ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE APARATELOR ELECTRICE Aparatele electrice sunt

ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE APARATELOR ELECTRICE Aparatele electrice sunt ansambluri de elemente heterogene, care asigurǎ comutaţia, controlul, reglajul şi protecţia, în circuitele în care sunt incluse. Pentru a-şi realiza funcţionalitatea, acestea conţin elemente constructive fundamentale (cǎi de curent, contacte, camere de stingere), dar şi accesorii specifice (lamele bimetal, electromagneţi etc. ).

ELECTROMAGNETI • Electromagneţii sunt ansambluri larg utilizate în electrotehnicǎ sau/şi în automaticǎ, intervenind atât ca surse de energie, fiind bine adaptaţi pentru acţionarea aparatelor electromagnetice de comutaţie, cât şi ca elemente de protecţie (relee) sau de automatizare (de execuţie). Electromagneţii sunt definiţi ca fiind dispozitive, care transformǎ energia electricǎ primitǎ de o bobinǎ de la o sursǎ de alimentare, în energie a câmpului magnetic, localizatǎ mai ales la nivelul întrefierului de lucru şi concretizatǎ în acţiuni mecanice (forţe sau cupluri) care pot realiza deplasǎri utile, predeterminate şi univoce, în sensul micşorǎrii întrefierului. Sursa de alimentare poate fi de tensiune sau de curent, cu funcţionare în curent continuu sau în curent alternativ.

ELECTROMAGNETI • Principalele pǎrţi componente ale electromagneţilor, sunt : • bobina (de tensiune sau de curent), 1, care este eventual amplasatǎ pe o carcasǎ ; • miezul feromagnetic, ce cuprinde elemente fixe, 2, dar şi elemente mobile, cum este armǎtura mobilǎ, 3, (cu mişcare de rotaţie sau de translaţie); • întrefierul de lucru, 4, (existǎ şi întrefieruri parazite, mult mai mici), situat între elementele fixe şi cele mobile ale miezului.

ELECTROMAGNETI • electromagneţi cu circuit magnetic ramificat 1 -bobina, 2 -opritorul, 3 -armǎtura mobilǎ, 4 -întrefierul de lucru

ELECTROMAGNETI • Electromagneţi polarizaţi, cu macar doua surse de solenatie, una continua (magnet permanent) de polarizare

ELECTROMAGNETI • Clasificarea electromagneţilor: • Dupa miezului feromagnetic mai evidenţiazǎ posibilitatea realizǎrii acestuia din fier masiv (de obicei în c. c. ) sau din tole (obişnuit în c. a. ) • Dupa circuitul bobinei electromagneţi cu bobinǎ de tensiune (cu spire numeroase şi subţiri) şi respectiv electromagneţi cu bobinǎ de curent (cu spire puţine, iar la limitǎ una singurǎ şi cu rezistenţǎ electricǎ mai micǎ desigur faţǎ de bobinele de tensiune) • Dupǎ valorile timpului de acţionare electromagneţii pot fi: • ultrarapizi, cu acţionare în timp de ordinul milisecundelor (de obicei electromagneţii polarizaţi); • rapizi, cu timpi de acţionare de ordinul 10 -2 secunde, (de obicei electromagneţii de c. a. ); • lenţi, cu timpi de acţionare de ordinul 0, 1 -0, 2 secunde, (de obicei electromagneţii de c. c. ). • Dupǎ ipotezele care pot fi acceptate în legǎturǎ cu studiul lor, electromagnetii pot fi: - cu solenaţie constantǎ (ipotezǎ valabilǎ pentru electromagneţii de c. c. ) - cu flux constant (ipotezǎ preferatǎ pentru electromagneţii de c. a. )

ELECTROMAGNETI • Elementele de bazǎ ale unui electromagnet sunt: • bobina, care reprezintǎ circuitul electric; • miezul, care reprezintǎ circuitul magnetic; • armǎtura mobilǎ şi accesoriile aferente, care reprezintǎ ansamblul mecanic. • Fiecare dintre aceste ansambluri sunt descrise de relatii specifice, dar important este sa studiem electromagnetii ca un sistem unic cu interactiunile dintre partile componente

