1

Министерство образования Московской области

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования Московской области

«Краснозаводский химико-механический колледж»

Рассмотрен на заседании ПЦК

Протокол №___ от ________2014 г.

Председатель ПЦК________О.А. Солдатова

«Утверждаю»

Зам. директора по УВР

_________С.В. Тринитатова

Методическая разработка

для практических работ

по МДК 04.02. «Теоретические основы разработки

и моделирования отдельных несложных модулей и

мехатронных систем»

Разработал

Преподаватель спец. дисциплин

______________О.А. Солдатова

Краснозаводск, 2014 г.

2

Практическая работа № 1

Анализ назначения, принципа действия, чувствительности, устройства,

установки и технологии изготовления тензометрических датчиков.

Выбор тензометрических датчиков по техническим условиям

Порядок выполнения работы

1.Общие сведения

1.1 Назначение. Типы тензодатчиков.

Тензометрические датчики служат для измерения деформаций и механических

напряжений в деталях машин и механизмов. Они могут также использоваться для

измерения других механических величин (давления, вибрации, ускорения и др.),

которые предварительно преобразуются в деформацию.

Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления мате-

риала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков

используются проводники (в виде проволоки, фольги или пленки) и полупро-

водники.

Рассматриваются проволочные, фольговые, пленочные и полупроводниковые

тензодатчики, относящиеся к параметрическим датчикам. В них выходной сигнал

формируется за счет изменения активного сопротивления. Поэтому их называют

еще тензорезисторами. Для измерения деформаций используются и тензометри-

ческие датчики, основанные на других принципах - магнитоупругие датчики.

1.2 Принцип действия проволочных тензодатчиков

Принцип работы проволочного тензодатчика основан на изменении активного

сопротивления проволоки при ее деформации. Изменение активного сопротив-

ления проволоки происходит по двум причинам: во-первых, изменяются геомет-

рические размеры проволоки (длина /, сечение s); во-вторых, при деформации

изменяется удельное сопротивление р материала проволоки. А эти величины и

определяют активное сопротивление проволоки:

R=pl/s.

1.3 Чувствительность проволочного тензодатчика

Определяем как отношение величины относительного изменения сопротивления

к относительному изменению линейного размера:

Sд=ldl

RdR

/

/

Следует иметь в виду, что деформация не является единственной причиной

изменения сопротивления тензодатчика. Сопротивление меняется и в зависи-

3

мости от температуры. Это явление используется в термосопротивлениях. Оче-

видно, для уменьшения температурной погрешности тензодатчика его мате-

риал должен иметь высокую чувствительность Su при малом температурном

коэффициенте расширения и малом значении термоЭДС при контакте с мед-

ными соединительными проводами. Тензочувствительность полупроводников

во много раз больше тензочувствительности металлов.

1.4 Устройство и установка проволочных тензодатчиков

Рис. 1 Проволочный наклеиваемый тензодатчик

На полосу тонкой прочной бумаги наклеена уложенная зигзагообразно тонкая

проволока. К концам проволоки с помощью пайки или сварки присоединены

выводы из медной фольги, с помощью которых датчик подключен в измеритель-

ную цепь.

Сверху проволока также защищена от внешних воздействий тонкой бумагой.

Тензодатчик приклеивают к испытуемой детали, благодаря чему деформацию де-

тали воспринимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая проволокой,

называется измерительной базой датчика L. Для того чтобы получить наиболь-

шее изменение сопротивления датчика, его надо расположить в направлении дей-

ствия деформирующего усилия (сжатия или растяжения), т. е. направление из-

мерительной базы должно совпадать с осью, по которой направлено усилие. Если

же направления базы и усилия взаимно перпендикулярны, то деформация и изме-

нение сопротивления очень малы. Если расположить несколько датчиков под уг-

лом друг к другу, то можно определить не только величину деформации, но и

направление приложенных к детали усилий.

Приклейка датчика к детали — очень важная технологическая операция. Каче-

ство ее выполнения сильно влияет на точность и надежность работы тензодатчи-

ка. Перед приклейкой производят тщательную очистку и обезжиривание поверх-

4

ности детали. Наиболее часто для приклейки используются бакелито-фенольные

клеи: БФ-2 для температуры до 100 °С и кислой среды; БФ-4 для температуры до

60 °С и щелочной среды. Сушка проводится при повышенных температурах в

течение часа. Для защиты от влаги используют парафиновые и другие покрытия.

Разработаны специальные клеи (на кремнийорганической основе) и покрытия

для использования тензодатчиков при температурах до 1000 °С.

При выборе измерительной схемы для тензодатчиков необходимо учитывать

два обстоятельства:

Во-первых, проволочные тензодатчики имеют малое относительное измене-

ние сопротивления (<1%). Для увеличения чувствительности применяют мосто-

вые схемы с двумя или четырьмя одинаковыми датчиками, наклеиваемыми на

испытуемую деталь таким образом, что датчик, включенный в одно плечо моста,

работает на сжатие, а датчик, включенный в смежное плечо моста, работает на

растяжение.

Во-вторых, необходимо принимать меры для компенсации температурной по-

грешности.

1.5 Классификация

По конструктивным параметрам тензодатчики подразделяются на датчики с

малой базой (L = 0,4*4 мм); со средней базой L = 4-25 мм); с большой базой

(L > 25 мм). Активное сопротивление датчиков с малой базой 5—100 Ом, со

средней базой 100— 400 Ом, с большой базой до 1000 Ом. Ширина датчиков от 3

до 60 мм. Длина выводов датчиков составляет 20—80 мм. Относительная чув-

ствительность проволочных тензодатчиков зависит от материала проволоки: для

константана

Ss = 1,9+2,1.

1.6 Технологи изготовления

Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохимического травления.

Решетка такого датчика выполняется из разных сплавов (медь с никелем, серебро

с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же

время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой

выполняется датчик.

Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, тел-

лура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из

слюды или кварца.

В отличие от проволочных, фольговые и пленочные тензодатчики имеют

решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением

5

ширины к высоте. По сравнению с проволочными они имеют ряд преимуществ.

Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика

с деталью обеспечиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в не-

сколько раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз —

плотность тока пленочных датчиков (до 103 А/мм

2). Благодаря большому отноше-

нию периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения улучшается вос-

приимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пле-

ночных датчиков достигает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фоль-

говой и пленочной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания)

выводов датчика

Рис. 2 Виды тензодатчиков

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3—15 мкм. Со-

противление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фото-

химический способ позволяет выполнить любой рисунок решетки, что также

является достоинством фольговых датчиков. На рисунке 2 показаны различ-

ные типы фольговых тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных

перемещений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять деформации

в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, предназначенный

для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Для измерения механических усилий и напряжений используются и угольные

датчики. Их работа основана на зависимости активного сопротивления угольных

(или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Угольные диски 3

зажимаются между прижимным винтом 6 и упором 5, воспринимающим измеря-

емое усилие F. Давление на угольные диски 3 передается через металлические

диски 1, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выводы

для включения датчика в измерительную схему.

Рис. 3 Угольный датчик для

измерения усилия

1.

6

2. Контрольные вопросы:

Назначение. Виды тензодатчиков.

Принцип действия проволочных тензодатчиков.

Чувствительность проволочного тензодатчика.

Устройство и установка проволочных тензодатчиков.

Классификация.

Технологии изготовления.

3. Изучить необходимый материал и заполнить таблицу

Таблица Схемы включения тензодатчиков

7

4.Выбрать датчики по техническим условиям по заданному варианту.

№

варианта

Технические условия Габариты

1 Датчик силы 15х5

2 Фольговый тензорезистор с температурным диапазоном

250 0С

3х2

3 Для высокоточных измерений диаметр

решетки 19

4 Компенсационный тензорезистор, номинальное сопро-

тивление 32

6х4

5 Для высокоточных измерений, ползучесть N9 3х3

8

Практическая работа № 2

Исследование индуктивного датчика перемещений,

изучение конструкции и работы, схемы включения и

статических характеристик индуктивных датчиков

Общие сведения:

1. Устройство и принцип действия индуктивного датчика

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным

воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 1 показаны две наиболее распро-

страненные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике.

Это одинарные индуктивные датчики. На сердечнике 1 из электротехнической стали

размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения.

Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может пере-

мещаться относительно сердечника 1. Якорь 3 механически связан с деталью, пере-

мещение которой необходимо измерить.

Рис. 1 Простые индуктивные

датчики

Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в

вертикальном направлении. Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивле-

ние магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора δ. Следо-

вательно, изменится индуктивность обмотки 2. Поскольку эта обмотка включена на

переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротив-

лением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воз-

душного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индук-

тивное и полное сопротивления уменьшаются. Следовательно, ток в обмотке уве-

личивается. Полагая ток I в обмотке за выходной сигнал датчика, а перемещение

х — за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде гра-

фика I=f(х).

2. Вывод уравнения статической характеристики индуктивного датчика

9

Рис. 2 Характеристики

индуктивного датчика.

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от пере-

мещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на

рисунке 2, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению

зазора δ, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока I от

зазора δ: I=f (δ).

Пусть обмотка датчика включена на напряжение питания; u = √2U sin w t,

где U — действующее значение напряжения, w — угловая частота, рад/с. По закону

Ома, действующее значение тока в обмотке

I=U/z,

где z — полное сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и

индуктивного XL сопротивлений:

z = √R2 + XL

2

Индуктивное сопротивление XL пропорционально индуктивности L и частоте

питания f:

XL = 2πfL = w L.

z = √R2 + (2πfL)

2

Индуктивность обмотки датчика с числом витков w

L = w Ф/ I,

где Ф — магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный по-

ток проходит через воздушный зазор, т. е. потоки рассеяния отсутствуют. Тогда

Ф = I w /Rм.

Здесь Rм — магнитное сопротивление магнитопровода датчика, Гн-1

. Это сопро-

тивление слагается из сопротивления стали сердечника и якоря RCT и сопротивле-

ния воздушного зазора RB:

Rм = RCT + RB.

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздуш-

ного зазора δ, поскольку магнитный поток проходит через воздушный зазор два-

жды: RB = 2δ/(µ0sм),

10

где sм — поперечное сечение воздушной части магнитопровода, равное активной

площади поперечного сечения сердечника в зоне воздушного зазора, м2;

µ0 = 4π · 10-7

Гн/м — магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная).

После подстановки получим выражение для магнитного потока:

Выражение для индуктивности получаем подстановкой:

Индуктивное сопротивление обмотки

Полное сопротивление обмотки

Анализ формулы показывает, что с увеличением воздушного зазора (а следователь-

но, и перемещения) полное сопротивление уменьшается, стремясь в пределе к ве-

личине активного сопротивления обмотки R. Ток в обмотке датчика

3. Анализ вида статической характеристики индуктивного датчика

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального

положения при δ = 0 в сторону увеличения зазора (по рисунку 5, а), то формула по-

сле замены δ на х представляет собой статическую характеристику одинарного ин-

дуктивного датчика, т. е. I=f(x). График статической характеристики показан на

рисунке 2, б. Как видно из анализа формулы и графика, зависимость I=f(x) име-

ет нелинейный характер. Однако на графике можно выделить участок АБ, на кото-

ром соблюдается прямая пропорциональность между входным и выходным сигна-

лами. Этот участок называется рабочим, датчик используется именно в диапазоне

входных сигналов от хА до хБ. Следовательно, датчик всегда имеет некоторый воз-

11

душный зазор, не меньший хА. В большинстве конструкций индуктивных датчиков

магнитопровод ненасыщен и магнитная проницаемость материала сердечника весь-

ма велика. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора (уже при δ = хА)

значительно больше магнитного сопротивления стального сердечника.

Проанализируем причины отклонения реальной характеристики от идеальной.

В зоне х < хА воздушный зазор очень мал и его магнитное сопротивление стано-

вится соизмеримым с магнитным сопротивлением стальных сердечника и якоря.

Реальная характеристика начинается не от нуля, поскольку даже при δ = 0 индук-

тивное сопротивление не может быть равно бесконечности. Следовательно, некото-

рый ток будет протекать по обмотке, выполненной даже на замкнутом магнитопро-

воде. Для уменьшения значения начального тока /0 используют для сердечника и

якоря индуктивного датчика материалы с высоким значением магнитной проница-

емости.

