Электромеханические аппараты автоматики: Рабочая программа, методические указания к выполнению лабораторных работ, задание на контрольную работу

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ АВТОМАТИКИ Рабочая программа Методические указания к выполнению лабораторных работ Задание на контрольную работу Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654500 – электротехника, электромеханика и электротехнологии 180200 – электрические и электронные аппараты

Санкт-Петербург 2005

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.316.(075) Электромеханические аппараты автоматики: Рабочая программа, методические указания к выполнению лабораторных работ, задание на контрольную работу .- СПб : СЗТУ, 2005 , 37 с. Рабочая программа составлена на основании государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста: 654500 – "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", (специальность 180200 – "Электрические и электронные аппараты" ) Сборник содержит рабочую программу "Электромеханические аппараты автоматики", задания на лабораторные и на контрольную работы и методические указания к их выполнению. Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и 17 января 2005 г., одобрено методической комиссией факультета 1 февраля 2005 г.

электромеханики энергетического

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра электротехники и электромеханики СЗТУ (заведующий кафедрой В.И. Рябуха, канд. техн. наук, проф.); Н.Н.Дзекцер, канд. техн. наук, директор ИЭЦ-«Контакт»

С о с т а в и т е л и:

В.Л. Беляев, д-р техн. наук, проф.; Ю.В. Куклев, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2005 2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Усвоение курса электромеханических аппаратов автоматики не может быть достаточно глубоким без понимания физической сущности явлений и процессов, имеющих место при работе аппаратов .Поэтому при изучении курса следует уяснить прежде всего физическую сторону принципа действия того или иного аппарата. Дисциплину рекомендуется изучать последовательно по темам, придерживаясь следующих указаний. 1. Приступая к изучению очередной темы, ознакомиться с ее содержанием и рекомендациями, изложенными в методических указаниях относящихся к ней. 2. Прочитать по учебнику материал, относящийся к теме, не останавливаясь на детальном ее изучении. В результате такого беглого просмотра материала следует уяснить, что является главным в теме. 3. Далее следует перейти к детальному изучению темы и ответить на вопросы для самопроверки по теме. 4. Рекомендуется в процессе изучения составлять конспект по каждой теме. 5. Если у студента-заочника при изучении дисциплины возникают вопросы, ответа на которые он не находит в учебнике, следует обратиться за консультацией к преподавателю. Весь материал курса разбит на 5 тем, к каждой из которых указана литература, даны методические указания и приведены вопросы для самопроверки. После получения зачетов по контрольному заданию и лабораторным работам студент допускается к сдаче зачета по дисциплине. 2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

5. Электромагнитные муфты

4. Магнитогиродинамические аппараты защиты, контроля и управления

3

3. Датчики

2. Герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы)

1. Элнектромеханические реле

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ АВТОМАТИКИ

3. СОДЕРЖАНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (128 часов) ВВЕДЕНИЕ [1] , с.6 ...10; [2] , с.3...6 ; [5], с.4...7. Предмет и содержание курса. Краткие сведения об истории и перспективах развития электромеханической аппаратуры автоматики. Место электромеханических аппаратов автоматики среди других видов электроаппаратуры. Определение и классификация электромеханических аппаратов автоматики . 3.1.1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ [1], c.11...141; [2], с.7...111; [3], c.74...127,227...403; [4] , с.91...96 , 101...119 Основные разновидности электромеханических реле и их применение. Требования, предъявляемые к реле. Основные понятия и определения. Контакты реле. Требования, предъявляемые к контактам. Материалы контактов и их физические параметры. Процессы размыкания и замыкания контактов .Коммутационные характеристики и категории применения. Способы повышения отключающей способности. Искрогасительные контуры. Вибрация контактов и способы борьбы с ней. Износ контактов при включении и отключении. Основные типы контактных механизмов (конструкция). Элементы расчета. Расчет контактных пружин. Расчет контактов на надежность и срок службы. Увеличение срока службы контактов. Особые конструкции контактов. Электромагнитные реле. Типы магнитных систем, применяемых в электромагнитных реле. Расчет и согласование механической и тяговой характеристик. Факторы, влияющие на коэффициент возврата реле и его времена срабатывания. Схемные и конструктивные изменения временных параметров реле, особенности их расчета. Особенности работы и расчета электромагнитных реле переменного тока. Устранение вибрации якоря. Типы реле. Миниатюрные и малогабаритные герметичные электромагнитные реле. Особенности конструкции и работы. Типы реле. Применение реле в устройствах автоматики. Основы расчета реле. Поляризованные и магнитоэлектрические реле. Принцип действия. Типы реле. Основы расчета. Особенности проектирования. Электродинамические и индукционные реле. Принцип действия. Типы реле. Элементы расчета. 4

Тепловые реле. Принцип действия. Способы компенсации биметаллических реле. Элементы расчета. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

температурной

1. Приведите классификацию различных типов реле: а) по принципу действия; б) по характеру физической величины, на которую реагирует реле; в) по способу присоединения к основной цепи. 2. Что представляет собой коэффициент возврата реле и в каких пределах он может изменяться? Какие требования в различных случаях предъявляются к коэффициенту возврата и почему? 3. Какие факторы влияют на собственное время работы реле? Какими способами можно уменьшить это время и получить быстродействующее реле? Какими способами можно увеличить собственное время реле и получить реле замедленного действия? 4. Что такое коммутационный (электрический) износ контактов реле? Чем объясняется износ при замыкании контактов? Как зависит износ контактов от характера электрического газового разряда (искра или дуга) при их размыкании? От чего зависит переходное сопротивление контактов в замкнутом состоянии? На какие типы разделяют электрические контакты по геометрии? 5.Что такое механическая характеристика реле? Что такое тяговая характеристика? Для чего необходимо сопоставление механической и тяговой характеристик при проектировании реле? Приведите примеры взаимного расположения механической и тяговой характеристик? 6. Какие виды магнитных систем применяют в поляризованных реле? Почему магнитная система с параллельной магнитной цепью является дифференциальной? Каковы преимущества магнитных систем с мостовой магнитной цепью? Приведите схему включения поляризованного реле и примеры его применения. 7. Приведите схемы магнитных систем индукционных реле и постройте их векторные диаграммы. Как создается вращающий момент в индукционных реле? Какие факторы влияют на его величину? От чего зависит время срабатывания индукционного реле? Приведите примеры применения индукционных реле. 8. Приведите принципиальную схему магнитоэлектричеческого реле. Как создается и от чего зависит вращающий момент, действующий на обмотку реле? От чего зависит время срабатывания этого реле? Чем отличается магнитоэлектрическое реле от электродинамического? 9.Что представляет собой коэффициент добротности реле и чем он измеряется? Приведите выражение коэффициента добротности индукционного реле. 10. Укажите основные характеристики термобиметаллических тепловых реле, их достоинства и недостатки. Что представляет собой постоянная времени теплового реле и как она связана с постоянной времени 5

