Исследование переходных процессов в цепях с реле постоянного тока (при помощи пакета программ Electronics Workbench): Методические указания к лабораторной работе № 1(М) по курсу «Теоретические основы автоматики и телемеханики»

Страницы работы

Содержание работы

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра « Автоматика и телемеханика на железных дорогах»

Исследование переходных процессов

в цепях с реле постоянного тока

(при помощи пакета программ Electronics Workbench)

Методические указания к лабораторной работе № 1(М) по курсу «Теоретические основы автоматики и телемеханики»

Санкт-Петербург

1. Целью работы является изучение временных характеристик реле постоянного тока в зависимости от способов изменения постоянной времени электрической цепи включения реле.

2. Краткие сведения из теории

Эквивалентная схема обмотки реле (рис.2.1) состоит из индуктивности реле Lр и активного сопротивления Rр.

При замыкании ключа К1 в цепи будет протекать ток i, изменяясь от значения i=0 до значения i=Ip, где Ip- рабочий ток в цепи, вычисляемый по формуле

Переход от одного установившегося режима (i=0) к другому ( i=Ip) называется переходным процессом в электрической цепи [1].

Такие процессы возникают в цепях при их коммутации (включении и выключении), а также при всяком изменении параметров цепи. Необходимость изучения переходных процессов в электрических цепях железнодорожной автоматики обоснована тем, что продолжительность переходного процесса влияет на временные характеристики релейных элементов. Кроме того, возникающие при этом токи и напряжения могут во много раз превышать их значения при нормальном установившемся режиме. Такое превышение может привести к повреждению элементов цепи: разрушению контактов реле, пробою конденсаторов и диодов, а также к появлению других дефектов.

Классический метод анализа переходных процессов заключается в составлении дифференциального уравнения цепи.

Для схемы на рис.2.1 дифференциальное уравнение имеет вид

Решением этого уравнения относительно i будет выражение

где (Lp/Rp)= -постоянная времени реле.

Постоянная времени используется при определении времени притяжения реле

t пр = <[ln]Ip/(Ip-Iпр) >, (2.4)

где Iпр- ток притяжения реле,

и времени отпускания якоря при шунтировании обмотки реле (замыкается ключ К2 на рис.2.1)

t отп=*<[ln](Ip/Iотп) >, (2.5)

При размыкании цепи питания обмотки реле (верхнее положение ключа К1 на рис.2.1) в формулу (2.5) необходимо добавить сопротивление размыкаемого контакта r

При условии мгновенного нарастания сопротивления r до бесконечности ток с такой же скоростью упадет до нуля, т.е. выражение (2.6) в этом случае станет равным нулю. Тогда якорь переходит в отпущенное состояние под действием физических сил (упругость контактных пружин, гравитационное воздействие на якорь и др.), действующих на него. Время выключения реле при этом определяется временем движения якоря t дв. при переключении контактов.

В этом случае будем считать, что через постоянное сопротивление r образуется шунтирующая цепь, имитирующая переходной процесс при отключении цепи питания обмотки реле.

Рабочий ток Ip определяется следующим образом

Токи притяжения и отпускания определяются из соотношений

Iпр= Uпр/ Rp, Iотп= Uотп/ Rp. (2.10)

Исходные данные для расчетов задаются в приложении А. Расчет выполняется с использованием размерностей интернациональной системы физических единиц (СИ), представленной в таблице 2.1.Приставки к единицам СИ и сокращения, принятые в программе, помещены в приложения Б и В.

Источник

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

Переходным процессом называется процесс перехода электропривода от одного установившегося состояния к другому, когда одновременно изменяются скорость, момент и ток двигателя, а также скорость и моменты всех звеньев кинематической цепи, соединяющей двигатель с рабочим органом механизма.

К переходным процессам относятся пуск, торможение и реверс электропривода, переход с одной скорости на другую, а также процессы, вызванные изменениями момента на валу двигателя, изменением напряжения сети. Характер протекания и длительность переходного процесса в ряде производственных механизмов определяют производительность, особенно когда длительность рабочего цикла соизмерима с временем разгона и торможения.

