток в электромагните будут про­должать изменяться до тех пор, пока не достигнут уста­новившегося значения.

Рассмотрим более подробно все эти три стадии для электромагнита постоянного тока с параллельной обмот­кой. Первая стадия — с момента подачи напряжения до начала трогания якоря. Начиная с момента включения обмотки и до момента начала движения якоря напряже­ние источника уравновешивается активным падением на­пряжения и противо– э. д. с. в катушке:

Так как в начальном положении якоря рабочий зазор имеет относительно большое значение, магнитная цепь может считаться ненасыщенной, а индуктивность обмот­ки— постоянной величиной. Поскольку потокосцепление и уравнение можно преобразовать:

Решение этого уравнения относительно тока, как из­вестно, имеет вид:

где –установившееся значение тока;

–постоянная времени цепи.

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

Для момента трогания можно записать в виде

Решив относительно времени трогания, получим:

Таким образом, во-первых, время трогания пропорцио­нально постоянной времени T, и, во-вторых, по мере при­ближения к время трогания начинает быстро расти. Как только начинается движение якоря, зазор умень­шается и индуктивность увеличивается, поскольку . Так как при движении якоря индуктивность изменяется, то примет вид:

.(5.8)

При движении якоря , поэтому величина тока и начинают уменьшаться, поскольку сумма всех падений напряжения равна неизменному значению на­пряжения источника U. Зависимость тока от времени показана на рис. 5.1. Чем больше скорость движения якоря, тем боль­ше спад тока. В точке b якорь до­стиг своего крайнего положения и уменьшение тока прекратилось. По­сле остановки якоря ток будет уве­личиваться до тех пор, пока не до­стигнет установившегося значения причем постоянная времени будет больше, чем , посколь­ку конечный зазор меньше, чем начальный зазор . Так как в притянутом положении якоря рабочий зазор мал, то возможно насыщение магнитной системы, и за­кон нарастания тока будет отличаться от экспоненци­ального, что необходимо учитывать при расчете времени установления потока.

Рис. 5.1. Зависимость тока от времени

Имеется целый ряд методов расчета процессов в электромагните при движении якоря. Как показано на рис. 5.1, в динамике начало движения имеет место при токе . При движении якоря ток вначале еще немного нарастает, а затем пада­ет до величины, меньшей то­ка трогания. Таким образом, в процессе движения якоря, когда зазор меняется от на­чального до конечного зна­чения, величина тока в об­мотке значительно меньше установившегося значения. Поскольку при движении якоря во всех точках его пу­ти ток в обмотке меньше установившегося значения, то и сила, развиваемая электромагнитом, в динамике значительно меньше, чем в статике при . С этим необходимо считаться при согласовании силы тяги элек­тромагнита и противодействующих сил.

Для ориентировочного определения времени движе­ния можно воспользоваться статической характеристи­кой. На рис.5.2 изображены статическая тяговая ха­рактеристика электромагнита и характеристика про­тиводействующей силы. Разность сил , идет на сообщение ускорения подвижным частям:

где –масса подвижных частей, приведенная к рабочему зазору; –перемещение якоря; –скорость движения якоря.

После интегрирования получим:

Интеграл удобно рассчитывается графоаналитически. Скорость в точке хода б равна:

где — масштаб по оси силы; — масштаб по оси перемещения; -площадь, пропорциональная работе движущей силы.

Рис.5.2. Статическая тяговая ха­рактеристика электромагнита и характеристика про­тиводействующей силы

Зная скорость в любой точке хода, можно рассчитать время движения на всех участках и суммированием определить полное время движения.

Иногда во время движения ток мало меняется и со­ставляет некоторую долю от установившегося. В таких случаях рекомендуется строить статическую ха­рактеристику при .