MǍRIMI ŞI RELAŢII DE BAZǍ ÎN STUDIUL ELECTROMAGNEŢILOR • Mǎrimi şi relaţii de bazǎ cu privire la circuitul electric al electromagneţilor. Scheme echivalente pentru circuitul electric al electromagneţilor δ(t), L[δ(t)]

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ cu privire la circuitul electric al electromagneţilor • Dependenta inductantei de intrefier

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ cu privire la circuitul electric al electromagneţilor • Ecuaţia care descrie comportarea electricǎ a circuitului bobinei unui electromagnet: pentru poziţia de întrefier iniţial (maxim) pentru poziţia de întrefier final (minim) pe durata mişcǎrii armǎturii mobile forma echivalentǎ ce evidentiaza viteza de miscare a armaturii mobile, v

• Mǎrimi şi relaţii de bazǎ cu privire la circuitul electric al electromagneţilor Cu privire la acţionarea electromagneţilor

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Circuitul magnetic al electromagneţilor, este un ansamblu de materiale feromagnetice, care asigurǎ trecerea fluxului magnetic cǎtre zona activǎ a întrefierului de lucru, pe seama solenaţiei proprii bobinei, ale cǎrei spire sunt parcurse de curentul „i”. • Practic bobina electromagneţilor este deci un element dual, care intervine prin parametrii R şi L(δ) în circuitul electric de alimentare, respectiv prin solenaţia produsǎ, în circuitul magnetic de cele „N” spire, F = Ni. • Calculul circuitelor magnetice are la bazǎ analogia electric-magnetic, care face sǎ corespundǎ fluxul magnetic - curentului I, reluctanţa magneticǎ - rezistenţei R şi respectiv solenaţia F - tensiunii electromotoare E. • [Wb] Legea lui Ohm pentru circuite magnetice [A]

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • In cazul circuitelor magnetice ramificate se folosesc teoremele lui Kirchhoff pentru circuite magnetice, care se enunţǎ astfel: • suma algebricǎ a fluxurilor magnetice , incidente unui nod de circuit magnetic, este nulǎ, ce reprezintǎ prima teoremǎ a lui Kirchhoff pentru circuite magnetice: • suma algebricǎ a cǎderilor de tensiune magneticǎ, , ce intervin pe ramurile unui ochi al unui circuit magnetic ramificat, este egalǎ cu suma algebricǎ a solenaţiilor , surselor care intervin pe acele ramuri

• Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor Schema magneticǎ echivalentǎ pentru un electromagnet Ipotezele pentru calculul miezului electromagnetilor -considerarea parametrilor circuitului magnetic ca fiind concentraţi (deşi aceştia sunt de fapt uniform distribuiţi), -neglijarea fluxurilor magnetice de dispersie (deşi dispersia magneticǎ este de fapt importantǎ, în condiţiile în care gradul de comutaţie magneticǎ este de doar 1000 -100000 -considerarea solenaţiei concentrate, F , desi fizic este uniform distribuitǎ, pe coloana pe care este amplasatǎ bobina

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Punct optim de funcţionare pentru un circuit magnetic neramificat • Se considerǎ un electromagnet de c. c. cu miez de tip U-I, prevǎzut cu o bobinǎ de tensiune care produce o solenaţie F, energia câmpului magnetic, Wmagnδ, este localizatǎ în principal la nivelul întrefierului de lucru, δ , aceasta fiind proporţionalǎ cu produsul Valorile maxime ale energiei magnetice presupun ca derivata acesui produs sa fie nulǎ

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Corespunzator rezulta succesiv: ceea ce semnaleaza faptul ca existǎ o interdependenţǎ între poziţia armǎturii mibile, δ şi valoarea fluxului magnetic din miez. Dacǎ se considerǎ acum solenaţia dezvoltatǎ de bobina electromagnetului, F, , ca având o componentǎ corespunzǎtoare circuitului magnetic din fier, F Fe şi o componentǎ corespunzǎtoare întrefierului de lucru, Umδ, se poate scrie relaţia: F = FFe + Umδ dupǎ împǎrţirea la lungimea circuitului magnetic din fier, si considerând solenaţia raportatǎ, f, rezulta: f = HFe + fδ f = F/ HFe = FFe/ fδ =Umδ/

