Электрические аппараты

ЭЛЕКТР АППАРАТТАР

Бә р оқ у тү рлерінің 5В071800 «Электр энергетика» мамандығ ының студентерінің тә жірибелік жұ мыстарына арналғ ан ә дістемелік нұ сқ аулар

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

Методические указания к практическим работам для студентов

специальности 5В071800 «Электроэнергетика» всех форм обучения

Ө скемен

Усть-Каменогорск

Методические указания к практическим занятиям разработаны на кафедре «Энергетики и технической физики» на основании типового учебного плана в соответствии с приказом №541 Министерства образования и науки Республики Казахстан от 10 июля 2002г. и ГОСО РК 03.08.093-2006 для специальности 5В071800 «Электроэнергетика», утвержденный 07.08.2006г.

Обсуждено на заседании кафедры

Зав. кафедрой С.Плотников

Протокол № от 2015г.

Одобрено методическим советом факультета информационных технологий и бизнеса

Председатель Г.Уазырханова

Протокол № от 2015г.

Разработал А. Сарсенова

Нормоконтролер Т.Тютюнькова

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет «Электрические аппараты» предусматривает изучение основ теории, принципа действия, устройства и эксплуатационных свойств электрических аппаратов.

Краткие теоретические сведения, содержащиеся в описании к практическим работам, позволяют выполнить практическую работу, но не подменяют учебников и учебных пособий, способствующих более глубокому усвоению материала. При самостоятельной работе обязательно использование литературы, список которой прилагается в конце методички.

Содержание каждой практической работы построено так, чтобы она могла быть выполнена, оформлена и защищена в двухчасовое занятие.

1 ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Сознательно выполнить практическую работу в отведенное время можно лишь при условии тщательной предварительной подготовки к каждой из них. Поэтому до практического занятия каждый студент должен ознакомиться с методическими указаниями и выполнить задание на подготовку к работе. В первую очередь следует твердо уяснить цель работы и отчетливо представить назначение изучаемого устройства, принцип действия и характеристики.

В соответствии с рабочим заданием следует изучить и начертить схемы соединения электрических цепей, состоящих из элементов исследуемого объекта и измерительных приборов, заготовить таблицы для записи показаний.

По окончанию работы студент должен предъявить преподавателю данные. Готовую работу необходимо защитить, т.е. ответить на контрольные вопросы в конце каждой практической работы.

К очередному занятию каждый студент обязан представить преподавателю оформленный отчет по следующей практической работе.

2 ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА

Отчет является техническим документом и оформляется в соответствии с ГОСТ 2.105—79 и 2.104—68. Поясняющий текст, таблицы, расчеты помещают на одной стороне листа формата A4. Вдоль короткой стороны каждого листа располагают основную надпись. Отчет по практическим работам и занятиям включает отчеты по каждой практической работе и занятию в соответствии с программой предмета и учебным планом.

В начале отчета дают титульный лист. На первом (заглавном) листе отчета помещают содержание, включающее наименование выполненных практических работ.

В отчете по каждой практической работе должно быть приведено следующее: наименование работы; цель работы; электрические схемы; результаты вычислений, сведенные в таблицы с краткими пояснениями; диаграммы (графики) анализ полученных результатов и выводы по выполненной работе.

Электрические схемы необходимо выполнять с соблюдением условных графических обозначений, которые приведены в приложении 1. Каждый элемент электрической схемы должен иметь позиционное обозначение, характеризующее вид этого элемента, выполняемую им функцию, порядковый номер, а при необходимости и другие сведения. В приложении 2 приведены примеры буквенных кодов для обозначения элементов электрических схем с учетом требований ГОСТ 2.710—81.

Диаграммы (графики) строятся в прямоугольной системе координат, причем независимую переменную откладывают на горизонтальной оси (оси абсцисс) в линейном масштабе. Положительные значения величин откладывают на осях вправо и вверх от точки начала отсчета. Масштаб может быть разным для каждой оси и выражается шкалой значений откладываемых величин. Координатные оси должны быть разделены на графические интервалы координатной сеткой, делительными штрихами или их сочетанием. Рядом с ними должны быть указаны числа (значения величин), которые размещаются вне поля диаграммы горизонтально.

В отчете следует приводить только окончательные результаты вычислений с указанием расчетных формул. В выводах по выполненной работе надо указывать характер изменения исследуемых параметров. В приложении 3 приведен пример оформления отчета.

По каждой практической работе и занятию студент должен получить зачет. Для этого он должен знать теоретический материал по данной теме, принцип действия и особенности исследуемого аппарата, уметь собрать электрическую схему и объяснить принцип ее работы, пояснить, как определяется тот или иной параметр, уметь делать анализ полученных результатов.

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВАНИЯ КАТУШЕК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

3.1 Цель работы: Определить изменение температуры перегрева катушки в зависимости от времени методом сопротивления. Определить температуру перегрева катушки в разных слоях с помощью термопар.

3.2 Краткие теоретические сведения

Катушки электрических аппаратов представляют собой неоднородное тело, состоящее из проводника, изоляции, прослоек воздуха или пропитывающего материала (лак, компаунд). Катушки любого исполнения и типа обладают активным сопротивлением, что является причиной появления потерь электроэнергии при прохождении по катушкам электрического тока. Потери электроэнергии, преобразовываясь в теплоту, приводят к нагреву катушек. Теплота, выделяемая во всем объеме катушки, проходит через материалы с разной теплопроводностью, поэтому температура в разных слоях катушки различна. Внутри катушки температура больше, чем на поверхности.

Наиболее нагретый участок в катушках постоянного тока расположен ближе к той поверхности, теплопередача с которой хуже. В катушках переменного тока с магнитопроводом наибольшая температура может быть на внутренней поверхности катушки, так как магнитопровод тоже нагрет потерями в стали.

Основной теплоотдающей поверхностью является наружная, с которой охлаждение происходит главным образом за счет естественной конвекции. Отдача теплоты с внутренней поверхности осуществляется за счет теплопроводности и в значительной степени зависит от конструкции катушек (каркасные, бескаркасные, на гильзе, на сердечнике). Торцовые поверхности катушки обычно закрыты изоляционными крепежными деталями с низкой теплопроводностью.

Процесс нагревания катушки во времени неравномерный. В начальные моменты времени после включения катушки в сеть количество выделенной теплоты превышает количество теплоты, отдаваемой в окружающую среду, что приводит к увеличению температуры катушки. Чем больше температура катушки, тем интенсивнее она охлаждается. При определенной температуре нагрева наступает равновесие между выделяющейся теплотой и теплотой, отдаваемой в окружающую среду, т. е. наступает установившийся режим нагревания.

Закон изменения превышения температуры катушки во времени описывается уравнением экспоненты:

(3.1)

где τ _уст — установившееся превышение температуры, °С;

t — время нагревания катушки, с;

T — постоянная времени нагрева катушки, с.

Если пренебречь теплоотдачей с внутренней поверхности катушки, то установившееся превышение температуры катушки:

(3.2)

где θ _уст — температура катушки в установившемся режиме, °С;

θ ₀ — температура окружающей- среды, °С;

P — мощность, выделяющаяся в катушке, Вт;

S _н — наружная поверхность охлаждения катушки, м²;

k _т — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).

Температура катушки в установившемся режиме не должна превышать допустимую температуру, величина которой зависит от нагревостойкости изоляции катушки. Допустимая температура нагрева нормируется ГОСТ 8865—70 для изоляционных материалов и приведена ниже в таблице 1.

Таблица 1- Допустимая температура нагрева изоляционных материалов

Постоянная времени нагрева характеризует скорость возрастания температуры катушки:

(3.3)

где c — удельная теплоемкость материала проводника, Дж/(кг·К);

G — масса материала проводника, кг;

S — поверхность охлаждения, м².

Чем больше постоянная времени нагрева, тем медленнее нагревается катушка. Графически постоянная времени нагрева определяется как абсцисса точки пересечения касательной к кривой нагревания в ее начальной точке с прямой, соответствующей установившейся температуре (отрезок АВ на рисунке 1). За это время катушка может нагреться до установившейся температуры, если нет теплопередачи в окружающую среду. В действительности за время, равное постоянной времени нагрева, превышение температуры катушки составляет 0, 632τ _уст. Как правило, температуру катушки можно считать установившейся через время, в 3—5 раз большее, чем постоянная времени нагрева.

Рисунок 1 — Кривая нагревания

Температуру катушки можно измерить методом сопротивления и методом термопары.

Методом сопротивления превышение температуры катушки определяется по изменению ее активного сопротивления в процессе нагревания в соответствии с ГОСТ 2933—83:

(3.4)

где R _г, R _х — сопротивление нагретой и холодной катушек, Ом;

K — величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления (для медной проволоки K = 235, для алюминиевой K =245);

θ _ох, θ _ог — температура окружающей среды при измерении сопротивления холодной и нагретой катушек, °С.

Если температура окружающей среды в процессе выполнения практической работы не изменяется θ _ох = θ _ог = θ _о, то

(3.5)

Методом сопротивления определяется средняя температура перегрева катушки.

Сопротивление катушки можно измерить мостом постоянного тока или определить с помощью вольтметра и амперметра.

Методом термопары можно определить температуру катушки в различных слоях. Для этого при изготовлении катушки термопары нужно заложить внутрь нее. Термопара представляет собой два разнородных проводника, спаянных у рабочего конца, который нагревается. На другом конце термопары при этом наводится термо-ЭДС, которую можно измерить милливольтметром. После изготовления термопары ее градуируют, т. е. определяют значение термо-ЭДС при определенной температуре. На рисунке 2 приведена градуировочная кривая для медьконстантановой термопары.

Рисунок 2 — Градуировочная кривая термопары

3.3 Контрольные вопросы

1. Почему нагреваются катушки электрических аппаратов?

2. Объясните характер изменения температуры при нагревании катушек.

3. Каков физический смысл постоянной времени нагрева?

4. Чему равна температура перегрева катушки через время, в два раза большее, чем постоянная времени нагрева, если τ _уст =60°С?

5. Какими способами можно определить температуру катушки?

6. Почему температура катушки неодинакова в разных ее слоях?

7. Как изменяется сопротивление катушки при нагревании?

8. Как изменяется мощность, потребляемая катушкой постоянного напряжения при нагревании?

3.4 Последовательность выполнения работы

3.4.1 Исследовать процесс нагревания катушки во времени. Для этого установим заданное напряжение на катушке и через равные промежутки времени замерен ток, протекающий по катушке, и определять ее сопротивление . Результаты замеров и вычислений записать в таблица 2.

Таблица 2 - Результаты замеров и вычислений

Напряжение на катушке поддерживается неизменным. Превышение температуры катушки над температурой окружающей среды определять по формуле (4.5).

3.4.2 По результатам таблица 2 построить график при неизменном напряжении на катушке и графически определить постоянную времени нагрева катушки.

3.4.3 Определить температуру перегрева во внутренних слоях катушки через заданное время. Для этого милливольтметром замерна термо-ЭДС в каждом слое катушки. По значению термо-ЭДС и градуировочной кривой (рисунок 2) определить температуру. Результаты записать в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты замеров и вычислений

3.4.4 По данным таблицы 3 построить график изменения температуры по толщине намотки катушки. При построении графика считать, что термопары расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

3.4.5 Проанализировать полученные результаты и сделать выводы по выполненной работе.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ КОНТАКТНОГО НАЖАТИЯ И МАТЕРИАЛА КОНТАКТА»

4.1 Цель работы: исследовать влияние силы контактного нажатия и материала контакта на переходное сопротивление.

4.2 Краткие теоретические сведения

В зоне перехода тока из одной токоведущей детали в другую появляется добавочное сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта.

Контактные поверхности, как бы тщательно они не были зачищены, представляют собой неровную поверхность с выступами и впадинами. Соприкосновение контактных поверхностей происходит не по всей поверхности, а лишь в отдельных точках (рисунок 3).

Рисунок 3 — Микроструктура электрического контакта:

1 – контакт-деталь; 2 – пленка; 3 – место касания контактов

При этом используется не все поперечное сечение контакта, а лишь его часть и сопротивление прохождению тока возрастает; происходит стягивание линий тока к точкам соприкосновения и повышение вблизи них плотности тока. Такое стягивание линий тока является одной из причин возникновения переходного контактного сопротивления. Другой причиной является наличие на контактных поверхностях различных пленок, которые образуются под воздействием кислорода воздуха, азота, озона и других химических реагентов и имеют высокое удельное электрическое сопротивление.

При замыкании контактов по мере увеличения силы нажатия пленки в местах соприкосновения и на выступах начинают разрушаться, образуя зоны чисто металлического касания. При этом происходит деформация материала выступов, в результате чего увеличивается как количество точек соприкосновения, так и их суммарная площадь.

На основании опытных данных значение переходного сопротивления определяется выражением:

(4.1)

где ε — величина, зависящая от свойств материала и от состояния поверхности контактов, Ом·Нⁿ; для меди ε = 10^–3; для алюминия ε = 1, 6·10^–3; для латуни ε = 6, 7·10^–3; Р — сила, сжимающая контакты, Н;

n — коэффициент, зависящий от числа точек соприкосновения. Для точечного контакта n = 0, 5; для линейного n = 0, 7÷ 0, 8; для поверхностного n = 1.

При увеличении силы контактного нажатия переходное сопротивление его уменьшается, причем эта зависимость имеет гиперболический характер. При одном и том же нажатии переходное сопротивление контакта при каждом замыкании может отличаться в больших пределах. Это объясняется тем, что число и размер площадок контактирования при каждом замыкании могут быть разными. Зависимости переходного сопротивления от контактного нажатия при его увеличении и уменьшении, как правило, не совпадают. Это объясняется наличием остаточных деформаций бугорков, по которым происходит соприкосновение. Переходное сопротивление контактов можно определить методом вольтметра и амперметра или микроомметром.

4.3 Контрольные вопросы

1. Что называют переходным сопротивлением контакта?

2. Влияет ли форма и материал контактов на переходное сопротивление?

3. Как влияет сила контактного нажатия на переходное сопротивление?

4. Зависит ли переходное сопротивление от температуры контакта?

5. Влияет ли состояние контактной поверхности на переходное сопротивление?

6. Как определить мощность, выделяющуюся на переходном сопротивлении контакта?

7. Определите мощность, которая выделяется на переходном сопротивлении контакта величиной 50 мОм, если через него проходит ток 100 А.

8. Контакт включен последовательно с сопротивлением нагрузки 500 Ом к источнику постоянного напряжения 100 В. Чему равно напряжение на контакте, если он разомкнут?

4.4 Последовательность выполнения работы

4.4.1 По схеме на рисунке 4 и выяснить назначение каждого элемента.

Рисунок 4 — Схема для исследования переходного сопротивления контактов

4.4.2 Определить падение напряжения на каждом контакте при разных силах контактного нажатия.

Результаты расчетов записать в таблицу 4.

Переходное сопротивление контактов определить на основании показаний приборов, не учитывая внутреннее сопротивление милливольтметра .

4.4.3 По посчитанным данным построить график зависимости переходного сопротивления от контактного нажатия для различных материалов.

4.4.4 Проанализировать полученные результаты и сделать выводы по выполненной работе.

Таблица 4 - Результаты измерений и расчетов

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ

ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА»

5.1 Цель работы: Исследовать влияние воздушного зазора на его магнитную проводимость. Определить распределение магнитного потока вдоль магнитопровода. Определить влияние воздушного зазора на коэффициент рассеяния магнитного потока.

5.2 Краткие теоретические сведения

Магнитной цепью называют совокупность ферромагнитных тел и воздушных зазоров, создающих путь, по которому замыкается магнитный поток.

Большинство магнитных цепей электрических аппаратов имеет воздушные зазоры, специально предусмотренные для выполнения полезной работы (рабочие), и зазоры, которые обусловливаются технологическими причинами (паразитные). На проведение магнитного потока через воздушные зазоры затрачивается часть магнитодвижущей силы (МДС) катушки, которая зависит от магнитного сопротивления зазора. Величина, обратная магнитному сопротивлению, — магнитная проводимость.

В соответствии с законом Ома для магнитной цепи магнитная проводимость воздушного зазора:

(5.1)

где Λ — магнитная проводимость воздушного зазора, Гн;

Φ — магнитный поток в воздушном зазоре, Вб;

F — падение магнитного напряжения в воздушном зазоре, А.

Для участка равномерного магнитного поля:

(5.2)

где B — индукция в воздушном зазоре, Тл;

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м²;

H — напряженность магнитного поля, А/м;

δ — воздушный зазор, м;

— абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м.

Трудность определения магнитной проницаемости по формуле (5.2) заключается в неопределенности площади S, через которую магнитный поток переходит из одного полюса в другой.

Поверхности, создающие магнитное поле в воздушном зазоре, называются полюсами. Простейшим видом магнитного поля является равномерное, которое можно получить между полюсами большой протяженности и при малом расстоянии между ними. В большинстве электрических аппаратов распределение магнитного потока в воздушном зазоре неравномерное (рисунок 5).

Рисунок 5 — Распределение магнитного потока между полюсами

Поток Φ ₁ между полюсами называется основным потоком, а потоки Φ ₂, выходящие из боковых поверхностей полюсов, называются краевыми потоками или потоками выпучивания. Краевые потоки при большой величине зазора составляют 30-50% основного потока, и пренебрегать ими нельзя.

В общем случае учесть неоднородность магнитного поля аналитически не представляется возможным. Поэтому при практических расчетах магнитной проводимости воздушных зазоров пользуются различными методами, упрощающими магнитное поле в той или иной степени.

Через рабочий воздушный зазор проходит не весь магнитный поток, создаваемый МДС, катушки, а только его рабочая часть Φ _δ . Другая же часть — поток рассеяния Φ _S — переходит в скобу, минуя рабочий зазор. Если пренебречь магнитным сопротивлением стали, то максимальный магнитный поток будет у основания сердечника, а по мере приближения к рабочему зазору магнитный поток будет уменьшаться.

Для расчета магнитной цепи нужно знать распределение магнитного потока по всему магнитопроводу. Для удобства в практических расчетах часто пользуются коэффициентом рассеяния. Этот коэффициент равен отношению магнитного потока в каком-либо месте магнитной цепи к магнитному потоку в рабочем зазоре:

(5.3)

где σ —коэффициент рассеяния:

Φ _x — магнитныйпоток в любой части магнитной системы;

Φ _δ — магнитный поток в рабочем зазоре.

Непосредственно измерить магнитную проводимость нельзя. Магнитную проводимость рабочего воздушного зазора определяют косвенным способом, используя формулу (5.1).

Для измерения магнитного потока применяются милливеберметр и измерительные катушки. Нулевая отметка на шкале чисто условное значение. За начальную можно принять любую отметку шкалы. Стрелка прибора не имеет противодействующей пружины, поэтому может находиться в каком угодно положении. Для установки ее на ноль существует корректор, рукоятку которого можно вращать в различном направлении. Переключатель режимов работы имеет три положения: «корректор», «арретир», «измерение». При измерениях милливеберметром определяют отклонение стрелки прибора:

(5.4)

где α ₁ и α ₂ — начальное и конечное показания прибора.

Измерение магнитного потока, связанного с измерительной катушкой, происходит при коммутации тока в намагничивающей катушке исследуемого электромагнита. При изменении магнитного потока в измерительной катушке наводится ЭДС и стрелка милливеберметра отклоняется на соответствующий угол. Для устранения влияния остаточного магнетизма магнитопровода на результат измерения магнитного потока необходимо изменять направление тока в намагничивающей обмотке. Измеренный магнитный поток:

(5.5)

где С — постоянная прибора М119, равная 0, 1 мВб/дел;

Δ α — отклонение стрелки прибора, дел;

w _и = 2 — число витков измерительной катушки.

Подставив значения С и w в формулу (5.5), получим магнитный поток (Вб):

(5.6)

Падение магнитного напряжения в воздушном зазоре измеряется с помощью магнитного пояса и милливеберметра. Магнитный пояс является разновидностью измерительной катушки и устроен следующим образом. На плоский гибкий каркас из изоляционного материала нанесена обмотка; концы ее выведены в середине и подсоединены к зажимам. Для определения разности магнитных потенциалов между двумя точками концы магнитного пояса помещаются в эти точки. При коммутации тока в намагничивающей катушке электромагнита в витках магнитного пояса наводится ЭДС, пропорциональная разности магнитных потенциалов между этими точками:

(5.7)

где F — падение магнитного напряжения(разность магнитныхпотенциалов), А;

C _П = 720 — постоянная цепи магнитный пояс – милливеберметр, А/дел;

Δ α — отклонение стрелки милливеберметра, дел.

Подставив эти значения в формулу (5.7), получим падение магнитного напряжение (А):

(5.8)

5.3 Контрольные вопросы

1. Почему магнитная проводимость воздушного зазора зависит от его величины?

2. Зависит ли величина магнитного потока в рабочем воздушном зазоре от его величины для электромагнита постоянного тока?

3. Почему магнитный поток у основания магнитной системы больше, чем в области рабочего зазора?

4. Как определяется коэффициент рассеяния магнитной системы?

5. Зависит ли коэффициент рассеяния от величины рабочего зазора? Почему?

6. Определите магнитное сопротивление воздушного зазора, если его магнитная проводимость равна 1, 5·10^–6 Гн.

7. Почему при измерении магнитного потока нужно коммутировать ток в намагничивающей катушке электромагнита?

8. Как измеряются магнитный поток и падение магнитного напряжения в рабочем зазоре?

9. Как вычисляется магнитная проводимость воздушного зазора без учета выпучивания магнитного потока?

5.4 Последовательность выполнения работы

5.4.1 На рисунке 6 приведена магнитноя система контактора КПВ600

Угол поворота якоря электромагнита изменяется регулировочным винтом 3 из немагнитного материала и определяется по шкале 1. На сердечнике 7, скобе магнитопровода и в рабочем зазоре расположены измерительные катушки, концы которых выведены на зажимы. Магнитный поток в рабочем зазоре измеряется с помощью катушки 4. Распределение магнитного потока по высоте скобы магнитопровода определяется с помощью катушки 5, которая может перемещаться по скобе 6. Падение магнитного напряжения в рабочем зазоре измеряется с помощью магнитного пояса 2.

Рисунок 6— Схема установки

5.4.2 Определить магнитный поток в paбочем зазоре при разных значениях напряжении на катушке электромагнита. Подсчитать магнитный поток по формуле (5.6) и записать результаты в таблицу 5.

Таблица 5- Результаты измерений

5.4.3 Определить падение магнитного напряжения в рабочем воздушном зазоре при разных его значениях.. Падение магнитного напряжения подсчитать по формуле (5.8) и записать результаты в таблицу 6.

Таблица 6 - Результаты измерений

5.4.4 На основании опытных данных, приведенных в таблицах, вычислить магнитную проводимость магнитное сопротивление рабочего воздушного зазора . Результаты записать в таблицу 7.

Таблица 7 - Результаты измерений

По результатам таблицы 7 построить зависимости ,

5.4.5 Определить распределение магнитного потока по высоте скобы магнитопровода и коэффициент рассеяния. Коэффициент рассеяния определить по формуле (5.3), а магнитный поток — по формуле (5.6) и записать результаты в таблицу 8.

Таблица 8 - Результаты измерений

5.4.6 Проанализировать результаты измерений и сделать выводы по выполненной работе.

6 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«СНЯТИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АППАРАТА»

6.1 Цель работы: Построить механическую характеристику электромагнитного контактора. Построить механическую характеристику главных контактов контактора.

6.2 Краткие теоретические сведения

Условием срабатывания любого электромагнитного аппарата является равенство электромагнитной и механической (противодействующей) сил. Электромагнитные силы создаются электромагнитами различной конструкции. Механические (противодействующие) силы; создаются возвратными и контактными пружинами, трением подвижных частей в опорах и о среду, в которой происходит движение, массой этих частей.

Возвратные (отключающие) пружины предназначены для возвращения подвижных частей аппарата в исходное состояние при разрыве цепи катушки электромагнита. Контактные пружины создают требуемые контактные нажатия, что необходимо для нормальной работы контактов.

Массу подвижных частей нужно учитывать в соответствии с рабочим положением аппарата. Противодействующие силы от трения составляют обычно небольшой процент от массы подвижных частей и ими обычно пренебрегают. Значение механических сил, действующих на якорь электромагнита при его движении, не остается постоянным, а изменяется в широких пределах.

Механической характеристикой электрического аппарата называют графическую зависимость противодействующих сил, денных к плечу якоря (или противодействующего момента сил), в функции величины рабочего зазора между якорем и сердечником электромагнита (или угла поворота якоря): или

На рисунке 7 приведена механическая характеристика 4 электромагнитного контактора при включении.

Она является суммой частных механических характеристик: силы трения и массы подвижных частей 1, замыкающего контакта 2, возвратной пружины 3. При срабатывании контактора рабочий зазор (угол поворота) между якорем и сердечником изменяется от максимального до нуля. При движении якоря электромагнита механическая сила (момент силы) увеличивается за счет сжатия возвратной пружины. При величине рабочего зазора δ _кас (угла поворота якоря φ _кас). происходит соприкосновение контактов. При движении якоря от δ _max (φ _max) до δ _кас (φ _кас) контакты разомкнуты. В точке соприкосновения контактов противодействующая сила (момент силы) возрастает скачкообразно за счет силы (момента силы) начального нажатия контактов. После соприкосновения контактов механическая сила (момент силы) увеличивается за счет сжатия контактных и возвратной пружин. Движение якоря от δ _кас (φ _кас) до нуля соответствует провалу замыкающих контактов.

Рисунок 7 — Механическая характеристика контактора

6.3 Контрольные вопросы:

1. Что называют механической характеристикой электрического аппарата?

2. За счет чего увеличивается механическая сила в момент касания контактов?

3. Почему механическая характеристика скачкообразная?

4. Каким образом создается начальное контактное нажатие?

5. Укажите на механической характеристике контактора минимальную механическую силу. Чем она создается?

6. Под действием каких сил якорь контактора возвращается в исходное положение?

7. Укажите на механической характеристике углы поворота якоря, при которых контакты замкнуты и разомкнуты

6.4 Последовательность выполнения работы

6.4.1 На рисунке 8 представлена установка для выполнения практической работы. Установка собрана на базе контактора постоянного тока серии МК и приведена на рисунок 8. Контактор, установлен на основании 9. Угол поворота якоря 11 определяется по шкале 10. Для определения механических сил используется динамометр, который зацепляется за крючок 2, расположенный на расстоянии l ₁=83·10^–3 м от оси вращения якоря. Линия действия сил главных контактов контактора расположена на расстоянии l ₂=46·10^–3 м от оси вращения.

Рисунок 8 — Установка для выполнения практической работы:

1 — магнитная система контактора; 2 — крючок; 3 — подвижная траверса; 4 — контактные пружины; 5 — подвижный контакт; 6 — возвратная пружина; 7 — неподвижный контакт; 8 — дугогасительная камера; 9 — основание;

10 — шкала; 11 — якорь.

6.4.2 Построить суммарную механическую характеристику контактора . Для этого нужно зацепить динамометр за крючок и, оттягивая его вертикально вверх, определить противодействующую силу, соответствующую различным состояниям главных контактов; определить силу, соответствующую началу движения якоря, и максимальный угол поворота якоря; определить силу, соответствующую начальному касанию контактов, и угол поворота якоря, при котором касаются контакты 5 и 7; определить силу, при которой начинают сжиматься контактные пружины 4; определить силу, при которой контакты полностью замкнуты. При этом угол поворота якоря .

Вычислить моменты сил относительно оси вращения якоря:

(6.1)

Результаты замеров и вычислений записать в таблицу 9.

По данным таблицы 9 построить механическую характеристику контактора .

Таблица 9 - Результаты замеров и вычислений

6.4.3 Построить механическую характеристику главных контактов. Для этого нужно определить величину начального и конечного контактных нажатий и угол поворота якоря, соответствующий провалу контактов.

Вычислить момент сил главных контактов относительно оси вращения якоря по формуле:

(6.2)

где М _К —момент противодействующей силы контактов, Н·м;

n — количество контактов;

P _К — начальное или конечное нажатие на контактный мостик, Н;

l ₂ — длина плеча, м.

Результаты вычислений записать в таблицу 10.

Таблица 10 - Результаты вычислений

По данным таблицы 10 построить механическую характеристику главных контактов контактора.

6.4.4 Построить механическую характеристику главных контактов, пользуясь механической характеристикой контактора. Для этого нужно из суммарной механической характеристики ABCDE графически вычесть FCDE (см. рисунок 7). Результирующая характеристика будет соответствовать механической характеристике главных контактов. Сравнить полученные результаты с результатами таблицы 10.

6.4.5 Проанализировать полученные данные и сделать выводы по выполненной работе.

7 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПОСТОЯННОГО ТОКА»

7.1 Цель работы: Построить семейство нагрузочных характеристик электромагнита. Построить тяговые характеристики электромагнита.

7.2 Краткие теоретические сведения:

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость между электромагнитной силой притяжения якоря и МДС катушки при неизменном значении воздушного зазора между якорем и сердечником: или при .

В зависимости от величины и формы поверхностей полюса и якоря нагрузочные характеристики реле и аппаратов могут иметь самую разнообразную форму.

Тяговая (электромеханическая) характеристика представляет собой зависимость электромагнитной силы притяжения якоря от воздушного зазора при неизменной МДС катушки: .

Силу притяжения электромагнита можно вычислить по формуле Максвелла, если магнитное поле в рабочем зазоре равномерное и полюсы не насыщены:

(7.1)

где B — индукция в рабочем зазоре, Тл;

— абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м.

Для электромагнитов с большими воздушными зазорами магнитное поле между полюсами неравномерное. Силу притяжения можно вычислить по энергетической формуле:

(7.2)

где F — МДС в рабочем зазоре, А;

Λ — магнитная проводимость рабочего зазора, Гн;

δ — рабочий зазор, м.

Форма тяговой характеристики зависит от конструкции электромагнита. Электромагниты, у которых МДС катушки не изменяется при изменении рабочего воздушного зазора, имеют довольно крутую тяговую характеристику. К ним относятся электромагниты с катушками тока (постоянного и переменного) и с катушкой постоянного напряжения. Такие электромагниты имеют, как правило, малый рабочий воздушный зазор (ход якоря), чтобы развить большую силу. Для увеличения силы притяжения используют полюсный наконечник, который увеличивает площадь поверхности, по которой замыкается магнитный поток в рабочем воздушном зазоре.

Электромагниты, у которых МДС катушки зависит от рабочего воздушного зазора магнитной системы, имеют пологую тяговую характеристику. К ним относится электромагнит с катушкой переменного напряжения. На переменном токе электромагнитная сила имеет пульсирующий характер, что приводит к вибрации якоря.

В этой практической работе снимается статическая тяговая характеристика электромагнита постоянного тока клапанного типа.

На рисунок 9 приведен пример построения нагрузочных и тяговых характеристик. Семейство нагрузочных характеристик построено слева от вертикальной оси. На семействе нагрузочных характеристик проведена вертикальная линия, соответствующая МДС катушки электромагнита при заданном напряжении. Точки пересечения этой прямой с нагрузочными характеристиками соответствуют электромагнитному моменту при разных углах поворота якоря. Тяговая характеристика при построена справа от вертикальной оси.

Рисунок 9 — Нагрузочные и тяговые характеристики электромагнита

7.3 Контрольные вопросы

1. Что называется нагрузочной и тяговой характеристиками?

2. От чего зависит сила притяжения между якорем и сердечником?

3. Как влияет рабочий воздушный зазор на электромагнитную силу?

4. Как аналитически можно определить силу притяжения якоря?

5. Каково назначение полюсного наконечника?

6. Как влияет напряжение на катушке на электромагнитную силу?

7. Определите МДС катушки, если Ом; витков; В.

7.4 Последовательность выполнения работы

7.4.1 Ознакомиться с установкой для выполнения практической работы и обмоточными данными катушки электромагнита. Установка собрана на базе контактора постоянного тока серии МК и приведена на рисунке 10. Воздушный зазор между якорем и сердечником изменяется регулировочным винтом 1 и определяется по шкале 2. Крючок для подвешивания грузов 3 расположен на расстоянии м от оси вращения якоря.

Рисунок 10 — Установка для выполнения практической работы

Вычислить электромагнитный момент:

(7.3)

где Р — противодействующая сила, Н (1 кгс = 9, 81 Н);

l — длина плеча, м.

Вычислить МДС катушки:

(7.4)

где I — сила тока в катушке электромагнита, A;

w — число витков катушки.

Результаты вычислений записать в таблицу 11.

Таблица 11- Результаты замеров и вычислений

По полученным данным построить семейство нагрузочных характеристик.

7.4.2 Построить тяговую характеристику электромагнита при напряжениях на катушке ; . Для этого нужно определить МДС катушки при заданном напряжении:

(7.5)

где R — сопротивление катушки, Ом;

w — число витков катушки.

На семействе нагрузочных характеристик построить вертикальные линии при вычисленных МДС и определить графически величины электромагнитных моментов при разных углах поворота якоря. Результаты записать в таблицу 12 и построить тяговые характеристики.

Таблица 12 - Результаты вычислений

Напряжение на катушке, В	Электромагнитный момент, Н·м, при угле поворота якоря, град