ELECTROMAGNETUL DE CURENT ALTERNATIV MONOFAZAT CU SPIRA IN SCURTCIRCUIT

ELECTROMAGNETUL DE CURENT ALTERNATIV MONOFAZAT

CU SPIRA IN SCURTCIRCUIT

1. Tematica lucrarii

1.1. Constructia electromagnetului de curent alternativ.

1.2. Masurarea fluxurilor magnetice in ariile ecranata, neecranata si a fluxului total.

1.3. Calculul fortelor dezvoltate de electromagnet.

1.4. Influenta spirei in scurtcircuit asupra repartitiei fluxurilor.

1.5. Determinarea curentului absorbit in functie de tensiunea de alimentare.

2. Schema electrica

Pentru alimentarea bobinei electromagnetului se va folosi montajul din figura 2 in care:

- P - pupitru de alimentare din laborator.

- V1 - voltmetru 0-250 V, clasa 0,5;

- A - ampermetru 1A;

- Bob_EM - bobina electromagnetului;

- b₁, b₂, b₃ - bobine sonda cu numarul de spire n = 10 spire.

Pentru inregistrarea fluxurilor se va folosi un dispozitiv electronic conceput special in acest scop. Acest dispozitiv foloseste integratoare active si un circuit de intarziere cu 90 de grade electrice (CD), necesar unei masuratori corecte.

Schema bloc a dispozitivului electronic este prezentata in figura 3 iar schita panoului este prezentata in figura 4 in care s-a notat cu:

- U_A - semnal de tensiune de intrare primit de la una din bobinele sonda, b₁, b₂, b₃, pentru masurarea unuia din fluxurile F_A1 F_A2 sau F

- AI₁ - amplificator de intrare;

- AI₂ - amplificator necesar amplificarii semnalului pentru circuitul de comanda, C.C.;

- IC - integrator comandat. (Intreruptorul ideal care comanda condensatorul din reactia integratorului comandat s-a realizat cu un tranzistor cu efect de camp (BFW11);

- DF - detector fereastra (dublu);

- CD - circuit de intarziere (decalare), realizat din doua circuite basculante monostabile bE 555, (CMB₁, CMB₂);

- CC - circuit de comanda a integratorului comandat IC.

3. Modul de lucru

3.1. Electromagnetul de studiat este un electromagnet de tip U, folosit la contactorul de tip TCA 200A, avand bobina realizata pe ambele coloane (figura 1). Polii sunt prevazuti cu spire in scurtcircuit (ecran) SE, identice.

Pentru masurarea fluxurilor s-au executat bobine sonda identice, cu n = 10 spire, dupa cum urmeaza:

b₁ - pentru aria neecranata A₁ (divizata in doua parti

egale);

b₂ - pentru aria ecranata A₂;

b₃ - pentru aria totala, respectiv fluxul total.

3.2. Masurarea fluxurilor se efectueaza pentru o tensiune mai redusa decat tensiunea nominala de 220V, pentru a ne mentine in zona liniara, nesaturata, iar forma fluxurilor sa se mentina sinusoidala. Masuratorile se vor efectua pentru o tensiune cuprinsa intre 70V si 100V.

Pentru ridicarea caracteristicii I = f(U), se vor efectua masuratori pentru valori ale tensiunii cuprinse intre 0 si 220V.

Bobinele sonda furnizeaza un semnal proportional cu derivata fluxurilor. Acest semnal este mai intai amplificat cu ajutorul amplificatorului AI₁, iar apoi integrat cu ajutorul integratorului activ, comandat IC.

Masuratoarea propriu-zisa se efectueaza racordand iesirile de le bobinele la intrarile (INPUT) dispozitivului de masurare a fluxurilor (figura 3), iar inregistrarea fluxurilor obtinute la iesirile (OUTPUT) dispozitivului se va efectua cu ajutorul unui osciloscop cu doua spoturi.

Tensiunea la iesirea unui integrator este data de relatia:

(1)

unde: F - fluxul magnetic;

K - constanta de amplificare a amplificatorului AI₁ (in cazul de fata

K=2);

n - numarul de spire al bobinelor sonda (in cazul de fata n = 10);

T - constanta de timp a integratorului (in cazul de fata T = 10 ms).

Tensiunea u se oscilografiaza si se masoara cu ajutorul osciloscopului.

Fluxul magnetic intr-o anumita arie se determina cu formula:

(2)

- fiind masurata pe ecranul osciloscopului (tinand seama de sensibilitatea

acestuia exprimata in V/div ).

Demonstratia relatiei (2) este prezentata in anexa.

In figura 5 sunt notate marimile in acord cu schema bloc din figura 3, unde u₁ corespunde tensiunii u_A, u₂ corespunde tensiunii u_B, iar u₃ tensiunii u_I.

Fluxul magnetic total masurat cu ajutorul bobinei sonda b₃ se va compara cu valoarea calculata:

(3)

unde: U_b - este tensiunea aplicata bobinei electromagnetului (70 - 100V);

N_b - numarul de spire al bobinei de excitatie a electromagnetului;

w - pulsatia curentului.

Fluxurile magnetice din intrefier se masoara simultan determinandu-se si defazajul intre ele. Spre exemplificare in anexa se prezinta: fluxurile F_A1 si F_A2 masurate in aria neecranata A₁ si ecranata A₂ la tensiunea U_alim = 70V (fig.6); fluxul total F si fluxul F_A1, masurate tot la tensiunea U_alim = 70V (fig.7), iar in figura 8 sunt prezentate oscilogramele fluxurilor F_A1 si F_A2 masurate la tensiunea U_alim = 220V, pentru a pune in evidenta efectul saturatiei. Datorita saturarii anumitor portiuni ale circuitului magnetic (mai ales in zona portiunii neecranate a polului) fluxurile magnetice se deformeaza, devenind nesinusuidale. Se va urmari calitativ acest fenomen crescand tensiunea de alimentare a bobinei, observandu-se forma fluxurilor pe ecranul osciloscopului.