В зоне х > хБ индуктивное сопротивление обмотки уже настолько уменьшается,

что становится соизмеримым с активным сопротивлением обмотки, которое и

ограничивает нарастание тока. Следует также отметить, что при больших зазорах

часть магнитного потока уже не замыкается через якорь, а замыкается непосред-

ственно по воздуху.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индуктивных датчиков

на рисунке 1, а не превышает 4—5 мм. Значительно больший диапазон изменения

входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рисунке 1, б.

Такие датчики имеют близкую к линейной статическую характеристику при пере-

мещениях якоря до 10—15 мм.

Величину начального воздушного зазора δ 0 (т. е. исходное положение якоря, при

котором входной сигнал равен нулю) рекомендуется выбирать в середине линейно-

го участка статической характеристики датчика.

4.Чувствительность индуктивного датчика

Оценим чувствительность индуктивного датчика при включении его в одно плечо

мостовой измерительной схемы в качестве переменного сопротивления. Питание

моста осуществляется напряжением переменного тока. В этом случае чувствитель-

ность представляет собой относительное изменение сопротивления, деленное на

приращение величины воздушного зазора:

Sд =

zz /

где — приращение величины воздушного зазора, вызывающее изменение

полного сопротивления обмотки датчика z на z .

С увеличением зазора чувствительность датчика резко уменьшается. А при выбо-

ре в качестве начальной точки малой величины зазора можно получить большую

чувствительность и значительный сигнал разбаланса мостовой схемы, что позволяет

12

в ряде случаев отказаться от использования усилителя на выходе моста. Например,

при δ 0= 1 мм и = 0,1 мм чувствительность Sд= l / 10-3= 1000 1/м и относительное

изменение сопротивления 0,1, т. е. при изменении зазора на 0,1 мм сопротивление

датчика изменяется на 10 %.

5. Недостатки индуктивного датчика

5.1 Одним из недостатков одинарного индуктивного датчика является то, что на

его якорь действует сила притяжения к сердечнику. Эта сила вносит погрешность в

работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, переме-

щение которой надо измерить.

5.2 Анализ уравнения показывает, что в рабочем диапазоне входных перемеще-

ний при принятых допущениях электромагнитная сила притяжения не зависит от

зазора. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения питания и обратно про-

порциональна квадрату частоты питания. Повышение частоты питания снижает

силу притяжения, но ухудшает точность работы датчика, поскольку возрастают по-

тери в стали из-за вихревых токов.

5.3 Кроме наличия электромагнитной силы притяжения, индуктивные датчики

имеют также и другие серьезные недостатки: при изменении знака входного сигна-

ла не меняется знак выходного сигнала (т. е. датчик не является реверсивным);

диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность стати-

ческой характеристики, невелик.

Указанные недостатки ограничивают область применения одинарных индуктив-

ных датчиков.

6. Достоинства индуктивных датчиков

В схемах автоматики наиболее полно проявляются достоинства одинарных ин-

дуктивных датчиков: простота конструкции и высокая надежность

7. Применение индуктивных датчиков перемещения

На практике они нашли применение в качестве бесконтактных датчиков положе-

ния и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значи-

тельные перестановочные усилия.

8. Дифференциальные индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух

одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены диффе-

ренциальные индуктивные датчики для получения реверсивной статической харак-

теристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рис. 3, а), состо-

ящего из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между

13

сердечниками якоря 3, способного перемещаться влево и вправо относительно

среднего симметричного положения. Питание дифференциального датчика осу-

ществляется от трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки.

Сопротивление нагрузки RH включается между этой средней точкой и общей точ-

кой обмоток сердечников 7 и 2 Ток в сопротивлении нагрузки можно представить

как алгебраическую сумму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый контур

состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, одинарного индуктивно-

го датчика и сопротивления нагрузки RH, общего для обоих контуров. Рассмотрим

направления контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке

трансформатора индуцируется условно положительный полупериод напряжения:

плюс — у левого зажима; минус — у правого.

Рис. 3 Дифференциальный индуктивный датчик.

Полярность средней точки относительно левого зажима будет минусовая, а относи-

тельно правого — плюсовая. Принимая за положительное направление тока во

внешней цепи от плюса к минусу, определяем, что ток левого контура I1, направлен

сверху вниз, а ток правого контура I2 — снизу вверх. Следовательно, эти токи вычи-

таются, а через нагрузку пойдет разностный ток. В следующий полупериод поляр-

ность изменится на противоположную Соответственно изменится направление то-

ков в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токов I1, и I2 (направле-

ние их показано пунктиром). При среднем (симметричном) положении якоря 3 ин-

дуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи /, и 1г равны, разность

их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении нагрузки) равен нулю: Iн =

I1- I2 = 0.

При перемещении якоря вправо (примем его за положительный входной сигнал)

индуктивность L2 возрастает, поскольку воздушный зазор в одинарном индуктивном

датчике 2 уменьшается, а индуктивность L1, убывает, поскольку зазор в датчике 1

увеличивается. Следовательно, I1 > I2 и появляется выходной сигнал в виде тока

нагрузки определенной полярности. При перемещении якоря влево (отрицательный

J

14

входной сигнал) соответственно уменьшается L2 и увеличивается L1 соотношение

токов, I1< I2 и полярность тока нагрузки изменяется. Поскольку речь идет о пере-

менном синусоидальном токе, это означает, что фаза тока изменяется на 180°.

Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика будет ре-

версивной, зависящей от знака входного сигнала. А дифференциальным датчик

называется потому, что выходной сигнал формируется как разность сигналов двух

одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом случае, но

направлены они в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно

компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие.

Очень важной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю

выгодного сигнала при нулевом входном сигнале. Напомним, что в одинарном дат-

чике выходной сигнал (ток через обмотку) был не равен нулю даже при нулевом воз-

душном зазоре.

9. Мостовая схема реверсивного индуктивного датчика

Для получения реверсивной статической характеристики используют и мосто-

вую схему включения индуктивных датчиков . Плечи моста образованы обмот-

ками двух сердечников 1 и 2 с индуктивностями соответственно L} и L2 и двумя по-

стойными резисторами с сопротивлением R.

Рис. 4 Мостовая схема реверсивного индуктивного датчика

К одной диагонали моста подводится напряжение питания Uo переменного тока, со

второй диагонали снимается выходное напряжение 11ВШ. Если якорь 3 занимает

среднее положение, то индуктивности L] и L2 одинаковы и мост сбалансирован.

Выходное напряжение UBых при этом равно нулю. При отклонении якоря от среднего

положения баланс моста нарушается, так как индуктивность одной обмотки увели-

чивается, а другой — уменьшается. Изменение направления перемещения якоря

вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т. е. характеристика мо-

стовой схемы индуктивных датчиков является реверсивной.

15

Порядок выполнения работы:

1. Соберите схему, показанную на рисунке 5 в программе Multisim.

Рис. 5 Электрическая принципиальная схема стенда

Для этого запустите программу. На панели инструментов найдите источники, и

щелкните по нему левой кнопкой мыши. В разделе источники находим

AC_POWER, нажимаем ОК и вытаскиваем его на рабочее поле. В том же разделе

найдите заземление (ground). После чего находим на правой панели мультиметр, и

вытаскиваем (4 шт.). 3 из них ставим в режим измерения напряжения, а 4-й в режим

измерения тока. Все мультиметры должны измерять переменный ток. После этого в

пассивных компонентах, находящихся на панели инструментов, нажимаем раздел

Inductor. Из него вытаскиваем на рабочее поле любой индуктор. Далее соединяем

все элементы в цепь, как показано на рисунке 6.

Рис. 6 Сборка схемы.

1.1 Для изменения значения напряжения, частоты и сопротивления нужно щелк-

нуть 2 раза левой кнопкой мыши по элементу. Элементы изменяют свое значение

только при выключенной схеме. Для снятия показаний окно мультиметра должно

быть включено.

1.2 Измерить значения тока I и напряжения U при различных положениях по-

движного сердечника индуктивного датчика l. Опытные данные и расчетное сопро-

тивление записать в таблицу.

16

Таблица Опытные данные и расчетное сопротивление

2. Расчетные формулы

______________________________________________________________

3. Расчеты

________________________________________________________________

4. По данным таблицы построить статические характеристики: L=f(l) и I=f(l)

L I

l l

5. Определить чувствительность датчика

S=tg =maxl

L =

6. Определить

Imax =

I min=

I=f(l)

7. Соберите схему, показанную на рисунке 7 в программе Multisim.

Для этого запустите программу. На панели инструментов найдите источники, и

щелкните по нему левой кнопкой мыши. В разделе источники находим

AC_POWER, нажимаем ОК и вытаскиваем его на рабочее поле. В том же разделе

найдите заземление(ground). После чего находим на правой панели мультиметр, и

вытаскиваем (3 шт.) на рабочее поле. В разделе пассивные компоненты найдите

трансформатор TS_RF2 и 2 индуктивных датчика (VARIABLE_INDUCTOR) на

100m. В том же разделе находится резистор (RESISTOR).

Измеренные значения Вычисленные значения

U I l XL L

17

Далее соберите схему, показанную на рисунке 8.

По данным таблицы опыта построить статические характеристики и сделать вывод

Рис.7 Схема дифференциального индуктивного датчика

Рис. 8 Схема стенда в программе Multisim.

Таблица Данные опыта при испытании дифференциального индуктивного датчика

I1 I2 I х

I

х

18

Соберите схему, показанную на рис. 9 в программе Multisim.

Рис. 9 Принципиальная схема стенда

По опытным данным построить статические характеристики и сделать вывод

Таблица Опытные данные

U x

U

x

Для этого запустите программу. На панели инструментов найдите источники,

и щелкните по нему левой кнопкой мыши. В разделе источники находим

AC_POWER, нажимаем ОК и вытаскиваем его на рабочее поле. В том же разделе

найдите заземление(ground). В разделе пассивные компоненты найдите 2 индук-

тивных датчика (VARIABLE_INDUCTOR) на 100m. В том же разделе находится

19

резисторы (RESISTOR). На правой панели мультиметр, и вытаскиваем на рабочее

поле.

Далее соберите схему, показанную на рисунке 10. Для изменения значения

напряжения, частоты и сопротивления нужно щелкнуть 2 раза левой кнопкой мы-

ши по элементу. Элементы изменяют свое значение только при выключенной схе-

ме. Для снятия показаний окно мультиметра должно быть включено.

Рис. 10 Схема стенда в программе Multisim

Таблица Варианты для выбора индуктивных датчиков

Контрольные вопросы

-Устройство и принцип действия индуктивного датчика.

-Вывод уравнения статической характеристики индуктивного датчика.

-Достоинства и недостатки индуктивных датчиков

-Применение индуктивных датчиков перемещения.

- Дифференциальные индуктивные датчики

№

варианта

Технические данные

L, мм X, мм Диапазон,

мм

Рабочий температурный

диапазон

1 105 20 5 -220…+220С

2 182 40 5 -220…+600С

3 284 60 25 -220…+220С

4 119 57 5 -220…+220С

20

Практическая работа № 3

Исследование работы сельсинов в индикаторном режиме,

изучение конструкции и работы, схемы включения трансформаторных

датчиков и вращающихся трансформаторов

Общие сведения:

1. Трансформаторные датчики.

Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэф-

фициента взаимоиндукции обмоток при перемещении якоря.

Работа трансформаторных датчиков

Они относятся к электромагнитным датчикам генераторного типа.

Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у рассмотрен-

ных в предыдущем параграфе индуктивных датчиков. Отличие заключается лишь

в том, что добавляется еще обмотка, с которой и снимается выходной сигнал. Бла-

годаря этому в трансформаторных датчиках отсутствует непосредственная элек-

трическая связь между цепью питания и измерительной цепью. Существует связь

лишь за счет магнитного поля (трансформаторная связь), что позволяет выбором

числа витков выходной обмотки получить любой уровень выходного напряжения.

