Исследование электрических реле времени

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра электроснабжения

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор –

проректор по учебной работе

_____________ Е.А.Кудряшов

«» 2012 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

Методические указания

по выполнению лабораторной работы №1

по курсам «Теория автоматического управления и «Управление техническими системами» для студентов технических специальностей

Курск 201 2

УДК 658.5. 011.56 (081)

Составители: А.В. Филонович, А.М. Фрумкин

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент кафедры

электроснабжения А.Л. Овчинников

Исследование электрических реле времени: методические указания по выполнению лабораторной работы №1 / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: А.В. Филонович, А.М. Фрумкин. Курск, 2012. 19 с.: табл.5, прл.1. Библиогр.: с. 16.

Излагаются методические рекомендации по выполнению лабораторной работы курса ТАУ, включающей в себя исследование электрических реле времени.

Предназначены для студентов технических специальностей

Текст печатается в авторской редакции.

Подписано в печать. Формат 60х84 1/16.

Усл.печ.л. 1,1. Уч.–изд.л. 1,0. Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1

Исследование электрических реле времени

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы состоит в ознакомлении с назначением, устройством, прин­ципом действия и параметрами различных типов электрических реле времени.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

При автоматизации производственных процессов получили широкое рас­пространение реле времени, предназначенные для обеспечения заданной после­довательности и длительности включения и выключения различных цепей [1].

Основными характеристиками (параметрами) реле времени являются: диапазон выдержки времени, допустимая погрешность выдержки времени, вре­мя готовности и потребляемая мощность. Время готовности - это необходимая пауза между повторными включениями реле времени.

По виду используемой энергии реле времени делятся на:

- электрические;

- пневматические;

- гидравлические;

- механические;

- химические и др. [2].

Наибольшее распространение получили электрические реле времени, ко­торые более универсальны и имеют обычно меньше габариты.

В особую группу выделяют электронные реле времени, использующие электронные устройства. Кроме того, реле времени могут классифицироваться по способу (методу) замедления..

2.1. Реле времени с механическим замедлением

Эти реле по способу замедления делятся на электромеханические реле с часовым механизмом замедления и моторные.

2.1.1. Реле времени с часовым механизмом замедления движения якоря

К реле времени такого типа относится реле ЭВ-215, используемое в лабо­раторной установке (рис.1). Оно состоит из якоря 1, заводимого электромагни­том 2; механического центробежного тормоза 3 (часовая пружина); шкалы 4;

каретки 5 с фиксирующим винтом 6 и указателем 7, обеспечивающим установку заданной выдержки времени.

Заводка якоря (пуск) этого реле времени производится с помощью элек­тромагнита 2 путем кратковременной подачи питания на его обмотку.

Реле времени служит для управления двумя внешними цепями. Одну цепь можно отключать (разрывать) на установленный промежуток времени, а дру­гую включать через такой же промежуток времени. Максимальная выдержка времени этого реле - 9 секунд с точностью +10%.

2.1.2. Моторные реле времени

Для увеличения выдержки времени применяют моторные реле, примерная схема одного из которых приведена на рис. 2.

При замыкании ключа К синхронный двигатель СД с редуктором начина­ет вращаться, Одновременно возбуждается электромагнит ЭМ и сцепливает зубчатые колеса z1 и z2. На одной оси с колесом z1 закреплены профильные шайбы (кулачки), одна из которых показана на рис. 2. Двигатель вращает про­фильные шайбы в направлении, указанном стрелкой, натягивая при этом пру­жину F2. Как только уступ выреза профильной шайбы S подойдет к выступу ры­чага С, рычаг под действием пружины F3 повернется, размыкая контакты 1-2 в цепи двигателя СД и замыкая контакты 3-4 выходной цепи реле. Другие про­фильные зубцы на оси колеса Z2 должны быть установлены на меньшие незави­симые выдержки времени и замыкать (или размыкать) каждая свои (не пока­занные на схеме) контакты внешних цепей,

При размыкании контактов 1-2 двигатель СД остановится, а все профиль­ные шайбы останутся в том положении, которого они достигли пока был замк­нут ключ К. При размыкании ключа К электромагнит ЭМ отпускает якорь и пружина F1 расцепит колеса z1 и z2. Профильные шайбы под действием пружи­ны F2 повернутся назад до упора А.

