Магнитные системы электрических аппаратов постоянного и переменного тока

Электрические аппараты дистанционного управления

ЛЕКЦИЯ 3

Магнитные системы электрических аппаратов. Электромагниты. Электромагнитные реле. Электромагнитные контакторы и пускатели

Магнитная система является одним из основных элементов электротехнических устройств и электрических аппаратов. В магнитную систему входят источники магнитного поля (обмотка с током, возбуждающая магнитное поле, постоянный магнит) и система магнитопроводов из ферромагнитного материала, по которым замыкается магнитный поток.

Магнитные системы нашли широкое применение в аппаратостроении и как элемент привода аппаратов (электромагнитные контакторы, пускатели, реле, выключатели), и как устройство создающее силы, например, в электромагнитных муфтах и тормозных электромагнитах.

Конфигурация магнитной цепи электромагнитных устройств зависит от назначения аппарата и может быть самой разнообразной однородной и неоднородной, неразветвленной и разветвленной, симметричной и несимметричной.

Неразветвленной магнитной цепью называют цепь, через элементы которой замыкается один и тот же магнитный поток.

В разветвленной магнитной цепи содержаться ветви, в каждой из которых замыкаются свои магнитные потоки.

В однородной магнитной цепи, образованной замкнутым магнитопроводом, магнитный поток находится в однородной среде.

Неоднородной называют магнитную цепь, состоящую из участков, имеющих разные сечения, воздушные зазоры, ферромагнитные тела с различными магнитными свойствами.

Из курса физики известна способность вещества под воздействием напряженности внешнего магнитного поля Н создавать, собственное поле, называемое намагниченностью М, которая характеризуется магнитной восприимчивостью χ.

Вещества, имеющие высокое значение магнитной восприимчивости, называют ферромагнитными или магнитными. К ним относятся железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), редкоземельные элементы: гадолиний (Gd), диспрозий (Dy) и др., а также сплавы на базе этих элементов.

Зависимость магнитной индукции В в веществе (материале) от напряженности магнитного поля Н носит нелинейный характер: по мере увеличения напряженности Н индукция В вначале резко возрастает, а затем приближаясь к области насыщения процесс намагничивания материала замедляется и прекращается, когда резервы ферромагнетика оказываются исчерпанным.

Если элемент магнитной цепи, например цилиндр из ферромагнитного материала, поместить в однородное магнитное поле, он намагничивается. Если после его намагничивания до состояния насыщения внешнее поле убрать (уменьшить до нуля), то цилиндр явится источником магнитного поля за счет намагниченности материала – остаточной намагниченности. Чтобы разрушить эту остаточную намагниченность, нужно создать внешнее поле, направленное противоположно полю, создаваемому цилиндром, для преодоления задерживающей, так называемой коэрцитивной силы Н_с, которая стремится сохранить созданную микротоками намагниченность.

Рис. 3.1. Магнитные цепи: а), б) – неразветвленная; в) – разветвленная

В зависимости от значения коэрцитивной силы Н_с все магнитные материалы принято делить на магнитомягкие и магнитотвердые.

Рис. 3.2. Площадь петли гистерезиса

Рассмотрим магнитную цепь на примере клапанной системы, изображенной на рис. 3.3. Подвижная часть магнитной цепи называется якорем 1. Часть магнитной цепи, на которой установлена намагничивающая обмотка 2, называется сердечником 3. Вертикальные и параллельные части магнитопровода 3 и 4 называют стержнями.

Рис. 3.3. Магнитная цепь клапанной системы: 1 – якорь; 2 – намагничивающая обмотка; 3 и 4 – стержни

Намагничивающая обмотка создает магнитодвижущую силу МДС, под действием которой, возбуждается магнитный поток. Этот поток замыкается как через зазор δ, так и между другими частями магнитной цепи имеющими, различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор δ, меняющийся при перемещении якоря, называется рабочим зазором. Соответственно поток, проходящий через рабочий зазор, называется рабочим потоком и обозначается Ф_δ. Все остальные потоки в магнитной цепи называются потоками рассеяния Ф_σ. Сила, развиваемая якорем электромагнита, как правило, определяется потоком в рабочем зазоре δ.

