Методические указания

К А Ф Е Д Р А 3 1 0

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А

ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

по курсу

“Системы генерирования и преобразования

электроэнергии ЛА”

Автор: Дубенский Г.А.

Работа поставлена при участии

Студентов: Коблева А.А.,

Смородинова Д.А., Яковлева Д.Ш.

Утверждено на заседании кафедры

“ ________________ 2000 г.

Москва 2000 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ.

1. Ознакомиться с методическими указаниями, лабораторным стендом, измерительными приборами и схемами исследований.

2. Определить основные параметры контактора типа ТКЕ21ПК и исследовать процесс его коммутации при срабатывании и отпускании.

3. Снять диаграмму потребляемого тока при включении контактора типа ТКД511КОД.

4. Исследовать работу реле ТВЕ101Б-2С с задержкой на отпускание.

5. Исследовать работу автомата защиты сети АЗРГК-5.

6. Исследовать работу поляризованного реле типа РПС28.

Методические указания.

В состав электрооборудования современных ЛА входит коммутационная аппаратура различных типов, предназначенная для включения, выключения и переключения электрических цепей [1,2].

В зависимости от способа управления коммутационная аппаратура подразделяется на аппаратуру прямого, дистанционного, автоматического и программного управления.

Аппаратура прямого (ручного) управления применяется для коммутации цепей с током не более 35 А. К ней относятся выключатели, переключатели и кнопки. По конструктивному исполнению они подразделяются на одно-, двух- и трехполюсные, т.е. коммутирующие одновременно одну, две или три цепи и многопозиционные.

По принципу работы выключатели и переключатели делятся на перекидные и нажимные. Перекидные выключатели и переключатели имеют фиксированные положения контактов и рукоятки управления. Их возврат в исходное положение требует приложения обратного усилия.

Их возврат в исходное положение требует приложения обратного усилия. В нажимных выключателях и переключателях возврат в исходное положение обеспечивается кинематической схемой после отпускания рукоятки.

Различные типы коммутационной аппаратуры прямого управления и их условное графическое изображение представлены в нижней части лабораторного стенда.

Недостатком аппаратуры прямого управления является возможность возникновения тянущейся электрической дуги между контактами из-за малой скорости их разъединения в момент выключения, что приводит к эрозии поверхностей контактов и преждевременному выходу аппаратуры из строя и отказам в работе.

Аппаратура дистанционного управления частично лишена этих недостатков. Она представляет собой электромагнитные устройства, состоящие из контактных групп, электромагнита и рычажно-пружинного механизма, обеспечивающего передачу движения якоря электромагнита к подвижному узлу контактной группы.

В зависимости от величины коммутируемого тока аппаратура дистанционного управления подразделяется на реле и контакторы. Реле применяются для коммутации цепей с нагрузкой не более 10А, контакторы - до 1000 А. Обмотки реле и контакторов питаются от сети постоянного тока или через полупроводниковый выпрямитель при использовании сети переменного тока.

Некоторые типы электромагнитных реле и контакторов представлены в верхней части лабораторного стенда.

Условное обозначение авиационных коммутационных аппаратов отражает их назначение и конструкцию. Первая буква обозначения указывает максимальное рабочее напряжение обмотки (Т - тридцать, С - сто, Д - двести вольт), вторая буква указывает назначение аппарата (К - контактор, Н - реле напряжения, Т - токовое реле, Д - детекторное реле, В - временное реле).

Третья буква Е, Д, С или Т означает единицы, десятки, сотни или тысячи амперкоммутируемого тока, число которых указывает цифра, стоящаяна четвертом месте. Пятый знак указывает число коммутируемых цепей, шестой - кинематику аппарата. Седьмой знак отражает режим работы (Д - длительный, К - кратковременный, И - импульсный), восьмой - особенности конструкции (Т - теплостойкий, Г - герметичный, Д - всеклиматический). Так, обозначение ТКЕ22ПКТ расшифровывается следующим образом: рабочее напряжение обмотки - 30 В, контактор, коммутируемый ток - 2 А, количество коммутируемых цепей - 2, контактные группы работают на переключение, режим работы - кратковременный, исполнение теплостойкое.

