Электрические аппараты (стр. 11 из 57)
Лекция № 5
Тема лекции:
Тяговые и механические характеристики электромагнитов постоянного и переменного тока. Динамика электромагнитов, время трогания и движения. Ускорение и замедление срабатывания
г) Сравнение статических тяговых характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока. Для электромагнитов постоянного и переменного тока величина силы может быть рассчитана по формуле Максвелла
(5.1)
Если площади полюсов у электромагнитов одинаковы и одинаковы максимальные значения индукции в рабочих зазорах, то максимальное значение силы в электромагните переменного тока будет равно силе, развиваемой электромагнитом постоянного тока. Поскольку среднее значение силы при переменном токе FCp равно Fm/2, то средняя сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, в 2 раза меньше силы, развиваемой электромагнитом постоянного тока.
Таким образом, при той же затрате стали электромагнит постоянного тока развивает в 2 раза большее усилие, чем электромагнит переменного тока.
Теперь сравним характеристики F = f(б) для электромагнитов постоянного и переменного тока клапанного типа. Как было показано, с ростом зазора величина силы меняется обратно пропорционально квадрату зазора. В связи с этим клапанный электромагнит постоянного тока либо имеет малый рабочий ход якоря, чтобы развить большую силу, либо катушка должна иметь большую н. с, чтобы создать необходимый поток при большом сопротивлении воздушного зазора.
В электромагните переменного тока средняя сила в 2 раза меньше, чем у электромагнита постоянного тока при том же значении индукции. Однако с ростом зазора, с одной стороны, растет магнитное сопротивление рабочего зазора, с другой — растет ток в обмотке, так что поток в рабочем зазоре падает только за счет активного падения напряжения в обмотке. Таким образом, электромагнит переменного тока как бы имеет автоматическую форсировку. При большом зазоре создается большая н. с. обмотки, которая обеспечивает необходимую величину потока в рабочем зазоре. В связи с этим электромагниты переменного тока могут работать при относительно больших ходах якоря.
Основы теории, динамика работы и время срабатывания электромагнитов
В большинстве электромагнитов, имеющих обмотку напряжения, процесс срабатывания имеет динамический характер.
После включения обмотки электромагнита происходит нарастание магнитного потока до тех пор, пока сила тяги не станет равна противодействующей силе. После этого якорь начинает двигаться, причем ток и магнитный поток изменяются по весьма сложному закону, определяемому параметрами электромагнита и противодействующей силой. После достижения якорем конечного положения ток и магнитный поток будут продолжать изменяться до тех пор, пока не достигнут установившихся значений. Время срабатывания электромагнита — это время с момента подачи напряжения на обмотку до момента остановки якоря:
где
— время трогания, представляющее собой время с начала подачи напряжения до начала движения якоря; 
— время движения, т. е. время перемещения якоря из положения при зазоре 
до положения при зазоре 
.К моменту остановки якоря переходной процесс еще не закончен и ток в обмотке продолжает возрастать от значения
до установившегося значения 
.Рассмотрим подробно все эти стадии для электромагнита постоянного тока с обмоткой напряжения.
а) Время трогания.
После включения цепи напряжение источника уравновешивается активным падением напряжения и противо-ЭДС обмотки:
U
Так как в начальном положении якоря рабочий зазор относительно велик, то магнитную цепь можно считать не насыщенной, а индуктивность обмотки — постоянной. Поскольку
и 
, можно преобразовать: 
.Решение этого уравнения имеет вид
,где 
— установившееся значение тока; 
— постоянная времени цепи.
Ток обмотки, при котором начинается движение якоря, называется током трогания 
, а время нарастания тока от нуля до
— временем трогания 
.Для момента трогания выражение для тока можно записать в виде
Решив относительно
, получим 
.Время трогания пропорционально постоянной времени Т и зависит от отношения
, увеличиваясь с приближением этого отношения к единице.б) Движение якоря.
Как только начинается движение якоря (точка а на рис.1), зазор уменьшается и его магнитная проводимость
возрастает и индуктивность обмотки увеличиваются, поскольку 
. Так как при движении якоря индуктивность изменяется, то примет вид 
.При движении якоря 
поэтому
и 
начинают уменьшаться, поскольку сумма всех слагаемых равна неизменному значению напряжения источника U. Зависимость тока от времени показана на рис. Чем больше скорость движения якоря, тем больше спад тока. В точке b, соответствующей крайнему положению якоря, уменьшение тока прекращается. Далее ток меняется по закону 
где
— постоянная времени при 
.Начало движения якоря имеет место при
(рис.). При движении якоря ток вначале еще немного нарастает, а затем падает до значения, меньшего . Таким образом, во время движения якоря, когда зазор меняется от начального 
до конечного 
, ток в обмотке значительно меньше установившегося значения 
. Поэтому и сила тяги, развиваемая электромагнитом в динамике, значительно меньше, чем в статике при 
.в) Отпускание электромагнита.
При размыкании цепи обмотки электромагнита магнитный поток в нем начинает уменьшаться из-за введения в цепь большого сопротивления дугового или тлеющего разряда между контактами. Магнитный поток уменьшается, и в момент, когда сила тяги электромагнита становится меньше усилия пружины, происходит отпускание якоря. Время отпускания
состоит из времени спада потока 
от установившегося 
до потока отпускания 
и времени движения 
.Процесс отпускания описывается уравнением
,где
— сопротивление искры (дуги); 
— индуктивность цепи обмотки при конечном зазоре.