Электромагнита постоянного тока

 

Полное время сра­батывания состоит из времени трогания и времени движения:

 

t_ср=t_тр+t_дв

В большинстве случаев основную часть времени сра­батывания составляет вре­мя трогания. Поэтому при ускорении и замедлении сра­батывания воздействуют прежде всего на t_тр.

Допустим, что ток тро­гания не изменяется (неиз­менна сила противодейству­ющей пружины). Рассмот­рим влияние активного со­противления цепи при неиз­менной величине индуктив­ности и питающего напряжения. После включения элек­тромагнита ток в обмотке изменится. Ско­рость нарастания тока равна:

 

и при t=0

 

Таким образом, скорость нарастания тока в момент включения не зависит от активного сопротивления цепи и определяется только питающим напряжением и индук­тивностью цепи. Изменение тока во времени для двух значений активного сопротивления цепи показано на рис.18. Поскольку R₁>R₂, I_y1<I_y2. Обе кривые в на­чале координат имеют общую касательную, так как не зависит от активного сопротивления. Постоянная времени для первого случая Т₁=L/R₁ для второго Т₂=L/R₂, так как R₁>R₂, то T₁<T₂. При уменьшении сопротивления R увеличивается установившийся ток и величина

уменьшается.

 

 

 

 

Рис.18. Ток в обмотке электромагнита при различном активном сопротивлении цепи.

 

Можно показать, что логарифм уменьшается быстрее, чем растет постоянная времени Т. В результате t_тр1 > t_тр2 несмотря на то, что T₁<T₂. Чем меньше активное сопро­тивление цепи, тем быстрее будет срабатывать электромагнит.

При уменьшении активного сопротивления обмот­ки растет мощность Р, по­требляемая ею:

P=U²/2.

 

Для ограничения темпе­ратуры нагрева необходимо развивать у катушки поверх­ность охлаждения, т. е. ее размеры. Увеличение разме­ров обмотки потребует увеличения размеров магнитопровода. Для ограничения размеров электромагнита в настоя­щее время широко применяется форсировка по схеме (Рис.19) .

Рис.19. Схема форсировки электромагнита.

 

В отключенном положении резистор R_доб шун­тирован размыкающим контактом, связанным с якорем электромагнита. После замыкания контакта К малое со­противление обмотки Rспособствует быстрому нараста­нию тока до тока трогания. После начала движения яко­ря контакт размыкается и в цепь вводится сопротивление R_доб, благодаря чему ограничивается мощность Р, выде­ляемая в обмотке:

Иногда для ускорения срабатывания резистор R_доб шунтируют конденсатором С. В первый момент времени конденсатор уменьшает падение напряжения на этом ре­зисторе, благодаря чему обеспечивается форсировка электромагнита. В установившемся режиме величина то­ка в цепи ограничивается резистором R_доб.

Теперь рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания. При уменьшении питающего напряжения уменьшается установившийся ток, что ведет к увеличению значения При i_тр=I_у время трогания t_тр= . С ростом напряжения время трогания уменьшается в соответствии с уменьшением Зависимость t_тр(U) изображена на рис.20.

Увеличение питающего напряжения без изменения активного сопротивления цепи ведет к ускорению срабатывания, но обмотка электромагнита может сгореть, если при номинальном значении питающего напряжения температура обмотки равна предельно допустимой. В этих случаях рекомендуется при повышении питающего напряжения в цепь включать добавочное сопротивление, чтобы величина установившегося тока оставалась неизменной и равной I_у.

При этом ускорение срабатывания происходит за счёт уменьшения постоянной времени. Величина остаётся неизменной.

На рис.21 показано изменение токов в обмотке электромагнита при неизменном установившемся токе. Кривые показывают, что в данном случае чем больше по­стоянная времени, тем больше время трогания.

При прочих равных условиях увеличение натяжения противодействующей пружины ведет к росту i_тр , при этом t_тр также увеличивается.

Время отпускания электромагнита состоит из времени спадания по­тока до потока отпус­кания, при котором сила электромагнита становится равной противодействующей силе и времени движе­ния при отпускании.

В большинстве случаев вре­мя спада потока при отсутст­вии короткозамкнутых обмо­ток значительно меньше, чем время движения якоря при от­падании. Поэтому в основном считаются со временем движения.

Для создания электромагнитов замедлен­ного действия применяется короткозамкнутая обмотка или гильза. Эскиз электромагнита с короткозамкнутой обмоткой показан на рис.22.

Рис.22. Электромагнит с

магнитным замедлением.

 

При включении питающей обмотки в магнитной цепи нарастает поток. Этот поток наводит в короткозамкнутой обмотке э.д.с. Последняя вызывает ток такого направ­ления, при котором поток короткозамкнутой обмотки на­правлен встречно намагничивающим. Результирующий поток равен разности этих потоков. Скорость нарастания потока уменьшается, а время трогания увеличивается.

При отключении электромагнита с короткозамкнутой обмоткой можно считать, что ток в первичной обмотке практически мгновенно спадает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка в отключающем аппарате К.

Изменение потока определяется процессом затухания тока в короткозамкнутой обмотке. При спадании потока в короткозамкнутой обмотке ω₂ наводится э.д.с. и воз­никает ток, направленный так, что поток, создаваемый об­моткой ω₂, препятствует изменению (уменьшению) пото­ка в системе. Замедленное спадание потока создает выдержку времени при отпускании.

При м.д.с., равной нулю, в цепи устанавливается по­ток, определяемый кривой размагничивания материала и воздушным зазором. Этот остаточный поток может создавать силу притяжения, большую, чем сила, развиваемая пружиной. Произойдет залипание якоря. Для устранения залипания ставится немагнитная про­кладка, снижающая величину остаточного потока.

Тепловые реле

Принцип действия. Долговечность энергетическо­го оборудования в значительной степени зависит от пе­регрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость длитель­ности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надежная и длительная эксплуатация оборудования. Эта зависи­мость представлена на рис.23 (кривая 1). При номи­нальном токе допустимая дли­тельность его протекания рав­на бесконечности. Протекание тока, большего, чем номиналь­ный, приводит к дополнитель­ному повышению температу­ры и дополнительному старе­нию изоляции. Поэтому чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима. Кривая 1 рис.23 устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы.

Рис.23. Времятоковые характеристики

теплового реле и защищаемого объекта.

 

При идеальной защите объекта зависимость t_ср (I) для реле должна идти немного ниже кривой для объекта.

Для защиты от перегрузок, наиболее широкое рас­пространение получили тепловые реле с биме­таллической пластиной.

Биметаллическая пластина состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффи­циент расширения , другая—меньший . В месте при­легания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за счет свар­ки. Если закрепить неподвижно такую пластину и на­греть, то произойдет изгиб пластины в сторону материа­ла с меньшим . Именно это явление используется в теп­ловых реле.

Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение a) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение a).

Для получения большего прогиба необходимо, чтобы пластина имела большую длину и малую толщину. На­оборот, если необходимо, чтобы пластина развивала большую силу, целесообразно иметь широкую пластину с малой длиной и большой толщиной.

При работе биметаллической пластины в ее компо­нентах возникают напряжения сжатия и растяжения, ко­торые не должны превышать допустимых значений.

Нагрев биметаллического элемента может произво­диться за счет тепла, выделяемого в пластине током на­грузки. Очень часто нагрев биметалла производится от специального нагревателя, по которому протекает ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при ком­бинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через би­металл, и за счет тепла, выделяемого специальным на­гревателем, также обтекаемым током нагрузки.

Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему. Так как пластина прогибается медленно, целесообразно применять прыгающие контакты (рис.25).

Основной характеристикой реле является зависи­мость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). В общем случае до начала перегрузки через реле протекает ток Iо, который нагревает пластину до температуры qо.

На рис.24 изображены зависимости t_ср=f(x) для случая (реле включается в работу в холодном состоянии) (кривая 1) и (кривая 2). Обе кривые имеют одинаковые асимптоты и различаются в средней части.

 

У ряда реле время срабатывания при коротком за­мыкании больше, чем время термической стойкости при данном токе. Поэтому от коротких замыканий цепь и само реле нужно защищать с помощью предохраните­лей .

Для согласования характеристик объекта и реле строится времятоковая характеристика защищаемого объекта по заводским данным или по данным расчета и аналогичная характеристика биметалличе­ского элемента. Ток Iср составляет (1,2—1,3) Iн. Защит­ные характеристики биметаллического элемента строят­ся для двух случаев, когда e=0 и когда e=1. При пра­вильном выборе реле его времятоковая характеристика при e=0 должна проходить вблизи характеристики за­щищаемого объекта. Тогда при предварительном подо­греве номинальным током реле обеспечивает надежную защиту. На рис.23 представ­лены характеристики двигате­ля и двух реле. У одного реле (кривая 2) ток срабатывания равен току двигателя (кривая 1), у другого он на 20% боль­ше (кривая 3). В первом слу­чае двигатель будет отклю­чаться значительно раньше, чем требуется характери сти­кой 1.

Рис.24. Характеристики теплового реле при и .

Необходимо отметить, что постоянная времени нагрева двигателя зависит от характе­ра перегрузки. При кратковре­менных перегрузках в нагре­ве участвует только обмотка и постоянная времени получается небольшой (5— 10 мин) ввиду относительно малой массы обмотки. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса машины. При этом постоянная времени достигает 40— 60 мин. Для совершенной защиты необходимо, чтобы по­стоянная времени реле была такой же, как и у объекта. В известной степени это удается получить, если создать реле для защиты конкретного двигателя. Поскольку од­но и то же реле выпускается для двигателей различной конструкции, то в области малых перегрузок не удается получить хорошую защиту.

Для быстродействующей защиты и объекта и реле целесообразно тепловой элемент объединить с электро­магнитным, имеющим большой ток срабатывания и практически нулевую выдержку времени.

В эксплуатации согласование реле защиты и объекта производится выбором номинального тока реле равным номинальному току двигателя. Срабатывание реле про­исходит при (1,2—1,3)Iн. Время срабатывания 20 мин.

Нагрев биметаллической пластинки зависит от тем­пературы окружающей среды, поэтому с ростом темпе­ратуры окружающей среды ток срабатывания умень­шается.

При температуре, сильно отличающейся от номиналь­ной, необходимо либо проводить дополнительную (плав­ную) регулировку реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды. Для того чтобы температура окружающей сре­ды меньше влияла на ток срабатывания, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась воз­можно больше. Для правильной работы тепловой защи­ты реле желательно располагать в том же помещении, что и защищаемый объект. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — нагрева­тельных печей, систем отопления и т. д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией (серии ТРН).

Конструкция тепловых реле. Прогиб биметаллической пла­стины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно свя­зать подвижный контакт, то малая скорость его движения, не смо­жет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устрой­ство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт.

В обесточенном состоянии пружина 1 создает момент отно­сительно точки 0, замыкающий контакты 2. Биметаллическая пла­стина 3 при нагреве изгибается вправо, положение пружины изме­няется. Она создает момент, размыкающий контакты 2 за время, обеспечивающее надежное гашение дуги.

Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепло­выми реле ТРП (однофазное) и ТРН (двухфазное). Реле типа ТРП представлено на рис.26. Биметаллическая пластина имеет комбинированную систему нагрева. Пластина 1 нагревается как за счет нагревателя 5, так и за счет прохождения тока через саму пласти­ну. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3. Реле позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока уставки). Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняю­щей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка по­зволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя. Воз­врат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после остыва­ния биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды. Уставка меняется на 5% при изменении температуры окру­жающей среды на КУС. Высокая ударо- и вибростойкость реле по­зволяют использовать его в самых тяжелых условиях.

 

Реле времени.

При работе схем защиты и автоматики часто требует­ся Создать выдержку времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов. При автоматизации тех­нологических процессов также может возникнуть необхо­димость производить операции в определенной времен­ной последовательности.

Для создания выдержки времени служат аппараты, называемые реле времени.

Общими требованиями для реле времени являются:

а) стабильность выдержки времени вне зависимости от колебаний питающего напряжения, частоты, темпе­ратуры окружающей среды и других факторов;

б) малые потребляемая мощность, масса и габариты;

в) достаточная мощность контактной системы.

Возврат реле в исходное положение происходит, как правило, при его обесточивании. Поэтому к коэффици­енту возврата не предъявляется особых требований, и он может быть очень низким.

В зависимости от назначения реле к ним предъявля­ются специфические требования.

Для схем автоматического управления приводом при большой частоте включений в час требуются реле с вы­сокой механической износостойкостью. Требуемые выдержки времени находятся в пределах 0,25—10 с. К этим реле не предъявляются высокие требования относительно точности работы. Раз­брос времени срабатывания может достигать 10%. Реле должны работать в условиях производственных цехов, при вибрации и тряске.

Реле для защиты энергосистем должны иметь большую точность выдержки времени. Эти реле работают относительно редко, поэтому к ним не предъявляются особые требования по износостойкости. Выдержки времени таких реле составляют 0,1—20 с.