Магнитный поток создается током I, протекающим по обмотке катушки. Произведение тока на число витков катушки w определяет намагничивающую силу Iw.

Электромагниты. Предназначены для преобразования магнитной энергии в механическую. Они используются для управления различными устройствами и механизмами как элемент привода аппаратов магнитных пускателей, контакторов, реле, как устройство, создающее силы при торможении движущихся механизмов, для удержания деталей на шлифовальных станках, при подъеме (погрузке-разгрузке) металлолома и т.д.

Принцип действия втягивающих электромагнитов (рис. 3.4) заключается в следующем. Постоянный или переменный ток, проходя по катушке 1, создает магнитный поток, который замыкается через сердечник 2 и якорь 3. При воздействии магнитного поля сердечника на якорь последний втягивается в катушку и усилие F_э с которым будет втягиваться якорь, увеличивается с уменьшением зазора d между якорем и сердечником; при усилие F_э достигает максимального значения. Ток в обмотке магнитов постоянного тока остается постоянным, так как он зависит только от активного сопротивления обмотки и напряжения питающей сети, которые не зависят от величины воздушного зазора.

Рис. 3.4. Втягивающий электромагнит: 1 – катушка; 2 – неподвижная часть магнитопровода; 3 – якорь; 4 – магнитный поток

В электромагнитах переменного тока сила тока с уменьшением зазора d понижается. Это объясняется тем, что при наименьшем зазоре d индуктивность обмотки, зависящая от величины зазора, будет максимальной. Ток, определяемый активным и индуктивным сопротивлениями, будет минимальным.

Важнейшей характеристикой электромагнита является механическая (тяговая) характеристика (рис. 3.5) представляющая собой зависимость усилия развиваемого электромагнитом F_э, от величины воздушного зазора d.

Рис. 3.5. Механическая характеристика электромагнита

Вид механической характеристики определяется главным образом конструкцией электромагнита, характером изменения зазора d, жесткостью противодействующей пружины, геометрией магнитной системы.

Ток в обмотке магнитов постоянного тока остается постоянным, так как он зависит только от активного сопротивления обмотки и напряжения питающей сети, которые не зависят от величины воздушного зазора.

Реле. Электрическим реле называется коммутационное устройство, предназначенное производить скачкообразные изменения в управляемых цепях при заданном значении электрических воздействующих величин.

Реле составляют многочисленную группу электрических аппаратов, применяемых для управления электроприводами станков, механизмов, машин.

В зависимости от параметра срабатывания различают реле напряжения, тока, мощности, частоты и т.д.

К реле предъявляются требования, из которых наиболее важные – надежность срабатывания при изменении питающего напряжения , высокая механическая и электрическая износоустойчивость.

Действие реле основаны на электромагнитном, магнитоэлектрическом или индукционном принципе.

Электромагнитное реле. На рис. 3.6 приведена конструкция электромагнитного реле. Контактная система реле состоит из неподвижных контактов 2, зафиксированных в пластмассовом основании 1, и подвижных контактов на плоских пружинах 3, закрепленных в пластмассовой колодке 5 на якоре электромагнита. Электромагнит содержит магнитопровод 9, сердечник 7, катушку 8 и якорь 4. Магнитопровод крепится к пластмассовому основанию 1 с помощью винта 11.

Подключение реле к внешним электрическим цепям осуществляется выводами 10.

Рис. 3.6. Конструкция электромагнитного реле

Работает реле следующим образом. При подаче напряжения на обмотку катушки якорь реле под действием электромагнитных сил притягивается к сердечнику, осуществляя изменение коммутационного состояния контактов. При отключении напряжения в цепи катушки якорь под действием пружины 6 и плоских пружин замыкающих контактов возвращается в исходное состояние, а контакты принимают первоначальное положение.

