Кратко опишите газовое дугогашение в электрических аппаратах

Обновлено: 04.07.2024

Главные выключатели на ЭПС переменного тока – в этом случае применяют систему газового дугогашения. В газовом дугогашении электрическая дуга возникает с потоком газов, под действием которого она охлаждается, искривляется, удлиняется и разрывается. Виды систем газового дугогашения:1)Расширительноедугогашение: поток газов создает сама электрическая дуга, в результате взаимодействия со специальными газогенерирующими веществами. Оргстекло, фибро. Образовавшийся газ содержит большое количество водорода и обладает повышенный теплоемкостью, происходит интенсивный отвод тепла от дуги. Применение: аппараты разового использования (вставки плавких предохранителей), разрядники, масляные выключатели. 2)Воздушноедугогашение: на дугу действует поток сжатого воздуха. Способы воздушного дугогашения: -попеременное –применятся в аппаратах с рабочим объемом не более 15 кВ; -продольное –используется в ГП электровоза постоянного тока.

Системы магнитного дугогашения

44. Электромагнитный и электропневматический приводы электрических аппаратов

Электромагнитный привод электрических аппаратов

1 – ярмо; 2 – якорь; 3 – катушка управления; 4 – отключающая пружина; δ_нач – начальный воздушный зазор. МДС катушки управления: F_м=Iw=(U_у/r)w; где w – количество витков катушки; r – омическое сопротивление катушки. Под действием МДС в магнитопроводе возникает поток Ф. Сила тяги электромагнита: F_эм=0,5μ₀S_δ(F_м/δ)^2; где δ – величина воздушного зазора; μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора; S_δ – площадь сечения воздушного зазора. Под действием силы F_эм якорь перемещается вниз, растягивая при этом отключающую пружину 4. Для работы привода полярность не имеет значения. Привод работает при подаче переменного тока. Для отключения достаточно снять питание с катушки. Нагрузочная характеристика – зависимость силы тяги электромагнита от магнитодвижущей силы при постоянном воздушном зазоре: .Статическая характеристика – зависимость силы тяги электромагнита от величины воздушного зазора при постоянной МДС катушки (тока в катушке). Условия нормальной работы электромагнитного привода: .G – вес; F_пр – сила отключающей пружины; F_к – сила контактного нажатия; δ₀ – конечный зазор; δ_нач – начальный зазор; F_рез = F_пр+F_к-G. Для нормальной работы привода необходимо, чтобы сила F_м была больше F_рез во всем диапазоне изменения δ. Если ток в катушке мал (характеристика F_эм1), то якорь начинает перемещаться, однако в момент соприкосновения контактов – он остановится, притирки и нормального замыкания контактов не происходит. А если ток достаточен (F_эм2) – привод нормально работает. Коэффициент возврата – это отношение МДС, при которой якорь отпадает к МДС, при которой якорь притягивается: k_в=F_м.откл/F_м.вкл. Для большинства коммутационных аппаратов (контактов, реле) допускается медь на низком уровне (0,2–0,3), однако для некоторых аппаратов, коэффициент возврата ≈1 (защитные реле, регуляторы: k_в=0,95–0,98). Для повышения коэффициента возврата необходимо устранить скачок сил сопротивления в момент первоначального взаимодействия контактов. Практически достигается: -уменьшением хода якоря; -уменьшение предварительного контактного нажатия. Нормальное время срабатывания: t_ср=0,08–0,15с. Время срабатывания реле времени: t_ср≤3с.

Электропневматический привод электрических аппаратов

Размыкание любой электрической цепи сопровождается образованием электрической дуги. Ее длина зависит от величины тока в цепи, состояния контактов и влажности окружающей среды. Образование дуги объясняется тем, что при снятии напряжения с катушки привода аппарата, давление контактов друг на друга ослабевает, переходное сопротивление между ними увеличивается. Это приводит к их нагреву а, следовательно, и к нагреву окружающего воздуха. Воздух вокруг контактов ионизируется, то есть становится токопроводящим, и потому при расхождении контактов между ними возникает электрическая дуга. Она вызывает подгар контактов, а при длительном её горении и большом токе в разрываемой цепи к оплавлению контактов и даже порче аппарата.

