Тема 1. Визначення електричного апарата. Класифікація.

Тема 1. Визначення електричного апарата. Класифікація.

Питання до самоперевірки

1. Яке призначення апаратів автоматики?

2. Принцип дії найпростішого електромагнітного реле.

3. Призначення дистанційного реле опору.

4. Призначення датчиків.

5. Принцип дії найпростішого магнітного підсилювача.

6. Принцип дії магнітокерованих контактних апаратів (герконів).

7. Принцип дії теплових реле.

8. Призначення і принцип дії біметалічної пластини теплового реле.

9. За якими показниками напівпровідникові реле перевершують

електромагнітні?

10. Призначення реле часу і програмних реле.

11. Призначення автоматичних регуляторів і стабілізаторів.

 

 

Тема 2. Електромеханічні явища в апаратах.

Розрахунок магнітних кіл

Під магнітним колом розуміють сукупність тіл і середовищ, в якій під впливом збудника магнітного поля виникає потік магнітної індукції.

Магнітне поле виникає завжди, коли через провідне середовище протікає постійний струм. Графічно поле зображують у вигляді магнітних силових ліній і в кожній точці воно характеризується вектором магнітної індукції , спрямованим по дотичній до лінії поля. На рис.14 представлене магнітне поле прямолінійного струму.

Рис.14. Магнітне поле прямолінійного струму

 

Однією з основних характеристик магнітного поля є скалярна величина – магнітний потік , тобто потік вектора магнітної індукції  через деяку поверхню  (рис.14):   

,

який може мати додатне або від’ємне значення в залежності від кута , утвореного напрямками векторів  і .

Оскільки лінії магнітної індукції неперервні та замкнені, то потік вектора магнітної індукції крізь замкнену поверхню дорівнює нулю:

.

В однорідному магнітному полі, коли для всіх точок простору вектор магнітної індукції  і напрямок його перпендикулярний до площини  ( ; ), то магнітний потік

,

що дає право говорити про величину вектора магнітної індукції, як про його потік, віднесений до одиниці поверхні:

.

При неоднорідному полі ця формула має вигляд:

.

У міжнародній системі одиниць (SI) магнітна індукція вимірюється в теслах (Тл) або веберах на квадратний метр (Вб/м²), а магнітний потік у веберах (Вб).

При розрахунку магнітних кіл застосовують також допоміжну величину – вектор напруженості магнітного поля , який за напрямком збігається з вектором магнітної індукції  і зв’язаний з ним співвідношенням:

,

де  – абсолютна магнітна проникність середовища, яка враховує роль його внутрішньоатомних струмів у створенні магнітного поля і для вакууму має значення:

.

Для діамагнітних матеріалів (вісмут, мідь тощо)  і для парамагнітних матеріалів (платина, алюміній та ін.) , тобто величина абсолютної магнітної проникності майже не відрізняється від значення , а для феромагнітних речовин вона в тисячі разів перевищує значення  і, крім того, нелінійно залежить від величини напруженості магнітного поля:  (рис.15).

Рис.15. Залежність μ = f(H)

 

Якщо магнітне поле збуджується в однорідному середовищі, то напруженість  не залежить від магнітних властивостей цього середовища і враховує лише величини намагнічувальних струмів і форму провідників, які вони обтікають.

Напруженість магнітного поля вимірюється в (А/м).

Між величинами, що характеризують магнітні та електричні кола, існує формальна аналогія, яка дозволяє ввести для магнітних кіл ряд понять, аналогічних поняттям, що використовуються при дослідженні процесів в електричних колах:

1. Магнітний потік  аналогічний до струму  в електричному колі.

2. Магніторушійна сила (МРС) або нагнічуючи сила , де  – кількість витків у котушці пристрою, – струм котушки, аналогічна до електрорушійної сили (ЕРС) в електричному колі:

, А;

, В.

Аналогія полягає в тому, що МРС  збуджує в магнітному колі магнітний потік , подібно до того, як ЕРС  створює в електрич-ному колі струм . Як і ЕРС, МРС є величиною напрямленою. Додатній напрямок МРС співпадає з поступальним рухом правоходового гвинта, якщо його повертати за напрямком струму в котушці. Формальність цієї аналогії в тому, що ЕРС існує й за відсутності струму в електричному колі (якщо коло розімкнене), в той час як існування МРС завжди пов’язане з одночасним існуванням струму.

3. Магнітна напруга (різниця магнітних потенціалів) аналогічна електричній напрузі:

, А

, В.

При визначенні магнітної напруги  слід мати на увазі:

а) якщо на ділянці магнітного кола між точками a і b  і співпадає за напрямком з елементом шляху , то , тому

,

де  – довжина шляху між точками a і b;

б) якщо на ділянці магнітного кола між точками a і b напруженість , то весь шлях можна поділити на  окремих частин таким чином, щоб для кожної -тої частини напруженість виявилась сталою величиною ( ), тоді

.

4. Магнітний опір аналогічний нелінійному електричному статичному опору:

, Гн^-1;

, Ом

Оскільки магнітна проникність  феромагнітних матеріалів залежить від магнітної індукції  ( ), то магнітний опір  не може розглядатись як постійна величина; якщо магнітне коло утворене ділянками з різною магнітною проникністю, то магнітні опори ділянок будуть різні.

5. Магнітна провідність аналогічна електричній провідності:

, Гн;

, См .

У загальному випадку  та  – функції магнітного потоку  (непостійної величини), тому поняттями  та  при розрахунках користуються лише в тих випадках, коли магнітне коло в цілому, або його ділянка, для якої визначається  та , не насичені (частіше за все це буває, коли в магнітному колі наявний досить великий повітряний проміжок).

Закон повного струму. Циркуляція вектора напруженості  магнітного поля по замкненому контуру довжиною  рівна алгебраїчній сумі струмів ( ), які охоплюються цим контуром:

.

