Elektrotekhnika_ch_1

111

Их вольтамперные характеристики приведены на рис. 9.2. На этом же ри- сунке приведена результирующая характеристика I (U1 + U2 ) .

Напряжение на нагрузке определяется падением напряжения на дрос- селе Др2 Графики рис. 9.2. показывают, что если на входе цепи действует напряжение Uвх min, то нагрузка находится под напряжением URн min. Часть входного напряжения падает на сопротивлении дросселя Др1 – Uдр min.

Пусть входное напряжение увеличилось на величину 2Uвх = Uвх max - Uвх min. Это вызывает увеличение напряжения на нагрузке на величину 2URн = URн max - URн min. Наглядно видно, что 2URн в несколько раз меньше 2Uвх. Реальные ферромагнитные стабилизаторы ослабляют колебания входного напряжения в 5 10 раз.

URн

Uвх

Таким образом, дроссель, включенный параллельно нагрузке и работающий

врежиме 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 перенапряже-

112

ний, называются электрическими аппаратами. К ним относятся контакто-

ры, пускатели, реле, электромагниты и др. устройства. Электрические аппа- раты входят в состав автоматических, полуавтоматических и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, сис- темами электроосвещения и электротехнологическими установками.

Электрические аппараты применяют для управления пуском, для ре- гулирования частоты вращения и для электрического торможения электро- двигателей. С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты ус- тановок, потребляющих электроэнергию.

Работа электрических аппаратов основана на использовании ряда фи- зических 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 те- лах 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:

113

–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 элек-

трических аппаратов. В электромагнитном механизме осуществляется пре- образование 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 магнитопро- вода, намагничивающую катушку 3, удерживающую пружину 4.

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

2

1

3 4

Рис. 9.3. Схема электромагнитного механизма

Проведем анализ процесса преобразования энергии источника в меха- ническую энергию перемещения якоря. Пусть к намагничивающей катушке приложено напряжение U, и через нее протекает ток I. На сопротивлении катушки RL создается падение напряжения U R = I RL .

Разность напряжений U – UR уравновешиваетcя Э.Д.С. катушки – еL, т.е.

114

U − U R + eL = 0 ,

(9.7)

dψ

где eL = − dt . Тогда

	U =	dψ	+ I RL .	(9.8)
		dt

Умножим (9.8) на I dt и проинтегрируем за время намагничивания.

Тогда

t ψ t

∫U I dt = ∫ I dψ + ∫ R I 2 dt.

0 0 0

Левая часть последнего выражения представляет количественную оценку энергии источника – WЭ, которая используется электромагнитным механизмом. Первое слагаемое правой части – энергию магнитного поля – WМ катушки с током. Эта энергия используется на выполнение работы по перемещению якоря. Второе слагаемое правой части представляет оценку энергии, затрачиваемой на нагрев провода намагничивающей обмотки – WП. Учитывая это, перепишем последнее выражение в виде:

Wэ = WM + WП .

Раскроем выражение для WM:

ψ
WM = ∫ Idψ = ψ I / 2	(9.9)

0

Напомним, что

ψ = ϖ Ф = ϖ B S ,

а

ϖ I = H lЗ ,

где S – площадь поперечного сечения магнитопровода, lЗ – длина воздушно- го зазора.

115

Подставляя в выражение для WМ значения ψ и ϖ I , получим:

WM = S l B H / 2 .	(9.10)
При перемещении якоря совершается работа:
A = WM 1 − WM 2 = F	lЗ ,

где WM 1 – энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воз-

душного зазора l1 , WM 2 – энергия магнитного поля с длиной воздушного за- зора l2 , lЗ = l1 − l2 .

С учетом (9.10) можем записать:

			A =		S B H		lЗ .
			2
Так как H З = B / µ0 , то
				S B2
A =						lЗ = F		lЗ ,
				2 µ0
где
F = S B2 / 2µ	0	≈ 4,08 10−4 S B2						l[кГ ].	(9.11)

Выражение (9.11) определяет силу F[кГ], с которой магнитное поле действует на якорь. Очевидно, что значение силы зависит от длины зазора - lЗ и от значения магнитодвижущей силы – ϖ I .

Если к намагничивающей обмотке механизма подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и в воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону

Ф(t) = ФМ sin ωt .

В этом случае и сила, притягивающая якорь к ярму, становится пере- менной во времени. Ее мгновенное значение определяется выражением:

		Ф2
	F (t) =	М		sin2	ωt ,
		2 µ0	S

где

116

ФМ = ВМ S .

После преобразования последнего выражения получим:

		Ф2		Ф2
	F (t) =	М	−	М	cos 2ωt .	(9.12)
		4µ0 S		4µ0 S

Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную состав- ляющую (рис. 9.4). Переменная составляющая имеет частоту, вдвое боль- шую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоянной со-

ставляющей FM = ФМ2 /(4 0 S) , относительно которой она изменяется.

Пульсация F(t) приводит к тому, что в течение интервалов времени 0 – t1; t2 – t3; t4 – t5; и т. д. тяговая сила механизма становится меньше силы удерживающей пружины. Якорь отрывается от ярма. Возникает вибрация якоря (дребезг).

