Электромагниты переменного тока

Однофазные электромагниты переменного тока. При включении катушки электромагнита в сеть переменного тока мгновенное значение тяговой силы не является постоянной величиной, а изменяется вместе с изменением во времени величины потока в системе.

Рис. 1.2.2. Характер изменения электромагнитной силы

При заданной максимальной индукции, которая не должна превышать индукцию насыщения материала, и заданной площади сечения полюсов средняя электромагнитная сила при переменном токе оказывается вдвое меньше силы, развиваемой в аналогичных условиях электромагнитом постоянного тока. Поэтому для получения одинаковой силы сечение и масса стали у электромагнита переменного тока должны быть в 2 раза больше, чем у постоянного тока.

Дважды в течение периода тяговые усилия будут равны нулю (в момент перехода тока через нуль) и оказываются меньше механических противодействующих сил F_п (рис. 1.2.2). Противодействующие силы обычно создаются пружинами. Это вызовет отпадание якоря, затем новое его притяжение и т. д., т. е. якорь будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной системы, подгоранию контактов и сопровождается гудением.

Для устранения вибрации необходимо, чтобы при переменном токе электромагнитная сила притяжения якоря не падала ниже противодействующего усилия. Для этого электромагнит выполняется таким образом, чтобы притяжение якоря происходило от действия двух потоков, сдвинутых в пространстве и во времени. Тогда при переходе одного потока через нуль другой имеет какое-то определенное значение и электромагнитная сила не снижается до нуля.

Рис. 1.2.3. Электромагнит с короткозамкнутым витком: а — эскиз электромагнита; б — векторная диаграмма

Принципиально вибрацию якоря можно устранить двумя способами. При применении первого способа магнитная система имеет два стержня с самостоятельными обмотками. Против стержней расположен один общий якорь, находящийся под действием электромагнитных сил, создаваемых одновременно магнитными потоками обоих стержней. В этом случае питание обмоток может происходить от специальных источников трехфазной сети или от фазосдвигающего контура. Так как токи, а, следовательно, и потоки могут быть сдвинуты по фазе на угол, примерно равный 90°, то результирующие тяговые усилия будут постоянными при угле 90° или носить пульсирующий характер. Точка приложения результирующей силы будет перемещаться между осями сердечников с двойной частотой.

На практике вибрация якоря устраняется вторым способом — с помощью короткозамкнутого витка. Короткозамкнутый виток выполняется из меди или латуни и охватывает примерно 70—80% полюса электромагнита (рис. 1.2.3, а). Переменный магнитный поток основной обмотки Ф разветвляется на поток проходящий по неэкранированной части полюса, и поток , проходящий через часть полюса, охватываемую короткозамкнутым витком (экраном).

Упрощенная векторная диаграмма без учета углов потерь в стали для участка магнитопровода с короткозамкнутым витком дана на рис. 1.2.3, б.

На потоки и , которые составляют общий магнитный поток в магнитопроводе, накладывается поток Ф_к, обусловленный потоком, индуцируемым в короткозамкнутом витке. Векторы магнитных потоков частей стержня Ф₁ и Ф₂ сдвинуты по фазе на угол j, и, следовательно, механические силы притяжения, обусловливаемые ими, между якорем и стержнем (ярмом) будут несинхронными.

Рис. 1.2.4. Электромагнит трехфазного тока

Из рис. 1.2.2 следует, что идеально было бы иметь потоки Ф₁ и Ф₂, сдвинутые на 90° и равные по величине (j = 90°, Ф₁ = Ф₂), Но, как видно из векторной диаграммы (рис. 1.2.3), выполнить одновременно эти условия невозможно. При равенстве потоков Ф₁ и Ф₂ угол j = 0, а при j = 90° один из потоков будет стремиться к нулевому значению. При поиске оптимального решения учитывают величину и угол вектора Ф_к, т. е. электрические характеристики короткозамкнутого кольца. В реальных системах угол j составляет 50°—80°. Трехфазные электромагниты. На судах трехфазные электромагниты применяются в механических тормозных устройствах электрических приводов, в грузоподъемных устройствах для удержания грузов на весу и т. д.

Электромагниты трехфазного тока. На рис. 1.2.4 приведена схема электромагнита трехфазного тока. Обмотки питаются от сети трехфазного тока. Трехфазный электромагнит можно рассматривать как три однофазных, токи в которых сдвинуты друг относительно друга на 120°. Такой же сдвиг имеют и потоки. Если амплитуды токов во всех фазах одинаковы, то между якорем и каждым сердечником действуют силы F₁, F₂ и F₃.

Суммарная сила F, действующая на якорь, будет по времени постоянна. Однако точка приложения результирующей силы будет с двойной частотой перемещаться по якорю. Точка приложения суммарной силы будет отстоять от оси крайнего сердечника на расстоянии а /2 тогда, когда в одной из крайних фаз ток пройдет через нуль (точки А и В). Когда ток в средней фазе проходит через нуль, точка приложения суммарной силы расположена на оси среднего сердечника. Следовательно, точка приложения суммарной силы будет перемещаться между точками А и В.

Так как обычно противодействующее усилие действует на якорь в одной точке, а результирующая сила перемещается, то в трехфазном электромагните также может наблюдаться вибрация якоря. Таким образом, у трехфазного электромагнита при включении его в симметричную трехфазную сеть результирующая сила на якоре в 1,5 раза больше максимальной и в 3 раза больше средней силы однофазной магнитной системы. Однако в этом случае и объем железа в 1,5 раза больше, а значит, использование стали магнитопровода в 2 раза меньше, чем у сравниваемого по силе электромагнита постоянного тока.