7. Методические указания к выполнению лабораторных работ по испытанию контакторов постоянного и переменного тока

7.1. Лабораторная работа № 1. Испытание контактора постоянного тока

7.1.1. Общие сведения

Контакторы являются аппаратами дистанционного управ­ления и применяются для частых включений силовых цепей при нормальных режимах работы. Контакторы обеспечивают 150-1500 включений и выключений в час. Общее число вклю­чений и выключений – до . Применяются контак­торы в установках постоянного и переменного напряжения до 500-650 В, они включают и отключают токи до 600 А.

Объектом испытаний служит контактор постоянного тока КПВ 603.

Паспортные данные КПВ 603:

– напряжение U_K=220B;

– напряжение силовой цепи U =220 В; – ток силовой цепи 160 А.

7.1.2. Программа работы

1. Ознакомиться с конструкцией контактора, его паспорт­ными данными и схемой испытаний.

2. Определить напряжения срабатывания и отпуска.

3. Измерить нажатие контактов и их провал.

4. Измерить время включения и отключения контактора.

Р и с. 7.1. Схема испытаний контактора постоянного тока

7.1.3. Порядок выполнения работы

1. Определение напряжения срабатывания. Переключатель поставить в положение , выключатели , – в положение «ВЫКЛ» (рис. 7.1). Ручку управления автотрансформатора AT повернуть против часовой стрелки до упора. Включить питание стенда – выключатель в положение «ВКЛ». Поворотом ручки управления АТ по часовой стрелке увеличивать напряжение, подаваемое на обмотку контактора, до значения, соответ­ствующего началу движения якоря контактора. Отключить схему выключателем , немного повернуть ручку управле­ния AT по часовой стрелке и снова включить питание. Если четкого срабатывания контактора не происходит, операция повторяется. Напряжение срабатывания фиксируется при четком срабатывании контактора

2. Определение напряжения отпуска. Напряжение на катушке контактора увеличить автотранс­форматором AT до номинального, а затем плавно уменьшить до значения, соответствующего отпаданию якоря. Эта вели­чина фиксируется как напряжение отпуска . Опыт прово­дится три раза. По средним значениям подсчитывается коэффициент возврата :

.

3. Проверка нажатия контактов и их провала. Для обеспечения надежной работы контактора необходи­мо, чтобы нажатие контактов находилось в определенных пределах. При слабом нажатии контакты будут оплавляться вследствие их вибраций, возникающих при включении. Во включенном состоянии такие контакты будут перегреваться. При очень сильном нажатии происходит быстрый износ кон­тактов.

Различают начальное нажатие контактов (в первый мо­мент их соприкосновения) и конечное (в рабочем положении).

Конечное нажатие при линейном соприкосновении кон­тактов принимается равным 1,5-2 кг на 1 см ширины кон­такта.

Начальное и конечное нажатия относятся друг к другу как 1:2.

При работе контактора происходит износ контактов. Для обеспечения при этом их соприкосновения необходим провал контактов, т.е. путь, который пройдет подвиж­ный контакт под действием пружины, если во включенном положении контактора удалить неподвижный контакт. Про­вал считается достаточным, если он равен приблизительно 0,8 толщины контакта.

а. Измерение начального нажатия. Во время измерения контакты должны быть разомкнуты (выключатель в положении «ВЫКЛ»). Динамо­метр прикрепляется к подвижному контакту по линии на­чального соприкосновения контактов (рис. 7.2, а). Между подвижным контактом и упором прокладывается полоска тонкой бумаги. Динамометр плавно оттягивается в направлении, перпендикулярном плоскости контакта. Пока­зания динамометра в момент, когда бумажную полоску мож­но легко сдвинуть, фиксируются как начальное нажатие кон­тактов.

Р и с. 7.2. Определение нажатия и провала контактов

б) Измерение конечного нажатия. Измерение производится при включенном положении кон­тактора (переключатель в положении «ВКЛ», – в положе­нии ). На катушку контактора подает­ся номинальное напряжение. Динамометр прикрепляется к подвижному контакту. Между контактами про­кладывается полоска тонкой бумаги. Динамометр плавно от­тягивается, и его показания фиксируются в тот момент, когда бумажную полоску можно легко сдвинуть. Полученное зна­чение характеризует величину конечного нажатия.

в) Измерение провала контактов. Во время измерения контактор должен быть включен на номинальное напряжение в соответствии с п. б). Уменьшение провала характеризует износ подвижного и неподвижного контактов, поэтому необходимо периодически проверять во время эксплуатации величину провала П. Для данной конструкции контактов (рис. 7.2) измерению подлежит величина П, характеризую­щая величину провала. Измерения провести с помощью обычной линейки.

4. Измерение времени включения и отключения контактора. Время включения и отключения является важным параметром контакторов и определяется их электромагнитным приводом. В большинстве электромагнитов, имеющих обмотку напряжения, процесс срабатывания имеет динами­ческий характер.

