modulul 2 - ui 7-9
TRANSCRIPT
100
Modulul 2
ELEMENTE CONSTITUTIVE ŞI FUNCŢIONALE UTILIZATE ÎN
CONFECŢIONAREA APARATELOR ELECTRICE
Cuprins
Unitatea de învăţare 7. Contacte electrice. Clasificare. Rezistenţa de contact şi de
stricţiune. Pelicula disturbatoare. Materiale utilizate pentru contacte…..100 Unitatea de învăţare 8. Tipuri constructive de contacte. Contacte fixe. Contacte de întrerupere. Contacte alunecătoare…………………………………….112
Unitatea de învăţare 9.Electromagneţi. Calculul forţei electromagnetice de acţionare. Eliminarea vibraţiilor de electromagneţi de c.a. prin utilizarea spirei în
scurtcircuit…………………………………………………………………120
Teste de autoevaluare………………………………………….....110,119,130
Lucrare de verificare…………………………………………….111,119,131
Obiective
- să definească şi să clasifice contactele electrice; - să descrie elementele constructive ale tipurilor de contacte; - să explice procesele fizice ce apar în contactele electrice;
- să scrie ecuaţiile fizice ce apar la calculul forţei electromagnetice de acţionare a electromagneţilor;
- să explice funcţionarea electromagneţilor.
Unitatea de învăţare 7
Cuprins
CONTACTE ELECTRICE. CLASIFICARE. REZISTENŢA DE CONTACT
ŞI DE STRICŢIUNE. PELICULA DISTURBATOARE. MATERIALE
UTILIZATE PENTRU CONTACTE.
7.1. Obiective 7.2. Test de autoevaluare 7.3. Lucrare de verificare
7.1. Obiective :
- să definească şi să clasifice contactele electrice; - să descrie elementele constructive ale tipurilor de contacte; - să explice procesele fizice ce apar în contactele electrice;
101
CONTACTE ELECTRICE. CLASIFICARE. REZISTENŢA DE CONTACT
ŞI DE STRICŢIUNE. PELICULA DISTURBATOARE. MATERIALE
UTILIZATE PENTRU CONTACTE
Orice echipament electric este considerat, în esenţă, ca un ansamblu de
elemente funcţionale şi de conductoare interconectate electric. Punctul circuitului în care curentul trece dintr-o cale de curent în alta este denumit "punct de contact
electric". În practică, prin contact electric se înţelege un ansamblu compus din două piese metalice, prin a căror atingere se stabileşte conducţia într-un circuit electric. Cele două piese se numesc elemente de contact. Constructiv, la un contact electric,
atingerea se realizează prin apăsarea (cu ajutorul unei forţe) a unui element contra celuilalt element. Suprafaţa de atingere a pieselor de contact se numeşte suprafaţă de
contact. Contactele electrice sunt piesele cele mai solicitate ale aparatelor electrice de comutaţie, deoarece ele trebuie să suporte încălzirea în timpul funcţionării, uzura
prin ciocniri şi frecări, acţiunea arcului electric ce se stabileşte, îndeosebi la deschiderea circuitului electric. Contactul electric este locul de atingere a două
sau mai multe elemente conductoare, prin care are loc trecerea curentului electric. Elementele de contact sunt piesele prin care se realizează contactul. În tehnica aparatelor electrice se vor numi contacte chiar piesele de contact prin a căror
atingere, sub o presiune oarecare, se stabileşte continuitatea unui circuit electric. Contactele electrice se pot clasifica după diferite criterii:
1) După forma geometrică a suprafeţei de contact, contactele electrice se împart în trei grupe: a. Contacte punctiforme;
b. Contacte liniare ; c. Contacte plane.
2) După cinematica elementelor sale, contactele se clasifică în: a. Contacte fixe; b. Contacte amovibile;
c. Contacte mobile pentru comutaţia circuitelor electrice ; d. Contacte alunecătoare sau glisante.
3) Din punctul de vedere al formării peliculei disturbatoare: a. Contacte electrice cu atingere metalică (fără peliculă disturbatoare); b. Contacte electrice cu atingere cvasimetalică;
c. Contacte electrice cu peliculă disturbatoare. 4) Din punct de vedere al instalaţiilor în care urmează a fi instalate:
a. Contacte pentru fixarea conductoarelor electrice ; b. Contacte fixe pentru bare plane (şi derivaţii la bare) ; c. Contacte fixe de tip fişă/priză.
d. Contactele releelor e. Contacte pentru microîntreruptoare
102
f. Contactele contactoarelor se execută în două variante de bază g. Contactele întreruptoarelor de joasă tensiune
h. Contactele întreruptoarelor de înaltă tensiune 5) Din punct de vedere al condiţiilor de funcţionare a echipamentelor electrice:
a. Contacte care stabilesc sau întrerup un circuit electric în absenţa curentului electric (comutaţie fără sarcină).
b. Contactele pentru tensiuni reduse şi curenţi mici. c. Contactele pentru puteri de rupere medii. d. Contactele pentru puteri de rupere mari.
e. Contacte glisante.
PELICULA DISTURBATOARE
Atunci când nu există pelicule disturbatoare (oxizi, sulfuri etc.) pe
suprafaţa de contact avem numai rezistenţe de stricţiune. În realitate, suprafeţele metalice ale elementelor de contact reacţionează cu atmosfera înconjurătoare, iar
transformările care au loc determină apariţia peliculelor de oxizi şi depind atât de natura metalului contactului, cât şi de proprietăţile mediului ambiant. Prin urmare, rezistenţa de contact conţine cele trei elemente în care rolul cel mai important îl
are atât rezistenţa de stricţiune (a două elemente de contact), cât şi rezistenţa peliculei disturbatoare (oxizi, sulfuri).
Conducţia curentului prin peliculele de oxizi are loc prin distrugerea lor şi se realizează fie prin deformaţia plastică a suprafeţelor elementelor de contact, fie prin fritare. În procesul de închidere a contactelor poate avea loc o distrugere
mecanică a peliculei disturbatoare în câteva puncte şi, prin infiltrarea metalului contactelor în fisurile din peliculă, se poate stabili un contact pur metalic. Dacă
forţa de apăsare a contactelor nu este suficient de mare pentru a produce deformaţia plastică a suprafeţelor de contact, atunci conducţia curentului se realizează prin fenomenul de fritare. Astfel, dacă unei pelicule disturbatoare i se
aplică progresiv o tensiune electrică crescătoare, se constată că rezistenţa peliculei începe să scadă, întrucât pelicula se comportă ca un semiconductor.
REZISTENŢA DE STRICŢIUNE
Suprafeţele elementare de contact au o formă geometrică oarecare, neregulată. Rezistenţa de stricţiune se poate calcula numai în ipoteza că
suprafeţele au o formă geometrică regulată şi rezistivitatea materialului este constantă, nedepinzând de temperatură.