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Cum funcţionarea electromagneţilor de curent continuu decurge la solenaţie constantǎ, prin derivarea energiei magnetice în raport cu variabila se obţine: )=

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Cu privire la punctul optim de funcţionare pentru un miez feromagnetic neramificat Semnalǎm faptul cǎ, pe seama considerentelor prezentate mai sus, stau la baza realizǎrii unui calcul expeditiv al circuitelor magnetice neramificate, cu o precizie acceptabilǎ, folosind metoda raportǎrii

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Calculul circuitelor magnetice cu armǎturǎ mobilǎ interioarǎ bobinei, specifice electromagneţilor de tip plonjor, trebuie sǎ considere intervenţia dispersiei magnetice, deoarece fluxurile de dispersie contribuie la realizarea forţei de atracţie a acestora. • In plus se impune şi considerarea solenaţiei înfǎşurǎrii ca fiind uniform distribuitǎ, în concordanţǎ cu sonstrucţia „suplǎ” sau „înaltǎ” a bobinei acestor electromagneţi, ce sunt utilizaţi de obicei în c. c.

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • fluxul de dispersie elementar d , corespunzǎtor elementului infinitesimal dx, situat la distanţa x de la baza miezului, v. figura anterioara, se scrie: pentru lungimea z a plonjorului, obtinându-se: Corespunzǎtor fluxului magnetic total, considerând spirele bobinei uniform distribuite pe înǎlţimea hb ca fiind ( ), deci la nivelul lui dx sunt spire, rezultǎ succesiv: iar pentru întreg plonjorul de lungime z se obtine:

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ pentru circuitul magnetic al electromagneţilor • Un raţionament similar la nivelul opritorului de lungime m, care defineşte fluxul , permite sǎ scriem expresia fluxului magnetic total, , sub forma iar energia câmpului magnetic este: care evidenţiazǎ atât contribuţia întrefierului de lucru cât şi aportul opritorului şi al plonjorului

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ referitoare la ansamblul mecanic al electromagneţilor • Ansamblul mecanic al electromagneţilor cuprinde armǎtura mobilǎ a acestora, ca şi toate elementele ataşate acesteia, considerându-le şi pe cele cu rol de susţinere sau de ghidare a mişcǎrii sale univoce. • Pentru evaluarea stǎrii de mişcare la nivelul armǎturii mobile a unui electromagnet, se impune definirea acţiunilor mecanice utile (forţe sau cupluri de atracţie), ca şi a acţiunilor mecanice rezistente, care se opun mişcǎrii, (frecǎri, mase în mişcare, resorturi antagoniste etc. ).

Mǎrimi şi relaţii de bazǎ referitoare la ansamblul mecanic al electromagneţilor • Astfel, pentru un aparat electromagnetic de comutaţie, de tip contactor de c. a. , cu mişcare de translaţie a ansamblului mobil, diagramele forţelor active, F(δ) şi rezistente, FR(δ) sunt date în figura de mai jos

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu. Factori de influenţǎ • Pentru evaluarea forţei de atracţie dintre douǎ piese polare de suprafaţǎ S (cu versorul corespunzǎtor elementului de suprafaţǎ infinitezimalǎ d. S), prin care se închid linii de câmp magnetic de inducţie magneticǎ , se apeleazǎ la relaţia lui Maxwell:

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu. Factori de influenţǎ • Forta de atractie se poate defini si ca forţa generalizata la nivelul întrefierurilor de lucru, Fx .

