Электрические аппараты управления: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный заочный политехнический институт

Кафедра электротехники и электромеханики

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ УПРАВЛЕНИЯ Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет

энергетический

Специальность 180200 - электрические и электронные аппараты Направление

551300 – электротехника, электромеханика, электротехнология

Санкт-Петербург 2000 1

Утверждено редакционно - издательским советом института УДК 621.3.04(076.5) Электрические аппараты управления: Методические указания к выполнению лабораторных работ- СПб.: СЗПИ , 2000 - 38с. Приведены описания и методические указания к выполнению 5 лабораторных работ, которые охватывают основные разделы курса «Электрические аппараты управления» и предназначены для более глубокого усвоения теории, развития навыков экспериментального исследования, получения представлений о технических параметрах и конструктивных особенностях объектов исследований, а также для ознакомления с метрологическими характеристиками средств измерения. Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и электромеханики 3 декабря 1998 г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 7 декабря 1998 г. Р е ц е н з е н т ы:

кафедра электротехники и электромеханики СЗПИ (заведующий кафедрой В.И. Рябуха, канд. техн. наук, проф.); Ю.В. Куклев, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. АО "Электросила".

С о с т а в и т е л и:

В.Л. Беляев, канд. техн. наук, доц.; Б.Л. Лярский, канд.техн.наук, ст. преп.

© Северо-Западный заочный политехнический институт, 2000 2

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Лабораторные работы данного сборника охватывают основные темы, изучаемые в курсе «Электрические аппараты управления», и выполняются в лаборатории электрических аппаратов кафедры теоретических основ электротехники. Для лучшей подготовки студентов к лабораторным работам в описании каждой работы приведены краткие теоретические сведения и указана литература, которую студенты должны изучить до выполнения лабораторных работ. Перед выполнением лабораторных работ студенты обязаны: прослушать курс лекций по данному предмету; уяснить физику явлений, изучаемых в лабораторных работах; ясно представлять себе ожидаемые результаты опытов и уметь их объяснить; изучить инструкцию по технике безопасности при выполнении работ в лаборатории электрических аппаратов. Особое внимание следует уделить метрологической подготовке и, прежде всего, методам и средствам измерения электрических и магнитных величин. Каждый студент, выполняя работу, должен вести необходимые записи и по окончании работы оформить отчет. Отчеты о лабораторных работах оформляются в соответствии с требованиями, указанными в описаниях работ. К следующей работе допускаются студенты, предъявившие оформленный отчет о предыдущей работе. ЛИТЕРАТУРА 1. Таев И.С. Электрические аппараты управления. - М.: Высш.школа, 1984. 2. Таев И.С. Электрические аппараты управления. - М.: Высш. школа, 1969. 3. Чунихин А.А. Электрические аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Работа I. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТАКТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Практическое ознакомление с конструкцией и работой электромагнитного контактора постоянного тока, овладение навыками экспериментального определения его основных характеристик. II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Контактор представляет собой коммутационный электрический аппарат с дистанционным управлением, предназначенный для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы. Наиболее широкое применение получили электромагнитные контакторы, т.е. 3

имеющие электромагнитный привод. Контакторы постоянного тока, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока. Кратчайшее расстояние между контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов в их разомкнутом положении называется зазором контакта. Расстояние, на которое переместится из замкнутого положения подвижный контакт, если удалить неподвижный, называется провалом контакта. Величина провала выбирается из условий допустимого износа контактов и обеспечивает соприкосновение контактов, несмотря на их постепенный износ при работе. Во включенном положении его контакты должны быть сжаты такой силой, которая обеспечивает достаточно малое переходное сопротивление и, следовательно, выполнение условий допустимого нагрева контактов при длительном режиме работы, а также их электродинамическую стойкость при сквозных токах короткого замыкания. Основными характеристиками контактора являются механическая и тяговая. От оптимального согласования этих характеристик во многом зависит надежная и долговечная работа контактора. Для контактора с поворотной подвижной системой, рассматриваемого в данной работе, механическая характеристика - это зависимость момента, создаваемого силами сопротивления движения подвижной системы, от угла поворота якоря электромагнита, т.е. ММЕХ=f(α). Этот момент создается силами возвратной (отключающей) пружины, контактной пружины, массой неуравновешенных частей, а также силами трения. Статическая тяговая характеристика контактора поворотного типа - это зависимость величины тягового момента электромагнита от угла поворота якоря при неизменной величине приложенного напряжения на обмотке электромагнита, т.е. МЭМ=f(α). Моменты всех сил определяются относительно оси поворота якоря электромагнита. Типичные для контактора поворотного типа механическая и тяговая характеристики представлены на рис 1. График ММЕХ = f (α) представляет собой ломаную линию. В начале движения при α =αМАКС (что соответствует наибольшему зазору между якорем и сердечником электромагнита) противодействующий момент М1 создается усилие предварительного сжатия возвратной пружины, силами трения и силой тяжести неуравновешенных относительно оси якоря масс подвижной системы. На участке от αМАКС до αКАС. момент постепенно нарастает до значения М2 в результате сжатия возвратной пружины. При соприкосновении подвижного контакта с неподвижным (при α=αКАС) происходит скачкообразное увеличение противодействующего момента до величины М3 из-за предварительного начального сжатия контактной пружины. Величину изменения момента М3 – М2 можно рассчитать как произведение силы начального контактного нажатия на расстояние от точки приложения этой силы до оси поворота якоря. При дальнейшем повороте якоря до α=0 (что соответствует соприкосновению якоря с сердечником электромагнита) момент возрастает до значения М4 за счет дальнейшего сжатия контактной и возвратной пружин. 4

График тяговой характеристики МЭМ=f(α) представляет собой плавную кривую, резко возрастающую с уменьшением угла α. Каждому значению приложенного к обмотке электромагнита напряжение соответствует определенная тяговая характеристика. Чем больше напряжения (и соответственно МДС электромагнита), тем выше расположена характеристика на графике, и наоборот. Для полного включения контактора необходимо, чтобы тяговая характеристика на графике располагалась выше механической, т.е. чтобы при любом значении α соблюдалось неравенство МЭМ>ММЕХ. Контактор срабатывает только тогда, когда при αМАКС величина МЭМ становится больше ММЕХ и наоборот, если при α=0 значение МЭМ станет меньше ММЕХ, то контактор отключается. Остановка подвижной системы контактора в промежуточном положении недопустима как при срабатывании, так и при отключении. Наименьшее значение напряжения на катушке (тока в катушке), при котором начинается и полностью заканчивается втягивание якоря электромагнита, называется напряжением (током) втягивания. Наибольшее значение напряжения на катушке (тока в катушке), при котором начинается и полностью заканчивается отпадание якоря электромагнита, называется напряжением (током) отпадания. Важными параметрами контактора, характеризующими его быстродействие, являются собственные времена включения и отключения. Собственным временем включения называется интервал времени с момента подачи питания на катушку (т.е. подачи команды на включение) до момента соприкосновения замыкающего контакта. Собственным временем отключения называется интервал времени с момента прекращения питания катушки (т.е. подачи команды на отключение) до момента прекращения соприкосновения контактов. Сила притяжения электромагнита контактора может быть определена по формуле Масквелла 2 Bδ2 S δ = = Ф ,H, F эм 2 M 0 2 М 0 Sδ

где Вδ = Ф/Sδ - индукция в рабочем зазоре, Тл; Sδ - сечение воздушного зазора, м2; М0 = 4π ⋅ 10-7 Гн/м - магнитная постоянная воздуха. Магнитное сопротивление воздушного зазора определяется выражением

