机床电器2006.3 讲 座——电磁式接触器(三) 讲 座 电磁式接触器(三) 陈绍魁 (续前) 2.2.2.2.5能量变换机理 研究图53打开的电磁铁。 若在驱动可动衔铁的线圈上施加电压的瞬间到静态时间t.期间, 铁心不饱和,随着电流变化的磁通: =,(i)(图36、40(c)、43的曲线 OZ)实际是线性的,并一直到磁通值 .和电流 .吸合的门槛值。 以 ×dt乘以E=R× +N×d ̄/dt,得到微小能量单元平衡: E×i×dt=R×i ×dt+N×i×d 在表示函数曲线图中=八N×i)上产生N×i×dqb相应的小单元, 如图54中影线面所示。 图53打开的电磁铁 图54 =,(N×i1曲线图 dt期间的所有这些能量单元的和在t.期间建立电流i.和磁通 .,导出关系式: 』 E× ×az=』 R× ×az+』 ,v× ×a 等式的第一部分是电源提供的能量,而第二部分的第一项是在线 圈中的焦耳热损失,最后一项是储藏在电流产生的场中的电磁能量。 f I 三角形面积ODA=l N×i×d 给出了这个能量的大小: =1/2×N×iI× I=1/2×L×i 研究图45的示波图,发现当接触器闭合时磁通变化小。假设变 化为零时, :_厂(N×i)曲线图重画为图55。 磁通在t.和t2时刻之间不变,则有: 』::,v× ×a =。 电源只提供电阻消耗的热能R×i ×(£2一£.),得到的机械功 来 自上述储藏在介质中的电磁能。 T=初始电磁能一最终电磁能 :三角形面积ODA一三角形面积OD A =影线区面积ODD =1/2× I×N×(il—i ) 从而导出在小气隙情况下加在电磁铁可动衔铁上的吸力表达式。 忽略漏磁通.这就是说假设磁通全部穿过长度为 ,截面积为S的 气隙。参看图56,在磁通恒定,力F的单元功使衔铁在磁通中发生小 位移,这是吸收了在体积V=S× 中储存的电磁能 。 dF=F×dx:d 在单位体积dV=S×dx中含有的能量: W =1/2×N×i× 。 一58一 图55变化为0时 图56磁通全部通 =,(N×i)曲线图 过截面积S 或:i=(R× )/』v和R= /( ×s)在磁通 =B宅 t×S,t隙磁阻, 可得:W =1/2×(日 ,(×S× ) 单元体积成正比地含有一能量:dW : ×dx/x 即:F=1/2×(B ×S)/ 如果磁通和其穿过的截面积不论在铁或空气中都是相同的,则有: 日铁二日 气= /S 在这些条件下:F=1/2×(日 ×s) 这即是电磁铁力的表达式,表明在1 T的感应强度接近产生一吸 力为40 N/era 。 在接触器的最小吸合电压下,回收的机械功在图57以画影线的 曲线三角形ODD 表示出来。 对于转动式接触器,单元面积ds对应使衔铁转动--d,角度d 的 功,从角度0位置移动到邻近角度0+d 。在这个间隔,电磁力偶C= dT/dO正比于dS/dO。 如果进行一位移运动从X位置出发,表达式dT=C×dO成为:d =F×dx,力F=dT/dx是dS/dx的函数。 严格讲,应该注意到磁滞损失和磁通变化在铁磁体中的涡流损 失。我们将在后面谈到在交流供电的电磁铁中的这个重要损失。 设想上述的作用门槛值,在明显恒定磁通正常闭合,由恒定电流 i.产生的磁通 I使衔铁移动,人为刹车,太慢(d ̄/dt一0)。参看 图57、58 1” . / //, : : 图57 回收的机械功 图58恒定磁场正常闭合 当单元曲或 移动,从在限位块打开的初始位置出发,穿过的磁 通值 l到 I+d 。当电源提供一能量E×f.×dt,其中一部分R i ×dt足热损失,另一部分N×i,×d 以矩形ADD"A”表示对应一部分 所取得的功,另一部分增加了储存在场中的电磁能dW. 。 如果铁心不饱和对应每个被分割的d 和 位置,曲线 =,(N ×i)在图58上直线OD,OD 。在开始,能量 等于三角形ODA的面 维普资讯 http://www.cqvip.com