Якщо контур інтегрування охоплює  витків котушки, які обтікає струм , то закон повного струму набуває вигляду:

.

Перший закон Кірхгофа. Алгебраїчна сума магнітних потоків у будь-якому вузлі магнітного кола рівна нулю:

.

Другий закон Кірхгофа. Алгебраїчна сума МРС, що діють у будь-якому контурі магнітного кола, дорівнює алгебраїчній сумі магнітних напруг на тому ж контурі:

.

Другий закон Кірхгофа для магнітних кіл по суті являє собою іншу форму запису закону повного струму.

Закон Ома ( ) у більшості випадків не може бути застосований для розрахунку магнітних кіл внаслідок того, що магнітний опір  – змінна величина ( ).

Різновидності магнітних кіл

Магнітні кола, так само, як і електричні, можуть бути нерозгалуженими і розгалуженими.

На рис.16 зображено нерозгалужене магнітне коло, в якому магнітопровід складається з двох однорідних феромагнітних ділянок завдовжки відповідно  й , а також двох однакових повітряних

проміжків довжиною  кожен.

 

Рис.16. Нерозгалужене магнітне коло

 

Обмотка збудження, складена з двох послідовно з’єднаних котушок із загальним числом витків , обтікається струмом  і створює намагнічувальну силу , яка збуджує основний магнітний потік , однаковий для всіх перерізів магнітопроводу, і невеликий магнітний потік розсіювання , що замикається в навколишньому повітряному середовищі.

Основною частиною магнітного кола є феромагнітні ділянки, які під впливом намагнічувальної сили  намагнічуються самі і забезпечують необхідну конфігурацію магнітного поля, тим часом як повітряні проміжки мало впливають на форму магнітних силових ліній, але істотно впливають на величину збуджуючого магнітного потоку.

При розрахунку магнітних кіл існує два типи задач: пряма і обернена.

Пряма магнітна задача. Задано: магнітний потік , геометричні розміри магнітопроводу, крива намагнічування магнітопроводу та кількість витків  обмотки. Необхідно визначити намагнічувальну силу , а потім і струм  обмотки намагнічування.

Спочатку знаходять величини магнітної індукції  на кожній ділянці магнітопроводу, як , за якими визначають відповідні напруженості магнітного поля  на окремих ділянках магнітного кола, де  – площа поперечного перерізу -тої ділянки магнітопроводу.

Для феромагнітних ділянок величини  визначають за кривою намагнічування , яка відповідає даному матеріалу, а для повітряних проміжків за формулою:

.

Враховуючи, що в межах кожної однорідної ділянки величина напруженості магнітного поля залишається практично сталою, застосуємо закон повного струму для середньої магнітної лінії магнітопроводу, на якому знаходяться  витків котушки з струмом :

.

Знайдене значення намагнічувальної сили  звичайно збі-льшують на  для врахування магнітного потоку розсіювання .

Оскільки основним опором нерозгалуженого магнітного кола є повітряний проміжок, то при попередніх розрахунках можна знехтувати магнітними напругами  і  і вважати, що намагнічувальна сила:

.

Вибір числа витків  обмотки збудження є неозначеною задачею, якщо не відома величина напруги, що її живить, оскільки необхідна намагнічувальна сила  може бути створена при будь-якій комбінації величини струму, що тече в обмотці збудження, і числа її витків . При заданій напрузі число витків  обмотки визначається за формулою:

.

Обернена магнітна задача. Коли розв’язується обернена магнітна задача, тобто коли необхідно за заданою намагнічувальною силою  визначити збуджуваний нею магнітний потік , задають ряд значень магнітного потоку , визначають для кожного з них відповідну намагнічувальну силу , ,…, , а потім будують магнітну характеристику , що дає можливість знайти графічно необхідний магнітний потік  за заданою величиною намагнічу вальної сили  (рис.17).

Рис.17. Залежність Ф = f (F)

Розрахунок величин магнітних потоків у розгалуженому магнітному колі, збуджених намагнічувальними силами обмоток, розміщених на окремих ділянках магнітопроводу, проводять, виходячи з принципу неперервності магнітного потоку, згідно з яким алгебраїчна сума потоків в ділянках магнітного кола, збіжних до одного вузла, дорівнює нулю, тобто , і співвідношення , яке показує, що в будь-якому контурі магнітного кола алгебраїчна сума намагнічувальних сил дорівнює алгебраїчній сумі добутків напруженостей магнітного поля на відповідні їх довжини ділянок магнітного кола.

Рис.18. Розгалужене магнітне коло

 

Якщо магнітні потоки, спрямовані до вузла, вважати додатними, а потоки спрямовані від вузла, – від’ємними, то стосовно до вузла  розгалуженого магнітного кола (рис.18,а) рівняння неперервності магнітного потоку запишеться так:

.

При обході контурів  і  в напрямку обертання годинникової стрілки можна записати ще два рівняння:   

;

.

Оскільки між величинами магнітних потоків  і відповідними їм напруженостями магнітного поля  існує нелінійна залежність, яка визначається відповідними кривими намагнічування , то систему рівнянь зручно розв’язати графічно.

Для цього необхідно для кожної ділянки розгалуженого магнітного кола побудувати криву , для чого треба абсцису кожної кривої намагнічування  помножити на довжину  відповідної ділянки магнітопроводу, виміряну по середній магнітній лінії, а ординату кожної кривої помножити на площу  поперечного перерізу тієї ж ділянки.

Криві ,  і  відповідно для трьох стрижнів магнітопроводу побудовано на рис.19.

 

 

Рис.19. Криві ,  і

 

Розв’яжемо графічно рівняння. З цією метою, додаючи ординати кривих  і , знайдемо криву , додаючи до абсцис якої відповідні абсциси кривої , одержимо криву , на якій можна за відомою величиною магнітного потоку  знайти відповідну їй величину магнітної напруги ( ), яка дорівнює шуканій намагнічувальній силі .

