Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ РУДНИЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИСКРОБЕЗОПАСНОЙ МОЩНОСТИ

Цель работы: изучить способы обеспечения искробезопасности электрических цепей и исследовать возможности повышения коэффициента использования искробезопасной мощности в таких цепях. Построить зависимости искробезопасной мощности омической цепи от напряжения. Привести схему с резистивным ограничением источника (линейный источник). Привести схемы искробезопасных нелинейных источников, позволяющих увеличить коэффициент искробезопасной мощности.

Методические указания

- Произвести сравнение искробезопасных источников с линейными и нелинейными характеристиками

- Оценить возможности способа резистивного ограничения мощности с различным питающим напряжением

- Оценить возможности способа нелинейного ограничения мощности с целью повышения коэффициента использования искробезопасной мощности

 

Порядок выполнения

3.2.1. Изучение способа ограничения мощности электрических цепей

Этот способ в основном применяется для обеспечения искробезопасности источников питания. Ограничение мощности источника достигается путем включения последовательно с нагрузкой дополнительного ограничительного сопротивления.

Результаты многочисленных экспериментальных исследований по этому способу, проведенных в разное время, позволяют сделать вывод, что с увеличением напряжения величина минимального воспламеняющего тока снижается. Однако, если в более ранних работах показано, что с увеличением напряжения снижается и искробезопасная мощность, то в последующих работах, где использовался унифицированный искрообразующий механизм, величина искробезопасной мощности уменьшается до определенной величины, а затем увеличивается. На рис. 3. 1 приведены зависимости искробезопасной мощности омической цепи от величины питающего напряжения, построенные по результатам этих работ.

Рис. 3.1. Зависимости искробезопасной мощности от напряжения для омической цепи.

1 – данные ГОСТ 22782.5-78; 2 - данные Кортрайта (Великобритания); 3 - данные Фогта (ФРГ).

Метано-воздушная смесь, СН₄ - 8,5%

Водородо-воздушная смесь, Н₂ - 20%

 

Уменьшение величины искробезопасной мощности от 56,6 до 4,5.Вт для метано-воздушной смеси происходит при увеличении напряжения от 16 до 250 В, а затем при напряжении 300 В искробезопасносная мощность увеличивается до 4,8 Вт. В случае водородо-воздушной смеси искробезопасная мощность уменьшается от 12 до 1,9 Вт при изменении напряжения от 15 до 120 В и увеличивается при 300 В, достигая величины 3, 2 Вт. Достигается это за счет собственной емкости поводящих проводов, при малых токах работающей как емкостной шунт (11).

Источники питания, мощность которых ограничивается только резистором R_{or р}, обладают линейной вольт-амперной характери­стикой (рис.3.2). Такие источники, как известно из теоретических основ электротехники, передают максимальную мощность в нагрузку в том случае, если сопротивление нагрузки равно со­противлению источника питания. При этом ток и напряжение на­грузки равны соответственно половине тока короткого замыкания и половине напряжения холостого хода источника, а мощность, используемая в нагрузке, равна четверти мощности источника в режиме короткого замыкания

как это видно из рис. 3.2.

Рис. 3.2. Принципиальная схема источников питания с линейной

вольт-амперной характеристикой

 

Хотя величина искробезопасной мощности самих источников
при отсутствии реактивных элементов сравнительно велика (до 15 Вт), но в связи с тем, что коэффициент ее использования в таких источниках не превышает одной четвертой части,то мощность, реализуемая в нагрузке, достигает всего нескольких ватт.

Поясним сказанное примером. Допустим, линейный источник питания обладает следующими параметрами: U_{x х} = 24 В, I_{к з} = 0,5 А, а его искробезопасная мощность Р_к = U_xх I_{K 3} = 24 • 0,5 = 12 Вт.

Величина мощности, реализуемой в нагрузке от такого источника,

3.2.2. Изучение способа повышения коэффициента использования искробезопасной мощности источников питания

Повышение коэффициента исполь­зования искробезопасной мощности источников питания, а сле­довательно, и увеличение искробезопасной мощности нагрузки достигается путем применения источников питания с нелиней­ной вольт-амперной характеристикой.

В таких источниках напряжение холостого хода и ток ко­роткого замыкания ограничены до величины, близкой к номиналь­ному напряжению и максимальному току нагрузки. Поэтому в на­грузке используется большая часть мощности источника питания. Коэффициент использования искробезопасной мощности источ­ника питания с нелинейной характеристикой в пределе может быть равен единице (при U_{x х} = U_н и I _{К 3} = I_н).

Следует отметить, что искробезопасная мощность источника питания с нелинейной характеристикой несколько меньше, чем мощность источника с линейной характеристикой.

Например, если в источнике питания с линейной характеристи­кой при напряжении 24 В искробезопасный ток достигает, как сказано выше, 0,5 А, а искробезопасная мощность — 12 Вт, то величина искробезопасного тока и мощности источника питания с нелинейной характеристикой составляет соответственно 0,3 А и 7,2 Вт. Однако при нелинейном источнике в нагрузке может быть реализована вся мощность источника питания, т. е. 7,2 Вт.

Для наглядности эти данные сведем в табл. 3.1.

Таблица 3.1

	Искробезопасная	Искробезопасная мощность,
Вид источника	мощность источника, Вт	реализуемая в нагрузке, Вт
Линейный
Нелинейный	7,2	7,2

 

Таким образом, несмотря на уменьшение искробезопасной мощности, нелинейные источники питания в конечном счете по­зволяют получить в нагрузке большую искробезопасную мощность.

Нелинейная вольт-амперная характеристика источников пи­тания достигается с помощью нелинейных сопротивлений: стаби­литронов, транзисторов, диодов, тиристоров и т. д.

На рис. 3.3 представлена схема и нагрузочная характеристика источника питания, у которого нелинейная характеристика фор­мируется с помощью стабилитрона. В этом источнике питания напряжение холостого хода ограничено пороговым напряжением стабилизации стабилитрона, причем стабилитрон находится в ре­жиме стабилизации и при номинальной нагрузке. Таким образом, напряжение холостого хода источника практически равно напря­жению на нагрузке.

Ток короткого замыкания источника определяется величинами э. д. с. и ограничительного сопротивления источника. Если ограни­чительное сопротивление источника значительно превышает со­противление нагрузки, то в таком источнике, как известно из курса ТОЭ, ток нагрузки может как угодно мало отличаться от тока к. з. Таким образом, увеличивая ограничительное сопротивление источника и соответственно его э. д. с., а также шунтируя выход источника стабилитроном, можно обеспечить такую характеристику источника, при которой его напряжение холостого хода практи­чески будет равно напряжению на нагрузке, а максимальный ток нагрузки (при сохранении на ней номинального напряжения) — току короткого замыкания.

В источнике питания, разработанном в институте ДонНИПИАв- томатгормаш [1], нелинейная вольт-амперная характеристика формируется с помощью транзисторов (рис. 3.4). Источник пита­ния представляет собой двухтактную схему. Транзисторы вклю­чены по схеме с общей базой, а питание коллекторов осущест­вляется от двухполупериодного выпрямителя. При номинальном сопротивлении нагрузки транзисторы находятся в насыщении и их сопротивление незначительно. Поэтому в режиме номинальной нагрузки сопротивление источника значительно меньше сопроти­вления нагрузки, а следовательно, напряжение на нагрузке равно напряжению холостого хода.

Рис. 3.3. Принципиальная схема источника питания, у которого нелинейная характеристика формируется с помощью стабилитрона

Рис. 3.4. Принципиальная схема источника питания, у которого нелинейная характеристика формирует­ся с помощью транзисторов

 

Уменьшение сопротивления нагрузки, вызванное подключе­нием дополнительных потребителей, выводит транзисторы из на­сыщения, вследствие чего падение напряжения на них увеличи­вается, а на обмотках выходного трансформатора Тр2 — умень­шается. Следовательно, уменьшается и напряжение на нагрузке. Уменьшение напряжения на нагрузке позволяет ограничить ток источника при уменьшении сопротивления нагрузки. Ток к. з. такого источника может незначительно отличаться от тока при номинальной нагрузке, т. е. его вольт-амперная характеристика подобна описанной ниже.

В ИГД им. А. А. Скочинского разработана [1] схема диодного ограничителя тока (рис. 3.5). Выходная характеристика такого источника практически не отличается от характеристики источ­ника питания со стабилитроном (см. рис. 3.3). Схема работает следующим образом. При номинальном сопротивлении нагрузки R_H диод Д открыт, и крутизна характеристики определяется со­противлением R2_огр, которое может быть как угодно малым. Сле­довательно, напряжение на нагрузке равно Е₂. Напряжение холо­стого хода также равно Е₂. С уменьшением сопротивления на­грузки R_H диод запирается, после чего крутизна нагрузочной характеристики определяется ограничительным сопротивлением R1 источника Е1. При выполнении условия R1 >> R2 + R_H такой источник после запирания диода превращается в источник тока, у которого I_К.З может незначительно отличаться от номинального тока нагрузки, при котором диод находится на границе запирания.

Известен также способ формирования нелинейной характери­стики с помощью релейного устройства отсечки тока, которым обычно является тиристор (рис. 3.6). Сопротивление R1 в схеме выбирается таким образом, чтобы при увеличении тока в нагрузке свыше допустимой величины напряжение на переходе тиристора было достаточным для его включения. Для восстановления схемы (переход тиристора в непроводящее состояние) используют спе­циальные схемы восстановления, которые на короткое время отключают тиристор от источника. Так как ограничительное со­противление источника R_огр значительно меньше сопротивле­ния нагрузки R_H, в последней может быть реализована мощность, равная мощности источника питания с линейной характеристикой в режиме к. з. (Р_К.З. = I_К.З. U_{x х}). Режим короткого замыкания такого источника является безопасным, так как тиристор накорот­ко шунтирует разрядный промежуток.

Рис. 3.5. Принципиальная схема диодного ограничителя тока

 

Рис. 3.6. Принципиальная схема для формирования нелинейной характеристики с помощью релейного устройства отсечки тока

 

Описанные способы формирования нелинейной вольт-амперной характеристики источников питания постоянного тока приме­няются и на переменном токе. Для этого необходимо использо­вать описанные средства для положительной и отрицательной по­лярности питающего напряжения. Например, путем подключения к выходной обмотке трансформатора встречно включенных стабили­тронов обеспечивают нелинейную характеристику источника пи­тания переменного тока. Для повышения коэффициента использования искробезопасной мощности в тиристорных инверторах используется дроссель в цепи постоянного тока [17].

3.3. 3. Изучение способа уменьшения энергопотребления искробезопасных схем

В некоторых случаях требуется обеспечить искробезопасность сложной схемы, содержащей большое количество элементов, которые во время работы должны включаться неодновременно. Для обеспечения искробезопасности целесообразно применять в таких схемах элементы с памятью, например реле РПС-36, ДП-12 и др.

Рис. 3.7. Схема с накопителями энергии:

а — скелетная схема; б — конкретная схема; 1 — маломощный искробезопасный источник питания Е; 2 — искробезопа­сная цепь; 3 — накопительный элемент (конденсатор); 4 — включаемый объект; 5 — коммутирующее устройство; 6 — взрывозащищенная оболочка

 

Такие элементы потребляют энергию только при переключении.
Использование этих элементов позволяет применять искробезопасный источник, обладающий сравнительно небольшой мощностью, необходимой для срабатывания одного элемента в сложных схемах управления технологическими процессами. В тех случаях, когда мощность включаемого объекта достаточно велика и превышает мощность искробезопасного источника питания, применяются схемы с накопителями энергии. В этих схемах от источника питания сравнительно небольшой мощности постоянно подается энергия на накопительный элемент, которым может быть емкость, аккумулятор и т. д. При возникновении необходимости объект включается от накопительного элемента.

Система с накопителями энергии позволяет, используя мало­мощные искробезопасные источники питания, включать доста­точно мощные объекты, например стрелочные переводы, приводы открывания и закрывания вентиляционных дверей и т. д.

Принципиальная схема с накопителями энергии представлена на рис. 3.7

 

Содержание отчета

• Тема и цель работы.

• Номер варианта и задание на выполнение лабораторной работы

• Построить зависимости искробезопасной мощности омической цепи от напряжения по данным разных источников. Изобразить схемы искробезопасных источников питания с линейной и нелинейной характеристикой. Сравнить величины искробезопасных мощностей в нагрузках источников с различной характериститкой

 

Выводы