МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГИТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Проектирование электрических и электронных аппаратов

Казань 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГИТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Проектирование электрических и электронных аппаратов

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Казань 2014

УДК 621.314

ББК 31.221

Э45

Э45

Проектирование электрических и электронных аппаратов. Метод. указания по выполнению лабораторных работ/ Сост.: А.А. Варенов.- Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2014. – с. В методических указаниях излагается методика проведения исследований , проводимых при проектировании электрических и электронных аппаратов с использованием компьютерных программ EWB и MatLab. Предназначены для магистрантов 1-го года обучения, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.314

ББК 31.221

©Казанский государственный энергетический университет, 2014

Введение

Развитие методов и форм организации проектирования непрерывно связано с научно-техническим прогрессом, с проблемами роста производительности труда конструктора, эффективного использования его творческого интеллектуального потенциала, Поэтому актуальной является задача использования системы автоматизированного проектирования электрических и электронных аппаратов (САПР ЭЭА) в электроаппаратостроении. Эта система выполняет автоматизированное проектирование ЭЭА с участием конструктора и содержит комплекс средств автоматизации проектирования, в состав которого входят языки программирования; пакеты прикладных программ; математические модели и методы; вычислительная техника и средства передачи данных; блоки данных на машинных носителях с записью стандартных проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий; инструкции, положения.

При проектировании ЭЭА использование САПР ЭЭА эффективно как на этапе научно-исследовательской, так и на этапе опытно-конструкторской разработки изделия.

Рабочей программой учебной дисциплины «Проектирование электрических и электронных аппаратов» предусмотрено выполнение четырёх лабораторных работ по 4 часа каждая, в ходе которых реализуются элементы САПР ЭЭА, базирующиеся на прикладных программах EWB и MatLab. В ходе лабораторных работ изучаются возможности этих программ и проводятся исследования электромеханических и электронных аппаратов на этапе эскизного проекта, с целью определения их характеристик и выявления влияния параметров ЭЭА на эти характеристики.

Лабораторная работа №1

Изучение программной среды Elektroniks workbench и сборка схемы измерительного органа реле защиты

Цель работы

Изучить электрическую схему и принцип действия измерительного органа реле защиты, программную среду EWB и произвести набор изученной схемы в этой программной среде.

Предварительное задание

Перед выходом на лабораторную работу студенты знакомятся с электрической схемой, принципом действия и основными характеристиками измерительного органа реле защиты, используя конспект лекций, учебники и учебные пособия.

Описание экспериментальной установки

Работа проводится в компьютерном классе с использованием персональных компьютеров.

Теоретическая часть

1.Изучение схемы измерительного органа реле защиты

Бесконтактным электрическим аппаратом называют устройство, предназначенное для включения и отключения (коммутации) электрических цепей без физического разрыва самой цепи. Принцип действия бесконтактных аппаратов основан на изменении тока в электрической цепи при воз­действии на нее управляющего сигнала. Основой для по­строения бесконтактных аппаратов служат различные не­линейные элементы: ферромагнитные сердечники с обмот­ками и полупроводниковые приборы (транзисторы, инте­гральные микросхемы, тиристоры, оптоэлектронные при­боры) и др. Непрерывное совершенствование полупровод­никовых приборов, появление новых разновидностей и их массовое производство открывают широкие возможности для совершенствования бесконтактных электрических ап­паратов.

Бесконтактные аппараты по сравнению с контактными обладают более эффективными техническими характеристиками, часто недостижимыми для контактной аппаратуры: большой (почти неограниченный) срок службы, мало зависящий от частоты включения; высокие быстродей­ствие, чувствительность, надежность; значительно меньшая зависимость параметров срабатывания от механических воз­действий; способность к работе во взрывоопасных и загряз­ненных средах; бесшумность работы; уменьшенные габари­ты и масса; высокий уровень унификации и блочность кон­струкций, технологичность.

Основными достоинствами контактных аппа­ратов являются: более «глубокая» коммутация (соот­ношение между сопротивлениями в разомкнутом и замкну­том состояниях контактов), видимый разрыв электрической цепи, отсутствие электрической (гальванической) связи меж­ду цепью управления и исполнительной частью, устойчи­вость к перенапряжениям и перегрузкам.

Совмещение достоинств контактных и бесконтактных ап­паратов привело к широкому распространению аппаратов, сочетающих измерительную часть на полупроводниковых приборах с электромеханической исполнительной частью. Такие аппараты иногда называют гибридными. Ниже при­ведена схема на дискретных полупроводни­ковых приборах, которая при­меняется в гибридных электрических аппаратах, выпускае­мых промышленностью. Усилители с релейным выходом широко применяются в электрических схемах автоматики, управления и защиты. На базе таких усилителей строят схемы нуль-индикаторов с мощностью срабатывания нескольких десятков микроватт, схемы измерительных органов реле защиты, подключаемые к маломощным датчикам, и исполнительные элементы с вы­ходной мощностью до нескольких киловатт. Релейное действие этого усилителя проявляется в том, что при определенном изменении величины входного сиг­нала или его знака усилитель практически мгновенно пере­ходит из одного устойчивого состояния в другое.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 1. Она содержит два усилительных каскада на транзисторах VТ1 и VТ2, работающих в ключевом режиме. В цепь кол­лектора транзистора VT2 включена катушка малогабарит­ного электромагнитного реле KL. Усилитель питается от источника постоянного тока через параметрический стаби-

Рис. 1. Принципиальная схема двухкаскадного усили­теля с релейным выходом

лизатор напряжения (стабилитроны VD4, VD5, резистор R6).

лизатор напряжения (стабилитроны У04, УВ5, резистор Кб).

лизатор напряжения (стабилитроны У04, УВ5, резистор Кб).

Схема работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт, реле KL обесточено. Открытое со­стояние транзистора обеспечивается током в цепи базы через резисторы R1 и R3 от источника коллекторного питания Е_k. Появление отрицательного входного сигнала (минус на базе транзистора VТ1) не приводит к изменению состояния транзисторов усилителя. При появлении положительного входного сигнала появ­ляется входной ток, уменьшающий ток в цепи базы откры­того транзистора VT1. При некотором входном токе транзи­стор VT1 переходит и режима насыщения в усилительный режим. В усилительном режиме уменьшение тока в цепи ба­зы приводит к уменьшению тока в цепи коллектора транзи­стора, что приводит к увеличению отрицательного потенциа­ла на базе транзистора VT2 и его отпиранию. В момент переключения транзисторов действует положи­тельная обратная связь (резистор R3). Отпирание транзисто­ра VT2 приводит к уменьшению напряжения на его коллек­торе, следовательно, уменьшается ток через резистор RЗ и ток в цепи базы транзистора VT1. Этот процесс ускоряет запирание транзистора VT1, что в свою очередь ускоряет отпирание транзистора VT2, т. е. наступает лавинообраз­ный процесс, приводящий к практически мгновенному насы­щению транзистора VT2. Положительная обратная связь обеспечивает релейный эффект. При уменьшении или исчез­новении входного тока (сигнала) транзисторы усилителя переключаются в исходное состояние. При запирании транзистор VT2 на катушке реле KL, обладающей индуктивностью, наводится ЭДС самоиндук­ции, которая, складываясь с напряжением коллекторного питания, может привести к пробою транзистора. Для защи­ты от наводимых перенапряжений применяется цепочка VD3, R4. Появляющееся перенапряжение открывает диод VD3 и ток реле KL при запирании транзистора VT2 будет уменьшаться постепенно, замыкаясь через цепочку VD3, R4. Напряжение на транзисторе VT2 в этом случае увели­чится только на величину падения напряжения на этой це­почке. Постепенное уменьшение тока в катушке KL при запира­нии транзистора VT2 приводит к увеличению времени воз­врата реле, что не всегда приемлемо. Для уменьшения вре­мени возврата реле увеличивают сопротивление резистора R4.