讲 座——电磁式接触器(三) 导出:(f—e )/ XS=一et/p,0×S 机床电器2006.3 积,最终能量是三角形OD"A 。 d =面积OD A”一面积ODA=影线三角形面积OD”D=1/2 当et《l时,对于Telemicanique公司起重接触器CC3HA以获得抗 (ADD 面积)=1/2×N×i1×d 剩余磁通确定其安全边界。简图62中电磁铁其特性根据: a.长铁心直径:28 mm,截面S=6.15×10I4 m : =1/2×N×i1×d b.磁力线中线长度:f=0.20 m; 按能量守恒定律能写成: 机械功T=(N× 1×d )一d 两部分能量是相等的。 考虑到闭合磁路不是线性的,在吸合这种特殊情况下所获得的机 c.气隙e 0.75 mm=75×10~m; d.在闭合位置的反力和:3O N: 械功之和,由图59面积S表示。 图60有气隙的磁环体 在被切割的磁路中,磁通变化曲线 =_厂(N× )是对已经打开电 续所作出的,在磁铁上加上磁通环流所需的安匝,例如初始磁化曲 线,这些是穿过气隙et所需要的,是图6l上的直线ON。 图6l初始磁化曲线 如果考虑没有气隙的铁磁环的磁滞回线,用先前的上升和下降两 支的方法画出带有气隙的磁滞环线,当 增加时磁倾角增大。 剩余磁通新值 ,更加弱,由于气隙e 距离大并且铁磁材料的矫 顽磁场H 亦小。气隙起去磁作用。其作用是相等并相对。 为了减少这个剩余磁通,在制造磁路时,使用合金材料如纯铁或 矽钢,它们的矫顽磁场低,经常是近百每米安匝,根据磁通在磁铁件中 穿越的长度设置气隙e ,是为了降低 。通常,保持空气或非磁性材 料的几十毫米,就能保证电器完全断开。 我们应注意到磁通 或 穿过环路不需要任何能量:N×i=0。 如果f是中径周长而s是有气隙e 铁磁环的截面,关系式: N Xi=O= (R铁+R空气) 其中,R铁=(f—e )/( ×S),R空气=et/ 0×S e.所用的钢具有矫顽磁场 一100 A/m而剩余磁感应B 一O.9 T。 图62 CC3HA接触器剩余磁通安全边界 对应于最小保持磁感应是: 3O N=(B ×6.15×10一 )/(2×4 ×10一 )即B=0.35 T 斜率应是: tga=B/H=一(4× ×10一’×0.20)/75×10一 =一3.35×10一 在曲线图63上,曲线B=_厂(H)和气隙的直线ON 画在第二象限坐 标轴B(+),H(一),它们相交于G点坐标:HG一一100 A/m,B 一+ 0.033 T。这个剩余磁感应产生的吸力:F=(0.033 ×6.15×10I4)/2 ×4× ×10-。=0.266 N,比被电器弹簧加的机械反力小l 200倍。 / +O.3jT , =~ B ≈十O 033 图63 B=,(H)曲线 2.2.2.2.7没有减少消耗的直流供电电磁铁功能界限范围 a.吸合 根据法国标准NF C63一llO:“…接触器应该保证对电磁铁的所有 供电电压包括额定电压值的85%和I10%之间并在环境温度(一5℃ 一+4o℃)它应该可靠吸合,在主触头接触瞬间没有明显地减慢,也 就是线圈电压每秒按0.2 U 突然或有规律的变化,这里应是经长时期 的在 电压下连续加热之后温度达到稳定…”。 对于确定电气绝缘材料耐热特性指南,国际电工委员会出版物 216,法国标准NF C63一llO的参照执行,明确了根据性质或绕制线圈 使用导线的绝缘等级不能超过的最大温升。这些发热是从2O℃开 始,连续工作20 000/b时温升在指定的极限范围。参看表l。 表l绝缘等级 绝缘材料等级 发热极限温度(用电阻变化测量温度) A 85℃ E l00℃ B l10℃ F l35℃ H l60℃ 注:我国执行的“低压开关设备和控制设备”标准“总则“GB/T 14048.1 —59— 维普资讯 http://www.cqvip.com