Одночасно з цим визначаються магнітні напруги  і  проекціями точок  й  на вісь абсцис і величини магнітних потоків  і , як ординати точок  й .

При врахуванні магнітних потоків розсіювання така задача розв’язується методом послідовного наближення.

Питання до самоперевірки

 

1. Проаналізуйте взаємодію двох рівнобіжних провідників при однаковому напрямку струму в них.

2. Проаналізуйте взаємодію двох рівнобіжних провідників при різних напрямках струму в них.

3. Проаналізуйте сутність індукційно–динамічних взаємодій у системах зі струмами, що змінюються.

4. Чому в електромагнітах не виникають сили відштовхування якоря від осердя при будь–якому напрямку струму в обмотці?

5. Пояснить перше рівняння Максвелла в елементарних умовах стосовно до обмотки з числом витків W і струмом i.

6. Поясніть закон електромагнітної індукції Фарадея в елементарній формі.

7. Поясніть закон електромагнітної індукції Фарадея щодо електромагнітних елементів змінного струму.

8. Закон розрахунку магнітних кіл.

9. Поясніть закон повного струму для магнітних кіл.

 

 

Питання до самоперевірки

1. Що називається протидіючою (механічною) і тяговою характеристикою електромагніта?

2. Перелічіть основні параметри електромагніта.

3. Проаналізуйте основні фактори, що впливають на час спрацьовування електромагніта.

4. Проаналізуйте вплив на контактну систему розташування тягової характеристики електромагніта нижчою протидіючої.

5. Дайте визначення “коефіцієнта запасу” як одного з основних параметрів електромагніта.

6. Охарактеризуйте потужність, котру споживає електромагніт, як один з основних параметрів електромагніта.

Котушки електромагнітів

Котушка − один із головних елементів електромагніта і має задовольняти таким основним вимогам:

− забезпечувати надійне включення електромагніта за найгірших умов, тобто в нагрітому стані, при зниженій напрузі;

− не перегріватися понад припустиму температуру при всіх можливих режимах, тобто при підвищеній напрузі;

− при мінімальних розмірах бути зручною для виробництва;

− бути механічно міцною;

− мати достатній рівень ізоляції, а в деяких апаратах − бути волого-, кислото- і маслостійкою.

У процесі роботи в котушці виникають напруги: механічні − за рахунок електродинамічних сил у витках і між витками, особливо при змінному струмі;

термічні – за рахунок нерівномірного нагрівання окремих її частин;

електричні – за рахунок перенапруг, зокрема, при відключенні.

При розрахунку котушки необхідно виконати дві умови: перша – забезпечити необхідну МРС при гарячій котушці та зниженій напрузі; друга – температура нагрівання котушки при цьому має перевищувати припустиму.

У результаті розрахунку мають бути визначені такі величини, що необхідні для намотування: d – діаметр дроту обраної марки; W – число витків; R – опір котушки.

За конструкційним виконанням розрізняють котушки: каркасні – намотування здійснюється на металевому чи пластма-совому каркасі;

безкаркасні бандажовані – намотування виконують на знімному шаблоні, після намотування котушки бандажують; безкаркасні з намотуванням на осердя магнітної системи.

Електромагнітні механізми застосовують для приведення в дію багатьох апаратів. Конструкція електромагніта може бути класифі-кована:

1) за способом дії: утримуючі – для утримання того чи іншого тягаря деталей (наприклад, електромагнітні столи верстатів, електромагніти піднімальних кранів і т.ін.); що притягають – роблять певну роботу, притягаючи свій якір;

2) за способом включення: з рівнобіжною котушкою – струм у котушці визначають параметрами самого електромагніта і напругою мережі; з послідовною котушкою – котушку включають у силове коло; струм у котушці визначають не параметрами електромагніта, а тими пристроями (машини, апарати), в коло яких включена котушка;

3) за родом струму: постійного струму – при рівнобіжному включенні струм у котушці залежить від опору її обмотки й прикладеної напруги, електромагнітна система працює за постійної МРС; змінного струму – при рівнобіжному включенні струм у котушці залежить від індуктивності системи, що змінюється обернено – пропорційно повітряному зазору; електромагнітна система працює при сталості потокозчеплення; 4) за характером руху якоря: поворотні – якір повертається навколо якоїсь осі чи опори (рис.25а,б); прямоходові – якір переміщується поступально (рис.25 в, г).

Питання до самоперевірки

1. Проаналізуйте прискорення часу спрацьовування електро-магніта при під'єднанні послідовно додаткового резистора і збільшенні напруги живлення.

2. Обґрунтуйте прискорення спрацьовування електромагніта при під'єднанні конденсатора паралельно додатковому послідовно приєднаному резистору.

3. Проаналізуйте роботу електромагнітного реле при шунтуванні

додаткового послідовно приєднаного резистора контактами даного електромагнітного реле.

4. Проаналізуйте вплив на час спрацьовування електромагніта гільзи з електропровідного матеріалу, яка охоплює магнітопровід.

5. Обґрунтуйте збільшення ефекту сповільненого відпускання реле по відношенню до ефекту збільшення притягання при використанні короткозамкнутої гільзи з електропровідного матеріалу.

6. Порівняйте середнє зусилля притягання електромагнітів постійного і змінного струмів при однаковій площі полюса.

7. Обґрунтуйте переваги електромагнітів постійного струму в порівнянні з електромагнітами змінного струму.

8. Обґрунтуйте необхідність шихтування магнітопроводів електромагнітів змінного струму.

9. Чим обумовлене додаткове нагрівання магнітопроводу електромагніта змінного струму?

Тема 5. Електричні контакти

Електричні апарати складаються з окремих деталей (провід-ників), електрично з'єднаних між собою. Зіткнення тіл, що забезпе-чують безперервність електричного кола, називається електричним контактом.