б) Ускорение и замедление срабатывания и отпуска­ния электромагнита постоянного тока. Полное время срабатывания состоит из времени трога­ния и времени движения:

В большинстве случаев основную часть времени сраба­тывания составляет время трогания. Поэтому при уско­рении и замедлении срабатывания воздействуют прежде всего на . Согласно

Допустим, что ток трогания не меняется (неизменна си­ла противодействующей пружины). Рассмотрим влияние активного сопротивления цепи при неизменной величине индуктивности и питающего напряжения. После включе­ния электромагнита ток в обмотке изменяется и скорость нарастания тока равна:

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 для двух значений активного сопротивления цепи показано на рис.5.3. Поскольку . Обе кривые в начале координат имеют общую касательную, так как не зависит от активного сопротивления. Постоянная времени для первого случая для второго ; так как то . При уменьшении сопротивления R увеличивается установившийся ток и величина уменьшается.

Читайте также:  Как найти ток утечки клещами

Можно показать, что логарифм уменьшается быстрее, чем растет постоянная времени Т. В результате , несмотря на то, что . Чем меньше активное сопротивление цепи, тем быстрее будет срабатывать электромагнит.

При уменьшении активного сопротивления обмотки растет мощность Р, потребляемая ею:

Для ограничения температуры нагрева необходимо развивать у катушки поверхность охлаждения, т. е. ее размеры. Увеличение размеров обмотки потребует уве­личения размеров магнитопровода.

Для ограничения разме­ров электромагнита в насто­ящее время широко приме­няется форсировка по схеме рис. 5.4. В отключенном по­ложении сопротивление шунтировано размыкаю­щим контактом, связанным с якорем электромагнита.

После замыкания контакта К малое сопротивление обмотки R способствует быстрому нарастанию тока до тока трогания. После начала движе­ния якоря контакт размыкается и в цепь вводится сопро­тивление , благодаря чему ограничивается мощность Р, выделяемая в обмотке:

Рис.5.3 Изменение тока во времени для двух значений активного сопротивления

Рис.5.4. Схема форсировки электромагнита

Иногда для ускорения срабатывания сопротивление шунтируют конденсатором. В первый момент времени конденсатор уменьшает падение напряжения на этом со­противлении, благодаря чему обеспечивается форсировка электромагнита. В установившемся режиме величина то­ка в цепи ограничивается сопротивлением . Величи­ну емкости конденсатора в рекомендуется брать равной:

где L— индуктивность обмотки, Гн, R-ее активное сопротивление, Ом, Rдоб— добавочное сопротивление, Ом.

Теперь рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания. При уменьшении питающего напря­жения уменьшается величина установившегося тока, что ведет к увеличению

При время трогания .

С ростом напряжения время трогания уменьшается в соответствии с уменьшением

Иногда возникает необходимость ускорить срабаты­вание уже готового электромагнита. Увеличение питаю­щего напряжения без измене­ния активного сопротивления цепи ведет к ускорению сраба­тывания, но катушка электро­магнита может сгореть, если при номинальном значении пи­тающего напряжения темпера­тура обмотки равна предельно допустимой. В этих случаях рекомендуется при повышении питающего напряжения в цепь включать добавочное сопротивление, чтобы величина установившегося тока оставалась неизменной и равной Iу. При этом ускорение срабатывания происходит за счет уменьшения постоянной времени. Величина

На рис. 5.4 показано изменение токов в обмотке электромагнита при неизменном установившемся токе. Кривые показывают, что в данном случае чем больше постоянная времени, тем больше время трогания.

В заключение отметим, что при прочих равных усло­виях увеличение натяжения противодействующей пру­жины ведет к росту при этом также увеличивается.

Время отпускания электромагнита состоит из времени спадания потока до потока отпускания, при котором сила электро­магнита становится равной противодействующей силе и времени движения при отпускании.
В большинстве случаев время спада потока при отсутствии короткозамкнутых обмоток значительно меньше, чем время движения яко­ря при отпадании.
Поэтому в основном считаются со временем движения. Для упрощения расчетов можно принять, что якорь и подвижные части двигаются рав­ноускоренно под действием силы, равной средней силе пружины. Тогда время отпускания можно найти с по­мощью формулы

где т — приведенная к центру полюса масса якоря и подвижных частей; х— перемещение якоря; Fcp — приве­денное к центру полюса среднее значение силы отклю­чающей пружины на пути х.

Рис.5.5. Изменение токов в обмотке электромагнита при неизменном установившемся токе

Для создания электромагнитов замедленного действия применяются короткозамкнутая обмотка или гильза. Эскиз электромагнита с короткозамкнутой об­моткой показан на рис. .