3.3. Calculul fortei dezvoltate de electromagnet se va efectua cu relatiile:

- forta medie in aria A1:

(4)

unde A₁ este aria neecranata a polului:

- forta medie dezvoltata pe un pol:

F_m = F_mA1∙(1 + m∙K²) (5)

unde m = A₂/A₁, iar K = cos a

- forta minima pe un pol:

(6)

Forta totala este dublul fortei dezvoltata de un pol, deci:

F_mt = 2∙F_m (7)

F_mint = 2∙F_min (8)

3.4. Se va determina prin calcul intrefierul echivalent (tehnologic) intre suprafetele polare, in pozitia inchis a electromagnetului cu relatia:

(9)

unde R₂ este rezistenta spirei ecran, iar a defazajul intre fluxuri masurat la 3.2.

Datele necesare efectuarii calculelor se afla notate pe panoul lucrarii, din laborator. Rezultatele obtinute se trec intr-un tabel de forma:

Tabelul 1

Se vor reprezenta intr-o diagrama formele de unda ale fortelor instantanee dezvoltate de electromagnet. Se va masura de asemenea defazajul intre fluxuri si se va desena diagrama fazoriala a fluxurilor. Valorile rezultate pentru F si a se vor compara cu cele obtinute experimental.

3.5. Se va creste progresiv tensiunea de alimentare a bobinei electromagnetului (acesta fiind inchis) masurandu-se curentul absorbit. Datele se trec in tabelul 2.

Tabelul 2

ANEXA

Calculul amplitudinii fluxului magnetic ce strabate bobina sonda in functie de tensiunea de la iesirea integratorului

In acord cu notatiile din figura 5 se fac urmatoarele notatii si se obtine:

n - numarul de spire al bobinelor sonda; n = 10;

A₁ - amplificarea amplificatorului inversor AI₁:

A₁ = 2

u₁ - tensiunea la intrarea AI₁:

(1.a)

u₂ - tensiunea la iesirea amplificatorului AI₁:

(2.a)

u₃ - tensiunea la iesirea integratorului comandat IC:

(3.a)

j - fluxul magnetic ce strabate bobina sonda

(4.a)

In acest caz se obtine:

(5.a)

u₂ = 2u₁ (6.a)

Constanta de amplificare a amplificatorului AI₁, K=2

(7.a)

unde T = RC ester constanta de integrare a integratorului, care in cazul de     fata este 10ms.

Deoarece u₃ si j sunt in faza se poate trece la marimile de varf:

(8.a)

respectiv    (9.a)

Nota

Demonstratia este valabila in cazul marimilor considerate sinusoidale, deci si fluxurile sunt considerate sinusoidale.

4. Intrebari

1. Explicatia necesitatii utilizarii spirei in scurtcircuit la electromagnetii de curent alternativ monofazat.

2. Desenati formele de unda ale fortei dezvoltate de un pol al electromagnetului cu si fara spira in scurtcircuit.

3. Reprezentati diagramele fazoriale ale fluxurilor magnetice si ale fortelor electromagnetice pentru electromagneti de tip U si E.

4. Cum se produce defazarea fluxurilor magnetice in intrefierul unui electromagnet prevazut cu spira in scurtcircuit ?

5. Ce efect are montarea spirei in scurtcircuit asupra inductiei din ariile ecranata si neecranata in comparatie cu valorile existente inainte de montarea spirei ?

6. Care este ordinul de marime al rezistentei spirei in scurtcircuit la electromagnetii pentru contactoare si al pierderilor in spira?

7. Care sunt factorii care determina stabilirea unei valori optime pentru rezistenta spirei in scurtcircuit?

8. Care este ordinul de marime al intrefierului in pozitia inchis a electromagnetului si ce reprezinta acest intrefier ?

9. Care este valoarea curentului absorbit de un electromagnet de curent alternativ in pozitia deschis fata de curentul in pozitia inchis? Explicati diferenta intre valorile curentilor in cele doua pozitii. Cum se prezinta situatia comparativ in curent continuu?

10. Prezentati si explicati deosebirile constructive intre electromagnetii de curent continuu si electromagnetii de curent alternativ.

11. Care sunt cauzele care pot conduce la arderea bobinei unui contactor de curent alternativ?

12. Ce efect are cresterea inductiei in polii electromagnetului de curent alternativ asupra fluxurilor magnetice din intrefierul polului prevazut cu spira in scurtcircuit? Care sunt limitele de aplicabilitate a relatiilor stabilite pentru calculul electromagnetilor de curent alternativ cu spira in scurtcircuit?

13. Cum se masoara fluxurile magnetice in diferite portiuni ale circuitului magnetic?

Fig.1 Schita electromagnetului de curent alternativ

Fig.2. Schema electrica de conectare la retea

Fig. 3. Schema bloc a dispozitivului electric pentru inregistrarea fluxurilor

Fig. 4. Panoul frontal al dispozitivului pentru inregistrarea fluxurilor

Fig.5. Schema bloc de principiu pentru inregistrarea fluxurilor, folosind integrator activ

Fig.6. Oscilograme ale fluxurilor f_A1 si f_A2 pentru o tensiune de alimentare de 70V

Fig.7. Oscilograme ale fluxurilor f si f_A1 pentru o tensiune de alimentare de 70V

Fig. 8. Oscilograme ale fluxurilor f_A1 si f_A2, pentru tensiunea de alimentare de 220V