Электромагнитный привод: назначение, применение, конструкция.

Для замыкания и размыкания контактов электрических аппаратов применяют различные приводы. В ручном приводе усилие передается от руки человека через систему механических передач к контактам. Ручной привод применяют в некоторых разъединителях, рубильниках, выключателях и контроллерах. Чаще всего ручной привод используют в неавтоматических аппаратах, хотя в некоторых защитных аппаратах включение осуществляется вручную, а отключение — автоматически под действием сжатой пружины. К дистанционным приводам относят электромагнитный, электропневматический, электродвигательный и тепловой приводы.

Электромагнитный привод.

Наиболее широко применяется в электрических аппаратах электромагнитный привод, в котором используется сила притяжения якоря к сердечнику электромагнита или сила втягивания якоря в катушку соленоида. Любой ферромагнитный материал, помещенный в магнитное поле, приобретает свойства магнита. Поэтому магнит или электромагнит будет притягивать к себе ферромагнитные тела. На этом свойстве основано устройство разного рода подъемных втягивающих и поворотных электромагнитов.

Рис.9 Принципиальная схема электромагнита (а) и схема электромагнитного привода с П-образным магнитопроводом (б)

Сила F, с которой электромагнит или постоянный магнит притягивает к себе ферромагнитное тело — якорь (рис.9, а),

F = B2S / (2?0) = 4B2S*105

где

В — магнитная индукция в воздушном зазоре;

S — площадь сечения полюсов.

Магнитный поток Ф, создаваемый катушкой электромагнита, а следовательно, и магнитная индукция В в воздушном зазоре, как было указано выше, зависят от магнитодвижущей силы катушки, т. е. от числа витков ? и тока I, протекающего по ней. Поэтому силу F (тяговое усилие электромагнита) можно регулировать, изменяя ток в его катушке.

Свойства электромагнитного привода характеризуются зависимостью силы F от положения якоря. Эта зависимость называется тяговой характеристикой электромагнитного привода. На ход тяговой характеристики оказывает существенное влияние форма магнитной системы.

Широкое распространение в электрических аппаратах получила магнитная система, состоящая из П-образного сердечника 1 (рис.9,б) с катушкой 2 и поворотного якоря 4, который соединен с подвижным контактом 3 аппарата.

Примерный вид тяговых характеристик приведен на рис.10. При полностью разомкнутых контактах воздушный зазор х между якорем и сердечником относительно велик и магнитное сопротивление системы будет наибольшим. Поэтому магнитный поток Ф в воздушном зазоре электромагнита, индукция В и тяговое усилие F будут наименьшими. Однако при правильно рассчитанном приводе это усилие должно обеспечить притяжение якоря к сердечнику.

По мере приближения якоря к сердечнику и уменьшения воздушного зазора магнитный поток в зазоре увеличивается и соответственно возрастает тяговое усилие.

Тяговое усилие F, создаваемое приводом, должно быть достаточным для преодоления сил сопротивления подвижной системы аппарата. К ним относятся сила тяжести подвижной системы G, контактное нажатие Q и сила Р, создаваемая возвратной пружиной (см. рис.9,б). Изменение результирующей силы при перемещении якоря показано на диаграмме (см. рис.10) ломаной линией 1—2—3—4. При движении якоря и уменьшении воздушного зазора х до момента соприкосновения контактов привод должен преодолевать только сопротивление, обусловленное массой подвижной системы и действием возвратной пружины (участок 1—2). Далее усилие возрастает скачком на величину начального нажатия контактов (2—3) и растет по мере дальнейшего их перемещения (3—4).

Сопоставление характеристик, показанных на рис.10, позволяет судить о действии аппарата. Так, если ток в катушке управления создает м. д. с. I2? то наибольший зазор х, при котором может включиться аппарат, составляет x2 (точка А), а при меньшей м. д. с. I1? тягового усилия будет недостаточно, и аппарат может включиться только при снижении зазора до х1 (точка Б).

При размыкании электрической цепи катушки привода подвижная система возвращается в исходное положение под действием пружины и силы тяжести. При малых значениях воздушного зазора и возвращающих усилий якорь может удерживаться в промежуточном положении остаточным магнитным потоком. Это явление устраняется установкой фиксированного наименьшего воздушного зазора и регулировкой пружин.