При расхождении контактов длина дуги увеличивается. Однако она будет гореть до тех пор, пока ее длина не достигнет критической. При большом токе критическая длина дуги принята 20 В/см. Таким образом, чтобы обеспечить разрыв дуги в аппарате, размыкающем цепь с напряжением 3000 В, нужно вытянуть дугу до 3000В / 20 = 150 см. Растянуть дугу до такой длины путем расхождения контактов не предоставляется возможным, поэтому в таких аппаратах применяют специальные дугогасительные устройства

В зависимости от мощности дуги ее гашение производят различными способами

• увеличением длины дуги до критической длины выбором величины раствора контактов. Такой способ дугогашения применяется в аппаратах разрываемых цепи управления с небольшими по величине токами. К таким аппаратам относятся реле кнопочные выключатели, контроллер машиниста и т.п.;

• применение двойного разрыва дуги с охлаждением дуги снизу. Такой способ дугогашения применяется в контакторах МК-15-01 на электровозах ВЛ11 и в контакторах МК-009 на электровозах ВЛ11 М ;

• воздушное дутье, увеличением давления газов внутри предохранителей, из-за нагрева меловой засыпки песка или фибрового корпуса предохранителя;

• применением специального дугогасительного устройства состоящего из дугогасительной катушки и дугогасительной камеры. Такой способ дугогашения применяется в быстродействующем выключателе и контакторах силовой цепи тяговых электродвигателей и высоковольтной цепи вспомогательных машин, а также в низковольтных электромагнитных контакторов, применяемых в цепях управления, обладающими большой индуктивностью или по которым протекают большие токи.

Рисунок 6. Дугогасительное устройство: схема дугогасительного устройства

(а) и взаимодействие магнитного потока дугогасительной катушки и дуги (б).

Дугогасительная катушка и контакты соединены последовательно, поэтому при изменении направления тока (при электрическом торможении) одновременно изменяется и направления магнитных силовых линий магнитного поля дугогасительной катушки и этим самым сохраняется перемещение дуги только в сторону расположения дугогасительной камеры.

При недостаточной мощности дугогасительных устройств аппаратов их включают по два последовательно (линейные контакторы на электровозах ВЛ10) или увеличивают длину дугогасительной камеры (дугогасительные камеры у линейных контакторов на электровозах ВЛ11 и ВЛ11 М )

Рисунок 7. Дугогасительные устройства.

а) щелевого типа б) лабиринтно-щелевого в) щелевого с деионной решеткой

В зависимости от мощности дуги ее гашение производят различными способами

Рисунок 6. Дугогасительное устройство: схема дугогасительного устройства

(а) и взаимодействие магнитного потока дугогасительной катушки и дуги (б).

Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 - 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70. 80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

В современных электрических аппаратах различают множество способов гашения дуги. К ним относятся: воздействие на столб электрической дуги; перемещение дуги под воздействием магнитного поля; гашение дуги с помощью дугогасительной решетки; гашение дуги высоким давлением; гашение в потоке сжатого газа; гашение в трансформаторном масле; гашение электрической дуги с помощью полупроводниковых приборов и др.

Воздействие на столб электрической дуги

Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжений, при малом износе частей аппарата, при минимальном объеме раскаленных газов, с минимальным звуковым и световым эффектами.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги U шла выше прямой U – iR (U – напряжение источника питания, R – сопротивление нагрузки, рис. 4.1).

Рис.4.1. Статическая вольт-амперная характеристика дуги и прямая U-iR

где - напряженность электрического поля в столбе дуги;

- околоэлектродное падение напряжения;

подъем вольт-амперной характеристики дуги можно получить за счет увеличения длины дуги, увеличения градиента и увеличения околоэлектродного падения напряжения. Увеличение градиента можно получить за счет эффективного охлаждения дуги, и подъема давления среды, в которой она горит.

В электрических аппаратах низкого напряжения наиболее широко применяют ДУ с узкой щелью. Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели делается меньше диаметра дуги. Кроме того, по мере втягивания дуги в щель, она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и улучшается ее охлаждение. Перемещение дуги в такой камере осуществляется с помощью магнитного поля. Наиболее характерные формы керамических пластин ДУ изображены на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Характерные формы продольных

щелей дугогасительных камер

Перемещение дуги под воздействием магнитного поля

Электрическая дуга, являясь своеобразным проводником с электрическим током, может взаимодействовать с магнитным полем. Сила взаимодействия между током дуги и магнитным полем перемещает дугу в пространстве, создавая так называемое магнитное дутье.

Различают системы с последовательным и параллельным магнитным дутьем. На рис. 4.3, а, б показано дугогасительное устройство с системой последовательного магнитного дутья, на рис. 4.3, в - его электрическая схема в совокупности с коммутируемой цепью, а на рис. 4.3, г - электрическая схема коммутируемой цепи с системой параллельного магнитного дутья.

