Разряд конденсаторов на электромагнитные аппараты

Существующие методы расчета втягивающего усилия реле или электромагнита основаны на предположении, что напряжение, подаваемое на реле или электромагнит, неизменно. Расчет проводится обычно графически по известным характеристикам намагничивания магнитной системы при начальном и конечном положении якоря. Для определенных конфигураций магнитопроводов реле и электромагнитов имеются полуэмпирические расчетные формулы. Расчет разряда конденсатора на электромагнит или реле был бы аналогичным, если в течение времени работы электромагнита напряжение на конденсаторе существенно не изменялось. Однако на практике это условие неосуществимо, так как потребовалась бы слишком большая емкость конденсаторной батареи.
Опыт показывает, что емкость конденсатора, разряжаемого, например, на электромагнит отключения электромагнитных приводов выключателей, должна составлять сотни микрофарад при условии, что в конце хода якоря электромагнита конденсатор оказывается практически разряженным. В этих условиях особенно важно выбрать оптимальный режим разряда конденсатора на электромагнит или реле.
Необходимым условием срабатывания реле или электромагнита при разряде на них конденсатора является превышение энергией, запасенной в последнем, значения, требуемого для срабатывания реле или электромагнита. Чем это превышение будет меньше, тем более высок КПД всей системы разряда. Известно, что энергия, запасенная в конденсаторе, пропорциональна его емкости и квадрату напряжения заряда. При разряде на электромагнит возникает переходный процесс, периодический или апериодический, причем исследования показали, что система с апериодическим переходным процессом является неэкономичной. При малой емкости конденсатора и большом напряжении заряда частота периодического переходного процесса велика, а следовательно, велики потери в стали сердечника и меди катушки. Это приводит к быстрому затуханию разрядного тока. С другой стороны, если напряжение заряда меньше, чем напряжение срабатывания электромагнита, то увеличение емкости, т. е. увеличение запасенной энергии, не дает никаких результатов. Следовательно, имеются некоторые оптимальные параметры системы разряда, при которой запасенная в конденсаторе энергия минимальна. В [2] описан один из наиболее простых методов выбора оптимальной емкости конденсаторов на основании серии опытов их разряда на катушку исследуемого электромагнита с произвольным числом витков w. В каждом опыте подсчитывается значение CU2, соответствующее срабатыванию электромагнита, и затем находится минимальное из таких произведений (C£/2)min.
Поскольку напряжение заряда можно считать известным и равным Uуз , то, учитывая коэффициент запаса газа, можно найти значение U в реальных условиях:
Для того чтобы сохранить характер разряда, необходимо изменить и число витков электромагнита так, чтобы его индуктивность также изменилась пропорционально квадрату изменения напряжения. Это достигается при выборе оптимального числа витков w0m.
Заполнение окна катушки с измененным числом витков должно сохраниться таким же, как у исходной катушки.
В [2] были предложены математическая модель процесса разряда конденсатора на электромагнит, учитывающая динамику движения якоря, и метод решения полученной системы уравнений с применением аппроксимации некоторых нелинейных коэффициентов. Для коррекции результатов расчета аналогичная математическая модель была составлена для режима подачи напряжения постоянного тока, т. е. для режима, который для электромагнита является нормальным. Поскольку аппроксимация нелинейностей в обеих моделях одинакова, то можно предположить с определенной степенью достоверности, что погрешности расчета будут примерно одного порядка. В качестве расчетной была выбрана скорость движения якоря электромагнита или реле в момент удара по защелке или касания контактов, т. е. кинетическая энергия якоря в момент завершения его холостого пробега.
Наиболее энергоемкими аппаратами, на которые осуществляется разряд конденсаторов, являются электромагниты отключения приводов выключателей и отделителей. Поэтому метод иллюстрируется на примере таких электромагнитов.
Конструкция электромагнита приведена на рис. 28, а. Электромагнит отключения имеет якорь 1 с плоским концом, который при подаче тока на катушку 2 притягивается к упору 3, также имеющему плоский конец. Боек 4 якоря ударяет по защелке 5 привода.
Если обозначить через х расстояние между якорем и упором и учесть, что направление ускорения силы тяжести g совпадает с направлением увеличения х, а ускорение а, определяемое электромагнитным усилием, направлено в сторону уменьшения х, то уравнение движения будет иметь вид (приращение при втягивании якоря отрицательно): где F(x) — мгновенное значение усилия, определяемого током в электромагните; т — масса якоря; g — ускорение силы тяжести.

Решение системы уравнений (68) и (73) позволяет получить все данные о движении якоря электромагнита при разряде конденсатора на его катушку. Необходимо отметить, что расчет позволяет найти переходный процесс, который обеспечивает такую же скорость якоря при ударе по защелке, как при подаче постоянного напряжения. Этот процесс, однако, нельзя считать полностью эквивалентным с точки зрения дальнейшей динамики движения системы. Так, скорость якоря при разряде конденсатора может отличаться после удара по рычагу от скорости якоря при подаче постоянного напряжения. Но это уже не может повлиять на работу механизма свободного расцепления привода, хотя и может вызвать, например, более сильный удар по упору в конце хода якоря.
Решение систем уравнений (68) и (72), (68) и (73) было проведено с использованием ЭВМ. В программу решения был заложен алгоритм оптимизации полученного решения и выбора оптимальной емкости батареи конденсаторов при заданном напряжении заряда в соответствии с (58)—(60).
С этой целью сначала определялась скорость v при подаче номинального постоянного напряжения на электромагнит с катушкой, имеющей число витков ну, а затем для ряда значений емкости конденсаторов С определялось напряжение U, при котором достигалась такая же скорость якоря. Для каждого случая вычислялось значение CU2, пропорциональное энергии, запасенной в конденсаторе, и выбирались те значения С и U, при которых эта энергия минимальна.
Расчет, проведенный на ЭВМ, показал хорошее совпадение с опытными данными. Был рассчитан переходный процесс при подаче напряжения на релейный электромагнит отключения привода ПП-67. Расчетная скорость якоря при ударе по рычагу составляла при подаче минимального напряжения постоянного тока примерно 1 м/с.
С точностью до 20—25 % совпали результаты расчета для электромагнитов отключения приводов ПС-10, ШПЭ-11 и ШПС-30 (в сторону некоторого занижения значения емкости конденсаторной батареи). Поэтому в результаты расчета необходимо вводить коэффициент запаса около 1,2—1,25.
На рис. 29 показаны кривые изменения токов i и напряжений и на электромагните при включении его на источник постоянного тока и заряженные конденсаторы разной емкости. Точка перегиба А кривой тока соответствует удару бойка об упор. Удар бойка по защелке происходит несколько ранее. При расчете на ЭВМ полученные данные хорошо совпали с кривыми, приведенными на рис. 29.