Кроме того, потери энергии в двигателе при пуске и торможении могут оказаться соизмеримыми с потерями в установившихся режимах. Поэтому при определении мощности двигателя необходимо учитывать потери при пуске и торможении, особенно когда число пусков и торможений в час относительно велико.

Характер и длительность переходного процесса определяются моментом двигателя, моментами сил сопротивления (трения, резания, деформации и т. д.), массами и моментами инерции движущихся тел. Зависимости n, М, I от времени и продолжительность переходного процесса можно определить с помощью известного из механики уравнения движения. Для поступательного движущегося тела

Для вращающегося тела

В формулах (12.1) и (12.2) приняты следующие обозначения: F, М — движущая сила и движущий момент, Н, Н•м; F_c, М_с — сила и момент сопротивления, Н, Н•м; т, J — масса и момент инерции тела, кг, кг•м 2 ; v, ω, t — скорость, угловая скорость и время, м/с, рад/с, с.

Уравнения движения соответствуют одному поступательно движущемуся или вращающемуся телу. Любой, даже самый простейший производственный механизм, например изображенный на рис. 12.1, состоит не из одного, а из нескольких движущихся или вращающихся с различными частотами тел (шестерен, валов, шкивов и т. д.). Поэтому при расчете переходных процессов электроприводов потребовалось бы составить и совместно решить столько уравнений, сколько звеньев с различными скоростями имеет механизм. Для упрощения задачи все моменты инерции, моменты сил сопротивления и движущие моменты приводят к одной скорости — обычно к скорости вала двигателя; в результате этого все звенья механизма заменяют одним эквивалентным звеном, для которого составляют и затем решают одно уравнение движения. Динамические свойства эквивалентного звена будут такими же, как и механизма, если:

а) кинетическая энергия эквивалентного звена равна кинетической энергии всех звеньев механизма;

б) мощности на валу эквивалентного звена, обусловленные движущим моментом и моментами сил сопротивлений, те же, что и соответствующие мощности, передаваемые звеньями механизма.

На основании этих условий для системы, состоящей из k звеньев, можно написать

Рис. 12.1. Кинематическая схема механизма (а); пояснения к графо-
аналитическому методу расчета времени переходного процесса (б)

Разделив почленно на ω_э, получим

Если скорость эквивалентного звена равна скорости двигателя, то

Эквивалентный момент инерции J_эк обычно обозначают J_и называют моментом инерции всех звеньев механизма, включая и момент инерции двигателя.

Момент сил сопротивления, приведенный к валу двигателя, с учетом КПД механизма для случая передачи энергии от двигателя к механизму определяется из соотношения

где М_с,пр — момент сил сопротивления, приведенный к валу двигателя, имеющего угловую скорость ω_д; М’_с — момент сил сопротивления звена, имеющего угловую скорость ω‘_с; η— КПД передачи.

Уравнение движения эквивалентного звена для двигательного режима работы и реактивного момента сил сопротивления (момент трения, резания и т. п.) будет иметь вид (12.2), где М — момент, развиваемый двигателем; J— момент инерции всех звеньев; М_с — момент сил сопротивления на валу двигателя.

Определить приведенные к валу двигателя момент инерции барабана и момент сил сопротивления, если КПД передачи η = 0,8.

Решение. Момент инерции барабана, приведенный к валу двигателя,

Момент сил сопротивления, приведенный к валу двигателя,

Источник

Переходные процессы в электрической цепи

Переходные процессы не являются чем-то необычным и характерны не только для электрических цепей. Можно привести ряд примеров из разных областей физики и техники, где случаются такого рода явления.

Например, налитая в сосуд горячая вода постепенно охлаждается и ее температура изменяется от начального значения до установившегося, равного температуре окружающей среды. Выведенный из состояния покоя маятник совершает затухающие колебания и, в конце концов, возвращается в исходное стационарное неподвижное состояние. При подключении электроизмерительного прибора его стрелка перед остановкой на соответствующем делении шкалы совершает вокруг этой точки шкалы несколько колебаний.

