Повышенная против нормы плотность тока опасна. Поясним суть дела следующим примером. Пусть через последовательно соединенные три куска провода одинаковой длины, но с разными сечениями 10,4 и 1 мм* проходит ток I = 40 А. Из-за разных сечений плотности тока J ~ I/S различны; они составляют соответственно 4, 10 и 40 А/мм2. А как видно из формулы Р = JI, потери мощности Р пропорциональны плотностям тока. В нашем примере они относятся как 1: 2,5: 10. Иными словами, провод сечением 10 мм2 слегка нагреется. Температура провода сечением 4 мм2 достигнет допустимой, примерно 60 С. Изоляция провода сечением 1 мм2 просто сгорит.
Естественно возникают вопросы: а) применяют ли преднамеренно повышенные плотности тока, а если применяют, то с какой целью? б) какие необходимы меры, чтобы повышенная плотность тока не оказалась гибельной для изоляции? в) есть ли непредвиденные причины повышения плотности тока?
*Для установочных проводов в каталогах приводят сечения в квадратных миллиметрах, а для обмоточных проводов - диаметры в миллиметрах. Сечение и диаметр связаны соотношением 5= nd2/4.
Плотность тока преднамеренно повышают, чтобы уменьшить размеры изделий, в которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую. Такими изделиями являются электромагниты и электродвигатели. Магнитный поток1 - важнейший параметр, определяющий их работу, пропорционален магнитодвижущей силе (МДС). Но значение МДС равно произведению числа витков электромагнита на силу тока, проходящего через его обмотку. Следовательно, одну и ту же МДС можно получить при разных сочетаниях числа витков и силы тока, например 500 витков и 2 А; 200 витков и 5 А; 10 витков и 100 А и т.д.
Отсюда следует важный вывод: уменьшить размеры электромагнита можно, уменьшив число его витков при том же сечении обмоточного провода2. Но в этом случае во столько же раз придется увеличить ток. При большем токе и том же сечении плотность тока увеличивается, в чем легко убедиться, выполнив упражнение 16.
Упражнение 16. Электромагнит может быть включен неограниченно долго, не перегреваясь, при следующих данных: сечение обмоточного провода 0,5 мм (диаметр приблизительно 0,65 мм), число витков k>i =800, сила тока 1\ = 1,5 А. При этих условиях МДС равна 800- 1,5 = 1200 А, а плотность тока = 1,5 : 0,5 = 3 А/мм2. Допустим далее, что электромагнит включают редко, кратковременно и перерывы между включениями достаточны для остывания обмотки. Значит, плотность тока можно повысить например в 5 раз и, уменьшив число витков, соответственно уменьшить размеры электромагнита.
Ответить на вопросы: 1. Сколько витков w2 должен иметь данный электромагнит? 2. Может ли упражнение 1 служить иллюстрацией рассматриваемого вопроса?
Ответы. 1. По условию Ji = 5-Л = 5-3 = 15 А/мм . Сила тока /, плотность тока J и сечение S связаны зависимостью J = I/S, откуда I = JS. В нашем случае /2 = J^S = 15 * 0,5 = 7,5 А. По условию МДС = = 1200 А должна остаться неизменной. Поэтому, деля 1200 А на 7,5 А, получаем 160 витков. Ясно, что обмотка из 160 витков значительно компактнее.
2. Безусловно.
Чтобы при повышенной плотности тока изделие не перегрелось, нужно либо использовать его в условиях редких и кратковременных включений, либо отключать, как только температура изоляции, повышаясь, достигнет допустимой, а перед следующим включением выдержать паузу.
Выполнение этих условий определяется указываемой в паспорте изделия относительной продолжительностью включения ПВ:
где tp - время работы; t0 - продолжительность паузы (отключения); tц — время цикла, т.е. сумма времен работы и паузы.
Если в каком-нибудь случае дано только /р (не известно t0)> то время цикла принимают /ц = 10 мин. Выполняя упражнение 17, рассмотрим два типичных случая и оценим их результаты.
Упражнение 17. С л у ч а й А. Пусть tp = 2 мин, /с = 6 мин. Тогда /ц = 2 + 6 = 8 мин, а ПВ = 2 : 8* 100% = 25%. Случай Б. Пусть /р = = 2 мин, Гц = 10мин, ПВ =2 : 10*100% = 20%.
Сравнивая оба случая, видим, что при полной определенности (случай А), когда известны tp и /0, значение ПВ получилось большим, чем в случае Б.
Ответить на вопросы: 1. Не опасно ли использовать результаты случая Б? 2. В условиях эксплуатации фактическое ПВ, например 40%, больше паспортного, например 25%. К каким последствиям приведет превышение ПВ и когда они обнаружатся? 3. Допустимо пи применять изделие,
если паспортное ПВ, например 60%, больше фактического, например 25%? 4. На изделии ПВ вообще не обозначено, есть ли в этом какой-либо смысл или это просто недосмотр, ошибка?
Ответы. 1. Меньшее значение ПВ обязывает применять изделие в более благоприятных условиях и, следовательно, не опасно.
Если фактическое ПВ больше паспортного, то срок службы изделия сократится. Но обнаружится ошибка не сразу, а, может быть, через несколько лет.
Допустимо, но неэкономично.
Если ПВ не обозначено, значит, изделие рассчитано на длительный режим.
Аппараты с повышенной плотностью тока защищают от недопустимо длительного включения. Во-первых, нх автоматически отключают, как только дело сделано. Так, например, включающий электромагнит привода масляного включателя автоматически отключается после завершения его включения вспомогательными контактами (блок-контактами). Во-вторых, предусматривают защиту, ограничивающую длительность включения. Распространенный способ ограничения длительности включения рассмотрен выше, в упражнении 1.
Повышение плотности тока - это перегрузка. Но бывают неизбежные перегрузки, например перегрузка пусковыми токами электродвигателей. Однако они не опасны, если двигатели выбраны правильно, т.е. исходя из реальных условий эксплуатации (см. ниже о номинальных режимах электродвигателей). Однако не исключены перегрузки непредвиденные. Рассмотрим примеры.
В жилых зданиях ничто не препятствует жильцам пользоваться более мощными лампами или включать бытовые электроприборы мощностью большей, чем та, на которую рассчитана сеть, — такой случай и меры, предотвращающие перегрузку, рассмотрены выше, в упражнении 10.
Неудовлетворительное состояние приводимых механизмов: перекосы, плохая центровка, неправильные зазоры, неудовлетворительная смазка и т.п. — вызывает тяжелые и затяжные пуски, которые всегда связаны со значительными токовыми перегрузками. Они нередко приводят к преждевременному повреждению двигателей.
Причины сгорания двигателей ищут в чем угодно, только не в механической части. Достаточно, однако, измерить ток ненагруженного двигателя, и если окажется, что он слишком велик, значит, нужно привести в порядок механическую часть. К сожалению, электрики часто недооценивают необходимости тщательного содержания механической части не только приводимого технологического механизма, но и электрического оборудования.
