Электрические машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Раздел 1

1.1 Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода

1.2 Асинхронные конденсаторные двигатели

1.3 Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и электромагнитным возбуждением

Раздел 2

2.1 Энергетические режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения

2.2 Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов

2.3 Коэффициент полезного действия электропривода

Раздел 3

3.1 Электромагнитные реле

3.2 Емкостные датчики

3.3 Типовая схема пуска двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в функции времени

3.4 Схемы управления асинхронными короткозамкнутыми двигателями с помощью нереверсивного магнитного пускателя

Использованные источники материала

Раздел 1

1.1 Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода

Из уравнений токов третьей гармоники в трехфазной системе видно, что эти токи в любой момент времени совпадают по фазе, т. е. имеют одинаковое направление. Этот же вывод распространяется на все высшие гармоники тока, кратные трем, -- 3, 9, 15 и т. д. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на процессы, сопровождающие намагничивание сердечников при трансформировании трехфазного тока.

трансформатор асинхронный двигатель ток

Особенности режима холостого хода трехфазных трансформаторов для некоторых схем соединения обмоток.

Рисунок 1.1. Направление токов третьей гармоники для различных схем соединения обмоток

СоединениеY/Y0. Если напряжение подводится со стороны обмоток, соединенных звездой без нулевого вывода (рис. 1), то токи третьей гармоники (и кратные трем -- 9, 15 и т. д.), совпадая по фазе во всех трех фазах, будут равны нулю. Объясняется это отсутствием нулевого провода, а следовательно, отсутствием выхода из нулевой точки. В итоге токи третьей и кратные трем гармоники будут взаимно компенсироваться и намагничивающий ток трансформатора окажется синусоидальным, но магнитный поток в магнитопроводе окажется несинусоидальным (уплощенным) с явно выраженным потоком третьей гармоники Фз (рис. 2).

Рисунок. 1.2. Построение графика магнитного потока при синусоидальной форме намагничивающего тока

Потоки третьей гармоники не могут замкнуться в трехстержневом магнитопроводе, так как они совпадают по фазе, т.е. направлены встречно. Эти потоки замыкаются через воздух (масло) и металлические стенки бака (рис.3). Большое магнитное сопротивление потоку Ф3 ослабляет его величину, поэтому наводимые потоками Ф3 в фазных обмотках ЭДС третьей гармоники невелики и обычно их амплитуда не превышает 5 -- 7% от амплитуды основной гармоники. На практике поток Фз учитывают лишь с точки зрения потерь от вихревых токов, индуцируемых этим потоком в стенках бака. Например, при индукции в стержне магнитопровода порядка 1,4 Тл потери от вихревых токов в баке составляют около 10% от потерь в магнитопроводе, а при индукции 1,6 Тл эти потери возрастают до 50 -- 65%.

В случае трансформаторной группы, состоящей из трех однофазных трансформаторов(рис.4), магнитопроводы отдельных фаз магнитно не связаны, поэтому магнитные потоки третьей гармоники всех трех фаз беспрепятственно замыкаются (поток каждой фазы замыкается в своем магнитопроводе).



Рисунок 1.3. Пути замыкания магнитных потоков третьей гармоники в трехстержневом магнитопроводе

При этом значение потока Фз может достигать 15 -- 20% от Ф1 Несинусоидальный магнитный поток Ф, содержащий кроме основной гармоники Ф1 еще и третью Ф3,  наводит в фазных обмотках несинусоидальную ЭД

Рисунок 1.4. Форма графика фазной ЭДС трансформаторной группы при соединении обмоток Y/Y

Повышенная частота Зщ магнитного потока Ф3 приводит к появлению значительной ЭДС е3, резко увеличивающей амплитудное значение фазной ЭДС обмотки при том же ее действующем значении (рис.4), что создает неблагоприятные условия для электрической изоляции обмоток.

Амплитуда ЭДС третьей гармоники в трансформаторной группе может достигать 45--65% от амплитуды основной гармоники. Однако следует отметить, что линейные ЭДС (напряжения) остаются синусоидальными и не содержат третьей гармоники, так как при соединении обмоток звездой фазные ЭДС е3A, е3B и езс, совпадая по фазе, не создают линейной ЭДС.