При включении питающей обмотки в магнитной цепи

нарастает поток. Этот поток наводит в короткозамкнутой обмотке э. д. с. Последняя вызывает ток такого направ­ления, при котором поток короткозамкнутой обмотки на­правлен встречно с намагничивающим. Результирующий поток равен разности этих потоков. Скорость нарастания потока уменьшается, а время трогания увеличива­ется.

Результирующий поток нарастает во времени по экс­поненте с суммарной постоянной времени

где установившийся поток;

, и — постоянные времени обмоток.

Рис. 5.5.Электромагнит с короткозамкнутой об­моткой

Если пренебречь потоками рассеяния, то индуктивности согласно равны:

Ввиду того, что при отпущенном якоре мало, сум­марная постоянная времени невелика и замедле­ние электромагнита получается небольшим.

При отключении электромагнитас короткозамкнутой обмоткой можно считать, что ток в первичной обмотке практически мгновенно спадает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка в от­ключающем аппарате.

Изменение потока опре­деляется процессом затуха­ния тока в короткозамкнутой обмотке. При спадании потока в короткозамкнутой обмотке наводится э. д. с. и возникает ток, направлен­ный так, что поток, созда­ваемый обмоткой , пре­пятствует изменению (уменьшению) потока в системе.

Замедленное спадание потока создает выдержку време­ни при отпускании.

Для вторичной короткозамкнутой обмотки ненасы­щенной системы в этом случае можно записать:

Поскольку величина зазора уменьшилась, индуктивность при притянутом якоре больше, чем при отпущенном L-i.

Читайте также:  Как найти направление индукционного тока пользуясь правилом буравчика

Решив относительно тока, получим:

Умножив обе части на , после преобразова­ния получим:

Благодаря тому, что рабочий зазор в притянутом состоя­нии в десятки и даже сотни раз меньше, чем в отпущен­ном можно получить время трогания при отпускании до 10 сек, тогда как время трогания при при­тяжении составляет доли секунды.

При н. с, равной нулю, в цепи устанавливается по­ток, определяемый кривой размагничивания материала и воздушным зазором. Этот остаточный поток может создавать силу притяжения большую, чем сила, развиваемая пружиной. Произойдет залипание якоря. Для устранения залипания ставится немагнитная про­кладка, снижающая величину остаточного потока.

В реальных конструкциях реле времени магнитная система при притянутом положении якоря сильно насы­щена.

Для насыщенной цепи справедливо уравнение

Решив уравнение относительно времени, получим:

где –поток, при котором сила, развиваемая пружиной, равна силе электромагнита.

Для определения значения интеграла рассчитывается зависимость потока в рабочем зазоре от н. с. После это­го строится зависимость и графическим ин­тегрированием решается.

в) Динамика электромагнитов переменного тока. Рассмотрим магнитную цепь электромагнита, у которо­го магнитопровод ненасыщен. Пусть включение проис­ходит в нуль напряжения. В этом случае можно запи­сать:

Поскольку цепь линейна, ток можно выразить через по­ток

Решив это уравнение относительно потока, найдем:

где Фт — максимальное значение потока.

Согласно (5.27) при поток в системе также ра­вен нулю. Через время поток достигает наиболь­шего значения, поскольку постоянная составляющая по­тока складывается с переменной составляющей. Если пренебречь затуханием, то через полпериода поток до­стигает величины, равной .

По мере затухания постоянной составляющей потока пиковое значение потока будет уменьшаться, пока не до­стигнет . Таким образом, в электромагните перемен­ного тока наибольшие пиковые значения потока, а сле­довательно, и силы, будут иметь место в начале процес­са включения, причем пиковое значение потока и силы наступает примерно через 0,01 сек после начала включе­ния (при частоте тока 50 Гц. Это обеспечивает малое время трогания.

Если магнитная система насыщена, то возникновение постоянной составляющей потока в момент включения ведет к появлению большого сильно искаженного намаг­ничивающего тока.

При включении в нуль тока (потока) постоянная со­ставляющая не появляется и пиковое значение потока появляется через четверть периода после начала вклю­чения. Таким образом, и в этом случае обеспечивается быстрое срабатывание электромагнита без применения специальных мер.