机床电器2006.3 2000和“低压电磁式接触器和电动机起动器”GB14048.4—93与上述标准规定 相同。 讲 座——电磁式接触器(三) 当电流增大和电压 升高,以简单的辅助触头方法插入经济电 阻变得困难。当这种情况下使用专门的极称为接触断路器,正常情况 电磁铁的线圈在环境温度(例如+6o℃工作条件下),在小起动 在断开位置是闭合的,其具有磁吹和断口小室。 这种电器,一般是大规格的,在空载时执行关合电热感应炉。它 经常包括大量的触头,为了克服合阻力,它应该在线圈中接人大的安 匝数,这安匝借助接触断路器可很容易地降低消耗。 b.释放 器中能承受而不损害其可靠性,并能承受当电网突然出现电压1.1 x 时瞬间波动。 在制造线圈时,经常使用B级漆包线其承受110℃温升。如果, 线圈承受130℃其电阻JR130,在额定电压下连续稳定供电,在0.85× 接触器需要的激磁: ,v×(0.85×U )/Rl30安匝。 如同我们先前的方法,相应在 电压下闭合,接下来是以逐步降 低供电电压获得释放。 当电器闭合,减小电流, =U /(R+JR ),磁铁不饱和。这点的位 通常,电器在工厂调整时,使用的是环境的年平均温度2O℃,线 圈的电阻是R20<Rl30。吸合相应的安匝数应该在电压 ×U <0.85 u 下进行,这就有: ,v×( ×U )/Rzo=,v×(0.85×U )/R 即: =0.85×JR20/JR130 或:R2o/Rl30=(1+20× )/(1+130× ), 关系式中 是铜电阻率随温度变化的系数,应为:1/234(标准 值)。这里:R ̄/R130一O.7而 一O.6。 b.释放 接触器在电压0.75~0.10 U 之间供电电压以每秒0.2 U 有规 律下降时应可靠断开,在主触头明显分开的中间位置没有停顿。在一 般规律下,这个电压突然消失切断电路使电器确切打开。 考虑磁滞回环,为了降低磁通到保持门槛值以下,应该大大减少 电压,它的值基本取决于磁性倾斜角,即抗剩磁气隙和气隙尺寸应适 当选择Ud/>0.1U 。 当释放移动时线圈本身的电感L减少,使电流轻微的升高。 c.确定额定电压 对于一个电磁铁在相同的骨架上绕两个线圈,它们具有同样的铜 截面Js和同样线圈导线中径长度z,但有不同匝数Ⅳ1,Ⅳ2和动态截面 Js1,Js2的,vI×S1=,v2×S2,只是选择导线直径确定供电电压 。 实际上,如果发热极限和吸收的最大功率相等, P= /R有:R=(P×z×4)/( ×d ), 这里U =2/d x(p x xP/啊)Ⅳ 在这些条件下,安匝数不取决于,v和d。 考虑以铁代铜是可能的,以延长线圈长度使线匝分布在两个铁心 上,这样安排增加了线圈的散热面积和降低了线圈的温升。 2.2.2.2.8具有减少消耗的供电 a.吸合 在接触器闭合的短时间内,允许短暂地增加激磁电流密度。电磁 铁体积减少,能提供较大机械功。从Ⅳ1和Ⅳ2匝数的两个线圈的例子 中,它们用的线径为dI和d2,d2= ×d1。铜截面是恒定的,能写成: ,vI×(霄×d})/4=,v2×(竹×di)/4 即:d /d =Ⅳ1/N2= 。 它们的电阻各自为: R1=(p×,vl×z x4)/(竹×d ),R2=(p×,v2×z×4)/(竹×d )比 例是:JR2/R1=(Ⅳ2×d )/(Ⅳl×d;)=f/ 安匝数比:(Ⅳ2×U /R2)/(Ⅳ1×U /R1)=(,v2/N1)/(RI/Rz)的 变化为 ,而产生的电磁力变化为 。 同样:对于d2=1.2d1,电磁力的增加按1.2 2。 置取决于JR :, d/lr=Ud/U >0.1,选择JR 是JR的函数,有:Ud O.3和 0.4×U 。 2.2.2.3交流电磁铁 根据形状也存在几种形式,以磁路分有两分支或三分支,以衔铁 分有插入式或不在线圈内的,而根据移动性质分转动或直线运动。 