Установившийся и переходный режим электрической цепи

Установившимся режимом электрической цепи, подключенной к источнику постоянного напряжения (тока), называется режим, при котором токи и напряжения в отдельных ветвях цепи неизменны во времени.

Токи и напряжения установившегося режима зависят от вида внешнего воздействия и от параметров электрической цели.

В большинстве случаев теоретически допустимо считать, что коммутация осуществляется мгновенно, т.е. различные переключения в цепи происходят без затраты времени. Процесс коммутации на схемах условно показывается стрелкой возле выключателя.

Естественно возникает вопрос, надо ли вообще принимать во внимание переходные режимы, имеющие столь короткую длительность. Ответ может быть дан только для каждого конкретного случая, так как в различных условиях роль их неодинакова. Особенно велико их значение в устройствах, предназначенных для усиления, формирования и преобразования импульсных сигналов, когда длительность воздействующих на электрическую цепь сигналов соизмерима с продолжительностью переходных режимов.

Переходные процессы являются причиной искажения формы импульсов при прохождении их через линейные цепи. Расчет и анализ устройств автоматики, где происходит непрерывная смена состояния электрических цепей, немыслим без учета переходных режимов.

В ряде устройств возникновение переходных процессов, в принципе, нежелательно и опасно. Расчет переходных режимов в этих случаях позволяет определить возможные перенапряжения и увеличения токов, которые во много раз могут превышать напряжения и токи стационарного режима. Это особенно важно для цепей со значительной индуктивностью или большой емкостью.

Причины возникновения переходного процесса

Рассмотрим явления, возникающие в электрических цепях при переходе от одного установившегося режима к другому.

В линейных цепях, состоящих из источников энергии и резисторов, переходные процессы, связанные с изменением запасенной энергии, вообще не возникают.

Следующий эксперимент проведем с цепью, состоящей из источника постоянного напряжения, резисторов и конденсатора, параллельно которому подключим вольтметр (рис. 1,в). Если емкость конденсатора достаточно велика (несколько десятков микрофарад), а сопротивление каждого из резисторов R1 и R 2 несколько сотен килоом, то после замыкания выключателя стрелка вольтметра начинает плавно отклоняться и только через несколько секунд устанавливается на соответствующем делении шкалы.

Следовательно, напряжение на конденсаторе, а также и ток в цепи устанавливаются в течение относительно продолжительного промежутка времени (инерционностью самого измерительного прибора в данном случае можно пренебречь).

Что же препятствует мгновенному установлению стационарного режима в цепях рис. 1,б, в и служит причиной возникновения переходного процесса?

Причиной этому являются элементы электрических цепей, способные запасать энергию (так называемые реактивные элементы): катушка индуктивности (рис. 1,б) и конденсатор (рис. 1,в).

Физически переходные режимы представляют собой процессы перехода энергетического состояния цепи от докоммутационного к послекоммутационному режиму. Каждому стационарному состоянию цепи, имеющей реактивные элементы, соответствует определенный запас энергии электрического и магнитного полей. Переход к новому стационарному режиму связан с нарастанием или убыванием энергии этих полей и сопровождается возникновением переходного процесса, который заканчивается, как только прекращается изменение запаса энергии. Если при при коммутации энергетическое состояние цепи не изменяется, то переходные процессы не возникают.

Переходные процессы наблюдаются при коммутациях, когда изменяется стационарный режим электрической цепи, имеющей элементы, способные запасать энергию. Переходные процессы возникают при следующих операциях:

а) включении и выключении цепи,

б) коротком замыкании отдельных ветвей или элементов цепи,

в) отключении или подключении ветвей или элементов цепи и т. д.

Кроме того, переходные процессы возникают при воздействии на электрические цепи импульсных сигналов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Устройство, схема и подключение промежуточного реле

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Промежуточные электромагнитные реле применяются во многих электронных и электрических схемах и предназначены для коммутации электрических цепей. Они используются для усиления и преобразования электрических сигналов; запоминания информации и программирования; распределения электрической энергии и управления работой отдельных элементов, устройств и блоков аппаратуры; сопряжения элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры, работающих на различных уровнях напряжений и принципах действия; в схемах сигнализации, автоматики, защиты и т.п.

Промежуточное электромагнитное реле представляет собой электромеханическое устройство, которое может коммутировать электрические цепи, а также управлять другим электрическим устройством. Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока.

Работа электромагнитного реле основана на взаимодействии магнитного потока обмотки и подвижного стального якоря, который намагничивается этим потоком. На рисунке показан внешний вид промежуточного реле типа РП-21.

1. Устройство реле.

Реле представляет собой катушку, обмотка которой содержит большое количество витков медного изолированного провода. Внутри катушки находится металлический стержень (сердечник), закрепленный на Г-образной пластине, называемой ярмом. Катушка и сердечник образуют электромагнит, а сердечник, ярмо и якорь образуют магнитопровод реле.

Над сердечником и катушкой расположен якорь, выполненный в виде пластины из металла и удерживаемый при помощи возвратной пружины. На якоре жестко закреплены подвижные контакты, напротив которых расположены соответствующие пары неподвижных контактов. Контакты реле предназначены для замыкания и размыкания электрической цепи.

2. Как работает реле.

В исходном состоянии, пока на обмотку реле не подано напряжение, якорь под воздействием возвратной пружины находится на некотором расстоянии от сердечника.

При подаче напряжения в обмотке реле сразу начинает течь ток и его магнитное поле намагничивает сердечник, который преодолевая усилие возвратной пружины, притягивает якорь. В этот момент контакты, закрепленные на якоре, перемещаясь, замыкаются или размыкаются с неподвижными контактами.

После отключения напряжения ток в обмотке исчезает, сердечник размагничивается, и пружина возвращает якорь и контакты реле в исходное положение.

3. Контакты реле.

В зависимости от конструктивных особенностей контакты промежуточных реле бывают нормально разомкнутые (замыкающие), нормально замкнутые (размыкающие) или перекидные.

3.1. Нормально разомкнутые контакты.

Пока напряжение питания не подано на катушку реле, его нормально разомкнутые контакты всегда разомкнуты. При подаче напряжения реле срабатывает и его контакты замыкаются, замыкая электрическую цепь. На рисунках ниже показана работа нормально разомкнутого контакта.

3.2. Нормально замкнутые контакты.

Нормально замкнутые контакты работают наоборот: пока реле обесточено, они всегда замкнуты. При подаче напряжения реле срабатывает и его контакты размыкаются, размыкая электрическую цепь. На рисунках показана работа нормально разомкнутого контакта.

3.3. Перекидные контакты.

У перекидных контактов при обесточенной катушке средний контакт, закрепленный на якоре, является общим и замкнут с одним из неподвижных контактами. При срабатывании реле средний контакт вместе с якорем перемещается в сторону другого неподвижного контакта и замыкается с ним, одновременно разрывая связь с первым неподвижным контактом. На рисунках ниже показана работа перекидного контакта.

Многие реле имеют не одну, а несколько контактных групп, что позволяет осуществлять управление несколькими электрическими цепями одновременно.

К контактам промежуточных реле предъявляются особые требования. Они должны иметь малое переходное сопротивление, большую износоустойчивость, малую склонность к привариванию, высокую электропроводность и большой срок службы.

В процессе работы контакты своими токоведущими поверхностями прижимаются друг к другу с определенным усилием, создаваемым возвратной пружиной. Токоведущая поверхность контакта, соприкасающаяся с токоведущей поверхностью другого контакта называется контактной поверхностью, а место перехода тока из одной контактной поверхности в другую называется электрическим контактом.

