ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ

Лабораторная работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ

Цель работы: Изучить методы измерения времени срабатывания и отпускания нейтральных электромагнитных реле различных типов. Определить временные параметры для различных схем подключения реле.

Инструмент и принадлежности к работе

1. Измеритель временных параметров реле Ф291                – 1 шт.
2. Лабораторный макет с испытываемыми реле                        – 1 шт.
3. Источник питания Б5-50                                                – 1 шт.

Основные положения

По временным параметрам (время срабатывания tСР и время отпускания tОТП) реле можно разделить на безынерционные (tСР ≤ 0,001 с; tОТП ≤ 0,001 с), быстродействующие (tСР ≤ 0,05 с; tОТП ≤ 0,05 с), замедленные (tСР ≥ 0,15с; tОТП ≥ ≥ 0,15 с) и нормальные (0,05 с ≤ tСР ≤ 0,15 с). Обычно tСР и tОТП не равны между собой, и поэтому одно и тоже реле может быть, например, быстродействующим при срабатывании и замедленным при отпускании, и наоборот. Как известно, при включении и выключении реле в цепи обмотки происходит переходной процесс. Время отпускания tОТП, как и время срабатывания реле, состоит из двух составляющих – времени трогания при отпускании и времени движения: , .

Рассмотрим переходной процесс при включении реле. Электромагнитное реле можно представить себе как катушку с магнитопроводом и изобразить в виде последовательного соединения индуктивности L и активного сопротивления R обмотки (рис. 1).

При ступенчатом изменении входного сигнала от 0 до IУСТ ток срабатывания

                                                        IСР = IУСТ (1-е-t/τ)                                               (1)

где IУСТ = U/R – установившееся значение тока в обмотке; τ = L/R – электромагнитная постоянная времени обмотки при начальном положении якоря (при отпущенном якоре).

Уравнение представляет собой экспоненту, которая графически изображается штриховой кривой 1 (рис. 1б) и выводится в предположении, что индуктивность обмотки реле и процесс срабатывания есть величина постоянная. Однако в действительности в процессе движения якоря изменяется магнитная проводимость воздушного зазора, следовательно, индуктивность обмотки также изменяется и не является постоянной. Изменение тока в реальных условиях показано на рисунке 1б сплошной кривой 2. Начиная от точки А (начало движения якоря), ток I изменяется не по экспоненте, а по какому-то другому закону, т.к. индуктивность обмотки начинает возрастать. Некоторое уменьшение тока после начала движения объясняется ростом противо-э.д.с., вызванным изменением индуктивности обмотки. После окончания движения якоря ток продолжает увеличиваться до своего установившегося значения IУСТ вновь по экспоненте, но с другой (большей) постоянной времени. При достижении током некоторого значения начинается движение якоря: время, прошедшее от момента включения, соответствует времени трогания:

                                                                                               (2)

Рис.1. Переходные процессы при включении и выключении реле

Обычно время движения якоря значительно меньше, чем время трогания и может быть принято постоянным для реле данного типа ( = (0,1…0,4)). Поэтому время срабатывания реле в основном зависит от времени трогания, и формулу (2) можно представить как

                                                             (3)

где kЗ.СР = iУСТ/iСР – коэффициент запаса при срабатывании.

Переходный процесс при отключении реле рассмотрим также с момента трогания. Отпускание якоря реле может быть вызвано либо отключением напряжения питания U от обмотки с помощью выключателя В1, либо замыканием этой обмотки накоротко выключателем В2 (рис. 1в). Для того, чтобы избежать короткого замыкания источника питания U (второй случай), в схеме предусматривается резистор RДОБ. В первом случае при отключении напряжения питания U (рис. 1в) ток в обмотке практически мгновенно уменьшается от iУСТ до нуля (рис. 1г – штриховая линия). Однако, следует указать, что при размыкании выключателя В1 энергия, запасённая в магнитном поле обмотки, создаёт переходной процесс небольшой длительности, поддерживая некоторое время ток за счёт дугового разряда между контактами реле. При этом вся энергия, запасённая в магнитном поле, переходит в тепло. Учитывая, что длительность этого процесса мала, можно полагать, что время трогания при отпускании приблизительно равно нулю (см. рис. 1г).