Рисунок. 1.5. Векторные диаграммы ЭДС основной (а) и третьей (б) гармоник трехфазного трансформатора

Объясняется это тем, что линейная ЭДС при соединении обмоток звездой определяется разностью фазных ЭДС. Так, для основной гармоники (рис. 5 а) линейная ЭДС Что же касается линейной ЭДС третьей и кратных трем гармоник, то ввиду совпадения по фазе фазных ЭДС этих гармоник (рис. 5, б) получим Если первичная обмотка трансформатора является обмоткой НН и ее нулевой вывод присоединен к нулевому выводу генератора (см. рис. 1, б), то намагничивающие токи фаз содержат третьи гармоники. Эти токи совпадают по фазе, а поэтому все они направлены либо от трансформатора к генератору, либо наоборот. В нулевом проводе будет протекать ток, равный 3iз. при этом магнитный поток трансформатора, а следовательно, и ЭДС в фазах будут синусоидальны.

Соединения, при которых обмотки какой-либо стороны трансформатора (НН или ВН) соединены в треугольник. Эти схемы соединения наиболее желательны, так как они лишены недостатков рассмотренных ранее схем.

Допустим, что в треугольник соединены первичные обмотки трансформатора. Тогда ток третьей гармоники беспрепятственно замыкается в замкнутом контуре фазных обмоток, соединенных в треугольник (см. рис. 1 в). Но если намагничивающий ток содержит третью гармонику, то магнитные потоки в стержнях, а следовательно, и ЭДС в фазах практически синусоидальны.

Если же вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник, а первичные -- в звезду, то ЭДС третьей гармоники, наведенные во вторичных обмотках, создают в замкнутом контуре треугольника ток третьей гармоники. Этот ток создает в магнитопроводе магнитные потоки третьей гармоники Ф23, направленные встречно потокам третьей гармоники от намагничивающего тока Ф13 (по правилу Ленца). В итоге результирующий поток третьей гармоники  значительно ослабляется и практически не влияет на свойства трансформаторов.

1.2 Асинхронные конденсаторные двигатели

Асинхронный конденсаторный двигатель имеет на статоре двухфазную обмотку. Она представляет собой две однофазные обмотки, занимающие одинаковое число пазов и сдвинутые в пространстве относительно друг друга на угол 90 эл. град. Ротор двигателя делается короткозамкнутым.

Если обмотку статора этого двигателя включить в сеть с симметричным двухфазным напряжением (  ), тo она создаст круговое вращающееся поле, и ротор двигателя придет во вращение. При этом поле статора будет круговым не только в период пуска в ход, но и во всем диапазоне нагрузок двигателя. Это обеспечивает двигателям, работающим от двухфазной сети, хорошие эксплуатационные свойства. Однако для получения симметричной двухфазной системы напряжений, представляющей систему двух напряжений одинаковой величины и частоты, которые сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°, необходимо специальное устройство преобразователь числа фаз. Наличие в схеме двигателя такого устройства снижает экономические показатели установки в целом, делает схему более сложной.

Более широкое распространение получили асинхронные конденсаторные двигатели, работающие от однофазной сети переменного тока. В этом двигателе одна из обмоток статора, называемая главной, включается непосредственно в однофазную сеть, а другая -- вспомогательная, включается в эту же сеть, но через рабочий конденсатор Сраб.

В отличие от рассмотренного однофазного асинхронного двигателя в конденсаторном двигателе вспомогательная обмотка после пуска двигателя не отключается, а остается включенной в течение всего процесса работы. Емкость Сраб в цепи вспомогательной обмотки создает сдвиг фаз между токами  и  .

Таким образом, если однофазный асинхронный двигатель по окончании процесса пуска работает с пульсирующим магнитным полем статора, то конденсаторный двигатель работает с вращающимся магнитным полем, близким к круговому. Поэтому однофазные конденсаторные двигатели по своим свойствам приближаются к трехфазным асинхронным двигателям.

Рисунок 1.6. Схемы включения конденсаторного двигателя

Круговое вращающееся поле в конденсаторном двигателе может быть получено одним из трех способов.

Правильным выбором коэффициента трансформации k и емкости конденсатора Сраб при заданном напряжении сети U1 (рис. 1, а).