Соприкосновение двух поверхностей происходит не по всей кажущейся площади, а лишь отдельными площадками, так как даже при самой тщательной обработке контактной поверхности на ней все равно будут оставаться микроскопические бугорки и шероховатости. Поэтому общая площадь соприкосновения будет зависеть от материала, качества обработки контактных поверхностей и усилия сжатия. На рисунке показаны контактные поверхности верхнего и нижнего контактов в сильно увеличенном виде.

В месте перехода тока с одного контакта в другой возникает электрическое сопротивление, которое называется переходным сопротивлением контакта. На величину переходного сопротивления существенное влияние оказывает величина контактного нажатия, а также сопротивление окисных и сульфидных пленок, покрывающих контакты, так как они являются плохими проводниками.

В процессе длительной работы поверхности контактов изнашиваются и могут покрываться налетами копоти, окисными пленками, пылью, непроводящими частицами. Также износ контактов может быть вызван механическими, химическими и электрическими факторами.

Механический износ происходит при скольжении и ударах контактных поверхностей. Однако главной причиной разрушения контактов являются электрические разряды, возникающие при размыкании и замыкании цепей в особенности цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой. В момент размыкания и замыкания на контактных поверхностях происходят явления плавления, испарения и размягчения контактного материала, а также перенос металла с одного контакта на другой.

В качестве материалов для контактов реле применяют серебро, сплавы твердых и тугоплавких металлов (вольфрам, рений, молибден) и металлокерамические композиции. Наибольшее применение получило серебро, обладающее малым контактным сопротивлением, высокой электропроводностью, хорошими технологическими свойствами и относительно невысокой стоимостью.

Следует помнить, что абсолютно надежных контактов нет, поэтому для повышения их надежности применяют параллельное и последовательное включение контактов: при последовательном включении контакты могут разорвать большой ток, а параллельное включение повышает надежность замыкания электрической цепи.

4. Электрическая схема реле.

На принципиальных схемах катушка электромагнитного реле изображается прямоугольником и буквой «К» с цифрой порядкового номера реле в схеме. Контакты реле обозначаются этой же буквой, но с двумя цифрами, разделенными точкой: первая цифра указывает на порядковый номер реле, а вторая на порядковый номер контактной группы этого реле. Если же на схеме контакты реле расположены рядом с катушкой, то их соединяют штриховой линией.

Запомните. На схемах контакты реле изображают в состоянии, когда на него напряжение еще не подано.

Электрическую схему и нумерацию выводов реле производитель указывает на крышке, закрывающей рабочую часть реле.

На рисунке видно, что выводы катушки обозначены цифрами 10 и 11, и что реле имеет три группы контактов:
7 — 1 — 4
8 — 2 — 5
9 — 3 — 6

Здесь же под электрической схемой указаны электрические параметры контактов, показывающие, какой максимальный ток они могут пропустить (коммутировать) через себя.

Контакты данного реле коммутируют переменный ток не более 5 А при напряжении 230 В, и постоянный ток не более 5 А при напряжении 24 В. Если же через контакты пропускать ток больше указанного, то они очень скоро выйдут из строя.

На некоторых типах реле производитель дополнительно нумерует выводы со стороны присоединений, что очень удобно.

Для удобства эксплуатации, замены и монтажа реле применяют специальные колодки, которые устанавливаются на стандартную DIN-рейку. В колодках предусмотрены отверстия для контактов реле и винтовые контакты для подключения внешних проводников. Винтовые контакты имеют нумерацию контактов, которая соответствует нумерации контактов реле.

Также на катушках реле указывают род тока и рабочее напряжение обмотки реле.

На этом пока закончим, а во второй части рассмотрим основные параметры и подключение электромагнитных реле, где на примерах простых схем разберем работу реле.

До встречи на страницах сайта.
Удачи!

1. И. Г. Игловский, Г. В. Владимиров – «Справочник по электромагнитным реле», Л., Энергия, 1975 г.
2. М. Т. Левченко, П. Д. Черняев – «Промежуточные и указательные реле в устройствах релейной защиты и автоматики», Энергия, Москва, 1968, (Б-ка электромонтера, вып. 255).
3. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Источник