нагрева и охлаждения защищаемого объекта? Какие способы нагрева термобиметаллических пластин применяются в тепловых реле? Какие способы ускорения действия контактов применяются в таких реле? 3.1.2. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЕ КОНТАКТЫ ( ГЕРКОНЫ ) [1], с.142...196 ; [2], c.111...201; [4], c.96...101 Принцип действия, основные разновидности и параметры магнитоуправляемых контактов. Использование герконов в устройствах автоматики. Требования, предъявляемые к герконам. Способы управления герконами. Элементы расчета. Вопросы повышения надежности и срока службы магнитоуправляемых контактов. Герконы повышенной мощности. Основные типы отечественных герконов. Герконовые реле. Основные типы герконовых реле. Способы повышения чувствительности герконовых реле. Способы поляризации герконовых реле. Реле с памятью на герконах. Ферриды. Командоаппараты на герконах. Релейные преобразователи (датчики) неэлектричестких величин на основе герконов. Герконы с жидкометаллическими контактами. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Дайте определение магнитоуправляемым контактам. По каким отличительным признакам классифицируются магнитоуправляемые контакты? 2. В каких условиях работают контакты герконов ? Чем отличаются эти условия от условий работы контактов электромагнитных реле, находящихся в среде атмосферного воздуха? 3.Опишите управление работой герконов с помощью линейного или углового перемещения постоянного магнита. Почему продольное параллельное перемещение магнита наиболее благоприятно? Изобразите зависимость напряженности магнитного поля в рабочем зазоре геркона от перемещения магнита. 4. Как рассчитывается механическая характеристика геркона? Изобразите механическую характеристику геркона и соответствующую ей тяговую характеристику. 5. Опишите управление работой герконов с помощью обмоток. Что такое коэффициент запаса по намагничивающей силе срабатывания геркона с управляющей обмоткой? От каких факторов зависит время срабатывания? 6. Докажите, что при управлении работой герконов ортогональными магнитными полями не только осуществляется гальваническое разделение цепей управления, но и исключается их взаимное электромагнитное влияние. 7. Каким образом осуществляется магнитная память в ферридах? Какие материалы применяются для их магнитопроводов? Как зависит длительность 6

импульса тока срабатывания от величины тока? Какая взаимосвязь между импульсами срабатывания и возврата? 8. Перечислите, в каких электромеханических устройствах автоматики применяются герконы. Укажите достоинства и недостатки герконов. 9. Перечислите основные параметры магнитоуправляемых контактов. Как определяется намагничивающие силы срабатывания и возврата, коэффициент возврата, мощность управления ? 10. Какие Вы знаете типы отечественных герконов и реле на их основе? Опишите вкратце устройство некоторых из них. 11. Как осуществляются и чем характеризуются комбинированные способы управления герконами? 3.1.3. ДАТЧИКИ [1], c.197...247; [2], c.201...258; [3], c.127...180; [4], c.154...172 Основные определения, характеристики и параметры датчиков. Требования, предъявляемые к датчикам. Датчики, основанные на изменении активного сопротивления (резестивные, электролитические, контактные, тензодатчики, терморизисторы и т.д.). Индуктивные и трансформаторные датчики. Датчики Холла. Термоэлектрические датчики (термопары). Другие разновидности датчиков. Принципы действия и элементы расчета датчиков. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Приведите классификацию датчиков в зависимости от контролируемой величины, в зависимости от принципа действия (используемого эффекта). Дайте определение основной характеристики датчиков. Что такое чувствительность датчика ? 2. Перечислите основные виды резисторных датчиков. Изложите принципы их действия и устройство, их достоинства и недостатки. Укажите области их применения. 3. Назовите основные разновидности тензометрических датчиков. Каков принцип их действия? Укажите их достоинства и недостатки, области их применения. 4. На каком эффекте основан принцип действия термоэлектрических датчиков? Какие требования предъявляются к материалам термоэлектродов? Укажите достоинства и недостатки метода измерения температуры с помощью этих датчиков. 5. Для чего служат и на каком принципе работают индуктивные датчики? Укажите их основные разновидности и характеристики, их достоинства и недостатки, области их применения. 6. Почему емкостные датчики могут использоваться для измерения перемещения? От чего зависит их чувствительность? Какие достоинства и 7

недостатки имеют емкостные датчики? Как с помощью емкостного датчика может быть измерено давление? 7. В чем заключается эффект Холла? Как устроен датчик Холла? Укажите области его применения, достоинства и недостатки, основные характеристики. 8. В чем заключается пьезоэффект? Изложите устройство датчика на этом эффекте и укажите области применения, достоинства и недостатки таких датчиков. 9. На каком свойстве ферромагнитных материалов основано действие магнитоупругих датчиков? От чего зависит их чувствительность? Укажите область применения таких датчиков. 10. Изложите принцип действия и устройство фотодатчиков. Укажите области их применения. 11. Какие из известных Вам датчиков могут быть применены для измерения быстропеременных процессов и почему? 3.1.4. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ, КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ [8], c.4...23 , 42...50 , 83...95 Кондукционные магнитогидродинамические реле. Принцип действия. Конструкции. Элементы расчета. Индукционные магнитогидродинамические реле. Принцип действия. Конструкции. Элементы расчета. МГД - коммутаторы. Принцип действия. Конструкции. Элементы расчета. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Назовите основные виды кондукционных реле. Изложите принципы их действия, их достоинства и недостатки. Укажите области их применения. 2. Перечислите основные виды индукционных реле. Изложите принципы их действия и устройства, их достоинства и недостатки. Укажите области их применения. 3. Укажите основные виды магнитогидродинамических коммутаторов. Изложите принципы их действия и устройства. Укажите области применения. 4. Что применяется в качестве электропроводящих жидкостей в МГД реле? Как решается проблема надежного контакта электродов с жидкостью? 3.1.5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ [1], c.255...282; [2], c.258...275; [4] , c.82...90 Основные разновидности электромагнитных муфт и примеры их применения. Требования, предъявляемые к электромагнитным муфтам. 8

Электромагнитные фрикционные муфты. Принцип действия. Элементы расчета. Муфты скольжения (индукционные и электростатические). Принцип действия. Элементы расчета. Ферропорошковые муфты. Принцип действия. Элементы расчета. Гистерезисные муфты. Принцип действия. Элементы расчета. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Назовите разновидности электромагнитных муфт. Каковы их достоинства и недостатки? Укажите области применения, в том числе особые для данной разновидности муфт. 2. Изложите принцип действия электромагнитных фрикционных муфт. Опишите устройство однодисковой, многодисковой и реверсивной фрикционных муфт. 3. Какие материалы применяются для изготовления фрикционных дисков? Какие Вы знаете металлокерамические композиции, используемые для этой цели? Какие пары материалов предпочтительней по коэффициенту трения? 4. Какие материалы применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных фрикционных муфт? Для быстродействующих и высокочувствительных муфт? 5. Опишите динамику работы электромагнитной фрикционной муфты? Что понимается под временем срабатывания муфты? Из каких составляющих оно складывается? 6. Напишите формулы для определения наружного радиуса поверхностей трения фрикционной муфты, результирующей намагничивающей силы катушки, оптимального числа фрикционных дисков. 7. Изложите принцип действия ферропорошковой муфты. Назовите разновидности этих муфт. Опишите их устройство. 8. Какие материалы применяются в качестве ферромагнитного порошка? В качестве разделителя? Укажите преимущества сухого разделителя перед жидким. 9. Чем ограничивается скорость вращения ферропорошковой муфты? Что понимается под критическим значением удельной центробежной силы? Каковы ее обычные значения? 10. Напишите формулы для определения максимального момента, передаваемого дисковой и барабанной ферропорошковой муфтами. 11. Изложите принцип действия гистерезисной муфты. Опишите ее устройство при возбуждении постоянным магнитом или электромагнитом. 12. Напишите формулу для определения момента, передаваемого гистерезисной муфтой. Покажите, что момент не зависит от частоты вращения ведомого вала. 13. Почему гистерезисные муфты часто используются для передачи вращающего момента в герметизированный объем? 9

