Как добиться надежной работы электроустановок - Изменения сил в процессе движения

Силы в процессе движения изменяются. В этом легко убедиться, обратившись к рис. 16,а. Пока катушка не включена, электромагнитные силы равны нулю. Пружина 8 давит на упор 6, пружина 10 — на пружину 9, но давление якоря пружинам не передается. 
При включении катушки в ней по экспоненциальному закону нарастают ток, а вместе с ним магнитодвижущая сила, магнитный поток и, следовательно, сила притяжения якоря к сердечнику. Через несколько миллисекунд она достигает значения, при котором якорь притягивается. В процессе движения якоря зазор между ним и сердечником уменьшается, магнитный поток увеличивается. Однако вступает в действие сначала пружина 9, а затем пружина 8.
При отключении катушки ток спадает тоже по экспоненциальному закону. Через несколько миллисекунд якорь отпускает. Зазор увеличивается и, наконец, магнитный поток снижается до нуля.
Следует подчеркнуть, что силы изменяются не только по значению, но и по направлению, так как якорь при притягивании (отпускании) поворачивается.
Другой пример иллюстрирует рис. 16,в. В процессе притягивания якоря 16 зазор между ним и сердечником уменьшается и, следовательно, сила притяжения возрастает. Но якорь, поворачиваясь вокруг оси О, растягивает пружину 17, из-за чего возрастает также сила, препятствующая движению якоря. Вопрос этот сложен, а нам важно понять, что при несоблюдении условий эксплуатации электрической аппаратуры не исключена взаимная компенсация движущих и противодействующих сил в промежуточном положении механизма В результате он может застрять, не дойдя до нормального рабочего положения, что крайне опасно.
Времена срабатывания и возврата электромеханических устройств являются их важнейшими характеристиками. Эти времена определяются соотношением силы, действующей на подвижную часть (якорь, сердечник, ротор), и ее массы. И действительно, чем подвижная часть массивнее, тем при прочих равных условиях для ее перемещения требуется больше времени. Это наглядно иллюстрирует общеизвестный факт: чем массивней ротор электродвигателя, тем он медленнее разворачивается и медленнее останавливается.
Рассмотрим этот вопрос подробнее, выполнив упражнение 36.
Упражнение 36. Любое электромеханическое устройство (аппарат, прибор, электродвигатель) в общих чертах работает следующим образом. В исходном положении, т.е. еще до включения, его подвижная часть находится в покое. После включения она движется в направлении срабатывания. Затем наступает равновесие. При отключении движение происходит либо в обратном направлении, либо в том же направлении, но с замедлением, вплоть до остановки.
Ответить на вопросы: 1. Чем отличаются движения в устройствах, которые изображены на рис. 16? 2. Когда подвижные части устройств останавливаются сразу, а в каких случаях перед остановкой совершают несколько колебаний? 3. Что означает положение равновесия применительно к ротору электродвигателя? О какой постоянной скорости идет речь? 4. По каким двум причинам время срабатывания (возврата) электромеханического устройства не может равняться нулю? Благодаря каким свойствам полупроводниковые переключатели совершенно безынерционны?
Ответы. 1. Якоря реле (рис. 16,с) и включающего электромагнита привода выключателя (рис. 16,в) поворачиваются вокруг ребра магнитопровода и оси соответственно. Сердечники реле (рис. 16,6) и отключающего электромагнита привода выключателя (рис. 16,в) втягиваются. Стрелка прибора (рис. 16,д) поворачивается вместе с осью в ее опорах.
Якоря, повернувшись, упираются в торцы магнитопроводов и сразу останавливаются. Втягивающиеся сердечники и стрелки прибора могут совершить несколько колебаний вблизи положения равновесия.
Ротор электродвигателя находится в равновесии в двух случаях: когда он неподвижен и когда равномерно вращается, т.е. вращается с неизменяющейся угловой скоростью.
При включении движущая (электромагнитная) сила нарастает не сразу и не сразу спадает при отключении. Эти процессы подчиняются экспоненциальному закону аналогично процессам нагрева и охлаждения (см. выше, рис. 5). Следовательно, для достижения этой силой значения большего, чем сила сопротивления, требуется некоторое время. Оно может быть мало (определяется соотношением параметров цепи - ее индуктивностью, омическим сопротивлением, а иногда и емкостью), но оно всегда есть.
Далее начинается движение. А так как подвижная часть устройства обладает массой, она инерционна, т.е. на ее перемещение тоже необходимо время. При сочетании большой силы с малой массой время мало, но оно всегда есть.
Полупроводниковые приборы безындуктивны, ив них ничего не движется. Поэтому они и электрически, и механически безынерционны.
Заводы-изготовители электрооборудования всегда учитывают соотношения сил и масс, предусматривая достаточные запасы. Запасы необходимы как по усилиям (чтобы механизм не застрял в промежуточном положении), так и по прочности, чтобы предотвратить поломки. Поучительный пример приведен в упражнении 37.
Упражнение 37. В редакцию электротехнического журнала поступила заметка, в которой ее автор рекомендовал распространить свой опыт. Состоял он в следующем: автор, не имея достаточно мощного привода для тяжелого выключателя, взял менее мощный привод, но присоединил к нему еще один такой же электромагнит. Завод—изготовитель приводов (которому заметка была направлена на заключение) категорически запретил ее публикацию и просил редакцию сообщить автору заметки, чтобы он немедленно снял с привода заводскую табличку.
Ответить на вопросы: 1. Чем мотивировал завод свое запрещение?
Почему привод со сдвоенным электромагнитом сразу не сломался?
В чем состоит типичная ошибка автора заметки?
Ответы. 1- В изделиях специализированных заводов прочность всех частей механизмов строго согласована. Поэтому нельзя усиливать электромагнитную часть привода, оставляя без изменений механическую.
Привод сразу не сломался благодаря запасу прочности.
Типичная ошибка состоит в том, что выводы о пригодности изделия в других условиях использования сделаны на основании случайных и недостаточно длительных испытаний. Особенно опасны такие выводы в отношении теплового режима. Так, например, известны случаи, когда, испытывая "чуть-чуть" перегретые изделия в течение двух- трех недель, делают вывод о допустимости такого режима. А в результате через год - полтора наступают массовые повреждения.
Кроме того, всегда учитывают возможные неблагоприятные условия работы. Например, если напряжение понижено, то электромагнит привода "не дотянет", а если повышено, то получится удар: защелка проскочит и не сможет зафиксировать включенное положение выключателя. Эти обстоятельства учитывает конструктор изделия, предусматривая запасы по усилиям; меры, смягчающие удары, и т.п. А эксплуатационный персонал периодически проверяет работу при вероятных отклонениях от нормального режима, например при повышенном и пониженном напряжениях в цепях управления.