Тема 5. Электромагнитные устройства

Тема 6. Трансформаторы

Тема 5. Электромагнитные устройства

Навигационных комплексов

Тема 6. Трансформаторы

Тема 5. Электромагнитные устройства

Основы электротехники и электроники

ЛЕКЦИЯ № 7

по дисциплине

для студентов направления подготовки (специальности) 162300

	Должность, уч. степень	Фамилия/ Подпись	Дата
Разработал	Доцент кафедры	Кивокурцев А.Л.	02.09.2012 г.

Иркутский филиал МГТУ ГА

кафедра Авиационных электросистем и пилотажно-

Лекция № 7

По дисциплине Основы электротехники и электроники

Тема лекции: Электромагнитные устройства, трансформаторы (2 часа)

СОДЕРЖАНИЕ

Раздел 2. Электромагнитные устройства и электрические машины

5.1. Силовые действия магнитного поля. Закон Ампера

5.2. Электромагнит

5.3. Электромагнитные реле

6.1. Назначение, устройство и принцип работы однофазного трансформатора

6.2. Режимы работы трансформаторов (хх, кз, нагрузки)

6.3. Потери мощности, диаграмма мощностей, коэффициент полезного действия

6.4. Устройство и принцип работы трехфазного трансформатора

6.5. Специальные авиационные трансформаторы

6.6. Применение трансформаторов на ВС ГА

ЛИТЕРАТУРА

[3 Дроздов В.В. Общая электротехника и электроника. Часть1. Общая электротехника. М., МГТУ ГА, 2004 г. с. 35…46.

[8] Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М., «Академия», 2007 г. с. 193…232.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. Мультимедийная установка

Раздел 2 Электромагнитные устройства и электрические машины

5.1. Силовые действия магнитного поля. Закон Ампера

Электромагнитное поле и его составляющие – электрическое и магнитное поля, – являясь одним из видов материи, обладают энергией. Она сосредоточена в пространстве, в котором существуют поля. Для создания электромагнитного поля должна быть затрачена энергия внешних источников.

Проводники и контуры с электрическими токами, расположенные в магнитном поле, испытывают механические силы, называемые электромагнитными, или электродинамическими.

Механические силы, действующие на проводники с током в магнитном поле, можно определить по закону Ампера согласно выражению: (при протекании по рамке тока I на её активные стороны l действуют выталкивающие силы F)

,

где В - магнитная индукция в зазоре - величина постоянная; N - число витков рамки; l- длина проводника; I-сила тока.

Рис. 1

Пара сил, действующих на рамку, создает вращающий момент

, (1)

где b - ширина рамки.

В общем случае электромагнитные силы, действующие на контуры с токами в магнитном поле, удобней и проще определять по известным зависимостям индуктивностей и взаимных индуктивностей контуров от их геометрических координат в системе.

Пусть в системе из n контуров с токами под действием силы f_g вдоль координаты g произошло перемещение какого-либо контура в направлении этой силы на величину dg. Энергия, отданная внешними источниками, помимо тепловых потерь, на основании уравнения (5.2) определяется как сумма произведений , взятая по всем n контурам. Эта энергия расходуется на работу электромагнитных сил при перемещении рассматриваемого контура на dg и на изменение энергии магнитного поля:

.

Отсюда для электромагнитной силы получаем формулу:

(5.17)

Практический интерес представляют для случая использования формулы (5.17).

П е р в ы й с л у ч а й – при изменении координаты g токи во всех контурах поддерживаются постоянными.

Так как токи в контурах неизменны, то приращение энергии магнитного поля согласно (5.14) равно:

Подставив это значение в формулу (5.17), находим

(5.18)

Следовательно, при неизменных токах в контурах электромагнитная сила, стремящаяся вызвать изменение какой-либо координаты, равна производной от энергии магнитного поля по этой координате.

В т о р о й с л у ч а й – при изменении координаты остаются постоянными потокосцепления контуров.

В этом случае для электромагнитной силы из (5.17) получаем следующее выражение:

(5.19)

В качестве примера используем выведенные формулы для определения электромагниной силы в системе двух индуктивно связанных контуров с неизменными точками i ₁ и i ₂. Если в (5.18) подставить значение энергии магнитного поля этой системы из (5.13), то электромагнитная сила, действующая по координате х, равна:

. (5.20)

В частном случае, когда размеры самих контуров неизменны, и они не содержат ферромагнитных сердечников (L₁ = const, L₂= const) для силы получаем выражение

.