В однофазных электромагнитных механизмах для устранения пульса- ции на якоре размещают короткозамкнутый (КЗ) виток провода. Перемен ный магнитный поток Ф(t) наводит в КЗ витке Э.Д.С. самоиндукции. Фаза наведенной Э.Д.С. отстает от фазы магнитного потока ФМ на угол 900. Под действием наведенной Э.Д.С. по витку протекает ток iK, который создает поток ФКМ. Этот поток совпадает по фазе с Э.Д.С., но имеет частоту в четы- ре раза больше начальной.

117

Теперь на якорь начинает действовать пульсирующая сила с учетве-

ренной частотой, т.е. cos 4ωt. В итоге постоянная составляющая силы воз- растает, пульсация уменьшается.

3.3 Электромагнитные реле

Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достиже-

нии определенного значения входной величины выходная величина изменяет-

ся скачком. Управляющими величинами могут быть ток или напряжение. При достижении этими величинами заданных значений выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. При замыкании контактов в управляе- мой цепи возникает ток (напряжение). При размыкании выходных контак- тов управляемая цепь обесточивается.

Реле применяют в цепях управления с током не более 1А. Входной или управляющей величиной реле могут быть как электрические, так и ме- ханические, тепловые и др. внешние воздействия. Широкое распростране- ние получили электрические реле (электромагнитные, магнитоэлектриче- ские, электродинамические или индукционные).

На рис. 9.5. показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенном значении магнитодвижущей силы в це- пи управления сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу проти- водействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 на- жимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижно- му контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств в управляемой цепи прекращается. Многие реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления

118

несколькими электрическими цепями.

7

U

6

Рис 9.5. Схема электромагнитного реле

Функции реле связаны с контролем режима работы важных элементов электрической цепи: генераторов, трансформаторов, линий передач, и т. п. При нарушении нормального режима работы какого либо элемента цепи со- ответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восста- навливает нормальный режим работы, либо отключает поврежденный уча- сток. Такие реле называют "реле защиты". Они "наблюдают" за током в це- пи (токовая защита), за напряжением на отдельных участках (защита по напряжению), за изменением мощности, частоты тока и т.д.

В зависимости от значения или направления входной величины разли-

чают реле максимального, минимального или направленного действия.

В зависимости от времени срабатывания различают реле быстродей-

ствующие (tср < 0,05с), нормальные (tср = 0,05 0,25с ) и с выдержкой времени

(реле времени).

Реле, не реагирующее на направление управляющей величины (на- пример, тока), называют нейтральными. Реле, чувствительные к полярности управляющей величины, – поляризованными.

Если исполнительный элемент реле (подвижные контакты) непосред- ственно воздействует на цепь управления, то это реле прямого действия.

119

Когда воздействие осуществляется через другие аппараты, то это реле кос-

венного действия.

Электромагнитные реле широко применяются в схемах электрообору-

дования транспортных машин и транспортно – технологических комплек-

сов. Реле применяются для включения стартера, сигналов дальнего и ближ- него света фар, электровентилятора в системе охлаждения двигателя, обог- рева заднего стекла, отопителя, фароочистителей, отключения обмотки воз- буждения генератора. Реле – прерыватели применяются в схемах контроль- ной лампы ручного тормоза.

По конструктивному исполнению реле разделяются на три группы: обычные, малогабаритные и специальные. В каждой из этих групп реле раз- деляются по напряжению – на 12 и 24В.

По схеме коммутации реле разделяются на замыкающие, размыкаю- щие и переключающие, а по режиму работы на реле продолжительного и кратковременного режима.

Для удобства монтажа и замены на транспортных средствах, реле имеют штекерные выводы и устанавливаются в едином блоке с предохранителями. В сильноточных цепях с токами больше 50А используются контакторы на 12В и 24В с замыкающими контактами и на 24В с переключающими контактами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1.Как и почему воздушный зазор магнитопровода влияет на ток намагничивающей обмотки?

9.2.Изобразите ВАХ магнитопровода и поясните ее ход. Какое физическое явление положено в основу построения ферромагнитного стабилизатора?

9.3.Сформулируйте определение для устройства, называемого электрическим ап-

паратом.

120

9.4.Приведите классификацию электрических аппаратов.

9.5.Какие физические явления положены в основу работы электрических аппара-

тов?

9.6.Назовите обязательные составные части электрических аппаратов.

9.7.Приведите уравнение баланса энергии намагничивающей катушки электрических аппаратов.

9.8.В чем заключаются особенности работы электромагнитных механизмов переменного тока?

9.9.Отчего возникает и как устраняется вибрация якоря электромагнитного механизма переменного тока?

ЛЕКЦИЯ 10. ТРАНСФОРМАТОРЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

Для практических целей трансформатор впервые был применен в 1876 году П.Н. Яблочковым. Он использовался в цепи питания электриче- ских свечей. Широкое применение трансформаторы получили после того, как М.О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система пе- редачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891г.).

Под трансформатором понимают статическое (т.е. без движущих-

ся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразо-

вания переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, но той же частоты.

Трансформатор состоит из двух и более обмоток, электрически изоли- рованных друг от друга и охваченных общим магнитным потоком (рис. 10.1). Для усиления индуктивной связи между обмотками они размещаются