R мδ =

δ

,1/Гн, М 0 Sδ где δ - длина воздушного рабочего зазора, м. Магнитный поток определяется уравнением I Ф = W , Вб, R Mδ 5

(1)

электромагнита (2)

(3)

где

IW - магнитодвижущая сила, развиваемая электромагнитом, А. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В данной работе исследуется контактор постоянного тока типа КП-500, внешний вид которого представлен на рис.2. Основными элементами контактора являются главные контакты, электромагнит и дугогасительное устройство. Главные контакты (неподвижный 2 и подвижный 3) осуществляют замыкание и размыкание силой электрической цепи. Для создания контактного натяжения служит пружина 4, предварительным сжатием которой и определяется величина силы начального контактного нажатия. Электромагнит служит для включения контактора и удержания контактов в замкнутом положении (при полном выборе провала). Он состоит из магнитной системы клапанного типа (якорь 6 и ярмо с сердечником 7) и втягивающей катушки 5. Дугогасительное устройство предназначено для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании главных контактов. Оно состоит из щелевой дугогасительной камеры (на рис. не показана) с магнитным дутьем, осуществляемым сериесной катушкой 1. Сила взаимодействия магнитного поля дутья с током дуги ускоряет ее перемещение с контактов в зону активного дугогашения. Схема электрических соединений, используемая при исследовании контактора, приведена на рис.3. Катушка К контактора получает питание от сети переменного тока через регулируемый автотрансформатор Т и выпрямитель UZ. Измерение напряжения на катушке и тока в ее цепи производится соответственно с помощью вольтметра и амперметра. Для измерения собственных времен включения и отключения контактора используется электросекундомер РТ. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения измерений. 2. Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерения, используемых в работе. 3. Определить при помощи линейки или штангенциркуля величины зазора и провала контактов. 4. Измерить с помощью динамометра величины начального и конечного нажатий на контакты и зафиксировать угол поворота якоря, соответствующий касанию контактов (αКАС ). Для измерения величины начального натяжения следует положить между подвижным контактом и его упором полоску тонкой бумаги и, оттянув динамометром контакт (с помощью специальной скобы) до освобождения бумаги, зафиксировать показание динамометра. Для измерения величины конечного натяжения необходимо включить контактор, подав на его катушку К напряжение 220 В посредством включения 6

S1и S3. При этом включатель S2 должен находиться в среднем положении. В этом случае полоска бумаги подкладывается между неподвижным и подвижным контактами. Затем, оттянув динамометром подвижный контакт до освобождения бумаги, следует зафиксировать показания динамометра. При всех этих измерениях усилие динамометра должно прикладываться к подвижному контакту в месте его соприкосновения с неподвижным, а направление этого усилия должно быть перпендикулярно плоскости подвижного контакта. Результаты измерений следует занести в таблицу по форме 1. Форма 1 Нажатие на контакт, Н Провал, мм Зазор, мм αКАС, °С начальное конечное

5.Определить механическую характеристику ММЕХ = f(α) . Для этого следует прикрепить динамометр к хвостовику якоря так, как указано на рис.4, и зафиксировать его показания для нескольких значений угла α, включая α =0, αКАС и αМАКС. При αмах=15 градусов следует заложить полоску бумаги между хвостовиком якоря и упором его в скобу магнитопровода. Оттянув динамометром хвостовик до освобождения бумаги, зафиксировать показания динамометра. При α=αКАС полоска бумаги закладывается сначала между контактами и натяжением динамометра зажимается в их зазоре. Ослабляя постепенно натяжение динамометра, следует зафиксировать его показание в момент освобождения бумаги. Это показание соответствует противодействующему усилию непосредственно перед касанием контактов. Затем полоска бумаги закладывается между подвижным контактом и его упором. Постепенно увеличивая натяжение динамометра, следует зафиксировать его показание в момент освобождения бумаги. Это показание соответствует появлению усилия начального контактного натяжения (скачок на механической характеристике при αКАС). При α=0 бумагу следует заложить между якорем и полюсом сердечника и зажать ее натяжением динамометра. Затем, ослабляя натяжение, надо зафиксировать показание динамометра в момент освобождения бумаги. Рекомендуется, кроме указанных выше значений, измерить величину усилий F1 при α ≈10° и α ≈2° 30′ . При этих измерениях бумага прокладывается между регулировочным винтом, специально вворачиваемым для этой цели в якорь, и полюсом сердечника. Для каждого измеренного значения усилия определяется соответствующее значение момента MМЕХ= F1l, где F1 - показание динамометра, l - плечо приложения усилия F1 относительно точки поворота якоря (на встречных призмах). Результаты измерений и расчета ММЕХ следует занести в таблицу по форме 2. 7

Форма 2 α , °С

Измерено F1 , Н F2 ,

Н

ММЕХ, Н⋅м

Вычислено М, Н⋅м МЭМ, Н⋅м

6.Определить тяговую характеристику контактора. При этом следует учитывать, что на подвижную систему контактора действует момент сил, равный разности тягового и противодействующего моментов: М=МЭМ – ММЕХ. Для измерения этого момента динамометр надо закрепить так, как показано на рис. 4,б. Зависимость М = F(α) определить, измеряя усилия F2 для тех же значений углов α, что и при определении механической характеристики. При этом для каждого измеренного значения F2 определяется величина М = F2⋅ l , где l - плечо приложения усилия F2 относительно точки поворота якоря. При α = αМАКС следует, удерживая избыточным натяжением динамометра подвижную систему контактора в отключенном положении, подать на его катушку напряжение 220 В. Для этого выключатель S2 надо поставить в среднее (нулевое) положение и включить выключатели S1 и S3. Затем, постепенно уменьшая натяжение динамометра, зафиксировать его показание при срабатывании электромагнита. Отключить выключатели S1 и S3. При других углах α, кроме α =0, их величины устанавливаются регулировочным винтом, ввернутым для этой цели в якорь. Постепенно увеличивая натяжение динамометра, следует зафиксировать его показания при отрыве якоря электромагнита. Напряжение на катушки всегда устанавливается равным 220В и снимается со схемы отключением выключателей S1 и S3 сразу же после проведения опыта. Результаты измерений усилий F2 и вычислений моментов М и МЭМ = М+ММЕХ следует занести в таблицу по форме 2.По данным этой таблицы необходимо построить на одном графике зависимости ММЕХ=F(α); M=F(α); МЭМ = F(α). 7. Определить величину коэффициента возврата контактора. Для этого, постепенно увеличивая ток в катушке контактора, надо зафиксировать его наименьшее значение Iсраб., при котором происходит четкое срабатывание контактора (без остановки в промежуточном положении). Затем, постепенно уменьшая ток в катушке, следует зафиксировать наибольшее значение IОТП, при котором происходит четкое отпадание якоря. Опыт необходимо проделать три раза и определить среднее арифметическое значение измеренных величин. Результаты измерений и вычислений следует занести в таблицу по форме 3.

8

Форма 3 Кв

IОТП, А № опыта IСРАБ, А 1 2 3 Среднее значение 8.Определить собственные времена замыкания tЗАМ и размыкания tРАЗМ контактора при напряжениях на катушке электромагнита, равных 240; 220; 200; 180; 160 В. Для этого при определении tЗАМ выключатель S2 надо поставить в верхнее (первое) положение, включить выключатель S1 и установить напряжение 240 В, включить выключатель S3. При этом напряжение одновременно подается на катушку К и электросекундомер РТ, который начнет отсчитывать время. В момент замыкания главных контактов К ими шунтируется двигатель секундомера и он останавливается, зафиксировав собственное время замыкания tЗАМ контактора. После этого следует отключить выключатель S3 и, дождавшись возвращения подвижной системы контактора в отключенное положение, повторить опыт включением выключателя S3 . При каждом напряжении опыт следует проделать три раза и найти среднее арифметическое значение tЗАМ. Полученные результаты заносятся в таблицу по форме 4. Форма 4 t ЗАМ, с UK, B 1 2 3 среднее значение 240 220 200 180 160 Для определения собственного времени размыкания tРАЗМ контактора включатель S2 надо поставить в нижние (второе) положение, установить напряжение 240 В, включить выключатель S3 . При этом подается питание на катушку К электромагнита и одновременно шунтируется двигатель электросекундомера. После включения выключатель S3 следует разомкнуть. При этом отключается катушка электромагнита и начинает работать электросекундомер. При размыкании главных контактов контактора К электросекундомер теряет питание и останавливается, зафиксировав собственное время размыкания контактора tРАЗМ. Для повторения опыта необходимо включить выключатель S3 и отключить его после того, как включится контактор. При каждом значении напряжения опыт следует проделать 3 раза и определить среднее арифметическое значение tРАЗМ. Полученные результаты необходимо занести в таблицу аналогичную таблице по форме 4. 9

По данным таблиц надлежит построить на одном графике зависимости tЗАМ= f (UК) и tРАЗМ= f (UК). 9. Рассчитать величины МЭМ для тех же значений углов α, что и в эксперименте. Для этого предварительно необходимо определить величины рабочего зазора δ, соответствующие этим значениям углов α, по уравнению δ = lЯ ⋅ tg α , м, где lЯ - расстояние от точки поворота якоря до центра сердечника электромагнита, м. Затем по уравнениям (1), (2) и (3) рассчитываются величины усилий МЭМ, соответствующие этим значениям зазора δ , и величины моментов МЭМ = FЭМ ⋅ lЯ, Н ⋅ м. 10. Построить на одном графике расчетную и опытную зависимости МЭМ = f(α) и сравнить их между собой. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1.Краткое описание лабораторной установки, эскиз контактора, схема электрических соединений. 2.Метрологические характеристики средств измерений. 3.Результаты опытов и расчетов, таблицы, графики. 4.Выводы по работе. VI. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Из каких основных элементов состоит конструкция контактора постоянного тока? Каково их значение? 2. Какие основные параметры характеризуют контактную систему контактора? Дайте им определение и поясните их функциональную значимость. 3. Что представляют собой механическая и тяговая характеристики контактора? Изобразите типичный вид этих характеристик на графике. Что понимается под согласованием этих характеристик? 4. Какие параметры контактора необходимо знать, чтобы определить величину его коэффициента возврата? 5. Какие параметры контактора характеризуют его быстродействие? Дайте им определение. 6. Где находят применение контакторы постоянного тока? Литература:

[1], с.75…95; 133…135; [2], c.120…265; [3], c.308…31.

10

РАБОТА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТАКТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА I.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Практическое ознакомление с конструкцией и электромагнитного контактора переменного тока, овладение экспериментального определения его основных характеристик.

работой навыками

II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Контакторы переменного тока используются для коммутации силовых цепей переменного тока. Преимущественной областью их применения является пуск и остановка асинхронных двигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором. Для контакторов переменного тока в полной мере верны рассмотренные в предыдущей работе определения зазора и провала контактов, начального и конечного контактных нажатий, напряжений втягивания и отпадания, собственных времен включения и отключения, механической и тяговой характеристик (а так же их вид и согласование). Вместе с тем контакторам переменного тока присущеи особенности конструктивного исполнения и функционирования электромагнитной и контактно-дугогасительной систем. Так, для уменьшения активных потерь от вихревых токов и гистерезиса магнитопровод электромагнитной системы выполняется шихтованным из тонких листов специальной электротехнической стали. Как известно из теории, силы притяжения электромагнита переменного тока изменяется от 0 до максимума с двойной частотой относительно частоты тока в катушке. При этом возникает вибрация якоря, которая приводит к сильному шумовому эффекту, быстрому механическому износу магнитной системы и к дополнительным потерям. Для устранения вибрации якоря часть полюса электромагнита охватывают короткозамкнутым витком из проводникового материала (медь, латунь, алюминий). В этом случае магнитный поток, проходящий через охваченную витком часть полюса, не будет совпадать по фазе с потоком в неохваченной части полюса. Поэтому соответствующие этим потокам тяговые усилия будут достигать своего нулевого значения не одновременно и, следовательно, результирующая сила притяжения якоря электромагнита в любой момент времени будет отлична от нуля. 11

В современных контакторах переменного тока применяется контактная система мостикового типа, обеспечивающая получение двойного разрыва цепи контактом. Благодаря этому в контакторах на номинальное напряжение до 380 В удается получить надежное гашение электрической дуги отключения в закрытых дугогасительных камерах без применения специальных дугогасительных устройств. Вместе с тем, мостиковый контакт требует удвоенного контактного напряжения (так как удваивается число контактов). Кроме того, отсутствие проскальзывания и переката у мостиковых контактов в процессе включения - отключения исключает применение в них медных контактов. Поэтому контактные накладки контакторов переменного тока выполняются из серебросодержащих контактных материалов, не требующих самозачистки в процессе включения - отключения. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ В данной работе исследуется контактор переменного тока типа КМ-2332 на номинальный ток 50А и номинальное напряжение 380В. Включающая катушка электромагнита контактора имеет номинальное напряжение 220 В. Конструктивная схема контактора представлена на рис.5. Основными его элементами являются главные контакты, электромагнитный привод и дугогасительная камера. Главные контакты (неподвижные 2 и подвижный 3) размещаются в закрытой дугогасительной камере, состоящей из крышки 1 и основания 12. Для создания контактного натяжения служит пружина 4. Главные контакты 2 и 3 имеют контактные накладки, выполненные из металлокерамики марки КМК - А 10М (85%серебра и 15% окиси кадмия). Электромагнитный привод состоит из Г - образного якоря 7 и Ш образного сердечника 10 с включающей катушкой 5. Якорь 7 шарнирно связан со скобой 6, несущей изоляционную контактную рейку 11 с установленными на ней контактодержателями подвижных контактов. Подвижная система контактора удерживается в исходном положении возвратными пружинами 8. Все перечисленные выше элементы контактора крепятся на основании 9. Схема электрических соединений, используемая при исследовании контактора, приведена на рис.6. Катушка К контактора получает питание от сети переменного тока через регулируемый автотрансформатор Т. Измерение напряжения на катушке и тока ее цепи производится соответственно с помощью вольтметра и многопредельного амперметра (или, как изображено на рис.6 двумя амперметрами с разными пределами измерения). IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1.Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения средств измерений. 2.Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерений, используемых в работе. 12

3. С помощью линейки, укрепленной на основании контактора, измерить величины зазора и провала контактов. С помощью динамометра измерить начальное контактное натяжение на отдельном узле подвижного контакта, как это показано на рис.7 , где 1- мостиковый контакт, 2 - контактная пружина, 3контактодержатель, 4 - нить, 5 - динамометр. Для этого между контактодержателем 3 и контактом 1, предварительно сжав пружину 2, прокладывают полоску тонкой бумаги и возвращают пружину 2 в исходное положение. Затем увеличивают постепенно натяжение динамометра до тех пор, пока не освободится бумага, и фиксируют показание динамометра. Результаты измерений следует занести в таблицу по форме 5. Форма 5 Зазор контактов, мм Провал контактов, мм Начальное натяжение контактов, Н

4. Определить механическую характеристику FМЕХ = f (δ), т.е. зависимость противодействующих включению усилий FМЕХ от величины рабочего зазора δ между якорем и сердечником электромагнита, отсчитанного по линейке, расположенной на основании контактора. Для этого усилие динамометра должно быть приложено к центру якоря и направлено вверх (например, через нить, охватывающую концы оси, связывающей скобу 6 с якорем 7). Постепенно увеличивая натяжение динамометра, следует зафиксировать его показания при различных значениях δ. При значении δ=4 мм для построения вертикального участка (скачка) механической характеристики (аналогично изображенному на рис.1) следует определить два значения противодействующей силы FМЕХ: одно при соприкосновении контактов, а другое при наличии незначительного провала (не более 0,5 мм) контактов. Результаты измерений надо занести в таблицу по форме 6. Форма 6 6 4 2 0 δ, мм 12 10 8 FМЕХ,H 5. Определение напряжений и токов втягивания и отпадания контактора. Для этого необходимо при разомкнутом выключателе S2 подать питание на схему включением выключателя S1. Затем, постепенно повышая напряжение автотрансформатором Т и периодически замыкая выключатель S2, следует определить то минимальное напряжение, при котором контактор четко включается. Это напряжение и является напряжением втягивания UВТ. Затем удерживая подвижную систему контактора в исходном положении, при напряжении втягивания по амперметру А1 следует определить ток IВТ. Этот опыт необходимо производить быстро во избежание сильного нагревания катушки. Напряжение и ток отпадания определяют, плавно снижая напряжение на катушке. Показания вольтметра и амперметра А2 (предварительно расшунтировав его) фиксируют в момент отключения контактора. Результаты 13

измерений следует занести в таблицу по форме 7. В нее же следует внести величину коэффициента возврата КВ=UОТП/UВТ. Форма 7 IВТ, А UОТП, В IОТП, В КВ UВТ, В 6. Определение тяговой характеристики контактора при минимально допустимом напряжении на его включающей катушке (0,85⋅UНОМ). Для этого следует включением выключателя S1 подать питание на электрическую схему и установить с помощью автотрансформатора Т напряжение 0,85⋅UНОМ =0,85⋅220 = 187 В. Затем для определения тягового усилия при δ=0 следует включением выключателя S2 включить контактор. Приложив усилие динамометра к центру якоря (например, к оси, связывающей якорь со скобой) и направив его вниз, следует постепенно увеличивать натяжение динамометра и зафиксировать его показание в момент отрыва якоря от сердечника. После этого надо отключить выключатель S2. Для определения тягового усилия при δ=12 мм следует избыточным усилием динамометра удерживать контактор в исходном положении. Затем включить выключатель S2 и, постепенно уменьшая натяжение динамометра, зафиксировать его показание в момент, когда якорь начнет двигаться к сердечнику. Аналогично определяют тяговые усилия для δ=6 и 8 мм, но при этом между рейкой II (рис.5) и ее упором устанавливаются прокладки толщиной соответственно 6 и 4 мм. Опыты следует производить достаточно быстро во избежании перегрева включающей катушки контакторов . Результаты измерений надо занести в таблицу по форме 8. Форма 8 0 6 8 12 δ, мм F, Н Поскольку тяговые усилия определялись при наличии отключающих и контактных пружин, то полученные значения F=FЭМ-FМЕХ. Поэтому для определения тяговых усилий электромагнита следует к значениям F, занесенным в таблицу по форме 8, прибавить значения F мех, взятые для тех же величин δ из таблицы по форме 6, т.е. FЭМ=F+FМЕХ. В заключение следует на одном графике построить зависимости FМЕХ = f(δ) и FЭМ = f(δ). V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Краткое описание лабораторной установки, эскиз контактора, схема электрических соединений. 2. Метрологические характеристики средств измерения. 3. Результаты опытов и расчетов, таблицы, график. 14

4. Выводы по работе. VI. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1.Из каких основных элементов состоят контакторы переменного тока? Каково назначение этих элементов? 2.В чем заключается и чем обусловлены особенности конструктивного исполнения электромагнитной системы контактора переменного тока? 3.Почему охват части полюса электромагнита переменного тока короткозамкнутым витком устраняет вибрацию якоря? 4.Почему в современных контакторах переменного тока применяются контакты мостикового типа? Из каких материалов выполняются контактные накладки мостиковых контактов? 5.Укажите основные области применения контакторов переменного тока. Литература: [1], с.75…95, 133…139; [2], с.120…265; [3], с.308…313, 318…326. РАБОТА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ I .ЦЕЛЬ РАБОТЫ Практическое ознакомление с конструкцией и работой автоматического выключателя серии А, овладение навыками экспериментального определения его основных характеристик. II . ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для автоматического отключения (защиты) электрических цепей при аварийных режимах (короткое замыкание, недопустимая перегрузка, чрезмерное снижение или исчезновение напряжения питания, изменение направления мощности и т.п.), а также нечастых включений и отключений рабочих токов этих цепей. По быстродействию - собственному времени отключения -включатели подразделяются на нормальные (0,22с< tОТКЛ< 0,1c), с выдержкой времени на отключение (для обеспечения селективной защиты) и быстродействующие (tОТКЛ<0,005с). Собственное время отключения выключателя - это интервал с момента подачи команды на отключение до момента прекращения соприкосновения контактов. Независимо от назначения и быстродействия выключатели состоят из следующих основных элементов: главной контактной системы (главных контактов), дугогасительной системы, привода, расцепляющего устройства, расцепителей и вспомогательных контактов. Основной характеристикой автоматического выключателя является времятоковая (защитная) 15

характеристика - зависимость времени отключения автомата от величины тока в его главной цепи. В области токов перегрузки эта характеристика имеет, как правило, спадающий вид, т.е. время отключения снижается с увеличение тока, а в области токов короткого замыкания время отключения практически не зависит от величины тока. Такой вид характеристики достигается обычно применением различных видов расцепителей в области токов перегрузки и в области токов короткого замыкания. В области токов перегрузки используются расцепители замедленного действия (тепловые, электромагнитные с гидравлическим замедлителем, полупроводниковые с зависимой выдержкой времени и т.п.), а в области токов короткого замыкания - расцепители мгновенного действия (электромагнитные, электродинамические, индукционно-динамические и т.п.). III . ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ В данной работе исследуются низковольтные автоматические выключатели серии А (типы А-3514, А-3710 и А-3344) нормального быстродействия, универсального назначения. Их технические данные приведены в табл.1. Таблица 1 ток срабатывания, А IНОМ, А UНОМ, В Наименьший Тип автомата при перегрузке

А - 3514 А – 3710 А - 3344

160 160 320

400 380 380

224 300 450

при коротком замыкании

800 1600 2240

На рис.8 приведена конструкция автомата А - 3710. Пластмассовые корпус 1 и крышка 6 имеют ребра, отделяющие полюсы автомата друг от друга, и изготовлены из механически прочной пластмассы (со стеклонаполнителем) марки АГ4, дугостойкость которой сравнительно не высока. Для предотвращения выхода высоконагретых ионизированных газов (пламени) при отключении тока в крышке 6 сделано лабиринтное уплотнение рукоятки управления II. Токопроводящие проводники присоединяются к автомату без снятия крышки 6, после чего зажимы 2 токопровода главной цепи закрываются блоком пламегасителя 4 и полупроводниковым блоком защиты 20. Контактная система состоит из контактов 7, связанных с подвижным механизмом, и контактов 8 универсального компенсационнотокоограничивающего устройства. Конструкция этого устройства выполнена так, что позволяет из одних и тех же деталей собрать токоограничевающее и компенсационное устройство. В первом устройстве взаимодействие токов короткого замыкания вызывает быстрый отброс контактов 8 от контактов 7, что приводит к резкому возрастанию сопротивления цепи и, как следствие, к токоограничителю. Во втором устройстве сила взаимодействия токов короткого замыкания, наоборот, прижимает контакт 8 к контакту 7 и компенсирует тем самым отбрасывающие электродинамические силы, возникающие в контактах, в 16

результате чего автомат селективного исполнения может пропускать сквозной ток короткого замыкания в течении положенной выдержки времени. К контактам припаяны металлокерамические накладки 9 на базе серебра, никеля и графита. Нажатие на контакты создается пружиной, воздействующей на контакт 8. Дугогасительная камера с деионной решеткой 5 удерживается в специальном гнезде корпуса 1 крышкой 6. Выполненная из фибры пластина 3 защищает верхний токопроводящий зажим 2 от высокотемпературных продуктов распада электрической дуги, но не препятствует их выходу в пламегасительную решетку 4, где они и охлаждаются. Взвод механизма выключателя после автоматического отключения осуществляется переводом рукоятки II вниз, благодаря чему рычаг 15 вводится в зацепление с полуосью отключающей рейки 19. После этого независимо от скорости движения рукоятки вверх и вниз будет происходить соответственно мгновенное замыкание и размыкание контактов 7 и 8 под действием пружин 14, перебрасывающих ломающиеся рычаги 10 и 12 в одну или другую сторону от их мертвого положения и поворачивающих рычаг контакта 7 вокруг его неподвижной оси. Автоматическое отключение происходит при срабатывании электромагнитных расцепителей. Например, при токах короткого замыкания, превышающих уставку расцепителя максимального тока мгновенного действия, его якорь 24 притягивается к сердечнику 25 и ударяет по кулачку отключающей рейки 19, в результате чего ее полуось выходит из зацепления с собачкой 13. При токах перегрузки полупроводниковый блок защиты 20 подает напряжение на катушку независимого электромагнитного расцепителя 18. Якорь 16 этого расцепителя, поворачиваясь, освобождает боек 17, который под действием своей пружины быстро воздействует на ту же рейку 19, вызывая отключение автомата. Измерительными элементами блока 20 являются трансформаторы тока 23, установленные в каждом полюсе автомата, блок 20 соединен с катушкой расцепителя 18 и трансформаторами 23 штепсельными разъемами, что делает его быстросъемным. Шкала и ручка 21 плавной регулировки уставок по току перегрузки, а также штепсельные перемычки для переключения диапазонов уставок закрыты прозрачной съемной крышкой 22 . Схема электрических соединений при исследовании автоматического выключателя приведена на рис.9. Питание главной цепи исследуемого выключателя SF осуществляется от сети переменного тока 220В через регулируемый автотрансформатор Т1 и понижающий трансформатор Т2. Измерение тока в главной цепи выключателя осуществляется с помощью амперметра и трансформатора тока ТТ. Для измерения времени отключения выключателя используется электросекундомер РТ. IV . ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1.Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения средств измерения. 17

2.Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерения, используемых в работе. 3.Определить зазоры и провалы главных контактов автоматических выключателей типа А-3514, А-3710 и А-3344. Результаты занести в таблицу по форме 9 Форма 9 Тип автомата Зазор контактов, мм Провал контактов, мм А – 3514 А – 3710 А – 3344 4.Определить механическую характеристику автоматического выключателя типа А-3710, т.е. зависимость момента сил, противодействующих включению, от угла поворота контактного вала. Для этого к концу рукоятки управления нужно присоединить динамометр и, расположив его перпендикулярно к оси рукоятки, произвести посредством натяжения динамометра постепенное включение автомата из полностью отключенного состояния (α=αМАХ). В процессе включения надо одновременно фиксировать углы поворота и соответствующие им усилия натяжения динамометра. При этом особенно внимательно измерения надо делать при α=αКАС, т.е. при угле касания контактов автомата, чтобы не пропустить скачок характеристики, связанный с преодолением начального контактного нажатия. При известной длине рукоятки управления l следует вычислить для зафиксированных углов α величины моментов противодействующих сил FМЕХ ММЕХ = FМЕХ ⋅ l, Н⋅м. Результаты измерений и вычислений надо занести в таблицу по форме 10.По данным таблицы необходимо построить график зависимости ММЕХ = ϕ(α). Форма 10 α , °c FМЕХ, Н ММЕХ, Н⋅м 5. Определить времятоковую характеристику автоматического выключателя типа А-3514 в диапазоне токов от 500 до 1000 А. Для этого следует собрать схему, представленную на рис.9, использовав в качестве контакта SF в цепи электросекундомера РТ главный контакт свободного (среднего) полюса исследуемого выключателя. Первоначально все выключатели схемы должны находиться в разомкнутом положении, а ползунок регулируемого автотрансформатора Т1 - в нулевом положении. Включением выключателя S3 следует подключить к схеме установочное сопротивление R, равное по величине сопротивлению SF. Затем включением выключателя S1 подать напряжение на схему и, изменяя положение ползунка автотрансформатора Т1, установить величину тока 500 А. Установку 18

тока следует производить достаточно быстро во избежание недопустимого перегрева сопротивления R и сразу после этого отключить выключатель S1. Далее необходимо отключить выключатель S3 и включить выключатель S2. Включением выключателя S1 вновь подать напряжение на схему и, изменяя положение ползунка автотрансформатора, включить исследуемый выключатель SF. При этом ранее установленный в цепи ток начнет протекать через расцепители и главные контакты крайних полюсов выключателя SF и одновременно начнется отсчет времени электросекундомером РТ. Срабатывание какого-либо из расцепителей вызывает отключение выключателя SF, следовательно, остановку электросекундомера РТ, который зафиксирует время отключения выключателя. Подобные измерения следует произвести также для токов величиной 600; 700; 800; 900; 1000 А. Величины установленного в цепи выключателя тока и соответствующего времени отключения выключателя заносятся в таблицу по форме 11. По данным таблицы следует построить зависимость I = ϕ(t) . I, А t,с

500

600

700

800

900

Форма 11 1000

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1.Краткое описание лабораторной установки, эскиз автоматического выключателя, схема электрических соединений. 2.Метрологические характеристики средств измерения. 3.Результаты измерений, таблицы, графики. 4.Выводы по работе. VI.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1.Из каких основных элементов состоит конструкция автоматического выключателя? Каково их функциональное назначение? 2.Что называют собственным временем отключения выключателя? Как подразделяются выключатели по быстродействию? 3.Что понимают под основной характеристикой автоматического выключателя? Какой вид она имеет? 4.Какие виды расцепителей применяются в автоматических выключателях? В чем состоит основное отличие расцепителей, используемых в области токов перегрузки, от расцепителей, работающих в области токов короткого замыкания? Приведите примеры. 5.Что представляет собой механическая характеристика выключателя? Как экспериментально определяется эта характеристика? Литература: [1], с.197…229; [2], с. 265…288; [3], с.531…552 . 19

РАБОТА 4 . ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРИСТАВКОЙ ДЛЯ БЕЗДУГОВОЙ КОММУТАЦИИ I.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Практическое ознакомление с устройством и принципом действия гибридного контактора переменного тока, овладение навыками экспериментального определения его параметров. II.ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Стремление совместить положительные качества контактных аппаратов (малые потери мощности и габариты) с положительными свойствами полупроводниковых (бездуговая коммутация, повышенная коммутационная износостойкость) привело к созданию гибридных аппаратов и, прежде всего, контакторов как одних из самых распространенных аппаратов управления. В этих контакторах во включенном их состоянии ток нагрузки проходит через замкнутые контакты, а после их размыкания ток нагрузки направляется по параллельной цепи из тиристоров и при прохождении через нулевое значение прерывается с помощью тиристров. Этим обеспечивается практическое бездуговое размыкание контактов гибридного контактора. Ток через тиристоры после размыкания контактов контактора определяется сопротивлением и характером нагрузки i = Im sin (wt -ϕ). Значение тока через тиристоры при нагрузке индуктивного характера определяется из уравнения переходного процесса Ri + L di + ΔU = U m sin(ωt + ψ ). dt При малом напряжения ΔU на тиристорах ток определяется формулой i = i +i” или R (4) i = U m [sin(ωt + ψ − ϕ ) + e− L sin(ψ − ϕ )], z где z - полное сопротивление нагрузки; R - активное сопротивление нагрузки; L - индуктивность цепи; i и i” - периодическая и апериодическая составляющие тока; ϕ - угол сдвига между током и напряжением; ψ - угол, соответствующий началу отсчета времени (начальная фаза). Формула (4) справедлива для времени протекания тока через тиристоры. Продолжительность протекания тока через открытый тиристор при снятом управлении зависит от постоянной времени цепи τ = L ⁄ R и заканчивается во втором полупериоде приложенного синусоидального напряжения, когда его значение приобретает отрицательный знак (рис. 10). Перегрузка тиристоров по току весьма зависит от их температуры перед началом коммутации. Если до коммутации ток по тиристорам не протекает и 20

они находятся в холодном состоянии, то перегрузка может быть допущена очень большой. Условно это характеризуется коэффициентом перегрузки I Кп = , Iн где I - ток, протекающий через тиристор во время коммутации (амплитудное значение); IН - номинальный ток тиристора по паспорту. II.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из серийного контактора переменного тока (используется только один его полюс) и тиристорной приставки. Схема электрических соединений установки представлена на рис.11. Приставка содержит тиристоры VS1, VS2 и вспомогательные диоды VD1, VD2. Она представляет собой отдельное устройство, которое подключено к главной цепи контактора и к контакту К1 вспомогательной цепи контактора. Работа приставки протекает следующим образом. При отключенном контакторе ток через приставку не проходит, так как цепь управления тиристорами VS1 и VS2 разомкнута контактом К1 контактора. При нажатии кнопки SВ1 (“пуск”) катушка УК электромагнитного привода контактора получает питание и происходит включение контактора. В процессе включения сначала замыкаются контакты К1 и К2 вспомогательных цепей контактора и затем главные контакты К. Контакт К2 шунтирует кнопку SВ1, а контакт К1 включает цепь управления тиристорами, которые при этом отпираются. После замыкания главных контактов К ветви из тиристоров оказываются зашунтированы этими контактами, и ток по тиристорам не проходит. При нажатии на кнопку SВ2 (“стоп”) катушка УК контактора теряет питание и контактор отключается. С момента размыкания его главных контактов К ток нагрузки начинает протекать через тиристоры (тиристоры автоматически отпираются, как только разность потенциалов между главными контактами становится равной примерно IВ). Протекание тока нагрузки по тиристорам будет продолжаться до тех пор, пока не разомкнется контакт К1, обрывающий цепь управления тиристоров. Продолжительность протекания тока через тиристоры ограничивается временем размыкания контакта К1 и может длиться от одного до нескольких полупериодов тока. Оптимальное время коммутации составляет один полупериод (0,01с при частоте тока 50Гц). Вспомогательные диоды VД1 и VД2 служат для защиты управляющих переходов тиристоров от обратного тока. В качестве нагрузки используется статор асинхронного двигателя, потребляющий ток около 50 А. IV.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1.Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения средств измерений. 21

2.Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерений, используемых в работе. 3.Определить вольт-амперную характеристику тиристора на постоянном токе при подключенном к аноду тиристора управляющем электроде. Для этого следует собрать схему, представленную на рис.12. Включить выключатель S1 и посредством изменения сопротивления R1 увеличивать ток от 0 до 1А и фиксировать соответствующие величины напряжения на тиристоре. Результаты измерений следует занести в таблицу по форме 12. Форма 12 I,А U, В После достижения значения тока 1А следует выключателем S2 отключить управляющий электрод и начать медленно снижать ток до тех пор, пока он не начнет сам падать до нуля. Этот ток называется током включения тиристора IВ. Он зависит от типа тиристора и составляет примерно 15…20 мА. По данным таблицы по форме 12 следует построить вольт-амперную характеристику тиристора и по ней определить напряжение отпирания Uотп (примерно равно 0,8 В). Напряжение отпирания тиристора характеризует то значение разности потенциалов между размыкающими контактами, при котором ток нагрузки начнет проходить через тиристорную приставку. В свою очередь, ток выключения тиристора IВ характеризует то значение тока коммутации в цепи нагрузки, при котором происходит его прерывание. 4.Визуально определить эффективность работы тиристорной приставки. Для этого при разомкнутом выключателе S2 (рис.11) включением выключателя S1 подать напряжение на установку и посредством поочередного нажатия кнопок SВ1 и SВ2 несколько раз включить и выключить контактор, наблюдая дугообразование между его контактами. Так как источник питания установки маломощен и быстро греется, не следует долго держать контактор включенным на нагрузку. Затем посредством включения выключателя S2 подключить тиристорную приставку к контактору. Снова, оперируя кнопками SВ1 и SВ2, несколько раз включить и выключить контактор, наблюдая за искрообразованием на его главных контактах. На основе этих наблюдений следует сделать заключение об эффективности работы тиристорной приставки . 5.Определить время коммутации, т.е. длительность протекания тока по приставке после размыкания главных контактов контактора. Для этого следует подключить к сопротивлению R (рис.11) электроный осциллограф с запоминанием. Включить и отрегулировать осциллограф в соответствии с инструкцией на него или в соответствии с указаниями преподавателя. При включенном выключателе S2 включением выключателя S1 подать напряжение на установку. Кнопками SВ1 и SВ2 несколько раз включить контактор, фиксируя каждый раз число полупериодов тока нагрузки, возникающее на экране осциллографа. По числу полупериодов подсчитать время коммутации. 22

Минимальное время коммутации составляет один полупериод тока и является оптимальным. 6.Определить коэффициент перегрузки тиристоров в приставке при отключении нагрузки, если номинальный ток тиристоров 2А. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1.Краткое описание лабораторной установки, схема электрических соединений. 2.Метрологические характеристики средств измерений. 3.Результаты опытов и расчетов, таблица, график. 4.Выводы по работе. VI.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1.Что представляет собой гибридный контактор переменного тока? В чем заключается его преимущества по сравнению с обычным контактором? 2.Поясните принцип действия гибридного контактора. Почему в гибридном контакторе недопустим даже кратковременный отброс главных контактов электродинамическими силами при сквозных токах короткого замыкания? 3.Какой вид имеет вольт-амперная характеристика тиристора? Укажите на ней напряжение отпирания тиристора и ток его выключения. 4.Как влияет величина тока управления на вольтамперную характеристику и напряжение переключения тиристора? 5.Чем характеризуется и от каких факторов зависит перегрузка тиристоров по току? Чем определяется продолжительность протекания тока через открытый тиристор при снятом управлении? Литература: [1], с. 160…164; [3], с. 173…177.

РАБОТА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ УПРАВЛЕНИЯ I.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Приобретение практических навыков определения зависимостей, характеризующих отключающую способность аппарата управления. II.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Размыкание контактов аппарата управления при протекании по ним тока нагрузки сопровождается возникновением электрической дуги отключения. Аппарат должен надежно отключать все токи требуемого диапазона - от нуля до предельного отключаемого тока. При этом отключение любого тока в указанном 23

диапазоне не должно сопровождаться длительным дугообразованием (более 0,1 с), приводящим к значительному электрическому износу контактов. Положительность горения дуги на контактах аппарата после их размыкания (время дуги) зависит: - от параметров отключаемой цепи: величины и рода тока, величины напряжения, постоянной времени цепи (т.е. соотношения реактивной и активной составляющих нагрузки); - от параметров контактно-дугогасительной системы: скорости размыкания контактов и зазора между ними, условий и способов дугогашения и т.п. При исследовании отключающей способности аппарата управления определяются зависимости времени дуги tд от величины отключаемого тока IОТК при заданных параметрах отключаемой цепи и контактно- дугогасительной системы. В качестве примера на рис.13 приведены типичные зависимости времени дуги от величины отключаемого постоянного тока при различных напряжениях коммутируемой цепи. Условно эти зависимости могут быть разделены на три области токов. В области I - токов малых, по сравнению с номинальным током аппарата, наблюдается увеличение времени дуги при возрастании тока. Это связано с тем, что при малых токах дуга гасится непосредственно в зазоре контактов за счет достижения своей критической длины, при которой наступают условия, необходимые для гашения. Для большего значения тока здесь требуется большее растяжение дуги в зазоре контактов и, следовательно, при определенной скорости расхождения контактов - большее время до возникновения условий гашения. В области П имеет место снижение времени дуги с увеличением тока .Это объясняется тем, что в этой области токов на дугу уже начинает оказывать заметное воздействие магнитное поле токоподводов (а также, если предусмотрено конструкцией аппарата, внешнее магнитное поле, создаваемое постоянными магнитными или катушками “магнитного дутья”). Сила, воздействующая на дугу, определяется уравнением F= В i l , где В - индукция магнитного поля; i - ток дуги; l - длина дуги. С ростом тока силовое воздействие на дугу увеличивается. Под действием этой силы ствол дуги выходит из зазора между контактами и выгибается, благодаря чему условие гашения дуги достигается быстрее. В области III время дуги вновь начинает возрастать. Это свидетельствует о том, что ток достигает таких значений, при которых в данном контактнодугогасительном устройстве гашение дуги происходит уже с трудом. Энергия, выделяющаяся в дуге при отключении постоянного тока: Wg = L I2ОТКЛ, где L индуктивность отключаемой цепи. При определенном значении IОТКЛ величина Wg начинает превышать ту энергию, которая может быть поглощена дугогасительным устройством. Это и приводит к затягиванию процесса горения дуги и, в конечном итоге, к термическим разрушениям контактно-дугогасительного устройства. Как можно видеть из рис.13, повышение напряжения отключаемой цепи приводит к возрастанию времени дуги во всех областях изменения тока, а в 24

области малых токов может появиться зона, в которой гашение дуги не наступает (зона АБ). Эта зона является зоной критических (для данного аппарата) токов. Коммутация критических токов аппаратом управления запрещается. Аналогичные зависимости могут быть получены при различной величине индукции магнитного поля в зазоре контактов, различном значении зазора контактов, различной постоянной времени отключаемой цепи и т.п. Для измерения времени дуги используют: - осциллографирование тока и напряжения на контактах при определенной временной развертке; - скоростную киносъемку процесса возникновения, развития и гашения дуги при определенной частоте кадров; - измерение интервала времени с момента возникновения до момента гашения дуги с помощью соответствующих датчиков и дискретного измерителя временных интервалов. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ В данной работе в качестве объектов исследования используются два контактора ускорения КУВ 12А (рис.14). Электромагнитная система контактора состоит из якоря 1 с немагнитной прокладкой 2 и V – образного сердечника 3 с включающей катушкой 4. В каркас катушки запрессована массивная медная труба-демпфер 5 для создания выдержки времени при отключении электромагнитной системы. Медное основание 6, в которое залит сердечник 3, служит дополнительным демпфером. Контактная система контактора содержит два размыкающих мостиковых контакта, состоящих из неподвижных 7 и подвижных 8 контактов. При подаче питания на катушку 4 якорь 1 притягивается к сердечнику 3, что приводит к перемещению тяги 9, связанной рычагом 10 с якорем 1. Тяга 9, перемещаясь вверх, своими выступами отводит подвижные контакты от неподвижных, тем самым размыкая их. При снятии питания с катушки 4 якорь 1 под действием возвратной пружины II возвращается в исходное положение, но не сразу, а благодаря наличию демпферов – с выдержкой времени около 2с. С соответствующей выдержкой времени замыкаются и контакты 7 и 8. Контактные системы используемых в работе контакторов имеют различные исполнения. На одном из контакторов неподвижные контакты снабжены постоянными магнитами, создающими в зазоре контактов магнитное поле с индукцией 0,01 Тл. На другом контакторе эти магниты отсутствуют. Кроме того, на каждом контакторе контакты в разомкнутом состоянии имеют разные зазоры: верхний – 5мм, нижний – 2мм. Контакты контакторов не снабжены дугогасительными камерами, поэтому процесс гашения дуги может наблюдаться визуально (с безопасного расстояния – не менее 1м). Схема электрических соединений лабораторной установки приведена на рис.15. В качестве активно-индуктивной нагрузки, коммутируемой контактами 25

контакторов КУВ12А, используются электромагнитные системы L1-L6 (индуктивная часть нагрузки) и остеклованные резисторы R1-R6 (активная часть нагрузки). Катушки электромагнитных систем имеют по 1800 витков провода диаметром 0,25мм, а активное сопротивление каждой из них составляет 67,5 Ом. Сопротивление каждой из резисторных групп R1-R6, включенных последовательно с L1-L6, составляет 30 Ом. Определение отключаемого тока производится с помощью многопредельного амперметра. Для определения времени дуги используется специальный блок измерения времени дуги ВТ и электронный цифровой миллисекундомер РТ. Входящие в блок ВТ (рис.16) герконовые реле К3 и К4 состоят из намагничивающих катушек (R=1000 Ом, W=3000 витков) и симметричных нейтральных герконов типа КЭМ-1. Для повышения чувствительности реле их катушки частично охвачены тонколистовым магнитопроводом из пермаллоя. Замыкание геркона в каждом реле происходит при подаче на намагничивающую катушку напряжения 16В, а размыкание – при снижении напряжения до 6В. Время срабатывания реле при замыкании и размыкании составляют около 1мс. Герконовые реле К3 и К4 подключаются соответственно к коммутирующим ток нагрузки контактам К и к активной части нагрузки R и выполняют роль датчиков начала и окончания процесса горения дуги. Так как подключение реле осуществляется через выпрямители UZ1 и UZ2, то при этом не требуется соблюдения полярности питающего напряжения постоянного тока и возможно применение блока ВТ при коммутации цепей переменного тока. Измерение времени дуги происходит следующим образом. При подаче питания на цепь нагрузки по ней начинает протекать ток. Появление падания напряжения на активной части R нагрузки приводит к срабатыванию герконового реле К4 в блоке ВТ. Однако при этом счет времени не начнется, так как реле КЗ не может сработать (при замкнутом контакте К падение напряжения на нем составляет лишь доли вольта). После размыкания контакта К возникает падение напряжения на дуге (которое не может быть менее приэлектродного падения напряжения, составляющего около 25В), что приводит к срабатыванию герконого реле КЗ и замыканию цепи запуска миллисекундомера РТ. С этого момента начинается счет времени дуги. При погасании дуги ток в цепи нагрузки резко обрывается и, следовательно, исчезает падение напряжения на R, что приводит к размыканию герконового реле К4 и прекращению счета времени дуги миллисекундомером РТ. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения средств измерения. 2.Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерений, используемых в работе. 26

3.Привести в рабочее состояние миллисекундомер РТ. Для этого включить вилку провода питания прибора в сеть переменного тока напряжением 220В. Нажать кнопку “вкл” (при этом должно засветиться цифровое табло), нажать и убедиться, что кнопки остались в утопленном состоянии (кнопки: режима работы “3”, “раз” и “вибрация”). Кнопкой “сброс” привести миллисекундомер в исходное состояние (нулевое показание). 4.Определить зависимости времени дуги tД от величины отключаемого тока IОТКЛ при различных значениях зазора δ между контактами и различных величинах магнитной индукции в зазоре контактов. Для этого первоначально следует с помощью прилагаемых перемычек (короткие прямые) соединить все индуктивные сопротивления L1 - L6 последовательно. Аналогично соединяются и все активные сопротивления R1-R6. Затем все индуктивные и активные сопротивления включаются в цепь нагрузки, для чего следует соответствующие соединительные проводники подключить к свободным выводам L6 и R6. Провод, соединяющий нагрузку с коммутирующим контактом, следует первоначально подключить к верхнему контакту К1 (δ = 5 мм, В=0) . Убедиться, что магнитопроводы всех индуктивных сопротивлений замкнуты (якори электромагнитных систем установлены в сердечниках). При этом постоянная времени нагрузки τ= L/R составляет 5,5 мс. Затем включением выключателя SF подать питание на лабораторную установку. Постепенным нажатием кнопки SВ подать питание в цепь нагрузки и зафиксировать показание амперметра. При необходимости кнопкой “сброс” миллисекундомера РТ привести его в исходное состояние (нуль). Дальнейшим нажатием кнопки SВ подать питание на катушку контакторов. При этом контакты контакторов размыкаются и контакт, к которому подключена нагрузка, производит отключение тока нагрузки. Время дуги, зафиксированное миллисекундомером, следует занести в таблицу по форме 13 . Отпустить кнопку SВ. Переключить нагрузку на нижний контакт контактора К1 (δ=2мм, В=0), нажатием кнопки SВ (до конца) отключить ранее установленный ток нагрузки и зафиксировать показание миллисекундомера в таблице по форме 13. Последовательно подключая нагрузку к верхнему (δ=5 мм, В=0,01Тл) и нижнему (δ= 2мм, В=0,01Тл) контактам контактора К2 произвести ими коммутацию установленного тока нагрузки и зафиксировать соответствующие результаты измерений времени дуги. Далее следует уменьшить сопротивление нагрузки на одну ступень R6 и L6. Для этого надо снять короткие перемычки между L5 и L6 и между R5 и R6 и подключить соответствующие соединительные провода к свободным клеммам L5 и R 5. Измерить, как указано выше, возросший ток нагрузки и произвести его коммутацию всеми контактами контакторов К1 и К2. Аналогичным образом, последовательно уменьшая сопротивление нагрузки на следующую ступень (R и L одновременно) и фиксируя соответствующие значения IОТКЛ и tД, получают следующие точки зависимостей по формуле tД = f (IОТКЛ) вплоть до коммутации тока нагрузки, соответствующего только одной ступени (L1 и R1). 27

Дальнейшее увеличение отключаемого тока производится постепенным (по одной секции L и R одновременно) параллельным соединением к первой ступени (L1 и R1) остальных ступеней нагрузочного сопротивления. Для этого используются длинные изогнутые перемычки, которыми (чередуя выгнутость вверх и вниз ) соединяются одноименные (начало, конец) выводы секций L и R. Если при отключении данным контактом контактора К1 и К2, или установленного в цепи тока, время дуги превысит 100 мс, то отключение следующего, более высокого значения тока должно производиться с большой осторожностью, а если время дуги будет более 300 мс (не погасание дуги), то горение дуги должно быть прекращено, для чего следует быстро отпустить кнопку SВ. Более высокие значения тока этим контактом отключать запрещается. Все полученные в процессе экспериментальных исследований значения IОТКЛ и tД заносятся в таблицу по форме 13. Форма 13 Отключаемый ток IОТКЛ, А

Время дуги tД, при В=0 При δ = 5мм при δ = 2мм

Мс при В = 0,01 Тл при δ = 5 мм при δ =2мм

По данным таблицы строятся графики зависимостей tД= f(IОТКЛ), полученные в цепи с постоянной времени τ = 5,5 мс при: а) δ=5мм, В=0; б) δ=2 мм, В=0; в) δ=5 мм, В = 0,01 Тл; г) δ= 2 мм, В = 0,01 Тл. 5. Определить влияние постоянной времени τ отключаемой цепи на времена горения дуги при тех же условиях, что и в п.4. Для этого следует разомкнуть магнитопроводы всех индуктивных сопротивлений (удалить якори электромагнитных систем). При этом постоянная времени нагрузки составит 1 мс. Затем следует повторить эксперимент, указанный в п.4, занести их результаты в таблицу, аналогичную таблице по форме 13 и построить соответствующие зависимости. 6.Сравнить полученные зависимости tД= f(IОТКЛ) при различных значениях δ, В, и τ, сделать выводы о влиянии и этих параметров на время дуги в исследованном диапазоне отключаемых токов. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1.Краткое описание лабораторной установки, эскиз контактора ускорения, схемы электрических соединений 2. Метрологические характеристики средств измерения. 3. Результаты опытов, таблицы, графики. 4. Выводы по работе.

28

VI. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что понимается под отключающей способностью электрического аппарата? Чем она характеризуется? 2. От каких факторов и как зависит продолжительность горения дуги постоянного тока? 3.Изобразите типичный вид зависимости времени от величины отключаемого тока. На какие области тока может быть разделена эта зависимость? Чем характерны эти области? 4.Почему постепенное повышение величины отключаемого тока может привести к разрушению контактно-дугогасительного устройства? 5.Что понимают под зоной критических токов? Зависит ли появление и величина этой зоны от параметров отключаемой цепи? 6.Какими методами может быть определено время дуги? Какой из этих методов используется в данной работе? Литература: [1], с.75…95; [2], с.143…164; [3], с .160…163.

СОДЕРЖАНИЕ Общие указания Работа 1. Исследование электромагнитного контактора постоянного тока Работа 2. Исследование электромагнитного контактора переменного тока Работа 3. Исследование автоматического выключателя Работа 4. Исследование контактора переменного тока с приставкой для бездуговой коммутации Работа 5. Исследование процессов коммутации в электрических аппаратах управления

29

3 3 12 17 24 28

ЛР № 020308 от 14.02.97 Редактор А.В. Алехина Подписано в печать 00. Формат 60х84 1\16. Б.кн.-журн. П.л. 3,0 Бл. 1,5 РТП РИО СЗПИ Тираж Заказ ————————————————————————————— Редакционно-издательский отдел Северо - Западный заочный политехнический институт 191186, Санкт-Петербург, Миллионная, 5

30