Если координатой g в рассматриваемом примере является угол поворота a одного из контуров по отношению к другому, то в системе появляется вращающий момент, равный:

.

Выведенными в этом параграфе формулами широко пользуются для определения сил и моментов в электромеханических измерительных приборах.

5.2. Электромагнит

Силовое действие магнитного поля используется в различных электротехнических устройствах. К их числу относятся приборы и агрегаты, основанные на притяжении подвижной системы (якоря) электромагнитом, например, реле, стрелочные электроизмерительные приборы, контакторы и др.

Рассмотрим электромагнит, содержащий намагничивающую катушку с постоянным током, расположенную на сердечнике С, якорь Я и два рабочих воздушных зазора (рис. 2). Площадь поперечного сечения воздушных зазоров примем равной сечению S полюсов сердечника.

Рис. 2

Подъемной силой (силой тяги) электромагнита называют силу, необходимую для отрывания якоря от полюсов сердечника.

Работа подъемной силы f на пути dx в воздушных зазорах между полюсами сердечника и якорем

Эта работа равна изменению энергии электромагнита при перемещении якоря, т.е. изменению энергии магнитного поля, сосредоточенной в зазоре:

Отсюда подъемная сила электромагнита:

. (5.21)

Если поток распределен равномерно по сечению полюсов, а рассеянием и изменением магнитной индукции в зазорах при отрыве якоря можно пренебречь, то, используя выражение (5.11), получим

Тогда согласно (5.21) подъемная сила электромагнита равна:

. (5.22)

Сила, действующая на единицу поверхности полюса, т.е. давление

(5.23)

Сравнивая (5.23) с (5.11), нетрудно убедиться, что давление на единицу поверхности полюсов электромагнита равно объемной плотности энергии магнитного поля у этой поверхности.

5.3. Электромагнитные реле

Р е л е – это аппарат, который при определенном воздействии на его воспринимающую часть той или иной физической величины (тока, напряжения, частоты, силы света, температуры, давления и т. п.) сра­батывает и исполнительная часть которого производит в управляемых им цепях необходимые переключения, вызывающие соответствующие изменения тех или иных физических величин (тока, напряжения и т. д.).

Нейтральные электромагнитные реле являются простейшими и состоят (рис. 3) из катушки 3 с железным сердечником 7, ярма 4, якоря 6 с контактной группой, противодействующей пружиной 5, удерживающей якорь в определенном положении при отсутствии сил притяжения электромагнита. Между сердечником и якорем имеется воздушный зазор б.

Рис.3

При включении цепи питания U_y через обмотку катушки протекает ток, и создается электромагнитная сила притяжения якоря к сердечнику, которая преодолев усилие, создаваемое противодействующей пружиной, поворачивает якорь по часовой стрелке вокруг опоры и замыкает контакты 1 и 2. При включении питания контакты возвращаются в исходное положение за счет усилия пружины 5.

В общем случае контактная группа может содержать:

- нормально замкнутые (НЗ) контакты;

- нормально разомкнутые (НР) контакты;

- контакты переключения.

На схемах нейтральные реле с различными контактными группами изображаются так, как это показано на рис. 4, а, б, в. На рис. 4 изображены, соответственно, реле переключения (а), выключения (б) и включения (в). Рассмотренный тип реле предназначен для замыкания и размыкания цепей с относительно небольшими токами (1 ¸ 2 А).

Рис. 5.6

Для управления электрическими цепями с большими токами применяют реле с якорем втяжного типа (рис. 5) (контакторы).

Рис. 5

Если через обмотку контактора 3 пропустить ток управления, то создается электромагнитная сила, образованная магнитным потоком через подвижный якорь 6, неподвижный сердечник 7, ярмо 4. Эта сила, преодолев усилие противодействующей пружины 5, втягивает якорь и замыкает контакты 1 и 2.

Наиболее важными характеристиками реле являются:

- тяговая;

- механическая;

- статическая;

- динамическая.

Реле зашиты электротехнических устройств в зависимости от характера изменения управляющей величины, вызывающего их срабатывание, в основном разделяются на максимальные, минимальные и дифференциальные.

Максимальное реле срабатывает, если электрическая величина (например, ток) увеличивается сверх определенного значения (I_ср).

Минимальное реле срабатывает, когда электрическая величина (например, напряжение) уменьшается ниже определенного установленного значения.

