Исследование контактора постоянного тока

Исследование контактора постоянного тока.
Предмет исследования: в работе исследуются коммутационные процессы
и динамические характеристики электромагнита контактора постоянного тока
при
включении
и
отключении
по
результатам
осциллографирования
соответствующих процессов. Анализируется влияние различных факторов
(напряжение питания, постоянной времени, добавочное сопротивление и д.р.) на
динамические характеристики.
Теоретическая часть:
Динамика работы на примере полного рабочего цикла электромагнита.
Рис. 1 Рабочий цикл электромагнита:
а – зависимость положения якоря от времени;
б – зависимость тока в обмотке электромагнита от времени.
Первым этапом рабочего цикла электромагнита (рис. 1) является процесс
срабатывания электромагнита. Он начинается с момента подачи питания на
обмотку. После включения обмотки электромагнита происходит нарастание тока
и магнитного потока до тех пор, пока сила тяги не станет равна
противодействующей силе. После этого якорь начинает двигаться, переходя из
своего начального положения S н в конечное S к (рис. 1 а), причем ток и
магнитный поток изменяются по весьма сложному закону, определяемому
параметрами электромагнита и противодействующей силой. После достижения
2
якорем конечного положения ток и магнитный поток будут продолжать
изменяться по экспоненциальному закону до тех пор, пока не достигнут
установившихся значений. Время срабатывания электромагнита tСР – это время с
момента подачи напряжения на обмотку до момента остановки якоря:
tСР  tТР  t ДВ`.
(1)
где tТР – время трогания, t ДВ` – время движения. Временем трогания tТР
называют промежуток времени с момента подачи напряжения на обмотку
электромагнита до момента начала движения якоря. Время движения t ДВ` –
промежуток от момента начала движения якоря до полной его остановки.
При подаче напряжения на обмотку, ток в ней изменяется по закону:
i  IУ (1  e t /T ),
(2)
где IУ – установившееся значение тока; T – постоянная времени цепи. Ток
обмотки, при котором начинается движение якоря, называется током трогания
iТР :
iТР  IУ (1  e tТР /T ).
Вводят
такой
параметр
электромагнита,
как
(3)
коэффициент
запаса
kЗ
характеризующий быстродействие электромагнита:
k З  IУ / iТР .
(4)
Время трогания tТР можно выразить через коэффициент запаса:
tТР  T ln
IУ
k
 T ln З .
IУ  I ТР
kЗ  1
(5)
Как только начинается движение якоря, зазор уменьшается, а его
магнитная проводимость и индуктивность обмотки увеличиваются. Этот процесс
продолжается вплоть до замыкания магнитной цепи и остановки якоря.
После окончания перемещения якоря следует период включенного
состояния, в течение которого система находится в покое, а обмотка остается во
включенном состоянии. В начальной стадии этого периода ток в обмотке
электромагнита нарастает до установившегося значения, причем с постоянной
3
времени большей по сравнению с постоянной времени соответствующей
разомкнутому состоянию магнитной цепи.
Процесс включения контактора несколько сложнее. Замыкание главных
контактов контактора происходит в процессе движения якоря за ~1-3мс (в
зависимости от типа контактора) до достижения им конечного положения. Тем
самым обеспечивается провал контактов (см. рис.2). В соответствии с рис.2
провал контактов – расстояние S  ( S1  S к ) , где S1 – положение якоря, при
котором происходит замыкание контактов. Провал контактов служит для
увеличения
контактного
нажатия,
что
обеспечивает
необходимый
коммутационный ресурс.
Рис. 2
Также помимо главных контактов могут присутствовать и дополнительные
контакты, которые срабатывают позже главных на ~1мс.
Процесс возврата якоря в исходное состояние, так же как и срабатывание,
происходит двумя ступенями. Сначала при отключении обмотки ток спадает до
величины тока отпускания iОТП , при котором электромагнитная сила становится
равной
силе,
стремящейся
возвратить
якорь
в
исходное
положение.
Длительность этого процесса характеризуется промежутком времени tОТП ,
зависящим от типа аппарата (реле, контактор) и от задерживающего действия
вихревых токов в массивных частях электромагнита и короткозамкнутых
контуров, если такие имеются. Перемещение подвижных частей в исходное
положение происходит в течение времени t ДВ`` , которое зависит от ряда факторов
4
и, в первую очередь, от величины усилий, отбрасывающих якорь. Время
отпускания и время движения составляют время возврата t ВОЗВР .
В контакторах, как правило, из-за задерживающего действия вихревых
токов в массивных частях электромагнита, tОТП бывает больше времени спада
тока в катушке управления. Вводят понятие времени задержки – время от
момента исчезновения тока в обмотке электромагнита до момента размыкания
главных контактов. В данном случае tОТП будет сумма времени спада тока в
катушке и времени задержки.
