Исследование электромагнитных реле и контакторов постоянного тока

Цель работы. Изучить устройства и принцип действия электромагнитных реле напряжения и тока, контакторов; исследовать их характеристики.

Программа работы. 1. Ознакомиться с особенностями конструктивного исполнения реле напряжения и максимального тока, контакторов двух видов – прямоходового и клапанного, а также оборудованием экспериментальной установки и схемами соединений.

2. Экспериментальным путем определить коэффициент возврата К_в реле напряжения в зависимости от изменения натяга отключающей пружины.

3. Определить опытным путем зависимость времени срабатывания контакторов от напряжения питания катушки.

4. На основании полученных данных выполнить необходимые расчеты, проанализировать полученные результаты и оформить отчет по работе.

Подготовка к работе. 1. Повторить теоретический материал: устройство и принцип действия реле напряжения и максимального тока, контакторов двух видов – прямоходового и клапанного.

Литература.

Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720с.

2. Подготовить в рабочей тетради таблицы для занесения результатов исследования реле напряжения и контакторов.

3. Записать марки и технические характеристики испытуемых аппаратов.

Пояснения к работе.

В схемах релейной защиты значительное распространение получили электромеханические реле. Электромеханические реле могут выполняться на электромагнитном, индукционном, электродинамическом, индукционно-динамическом и магнитоэлектрическом принципах.

Переходя к конструкции электромагнитных реле, рассмотрим реле с поворотным якорем (рис.1.1). Реле содержит электромагнит (1), состоящий из стального сердечника и обмотки, стальной подвижный якорь 2, несущей подвижный контакт 3, неподвижные контакты 4 и противодействующую пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток I создает намагничивающую силу н.с. Iw под действием которой возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник электромагнита 1, воздушный зазор и якорь 2. Якорь намагничивается и в результате этого притягивается к полюсу электромагнита. Переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом 3 замыкает неподвижные контакты реле 4.

Электромагнитная сила, притягивающая стальной якорь к электромагниту, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф в воздушном зазоре [1]:

F_эм=kФ². (1-1)

Магнитный поток из закона Ома для магнитной цепи:

. (1-2)

При подстановке выражения (1-2) в (1-1) получаем:

(1-3)

Коэффициент k^/ в выражении (1-3) зависит от магнитного сопротивления цепи R_μ и поэтому сохраняют постоянное значение только при отсутствии насыщения. Из (1-3) следует, что сила притяжения F_эм пропорциональна квадрату тока I² в обмотке и имеют, следовательно, постоянное направление, не зависящее от направления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и переменного тока и широко используется для изготовления реле тока, напряжения, промежуточных и реле времени.

На рис. 1.2 изображена тяговая и противодействующая (механическая) характеристики реле постоянного тока с магнитной системой клапанного типа. Противодействующие усилия создаются возвратной (Р₁) и контактными (Р₂) пружинами. Для срабатывания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика Р_э1 во всех точках хода якоря шла выше суммарной противодействующей характеристики Р_п=Р₁+Р₂. Срабатывание реле определяется точкой «в» (зазор  = _н). Для надежного включения ток в обмотке реле I_рабI_тр.

Коэффициент запаса при этом К_з= I_раб / I_тр, обычно К_з  1,4.

Для реле напряжения К_з = U_раб/U_тр

При достижении напряжением (током) контролирующей цепи значения Х_max происходит скачкообразное изменение выходного параметра Y=Y_{1 ,} величина которого не изменяется при дальнейшем увеличении Х. При уменьшении входного параметра до Х_min следует изменение выходного параметра от Y₁ до Y=0.

Такая характеристика называется релейной. Для ряда реле очень важно отношение X_min/X_{max ,} называемое коэффициентом возврата К_{в .}

Для реле тока

К_в = I_отп/I_тр, (1.4)

для реле напряжения

К_в =U_отп/U_тр, (1.5)

где I_{отп ,} U_отп - ток и напряжение отпускания, а I_тр, U_тр - ток и напряжение трогания.

Величину коэффициента возврата, уставку (параметр срабатывания) и время срабатывания реле при включении и отключении можно изменять за счет регулирования натяга отключающей пружины, зазора между якорем и сердечником катушки привода реле, введением дополнительных немагнитных прокладок в зазор (изменять _к на рис. 1.2), а также путем установки на магнитопроводе электромагнитных демпферов (короткозамкнутых витков, гильз из немагнитного материала).