При этом контакты окажутся вновь в исходном положении и реле време­ни будет готово к новому включению. Положение шайб на оси колеса Zi опре­деляет время замедления срабатывания данного контакта. Установка времени может быть произведена с помощью шкалы, градуированной в минутах и се­кундах. По такому принципу работают реле времени ТМ -10 и ВС -10.

2.1.3. Моторные реле времени ВС -10

Они находят широкое применение и служат для получения нескольких не­зависимых друг от друга выдержек времени с одним началом отсчета.

Механизм замедления (шестеренчатый редуктор) у этих реле, времени приводится в движение от специального синхронного электродвигателя. На рис. 3 приведена упрощенная кинематическая схема этого реле.

При включении питания приходит в движение вал двигателя 1, от которо­го вращение передается на редуктор 2, являющийся замедляющей частью реле времени. После получения сигнала на начало выдержки времени (пуск), электро­магнит 4 приводит в сцепление редуктор с главным валом 14, вместе с которым вращаются диски шкал 8 с упорами 13.

В конце выдержки времени упоры воздействуют на кулачки 12 и замыка­ют (размыкают) контактные пары 11, расположенные над соответствующими дисками шкал.

Набор шкал стягивается зажимной гайкой 10. При ослабленной гайке шкалы могут проворачиваться относительно друг друга, чем достигается неза­висимая перестройка программы выдержек времени по каналам коммутации.

После окончания цикла работы с помощью конечного выключателя от­ключается питание реле времени. Для возвращения шкал в исходное состояние необходимо тумблер "ПУСК" установить в положение "Выкл", после чего реле готово к повторному действию.

2.1.4. Моторное реле времени ТМ- 10

На рис. 4. приведена кинематическая схема моторного реле времени TM-10. В этом реле замедляющая часть (шестеренчатый редуктор) 2 приводится в движение от электродвигателя 1. Выходной вал редуктора 2 оканчивается диском сцепления 3.

Пуск реле времени обеспечивается одновременной подачей питания 220В на двигатель и обмотку электромагнита 4, якорь 5 которого обеспечивает сцеп­ление вала редуктора с осью указателя времени 6. На этой оси укреплена и руч­ка 7 установки времени выдержки. Пуск реле времени осуществляется тумблером "Пуск".

Реле времени обеспечивает выдержку времени от 15 сек. до 9 минут, с точ­ностью +10%.

2.2. Электронные реле времени (ЭРВ)

В замедляющей части электронных реле времени чаще всего используют переходные процессы в последовательно- (параллельно-) соединенных RC- це­пях. Так в последовательной RC- цепи время заряда конденсатора С до дости­жения на нем напряжения Uqj (напряжения срабатывания исполнительного устройства) определяется напряжением

(1)

где t=RC - постоянная времени времязадающей цепи;

U - напряжение источника питания, от которого заряжается конденсатор.

Из выражения (1) следует, что выдержка времени зависит от четырех величин:

- напряжения питания;

- напряжения срабатывания исполнительного элемента;

- емкости конденсатора;

- сопротивления резистора времязадающей цепи.

Напряжения питания U и срабатывания U_ср электронных реле времени обычно постоянны и поэтому регулирование выдержки времени чаще произво­дят путем изменения постоянной времени RC- цепи.

В схеме (рис. 5) ЭРВ-1, используемого в лабораторной установке, измене­ние выдержки времени производится путем подключения в последовательную RC- цепь различных по величине емкостей конденсатора (C1 или C2), являю­щейся замедляющей частью и включенной на вход реагирующей части ЭРВ (представляющей собой усилительный каскад на транзисторах V1, V1 и VЗ).

Принцип работы ЭРВ заключается в следующем. В исходном состоянии (переключатель S6 в положении 2) все транзисторы усилителя закрыты и об­мотка электромагнитного реле К (исполнительная часть) обесточена. После по­дачи напряжения на времязадающую цель (S6 в положении 1 - "Пуск") конден­сатор С2 (или C1 и С2) начинает заряжаться через резистор R1. При достиже­нии напряжения на конденсаторе С2 величины Uc - Up, транзистор V1 из режи­ма отсечки переходит в активный режим, его коллекторный ток растет, откры­вается транзистор V3 и переходит в режим насыщения. В этот момент срабаты­вает включенное в коллекторную цепь VЗ реле К и своими контактами К2 раз­мыкает цепь питания сигнальной лампочки H4 (которая является сигнализато­ром срабатывания ЭРВ и одновременно индикатором наличия напряжения пи­тания), а контактами K1 размыкает цепь питания секундомера, фиксирующего время выдержки.