Ускорение
срабатывания
электромагнитов
постоянного
тока.
В
большинстве случаев основную часть времени срабатывания составляет время
трогания. Поэтому для изменения времени срабатывания воздействуют, прежде
всего, на время tТР .
После включения электромагнита ток в обмотке изменяется по (2). Отсюда
скорость нарастания тока
di
:
dt
di U t / T
 e ,
dt L
(6)
где L – индуктивность обмотки управления. Причем в начальный момент
времени при t  0 скорость нарастания тока не зависит от Т, а значит и от
сопротивления, а зависит только от напряжения питания U и индуктивности
обмотки L. Изменение тока во времени при различных значениях активного
сопротивления цепи и при L  const показано на рис. 3:
5
Рис. 3 Фрагмент зависимости тока в обмотке
электромагнита при различных активных
сопротивлениях
Следует отметить, что, поскольку I у 2  I у1 и
di
одинакова для обоих случаев,
dt t 0
кривая тока i2 идет выше кривой тока i1 , что обеспечивает ускорение
срабатывания при R  R2 . Это же следует из анализа (5). По мере увеличения
сопротивления установившийся ток IУ приближается к току трогания iТР ,
знаменатель логарифма в (5) стремится к нулю, а сам логарифм растет до
бесконечно большого значения. Поэтому увеличение активного сопротивления
цепи управления ведет к росту tТР , а повышенное напряжение ускоряет
срабатывание электромагнита.
Иногда возникает необходимость ускорить срабатывание уже готового
электромагнита, не затрагивая его конструкцию и входящие в него узлы и
детали.
Увеличение
сопротивления
цепи
питающего
ведет
к
напряжения
ускорению
без
изменения
срабатывания,
но
активного
обмотка
электромагнита может сгореть из-за увеличения установившегося значения тока
IУ . В этих случаях рекомендуется включать в цепь добавочный резистор,
сопротивление которого обеспечивает неизменность тока
IУ . Ускорение
срабатывания происходит за счет уменьшения постоянной времени.
На рис. 4 изображен вариант ускорения электромагнита, путем увеличения
напряжения и сопротивления цепи, но сохраняя установившееся значение тока
( U 2  U1 , R2  R1 ).
6
Рис. 3 Фрагмент зависимости тока обмотки
при различных постоянных времени и
неизменном значении IУ
Описание установки:
Данная лабораторная работа является виртуальной и выполняется на
персональном компьютере.
Для запуска лабораторной работы наведите курсор мыши на значок
программы Internet Explorer на рабочем столе компьютера и нажмите левую
клавишу мыши один раз. В результате откроется главное окно Интернет-сайта
кафедры “Электрические и электронные аппараты”, в частности содержащее
программный комплекс лабораторных работ.
Обратите внимание: Во избежание некорректной работы системы в
процессе выполнения работ не рекомендуется пользоваться следующими
кнопками программы ”Internet Explorer”: «Обновить», «Назад», «Вперед», а
также клавишей клавиатуры «Enter» (т.к. «Enter» в “Internet Explorer”
равносильна «Обновить»).
Для
запуска
лабораторной
работы,
необходимо
войти
в
раздел
“Лабораторные работы”. Для этого наведите курсор мыши на раздел
“Лабораторные работы” в верхнем меню и нажмите левую клавишу мыши один
раз. Войдя в раздел “Лабораторные работы”, выберите лабораторную работу
”Контактор постоянного тока” в списке работ по электрическим аппаратам,
находящемся в правой части экрана.
7
Итак, на экране перед Вами находится окно лабораторной работы. В левой
части окна находится меню, посредством которого можно выбрать один из
этапов лабораторной работы, например, работу с одной из исследуемых в работе
схем. Через то же меню, можно получить доступ к электронной версии
методических указаний, вопросам к коллоквиуму и защите. Коллоквиум и
защита являются соответственно предварительным и завершающим этапами
выполнения лабораторной работы. В центральной части экрана сразу под
названием лабораторной работы представлены цель работы и теоретические
сведения, полный текст которых можно просмотреть, наведя курсор мыши на
раздел “Подробнее” и нажав левую клавишу мыши один раз. Также, в
центральной части продублированы разделы меню лабораторной работы
“Коллоквиум” и “Защита”, для доступа к которым необходимо навести курсор
мыши на соответствующий раздел “Подробнее” и нажать левую клавишу мыши
один раз.
Перед выполнением лабораторной работы каждый студент должен
выполнить коллоквиум. Коллоквиум представляет собой набор из 5 вопросов с 5
вариантами ответов на каждый вопрос (только один из вариантов правильный).
