Исследование контактора переменного тока

Исследование контактора переменного тока.
Предмет исследования: в работе исследуются коммутационные процессы
и динамические характеристики
включения и отключения по результатам
осциллографирования соответствующих процессов в силовой цепи и цепи
управления
электромагнита
переменного
тока.
Анализируется
влияние
различных факторов (напряжение питания, момент включения, параметры
нагрузки) на динамические характеристики.
Теоретическая часть:
Весьма широкое распространение имеют электромагниты, питание
которых осуществляется от источника переменного тока.
Магнитный
поток,
создаваемый
обмоткой,
по
которой
проходит
переменный ток, периодически меняется по величине и направлению
(переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного
притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по
отношению к частоте питающего тока (см. рис.1).
Рис. 1 Однофазный электромагнит
а – эскиз электромагнита; б – характер изменения
электромагнитной силы;
Электромагниты переменного тока делятся на электромагниты с катушкой
последовательного и параллельного включения. В электромагнитах с катушками
последовательного включения (как постоянного, так и переменного тока) закон
изменения тока определяется в основном
параметрами силовой цепи, а не
электромагнита. В случае параллельного включения катушки закон изменения
тока определяется только параметрами электромагнита.
2
Рассмотрим работу электромагнита переменного тока с параллельной
катушкой на примере включения активно-индуктивной цепи на синусоидальное
напряжение.
Рис. 2 Диаграммы тока при включении активноиндуктивной цепи на синусоидальное напряжение для
произвольной начальной фазы напряжения источника
(а) и   0 (б)
Для таких цепей закон нарастания тока при включении на напряжение
U  U m sin t
в момент времени включения характеризуемый фазой  ,
напряжения U , будет:


i  I m sin(t    )  sin(    )e t / ,
где I m U m / Z ,   arctg
L
R
(1)
– угол сдвига между напряжением источника и
периодической составляющей тока, Z  R 2  (L) 2 ,   L / R – постоянная
времени.
Как видно из (1), при включении в обмотке цепи ток складывается из двух
составляющих – периодической и апериодической. Соотношение между
периодической и апериодической составляющими, а, следовательно, и полный
ток зависят от углов  и  , от постоянной времени затухания апериодической
составляющей  и текущего момента времени t :
3
t
( )
i
  ап  e  sin(    ),
2I пер
(2)
где iап – апериодическая составляющая тока, I пер – действующее значение
периодической составляющей.
Содержание апериодической составляющей  , как следует из выражения
(2), достигает максимальных по модулю значений в начальный момент времени.
Соответственно
полный
ток
проходит
через
максимум
при
условии
sin(t     )  1 , т.е. при t   . Ударный ток, как видно из (1), запишется в
виде:
i уд  i t  