Pentru stabilirea expresiei de calcul a rezistenţei de stricţiune se vor
considera două modele: modelul sferei de conductivitate infinită şi cel al elipsoidului turtit.
103
1. Modelul sferei de conductivitate infinită – figura 1, presupune că cele două corpuri metalice 1 şi 2 de conductivitate finită fac contact între ele printr-o sferă
metalică de rază "a " şi conductivitate infinită. Sfera modelează vârful de contact şi,
drept consecinţă, raza sferei va fi foarte mică, iar în sferă, liniile de curent vor fi radiale, iar suprafeţele echipotenţiale vor fi de formă sferică, concentrice. Pentru o astfel de configuraţie, rezistenţa de stricţiune (echivalentă celor
două emisfere de contact) se calculează şi rezultă de forma:
a
= RS (7.1)
în care este rezistivitatea electrică a materialului.
Fig. 1. Modelul sferei de conductivitate infinită
2. Modelul elipsoidului turtit – figura 2 − conduce la o mai bună concordanţă cu verificările experimentale. Acest model consideră că cele două
corpuri metalice 1 şi 2 sunt în atingere între ele prin intermediul unui elipsoid turtit, încât suprafaţa de contact va fi o elipsă. În acest model, suprafeţele echipotenţiale vor fi elipsoizi confocali, iar liniile de curent sunt ortogonale la
suprafeţele elipsoizilor.
104
Corespunzător modelului elipsoidal, rezistenţa de stricţiune a contactului
punctiform se calculează prin relaţia:
a2
= RS (7.2)
În cazul contactului dintre două suprafeţe plane, conducţia curentului are loc la atingerea metalică printr-un număr mare de contacte punctiforme. Dacă
punctele de atingere sunt presupuse identice, atunci rezistenţa totală a contactului va fi mai mică decât rezistenţa de trecere corespunzătoare contactului punctiform.
Raza ariei echivalente A0 a unei microsuprafeţe de contact depinde de
forţa de apăsare normală F şi se deduce sub forma:
n
1F = a
F = an 2 ; (7.3)
Din punct de vedere fenomenologic, în primele momente, atingerea are loc într-un număr redus de puncte de contact. Apoi, materialul pieselor de contact se striveşte, ariile suprafeţelor elementare de contact se măresc, are loc apropierea
pieselor de contact şi, în consecinţă, apar noi puncte de contact. Procesul creşterii
lui "n" va continua atâta timp cât apăsarea specifică an
F =
A
F = p
2F
este mai
mare decât .
Pentru n=1- avem:
Fig. 2.Modelul
elipsoidului turtit
105
F
K =
F2 = R 0,5S (7.4)
Prin generalizare, rezistenţa de trecere poate fi exprimată analitic printr-o
relaţie de tipul:
F
K = R mS (7.5)
unde:
K = coeficient care depinde de natura materialului contactelor, de forma şi gradul de finisare a suprafeţelor de contact şi de starea acestora;
F = forţa de apăsare (presare) a contactelor ; m = un exponent care depinde de numărul punctelor de contact.
Exponentul m din ecuaţia are următoarele valori: 0,5 = m pentru
contactul punctiform; 0,90,7 = m pentru contacte punctiforme multiple;
0,80,7 = m pentru contacte liniare şi 1 = m pentru contacte plane.
Coeficientul K ia valori numerice obţinute pe cale experimentală în
funcţie de tipul şi de natura contactelor, după cum urmează:
100,14)(0,08 = K -3 pentru contacte din Cu-Cu (fără oxizi);
100,1)(0,07 = K -3 pentru contacte din Cu-Cu cositorite;
100,67 = K -3 pentru contacte din alamă;
103,1 = K -3 pentru contacte din Cu-Ol.
În concluzie, mărimea rezistenţei de trecere (de stricţiune) RS depinde de
materialul contactelor, de forţa de apăsare a contactelor şi de natura, forma şi finisarea suprafeţelor metalice care se ating.
Calculul rezistenţei de stricţiune are la bază analogia formală care există între relaţiile ce caracterizează câmpul electric staţionar al curenţilor continui într-un mediu conductor şi relaţiile care caracterizează câmpul electric într-un dielectric
neîncărcat. Astfel, se poate stabili că între conductanţa G a mediului conductor şi capacitatea C a condensatorului, între armăturile căruia se stabileşte un câmp
electric analog celui din mediul conductor, există relaţia:
(7.6)
unde: = 1 / este conductivitatea
- permitivitatea dielectrică.
106
În baza acestei relaţii, conductanţa G a mediului conductor poate fi calculată din expresia capacităţii unui condensator între armăturile căruia se
stabileşte un câmp electric analog celui din mediul conductor. Se consideră că atât elipsoidul de bază, cât şi mediul care delimitează
suprafaţa elipsoidului omofocal au conductivitatea infinită, iar mediul conductor
între suprafeţele elipsoizilor are conductivitatea constantă . Dar în acest caz
suprafeţele celor doi elipsoizi sunt suprafeţe echipotenţiale în câmpul electric staţionar, iar liniile de curent sunt ortogonale la suprafeţele elipsoizilor. Admiţând
că elipsoidul de bază este turtit, iar suprafaţa de contact este o elipsă, expresia elipsoizilor omofocali este:
(7.7)
107
unde şi sunt semiaxele elipsoidului de bază în planul x, y.
Elipsoizii omofocali sunt definiţi de parametrul u (u= 0,1a 2 ; 0,5a 2 ; 2a 2 ;
5a 2 ;...) având semiaxele u2 după direcţia x, u2 după direcţia y şi
u după direcţia z. Capacitatea domeniului cuprins între elipsoidul de bază şi un
elipsoid omofocal se calculează cu relaţia:
(7.8)
Pe baza relaţiei (7.6), rezistenţa de stricţiune este:
(7.9)
Integrala din expresia (7.9) este o integrală eliptică. În cazul particular al unui contact elementar cu suprafaţa de conducţie circulară (α = β=a) rezultă:
(7.10)
Şi dacă se consideră că µ tinde către infinit, expresia (7.10) devine:
(7.11)
Pentru ambele piese de contact rezistenţa de stricţiune este dublă:
(7.12)
REZISTENŢA PELICULARĂ
Această rezistenţă apare datorită peliculei disturbatoare care se formează la suprafaţa pieselor de contact. Procesul formării peliculelor se bazează pe faptul că
108
în aer suprafeţele de contact metalice absorb gaze care, datorită oxigenului, duc la formarea unor pelicule de oxizi ce măresc considerabil rezistenţa de contact. Metalele
nobile se acoperă cu un strat subţire de oxizi care împiedică oxidarea în continuare, pe când metalele nenobile se acoperă cu straturi relativ groase de oxizi. În afară de oxid, pe suprafaţa contactului se pot depune şi alte corpuri străine, formându-se o
peliculă semiconductoare, considerată practic de grosime uniformă (d). Pelicula semiconductoare provoacă apariţia în contact a unei rezistenţe suplimentare,
denumită rezistenţă peliculară, care se calculează:
(7.13)
unde: p este rezistivitatea peliculei şi aria reală de contact. Aceste două
mărimi sunt greu de determinat analitic şi se determină experimental.