Уровень знаний оценивается по пятибалльной системе (оценка от 0 до 5).
Полученная оценка будет сохранена в протоколе.
Порядок выполнения коллоквиума:

выберите раздел «Коллоквиум»;

введите Вашу фамилию и инициалы;

введите Ваш номер учебной группы;

ответьте на все вопросы путем нажатия левой кнопкой мыши на
сегмент, соответствующий варианту ответа (ответ считается выбранным, когда
внутри его сегмента появилась точка). Ответы можно изменять, но только до
нажатия кнопки «Оценить».
Внимание! Перед нажатием кнопки «Оценить» убедитесь, что Вы ответили
на все вопросы. В противном случае неотвеченные вопросы будут засчитаны, как
8
неправильные. Нажмите на кнопку «Оценить». На экране появится оценка за
коллоквиум.
При
выполнении
лабораторной
работы
несколькими
студентами
(бригадой) на одном компьютере все студенты должны выполнить коллоквиум
по очереди. Процедура выполнения коллоквиума идентична для каждого
студента.
После выполнения коллоквиума выберите раздел с номером схемы,
которую Вы будете исследовать. Если Вы хотите после выполнения работы
получить текстовый файл-протокол, содержащий данные о проделанной работе,
то ответьте положительно на соответствующий вопрос системы и укажите имя и
путь сохранения файла (расширение файла – txt). После этого на экране появится
сообщение: «Страница может содержать опасные программы (элементы Active
X). Разрешить их выполнение?». Здесь, необходимо разрешить выполнение
элементов Active X, нажав на кнопку «Да» на экране. После выполнения
коллоквиума всеми студентами бригады, в окне схемы лабораторной работы
студентам необходимо составить бригаду, выбрав свои фамилии из списка
выполнивших коллоквиум и нажав на кнопку «Добавить в бригаду». Убедитесь,
что в графе «Работу выполняют», есть фамилии всех студентов данной бригады.
Затем в соответствии с методическими указаниями выполните опыты. При
переходе
к
исследованию
следующей
схемы,
необходимо
повторить
вышеперечисленные действия, начиная с выбора имени и пути сохранения файла
протокола.
Таким
образом,
можно
сохранять
результаты
исследования
различных схем, как в отдельных файлах, так и в одном и том же файле.
Результаты опытов в работе будут отображаться в виде осциллограмм.
Если Вы хотите сохранить в текстовый файл-протокол полученные в опытах
осциллограммы, то нажмите на кнопку «Сохранить осциллограммы», которая
появится после их вывода на экран.
Рекомендации по обработке осциллограмм:
Рекомендуется два способа сохранения осциллограмм и дальнейшего
занесения их в протокол лабораторной работы.
9
Первый способ: Воспользоваться текстовым файлом-протоколом, если
таковой создавался и использовался при выполнении работы. Осциллограммы,
выводимые на экран в процессе выполнения лабораторной работы, в текстовом
файле-протоколе сохраняются в виде таблиц с числовыми значениями. Таким
образом, результаты выполнения работы могут быть графически обработаны в
любой из подходящих программ, например, Microsoft Excel.
Для построения осциллограмм в Microsoft Excel необходимо:
 запустить программу Microsoft Excel, нажав кнопку «Пуск» и выбрав
программу Microsoft Excel из меню;
 открыть сохраненный текстовый файл-протокол;
 выделить и скопировать данные из файла в Microsoft Excel обычным
способом. Обычно, файл-протокол очень объемен (около 500 строк
на один комплект осциллограмм), поэтому будьте внимательны при
копировании;
 для построения осциллограмм в Microsoft Excel необходимо
воспользоваться
функцией «Мастер диаграмм», выбирая
тип
диаграммы «Точечная»;
 занести полученные осциллограммы в протокол лабораторной
работы;
Второй способ: построение осциллограмм вручную, путем их копирования
с экрана компьютера в протокол лабораторной работы.
10
Рис.4 Испытательная схема.
Силовая испытательная цепь:
o U2 – напряжение силовой цепи, равное 220 В;
o 1-2 – главные контакты испытуемого контактора;
o Zн – силовая RL-нагрузка.
Цепь управления:
o U1 – напряжение питания цепи управления;
o К – обмотка исследуемого контактора;
o SB1 – кнопка «Пуск»;
o SB2 – кнопка «Стоп».
o 13-14 – «з» – замыкаемый вспомогательный контакт испытуемого
контактора;
o 21-22 – «р» – размыкаемый контакт испытуемого контактора;
o Rд – добавочное сопротивление;
Исследуемые осциллограммы:
o A1 – ток цепи управления;
o А2 – ток силовой цепи;
o U2 – напряжение на главных контактах испытуемого контактора.