В этом случае емкость Сраб, мкФ, соответствующая круговому вращающемуся полю,

где k- коэффициент трансформации, представляющий собой отношение эффективных чисел витков вспомогательной и главной обмоток

здесь kА обм и kВ обм - обмоточные коэффициенты. Емкость Сраб, рассчитанная по выражению , обеспечивает получение кругового поля при условии, что k= tgцA, где цA-- угол сдвига фаз между током  и напряжением  при круговом поле. Правильным выбором напряжений на фазах и емкости конденсатора Сраб, мкФ, при заданном коэффициенте трансформации k (рис. 1,б)

При этом напряжения на фазах должны находиться в отношении

Включением последовательно с емкостью добавочного сопротивления RДОБ и правильным выбором емкости Сраб, мкФ (рис. 1, в), при заданных напряжении сети U1 и коэффициенте трансформации k<tgцA

Анализ выражений показывает, что при заданных k в первом случае,  -- во втором и Rдоб -- в третьем независимо от величины Сраб круговое вращающееся поле может быть получено только для одного вполне определенного режима работы двигателя (для одной частоты вращения). Объясняется это тем, что при изменении режима работы двигателя меняется цА.

При выборе конденсатора необходимо следить за тем, чтобы рабочее напряжение, указанное на конденсаторе, было не меньше Uc.

На рис. 2 приведена механическая характеристика конденсаторного двигателя с рабочей емкостью (кривая 1), из которой видно, что кратность пускового момента  этого двигателя не превышает 0,5.

Рисунок 1.7. Механические характеристики конденсаторного двигателя

Объясняется это тем, что магнитное поле двигателя при пуске значительно отличается от кругового. Поэтому двигатели с рабочей емкостью применяются лишь в устройствах, где не требуется больших пусковых моментов. Пусковой момент конденсаторного двигателя может быть значительно повышен, если параллельно рабочей емкости Сраб кратковременно включить пусковую емкос ть Спуск

Рисунок 1.8

1.3 Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и электромагнитным возбуждением

Такие синхронные генераторы широко применяются в автотракторном электрооборудовании. На выходе генератора включают полупроводниковый выпрямитель (рис.1, а,)поэтому генератор выполняет функцию источника постоянного тока. Ротор генератора имеет конструкцию, аналогичную рис. 1, б, отличаясь наличием обмотки возбуждения вместо постоянного магнита. Когтеобразная конструкция ротора позволяет возбудить многополюсный ротор посредством одной катушки возбуждения, подключаемой к источнику постоянного тока через контактные кольца и щетки. В таком роторе аксиально - направленный магнитный поток возбуждения меняет свое направление в воздушном зазоре и становится радиально направленным (рис. 1, б). Такие синхронные генераторы широко применяются в автотракторном электрооборудовании. На выходе генератора включают полупроводниковый выпрямитель (рис. 1, а )поэтому генератор выполняет функцию источника постоянного тока. Ротор генератора имеет конструкцию, аналогичную рис. 1, б отличаясь наличием обмотки возбуждения вместо постоянного магнита. Когтеобразная конструкция ротора позволяет возбудить многополюсный ротор посредством одной катушки возбуждения, подключаемой к источнику постоянного тока через контактные кольца и щетки. В таком роторе аксиально - направленный магнитный поток возбуждения меняет свое направление в воздушном зазоре и становится радиально направленным (рис. 1, б).

Рисунок 1.9. Принципиальная схема включения (а) и магнитная система синхронного генератора (б) с когтеобразными полюсами

Рассматриваемый генератор отличается простотой конструкции, компактностью, надежностью и высокой технологичностью. Последнее достоинство имеет важное значение в условиях массового производства синхронных генераторов с мощности (менее 1 кВА) В схеме электрооборудования генератор включают параллельно с аккумуляторной батареей, и он работает с ней в буферном режиме, т. е. они дополняют друг друга в зависимости от величины нагрузки и частоты вращения приводного двигателя. Устройство синхронного генератора с когтеобразными полюсами.

На рис. показано устройство автомобильного синхронного генератора типа Г-250. Статор 8 этого генератора представляет собой шихтованный пакет, на 18 зубцах которого расположены катушки 7, образующие трехфазную обмотку, соединенную звездой. Ротор состоит из вала, на который напрессованы две стальные шайбы с отогнутыми когтеобразными полюсами 2 (по шесть полюсов на каждой шайбе).

