Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   Искать в Школе для электрика:
 
 

 

Справочник электрика / Электротехнические устройства

 

Что такое электрическое демпфирование, демпферные витки и обмотки




Демпфирование — увеличение потерь энергии в системе с целью повышения затухания колебаний в ней.

Механическое демпфирование

Демпфирование применяется в измерительных приборах для уменьшения колебаний указательной стрелки и в других устройствах. Механическое демпфирование осуществляется путем увеличения трения или увеличения сопротивления среды, в которой движется система. Например, к вращающейся системе прибора прикрепляется легкий поршенек, который движется в трубке, замедляя движение подвижной системы.

Электрические аппараты, имеющие подвижные части, всегда имеют в том или ином виде тормозящие устройства, так как движение подвижной части где-то должно быть остановлено и запас кинетической энергии поглощен. Прежде всего во всякой подвижной системе существуют силы трения, всегда направленные против движения.

Электромагнитное реле

Если кинетическая энергия велика, прибегают к специальным тормозящим устройствам, в которых поглощается избыток кинетической энергии. В ряде аппаратов (например в реле) тормозящие устройства предназначены не только для поглощения избытка кинетической энергии подвижных частей (при подходе к уnopу во избежание сильного удара), но и для замедления действии аппарата.

В первом случае, когда тормозящее устройство предназначено только для поглощения избытка кинетической энергии в конце хода, оно обычно носит название буферного устройства и в большинстве случаев к моменту начала работы этого устройства сила, двигающая части аппарата, прекращается. Во втором случае тормозящее устройство действует во время существования движущей силы в аппарате и носит название демпферного.

Демпфирование в электрических аппаратах

Электрическое демпфирование может осуществляться путем взаимодействия между магнитным полем и токами, индуцируемыми в проводниках, движущихся в этом магнитном поле, так как по закону Ленца в этом случае всегда должна возникать сила, препятствующая этому движению. Например, к подвижной системе прибора прикрепляется пластинка из проводящего материала, которая движется между полюсами магнита. При этом в ней возникают вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем тормозит движение системы.

Демпферные витки — витки на магнитопроводе, служащие для демпфирования подвижной части магнитной системы. Например, такие витки из меди устанавливаются на магнитопровод магнитного пускателя или контактора с краев плоскостей соприкосновения якоря и сердечника.

Короткозамкнутый виток на магнитопроводе электричсекого аппарата

Любой электромагнит переменного тока имеет силу тяги, изменяющуюся по времени, причем в моменты прохода магнитного потока через нуль она также равна нулю. Это обстоятельство ведет к тому, что якорь электромагнита не может устойчиво находиться в своем конечном положении, а под действием противоположных сил в области нулевого значения потока якорь и связанные с ним детали стремятся отойти назад.

Быстро возрастающая сила тяти якоря не позволяет оторваться этим деталям от упора на значительное расстояние, но на небольшое расстояние они все же отходят. В результате детали аппарата, прижатые якорем к упору, не находятся в неподвижном положении, а дрожат в такт с силой тяги электромагнита.

Это вызывает дребезжание указанных деталей, расшатывание механизма, износ контактов, прижимаемых электромагнитом, шумы и прочие неприятные последствия. Одной из распространенных мер борьбы против этого явления является применение короткозамкнутой обмотки, охватывающей часть сечении сердечника.

В этом случае часть потока, пронизывающая короткозамкнутую обмотку, не совпадает по фазе с другой частью потока, а следовательно, и нулевое значение силы тяги потоков не совпадают по времени. В результате данный электромагнит переменного тока не будет иметь момента времени, в который его сила тяги равна нулю и указанное дребезжание будет отсутствовать. Обычно число витков, короткозамкнутой обмотки равно единице и ее называют соответственно короткозамкнутый виток.

В некоторых конструкциях электромагнитов постоянного тока на сердечник (или на якорь) накладывают специальную короткозамкнутую обмотку, имеющую малое электрическое сопротивление. Это делается затем, чтобы, замедлить работу электромагнита: при наличии такой обмотки нарастание потока после включения обмотки ил напряжение и слад потока после отключения тока происходит медленнее, чем без такой обмотки.

Влияние такой обмотки будет сказываться не только при неподвижном якоре в процессе неустановившегося процесса потока, но и при движении якоря, когда вследствие изменения воздушного зазора поток в электромагните стремится измениться. Такой физический процесс называется магнитным демпфированием.

Применение дополнительной обмотки для целей демпфирования процессов в электромагните переменного тока не достигает целей и поэтому не используется.

Электромагнитное реле постоянного тока

Магнитное демпфирование часто применяется для замедления срабатывания и отпускания электромагнитных реле и реле времени постоянного тока. При этом происходит замедление нарастания и убывания магнитного потока в сердечнике. Для этого на магнитопроводе реле размещают короткозамкнутые витки. Благодаря этому техническому решению получают выдержку времени от 0,2 до 10 сек. Иногда магнитное демпфирование осуществляют не применением короткозамкнутых витков, а замыканием накоротко рабочей катушки реле.