В авиационных контакторах продолжительного режима работы для уменьшения мощности, управления и нагрева обмотки контактора используется двухступенчатое включение. В начальный момент времени напряжение питания контактора подается на пусковую низкоомную обмотку. Возникающая при этом намагничивающая сила - приводит в движение якорь электромагнита и вызывает срабатывание контактора. После втягивания якоря, в конце перемещения подвижного узла контактной группы, происходит размыкание специального контакта, который подключает последовательно с пусковой обмоткой высокоомную рабочую обмотку. Ток в цепи питания контактора снижается, уменьшая потери мощности в обмотке, а намагничивающая сила - лишь удерживает якорь контактора во втянутом состоянии. Здесь - напряжение питания контактора, и - пусковой и рабочий ток, и - сопротивление и число витков пусковой и рабочей обмоток соответственно.

Таким образом, в начале процесса включения контактор потребляет значительно больший ток, чем во включенном состоянии. Последнее обстоятельство необходимо учитывать при разработке систем управления контакторами, особенно при использовании полупроводниковых элементов. Необходимо также учитывать, что обмотки контакторов и реле обладают значительной индуктивностью.

Особым типом электромагнитных реле являются реле на базе магнитоуправляемых контактов - герконов (герметичных контактов). Они представляют собой стеклянный баллон с впаянными в него упругими пластинами из ферромагнитного материала.

Упругие пластины образуют контактную группу реле и являются одновременно магнитопроводом. Поверх стеклянного баллона располагается обмотка.

При подаче на обмотку напряжения питания возникающая намагничивающая сила заставляет упругие пластины изгибаться, выбирая зазор между ними и осуществляя коммутацию.

Если необходимо иметь группу контактов, работающих на переключение, то одну из трех пластин выполняют из немагнитного электропроводящего материала.

Малая масса подвижных частей герконовых реле определяет их повышенные частотные свойства (частота коммутации до кГц), а работа контактных пар в изолированном от окружающей среды объеме - большую надежность и долговечность. На стенде представлено герконовое реле типа РЭС64А.

Разновидностью аппаратуры дистанционного управления являются поляризованные реле и дистанционные переключатели.

Поляризованные реле - электромагнитные устройства с постоянными магнитами и несколькими (минимум двумя) обмотками. Срабатывание и отпускание поляризованных реле осуществляется в зависимости от направления тока в обмотках. Поляризованные реле имеют, как правило, самофиксацию в крайних положениях за счет постоянных магнитов. Управление включением и выключением таких реле возможно за счет кратковременной подачи напряжения различной полярности относительно начала обмоток. На стенде представлено поляризованное реле типа РПС28. Начала обмоток реле помечены точками.

Дистанционные переключатели имеют две обмотки управления и сложную кинематическую схему с механической фиксацией подвижного узла контактных групп в крайних положениях. Механическая фиксация, в отличие от поляризованных реле, предотвращает самопроизвольное переключение контактных групп дистанционных переключателей вследствие действия ускорений, возникающих в результате вибрации, ударов и т.п. Управление дистанционными переключателями осуществляется подачей импульсов напряжения на те или иные обмотки. Импульсное управление позволяет значительно снизить мощность необходимую для работы коммутационных электромагнитных устройств.

Аппаратура программного управления осуществляет автоматическое включение, выключение или переключение управляемых цепей в зависимости от времени или положения деталей механизмов и агрегатов.

Коммутацию электрических цепей в функции времени осуществляют программные механизмы, содержащие приводной электродвигатель с постоянной частотой вращения, редуктор, набор специально профилированных кулачков и концевые переключатели нажимного типа. При работе электропривода кулачки в определенной последовательности нажимают на переключатели, осуществляя тем самым коммутацию электрических цепей по заданной программе. Такие механизмы используются для запуска силовых авиационных установок, авиадвигателей, включения электрооборудования и т.п.

Коммутация электрических цепей в зависимости от положения деталей механизмов и агрегатов (углов поворота выходного вала, заслонок, линейных перемещений штоков и т.п.) осуществляется, как правило, встраиваемой коммутационной аппаратурой автоматического управления. Она представляет собой различные кулачки, устанавливаемые на подвижных деталях механизмов, в концевые переключатели нажимного типа. При заданных положениях деталей механизма кулачки нажимают на переключатели, осуществляя коммутацию электрических цепей привода механизма или электронных систем управления.