Деталь, що стикається з іншою деталлю при утворенні електричного контакту, називається контакт–деталлю, а утворення та існування електричного контакту – електричним контактуванням.

Електричне контактування (рис.27) є дуже складним явищем. Контактні поверхні завжди мають деяку шорсткість і, як правило, завжди вкриті плівками, що утворюються під впливом кисню повітря, озону, азоту та інших хімічних реагентів. Плівки мають товщину до 10^{-6 см і питомий опір} ρ = 10⁵ Ом∙см. Металеве контактування здійснюється не всією поверхнею, а лише в деяких точках. Наявна на поверхні металу плівка може бути в одних випадках продавлена зусиллям, що стискує контакти, в інших випадках – пробита під впливом різниці електричних потенціалів. У місці пробою утворю-ється металевий перешийок, що проводить електричний струм.

 

 

Рис.27. Електричне контактування контакт-деталей

 

Явище пробою плівки при деякій напрузі називається фрітінгом. Воно полягає в тому, що при певному (граничному) значенні напруги, що залежить від виду і товщини плівки, опір її різко падає. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням у ній тонкого металевого провідника, який може залишитися після зняття напруги.

 

 

Опір електричних контактів

Опір електричного контакту може бути розрахований як сума опорів стягування  і сторонніх, зумовлених плівкою

Опір стягування обумовлений тим, що при стискуванні двох провідників, звернених один до одного плоскими поверхнями, торкання відбувається не всією площиною, а тільки окремими ділянками, що розташовані на площині відповідно до мікрогеометрії поверхні. При цьому картина протікання струму різко змінюється, тому що струм має пройти не через весь переріз, а лише через його частину. Опір струму зростає. Опір плівок може змінюватися в процесі експлуатації в дуже широких межах.

Опір обох провідників, які знаходяться в контакті, тобто опір стягування в ідеалізованому контакті, можна подати у вигляді

де ρ – питомий електричний опір середовища, в якому розглядається розтікання струму; а – радіус площадки контактування.

Для гладких поверхонь куля – площина:

де r – радіус кулі, мм; Р – сила стиску, Н; Е – модуль пружності, Н/мм².

При стиску двох однакових кульових поверхонь

Якщо сила стиску розподілена на n однакових круглих площадок, то радіус однієї площадки дорівнює

Виникнення плівок на поверхні контактів залежить від матеріалу

контактів, їх температури, середовища, в якому знаходяться контакти.

Найбільш розповсюдженою причиною утворення плівок на контактних поверхнях є окисні процеси в повітрі. Боротьба з оксидними плівками успішно ведеться конструктивними методами. Конструкцію контактів часто виконуютьтаким чином, щоби при їхньому замиканні й розмиканні вони руйнували плівку і тим самим знижували перехідний опір у контакті в замкнутому стані (наприклад, лінійний контакт).

У твердих з’єднувальних контактах захист від утворення оксидних плівок здійснюється змазуванням контактних поверхонь спеціальними змащеннями перед зборкою і фарбуванням контактного з'єднання теплостійкими фарбами після зборки.

Перехідний опір контакту

У зоні переходу струму з однієї деталі в іншу має місце відносно великий електричний опір, називаний перехідним опором контакту.

Перехідний опір контакту R_пер визначають опором звужених ділянок, якими проходить струм до площадок стиску, і опором вузьких металевих перешийків, що виникають унаслідок фрітінгу.

Із уточненнями (на підставі дослідних даних) значення перехідного опору встановлюють виразом

де ε – деяка величина, що залежить від матеріалу і форми контакту, способу обробки контакту і стану контактної поверхні; Р – сила, що стискує контакти; n – показник ступеня, що характеризує число точок дотику.

Зі збільшенням числа точок дотику перехідний опір електричного контакту зменшується. В останньому виразі показник ступеня приймають: для одноточкового контакту n = 0,5; для багатоточкових n = 0,7÷1 (для лінійного контакту n = 0,7÷0,8; для поверхневого n = 1). Значення величини ε залежить від стану поверхні контактів, характеру їхньої обробки й особливо – від ступеня окислювання. Для свіжих, неокислених і нормально оброблених одноточкових контактів (обробка на верстаті, остаточна обробка шліфувальним напилком і змащення вазеліном) можна приймати наступні значення ε Ом/Н^0,5, що подані в таблиці 1.

Табл.1.

Мідь	10-3	Алюміній	1,6∙10-3
Срібло	0,5∙10-3	Латунь	6,7∙10-3
Олово	5∙10-3	Сталь	76∙10-3

 

Залежність перехідного опору від контактного натискання подана на рис.28.

Рис.28. Залежність перехідного опору

від сили натискання(а) і температури (б)

Крива 1 відповідає процесу зростання контактного натискання, крива 2 – зниженню натискання. Різний хід кривих обумовлений наявністю залишкових деформацій окремих горбків, по яким відбу-валося зіткнення самого контакту при кожному замиканні може бути різним і відрізнятися в досить великих межах: у великих – при малих натисканнях і в менших – при великих натисканнях (більше 100 Н). Пояснюється це тим, що число і розмір площадок контактування при кожному замиканні можуть бути різними.

Значення перехідного опору залежно від натискання практично виражається не якоюсь кривою, а сферою, обмеженою двома кривими.

Залежність перехідного опору від температури. Перехідним опором контакту є опір металу провідника, тому він має тією ж мірою залежати від температури. Однак зі збільшенням температури змінюється структура горбків і площадок зіткнення за рахунок зміни питомого опору зминанню Θ. Тому температурний коефіцієнт тут буде меншим. Для міді . Таким чином,

де: Θ – температура контакту; R_пер.г – перехідний опір гарячій; R_пер.х – перехідний опір холодний; α – температурний коефіцієнт.

