Лекция 9. 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:

(9.1)

где: l_{ФМ ,} l_З – длина ферромагнитного участка и воздушного зазора соответственно; Н_ФМ, Н_З – действующее значение напряженности магнитного поля на участках ферромагнитного материала и воздушного зазора соответственно; I – действующее значение тока в намагничивающей обмотке.

Учитывая, что

, (9.2)

а также, что:

(9.3)

перепишем (9. 1):

. (9.4)

Так как относительная магнитная проницаемость магнитомягких материалов в десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости воздуха m₀, то очевидно, что Поэтому вместо (9.4) можно использовать приближенное равенство:

. (9.5)

Подставляя в (9.5) вместо R_З его значение из (9.3), а вместо Ф его значение

,

определим ток цепи:

. (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 РАБОТЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ

СТАБИЛИЗАТОРОВ

Магнитные свойства ферромагнитных материалов, как правило,

оценивают зависимостью:

,

получая гистерезисные характеристики. Но нам уже известно, что:

,

а

.

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 вольтамперные характеристики.

.

Такие характеристики полезны при расчете разветвленных магнитных цепей, включающих несколько элементов. Общий вид зависимости для однородного неразветвленного магнитопровода приведен на рис. 9.1, а. Как и кривая начальной намагниченности, вольтамперная характеристика имеет начальный участок (оа), линейный (аб), колено (бв) и насыщения (в, г).

Применим вольтамперные характеристики к анализу принципа работы ферромагнитных стабилизаторов. Упрощенная схема ферромагнитного стабилизатора приведена на рис. 9.1, б. Она включает в свой состав два разомкнутых магнитопровода (дросселя) – Др₁ и Др₂.

Дроссель Др₁ работает в линейном режиме. Он исполняет роль ограничителя максимального тока. Дроссель Др₂ работает в режиме насыщения. Их вольтамперные характеристики приведены на рис. 9.2. На этом же рисунке приведена результирующая характеристика .

Напряжение на нагрузке определяется падением напряжения на дросселе Др₂ Графики рис. 9.2. показывают, что если на входе цепи действует напряжение U_{вх min}, то нагрузка находится под напряжением U_{Rн min}. Часть входного напряжения падает на сопротивлении дросселя Др₁ – U_{др min}.

Пусть входное напряжение увеличилось на величину ∆U_вх = U_{вх max} - U_{вх min}. Это вызывает увеличение напряжения на нагрузке на величину ∆U_Rн = U_{Rн max} - U_{Rн min}. Наглядно видно, что ∆U_Rн в несколько раз меньше ∆U_вх. Реальные ферромагнитные 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. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

3.1. Назначение и классификация электрических аппаратов

Электромагнитные устройства, предназначенные для коммутации, управления и защиты электрических цепей от перегрузок и перенапряжений, называются электрическими аппаратами. К ним относятся контакторы, пускатели, реле, электромагниты и др. устройства. Электрические аппараты входят в состав автоматических, полуавтоматических и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, системами электроосвещения и электротехнологическими установками.

Электрические аппараты применяют для управления пуском, для регулирования частоты вращения и для электрического торможения электродвигателей. С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию.

Работа электрических аппаратов основана на использовании ряда физических явлений:

– взаимодействие ферромагнитных тел в магнитопроводе;

– силовое взаимодействие проводника с током и магнитного поля;

– возникновение Э.Д.С. в катушках с током в переменном магнитном поле;

– возникновение вихревых токов в массивных электропроводящих телах в переменном магнитном поле;

– тепловое действие электрического тока и переменного магнитного потока и др.

К основным частям электромагнитных устройств относятся:

– электрические контакты (неподвижные и подвижные, нормально замкнутые и нормально разомкнутые, главные и вспомогательные);

– механический или электромагнитный механизм (привод) контактной группы (осуществляющий срабатывание контактной группы);

– кнопки управления;

– рабочие обмотки.

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.

3.2. Принцип работы электромагнитных механизмов

Электромагнитный механизм является одним из основных узлов электрических аппаратов. В электромагнитном механизме осуществляется преобразование электрической энергии источника питания в механическую энергию перемещения якоря. Схема механизма приведена на рис. 9.3. Она включает неподвижную 1 (ярмо) и подвижную 2 (якорь) части магнитопровода, намагничивающую катушку 3, удерживающую пружину 4.

Появление тока в намагничивающей катушке приводит к намагничиванию ферромагнитных частей магнитопровода. Образовавшееся магнитное поле притягивает якорь к ярму, в результате чего выполняется механическая работа перемещения якоря.

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_L создается падение напряжения .

Разность напряжений U – U_R уравновешиваетcя Э.Д.С. катушки – е_L, т.е.

, (9.7)

где

Дата добавления: 2015-05-06