Рис. 1 Устройство трансформаторного датчика с подвижным якорем

Обмотка возбуждения w1 питается напряжением U1, которое создает в магнитопро-

воде переменный магнитный поток Ф. Во вторичной обмотке w2 индуцируется

ЭДС Е2, значение которой зависит от величины воздушного зазора δ. Максималь-

ная ЭДС Е2 получается при δ = 0, поскольку при этом магнитное сопротивление

замкнутого магнитопровода минимально и по нему проходит максимальный маг-

нитный поток Ф. С увеличением δ уменьшаются магнитный поток и соответству-

ющая ему ЭДС Е2.

Применение трансформаторного датчика с подвижным якорем.

Такой датчик используется для измерения малых линейных перемещений, но име-

ет серьезный недостаток: зависимость ЭДС Е2 от перемещения якоря х нелинейна

и не проходит через нуль.

21

Трансформаторный датчик с поворотной обмоткой.

Магнитопровод датчика неподвижен и состоит из ярма 1 и сердечника 2.

Рис. 2 Трансформаторный датчик с

поворотной обмоткой.

Обмотка возбуждения w1 размещена на ярме 1, запитана переменным напря-

жением U1, и создает в зазоре между ярмом 1 и сердечником 2 переменный маг-

нитный поток Ф, амплитудное значение которого неизменно. В зазоре с равномер-

ным распределением индукции размещена поворотная рамка 3 с вторичной обмот-

кой w2, в которой индуцируется ЭДС Е2, являющаяся выходным сигналом датчика.

В зависимости от угла поворота α Е2 изменяется от нуля (при α = 0 плоскость рам-

ки размещена вдоль направления магнитного потока) до максимального значения

(при α = 90° плоскость рамки размещена поперек направления магнитного потока,

весь магнитный поток сцеплен с витками вторичной обмотки w2). При изменении

знака угла поворота α фаза ЭДС Е2 изменяется на 180°, т. е. датчик является ревер-

сивным. В некотором диапазоне входного сигнала (угла поворота α) обеспечивает-

ся линейная зависимость Е2 =f (α). Статическая характеристика трансформаторно-

го датчика с поворотной обмоткой показана на рисунке 2, б.

Применение трансформаторного датчика с поворотной обмоткой.

Такие датчики получили распространение для дистанционных передач пока-

заний различных приборов под названием ферродинамических преобразователей.

Недостатки

Недостатком ферродинамических преобразователей является зависимость вы-

ходного сигнала от колебаний напряжения и частоты питания.

Если необходимо измерять большие угловые перемещения в одну сторону, то

последовательно с вторичной обмоткой включается дополнительная обмотка сме-

щения wсм, размещенная на ярме 1. Потокосцепление ее неизменно; следовательно,

в ней индуцируется ЭДС Есм с постоянным амплитудным значением. При последо-

вательном соединении обмоток w2 и wсм ЭДС Е2 и Есм суммируются (с учетом фа-

зы). Результирующая статическая характеристика датчика с обмоткой смещения

показана на рисунке 2, б.

22

2. Вращающиеся трансформаторы

Устройство ВТ

Трансформаторные датчики с входным сигналом в виде углового перемеще-

ния часто выполняют в виде электрических микромашин, известных под названи-

ем «вращающиеся трансформаторы» (ВТ). На статоре и роторе ВТ размещены по

две взаимно перпендикулярные обмотки. Коэффициент взаимоиндукции статор-

ных и роторных обмоток изменяется по синусоидальному закону в зависимости от

угла поворота а. В зависимости от схемы соединения обмоток различают синусно-

косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и линейные вращающиеся

трансформаторы (ЛВТ).

Схема соединения обмоток СКВТ показана на рисунке 3. Напряжение пита-

ния U1 подано на одну обмотку статора. С роторных обмоток снимаются два вы-

ходных сигнала U2 и U3, изменяющиеся соответственно по закону синуса и коси-

нуса в функции угла поворота ротора. Если роторные обмотки подключить к ка-

ким-нибудь измерительным цепям, то по обмоткам пойдут токи нагрузки. Под

влиянием токов нагрузки синусная и косинусная зависимости искажаются. Для

устранения таких искажений выполняются так называемые операции симметриро-

вания ВТ, заключающиеся в подборе соответствующих сопротивлений R1, (пер-

вичное симметрирование) и R2, R3 (вторичное симметрирование).

Выходные напряжения вторичных напряжений СКВТ могут быть записаны в виде

U2 = kU1sin α;

U3 = kU1cos α.

Коэффициент пропорциональности k зависит от соотношения витков w2 /w1 = w3

/w1, и при выполнении симметрирования не зависит от угла поворота α (обычно w2

= w3).

Схема соединения обмоток JIBT показана на рисунке 4. Зависимость выходного

напряжения U2 от угла поворота ротора имеет вид

Для малых углов α можно принять sin α ≈ α, а cos α ≈ 1, и зависимость U2 = f (α)

принимает вид

т. е. выходное напряжение имеет линейную зависимость от угла α.

23

Рис. 3 Схема соединения обмоток СКВТ

Относительная приведенная погрешность ЛВТ при соответствующем выборе об-

моточных данных в диапазоне углов α до 500 может не превышать 0,05% .

Рис. 4 Схема соединения обмоток JIBT

3. Сельсины

Электрические машины синхронной связи служат для синхронного и синфазного

поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не связанных меж-

ду собой. В простейшем случае синхронную связь осуществляют с помощью

двух одинаковых, электрически соединенных между собой индукционных машин,

называемых сельсинами (от слов self sinchroniring— самосинхронизирующийся).

Одну из этих машин, механически соединенную с ведущей осью, называют датчи-

ком, а другую, соединенную с ведомой осью (непосредственно или с помощью

промежуточного исполнительного двигателя),— приемником.

Система синхронной связи работает так, что при повороте ротора сельсина-датчика

на какой-либо угол Д ротор сельсина-приемника поворачивается на такой же угол П.

Следовательно, система стремится ликвидировать рассогласование между положени-

ями роторов датчика и приемника, которое характеризуется углом рассогласования

= Д — П,

и в идеальном случае свести угол 0 к нулю.

Системы синхронной связи подразделяют на два основных вида: синхронного

поворота (передачи угла) и синхронного вращения (электрического вала).

3.1. Устройство сельсинов.

Сельсины имеют две обмотки: первичную, или обмотку возбуждения, и вто-

ричную, или обмотку синхронизации. В зависимости от числа фаз обмотки

возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины; обмотку синхрониза-

24

ции в обоих типах сельсинов обычно выполняют по типу трехфазной.

Рис. 5 Схемы магнитной системы однофазных контактных сельсинов:

1— статор; 2 — обмотка синхрониза-

ции; 3—ротор; 4— обмотка возбужде-

ния

Трехфазные сельсины имеют такую же конструкцию, как трехфазные асин-

хронные двигатели с контактными кольцами на роторе; их применяют только в

системах электрического вала. В системах автоматики используют однофазные

контактные и бесконтактные сельсины.

Принцип действия сельсина не зависит от места расположения каждой из об-

моток. Однако чаще всего в сельсинах обмотку синхронизации размещают на

статоре, а обмотку возбуждения — на роторе (для уменьшения количества кон-

тактных колец и повышения надежности работы).

Однофазные контактные сельсины аналогичны асинхронным машинам малой

мощности. Они могут быть явнополюсными (индикаторными) и неявнополюс-

ными (трансформаторными). В явнополюсных сельсинах однофазная обмотка

возбуждения сосредоточенная; она расположена на явно выраженных полюсах

ротора (рисунок 5, а) или статора (рисунок 5, б). В неявнополюсных сельси-

нах однофазная обмотка возбуждения распределенная (рисунок 5, б); она распо-

ложена в полузакрытых пазах ротора (или статора). Обмотку синхронизации

всегда выполняют распределенной и размещают в пазах соответственно ста-

тора или ротора; фазы ее соединяют по схеме Y. Для приближения формы

кривой поля к синусоиде воздушный зазор в явнополюсных сельсинах выпол-

няют неравномерным — увеличенным на краях полюсного наконечника. Для

ослабления зубцовых гармонических делают скос пазов статора или ротора на од-

но зубцовое деление. Сельсины выполняют обычно двухполюсными.

Так как магнитное поле в сельсинах переменное, то статор и ротор собирают

из изолированных листов электротехнической стали.

Рис. 6 Явнополюсный бесконтактный

сельсин

25

3.2 Бесконтактный сельсин.

В явнополюсном бесконтактном сельсине на статоре расположены трехфазная

распределенная обмотка синхронизации, два боковых кольца (тороиды), две

тороидальные катушки однофазной обмотки возбуждения и внешний магнитопро-

вод. Стальной пакет, в котором размещена обмотка синхронизации и тороиды, со-

бран из листов, расположенных перпендикулярно оси вала, а внешний магнито-

провод— из листов, расположенных параллельно оси вала. На роторе имеются два

стальных пакета, разделенных немагнитным материалом (обычно сплавом алюми-

ния). Пакеты ротора собраны из стальных листов, размещенных в плоскости, па-

раллельной оси вала. Следовательно, во всех элементах магнитной системы плос-

кость листов параллельна направлению силовых магнитных линий. Тороидальные

катушки обмотки возбуждения включают так, чтобы направление тока в них в

любой момент времени было согласованным.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, замыкается в каждом

элементе магнитной системы сельсина по пути, показанному на рисунке 6 стрел-

ками. Из первого пакета ротора он проходит через небольшой воздушный зазор, а

затем по статору переходит во второй пакет, охватывая проводники обмотки син-

хронизации. Непосредственному переходу потока из одного пакета ротора в дру-

гой препятствует косой промежуток, заполненный немагнитным материалом. Из

второго пакета ротора поток через тороиды и внешний магнитопровод переходит в

первый. При повороте ротора изменяется положение оси потока относительно об-

моток синхронизации, поэтому ЭДС, индуцируемая в обмотках фаз синхрониза-

ции, зависит от угла поворота ротора, так же как и в контактных сельсинах, вслед-

ствие чего принцип действия этих видов сельсинов одинаков.

3.3 Недостаток бесконтактных сельсинов

Худшее использование материалов, чем в контактных, из-за больших потоков

рассеяния и увеличенного тока холостого хода. При одинаковом удельном синхро-

низирующем моменте масса бесконтактного сельсина примерно в 1,5 раза больше,

чем контактного.

В системах синхронной связи, работающих при повышенной частоте (400...

1000 Гц), применяют неявнополюсные бесконтактные сельсины с кольцевым

трансформатором. В этих сельсинах обмотка синхронизации расположена в пазах

статора, а обмотка возбуждения — в пазах или на явно выраженных полюсах рото-

ра. Питание к обмотке возбуждения подается посредством кольцевого трансфор-

матора, смонтированного в общем корпусе с сельсином.

Такой сельсин по своей конструкции подобен контактному сельсину, но

вместо колец и щеток в нем применен кольцевой трансформатор. Пер-

вичная обмотка трансформатора расположена на статоре, вторичная — на роторе, а

26

магнитопровод состоит из торцовых колец, собранных из листов электротехниче-

ской стали, и внешнего и внутреннего колец, выполненных из металлокерами-

ки (электрического вала).

3.3 Режимы работы. Различают два основных режима работы сельсинов: ин-

дикаторный и трансформаторный.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОДНОФАЗНЫХ СЕЛЬСИНОВ

При трансформаторном режиме сигнал о наличии рассогласования между

положениями роторов датчика и приемника подается через усилитель на исполни-

тельный двигатель, который поворачивает ведомую ось и ротор сельсина-приемника,

ликвидируя рассогласование. При этом режиме выходной сигнал приемника пропор-

ционален синусу угла рассогласования аналогично тому, как во вращающемся транс-

форматоре, поэтому такой режим работы сельсина получил название трансформа-

торного. Трансформаторный режим применяют в тех случаях, когда к ведомой оси

приложен значительный тормозной момент, т. е. когда приходится поворачивать

какой-либо механизм. Рассмотрим теорию однофазных сельсинов на примере

контактных сельсинов с обмоткой возбуждения на статоре. Однако основные

положения этой теории и полученные выводы в одинаковой мере можно рас-

пространить как на контактные сельсины с обмоткой возбуждения на роторе,

так и на бесконтактные.