Із зростанням температури перехідний опір спочатку росте (ділянка 1 кривої на рис.28б). Потім при деякій температурі (для міді і срібла при 200÷300 ^оС) відбувається різке зниження механічних властивостей матеріалу.

При тому ж натисканні збільшується площадка контактування, перехідний опір (ділянка 2) різко падає. Надалі (ділянка 3) він знову зростає лінійно із зростанням температури, і при температурі плавлення матеріалу контакти зварюються, перехідний опір різко падає (ділянка 4).

Шліфування поверхонь не зменшує, а навпаки, збільшує пере-хідний опір у порівнянні з обробкою напилком. При шліфуванні гор-бки на поверхні стають більш пологими і їх зминання утруднюється.

Перехідний опір дуже чутливий до окислювання поверхні через те, що окисиди багатьох металів (зокрема міді) є поганими провідниками. У мідних відкритих контактах унаслідок їхнього окис-лювання з часом перехідний опір може зрости в тисячі разів.

Нагрівання котушок

Котушка електричних апаратів складається з провідника, ізо-ляції і прошарків повітря чи просочуючого матеріалу (лак, компаунд). Теплота, що виділяється по всьому обсягу котушки, має проходити до поверхні через матеріали з різною теплопровідністю. У середині котушки температура буде вищою, ніж на поверхні. Чим щільніша котушка, то краща теплопровідність між шарами тим меншою буде різниця температур між зовнішньою поверхнею і внутрішніми шарами. Просочення і компаундування підвищують загальну тепло-провідність котушки, а тим самим і тепловіддачу на 5÷10 ^оС.

Різні ділянки поверхні котушки по-різному беруть участь у теп-ловіддачі. Зовнішня бічна поверхня, як правило, буває відкритою і є основною тепловіддаючою поверхнею. Тепловіддача з неї відбуваєть-ся головним чином за рахунок природної конвекції. Всередині котуш-ки проходить осердя. Через малі зазори між осердям і котушкою кон-векція тут утруднена, але коли осердя щільно прилягає до котушки, то тепловіддача з внутрішньої поверхні котушки йде за рахунок тепло-провідності. Тепловіддача залежить від щільності притискання котуш-ки до осердя, від розміру тепловіддаючої поверхні магнітопроводу. Торцеві поверхні котушки звичайно закриті ізоляційними кріпильни-ми деталями з низькою теплопровідністю. У довгих котушках тепло-віддачею з торців нехтують, в коротких котушках її слід урахувати.

Розподіл температури котушкою нерівномірний як у радіальному напрямку, так і за висотою. Точний розрахунок розподілу температури пов'язаний із великими труднощами.

де і₀ і R₀ – струм і опір холодної котушки;  являє собою деяку еквівалентну поверхню, що враховує ступінь участі зовнішньої, внутрішньої і торцевої ділянок поверхні в тепловіддачі (тут β₁ і β₂ – експериментальні коефіцієнти). Для котушок контакторів і реле постійного струму рекомендують: β₁ = 0,9 – для безкаркасних бандажованих котушок; β₁ = 1,7 – для котушок, намотаних на трубу; β₁ = 2,4 – для котушок, намотаних на осердя, β₂ = 0.

У дійсності розподіл температури вздовж радіуса котушки буде мати характер, обумовлений кривою (рис.30). Десь усередині котушки на відстані r_м перевищення температури буде максимальним τ_max, на зовнішній і внутрішній поверхнях – відповідно τ₁ і τ₂. Максимальна температура значно перевищує температуру на зовнішній поверхні і небагато перевищує середню температуру котушки.

 

Рис.30. Розподіл температури τ по котушці, h –висота котушки, r –радіус

Питання до самоперевірки

1. Що називається електричним контактом?

2. Що таке контакт-деталь?

3. Що називають фрітінгом при електричному контактуванні в тягових електричних апаратах?

4. Проаналізуйте процес електричного контактування двох контакт-деталей електричного апарата.

5. Проаналізуйте чисто металеве контактування двох контакт–деталей.

6. Обґрунтуйте існування трьох видів контактів за формою контактування.

7. Приведіть класифікацію контактів тягових апаратів за призначенням.

8. Які існують з’єднувальні контакти електричних апаратів?

9. Які існують різновиди комутуючих контактів електричних апаратів?

10. Проаналізуйте призначення головних і дугогасних комутуючих контактів.

11. Чим обумовлений опір стягування електричного контакту?

Питання до самоперевірки

1. Що являє собою зазор контактів як параметр контактних конструкційтягових електричних апаратів?

2. Що називається провалом контактів як одним із основних параметрів контактних конструкцій тягових електричних апаратів?

3. Проаналізуйте вплив провалу контактів на надійність контактних конструкцій тягових електричних апаратів.

4. Дайте визначення контактного натискання контактних конструкцій тягових електричних апаратів.

5. Проаналізуйте вплив на надійність електричного контакту зміни кінцевого натискання в міру зносу контактів і зменшення провалу контактів тягових електричних апаратів.

6. Що розуміють під зносом контактів електричних апаратів?

7. Проаналізуйте процеси зносу контактів при їхньому розмиканні в тягових електричних апаратах.

8. Проаналізуйте зміну перехідного опору і густину струму в останній точці контактування при розмиканні контактів.

9. Проаналізуйте вплив розмикання контактів на температуру площадки контактування.

10. Проаналізуйте виникнення різних форм розрядів при розмиканні контактів електричних тягових апаратів.

Потужності втрат у дузі

Падіння напруги в дузі визначає потужність утрат ΔР_д, що розсіюються нею:

Потужність втрат у катода витрачається на утворення і підтримку катодної плями, на випар металу і створення електронної емісії – прискорення електронів, що виділяються з плями. Втрати катода виділяються в настільки вузькому просторі, що викликають інтенсивне нагрівання дуги. Саме тут температури найбільші, вони досягають (6÷8)∙10^{3 о}К. Температура самої контактної плями трохи нижча внаслідок гарної теплопровідності металу електродів, що забезпечує інтенсивне відведення тепла.