После включения питания на обмотку электромагнита происходит нарастание магнитного потока до тех пор, пока сила тяги не станет равной противодействующей силе. После этого якорь начинает двигаться, причем ток и магнитный поток изменяются по весьма сложному закону, определяемому параметрами электромагнита и противодействующей силой. После достижения якорем конечного положения ток и маг­нитный поток будут продолжать изменяться до тех пор, пока не достигнут установившихся значений. Время сраба­тывания электромагнита – это время с момента подачи на­пряжения на обмотку до момента остановки якоря:

,

где – время трогания, представляющее собой время с начала подачи напряжения до начала движения якоря; – время движения, т.е. время перемещения якоря из положения при начальном зазоре до положения при конечном зазоре .

К моменту остановки якоря переходной процесс еще не закончен и ток в обмотке продолжает возрастать от значе­ния до установившегося значения .

Рассмотрим подробно все эти стадии для электромагни­та постоянного тока с обмоткой напряжения.

а) Время трогания. После включения цепи напряжение источника уравновешивается активным падением напряже­ния и противо-ЭДС обмотки:

Так как в начальном положении якоря рабочий зазор относительно велик, то магнитную цепь можно считать ненасыщенной, а индуктивность обмотки – постоянной. По­скольку и , уравнение напряжений имеет вид

.

Решение этого уравнения имеет вид

,

где – установившееся значение тока; – постоянная времени цепи.

Ток обмотки, при котором начинается движение якоря, называется током трогания , а время нарастания тока от нуля до – временем трогания .

Для момента трогания можно записать

,

откуда следует

.

Время трогания пропорционально постоянной времени Т и зависит от отношения , увеличиваясь с приближени­ем этого отношения к единице.

Начинается движение якоря, зазор уменьшается, и его магнитная проводимость и индуктивность обмотки увеличиваются.

б) Время движения якоря электромагнита. Физические процессы в электромагните описываются уравнениями

где – электромагнитная сила, воздействующая на якорь; dx – путь, пройденный якорем; m – масса подвиж­ных частей, приведенная к зазору; v – скорость перемеще­ния якоря, приведенная к зазору; – противодействую­щее усилие пружины, приведенное к зазору.

Вторым уравнением описывается энергетический баланс в электромагните. Работа, произведенная электромагнитом, затрачивается на увеличение кинетической энергии его подвижных частей и преодоление противодействующих сил. Оба эти уравнения нелинейны, и решение их затруднительно. В самом общем случае задача решена Н.Е. Лысовым.

Ускорение подвижных частей электромагнита будет определяться из выражения

.

После интегрирования получим

,

откуда определяется скорость движения якоря и по его значению – величина времени отпускания электромагнита

.

в) Отпускание электромагнита. При размыкании цепи обмотки электромагнита магнитный поток в нем начинает уменьшаться из-за введения в цепь большого сопротивления дугового или тлеющего разряда между контактами. Маг­нитный поток уменьшается, и в момент, когда сила тяги электромагнита становится меньше усилия пружины, проис­ходит отпускание якоря. Время отпускания состоит из времени спада потока от установившегося Ф_у до потока отпускания и времени движения .

Процесс спада тока, а следовательно, и магнитного потока протекает очень быстро. Если сердечник, на котором размещается обмотка, сплошной и имеет большое сечение, то спад магнитного потока замедляется, так как в сердечнике возникают вих­ревые токи, поле которых стремится поддерживать спада­ющий поток. Это необходимо учитывать при рас­чете .

После трогания якоря его движение происходит за счет усилия противодействующей пружины. Таким образом, время отпускания электромагнита определяется соотношением

.

г) Ускорение и замедление срабатывания и отпускания электромагнитов постоянного тока. В большинстве случаев основную часть времени срабатывания составляет время тро­гания. Поэтому для изменения времени срабатывания воз­действуют, прежде всего, на .

Для ускорения срабатывания контактора при неизменных его габаритах применяют специальные схемы форсировки: увеличивают напряжение питания обмотки выше номинального с включением последовательно в цепь балластного сопротивления, шунтируемого размыкающими контактами контактора или ёмкостью. Ёмкость рекомендуется выбирать равной

,

где – индуктивность обмотки электромагнита, Гн; – её активное сопротивление, Ом; – сопротивление добавочного резистора, Ом; – шунтирующая добавочный резистор ёмкость, мкФ.

Измерение времени включения и отключения контактора производится с помощью электросекундомера (рис. 7.3), который по­зволяет измерить промежутки времени длительностью до 10 с с точностью до 0,01 с. Основной частью электросекундомера является электромагнитный вибратор. При протекании через его катушку тока частотой 50 Гц якорь совершает за каждый полупериод одно колебание и поворачивает стрелку на одно деление шкалы, соответствующее 0,01 с.

Если частота питающей сети отлична от 50 Гц, то время определяется по формуле

,

где – показания секундомера; – частота сети, Гц.

Электрический секундомер имеет встроенные добавочные сопротивления, позволяющие включать его в сеть 110 и 220 В.

Фактически электросекундомер (ЭС) измеряет время, в тече­ние которого его катушка обтекается током. Остановить ЭС можно двумя способами:

– разомкнуть цепь питания;

– зашунтировать катушку.

