Нейтральные электромагниты переменного тока

ЭМ переменного тока питаются от сети переменного тока. Как и в трансформаторах, для снижения потерь от вихревых токов магнитопровод набирается из шихтованной электротехнической стали с высоким удельным электрическим сопротивлением, но, несмотря на это, тепловые потери в ЭМ переменного тока значительно больше, чем в ЭМ постоянного тока.

Ток, проходящий через обмотку ЭМ переменного тока, определяется в основном индуктивностью, так как индуктивное сопротивление ЭМ значительно больше активного. Т. е., I = U /(w L).

Индуктивность обмотки L зависит от положения якоря, поэтому ток также зависит от положения якоря. В исходном положении якоря (при большом рабочем воздушном зазоре) через обмотку ЭМ проходит наибольший ток, а при притянутом положении — наименьший. Действующее значение тока в ЭМ переменного тока с изменением воздушного зазора изменяется в несколько раз. Без учета магнитного сопротивления магнитопровода и потока рассеяния для ЭМ с плоскопараллельными полюсами можно получить следующее выражение:

                                                            (5.28)

где w – число витков обмотки.

Обмотка ЭМ рассчитывается на наименьшее значение тока, поэтому заедание якоря или попадание инородного тела между полюсами приводит к перегоранию обмотки в отличие от ЭМ постоянного тока, в которых установившееся значение тока не зависит от положения якоря и при любом значении воздушного зазора определяется активным сопротивлением обмотки.

При рассмотрении процессов считаем магнитную систему ЭМ ненасыщенной. Так как падение напряжения на активном сопротивлении имеет небольшое значе­ние, то практически приложенное напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции:

                                                                     (5.29)

Пусть U = U _mcos w t. Тогда

                                        (5.30)

где Y _m = U_m / w – амплитудное значение потокосцепления. Из (9.33) найдем выражение для магнитного потока

                   (5.31)

где f – частота питающей сети; w – число витков обмотки; Ф _т – амплитудное значение потока.

Из (5.31) следует, что при неизменном значении приложенного напряжения в ЭМ переменного тока потокосцепление и поток практически не зависят от положения якоря. Физически постоянство потокосцепления объясняется тем, что с ростом воздушного зазора падает индуктивность, поэтому увеличивается ток обмотки, благодаря которому возрастание магнитного сопротивления рабочего воздушного зазора компенсируется соответствующим увеличением МДС. Фактически, конечно, зависимость Ф(d) есть, она вызвана тем, что, во-первых, при возрастании d увеличивается роль потоков рассеяния, во-вторых, при возрастании тока увеличивается падение напряжения на активном сопротивлении обмотки. Однако в целом тяговая характеристика ЭМ переменного тока все же значительно более пологая. чем у аналогичных ЭМ постоянного тока (рис. 5.15).

Электромагнитная сила в притянутом положении якоря для ЭМ переменного тока может быть определена по формуле Максвелла

                                                                (5.32)

где Ф – мгновенное значение потока.

А так как магнитный поток синусоидален, то мгновенное значение силы равно

                    (5.33)

Таким образом, в однофазном ЭМ мгновенное значение электромагнитной силы изменяется от нуля (рис. 9.23) до максимального значения

                                                          (5.34)

Среднее значение электромагнитной силы за период равно

                                              (5.35)

Можно записать мгновенное значение электромагнитной силы и так:

                                               (5.36)

Таким образом, в однофазном ЭМ с одной обмоткой электромагнитная сила периодически спадает до нуля, т. е., периодически становится меньше противодействующей механической силы. Это может привести либо к отпаданию якоря, либо (при достаточной инерции) к его вибрации, оказывающей вредное влияние на работу ЭМ. Для устранения этого явления используются три способа: 1) применение утяжеленного якоря; 2) применение многофазных ЭМ; 3) применение ЭМ с расщепленными экранированными полюсами.

Применение утяжеленного якоря обеспечивает уменьшение вибрации, так как благодаря большой инерции якорь не может вибрировать с двойной частотой. Этот способ не получил широкого распространения ввиду уменьшения чувствительности и быстродействия, увеличения массы и габаритов ЭМ.

В качестве многофазных применяют двух- и трехфазные ЭМ.

Двухфазный ЭМ содержит две одинаковых обмотки, расположенные а разных сердечниках, но с общим якорем. На обмотки подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на некоторый угол φ. Анализ показывает, что при φ = π/2 результирующая сила становится постоянной и равной 4 Р _{э ср}.

Аналогично в трехфазном ЭМ обмотки питаются трехфазным напряжением, поэтому магнитные потоки в сердечниках сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°. Результирующая электромагнитная сила постоянна и равна 3 Р _{э ср}.

Двухфазные и трехфазные ЭМ имеют усложненные конструкции и схемы питания. Поэтому наибольшее применение нашли однофазные ЭМ с расщепленными экранированными полюсами (рис. 5.16).

Полюс сердечника ЭМ расщепляется на две части, одна из которых охватывается короткозамкнутым витком – экраном. Вследствие этого поток разделяется на два потока: Ф₁ и Ф₂. Поток Ф₂, проходя по экранированной части сердечника, наводит ЭДС взаимоиндукции в ко-роткозамкнутом витке как во вторичной обмотке| трансформатора. Под действием ЭДС по витку проходит ток, создающий поток Ф_к.з . Магнитный поток экрана Ф_к.з замыкается только между расщепленными частями сердечника, так как его замыкание по всему магнитопроводу вызвало бы изменение магнитного потока Ф₀, что невозможно, так как Ф₀ определяется напряжением обмотки.

Взаимодействие потока Ф_к.з с потоками Ф₁ и Ф₂ приводит к созданию ре­зультирующих потоков Ф_эк и Ф_{н эк} в экранированной и неэкранированной частях сердечника.

В части сердечника, не охваченной экраном, магнитные потоки Ф₁ и Ф_к.з складываются, а в экранированной части сердечника магнитные потоки Ф₂ и Ф_к.з вычитаются:

Ф_эк = Ф₂ + Ф_к.з; Ф_{н эк} = Ф₁ – Ф_к.з.                             (5.37)

На рис. 5.17 показана соответствующая векторная диаграмма потоков. Вначале строим по горизонтали вектор потока  в экранированной части сердечника. Этот поток наводит в короткозамкнутом витке ЭДС , отстающую от  на 90°. Индуктивностью витка можно пренебречь, поэтому ток витка, а значит и поток , совпадают по фазе с . Далее строится поток  по (5.37), затем  по соотношению площадей, и, наконец,  по (5.37).

Как видно из векторной диаграммы, составляющие потока в воздушном зазоре  Ф_эк и Ф_{н эк} сдвинуты по фазе на угол φ, что эквивалентно двухфазному ЭМ. Идеального сдвига 90° получить не удастся (для этого надо чтобы сопротивление витка либо воздушный зазор были равны нулю, что недостижимо), но 50–60° реально. Наилучшие результаты получаются, когда виток охватывает около 2/3 площади полюса: при этом средние значения сил Р _эк и Р _{н эк} выравниваются.

Время срабатывания ЭМ переменного тока меньше, чем у ЭМ постоянного тока. При отключении ЭМ ток в обмотке прекращается при его прохождении через нулевое значение, поэтому магнитный поток исчезает довольно быстро, максимум за 10мс. Таким образом, по сравнению с ЭМ постоянно­го тока ЭМ переменного тока имеют большее быстродействие. Масса и габариты ЭМ переменного тока больше, чем у ЭМ постоянного тока. Это вызвано рядом причин. Сечение магнитопровода рассчитывается исходя из амплитудного значения магнитного потока. А среднее значение электромагнитной силы в электромагнитах переменного тока в два раза меньше силы, определяемой ампли­тудным значением Ф _т.

Электромагнитные реле

В судовых системах контроля и регулирования широко применя­ются электромагнитные реле, состоящие из ЭМ и контактной системы. Электромагнитные реле предназначены для замыкания и размыкания контактов в электрической исполнительной цепи при подаче на обмотку реле сигнала управления.

Реле, коммутирующие электрические цепи большой мощности, называются контакторами.

Реле характеризуются следующими основными параметрами:

– мощность срабатывания, равная минимальной мощности, необходимой для надежного срабатывания реле (часто указывается напряжение или ток срабатывания);

– напряжение или ток отпускания;

– мощность управления, равная максимальной мощности в коммутируемой цепи, при которой контакты реле работают надежно (часто указывается предельный ток и напряжение коммутируемой цепи);

– допустимая разрывная мощность, равная мощности в электрической цепи, разрываемой контактами при определенном токе или напряжении без образования устойчивой электрической дуги;

– время срабатывания и отпускания.

Как и ЭМ, реле делятся на нейтральные электромагнитные реле постоянного тока, поляризованные реле и нейтральные реле переменного тока.

Контакты реле по характеру работы делятся на замыкающие (при отсутствии тока в обмотке реле контакт разомкнут, а при наличии тока замкнут), размыкающие (при отсутствии тока контакт замкнут, а при наличии тока — разомкнут) и переключающие (при отсутствии тока контакт замыкает одну электрическую цепь, а при наличии тока другую).

Мощность срабатывания типичных нейтральных реле – 10–100 мВт, время срабатывания 2–20 мс.

Реле переменного тока обычно имеют расщепленный полюс с экраном.

Поляризованные электромагнитные реле характеризуются малой мощностью срабатывания: обычно составляет менее 10 мВт, т.е. может быть порядок меньше мощности срабатывания нейтральных электромагнитных реле. Время срабатывания поляризованного реле обычно составляет 1–10 мс, т.е. также меньше, чем у реле нейтрального типа.

Недостатком поляризованных реле является их довольно большая масса на единицу выходной мощности, непропорционально возрастающая с ростом последней. В связи с этим поляризованные реле используются для коммутации цепей, мощность которых ограничена единицами ватт.