При отпускании реле путём замыкания обмотки накоротко (рис. 1г) ток переходного процесса:

                                                                                                         (4)

Графически эта зависимость представлена экспонентой 1 (рис. 1г). Якорь реле начнёт отходить от сердечника в момент, когда тяговое усилие будет меньше, чем противодействующее. Ток, при котором начинается отход якоря от сердечника, соответствует току трогания iТР. Если в (4) вместо тока iОТ подставим его значение iОТ = iТР, то получим выражение для определения времени трогания при отпускании:

                                                                                                        (5)

где τ2 = L/R – электромагнитная постоянная времени; L – индуктивность обмотки при притянутом якоре.

На рис. 1г кривая 2 показывает изменение тока в обмотке реле с момента начала движения якоря (точка А) до окончания переходного процесса. Здесь, как и при срабатывании, наблюдается некоторое отклонение кривой 2 (всплеск) от экспоненты 1 вследствие изменения индуктивности обмотки от максимального до минимального значения. После того, как якорь отойдёт от сердечника, ток будет продолжать уменьшаться по экспоненте с прежней постоянной (как и при начальном положении якоря), т.е. τ1 = L/R. Время движения при отпускании определяется так же, как при срабатывании реле. Вычислить момент срабатывания реле по формуле (3) затруднительно, т.к. невозможно точно определить индуктивность обмотки L; кроме того, при вычислении tСР не учитываются погрешности, которые возникают из-за влияния вихревых токов. Более точные результаты определения tСР дают экспериментальные методы.

Время срабатывания и отпускания реле можно изменить как схемными, так и конструктивными методами. Применяя схемные методы, можно изменять длительность переходного процесса. Учитывая, что для реле данного типа величина iСР = const, из формулы (3) следует, что изменять величину tСР можно, изменяя iУСТ или τ1. Так, например, увеличение установившегося значения iУСТ приводит к уменьшению tСР, а увеличение постоянной времени τ1 – к увеличению tСР. Однако, практические возможности здесь ограничены, а именно: при увеличении iУСТ может произойти перегрев обмотки, а уменьшение iУСТ приводит к уменьшению коэффициента запаса при срабатывании kЗ.СР = iУСТ/iСР.

Рассмотрим схемные методы ускорения срабатывания реле (рис. 2). На рис. 2б кривая 1 характеризует переходной процесс в обмотке реле без принудительного ускорения срабатывания реле, при этом время срабатывания реле обозначено, как . Включение последовательно с обмоткой реле добавочного активного сопротивления RДОБ (см. рис. 2а) приводит к уменьшению постоянной времени цепи, т.е. к уменьшению времени срабатывания реле tСР (кривая 2, рис. 2б). В этом случае постоянная времени цепи будет

где LОБ и RОБ – соответственно индуктивность и активное сопротивление обмотки реле; RДОБ – добавочное сопротивление резистора, включенного с обмоткой.

Ещё большее быстродействие (в 5…10 раз) можно получить, включив параллельно RДОБ ёмкость С (рис. 2а, штриховая линия). При замыкании выключателя В ток переходного процесса iПЕР проходит через С в обход RДОБ, т.к. ёмкостное сопротивление конденсатора С значительно меньше RДОБ. Зарядный ток конденсатора резко увеличивается до значительной величины, поэтому ток в обмотке реле быстрее достигает значения тока срабатывания и, следовательно, становится меньше (кривая 3, рис. 2б). За малый промежуток времени существования ток переходного процесса не успевает перегреть обмотку реле. В установившемся режиме ток iУСТ проходит через резистор RДОБ (т.к. конденсатор не пропускает постоянный ток), и поэтому величина его будет значительно меньше по сравнению с броском тока. Следовательно, перегрева обмотки в этом случае не будет.