11
В качестве испытуемого контактора за основу был взят контактор
компании ABB серии mini BC6.
Работа схемы: Как видно из рис.4, в исследуемом контакторе имеются
одни
«з»–замыкаемые
главные
контакты
1-2,
одни
«з»–замыкаемые
вспомогательные контакты 13-14, одни «р»–размыкаемые вспомогательные
контакты 21-22.
Включение контактора. При нажатии на кнопку SB1 происходит подача
напряжения на обмотку электромагнита К исследуемого контактора, а также
замыкаются вспомогательные контакты 13-14. Ток в обмотке К создает
магнитный поток в магнитной системе, который приводит в движение якорь.
В процессе перемещения якоря происходит изменение состояния
вспомогательных и главных контактов. Вначале перемещения якоря произойдет
размыкание контактов 21-22, включив тем самым сопротивление Rд в цепь
управления, а затем замкнутся силовые «з» контакты 1-2.
Выключение контактора. При нажатии на кнопку SB2 произойдет
размыкание цепи управления, а значит и спад тока в обмотке К. Вследствие
этого через некоторый промежуток времени происходит размыкание главных
контактов 1-2 в силовой цепи и замыкание контактов 21-22.
Задание на выполнение работы:
1. Снять осциллограммы включения контактора при номинальном значении
напряжения катушки (U1=U ном ) и Rд =0. U ном выбирается в соответствии с
вариантом. Определить установившуюся величину тока
IУ .ном
цепи
управления.
2. По варианту выбрать значение n% (коэффициент, выраженный в
процентах,
для
увеличения
напряжения
питания
относительно
номинального значения) и снять осциллограммы ускоренного включения
контактора
при
неизменных
остальных
параметрах.
Определить
установившуюся величину тока IУ .1 цепи управления.
12
3. Подобрать значение такое значение сопротивления Rд , при котором
IУ .1  IУ .ном и снять осциллограммы облегченного ускоренного включения
контактора при этом сопротивлении и неизменных остальных параметрах.
4. При U1=U ном и Rд =0 снять осциллограммы выключения контактора.
Задание по обработке осциллограмм:
1. По осциллограммам, полученным в п. 1 задания по выполнению работы,
определить:
o установившуюся величину тока IУ .ном в силовой цепи и цепи
управления;
o активную
мощность
P1 ,
выделяющуюся
в
катушке,
в
установившемся режиме;
o время
трогания,
движения,
и
полное
время
включения
электромагнита управления;
o ток трогания iТР ;
o коэффициент запаса к З ;
o величину постоянной времени в силовой цепи и индуктивность
нагрузки;
o величину постоянной времени электромагнита управления при
начальном и конечном положениях якоря, относительную кратность
их изменения;
o среднюю скорость движения якоря при включении контактора, если
известно, что  =5мм;
o по формуле (5) время трогания и сравнить с временем трогания,
полученным выше;
2. По осциллограммам, полученным в п. 2 задания по выполнению работы,
определить:
o установившуюся величину тока IУ .1 цепи управления;
o активную
мощность
P2 ,
выделяющуюся
в
катушке,
в
установившемся режиме;
13
o время
трогания,
электромагнита
движения,
управления
и
и
полное
сравнить
время
с
включения
соответствующими
результатами п.1 задания по обработке осциллограмм;
3. По осциллограммам, полученным в п. 3 задания по выполнению работы,
определить:
o установившуюся величину тока IУ цепи управления;
o активную
мощность
P3 ,
выделяющуюся
в
катушке,
в
установившемся режиме;
o время
трогания,
электромагнита
движения,
управления
и
и
полное
сравнить
время
с
включения
соответствующими
результатами п.1 и п.2 задания по обработке осциллограмм;
4. По осциллограммам, полученным в п. 4 задания по выполнению работы,
определить:
o время задержки – время от момента исчезновения тока в обмотке
электромагнита до момента размыкания главных контактов;
o время отпускания tОТП ;
o длительность горения дуги и значение перенапряжения;
Задания на работу:
14
№ вар U ном , В n, %
1
12
150
2
24
175
3
42
200
4
48
125
5
60
150
6
12
175
7
24
200
8
42
125
9
48
150
10
60
175
Таблица 1.
15
Список использованной литературы:
1. Буль Б. К. и др. Основы теории электрических аппаратов. М.: Высшая
школа, 1970. 600с.
2. Чунихин
А.
А.
Электрические
аппараты:
Общий
курс.
М.:
Энергоатомиздат, 1988. 720 с.
16