在三分支路这一型式,图64是第一种模式,转动式,图65是第二 种模式插入式,直线运动。 盈 图64转动式 图65插入式 静铁心和衔铁是由迭片组成,这就是说由薄的矽钢片构成,一片 与另一片绝缘并以铆的方式装配,这方式在磁铁零件穿过交流磁通时 减少涡流。 如同直流电流逐步增加电压时,由环流磁通产生的电动力偶或 力,稍微超过被反力弹簧产生的力偶或力,衔铁被吸动。 2.2.2.3.1 回顾交流电流可变形磁路的功能原理概念 给线圈供电,单相交流电压 在线圈中被电阻压降足×f和感抗压 降L×甜×i平衡:U=R×i+L×∞×i,在这个表达式∞=2× xf(频 率)是电流角频率,L×∞是电抗,z= JR +L ×∞ 是线圈的阻抗。 打开磁路,回顾关系式 =,( )是线性并且电感L是常数。由于 L×∞和z也是常数,而电流,=U/Z与电压成正比,相位几乎相同。 在电磁铁闭合时就不相同。电感L连续变化,这样L×∞是磁铁的函 数,参看图38(b)不能简单地解先前的向量方程。如果电压是正弦 波.电流则不是正弦波。 研究两分支磁路情况,从断开位置移动(如图66所示),在这里磁 通 穿过的截面Js是恒定的。 在铁心中的磁感应中线 图66从断开位置移动 R=JR铁+JR空气= ( ×Js)+(2×c)/( ×Js)≈(2×c)/( × 维普资讯 http://www.cqvip.com
讲 座——电磁式接触器(三) 时间原点。 机床电器2006.3 S),L=,vz/R一(,vz XS X )/(2 X c) 在这个情况下,磁阻R大,£,L X∞和z小。吸合电流大。 在闭合运动时,项(2 X c)/( XS)和磁阻降低。£和z增加其结 果使电流减小,铁心处于饱和,。 这时加入安匝数的特性,在需要的时刻产生很多安匝数,而在电 器吸合后自动减少安匝数,能满足这个的功能是接触器电磁铁供电模 式的主要优势。 根据磁路的形状,吸合电流高于降低电流的6~l2倍。表明在闭 对于西=o或西=1r其不对称值为最大。 表2 tm的精确值 cos击 0 0.1 0.2 0.3 0.4 击2 90 84 78 72 66 k 2 1.735 1.543 1.398 1.286 tm(ms) 10 9. 44 9.O0o 8.621 8.279 合运动时电流随时间的变化而变化。 2.2.2.3.2在电感恒定的线圈中建立交流正弦电流 如同直流,正弦电压“= 有效值sin( )的电源,每个瞬间由电阻 压降尉和变化磁通批p产生的电势平衡: u= c,有效值。in(∞£)=Ri+』v×dq ̄/dt, 这里:,v X =L Xi 或u=√_2u有效值。in(∞£)=Ri+L×d//dt 研究线圈供电电路以偶然的方式闭合,在这个瞬间,电压的值不 象直流时与时间无关,而它是交变的与时间有关。 假定t。是电压过零的时刻,上述过零瞬间作为起始,相应的电角 表达式为: = 0。 等式成为:√芝u有效值。in[(∞×£)+ ]=R×i+L×di/dt . 以系数R和£为常数,解这个一阶微分方程,建立起电流过渡状 态时的表达式: =√ u有效值/Zt sin( ̄+ 一 )一e一 ]sin( ̄0一 )] 这里e=2.71828…是自然对数的底数,电流移相角由相对于永久 状态电压的相位移角度,这里:tg4,=L X R。曲线u=,(t)和 _厂 (t),其对应于任意初始相角t。。 合成电流是两个电流迭加。电流能瞬间环流,对称正弦电流: 。= 效值 sin( + 一 )相对应过渡现象消失后建立起的状态,而 非周期电流:i2= 有效值/ge一 sin( 一 )随时间以自然对数衰减 其初始幅值: u有效值/zsin( 一 )取决于电压加上瞬间,也取决于移 相角西。 关系式i=i。+i2表明在线圈中不能瞬间建立起电流,因为i=0 即 l=一i2。 