MATERIALE PENTRU CONTACTE
Condiţiile de funcţionare ale unui aparat de comutaţie constituie factorul
hotărâtor la alegerea materialelor utilizate şi la stabilirea soluţiilor constructive
pentru contacte. Materialele utilizate la confecţionarea contactelor electrice influenţează atât durata
de serviciu (viaţa echipamentului), cât şi siguranţa funcţionării lui. În context, materialele pentru contacte trebuie să îndeplinească o serie de condiţii, precum: - să fie dure şi să aibă o rezistenţă mecanică mare;
- să aibă conductibilitate termică şi electrică mare; - să reziste la corodare şi să aibă stratul de oxid bun conductor electric;
- să se înmoaie şi să se topească la temperaturi cât mai înalte; - să se poată prelucra mecanic cu uşurinţă; - să nu fie scump.
La proiectarea şi la fabricarea contactelor electrice se va alege soluţia optimă corespunzătoare condiţiilor concrete în care va lucra contactul.
Prin urmare, obţinerea unui contact convenabil tehnic şi acceptabil economic este posibilă doar printr-un studiu amănunţit al condiţiilor de exploatare şi prin utilizarea unor materiale care să asigure un compromis între cerinţe. Atât din punct
de vedere tehnic, cât şi din considerente economice, în domeniul curenţilor tari, ca materiale pentru contacte se folosesc Cu, Ag, Wo, fie sub formă pură, fie în aliaje cu
alte elemente sau sub formă de pulberi sinterizate. Pornind de la cerinţele pe care trebuie să le îndeplinească materialele folosite la confecţionarea contactelor electrice: conductivitate electrică ridicată (Ag, Au, Cu);
rezistenţă la arc electric mare (Wo); să nu reacţioneze cu atmosfera (Ag, Au); să fie ieftine (Cu), se folosesc aliaje care corespund cerinţelor enumerate. Sunt utilizate:
109
- aliaje Cu – Ag 2% - 8% plus Cd 1.5% (siguranţe automate plus comutatoare de sarcină la transformatoare);
- aliaje Cu – Be 1,2 – 2% (folosit în construcţia reostatelor); - aliaje Ag – Cd 37% (au calităţi foarte bune la stingerea arcului electric); - contacte sinterizate – care realizează un compromis între rezistenţa ridicată la
ardere (punct de topire ridicat) şi conductivitate electrică mare (rezistenţă de contact redusă).
Nici unul din materialele de contact folosite în prezent nu satisface toate aceste condiţii şi, de aceea, în practică, se folosesc diferite materiale de contact, fiecare având aplicabilitate într-un anumit domeniu de utilizare. Astfel, cerinţa ca un
contact să aibă o conductivitate electrică ridicată şi o rezistenţă mare la acţiunea arcului, nu poate fi îndeplinită nici de argint (Ag), care are conductivitate mare dar
rezistenţă mică la arcul electric, nici de wolfram (W), care are o rezistenţă mare la arc dar conductivitate electrică redusă. De asemenea, cerinţa ca un material să nu reacţioneze cu atmosfera şi să fie, în acelaşi timp, suficient de ieftin, nu poate fi
îndeplinită. Materialele nobile (Ag, Au, Pt) sunt scumpe, iar celelalte (Cu, Al) se oxidează rapid. Din punct de vedere practic, în construcţia pieselor de contact se
folosesc metale, aliaje normale sau pseudoaliaje. Soluţiile constructive ale contactelor electrice reflectă funcţionalitatea lor şi procesul tehnologic de fabricaţie. Contactele iau diferite forme constructive în funcţie de aparatul sau
instalaţia în care sunt înglobate. Materiale folosite pentru contacte:
A) Cuprul şi aliajele de cupru. Cuprul electrolitic are o rezistenţă electrică mică şi, de aceea, este folosit la realizarea contactelor pentru curenţi mari (la controlere, contactoare şi întreruptoare de joasă tensiune etc.). Dar, caracteristic
pentru cupru este şi faptul că are o elasticitate redusă, că proprietăţile mecanice (de exemplu, rezistenţa la tracţiune) scad odată cu creşterea temperaturii şi că pentru
distrugerea (prin fisurare) a peliculei de oxid de cupru sunt necesare forţe mari (de apăsare) în contacte. De aceea, în construcţia contactelor electrice se utilizează mai mult aliajele de cupru. Astfel, prin adăugarea unei cantităţi de 2-8% Ag, cuprul îşi
îmbunătăţeşte proprietăţile mecanice şi se poate utiliza ca material pentru contactele siguranţelor fuzibile automate şi ale comutatoarelor de sarcină ale
transformatoarelor. O îmbunătăţire suplimentară a proprietăţilor mecanice se poate obţine prin adăugarea unei cantităţi de 1,5% cadmiu (Cd), pe lângă argint. Prin adăugarea de 1,2-2% beriliu (Be) în cupru se obţine un aliaj care poate fi folosit în
construcţia resoartelor. Contactele lamelare multiple, construite dintr-un astfel de material, nu mai au nevoie de resorturi suplimentare pentru asigurarea forţei de
apăsare. B) Argintul şi aliajele lui. Argintul pur este un metal nobil, relativ ieftin, caracterizat printr-o rezistivitate electrică mică. El este frecvent utilizat în construcţia
contactelor echipamentelor electrice, sub formele:
110
- de acoperiri galvanice (contacte de cupru argintate), având grosimi de
m 10 5 , cu o largă utilizare în echipamentele de curenţi slabi, dar şi în tehnica
curenţilor tari, atunci când întreruperea este fără curent sau cu un curent redus (la clemele de curenţi tari, la fişe şi prize, la contactele separatoarelor etc.);
- de contacte masive de argint, sub formă de nituri, piese sudate sau piese placate, în domeniul comutaţiei la joasă tensiune (cu tensiuni de circa 120-500 V şi curenţi până la 1000 A).
Argintul pur are şi câteva proprietăţi nefavorabile în exploatarea contactelor electrice: migraţia de material este mărită (contactul de argint se uzează electric
rapid), duritatea mecanică redusă, are tendinţa de lipire şi rezistenţă redusă la acţiunea sulfului etc. Din această cauză, contactele de curenţi tari se realizează cu aliaje de argint, care au proprietăţi superioare argintului pur. Astfel, se utilizează
aliajul de argint-cadmiu (Ag-Cd), care poate să aibă un conţinut de Cd de până la 37%. Prezenţa cadmiului în materialul contactului conduce la reducerea sensibilă a
scânteilor, adică la crearea unor condiţii mai bune de stingere a arcului electric, datorită faptului că energia de disociere a oxidului de cadmiu (CdO) se extrage din energia arcului electric. De asemenea, formarea oxidului de cadmiu la suprafaţa
contactului micşorează tendinţa de lipire a contactelor, fără a mări sensibil rezistenţa de contact.