3.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (20 часа) 1. Введение 2. Электромеханическое реле 3. Герметизированные магнитоуправляемые контакты 4. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами 5. Датчики 6. Электромагнитные муфты. Магнитогидродинамические аппараты защиты, контроля и управления

4 часа 4 -"4 -"4 -"4 -"4 -"-

3.3. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (12часов) 1. Исследование электромагнитного реле. 2. Исследование реле максимального тока и реле времени с часовым механизмом. 3. Исследование теплового реле. 4. Исследование герконов.

4 часа 2 -"4 -"2 -"-

4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Электромеханические аппараты автоматики / Б.К.Буль, О.Б.Буль, В.А.Азанов, В.Н.Шоффа - М.: Высш. школа, 1988. 2. Коробков Ю.С., Флора В.Д. Электромеханические аппараты автоматики .- М : Энергоатомиздат , 1991. 3. Сотсков Б.С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств.- М : Энергия, 1965. Дополнительный: 4. Таев И.С. Электрические аппараты автоматики и управления.-М: Высш.школа , 1984 5. Харазов К.И. Реле с магнитоуправляемыми контактами.-М: Энергия, 1971. 6. Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле для аппаратуры автоматики и связи.- М.-Л : Энергия , 1966. 7. Ройзен В.З. Электромагнитные малогабаритные реле.-Л.: Энергоиздат , 1986. 8. Баринберг А.Д. Магнитогидродинамические аппараты защиты, контроля и управления .- М : Энергия , 1978 .

10

5. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Общие положения 1. При выполнении контрольной работы следует писать расчетные формулы сначала в общем виде и лишь затем подставлять в них цифровые значения, указывая размерность полученного результата. 2. Выбранные величины должны быть обоснованы. При заимствовании расчетных данных, формул, методов расчета следует сделать ссылку на использованную литературу с указанием страницы, номера формулы, рисунка и.т.п. 3. Перечень использованной литературы нужно привести в конце работы, указав автора книги, название и год ее издания. 4. Текст контрольной работы следует аккуратно оформить, оставив поля для пометок преподавателя. 5. Графически работы могут быть выполнены в карандаше на миллиметровой бумаге. 6. Если задачи в контрольных работах содержат несколько вариантов, то студенту надлежит выбрать один из них в соответствии с начальной буквой фамилии. Номер 1 варианта Начальная АБВ буква фамилии

2

3

4

5

6

ГДЕ ЖЗИ КЛМ НОП РСТ

7 УФ

8

9

10

ХЦЧ ШЩ ЭЮЯ

ЗАДАЧА 1. Определить МДС срабатывания реле клапанного типа с полюсным наконечником типа РКН. Исходные данные для расчетов: нагрузка якоря реле F в предполагаемой критической точке механической характеристики при рабочем между железном пространстве σ = 0,7 мм приведена в табл 12. Т а б л и ц а 12 Параметры F, H

1 и 2 4

Варианты и исходные данные 3 и 4 5 и 6 7 и 8 4,5 5 5,5

9 и 10 6

Диаметр полюсного наконечника dn = 1,5 см , его толщина bn = 3 мм. Диаметр сердечника dc = 0,9 см, его длина lc = 6,7 см . 11

Сечение корпуса Sк = 0,82 см2. Расстояние между осью сердечника и корпусом С= 1,3 см. Расстояние между осью сердечника и осью вращения якоря С1 = 2,1 см. Толщина покрытий сердечника и корпуса: медь 0,005 мм и никель 0,01 мм. Длина среднего воздушного зазора 0,045 мм . Площадь стыка корпуса с якорем 1,5 см2. Площадь стыка сердечника с корпусом 0,5 см2. Литература: [6], c.117...227 . ЗАДАЧА 2. Определить МДС срабатывания и отпускания, а также коэффициент возврата нейтрального экранированного реле с одним замыкающим магнитоуправляемым контактом (рис.13). Определить начальное контактное нажатие Fк нач. после срабатывания.

Рис.13 Исходные данные для расчетов. Размеры электрода: длина l=20 мм; ширина b=2,6 мм; толщина h=0,5мм . Жесткость электрода C=1,66 ⋅ 103 Н/м . Длина начального рабочего зазора δ0 приведена в табл.13. Длина конечного рабочего зазора δmin = 0,01 мм. Длина перекрытия в рабочем зазоре lδ = 1,2 мм. Модуль упругости материала электродов (сплав 52Н) Е= 1,36 .1011Н/м2. Коэффициент магнитной проводимости магнитопровода Кст = 2 . Коэффициент магнитной проводимости путей рассеяния Крас.= 0,1. Коэффициент симметрии магнитоуправляемых контактов Ксм = 0,5. Т а б л и ц а 13 Параметры δ0, мм

1 и 2 0,20

Варианты и исходные данные 3 и 4 5 и 6 7 и 8 0,22 0,24 0,26 12

9 и 10 0,28

Литература: [5], с. 29 ...45. ЗАДАЧА 3. Определить индуктивность L датчика, эскиз магнитной системы которого приведен на рис.14. Построить зависимость индуктивности L датчика от величины воздушного зазора δ . Исходные данные для расчетов: материал магнитной системы - электротехническая сталь марки 1512 (старое обозначение Э42). Магнитная индукция в сердечнике B = 0,3 Тл. Для обмотки датчика использован медный провод с эмалевой изоляцией марки ПЭВ-1 диаметром 0,1 мм.

Рис.2 Размеры магнитной системы а и b1 приведены в табл.14. Т а б л и ц а 14 Параметры А, см b1, см

1 и 2 1 1,2

Варианты и исходные данные 3 и 4 5 и 6 7 и 8 1,2 1 1,4 1 1 1,2

9 и 10 1,2 1,4

Литература: [3], c.141 ...152 . ЗАДАЧА 4. Определить диаметр провода d , среднюю длину витка l и диаметр каркаса D реостатного датчика перемещения. Исходные данные для расчетов: 13

Материал провода - константан . Для него удельное сопротивление Р = 0,48 Ом ⋅ мм2/м ; температурный коэффициент сопротивления αпр = 1,5 ⋅ 10-6 1/°С ; модуль упругости Е = 1,66 ⋅ 1011 Н/м2; предел упругости σу = 1,2 ⋅ 108 Н/м2. Материал каркаса − керамика. Для него коэффициент линейного расширения αк= 3 ⋅ 10-6 1/ °С . Максимальное перемещение Хmax = 20 мм. Максимальная температура окружающей среды Qmax = 50°С Сопротивление датчика R и максимальный ток Imax приведены в табл.15. Т а б л и ц а 15 Параметры

R, ом Imax, А

1

2

3

300 0,15

310 0,14

320 0,13

Варианты и исходные данные 4 5 6 7 330 0,12

340 0,1

350 0,15

360 0,14

8

9

10

370 0,13

380 0,12

400 0,1

Литература: [2], с.203...210 ; [3], c.127...141. ЗАДАЧА 5. Определить момент, развиваемый однодисковой фрикционной муфтой при магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре Вδ = 1 Тл . Исходные данные для расчетов : внешний радиус фрикционного диска Rн приведен в табл.16. Отношение внутреннего радиуса к внешнему β = 0,6. Материал фрикционного диска − металлокерамика на основе меди (коэффициент трения Ктр = 0,4) . Площадь полюса Sэм , через которую происходит магнитный поток в муфте принять равной удвоенной рабочей поверхности диска Sр , т.е. Sэм = 2 Sр. Т а б л и ц а 16 Параметры

1

2

3

Rн, ом

50

60

70

Варианты и исходные данные 4 5 6 7 80

90

100

Литература: [2], c.267...271; [4], c.82...85.

