Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Электромагнитные приводы аппаратов

Читайте также:
  1. Выверка и закрепление аппаратов колонного типа.
  2. Глава восьмая. Надежность электрических аппаратов.
  3. Глава седьмая. Изоляция электрических аппаратов.
  4. ГРУППОВЫЕЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ
  5. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ ТЯГОВЫХ АППАРАТОВ
  6. ДЛЯ АППАРАТОВ СЕРИИ PROFESSIONAL LINER
  7. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ

Принципы расчета. В тяговых аппаратах электромагнитные при­воды применяют только как индивидуальные. Попытки применения их в качестве групповых не увенчались успехом, так как эти приводы при значительных перемещениях подвижных частей оказы­ваются громоздкими и потребляют больше энергии, имея низкий к. п. д. Их характеристики особенно при больших токах не вполне благоприятны. Кроме аппаратов защиты, их обычно имеют инди­видуальные контакторы вспомогательных цепей и реле различного назначения.

Основная часть приводов — электромагниты разнообразны по конструкции (см. I—VIII на рис. 4.11) и характеристикам. Наиболь­шее распространение имеют электромагниты клапанного типа.

По уравнению Максвелла сила магнитного притяжения , Н, зависит от индукции в воздушном зазоре , Тл:

= , (4.11)

где — площадь поперечного сечения воздушного зазора, ; =1,256∙ Гн/м; —магнитный поток в воздушном зазоре, Вб; =3,98∙ м/Гн. Точно определить площадь трудно, так как она зависит не только от конструкции аппарата, но и от его расположения. Ориен­тировочно

,

где — площадь поверхности торца сердечника, .

Сила магнитного притяжения зависит от энергии , затра­чиваемой м. д. с. θ на создание магнитного потока в воздушном за­зоре,

/d

Величину можно определить как .

Приближенно определить силу можно, построив магнитные характеристики системы с различными воздушными зазорами и (рис. 4.12). Соответственно ∆δ = , приращение энергии

= dθ- dθ≅∆ .

Тогда сила магнитного притяжения

,

Рис. 4.11. Электромагниты, применяемые в тяговых аппаратах

где — масштабы в диаграммах Ф соответственно для маг­нитного потока и м.д.с.; — площадь, заключенная между рассматривае­мыми магнитными характеристиками в пределах от нуля до 0.

Если есть возможность рассчитать магнитные характеристики обычным путем для различных значений б, то получают семейство- характеристик при δ = const или при δ = const. При проектировании электромагнитов возникают сложности в свя­зи с тем, что для расчета необходимы размеры, которые можно полу­чить в результате расчета. Поэтому, особенно при мелкосерийном производстве, широко используют унификацию магнитных систем приводов. На рис. 4.13 в качестве примера представлены два реле (тяговое исполнение) фирмы «Шкода» различного назначения: пе­регрузки и дифференциальное. Оба имеют унифицированную П- образную шихтованную магнитную систему. На базе этой магнит­ной системы выполняют несколько десятков реле различного назна­чения. Конечно, в этом случае не приходится ожидать высоких кон­структивных показателей, особенно массо-габаритных.

Расчет по конструктивному подобию. Этот метод более пригоден для условий крупносерийного и массового производства — исполь­зование принципов конструктив­ного подобия, т. е. обобщение опыта проектирования, произво­дства и эксплуатации. Имеется несколько методов таких расче­тов. Рассмотрим один из них, наиболее пригодный для элек­тромагнитов клапанного типа.

 

Рис. 4.12. К определению силы FM притяжения электромагнита

За обобщенный показатель сравнения принят диаметр сердечника электромагнита (рис. 4.14).

Все остальные сопоставимые размеры магнитов выражают в относительных единицах, срав­нивая с .

 

Рис 4.13. Реле перегрузки 1RPD18 (а) на 3 кВ, —715> А, — 0,8 кА и дифференциальное реле RRPD4 (б) на 3 кВ, =200/400 А, ток срабатыва­ния ∆I = 20÷25 А с унифицированной магнитной системой:

1-контакты в цепи управления; 2 -катушки шинные. З- винт регулирования 4- магнитопровод П-образный шихтованный; 5 - основание, 6 -зажимы катушек, 7 - пружина; 8 - якорь; 9 - изоляционные прокладки; 10 - изоляция сердечника

Относительные значения разме­ров имеют дополнительный индекс «0», например = x/ . Эти раз­меры определяют для выполнен­ных аппаратов: = 1,0 ÷1,25; =1,4 ÷1,56; = 3,0 ÷3,7; = 0,1 ÷0,2; = 0,25 ÷0,30; = 2,4 ÷2,8; = 3,0 ÷3,4; = 0,7 ÷0,9; = 1,0 ÷ 1,25; = 2,5 ÷3,0.