Потужність втрат у анода, викликана падінням напруги U_а, витрачається на виділення вільних електронів з негативно заряджених іонів і проникання їх у тіло анода. Вона виділяється в дуже вузькому просторі безпосередньо на поверхні анода. Це викликає значне нагрівання опорної точки дуги на аноді й його оплавлення.

Потужність втрат у стовбурі дуги витрачається на відтворення іонів, загублених у стовбурі внаслідок їхнього розсіювання, тобто це потужність теплових втрат у стовбурі дуги. Вона тим більша, чим більше поверхня стовбура й особливо довжина дуги. Таким чином, падіння напруги в стовбурі EC пропорційне l_д. Разом із тим, воно залежить і від градієнта падіння напруги в дузі, що обумовлене знаходженням стовбура дуги і, звичайно, умовами його охолодження.

Дугогасні системи

Для обмеження теплового впливу дуги на деталі апарата, час її гасіння звичайно має не перевищувати 0,1 с. Існує мінімальна відстань між контактами lmin (мм), починаючи з якої створюються необхідні умови для видування дуги з контактів і розтягання її в дугогасному пристрої:

де b – товщина контакту, мм; i_д – струм дуги в кА, i_д = 1÷10 кА; k₁ – залежить від матеріалу контактів (для Cu k₁ = 0,18; для Ag k₁ = 0,85; для W k₁ = 2,0).

Найпростіший спосіб гасіння дуги – механічний розтяг її стовпа. При невеликих струмах (~ до 10 А) дуга розтягується між розбіжними контактами на довжину l і не виходить із міжконтактного проміжку. При значних струмах дуговий стовп видувається нагору під дією сил, що викликані тепловими потоками, чи сил електро-динамічної взаємодії дуги зі струмами в струмоведучих елементах. У таких пристроях виникає й гаситься вільна (відкрита) дуга.

Застосовують також дугогасні ґрати, набрані зі сталевих пластин, на які видувається електрична дуга. Дуга переміщується на сталеві пластини під дією електромагнітних сил (магнітний потік від струму дуги “прагне” пройти шляхом найменшого опору – сталевими ділянками), під дією теплових потоків (нагору) і під впливом сил електродинамічної взаємодії струму дуги зі струмоведучими контактними деталями. Пластини, що розбили стовп дуги на ряд коротких дуг, є для них своєрідними радіаторами, які інтенсивно їх охолоджують. Це викликає сильне зростання опору дуг і їхнє гасіння.

Принцип магнітного дугогасіння передбачає вплив на електричну дугу магнітного поля. Його пристрої порівняно прості, не вимагають додаткових джерел енергії, тому одержали в тягових апаратах широке розповсюдження. Таке дугогасіння мають більшість комутаційних тягових апаратів.

Існують два різновиди магнітного дугогасіння: електромагнітне і

дугогасіння з постійними магнітами. Останнє застосовують рідко, звичайно тільки в тих випадках, коли необхідно виключити вплив індуктивності дугогасної котушки на постійну часу кола. Таке дугогасіння застосовують також у розрядниках.

Принцип дії магнітного гасіння дуги заснований на взаємодії магнітного потоку Ф_д і струму I, що протікає в колі дуги, яку можна розглядати як провідник зі струмом (рис.35).

Сила df_д, що діє на елемент дуги dl_д, де B_д∙sinα – складова вектора індукції в зоні елемента dl_д, нормальна до нього.

Сила F_д, що діє на весь стовбур дуги довжиною l_д:

У першому наближенні індукцію в зоні розташування дуги можна усереднити:

Величину Вдс можна вивести з – під знака інтеграла, а

де L _д – відстань між опорними точками дуги. Таким чином,

Рис.35. Магнітне гасіння дуги

Отримані залежності описують зв'язок дуги з дугогасним потоком, але використовувати їх безпосередньо для визначення довжини дуги, її швидкості та інших показників важко, з огляду на вплив на дугу багатьох факторів і її випадковий характер.

Котушку, що створює магнітний дугогасний потік, включають послідовно в коло контактів комутаційного апарата. Це забезпечує її автоматичне вимикання після розриву апаратом електричного кола струму. МДС дугогасної котушки пропорційна струму дуги Q_д = іw.

Послідовне включення котушки дозволяє, не змінюючи напрямок сили F _д, змінювати напрямок струму в апараті, тому що при цьому змінюється напрямок індукції В _д з метою впливу на дугу в потрібному напрямку для забезпечення дугогасіння.

В апаратах із постійними магнітами, змінюючи напрямок струму в колі, потрібно також змінити полярність магнітів, що викликає труднощі виконання. Таку систему називають розімкнутою.

У сучасних апаратах гасіння дуги при відключенні кола здійснюється в дугогасних пристроях, завданням яких є загасити дугу в малому обсязі (бажано замкнутому) за малий час, при малому зносі частин апаратів, при заданих перенапругах, малих звукових і світлових ефектах.

Значно поширені (особливо в низьковольтних апаратах) дугогасні пристрої, камери яких мають поздовжні щілини. Поздовжньою називають щілину, вісь якої збігається за напрямком із віссю стовбура дуги. У таких камерах основний вплив здійснюють на стовбур дуги. Охолодження стовбура дуги (добір енергії) відбувається за рахунок руху дуги через нерухоме повітря й охолоджуючої дії стінок камери. Явища в електродах (їх всього два) тут можна враховувати в змінному струмі й напрузі нижче 220 В. Рух дуги в пристроях із подовжніми щілинами відбувається за рахунок взаємодії струму дуги зі створюваним зовнішнім магнітним полем і полем контуру струму.