C) Aurul şi platina sunt metale nobile scumpe, caracterizate de faptul că reacţionează foarte puţin cu mediul înconjurător. Prin urmare, la contactele realizate din Au şi Pt pelicula disturbatoare are o grosime foarte mică, iar rezistenţa de contact
este foarte mică (practic, neglijabilă). Aceste metale sunt utilizate în construcţia contactelor electrice străbătute de curenţi foarte mici şi supuse la forţe de apăsare
extrem de reduse (ca, de exemplu, în microelectronică, în tehnica calculatoarelor etc.). D) Aluminiul prezintă, faţă de cupru, o rezistenţă mecanică mică (deci, se
uzează mecanic repede) şi o rezistivitate electrică mai mare. Aluminiul se foloseşte doar la legăturile de contact (cu bare plane) fixe şi doar în cazul unor curenţi de
scurtcircuit relativ mici. E) Oţelul se caracterizează printr-o rezistenţă mecanică mult mai mare decât a cuprului, dar şi printr-o rezistivitate electrică mare. În practică, oţelul se foloseşte la
realizarea legăturilor electrice între conductoarele de legare la pământ şi cuvele metalice ale echipamentelor sau ale flanşelor izolatoare.
7.2. Test de evaluare
1.Procesul de sinterizare poate avea următoarele faze: a. sinterizare în fază lichidă
b. sinterizare fără fază lichidă c. sinterizare cu strecurare
111
R: a,b,c 2.Fazele formării peliculei disturbatoare sunt:
a. absorbţia b. chemisorbţia c. reacţia chimică
R: a,b,c 3.Conducerea curentului prin pelicula disturbatoare are loc:
a. prin deformare plastică b. prin iradiere c. prin fritare
R: a,c 4.Factorii care influenţează rezistenţa de stricţiune şi peliculară sunt:
a. suprafaţa aparentă de contact b. materialul contactelor c. forţa de apărare a contactelor
d. mediul R: a,b,c
5.Materialele pentru contacte trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: a. să fie dure şi să aibă o rezistenţă mecanică mare b. să aibă conductibilitate termică şi electrică mare
c. să se poată prelucra mecanic cu uşurinţă d. să se înmoaie şi să se topească la temperaturi cât mai înalte
R: a,b,c,d 7.3. Lucrare de verificare
1. Clasificaţi contactele electrice din punct de vedere al formării peliculei
disturbatoare. 2. Pelicula disturbatoare. Definiţie, fazele formării. 3. Rezistenţa peliculară şi de stricţiune.
112
Unitatea de învăţare 8
Cuprins
TIPURI CONSTRUCTIVE DE CONTACTE. CONTACTE FIXE.
CONTACTE DE ÎNTRERUPERE. CONTACTE ALUNECĂTOARE
8.1. Obiective 8.2. Test de autoevaluare 8.3. Lucrare de verificare
8.1. Obiective :
- să definească şi să clasifice contactele electrice; - să descrie elementele constructive ale tipurilor de contacte; - să explice procesele fizice ce apar în contactele electrice;
TIPURI CONSTRUCTIVE DE CONTACTE. CONTACTE FIXE.
CONTACTE DE ÎNTRERUPERE. CONTACTE ALUNECĂTOARE.
Contactele electrice se pot clasifica după diferite criterii: 1) După forma geometrică a suprafeţei de contact, contactele electrice se
împart în trei grupe- figura 1. a,b,c: a. Contacte punctiforme, la care, macroscopic, atingerea are loc doar într-un singur punct, iar microscopic, pe o suprafaţă circulară de rază foarte mică.
b. Contacte liniare, la care atingerea are loc de-a lungul unei linii, adică, practic, pe o suprafaţă extrem de îngustă.
c. Contacte plane, la care atingerea celor două piese se face pe o suprafaţă de contact.
2) După cinematica elementelor sale, contactele se clasifică în:
a. Contacte fixe, realizate, în general, prin îmbinarea mecanică a celor două elemente de contact prin şuruburi, nituri, buloane - figura 2.a).
Fig.1.b
Contact liniar
Fig.1.c Contact de
suprafaţă
Fig.1.a Contact
punctiform
113
b. Contacte amovibile, la care unul din cele două elemente de contact este fix, iar celălat este amovibil (fără sarcină şi fără tensiune) –figura 2.b.
c. Contacte mobile pentru comutaţia circuitelor electrice, la care cel puţin unul din elemente este deplasabil (la funcţionarea normală a echipamentului), determinând astfel închiderea sau deschiderea circuitului – figura 2.c.
d. Contacte alunecătoare sau glisante, la care deplasarea piesei mobile faţă de cea fixă se face fără întreruperea circuitului.
3) Din punctul de vedere al formării peliculei disturbatoare:
a. Contacte electrice cu atingere metalică (fără peliculă disturbatoare). Acestea sunt realizate din metale nobile (Au, Ag, Pt) în vid sau din metale
nenobile în vid şi care nu au suferit (în prealabil) acţiunea vreunui mediu agresiv (oxidant);
b. Contacte electrice cu atingere cvasimetalică. Aceste contacte sunt
realizate din metale nobile, dar sunt utilizate în atmosferă normală. Din această categorie fac parte contactele din Au, Ag, Pt, care se acoperă cu pelicule
disturbatoare cu grosimi de circa 20 Å; c. Contacte electrice cu peliculă disturbatoare. În această categorie intră contactele realizate din Cu în atmosferă normală (caz în care pelicula
disturbatoare este de oxid de cupru Cu2O) şi contactele de Ag în atmosferă de vapori sulfuroşi (în acest caz pelicula fiind de sulfură de argint Ag2S). În
conducţie, pelicula este distrusă. 4) Din punct de vedere al instalaţiilor în care urmează a fi instalate: a. Contacte pentru fixarea conductoarelor electrice – figura 3. Sunt
realizate cu ajutorul şuruburilor care, prin strângere, blochează conductorul
Fig. 2.a Contact fix
1,2-elemente de contact;
3-bulon
Fig. 2.b Contact
amovibil
1-cuţit;
2-liră;
3-resort
Fig. 2.c Contact
mobil
1-element fix;
2-element mobil
114
electric în locaşuri corespunzătoare. De cele mai multe ori, conductoarele sunt cositorite, iar piesele de strângere sunt din alamă argintată, zincată sau nichelată.
b. Contacte fixe pentru bare plane (şi derivaţii la bare) – figura 4. Se
realizează prin îmbinarea elementelor de contact (a barelor de Cu sau Al) cu ajutorul buloanelor de oţel. Barele sunt din cupru argintat, cositorit sau din
aluminiu. În figura 5 este prezentat contactul electric între două bare conductoare.
c. Contacte fixe de tip fişă/priză. Sunt contactele folosite în construcţia aparatelor de laborator, a aparatelor electrocasnice şi de uz industrial sau a
siguranţelor de joasă sau înaltă tensiune. Cele două piese ale unui astfel de contact au funcţii complet diferite:
1) de a asigura presiunea pe contact (prin elasticitatea mecanică)
2) de a asigura un bun contact electric (piesele fiind din cupru argintat).