Для обеспечения надежного срабатывания электромагнитного реле К в схеме ЭРВ предусмотрена импульсная положительная обратная связь через ключевой каскад на транзисторе V2, обеспечивающая переход в режим насыще­ния транзистора V1 при малом значении его базового тока за счет шунтирова­ния резистора R3. Если отключить зарядное напряжение (S6 в положении 2), емкость C2 начинает заряжаться через переход эмиттер-база транзистора V1 и резистор R3. Время, необходимое для разряда конденсатора C2, определяет время выдержки перед повторным включением реле времени, т.е. время готов­ности ЭРВ.

Разновидностью ЭРВ является реле времени (ЭРВ- 2), собранное на двух тиристорах V1 и V2 и динисторе V3, где для получения выдержки времени используется процесс заряда конденсатора С2 (или С2 и С3) через последователь­но соединенное сопротивление R4 (R5, R6, или R7) до величины пробивного на­пряжения U_пр динистора VЗ (рис.6). Это реле времени имеет простую электри­ческую схему и позволяет без схемных усложнений изменять выдержку времени в широких пределах.

Принцип работы ЭРВ- 2 заключается в следующем. В исходном состоя­нии оба тиристора и динистор закрыты, конденсаторы C1 и C2 (или C2 и C3) разряжены. При кратковременном нажатии на кнопку SQ1 положительный им­пульс от источника питания +100 В через делитель R1R2 подается на управляю­щий электрод тиристора V1. Этот импульс переключает тиристор V1 в прово­дящее состояние, что приводит к срабатыванию электромагнитного реле К, ко­торое своими контактами K1 и K2 замыкает цепь питания секундомера и сиг­нальной лампочки Н5. Одновременно от источника питания заряжается комму­тирующий конденсатор С1по цепи: + источника питания (+100В) резистор R10; тиристор V1 резистор R3; - источника. При этом на резисторе R3 создается па­дение напряжения 50 В, которое прикладывается к цепочке R4 (R5, R6, или R7) C2 (C2 и C3) и начинается заряд конденсатора С2(С2 и C3). Как только напря­жение на нем достигнет значения напряжения пробоя, динистор V3 переходит в проводящее состояние и в цепи управляющего электрода тиристора V2 появ­ляется ток, он переключается в проводящее состояние и конденсатор C2 быстро (0.04 сек) разряжается через открытый динистор VЗ, резистор R8 и по цепи "управляющий электрод - катод" тиристора V2.

В момент открывания тиристора V2 к аноду тиристора V1 кратковремен­но прикладывается обратное напряжение, снимаемое с коммутирующего кон­денсатора C1. При этом тиристор V1 запирается, электромагнитное реле К воз­вращается в исходное состояние, разрывая цепь питания секундомера и сигналь­ной лампочки H5. После чего конденсатор C1 перезаряжается через цепь: + ис­точника питания, обмотка реле К, тиристор VЗ, - источника питания. В этом случае разность потенциалов обкладок конденсатора C1 меняет знак.

Ток в управляющей цепи тиристора V2 уменьшается, что приводит к его закрыванию спустя отрезок времени намного меньше, чем время его заряда. После чего реле времени снова готово к повторному включению.

Таким образом, время выдержки реле времени определяется продолжи­тельностью заряда конденсатора С2 до напряжения, соответствующего напряжению включения динистора V3 и может регулироваться сопротивлением R4 (R5, R6, или R7) и емкостью C2 (C3).

Время выдержки этого реле времени может изменяться от единиц секунд до 10 минут с точностью +10%, в диапазоне температур -40+40 С.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Все реле времени смонтированы на специальном стенде, лицевая панель которого изображена на рис. 7. На стенде смонтированы также органы управле­ния (переключатели, сигнальные лампочки) и секундомер.

Лицевая панель стенда разделена на зоны, отмеченные цифрами от 1 до 4, относящиеся соответственно к реле времени ЭВ-215, ТМ-10, ЭРВ и ВС- 10- 64. В правом нижнем углу стенда размещен секундомер.

В средней части внизу стенда размещены приборы, относящиеся к пита­нию установки: переключатель S1 служит для подачи питания на вход всей уста­новки, с помощью галетного переключателя П1 питание можно поочередно коммутировать на различные реле времени, каждое положение которого совпа­дает с соответствующим номером реле времени, а нулевое положение означает, что питание от всей установки отключено; плавкий предохранитель FU обеспе­чивает защиту установки от перегрузок и коротких замыканий; лампочка H1 сигнализирует о наличии напряжения питания на входе установки.

С правой стороны каждого реле времени имеется лампочка (Н2, Н3, Н4, H5, Н6), сигнализирующая о наличии питания на входе соответствующего реле времени.

Примечание: Переключатели S2, S3 и S6 в исходном состоянии должны находиться в положении "Выкл.".

4. ПОРЯДОК И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Подготовка к работе

Перед включением стенда ознакомиться о его элементами коммутации, измерительными приборами и убедиться внешним осмотром в их исправности. Необходимую коммутацию выполнять в обесточенном состоянии.

4.2. Исследование реле времени ЭВ- 215

Для выполнения этого пункта переключатель П1 поставить в положение "0", чем снимается напряжение с контактов реле, S2 - в положение "Вкл."

Придерживая каретку 5 (рис. 1) левой рукой, отвинтить (на 1-2 оборота) фиксирующий винт 6 и установить указатель 7 против заданного преподавате­лем значения времени выдержки по шкале 4 и завернуть винт. Затем подать пи­тание на реле времени, поставив переключатель П1 (см. рис. 7) в положение 1, и кратковременно нажать на кнопку "ПУСК". Для повторного запуска реле вре­мени необходимо снова нажать на кнопку "ПУСК" (переключатель S2 при ра­боте других реле должен находиться в положении "Выкл.").

4.3. Исследование реле времени ТМ -10

При выполнении этого пункта с помощью ручки (7) SQ (рис.7) устано­вить стрелку указателя 6 против заданного преподавателем значения выдержки времени по шкале 9 (рис. 4), подать питание на реле, установить переключатель П1 в положение "2" и переключатель S3 установить в верхнее положение

("ПУСК").

Для повторного пуска реле необходимо переключатель S3 на короткое время установить в нижнее положение и снова переключить в положение

"ПУСК".

4.4. Исследование реле времени ВС-10-64

Для выполнения этого пункта, придерживая снизу шкальные диски (8) ле­вой рукой (рис. 3), ослабить зажимную гайку (10) так, чтобы диски можно было вращать без усилий в любом направлении и, перемещая шкалу (шкалы) в сторо­ну увеличения выдержки, предварительно установить время выдержки несколь­ко меньше требуемого значения. Затем, подводя соответствующее деление шкалы под указатели (6,7,9), но не переведя за него, закрутить зажимную гайку (10). При этом все неиспользованные шкалы должны находиться в нулевом по­ложении (в лабораторной установке задействована только правая шкала).

После этого установить переключатель S8 в нижнее положение и на реле подать питание, установив переключатель П1 в положение "4" (рис.7). Пуск реле производится установкой переключателя S8 в верхнее положение ("ПУСК"). Для повторного пуска реле времени необходимо переключатель S8 на короткое время установить в нижнее положение и снова возвратить в положение

"ПУСК",

Примечание: При выполнении пп. 4.2, 4.3, 4.4 определение выдержки вре­мени производится путем трехкратного намерения заданного времени выдержи для каждого реле времени и вычисления среднего его значения. Данные измере­ний и расчетов записываются в таблицу 1.

Таблица 1. Исследование электромеханических реле времени

4.5. Исследование электронных реле времени (ЭРВ)

4.5.1. Настройка и пуск транзисторного реле времени (ЭРВ1).

Перед настройкой реле времени на заданную выдержку времени переклю­чатель S4 установить в положений ЭРВ1, a П1 - в положение "3" (подать на реле питание) (см. рис. 7). Затем по указанию преподавателя (лаборанта) переключа­тель S5 установить в соответствующее положение (20 или 30 мкф).

Пуск реле осуществляется переводом переключателя S6 в положение "ПУСК". Время выдержки отсчитывается по шкале секундомера.

4.5.2. Исследование зависимости выдержки времени от емкости времязадающей цепи

В соответствии с выражением (2.1), производится путем измере-
ния времени выдержки в верхнем и нижнем положениях переключателя S5, руководствуясь п. 4.5.1.

Результаты измерений записать в таблицу 2.

Таблица 2. Исследование электронных реле времени

4.5.3. Определение времени готовности реле времени

Для выполнения этого пункта по методике, изложенной в п.4.5.1, для од­ного из положений переключателя S5 (задается преподавателем) три раза изме­ряется выдержка времени реле при паузах между измерениями менее 1 сек, 3 сек и более 15 секунд.

Таблица 3. Определение времени готовности реле времени

При этом точно фиксируются показания секундомера, особенно при пер­вом времени. Результаты измерений записать в таблицу 3.

4.5.4. Настройка и пуск тиристорного реле времени (ЭРВ2)

Для этого переключатель П1 установить в положение "3" (см. рис.7), пере­ключатели S7 и П2 установить в указанное преподавателем положения, кото­рые обеспечивают изменение соответственно ёмкости в нижнем и верхнем поло­жениях переключателя S7, написанной на передней панели реле.

Пуск реле времени осуществляется кратковременным нажатием на кноп­ку SQ1.

4.5.5. Исследование зависимости выдержки времени от параметров времязадающей цепи (R и С) ЭРВ2.

Для исследования зависимости выдержи от емкости конденсатора необхо­димо переключатель П2 установить в положение "2" и измерить время выдерж­ки в нижнем и верхнем положении переключателя S7, руководствуясь указания­ми п. 4.5.4). Результаты измерения занести в таблицу 4.

Таблица 4. Исследование времени выдержки от емкости конденсатора

Для исследования зависимости времени выдержки реле от сопротивления резистора необходимо установить переключатель S7 в верхнее положение (2000 мкф) и для 3-х - 4-х положений переключателя П2 измерить время выдержки. Результаты записать в таблицу 5.

Таблица 5. Исследование времени выдержки от сопротивления резистора

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие сведения:

5.1. Краткие сведения о методах получения временных задержек в электриче­ских реле времени и о принципе работы реле времени лабораторной установки.

5.2. Таблицы измерений выдержек времени и времени готовности реле времени.

5.3. Графики зависимости выдержки времени электронных реле времени от па­раметров времязадающей цепи t=f(R), t=f(C).

5.4. Электрические схемы электронных реле времени.

5.5. Выводы па каждому выполненному пункту лабораторной работы.

6. ЗАДАНИЕ К КОЛЛОКВИУМУ

6.1. Ознакомиться с расположением рабочих органов лабораторной установки.

6.2. Изучить принципы и методы получения временных задержек в реле
времени.

6.3. Изучить приемы настройки и пуска реле времени лабораторной установки.

6.4. Изучить принципиальные схемы ЭРВ и знать зависимость времени выдерж­ки от параметров времязадающей цепи и других факторов.

6.5. Знать, от чего зависит погрешность выдержки реле времени и время его готовности.

7. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

7.1. Для чего предназначены реле времени?

7.2. По какому принципу классифицируются реле времени?

7.3. В чем заключается суть временных задержек в электромеханических реле времени (ЭВ-215, моторные реле времени)?

7.4. Какие параметры являются времязадающими в электронном реле времени?

7.5. Какой физический процесс определяет время выдержи ЭРВ?

7.6. Есть ли разница между временем выдержки и временем заряда емкости времязадающей цепи ЭРВ.

7.7. Как зависит время выдержки от сопротивления резистора и емкости кон­денсатора времязадающей цепи ЭРВ?

7.8. От каких параметров, кроме R и С, зависит время выдержки у электронных реле времени?

7.9. Чем определяется время готовности реле времени?

7.10. От чего зависит погрешность времени выдержки реле времени?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дружинин Г.В. Реле времени. - М.: Энергия, 1973. С. 1-38.

2. Большаков Ю.М. Электронные реле времени. - М.-Л.: Энергия, 1968.

3. Шляндин В.Н. Элементы автоматики и счетные решающие устройства. - М.: Машиностроение. 1967.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рис. 4. Упрощенная кинематическая схема реле времени ТМ-10