Принцип действия. При работе сельсинов в трансформаторном режиме об-

мотка возбуждения В сельсина-датчика Д (рисунок 7), механически связанного

с ведущей осью О1} подключена к сети однофазного тока, а обмотка возбужде-

ния В сельсина-приемника П—к усилителю У, подающему питание на об-

мотку управления исполнительного двигателя ИД. Обмотки синхронизации

обоих сельсинов соединены между собой линией связи ЛС.

Переменный ток, проходящий по обмотке возбуждения датчика, создает в нем

пульсирующий магнитный поток, который индуцирует ЭДС в трех фазах об-

мотки синхронизации. Так как обмотки синхронизации датчика и приемника

соединены между собой линией связи, то по ним проходит ток, вследствие

чего в сельсине-приемнике создается пульсирующий магнитный поток.

Рис. 7 Схема включения сельсинов

при работе в трансформаторном режиме

27

Если возникает рассогласование положении роторов датчика и приемника, то

этот поток индуцирует в обмотке возбуждения некоторую ЭДС, и на ее за-

жимах появляется выходное напряжение. Это напряжение через усилитель по-

дается на обмотку управления исполнительного двигателя, который поворачи-

вает ведомую ось О2 совместно с ротором приемника. При ликвидации рассо-

гласования выходное напряжение становится равным нулю, и вращение ве-

домой оси прекращается.

ИНДИКАТОРНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОДНОФАЗНЫХ СЕЛЬСИНОВ

При индикаторном режиме ротор сельсина-приемника соединяют непо-

средственно с ведомой осью. Его применяют при малом значении тормозного мо-

мента на ведомой оси, обычно в тех случаях, когда на оси укреплена хорошо уравно-

вешенная стрелка индикатора (отсюда название — индикаторный).

При индикаторном режиме на валу сельсина приемника имеется незначи-

тельный момент сопротивления, поэтому для поворота ротора приемника

вслед за поворотом ротора датчика требуется небольшой вращающий момент,

который можно получить от приемника без дополнительных усилительных

устройств. При работе сельсинов в рассматриваемом режиме обмотки воз-

буждения В датчика Д и приемника П включены в общую сеть перемен-

ного тока а обмотки синхронизации соединены между собой линией связи

ЛС.

Рис. 8 Схема, включения сельсинов при работе

в индикаторном режиме

Пульсирующие магнитные потоки, создаваемые обмотками возбуждения

датчика и приемника, индуцируют ЭДС в трех фазах обмоток синхрониза-

ции. Если между роторами датчика и приемника имеется некоторый угол рас-

согласования 0, то по обмоткам синхронизации проходят токи, которые, взаи-

модействуя с потоком возбуждения, создают в датчике и приемнике синхрони-

зирующие моменты. Эти моменты имеют противоположные направления и стремят-

ся свести угол рассогласования к нулю. Обычно ротор датчика заторможен, по-

этому его синхронизирующий момент воспринимается механизмом, поворачи-

вающим ведущую ось О1 синхронизирующий же момент приемника поворачи-

28

вает ротор в ту же сторону и на тот же угол, на который поворачивается ротор

датчика.

Входной контроль:

-Какие элементы электрической цепи включены в схему лабораторного стенда

-Как включается обмотка возбуждения сельсинов - датчика и приемника в сеть в

индукторном режиме?

- Как соединяются синхронизирующие обмотки сельсинов - датчика и приёмника?

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с конструкцией сельсинов и записать их паспортные данные.

Определить по схеме, какие измерительные приборы необходимы для выполнения

лабораторной работы.

2. Включить рубильник. Установить в цепи обмоток ОВД и ОВП номинальное

напряжение.

3. График углов рассогласования - это зависимость углов рассогласования от угла

поворота ротора сельсина-датчика при номинальном напряжении на обмотках

возбуждения и отсутствии какой-либо нагрузки на шкиве сельсина-приёмника.

Вначале проверяют совпадения нулевых положений стрелок на шкалах сель-

сина-датчика и сельсина-приёмника. Если совпадения нет, то его следует добиться

поворотом корпуса сельсина-приёмника. На сельсине-датчике задаются углы пово-

рота через каждые 30º - всего полный оборот 360º. Разность между показаниями

углов поворота на датчике и приёмнике выраженная в градусах, и представляет

собой угол рассогласования.

Сельсины в индикаторной системе делятся на 3 класса точности:

1 кл. =0-0,75

2 кл. =0,76-1,5

3 кл. =0,51-2,5

Определить время успокоения сельсина-приёмника.

Для определения времени успокоения сельсина-приёмника роторы сельсинов

устанавливают так, чтобы в согласованном положении нуль на шкале датчика

соответствовал нулю на шкале приёмника.

Ротор датчика закрепить в нулевом положении. Затем стрелку приёмника вместе с

его ротором отклонить на угол 179 или 181 и включить рубильник, подав номи-

нальное напряжение на обмотки возбуждения сельсинов Одновременно включить

секундомер и замерить время, в течение которого ротор приёмника успокоится,

приходя в согласованное с ротором датчика положение. Это и есть время успоко-

ения. Для получения точных результатов опыт повторить 3 раза и определить

среднее значение времени успокоения.

29

4. Опытные данные записать в таблицу.

5.Построить графики углов ротора - при перемещении ротора датчика по часовой

стрелки и против.

6. Определяем класс точности сельсинов

7.Определяем среднее значение времени успокоения

Таблица Опытные данные задания

По часовой стрелке Против часовой стрелки

, град.

датчика

, град.

приемника

, град. , град.

датчика

, град.

приемника

, град.

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210 ̊

240°

270°

300°

330°

360°

Вывод_____________________________________________________________

30

Контрольные вопросы:

- Принцип действия сельсинов в импульсном режиме при одинаковом положении

роторов.

- Принцип действия сельсинов при повороте ротора сельсина-датчика на угол.

- Принцип действия сельсинов в трансформаторном режиме.

- Устройство контактных сельсинов.

- Устройство бесконтактных сельсинов.

- Когда применяют индикаторный и трансформаторный режимы сельсинов.

- Трансформаторные датчики с подвижным якорем.

- Трансформаторные датчики с поворотным якорем.

- Вращающиеся трансформаторы.

Список используемой литературы:

Д.Э. Брускин Электрические машины и микромашины, г. Москва, ВШ, 2006 г

31

Практическая работа № 4

Анализ назначения, принципа действия, чувствительности,

устройства, применения, достоинства и недостатки

магнитоупругих индукционных датчиков

Порядок выполнения работы

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицы

2. Ответить на контрольные вопросы:

- Назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение, до-

стоинства и недостатки магнитоупругих датчиков

- Назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение, до-

стоинства и недостатки индукционных датчиков

Таблица Магнитоупругие датчики

32

Таблица Индукционные датчики

33

Практическая работа № 5

Анализ назначения, принципа действия, чувствительности,

устройства, применения, достоинства и недостатки

пьезоэлектрических и емкостных датчиков

Порядок выполнения работы.

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицу

2. Ответить на контрольные вопросы:

- назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение, до-

стоинства и недостатки пьезоэлектрических датчиков

- назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение, до-

стоинства и недостатки емкостных датчиков

3. Заполнить таблицу

Таблица Пьезоэлектрические датчики

34

35

Практическая работа № 6

Анализ назначения, конструкции и работы, схем включения

терморезисторов и термисторов.

Построение их статических характеристик и определение их параметров.

Общие сведения:

1. Назначение. Типы терморезисторов

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, по-

скольку их активное сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы

называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они

применяются для измерения температуры в широком диапазоне от -270 до 1600̊ С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то

его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей сре-

дой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой

или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в кото-

рой находится терморезистор, от скорости перемещения терморезистора относи-

тельно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах

для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и

др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металличе-

ские терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля,

железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов темпе-

ратурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—

6,5)10-3

°С, т. е. при увеличении температуры на 1°С сопротивление ме-

таллического терморезистора увеличивается на 0,4—0,65 %. Наибольшее рас-

пространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и

никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температур-

ный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применя-

ются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляются и при этом

меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного коли-

чества примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления. Сплавы

металлов и окисляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик.

Однако при необходимости измерять высокие температуры приходится применять

такие жаропрочные металлы, как вольфрам и молибден, хотя терморезисторы из них

имеют характеристики, несколько отличающиеся от образца к образцу.

Широкое применение в автоматике получили полупроводниковые терморези-

сторы, которые для краткости называют термисторами. Материалом для их изго-

товления служат смеси оксидов марганца, никеля и кобальта; германий и кремний с

36

различными примесями и др.

По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые име-

ют меньшие размеры в большие значения номинальных сопротивлений. Термисто-

ры имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до - 6*

10-2 ̊С). Но этот коэффициент — отрицательный, т. е. при увеличении температуры

сопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупро-

водниковых терморезисторов по сравнению с металлическими — непостоянство

температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно

падает, т. е. термистор имеет нелинейную характеристику. При массовом производ-

стве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший раз-

брос характеристик.

2. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

R=CeaT

,

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных раз-

меров проводника; а — температурный коэффициент сопротивления;

е — основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в градусах Цельсия соотноше-

нием ТК= 273 + Т°С.

3. Устройство платинового термометра сопротивления. Сам терморезистор вы-

полнен из платиновой проволоки, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой.

Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Сереб-

ряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление

помещается в металлический защитный чехол 7.

Рис. 1 Платиновый термометр

сопротивления

4 . Полупроводниковые терморезисторы

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко умень-

шается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем метал-

лических, поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводни-

ковых терморезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если

для металлов а = (4-6) • 10-3

°С, то для полупроводниковых терморезисторов |а| > 4 •

10-2

°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от тем-

37

пературы и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной характеристикой терморезистора является зависимость его сопро-

тивления от абсолютной температуры Т:

RT = Ае В/Т

,

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных

размеров термистора;

В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупровод-

ника;

е — основание натуральных логарифмов.

Характеристика термистора экспоненциальная, она зависит от вида приме-

ненного материала, конструкции и изменения температуры.

У термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у ме-

таллических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов

температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение. Изме-

нение сопротивления может быть вызвано изменением температуры окружаю-

щей среды или собственным нагревом или охлаждением резистора при различ-

ных электрических нагрузках.

5. Чувствительность терморезистора (как датчика температуры) можно оце-

нить как относительное изменение его сопротивления ( RR / ), деленное на вы-

звавшее это изменение приращение температуры;

S = ( RR / ) /T

6. Конструктивные исполнения термисторов

Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде

стерженьков, дисков, бусинок.

Рис. 2 Конструкции термисторов.

Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рисунок 2, а) внешне подобны высокоом-

38

ным резисторам с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полу-

проводникового стержня 1, покрытого эмалевой краской, контактных колпачков 2 с

токоотводами 3. Термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рисунке 2, б) также состоят из

полупроводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Кро-

ме покрытия эмалью стержень обматывается металлической фольгой 4, защищен

металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы

в условиях повышенной влажности.

На рисунке 2, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он со-

стоит из полупроводникового шарика 1 диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе

с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм.

На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выво-

дам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами помещен в стек-

лянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инер-

цией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне

температур от -70 до +250 ̊ С. Малые размеры термистора позволяют использовать

его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.

7. Применение терморезисторов

При использовании терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики разли-

чают два основных режима. В первом режиме температура терморезистора практи-

чески определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий

через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме

терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморези-

стора определяется изменяющимися условиями теплоотдачи, например интенсив-

ностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они играют роль датчи-

ков температуры и называются обычно термометрами сопротивления. Наибольшее

распространение получили термометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и

ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров сопротивления мо-

гут возникать следующие погрешности:

- от колебания напряжения питания;

- от изменения сопротивления соединительных проводов при колебаниях тем-

пературы окружающей среды;

- от собственного нагрева датчика под действием протекающего через него то-

ка.

7.1 Схема включения термометра сопротивления

В ней приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей.

39

Для уменьшения погрешности от колебаний напряжения питания используется

измерительный прибор логометрического типа. Угол отклонения подвижной си-

стемы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, одна из кото-

рых создает вращающий, а вторая — противодействующий моменты. Через одну

катушку проходит ток разбаланса, зависящий от сопротивления терморезистора RT.

Вторая катушка питается тем же напряжением, что и мостовая измерительная

схема.