На рис.36 схематично зображені характерні форми поздовжніх щілин камер дугогасних пристроїв. У верхній частині камери між точками 1 і 2 є одна пряма поздовжня щілина 3 із площинорівно-біжних стінок, у камері на рис. 36б – декілька прямих рівнобіжних щілин, аналогічні щілини – у камері на рис.36а. Декілька рівнобіжних щілин застосовують при відключенні великих струмів. Однак рівнобіжні дуги існують недовго. Вони дуже хитливі, і всі, крім однієї, останньої, швидко згасають. Умови гасіння дуги, що залишилася, такі самі, які у камері з однією щілиною.

 

 

Рис.36. Різновиди дугових камер

 

На рис.36в наведено камеру з однією поздовжньою щілиною 3, якій надана звивиста форма. При такій формі є можливим у камері невеликих розмірів помістити довгу дугу. Крім того, наявність ребер сприяє підвищенню напруги на дузі. Саме ці особливості обумовлю-ють ті переваги розглянутої камери, що забезпечують їй широке застосування.

Поздовжня щілина з рядом ребер і розширень 4, за рахунок яких відбувається зростання поздовжнього градієнта напруги, зображена на рис.36г.

Камера (рис.36д) має комбіновану зиґзаґоподібну щілину 3 з місцевими розширеннями 4. У такій щілині, очевидно, мають сполуча-тися всі достоїнства зиґзаґоподібної щілини з перевагами, які дають місцеві розширення. За особливостями руху електричної дуги в поз-довжніх щілинах розрізняють щілини широкі й вузькі. Широкою називають щілину (рис.37а), ширина якої значно більша діаметра дуги, вузькою – щілину (рис.37б), ширина якої менша діаметра дуги чи близька до нього.

Оскільки діаметр дуги залежить від струму, швидкості руху дуги й умов охолодження, то для одних умов щілина буде широкою, для інших – вузькою. У широких щілинах рух дуги мало стиснутий стінками, переріз її стовбура недеформований. Якісно всі явища тут відбуваються так само, як і у відкрито палаючій дузі. Наявність стінок вносить тільки деякі кількісні зміни до закономірностей, властивих відкритій дузі.

У вузьких щілинах рух дуги сильно стиснутий, переріз стовбура дуги деформований, умови охолодження різко змінені. Усе це призводить до виникнення ряду нових явищ, що якісно й кількісно відрізняються від тих, які відбуваються у відкритій дузі.

 

 

Рис.37. Щілини дуги

 

Питання до самоперевірки

1. Проаналізуйте умови виникнення електричної дуги при розмиканні електричних контактів.

2. Дайте визначення електричної дуги.

3. Що являє собою стовбур електричної дуги?

4. Проаналізуйте статичну характеристику електричної дуги при

різних її довжинах.

5. Проаналізуйте способи впливу на електричну дугу з метою керування або гасіння.

6. Принцип магнітного гасіння дуги в тягових електричних апаратах.

7. Які різновиди магнітного гасіння дуги існують у тягових електричних апаратах?

 

Постійного струму (БНКПС)

Безконтактні напівпровідникові контактори постійного струму (БНКПС) можуть виконуватися на базі традиційних одноопераційних тиристорів, двоопераційних тиристорів і JGBT–транзисторів. Оскільки за перевантажувальною здатністю і прямим падінням напруги останні істотно поступаються тиристорам, а високі динамічні параметри JGBT – транзисторів у напівпровідникових контакторах поки не затребувані, то нижче буде розглянуте використання в БНКПС тільки двох указаних вище типів тиристорів. При цьому слід зазначити, що ніяких інших утруднень принципового характеру при використанні JGBT–транзисторів в БНКПС не виникає. На рис.39 наведено принципову схему варіанта БНКПС, виконаного з використанням традиційних тиристорів. Основною перевагою цієї схеми є те, що на її основі можна створювати НПКПС на номінальні струми з відносно високою відключаючою здатністю (63А і вище) [3].

Даний контактор складається з наступних функціональних вузлів:

1) тиристорного ключа з примусовою комутацією місткості, що містить основний тиристор VS₁ і імпульсну схему примусової комутації: комутуючий тиристор VS₂, що комутує конденсатор С₄, комутуючу котушку індуктивності L₁, зворотний діод VD₂, додатковий резистор R₃;

2) кола заряду комутуючого конденсатора, що містить зарядний тиристор VS₃, котушку індуктивності L₁, і необхідного для попереднього заряду конденсатора С₄;

3) схеми запуску основного тиристора VS₁, що містить контакти кнопок "Пуск" і "Стоп" і обмежувальний резистор R₁;

4) схеми запуску тиристора VS₂, що містить діод VD₄, коло часової затримки (резистор R₆, конденсатор С_З), розрядний резистор R₈ і стабілітрон VD₃;

5) схеми запуску тиристора VS₃, що містить контакти кнопок "Пуск" і "Стоп", коло часової затримки (резистор R₉, конденсатор С₆);

6) захисного діода VD₇, що виключає вплив індуктивності навантаження LH на тиристорний ключ при відключенні навантаження з індуктивним характером;

7) демпфуючого кола, що містить резистор R₂ і конденсатор С₁ і необхідного для обмеження амплітуди й швидкості наростання комутаційних перенапружень;

8) кіл контролю, що містять світлодіод VD₁, резистор R₅ і світлодіод VD₆, необхідних для сигналізації щодо працездатності тиристорного ключа і кола виключення контактора.

Працює контактор наступним чином. При натисненні кнопки "Пуск" напруга мережі через обмежувальний резистор R₁ подається на перехід тиристора, що управляє VS₁, забезпечуючи його включення. У включеному стані контактора схема імпульсної примусової комутації

перебуває у знеструмленому стані (вона шунтується основним тиристором VS₁), що істотно підвищує надійність роботи даної схеми.

