Электромагнита постоянного тока.
Полное время срабатывания состоит из времени трогания и времени движения:
tср=tтр+tдв
В большинстве случаев основную часть времени срабатывания составляет время трогания. Поэтому при ускорении и замедлении срабатывания воздействуют прежде всего на tтр.
Допустим, что ток трогания не изменяется (неизменна сила противодействующей пружины). Рассмотрим влияние активного сопротивления цепи при неизменной величине индуктивности и питающего напряжения. После включения электромагнита ток в обмотке изменится. Скорость нарастания тока равна:
и при t=0
Таким образом, скорость нарастания тока в момент включения не зависит от активного сопротивления цепи и определяется только питающим напряжением и индуктивностью цепи. Изменение тока во времени для двух значений активного сопротивления цепи показано на рис.18. Поскольку R1>R2, Iy1<Iy2. Обе кривые в начале координат имеют общую касательную, так как не зависит от активного сопротивления. Постоянная времени для первого случая Т1=L/R1 для второго Т2=L/R2, так как R1>R2, то T1<T2. При уменьшении сопротивления R увеличивается установившийся ток и величина
уменьшается.
Рис.18. Ток в обмотке электромагнита при различном активном сопротивлении цепи.
Можно показать, что логарифм уменьшается быстрее, чем растет постоянная времени Т. В результате tтр1 > tтр2 несмотря на то, что T1<T2. Чем меньше активное сопротивление цепи, тем быстрее будет срабатывать электромагнит.
При уменьшении активного сопротивления обмотки растет мощность Р, потребляемая ею:
P=U2/2.
Для ограничения температуры нагрева необходимо развивать у катушки поверхность охлаждения, т. е. ее размеры. Увеличение размеров обмотки потребует увеличения размеров магнитопровода. Для ограничения размеров электромагнита в настоящее время широко применяется форсировка по схеме (Рис.19) .
Рис.19. Схема форсировки электромагнита.
В отключенном положении резистор Rдоб шунтирован размыкающим контактом, связанным с якорем электромагнита. После замыкания контакта К малое сопротивление обмотки Rспособствует быстрому нарастанию тока до тока трогания. После начала движения якоря контакт размыкается и в цепь вводится сопротивление Rдоб, благодаря чему ограничивается мощность Р, выделяемая в обмотке:
Иногда для ускорения срабатывания резистор Rдоб шунтируют конденсатором С. В первый момент времени конденсатор уменьшает падение напряжения на этом резисторе, благодаря чему обеспечивается форсировка электромагнита. В установившемся режиме величина тока в цепи ограничивается резистором Rдоб.
Теперь рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания. При уменьшении питающего напряжения уменьшается установившийся ток, что ведет к увеличению значения При iтр=Iу время трогания tтр= . С ростом напряжения время трогания уменьшается в соответствии с уменьшением Зависимость tтр(U) изображена на рис.20.
Увеличение питающего напряжения без изменения активного сопротивления цепи ведет к ускорению срабатывания, но обмотка электромагнита может сгореть, если при номинальном значении питающего напряжения температура обмотки равна предельно допустимой. В этих случаях рекомендуется при повышении питающего напряжения в цепь включать добавочное сопротивление, чтобы величина установившегося тока оставалась неизменной и равной Iу.
При этом ускорение срабатывания происходит за счёт уменьшения постоянной времени. Величина остаётся неизменной.
На рис.21 показано изменение токов в обмотке электромагнита при неизменном установившемся токе. Кривые показывают, что в данном случае чем больше постоянная времени, тем больше время трогания.
При прочих равных условиях увеличение натяжения противодействующей пружины ведет к росту iтр , при этом tтр также увеличивается.
Время отпускания электромагнита состоит из времени спадания потока до потока отпускания, при котором сила электромагнита становится равной противодействующей силе и времени движения при отпускании.
В большинстве случаев время спада потока при отсутствии короткозамкнутых обмоток значительно меньше, чем время движения якоря при отпадании. Поэтому в основном считаются со временем движения.
Для создания электромагнитов замедленного действия применяется короткозамкнутая обмотка или гильза. Эскиз электромагнита с короткозамкнутой обмоткой показан на рис.22.
Рис.22. Электромагнит с
магнитным замедлением.
При включении питающей обмотки в магнитной цепи нарастает поток. Этот поток наводит в короткозамкнутой обмотке э.д.с. Последняя вызывает ток такого направления, при котором поток короткозамкнутой обмотки направлен встречно намагничивающим. Результирующий поток равен разности этих потоков. Скорость нарастания потока уменьшается, а время трогания увеличивается.
При отключении электромагнита с короткозамкнутой обмоткой можно считать, что ток в первичной обмотке практически мгновенно спадает до нуля из-за быстрого нарастания сопротивления дугового промежутка в отключающем аппарате К.
Изменение потока определяется процессом затухания тока в короткозамкнутой обмотке. При спадании потока в короткозамкнутой обмотке ω2 наводится э.д.с. и возникает ток, направленный так, что поток, создаваемый обмоткой ω2, препятствует изменению (уменьшению) потока в системе. Замедленное спадание потока создает выдержку времени при отпускании.
При м.д.с., равной нулю, в цепи устанавливается поток, определяемый кривой размагничивания материала и воздушным зазором. Этот остаточный поток может создавать силу притяжения, большую, чем сила, развиваемая пружиной. Произойдет залипание якоря. Для устранения залипания ставится немагнитная прокладка, снижающая величину остаточного потока.
Тепловые реле
Принцип действия. Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость длительности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надежная и длительная эксплуатация оборудования. Эта зависимость представлена на рис.23 (кривая 1). При номинальном токе допустимая длительность его протекания равна бесконечности. Протекание тока, большего, чем номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима. Кривая 1 рис.23 устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы.
Рис.23. Времятоковые характеристики
теплового реле и защищаемого объекта.
При идеальной защите объекта зависимость tср (I) для реле должна идти немного ниже кривой для объекта.
Для защиты от перегрузок, наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластиной.
Биметаллическая пластина состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент расширения , другая—меньший . В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за счет сварки. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим . Именно это явление используется в тепловых реле.
Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение a) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение a).
Для получения большего прогиба необходимо, чтобы пластина имела большую длину и малую толщину. Наоборот, если необходимо, чтобы пластина развивала большую силу, целесообразно иметь широкую пластину с малой длиной и большой толщиной.
При работе биметаллической пластины в ее компонентах возникают напряжения сжатия и растяжения, которые не должны превышать допустимых значений.
Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки. Очень часто нагрев биметалла производится от специального нагревателя, по которому протекает ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через биметалл, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, также обтекаемым током нагрузки.
Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему. Так как пластина прогибается медленно, целесообразно применять прыгающие контакты (рис.25).
Основной характеристикой реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). В общем случае до начала перегрузки через реле протекает ток Iо, который нагревает пластину до температуры qо.
На рис.24 изображены зависимости tср=f(x) для случая (реле включается в работу в холодном состоянии) (кривая 1) и (кривая 2). Обе кривые имеют одинаковые асимптоты и различаются в средней части.
У ряда реле время срабатывания при коротком замыкании больше, чем время термической стойкости при данном токе. Поэтому от коротких замыканий цепь и само реле нужно защищать с помощью предохранителей .
Для согласования характеристик объекта и реле строится времятоковая характеристика защищаемого объекта по заводским данным или по данным расчета и аналогичная характеристика биметаллического элемента. Ток Iср составляет (1,2—1,3) Iн. Защитные характеристики биметаллического элемента строятся для двух случаев, когда e=0 и когда e=1. При правильном выборе реле его времятоковая характеристика при e=0 должна проходить вблизи характеристики защищаемого объекта. Тогда при предварительном подогреве номинальным током реле обеспечивает надежную защиту. На рис.23 представлены характеристики двигателя и двух реле. У одного реле (кривая 2) ток срабатывания равен току двигателя (кривая 1), у другого он на 20% больше (кривая 3). В первом случае двигатель будет отключаться значительно раньше, чем требуется характери стикой 1.
Рис.24. Характеристики теплового реле при и .
Необходимо отметить, что постоянная времени нагрева двигателя зависит от характера перегрузки. При кратковременных перегрузках в нагреве участвует только обмотка и постоянная времени получается небольшой (5— 10 мин) ввиду относительно малой массы обмотки. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса машины. При этом постоянная времени достигает 40— 60 мин. Для совершенной защиты необходимо, чтобы постоянная времени реле была такой же, как и у объекта. В известной степени это удается получить, если создать реле для защиты конкретного двигателя. Поскольку одно и то же реле выпускается для двигателей различной конструкции, то в области малых перегрузок не удается получить хорошую защиту.
Для быстродействующей защиты и объекта и реле целесообразно тепловой элемент объединить с электромагнитным, имеющим большой ток срабатывания и практически нулевую выдержку времени.
В эксплуатации согласование реле защиты и объекта производится выбором номинального тока реле равным номинальному току двигателя. Срабатывание реле происходит при (1,2—1,3)Iн. Время срабатывания 20 мин.
Нагрев биметаллической пластинки зависит от температуры окружающей среды, поэтому с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания уменьшается.
При температуре, сильно отличающейся от номинальной, необходимо либо проводить дополнительную (плавную) регулировку реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды. Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась возможно больше. Для правильной работы тепловой защиты реле желательно располагать в том же помещении, что и защищаемый объект. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — нагревательных печей, систем отопления и т. д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией (серии ТРН).
Конструкция тепловых реле. Прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения, не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт.
В обесточенном состоянии пружина 1 создает момент относительно точки 0, замыкающий контакты 2. Биметаллическая пластина 3 при нагреве изгибается вправо, положение пружины изменяется. Она создает момент, размыкающий контакты 2 за время, обеспечивающее надежное гашение дуги.
Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепловыми реле ТРП (однофазное) и ТРН (двухфазное). Реле типа ТРП представлено на рис.26. Биметаллическая пластина имеет комбинированную систему нагрева. Пластина 1 нагревается как за счет нагревателя 5, так и за счет прохождения тока через саму пластину. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3. Реле позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока уставки). Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка позволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя. Возврат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды. Уставка меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на КУС. Высокая ударо- и вибростойкость реле позволяют использовать его в самых тяжелых условиях.
Реле времени.
При работе схем защиты и автоматики часто требуется Создать выдержку времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов. При автоматизации технологических процессов также может возникнуть необходимость производить операции в определенной временной последовательности.
Для создания выдержки времени служат аппараты, называемые реле времени.
Общими требованиями для реле времени являются:
а) стабильность выдержки времени вне зависимости от колебаний питающего напряжения, частоты, температуры окружающей среды и других факторов;
б) малые потребляемая мощность, масса и габариты;
в) достаточная мощность контактной системы.
Возврат реле в исходное положение происходит, как правило, при его обесточивании. Поэтому к коэффициенту возврата не предъявляется особых требований, и он может быть очень низким.
В зависимости от назначения реле к ним предъявляются специфические требования.
Для схем автоматического управления приводом при большой частоте включений в час требуются реле с высокой механической износостойкостью. Требуемые выдержки времени находятся в пределах 0,25—10 с. К этим реле не предъявляются высокие требования относительно точности работы. Разброс времени срабатывания может достигать 10%. Реле должны работать в условиях производственных цехов, при вибрации и тряске.
Реле для защиты энергосистем должны иметь большую точность выдержки времени. Эти реле работают относительно редко, поэтому к ним не предъявляются особые требования по износостойкости. Выдержки времени таких реле составляют 0,1—20 с.
Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 5170;