Cele două funcţii sunt ilustrate pe larg, în construcţiile prezentate în figura 6, unde întalnim ca elemente componente: lira, cuţitul şi resortul.
Fig. 3 Contacte pentru fixarea conductoarelor
Fig.5 Detaliu la contactul
între două bare plane
Fig.4 Contacte pentru fixarea
A. barelor plane
115
Pe acelaşi principiu sunt construite şi contactele pentru siguranţe fuzibile de joasă tensiune, la care contactul cu rezistenţă electrică redusă este asigurat de
piese din cupru argintat, iar presiunea pe contact se realizează cu resorturi (din oţel de arc).
d. Contactele releelor. Acestea se realizează ca în variantele prezentate de figura 7, prin nituire, sudare electrică, placare etc.
Materialul de contact (nitul, pastila de sudare sau placatul) se
confecţionează din materiale cu tendinţă redusă de lipire şi stabile în mediul înconjurător, precum:
- argintul aurit, când există pericolul formării Ag2S; - aliajul Ag-Pd, pentru a evita formarea peliculei disturbatoare; - aliajul Ag-Ni, pentru contactele circuitelor cu curenţi mari la
închidere; - aliajul Ag-CdO, pentru contactele circuitelor cu sarcini
capacitive şi lămpi;
Fig. 6 Tipuri de contacte fişă-priză
Fig.7 Contacte pentru relee
116
- aurul şi platina, pentru contactele circuitelor de curenţi mici. Drept suport pentru elementul activ de contact se foloseşte bronzul sau
beriliul. e. Contacte pentru microîntreruptoare. Acestea sunt destinate stabilirii şi/sau întreruperii curenţilor mici (de până la câţiva amperi) şi pot fi aranjate cu un
singur punct de contact sau cu mai multe puncte de contact. Forma lor este ilustrată în figura 8. Tehnologic, contactele microîntreruptoarelor sunt
asemănătoare cu contactele pentru relee.
f. Contactele contactoarelor se execută în două variante de bază – figura 9 (în care întreruperea este dublă). Unde în figura 9.a) piesele de contact sunt
aşezate pe suport prin placare, iar în figura 9.b) piesele de contact sunt realizate prin lipitură tare. Ca material, contactele contactoarelor sunt executate, aproape fără excepţie, din aliaj Ag-CdO.
g. Contactele întreruptoarelor de joasă tensiune se construiesc ţinând seama că aceste echipamente sunt destinate să întrerupă curenţii de scurtcircuit.
Fig.8 Sisteme de contacte
pentru microîntreruptoare
Fig.9 Contacte pentru contactoare
117
Din acest motiv, la valori mari ale curentului nominal (IN>200 A) şi ale curentului de scurtcircuit (Isc>8 kA), întreruperea se realizează cu ajutorul unui sistem format din două contacte A şi B (conectate în paralel), ca în figura 10.
Atunci când întreruptorul este închis (figura 10.a), prin contactul A trece (0,7-0,8)I, iar prin contactul B (în paralel cu A) trece (0,3-0,2)I. La deschidere (figura
10.b) se întrerupe mai întâi calea de curent cu contactul A, încât tot curentul va fi condus de contactul B. Acesta va întrerupe ultimul, iar între elementele lui apare arcul electric de comutaţie. În continuare, arcul este împins şi înt ins pe rampe de
cupru (figura 10.c), urmând ca apoi să fie introdus în camera de stingere (pentru a fi stins, v.poz.d). Întrucât elementele contactului A nu sunt expuse acţiunii arcului
electric, ele se execută din aliaje Ag-Ni. Din contră, elementele contactului B sunt supuse acţiunii arcului electric şi, de aceea, ele se realizează din pseudoaliaje de tip Ag-W şi Cu-W.
h. Contactele întreruptoarelor de înaltă tensiune. Din multitudinea tipurilor constructive ale acestor contacte, reprezentative sunt două:
i. contactul tijă-tulipă ii. contactul alunecător (cu role).
Fig.10 Sisteme de contacte la întreruptorul de joasă tensiune
Fig.12 Contact alunecător cu role
118
i. Contactul tijă-tulipă este reprezentat în figura 11. Tulipa este formată din degetele 1 aşezate pe periferia unui cerc. Fiecare deget este prevăzut în zona
inferioară cu o inserţie de wolfram 2 pentru preluarea arcului electric. În mod similar, tija 4 este prevăzută cu
un vârf de wolfram 3. În poziţia închis (punctat în figură), contactul se realizează între piese de cupru dur (argintat).
ii. Contactul alunecător cu role este reprezentat în figura 12. Transferul curentului de pe tija mobilă 3
către barele 1 şi 5 se face prin intermediul sistemului de role 2 şi 4. Presiunea rolelor pe tija centrală 3 şi pe barele laterale 1 şi 5 este controlată prin intermediul
resorturilor 6 şi 7. 5) Din punct de vedere al condiţiilor de funcţionare a echipamentelor electrice:
a. Contacte care stabilesc sau întrerup un circuit electric în absenţa curentului electric (comutaţie fără sarcină). În această categorie intră contactul fişă-priză, contactele siguranţelor fuzibile, contactele separatoarelor, contactele circuitelor
imprimate şi contactele utilizate în tehnica de calcul. Pentru această categorie de contacte se cere o rezistenţă de contact cât mai mică şi o cădere de tensiune pe
contacte de ordinul milivolţilor. b. Contactele pentru tensiuni reduse şi curenţi mici. Asemenea contacte se
întâlnesc la relee electrice, la microîntreruptoare şi în tehnica telecomunicaţiilor.