Основными параметрами аппаратуры дистанционного управления, характеризующими ее в процессе работы и значения которых необходимы для правильного выбора и применения реле и контакторов являются следующие:

n ток (напряжение) срабатывания - указывается для нормальных условий и является контрольным параметром для проверки реле;

n ток (напряжение) отпускания - также является контрольным параметром и указывается для нормальных условий;

n Рабочий ток - номинальное значение тока с двухсторонними допусками; верхнее значение тока ограничивается температурой нагрева обмотки, нижнее - надежностью работы реле при снижении величины напряжения питания;

n Коэффициент запаса - отношение рабочей н.с. к н.с. срабатывания ; характеризует надежность срабатывания и удержания реле в притянутом положении;

n Коэффициент возврата - характеризует чувствительность магнитной системы реле к возможному изменению тока в обмотке;

n Сопротивление обмотки , измеренное на постоянном токе для температуры окружающей среды 20°С;

n Временные параметры - максимально возможные значения времени срабатывания и отпускания ; продолжительность времени вибрации (дребезга) контактов при коммутации обычно входит во время срабатывания реле.

n Сопротивление электрического контакта - указывается для периода поставки, в процессе эксплуатации сопротивление контакта изменяется; по величине этого сопротивления оценивается качество контактов реле.

n Коммутационная способность контактов реле - характеризуется величиной мощности, коммутируемой контактами; нижний предел коммутируемых токов и напряжений для контактов из материала ПлИ-10, Ср999, СрМ900, ПлРд10, Зл999,9 ограничивается величиной переходного сопротивления контактов, верхний предел токов и напряжений ограничивается температурой нагрева, при которой снижается механическая прочность материала контактов.

n Количество коммутаций и износостойкость.

К коммутационной аппаратуре относятся также биметаллические автоматы защиты сетей. Автоматы защиты сетей выполняют функции как предохранителей, так и выключателей.

Их включение осуществляется вручную, а выключение - вручную или автоматически при прохождении через них тока, превышающего максимально допустимое значение. Работа автоматов основана на деформации биметаллической пластины под действием тепла от проходящего по ней тока. Если величина проходящего тока превышает критическое значение, биметаллическая пластина изгибается, освобождая возвратную пружину, которая размыкает контакты и переводит рукоятку автомата в положение "Выключено".

В составе самолетного электрооборудования используются автоматы защиты сети серии АЗС и АЗР. Автоматы серии АЗС позволяют принудительно удерживать рукоятку после автоматического срабатывания автомата, что используется иногда для включения ответственных потребителей (связь, выпуск шасси и т.п.) после их автоматического отключения от сети. Автоматы серии АЗР не могут быть принудительно включены сразу после их отключения. Их повторное включение возможно только после остывания биметаллической пластины.

Автоматы защиты сетей выпускаются в негерметичном (серии АЗС и АЗР) и герметичном (серии АЗГС и АЗРГ) исполнениях.

На стенде представлен автомат типа АЗРГК-5 на максимальный ток 5 А.

В отличие от электромеханической коммутационной аппаратуры электронные коммутационные устройства, выполненные на транзисторах или тиристорах, не имеют подвижных механических частей и контактов, что повышает их надежность, срок службы, частоту переключений, чувствительность, полностью исключает эффект «дребезга» при коммутации, снижает электромагнитные помехи, возникающие при искрении в механических контактах. Следует, однако, отметить, что электронные коммутаторы не являются идеальными ключами. Они имеют конечные значения сопротивлений в замкнутом и разомкнутом состояниях. В разомкнутом состоянии они обеспечивают худшую изоляцию цепей, чем электромеханические ключи. Кроме того, электронные коммутаторы не могут работать при температурах выше 150 градусов С и весьма чувствительны к ионизирующему излучению.

Бесконтактные полупроводниковые коммутационные устройства можно разделить на два класса: ключи постоянного и ключи переменного тока.

Схема транзисторного ключа постоянного тока представлена на рис. 2.1,а. Схема представляет собой транзисторный усилитель напряжения, выполненный по схеме с общим эмиттером и работающий в режиме переключения.

Резистор задает необходимую величину тока управления при заданных нагрузке и степени насыщения транзистора. Резистор и диод образует цепь активного запирания постоянного падения напряжения на диоде , прикладываемого к переходу база-эмиттер транзистора через резистор в запирающей полярности.

При подаче управляющего напряжения положительной полярности протекающий ток управления

вызывает отпирание транзистора и увеличение коллекторного тока до значения , где -статический коэффициент усиления тока базы.

Если , то транзистор будет находиться в режиме насыщения, а к нагрузке будет приложено напряжение (рис.2.1,б). В приведенных выражениях и -падения напряжения на переходах база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения соответственно.

Рис.2.1б

При отсутствии управляющего напряжения транзистор будет заперт, а на нагрузке будет присутствовать небольшое напряжение за счет тока утечки запертого транзистора. При управляющем напряжении положительной и отрицательной полярности цепь активного запирания , не требуется, так как транзистор будет активно заперт отрицательным напряжением управления.