14

110

8

9

10

120

130

140

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЛЕ 1. Цель работы Практическое ознакомление с конструкцией и функционированием электромагнитного реле и овладения навыками определения его основных характеристик. 2. Основные теоретические положения Электромагнитным называется реле, перемещения подвижных частей которого осуществляется электромагнитным приводом. Такие реле являются одним из важнейших элементов современных систем автоматики. В зависимости от физической величины, от которой реле должно срабатывать, различают реле тока, напряжения, мощности, частоты и т.д. Основными характеристиками электромагнитных реле являются: Напряжение и ток срабатывания, напряжение и ток отпускания, коэффициент возврата, коэффициент запаса по срабатыванию, время срабатывания, время отпускания, срок службы. Напряжение и ток срабатывания (Uсраб., Iсраб.) – наименьшие величины напряжения и тока, при которых происходит включение реле (якорь притягивается). Напряжение и ток отпускания (Uотп., Iотп) – наибольшие величины напряжения и тока, при которых происходит отключение реле (якорь отпадает). Коэффициент возврата КВ – отношение величины отпускания к величине срабатывания: U I (1) K В = отп. = отп p 1 . U сраб. I сраб.

Время срабатывания tсраб – промежуток времени от момента появления напряжения на катушке управления реле до момента замыкания ее контактов. Время отпадания tотп. – промежуток времени от момента снятия напряжения с катушки до момента размыкания контактов. По времени срабатывания реле делятся на безынерционные (tсраб<0,001с), быстродействующие ( tсраб < 0,05 c), нормальные (tстаб = 0,05…0,25), реле времени ( tсраб и tотп > 0,25 c). Коэффициент запаса по срабатыванию Кз - отношение номинального напряжения Uном к величине напряжения срабатывания Uсраб : U К з = ном f 1 . (2) U сраб 15

Срок службы – допустимое число срабатываний. Электромагнитная сила, развиваемая катушкой реле, определяется формулой Максвелла: Вσ2 Sσ Ф2 = , Н (3) Fэм = 2μo 2μо Sσ Ф - индукция в рабочем зазоре, Тл; Sσ Sσ - сечение воздушного рабочего зазора, м2; μ о = 1,256 10-6 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха. Магнитное сопротивление воздушного зазора электромагнита определяется выражением: δ RMδ = 1/Гн , (4) μ o Sδ где δ – длина воздушного зазора, м. Магнитный поток определяется отношением: Iw Вб, Ф= RM где Iw – магнитодвижущая сила (произведение тока I в катушке на число витков w), развиваемая электромагнитом, А. где

Bσ =

3. Описание лабораторной установки Исследуемое в данной работе электромагнитное реле серии ЭРЭ-180 представляет собой реле напряжения с выдержкой времени при отключении до 5 с. Основные узлы реле – электромагнитная система и контактная система – крепятся на изоляционном основании. Электромагнитная система реле (рис.1) состоит из магнитопровода и втягивающей катушки 9. Основными частями магнитопровода являются: угольник 10 с запрессованным в него сердечником 7 и якорь 6, вращающейся на призме. Для устранения “залипания” якоря под действием остаточной намагниченности магнитопровода на якоре крепится двумя винтами 4 немагнитная прокладка 5. Все части магнитопровода изготовлены из магнитомягкой электротехнической стали марки Э. Зазор δ между якорем и сердечником в отключенном положении реле регулируется винтом 2, номинальная величина этого зазора составляет 6 мм. На сердечник магнитопровода надет демпфер 8, представляющий собой набор медных шайб и служащий для создания выдержки времени при отключении реле. В момент отключения в шайбах демпфера индуктируются токи, постепенным затуханием которых и определяется время спадания магнитного потока реле до величины отпадания якоря. Если требуются малые выдержки времени, шайбы демпфера можно снять (полностью или частично). Ступенчатое регулирование выдержки времени осуществляется изменением толщины немагнитной прокладки 5, а 16

Рис.1

точнее – изменением натяжения отключающей пружины 1 с помощью регулировочной гайки 3.

17

Катушка 9 реле рассчитана на питание от источника постоянного тока с номинальным напряжением 110 В. Её обмотка содержит 7400 витков провода марки ПЭЛ диаметром 0.25 мм. Сопротивление обмотки при 20о С составляет 680 Ом. Катушка расположена на магнитопроводе концентрично демпферу и закреплена пружинной шайбой, вставляемой в пазы сердечника. Контактная система реле имеет две пары контактов: замыкающую 11 и размыкающую 12. Подвижные мостиковые контакты связаны с помощью закрепленной на нем двумя винтами скобы и изоляционной колодки. Неподвижные контакты в виде контактных гаек установлены на резьбовых шпильках, закрепленных на изоляционном основании. В работе исследуется влияние натяжения отключающей пружины и толщины немагнитной прокладки на коэффициент возврата и собственные времена замыкания и размыкания реле. Для исследования реле используется электрическая схема, представленная на рис.2.

Рис.2 4. 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. 3. Определить зависимость коэффициента возврата реле от натяжения отключающей пружины. Для этого надо установить на якоре реле немагнитную прокладку толщиной 0,5 мм. Зазор между якорем и сердечником должен быть 6 мм, его величина проверяется по линейке, укрепленной на реле. Затем следует измерить напряжения и токи срабатывания и отпадания реле при различных натяжениях отключающей пружины. Первое измерение 18