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu. Factori de influenţǎ • Dacǎ pentru acelaşi electromagnet de tip U-I se scrie expresia energiei câmpului magnetic sub forma unde permeanţa întrefierului, se calculeazǎ cu ajutorul relaţiei

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu. Factori de influenţǎ • Forta de atractie in cazul unui întrefier cilindric, obţinut între un cilindru exterior de diametru D şi un cilindru interior (armǎturǎ mobilǎ) de diametru d

• Forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu. Factori de influenţǎ In cazu electromagneţilor de tip plonjor cu circuit magnetic deschis In cazul unui electromagnet cu întrefier conic sau tronconic

• Forţa de atracţie la electromagneţii de curent continuu. Factori de influenţǎ In cazul unui electromagnet cu mişcare de rotaţie a armǎturii mobile Menţionǎm cǎ influenţa geometriei miezului feromagnetic asupra forţei de atracţie pentru electromagneţi, este completatǎ de faptul cǎ poziţia bobinei electromagnetului în raport cu întrefierul poate favoriza obţinerea unor forţe de atracţie mai mari, dacǎ aceasta este mai aproape de întrefierul de lucru. Putem afirma cǎ acţiunea mecanicǎ asupra armǎturii mobile a electromagneţilor este influenţatǎ de o multitudine de factori, a cǎror cunoaştere permite realizarea unor construcţii performante pentru asemenea dispozitive.

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent alternativ • Curentul ce parcurge spirele bobinei electromagnetului variaza armonic în timp la fel ca şi inducţia magneticǎ sau fluxul magnetic din miez

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent alternativ • Expresia forţei de atracţie pentru electromagneţii de curent alternativ, pune în evidenţǎ o valoare medie, Fmed, egalǎ practic cu componenta oscilantǎ a forţei lor de atracţie, Fosc, care sunt definite de relaţiile: Tinând seama de faptul cǎ funcţionarea unui dispozitiv electromagnetic presupune dezvoltarea unor forţe active cu valori superioare forţelor rezistente, rezultǎ faptul cǎ existǎ intervale de timp în care armǎtura mobilǎ are tendinţa de a se desprinde de piesele fixe ale miezului feromagnetic, dupǎ care va fi din nou atrasǎ de miez, putându -se manifesta deci vibraţii ale armǎturii mobile a electromagneţilor de curent alternativ, de frecvenţǎ audio, dublǎ faţǎ de aceea a sursei de alimentare a circuitului bobinei.

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent alternativ • Curentul ce parcurge spirele bobinei unui electromagnet de c. a. are valoarea pentru asemenea electromagneţi valorile curentului I, fiind practic proporţionale cu întrefierul δ Forţa de atracţie F(t), pentru un electromagnet monofazat de tip U-I de curent alternativ, are valori care depind de pǎtratul solenaţiei, dar şi de pǎtratul întrefierului caracteristica electromecanicǎ F(δ) în c. a. este mai puţin cǎzǎtoare decât în cazul acelorasi electromagneţi la functionarea înc. c.

Forţa de atracţie la electromagneţii de curent alternativ • Comparând caracteristica Fcc(δ) corespunzǎtoare funcţionǎrii în cc, pentru un electromagnet de tip U-I de exemplu, cu caracteristica Fca(δ) corespunzǎtoare aceluiaşi electromagnet la funcţionarea în ca, (pentru valorile medii ale forţei), se constatǎ cǎ la alimentarea circuitului bobinei în curent alternativ funcţionarea poate decurge la valori mari ale întrefierului, pentru o forţǎ rezistentǎ FR datǎ, deşi forţa portantǎ în curent alternativ este doar jumǎtate din valoarea acesteia la funcţionarea în curent continuu, în condiţiile în care bobina realizeazǎ aceeaşi solenaţie

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Soluţia pentru eliminarea vibraţiilor, este aceea de a asigura acţiunea localǎ, în zona întrefierului, a douǎ fluxuri magnetice, defazate cu unghiul θ între ele, şi , respectiv intervenţia inducţiilor magnetice B 1(t) şi B 2(t), astfel încât, prin compunerea forţelor de atracţie corespunzǎtoare, F 1(t) şi F 2(t), forţa rezultantǎ F 3(t), prezintǎ valori minime nenule, mai mari decât forţa rezistentǎ, FR, evitându-se astfel asemenea manifestǎri.

