Влияние добавочного сопротивления на время трогания двухпозиционного приводного электромагнита с магнитной защелкой вакуумного выключателя среднего напряжения

Електричні машини та апарати

УДК 621.318 Е.И. Байда

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОЧНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВРЕМЯ ТРОГАНИЯ ДВУХПОЗИЦИОННОГО ПРИВОДНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТА С МАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

У статі розглянуто питання впливу додаткового електричного опору на швидкодію двопозиційних електромагнітів постійного струму з магнітною защіпкою.

В статье рассматривается вопрос влияния добавочного сопротивления на быстродействия двухпозиционных электромагнитов постоянного тока с магнитной защелкой.

В настоящее время все более широкое распространение получают принципиально новые конструкции приводных электромагнитных механизмов -электромагнитов с магнитной защелкой. Это стало возможным благодаря появлению нового поколения магнитных материалов - высококоэрцитивных постоянных магнитов из редкоземельных металлов. В таких магнитных системах удержание подвижной части магнитопровода в конечном положении якоря осуществляется за счет магнитного поля постоянного магнита, что приводит к отсутствию потребления электроэнергии из внешней цепи в режиме удержания. Причем электромагнитная сила при достаточно малых конечных зазорах может достигать значительных величин. На сегодняшний день такие электромагнитные системы являются наиболее перспективными, а само их появление кардинально повлияло на конструкцию электрических аппаратов, сделав их более простыми и в тоже время более надежными. Все сказанное в полной мере относится и к приводным электромагнитам вакуумных выключателей среднего напряжения.

Конструкция такого электромагнита вакуумного выключателя фирмы АББ показана на рис. 1.

Катушка

отключения"

Постоянный

магнит

Катушка

включения"

Рис. 1

Постоянные магниты (рис. 1) удерживают якорь в одном из двух устойчивых положений, а переключение положения якоря осуществляется подачей постоянного напряжения на соответствующую катушку.

При проектировании новых электромагнитов такого типа, как правило, стремятся к уменьшению габаритов устройства и снижения трудоемкости изготовления при заданных тяговых параметрах.

Одним из путей достижения этой цели является изменение конструкции электромагнита (рис. 1) на несимметричный электромагнит броневого типа, показанный на рис. 2. На рис. 2 электромагнит показан в положении "отключено" в осесимметричной системе координат. Из рис. 2 видна несимметрия верхнего и нижнего якоря, обеспечивающая требуемые силы в его начальном и конечном положениях. Такой электромагнит установлен в качестве приводного на вакуумном выключателе серии ВБ-4, выпускаемый "АВМ АМПЕР" г. Кременчуг.

тушка отклюиения

Постоянный

магнит

Магнитопровод

атушка

клюмения

Рис. 2

Преимуществом такой конструкции является наличие двух воздушных зазоров, обеспечивающих электромагниту высокое быстродействие и значительное тяговое усилие в конечном положении якоря. Недостатком такого электромагнита являются довольно большие ампервитки включения, определяемые двумя воздушными зазорами. Известно, что

I  w =-

где I - ток; м> - число витков; и - напряжение сети; 8т - сечение медного провода; 4 - средняя длина витка; р - удельное электрическое сопротивление провода.

Питание катушки осуществляется, как правило, либо от автономного источника питания, либо от емкости, либо от комбинации первого и второго источников. Однако, в любом случае, значение напряжения является нормированной величиной и равно (110-220)В постоянного тока. Следовательно, при заданных габаритах магнита повысить ампервитки системы можно только за счет увеличения сечения медного провода, которое, в свою очередь, приведет к существенному увеличению потребляемого тока:

і = -

Р-1в

возможно. Аналогичный результат можно получить в случае снижения питающего напряжения.

Если учесть, что увеличение сечения провода при заданных размерах катушки приводит к уменьшению числа витков, то очевидно, что ток будет значительным. Большие токи катушки ужесточают тепловой режимам работы, осложняют коммутацию цепи схемой управления, а также влияют на работу автономных источников питания.

Одним из возможных вариантов решения проблемы увеличения ампервитков системы при сохранении значения напряжения является подключение к электрической цепи двух катушек [1], что позволяет увеличить ампервитки системы без увеличения напряжения источника и сечения провода.

Целью данной работы было исследование динамики изменения электромагнитной силы во времени, определение времени трогания и динамики электромагнита (рис. 2) при подключении катушек к источнику питания.

Электромагнит (рис. 2) показан в положении "отключено". Значение электромагнитной силы в начальном положении якоря магнитов равно: минус 2100 Н, ав конечном положении - 8700 Н.

Задачу расчета можно сформулировать следующим образом: провести нестационарный расчет электромагнитного поля в нелинейной, неоднородной проводящей среде при подключении катушек электромагнита на постоянное напряжение. Причем, "отключающая" катушка (которая, как правило, не используется при включении) подключалась к напряжению 220 В параллельно "включающей" через изменяемое добавочное сопротивление.

Результаты расчета для электромагнита с неподвижным якорем показаны на рис. 3.

Зависимость времени трогания (нулевое значение электромагнитной силы) от величины добавочного сопротивления показано на рис. 4. а 1000 •

Рис. 4. Зависимость времени трогания от добавочного сопротивления

Такой же эффект наблюдается и для Яа = 15 Ом, но с некоторым запаздыванием. На рис. 5 показаны токи "включающей" (Ток_1) и "отключающей" (Ток_2) катушек при неподвижном якоре в случае Ка = 0 Ом.

Ток 1

І Ток_2

Рис. 5. Токи "включающей" и "отключающей" катушек

Из рис. 5 следует, что появлению "отрицательной" силы (рис. 3) соответствует ток "отключающей" катушки порядка 9 А. С учетом активного сопротивление катушки равного 7,8 Ом для устранения эффекта обратной силы и максимального быстродействия добавочное сопротивление должно быть не менее:

Ка = -7,8 = 16,6 Ом.

а 9

Для окончательного определения параметров электромагнита необходим расчет его динамических характеристик с учетом противодействующих сил.

Результаты такого расчета представлены на последующих рисунках. Так на рис. 6 показаны графики хода якоря в зависимости от времени для разных значений добавочного сопротивления в цепи катушки отключения.

Рис. 3. Зависимость значений электромагнитной силы от добавочного сопротивления

Как следует из рис. 4, время трогания пропорционально величине добавочного сопротивления. Однако выбор небольшого значения добавочного сопротивления может не только не ускорить срабатывание, но и привести к обратному результату. Если по каким-то причинам якорь электромагнита не придет в движение, то через 15 мс электромагнитная сила поменяет знак (рис. 3, Ял = 0 Ом) и движение будет не-

Рис. 6. Зависимость хода якоря от времени

w

Из рис. 6 следует, что минимальное время срабатывания имеет место при добавочном сопротивлении равном 15 Ом.

На рис. 7 показаны зависимости электромагнитной силы от времени.

Рис. 7. Временная зависимость электромагнитной силы

На рис. 8, 9 показаны графики динамики изменения токов во включающей катушке и катушке отключения.

Рис. S. Токи катушек при Rd = 0

Рис. 9. Токи катушек при Яd = 15 Ом

Как следует из рис. 8, 9 максимальные значения тока в процессе движения якоря несколько различны. Поэтому, было проанализировано максимальное суммарное значения тока, потребляемое магнитом в процессе включения в зависимости от величины добавочного сопротивления. На рис. 10 показаны значения токов катушек включения и отключения, а на рис. 11 -суммарный ток, потребляемый магнитом.

Рис. 11. Суммарный ток катушек в зависимости от Rd

Как следует из рис. 10, 11, ток катушки включения изменяется незначительно, а ускоренное срабатывание электромагнита достигается за счет значительного тока отключающей катушки. Суммарный ток, потребляемый магнитом, имеет экстремум в области Rd = З0-ЗЗ Ом и в дальнейшем изменяется незначительно.

Таким образом, ускорить срабатывание электромагнита можно путем увеличения потребляемой мощности (рис. 11). Однако, требуемая энергия, необходимая для срабатывания, не может быть ниже определенного значения.

Снижение энергии возможно только за счет изменения конструкции магнита.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бугайчук В.М., Клименко Б.В., Емельянов В.Л. Обоснование целесообразности совместного использования обмоток включения и отключения бистабильных электромагнитных приводов вакуумных выключателей // Електротехніка і електромеханіка. - 2011. - № З. - С. 21-24.

Bibliography (transliterated): 1. Bugajchuk V.M., Klimenko B.V., Emel'yanov V.L. Obosnovanie celesoobraznosti sovmestnogo is-pol'zovaniya obmotok vklyucheniya i otklyucheniya bistabil'nyh 'elek-tromagnitnyh privodov vakuumnyh vyklyuchatelej // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2011. - № З. - S. 21-24.

Поступила 04.06.2011

БайдаЕвгений Иванович, к.т.н., доц.

Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" кафедра "Электрические аппараты"

61002, Харьков, ул. Фрунзе 21

тел. (057) 707-69-76, e-mail: baida@kpi.kharkov.ua

Bayda E.I.

Influence of additional resistance on pre-start time of two-position electromagnetic drive with magnetic latch for mv vacuum circuit-breaker

The article discusses the influence of additional resistance to the on-off speed of a DC electromagnet with a magnetic latch.

Key words - additional resistance, electromagnet, VCB.

0 20 40 60 80 100

Рис. 10. Токи катушек в зависимости от Rd