производится при максимально ослабленной пружине, когда конец шпильки выступает за торец регулировочной гайки на две нитки резьбы. Это положение принимается за начальное (n = 0). Перед измерением необходимо перекидной рубильник S3 поставить в среднее (нулевое) положение и установить движок потенциометра R в нижнее положение, в соответствующее отсутствию напряжения на катушке реле. Затем включить вспомогательный выключатель S2, подать включением выключателя S1 постоянное напряжение на схему и постепенно увеличивать потенциометром напряжение на катушке реле до его срабатывания. Значение тока и напряжения срабатывания занести в таблицу по форме 1. После этого следует постепенно понижать напряжение до отпускания реле. Значение тока и напряжения отпускания также занести в табл. по форме 1. Форма 1 Iсраб, А Uотп, В Iотп, А КВ n, об Uсраб, В 0 2 4 6 8 10 Измерения следует проделать 6 раз через каждые два оборота регулировочной гайки. Гайку надо вращать одной рукой, а другой – придерживать направляющую шпильку за шплинт во избежание её проворачивания и сбоя в счете оборотов n гайки. По полученным данным построить на одном графике с общей осью абсцисс следующие зависимости: Uсраб= f (n); Uотп = f (n); Iсраб = f (n); Iотп = f (n); KB = f (n). 4. Определить зависимость коэффициента возврата реле от толщины немагнитной прокладки. Для этого надо установить натяжение отключающей пружины, соответствующее 6 оборотам регулировочной гайки (n=6). Затем, изменяя несколько раз толщину Δ немагнитной прокладки (в пределах от 0,05 до 1,5 мм), необходимо произвести измерения напряжений и токов срабатывания и отпадания реле аналогичные предыдущим (п.3). Полученные результаты должны быть сведены в табл. по форме 2. Построить на одном графике следующие зависимости: Uсраб= f (Δ); Uотп= f (Δ); Iсраб = f (Δ); Iотп = f (Δ); ΚВ = f (Δ). Форма 2 Iсраб, А Uотп, В Iотп, А КВ Δ, μ Uсраб, В 0,05 0,2 0,5 1,0 1,5 19

5. Определить зависимость собственного времени срабатывания реле от натяжения отключающей пружины. Для этого на якоре реле следует укрепить немагнитную прокладку толщиной 0,5 мм и максимально ослабить натяжение пружины. Затеи перекидной рубильник S3 надо поставить в верхнее (первое) положение; рубильник S4, шунтирующий миллиамперметр, замкнуть; включить вспомогательный выключатель S2 и выключателем S1 подать на схему постоянное напряжение. Потенциометром R установить номинальное напряжение на катушке реле (110 В). После этого необходимо отключить выключатель S2 и подать выключателем S5 на схему переменное напряжение. В таком состоянии схема подготовлена к работе. Для измерения времени срабатывания надо включить вспомогательный выключатель S2. При этом подается напряжение на катушку реле и одновременно включается электросекундометр РТ, который работает до тех пор, пока не замкнется замыкающий контакт реле К. Тогда секундометр останавливается, зафиксировав собственное время срабатывания реле. Для повторной подготовки схемы к работе необходимо разомкнуть выключатель S2 и дождаться отпадания реле. Необходимо произвести шесть аналогичных измерений через каждые два оборота регулировочной гайки. Полученные результаты следует занести в табл. по форме 3. По данным таблицы необходимо построить зависимость tсраб = f (n). Форма 3 n, об tсраб, с

0

Δ = 6 мм 4

2

6

8

10

6. Определить зависимость собственного времени отпадания реле от натяжения отключающей пружины. При этих измерениях толщина немагнитной прокладки должна быть 0,5 мм. Перед измерениями необходимо: установить минимальное натяжение отключающей пружины; перекидной рубильник S3 поставить в нижнее (второе) положение; замкнуть рубильник S4; выключателями S1 и S5 подать на схему постоянное и переменное напряжения источников питания; включить вспомогательный выключатель S2 и подать номинальное напряжение (110 В) на катушку реле. Чтобы измерить время отпадания реле, надо разомкнуть вспомогательный выключатель S2. При этом катушка реле отключается и одновременно включается секундомер, который будет работать до тех пор, пока не разомкнется замыкающий контакт реле К. После этого секундомер остановится и зафиксирует время отпадания реле. Для повторной подготовки схемы к работе необходимо замкнуть выключатель S2 и выждать около 3 с после срабатывания реле, чтобы в магнитопроводе закончился переходый процесс нарастания магнитного потока. Произвести шесть измерений (через каждые два оборота регулировочной гайки) и полученные данные свести в табл.по форме 4. 20

Форма4 10

n , об 0 2 4 6 8 tотп, с По данным таблицы необходимо построить зависимость tотп = f(n).

7. Определить зависимость времени отпадания реле от толщины немагнитной прокладки. Для этого установить натяжение отключающей пружины, соответствующее 6 оборотам (n=6) регулировочной гайки. Затем последовательно устанавливая немагнитные прокладки толщиной от 0,05 до 1,5 мм, произвести измерение времени отпадания реле. Последовательность переключений в схеме производить аналогично указаниям в п.6. Полученные результаты занести в таблицу по форме 5. По данным табл. построить зависимость tотп = f (Δ). Форма5 Δ, мм 0,05 0,2 0,5 1,0 1,5 tотп , с 8. Используя выражения (3), (4), (5), рассчитать значение электромагнитной силы Fэм для нескольких значений воздушного рабочего зазора δ реле в пределах от 1 до 6 мм. Результаты расчетов свести в табл. по форме 6. δ , мм Ф, Вб Fэм , Н

1

2

4

Форма 6 6

При расчетах величину Sδ принять равной сечению полюса сердечника реле. Его диаметр составляет 35 мм. По результатам расчета построить зависимость Fэм = f (δ). 5. Содержание отчета 1. Краткое описание лабораторной установки, электрическая схема, эскиз исследуемого реле. 2. Метрологические характеристики средств измерения (тип прибора, пределы измерения, класс точности и т.п.). 3. Результаты опытов, таблицы, графики. 4. Выводы по работе.

21

6. Вопросы для самопроверки 1. Какие основные конструктивные элементы имеет электромагнитное реле? 2. Что такое коэффициент возврата электромагнитного реле? Как он зависит от натяжения возвратной пружины и толщины немагнитной прокладки между сердечником и якорем реле? 3. Что такое коэффициент запаса по срабатыванию электромагнитного реле? Зависит ли он от толщины немагнитной прокладки? Зависит ли он то натяжения возвратной пружины? Если зависит, то как? 4. Какими еще параметрами характеризуется работа электромагнитного реле? 5. Какие существуют разновидности электромагнитных реле? Литература: [1], c.84…104; [2], c.66…76; [4], c.91…95. Работа 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА И РЕЛЕ ВРЕМЕНИ С ЧАСОВЫМ МЕХАНИЗМОМ

1. Цель работы Практическое ознакомление с конструкцией и работой реле максимального тока и реле времени с часовым механизмом, овладение навыками экспериментального определения их основных характеристик. 2. Основные теоретические положения Реле максимального тока предназначены для защиты электрических установок от недопустимых токов перегрузки и короткого замыкания. Срабатывая, эти реле дают команду на отключение силового выключателя в цепи, защищаемой установки. Реле бывают первичными, т.е. включаются непосредственно в защищаемую электрическую цепь, и вторичными, т.е. включаемыми в цепь через трансформатор тока. Наименьшее значение тока в катушке этого реле, при достижении которого начинается и полностью заканчивается движение якоря электромагнита реле, называется током срабатывания. Наибольшее значение тока в катушке, при котором начинается и полностью заканчивается отпадание якоря реле, называется током отпадания. Отношение тока отпадания к току срабатывания называется коэффициентом возврата реле тока: I К в = отп . I сраб 22

Реле времени с часовым механизмом применяют для получения выдержек времени больших, чем выдержки времени у электромагнитных реле. Изменение выдержки времени у этих реле осуществляется перестановкой регулятора часового механизма. Однако износостойкость реле с часовым механизмом значительно ниже износостойкости электромагнитных реле. Реле применяется в схемах селективной защиты низковольтных электроустановок и в схемах электропривода с управлением в функции времени. 3. Описание лабораторной установки В данной работе исследуется реле максимального тока типа ЭРЭ-2100. Реле срабатывает без выдержки времени. Его изображение представлено на рис.3. Якорь 5 и П-образный сердечник 7 реле изготовлены из шихтованной стали. Для предотвращения гудения магнитной системы реле при притянутом якоре на конце сердечника установлен короткозамкнутый виток 6.