На рис. 7.3 дана принципиальная схема ЭС, где – контакты каких-либо устройств, время работы которых надо измерить; К и – зажимы катушки вибратора.

Р и с. 7.3. Схема включения электросекундомера

Электрическим секундомером в данной схеме можно из­мерить:

– время замкнутого состояния контактов при ра­зомкнутых ;

– время разомкнутого состояния при замкнутом ;

– время от замыкания до замыкания ;

– время от размыкания до размыкания .

Установка стрелок ЭС на нуль после отсчета времени про­изводится плавным поворотом ручки, находящейся внизу спра­ва, в направлении, указанном стрелкой.

Испытуемый контактор препарирован: в его конструкцию введены дополнительные элементы, позволяющие существенно расширить объём испытаний и получить больше информации о контакторах.

На конструкции контактора закреплены два микропереключателя, которые срабатывают под действием перемещения:

– якоря – его переключающие контакты К1.1;

– хвостовика якоря – его переключающие контакты К1.2.

Принципиальная электрическая схема испытаний контактора, представленная на рис. 7.1, позволяет измерять время включения и время отключения контактора, что определяется положением переключателя :

– в правом положении – время включения;

– в левом положении – время отключения.

Кроме того, схема позволяет провести измерения полного времени срабатывания и отдельно времени трогания . По разности полученных значений можно рассчитать время движения .

Для измерения времени включения и отключения контак­тора в схеме испытаний (см. рис. 7.11) используется промежу­точное реле К2, с помощью переключающих контактов которого подается сигнал на включение или отключение контактора и одновре­менно команда на электросекундомер, соответствующая на­чалу отсчета им времени (контакты К2.2; К2.3).

д) Измерение времени включения. При измерении времени включения переключатель ставится в положение , выключатель – в положе­ние «ВКЛ». Проводится измерение времени включения определением двух его значений: времени трогания и полного времени включения . Опыт проводится в следующем порядке:

1. установить переключатели в следующее положение: ;

2. установить показания стрелок ЭС на нуль после отсчета времени: про­водится плавным поворотом ручки, находящейся внизу спра­ва, в направлении, указанном стрелкой;

3. включить питание стенда – выключатель ;

4. установить напряжение питания поворотом ручки управления автотрансформатора равным напряжению ;

5. нажать кнопку «пуск» – «П». После срабатывания контактора снять показания электросекундомера и данные занести в табл. 7.1 в графу ;

6. выключить источник питания стенда (SА1 – в положение «ВЫКЛ»);

7. не трогая ручки управления АТ, перевести переключатель SА3 в положение t_ТР;

8. включить питание стенда, нажать на кнопку «пуск»; после срабатывания контактора снять показания ЭС и занести их в табл. 7.1 в графу ;

9. нажать на кнопку «стоп», установить новое значение напряжения питания и повторить измерения в соответствии с п.п. 2-8, занося результаты измерений в табл. 7.1.

Измерения времени включения провести для 4-6 значений напряжения питания: от до 240 В.

е) Измерение времени отключения. При измерении времени отключения переключатель SА2 перевести в положение t_ОТК, переключатель SА4 – в положение «ВКЛ». Как и в предыдущем пункте, провести измерения времени трогания при отключении и полного времени отключения . Опыт проводится в следующем порядке:

1. установить переключатели в следующие положения: ;

2. включить питание стенда;

3. поворотом ручки управления АТ установить напряжение питания, соответствующее напряжению срабатывания контактора;

4. сбросить показания ЭС;

5. нажать кнопку «пуск»; после отпускания контактора и остановки ЭС снять его показания и занести в табл. 7.2 в графу ;

6. сбросить показания ЭС, нажать кнопку «стоп», переключить переключатель SА3 в положение t_ТР;

7. нажать кнопку «пуск»; после отпускания контактора и остановки ЭС снять его показания и внести в табл. 7.2 в графу .

Измерения времени отключения провести для 4-6 значений от до 240 В и результаты внести в табл. 7.2.

Таблица 7.1

, В
, сек
, сек
, сек

Таблица 7.2

, В
,сек
, сек
, сек

По данным табл. 7.1 и 7.2 построить зависимости:

; ; ;

; ; .

Для замедления срабатывания контактора при отключении в данной лабораторной работе предусмотрена возможность шунтирования обмотки контактора встречно включенным диодом. В этом случае обмотка, шунтированная встречным диодом, при отключении играет роль короткозамкнутой обмотки и приводит к существенному замедлению срабатывания при отключении контактора.

Провести измерения времени отключения контактора с шунтированной обратным диодом обмоткой в следующей последовательности:

1. при отключенном источнике питания включить цепь шунтирования обмотки контактора переключателем SА5 в положение «ВКЛ», SА2 – t_ОТК, SА3 – ;

2. измерения времени отключения провести аналогично предшествующим п.п. 1-6. Результаты измерений внести в табл. 7.3.

Таблица 7.3

, В
, сек
, сек
, сек

По данным табл. 7.3 построить зависимости:

; ; .