Рисунок 1.10

На стальную втулку 10 надета цилиндрическая катушка возбуждения 9, концы которой присоединены к контактным кольцам 5. На кольца наложены медно-графитовые щетки 6. На заднем подшипниковом щите 4 расположен выпрямительный блок из шести кремниевых диодов 3, соединенных по мостовой схеме (см. рис 1, а). Подшипниковые щиты / и 4 и сердечник статора стянуты тремя болтами. На валу генератора укреплены центробежный вентилятор 11, шкив 12, посредством которого ротор генератора приводится во вращение.

Раздел 2

2.1 Энергетические режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения

ЭМ обладает свойством обратимости. При этом переход одного режима в другой может происходить без изменения схемы включения. Энергетический режим работы ЭМ можно определить исходя из двух переменных:

1) электрических (Э.Д.С. и ток)

2) механические (момент и угловая скорость)

Если щ и М имеют одинаковое направление, а ток и Э.Д.С. направлены встречно - двигательный режим. Если ток и Э.Д.С. сонаправлены, а щ и М направлены встречно - генераторный режим.

Холостой ход и короткое замыкание являются граничными точками. На статических характеристиках (рисунок 3.2) обозначены участки режимов ДПТ НВ

Режим холостого хода (точка щ0) - ЭД не получает энергии ни из сети (за исключением обмотки возбуждения), ни с вала. I=0, E=U=kФщ0, M=0, щ=щ0

Двигательный режим - в диапазоне 0<щ<щ0. В этом режиме: Е<U, ток I=(U-E)/R совпадает с напряжением по направлению и не совпадает с Э.Д.С. Электрическая энергия поступает из сети, а механическая энергия с вала ЭД передается на ИО.

Генераторный режим работы параллельно с сетью (торможение с рекуперацией энергии в сеть) - отдача энергии в сеть, щ>щ0, Е>U, ток и момент меняют свои направления на противоположные. ЭД получает механическую энергию от рабочей машины и отдает электрическую в сеть (торможение).



Рисунок 2.1. Графики статических характеристик ДПТ НВ

Режим короткого замыкания - при щ=0, Е=0, Iк.з.=U/R. Электрическая энергия, поступающая из сети, рассеивается в виде тепла. Механическая энергия с вала не отдается.

Режим генератора при его последовательном соединении с сетью - торможение с противовключением, щ <0. Э.Д.С. меняет свою полярность за счет изменения направления скорости. I^^E, U, т.е. I=(U+E)/R. Электрическая энергия, поступающая из сети вырабатываемая самим ЭД за счет механической энергии работающей машины, рассеивается в виде тепла.

Режим автономного генератора (динамическое торможение) - I^^E. Электрическая энергия вырабатывается за счет поступающей с вала механической энергии работающей машины и рассеивается в виде тепла.

КПД: Рмех=Мщ Pэл=UI+IвUв

2.2 Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов

Регулирование изменением числа пар полюсов. Ступенчатое изменение угловой скорости асинхронного двигателя в широких пределах осуществимо ценой усложнения и удорожания конструкции асинхронного двигателя -- это регулирование переключением числа пар полюсов двигателя.

При постоянной частоте сети угловая скорость вращающегося поля зависит только от числа пар полюсов этого поля, определяемого обмоткой статора. Если на статоре поместить две отдельные обмотки -- одну, образующую р пар, а другую, образующую р' пар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, мы получим частоту вращения поля: N1=60f/р или п' 1 = 60f/р', следовательно, n1/ п' 1 =p'/p, соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

Числа полюсов обмоток статора в этом случае взаимно ничем не связаны и могут быть выбраны любыми в зависимости от условий работы двигателя. Саморегулирование сводится к скачкообразному изменению частоты вращения поля двигателя. Но частота вращения ротора не может изменяться скачкообразно из-за инерции всей системы электропривода. Лишь после переключения начинается соответствующее изменение частоты вращения ротора.

Чтобы показать нагляднее этот переходный процесс, построим две механические характеристики асинхронной машины с изменяемым числом пар полюсов: одну характеристику, соответствующую р парам полюсов, а вторую р' = 1р парам полюсов (соответственно рисунок а и б). Предположим, что момент на валу двигателя остается постоянным при изменении частоты вращения поля. При увеличении последней, т. е. при переходе от р' к р парами полюсов, двигатель сначала оказывается в условиях, близких к пусковым, и имеет место скачок тока. Но при переходе от р к р', т. е. при уменьшении частоты вращения поля, машина оказывается сначала в условиях генераторного режима и работает, отдавая энергию в сеть.

Рисунок 2.2

Такой режим иногда используется для быстрого и экономичного торможения электропривода.

Двумя отдельными обмотками снабжаются статоры лишь у двигателей небольшой мощности; у двигателей большой мощности более целесообразным является переключение катушек одной и той же обмотки для получения различного числа пар полюсов. Переключение обмотки в ином отношении, чем 1 : 2, требует более сложного изменения схемы и применяется реже.

В большинстве случаев статор асинхронной машины снабжается двумя независимыми обмотками, из которых каждая переключается в отношении 1:2 или ином. Таким образом, двигатель имеет четыре ступени частоты вращения, например 3000, > 1500, 1000 и 500 об/мин.

2.3 Коэффициент полезного действия электропривода

Энергетический, кинематический и силовой расчет привода Мощность на приводном валу барабана (мощность полезных сил сопротивления на барабане)

, где

F- вес поднимаемого груза;

V- скорость подъёма груза;

Общий коэффициент полезного действия привода.

где hпп=0,99 - к.п.д. пары подшипников качения,

hпз =0,97 - к.п.д. закрытой передачи,

hм=0,98 - к.п.д. муфты.

Потребная мощность электродвигателя (мощность с учетом вредных сил сопротивления)

,где

P3 - мощность на приводном валу барабана

h- общий коэффициент полезного действия

1.4. Частоты вращения барабана (третьего вала)

, где

D- диаметр барабана;

V- скорость подъёма груза;

Выбор электродвигателя.

По таблице выбираем электродвигатель марки 4А132М4У3, мощность которого Pдв=11 кВт, частота вращения nдв=1460 об/мин.

Ориентировочное передаточное число привода

,где

nдв - частота вращения электродвигателя

n3 - частота вращения барабана

1.8. Передаточные числа ступеней передач привода

U0=U1ґU2,

где U1- передаточное отношение быстроходной передачи,

U2- передаточное отношение тихоходной передачи.

Выбираем из ряда:

U1=2,8

U2=5

U0'=2,8ґ5=14

Считаем погрешность определенной величины

что в пределах допустимого (±5%).

Частоты вращения валов привода

Для входного вала:

Для выходного вала:

, где

U1- передаточное отношение быстроходной передачи,

U2- передаточное отношение тихоходной передачи. Мощности валов привода 

Для входного вала:

Для выходного вала:

, где

P1- мощность на входном валу;

P2- мощность на выходном валу;

Pдв- потребная мощность двигателя;

hпп=0,99 - к.п.д. пары подшипников качения,

hзп =0,97 - к.п.д. закрытой передачи,

hм=0,98 - к.п.д. муфты.

Крутящие моменты на валах привода:

на входном валу :

на выходном валу:

Таблица полученных данных

Мощность	Частота вращения	Крутящий момент	Передаточное число
10,3 Р1,кВт	1460 n1,об/мин	67,37 Т1,Нм	2,8 U1
9,8 Р2,кВт	417 n2,об/мин	180 Т2,Нм	5 U2

Раздел 3

3.1 Электромагнитные реле

Релем - электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.

Релейные элементы (реле) находят широкое применение в схемах управления и автоматики, так как с их помощью можно управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах; выполнять логические операции; создавать многофункциональные релейные устройства; осуществлять коммутацию электрических цепей; фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня; выполнять функции запоминающего элемента и т. д.

Реле классифицируются по различным признакам: по виду входных физических величин, на которые они реагируют; по функциям, которые они выполняют в системах управления; по конструкции и т. д. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного.

Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину.

Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент.

Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом.

Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству. Например, в реле максимального тока или реле напряжения воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, в реле давления - в виде мембраны или сильфона, в реле уровня - в вице поплавка и т.д.

По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.

Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).

Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.

Различают следующие основные характеристики реле.

1. Величина срабатывания Хср реле - значение параметра входной величины, при которой реле включается. При Х < Хср выходная величина равна Уmin, при Х і Хср величина У скачком изменяется от Уmin до Уmax и реле включается. Величина срабатывания, на которую отрегулировано реле, называется уставкой.

2. Мощность срабатывания Рср реле - минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу для перевода его из состояния покоя в рабочее состояние.

3. Управляемая мощность Рупр - мощность, которой управляют коммутирующие органы реле в процессе переключении. По мощности управления различают реле цепей малой мощности (до 25 Вт), реле цепей средней мощности (до 100 Вт) и реле цепей повышенной мощности (свыше 100 Вт), которые относятся к силовым реле и называются контакторами.

4. Время срабатывания tср реле - промежуток времени от подачи на вход реле сигнала Хср до начала воздействия на управляемую цепь. По времени срабатывания различают нормальные, быстродействующие, замедленные реле и реле времени. Обычно для нормальных реле tср = 50…150 мс, для быстродействующих реле tср 1 с.

Принцип действия и устройство электромагнитных реле

Электромагнитные реле, благодаря простому принципу действия и высокой надежности, получили самое широкое применение в системах автоматики и в схемах защиты электроустановок. Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, а поляризованные реле реагируют на полярность управляющего сигнала.

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются крышкой. Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче напряжения электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.

Рисунок 3.1

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. То есть реле по сути выполняют роль усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи.

Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки тока определенной частоты, то есть основным источником энергии является сеть переменного тока. Конструкция реле переменного тока напоминает конструкцию реле постоянного тока, только сердечник и якорь изготавливаются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства и недостатки электромагнитных реле

Электромагнитное реле обладает рядом преимуществ, отсутствующих у полупроводниковых конкурентов: способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3; устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике; исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой -- последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей; малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете; низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами.

Отмечая достоинства электромеханики, отметим и недостатки реле: малая скорость работы, ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс, создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов и, наконец, последнее и самое неприятное свойство -- проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.

Типовая практика применения мощных электромагнитных реле -- это коммутация нагрузок на переменном токе 220 В или на постоянном токе от 5 до 24 В при токах коммутации до 10-16 А. Обычными нагрузками для контактных групп мощных реле являются нагреватели, маломощные электродвигатели (например, вентиляторы и сервоприводы), лампы накаливания, электромагниты и прочие активные, индуктивные и емкостные потребители электрической мощности в диапазоне от 1 Вт до 2-3 кВт.

Поляризованные электромагнитные реле

Разновидностью электромагнитных реле являются поляризованные электромагнитные реле. Их принципиальное отличие от нейтральных реле состоит в способности реагировать на полярность управляющего сигнала.

Самые распространенные серии электромагнитных реле управления

Реле промежуточное серии РПЛ. Реле предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в стационарных установках, в основном в схемах управления электроприводами при напряжении до 440В постоянного тока и до 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Реле пригодны для работы в системах управления с применением микропроцессорной техники при шунтировании включающей катушки ограничителем ОПН или при тиристорном управлении. При необходимости на промежуточное реле может быть установлена одна из приставок ПКЛ и ПВЛ. Номинальный ток контактов - 16А. Реле промежуточные РПУ-2М предназначены для работы в электрических цепях управления и промышленной автоматики переменного тока напряжением до 415В, частоты 50Гц и постоянного тока напряжением до 220В.

Реле серии РПУ-0, РПУ-2, РПУ-4. Реле изготавливаются с втягивающими катушками постоянного тока на напряжения 12, 24, 48, 60, 110, 220 В и токи 0,4 - 10 А и втягивающими катушками переменного тока - на напряжения 12, 24, 36, 110, 127, 220, 230, 240, 380 и токаи 1 - 10 А. Реле РПУ-3 с втягивающими катушками постоянного тока - на напряжения 24, 48, 60, 110 и 220 В.

3.2 Емкостные датчики

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивлениян. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;

контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;

сигнализация обрыва обмоточного провода;

регулирование натяжения ленты;

поштучный счет любого вида и др.

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика.

Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.

Емкостные датчики также находят применение в различных отраслях промышленности для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др. Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся: простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;

отсутствие контактов (в некоторых случаях - один токосъем); долгий срок эксплуатации; потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика; простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести: сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования); высокие требования к экранировке деталей; необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, - от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

Ценные качества емкостных датчиков - малая величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы - делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента.

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где е - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S иd - площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами: переменной диэлектрической проницаемостью среды е; площадью перекрытия обкладок S; изменяющимся расстоянием между обкладками d.

В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов. В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга. На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае - емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов: с переменной площадью электродов; с переменным зазором между электродами.

Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые - для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы. Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами , покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом . Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью , которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости. Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной - так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления .

Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.

3.3 Типовая схема пуска двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в функции времени

Данная схема (рис.1) содержит кнопки управления SB1 (пуск) и SB2 (останов, стоп ДПТ), линейный контактор КМ1, обеспечивающий подключение ДПТ к сети, и контактор ускорения КМ2 для выключения (закорачивания) пускового резистора Rд. В качестве датчика времени в схеме использовано электромагнитное реле времени КТ. При подключении схемы к источнику питания происходит возбуждение ДПТ и срабатывает реле КТ, размыкая свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ2 и подготавливая двигатель к пуску. Пуск ДПТ начинается после нажатия кнопки SB1, в результате чего получает питание контактор КМ1, который своим главным контактом подключает ДПТ к источнику питания. Двигатель начинает разбег с резистором в цепи якоря. Одновременно замыкающий блок-контакт контактора КМ1 шунтирует кнопку SB1 и она может быть отпущена, а размыкающий блок-контакт КМ1 разрывает цепь питания катушки реле времени КТ. Через интервал времени Дtкт после прекращения питания катушки реле времени, называемый выдержкой времени, размыкающий контакт КТ замкнется в цепи катушки контактора КМ2, последний включится и своим главным контактом закоротит пусковой резистор Rд в цепи якоря.

Таким образом, при пуске ДПТ в течение времени Дtкт разгоняется по искусственной характеристике 1 (рис.1,б), а после шунтирования резистора -- по естественной 2. Величина сопротивления резистора Rд выбрана таким образом, что в момент включения двигателя ток I в цепи якоря и соответственно момент М не превосходят допустимого уровня. За время Дtкт после начала пуска скорость вращения двигателя достигает величины щ1, а ток в цепи якоря снижается до уровня I2. После шунтирования Rд происходит бросок тока в цепи якоря от I2 до I1 который не превышает допустимого уровня. Изменение скорости, тока и момента во времени происходит по экспоненте и может быть рассчитано. Время изменения скорости от нуля до установившегося определяется настройкой реле времени.

Рисунок 3.2. Схема (а) пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения в функции времени, (б) механические характеристики

3.4 Схемы управления асинхронными короткозамкнутыми двигателями с помощью нереверсивного магнитного пускателя

Управление асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором можно производить с помощью магнитных пускателей или контакторов. При применении двигателей малой мощности, не требующих ограничения пусковых токов, пуск осуществляется включением их на полное напряжение сети. Простейшая схема управления двигателем представлена на рис. 1.

Рисунок 3.3. Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с нереверсивным магнитным пускателем

Для пуска включается автоматический выключатель QF и тем самым подается напряжение на силовую цепь схемы и цепь управления. При нажатии кнопки SB1 «Пуск» замыкается цепь питания катушки контактора КМ, вследствие чего его главные контакты в силовой цепи также замыкаются, присоединяя статор электродвигателя М к питающей сети. Одновременно в цепи управления замыкается блокировочный контакт КМ, что создает цепь питания катушки КМ (независимо от положения контакта кнопки). Отключение электродвигателя осуществляется нажатием кнопки SB2 «Стоп». При этом разрывается цепь питания контактора КМ, что приводит к размыканию всех его контактов, двигатель отключается от сети, после чего необходимо отключить автоматический выключатель QF.

В схеме предусмотрены следующие виды защит: от коротких замыканий - с помощью автоматического выключателя QF и предохранителей FU; от перегрузок электродвигателя -- с помощью тепловых реле КК (размыкающие контакты этих реле при перегрузках размыкают цепь питания контактора КМ, тем самым отключая двигатель от сети);

нулевая защита -- с помощью контактора КМ (при снижении или исчезновении напряжения контактор КМ теряет питание, размыкая свои контакты, и двигатель отключается от сети).

Для включения двигателя необходимо вновь нажать кнопку SB1 «Пуск». Если прямой пуск двигателя невозможен и необходимо ограничить пусковой ток асинхронного короткозамкнутого двигателя, применяют пуск на пониженное напряжение. Для этого в цепь статора включают активное сопротивление или реактор либо применяют пуск через автотрансформатор.

Источники использованных материалов

Кацман М.М. Электрические машины. 1990

Интернет ресурс: https://elektrik-sam.info

Интернет ресурс https://studfiles.net

Интернет ресурс: http://electricalschool.info

Размещено на Allbest.ru

...