Электрические и электронные аппараты: Сборник лабораторных работ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ Сборник лабораторных работ

Ульяновск 2005

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ Сборник лабораторных работ

Составитель: В. Ф. Ваничкин

Ульяновск 2005 1

УДК 621.316.37(076) ББК 31.264я7 Э46

Рецензент д-р техн. наук В. Н. Дмитриев Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета УлГТУ

Э46

Электрические и электронные аппараты : сборник лабораторных работ / сост. В. Ф. Ваничкин. – Ульяновск : УлГТУ, 2005. – 52 с.

Сборник лабораторных работ разработан в соответствии с программой курса «Электрические и электронные аппараты» и предназначен для студентов энергетического факультета, но может использоваться и студентами других специальностей. Лабораторные работы посвящены исследованию типовых устройств электрических аппаратов. Сборник подготовлен на кафедре ЭПиАПУ.

УДК 621.316.37(076) ББК 31.264я7

© Ваничкин В.Ф., составление , 2005 © Оформление. УлГТУ, 2005

2

СОДЕРЖАНИЕ

Требования по технике безопасности 4 Лабораторная работа № 1. Исследование электромагнитных контактных реле постоянного и переменного тока 8 Лабораторная работа №2. Исследование магнитного пускателя19 Лабораторная работа №3. Исследование реле времени25 Лабораторная работа №5. Исследование бесконтактного коммутационного аппарата 34 Лабораторная работа №6. Исследование бесконтактного магнитного усилителя39

3

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ При выполнении лабораторных работ в лаборатории электрических машин ввиду наличия большого количества агрегатов, имеющих вращающиеся части, повышенного в связи с этим шума, следует заострить особое внимание на ряде обстоятельств с целью предупреждения травмы человека током. 1. К работе допускаются студенты после получения инструктажа по технике безопасности и изучения инструкций с отметкой в журнале инструктажа под роспись. 2. Не следует забывать, что электрооборудование (электрические машины, аппараты и др.), используемое в лаборатории, выполнено для работы от сети с напряжением до 220 В, в то время как опасным для жизни следует считать напряжение более 36 В. 3. Во избежание несвоевременности принятия мер по оказанию помощи пострадавшему категорически запрещается выполнять работы одному. В каждой бригаде должно быть не меньше двух-трех студентов. 4. Перед включением напряжения следует убедиться в том, что все регулирующие аппараты и приборы (реостаты, потенциометры и др.) находятся в соответствующем исходном состоянии. 5. Прежде чем подать напряжение на опытную установку, необходимо предупредить об этом всех участников работы, а также убедиться, что никому из них не грозит опасность. 6. Если в процессе выполнения работы замечена какая-либо неисправность, необходимо немедленно отключить схему от сети и доложить преподавателю, ведущему занятие. Устранять неисправности самостоятельно студентам запрещается. 7. При работе с электроцепями переменного тока, содержащими конденсаторы, надо соблюдать особую осторожность в виду возможности повышенного напряжения на элементах схемы даже после ее отключения. 8. Во избежание получения травмы от вращающихся частей машин, прежде чем приступить к выполнению работы, необходимо: заправить одежду, застегнуть рукава, убрать волосы под головной убор. При проведении лабораторных работ з а п р е щ а е т с я : − работать без предварительно составленной схемы; − включать схему под напряжение без предварительной проверки и разрешения преподавателя; − производить включение, отключение, пересоединение в электрических схемах под напряжением; − пользоваться неисправным инструментом и оборудованием; − снимать и перевешивать предупреждающие или запрещающие плакаты или знаки; − загромождать рабочее место посторонними вещами; − оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением; − оставлять схемы включенными после окончания работы; 4

− заходить за монтажную часть стендов; − ходить без дела по лаборатории и отвлекать товарищей. Если произошел несчастный случай, н е о б х о д и м о: − снять напряжение со схемы; − оказать первую помощь пострадавшему; − сообщить о случившемся преподавателю; − при необходимости вызвать скорую помощь. ДЕЙСТВИЯ В СЛУЧАЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА 1. НЕМЕДЛЕННО СООБЩИТЬ О ПОЖАРЕ ПО ТЕЛЕФОНУ 01 и на пульт ОПС 43-03-17 (41-80-98 – для учебного корпуса №1) Пожар, как правило, возникает от небольшого очага горения и ликвидировать его в начале не представляет большой сложности. Вся беда в том, что многие граждане теряются в этот период, не знают, где находятся ближайшие средства связи – телефоны, забывают номера вызова пожарной помощи, впадают в оцепенение, проявляют медлительность в своих действиях. Все это приводит к быстрому развитию и распространению пожара, затрудняет ликвидацию его в начальной фазе. Чтобы исключить такие нежелательные явления, все без исключения граждане должны твердо знать, где находится ближайший телефон, ясно помнить номера вызова пожарного подразделения или добровольной пожарной дружины. 2. ПРИНЯТЬ МЕРЫ К ТУШЕНИЮ ОЧАГА ПОЖАРА ИМЕЮЩИМИСЯ СРЕДСТВАМИ ПОЖАРОТУШЕНИЯ Не следует дожидаться приезда пожарных подразделений, а без промедления использовать имеющиеся под руками первичные средства пожаротушения: воду, песок, огнетушители, тканевые материалы, смоченные водой и т. п., стараться погасить загорание в начале его возникновения. При пожарах нельзя создавать в помещениях сквозняки, раскрывать окна и двери, выбивать оконные стекла, тем самым способствовать развитию пожара. ВО ВСЕХ СЛУЧАЯХ ПРИ ЗАГОРАНИЯХ И ПОЖАРАХ ПРИНИМАТЬ НЕОТЛОЖНЫЕ МЕРЫ К СПАСЕНИЮ ЛЮДЕЙ ИЗ ГОРЯЩИХ ИЛИ ЗАДЫМЛЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ, ОРГАНИЗОВЫВАТЬ БЕЗОПАСНУЮ ЭВАКУАЦИЮ ЛЮДЕЙ И СОХРАННОСТЬ МАТЕРИАЛЬНЫХ ЦЕННОСТЕЙ Для ликвидации пожара с небольшими последствиями необходимо постоянно иметь в наличии первичные средства пожаротушения. Запрещается использование этих средств в хозяйственных и других целях. Прибывающие пожарные подразделения необходимо встречать и направлять к месту пожара, 3.

5

информируя при этом руководителя тушения пожара о ближайших водоисточниках, характере горения, об угрозе жизни людей в очаге пожара. В процессе тушения пожара оказывать посильную помощь пожарным подразделениям, помогать в разборке конструкций, эвакуации имущества и т. п. Только активные, совместные действия населения с работниками пожарной охраны позволяют в короткое время, без большого ущерба и гибели людей обуздать огневую стихию. Лица, присутствовавшие на пожаре наблюдателями, уклоняющиеся от участия в тушении пожара, создающие панику, атмосферу нервозности, подлежат привлечению к ответственности. ПОРЯДОК ПОЛЬЗОВАНИЯ ОГНЕТУШИТЕЛЕМ типа ОУ и ОП Огнетушители ОУ и ОП предназначены для тушения различных воспламенившихся веществ, горение которых не может происходить без доступа воздуха, пожаров класса А (тлеющих материалов), класса В (горючих жидкостей), класса С (газов) и электроустановок, находящихся под напряжением до 1 000 В. При тушении необходимо: − поднести (подвести) огнетушитель к очагу загорания; − проверить наличие рабочего давления, если есть манометр; − выдернуть чеку и, направив насадок (гибкий шланг) на очаг загорания, нажать клавишу (рукоятку); - тушение производить с расстояния не менее 1 м от очага загорания. Действия персонала кафедры при получении сигнала оповещения о пожаре. Включение сигнала оповещения о пожаре (постоянно звонящий звонок или речевое сообщение) говорит о том, что произошло возгорание, которое нельзя потушить своими силами, и жизням людей, находящихся в здании, угрожает реальная опасность. Главная задача в данном случае – спасение находящихся в здании людей. Проводящие занятия со студентами: 1. Если пути эвакуации свободны: • установить (выглянув в коридор), свободен ли от дыма путь до ближайшего эвакуационного выхода (выход из коридора на лестничную площадку). 6