В автоматических выключателях применяют системы с удерживающим электромагнитом (рис.11, а). Якорь 1 удерживается в притянутом положении к ярму сердечника 5 под действием магнитного потока Ф, создаваемого удерживающей катушкой 4, которая питается от цепи управления. При необходимости отключения подается ток в отключающую катушку 3, создающую магнитный поток Ф0, направленный навстречу магнитному потоку Фу

Рис.10 Тяговые характеристики электромагнитного привода и диаграмма усилий

Рис.11 Электромагнитный привод с удерживающим электромагнитом (а) и с магнитным шунтом (б)

катушки 4, который размагничивает якорь и сердечник. В результате якорь под действием отключающей пружины 2 отходит от сердечника, и контакты 6 аппарата размыкаются. Быстродействие отключения достигается благодаря тому, что в начале движения подвижной системы действуют наибольшие усилия натянутой пружины, тогда как в обычном электромагнитном приводе, рассмотренном ранее, движение якоря начинается при большом зазоре и малом тяговом усилии. В качестве отключающей катушки 3 в автоматических выключателях иногда используют шины или размагничивающие витки, по которым проходит ток силовой цепи, защищаемой аппаратом.

При достижении током в катушке 3 некоторого значения, определяемого уставкой аппарата, результирующий магнитный поток Фу — Ф0, проходящий через якорь, снижается до такого значения, что больше не может удержать якорь в притянутом состоянии, и аппарат отключается.

В быстродействующих выключателях (рис.11,б) катушки управления и отключения устанавливают в различных частях маг-нитопровода, чтобы избежать их взаимного индуктивного влияния, которое замедляет размагничивание сердечника и повышает собственное время выключения, особенно при высоких скоростях нарастания аварийного тока в защищаемой цепи. Отключающую катушку 3 устанавливают на сердечнике 7, который отделен от основного магнитопровода воздушными зазорами.

Якорь 1, сердечники 5 и 7 выполняют в виде пакетов из листовой стали, а поэтому изменение в них магнитного потока будет точно соответствовать изменению тока в защищаемой цепи. Поток Ф0, создаваемый отключающей катушкой 3, замыкается двумя путями: через якорь 1 и по нешихтованному магнитопроводу 8 с катушкой управления 4.

Распределение потока Ф0 по магнитным цепям зависит от скорости его изменения. При больших скоростях нарастания аварийного тока, который в данном случае создает размагничивающий поток Ф0, весь этот поток начинает протекать через якорь, поскольку быстрому изменению части потока Ф0, проходящей по сердечнику с катушкой 4, препятствует э. д. с, индуцируемая в удерживающей катушке при быстром изменении проходящего через нее потока. Эта э. д.с. согласно правилу Ленца создает ток, замедляющий нарастание этой части потока Ф0. В результате скорость отключения быстродействующего выключателя будет зависеть от скорости нарастания тока, проходящего через отключающую катушку 3. Чем быстрее нарастает ток, тем при меньшем токе начинается выключение аппарата. Это свойство быстродействующего выключателя весьма ценно, поскольку наибольшую скорость ток имеет в режимах короткого замыкания, и чем раньше выключатель начнет разрывать цепь, тем меньше будет ограничиваемый им ток.

В отдельных случаях требуется замедление работы электрического аппарата. Это выполняется с помощью устройства для получения выдержки времени, под которой понимается время от момента подачи или снятия напряжения с катушки привода аппарата до начала движения контактов. Выдержка времени на отключение электрических аппаратов, управляемых постоянным током, осуществляется с помощью дополнительной короткозамкнутой обмотки, находящейся на одном магнитопроводе с катушкой управления.

При снятии питания с катушки управления магнитный поток, создаваемый этой катушкой, изменяется от своего рабочего значения до нуля.

При изменении этого потока в короткозамкнутой катушке наводится ток такого направления, что его магнитный поток препятствует спаду магнитного потока катушки управления и удерживает якорь электромагнитного привода аппарата в притянутом положении.

Вместо короткозамкнутой катушки может быть установлена на магнитопроводе медная гильза. Действие ее аналогично действию короткозамкнутой катушки. Этого же эффекта можно достичь при замыкании накоротко цепи катушки управления в момент отключения ее от сети.

Для получения выдержки на включение электрического аппарата используют различные механические механизмы времени, принцип действия которых аналогичен часовому механизму.

Электромагнитные приводы аппаратов характеризуются током (или напряжением) срабатывания и возврата. Током (напряжением) срабатывания называется наименьшее значение тока (напряжения), при котором обеспечивается четкое и надежное срабатывание аппарата. Для тяговых аппаратов напряжение срабатывания составляет 75 % номинального напряжения. Если постепенно плавно снижать ток в катушке, то при определенном его значении аппарат отключится. Наибольшее значение тока (напряжения), при котором аппарат уже отключается, называется током (напряжением) возврата. Ток возврата Iв всегда меньше тока срабатывания Iср, поскольку при включении подвижной системе аппарата необходимо преодолеть силы трения, а также повышенные воздушные зазоры между якорем и ярмом электромагнитной системы.

Отношение тока возврата к току срабатывания называют коэффициентом возврата:

кв = Iв / Iср (этот коэффициент всегда меньше единицы)