Для максимального реле всегда К_в1. Чтобы увеличить К_в (в идеале К_в  1) необходимо максимально сблизить тяговую и противодействующую характеристики с целью уменьшения Р_изб (рис. 1.2).

Контактор – это электрический аппарат, предназначенный для коммутаций силовых электрических цепей при номинальных и пусковых токах. Замыкание или размыкание контактов контактора осуществляется чаще всего под воздействием электромагнитного привода.

Контакторы постоянного тока предназначены для коммутации цепей постоянного тока и, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока.

Принцип действия и устройство электромагнитных контакторов и реле одинаков (рис. ). Разница состоит в назначении: контактор замыкает и размыкает силовую цепь, где токи могут достигать нескольких сотен и тысяч ампер. Это требует больших усилий электромагнита, системы дугогашения, специальных мер по механической прочности, снижению вибраций при ударах.

Рис. Контактор постоянного тока серии КПВ-600:

1- подвижный контакт; 2 – скоба; 3,4 – дугогасительная катушка; 5 – пластиковое основание; 6 – стальная скоба; 7 – подвижный контакт; 8 – опора; 9 –

Статические тяговые и механические характеристики контактора подобны приведенным на рис. 1.2.

Реально для реле и контакторов, имеющих обмотку напряжения, процесс срабатывания при включении и отключении имеет динамический характер, т.к. ток в катушке, обладающей достаточно большой индуктивностью L_к , не может изменяться мгновенно. После подачи напряжения на обмотку ток в ней и поток в сердечнике нарастают по экспоненциальному закону до тех пор (точка «а», рис. 1.3), пока сила тяги не станет, равна противодействующей силе пружины (при  = _н = const).

После этого якорь начинает двигаться, ток и поток изменяются по сложному закону, определяемому параметрами электромагнита (L_к=var) и противодействующей силой (кривая Р_п на рис 1.2). После достижения якорем конечного положения ( = _к точка «в») ток и поток будут изменяться по экспоненте при L_к=const до тех пор, пока не достигнут установившихся значений.

(1.6)

где U_к – напряжение на катушке; R_к – активное сопротивление ее; w_к – число витков обмотки; I_у·w_к – намагничивающая сила; R_µ – магнитное сопротивление цепи (стальной сердечник + зазор).

Время срабатывания электромагнита – это время с подачи напряжения на обмотку до момента остановки якоря.

t_ср = t_тр + t_дв, (1.7)

где t_тр – время трогания, с момента подачи напряжения до начала движения якоря; t_дв – время движения из положения при зазоре _н до положения при зазоре _к. Изменение тока в обмотке при включении и отключении представлено на рис. .

Время трогания. После включения цепи согласно закону Кирхгофа

(1.8)

При ненасыщенной магнитной системе (зазор _н – большой) индуктивность обмотки постоянна, поэтому

(1.9)

Решение этого уравнения

, (1.10)

где – постоянная времени цепи при  = _н.

Ток обмотки, при котором начинается трогание якоря, называется током трогания I_тр. При этом

; (1.11)

С началом движения якоря (точка «а») зазор  и R_µδ уменьшаются, а индуктивность увеличивается. В этом случае (1.5) примет вид

. (1.12)

При движении якоря ток i и скорость изменения тока di/dt начинают уменьшаться, причем, чем выше скорость якоря, тем больше спад тока. В точке «в» (крайнее положение якоря,  = _к) уменьшение тока прекращается и далее

. (1.13)

где T_к – постоянная времени цепи при  = _к.

Таким образом, во время движения якоря, когда зазор меняется от начального _н до конечного _к значения, ток в обмотке меньше установившегося – I_у = u/R. Следовательно, и сила тяги, развиваемая электромагнитом в динамике меньше, чем в статике при i = I_у.

Время движения зависит от коэффициента запаса К_з = I_у/I_тр, параметров магнитной цепи (индуктивности обмотки), массы подвижных частей.

Процесс движения якоря описывается нелинейным уравнением для электромеханической системы и здесь не рассматривается.

Отпускание электромагнита. При размыкании цепи обмотки электромагнита ток и рабочий поток начинают уменьшаться (отключение цепи L–R). В момент, когда сила тяги электромагнита становится меньше усилия пружины, происходит отпускание якоря. Затем его движение происходит за счет усилия пружины, при этом скорость во многом определяется массой подвижных частей.

В современных контакторах время срабатывания при включении t_ср = (0,02 ÷ 0,1) с и при отключении t_ср = (0,01÷0,05) с.