При колебаниях напряжения питания одновременно будут изменяться токи в

обеих катушках, а их отношение будет оставаться постоянным.

В автоматических уравновешенных мостах колебание напряжения питания не

приводит к появлению пропорциональной погрешности измерения, незначительно

изменяется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных

проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погреш-

ность сводится к минимуму, если сопротивление датчика выбрать из условия Rд »

Rnp, где Rnp — сопротивление соединительных проводов. При больших расстояниях

(сотни метров) Rnp может достигать 3—5 Ом.

Рис. 3 Схема включения термометра сопротивления

Еще одним способом уменьшения погрешности от температурных изменений со-

противления соединительных проводов является применение многопроводных

схем. На рисунке показана схема включения датчика Ra в мостовую схему посред-

ством трех проводов (а, 6, в). Сопротивления проводов а и б включены в смежные

плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия моста.

Сопротивление проводов в вообще не входит в мостовую схему. Погрешность за

счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измеритель-

ного прибора.

7.2 Термоанемометр - датчик скорости газового потока

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собственного нагре-

40

ва терморезисторов в устройствах для измерения различных физических величин,

косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью

термоанемометра. Датчик этого прибора состоит из терморезистора, представля-

ющего собой тонкую платиновую проволоку 1, припаянную к двум манганиновым

стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 термо-

резистор включается в измерительную схему. Через терморезистор пропускается

ток, вызывающий его нагрев. Но температура (а следовательно, и сопротивле-

ние) терморезистора будет определяться скоростью газового потока, в кото-

рый помешен датчик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет

отводиться теплота от терморезистора. На рисунке б показана градуировочная

кривая термоанемометра, из которой видно, что при увеличении скорости

примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20

%.

Рис.4 Термоанемометр

— датчик скорости

газового потока

7.3 Электрический газоанализатор

На аналогичном принципе основана работа электрического газоанализатора.

Если взять два одинаковых саморазогреваемых терморезистора и поместить один в

камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью возду-

ха с углекислым газом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и угле-

кислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теплопровод-

ность углекислого газа значительно меньше теплопроводности воздуха, то и отвод

теплоты от терморезистора в камере с СО2 будет меньше, чем от терморезистора в

камере с воздухом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о

процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

7.4 Электрический вакуумметр

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать тер-

морезисторы с собственным нагревом в электрических вакуумметрах. Чем глубже

вакуум (т. е. более разрежен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности

терморезистора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезистор про-

пускать ток для его нагрева, то температура терморезистора будет возрастать при

41

уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход

газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание

газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, по-

лупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний

температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточно интенсивный

собственный нагрев (до 200—500 °С).

8. Постройте статические характеристики R = f(U) и I = f(U) термистора. Из-

менение температуры происходит саморазогревом термистора при увеличении

приложенного напряжения.

Замечание: Изменение температуры окружающей среды в данном экспери-

менте не рассматривается, потому что не всегда в стандартных электротех-

нических лабораториях имеется необходимое тепловое оборудование.

Порядок выполнения эксперимента

1. Соберите электрическую цепь согласно схеме рисунок 5.

Рис. 5 Схема подключения

термистора.

2. Измерьте ток I и напряжение U2 на термисторе при постепенном увеличе-

нии напряжении U1 согласно таблице 23. Измерения должны быть выполнены

с интервалами не менее 30 с, чтобы после каждого изменения напряжения до-

стичь установившегося теплового состояния термистора. Резистор 1 кОм вклю-

чен для ограничения тока и предотвращения перегрева терморезистора.

3. Занесите результаты измерений в таблицу.

Таблица результатов измерения

Величины сопротивлений, необходимые для построения кривой R = f(U), можно

рассчитать с использованием значений тока I и напряжения U2

U1, В

U2, В

I, мА

R, Ом

42

Рис. 6 Схема подключения терморестора

Вывод________________________________________________________________

4. Соберите электрическую цепь согласно схеме 6.

5. Измерьте токи и сопротивления нелинейного резистора при напряжениях,

указанных в таблице. Измерения должны быть выполнены с интервалами 30 с,

чтобы после каждого изменения напряжения достичь установившегося теплового

состояния терморезистора.

6. Занесите результаты измерений в таблицу.

Таблица Результаты измерений

7. Постройте по результатам измерений кривые

I R

U U

Выводы___________________________________________________________

Контрольные вопросы:

- Объясните принцип действия терморезистора.

- Какие материалы применяют для металлических терморезисторов?

- Как изменяется сопротивление полупроводникового терморезистора

при нагреве?

- Назовите три причины погрешности термометров сопротивления.

U, В

I, мА

R, Ом

43

Практическая работа № 7

Анализ назначения, принципа действия, устройства, применения,

достоинства и недостатки фотоэлектрических датчиков.

Построение статических характеристик фоторезистора и фотодиода

Приборы и оборудование_____________________________________________

___________________________________________________________________

Порядок выполнения работы.

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицу.

2. Ответить на контрольные вопросы:

-Назначение, типы фотоэлектрических датчиков

- Что такое вешний фотоэффект и как он используется?

- Что такое внутренний фотоэффект и как он используется?

- Работа фотодиода в фотогальваническом режиме.

- Работа фотодиода в фотодиодном режиме.

- Фотоэлектрический датчик для преобразования угла поворота.

44

Таблица Фотоэлектрические датчики

45

Ознакомление с фотоэлектрическими датчиками,

исследование работы фоторезистора и светодиода

Общие сведения

Фоторезистор уменьшает свое сопротивление при усилении освещенности и

увеличивает его при ослаблении освещенности.

Изменение сопротивления обусловлено внутренним фотоэлектрическим эф-

фектом. При поглощении полупроводниковым материалом лучевой энергии

образуются свободные носители заряда, что ведет к увеличению проводимости

(и снижению сопротивления).

Фоторезисторы часто используются в электронных цепях, например, в свето-

вых заграждениях, затемнителях, как мониторы пламени или в устройствах по-

жарной сигнализации.

Экспериментальная часть

Задание

Определите величины сопротивлений фоторезистора путем измерения тока и

напряжения при различных уровнях освещенности.

Порядок выполнения эксперимента

Рис. 1 Схема подключения фоторезистора

1. Соберите цепь согласно схеме - рисунок 100. К фоторезистору подключите

мультиметр в режиме измерения сопротивления. Установите источник света

на наборной панели, так чтобы лампа источника света располагалась напротив

фоторезистора.

2. Чтобы свести к минимуму влияние внешнего освещения, прикройте свер-

ху источник света и фоторезистор.

3. Измерьте сопротивление фоторезистора при значениях напряжения на лам-

пе, указанных в таблице.

4. Заполните таблицу

5. Постройте статическую характеристику R = f (U)

46

Таблица опытных данных

R

U

6. Вывод

_____________________________________________________________

7. Общие сведения о светодиодах

В случаях, когда полупроводниковые диоды выполнены из таких материалов

как арсенид галлия или фосфид галлия, часть подводимой к ним электрической

энергии преобразуется не в тепло, как в других полупроводниках, а в световые

потоки с намного более короткой длиной волны. Цвет излучения определяется

выбором соответствующего материала и присадками. Цвет может быть инфра-

красным, красным, желтым, оранжевым, зеленым или даже голубым.

8. Соберите цепь согласно схеме 2

Рис. 2 Схема подключения фотодиода

9. Изменяйте входное напряжение последовательными шагами, как указано в

таблице

10. Измерьте прямое напряжение Uсд светодиода с помощью мультиметра

11. Установите светоизлучение (отсутствует, слабое, среднее, сильное).

12. Занесите данные в таблицу.

U, В 0 1 2 4 6 8

I

R

47

Таблица Опытные данные

Uвх Uсд Светоизлучение

4

6

8

10

12

14

15

13. Постройте статическую характеристику Uсд = f (Uвх)

Uсд

Uвх

14. Вывод

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_________________________________________________________________

48

Практическая работа № 8

Анализ назначения, принципа действия, чувствительности,

устройства, применения, достоинства и

недостатки термоэлектирческих, ультразвуковых датчиков,

датчиков Холла и магнитосопротивлений

Порядок выполнения работы.

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицы

2. Ответить на контрольные вопросы:

-Назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение,

достоинства и недостатки термоэлектрических датчиков

-Назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение,

достоинства и недостатки ультразвуковых датчиков

- Назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение,

достоинства и недостатки датчиков Холла

- Назначение, принцип действия, чувствительность, устройство, применение,

достоинства и недостатки магнитосопротивлений.

Таблица Термоэлектрические датчики

49

Таблица Ультразвуковые датчики

Практическая работа № 9

50

Анализ назначения, принципа действия, устройства, применения,

достоинства и недостатки электромагнитных реле

постоянного и переменного тока

Общие сведения

Быстродействие электромагнитных реле

В числе основных параметров электромагнитных реле были отмечены

параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания и

время отпускания. Эти параметры определяются при анализе переходных

процессов, происходящих при включении и отключении реле. Рассмотрим эти

процессы, применительно к обмотке реле постоянного тока.

Цепь обмотки реле можно представить в виде последовательного соеди-

нения активного сопротивления R и индуктивности L. Переходный процесс

при включении реле можно рассматривать как известный из электротехники

случай включения катушки индуктивности на постоянное напряжение. С мо-

мента замыкания ключа К возникает переходный процесс, в течение которого

ток в обмотке реле увеличивается от нуля до некоторого установившегося

значения. Начинающееся увеличение индуктивности приводит к увеличению

постоянной времени. Следовательно, рост тока замедляется.

Рис. 1 Цепь обмотки реле

Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличе-

ние противоЭДС, т. е. напряжения на индуктивности UL. Это приводит даже к

уменьшению на некоторое время тока в цепи. Как только якорь притянется к

сердечнику, индуктивность обмотки перестает увеличиваться и ток снова воз-

растает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начальном участке,

поскольку увеличилась постоянная времени.

Основным фактором, влияющим на время срабатывания реле является

постоянная времени

Т= L/R

Теперь рассмотрим переходный процесс при отключении реле.

При размыкании ключа К ток в обмотке реле уменьшается от значения

Iуст до нуля. Энергия, запасенная в магнитном поле обмотки реле, поддержи-

вает некоторое время ток за счет дугового разряда между контактами ключа

К.

Рассмотрим способы ускорения срабатывания реле постоянного тока,

51

основанные именно на изменении длительности переходного процесса.

Рис. 2 Схема ускорения срабатывания реле

постоянного тока

Последовательно с обмоткой реле включается добавочное активное сопро-

тивление, а напряжение питания повышается на величину, которая выбрана та-

ким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неизменным. По-

стоянная времени уменьшается и нарастание тока будет происходить быстрее,

чем без добавочного сопротивления.

Еще больше ускорение срабатывания можно получить, подключив парал-

лельно добавочному сопротивлению конденсатор С. При замыкании ключа К

ток переходного процесса проходит через емкость в обход Rдоб. Ведь до замы-

кания ключа напряжение на конденсаторе было равно нулю, а скачком оно из-

мениться не может. Поэтому в первый момент времени все повышенное напря-

жение приложено именно к катушке реле. В цепи появляется значительный ток,

но он не опасен для обмотки, поскольку действует короткое время. По оконча-

нии переходного процесс а ток уменьшается до установившегося значения, по-

скольку он проходит через Rдоб (через конденсатор постоянный ток не прохо-

дит).

К схемным методам замедления времени срабатывания и отпускания

относится метод шунтирования обмотки реле конденсатором. При включении

реле ток в его обмотке будет нарастать медленнее за счет процесса зарядки кон-

денсатора.

Рис. 3 Схемным метод замедления времени

срабатывания и отпускания

Время срабатывания может быть увеличено примерно до 1 с по сравнению

с примерно 50 мс при включении без конденсатора. При отключении реле,

наоборот, конденсатор будет разряжаться на обмотку реле, замедляя уменьше-

ние в ней тока. Дополнительное сопротивление Rдоб необходимо для ограниче-

ния тока, потребляемого от источника питания.

Эффективным схемным методом замедления времени отпускания явля-

52

ется включение параллельно обмотке реле диода (в непроводящем по отноше-

нию к напряжению питания направлении).

Рис. 4 Включение параллельно

обмотке реле диода

В этом случае ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке реле при от-

ключении, создает ток, протекающий через обмотку и реле и удерживающий

якорь некоторое время в притянутом положении. Включение диода использует-

ся и для защиты обмотки реле от пробоя под действием перенапряжений при

отключении.

Замедление работы реле обеспечивается и с помощью короткозамкнуто-

го витка (или обмотки) на пути магнитного потока.

К конструктивным методам уменьшения временных параметров реле

относятся уменьшение хода якоря, уменьшение вихревых токов за счет приме-

нения шихтованного (набранного из отдельных пластин) магнитопровода. Сле-

дует также напомнить, что реле постоянного тока являются более быстро-

действующими, чем реле переменного тока.

Порядок выполнения работы

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицы.

2. Ответить на контрольные вопросы:

- Как можно увеличить время срабатывания?

- Какие способы ускорения срабатывания реле постоянного тока Вы знаете?

- Какие схемные методы замедления времени срабатывания и отпускания Вы

знаете?

- Как влияет включение параллельно обмотке реле диода?

- Как влияет установка короткозамкнутого витка (или обмотки) на пути маг-

нитного потока?

- Какие существуют конструктивные методы уменьшения временных парамет-

ров реле?

- Устройство реле постоянного тока.

- Последовательность работы электромагнитного реле постоянного тока.

- Устройство реле переменного тока.

- Способы устранения вибрации реле переменного тока

- Достоинства и недостатки реле постоянного и переменного тока

- Применение реле.

53

Таблица Электромагнитные реле переменного тока

Таблица Электромагнитные реле постоянного тока

Практическая работа №10

54

Анализ устройства, условные обозначения на схемах и

принцип действия индукционного реле максимального тока,

теплового реле и специальных реле

Применяемые приборы и оборудование:

________________________________________________________________

______________________________________________________________

Общие сведения

Индукционное реле

Индукционное реле состоит из двух неподвижных электромагнитов

1 и 2, по обмоткам которых протекают соответственно переменные

токи I1 и I2. В воздушном зазоре электромагнитов установлен алю-

миниевый или медный диск 3, который может поворачиваться отно-

сительно оси 4. Переменные магнитные потоки, создаваемые элек-

тромагнитами 1 и 2, индуцируют ЭДС в диске 3, под действием ко-

торых в диске создаются вихревые токи (так же, как в короткоза-

мкнутом роторе асинхронного двигателя).

Рис. 1 Индукционное реле

Для того чтобы взаимодействие маг-

нитных потоков с вызванными ими же токами привело к созданию

вращающего момента, необходимо наличие сдвига по фазе токов I1

и I2. Только в этом случае в :зазоре индукционного реле будет со-

здано вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как это про-

исходит в двухфазном асинхронном двигателе. При сдвиге фаз меж-

ду токами I1 и I2 в 90° сила взаимодействия магнитного потока элек-

тромагнита 1 с током, индуцированным в диске от потока электро-

магнита 2, будет всегда совпадать по направлению с силой взаимо-

действия магнитного потока электромагнита 2 с током, индуциро-

ванным в диске от потока электромагнита 1. При совпадении токов

I1 и I2 по фазе в среднем за период результирующая сила будет рав-

на нулю.

Вращающий момент, приложенный к диску, определяется по

55

формуле:

Мвр = К I1 I2 sinφ,

где K - постоянный коэффициент, зависящий от конструктив-

ных и обмоточных данных реле;

φ - фазовый сдвиг между I1 и I2.

Этот вращающий момент, преодолевая сопротивление пружины

4, поворачивает диск до тех пор, пока не замкнуться контакты 5.

Поскольку индукционное реле реагирует на фазу, его (как и

электродинамическое) можно применять в качестве реле фазы.

Малая инерция подвижной части позволяет использовать такие

реле как быстрорежущие в схемах автоматической защиты и блоки-

ровки. Особенно они распространены в автоматике на железных до-

рогах. Они могут использоваться в качестве реле тока, напряжения,

мощности, частоты, фазы, сопротивления. Достоинством их являет-

ся то, что они не требуют подвода тока к подвижной части. Чув-

ствительность индукционных реле невелика, для их срабатывания

требуется мощность не менее 0,5 Вт.

Электротермические реле

Электротермические реле предназначены для автоматического переклю-

чения электрических контактов в зависимости от температуры. Задача под-

держание необходимой температуры или отключения, какого либо устрой-

ства при достижении некоторой температуры.

Наиболее широкое распространение получили биметаллические реле.

Элементом, воспринимающим температуру, в таких реле является биметал-

лическая пластина. Она состоит из слоёв двух металлов с различными темпе-

ратурными коэффициентами линейного расширения.

С помощью тепловых реле осуществляется токовая защита различных

электроустановок. В электротермических реле для токовой зашиты, исполь-

зуют тепловое действие электрического тока.

Рис. 2 Тепловое реле

Нагрев биметаллической пластины производится с помощью нагрева-

тельной спирали, по которой проходит ток. На рис. 110, б показана схема реле

защиты электродвигателя от перегрева. Через нагревательную спираль 1 про-

56

ходит ток одной из фаз цепи питания электродвигателя. Если нагрузка элек-

тродвигателя возрастает сверх допустимых пределов, ток в спирали 1 увеличи-

вается, температура растет, и биметаллическая пластина 2 изгибается влево,

освобождая защелку спускового механизма 3. Это приводит к размыканию

контактов 4 реле, которые находятся в цепи питания аппаратуры включения

электродвигателя. После остановки электродвигателя возврат контактов 4 реле

и спускового механизма 3 в исходное положение выполняется в ручную нажа-

тием на кнопку 5 после остывания биметаллической пластины. Но для повтор-

ного запуска электродвигателя этого не достаточно, необходима подача спе-

циального сигнала на аппаратуру включения электродвигателя. Биметалличе-

ские реле обладают большой инертностью и не реагируют на большие, но

кратковременные увеличения тока. Поэтому пусковые токи электродвигателя

не приводят к срабатыванию теплового реле.

Основным недостатком биметаллического реле является низкая точность.

Но благодаря простоте и низкой стоимости они получили преимущественное

распространение.

Входной контроль:

- Назначение короткозамкнутого витка в электромагнитном реле переменного

тока?

- Назначение биметаллической пластины и схемы устройства?

Порядок выполнения работы

1. Перечертите в отчёт принципиальную схему устройства реле максималь-

ного тока.

2. Опишите в отчёте принцип действия реле максимального тока индукцион-

ного типа, теплового реле и электромеханического реле переменного тока.

3. Включите схему и пронаблюдайте работу реле максимального тока и элек-

тромеханического реле.

4. Проведите измерения тока срабатывания 3 раза и определите среднее значе-

ние тока срабатывания: Iср1, Iср2, Iср3,

5. I ср.ср = Iср1 + Iср2 + Iср3 / 3.

6. Эскиз реле максимального тока.

7. Вычисления

____________________________________________________________________

___________________________________________________________

8. Сделайте вывод о применении реле максимального тока, электромеханиче-

ского и теплового реле

9.Изучить материал и заполнить таблицу

57

Таблица Специальные реле

Контрольные вопросы:

- Устройство и принцип действия реле максимального тока индукционного ти-

па?

- Устройство и принцип действия теплового реле

- Устройство и работа специальных реле

- Назначение и принцип действия специальных реле

- Достоинства и недостатки специальных реле

- Применение специальных реле

Список используемой литературы

Ю. Н. Келим «Типовые элементы систем автоматического управления»

58

Практическая работа № 11

Анализ назначения, принципа действия, устройства, применения,

достоинства и недостатки реле времени

Общие сведения

При построении схем управления по принципу времени используются различ-

ные реле времени—электромагнитные, моторные, электронные, пневматиче-

ские.

Электромагнитное реле времени состоит из неподвижной части маг-

нитопровода 2, на котором установлена катушка 1, и подвижной части магнит-

ной системы (якорь 6) с установленными наг ней контактами 8 и 9. При отсут-

ствии напряжения на катушке якорь 6 под действием пружины 4 находится в

поднятом положении.

Рис. 1 Электромагнитное реле

времени

Особенностью конструкции реле времени является наличие на магни-

топроводе 2 массивной медной трубки 3 (гильзы), которая и обеспечивает вы-

держку времени реле при отключении его катушки. Рассмотрим этот процесс

подробнее. Включение реле происходит, как у обычного электромагнитного

реле, подачей напряжения U на катушку 1 после замыкания контакта 10. Якорь

6, притягиваясь к сердечнику, осуществляет без выдержки времени переключе-

ние контактов 8 и 9. Выдержка времени обеспечивается за счет замедления воз-

врата якоря в исходное положение. При снятии с катушки напряжения спада-

ющий магнитный: поток создает в гильзе вихревые токи, которые, по правилу

Ленца, своим магнитным потоком поддерживают основной поток. Другими

словами, наличие гильзы замедляет (демпфирует) спадание магнитного потока,

а тем самым и перемещение якоря и контактной системы в исходное (отклю-

ченное) положение. В соответствии с таким принципом действия электромаг-

нитное реле времени обеспечивает выдержку при размыкании замыкающего

контакта и замыкании размыкающего контакта.

59

Выдержка времени реле регулируется ступенчато путем установки латунной

немагнитной прокладки 7 определенной толщины, закрепляемой на якоре 6

(уменьшение толщины прокладки вызывает увеличение выдержки реле и наобо-

рот), или плавно за счет изменения натяжения пружины 4 с помощью гайки 5. Чем

меньше будет затянута пружина, тем больше будет выдержка времени и наоборот.

Выдержка времени может быть получена у электромагнитного реле без

установки гильзы путем закорачивания катушки после отключения ее от сети. В

этом случае замкнутый контур, образованный катушкой и замыкающим ее

контактом 11, играет роль электромагнитного демпфера. Однако выдержка вре-

мени в этом случае получается меньше, чем у реле с гильзой.

Промышленность выпускает несколько типов электромагнитных реле време-

ни. Реле РЭВ 811—РЭВ 818 обеспечивают выдержку Времени от 0,25 до 5,5 с и

изготовляются с катушками на напряжение постоянного тока 12, 24, 48, 110 и 220

В. Реле времени типа РЭВ 81 обеспечивают выдержку времени от 0,15 до 4 с.

Электронные реле времени обычно в своих схемах используют различ-

ные полупроводниковые элементы (чаще всего транзисторные) и конденсаторы,

время разряда или заряда которых и определяет выдержку времени).

Рис. 2 Электронное реле времени

В исходном положении внешний управляющий контакт К замкнут и на базу

транзистора VT1 подан отрицательный потенциал источника питания GB. Тран-

зистор открыт, при этом потенциал базы транзистора VT2 будет положитель-

ным по отношению к его эммитеру и он будет закрыт. В результате выходное ре-

ле KV будет отключено. В исходном положении конденсатор С будет заряжен с

показанной на рисунке полярностью своих обкладок.

Команда на начало отсчета времени подается при размыкании внешнего

управляющего контакта К. После чего .начинается разряд конденсатора С

через резистор R2 и переход эммитер—база транзистора VT1. В конце разряда

транзистор VT1 закроется, что приведет к появлению на базе транзистора VT2

отрицательного потенциала. Он откроется, по обмотке реле KV начнет про-

текать ток, оно сработает и переключит свои контакты. Отсчет времени закон-

чится.

60

Выдержка времени такого реле определяется временем разряда конденса-

тора С, которое зависит от величины его емкости и сопротивления резистора

R2. Регулируя эти величины, можно устанавливать требуемые выдержки

времени реле. Выпускаемые электронные реле ВЛ обеспечивают выдержку

времени от 0,1 секунды до 10 минут.

Порядок выполнения работы

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицу

2. Ответить на контрольные вопросы:

- Устройство электромагнитного реле времени.

- Как можно увеличить время срабатывания в электромагнитном реле времени?

- Как работает электронное реле времени?

- Как можно увеличить время срабатывания в электронном реле времени?

- Устройство и принцип действия пневматического реле времени. Как изменить

время срабатывания пневматического реле времени?

- Устройство и принцип действия моторного реле времени.

- Как изменить время срабатывания моторного реле времени?

- Применение реле.

Таблица Реле времени

61

Практическая работа № 12

Анализ конструкции, принципа действия и работы:

моторного, цифрового реле времени и пульс-пары

Применяемые приборы и оборудование:

______________________________________________________________________

_________________________________________________________________

Общие сведения:

Устройство и принцип действия электронного цифрового реле времени.

Электронное цифровое реле состоит из одновибратора и подключенного к его

выходу динамического триггера, при этом входной сигнал (запускающий им-

пульс) может быть задержан на время, равное длительности импульса одновиб-

ратора, а динамический триггер реагирует на перепад напряжения, соответ-

ствующий окончанию выходного импульса. Для задания точных, регулируемых

в широком диапазоне интервалов времени применяют таймеры, выпускаемые в

виде интегральных микросхем.

Устройство и принцип действия одновибратора.

Рис. 1 Схема одновибратора

62

Вход элемента Э2 соединен через R с источником ЭДС +Е, превышающим по

уровню логическую единицу. Если Uвх = 0, на выходе элемента Э2 сигнал ра-

вен нулю. Следовательно, на обоих входах Э1 действуют нулевые сигналы, и на

его выходе «1». Если Е=1, то конденсатор С разряжен. При воздействии на вход

31 на выходе Э1 напряжение изменяется до «0». Этот переход напряжения че-

рез С передается на вход элемента Э2 и на его выходе появляется «1». В этом

состоянии одновибратор находится до тех пор пока С не зарядится до напряже-

ния соответствующего «1», от источника +Е через резистор R и малое выходное

сопротивление элемента Э1. Тогда одновибратор вернется в исходное состоя-

щее.

Длительность импульса одновибратора:

tu = R × C × l ×n × U(1) / E – Uпор ;

U (l) - уровень логической единицы

Uпор - пороговый уровень логического элемента

По окончании выходного импульса конденсатор С разряжается через резистор

R. Для уменьшения времени восстановления включен диод Д, который открыва-

ется на время разрядки конденсатора С.

Устройство и принцип действия динамического триггера

Рис. 2 Схема динамического триггера

Для приема информации по одному входу используются D-триггеры.

Триггер переходит в состояние «1» (Q-1), если в момент прихода синхронизи-

рующего сигнала С=1 на его информационном входе сигнал «1» (D=l). В этом

состоянии триггер остается и после окончания сигнала на входе D до прихода

очередного синхронизирующего сигнала, возвращающего триггер в состояние

«О». Таким образом, D-триггер «задерживает» поступившую информацию на

время равное периоду синхронизирующего сигнала.

Устройство и принцип действия пульс-пары.

При включении этой схемы под напряжение срабатывает реле КТ1 и контакт

КТ1 включает после времени выдержки реле КТ2, при этом светодиод Д2 от-

63

ключается, а светодиод Д1 включается после времени выдержки КТ2. Размыка-

ющий контакт КГ2 после истечения времени выдержки отключает КТ1, что вы-

зывает отключение КТ2 замыкающим контактом КТ1, при этом размыкающий

контакт КТ2 вновь замкнется и включит КТ1 и т.д.

Рис. 3 Схема пульс - пары

Входной контроль:

- устройство и принцип действия цифрового реле времени.

- устройство пульс-пары.

Порядок выполнения работы:

1. Запишите в отчет типы используемых на стенде № 1 реле времени.

2. Включите стенд №1, пронаблюдайте его работу.

3. Запишите в отчет описание работы стенда №1.

4. Изучите устройство, и принцип действия электронного цифрового реле вре-

мени и пульс-пары.

5. Запишите в отчет описание устройства и схему электронного цифрового реле

времени и пульс-пары.

6. Составьте и начертите в отчет электрическую схему стенда № 1.

7. Включите стенд № 2 и пронаблюдайте работу пневматического реле време-

ни.

8. Сделайте вывод о применение реле времени.

Описание работы стенда:

_______________________________________________________________

9. Начертить электрическую схему стенда.

Контрольные вопросы:

Расскажите об устройстве и принципе действия:

- пневматического реле времени.

- моторного реле времени, электромагнитного реле времени, электронного реле

времени.

64

Практическая работа № 13

Анализ назначения, принципа действия, устройства, применения

герконовых и шаговых искателей. Достоинства и недостатки.

Общие сведения

Порядок выполнения работы

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицу

2. Ответить на контрольные вопросы:

- Устройство и принцип действия шагового искателя.

- Устройство и принцип действия геркона.

- Достоинства и недостатки магнитоуправляемых контактов и их применение.

- Применение шаговых искателей.

Таблица Устройство герконов и шаговых искателей

65

Практическая работа № 14

Анализ конструкции, принципа действия и работы

магнитного пускателя

Применяемые приборы и оборудование:

____________________________________________________________________

________________________________________________________________

Общие сведения:

Контакторы служат для многократного включение и отключения электриче-

ских установок и защиты от пониженного напряжения.

Контакторы и магнитные пускатели являются наиболее многочисленными и

ответственными аппаратами управления. Их применяют в схемах, где требуют-

ся частые включения и отключения электрических силовых приемников. Для

управления электроприводами металлорежущих станков используют контакто-

ры постоянного и переменного тока различных габаритных размеров и

конструкций, из которых наиболее широко применяют прямоходовую (а) и с

поворотным якорем (б).

Основными узлами таких контакторов являются: система главных контак-

тов 1, дугогасительная камера и электромагнитный механизм включения 2. Для

использования контакторов в схемах автоматики принято устанавливать в них

блок-контакты 3.

Принцип работы контактора заключается в следующем. При подаче

напряжения на катушку электромагнита якорь приходит в движение и по-

движный контакт, связанный с якорем, замыкает и размыкает силовую

цепь. Если катушку электромагнита отключить, то якорь возвращается в

первоначальное положение за счет собственной массы или под действием

возвратной пружины. При номинальных токах свыше 50 А контакторы имеют

дугогасительные камеры, обеспечивающие быстрое гашение дуги при отклю-

чениях, что увеличивает срок службы контактов. Кроме главных контактов,

используемых в силовых цепях для непосредственного включения электро-

двигателей, контактор может иметь одну или несколько пар замыкающих и

размыкающих блокировочных контактов, предназначенных для различных

переключений в цепях управления.

66

Рис. 1 Устройство контактора с прямоходовым якорем

Рис. 2 Устройство контактора с поворотным якорем

Принципиальные отличия контакторов постоянного и переменного тока

заключаются в следующем. Магнитопровод электромагнита контактора пере-

менного тока выполняется шихтованным из электротехнической стали. Это

позволяет значительно снизить потери в магнитопроводе при переменном то-

ке.

В отличие от этого магнитопровод контактора постоянного тока может быть

цельным. В контакторе постоянного тока усилие, притягивающее якорь к

сердечнику, создается постоянным магнитным потоком, в контакторах пере-

менного тока необходимое усилие создается за счет суммы усилий, создавае-

мых двумя переменными потоками, сдвинутыми друг относительно друга по

фазе. Необходимый сдвиг обеспечивается с помощью короткозамкнутого

витка, охватывающего часть полюса сердечника. Наличие короткозамкнуто-

го витка в контакторе переменного тока необходимо, так как без него якорь

будет вибрировать с частотой сети. Для предотвращения залипания якоря на

полюсах сердечника контакторов постоянного тока установлены немаг-

нитные прокладки, в то время как в контакторах переменного тока таких

прокладок нет.

В контакторы переменного тока ПА немагнитную прокладку крепят на

среднем сердечнике, но у нее другое назначение — предотвратить неравно-

67

мерное расклепывание крайних сердечников при включении контактора.

У контакторов постоянного и переменного тока различен характер изменения

тока катушки в момент включения. В первом случае благодаря большой ин-

дуктивности катушки ток нарастает постепенно до установившегося значе-

ния, соответствующего питающему напряжению и сопротивлению катушки.

Во втором случае — у контакторов переменного тока, индуктивность катушки

в момент включения очень мала (из-за большого магнитного сопротивления

разомкнутого магнитопровода) и ток ограничивается только омическим со-

противлением катушки. Вследствие этого скачок тока может достигать 10-

кратного значения тока установившегося режима. По мере втягивания якоря

индуктивность катушки возрастает и ток постепенно снижается до устано-

вившегося значения.

Магнитные пускатели состоят из одного (у нереверсивных магнитных

пускателей) или двух (у реверсивных) контакторов и тепловых реле, за-

крытых общим кожухом.

Магнитные пускатели служат для многократного включение и отключения

электрических установок и защиты от пониженного напряжения иот токов пе-

регрузки.

Следует помнить, что многие контакторы переменного тока принято

называть пускателями. В электрических схемах металлорежущих станков,

как правило, применяют магнитные пускатели ПМЕ, ПА и П6. Особенностью

работы магнитных пускателей является прохождение через их контакты

тока, равного 4—8-кратному значению номинального тока при включении

асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Поэтому к магнитным

пускателям, а особенно к его контактам, предъявляют повышенные требова-

ния по износоустойчивости, коммутационной способности, четкости срабаты-

вания, надежности защиты двигателей от перегрузки. Принимают меры по

усилению контактов магнитных пускателей. При силе тока до 100 А при-

меняют серебряные, а при силе тока свыше 100 А серебряно-кадмиевые

накладки.

Контрольные вопросы:

- Устройство и принцип действия контактора

- Устройство и принцип действия магнитного пускателя

68

Изучение конструкции магнитного пускателя

1. Разобрать контактор

Рис. 3 Контактор в разобранном виде.

Найти крышку, подвижные контакты, якорь, корпус, катушку, нижнюю часть

корпуса, сердечник, пружину, ползунки, на которых устанавливаются подвиж-

ные контакты блок-контактов.

2. Записать технологический процесс сборки контактора

____________________________________________________________________

3. Проанализировать различие конструкции двухфазного и однофазного тепло-

вого реле

___________________________________________________________________________

69

Практическая работа № 15

Анализ схемы управления трехфазным асинхронным двигателем.

Устройства ручного управления и элементы защиты электроприводов.

Работа схемы управления АД с помощью магнитных пускателей.

Применяемые приборы и оборудование:

________________________________________________________________

Общие сведения:

Устройство контактора постоянного тока

Электромагнитный механизм поворотного типа состоит из сердечника 1с

катушкой 2, якоря З и возвратной пружины 4.Сердечник 1 имеет полюсный

наконечник, необходимый для увеличения магнитной проводимости рабочего

зазора электромагнита; Немагнитная прокладка 5 служит для предотвращения

залипания якоря. Силовой контактный узел состоит из неподвижного 6 и по-

движного 7 контактов. Контакт 7 шарнирно закреплен на рычаге 8, связанном с

якорем 3 и прижатом к нему нажимной пружиной - 9.

Подвод тока к подвижному контакту 7 выполнен гибкой медной лентой 10.

Замыкание главных контактов б и 7 происходит с проскальзыванием и перека-

тыванием, что обеспечивает очистку контактных поверхностей от окислов и

нагара. При: срабатывании электромагнитного механизма кроме главных контак-

тов переключаются вспомогательные контакты блокировочного контактного узла

11.

Рис. 1 Устройство контактора

постоянного тока

При размыкании главных контактов 6 и 7 между ними возникает электриче-

ская дуга, ток которой поддерживается за счет ЭДС самоиндукции в обмотках

отключаемого электродвигателя. Для интенсивного гашения электрической дуги

служит дугогасительная камера 12. Она имеет дугогасительную решетку в виде

тонких металлических пластин, которые разрывают дугу на короткие участки;

Пластины интенсивно отводят теплоту от дуги и гасят ее. Однако при большой

частоте включения контактора пластины не успевают остывать и эффективность

70

дугогашения падает.

Автоматические выключатели

Автоматический выключатель предназначен для включения и отключения

электрических цепей и электрооборудования, а также для защиты от больших

токов, возникающих при коротких замыканиях и перегрузках. В отличие от

магнитного пускателя автоматический выключатель не может использоваться

для автоматических систем, использующих электрические управляющие сигна-

лы. Он также не обеспечивает реверса электродвигателя. Автоматический вы-

ключатель часто используют для продолжительного включения нереверсируе-

мых электродвигателей. Может он также использоваться вместо рубильника в

схемах с магнитным пускателем

Устройство автоматического воздушного выключателя (автомата).