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Pentru obţinerea celor douǎ fluxuri magnetice defazate se pot folosi douǎ miezuri care acţioneazǎ asupra aceleiaşi armǎturi mobile, cu douǎ bobine alimentate de la douǎ surse de tensiune defazate între ele

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Cea mai simplǎ soluţie pentru a obţine acţiunea localǎ, în zona pieselor polare, a douǎ fluxuri magnetice defazate, apeleazǎ la spire în scurtcircuit (sau spire ecran )

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Datoritǎ intervenţiei locale a spirei ecran, în zona pieselor polare, se manifestǎ un flux produs de aceasta, astfel încât, acceptând fazorii corespunzǎtori, fluxurile magnetice rezultante în zona ecranatǎ şi respectiv în zona neecranatǎ respectiv vor fi

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Modulelor acestor fluxuri magnetice defazate sunt

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Fluxurile magnetice rezultante în zona ecranatǎ, respectiv în zona neecranatǎ a pieselor polare genereazǎ componente medii şi oscilante ale forţei de atracţie, astfel: obţinând pentru forţa minimǎ de atracţie rezultând final

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Amplasarea spirelor în scurtcircuit pentru diferite tipuri de miezuri feromagnetice, tipice pentru electromagneţii monofazaţi

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Pentru electromagneţii monofazaţi de tip E-I, realizaţi cu secţiunea transversalǎ a coloanei mediane de douǎ ori mare decât aceea a coloanelor laterale, se obţine final: condiţii de funcţionare optimǎ a unor asemenea ansambluri electromagnet-spirǎ ecran m = 4

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • In cazul electromagneţilor trifazaţi de curent alternativ, care se realizeazǎ de obicei cu circuite magnetice E-I sau E-E

Problema vibraţiei armǎturii mobile la electromagneţii de c. a • Trebuie semnalat faptul cǎ vibraţiile armǎturii mobile a electromagneţilor de curent alternativ pot fi uneori utile, cum se întâmplǎ în cazul realizǎrii vibratoarelor electromagnetice, • Aceste vibratoare funcţioneazǎ de obicei unitact sau bitact, pe frecvenţa sursei de alimentare a bobinei, deci ca vibratoare sincrone, sau cu o frecvenţǎ dublǎ faţǎ de aceea a sursei de alimentare a circuitului bobinei, frecvenţa fiind inferioarǎ însǎ valorii de 100 [Hz]. • Pentru a obţine funcţionarea cu o anumitǎ frecvenţǎ a vibraţiilor, va trebui folositǎ o sursǎ de alimentare convenabilǎ. Se pot realiza de asemenea vibratoare electromagnetice de curent continuu, care funcţioneazǎ de obicei la frecvenţe mai scǎzute. • Pentru a obţine oscilaţii mecanice de frecvenţe ridicate, se folosesc fie vibratoarele electrodinamice (f < 20. 000 Hz), sau vibratoarele piezoelectrice, ce pot funcţiona chiar în domeniul ultrasunetelor

FUNCŢIONAREA ELECTROMAGNEŢILOR ÎN REGIM DINAMIC • Funcţionarea în regim dinamic a electromagneţilor presupune deplasarea armǎturii lor mobile, fie în sensul «acţionǎrii» , de la valoarea iniţialǎ (maximǎ) a întrefierului cǎtre valoarea nulǎ a întrefierului final, fie în sensul «revenirii» , de la valoarea iniţialǎ (nulǎ), a întrefierului iniţial, cǎtre valoarea finalǎ, maximǎ, a acestuia. • In asemenea situaţii intervine atât un regim tranzitoriu electric, în circuitul bobinei electromagnetului, cât şi un regim tranzitoriu mecanic, care implicǎ deplasarea armǎturii sale mobile si un regim tranzitoriu magnetic • ansamblul este descris de sisteme de ecuaţii diferenţiale neliniare pentru funcţionarea ce poate decurge • cu flux de pornire nenul(FPNN), • cu flux de pornire nul(FPN).