В устройствах дугогашения с магнитным дутьем обмотка 1 размещается на сердечнике 2, который вместе с двумя пластинами 3 образует магнитопровод, охватывающий камеру 4 с обеих сторон и обеспечивающий подведение магнитного потока в зону горения дуги между контактами 5. При взаимодействии магнитного потока с током дуги последняя перемещается по контактам, переходит на дугогасительные рога 6, значительно удлиняется, попадает в щелевую часть камеры и гаснет. Гашение дуги происходит, таким образом, из-за интенсивного охлаждения и быстрого увеличения сопротивления дуги.

При последовательном магнитном дутье (см. рис. 4.3, а-в) обмотка 7 включается в цепь коммутируемого тока, а при параллельном (см. рис. 4.3, г) дутье обмотка 8 включается на полное напряжение сети. Катушка последовательного магнитного дутья обычно имеет от двух до десяти витков и выполняется в виде наматываемой на ребро шины прямоугольного сечения с воздушными промежутками между витками. Обмотка параллельного магнитного дутья рассчитана на напряжение сети и имеет большое число витков. В обоих исполнениях взаимодействие магнитного поля с током дуги приводит к появлению усилия, перемещающего дугу в дугогасительную камеру.

Рис. 4.3. Дугогасительное устройство с системой

Достоинствами ДУ с последовательной катушкой являются:

· система хорошо работает в области больших токов;

· система работает при любом направлении тока;

· падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

К ее недостаткам можно отнести следующее:

· неэффективно работает в системах с малыми токами;

· большая затрата меди на катушку;

· нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Основными недостатками ДУ с параллельной катушкой являются:

· направление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока;

· при КЗ в сети возможно снижение напряжения на катушке.

В связи с отмеченными недостатками ДУ с параллельной катушкой применяют только при отключении небольших токов (5-10 А), в основном в цепях постоянного тока при соблюдении правильной полярности включения катушки.

Гашение дуги высоким давлением

На основании ф-лы (4.1) следует, что степень ионизации Х уменьшается с увеличением давления. На этом принципе работают практически все корпусные предохранители, в замкнутом пространстве которых горение дуги создает повышенное давление, способствующее эффективному ее гашению.

Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

В высоковольтных коммутационных аппаратах для гашения дуги используют потоки сжатого воздуха или других газов.

Сжатый воздух (или газ) обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух (газ) при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка. Конструктивно ДУ выполняют как с поперечным, так и с продольным дутьем (рис. 4.4, а, б).

Рис. 4.4. Камеры ДУ с воздушным дутьём:

а – поперечное дутьё; б – продольное дутьё

Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Как отмечалось выше, ВАХ дуги можно поднять за счет увеличения околоэлектродного падения напряжения U . Это достигается в электрических аппаратах путем использования дугогасительных решеток (рис. 4.5).

После размыкания силовых контактов 1 и 2 возникшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг 4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20-25 .

Таким образом, удается поднять ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.

Рис. 4.5. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Лекция № 5

Электромагниты

Электромагниты являются основным рабочим элементом таких электрических аппаратов как реле, пускатели, автоматические выключатели, контакторы и ряда других.

Рассмотрим основные соотношения для магнитной цепи, представленной на рис. 5.1.

При прохождении тока по обмотке возникает МДС , которая создаёт магнитный поток . Этот поток замыкается как через зазор , так и между другими частями магнитной цепи, имеющими различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор , меняющийся при перемещении якоря, называется рабочим.

Магнитный поток, проходящий через воздушный зазор, также называется рабочим и обозначается . Все остальные потоки, не проходящие через воздушный зазор, называются потоками рассеяния и обозначаются .

Рис. 5.1. Магнитная цепь электромагнита:

1 – якорь; 2 – сердечник; 3 - обмотка

При расчете магнитной цепи решаются две задачи: либо определяют необходимую МДС для создания заданного рабочего потока, либо определяют рабочий поток при известной МДС .

Согласно первому закону Кирхгофа для магнитной цепи алгебраическая сумма потоков в любом узле магнитной цепи равна нулю:

Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи следует из закона полного тока:

где – напряженность магнитного поля, А/м;

элементарный участок контура интегрирования, м;

алгебраическая сумма МДС, действующих в рассматриваемом контуре, А.

Учитывая, что магнитная индукция , выражение (5.2) можно записать

где – сечение данного участка магнитной цепи;

– абсолютная магнитная проницаемость участка длиной .

Для воздуха магнитная проницаемость берётся равной магнитной постоянной

Выражение аналогично выражению для активного сопротивления элемента электрической цепи (где - удельная электрическая проводимость материала проводника). В этом случае выражение (4.3) можно записать в виде

где магнитное сопротивление участка длиной

Согласно второму закону Кирхгофа падение магнитного потенциала по замкнутому контуру равно сумме МДС, действующих в этом контуре.

В системе СИ единица абсолютной магнитной проницаемости – , следовательно, единицей магнитного сопротивления является .

Если на отдельных участках то (5.4) можно записать

По аналогии с электрическим магнитное сопротивление участка конечной длины можно представить как

где удельное магнитное сопротивление единицы длины магнитной цепи при сечении, также равном единице, м/Гн.

При расчетах магнитных цепей часто используют величину, обратную магнитному сопротивлению, – магнитную проводимость:

В этом случае уравнение (5.5) принимает вид

Для простейшей неразветвленной цепи

Относительная магнитная проводимость, часто используемая в расчетах магнитных цепей, определяется . В рабочем зазоре поток проходит через воздух, магнитная проницаемость которого не зависит от индукции и является постоянной, равной .

Для прямоугольных и круглых полюсов при малом зазоре поле приближенно можно считать равномерным и магнитную проводимость легко определить по формуле:

где сечение потока в зазоре;

Индуктивность катушки электромагнита (см. рис. 5.1) без учета сопротивления стали определяется по формуле

где МДС катушки ;

удельная магнитная проводимость, Гн/м;

число витков катушки;

Полная МДС катушки с учетом магнитного сопротивления стали и потоков рассеяния определяется

где магнитный поток в зазоре, ;

напряженность магнитного поля на участке , ;

длина i-го участка магнитопровода;

магнитное сопротивление зазора; .

Ток в обмотке электромагнита постоянного тока при неподвижном или медленно перемещающемся якоре не зависит от индуктивного сопротивления обмотки, а зависит только от ее активного сопротивления .

В цепях переменного тока ток в катушке в основном зависит от индуктивного сопротивления, которое изменяется при перемещении якоря.

Магнитное сопротивление магнитопровода при работе на переменном токе зависит не только от магнитной постоянной , длинны участка проводника и площади сечения , но и от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток. С целью уменьшения потерь магнитопровод аппаратов переменного тока выполняется шихтованным.

Рассмотрим простейшую цепь электромагнита без учета магнитного сопротивления стали и потерь в ней (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Магнитная цепь электромагнита переменного тока

Причем показанная на рис. 5.2 короткозамкнутая обмотка не влияет на работу электромагнита (ключ К разомкнут).

Уравнение электрического равновесия для обмотки выглядит следующим образом:

где и действующие значения напряжения и тока соответственно.

Используя выражения и уравнение (5.11) можно записать в виде

Учитывая, что о , и сомножитель при называют реактивным магнитным сопротивлением Если , то индуктивное сопротивление мало и им можно пренебречь.

Тогда (6.3) можно записать в виде

Таким образом, короткозамкнутый виток с чисто активным сопротивлением в схемах замещения представляется реактивным магнитным сопротивлением

Вектор активное падение магнитного потенциала;

реактивное падение магнитного потенциала, а полное падение магнитного потенциала, равное МДС короткозамкнутой обмотки.

Векторная диаграмма магнитной цепи показана на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Векторная диаграмма магнитной цепи

Амплитуда магнитного потока

Угол определяется из соотношения

Векторная диаграмма электрической цепи показана на рис. 6.2.

Напряжение сети равно сумме противоЭДС - и активного падения напряжения в катушке . Угол сдвига фаз между током в цепи и напряжение сети равен φ.

Рис. 6.2. Векторная диаграмма электрической цепи электромагнита с короткозамкнутой обмоткой

Рис. 6.3. Принцип работы электромагнита переменного тока с короткозамкнутым витком

Изменение силы во времени отрицательно сказывается на работе электромагнита. В определенные моменты времени противодействующее усилие пружины становится больше силы тяги, что вызывает отрыв якоря от сердечника. Затем по мере нарастания силы тяги якорь вновь притягивается к сердечнику. В результате якорь непрерывно вибрирует, что нарушает работу контактов. Создается шум, расшатывается магнитная система. Для устранения вибраций в электромагнитах используются короткозамкнутые витки. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается короткозамкнутый виток из меди или алюминия. В результате магнитный поток в воздушном зазоре разделяется на два потока Ф₁ и Ф₂, сдвинутых относительно друг друга на угол φ (рис. 6.3), в результате чего результирующая сила тяги, действующая на якорь Р, в любой момент времени остается больше усилия пружины Р_прот, за счет чего и устраняется вибрация магнитной системы.

Читайте также: