Методическая разработка Электромагнитные устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методическая разработка

по ОП.03 Электротехника и электроника

на тему

 «Электромагнитные устройства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2021

 

Цель занятия:

1.     Изучить тему Электромагнитные устройства

Время:  2 часа

 

Место: кабинет Электротехники и электроники

 

Учебно - материальное обеспечение:

Плакаты, презентации, лабораторное оборудование.

 

Распределение времени занятия:

Вступительная часть                                                                      5 мин;

Проверка подготовки обучающихся к занятию                             5 мин;

Учебные вопросы занятия                                                              25 мин;

Домашнее задание                                                                         5 мин;

Заключение                                                                                    5 мин.

 

Содержание занятия

 

Вступительная часть

 

–        принять рапорт дежурного по группе;

–        проверить наличие студентов и их готовность к занятию;

–        ответить на вопросы, которые возникли при подготовке к занятию на самостоятельной работе;

–        провести опрос по ранее изученному материалу:

–        Опрос рекомендуется провести устно, задавая вопросы и вызывая одного-двух студентов для ответа,

 

Электрические контакты

Электрические контакты – наиболее ответственные элементы выключателей, кнопок и многих других электрических аппаратов. От работы контактов зависят срок службы и надежность электрического аппарата.

В месте электрических контактов соприкасаются два проводника и возникает переходное сопротивление R_k, которое зависит от:

- размеров,

- материала контактов,

- шероховатости поверхности.

Соприкосновение контактов происходит не по всей поверхности, а по вершинам микронеровностей, которые всегда имеются на поверхности деталей.

Если контакты сильно сжать, то микронеровности сминаются, площадь контакта увеличивается и переходное сопротивление уменьшается.

Обычное переходное сопротивление в новых контактах не должно превышать 0,01...0,02 Ом.

Многие материалы (медь и др.) на воздухе покрываются слоем окиси, которая плохо проводит электрический ток. Контакты, покрытые слоем окиси, могут быть замкнуты, но переходное сопротивление контактной пары будет столь велико, что цепь тока практически окажется разомкнутой.

При нагреве контактов током тепловая мощность, выделяемая в контактной паре, определяется формулой

                                                                                       (5.1)

где I – сила постоянного тока или действующее значение переменного тока, А.

Из (5.1) видно, что чем больше переходное сопротивление, тем больше нагреваются контакты. В критическом случае нагрев бывает так велик, так что может произойти сваривание контактов.

Таким образом, необходимо, чтобы переходное сопротивление контактов было по возможности малым. Для этого подбирают материал, форму контактов и сжимают контакты специальной пружиной.

Наиболее тяжелый режим – размыкание контактов, т.к. при этом между ними возникает электрическая дуга. Дуга продолжает замыкать цепь тока, и оборудование не отключается от сети, что может привести к аварии.

Кроме того, под действием электрической дуги контакты «обгорают» и быстро выходят из строя. Интенсивность дуги и время ее горения зависят от электромагнитной энергии, запасенной в индуктивных элементах электрической цепи. Электрическая дуга между контактами существует до тех пор, пока вся электромагнитная энергия перейдет в тепло.

Чтобы уменьшить дугу, в электрической цепи включают дополнительный резистор. Тогда часть электромагнитной энергии переходит в тепло в этом резисторе и дуга гаснет быстрее. Кроме того, увеличивают расстояние между контактами, а в мощных аппаратах применяют специальные меры дугогашения.

Особенно опасна электрическая дуга в цепях постоянного тока. В цепях синусоидального тока дуга часто гаснет, когда сила тока проходит через ноль. Однако при определенных условиях дуга может вновь загореться в следующий полупериод.

Лучшими проводящими материалами являются серебро, медь, алюминий. Первые два материала применяют и для электрических контактов. Алюминиевые контакты не применяют, т.к. плотная пленка окиси алюминия плохо проводит ток. Наиболее распространенным материалом электрических контактов является медь.

Серебряные контакты применяют в маломощных устройствах. Кроме того, в небольших и ответственных контактных электрических аппаратах используют золото, платину и др. драгоценные металлы.

 

5.3 Электромагниты

Катушка со стальным разомкнутым магнитопроводом (сердечником) образует электромагнит (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3. Схема простейшего электромагнита:

1 – катушка; 2 – магнитопровод; 3 – якорь

 

Ток I в катушке создает магнитный поток Ф магнитопровода. Этот поток замыкается через подвижную часть магнитопровода, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к неподвижной части магнитопровода.

Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от магнитопровода под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.

Якорь электромагнита, изображенного на рисунке 5.3, поворачивается на оси. В этом случае электромагнит называется электромагнитом клапанного типа. Существуют электромагниты прямоходовые (в которых якорь движется поступательно), со сложным движением якоря и др.

Школьный звонок и звонок телефона – это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, муфты и т.д. Точные электромагниты используют в измерительной технике. Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах. Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие электромагниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и др.

Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги F можно определить по формуле Максвелла:

                                               ,                                        (5.2)

где S – площадь поперечного сечения сердечника, точнее площадь полюса, т.е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем;

      – магнитная постоянная, равная

Если площади сечения сердечника и полюса одинаковы, то можно принять, что  и тогда:

                                                                                                   (5.3)

где В – индукция магнитного поля в сердечнике.

Если зазор  между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюсов, то сила тяги электромагнита определяется по формуле

                                               ,                                      (5.4)

где I – сила тока в обмотке электромагнита, А;

N – число витков обмотки.

Из (5.4) следует, что при малых зазорах сила тяги очень велика, но при увеличении зазора сила тяги F электромагнита резко уменьшается.

Для производственных механизмов такая зависимость силы тяги электромагнита и зазора нежелательна, и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы обеспечить постоянство силы тяги при изменении зазора.

Если обмотку электромагнита включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной и будет изменяться в больших пределах, а в момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю, якорь будет то притягиваться, то отпадать. Этот эффект используется в вибраторах.

Так как сила тяги пропорциональна квадрату тока, то частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети.

 

5.4 Контакторы

Простейшие коммутирующие аппараты (выключатели, рубильники и т.д.) обладают одним общим недостатком. Для того чтобы включить или выключить электрическую цепь, надо подойти к выключателю и дотронуться до него рукой. На расстоянии (дистанции) переключить обычный выключатель невозможно. Однако в мощных нагрузках протекают большие токи и имеются большие напряжения, что делает невозможным включение и выключение мощного электрооборудования вручную по соображениям техники безопасности. Кроме того, дистанционное автоматическое выключение необходимо в аварийных ситуациях.

Аппарат, в котором мощные электрические контакты замыкаются электромагнитом, а не вручную, называют контактором.

Схема простейшего контактора изображена на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Схема простейшего контактора 

 

Если в обмотке электромагнита 1 возникнет ток I₁, якорь притянется к сердечнику, стержень 2 переместится вверх и замкнет контакты a-b. Цепь с током I₂ окажется включенной (замкнутой).

Если разорвать цепь с током I₁ электромагнита, то под действием пружины 3 подвижные контакты с – d переместятся вниз и разорвут цепь с током I₂, потребляемого нагрузкой. Включение электромагнита можно производить вручную на большом расстоянии от контактора, т.к. обмотку электромагнита и подводящие провода можно выполнить из тонкого провода (сигнальные провода).

5.5 Электромагнитные реле

В принципе электромагнитное реле работает так же, как и контактор. В этих аппаратах замыкание и размыкание контактов происходит за счет движения якоря электромагнита.

Однако контакты реле рассчитаны на значительно меньшие токи, размеры реле тоже меньше, чем контактора, и применение реле совсем другое (рис. 5.5).

 

Рис. 5.5. Схема реле клапанного типа: 1 – каркас; 2 – обмотка; 3 – ярмо магнитопровода; 4 – выводы обмотки; 5 – контактные пружины; 6 – замыкающий контакт;

7 – размыкающий контакт; 8 – рабочая пружина; 9 – якорь; 10 – сердечник магнитопровода; 11 – полюсный наконечник

 

Реле используют в телефонии, устройствах связи и во всех случаях, когда необходимо коммутировать слаботочные электрические цепи.

На рисунке 5.5 представлено одно такое реле. Оно имеет ферромагнитный сердечник (магнитопровод) 10 с полюсным наконечником 11 и якорь 9. Параллельно сердечнику 10 расположены контакты 6, 7, напаянные на контактные бронзовые пружины 5, которые не только проводят электрический ток, но и возвращают контакты в исходное положение, когда обмотка 2 реле обесточена.

Часто сердечник реле включает постоянный магнит. Такие реле называют поляризованными, они реагируют на направление тока в обмотке.

При одном направлении тока магнитный поток, созданный этим током, и поток постоянного магнита складываются. Реле срабатывает. При другом направлении тока потоки вычитаются, общий магнитный поток уменьшается и реле отпускает.

Поляризованные реле обладают очень большой чувствительностью. Они срабатывают, если ток в обмотке составляет всего 1…2 мА.

Чтобы улучшить работу контактов реле, их помещают в запаянную стеклянную колбочку, из которой выкачан воздух. Такие устройства называют герметизированными контактами – герконами. Схема геркона изображена на рисунке 5.6.

Рис. 5.6. Схема геркона: 1 – обмотка с током; 2 – контакты

 

Контакты геркона 2 выполнены в виде двух плоских стальных пружин. Если колбочку геркона поместить в магнитное поле, созданное постоянным магнитом или обмоткой 1 с током, стальные пружинки намагничиваются и смыкаются, контакты замыкают цепь тока. Если магнитное поле исчезнет, то упругие пружинки возвратятся в исходное положение и цепь тока будет разомкнута. Герконовые реле обладают очень малыми размерами. Кроме того, контакты этих реле не окисляются, имеют большой срок службы и высокую надежность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ТРАНСФОРМАТОРЫ

6.1 Общие сведения

Электрический трансформатор – электромагнитное устройство, преобразующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности.

Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15 кВ, так как на более высокие напряжения конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обеспечения хорошей изоляции обмоток.

В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а значит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач.

Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы, увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач.

В местах потребления электрической энергии, на производстве, в быту и так далее, необходимы понижающие трансформаторы, чтобы иметь напряжения 380, 220, 127 В и менее.

Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99%, и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей.

Электрические трансформаторы – необходимые элементы и в устройствах малой мощности (радиоэлектронных устройствах, компьютерах других).

Изобрел электрический трансформатор в 1876 году П.Н. Яблочков, который в своих работах по электрическому освещению встретился с необходимостью обеспечить автономную работу нескольких светильников разным напряжением от одного генератора.

В 1891 году М.О. Доливо-Добровольским была разработана конструкция первого трехфазного электрического трансформатора, после чинго применение электротрансформаторов стало резко возрастать.

Простейший однофазный электрический трансформатор (рис. 6.1) состоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном магнитопроводе, который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,3...0,5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи (потерь в стали) Р_с.

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети), называется первичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии, – вторичной (выходной).

Рис. 6.1. Схема электрической цепи с трансформатором

   

На щитке электрического трансформатора указываются:

-                    высшее и низшее номинальные напряжения;

-                    номинальная полная мощность , ВА или кВА;

-                    частота f (Гц);

-                    токи в первичной и вторичной () обмотках при номинальной мощности;

-                    коэффициент трансформации К;

-                    число фаз;

-                    схема соединений обмоток («звездой» или «треугольником») в случае трехфазного электрического трансформатора;

-             режим работы (длительный или кратковременный);

-                                                                                                               способ охлаждения (масляный, воздушный).

 

6.2 Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (рис. 6.1).

При подаче от источника электрической энергии напряжения u₁ на первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток i₁, возбуждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁, который, пронизывая витки  первичной обмотки, создает в ней напряжение w₁ в результате явления самоиндукции.

Согласно закону электромагнитной индукции, это напряжение определяется по формуле

                                                                                   (6.1)

где  – производная магнитного потока по времени.

Если ,то

Следовательно

                                                                    (6.2)

где  – амплитуда напряжения самоиндукции в первичной обмотке электрического трансформатора.

Действующее значение напряжения  равно

                                                                          (6.3)

Во вторичной обмотке в результате явления взаимной индукции магнитный поток  создает напряжение , действующее значение которого равно

                                                                               (6.4)

Если к концам вторичной обмотки присоединен приемник электрической энергии  (рис. 6.1), то под действием напряжения  во вторичной обмотке потечет ток i₂, который в свою очередь возбуждает магнитный поток, направленный, согласно закону Ленца, противоположно магнитному потоку.

В итоге результирующий магнитный поток в магнитопроводе

                                                                                             (6.5)

уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения .

Однако напряжение  не может быть меньше определенного значения, определяемого в соответствии со II законом Кирхгофа:

                                                                                    (6.6)

где  – напряжения в первичной обмотке, возникающие в результате наличия резистивного сопротивления и магнитного потока рассеяния в этой обмотке.

Таким образом, ток в первичной обмотке возрастает до такого уровня, при котором результирующий магнитный поток  индуцирует необходимое значение , соответствующее уравнению (6.6) и заданной на грузке.

В установившемся режиме работы электрического трансформатора имеет место соотношение

                                              ,                                       (6.7)

где  – намагничивающая сила первичной обмотки;

 – намагничивающая сила вторичной обмотки;

 – ток холостого хода.

Ток  также называют намагничивающим, так как он определяет значение результирующего магнитного потока .

В связи с вышеизложенным следует, что результирующий (суммарный) магнитный поток в магнитопроводе электрического трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

 

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

-      подвести итоги занятия;

-      напомнить тему, цели и учебные вопросы;

-      объявить оценки;

-      ответить на вопросы;

-      отметить активность и дисциплину на занятии;

-      дать задание на самоподготовку.

 

Список используемой литературы

1.       Славинский, А. К. Электротехника с основами электроники : учебное пособие / А. К. Славинский, И. С. Туревский. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 448 с.

2.       Маркелов, С. Н. Электротехника и электроника : учебное пособие / С.Н. Маркелов, Б.Я. Сазанов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 267 с.