Динамика электромагнита

Под инерционностью ЭМ понимают запаздывание перемещения якоря по сравнению с изменениями выходного напряжения. Она определяется отставанием изменения тока в обмотке от изменения приложенного к ней напряжения и механической инерции якоря и связанных с ним подвижных частей.

Динамические свойства ЭМ как элемента дискретного действия характеризуется двумя временными параметрами: временем срабатывания t _ср и временем отпускания t _отп.

Время от подачи входного напряжения на зажимы обмотки ЭМ до полного притяжения якоря (d = d_к) называют временем срабатывания - t _ср, а от снятия входного напряжения до возвращения якоря в начальное положение (d = d_н) – временем отпускания - t _отп.

где t _дв, - время движения якоря соответственно от d_н до d_к и наоборот.

Для включения обмотки ЭМ на постоянное напряжение источника справедливо уравнение

.

Так как при срабатывании ЭМ начальный зазор d_н максимален, то до трогания якоря магнитопровод можно считать ненасыщенным и, следовательно, индуктивность обмотки постоянной (L _н = const, где L _н индуктивность при d = d_н.

Тогда , решением которого при скачкообразном ступенчатом увеличении входного напряжения от 0 до U служит выражение

,

где - установившееся значение тока в обмотке; - электромагнитная постоянная времени обмотки при d = d_н.

Ток i в обмотке увеличивается по экспоненте, пока якорь остается неподвижным.

По достижении i = I _тр тяговое усилие становится больше противодействующего и якорь начинается перемещаться

,

где I _тр – минимальный ток, обеспечивающий срабатывание.

С начала движения якоря ток перестает нарастать по экспоненте и начинает падать, так как индуктивность обмотки увеличивается

,

где w - число витков; R _m - магнитное сопротивление.

По окончании движения якоря зазор становится минимальным (d = d_к), а индуктивность – максимальной.

Ток достигает установившегося значения I _уст, нарастая по экспоненте с большей постоянной времени (). При малых скоростях движение якоря ток в катушке может не уменьшаться. При неподвижном якоре нарастание тока происходит по пунктирному участку. Время движения якоря t _дв во многих случаях значительно меньше времени трогания t _тр и часто считается приблизительно постоянным. При таких условиях t _ср зависит в основном от t _тр.

включение

отключение

Возможны два способа отключения реле:

- разрывом цепи обмотки;

- шунтированием обмотки.

В первом случае ток практически мгновенно падает до нуля, тогда t _отп» t _дв, так как .

Во втором случае переходной процесс при отпускании протекает по экспоненте.

За время движения якоря индуктивность обмотки уменьшается от максимума L _к до минимума L _н, вследствие чего ток в это время увеличивается. По окончанию движения ток опять уменьшается по экспоненте, но уже с меньшей, чем до начала движения, постоянной времени Т _эн < Т _эк.

Время движения при отпускании определяется принципиально так же, как и при срабатывании.

Для ЭМ нормального быстродействия значения t _ср и t _отп обычно оказываются равными 0,05-0,15 с. Увеличить или уменьшить их можно конструктивными и схемными способами.

Для получения быстродействующих ЭМ и ЭМ замедленного действия применяют различные конструктивные способы:

- чтобы снизить t _ср и t _отп – уменьшение вихревых токов в магнитопроводе и ход якоря;

- чтобы увеличить t _ср и t _отп – применение электромагнитных, механических, пневматических и гидравлических демпферов, присоединяемых к якорю.

Этими средствами можно снизить t _ср и t _отп до нескольких миллисекунд и увеличить их до десятков секунд.

Электромагнитные демпферы выполняются в виде конструктивных элементов из электропроводящего материала, помещенных в магнитное поле.

Если требуется получить t _ср и t _отп порядка одной или нескольких секунд, то прибегают к экранированию: на сердечник размещают медную втулку, охватывающую все его сечения; возникающий при движении якоря ток экрана затягивает нарастание и спадение потока в магнитопроводе. При спадении потока в к.з. обмотке наводится Э.Д.С. и возникает ток, препятствующий уменьшению потока системы. Выдержка до 10 сек.

Схемы увеличения t _ср

Увеличение активного сопротивления ведет к росту времени трогания, чем оно меньше, тем быстрее срабатывает ЭМ. Ускорить срабатывание ЭМ при неизменных его габаритах можно с помощью схем форсировки.

Схема уменьшения t _ср

В первый момент времени незаряженный конденсатор С уменьшает падение напряжения в резисторе R д, благодаря чему обеспечивается форсировка ЭМ. В установившемся режиме ток в цепи ограничивается резистором R д. Емкость выбирается из условия (Гн / Ом).

Схемы увеличения t _ср за счет большего t¢ _тр

Приведение схемы обеспечивают стабильное снижение t _ср нормальных по быстродействию ЭМ до нескольких миллисекунд или увеличения их t _отп до нескольких секунд.

Основной недостаток электромагнитного демпфера – зависимость выдержки времени от температуры окружающей среды. Изменение температуры окружающей среды на каждые 10⁰С ведет к изменению выдержки времени на 4 %.