• с помощью студентов выключить все имеющееся в аудитории электрооборудование, электроприборы; • построить с помощью старосты группы (одного из студентов) всех студентов в колонну по два; • вывести студентов из аудитории по свободным от дыма эвакуационным путям (согласно схеме эвакуации) на улицу: − при движении преподаватель находится в хвосте колонны, а староста в начале; − движение по лестничным клеткам осуществлять вдоль стены, не прижимаясь к перилам. • после вывода всей группы на улицу (в пункт сбора) проверить наличие студентов согласно списку; • сообщить о выводе группы и наличии студентов зав. кафедрой (ответственному по кафедре); • в дальнейшем действовать согласно распоряжениям ответственного за эвакуацию. 2. Если из-за сильного задымления или пламени нельзя покинуть

аудиторию. • Если коридоры и лестничные клетки сильно задымлены, и покинуть аудиторию нельзя, оставайтесь в аудитории, открыв настежь окна. • С помощью студентов выключите все имеющееся в аудитории электрооборудование, электроприборы (дежурное, аварийное освещение не выключать). • Закройте дверь и уплотните все щели с помощью подручных материалов или одежды – это может надолго защитить от опасной температуры вас и находящихся с вами студентов. • Не поддавайтесь панике и не допускайте ее возникновения со стороны студентов. • Постарайтесь сообщить администрации о своем местонахождении. • С прибытием к месту происшествия пожарных подойдите к окну и подайте знак об оказании Вам помощи. ПУНКТЫ СБОРА Для учебного корпуса № 1 − противоположная от учебного корпуса сторона ул. Энгельса, пер. Комсомольского. Для учебного корпуса № 3 − для эвакуированных через запасные выходы № 1, 2 – площадка теннисного корта с северной стороны здания, − для эвакуированных через главный выход, переход в корпус № 6 и выход через приемную комиссию – площадка перед корпусом № 6. 7

Для учебного корпуса № 4 – навес перед спортивным залом. Для учебного корпуса № 5 – строевой плац. Для учебного корпуса № 6 – главная аллея с южной стороны здания. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОНТАКТНЫХ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1) Цель работы

Ознакомление с конструкцией, принципом действия, областью применения и эксплуатационными способностями электромагнитных контактных реле, а также изучение переходных процессов в электромагнитных механизмах постоянного тока. 2) Общие сведения Реле называется устройство, в котором при определенном значении входного сигнала выходной сигнал скачкообразно принимает конечное число значений. Реле имеют широкое применение в системах автоматики, так как с их помощью можно: а) управлять большими мощностями на выходах посредством входных электрических сигналов сравнительно малой мощности; б) выполнять логические операции; в) создавать многофункциональные релейные устройства; г) осуществлять коммутацию электрических цепей; д) фиксировать отклонение контролируемого параметра от заданного уровня; е) выполнять функции запоминающего элемента и т. д. Реле классифицируются по различным признакам: по виду физических величин, на которые они реагируют; по выполняемым функциям в системе управления и назначению. По назначению и функциям, выполняемым в системах управления, различают реле защиты, управления и контроля. В конструкциях реле имеются воспринимающие органы, реагирующие на внешние воздействия, коммутирующие (исполнительные) органы, осуществляющие передачу воздействия от реле в управление цепи, промежуточные органы, перерабатывающие и передающие воздействия от воспринимающих органов к коммутирующим органам. Все эти органы могут быть явно выраженными или объединенными друг с другом. Широкое распространение в устройствах автоматики получили электромагнитные реле благодаря высоким коммутационным свойствам, сравнительно высокой надежности, возможности одновременного переключения большого числа цепей, многообразию конструктивных форм и 8

другими свойствами. Принцип действия электромагнитных реле основан на взаимодействии ферромагнитного якоря с магнитным полем обмотки, обтекаемой током. Воспринимающим органом реле является обмотка с магнитопроводом, коммутирующим органом – контакты; промежуточный орган образуется неподвижной частью и пружинами (возвратными, контактными). Основными характеристиками и параметрами реле являются: 1) параметры срабатывания Хср – значение входной величины (рис. 1), при достижении которой выходная величина изменяется скачком от 0 до Ymax (якорь притягивается); Y

Ymax

X Хср

Xотп Рис. 1

2) параметр отпускания Хотп – значение входной величины (рис. 1), при достижении которой в процессе последующего изменения Х происходит скачок выходной величины от Ymax до 0 (якорь отпадает); 3) коэффициент возврата Кв элемента релейного действия: Kв =

Х отп Х ср

< 1.

Коэффициент возврата определяет ширину характеристики; 4) коэффициент запаса Кз при срабатывании: Kз =

Х max ; Х ср

Kу =

Ymax ; Х ср

петли

релейной

5) коэффициент управления Ку:

6) время срабатывания – промежуток времени от подачи на вход сигнала Х=Хср до начала воздействия на управляемую цепь. По времени срабатывания различают нормальные (tср= 50÷150 мс), быстродействующие (tср < 50 мс), замедленные (tср=0,15÷1 с) реле и реле времени (tср > 1 с); 9

7) время отпускания - промежуток времени от подачи на вход сигнала Х=Хотп до начала воздействия на управляемую цепь. По роду входного тока различают реле переменного тока и реле постоянного тока. Из реле переменного тока в данной работе рассматривают реле защиты. В схемах защиты крупных и ответственных установок (мощных двигателей, трансформаторов) от перегрузок и короткого замыкания широко применяют реле тока и напряжения ЭТ и ЭН. На рис. 2 представлена конструкция реле тока серии ЭТ. 8 1

2

3 7 4

5 6

Рис. 2

Магнитопровод 1 шихтуется из листов электротехнической стали, обмотка реле 2 разделена на две секции и позволяет соединять их параллельно и последовательно и имеет Z-образную форму. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4, один конец которой связан с якорем, другой – с указателем установок тока срабатывания 5. Величина тока уставки указывается на шкале 6. Контактная система состоит из подвижных 7 и неподвижных 8 контактов. Плавным изменением начального натяжения пружины производится 10

регулирование тока уставки. За счет увеличения натяга пружин производится регулирования тока уставки. За счет увеличения натяга пружин можно ток срабатывания поднять в два раза. При переходе с последовательного соединения на параллельное, ток срабатывания увеличивается в два раза. Таким образом, реле позволяет регулировать ток срабатывания в пределах 1÷4 от номинального. Реле функционирует следующим образом: при протекании по обмотке реле тока, больше тока установки, момент, противодействующий электромагниту, оказывается меньше его собственного момента и якорь занимает положение, где меньше магнитное сопротивление, и, тем самым, замыкает (или размыкает) контакты. Реле серии ЭТ выпускаются на токи срабатывания от 0.5 до 200 А. Аналогичную конструкцию имеет реле напряжения серии ЭН. Отличие этих реле от реле тока состоит в том, что катушки выполнены с большим сопротивлением, так как подключаются к источнику напряжения. Реле серии ЭН могут работать на повышение напряжения выше напряжения установки, и минимально реагируя на понижение напряжения, ниже напряжения уставки. 6 7 1 8

3

9 10

2 4

11

5 Рис. 3

3

Электромагнитные реле постоянного тока выполняются с внешним притягивающимся якорем (рис. 3) и с втягивающимся якорем (рис. 4). Реле с внешним притягивающимся якорем представляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп, установленных на одном основании 5 (рис. 3). Магнитопровод реле состоит из ярма 11, сердечника 8 и якоря 6, выполненных из магнитомягкой стали. На сердечнике помещается каркас 9 с одной или несколькими обмотками 10. При протекании по обмотке электрического тока, якорь притягивается к сердечнику. Движение якоря через непроводящий штифт 3 передаётся на одну из контактных пружин и, в результате чего происходит замыкание подвижного 1 и неподвижного 2 контактов.