 2 I пер 1  e .


(3)
Ударный коэффициент находится по формуле:
k уд 
I уд
I уст
,
(4)
где I уд и I уст – амплитудные значения ударного и установившегося токов.
В случае с контактором переменного тока с параллельной обмоткой,
который включает RL–цепь, закон изменения тока будет аналогичен закону
описанному выше. Закон изменения тока в электромагните будет несколько
иным. Отличие связано с тем, что при превышении тока в цепи некоего значения
тока трогания, якорь магнитной системы начинает перемещаться. Его
перемещение приводит к увеличению индуктивности системы, а, следовательно,
и к изменению тока в переходном режиме. Также, при замыкании магнитной
системы происходит резкий скачок индуктивности. Этот момент на кривой тока
электромагнита соответствует излому кривой.
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
4
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 переменного тока” в списке работ по электрическим аппаратам,
находящемся в правой части экрана.
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
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 номер Вашей 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 не отвеченные вопросы будут засчитаны,
как 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,
6
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.
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»;
7
 занести полученные осциллограммы в протокол лабораторной
работы;
Второй способ: построение осциллограмм вручную, путем их копирования
с экрана компьютера в протокол лабораторной работы.
Рис.3
Силовая испытательная цепь:
o U2 – фазное напряжение силовой цепи, равное 220 В, частота 50 Гц;
o 1-2 – «з» – замыкаемые главные контакты испытуемого контактора;
o Zн – силовая RL–нагрузка.
Цепь управления:
o U1 – синусоидальное напряжение питания цепи управления,
синхронизированное по фазе с напряжением силовой цепи;
o К – обмотка исследуемого контактора;
o SB1 – кнопка «Пуск»;
o SB2 – кнопка «Стоп».
o 13-14 – «з» – замыкаемый вспомогательный контакт испытуемого
контактора;
8
Исследуемые осциллограммы:
o A1 – ток цепи управления;
o А2 – ток силовой цепи;
o U2 – напряжение на главных контактах испытуемого контактора.
В качестве испытуемого контактора за основу был взят контактор
компании ABB серии mini B6.
Работа схемы: Как видно из рис.3, в исследуемом контакторе имеются
одни
«з»–замыкаемые
главные
контакты
1-2,
одни
«з»–замыкаемые
вспомогательные контакты 13-14.
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 замыкание главных контактов 1-2.
Выключение контактора. При нажатии на кнопку SB2 произойдет
размыкание цепи управления, а и спад тока в обмотке К. Вследствие этого через
некоторый промежуток времени происходит размыкание главных контактов 1-2
в силовой цепи.
Нажатием кнопки «Начать опыт» осуществляется и включение, и
выключение контактора с необходимым временным промежутком, а также
автоматический вывод осциллограмм на экран.
Задание на выполнение работы:
1. Выставить напряжение U ном , сопротивление RН и индуктивность LН
нагрузки в соответствии с вариантом. Снять осциллограммы при моменте
включения   0 .
2. При неизменных остальных параметрах, снять осциллограммы при угле
 , взятом из таблицы в соответствии с вариантом.
3. При неизменных остальных параметрах, снять осциллограммы при угле
  0 , а также увеличив индуктивность LН в 10 раз.
9
4. Выставить напряжение U ном , сопротивление нагрузки
RН , момент
включения  в соответствии с вариантом. Подобрать такое максимальное
значение LН , при котором отсутствует апериодическая составляющая. И
снять осциллограммы при полученном LН .
5. Выставить напряжение U ном , индуктивность нагрузки
LН , момент
включения  в соответствии с вариантом. Подобрать такое значение
минимальное значение RН , при котором отсутствует апериодическая
составляющая. И снять осциллограммы при полученном RН .
Рис. 4 Примеры диаграмм токов управления (а) и
нагрузки (б)
Задание по обработке осциллограмм:
10
1. По осциллограммам, полученным в п.1 задания по выполнению работы,
определить:
o установившуюся величину тока цепи управления I уст1 , ударный ток
I уд1 и значение ударного коэффициента k уд1 ;
o установившуюся величину тока силовой цепи I уст2 , ударный ток I уд 2
и значение ударного коэффициента k уд2 , постоянную затухания тока
Tз ;
o используя параметры силовой цепи, вычислить по (3) значение
ударного
тока
и
сравнить
с
экспериментально
полученным
значением I уд1 ;
o момент замыкания магнитной цепи и время включения контактора
tвкл1 ;
o время задержки t зад – время от момента исчезновения тока в обмотке
электромагнита до момента размыкания главных контактов.
2. По осциллограммам, полученным в п.2 задания по выполнению работы,
определить:
o момент замыкания магнитной цепи и время включения контактора
t вкл 2 и сравнить с tвкл1 ;
o определить мощность тепловых потерь в период включения Pвкл и в
период удержания Pудер и сравнить их.
3. По осциллограммам, полученным в п.3 задания по выполнению работы,
определить:
o установившуюся величину тока силовой цепи I уст2 ' , ударный ток I уд2'
и значение ударного коэффициента k уд2' , период затухания тока Tз ' и
сравнить с соответствующими результатами п.1;
o используя параметры силовой цепи, вычислить по (3) значение
ударного
тока
и
сравнить
с
экспериментально
полученным
значением I уд2' и I уд 2 ;
11
4. Взяв заданное значение RН и полученное значение LН в п.4 задания по
выполнению работы, вычислить угол  . Сравнить с углом  , взятом из
этого же пункта.
5. Взяв заданное значение LН и полученное значение RН в п.5 задания по
выполнению работы, вычислить угол  . Сравнить с углом  , взятом из
этого же пункта.
№ вар U ном , В RН , Ом LН , Гн

RН , Ом LН , Гн

~
к п.1
к п.1
к п.2
к п.4
к п.5
к п.4 и п.5
1
24
10
0.02
75
500
0.35
30
2
42
20
0.04
80
10
4
40
3
48
40
0.08
85
850
0.001
10
4
24
60
0.08
90
34
1
15
5
42
80
0.1
75
600
0.4
20
6
48
100
0.15
80
90
0.02
50
7
24
120
0.2
85
130
1.3
5
8
42
140
0.25
90
275
0.8
30
9
48
160
0.3
75
65
0.07
45
10
24
180
0.35
80
82
0.55
15
12
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.
3. Белкин Г. С. Коммутационные процессы в электрических аппаратах. М.:
Знак, 2003. 244 с.
13