Указания по проведению эксперимента

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К лабораторной работе

По дисциплине

«Электропривод»

Определение коэффициента возврата электромагнитного реле переменного тока

для бакалавров по направлению подготовки

35.03.06 – «Агроинженерия»

профиль «Электрооборудование и электротехнологии»

Волгоград 2020

Теоретическая часть

Электромагнитное реле тока РТ-40

Максимальные реле тока РТ-40 предназначены для использования в схемах релейной защиты и автоматики. Эти реле реагируют на повышение тока в контролируемой цепи. Их принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля обмотки, по которой проходит ток, с подвижным стальным якорем. В реле РТ-40 использовано одна из разновидностей электромагнитных систем, называемая системой с поперечным движением якоря (рисунок 1).

Реле состоит из следующих основных элементов: П - образного стального сердечника 1 с установленными на нем катушками тока 2; подвижной системы, состоящей из якоря 3, подвижного контакта 5 и гасителя колебаний (вибрации) 22; алюминиевой стойки 23; упоров левого 6 и правого (на рисунке1а не показан); изоляционной колодки 9 с расположенными на ней двумя парами неподвижных контактов (рисунок 1б) 7 и 8; регулировочного узла (рисунок 1 в), состоящего из пружинодержателя10,фасонного винта 11 с насаженной на него разрезной шестигранной втулкой 12,противодействующей спиральной пружины 14 и пружинящей шайбы 18; шкалы уставок 13 и указателя уставки 14; контактный узел (рисунок 1г), состоящий из неподвижного пружинящего контакта 19, на одном из концов которого приварена серебряная полоска, переднего упора 20 и заднего гибкого упора 21.

Реле смонтировано в корпусе, состоящем из пластмассового цоколя и кожуха из прозрачного материала. Для снижения потерь встали, возникающих из-за вихревых токов, сердечник набирается из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга.

В обесточенном состоянии реле контактный мостик замыкает правую пару неподвижных размыкающих контактов 8, при перемещении якоря в сторону полюсов мостик замыкает левую пару неподвижных замыкающих контактов 9.

При прохождении по обмотке реле тока I создается магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник и якорь. Поток, пронизывая якорь, намагничивает его. Силовые линии выходят из верхнего (северного) полюса сердечника и входят в верхнюю часть полки Г-образного якоря и соответственно выходят из нижней части полки якоря и входят в нижний (южный) полюс сердечника. Таким образом, сердечник и якорь оказываются обращенными друг против друга разноименными полюсами, возникающая в результате этого электромагнитная сила F_ЭЛ притягивает якорь к полюсам сердечника.

При изменении направления тока в обмотке изменяется полярность, как сердечника, так и якоря. Поэтому сердечник и края якоря всегда оказываются обращенными друг против друга разноименными полюсами.

Рисунок 1 – Электромагнитное реле серии РТ-40:

а – конструкция реле; б – изоляционная колодка с неподвижными контактами; в – регулировочный узел; г – контактный узел

Из сказанного следует, что направление электромагнитной силы притяжения не зависит от направления тока в обмотке, и якорь, притягиваясь к плюсам сердечника будет поворачиваться вокруг оси в направлении, указанном стрелкой, не зависимо от того какой ток проходит по обмотке — постоянный или переменный. Таким образом, электромагнитные реле могут быть использованы как на постоянном, так и на переменном токе.

Электромагнитная сила, с которой якорь притягивается к сердечнику, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф:

F_ЭЛ= R₁ Ф²(1)

Поток Ф и создающий его ток I связаны следующей зависимостью:

Ф = R₂ (2)

где w - число витков в обмотке;

l - расстояние от якоря до сердечника.

Заменив Ф в формуле (1) на его выражение (2 получим:

F_ЭЛ= R₃ (3)

В системах с поперечным движением якоря электромагнитная сила образует относительно оси якоря вращающийся момент:

М_ЭЛ=R₄F_ЭЛ (4)

где R₁, R₂, R₃, R₄ — коэффициенты пропорциональности.

Раскрывая физический смысл выражений (1) - (3) необходимо сделать следующие практические выводы:

1. Электромагнитная сила притяжения якоря F_ЭЛ возрастает с увеличением тока I, причем нарастание силы F_ЭЛ происходит в большей степени, чем увеличение тока I.

2. При неизменном значении тока I увеличение числа витков w обмотки приводит к возрастанию, а уменьшение числа витков w – к снижению электромагнитной силы, причем сила F_ЭЛ прямо пропорциональна квадрату числа витков w.

3. Величина электромагнитной силы F_ЭЛ обратно пропорциональна квадрату расстояния l между сердечником и якорем.

Основная часть магнитного сопротивления контура, по которому замыкается магнитный поток, сосредоточена в воздушном зазоре, так как сталь сердечника и якоря, будучи ферромагнитным материалом, обладая в сотни раз меньшим магнитным сопротивлением по сравнению с магнитным сопротивлением воздуха, не обладающего магнитными свойствами. Поэтому с уменьшением воздушного зазора l уменьшается магнитное сопротивление системы, увеличивается поток Ф и следовательно возрастает электромагнитная сила F_ЭЛ. Для обеспечения необходимого нажатия на контакты работа реле должна осуществляться в определенных пределах углов поворота якоря. Эти пределы устанавливаются упорами 6 и 7.

Поскольку первоисточником возникновения электромагнитного момента является ток, выражение (3) с учетом зависимости (2) можно записать следующим образом:

М_ЭЛ = R₅I² (5)

где R₅ – коэффициент пропорциональности, зависящий от изменения угла a и в некоторой степени от величины воздушного зазора.

Вращательному движению якоря, стремящемуся под действием М_ЭЛ притянуться к полюсам, противодействует возвратная пружина 4. Пружина создает противодействующий механический момент М_ПР.

При отсутствии тока в обмотке реле, а значит, и при отсутствии М_ЭЛ противодействующий момент имеет некоторую величину, определяемую начальным натяжением пружины. За счет начального противодействующего момента М_{ПР НАЧ.} контактный мостик 5 с достаточным усилием замыкает правую пару неподвижных контактов (размыкающий контакт реле). Левый упор фиксирует начальное положение якоря реле и связанного жестко с ним подвижного контактного мостика.

Если теперь плавно от нуля увеличивать ток в обмотке реле, будет постепенно возрастать электромагнитный момент, направленный противоположно моменту противодействующей пружины.

Условие, когда электромагнитный момент при увеличении тока окажется равным противодействующему механическому моменту, и подвижная система реле — якорь с контактным мостиком — начнет своевращение в направлении полюсов сердечника, можно записать равенство.

М_ПР = М_ЭЛ(6)

Состояние реле, когда электромагнитный момент равен противодействующему моменту, принято называть срабатыванием реле.

Наименьший ток, при котором реле срабатывает, называют током срабатывания и обозначается I_СР. При малейшем превышении М_ПР над М_ЭЛ подвижная система реле начинает движение к полюсам сердечника.

Избыточный момент М_ИЗБ = М_ПР – М_ЭЛдолжен превышать нарастание момента пружины, возрастающее за счет ее закручивания, а также преодолеть трение в подшипниках реле. В конце хода якоря избыточный момент должен обеспечить необходимое для надежного замыкания цепи давление контактного мостика на левую пару неподвижных контактов. Возврат притянутого якоря в первоначальное положение происходит под действие противодействующей пружины, причем для этого нужно избыточный момент свести к нулю путем снижения тока в обмотке.

Наибольший ток в реле, при котором подвижная система реле возвращается в исходное положение, называется током возврата I_В.

Отношение тока возврата к току срабатывания I_В/I_СР называется – коэффициентом возврата К_В.

Чем больше разница между током возврата и током срабатывания, тем меньше коэффициент возврата реле. Следовательно, чрезмерно большой избыточный момент, хотя и увеличивает давление на контакты, с другой стороны, приводит к нежелательному снижению коэффициента возврата. Чтобы избыточный момент не был слишком мал, у реле РТ выбирают такие пределы углов поворота якоря, при котором получается наибольшее сближение характеристик электромагнитного и противодействующего ему механического момента.

При этом соотношение между М_ПР и М_ЭЛ должно быть таким, чтобы обеспечивалось необходимое нажатие на контакты. Пределы углов поворота якоря устанавливаются упорами. Для реле РТ-40 зависимость М_ЭЛ от угла a имеет наилучшее совпадение с характеристикой М_ПР при ходе якоря от 62 до 75°.

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Однофазный источник питания	218	~ 220 В / 16 А
А1	Регулируемый автотрансформатор	318.1	~ 0…240 В / 2 А
А4	Однофазный трансформатор	372	120 ВА / 220/24 В
А6	Сдвоенный реактор	373	~ 220 В / 2×5 А / 0,005 Гн
А7	Реле максимального тока	366	Номинальный ток ~ 6,3 А / Уставка реле ~ 1,0…2,0 А / Коммутируемое напряжение 250 В / Контакты 1з+1р.
Р1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0...1000 В / 0...10 А / 0…20 МОм

Указания по проведению эксперимента

• Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

• Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1.

• Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений.

• Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение.

• Установите желаемую уставку реле тока А7, например 1,5 А.

• Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1.

• Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1.

• Активизируйте используемые мультиметры Р1.2 и Р1.3.

• Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте ток, протекающий по обмотке реле А7.

• В момент срабатывания реле А7 (определяется по появлению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.3) зафиксируйте с помощью амперметра Р1.2 ток I1.

• Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки, уменьшайте ток, протекающий по обмотке реле А7.

• В момент возврата реле А7 (определяется по исчезновению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.3) зафиксируйте с помощью амперметра Р1.2 ток I2.

• Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.

• Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1.

• Вычислите коэффициент возврата электромагнитного реле переменного тока по формуле

к = I₂/ I₁.