11

Возврат якоря в исходное положение после обесточивания обмоток осуществляется при помощи штифта 7. В реле с втягивающимся якорем (рис. 4) магнитопровод состоит из ярма 7,неподвижного сердечника 8 и якоря 3. Внутри ярма помещается катушка 5 с обмоткой 6. В исходном положении якорь удерживается пружиной 4. При срабатывании реле происходит замыкание подвижных 1 и неподвижных 2 контактов. 1 2 3 4

5 6 7 8

Рис. 4

Переходные процессы в реле постоянного тока складываются из нескольких этапов и представляют собой совокупность электромагнитного переходного процесса составления тока и магнитного потока с механическим переходным процессом движения якоря. В соответствии с этим, в осциллограммах нарастания и спадания тока при включении или отключении реле (рис. 5) можно различить три периода. Первый период – нарастание тока в катушке при неподвижном якоре (участок 0 – 1 на осциллограмме). В этот период тяговое усилие, развивается электромагнитным реле меньше суммарного противодействующего усилия. В точке 1 тяговое усилие начинает превышать противодействующее усилие, и якорь приходит в движение. При этом в катушке реле возникает электродвижущая сила, обусловленная движением якоря и действующая навстречу приложенному напряжению. Вследствие этого, ток во второй период (участок 1 – 2) замедляет свое нарастание и даже несколько спадает. В точке 2 якорь прекращает движение и притягивается 12

к сердечнику. В третий период (участок 2 – 3) происходит дальнейшее нарастание тока в катушке при неподвижном якоре. i

tтр1

tдв1 tср1

i

tтр2

tдв2 tср2

Рис.5

Промежуток времени от момента появления импульса до момента полного срабатывания реле называется временем срабатывания tср. 13

Оно складывается из времени трогания tтр и времени движения tдв подвижных частей реле до момента воздействия на исполнительный орган. Время переходного процесса зависит от величины активного и индуктивного сопротивления катушки, от усилий противодействующих пружин, от величины остаточного воздушного зазора при притянутом якоре и наличии короткозамкнутых контуров. 3) Описание лабораторного стенда и порядок выполнения работы Лабораторный стенд представляет собой панель, на которой смонтированы реле переменного напряжения типа РН и тока типа РТ, промежуточное реле постоянного тока типа РПН, а также соответствующие измерительные приборы, потенциометры, переключатели и контролирующие устройства-лампочки ЛС. Питание стенда осуществляется переменным напряжением 220 В и постоянным – 24 В при помощи автоматов А1 и А2. Порядок выполнения работы: 1. Ознакомиться с конструкцией реле переменного тока, представленной на стенде. 2. Собрать схему по рис. 6. Предварительно сделав уставку на шкале реле напряжения РН, проверить работу реле, контролируя срабатывание при помощи лампочки ЛС. Проверить точность срабатывания по показаниям на шкале реле и шкале вольтметра. РН РН А

∼220

ЛС

V Тр

Рис. 6

3. Плавно уменьшить напряжение, определить напряжение отпускания Uотп и, плавно увеличивая, определить напряжение срабатывания Uср. Определить коэффициент возврата Кв и коэффициент управления Ку. 4. Сделать тоже самое, собрав схему для исследования реле тока РТ. Схема испытания реле будет аналогична предыдущей, с той лишь разницей, что последовательно с катушкой реле тока необходимо включить амперметр. 5. Ознакомиться с конструкцией промежуточного реле постоянного тока типа РПН, схемой испытаний. 6. Собрать схему по рис. 7, включить автоматы А1 и А2. Плавно увеличивая напряжение потенциометром ПТ, а затем плавно уменьшая, 14

Р

А2

+ =24 V

-

А

Л С

РИ

РИ

А2

+ К V

∼220 В

А1

∼220

П Т

24

РИ

Рис. 7

секундоме р

определить напряжение срабатывания Uср и напряжение отпускания Uотп. Определить по этим данным коэффициент возврата Кв, коэффициент управления Ку и коэффициент запаса по срабатыванию Кз, зная номинальное значение напряжения на катушке реле Uр=24 В. 7. Для определения времени срабатывания, времени трогания и времени движения реле при включении и отключении собираются схемы согласно рис. 8 и рис. 9. Замыканием и размыканием переключателя К одновременно включаются (отключаются) реле постоянного тока и цепь электросекундомера. В зависимости от опыта блок-контакт реле подключает или отключает катушку электросекундомера. Производится запись показаний электросекундомера для каждого опыта. Вследствие разброса показаний, времена tср, tтр, tдв определяются как средние значения 3–4 измерений. 8. Исследования влияния на время срабатывания реле величины коэффициента запаса при включении Кзв=Uр/Uтр и отключении Кзо=Uр/Uотк аппарата. Для включения этого пункта необходимо величину рабочего напряжения принять в таких пределах, чтобы коэффициент запаса менялся от 1.2 до 4. Опыт производится аналогично предыдущему, причем для определения напряжения Uтр и Uотк собирается схема рис. 10, а электросекундомер включается по схемам рис.8 и 9. 4) Содержание отчёта 1. Наименование и цель работы. 2. Электрические схемы и данные испытаний. 3. Построить графики зависимостей tср = f(Кзв) и tср = f(Кзо) согласно пункта 8. 15

а) Схема для определения времени трогания при отключении реле

Р

А2

+ =24 V

К

А1

∼220

секундомер РИ

б) Схема для определения времени срабатывания при отключении реле

Рис. 8

4. Дать выводы по работе. 5. Ответить на 2-3 контрольных вопроса по указанию преподавателя. Контрольные вопросы 1. Какой физический смысл имеют коэффициент возврата Кв и коэффициент запаса Кз? 2. В чём отличие электромагнитных реле переменного и постоянного тока? 3. Какие требования предъявляются к электромагнитным реле? 4. Объясните осциллограмму спадания тока при отключении электромагнитного реле постоянного тока. 5 Объясните осциллограмму нарастания тока при включении электромагнитного реле постоянного тока. 6. Какова причина вибрации в электромагнитных реле переменного тока? Укажите способы устранения вибрации. 7. Какое применение находят электромагнитные реле в системах автоматики?

16

13

14

17

15

18

19

17

20

18

+

=24 V

ПТ

РИ

V2

Рис. 10

21

19 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПУСКАТЕЛЯ 1) Цель работы: ознакомиться с конструкцией, работой и эксплуатационными особенностями магнитного пускателя. 2) Общие сведения: магнитный пускатель является распространенным пусковым аппаратом в электроустановках и предназначен преимущественно для дистанционного управления электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Магнитный пускатель представляет собой комплексное устройство, состоящее из трехполюсного контактора переменного тока, двух тепловых реле (в некоторых типах пускателей они отсутствуют) и кнопок управления (пуск, стоп). Существуют пускатели реверсивные и нереверсивные. Реверсивные пускатели имеют два контактора, механически сблокированных для исключения одновременного включения. К магнитным пускателям предъявляются высокие требования в отношении износоустойчивости, коммутационной способности, четкости срабатывания, надежной защиты двигателя от перегрузок, минимального потребления мощности. Отметим следующие особенности работы магнитных пускателей. При включении асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором пусковой ток достигает 6-7 кратного значения номинального тока двигателя. При таких токах, даже незначительная вибрация контактов быстро выводит их из строя. С этой целью подвижные части и контакты магнитных пускателей делаются легче, уменьшают их скорость, увеличивают нажатие. В настоящее время выпускаются десятки типов магнитных пускателей: ПМЕ, МПКО, ПП-100, ПА, ПМ и другие. В данной работе исследуется пускатель серии ПА третьей величины нереверсивный. Магнитные пускатели этой серии предназначены для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором мощностью до 75 квт. на напряжение 500 В. при 50 Гц. И допускают не более 600 включений в час при ПВ – 40%. Пускатели серии ПА различаются: 1) По величинам (габаритам) I, II, III, IV, V, VI, предназначенные для различных диапазонов мощности управляемых двигателей; 2) По роду защиты от окружающей среды: открытые, защищенные и пылезащищенные; 3) По возможности реверсирования; 4) По наличию или отсутствию тепловой защиты; 5) По количеству и виду блок-контактов. 22

Конструкция магнитных пускателей серии ПА следующая. Магнитная система Шобразного типа располагается на плече в 2,5-3 раза большем, чем плечо контактной системы. Этим достигается повышенное нажатие на контактах и малая скорость в момент их соприкосновения, что в сочетании с другими мероприятиями уменьшает вибрацию и повышает электрическую износоустойчивость контактов. Сердечник амортизирован резиновым упором. Короткозамкнутый виток из алюминия запрессован в стержень сердечника. Контактная система мостового типа. Токопровод 20 осуществляется с двух сторон (сверху – ввод, снизу – вывод). Имеются две пары блок-контактов. Магнитные пускатели серии ПА выпускаются с тепловыми реле и без них. Используемые здесь реле типа ТРН представляют собой тепловые токовые двухполюсные термобиметалические реле открытого исполнения. Они предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок недопустимой продолжительности. На рис. I представлена конструкция теплового реле. Работа реле происходит следующим образом. Ток нагрузки, проходя через нагревательный элемент (спираль или пластину из нихрома) 1, нагревает биметаллическую пластину 2, которая состоит из двух пластин с различным коэффициентом линейного расширения α1 и α2. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены. При нагреве пластины она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом α и освобождает выступ тяги 5, которая под действием пружины 3 выталкивается вверх. Одновременно размыкаются контакты реле 4. чтобы вновь включить реле, необходимо подождать, пока не остынет биметаллическая пластина, и нажать кнопку возврата. Предел регулирования номинального тока уставки в пределах от 0,7 IH до 1,3 IH. Надежность и эффективность тепловой защиты достигается при совпадении временных характеристик по нагреву у реле и у двигателя. Биметаллическая пластина должна при данном токе перегрузки двигателя достигнуть температуры срабатывания за такое время, в течение которого двигатель может выдерживать данную перегрузку. Поэтому одной их основных характеристик теплового реле является время-токовая характеристика (рис. 2), выражающая зависимость времени срабатывания реле от тока, протекающего через него. 3) Описание лабораторного стенда и порядок выполнения работы. На лабораторном стенде смонтированы магнитный пускатель серии ПА-300, тепловое реле ТРН-25, соответствующие измерительные регистрирующие приборы. Магнитный пускатель осуществляет защиту асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором при перегрузке и нулевую защиту. Асинхронный электродвигатель нагружен на генератор постоянного тока, обмотка возбуждения которого питается через потенциометр R1 от источника постоянного тока, напряжением 220 В. нагрузочный момент на валу асинхронного электродвигателя можно регулировать посредством изменения возбуждения генератора. Принципиальная электрическая схема стенда представлена на рис. 3. Обведенное штриховой линией сборке не подлежит. Порядок выполнения лабораторной работы следующий: 23

1. Ознакомиться с конструкцией магнитного пускателя ПА-300 и теплового реле ТРН-25. 2. Собрать электрическую схему согласно рис. 3. 3. определить время срабатывания магнитного пускателя. Для этого включить автомат А1, нажать кнопку «ПУСК», по электросекундомеру определить время срабатывания и записать его. Выключить при помощи кнопки «СТОП» электродвигатель и выставит стрелку секундомера на ноль. Таким же 21 образом произвести 2-3 включения, по результатам эксперимента вычислить среднее время срабатывания. 4. исследовать работу тепловых реле. Уставку теплового реле выставит на ноль и включить автомат А2. По вольтметру V3 выставит на обмотке возбуждения генератора минимальное напряжение. Включить автомат А1 и запустить электродвигатель. Постепенно увеличивая напряжение на обмотке возбуждения, нагрузить асинхронный электродвигатель до номинального тока генератора IH = 6,3А. По часам зафиксировать время до момента отключения двигателя. Повторить эксперимент для уставок реле на токи 6А и 6,5А. Построить зависимость t = f ( I H ) по полученным данным и сравнить ее с кривыми на рис. 2. 4) Содержание отчета: 1. 5 Наименование и цель работы; 2. Электрические схемы и данные испытаний. 3. Построить графики зависимостей. 4. дать выводы по работе. 5. ответить на 2-3 контрольных вопроса по указанию преподавателя.

) Контрольные вопросы: 1. Какова конструкция магнитного пускателя. 2. Какую защиту осуществляет магнитный пускатель. 3. Как устроено тепловое реле первого рода. 4. Как обеспечить надежность и эффективность тепловой защиты электродвигателя. 5. Объяснить зависимости t = f ( I H ) , полученные экспериментальным путем. 6. Объяснить, почему двух тепловых реле достаточно для защиты электродвигателя от перегрузок?

24

22

5

1 4

2

3

Рис. 1 tCP.

1000 800 600 400 300 200 100 80 60 40 30 20 10 8 6 4

25 I

Рис. 2 23 Обведенное пунктиром сборке НЕ ПОДЛЕЖИТ

~ 220 B

А1

РТ П

C

К

К1

секундомер V

К3

К4

К5

К2 RH

А1 А2

PT

PT

V2

Г ОВГ

АД

V3

R1

Λ2 А2

26

Р2

+

-

Рис. 3 24 Л1 Л2 Л3

FU1

Л1

FU 2 FU 3

Л2

Л3 Кнопка управления Вперед КВ КК1

КВ

КВ

КВ

4

КК 2

6

1

2

КН КН КН Назад КН

КК1

1

6 4

КК 2

3

Стоп 5

27

6

Рис. 4. Схема включения реверсивного пускателя.

25 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является изучение конструкции, принципа действия различных типов реле времени, а также экспериментальное определение характеристик этих реле. II. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Реле времени представляет собой устройство, предназначенное для получения заданной выдержки времени при включении или отключении электрических цепей. Выдержка времени этих реле зависит от изменения какого-либо параметра управляемого процесса, поэтому реле времени являются важнейшим элементом в различных системах автоматики. В зависимости от назначения реле к ним предъявляются свои специфические требования, которые, естественно, накладывают отпечаток на принцип действия реле и его конструкцию. В современной технике широко используются реле времени с электромагнитным замедлением, реле с механическим замедлением, электронное реле времени. В настоящее время отечественная промышленность выпускает большое число модификаций реле с электромагнитным замедлением, выполненных на базе электромагнитов постоянного тока. Эти реле выполняется с магнитопроводами клапанного либо втяжного типа. Реле клапанного типа является более дешевым и технологичным. Так как надежность, и получаемы характеристики обеих реле примерна одинаковы, поэтому наибольшее распространение получило реле клапанного типа. Время срабатывания таких реле состоит из двух составляющих

t СР = t TP + t ДВ где

tTP – время трогания при срабатывании, t ДВ – время движения якоря при срабатывании.

Временем трогания при срабатывании называется промежуток времени от момента включения напряжения на обмотку реле до начала движения якоря. За это время ток в катушке реле изменяется от нуля до значения, при котором создается

28

электромагнитное тяговое усилие, способное преодолеть усилие противодействующей пружины. За время движения принимается промежуток времени от начала движения якоря до замыкания контактов. После замыкания контактов якорь может продолжать движение, преодолевая сопротивление контактных пружин. Время отпускания электромагнитного реле, т.е. время с момента выключения реле до размыкания его контактов, также содержит две составляющие

tОТП = tTP + t ДВ Для срабатывания электромагнитного реле необходимо наличие определенного магнитного потока, значение которого достигается не сразу в момент включения или выключения обмотки реле, а через определенное время. Замедляя нарастание или 26 спадание магнитного потока, можно регулировать время срабатывания реле. Эти задачи могут быть решены не только схемными, но и конструктивными методами. Во втором случае, кроме основной обмотки, на сердечнике магнитной системы размещается короткозамкнутый контур в виде медной гильзы или медных колец. При подаче напряжения в рабочую обмотку реле в сердечнике магнитопровода возникает магнитный поток. Изменение магнитного потока по амплитуде влечет за собой появление в короткозамкнутом контуре противо - ЭДС. Под её действием в контуре протекает ток, препятствующий нарастанию возбудившего его магнитного потока. Этот метод магнитного демпфирования позволяет при включении получить выдержку порядка 0,1-0,5 сек. Большие задержки времени получить трудно, так как нарастание магнитного потока в этом случае происходит при большом зазоре между якорем к сердечником. Малая индуктивность системы при отпущенном якоре определяет относительно быстрый рост магнитного потока. Применение магнитного демпфирования для замедления отпускания реле является более удобной задачей. Спад магнитного потока происходит при малом рабочем воздушном зазоре, т.е. при относительно большой индуктивности системы. Использование короткозамкнутого контура позволяет в этом случае получить выдержку от 0,2 до 10 сек. Регулирование времени срабатывания реле осуществляется изменением толщины немагнитной прокладки между якорем и сердечником (изменением величины остаточного воздушного зазора - грубая регулировка) или изменением натяжения противодействующей пружины (точная регулировка), Как отмечалось выше, магнитная система реле по конструктивному решению и характеру движения якоря бывает преимущественно клапанного П-образного типа с внешним поворачивающимся на призмах якорем. Электромагнитное реле (рис.1) состоит из магнитной системы, образованной Побразным сердечником 1 и якорем 5, втягивающей катушки 7, контактов 8 и возвратной пружины 8. Для предотвращения явления "залипания" якоря используется немагнитная прокладка 6, которая создает конечный воздушный зазор. Винт 4 – регулировочный, медная втулка 2 представляет собой короткозамкнутый контур для замедления срабатывания реле. Втягивающая катушка реле выполняется на напряжение от 12 до 220 вольт. Магнитопровод реле выполнен из стали "АРМККО" круглого сечения изогнутой в виде буквы П. Ярмо снизу заливается алюминием. Залитая часть служит основанием и короткозамкнутым витком, а также используется 29

как цоколь для крепления к нему контактного мостика и всего реле к панели. При проведении эксперимента необходимо менять медные втулки устанавливаемые на магнитопроводе. С этой целью необходимо сначало снять скобу, крепящую якорь к ярму, снять статорное кольцо и затем произвести замену втулки. Сборку производят в обратном порядке, при этом следят за тем, чтобы выступ в скобе якоря вошел в гнездо на керне. Электронные реле времени обладают высокой чувствительностью. Благодаря простоте изготовления, дешевизне, возможности получения большой частоты включений и высокой износоустойчивости эти реле получали очень широкое распространение. При сравнительно простых средствах электронные реле времени позволяют получить большой диапазон выдержек времени (от 10-3 – до десятков секунд), кроме того, 27 имеется возможность плавно регулировать выдержку времени. Наиболее широкое применение электронное реле находит в системах пуска и управления электрических машин. Принцип работы электронного реле основан на использовании инерционности заряда конденсатора через сопротивление, причем постоянная времени цепи и определяет время выдержки. Изменение выдержки времени может осуществляться изменением зарядного сопротивления или изменением зарядного напряжения, причем использование второго метода ограничено из-за малого диапазона регулирования. Реле времени ЭВ-237 широко применяется в различных схемах защиты и автоматики в качестве вспомогательного элемента для получения регулируемой замедленной передачи импульса от управляющего органа. Катушка реле не должна длительно находится под током. Реле, представленное на рис. 3, состоит из электромагнита, часового механизма на оси которого укреплен контактный мостик, и контактов, передвигаемых и устанавливаемых по окружности часового механизма. При подаче напряжения на катушку электромагнита 2 сердечник якоря 1 втягивается, преодолевая противодействие возвратной пружины. Одновременно скоба, укрепленная на нем, переключает мгновенный контакт 7. При этом освобождается часовой механизм 3, и под действием своей пружины он начинает работать, вращая ось с укрепленным на ней контактным мостиком. При движении сначала замыкается проскальзывающий контакт 5, а затем с выдержкой времени контакт 6. Время с момента подачи напряжения на катушку электромагнита до срабатывания реле регулируются изменением положения неподвижных контактов и указывается стрелками на шкале реле. Перемещая контактную панельку, укрепленную на часовом механизме, можно регулировать выдержку времени от 0,5 - до 9 сек. Моторные реле широко применяются для получения больших выдержек времени от долей минуты до нескольких часов. Механизм выдержки времени приводится в движение от специального электродвигателя, причем обычно используются синхронные микродвигатели. Основными частями моторного реле являются электродвигатель с редуктором, сцепляющий электромагнит и кулачок (профильная шайба) с контактами. Принцип устройства реле можно рассмотреть по схеме на рис. 4. При замыкании рубильника Р синхронный двигатель с редуктором начинает вращаться. 30

Одновременно с двигателем питание подается к электромагниту, который сцепляет зубчатые колеса Z1 и Z2. На одной оси с зубчатым колесом Z1 закреплена профильная шайба (кулачок). Поэтому двигатель начинает вращать профильную шайбу в направлении, указанном стрелкой, натягивая при этом пружину F2. Как только уступ выреза профильной шайбы подойдет к выступу рычага С, рычаг под действием пружины F3, проворачивается, размыкая контакты 1-2, управляющие двигателем, и замыкая контакты 3-4 управляющие внешней цепью. При размыкании контактов 1-2 синхронный двигатель останавливается, а профильная шайба остается в достигнутом положении до тех пор, пока ключ Р замкнут. При его размыкании сцепляющий электромагнит отпустит якорь, и под действием пружины F1 колеса Z1 и Z2 расцепляются. Профильная шайба под действием пружины F2 поверяется назад к упору. При этом контакты окажутся снова в исходном положении и реле времени готово к новому включению. 28 Изменяя положение упора, можно менять время выдержки. Точность выдержки времени в моторных реле зависит от качества изготовления деталей и обычно колеблется в пределах 0,25 - 5 сек. Для обеспечения надежной работы моторных реле времени необходимо поддерживать соответствующие внешние условия: отсутствие пыли, влаги, нормальная комнатная температура. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ На лабораторной стенде смонтированы реле времени РЭ-515, электронное реле времени РВЭ-Н41, реле времени ЭВ-237, моторное реле времени МРВ-26, соответствующие измерительные и регистрирующие приборы. Питание стенда осуществляется переменный напряжением 220 В и постоянным – 220 В посредством автоматов А1 и А2. Порядок выполнения работы следующий: А. Исследование реле РЭ-515. 1. Исследовать влияние на время срабатывания реле при отключении электромагнитного демпфирования. При проведении данного, опыта исследуется три варианта осуществления демпфирования (рис. 5): а) замыканием катушки накоротко; б) обрывом цепи катушки зашунтированной вентилем; в) с помощью гильзы При проведении опытов производится запись показаний электросекундомера и их сравнение. 2. Определить зависимость времени срабатывания реле при отключении от толщины немагнитной прокладки. Опыт производится для 4 значений толщины немагнитной прокладки. Для выполнения этого пункта используется схема, применявшаяся при выполнении пункта 1.в. Меняя толщину немагнитной прокладки для каждого ее значения по секундомеру определятся время срабатывания при отключении 31

t CP = f (d ) 3. Определение градуировочной характеристики реле. Опыт производится для той же схемы, что и в предыдущем случае (пункт 1.в.). Установив минимальное сжатие пружины, при котором происходит срабатывание реле при отключении, постепенно поворотом гайки затягивают пружину, увеличивая ее отбрасывающее усилие. Опыт производится для нескольких положений гайки, причем записывается число оборотов гайки и время срабатывания на каждом положении гайки

tCP = f (n) где n - число оборотов гайки. Б. Исследование реле времени ЭВ-237. 1. Собрать электрическую схему согласно рис. 6. 29 2. Проверить соответствие указанных на реле уставок действительным величинам выдержек времени. В. Исследование моторного реле времени МРВ-26. 1. Изучить конструкцию испытуемого реле и собрать электрическую схему согласно рис. 7. 2. Произвести включение контрольной лампы с выдержкой времени 6 и 9 минут. Результат фиксировать по ручным часам.

1. 2.

IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Наименование и цель работы. Электрические схемы и данные испытаний.

3. Построить графики зависимостей t CP = f (d ) согласно пункта А.2.; tCP = f (n) по пункту А.3 4. Дать выводы по работе 5. Ответить на два-три контрольных допроса по указанию преподавателя. V. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какова физика процесса отключения в реле времени с электромагнитным демпфированием? 2. Объяснить зависимость t CP = f (d ) . 5. Объяснить зависимость tCP = f (n) . 4. Каков принцип действия электронного реле времени РВЭ-Н41? 5. Дайте определение времени срабатывания реле при отпускании. 6. Каков принцип действия моторного реле времени МРВ-26?

32

30 4 1

2 3

5

6 7

8 I РАБ

Рис. 1 . ОБМ

I КЗ

t = 0

t

33

Рис. 2 31

1

7

6

5

2

3

4

Рис. 3

C

F2

P

1

F3

2 3 4 5

Z1

34 СД

Z2

ЭМ

Рис. 4

32

35

Рис. 5

33

Рис. 6

36

Рис. 7

34 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНОГО КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА 1) Цель работы: изучение назначения , принципа действия и устройства бесконтактных силовых коммутационных аппаратов , построенных на базе управляемых диодов-тиристоров. 2) Общие сведения: В настоящее время все большее распространение получают статистические бесконтактные аппараты автоматического управления. Автоматизация производственных процессов требует весьма сложных , разнообразных и надежных схем. В этих условиях контактные элементы не могут полностью решить эту задачу . По сравнению с контактными аппаратами бесконтактные имеют следующие важные преимущества : большее быстродействие , высокую скорость и частоту переключений , большую долговечность и механическую стойкость , уменьшенный уровень радиопомех и 37

бесшумность в работе , проще в обслуживании . Все эти особенности выдвигают бесконтактные аппараты на первый план . В настоящее время для создания бесконтактных пусковых аппаратов широко используются тиристоры . Достоинства тиристоров : малые габариты , простота конструкции , отсутствие подвижных частей , высокое быстродействие. Конструктивно тиристор состоит из 4-х слойного кристалла кремния , помещенного в герметизированный металлический корпус . Внешние выводы от крайних слоев кристалла служит анодом и катодом , а вывод от среднего слоя является управляющим электродом (рис.1). Тиристор может находиться в двух крайних состояниях проводимости . Либо он полностью проводит , т.е. при любом токе падение напряжения на тиристоре не превышает 1-1.5 В либо тиристор заперт , тогда при любом напряжении ток через тиристор очень мал . Переход в эти состояния обеспечивается соответствующими токами управления. Если ток управления отсутствует или слишком мал , то тиристор заперт , если ток управления хотя бы кратковременно превысит некоторую критическую величину , то тиристор откроется . Для запирания тиристора нужно снизить анодный ток до величины , меньшей тока удержания, т.е. воздействовать не на управление , а на силовую цепь . Исходя из этого , особенно целесообразно применение тиристоров в качестве коммутационных аппаратов переменного тока . Для запирания тиристора здесь достаточно снятие управляющего сигнала , запирание тиристора происходит автоматически , после прохождения переменного тока через ноль . Следовательно , при частоте 50 Гц , максимальное время запаздывания отключения составляет 0,01 сек . , т.е. полпериода , тогда как полное время отключение контакторов доходит до 0,2 сек. Сокращение времени отключения безусловно очень выгодно , т.к. резко уменьшается степень вредных последствий аварийных коротких замыканий .

35 Представленная на рис.2 схема трехфазного бесконтактного аппарата на тиристорах предназначена для пуска в ход трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором . Тиристоры соединены последовательно и согласно в схему треугольника , к трем вершинам которого подключены три конца трехфазной нагрузки (обмотка электродвигателя Zн). При отсутствии управляющего сигнала на тиристорах ток через них практически отсутствует . При управляющем сигнале , обеспечивающем полное открытие , тиристоры работают как неуправляемые вентили . В этом случае все напряжение сети прикладывается к нагрузке . Дело в том , что для любого линейного напряжения ток в положительный полупериод протекает через один тиристор , а в отрицательный – через два последовательно соединенных тиристора , включенных встречно – параллельно первому . Например , для UАВ ток в положительный полупериод протекает через тиристор Т1 , а в отрицательный – через тиристор Т2 и Т3 . В результате по

38

нагрузке

протекает

переменный

Iн =

ток

Uн 3Z н

,

в

составе

которого

нет

постоянной составляющей. Через тиристоры протекает выпрямленный ток. Путем изменения угла зажигания тиристоров в пределах от 0 до π можно обеспечить плавное регулирование тока нагрузки . 3) Описание лабораторного стенда и порядок выполнения работы : Схема лабораторной установки представлена на рис.3. Работа силовой части схемы описана выше . Рассмотрим алгоритм функционирования схемы управления . Подача управляющих сигналов на силовые тиристоры осуществляется посредством маломощного тиристора Т4. В исходном состоянии тиристор Т4 заперт постоянным напряжением , снимаемым с выпрямителя Д1-Д6. Отпирание тиристора Т4 происходит при кратковременном нажатии кнопки “пуск”. При этом через ограничительное сопротивление подается управляющий импульс положительной полярности относительно катода тиристора Т4 . Тиристор Т4 открывается и появляется ток через диоды Д7-Д9, которые подключены к управляющим электродам силовых тиристоров Т1-Т3 . Последние поочередно открываются в положительные полупериоды напряжения питания . При нажатии на кнопку “стоп” тиристор Т4 запираются и подача управляющих импульсов на тиристоры Т1-Т3 прекращается . Цепь треугольника становится разомкнутой и двигатель отключается . Порядок выполнения работы следующий: 1. Ознакомиться с лабораторным стендом и собрать электрическую схему согласно рис.3. 2. Определить время срабатывания бесконтактного коммутационного аппарата по электросекундомеру. Включение двигателя контролируется по началу протекания тока через реле тока РТ, который своими контактами шунтирует секундомер, тем самым фиксируя время. Опыт провести 3-4 раза и время срабатывания определить как среднее арифметическое.

36 3. 1.Определить ток утечки тиристора Т4. Для этого разомкнуть схему в точках “а” и “б” и подключить сюда миллиамперметр, а затем включить автомат А1 и замерить по прибору искомый ток. 4) 1. 2. 3. 4.

Содержание отчета: Наименование и цель работы. Электрические схемы и данные испытаний. Дать выводы по работе. Ответить на 2-3 вопроса по указанию преподавателя.

Контрольные вопросы: 1. Как включается и выключается тиристор? 2. Почему в коммутационных аппаратах управляемые вентили (тиристоры)? 39

применяются,

главным

образом,

3. Поясните принцип действия бесконтактного коммутационного аппарата на тиристорах. 4. Что такое ток утечки тиристора? Какова его величина? 5. Из каких соображений выбираются тиристоры? 6. Какие существуют способы управления тиристорами? Укажите особенности их применения. Приведите типичные схемы, характеризующие каждый из них.

37 Анод

А

p n Управляющий электрод

уэ p n К Катод 40

Рис. 1

Рис. 2 ∼220 В

38

А1

V

Д4

А

АД

Д6

R1 41

РТ

Д5

39 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ 1) Цель работы Ознакомление с принципом действия, конструкцией, применением однотактного магнитного усилителя, а также определение его основных характеристик и параметров. 2) Общие сведения

42

Магнитным усилителем (МУ) называется устройство, использующее дроссель насыщения в сочетании с другими элементами для усиления или преобразования различных электрических сигналов. Магнитные усилители принадлежат к числу наиболее эффективных средств автоматизации промышленных установок. Наиболее распространённым является применение магнитных усилителей в качестве усилителей мощности в системах автоматического управления, для выполнения функций бесконтактных магнитных реле в устройствах автоматики и логических элементов для управления производственными механизмами. Принцип действия магнитных усилителей основан на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитных материалов, магнитная проницаемость которых при ненасыщенных сердечниках велика, а при насыщении сердечников уменьшается во много раз. Поэтому если катушку с сердечником из ферромагнитного материала поместить между источником напряжения и нагрузкой, можно, насыщая или размагничивая сердечники, соответственно увеличивать или уменьшать величину тока нагрузки. Достоинствами магнитных усилителей является большой срок службы, надёжность в эксплуатации, большая ударная и вибрационная стойкость, простота суммирования большого числа сигналов. Широкий диапазон мощностей и высокая стабильность нагрузочных характеристик в сочетании с большим коэффициентом усиления и чувствительностью позволяют использовать МУ как в маломощных устройствах, так и в устройствах средней и большой мощности в качестве измерительных, стабилизирующих или регулирующих элементов. Основными элементами магнитного усилителя являются два замкнутых ферромагнитных сердечника с несколькими обмотками (рис.1). Сердечники МУ работают в условиях одновременного намагничивания переменным и постоянным магнитными полями. Для создания этих полей на каждом из сердечников расположены обмотка переменного тока, называемая рабочей обмоткой Wр, и обмотки постоянного тока, которые по назначению делятся на обмотки управления Wу, смещения Wсм, обратной связи Wос. Они могут охватывать оба сердечника или наматываться на каждый сердечник отдельно. Рабочие обмотки обоих сердечников имеют одинаковое число витков. Образуя последовательную цепь с нагрузкой Zн, они подключаются к источнику переменного тока.

40 Для того, чтобы избежать протекания переменного тока в обмотках постоянного тока, рабочие обмотки должны быть соединены так, чтобы наводимые в обмотках постоянного тока переменные ЭДС первой гармоники взаимно компенсировались. При отсутствии тока в обмотке управления сердечники перемагничиваются под действием переменного тока рабочих обмоток по динамическим петлям гистерезиса, которые отличаются от статических, получаемых при медленном перемагничивании (рис.2а). При наличии постоянного и переменного магнитных

43

полей перемагничивание сердечников происходит по так называемым частным циклам (рис.2б). Зависимость тока нагрузки Iн от тока в обмотке управления называется статической характеристикой или характеристикой управления МУ (рис.3). Особенностью этой характеристики является то, что при изменении полярности управляющего сигнала ток в нагрузке, изменяясь по величине, остаётся всё время положительным. МУ обладающие такой статической характеристикой, называются однотактными. В зависимости от способа включения нагрузки однотактные МУ могут быть разделены на две группы: 1. Нагрузка Zн включается последовательно с обмотками переменного Wр тока (рис.4). 2. Нагрузка Zн включается параллельно обмоткам переменного тока Wр (рис.5). Если в усилителях первой группы напряжение источника питания поддерживается постоянным, то в усилителях второй группы величина переменного тока питания I1 поддерживается неизменной, например, путём включения большого постоянного сопротивления Rδ последовательно с обмотками Wр. Обмотки переменного тока Wр соединяются либо последовательно, либо параллельно, но так, чтобы в обоих случаях намагничивающие силы, создаваемые переменным током в стержнях, охваченных обмоткой управления Wу, были бы направлены встречно и таким образом не индуктировали бы в обмотке управления ЭДС основной частоты. Параллельное соединение нагрузки с дросселем применяется редко из-за больших потерь в балластном сопротивлении и низкого КПД установки. Рассматривая характеристику управления МУ с последовательным включением нагрузки (рис.3), можно отметить две характерные точки: одну пересечение с осью координат, определяющую ток холостого хода усилителя Iн и другую – лежащую непосредственно за перегибом кривой и min , соответствующую максимальному току в нагрузке Iн max. Отношение этих величин называется коэффициентом кратности тока в нагрузке, т.е. K=

I н max I н min

и является одним из параметров, характеризующих магнитный усилитель. Остальными параметрами, которыми обычно характеризуются МУ, будут: 41 1. Коэффициент полезного действия рабочей цепи η=

Pн R н = Pp R p

где Рн – мощность, выделяемая в нагрузке, Рр – мощность, потребляемая от источника питания, Rн - сопротивление нагрузки, Rp – сопротивление рабочей цепи. 2. Коэффициент усиления тока для рабочего режима: 44

K1 =

∆I н I н W y = = ∆I y I y W p

3. Коэффициент усиления напряжения: KU =

∆U н R = K1 н Ry ∆E y

4. Коэффициент усиления мощности: Кр =

∆Pн Pн = = K1 KU ∆Py Py

Обратная связь в МУ может быть положительной, отрицательной, внешней и внутренней. Схемы МУ, имеющих обратную связь, могут быть различными. Например, если ток нагрузки, или часть его, подаётся на вход МУ на обмотку обратной связи Wос, то это внешняя обратная связь (рис.6). Обратная связь называется внутренней, если в качестве обмотки обратной связи используются рабочие обмотки МУ, и отбельной обмотки не требуется. Такие МУ называются магнитными усилителями с самонасыщением (рис.7). Обратная связь положительна, если её ток имеет одинаковое направление с током управления; если это не так, то обратная связь отрицательна. Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления магнитного усилителя, но не обеспечивает его стабильности. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, однако, делает его стабильным. Обратная связь характеризуется коэффициентом обратной связи. К ос =

Woc W p′

где Wос – число витков обмотки обратной связи, Wр′ - число витков одной половины рабочей обмотки. В настоящее время наибольшее применение получила внутренняя обратная связь. Это объясняется тем, что оба вида обратной связи полностью идентичны друг другу с точки зрения воздействия на работу дросселя, однако в случае применения внешней обратной связи потери в меди рабочих обмоток, при прочих равных условиях, увеличиваются вдвое. Кроме того, вдвое увеличивается количество выпрямительных элементов, необходимых для осуществления обратной связи. На рис. 8 представлены характеристики управления магнитного усилителя с самонасыщением для различных значений Кос. 42 При Кос>1 имеет место релейный режим работы МУ. При определённом выборе параметров контура обратной связи характеристика управления Iн=f(Iy) МУ может приобрести S - образную форму (рис. 9). Этот режим используют для построения бесконтактных магнитных реле (БМР). В зависимости от направления и величины тока смещения Iсм различают три основных режима БМР: 1. Нормально включенный НВ (рис.9а) 45

2. Нормально отключенный НО (рис.9б) 3. Самоблокировки СБ (рис.9в) Основные параметры, характеризующие БМР, в общем те же, что и для контактных реле, кроме токов срабатывания Iу.ср и отпускания Iу.отп, к ним относятся: 1. Мощность срабатывания и отпускания Pу.ср= I2у.срRy; Pу.отп= I2у.отпRy 2. Коэффициент возврата Kв =

I у .отп I у .ср

который для НО - реле меньше 1, для НВ реле больше 1. 3. Ток и мощность переключения Iу.п=Iу.ср – Iу.отп=Iу.ср(1-Kв); 2 2 Ру.п=I у.п Rу=Pу.ср(1-Kв) 4. Коэффициент усиления мощности Kр =

Р н .д Р у .п

где Рнд - действующее значение номинальной и коммутируемой мощности. 3) Описание лабораторного стенда и порядок выполнения работы Лабораторная схема предназначена для исследования однотактного магнитного усилителя с последовательным соединением нагрузки. Она собрана на МУ серии ТУМ АИ - II и позволяет получить характеристики управления МУ без смещения и со смещением, без обратных связей и с ними, изучить влияние различных параметров (U и R) на вид характеристик Iн=f(Iу), а также исследовать релейный режим усилителя. Порядок выполнения работы следующий: 1. Ознакомиться со схемой магнитного усилителя по рис. 10 и собрать её. 2. Снять характеристику управления Iн=f(Iу) при отсутствии внешней обратной связи (обмотка Iн – Iк не подключается, а концы, подводимые к этой обмотке, соединить между собой) и при отсутствии смещения (переключатель П2 в среднем положении) для различных значений Rн. Результаты опыта записываются в таблицу 1.

43 Таблица 1 Rн1 R н2

Rн3

Iу, мА I н, А Iу, мА I н, А Iу, мА 46

I н, А 3. Повторить пункт 2 при введении смещения отрицательного). Результаты опыта записываются в таблицу 2.

(положительного

и

Таблица 2 Iсм1, мА Rн1 -Iсм1, мА Iсм2, мА Rн2 -Iсм2, мА 4. Вывести для различных Результаты 5. Вывести для различных Результаты

Iу, мА I н, А Iу, мА I н, А Iу, мА I н, А Iу, мА I н, А

положительную обратную связь и значений Rн при положительном и опыта записываются в таблицу как отрицательную обратную связь и значений Rн при положительном и опыта записываются в таблицу как

снять характеристики Iн=f(Iу) отрицательном смещениях. в пункте 3. снять характеристики Iн=f(Iу) отрицательном смещениях. в пункте 3.

4) Содержание отчёта В отчёте необходимо: 1. Отразить цель лабораторной работы. 2. Привести электрические схемы и данные испытаний. 3. Построить характеристики управления МУ при отсутствии внешней обратной связи и отсутствии смещения для 3-х значений нагрузки Rн. 4. Построить характеристики управления МУ при отсутствии внешней обратной связи при введении положительного и отрицательного смещения для 3-х значений нагрузки Rн. 5. Построить характеристики управления при наличии положительной внешней обратной связи для 3-х значений нагрузки Rн при положительном и отрицательном смещениях. 6. Построить характеристики управления при наличии отрицательной внешней обратной связи для 3-х значений нагрузки Rн при положительном и отрицательном смещениях.

44 7. Для каждой характеристики управления (пункты 3, 4 и 6) определить коэффициенты кратности тока К и соответствующие коэффициенты усиления КI, КU и КP . 8. Для семейства характеристик по пункту 5 определить: Iу.ср, Iу.отп, Pу.ср, Pу.отп, Kв, Iу.н, Pу.п и Kр. 47

9. Определить графически коэффициенты обратной связи МУ для семейств характеристик управления по пунктам 4, 5 и 6. 10. Дать соответствующие выводы по работе. 11. Ответить на 2 –3 вопроса по заданию преподавателя. 5) Контрольные вопросы 1. Что называется дросселем насыщения с самоподмагничиванием? Почему такой дроссель называют магнитным усилителем с самоподмагничиванием (МУС)? 2. Как связано в МУС напряжение по нагрузке с током управления в рабочем режиме? 3. Какой режим МУ называется режимом максимальной отдачи? Холостым ходом? 4. Что называется характеристикой управления МУС? Как её объяснить? 5. Как влияет на характеристику управления МУС: а) прямоугольность петли гистерезиса материала магнитопровода? б) напряжения питания? в) сопротивления нагрузки? г) сопротивления цели управления? 6. Какие бесконтактные аппараты могут быть выполнены на дросселях насыщения с самоподмагничиванием?

Wy

Wy

Wp

Wp Wcm

Zн

Wcm

Woc

Woc

Рис.1 45

B

B 48

Статическая петля

1 H

H

2

Динамическая петля

а)

б) Рис.2

Iн Iн.max

Iн.min Iсн>0

Iсн<0

Iу

Рис.3

46

∼

∼ Zн 49

а)

б)

Рис.4

Rб

∼ Zн

W′p

∼ I1

W′p

W′p

Rб Zн

I1

W′p

Wy

Wy

Wy

Wy

=Uy

=Uy Рис.5

47

∼ 50

ZH

W′p

Roc

W′p Woc Wy

Wy

=Uy Рис.6

∼ ZH

W′p

W′p Wy

Wy

=Uy Рис.7

48 IH 51

IH

Koc<1

IH

Koc=1

Iy

Koc>1

Iy

Iy

Рис.8

IH

Iy.cp Iy.отп

IH

Iy

IH

Iy.cp

Iy

Iy

Iy.отп Iy.отп

а)

б)

в)

Рис.9

49

52

Iy.cp

А Д4

Д3 Д1 А3

∼127

Д2

У2 П4

Х2

1

В1

А

R

1 К

+

mA1 R1 4

П1

4

9

-

mA2 6

П2

6

Рис.10

53

R2