Электромагнитные реле с магнитным демпфированием

Электромагнитные реле с магнитным демпфированием: а — с медной втулкой; б — с медным кольцом у рабочего зазора.

Существует ряд практических случаев, когда время действия электромагнитов и электромагнитных аппаратов (реле, пускателей, контакторов) нужно иметь как можно меньше. В этом случае наличие короткозамкнутых обмоток, массивных частей магнитопровода, металлических каркасов катушки и короткозамкнутых витков, образованных из крепежных и прочих деталей аппарата, лежащих на пути потока, является недопустимым, так как они будут увеличивать время действия электромагнита.

Демпфирование в электрических машинах

Почти все синхронные двигатели, компенсаторы и преобразователи, а также многие явнополюсные синхронные генераторы снабжаются успокоительными обмотками. В ряде случаев они находят применение из-за влияния на устойчивость системы, но большей частью предназначаются для других целей. Однако вне зависимости от причин применения успокоительных обмоток они в большей или меньшей степени влияют на устойчивость.

Принципиально различаются два типа успокоительных обмоток: полные или замкнутые и неполные или разомкнутые. В обоих случаях обмотка состоит из уложенных в пазах на поверхности полюсов стержней, концы которых на каждой стороне полюса соединены.

В полной успокоительной обмотке концы стержней замыкаются кольцами, соединяющими стержни всех полюсов. В неполной обмотке стержни замыкаются дугами, каждая из которых соединяет стержни только одного полюса. В последнем случае успокоительная обмотка каждого полюса представляет собой независимую цепь.

Полные успокоительные обмотки подобны беличьим клеткам роторов асинхронных машин, за исключением того, что в успокоительных обмотках стержни расположены по окружности ротора неравномерно, так как между полюсами стержней нет. В некоторых конструкциях замыкающие кольца выполняются из отдельных участков, которые соединяются между собой болтами, чтобы облегчить снятие полюсов.

Успокоительные обмотки можно классифицировать по величине их активного сопротивления. Обмотки с малым сопротивлением создают наибольший момент при малых скольжениях, а обмотки с большим сопротивлением - при больших скольжениях. Иногда применяется двойная успокоительная обмотка. Она состоит из обмоток с малым и большим индуктивным сопротивлениями. Двойные успокоительные обмотки применяются для улучшения пусковых характеристик синхронных двигателей и облегчения их входа в синхронизм.

Синхронный генератор на электростанции

Назначение успокоительных обмоток у синхронных машин: 

  • Повышение пускового момента синхронных двигателей, компенсаторов и преобразователей;

  • Предотвращение качаний. Для этих целей успокоительные обмотки были выполнены впервые, и отсюда они получили свое название;

  • Подавление колебаний, возникающих из-за толчков при коротких замыканиях или переключениях;

  • Предотвращения искажения формы кривой напряжения несимметричной нагрузкой, другими словами - подавление высших гармонических составляющих;

  • Уменьшение несимметрии фазных напряжений на выводах при несимметричной нагрузке, т.е. уменьшение напряжения обратной последовательности;

  • Предотвращение перегрева поверхности полюсов однофазных генераторов вихревыми токами;

  • Создание тормозного момента в генераторе при несимметричных коротких замыканиях и уменьшение этим избыточного момента;

  • Создание дополнительного момента при синхронизации генераторов;

  • Снижение скорости восстановления напряжения на контактах выключателей;

  • Уменьшение механических напряжений в изоляции обмотки возбуждения во время бросков тока в цепи якоря.

Генераторы, приводимые во вращение поршневыми первичными двигателями, имеют тенденцию к раскачиванию из-за того, что вращающий момент первичных двигателей пульсирует. Электродвигатели, приводящие во вращение нагрузку с пульсирующим моментом, подобную компрессорам, также имеют тенденцию к качаниям. 

Указанные качания называют "вынужденными качаниями". Могут иметь место и "самопроизвольные качания", возникающие тогда, когда синхронные машины соединены линией, у которой соотношение активного сопротивления к индуктивному велико.

Успокоительные обмотки с малым сопротивлением значительно уменьшают амплитуды как вынужденных, так и самопроизвольных качаний.  

Силовой трансформатор

Влияние успокоительных (демпфирующих обмоток) на устойчивость электрических систем проявляется в том, что они:

  • Создают демпфирующий (асинхронный) момент прямой последовательности;

  • Создают тормозной момент обратной последовательности во время несимметричных коротких замыканий;

  • Изменяя полное сопротивление обратной последовательности, влияют на отдаваемую машиной электрическую мощность прямой последовательности во время несимметричных коротких замыканий.