Aceste contacte lucrând la tensiuni mici (sub 10 ÷ 12 V), în absenţa arcului electric, singura problemă ce trebuie rezolvată este cea a migraţiei fine de
material. c. Contactele pentru puteri de rupere medii. Aceste contacte lucrează la
joasă tensiune (110 ÷ 500 V) şi curenţi sub 1000 A, aflându-se sub acţiunea
arcului electric, fiind folosite la construcţia contactoarelor şi întreruptoarelor. Solicitarea acestor contacte constă în arderea lor şi în tendinţa de sudare.
d. Contactele pentru puteri de rupere mari. In această categorie intră aparatele de joasă tensiune de curenţi nominali mari (630 ÷ 2000 A) şi curenţi de
scurtcircuit scI = 10 ÷ 60 kA, precum şi contactele întreruptoarelor electrice de
înaltă tensiune. Aceste contacte sunt intens solicitate de arcul electric ce apare
între contacte la deschiderea lor. De aceea, problema care se pune este a arderii contactelor şi migraţia brută de material.
e. Contacte glisante. Aceste contacte nu se deschid sub sarcină, dar îşi modifică prin glisare locul de contact. Se întâlnesc la unele aparate de joasă tensiune,
Fig.11 Contact
B. tijă-tulipă
119
dar mai ales la cele de înaltă tensiune. Materialele utilizate în acest scop trebuie să aibă un coeficient de frecare cât mai redus şi să nu se altereze în contact cu mediul.
Astfel, contactele fixe şi contactele amovibile sunt supuse încălzirii atât în regimul normal, cât şi în regimul de suprasarcină şi, uneori, în regimul de scurtcircuit. În toate aceste situaţii, încălzirea nu trebuie să depăşească valorile
supratemperaturilor prescrise de standarde pentru fiecare din regimurile sus-menţionate. Contactele echipamentelor de comutaţie (şi, în special, contactele
mobile) sunt supuse şi acţiunii arcului electric, care apare între elementele de contact la separarea lor. Deşi durata arcului electric este limitată (5-30 ms), temperatura ridicată a arcului provoacă o încălzire intensă a elementelor de
contact. În plus, la echipamentele care execută un număr mare de comutaţii sub sarcină se constată şi o uzură electrică a contactelor, adică o migraţie de material
de pe elementele de contact, sub acţiunea temperaturii arcului electric. De asemenea, la contactele mobile poate să apară uzura mecanică, ca urmare a strivirii şi deformării pieselor de contact, după un număr mare de manevre.
8.2. Test de evaluare
1. Cum sunt contactele electrice după forma geometrică a suprafeţei de contact? a. contact punctiform b. contact liniar
c. contact de suprafaţă d. contact de volum
R: a,b,c 2.Contactul amovibil are următoarele elemente: a. elemente de contact, buton
b. cuţit, liră, resort c. element fix, element mobil, resort
R: b 3.Piesele componente ale contactelor fixe de tip fişă/priză au următoarele funcţii: a. de a asigura un strat pelicular de oxid care măreşte rezistenţa de contact
b. de a asigura presiunea pe contact c. de a asigura un bun contact electric
R: b,c 8.3. Lucrare de verificare
1. Cum clasificaţi contactele electrice din punct de vedere al instalaţiilor în care
urmează să fie montate? 2. Descrieţi contactul tijă-tulipă. 3. Care sunt materialele de contact folosite în cazul contactelor electrice?
120
Unitatea de învăţare 9
Cuprins
ELECTROMAGNEŢI. CALCULUL FORŢEI ELECTROMAGNETICE DE
ACŢIONARE. ELIMINAREA VIBRAŢIILOR DE ELECTROMAGNEŢI
DE C.A. PRIN UTILIZAREA SPIREI ÎN SCURTCIRCUIT
9.1. Obiective 9.2. Test de autoevaluare 9.3. Lucrare de verificare
9.1. Obiective :
- să scrie ecuaţiile fizice ce apar la calculul forţei electromagnetice de acţionare a electromagneţilor; - să explice funcţionarea electromagneţilor.
ELECTROMAGNEŢI. CALCULUL FORŢEI ELECTROMAGNETICE DE
ACŢIONARE. ELIMINAREA VIBRAŢIILOR DE ELECTROMAGNEŢI
DE C.A. PRIN UTILIZAREA SPIREI ÎN SCURTCIRCUIT
ELECTROMAGNEŢI
Electromagnetul, definit ca magnet temporar, transformă energia electrică în energie mecanică, prin intermediul energiei magnetice, având în structura sa trei sisteme componente: electric, magnetic şi mecanic.
Electromagnetul reprezintă un convertor electro-magneto-mecanic, alcătuit dintr-un circuit electric, unul magnetic deformabil şi accesorii mecanice. El îşi
bazează funcţionarea pe existenţa forţelor electromagnetice ce deplasează porţiuni ale circuitului magnetic, care constituie aşa-numita armătură mobilă. În modelul fizic al unui electromagnet se disting – figura 1:
circuitul electric 1 (înfăşurarea), caracterizat prin rezistenţa electrică R şi inductivitatea L; circuitul magnetic, din care fac parte atât circuitul feromagnetic,
alcătuit din armătura fixă 2 şi cea mobilă 3, de masă m, cât şi întreg spaţiul din jurul acestor armături, o importanţă aparte având întrefierul 5; sistemul mecanic, alcătuit din amortizorul 4 şi resortul antagonist 5.
121
4
1
2
3
5
max x
r
m
F
,R L x
k
iu
x
Fig. 1. Modelul fizic al unui electromagnet:
1-înfăşurare, 2-armătura fixă, 3-armătura mobilă, 4-amortizor, 5-resort.
Deplasarea armăturii mobile se face pe direcţia x, modificând întrefierul între o valoare maximă δmax şi una minimă δmin.
În timpul conversiei energetice, energia electrică injectată este transmisă sistemului magnetic, care transformă această energie în lucru mecanic, prin
deplasarea armăturii mobile; sistemul magnetic, respectiv energia magnetică, joacă rolul de sistem de cuplaj între sistemele electric şi mecanic. Electromagneţii folosiţi în domeniul naval sunt utilizaţi în construcţia
aparatelor de comutaţie, la realizarea cuplelor electromagnetice. În construcţia aparatelor electrice de comutaţie, electromagneţii sunt
utilizaţi ca organ motor al contactoarelor, ruptoarelor, declanşatoarelor, întreruptoarelor, servind la stabilirea sau întreruperea mecanică a unor contacte, în mod direct sau indirect, prin eliberarea energiei unui resort precomprimat.
Electromagneţii intră în construcţia electrovalvelor şi dispozitivelor de acţionare ale aparatelor electrice.
Clasificarea electromagneţilor se face după mai multe criterii şi anume: După tipul constructiv în:
+electromagneţi de tip plonjor, la care armătura mobilă execută o mişcare de
translaţie în lungul axei bobinei de excitaţie; +electromagneţi la care armătura mobilă execută o mişcare de translaţie şi
electromagneţi la care armătura mobilă execută o mişcare de rotaţie. Armătura fixă poate avea formă de I, U sau E.
122
1
2
3
1
2
3
1
2
3
12
1
2
3
)a
)b
)c
)d
fig.2. Tipuri constructive de electromagneţi a) de tip plonjor cu armătura fixă; b) cu mişcare de translaţie fixă în formă de
U; c) cu mişcare de translaţie de tip manta (cu armătura fixă în formă de
E);
d) cu mişcare de rotaţie şi armătura fixă în formă de U.