Рис.3 Якорь реле возвращается в исходное положение под действием отключающей пружины 8, усилие которой регулируется с помощью гайки 3. На винте, центрирующем пружину 8, установлен указатель 9, выходящий за шкалу 10. На шкале нанесена черта, соответствующая току установки реле. Подвижные мостиковые контакты 1 крепятся на якоре при помощи

23

изоляционной колодки 2 и угольника 4. Неподвижные контакты 11 установлены на изоляционном основании 13 на шпильках 12. Номинальный ток катушки реле 40 А. Регулирование установок обеспечивается в пределах (1,1 ….3,5) Iном. Коэффициент возврата реле ЭРЭ2100 не превышает 0,4. Исследуемое также в данной работе реле типа РВ-20 с замедлителем часового типа обеспечивает выдержку времени при срабатывании до 15 с. При подаче напряжения на катушку реле его якорь мгновенно втягивается и растягивает пружину, которая создаёт крутящий момент на оси часового механизма. Последняя, благодаря наличию анкерного замедлителя, начинает медленно поворачиваться. Вместе с ней совершает замедленное движение и подвижный контакт реле. Через некоторое время, равное установке реле, происходит расцепление ведущей оси часового механизма и быстрое замыкание контакта реле. При снятии напряжения с катушки реле возвращается в первоначальное положение. Электрическая схема, используемая при исследовании реле тока и реле времени с часовым замедлителем, приведена на рис.4.

Рис.4 5. Порядок выполнения работы

24

1. Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения средств измерения. 2. Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерений, используемых в работе. 3. Определить значения коэффициента возврата реле максимального тока типа ЭРЭ-2100 при различных положениях указателя 9. Перед началом работы рубильник S4 следует замкнуть, а вспомогательный выключатель S2 отключить. Затем надо снять зависимости тока срабатывания и тока отпадания от натяжения отключающей пружины. Для этого регулировочной гайкой 3 (рис.3) устанавливается наименьшее натяжение отключающей пружины. Для этого регулировочной гайкой 3 (рис.3) устанавливается наименьшее натяжение отключающей пружины 8, при котором еще имеет место четкий возврат реле в исходное положение после прижатия якоря к сердечнику рукой. Затем, подав напряжение на регулировочный автотрансформатор ЛАТР, следует плавно увеличивать ток до втягивания якоря. Этот момент определяется по загоранию сигнальных ламп Н1 и Н2, включенных в цепь замыкающего контакта К2 реле. Затем плавно уменьшают ток до отпадания реле. В этот момент сигнальные лампы гаснут. Каждую последующую установку тока (ток срабатывания) получают, закручивая регулировочную гайку на следующие пять оборотов. Для каждого натяжения отключающей пружины определяют ток срабатывания и ток отпадания реле. Натяжение пружины, соответствующее срабатыванию 40А, считается установкой тока, по кратности к номинальному току Iном. Все полученные значения токов срабатывания и отпадания реле записываются в табл. по форме 7. Сюда же заносятся значения коэффициента возврата и кратности установки Кк реле ( отношения Iсраб/ Iном ): n, об

Iсраб, А

Iотп, А

КВ

Форма 7 КК

По данным таблицы на одном графике строят кривые зависимостей Iсраб = f (n); Iотп = f (n); KB = f (n); KK = f (n). B

4. Определить зависимость выдержки времени при срабатывании реле типа РВ-20 от положения регулировочного рычага часового механизма. Для этого нужно разомкнуть рубильник S4, выключателями S1 и S3 подать на схему напряжения источников питания постоянного и переменного токов и, поставив стрелку электросекундомера на нулевую отметку включить вспомогательный выключатель S2. При этом на катушку реле подаётся постоянное напряжение и начинает работать замедляющий часовой механизм. Одновременно подаётся переменное напряжение на электросекундомер РТ, который начинает отсчитывать время. Когда замкнётся контакт К1 реле, секундомер остановится и зафиксирует время срабатывания реле. Для подготовки схемы к повторной работе надо выключить вспомогательный выключатель S2, передвинуть рычажок механизма на два зуба фиксатора и повторить измерения. 25

Когда рычажок находится в крайнем правом положении, часовой механизм не работает и электросекундомер показывает собственное время срабатывания реле. Результаты измерений следует занести в табл. по форме 8. По данным таблицы строится зависимость выдержки времени реле от положения рычага часового механизма t = f (n), где n – число зубьев фиксатора, отсчитываемое от крайнего правого его положения. Форма 8 n, зубьев t, c 5. Содержание отчета 1. Краткое описание лабораторной установки, эскиз реле тока, схема электрических соединений. 2. Метрологические характеристики средств измерения. 3. Результаты измерений, таблицы, графики. 4. Выводы по работе. 6. Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается отличие электромагнитного реле максимального тока от реле напряжения? 2. Из каких конструктивных элементов состоит электромагнитное реле тока? 3. Как регулируется уставка реле по току срабатывания? 4. Что такое коэффициент возврата реле максимального тока и от чего он зависит? 5. Применение каких дополнительных элементов приводит к созданию выдержки времени при срабатывании реле? Литература: [4], c.93 … 95, 108. Работа 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЛЕ

1. Цель работы Практическое ознакомление с конструкцией и работой теплового реле, овладение навыками экспериментального определения его основных характеристик.

26

2. Основные теоретические положения Тепловым называется реле, срабатывающее при определенной температуре нагрева их чувствительного элемента. Чувствительный элемент нагревается либо проходящим по нему током, либо током, протекающим в нагревательном элементе, либо их комбинацией. В данной работе изучается тепловое реле с термобиметаллическим чувствительным элементом. Являющаяся его основой биметаллическая пластинка состоит из двух слоев металла с различными коэффициентами линейного расширения. Эти слои металла прочно соединены друг с другом по всей поверхности соприкосновения. При нагревании они удлиняются неодинаково, поэтому термобиметаллическая пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. Чем больше разность коэффициентов линейного расширения слоев металла, тем выше чувствительность термобиметалла. Основной характеристикой теплового реле является токовременная характеристика, т.е. зависимость времени срабатывания реле t сраб от величины тока, протекающего через него. Для удобства сравнения нескольких характеристик по оси абсцисс обычно откладывается отношение тока перегрузки к номинальному току I / Iном . Характеристика имеет вид, представленный на рис.5. Различают токовременные характеристики, снятые от “холодного” состояния ( кривая 1 на рис.5), когда нагревание реле током перегрузки начинается при температуре термобиметаллической пластины, равной температуре окружающей среды, и снятые от “горячего” состояния, когда нагревание током перегрузки начинается от температуры, установившейся при обтекании реле рабочим током (кривая 2). Основным недостатком термобиметаллических тепловых реле является зависимость их срабатывания от температуры окружающей среды. tсраб.