以一个线圈为例,其电阻R=102 n,电感L=l H,非周期电流减 少的时间常数T,在时间常数末端电流是等于eI1即0.376倍初始值: √2u有效值/zsin( 一 ),当T=L/R=1/102,T≈9.8 ms 在这些条件下:tg西=£X R—O.3,则西 72。。 对于t=O有."fOeOS( ~ )=一R/Lsin( 一 ) 即:I ̄o/R=一sin( 一4 ̄)/cos( 一 ):一tg( 一 )=tg4, 这个等式被证实当:( 一 )=一 和( 一 )=(1r一 )。 和t。 值分别是:[ =0,to=O],[ =1r,to=T/2]。 是周期:T=2 ∞。 如果线圈在这个瞬间被加上电压吸收电流,通过一最大值的 (,m) 即幅值,表达成相角 的函数而最大的电流iI:,I = £,有效值/ g=4 ̄-Il有效值,这些精确值在表2中指出。 例如对于co郇=0.3,电流(,m) 几乎达到对称有效值的两倍 ,l有效值:(, ) =1.398× 效值=1.977;8.621 m8电压过零以后取 0.5 60 1.197 7.956 0.6 53 1.127 7.635 0.7 45 1.072 7.296 0.8 36 1.032 6.9O7 0.9 25 1.o()6 6.390 1 0 1 5 方程 _厂(t)的导数可写成: di/dt=√乏u有教值/z×∞×[c0s(‘ )+ 一 +R/(£×∞)×e一肜 X sin X( 一 )] 对于t=0和 =0;或t=0和 =1r,事实上: cos(一 )+R/(L X∞)X sin(一 )=c0s 一sin4 tg =0 CO8(1r一 )+R/(L X∞)X sin(1r一 )=一eos4 ̄+sin /tg咖=0 当电源电压过零后,在时间末端t。: 给线圈供电,这就是说 对于 : ,电流il是零,非周期状态不存在。电流i=,(t)建立起来, 从这点出发,按对称正弦: i=i1= 有效值/zsin ,在这个情况下非正弦是零。 电流、电压、频率、磁通等等,在电路闭合和断开时,对暂态在电网 的作用(特别是包括有通信的电器)很有研究价值。我们将经常研究 它们对接触器特性的影响。 2.2.2.3.3交流供电电磁铁的功能 当一接触器电磁铁在释放位置,线圈的电感是常数而磁通正比于 电流,瞬时电流值如果有,非对称比没有非对称高得多。表达式: F=1/2 X(B XS)/ =1/2 X∥/( XS)=k X12 动衔铁所受的吸引力随电流的增加而增加很快。 闭合时间是变化的,而吸合则不一样,根据在线圈上加电压的偶 然时刻。当非对称量增加,时间减少。应注意,由于流过的这个电流 引起焦耳效应损失较大,如果磁路不闭合就会引起线圈很快损坏。 还要注意,装有交流电磁铁的接触器,在 电压下平均闭合时间, 比同样的电器装备没有降低消耗的直流电磁铁相对要短。由于电网频 率制约,磁路中建立交变磁通,几个毫秒就足够了。而直流磁通为了达 到吸合门槛磁通 ,经常需几十毫秒, 1是按着时间常数r=L/R的指 数曲线变化, 。正比于尺寸平方,随电器的尺寸增长而增加很快。 125 A接触器吸合时间,测量时是在线圈的电压瞬间到主触头接 触之间,在额定电压u 下大约30 m8,而在直流达120 m8。在规格增 大它们之间的差增加,例如,500 A接触器,上述值分别增加到75 m8 和250 m8。 正常情况下长距离供电,要求给线圈供电的导线有足够的截面 积,以便减少线上压降,使吸合电流通过。 制造者在他们的样本或资料中指明电磁铁打开和闭合吸收的伏 安。这些信息允许在已知的电压条件下,确定线圈的电流,并根据它 们控制电源的距离,合理地选择导线的直径。 (未完待续) 一6】一
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