С помощью рукоятки 1 производится включение и отключение автомата. В

состоянии, показанном на рисунке, автомат отключен и подвижный контакт 2 не

замкнут с неподвижным контактом 3. Для включения автомата следует взвести

пружину 6, при этом рукоятка 1 перемещается вниз и поворачивает деталь 4, ко-

торая своим нижним концом входит в зацепление с зубом удерживающего ры-

чага 5.

Рис. 2 Устройство автоматического

воздушного выключателя

Теперь автомат готов к включению. Для его включения рукоятку 1 пере-

мещают вверх. Пружина 6 займет такое положение, что шарнирно соединенные

рычаги 7 и 8 перемещаются вверх по отношению к тому положению, когда они

находятся на одной прямой. Автомат включится: цепь тока создается через кон-

такты 2 и 3, расцепители 9 и 10.

Автоматическое отключение автомата происходит при срабатывании расце-

пителей. При длительных токовых перегрузках срабатывает тепловой биметал-

лический расцепитель 10, свободный конец которого перемещается вниз, пово-

рачивая рычаг 5 по часовой стрелке. Зуб рычага расцепляется с деталью 4, ко-

71

торая поворачивается, а рычаги 7 и, 8 проходят мертвое положение. Усилие

пружины 6 направлено вниз, под его действием размыкаются контакты 2 и 3.

Отключение при максимально допустимом токе происходит под действием

электромагнитной силы F3, выводящей зуб рычага 5 из зацепления с деталью 4.

Если произошло автоматическое отключение нагрузки, то рукоятка / остается в

верхнем положении.

Рис. 3 Схема нереверсивного магнитного пускателя

Ручное отключение автомата происходит при перемещении рукоятки вниз.

Возникающая при размыкании контактов 2 и 3 электрическая дуга гасится с

помощью дугогасительной решетки 11.

Автоматы могут снабжаться расцепителями минимального напряжения, от-

ключающими автомат при напряжении в сети ниже допустимого значения. Для

дистанционного управления автоматическим выключателем могут использо-

ваться специальные их конструкции, дополненные электромагнитным приво-

дом рукоятки 1.

Выпускаемые промышленностью автоматические выключатели типов АК,

АП, АЕ имеют от 1 до 3 пар силовых контактов. Они предназначены для цепей

с напряжением от 110 до 500 В при токах в десятки ампер. Время автоматиче-

ского отключения составляет 0,02-0,04 с.

При нажатии на кнопку «пуск» SB2 ток идет по цепи управления по

обмотке КМ1, электромагнит контактора срабатывает, и замыкаются: глав-

ные контакты КМ1 и блок-контакты КМ1.

Блок-контакты КМ1 образуют цепь параллельную кнопке «пуск» SB2,

и контактор становится на самопитание через блок-контакты КМ1, а кноп-

ку «пуск» SB2 можно отпустить.

72

Рис. 4 Схема реверсив-

ного управления асин-

хронным двигателем

Если в силовой цепи снижается напряжение, то уменьшается ток в це-

пи управления, уменьшается электромагнитная сила притяжения якоря

контактора и под действием пружины размыкаются все замыкающие кон-

такты КМ1, то есть двигатель автоматически отключается от сети.

Если в силовой цепи возникают токи перегрузки, которые проходят че-

рез нагревательные элементы КК1, то через расчетное время срабатывают

тепловые (биметаллические) реле, которые также отключают автоматиче-

ски двигатель от сети посредством размыкающих контактов в цепи управ-

ления КК1.

Реверсивная схема включения трехфазного асинхронного двигателя.

Для того чтобы реверсировать (изменить направление вращения) трехфазный

асинхронный двигатель, необходимо изменить порядок чередования фаз на об-

мотке статора. Например, если для прямого вращения фазы подключались в по-

следовательности ABC, то для обратного вращения необходима последователь-

ность АСВ. Поэтому в состав реверсивного магнитного пускателя входят два

контактора: КМ1 для вращения вперед и КМ2 для вращения назад. Кроме того,

реверсивный магнитный пускатель имеет три кнопки управления и тепловые

реле. В ряде случаев в комплект магнитного пускателя входят пакетный пере-

ключатель и плавкие предохранители.

Для включения электродвигателя М в прямом направлении необходимо

нажать кнопку SB2 («Вперед»). При этом срабатывает контактор KМ1 и своими

силовыми контактами подключает к трехфазной сети обмотки электродвигателя.

Одновременно блокировочные контакты KМ1 разрывают цепь питания катушки

контактора КМ2, чем исключается возможность одновременного включения

обоих контакторов. Для реверса электродвигателя надо предварительно

нажать кнопку SB3 («Стоп»). Для включения электродвигателя в обратном

Цепь силовая

73

направлении необходимо нажать кнопку SB2 («Назад»). В этом случае блоки-

ровочные контакты подготавливают цепь управления для нового включения.

Для надежной работы необходимо, чтобы силовые контакты контактора разо-

мкнулись раньше, чем произойдет замыкание блокировочных контактов в цепи

другого контактора. Это достигается соответствующей регулировкой положения

блокировочных контактов по ходу якоря электромагнитного механизма контак-

тора. Для блокировки кнопок SB1 и SB2 используются замыкающиеся блоки-

ровочные контакты соответствующего контактора, подключенные параллельно

кнопке.

Контактор КМ2 своими силовыми контактами подключает к трехфазной

сети обмотки электродвигателя. Последовательность соединения фаз теперь

иная, чем при срабатывании контактора KМ1: две фазы из трех поменялись ме-

стами. При срабатываний контактора КМ2 его блокировочные контакты разры-

вают цепь питания катушки контактора КМ1.

Нетрудно видеть, что при одновременном включении контакторов KМ1 и

КМ2 произошло бы короткое замыкание двух линейных проводов трехфазной

ceти друг на друга. Для того чтобы исключить такую аварию, и нужны блоки-

ровочные размыкающиеся контакты контакторов KМ1 и КМ2. Следовательно,

если подряд нажать обе кнопки (SB1 и SB2), то включится только тот контак-

тор, кнопка которого была нажата раньше (пусть даже на мгновение). Необхо-

димо исключить одновременное срабатывание обоих контакторов, для чего ис-

пользуют двойную или даже тройную блокировку.

Входной контроль:

- Назначение, устройство и принцип действия рубильников и переключателей.

- Назначение, устройство магнитного пускателя.

-Как устраняется дребезжание в магнитопроводе пускателя?

- Назначение блок - контактов контакторов.

Контрольные вопросы.

- Устройство и принцип действия контактора постоянного тока.

-Устройство и принцип действия реверсивного магнитного пускателя

- Устройство автоматического воздушного выключателя (автомата).

- Нереверсивная схема управления асинхронным двигателем.

- Реверсивная схема управления асинхронным двигателем

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомится с оборудованием установки, и прочитать электрическую схему.

2. Собрать схему пуска АД.

74

3. После проверки собранной схемы преподавателем, включить реле КА кноп-

кой SB4 и осуществить пуск кнопкой «вперед» SB2. Проверить работу реле КА.

4. Отпустить кнопку SB4.

5. Осуществить пуск АД кнопкой «вперед» SB2. Замерить пусковой ток по ам-

перметру, сравнить с установившимся значением. Записать показания ампер-

метра.

6. Увеличить нагрузку на вал двигателя поворотом винта нагрузочного устрой-

ства. Замерить ток при изменении нагрузки и определить силы натяжения вет-

вей ремня с помощью динамометров.

Рис. 5 Испытание ревер-

сивного магнитного пус-

кателя

7. Описание работы схемы

___________________________________________________________________________

8. По результатам опыта заполнить таблицу.

Таблица опытных данных.

№ замера I (А) F1(H) F2 (H) F (H) М (Н*м)

1

2

3

4

9. Вычислить: Р=р1-р2; M=F*d/2, где d=0,15 мм - диаметр шкива нагрузочного

устройства. Результаты вычислений записать в таблицу

75

10. Построить график:

I

М

11. Определить функциональные возможности схемы и показать в таблице

№2, какие элементы обеспечивают выполнение этих функций. Работающие

элементы показать плюсом, а не участвующие в данной функции элементы по-

казать минусом.

12. Вывод:

Таблица Функциональные возможности элементов

Функции Пуск

Останов

Защита от КЗ

Защита от

перегрузок

Нулевая

защита

Элементы

QF

FU1

SB1

SB2

КМ

КК

КА

KV

76

Практическая работа № 16

Анализ принципа действия схемы торможения

асинхронного двигателя с помощью электромагнитной муфты.

Определение выдержки времени РВП-2000

Применяемые приборы и оборудование

__________________________________________________________________

______________________________________________________________

Общие сведения

Устройство и принцип действия электромагнитной муфты

Рис. 1 Устройство электромагнитной муфты

Электромагнитная муфта нормального исполнения типа ЭМТ состоит из

корпуса 3 с размещенной внутри него катушкой 4, пакета функциональных

дисков 8 и 9, нажимного диска 10, поводка 11. Указанные выше части муфты

объединены втулкой 2, выполненной из немагнитного материала. На корпус 3

насажено кольцо из изоляционного материала 5, в котором запрессовано кон-

тактное кольцо 6, соединенное с одним концом катушки. Второй конец катуш-

ки присоединен к корпусу станка. Ток к кольцу проводится через контактную

щетку 7. для предотвращения замыкания магнитного потока через диски в ра-

диальном направлении в них вырезают отверстия, расположенные по окружно-

сти напротив катушки. Муфта работает следующим образом. При подаче

напряжения на катушку создается магнитное поле которое, замыкаясь через

фрикционные диски, создает усилие, притягивающее нажимной диск-9 к корпу-

су 3. Фрикционные диски 8 и 9 при этом сцепляются. Два вала соеденены между

собой за счет того, что диски 8 связаны с входным валом 1 через втулку 2, а дис-

ки 9 с выходным валом 12 через поводок 11. После отключения катушки

нажимной диск под действием пружинящих фрикционов отталкивается, и валы

расцепляются.

77

В отличии от муфт нормального исполнения у быстродействующих муфт

фрикционные диски вынесены за пределы магнитной системы, якорь располо-

жен перед фрикционными дисками и весь магнитный поток замыкается через

него. Материал магнитопровода имеет малые потери на размагничивание, а ка-

тушка муфты допускает форсировку возбуждения. Фрикционные диски быстро-

действующих муфт имеют покрытия из металлокерамики, дающей в паре со сталью

большой коэффициент трения. Все это позволяет снизить время срабатывания муф-

ты.

Входной контроль:

- Способы торможения АД, достоинства и недостатки.

- Что такое динамическое торможение, его физическая сущность.

- Как работает схема динамического торможения при пуске?

Порядок выполнения работы:

1 Изучить схему установки.

2 Включить автоматический выключатель SA1, проверить ил=380 В.

3 Включить SA2 и установить реостатом R1 ток 1=6 А, затем отключить SA2.

4 Осуществить пуск двигателя М кнопкой SB2. Определить номинальное значение

частоты вращения двигателя.

5 Включить SA2, SB3 (секундомер).

6 Отключить двигатель кнопкой SB1 и определить по секундомеру и по показа-

нию тахогенератора время торможения.

7 Нажать рычаг сброса секундомера.

8 Увеличить ток с помощью R1 в цепи динамического торможения и отключить

SA2.

9 Повторить пункты 4,5,6,7, 8,9.

Рис. 2 Схема стенда для

исследования работы

муфты

78

10 По результатам опыта заполнить таблицу.

Таблица Опытные данные

I, A

T, сек

Построить график

T

I

11 Определить необходимую выдержку времени по формуле:

Т= (Т1+Т2+Т3) /3

12Вывод

____________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Контрольные вопросы:

- Как работает схема при остановке двигателя?

- Устройство и принцип действия пневматического реле времени

Список используемой литературы:

А.Ф. Комаров «Наладка и эксплуатация электрооборудования металлорежущих

станков»

79

Практическая работа № 17

Анализ работы счетчика импульсов, сумматора,

распределителя импульсов

Порядок выполнения работы.

1. Изучить необходимый материал и заполнить таблицу

2. Ответить на контрольные вопросы:

- Устройство и работа счетчика импульсов,

- Устройство и работа сумматора,

- Устройство и работа распределителя импульсов

Таблица дискретных устройств