Рис.5 27

I / Iном

3. Описание лабораторной установки Основными элементами исследуемого в данной работе теплового реле типа ТРТ, схематически изображенного на рис.6, являются: термобиметаллическая пластина 5, имеющая U образную форму, нагреватель 4, контактная колодка 2 с мостиковым подвижным контактом, неподвижные контакты 1 , пружина 3, рычаг установки тока срабатывания 6, кнопка возврата 7.

Рис.6 В реле применена комбинированная система нагрева пластинки 5, при которой часть тока реле проходит непосредственно через неё, а остальная часть – через нагревательный элемент 4. В холодном состоянии реле пружина удерживает биметаллическую пластинку у левого упора усилием F2 (рис.7,а) и прижимает колодку с мостиковым контактом к неподвижным контактам усилием F3. При нагревании биметаллической пластинки возникает усилие Fн, направленное противоположно F2 . Это усилие, начиная с некоторой температуры пластинки, становится, больше F2 , и пластинка начинает перемещаться от левого упора к правому. При этом удерживающее усилие F2 постепенно уменьшается до нуля (рис.7,б), а затем меняет направление и складывается с усилием Fн (рис.7,в). Поэтому переход биметаллической пластинки от левого упора к правому после этого совершается ускоренно (скачком), и пластинка займет положение, представленное на рис.7,г. 28

Рис.7 Пружина реле прижимает контактную колодку к неподвижным контактам до тех пор, пока её продольная ось проходит правее оси вращения ОВ колодки. Как только по мере перемещения биметаллической пластинки ось пружины окажется левее ОВ, усилие F3 меняет своё направление, колодка мгновенно (скачком) поворачивается по часовой стрелке и контакт реле размыкается (рис.7,г). Положение, показанное на рис.7,в, является критическим (F3 =0), так как продольная ось пружины проходит через ОВ. Срабатывание теплового реле под действием тока перегрузки всегда приводит к срабатыванию защитного аппарата, поэтому ток в цепи реле прерывается и его биметаллическая пластинка начинает охлаждаться. Процесс возвращения реле в исходное положение совершается аналогично процессу срабатывания, но в обратном порядке. Особенностью описанного выше механизма является практически неизменное контактное нажатие, обусловленное усилием F3 , которое мало меняется до момента срабатывания реле. Кроме того, происходящее скачком размыкание контактов снижает их эрозию электрическим разрядом (искра или дуга). Всё это обеспечивает надежную и долгосрочную работу контактов реле. Для исследования теплового реле используется электрическая схема, показанная на рис.8. На схеме приняты следующие обозначения:

29

К1, К2 – катушки и контакты первого и второго промежуточного реле; S1,S2 – рубильники; РТ1, РТ2 – электросекундомеры; R – установочное сопротивление, позволяющее производить предварительную установку тока в цепи, не нагревая реле; Т1, Т2 – соответственно регулировочный автотрансформатор и понижающий трансформатор; ТТ – трансформатор тока; SF – выключатель автоматический; КК – исследуемое тепловое реле (катушка и контакт).

Рис.8 Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В. Величина тока в цепи теплового реле определяется показанием амперметра, умноженным на коэффициент трансформации трансформатора тока ТТ. Температура биметаллической пластинки определяется при помощи потенциометра постоянного тока и термопары медьконстантан. Зависимость ЭДС этой термопары от разности температур её концов представлена на рис.9. Пользуясь этим графиком (или соответствующей ему таблицей), по измеренной ЭДС определяют перегрев (т.е. превышение температуры над температурой окружающей среды) биметаллической пластинки. Схема работает следующим образом. При включении выключателя SF напряжение сети подается на автотрансформатор Т1 и катушку реле К1. Реле К1 срабатывает и замыкает свои контакты, одни из которых шунтируют 30

электросекундомер РТ1, а другие подготавливают к запуску электросекундомер РТ2 и к включению реле К2. В таком состоянии схема готова к работе.

Рис.9 Для запуска схемы надо нажать кнопку “пуск” (рис.8). Цепь катушки реле К2 замкнется, реле сработает и замкнет свои контакты в цепи понижающего трансформатора Т2 и секундомера РТ2. При соответствующем положении рубильника S1 ток начинает обтекать тепловое реле КК, секундомер РТ2 начинает отсчитывать время нагревания теплового реле, а кнопка “пуск” шунтируется. В таком состоянии схема находится до срабатывания теплового реле. При срабатывании теплового реле его контакт размыкается и разрывает цепь катушки реле К1, которое в свою очередь разомкнёт все свои контакты, в том числе, и в цепи катушки реле К2. В связи с этим понижающий трансформатор Т2 отключается, тепловое реле начинает охлаждаться, а секундомер РТ1 начинает отсчитывать время его охлаждения. В таком состоянии схема находится до момента замыкания контакта теплового реле после его охлаждения. После замыкания контакта теплового реле по катушке реле К1 вновь пойдет ток и оно замкнет свои контакты. При этом секундомер РТ1 останавливается, зафиксировав время возврата теплового реле, а секундомер РТ2 и реле К2 подготавливается к включению. В таком состоянии схема вновь готова к работе. Для её повторного запуска достаточно нажать кнопку “пуск”. Если по каким-либо причинам в процессе исследования надо остановить работу схемы, следует нажать на кнопку “стоп”, и схема возвращается в исходное состояние.

31

4. 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. 3. Определить токовременную характеристику теплового реле от “горячего” состояния. Для этого надо установить переключатель термопар в положение 1 или 2, выключателем SF подать напряжение на схему, рубильником S1 подключить тепловое реле к понижающему трансформатору Т2, рубильником S2 отключить секундомер РТ2, нажать кнопку “пуск” и установить трансформатором Т1 в цепи теплового реле его номинальный ток Iном = 35 А. С помощью термопары следует определить установившуюся температуру биметаллической пластины при этом токе (θуст ). Достижение этой температуры характеризуется установившимся показанием потенциометра. Затем, нажав на кнопку “стоп”, переключить рубильник S1 на регулировочное сопротивление R, рубильник S2 замкнуть, замкнуть тумблер “уст.I” и автотрансформатором Т1 установить ток I=60 А. Последующим переключением рубильника S1 подать установленный ток в цепь теплового реле и, следя за показаниями потенциометра, нажать на кнопку “пуск” в тот момент, когда температура биметаллической пластины достигнет ранее определенной величины θуст. Лишь после этого отключить тумблер “уст.I”. Секундомер РТ2 начнет отсчитывать время срабатывания теплового реле. После срабатывания реле начнет работать секундомер РТ1, отсчитывая время возврата реле в исходное положение. Показания секундомеров следует записать. Подобные измерения следует произвести для токов 70,80,90 и 100 А, каждый раз предварительно охлаждая (или нагревая) тепловое реле до установившейся температуры θуст. Результаты измерений надо занести в табл. по форме 9. Фо р м а 9 I, А 60 70 80 90 100 tсраб, с tвозвр, с По данным таблицы построить на одном графике зависимости tсраб = f ( I / Iном ) и tвозвр = f ( I / Iном ). 5. Содержание отчета 1. Краткое описание лабораторной установки, эскиз теплового реле, схема электрических соединений. 2. Метрологические характеристики средств измерения. 3. Результаты измерений, таблица, график. 32

4.

Выводы по работе. 6. Вопросы для самопроверки

1.

Из каких основных конструктивных элементов состоит тепловое

реле? 2. Каков принцип действия теплового реле? 3. Из каких материалов изготавливается чувствительные элементы тепловых реле? Какие существуют разновидности тепловых реле? 4. Что понимают под основной характеристикой теплового реле? В чем заключается различие характеристик, полученных от холодного и от горячего состояний чувствительного элемента? 5. От каких аварийных режимов в электроцепи могут защищать тепловые реле? Литература: [2], c.104 … 107; [4], c.109 … 112. Работа 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕРКОНОВ

1. Цель работы Практическое ознакомление с конструкцией и работой герконов, овладение навыками экспериментального определения их основных характеристик. 2. Основные теоретические положения Геркон (герметизированный магнитоуправляемый контакт) представляет собой (рис.10) миниатюрную стеклянную колбу 1 с впаянными в неё ферромагнитными (пермаллоевыми) электродами 2, между концами которых оставлен зазор 3. Электроды одновременно выполняют функции магнитопровода, контактных пружин и электрических контактов. При воздействии внешнего магнитного поля достаточной напряженности свободные концы электродов притягиваются друг к другу, и их контактирующие поверхности соприкасаются. Эти поверхности – контакты покрыты слоем благородного металла для уменьшения контактного сопротивления.

Рис.10 33

При уменьшении напряженности магнитного поля ниже определенной величины электроды под действием собственных упругих сил возвращаются в исходное положение и их контактирующие поверхности размыкаются. Для улучшения дугогашения при размыкании герконов их колбы заполняют инертным газом или в них создаётся разряжение. Для создания внешнего управляющего магнитного поля часто используются катушки (соленоиды) с регулируемой величиной тока в них. Геркон располагается внутри катушки, поэтому магнитодвижущая сила (МДС) срабатывания геркона существенно зависит от формы катушки. В коротких катушках, у которых длина в несколько раз меньше длины геркона, МДС срабатывания значительно меньше, чем в катушках, равных по длине геркону или превышающих его длину. Вместе с тем, при коротких катушках МДС срабатывания геркона зависит от положения катушки по отношению к геркону. При смещении катушки от центра геркона к одному из его концов МДС срабатывания возрастает (рис.11).

Рис.11 Большую часть пути магнитный поток, создаваемый катушкой, проходит по воздуху, то есть по пути с большим магнитным сопротивлением. Для уменьшения магнитного сопротивления между электродами геркона и во внешней области катушки применяются магнитные экраны и внешние магнитопроводы, которые позволяют повысить чувствительность геркона к 34

управляющему магнитному полю, посторонних магнитных полей.

защитить

геркон

от

воздействия

3. Описание лабораторной установки В данной работе используется нейтральный замыкающий симметричный геркон, размещенный в соленоиде, состоящем из четырех одинаковых секций с числом витков w = 600 в каждой. С помощью переключателей S1, S2, S3 и S4 к источнику постоянного (выпрямленного) тока могут быть подключены одна или несколько последовательно соединённых секций соленоида. Величина тока в соленоиде регулируется с помощью потенциометра R. Соленоид охватывается подвижным магнитопроводом, состоящим из двух симметричных продольных частей, расстояние которых от геркона можно изменять с помощью рукоятки Р, связанной с механизмом перемещения и расположенной на рабочей панели установки. Для определения моментов срабатывания и отпускания геркона в его цепь включена сигнальная лампа Н. 4. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с лабораторной установкой и порядком включения средств измерения. 2. Записать технические и метрологические характеристики основного оборудования и средств измерения, используемых в работе.

Рис.12 35

3. Определить МДС срабатывания и МДС отпускания геркона в зависимости от положения короткой (состоящей из одной секции) катушки при отсутствии магнитопровода. Для этого с помощью переключателя S1 (рис.12) подключить секцию L1 и плавно увеличивать потенциометром R ток в этой секции до срабатывания геркона, то есть до загорания сигнальной лампы Н. Записать значение тока срабатывания. Затем, уменьшая ток до момента погасания сигнальной лампы, определить ток отпускания геркона. Те же измерения следует произвести при включении секции L2, L3, L4. Результаты измерения тока и расчета соответствующих МДС занести в табл. по форме 10. Ф о р м а 10 h = , мм Iсраб, А ( I w )сраб, А Iотп , А ( I w )отп , А L1 L2 L3 L4 4. Определить влияние магнитопровода на МДС срабатывания и отпускания геркона (т.е. на чувствительность к току управления). Для этого повторить измерения п.4 при различных расстояниях h до магнитопровода. Результаты измерений тока и определения МДС занести в таблицу по форме 10. 5. Построить зависимости МДС срабатывания от положения короткой катушки относительно геркона для различных расстояний h от магнитопровода. 6. Построить зависимости МДС отпускания от положения короткой катушки относительно центра геркона для различных расстояний h до магнитопровода. 7. Определить зависимости МДС срабатывания и МДС отпускания геркона для катушки, состоящей из двух секций, от её положения относительно центра геркона при отсутствии магнитопровода. Для этого подключить последовательно соединенные секции L2 и L3 и определить токи срабатывания и отпускания геркона. Затем повторить опыт для секций L1 и L2, а так же L3 и L4. Результаты измерений тока и определения МДС занести в табл. по форме 11. Ф о р м а 11 Iсраб, А ( I w )сраб, А Iотп , А ( I w )отп , А L1 + L2 L2 + L3 L3 +L4 L1 + L2 + + L3 + L4 8. Построить зависимости МДС срабатывания и МДС отпускания геркона при двухсекционной катушке управления от её положения относительно центра геркона. 36

9. Определить МДС срабатывания и МДС отпускания геркона для катушки, состоящей из четырёх секций. Для этого подключить последовательно все секции катушки и определить токи срабатывания и отпускания геркона. Результаты измерений тока и определения МДС занести в таблицу по форме 11. При определении МДС многосекционных катушек учесть, что общее число их витков пропорционально числу секций. 5. Содержание отчета 1. Краткое описание лабораторной установки, эскиз геркона, схема электрических соединений. 2. Метрологические характеристики средств измерений. 3. Результаты измерений, таблицы, графики. 4. Выводы по работе. 6. Вопросы для самопроверки 1. Из каких основных элементов состоит конструкция геркона? 2. Почему герконы обладают большой механической и электрической износостойкостью? 3. Какие контактные материалы используются в герконах и почему? 4. Какие параметры характеризуют работу геркона? 5. Какие существуют разновидности герконов? Литература: [1], c.143…153; 163…176; [2], c.111…139; [4], c.96…100; [5], c.4 …43, 82…102. СОДЕРЖАНИЕ

1. Цели и задачи изучения дисциплины 2. Структура дисциплины 3. Содержание дисциплины 3.1. Рабочая программа 3.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочного обучения 3.3. Перечень лабораторных работ 4. Библиографический список 5. Задание на контрольную работу 6. Методические указания к выполнению лабораторных работ

37

3 3 4 4 10 10 10 11 15