1-armătura fixă; 2-armatură mobilă; 3-bobina de excitaţie
După felul curentului de excitaţie: de curent continuu şi de curent alternativ.
După modul de lucru: electromagneţi de acţionare şi electromagneţi elevatori. După tipul de acţionare: electromagneţi cu acţionare normală, electromagneţi cu acţionare rapidă şi electromagneţi cu acţionare întârziată.
Se consideră un electromagnet conectat la o reţea de tensiune U - fig.3.a. La parcurgerea bobinei de excitaţie de un curent electric i, datorită fluxului
Φ ce străbate circuitul magnetic, asupra armăturii mobile se exercită o forţă de atracţie.
d
N
i
U
FFFF
d
d i
1
2
i
a) b)
Fig. 3 – a) electromagnet conectat la reţea; b) reprezentarea f i pentru
diferite valori ale întrefierului
123
Dacă armătura mobilă este blocată la un întrefier δ, forţele sunt prezente,
dar nu pot produce lucru mecanic şi în sistem se înmagazinează o energie magnetică. Pornind de la forma integrală a legii conducţiei electrice:
U+Ue= IR (9.1)
unde Ue =dt
d este tensiunea electromotoare indusă, avem:
U- iR =dt
d (9.2)
ψ=N*Φ fiind fluxul magnetic total produs de fluxul fascicular. Se obţine prin
integrare:
)(0
2
t
iRiU = 0
di = Wm (9.3)
Unde: Wm energia magnetică acumulată în întregul câmp, echivalentă cu aria haşurată.
Conform relaţiei (9.3) se constată că această energie magnetică este diferenţa dintre energia electrică absorbită de la reţea şi pierderile prin efect Joule din
înfăşurare. La un electromagnet alimentat de la o tensiune constantă, energia acumulată este dependentă doar de poziţia armăturii mobile. Valoarea energiei acumulate în
poziţiile de întrefier δ1 şi δ2 nu depind de poziţiile succesive (δ) pe care le ocupă armătura în deplasarea de la poziţia deschis la cea închis a electromagnetului.
Dacă întrefierul nu se menţine blocat atunci, sub acţiunea forţelor ce se manifestă în câmpul magnetic, armătura mobilă se va deplasa spre armătura fixă şi energia câmpului magnetic se modifică. Atragerea armăturii mobile se poate face în
două moduri distincte: primul caz corespunde unui electromagnet de curent continuu; al doilea caz corespunde unui electromagnet de curent alternativ.
Curentul rămâne constant, indiferent de valoarea întrefierului. Calculul forţei dezvoltate de electromagneţi
Potrivit bilanţului energetic al electromagnetului, forţa electromagnetică
care se exercită asupra armăturii mobile depinde de variaţia energiei magnetice înmagazinată în întregul spaţiu ocupat de câmpul magnetic al electromagnetului. Acest spaţiu cuprinde următoarele domenii distincte: întrefierurile de lucru şi
124
parazite, zonele ocupate de fluxurile de dispersie şi circuitele feromagnetice ale coloanelor, jugurilor şi armăturilor mobile.
Deoarece în majoritatea cazurilor, la electromagneţii bine dimensionaţi, căderea de tensiune magnetică în fier este neglijabilă, rezultă că la determinarea forţei de atracţie se va lua în considerare numai variaţia energiei localizată în întrefierurile
de lucru. Pentru calculul forţei de atracţie la electromagneţii de curent continuu
considerăm un întrefier (δ) limitat de suprafeţe plan paralele de arie A, în ipoteza unui câmp magnetic Bδ constant după direcţia întrefierului. Forţa, care se exercită asupra armăturii mobile, se determină:
idx
d
x
WF
cti
m
2
1 (9.4)
cum:
N şi mUiN (9.5)
unde: Umδ este tensiunea magnetică în întrefier, considerată constantă
Avem:
dx
dUU
dx
dF mm
2
1
2
1 (9.6)
şi deoarece:
mU (9.7)
rezultă:
dx
dUF m
2
2
1 (9.8)
Pentru cazul considerat în figura 4 avem:
A0 (9.9)
125
şi deoarece forţa şi întrefierul variază în sensuri contrare, dδ = -dx, se obţine prin înlocuire în relaţia (9.8):
B
N
U A
1 2
Fig. 4 – Explicativă la calculul forţei
1 – armătura fixă; 2 – armătura mobilă
2
0202
2
1
2
1 AU
A
d
dUF mm (9.10)
Reprezentarea grafică a relaţiei (9.10) în fig. 5 arată că forţa dezvoltată creşte pe măsura micşorării întrefierului. Ţinând seama că:
mUBH şi AB (9.11)
expresia forţei dezvoltate de un electromagnet de curent continuu, în ipoteze
acceptate este:
A
ABF
0
2
0
2
22 (9.12)
pF
F
max0
Fig. 5 – Dependenţa forţei de întrefier pentru EM de c.c.
Dacă armătura mobilă este în poziţia "atras" (δ 0) şi se consideră inducţia Bδ
= Bf, se obţine expresia forţei portante a electromagnetului (vezi fig. 4).
126
0
2
2
ABF
f
p (9.13)
Relaţiile stabilite pentru calculul forţei de atracţie dezvoltată de electromagnet evidenţiază dependenţa pronunţată de întrefier a acesteia, în sensul că la întrefieruri mici se obţin forţe mari, care scad însă rapid cu creşterea
întrefierului (fig. 5). Acest lucru constituie însă un dezavantaj în acele aplicaţii ale electromagneţilor în care este necesară realizarea unei forţe constante pe întregul
parcurs al acţionării. Din aceste considerente, s-au conceput numeroase forme pentru armăturile electromagnetului astfel încât permeanţa dintre ele să depindă mai mult sau mai puţin de întrefierul de lucru-
Fig 6-reprezintă caracteristica în funcţie de care se poate determina punctul de funcţionare.
0A B
CD
d
mfdU
m fUmU
mU
mU
Fig. 6 – Determinarea grafică a punctului de funcţionare corespunzător inducţiei
optime
Pentru calculul forţei de atracţie la electromagneţii de curent alternativ monofazat, ţinem seamă că electromagneţii de curent alternativ, relaţiile de calcul
(9.12) stabilite pentru forţa de atracţie în curent continuu dau valoarea momentană a acestei forţe în funcţie de valoarea momentană a curentului. Se pot astfel stabili, pentru regimul permanent, relaţiile analitice de calcul care dau variaţia în timp a forţei
dezvoltate de electromagnet. Pentru un curent de excitaţie sinusoidal de forma:
tli sin2 (9.14) inducţia magnetică în întrefier se poate scrie:
127
tBB m sin (9.15)
şi pornind de la relaţ ia (9.12) se obţine pentru valoarea momentană a forţei o
relaţie de forma:
tFF
tFtAB
F mm
m
m 2cos22
sinsin2
22
0
2
(9.16)
unde s-a notat forţa maximă cu expresia:
0
2
2
ABF m
m (9.17)
Din relaţia (9.16) rezultă că forţa momentană, dezvoltată de electromagnetul de curent alternativ are două componente: una continuă şi una variabilă, a cărei
frecvenţă
este dublul frecvenţei curentului de excitaţie (2
mc
FF , t
FF m
v 2cos2
).
Forţa
rezultantă, reprezentată în figura 7, pulsează de la valoarea zero la valoarea maximă Fm, de două ori în fiecare perioadă a inducţiei. Valoarea medie a forţei este:
cm
T
m ed FF
dtFT
F2
1
0
(9.18)
0 2 t
B
F
c medF F
maxF
F B
Fig. 7 – Variaţia în timp a forţei
Se constată că forţa medie, care este forţa utilă, este egală cu componenta constantă
a forţei de atracţie a EM de c.a. Componenta variabilă a forţei generează vibraţia nedorită a armăturii mobile a electromagnetului.
128
Comparând forţele dezvoltate de un electromagnet de curent continuu (9.12) cu cea a unuia de curent alternativ (9.18), în ipoteza că inducţiile în întrefier sunt
egale (Bδc =Bδm), se constată că forţa utilă de atracţie a electromagnetului de curent alternativ este jumătate din forţa dezvoltată de electromagnetul de curent continuu.
Pentru calculul forţei de atracţie la electromagneţii de curent alternativ
trifazat plecăm de la prezentarea schematică a unui electromagnet trifazat, cu bornele 1, 2, 3, legate la o reţea trifazată şi având un întrefier δ egal pe cele trei
coloane, fig 8. Forţa dezvoltată de electromagnet, care acţionează asupra armăturii mobile, rezultă ca sumă a forţelor dezvoltate pe cele trei coloane, privite fiecare în parte ca un electromagnet monofazat.
1 2 3
Fig. 8 – Electromagnetul trifazat
tFF m
2
1 sin
3
2sin 2
2 tFF m (9.19)
3
4sin 2
3 tFF m
Forţa totală exercitată asupra armăturii mobile este:
3
4sin
3
2sinsin 222
321 tttFFFFF mt
22
2 cos2
3sin
2
1cos
2
3sin
2
1sin tttttFF mt
129
0
2
22
13
3
2 ABFF m
mt (9.20)
Deci, forţa dezvoltată este constantă în timp şi de trei ori mai mare
decât forţa medie a unei coloane. Deşi forţa nu depinde de timp, punctul de aplicaţie al acestei forţe se deplasează pe armătură, deoarece pe rând forţa maximă trece de la o coloană la alta, ceea ce poate genera vibraţii ale armăturii
mobile. Pentru calculul forţei de atracţie, la electromagneţii de curent
alternativ monofazaţi, prevăzuţi cu spiră în scurtcircuit, plecăm de la ipoteza reală că forţa momentană dezvoltată de un electromagnet monofazat trece periodic prin valoarea zero. În aceste momente, sub acţiunea forţei antagoniste a unui
resort, armătura mobilă are tendinţa de îndepărtare. Atragerea armăturii cu o pulsaţie dublă faţă de pulsaţia reţelei produce o vibraţie caracteristică.
Pentru eliminarea vibraţiilor se recurge la două soluţii: a) la electromagneţii monofazaţi se plasează în piesa polară, în zona întrefierului, o spiră în scurtcircuit (spiră ecran) prin a cărei reacţie inducţia în
întrefier nu mai atinge valoarea zero; b) se utilizează electromagneţi trifazaţi, în care caz forţa rezultantă nu mai
depinde de timp (9.20). Considerăm o porţiune dintr-un electromagnet de curent alternativ monofazat având o parte din suprafaţa polului ecranată cu o spiră în scurtcircuit
şi considerat în poziţia de întrefier minim. În lipsa spirei, cele două fluxuri ce străbat suprafeţele ecranată şi neecranată sunt în fază, determinând un flux total.
În cazul prezenţei spirei în scurtcircuit, fluxul ce străbate zona ecranată induce în spiră o tensiune electromotoare ce generează un curent, rezultând un flux ce reprezintă fluxul de reacţie a spirei în scurtcircuit. Fluxul rezultant în zona
ecranată determinat prin compunerea vectorială a celor două fluxuri este defazat
faţă de fluxul porţiunii neecranate cu un unghi .
Cunoscându-se rezistenţa spirei în scurtcircuit, se alege materialul şi se determină
dimensiunile spirei în scurtcircuit, ţinându-se seama că spira poate lucra la temperaturi de 120 ÷150°C. Valoarea momentană a forţei dezvoltată de electromagnetul de curent
alternativ, cu spiră în scurtcircuit, rezultă ca o sumă a forţelor existente în ariile neecranate şi ecranate:
ttF
FFnm
nmn2cos1
2sin
2 (9.21)
22cos12
sin 2 ttF
FFem
eme
130
Forţa rezultă:
22cos2cos2
1
2
1tFtFFFFFF emnmemnmen
(9.22)
se compune dintr-o forţă constantă (Fc) şi o forţă variabilă (Fv). În figura 9 s-au reprezentat variaţiile inducţiilor în porţiunile ecranate şi
neecranate, defazate cu unghiul β şi diagrama forţelor momentane rezultă ca sumă a forţelor pe porţiunile ecranate şi neecranate.
Fig.1.19. Diagramele inducţiilor şi forţelor
Se observă că pulsaţia forţei rezultante în întrefier este de două ori mai mare decât pulsaţia inducţiei, iar defazajul dintre forţele rezultante este 2β.
Deoarece maximul şi minimum acestor forţe nu coincid în timp, forţa rezultantă va avea în fiecare moment o valoare mai mare decât zero. Vibraţia cea mai mică se obţine punând condiţia ca forţa variabilă să fie zero. Această condiţie se
realizează dacă:
emnm FF şi tt 22 (1.93)
9.2. Test de evaluare
1.La determinarea forţei de atracţie se va lua în consideraţie: a. variaţia tensiunii şi a frecvenţei b. variaţia energiei localizate în întrefierurile de lucru
c. zonele ocupate de fluxurile de dispersie R: b
2.Electromagneţii sunt utilizaţi:
131
a. la variaţia parametrilor unui echipament electric b. la realizarea cuplelor electromagnetice
c. ca organ motor al aparatelor electrice R: b,c 3.Sistemul magnetic ce apare în cazul electromagneţilor joacă rol de:
a. sistem de cuplaj între sistemul electric şi cel mecanic b. amortizor
c. modificare a întrefierului R: a
9.3. Lucrare de verificare
1. Care sunt componentele modelului fizic al unui electromagnet? 2. Care sunt soluţiile pentru eliminarea vibraţiilor de electromagneţi? 3. Cum se calculează forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu?