Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Курс лекций по физике Законы теплового излучения Фотоэффект Ядерная модель атома Квантовые генераторы Зонная теория твёрдых тел Электропроводимость металлов Ядерная физика Дозиметрия

Лабораторные работы по электротехнике

Электромагниты (ЭМ)

Конструктивное исполнение

- ЭМ клапанного типа;

- ЭМ с втягивающимся якорем (соленоидного типа, прямоходовой ЭМ втяжной ЭМ);

- с поперечно движущемся якорем;

- ЭМ с поворотным якорем.

Характеристики

- клапанные ЭМ обладают большим усилием, хорошей чувствительностью;

- большим ходом якоря и быстродействием обладают втяжные ЭМ;

- тяговую характеристику любой формы обладают ЭМ с поперечно движущимися и поворотными якорями при соответствующем выборе профиля последних.

Ток в обмотке ЭМ постоянного тока, ток нарастает по экспоненциальному закону.

Тяговая или электромеханическая характеристика ЭМ Qт (d).

Статическая Qт расположена выше других, ей соответствует максимальная сила электромагнитного притяжения. Кривая 1 расчетная, кривая 2 экспериментальная. Расхождение объясняется тем, что длина зазора на практике не равна нулю, во-вторых, ферромагнитный участок магнитопровода ЭМ имеет конечное магнитное сопротивление. Поэтому различие кривых 1 и 2 тем больше, чем меньше d, и вследствие конечного значения магнитного потока при d = 0 не бесконечно и тяговое усилие.

Между статической и предельной динамической тяговыми характеристиками при одном и том же напряжении лежит множество динамических тяговых характеристик (см. рис.).

Вид статических Qт (d) зависит от исполнения магнитных систем. Схемы А и Б дают представление об ЭМ с втягивающим якорем. В и Г – об ЭМ клапанного типа и с поворотным якорем, Е – об ЭМ без магнитопровода (соленоида). В системах Д и Е при выходе якоря из симметричного относительно центра положения тяговое усилие изменяет знак.

Динамика электромагнита

Под инерционностью ЭМ понимают запаздывание якоря по сравнению с изменениями входного напряжения. Она определяется отставанием тока в обмотке от изменения приложенного к ней напряжения и механической инерции якоря.

Динамические свойства ЭМ характеризуется tсрб и tотп

 

 - с началом движения якоря ток перестает нарастать по экспоненте и начинает падать до окончания движения якоря, L стремится к max значению.

Параметры tсрб и tотп можно увеличивать или уменьшать конструктивными и схемными способами.

Для получения быстродействующих ЭМ или ЭМ замедленного действия применяют следующие конструктивные способы:

- чтобы снизить tсрб и tотп – уменьшение вихревых токов в магнитопроводе и хода якоря; выбор достаточно большого коэффициента запаса Кз, оптимизацию размеров обмотки;

- для увеличения tсрб и tотп – электромагнитные, механические, пневматические и гидравлические демпферы, присоединяемые к якорю. Этими средствами можно снизить эти два параметра до нескольких миллисекунд и увеличить их до десятков секунд.

Электромагнитные демпферы выполняют в виде конструктивных элементов из электропроводящего материала, помещенных в магнитное поле.

На рисунке показаны некоторые схемные способы увеличения tсрб (а – е); уменьшения tсрб (ж – и); увеличения tотп за счет большего  (к – н).

Способы устранения вибрации якоря ЭМ переменного тока

Постоянная составляющая тягового усилия ЭМ переменного тока в два раза меньше тягового усилия ЭМ постоянного тока. Значит, в общем случае ЭМ постоянного тока при прочих равных условиях развивает большую силу притяжения, чем ЭМ переменного тока.

Если на постоянном токе , то на переменном токе , ибо от d зависит индуктивность L. Этим и объясняется различие статических тяговых характеристик ЭМ постоянного и переменного тока.

Если тяговая характеристика 1 ЭМ постоянного тока из-за постоянства числителя круто поднимается с уменьшением d - , то тяговая характеристика 2 на переменном токе более полагая, ибо здесь уменьшается и числитель из-за роста индуктивности обмотки.

Как видно из рисунка форма тяговой характеристики ЭМ переменного тока зависит от соотношения активного и индуктивного сопротивлений цепи его обмотки.

В моменты времени тяговое усилие Qт обращается в нуль, что приводит к вибрации якоря.

Одно из эффективных средств против вибрации якоря – уменьшение пульсаций тягового усилия с помощью магнитных экранов (к.з. витки), охватывающих часть сечения сердечника.

Создаваемые при этом магнитные потоки сдвинуты по фазе на угол a. При этом создаваемые ими тяговые усилия сдвинуты на угол 2a и значит обращаются в нуль неодновременно. Отсюда следует, что результирующее тяговое усилие в любой момент времени отлично от нуля.

Обмотки электромагнитов

Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы с одной стороны, обеспечить требуемую м.д.с, а с другой – чтобы ее max температура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

Различают обмотки напряжения и обмотки тока в зависимости от способа включения:

 - в первом случае напряжение, приложенное к обмотке, постоянно по своему действующему значению;

- во втором – сопротивление обмотки намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока

Катушка может быть каркасной и бескаркасной. Обмотка выполняется изолированным приводом, которой наматывается на каркас.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение U и МДС. Сечение обмоточного провода q находим, исходя из потребляемой МДС.

 откуда

,

где r - удельное сопротивление;  - средняя длина витка;  - сопротивление.

Если при неизменном U и lср требуется увеличить м.д.с., то необходимо взять провод большего сечения. Ток в обмотке возрастает. При этом обмотка будет иметь меньшее число витков увеличенного сечения.

По найденному сечению с помощью таблиц сортаментов находится ближайший стандартный диаметр провода. Мощность, выделяемая в обмотке в виде тепла

.

Число витков обмотки при заданном сечении катушки Qоб определяется коэффициент заполнения по меди fм

,

где Qоб – сечение обмотки по меди; wq – площадь, занимаемая медью обмотки.

Число витков .

Тогда .

Таким образом, мощность Р, потребляемая обмоткой, прямо пропорциональна квадрату МДС и обратно пропорциональна коэффициенту заполнения fм и площадь окна Qоб.

Намотка бывает (рядовая и навалом). При намотке «навалом» число витков при том же окне уменьшается по сравнению с рядовой, ток пропорционально увеличится, а МДС обмотки остается без изменения. Мощность, потребляемая обмоткой при намотке «навалом» увеличивается, поскольку уменьшается коэффициент fм.

При изменении напряжения и неизменном окне должно иметь место равенство U1q1 = U2q2, так как r и lср остаются неизменными. При этом МДС не меняется. Поскольку при переходе с одного напряжения на другое изменяется диаметр провода (а, следовательно, толщине изоляции), коэффициент fм также изменится, тогда

.

Если U1 < U2, то при переходе с U1 на U2 диаметр провода уменьшится. При меньшем диаметре провода из-за возросшей относительной толщины изоляции коэффициент заполнения уменьшится. Следовательно, при переходе на более высокое напряжение мощность, потребляемая обмоткой, увеличивается, что вызывает увеличение температуры обмотки.

Если не было запаса по температуре нагрева, то это потребует сни-жения силы, развиваемой магнитом. Провод (тип ПЭВ1, ПЭВ2) Тmax = 1050C, если на каждую единицу выделяемой мощности будет приходиться определенная боковая поверхность ( - удельная охлаждающая боковая поверхность). Размер этой поверхности зависит от геометрии обмотки.

при , s0 = 8 × 10-4 м2 / Вт

l – длина обмотки

при , s0 = 10 × 10-4 м2 / Вт

D – внешний диаметр обмотки

при , s0 = 12 × 10-4 м2 / Вт

Если в результате расчета снижается, что s < s0, то температура обмотки будет выше допустимой

.

Если при требуемой МДС , то необходимо либо уменьшить МДС обмотки, либо увеличить площадь окна Qоб.

После ориентировочной оценки нагрева обмотки необходимо определить max температуру внутри обмотки по формуле

,

где I0, R0 – ток и сопротивление до включения при tокр. среды;

Sэкв – эквивалентная поверхность охлаждения, ;

(для контактора и реле = ток бескаркасных b2 = 0, b1 = 0,9, намеченных на стальную гильзу b2 = 0, b1 = 1,7; намотанных на магнитопровод b2 = 0, b1 = 2,4);

Кт – коэффициент теплоотдачи;

aR – температурой коэффициента сопротивления.

Число витков обмотки находим из выражения

.

Сечение провода выбирается из рекомендуемой плотности тока равной 2-4 А / мм2 для продолжительного режима, и 5-12 А / мм2 – для ПКР; 13-30 А / мм2 – для кратковременного режима.

,

где d – диаметр провода.

Зная Qоб можно определить среднюю длину витка сопротивления обмотки и потери в ней.

Способы компенсации реактивной мощности. Для искусственной компенсации реактивной мощности, называемой иногда "поперечной" компенсацией, применяются специальные компенсирующие устройства, являющиеся источниками реактивной энергии ёмкостного характера. До 1974 г. Основным нормативным показателем, характеризующим потребляемую промышленным предприятием реактивную мощность, был средневзвешенный коэффициент мощности
Фотопроводимость полупроводников