Дифференциальное реле реагирует на разность двух механических моментов, создаваемых в нем действием двух сравниваемых однородных электрических величин.

По виду управляющей величины реле защиты подразделяются на реле тока, реле напряжения, реле сопротивления (реагирующие на изменение соотношения между напряжением и током) и реле направления мощности.

Реле прямого действия воздействуют непосредственно на выключатель.

Реле косвенного действия контактами своей исполнительной части коммутируют цепи оперативного (вспомогательного) тока, а последний воздействует на отключающий механизм выключателя.

Первичные реле включаются непосредственно в защищаемую цепь. Этим упрощается устройство защиты, но при высоком напряжении трудно постоянно контролировать исправность первичного реле, так как оно находится под высоким напряжением.

Вторичные реле подключаются к защищаемым объектам через измерительные трансформаторы тока и напряжения, что делает безопасным надзор за ними. В большинстве случаев в устройствах релейной защиты применяются вторичные реле косвенного действия.

Поляризованные реле. Рассмотренные ранее электромагнитные реле относились к классу так называемых нейтральных реле, у которых якорь перемещается всегда в одном и том же направлении, вне зависимости от направления тока в обмотке.

Кроме нейтральных электромагнитных реле, существуют поляризованные реле, у которых направление перемещения якоря зависит от направления тока в обмотке.

Принципиальная схема электромагнитного поляризованного реле изображена на рис. 6.

а)б)

Рис. 6. Поляризованное электромагнитное реле

Якорь реле расположен между полюсами постоянного магнита и при отсутствии тока в обмотке притягивается к одному из полюсов, обеспечивая надежное замыкание контактов. При прохождении тока по обмотке реле создаются рабочие магнитные потоки, замыкающиеся в левой и правой частях магнитной системы. Причем в одном из зазоров этот поток совпадает по направлению с поляризующим потоком постоянного магнита, а в другом — направлен навстречу ему.

Под действием результирующего магнитного потока якорь перебрасывается к соответствующему полюсу и замыкает контакт исполнительной цепи.При изменении направления тока в обмотках реле якорь перебрасывается к противоположному полюсу.

Поляризованные электромагнитные реле широко используются в схемах автоматики, где от реле требуются высокая чувствительность и малое время срабатывания.

Поляризованные реле требуют для срабатывания мощность порядка 0,005-0,01 Вт, в то время как минимальная мощность срабатывания наиболее чувствительных электромагнитных реле бывает порядка 0,1 Вт. Минимальное время срабатывания поляризованных реле достигает 0,002 с.

Широкое применение в схемах автоматики находят дифференциальные электромагнитные реле. В этих реле на сердечник надето две или большее число катушек, потоки которых складываются или вычитаются и зависимости от направления тока в обмотках. Срабатывание реле происходит под действием результирующего магнитного потока, вследствие чего дифференциальные реле могут применяться в качестве суммирующих элементов.

Реле, изображенное на рис. 2.14, называется двухпозиционным, так как якорь его может занимать только два крайних положения. Существуют трехпозиционные поляризованные реле, у которых якорь фиксируется (при отсутствии тока в обмотке) в среднем, нейтральном положении. Достигается это при помощи двух пружин, препятствующих отклонению якоря от нейтрального положения под действием тяговых усилий постоянного магнита.

Отечественной промышленностью изготовляются поляризованные реле типа РП, предназначенные для работы в устройствах связи, сигнализации и автоматики. Реле типа РП работают при изменениях температуры окружающей среды от -45° до +50° С, относительной влажности до 75 % и при возбуждении обмотки током частотой до 100 Гц.

Реле не имеют самосрабатываний в обесточенном состоянии при вибрации мест крепления с амплитудой + 0,5 ммпри частотах до 45 Гц.

Контакты реле, включенные в цепь, не содержащую индуктивности при нагрузке до 0,2 Аи напряжении на разомкнутых контактах не более 24 В, выдерживают до 10⁷ срабатываний.

Поляризованные реле типа РП выпускаются в следующих модификациях:

РП-4 – двухпозиционные; РП-5 – трехпозиционные;

РП-7 – двухпозиционные с преобладанием.

В свою очередь, каждый из перечисленных типов реле различается количеством обмоток, данными обмоток, чувствительностью и т. п.

Тема 6. Трансформаторы

Дата добавления: 2014-01-14