FUNCŢIONAREA ELECTROMAGNEŢILOR ÎN REGIM DINAMIC • Regimul dinamic de conectare la electromagneţi de cc decurge în 3 etape • o primǎ etapǎ, de regim tranzitoriu electric în circuitul bobinei electromagnetului de cc, respectiv regim tranzitoriu magnetic în miezul electromagnetului, care începe la alimentarea circuitului bobinei şi se sfârşeşte la începerea mişcǎrii armǎturii mobile a electromagnetului, (armǎtura mobilǎ nemişcatǎ în poziţia iniţialǎ) , iar pe durata t 1 a acesteia se modifica : -curentul electric din circuitul bobinei electromagnetului de inductanţǎ L 0, ca şi inducţia magneticǎ şi respectiv fluxul magnetic din miezul electromagnetului considerat, pânǎ ce aceste mǎrimi dobândesc valori „de pornire”, deci pentru care forţa de atracţie exercitatǎ asupra armǎturii mobile echilibreazǎ forţele rezistente, astfel încât apoi devine posibilǎ mişcarea armǎturii mobile, din poziţia iniţialǎ, cǎtre poziţia finala; • o a doua etapǎ, cu deplasarea armǎturii mobile a electromagnetului, din poziţia iniţialǎ cǎtre poziţia finalǎ de întrefier minim -inductanţa înfǎşurǎrii electromagnetului se modifica de la L 0 la L 1>L 0, care se referǎ deci la un regim tranzitoriu mecanic corespunzǎtor acestei deplasǎri, dar şi la un regim tranzitoriu electric în circuitul bobinei, respectiv la un regim tranzitoriu magnetic în miezul electromagnetului ce-şi schimbǎ starea de magnetizare, -aceasta etapǎ se caracterizeazǎ prin dependenţa (t) respectiv i(t), B(t) sau pe durata timpului de mişcare a armǎturii t 2 = ; • a treia etapǎ a regimului tranzitoriu de conectare pentru electromagneţii de curent continuu, care începe dupǎ terminarea mişcǎrii armǎturii mobile a electromagnetului, nemişcatǎ în poziţia „acţionat” (întrefier minim), deci cu inductanţa înfǎşurǎrii electromagnetului de valoare L 1 avand doar la evolouţia curentului electric i(t), respectiv a inducţiei magnetice B(t) sau a fluxului magnetic , durata acestei etape fiind t 3.

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELELOR BIMETAL • Bimetalele sunt ansambluri de douǎ metale cu coeficienţi de dilatare cât mai diferiţi, prinse intim între ele (prin sudare sau nituire), astfel încât prin încǎlzire, la capǎtul lor liber, acestea realizeazǎ o deplasare (liniarǎ sau unghiularǎ), completatǎ cu apariţia unor forţe sau cupluri mecanice • Acestea se pot concretiza în producerea unui lucru mecanic la capatul liber al lamelei bimetal

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE • Dacǎ se considerǎ un ansamblu de douǎ asemenea lamele bimetal, de secţiune transversalǎ dreptunghiularǎ, cu coeficienţii de dilatare α 1 şi α 2 • (α 2 > α 1), având lungimea iniţialǎ lo, în cazul încǎlzirii acestora la supratemperatura , se vor obţine firesc alungiri, prin dilatare, de valori • şi respectiv > care se pot evalua cu ajutorul relaţiilor:

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE • Impunând conditia ca alugirile celor doua lamele sa fie aceleasi: E 1 = E 2 = E şi S 1 = S 2 = S = bδ 1 = bδ 2 conditii de optim

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE • Solicitarea mecanicǎ la întindere, datoratǎ dilatǎrii diferite a celor douǎ componente ale lamelei bimetal pe seama încǎlzirii la supratemperatura notatǎ cu σî, se poate determina cu relaţia : δ = δ 1 + δ 2 = 2δ 1 = 2δ 2 , bδ = 2 S In secţiunea transversalǎ a lamelei bimetal apar de asemenea solicitǎri mecanice la încovoiere, σînc, cu valori ce depind de raza de curburǎ a lamelei, r, de poziţia punctului în care se evalueazǎ acestea faţǎ de secţiunea medianǎ, y dar şi de materialul lamelei prin modulul lui Young, E