Рис. 4.14. Схема электромагнита клапанного типа

Принцип конструктивного по­добия дает возможность также по­лучить обобщенные характеристи­ки электромагнитов (рис. 4.15). Для этого вводят обобщенное от­носительное значение воздушного зазора.

). (4.12)

Второй относительный условный показатель F0 характеризует силу, развиваемую электромагнитом,

, (4.13)

где — сила магнитного притяжения, Н; - м. д. с., А.

При проектировании электромагнита определяют сопротивления перемещению подвижной системы аппарата так же, как и для электропневматического привода. Величина FTB отсутствует, но обыч­но несколько возрастает G'. Для срабатывания, т. е. трогания под­вижной части, необходимо, чтобы .

Рис. 4.15. Зависимости для электромагнитов клапанного типа (а) и для систем с Г-образным якорем (б)

Привод должен срабатывать при самых неблагоприятных услови­ях: наибольших силах трения, наибольшей жесткости выключающей пружины, наименьшем значении м. д. с. Для аппаратов защиты м. д. с. должна соответствовать минимальной уставке, для аппара­тов оперативной коммутации — наименьшему напряжению, допу­стимому в цепях управления:

. По уравнению (4.11) можно ориентировочно определить необходимую площадь полюса сердечника, , исходя из индукции в полюсе

.

Особенно для аппаратов защиты и вообще реле выбирают так, чтобы при наибольших м. д. с. катушки индукции в магнитопроводе и особенно в сердечнике не достигали значения, соответст­вующего насыщению стали. Обычно принимают ≃ 0,04 ÷0,10 Тл.

Для наиболее распространенных в электромагнитах постоянно­го тока круглых сердечников диаметр полюса, м,

.

Зная по уравнению (4.12), можно определить , а также = .

Используя данные, можно ориентировочно наметить один или несколько вариантов конструктивного выполне­ния аппарата, проверив их по возможности размещения катушки и по характеристикам.

Из кинематической схемы аппарата определяют необходимое зна­чение , соответствующее полному выключению. По уравнению (4.12) для находят значение 6С0, что позволяет по характеристи­ке F0 (60) получить значение ). Из уравнения (4.13) необ­ходимое значение м. д. с. определяется как

).

Для номинального режима расчетные значения:

и

Здесь первая зависимость — для аппаратов оперативной ком­мутации, вторая — для аппаратов защиты и реле. Коэффициент регулирования =(, где - соответственно верхняя и нижняя уставка аппарата.

Площадь поперечного сечения катушки, необходимая для ее раз­мещения в аппарате, ,

,

где — коэффициент заполнения обмоточного пространства; — до­пустимая плотность тока.

Рис. 4.16. Магнитная система реле

Сравнение и S позволяет оценить исполнимость конструкции ее рациональность, определить содержание необходимых корректировок.

По характеристике ) можно также построить ориен­тировочную характеристику ) электромагнита в преде­лах от до значения , соответствующего = 0,04 — за­зору, необходимому во включенном аппарате для того, чтобы якорь не прилипал к полюсу из-за остаточного магнитного потока. Координаты любой точки i характеристик ) и ) связаны уравнениями (4.12) и (4.13). Так, в точке i сила, Н,

.

Приведенный метод позволяет построить характеристику ) для аппарата одного типа и использовать ее как универсальную. Метод дает возможность получить обоснованные параметры и кон­струкцию электромагнита, его ориентировочные характеристики. Для аппаратов защиты и реле обязательно выполняют поверочный расчет электромагнита.

Поверочные расчеты. Эти расчеты проводят для электромагни­тов с уже установленными размерами магнитопровода, когда вы­брана его конструкция. Из многих методов таких расчетов приведем один, часто применяемый для тяговых аппаратов. В качестве при­мера рассмотрим магнитопровод одной из наиболее рациональных форм — П-образный (рис. 4.16). В нем нет соединительных сты­ков; он изготовлен из круглого прутка, имеющего диаметр сердеч­ника . По длине штамповкой выполнен постепенный переход от круглого сечения к прямоугольному на участке .

Расчет начинают с определения магнитной проводимости воз­душного зазора , складывающейся из проводимостей по площади полюса G, по его верхней и нижней кромкам, Тл/А:

,

где ;

 

.

Здесь все размеры даны в сантиметрах. Значения находят для нескольких воздушных зазоров δ. Определяют удельную маг­нитную проводимость для потоков рассеяния стержня, практиче­ски не зависящую от воздушного зазора,

≅2 )/ .

Средний коэффициент рассеяния

где — коэффициент магнитного рассеяния на текущем расстоянии x от поверхности полюса.

Удобно обозначить α= Тогда для рассматриваемой магнитной системы

=(1/b) .

Так как значение α изменяется с изменением воздушного зазора, его рассчитывают для нескольких значений δ и строят зависимость (δ).

В дальнейшем задача сводится к расчету магнитных характери­стик с учетом магнитного рассеяния для различных = const. Задаются магнитным потоком в воздушном зазоре и определяют м. д. с., необходимую для его получения,

θ=

М. д. с., необходимые для компенсации падений магнитного напряжения соответственно в воздушном зазоре , на стальных участках , в потоке рассеяния :

,

где — магнитная напряженность на i -м участке из их общего чис­ла n, зависящая от материала и индукции на участках длиной /г с площадью поперечного сечения ; .

Подобным образом получают семейство характеристик (θ), по которым находят статические характеристики электромагнита ) или ). Если воздушный зазор сравнительно невелик и невелико рассеяние, то определяют по уравнению (4.11). В других случаях используют метод приращений магнитной энергии (см. с. 112). Характеристики электромагнитов отличаются нараста­нием по мере снижения δ.

Характеристики электромагнитного индивидуального контакто­ра. Все основные величины обозначим так, как в электропневматическом контакторе (см. рис. 4.6). При электромагнитных приводах

Рис. 4.17. Статическая характеристика электромагнитного

контактора (а) и его характеристики при включении (б)

большое значение имеет воздушный зазор δ, поэтому он, а не пере­мещение, принимается в качестве независимой переменной (рис. 4.17, а). При этом х = - и х = - .

У электромагнитного привода d /dx > 0, у электропневматического d /dx < 0. Нарастание ускоряющей силы , особенно в кон­це процесса включения, вызывает повышение скорости подвижной системы и накопленной ею кинетической энергии (рис. 4.17, б)

(4.14)

В промежуток времени от - момента начального касания кон­тактов до - момента окончательного включения энергии должна быть погашена в системе. Часть ее ∆ поглощается в ре­зультате увеличения по сравнению ранее учтенными силами трения . Кроме того, возникают дополнительные силы трения кон­тактов ,.. Значительная часть энергии затрачивается на дефор­мацию пружин и контактов. В ее состав входит энергия упругих и энергия пластических деформаций основных контактов

≅∆ +

Энергия — это та часть , которой обмениваются со­ударяющиеся элементы. Высока вероятность того, что такой обмен приведет к колебательному процессу, при котором может изменить­ся направление потока энергии и связанное с этим нарушение кон­тактного соединения, что видно из кривой х(t). Возникающие от­рывы подвижного контакта от неподвижного сопровождаются обра­зованием дуги между рабочими поверхностями контактов, что при­водит к их повреждению. Эффект вибрации подвижного контакта при включении тем сильнее, чем больше масса подвижной части, что ясно из уравнения (4.14).

Из-за столь неблагоприятных характеристик включения кон­такторы с электромагнитным приводом не применяют в силовых це­пях, их используют только в цепях управления или вспомогательных, где токи не так велики. Электромагниты для них используют с возможно более пологими характеристиками, например, конструк­ции II и VIII, показанных на рис. 4.11.

Электромагниты переменного тока. У таких электромагнитов сила магнитного притяжения непостоянна, ее мгновенные значения

где к - коэффициент пропорциональности; - амплитудное зна­чение индукции в воздушном зазоре (рис. 4.18, а).

Это синусоида двойной частоты, смещенная относительно оси абсцисс на отрезок, равный , т. е. сила направлена односто­ронне, но пульсирует от максимального значения до нуля. Так как силы сопротивления и особенно силы пружин постояйны, то появ­ляется несбалансированная переменная составляющая АД вызы­вающая вибрации якоря, так называемый звонковый эффект, при­водящий к повышенному износу и неустойчивости работы аппарата

.

Рис. 4.8. Диаграмма величин и пульсаций электромагнита переменного тока (а), его демпферный виток (б) и векторная диаграмма при таком витке (в)

Для его нейтрализации применяют на полюсах демпферные витки (экраны), охватывающие лишь часть сечения полюса (рис. 4.18, б). Потоком охваченным этим витком, в нем наводится э. д. с. .

Она вызывает в витке ток , сдвинутый по фазе на угол (рис. 4.18, в), который зависит от активного и реактивного сопро­тивлений витка. Ток создает м. д. с., также отстающую от тока на угол , который вызван магнитным запаздыванием. В фазе с находится вектор магнитного потока . Результирующие магнитные потоки и в частях сердечника площадью и :

Сила магнитного притяжения

+

где и — амплитудные значения результирующих пото­ков.

Наличие двух сил, сдвинутых по фазе на угол , хотя и не уст­раняет пульсации результирующей силы , но настолько снижа­ет их, что может устранить звонковый эффект. Наилучшие резуль­таты будут при | | ≅ | ; = 90°, что соответствует соот­ношению площадей /( ÷ ) ≅0,7÷0,85. При этом сопротив­ление витка, Ом,

,

где — частота напряжения; все размеры даны в сантиметрах.

Электромагниты переменного тока получаются более громоздки­ми и менее быстродействующими, чем электромагниты постоянно­го тока. Поэтому часто вместо реле с катушкой, включенной в цепь переменного тока, применяют реле постоянного тока, катушка ко­торого включена через выпрямитель.

Процессы включения и выключения аппаратов с электромагнит­ным приводом постоянного тока. На эти процессы влияют высокие индуктивности катушек, инерция подвижных частей и вихревые токи в магнитопроводах. Уравнение напряжений при включении электро­магнитного привода

u=iR+Ldi/dt.

Откуда

i= , (4.15)

где — установившееся значение тока: = u/R; Т — постоянная времени цепи: Т = L/R.

При выключенном аппарате воздушный зазор велик и магнит­ная цепь не насыщена; поэтому L = const, начальная постоянная времени = const и i (t) — экспонента (рис. 4.19).

При нарастании тока и силы магнитного притяжения трогание подвижной системы начнется, когда М.д.с. , соответствующая моменту трогания, будет при токе , где w - число витков катушки.

Время трогания находят из уравнения (4.15)

Его можно выразить и через коэффициент запаса системы .

Откуда

Рис. 4.19 Изменение тока при включении аппарата с электромагнитным приводом
Полученные зависимости точны только для электромагнитов с шихтованными магнитопроводами, при которых вихревые токи пренебрежимо малы. В не

шихтованных магнитопроводах часть м. д. с. от тока в катушке идет на создание вихревых токов

,

где — коэффициент вихревых токов, зависящий от структуры магнитной системы; а = i/Ф — коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком для ненасыщенных магнитопроводов.

Вихревые токи увеличивают ток трогания ; возрастает и время трогания

Точный расчет периода движения с учетом всех факторов очень сложен; обычно задачу упрощают, рассматривая лишь два основных дифференциальных уравнения:

и

где x — путь, проходимый якорем; — силы сопротивления движению.

Эти уравнения не линейны, обычно их решают графоаналитическим методом с переходом к конечным разностям. В конечных приращениях:

; (4.16)

. (4.17)

Как исходные для расчета необходимы характеристики электромагнита Ф (i) при различных постоянных воздушных зазорах и статическая характеристика аппарата.

Механическая работа при движении системы на участке пропорциональна площади S (рис. 4.20) между смежными маг­нитными характеристиками для зазоров и . При трогании току на характеристике для соответствует точка а. Ее соединяют отрезком прямой с точкой b, выбранной на характеристике для . При выборе точки b стараются предугадать ее положение; в данном случае предполагается увеличение тока на . Для любого интервала :

где , — масштабы соответственно тока и магнитного потока.

По статической характеристике привода для перемещения определяют средние значения сопротивления движению и при­веденной массы . Приращение скорости на участке находят в соответствии с уравнением (4.6)

.

Время движения в первом интервале . Приращение магнитного потока находят из графика рис. 4.20; средний ток .

Полученные средние значения величин подставляют в уравнение (4.16), проверяя сходимость его правой и левой частей. При их расхождениях корректируют положение точки в и проделанный расчет. Если точка в зафиксирована достаточно точно, переходят к следующему приращению , повторяя расчет, как для но учитывая изменившиеся начальные условия .

  Рис. 4.20. К расчету процессов включения
Аналогично проводят расчет и для других участков, вплоть до значения зазора , соответствующего перемещению X. В результате расчета получают время движения и зависимость . Обычно при движении изменения тока сравнительно невелики и в конце его (при ) . После включения ток нарастает по экспоненциальному закону, но с постоянной времени , отличной от что обусловлено изменением индуктивности L в результате уменьшения воздушного зазора и насыщения магнитопроводов. Началу этой экспоненты соответствует точка на оси абсцисс (см. рис. 4.19):

.

Как и в начале процесса, вихревые токи задерживают его ход и увеличивают время достижения , однако это не имеет сущест­венного значения для работы большинства аппаратов.

Процесс выключения катушки описывается зависимостью

.

где — ток в момент выключения; — постоянная времени отключения.

До момента отпадания якоря и время отпадания с уче­том вихревых токов можно определить как

.

Приведенные зависимости не учитывают влияния характеристик выключающего устройства. Токовые катушки электромагнитных приводов имеют небольшую индуктивность, их собственные времени малы, а процесс выключения полностью зависит от вида выключающего устройства. Индуктивности потенциальных катушек сравнительно велики, что обычно приводит к образованию дуги или сильному искрению при выключении. В обоих случаях процессы в приводе будут больше зависеть от внешних факторов, чем от параметров самого привода. Поэтому процессы выключения надо рассматривать не для одного аппарата, а для соответствующего узла системы управления.

Особенно для распорядительных аппаратов (реле) очень важен показатель, характеризующий зону нечувствительности аппарата — коэффициент возврата . Для устройства, не имеющих зоны нечувствительности, .

Структура электромагнитов приводов позволяет повышать или снижать быстродействие аппаратов, уменьшая или увеличивая вихревые токи в магнитопроводах. Так, для повышения быстродействия аппарата вихревые токи снижают, применяя магнитопроводы из шихтованной электротехнической стали с узкой петлей гистере­зиса. Если быстродействие не требуется, применяют массивную магнитную систему, при которой время срабатывания обычно состав­ляет 0,08—0,15 с. Для создания больших замедлений — выдержек времени — на сердечник электромагнита устанавливают пол­ностью охватывающее его массивное кольцо из меди или латуни — демпферное кольцо, как бы усиливающее действие вихревых токов.

При изменениях магнитного потока в кольце наводится э. д. с. , где — число витков кольца. Эта э. д. с. вызывает в кольце, имеющем очень малое электрическое сопротивление , ток и м. д. с.

.

Результирующая м. д. с. электромагнита

.

Задерживая изменения магнитного потока, например, в реле времени при регулировке воздушного зазора и пружины, выдерж­ку времени срабатывания можно изменять в пределах от 0,5 до 3 с.


Дата добавления: 2015-07-12; просмотров: 317 | Нарушение авторских прав


Читайте в этой же книге: УСЛОВИЯ РАБОТЫ | Глава 2ТОКОВЕДУЩИЕ ЧАСТИ | КОНТАКТЫ И КОНТАКТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ | КИНЕМАТИКА КОММУТИРУЮЩИХ КОНТАКТОВ | СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ | ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ | ЭЛЕМЕНТЫ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ | МАГНИТНОЕ ДУГОГАШЕНИЕ | ГАЗОВОЕ ДУГОГАШЕНИЕ | ВИДЫ ПРИВОДОВ, ИХ СТАТИКА И ДИНАМИКА |
<== предыдущая страница | следующая страница ==>
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ| ГРУППОВЫЕЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.042 сек.)