Электротехническая промышленность выпускает различные реле, которые отличаются друг от друга принципом действия, конструктивным исполнением.

В качестве промежуточных применяются также реле серий РП – 23, РП – 25, РП – 321, РП – 341, РП – 42 и ряд других, которые могут использоваться и как реле напряжения.

Электромагнитный контактор – это двухпозиционный аппарат с самовозвратом дистанционного управления, предназначенный для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы.

Исполнение контакторов одно- пятиполюсное с управлением на постоянном или переменном токе частотой 50, 60 Гц независимо от рода тока главной цепи и работают в продолжительном, кратковременном или повторно-кратковременном режимах.

Основные технические данные контакторов:

номинальный ток главных контактов ;

предельный отключаемый ток (ток коммутации) ;

номинальное напряжение коммутируемой цепи ;

допустимое число включений в час;

собственное время включения и отключения.

Для управления электродвигателей большой мощности применяются

общепромышленные серии контакторов: переменного тока КТ, КТП, КТВ; постоянного тока КП, КПВ, КПД.

Важными параметрами для контакторов переменного и постоянного тока являются: собственное время включения , собственное время отключения , коэффициент возврата , который определяется по формуле:

, (3.6)

где – напряжение, при котором происходит отпускание якоря при уменьшении напряжения, подаваемого на катушку, В; – напряжение, при котором якорь притягивается к полюсам электромагнита, В.

Для контакторов постоянного тока коэффициент возврата имеет низкое значение в пределах , что не позволяет использовать их для защиты двигателей от работы на пониженном напряжении сети.

Контакторы, работающие на переменном токе имеют коэффициент возврата в пределах , что позволяет отключать, управляемые ими электродвигатели при снижении по каким-либо причинам напряжение сети до .

Наибольшее напряжение на катушке не должно превышать 110 % U_ном, так как при большем напряжении увеличивается износ контактов из-за усилия ударов якоря, а также температура нагрева обмотки может превысить допустимое значение. Электромагниты контакторов должны обеспечивать надежную работу в диапазоне колебания питающего напряжения [1].

Для управления трехфазными электродвигателями переменного тока широко применяются контакторы поворотного типа серии КТ6000 с щелевыми дугогасительными камерами и магнитным дутьем и КТ7000 с дугогасительными решетками для тяжелых режимов работы в цепях переменного тока. На рис. 3.7 показана конструктивная схема контактора КТ6000. На металлической рейке 14 крепятся узлы неподвижных контактов 12 вместе с системами магнитного дутья – катушкой 10, сердечником 9. Боковыми стальными пластинами 2 и дугогасительными камерами 3. На рейке 14 установлены сердечник электромагнита, неподвижная часть вспомогательных контактов 1 и крепятся опоры подшипников 5 для главного вала 6. Наружная часть вала 8 изолирована, на нем установлены подвижные контакты 11 с контактными пружинами 13 и гибкими связями 7 (три полюса), подвижная часть вспомогательных контактов 1 и якорь электромагнита 4.

Рис. 3.7. Электромагнитный контактор переменного тока серии КТ6000

Электромагнитный пускатель (малогабаритный контактор). Коммутационный аппарат, предназначенный для управления и защиты электродвигателей переменного тока, разработанный на базе контакторов.

Электромагнитные пускатели с прямоходовой подвижной системой серии ПМЛ (рис. 3.8) широко применяется при управлении электродвигателями станков, механизмов и машин.

Рис. 3.8. Конструкция электромагнитного пускателя серии ПМЛ

Электромагнитные пускатели имеют различное исполнение: нереверсивные и реверсивные, с тепловым реле и без них, открытого, защищенного или пылебрызгозащищенного исполнения.

Электромагнитный пускатель должен устойчиво работать и не отключать установку при напряжении .