В случае активно-индуктивного характера нагрузки в момент запирания транзистора на нагрузке возникает ЭДС самоиндукции (рис.2.1,в), где -величена индуктивности нагрузки, а -скорость изменения коллекторного тока при запирании транзистора.

Таким образом, при запирании транзистора к его переходу коллектор-эмиттер прикладывается напряжение (рис.2.1,г), что в большинстве случаев приводит к пробою переходов и выходу транзистора из строя.

Исключить повышение напряжения на ключе при отключении активно-индуктивной нагрузки возможно шунтированием нагрузки обратным диодом

(рис.2.1,г), замыкающим на себя ток в момент коммутации.

Схема тиристорного ключа постоянного тока представлена на рис.2.2,а. Тиристор включен в цепь нагрузки , а тиристор является коммутирующим.

Рис.2.2 а.

Транзистор представляет собой ключ постоянного тока, обеспечивающий необходимое усилие по мощности управляющего напряжения .Конденсатор дифференцирует прямоугольные импульсы напряжения, формируемые на коллекторе транзистора, в результате чего на первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ поступают короткие разнополярные импульсы напряжения (рис.2.2,б).Во вторичных обмотках ИТ с помощью диодов формируются однополярные импульсы токов управляющего напряжения. Для формирования импульсов управления могут быть использованы и другие схематические решения.

При поступлении управляющего импульса тиристор включается, и напряжение питания прикладывается к нагрузке (рис.2.2,в). При этом коммутирующий конденсатор заряжается через открытый тиристор и резистор до напряжения питания с полярностью, указанной на рис.2.2,а без скобок.

При поступлении управляющего импульса , включается тиристор , и коммутирующий конденсатор оказывается подключенным к тиристору таким образом, что его напряжение прикладывается плюсом к катоду,а минусом к аноду открытого тиристора . Конденсатор быстро разряжается через открытые тиристоры , ,прерывая ток нагрузки и выключая тем самым тиристор . Далее происходит перезаряд конденсатора через открытый тиристор и нагрузку до напряжения ,но в полярности,укзанной на рис.2.2,а в скобках. С приходом очередного импульса управления открывается тиристор , нагрузка подключается к напряжению ,коммутирующий конденсатор аналогичным образом выключает тиристор , и далее все процессы повторяются.

Минимальное значение емкости конденсатора зависит от характера нагрузки, ее мощности, а также частотных свойств тиристоров и может быть определено следующим образом: при и при

Если выполнить условия , где -ток удержания коммутирующего тиристора ,а - время включенного состояния ключа, то после перезарядки конденсатора на интервале отключенного состояния нагрузки тиристор будет естественным образом запираться, а ключ в целом не будет потреблять дополнительного тока в выключенном состоянии.

Схема тиристорного ключа переменного тока представлена на рис.2.3.а. Она состоит из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров , включенных последовательно с нагрузкой . Управление тиристорами в данной схеме необходимо производить от двух гальванически развязанных источников, так как тиристоры не имеют общей точки, относительно которой могут подаваться импульсы управления. В исследуемой схеме тиристорного ключа используется управление постоянным током, поступающим в управляющие электроды тиристоров на протяжении всего времени включенного состояния нагрузки (рис.2.3,б). Коммутация тиристоров осуществляется естественным образом при снятии управляющего напряжения и переходе тока нагрузки через нуль.

Получение двух гальванически развязанных постоянных напряжений для управления тиристорами реализуется в данной схеме с помощью трансформатора, к вторичным обмоткам которого подключены однополупериодные выпрямители с конденсаторами для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

		Rн

Рис. 2.3.а

Подача управляющего тока на тиристоры и гальваническая развязка их цепей от напряжения управления осуществляются с помощью оптоэлектронных диодно-транзисторных пар. Ключ переменного тока можно выполнить и на транзисторе. В этом случае он включается диагональ неуправляемого выпрямительного моста, подключенного последовательно с нагрузкой к источнику переменного напряжения (рис.2.4,а). Транзистор работает в данной схеме как ключ постоянного тока, так как напряжение на его коллекторе представляет собой выпрямленное переменное напряжение питание (рис.2.4,б).

Рис.2.4а

Гальваническая развязка управляющего напряжения от цепей транзистора осуществляется с помощью диодно-транзисторной оптоэлек­тронной пары. Напряжение для формирования тока базы транзистора может быть взято с его коллектора или от отдельного источника постоянного напряжения.