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE • Realizarea unor lamele bimetal performante, presupune obţinerea unor valori cât mai mari ale sǎgeţii, f, cu un consum cât mai mic de material bimetalic (scump), ceea ce înseamnǎ asigurarea unor valori cât mai mici pentru raza de curburǎ, r. • Expresia razei de curburǎ a lamelei bimetal, r, este datǎ de relaţia: în care C este constanta lamelei bimetal, δ -grosimea totalǎ a acesteia, iar -supratemperatura

• • RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE Obtinerea valorilor maxime ale constantei C conduce la valori r Acestea se vor obţine când sunt satisfǎcute condiţii de forma min deci pentru E 1= E 2 , rezultǎ δ 1 = δ 2 , sau S 1 = S 2 Final se obţine

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE Cu privire la sǎgeata lamelei bimetal dreptunghiulare încastrate la un capǎt Deoarece valorile sǎgeţii specifice, Ko, sunt prea mici, caracterizarea materialului lamelei bimetal se face cu o valoare mult mai mare, K, ce este sǎgeata referitoare la o lungime de lamelǎ de 100 [mm] şi de grosime 1 [mm], la încǎlzirea cu un grad Celsius, K=10000 x Ko.

RELAŢII DE BAZǍ ÎN FUNCŢIONAREA LAMELEI BIMETAL DREPTUNGHIULARE • In cazul unei lamele bimetal de formǎ dreptunghiularǎ, încastratǎ la un capǎt, încǎlzitǎ la supratemperatura , pentru sǎgeata f (la capǎtul liber), corespunde o forţǎ F : ceea ce corespunde posibilitǎţii de a efectua un lucru mecanic, L Efortul mecanic de încovoiere, ce acţioneazǎ în secţiunea transversalǎ a lamelei bimetal , este dat de relatia

RELAŢII DE BAZǍ PENTRU LAMELE BIMETAL ÎN FORMǍ DE SPIRALǍ • Exista lamele bimetal în forma de spirala cu sageata unghiulara: • Momentul mecanic M, asociat acestei sǎgeţi unghiulare

RELAŢII DE BAZǍ PENTRU ALTE TIPURI DE LAMELE BIMETAL • Lamela bimetal de tip U, frecvent utilizatǎ pentru realizarea releelor şi declanşatoarelor de curent

• RELAŢII DE BAZǍ PENTRU ALTE TIPURI DE LAMELE BIMETAL Lamele bimetal subţiri suprapuse δ=nh Lnh = Lδ

ALTE TIPURI DE LAMELE BIMETAL Lamele bimetal sub formǎ de discuri

PROBLEME PRINCIPALE CU PRIVIRE LA UTILIZAREA LAMELELOR BIMETAL • Principalele probleme legate de utilizarea lamelelor bimetal se referǎ la: • modul de încǎlzire al lamelei; • compensarea funcţionǎrii dispozitivelor cu lamelǎ bimetal la variaţiile temperaturii ambiante; • asigurarea acţiunii bruşte pentru dispozitivele cu lamelǎ bimetal.

PROBLEMA ÎNCALZIRII LAMELELOR BIMETAL • Modul de realizare a încǎlzirii lamelei bimetal depinde de forma acesteia şi de aplicaţia doritǎ. In principiu aceasta poate decurge : • ca încǎlzire directǎ, pe seama efectului Joule-Lenz datorat trecerii curentului prin lamela bimetal • ca încǎlzire indirectǎ, pe seama unui fluid cu care lamela bimetal este în contact termic, fluid încalzit eventual de o rezistenta • ca încǎlzire mixta

PROBLEMA ÎNCALZIRII LAMELEI BIMETAL Incǎlzirea indirectǎ cu rezistenţǎ a lamelei bimetal Lamelǎ bimetal cu încǎlzire mixtǎ

PROBLEMA ÎNCALZIRII LAMELEI BIMETAL Lamelǎ bimetal cu încǎlzire directǎ Lamelǎ bimetal cu şunt