Расчет динамических характеристик электромагнитов переменного тока аналитически очень затруднен. Эту за­дачу удается решить применением аналоговых счетных машин. Необходимо отметить, что в момент вклю­чения электромагнита рабочий зазор в магнитной цепи велик, что вызывает согласно большой намагни­чивающий ток, в десятки раз больший, чем ток в притя­нутом положении якоря.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Динамика электромагнита

Под инерционностью ЭМ понимают запаздывание перемещения якоря по сравнению с изменениями выходного напряжения. Она определяется отставанием изменения тока в обмотке от изменения приложенного к ней напряжения и механической инерции якоря и связанных с ним подвижных частей.

Динамические свойства ЭМ как элемента дискретного действия характеризуется двумя временными параметрами: временем срабатывания tср и временем отпускания tотп.

Время от подачи входного напряжения на зажимы обмотки ЭМ до полного притяжения якоря (d = dк) называют временем срабатыванияtср, а от снятия входного напряжения до возвращения якоря в начальное положение (d = dн) – временем отпусканияtотп.

где tдв, — время движения якоря соответственно от dн до dк и наоборот.

Для включения обмотки ЭМ на постоянное напряжение источника справедливо уравнение

Так как при срабатывании ЭМ начальный зазор dн максимален, то до трогания якоря магнитопровод можно считать ненасыщенным и, следовательно, индуктивность обмотки постоянной (Lн = const, где Lн индуктивность при d = dн.

Тогда , решением которого при скачкообразном ступенчатом увеличении входного напряжения от 0 до U служит выражение

где — установившееся значение тока в обмотке; — электромагнитная постоянная времени обмотки при d = dн.

Ток i в обмотке увеличивается по экспоненте, пока якорь остается неподвижным.

По достижении i = Iтр тяговое усилие становится больше противодействующего и якорь начинается перемещаться

где Iтр – минимальный ток, обеспечивающий срабатывание.

С начала движения якоря ток перестает нарастать по экспоненте и начинает падать, так как индуктивность обмотки увеличивается

где w — число витков; Rm — магнитное сопротивление.

По окончании движения якоря зазор становится минимальным (d = dк), а индуктивность – максимальной.

Ток достигает установившегося значения Iуст, нарастая по экспоненте с большей постоянной времени ( ). При малых скоростях движение якоря ток в катушке может не уменьшаться. При неподвижном якоре нарастание тока происходит по пунктирному участку. Время движения якоря tдв во многих случаях значительно меньше времени трогания tтр и часто считается приблизительно постоянным. При таких условиях tср зависит в основном от tтр.

включение отключение

Возможны два способа отключения реле:

Читайте также:  Для того чтобы определить работу тока необходимо использовать ответ

— разрывом цепи обмотки;

В первом случае ток практически мгновенно падает до нуля, тогда tотп » tдв, так как .

Во втором случае переходной процесс при отпускании протекает по экспоненте.

За время движения якоря индуктивность обмотки уменьшается от максимума Lк до минимума Lн, вследствие чего ток в это время увеличивается. По окончанию движения ток опять уменьшается по экспоненте, но уже с меньшей, чем до начала движения, постоянной времени Тэн 0 С ведет к изменению выдержки времени на 4 %.

Источник

Электрическая установка. Электрический аппарат. Длительный режим работы при постоянном тепловыделении , страница 5

Позволяют изменять вид характеристики, варьируя s и δ отклонениями.

Динамика включения электромагнитов постоянного тока.

В выключенном состоянии якорь от тянут пружиной до упора, при подключении источника напряжения ток в обмотке начинает нарастать, вместе с ним растет и Fэ. Когда Fэ превысит Fпр начнется движение якоря, ток обмотки при котором начинается движение якоря называется током трогаться.

Три этапа в процессе включения:

1. якорь неподвижен в нем нарастает ток

2. Втягивание якоря.

3. Продолжение работы в качестве обычного дросселя.

Время срабатывания магнита определяется первым и вторым этапами.

Способы ускорения срабатывания электромагнитов постоянного тока.

Пример схемы для реализации форсировки по U:

В этой схеме важно правильно выбрать максимальное напряжение, выдаваемое силовым преобразователем. Максимальное напряжение силового преобразователя может превышать 4-8 раз напряжение обмотки электромагнита.

Динамические процессы при выключении электромагнитов постоянного тока.

Наличие цепочек защиты увеличивает время отключения Э.М. от 3 до 7 раз, в зависимости от типа защитной цепочки.

Электромагниты переменного тока.

В Э.М. переменного тока магнитопровод выполняется шихтованным, то есть состоит из тонких изолированных друг от друга листов.

Шихтовка нужна для уменьшения вихревых токов, что обеспечивает защиту от нагрева.

При больших зазорах

Усилие магнита практически не меняется на всем рабочем ходу.

В Э.М. переменного тока возникают колебательные движения якоря (дребезг). Он возникает из-за того, что существует интервалы времени, где Fэ>Fпр и есть интервалы времени где Fэ Fпр в любой момент времени, то дребезга не будет.

КЗ кольца делают медными или алюминиевыми.

Защита обмоток электромагнита переменного тока при отключении.

Поскольку поток сцепления мало зависит от положения якоря, а индуктивность во втянутом состоянии в 3-4 раза превышает индуктивность не втянутого Э.М., то ток во втянутом состоянии меньше тока в начальном положении, так же в 3-4 раза. Обмотка рассчитывается по нагреву исходя из тока во втянутом состоянии.

Если якорь по какой-то причине застрял в начале хода, то тепловые потери в обмотке превышают номинальные в 9-16 раз. , что приводит к ее быстрому выходу из строя.

Эту особенность Э.М. переменного тока необходимо учитывать при проектировании устройств с ними и выборе защитных устройств (предохранители и автоматические выключатели).

Автоматические воздушные выключатели.

Автоматические воздушные выключатели служат для автоматического отключения электрических цепей при КЗ, перегрузках, снижении напряжения питания, появления больших токов утечки и так далее, а также для редких включений и отключений вручную номинальных токов нагрузки.

В любом автоматическом выключателе есть следующие элементы:

— токоведущая цепь (цепи)

-привод и механизм расцепительного механизма

4-электромеханический (электромагнитный) привод

5-механизм свободного расцепления

7-планка механизма свободного расцепления

В конструкции возможно наличие других элементов:

Дополнительные контакты, показывающие состояние автомата (вкл., выкл., выкл. аварийно), наличие индикационных устройств:

До токов приблизительно 50 кА используют стальные дугогасительные решетки.

При больших токах используют щелевые камеры с магнитным дутьем или стальные дугогасительные решетки с керамической изоляцией.

Источник



Время срабатывания и динамика электромагнитов постоянного тока

date image2014-02-02
views image1079

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

При включении обмотки электромагнита на постоянное напряжение

Для ненасыщенной магнитной системы .

Тогда . (8.8) Так как , то разделяя в уравнении (8.8) переменные и интегрируя левую и правую часть, получим ;

Разделив числитель и знаменатель дробного сомножителя в правой части на R, получим ,

где Тн ─ постоянная времени обмотки до начала движения якоря ;

kзап = / коэффициент запаса по току электромагнита.

Осциллограмма тока при включении электромагнита показана на рис 8.8. Например, для клапанных электромагнитов , где ─ удельная проводимость рассеяния между сердечником и ярмом, — длина сердечника.

Для нейтральных электромагнитов K3ап=1.5…2, для поляризованных электромагнитов K3ап=20…30.

Для приближенного определения времени движения используют статическую тяговую характеристику, считая на всем ходе якоря.

Здесь ─ тяговое, а ─ противодействующее усилие.

Тогда , где m – масса всей подвижной системы. Тогда время движения якоря , где соответственно начальное и конечное значение зазора электромагнита или реле.

На рис 8.9. показаны тяговая Fм и противодействующая движению Fпр характеристики.

При сложном характере противодействующей характеристики Fпр величину (Fпр-Fм) можно усреднить в диапазоне .

, где Q – площадь между характеристиками Fм и Fпр. Тогда время срабатывания электромагнита определим как .

Источник