Рис. 2. Схема ускорения срабатывания реле (а) и зависимость изменения тока в катушке реле при срабатывании реле (б).

В рассмотренных методах ускорения срабатывания реле для сохранения величины установившегося тока iУСТ необходимо увеличить напряжение питания U на величину ΔU. Следует указать, что для уменьшения tСР и tОТП магнитопровод выполняют из материалов, обладающих большим удельным сопротивлением и уменьшающих вихревые токи – при этом время трогания увеличивается. К таким материалам относятся кремниевые стали, низконикелевые пермаллоевые стали и т. п.

В схеме, приведённой на рис. 3а, замедление срабатывания реле осуществляется с помощью конденсатора С, включенного параллельно обмотке. При включении обмотки ток переходного процесса iПЕР в начале проходит через С в обход LОБ, т.к. индуктивное сопротивление обмотки значительно больше ёмкостного сопротивления конденсатора. В конце переходного процесса, когда скорость изменения тока невелика, ток проходит через обмотку реле, вызывая замедление срабатывания, пропорциональное величине ёмкости конденсатора С. Время протекания тока через конденсатор и, следовательно, величина замедления определяется соотношением величин U, C, LОБ, RОБ. Из-за возможности образования резонансных явлений данная схема не нашла широкого применения.

Рис. 3. Схемы замедления срабатывания и отпускания реле при параллельном включении конденсатора (а), короткозамкнутой обмотки (б), диода и резистора (в).

Весьма эффективным способом получения замедления срабатывания реле является электромагнитное демпфирование (способ воздействия на скорость изменения магнитного потока в магнитопроводе называют демпфированием). Сущность магнитного демпфирования состоит в том, что на сердечнике размещают кроме рабочей обмотки W (см. рис. 3б) ещё и короткозамкнутую обмотку WКЗ (называемую демпфирующей), которая обладает большой индуктивностью LКЗ и малым активным сопротивлением RКЗ. В демпфирующей обмотке при включении выключателя в переходном режиме создаётся ток iКЗ, образующий магнитный поток ФКЗ, который наводит в рабочей обмотке WР противо-э.д.с. – Е. По закону Ленца эта э.д.с. препятствует нарастанию тока i и магнитного потока ФР в рабочей обмотке и, следовательно, замедляет срабатывание реле. По окончании переходного процесса магнитный поток ФР в рабочей обмотке становится постоянным, и действие обмотки WКЗ прекращается. Время нарастания магнитного потока до величины ФСР и время срабатывания реле до величины увеличивается (кривая 1, см. рис. 4).

Рис. 4. Изменение величины магнитного потока у реле с короткозамкнутой обмоткой (1) и без нее (2).

Время замедления можно регулировать при помощи регулировочного резистора RРЕГ (см. рис. 3б), включенного в цепь обмотки WКЗ. При замыкании этой обмотки накоротко время замедления имеет максимальное значение.

Короткозамкнутая катушка обычно выполняется в виде массивной втулки (гильзы) из меди или алюминия, надетой на сердечник. Наличие втулок способствует увеличению вихревых токов, а, следовательно, их магнитных потоков (см. рис. 5). Увеличение времени отпускания реле можно получить шунтированием катушки реле резистором R и диодом VD (рис. 3в).

Лабораторный макет состоит из измерителя временных параметров реле Ф291, лабораторного стенда с испытываемыми реле (МКУ – 48С, РКМП – 2) и блока питания Б5 – 50 (рис. 6а, б, в, г).

Прибор Ф291 позволяет измерять по первому замыканию (размыканию) контакта проверяемого реле следующие временные параметры:

а) время отпускания реле;

б) разность времени срабатывания (отпускания) любой комбинации двух пар контактов;

Рис. 5. Магнитное демпфирование реле с помощью короткозамкнутых катушек: 1 – короткозамкнутая катушка, 2 – сердечник, 3 – обмотка.

в) время срабатывания реле с размыкающими и замыкающими контактами;

г) время кратковременного замыкания и размыкания контакта;

На лицевой панели прибора Ф291 расположены:

а) кнопка включения прибора;

б) переключатель "РЕЖИМ" для выполнения коммутаций схемы прибора, соответствующих соотношению контактов и режиму работы проверяемого реле;

в) кнопка "КНТ" (контакт) для измерения функций проверяемых контактов;

г) кнопка "РАЗН" (разность) для работы в режимах определения разности времени срабатывания любой комбинации двух замыкающих и размыкающих контактов и определения времени кратковременного замыкания или размыкания контакта;

д) кнопка "100" для работы прибора на пределе 100000 ms;

е) кнопка "СУМ" (сумма) для суммирования показаний прибора при неоднократном измерении параметров реле;

ж) кнопка "СБР" (сброс) для сброса показаний отсчётного устройства прибора;

з) тумблер "ПУСК" для подключения напряжения к обмотке проверяемого реле и подключения генератора импульсов к счётным декадам.

На задней панели прибора Ф291 расположены:

а) клеммы 1, 2 (цепь реле) для подключения обмотки реле к цепи питания;

б) клеммы 3, 4 (контакт 1), 3, 6 (контакт 2) для подключения контактов проверяемого реле

в) разъём "ЦПУ" для вывода результатов на печатающее устройство;

г) разъём "ДУ" для подключения дистанционного управления;

е) клемма заземления.

В лабораторной работе используются следующие режимы работы прибора Ф291:

Лабораторный макет представляет собой испытательный стенд с расположенными на нём реле типа МКУ – 48С и РКМП – 2 и выведенными клеммами питания, контактными группами реле и клеммами конденсатора и резистора. Имеется возможность менять номинал резистора (100 Ом /220 Ом) при помощи тумблера на лицевой панели. Напряжение питания реле МКУ-48С – 24 В, РКМП – 2 – 42 В.

Блок питания Б5 – 50 представляет собой импульсный источник постоянного тока с возможностью дискретной установки фиксированных значений напряжения и тока. Шаг дискретного значения напряжения и тока 1 В, 1 мА. Пределы установки выходного напряжения 0 – 299 В; пределы установки выходного тока 0 – 299 мА.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ ВКЛЮЧАТЬ ИСТОЧНИК Б5-50 ПРИ ПОЛОЖЕНИИ ДИСКРЕТНЫХ НАБОРНЫХ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ, РАВНЫХ ПОКАЗАНИЯМ "000" В, "000" мА.

Порядок выполнения работы

Провести измерение времени срабатывания и отпускания реле замыкающим и размыкающим контактом. Для этого:

1) установить необходимое напряжение питания исследуемого реле на блоке питания Б5 – 50 (МКУ-48С – 24В, РКМП – 2 – 42В) и ток, равный 250 мА;

2) собрать схему испытания реле согласно схеме (см. рис. 6 а).

3) установить рабочие органы прибора Ф291 в положение "ОТКЛ";

4) выбрать необходимый режим работы прибора Ф291 согласно таблице режимов работы;

5) включить питание приборов Ф291 и Б5 – 50;

6) нажать кнопку "СБРОС" на приборе Ф291 и при помощи тумблера "ПУСК" произвести измерение исследуемого временного параметра;

7) пункт 6 повторить 3 раза;

8) пункт 1…7 повторить для схем согласно рис. 6б…г;

9) полученные данные занести в таблицу 1.

.

Таблица 1

Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

а) цель работы;

б) перечень оборудования и приборов;

в) схемы испытания реле;

г) таблицу 1 с экспериментальными данными;

е) выводы по работе.

Контрольные вопросы к лабораторной работе

1. Временные параметры электромагнитных реле.
2. Методы ускорения срабатывания реле.
3. Методы замедления срабатывания реле.