При натисненні кнопки "Стоп" конденсатор С₆ починає заряджатися через резистор R₉ від напруги на навантаженні і; щойно напруга на ньому досягає напруги перемикання одноперехідного транзистора VT₁, останній, перемикаючись, забезпечить надійне включення зарядного тиристора VS3 розрядним струмом конденсатора С_б. При цьому починається коливальний заряд конденсатора С₄ по такому колу: +U, відкритий тиристор VS₁, котушка індуктивності L₁, відкритий тиристор VS₃, -U.

Із метою зменшення втрат в колах комутації контактора котушки індуктивності виконують так, щоб її активний опір був мінімальним.

 

Рис.39. Принципова схема БНКПС

 

Тому, практично не викривляючи характер даного процесу, можна прийняти, що цей опір дорівнює нулю. У цьому випадку зарядний струм

де U – напруга мережі.

Амплітуда зарядного струму

Власна частота контуру заряду

Напруга на конденсаторі

Заряд конденсатора С₄ припиниться при i_зap = 0. При цьому конденсатор заряджатиметься до напруги U_co = 2U. Час його заряджання буде

Після закінчення заряджання конденсатора С₄ тиристор VS₃ закривається і на ньому виникає напруга ("+U" на катоді та "–" на аноді), що дорівнює різниці напруг на комутуючому конденсаторі й нанавантаженні. Ця напруга через діод VD₄, коло часової затримки і стабілітрон VD₃ прикладається до переходу комутуючого тиристора, що управляє, VS₂. Коли напруга на конденсаторі С₃ перевищить напругу стабілізації VD₃, тиристор VS₂ включиться. До цього часу зарядний тиристор VS₃ вже відновить свої замикаючі властивості.

Включення тиристора VS₂ викличе роботу схеми імпульсної примусової комутації, яка і забезпечить виключення основного тиристора.

Повне відключення навантаження відбудеться при повному перезарядженні конденсатора С₄ і зниженні струму в тиристорі VS₂ нижче за струм утримання.

У даній схемі необхідно, щоб час затримки на включення тиристора VS₃ перевищував час, що дорівнює сумі наступних величин: часу заряджання конденсатора С₄, часу затримки на включення тиристора VS₂ і часу роботи схеми примусової комутації. У цьому випадку при натиснутій кнопці "Стоп", якщо навіть за якоїсь причини схема примусової комутації не заборонена тиристор VS₁, відбудеться повторне її спрацьовування вже при вищій початковій напрузі на конденсаторі С₄. Останнє є безперечною перевагою даного контак-тора.

У даний час у зв'язку з розробкою високовольтних (до 10 кВ) повністю керованих IGCT-тиристорів зі струмами, які замикаються, до 5 кА, відносно малими втратами і перевантажувальною здатністю до декількох десятків кА відкрилися чудові перспективи щодо створення на їх основі БНКПС, що суміщають функції управління і захисту без застосування малонадійних вузлів примусової комутації. На нашу думку, такі пристрої найближчим часом набудуть широке застосування (наприклад, на електричному транспорті).

Література

1. Сосков А. Г. Полупроводниковые аппараты: коммутация, управление, защита: учебник / А. Г. Сосков. – К. : Каравелла, 2005.      – 344с.

2. Таев И. С. Основы теории электрических аппаратов: Учеб. для вузов по спец. «Електрические аппараты» /И. С. Таев, Б. К. Буль,       А. Г. Годжелло и др.; под ред. И. С. Таева. – М. : Высш. шк., 1987.   – 352 с.

 

Зміст

		Передмова………………………………………………………..	3
Тема 1. Визначення електричного апарата. Класифікація. Основні розділи теорії електричних апаратів………………………..			4
1.1.		Призначення, принцип дії і будова електричних апаратів…….	8
1.2.		Апарати автоматичні, реле, датчики, автоматичні регулятори й стабілізатори, підсилювачі й перетворювачі…………………	16
Тема 2. Електромеханічні явища в апаратах. Основні закони в магнітних колах…………………………………………………………..			24
2.1.		Розрахунок магнітних кіл………………………………………..	28
2.2.		Різновидності магнітних кіл…………………………………………	33
2.3.		Нелінійні магнітні кола змінного струму……………………… ….	38
Тема 3. Електромагніти постійного струму…………………………..			41
3.1.		Тягова характеристика…………………………………………..	42
3.2.		Протидіючі зусилля електромагніта……………………………	42
Тема 4. Електромагніти змінного струму……………………..............			46
4.1.		Спрацьовування електромагнітів……………………………………	47
4.2.		Котушки електромагнітів……………………………………… ……..	50
Тема 5. Електричні контакти……………………………………… ………..			52
5.1.		Різновиди електричних контактів……………………………… …..	53
5.2.		Опір електричних контактів……………………………………… ….	54
5.3.		Перехідний опір контакту……………………………………… …….	55
Тема 6. Тепловий розрахунок обмоток електричних апаратів……			58
6.1.		Теплопровідність, конвекція, теплопередача…………………..	58
6.2.		Нагрівання котушок……………………………………………..	61
Тема 7. Параметри контактних конструкцій…………………………			63
7.1.	Процеси при розмиканні і замиканні контактів. Знос контактів		64
7.2.	Матеріали для контактних з'єднань……………………………..		65
Тема 8. Властивості й характеристика електричної дуги…………..			71
8.1.		Потужності втрат у дузі………………………………………….	73
8.2.		Характеристики дуги. Статичні характеристики………………	74
8.3.		Дугогасні системи………………………………………………..	75
Тема 9. Напівпровідникові контактори………………………………...			80
9.1.		Безконтактні напівпровідникові контактори…………………..	80
9.2.		Безконтактні напівпровідникові контактори постійного стру-му (БНКПС)………………………………………………………	84
9.3.		Гібридні напівпровідникові контактори………………………..	88
		Література ………………………………………………………..

 

 

Тема 1. Визначення електричного апарата. Класифікація.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: