Элементы дугогасительных систем

Естественное гашение дуги происходит в результате ее удлине­ния, охлаждения, подразделения на несколько последовательных дуг с использованием таких простейших устройств, как рога, защит­ные камеры, перегородки и ряд других. Искусственное гашение дуги осуществляется воздействием магнитных потоков.

Дугогасительные рога. Обычно такие рога выполняют расходя­щимися (рис. 3.14). При естественном дугогашении их чаще всего выполняют по схеме рис. 3.14, а. В этом случае скорость движения дуги по рогам ид определяется эмпирической формулой (с учетом действия электродинамических и аэродинамических сил), м/с,

0,02 I / (.

где I — ток дуги, А; l — расстояние между электродами, м; b — ширина сечения электрода, м.

Расстояние между рогами в месте перегиба

= 2(+)sin/2 = 2sin (/2).

Поперечная скорость дуги в этом случае:

≅ 0,02 l / (√(+/2);

≅ 0.02 l / (/2).

Заметное уменьшение скорости дуги к моменту ее разрыва бли­же к концам рогов позволяет снизить коммутационные перенапря­жения. Схема рогов, показанная на рис. 3.14, б, лучше, так как при этом отсутствуют резкие перегибы электродов (обычно по окруж­ности или кривой переходных радиусов).

а)

Рис. 3.14. Схемы расходящихся дугогасительных рогов свободного дуго­гашения

Рога применяют преимущественно не как самостоятельное дуго­гасительное устройство, а как вспомогательные элементы в систе­мах электромагнитного или другого дугогашения. В качестве при-мера покажем, как выполнены рога в электропневматических кон­такторах ПК-41—ПК-46 (рис. 3.15). Верхний рог — часть крон­штейна 6 неподвижного контакта 7, для которого он служит также держателем. Нижний рог имеет шарнирное и контактно-разъемное •соединение с кронштейном подвижного контакта; с подвижным контактом 8 он непосредственно не соединен, являясь как бы частью дугогасительной камеры. В этом случае оба рога неподвижны, что позволяет выполнить их в виде массивных латунных отливок.

В зарубежной практике часто применяют дугогасительные рога облегченной конструкции. Обычно их выполняют в виде прямых стержней, имеющих корытообразное сечение.

Развернутая длина дугогасительных рогов зависит от номиналь­ного напряжения аппарата, площадь их поперечного сечения (сред­няя) — от номинального тока (рис. 3.16). По рогам перемещаются опорные точки дуги, катодное и анодное пятна, отдавая часть теп­ловой энергии телу рогов. Именно так рассеивает дуга часть энер­гии, выделяющейся в процессе коммутации. При этом поверхность рогов в условиях эксплуатации оплавляется, что приводит к необ­ходимости периодически их зачищать или восстанавливать. Чтобы упорядочить процесс естественного износа и соответствующий ему процесс восстановления, сечению рогов придают Т-образную или швеллерную форму (рис. 3.16, в). При этом обгорают только вы­ступающие полки. •

На концах рогов опорные точки дуги занимают стабильное по­ложение. Для предотвращения сильного оплавления концов уве­личивают их массу, придавая им такую форму, чтобы расплавлен­ный металл не повреждал поверхность рога и дугогасительную ка­меру. С той же целью на концах штампованных рогов часто устанав­ливают накладки из дугопрочной металлокерамики.

Дугогасительные камеры. Они предназначаются для того, чтобы обеспечить электрическую и тепловую изоляцию дуги от элементов конструкции. В дугогасительных камерах, особенно тяговых аппа­ратов, имеющих жесткие габаритные ограничения, стремятся разме­стить дуги возможно большей длины в ограниченном пространстве. Камеры служат также приемниками тепловой энергии, рассеивае­мой дугой, а иногда усиливают теплоотдачу от ствола дуги в окру­жающее пространство. В общем электроаппаратостроении для ак­тивизации этого процесса создают искусственные среды в виде элегаза, масла, сверхчистой воды. Попытки их применения в тяго­вом аппаратостроении пока успехом не увенчались, что объясня­ется спецификой работы тяговых аппаратов.

Эффективность дугогасительных камер в сильной степени зави­сит от изоляционных материалов, применяемых для их внутрен­ней облицовки. Ранее для этих целей использовали преимуществен­но электротехнический асбестоцемент АЦЭИД в виде листов разной толщины. Из этого материала продолжают изготовлять дуго­гасительные сборные камеры при их мелкосерийном произ­водстве.

Для изготовления дугогасительных камер тяговых аппаратов применяют преимущественно специальные дугостойкие пластмассы. В отечественной практике — это прессмасса КМК-218, ПКО-1-3-И, имеющая плотность 1,8—2,0 т/м3 (1,8—2,0 г/см3), предел прочнос­ти не ниже 30 МПа, электрическую прочность 5 кВ/мм, стойкость к воздействию тока 60 мА в течение 180 с, теплостойкость по Мартенсу не ниже 250 °С. Для вспомогательных контакторов иногда допускается применение пластмассы МФК-20, обладающей значи­тельно худшими показателями и к тому же водопоглащающей. Не нормируются, но имеют большое значение свойства поверхности (гладкая, нешероховатая), способность выделять при обгорании деионизирующие газы.

Рис. 3.15. Контактор типа ПК-41—ПК-46:

1— пневматический привод; 2 — тяга; 3 — изолированная стойка; 4, б —крон­штейны; 5 — рычаг; 7, 8 — силовые контакты; 9 — катушка дугогашения;10 — вентиль; 11— блок-контакты

а)

в) г)

Рис. 3.16. Зависимости развернутой длины рога от напряжения U (а), пло­щади сечения от номинального тока (б); поперечные сечения литых (в) и штампованных рогов

Один из важнейших показателей эффективности дугогаситель­ной камеры — длина дуги, которую в ней возможно разместить. Его оценивают коэффициентом использования пространства камеры

3.8)

где — наибольшая длина дуги, не выходящей за пределы камеры; — периметр выхлопного пространства камеры.

Желательно, чтобы значение было по возможности большим; оно зависит от типа камеры. В тяговых аппаратах применяют камеры многощелевые, однощелевые, лабиринтовые, радиальные и их модификации.

Рис. 3.17. Схема многощелевой дуго­гасительной камеры:

1 — рога; 2 — стенки камеры; 3— перегородки

Первые дугогасительные ка­меры были многощелевыми. В них ствол образовавшейся дуги внутренними перегородками раз­бивается на ряд параллельных дуг, погасить которые легче, чем одну дугу большой мощ­ности (рис. 3.17). Обычно диа­метр ствола дуги в тяговых аппаратах лежит в пределах 5 мм, а для того, что­бы дуга разделилась, нужна ширина щели 2—2,5 мм. Однако в многощелевых камерах тя­говых аппаратов делать такие щели нельзя, так как возникают тепловые деформации перегородок, при которых щели такой ширины могут быть перекрыты; кроме того, их невозможно очи­щать при техническом обслуживании.

Обычно принимают = 5÷8 мм и дуга горит в какой-то одной щели. Избирательность действующих щелей случайна, а примене­ние нескольких перегородок в какой-то мере оправдано их взаим­ным резервированием, рассредоточением износа, повышением теплоемкости дугогасительной камеры.

Рис. 3.18. Дугогасительная камера контактора ISVAD4:

1 — горизонтальная стенка; 2— щеле­вые вставки; 3 — полюс шихтованный; 4 — перегородка асбестоцементная; 5 — изолирующая шайба; 6 — боковина из стеклотекстолита; 7 — шпилька; 8 — бо­ковина

Вместе с тем эффективность многощелевых камер невысока (размеры см. на рис. 3.17):

≅/(b++) ≅ 0,8 ÷0,85.

В дугогасительной камере кон­тактора ISVAD4 (рис. 3.18) элект­ровоза ЧС2 значение несколь­ко увеличено в результате уста­новки между перегородками 4 изо­лирующих шайб 5, укрепленных стяжными латунными шпилька­ми 7. Для предотвращения выхода дуги за пределы камеры на вы­хлопном отверстии установлены щелевые вставки 2 из асбестоце­мента—так называемые щелевые вставки, образующие прерывистые выхлопные отверстия. Однако такая камера чересчур закрыта и деионизация ее внутреннего про­странства замедлена. При повторных выключениях ионизация может оказаться настолько сильной, что дуга перекроет изолирую­щие шайбы 5 и сформируется по минимальной длине.

Рис. 3.19. Схема, поясняющая деформацию дуги в камере с узкой щелью (а), вольт-амперные характеристики выключения камеры с широкой (кривая 1) и с узкой (кривая 2) щелью (б) и зависимость магнитной напряженности ду­гогашения от ширины щели Н() (в)

К положительным качествам многощелевы# камер можно отнес­ти сравнительно малый износ перегородок, наиболее простую тех­нологическую оснастку для их изготовления, простоту техничес­кого обслуживания. Поэтому их до сих пор применяют при мелко­серийном и индивидуальном производстве.

Привлекательность применения однощелевых камер определя­ется возможностью изготовления их с узкой щелью (рис. 3.19, а). Узкая щель, деформируя поперечное сечение ствола дуги, увеличи­вает поверхность теплоотдачи (особенно на входе дуги в узкую щель), усиливает рассеяние энергии дуги. Первоначальный диаметр ствола наиболее сильно деформируется в зоне входа в узкую щель, при дальнейшем продвижении дуги снижается площадь се­чения ствола, а рассеяние энергии дугой относительно стабилизи­руется. В конце процесса дугогашения ствол дуги может свободно разместиться в щели, имея диаметр ≤.

При однощелевой камере с узкой щелью более благоприятен коммутационный процесс, протекающий с меньшими перенапряже­ниями

< (рис. 3.19, б). Для получения таких ха­рактеристик необходимо, чтобы дуга вошла в щель шириной из камеры шириной

≥+ 2,

где — ширина контакта; — монтажный зазор, равный 1—2 мм.

Для этого к дуге требует­ся приложить большие уси­лия. При электромагнитном дугогашении необходимо соз­дать высокую магнитную на­пряженность поля H (рис. 3.19, в). Чрезмерное форсирование гашения дуги в этом случае недопустимо, так как оно может привести к срезу тока и высоким пере­напряжениям.

Рис. 3.20. Схема дугогасительной каме­ры радиального типа

А-А (развертка)

В тяговых аппаратах одно­щелевые камеры с узкой щелью применяют сравни­тельно редко, так как коэф­фициент использования про­странства для них тот же, что и у многощелевых, а вследствие быстрого износа стенок их характеристики в эксплуатации ока­зываются нестабильными, надежность ниже, а техническое обслу­живание сложнее, чем многощелевых. Однощелевые камеры с ши­рокой щелью применяют на э. п. с. переменного тока во вспомога­тельных цепях. Широкая щель способствует быстрой деионизации меж контактного пространства.

Дугогасительная камера радиального типа (рис. 3.20) отлича­ется тем, что ее пространство перегорожено глухими изоляционны­ми перегородками, направленными радиально по отношению к иде­ализированной дуге. В такой камере можно разместить дугу зна­чительной длины.

Минимальный зазор между перегородками ≥ (4÷5). При толщине перегородок их возможное наибольшее число

≅(πα—)/(+),

где — радиус внутренних кромок перегородок; α — угол раствора камеры, рад.

Если число перегородок n ≤, наибольшая длина дуги, размещаемой в камере, определяется высотой перегородок h:

2 h n + πα ≤ ≤ 2 hn + πα (+ h).

Обычно разница между предельными значениями не так велика. Большее значение соответствует большим средним индукциям в ду­гогасительной камере при электромагнитном дугогашении. Наиболь­шая длина дуги должна соответствовать ее критическому зна­чению, что позволяет определить необходимую высоту пере­городки

h≅ (- πα)/(2n).

Периметр выхлопной щели

≅ 1, 1 π α (+h). (3.9)

Соответственно коэффициент использования пространства

≅(2 h n + π α)/[ 1, 1 π α (+h)] ≅ 3 ÷4.

Использование пространства камеры тем лучше, чем больше число перегородок и их высота. К недостаткам радиальных камер, широко применяемых в зарубежном тяговом аппаратостроении и не­используемых в отечественном, можно отнести высокий местный из­нос перегородок. В щелевых камерах дуга скользит по поверхности перегородок или боковых стенок камеры. В радиальных камерах дуга охватывает перегородки по фиксированным трассам, на кото­рые она воздействует до погасания. Особенно сильно выгорают вну­тренние кромки перегородок. Они подвергаются непрерывному воз­действию дуги с момента достижения ею радиуса и до погаса­ния. Для ограничения их выгорания в концах перегородок часто делают вставки из теплостойкого фарфора — стеатита. Однако он вследствие хрупкости не очень подходит для тяговых аппаратов.

Радиальным камерам не всегда придают форму, приведенную на рис. 3.20. Например, в контакторном элементе группового пере­ключателя типа 1KHD1 (рис. 3.21) дугогасительная камера не име­ет явно выраженную радиальную форму. По конструкции перего­родок и принципу действия — это радиальная система, на которую распространяются все соображения, приведенные выше.

Стремление соединить положительные свойства щелевых и ра­диальных камер, устранив их недостатки, привело к созданию ла­биринтовых камер (рис. 3.22), широко используемых в отечествен­ном тяговом аппаратостроении. Перегородки в них расположены так же, как и в радиальной камере, но перегородки не глухие, а попеременно выступающие из боковых стенок камеры. Дуга деформи­руется в двух направлениях: поперечном и радиальном. Амплитуда деформации в поперечном направлении зависит от формы пере­городок. В каждом поперечном сечении камеры

≅ 0,5 (-),

где — внутренняя ширина камеры; — поперечный размер перего­родки.

Сложнее определить деформацию дуги в радиальном направле­нии. Дуга скользит по поверхности перегородок и ее радиальные деформации зависят от разности скоростей перемещения ствола. При электромагнитном дугогашении скорость перемещения ствола в поперечном направлении в любой i-й точке, м/с,

≅ 370,

где — соответственно ширина щели, см, и индукция Тл, в точ­ке i.

Рис. 31.21. Контакторный элемент переключателя 1KND1:

1 — установочные рейки; 2— контактодержатель; 3 - сердечник дугогасительной катуш­ки; 4 — обмотка дугогасительной катушки; 5 — внутренняя камера; 6 — контакты; 7 — полюс; 8 — подвижной контактодержатель; 9 — валики; 10— шунт; 11 - рычаг; 12 — ро­лик; 13 — кулачковая шайба; 14 — выводная шина

Предположим для наглядности, что щель имеет две ширины: и. Соотношение скоростей движения дуги в этих щелях

= /≅.

Относительная скорость

≅ = (- 1).

Эта зависимость имеет лишь приближенный характер, так как наряду с индукцией и зазором на скорость дуги влияет ряд других факторов: аэродинамические сопротивления, степень деформации поперечного сечения ствола и т. д. Для любого момента времени го­рения дуги ее радиальную деформацию можно ориентировочно определить как

(- 1)dt.

Полное удлинение дуги перегородками

≅ 2 n

В лабиринтовых камерах (рис. 3.23) можно регулировать про­цессы горения дуги, изменяя зазоры — ширину щели. Для боль­шинства коммутационных аппаратов такие камеры чаще всего вы­полняют из двухпрофильных боковин, скрепленных шпильками.

Изменяя профиль боковин можно получить дугогасительную щель различной формы. Чаще всего ее выполняют зигзагообраз­ной одинаковой ширины как на боковых стенках перегородок (рис. 3.23, а), так и на

перегибах.

При этом радиальные удлинения дуги не происходят и камера становит­ся по существу однощелевой с узкой щелью, обеспечивая удлинение дуги только благодаря поперечным деформациям дуги. Наи­большая длина дуги в щели

≅ πα ()/(sin β/2),

где β — угол между поверх­ностями ребер.

Как и для радиальной ка­меры, значение можно оп­ределить по уравнению (3.9). Коэффициент использования пространства камеры неве­лик, для такой щели

/ ≅ 1/(1,1 sin β).

Рис. 3.22. Схема лабиринтовой дуго­гасительной камеры

Рис. 3.23. Лабиринты дугогасительных камер

Для варианта лабиринта на рис, 3.23, б, когда >, радиальная де­формация происходит по боковым стенкам, а продви­жение дуги по граням замед­лится. Это нежелательно, так я) как грани будут сильно об­горать. Наиболее благоприя­тен вариант рис. 3.23, в, ког­да >. При этом с большой скоростью дуга в щели распространяется по граням перегородок и именно здесь будут наибольшими ее радиальные деформации.

В этом случае точно пре­допределить возможную наи­большую длину дуги трудно.

Рис. 3.24. Кратности индуктив­ных перенапряжений при от­ключении цепи с лабиринтовой (1) и радиальной (2) дугогаси­тельной камерами

По некоторым опытным данным в; случае правильного формирования щели = 2,5÷ 4, т. е. близок к значению для радиальных камер.

Создание лабиринтовых камер с переменными значениями и в радиальном направлении позволяет гибко регулировать в продолжении периода горения дуги градиент паде­ния напряжения Е для получения лучших коммутационных свойств ап­парата. В качестве примера на рис. 3.24 приведены диаграммы зави­симостей относительного значения коммутационного перенапряжения от индуктивности цепи при ее отключении одним и тем же коммутационным аппаратом с лаби­ринтовой (кривая 1) и радиальной (кривая 2) камерами.

Дугогасительные (деионные) решетки. В общем электроаппарато- строении применяют довольно часто в качестве средства дугогаше­ния дугогасительные (деионные) решетки; они предложены М. О. До- ливо-Добровольским. Такая решетка (рис. 3.25) представляет собой набор медных или стальных пластин, расположенных радиально и изолированных одна от другой в зоне дугогашения. Достигнув этих пластин, дуга разбивается между ними на отдельные, включенные последовательно дуги. При этом резко возрастает общее падение на­пряжения

),

где n — число пластин решетки; / n.

Рис. 3.25. Деионная решетка (а) и зависимости, характеризующие ее влия­ние на восстановление прочности воздушного зазора (б)

В сравнении с дугой, имеющей длину ствола и не разделенную решеткой, приращение падения напряжения, вызванное решет­кой,

∆ U = /=/,

где — расстояние от точки поворота подвижной системы до центра массы (точки приложения силы); — расстояние.

В дальнейшем все приведенные силы имеют в обозначении штрих:. При построении статических характеристик про­цессов включения и выключения электропневматического контакто­ра (рис. 4.6) сделаны некоторые допущения. Так, силы трения при­няты постоянными, хотя они имеют случайный характер и изменяют­ся в зависимости от перемещения х. Не учтено также в общем неболь­шое изменение приведенной массы.

До соприкосновения контактов на участке перемещения

(4.7)

где. (4.8)

По сравнению с уравнением (4.7) в выражении (4.8) добавилась сила притирающей пружины (см. рис. 4.5), имеющей первона­чальное сжатие и изменяющаяся линейно. При приведении этой силы к точке, линейная зависимость,

где =, определяемая характеристиками пружин (отрезок АВ) (см. рис. 4.6, а). Если же для контактодержателя пре­дусмотрен упор, то

накопле­ны н пружинах, деформированных при включении; уравнение ста­тики

.

Величина превышения силы пружины АРП над силами сопро­тивления движению зависит от условий выпуска воздуха из цилин­дра, обычно ∆ ≅ (0,10 ÷0,12). Исходя из этих' данных можно определить необходимую жесткость выключающей пружины

-.

Рис. 4.15. Зависимости для электромагнитов клапанного типа (а) и для систем с Г-образным якорем (б)

Привод должен срабатывать при самых неблагоприятных услови­ях: наибольших силах трения, наибольшей жесткости выключающей пружины, наименьшем значении м. д. с. Для аппаратов защиты м. д. с. должна соответствовать минимальной уставке, для аппара­тов оперативной коммутации — наименьшему напряжению, допу­стимому в цепях управления:

. По уравнению (4.11) можно ориентировочно определить необходимую площадь полюса сердечника,, исходя из индукции в полюсе

.

Особенно для аппаратов защиты и вообще реле выбирают так, чтобы при наибольших м. д. с. катушки индукции в магнитопроводе и особенно в сердечнике не достигали значения, соответст­вующего насыщению стали. Обычно принимают ≃ 0,04 ÷0,10 Тл.

Для наиболее распространенных в электромагнитах постоянно­го тока круглых сердечников диаметр полюса, м,

.

Зная по уравнению (4.12), можно определить, а также =.

Используя данные, можно ориентировочно наметить один или несколько вариантов конструктивного выполне­ния аппарата, проверив их по возможности размещения катушки и по характеристикам.

Из кинематической схемы аппарата определяют необходимое зна­чение, соответствующее полному выключению. По уравнению (4.12) для находят значение 6С0, что позволяет по характеристи­ке F0 (60) получить значение). Из уравнения (4.13) необ­ходимое значение м. д. с. определяется как

).

Для номинального режима расчетные значения:

и

Здесь первая зависимость — для аппаратов оперативной ком­мутации, вторая — для аппаратов защиты и реле. Коэффициент регулирования =(, где - соответственно верхняя и нижняя уставка аппарата.

Площадь поперечного сечения катушки, необходимая для ее раз­мещения в аппарате,,

,

где — коэффициент заполнения обмоточного пространства; — до­пустимая плотность тока.

Рис. 4.16. Магнитная система реле

Сравнение и S позволяет оценить исполнимость конструкции ее рациональность, определить содержание необходимых корректировок.

По характеристике) можно также построить ориен­тировочную характеристику) электромагнита в преде­лах от до значения, соответствующего = 0,04 — за­зору, необходимому во включенном аппарате для того, чтобы якорь не прилипал к полюсу из-за остаточного магнитного потока. Координаты любой точки i характеристик) и) связаны уравнениями (4.12) и (4.13). Так, в точке i сила, Н,

∙.

Приведенный метод позволяет построить характеристику) для аппарата одного типа и использовать ее как универсальную. Метод дает возможность получить обоснованные параметры и кон­струкцию электромагнита, его ориентировочные характеристики. Для аппаратов защиты и реле обязательно выполняют поверочный расчет электромагнита.

Поверочные расчеты. Эти расчеты проводят для электромагни­тов с уже установленными размерами магнитопровода, когда вы­брана его конструкция. Из многих методов таких расчетов приведем один, часто применяемый для тяговых аппаратов. В качестве при­мера рассмотрим магнитопровод одной из наиболее рациональных форм — П-образный (рис. 4.16). В нем нет соединительных сты­ков; он изготовлен из круглого прутка, имеющего диаметр сердеч­ника. По длине штамповкой выполнен постепенный переход от круглого сечения к прямоугольному на участке.

Расчет начинают с определения магнитной проводимости воз­душного зазора, складывающейся из проводимостей по площади полюса G, по его верхней и нижней кромкам, Тл/А:

,

где;

.

Здесь все размеры даны в сантиметрах. Значения находят для нескольких воздушных зазоров δ. Определяют удельную маг­нитную проводимость для потоков рассеяния стержня, практиче­ски не зависящую от воздушного зазора,

≅2)/.

Средний коэффициент рассеяния

где — коэффициент магнитного рассеяния на текущем расстоянии x от поверхности полюса.

Удобно обозначить α= Тогда для рассматриваемой магнитной системы

=(1/b).

Так как значение α изменяется с изменением воздушного зазора, его рассчитывают для нескольких значений δ и строят зависимость (δ).

В дальнейшем задача сводится к расчету магнитных характери­стик с учетом магнитного рассеяния для различных = const. Задаются магнитным потоком в воздушном зазоре и определяют м. д. с., необходимую для его получения,

θ=

М. д. с., необходимые для компенсации падений магнитного напряжения соответственно в воздушном зазоре, на стальных участках, в потоке рассеяния:

,

где — магнитная напряженность на i -м участке из их общего чис­ла n, зависящая от материала и индукции на участках длиной /г с площадью поперечного сечения ;.

Подобным образом получают семейство характеристик (θ), по которым находят статические характеристики электромагнита) или). Если воздушный зазор сравнительно невелик и невелико рассеяние, то определяют по уравнению (4.11). В других случаях используют метод приращений магнитной энергии (см. с. 112). Характеристики электромагнитов отличаются нараста­нием по мере снижения δ.

Характеристики электромагнитного индивидуального контакто­ра. Все основные величины обозначим так, как в электропневматическом контакторе (см. рис. 4.6). При электромагнитных приводах

Рис. 4.17. Статическая характеристика электромагнитного

контактора (а) и его характеристики при включении (б)

большое значение имеет воздушный зазор δ, поэтому он, а не пере­мещение, принимается в качестве независимой переменной (рис. 4.17, а). При этом х = - и х = -.

У электромагнитного привода d/dx > 0, у электропневматического d/dx < 0. Нарастание ускоряющей силы, особенно в кон­це процесса включения, вызывает повышение скорости подвижной системы и накопленной ею кинетической энергии (рис. 4.17, б)

(4.14)

В промежуток времени от - момента начального касания кон­тактов до - момента окончательного включения энергии должна быть погашена в системе. Часть ее ∆ поглощается в ре­зультате увеличения по сравнению ранее учтенными силами трения. Кроме того, возникают дополнительные силы трения кон­тактов,.. Значительная часть энергии затрачивается на дефор­мацию пружин и контактов. В ее состав входит энергия упругих и энергия пластических деформаций основных контактов

≅∆ +

Энергия — это та часть, которой обмениваются со­ударяющиеся элементы. Высока вероятность того, что такой обмен приведет к колебательному процессу, при котором может изменить­ся направление потока энергии и связанное с этим нарушение кон­тактного соединения, что видно из кривой х(t). Возникающие от­рывы подвижного контакта от неподвижного сопровождаются обра­зованием дуги между рабочими поверхностями контактов, что при­водит к их повреждению. Эффект вибрации подвижного контакта при включении тем сильнее, чем больше масса подвижной части, что ясно из уравнения (4.14).

Из-за столь неблагоприятных характеристик включения кон­такторы с электромагнитным приводом не применяют в силовых це­пях, их используют только в цепях управления или вспомогательных, где токи не так велики. Электромагниты для них используют с возможно более пологими характеристиками, например, конструк­ции II и VIII, показанных на рис. 4.11.

Электромагниты переменного тока. У таких электромагнитов сила магнитного притяжения непостоянна, ее мгновенные значения

где к - коэффициент пропорциональности; - амплитудное зна­чение индукции в воздушном зазоре (рис. 4.18, а).

Это синусоида двойной частоты, смещенная относительно оси абсцисс на отрезок, равный, т. е. сила направлена односто­ронне, но пульсирует от максимального значения до нуля. Так как силы сопротивления и особенно силы пружин постояйны, то появ­ляется несбалансированная переменная составляющая АД вызы­вающая вибрации якоря, так называемый звонковый эффект, при­водящий к повышенному износу и неустойчивости работы аппарата

.

Рис. 4.8. Диаграмма величин и пульсаций электромагнита переменного тока (а), его демпферный виток (б) и векторная диаграмма при таком витке (в)

Для его нейтрализации применяют на полюсах демпферные витки (экраны), охватывающие лишь часть сечения полюса (рис. 4.18, б). Потоком охваченным этим витком, в нем наводится э. д. с..

Она вызывает в витке ток, сдвинутый по фазе на угол (рис. 4.18, в), который зависит от активного и реактивного сопро­тивлений витка. Ток создает м. д. с., также отстающую от тока на угол, который вызван магнитным запаздыванием. В фазе с находится вектор магнитного потока. Результирующие магнитные потоки и в частях сердечника площадью и:

Сила магнитного притяжения

+

где и — амплитудные значения результирующих пото­ков.

Наличие двух сил, сдвинутых по фазе на угол, хотя и не уст­раняет пульсации результирующей силы, но настолько снижа­ет их, что может устранить звонковый эффект. Наилучшие резуль­таты будут при | | ≅ |; = 90°, что соответствует соот­ношению площадей /(÷) ≅0,7÷0,85. При этом сопротив­ление витка, Ом,

,

где — частота напряжения; все размеры даны в сантиметрах.

Электромагниты переменного тока получаются более громоздки­ми и менее быстродействующими, чем электромагниты постоянно­го тока. Поэтому часто вместо реле с катушкой, включенной в цепь переменного тока, применяют реле постоянного тока, катушка ко­торого включена через выпрямитель.

Процессы включения и выключения аппаратов с электромагнит­ным приводом постоянного тока. На эти процессы влияют высокие индуктивности катушек, инерция подвижных частей и вихревые токи в магнитопроводах. Уравнение напряжений при включении электро­магнитного привода

u=iR+Ldi/dt.

Откуда

i=, (4.15)

где — установившееся значение тока: = u/R; Т — постоянная времени цепи: Т = L/R.

При выключенном аппарате воздушный зазор велик и магнит­ная цепь не насыщена; поэтому L = const, начальная постоянная времени = const и i (t) — экспонента (рис. 4.19).

При нарастании тока и силы магнитного притяжения трогание подвижной системы начнется, когда М.д.с., соответствующая моменту трогания, будет при токе, где w - число витков катушки.

Время трогания находят из уравнения (4.15)

Его можно выразить и через коэффициент запаса системы.

Откуда

Рис. 4.19 Изменение тока при включении аппарата с электромагнитным приводом

Полученные зависимости точны только для электромагнитов с шихтованными магнитопроводами, при которых вихревые токи пренебрежимо малы. В не

шихтованных магнитопроводах часть м. д. с. от тока в катушке идет на создание вихревых токов

,

где — коэффициент вихревых токов, зависящий от структуры магнитной системы; а = i/Ф — коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком для ненасыщенных магнитопроводов.

Вихревые токи увеличивают ток трогания; возрастает и время трогания

Точный расчет периода движения с учетом всех факторов очень сложен; обычно задачу упрощают, рассматривая лишь два основных дифференциальных уравнения:

и

где x — путь, проходимый якорем; — силы сопротивления движению.

Эти уравнения не линейны, обычно их решают графоаналитическим методом с переходом к конечным разностям. В конечных приращениях:

; (4.16)

. (4.17)

Как исходные для расчета необходимы характеристики электромагнита Ф (i) при различных постоянных воздушных зазорах и статическая характеристика аппарата.

Механическая работа при движении системы на участке пропорциональна площади S (рис. 4.20) между смежными маг­нитными характеристиками для зазоров и. При трогании току на характеристике для соответствует точка а. Ее соединяют отрезком прямой с точкой b, выбранной на характеристике для. При выборе точки b стараются предугадать ее положение; в данном случае предполагается увеличение тока на. Для любого интервала:

где, — масштабы соответственно тока и магнитного потока.

По статической характеристике привода для перемещения определяют средние значения сопротивления движению и при­веденной массы. Приращение скорости на участке находят в соответствии с уравнением (4.6)

.

Время движения в первом интервале. Приращение магнитного потока находят из графика рис. 4.20; средний ток.

Полученные средние значения величин подставляют в уравнение (4.16), проверяя сходимость его правой и левой частей. При их расхождениях корректируют положение точки в и проделанный расчет. Если точка в зафиксирована достаточно точно, переходят к следующему приращению, повторяя расчет, как для но учитывая изменившиеся начальные условия.

Рис. 4.20. К расчету процессов включения

Аналогично проводят расчет и для других участков, вплоть до значения зазора, соответствующего перемещению X. В результате расчета получают время движения и зависимость. Обычно при движении изменения тока сравнительно невелики и в конце его (при). После включения ток нарастает по экспоненциальному закону, но с постоянной времени, отличной от что обусловлено изменением индуктивности L в результате уменьшения воздушного зазора и насыщения магнитопроводов. Началу этой экспоненты соответствует точка на оси абсцисс (см. рис. 4.19):

.

Как и в начале процесса, вихревые токи задерживают его ход и увеличивают время достижения, однако это не имеет сущест­венного значения для работы большинства аппаратов.

Процесс выключения катушки описывается зависимостью

.

где — ток в момент выключения; — постоянная времени отключения.

До момента отпадания якоря и время отпадания с уче­том вихревых токов можно определить как

.

Приведенные зависимости не учитывают влияния характеристик выключающего устройства. Токовые катушки электромагнитных приводов имеют небольшую индуктивность, их собственные времени малы, а процесс выключения полностью зависит от вида выключающего устройства. Индуктивности потенциальных катушек сравнительно велики, что обычно приводит к образованию дуги или сильному искрению при выключении. В обоих случаях процессы в приводе будут больше зависеть от внешних факторов, чем от параметров самого привода. Поэтому процессы выключения надо рассматривать не для одного аппарата, а для соответствующего узла системы управления.

Особенно для распорядительных аппаратов (реле) очень важен показатель, характеризующий зону нечувствительности аппарата — коэффициент возврата. Для устройства, не имеющих зоны нечувствительности,.

Структура электромагнитов приводов позволяет повышать или снижать быстродействие аппаратов, уменьшая или увеличивая вихревые токи в магнитопроводах. Так, для повышения быстродействия аппарата вихревые токи снижают, применяя магнитопроводы из шихтованной электротехнической стали с узкой петлей гистере­зиса. Если быстродействие не требуется, применяют массивную магнитную систему, при которой время срабатывания обычно состав­ляет 0,08—0,15 с. Для создания больших замедлений — выдержек времени — на сердечник электромагнита устанавливают пол­ностью охватывающее его массивное кольцо из меди или латуни — демпферное кольцо, как бы усиливающее действие вихревых токов.

При изменениях магнитного потока в кольце наводится э. д. с., где — число витков кольца. Эта э. д. с. вызывает в кольце, имеющем очень малое электрическое сопротивление, ток и м. д. с.

.

Результирующая м. д. с. электромагнита

.

Задерживая изменения магнитного потока, например, в реле времени при регулировке воздушного зазора и пружины, выдерж­ку времени срабатывания можно изменять в пределах от 0,5 до 3 с.