PROBLEMA ÎNCALZIRII LAMELEI BIMETAL • Lamelǎ bimetal alimentatǎ prin transformator de curent • O caracteristicǎ importantǎ a transformatorului de curent TC este liniaritatea caracteristicii IB(I 1), unde I 1 este curentul din circuitul de protejat, iar IB este curentul ce parcurge lamela bimetal, cu erori sub 10% în domeniul de valori ale curentului I 1 pentru care se asigurǎ protecţia. Semnalǎm faptul cǎ valorile raportului de transformare, (I 1/IB), pot fi de la (1/100 -1/1000).

COMPENSAREA VARIAŢIILOR DE TEMPERATURǍ ALE MEDIULUI AMBIANT • In acest scop se foloseste de obicei o lamela bimetal martor

COMPENSAREA VARIAŢIILOR DE TEMPERATURǍ ALE MEDIULUI AMBIANT • Lamelǎ bimetal specialǎ pentru compensarea variaţiilor temperaturii ambiante

ASIGURAREA ACŢIUNII BRUŞTE A RELEELOR ŞI DECLANŞATOARELOR CU LAMELǍ BIMETAL Evoluţia în timp a sǎgeţii lamelei bimetal f* = (0, 9 -0, 95) fmax

POSIBILITǍŢI DE UTILIZARE A LAMELELOR BIMETAL • Bloc trifazat de relee termice de suprasarcinǎ cu bimetal

POSIBILITǍŢI DE UTILIZARE A LAMELELOR BIMETAL • Dispozitiv cu lamela bimetal pentru controlul încǎlzirii înfǎşurǎrilor maşinilor electrice Un asemenea ansamblu conţine lamela bimetal 1, care încǎlzitǎ are poziţia 2, sprijinindu-se pe opritorul electroizolant 6. Atunci când lamela bimetal este rece, sau la o temperaturǎ sub limita de funcţionare, ea asigurǎ legǎtura electricǎ între piesele de contact 3 şi 4, putând fi parcursǎ de curentul I. Pentru o temperaturǎ a înfǎşurǎrilor maşinii electrice care depǎşeşte valoarea admisibilǎ, lamela bimetal ocupǎ poziţia 2 şi întrerupe contactul electric dintre piasele 3 şi 4, deoarece elementele 5 şi 6 sunt electroizolante. Ansamblul este plasat într-o carcasǎ metalicǎ, 7, realizatǎ din aluminiu de exemplu, cu dimensiunile de gabarit de (3 x 6 x 30) [mmc].

POSIBILITǍŢI DE UTILIZARE A LAMELELOR BIMETAL • Dispozitiv de protecţie împotriva supratensiunilor în telecomunicaţii Acest ansamblu cuprinde lamela bimetal 1, care, în condiţii normale nu atinge piesele de contact 4, amplasate în interiorul tubului de sticlǎ 3, umplut eventual cu gaz luminiscent, pentru a semnaliza funcţionarea la apariţia unei unde de supratensiune pe liniile conectate la bornele 4, când între lamela bimetal şi contactele 2 se amorseazǎ o descǎrcare electricǎ, iar lamela bimetal fiind parcursǎ de curent se încǎlzeşte şi dobândeşte forma 1*, asigurând punerea la pǎmânt a supratensiunii

POSIBILITǍŢI DE UTILIZARE A LAMELELOR BIMETAL • Releu de timp cu lamelǎ bimetal Lamela bimetal activǎ 1, se încǎlzeşte pe seama rezistenţei R, care este alimentatǎ cu un curent constant (de la o sursǎ de tensiune constantǎ), astfel încât dupǎ un timp, care corespunde sǎgeţii active (de valoare maximǎ δ), aceasta se deformeazǎ şi ocupǎ poziţia 1*, realizând contactul cu lamela bimetal martor, 2. Reglarea timpului de acţionare se realizeazǎ printr-un şurub de reglaj 3, prins pe lamela bimetal martor 2, care modificǎ valoarea sǎgeţii libere