Ускорение и замедление срабатывания электромагнитов постоянного тока может быть достигнуто несколькими путями, в основе которых лежит общий принцип – ускорить (или замедлить) нарастание тока в обмотке после включения, т.е. воздействовать на время трогания t_тр (см. рис. ). Практически используются:

а) специальные схемы форсировки, когда включенный в цепь обмотки резистор на время t_ср шунтируется размыкающимися контактами или конденсатором;

б) повышение напряжения питания обмотки, т.е. увеличение коэффициента запаса К_з = u_раб/u_тр.

в) короткозамкнутые обмотки (витки) в виде медной или алюминиевой гильзы. Кроме этого, массивный стальной сердечник так же является демпфером и в некоторой степени выполняет роль таких витков.

г) сердечники из расслоенной стали.

Очевидно, что способы по а, б, и г – для уменьшения времени срабатывания, а в – для замедления.

Описание лабораторной установки.

Схема для определения коэффициента возврата реле напряжения приведена на рис. 1.4. Регулирование напряжения на катушке производиться при помощи переменного резистора R1, включенного по схеме потенциометра. Напряжение фиксируется по вольтметру PV.

Временные характеристики контакторов определяются по схеме на рис. 1.5.

Зависимость времени срабатывания от напряжения питания снимается для клапанного контактора. Питание обмотки производится от регулируемого источника постоянного напряжения. Питание электросекундомера – от сети переменного тока, 220 В.

Рис. 1.4. Схема для определения коэффициента возврата реле напряжения

Схема для определения временных характеристик контакторов

Порядок выполнения работы.

1. Собирать схему для исследования реле напряжения (рис.1.4.). Установить определенный натяг отключающей пружины. Плавно увеличивая напряжение, визуально зафиксировать момент трогания якоря, а по вольтметру – u_тр. Затем также плавно снижают напряжение до величины, при которой якорь отпадает от сердечника. Значение напряжений u_тр и u_отп записывают в таблицу 1.1. Опыт проводится для 5÷6 значений уставки (изменяется натяг противодействующей пружины), при этом при каждом значении уставки выполнять по три опыта.

Таблица 1.1.

Опытные данные			Расчетные данные
№ уставки	uтр, В	uотп, В	uтр ср, В	uотп ср, В	Кв
1.

2. Для выполнения пункта 1.3 программы собирают по рис. 1.5. Для снятия временных характеристик (времени срабатывания) контакторов следует:

– включить S1 и установить нужное напряжение по вольтметру PV;

– включить S3, выставить стрелку электросекундомера в нулевое положение;

– включить S2, при этом контактор сработает и замыкающим контактом зашунтирует катушку секундомера. Он остановится и зафиксирует t_сраб;

– выключить S2, установить стрелку электросекундомера в нулевое положение;

– установить следующее значение напряжения и повторить опыт.

Следует взять (5 ÷ 6) значений напряжения в интервале u = (0,7 ÷ 1,2)u_н. При этом следует зафиксировать напряжение срабатывания u_сраб для расчета коэффициента запаса.

Результаты измерений записывают в таблицу 1.2

Таблица 1.2.

Опытные данные				Расчетные данные
u, В	I, А	tсраб, с	uсраб, В	Iср, А	tсраб ср, с	uсраб ср, В	Кз

Анализ результатов лабораторной работы.

1. Рассчитать значения коэффициента возврата реле напряжения и результаты занести в таблицу 1.1.

2. Определить коэффициент запаса К_з = u/u_{сраб ср} для обоих типов контакторов, результат занести в таблицу 1.2.

3. Построить зависимости t_{сраб ср}(u).

4. На основании полученных результатов сделать выводы по работе и оформить отчет.

Контрольные вопросы

1. Как влияет величина напряжения на обмотке электромагнита на тяговое усилие?

2. Чем определяется установившееся значение тока в катушке?

3. Каким образом должна быть согласованы механическая и тяговая характеристики контактора?

4. Какими факторами определяется время срабатывания контактора?

5. Чем отличаются статическая и динамическая тяговые характеристики электромагнита?

6. От чего зависит перенапряжение при отключении цепи?

7. Как можно регулировать коэффициент возврата реле?

8. Какими преимуществами обладает электромагнитный привод на постоянном токе?

9. Как влияет электрическая проводимость короткозамкнутого витка (гильзы) на время задержки реле времени, время срабатывания контактора при отпускании?

Лабораторная работа № 2.