close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2013 lab Elektroprivod avtomat

код для вставкиСкачать
МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ
ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА МЕХАНІЗАЦІЇ ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ У ТВАРИННИЦТВІ
МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ
ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ
"Електропривод і автоматизація"
Дніпропетровськ - 2013
Методичні рекомендації до лабораторних занять з дисципліни "Електропривод і автоматизація".
Приведені зміст і методика виконання лабораторних робіт, вказані основні теоретичні положення до кожної з лабораторної роботи містять основні матеріали з питань вибору, розрахунку та застосування технічних засобів. Розкриті основні схемні рішення вмикання тих чи інших технічних засобів. Для самоперевірки складені контрольні запитання. Вказана література.
Матеріал викладено згідно робочої навчальної програми з дисципліни "Електропривод і автоматизація" для студентів денної форми навчання факультету механізації сільського господарства, за напрямом підготовки 6.100102 "Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва" кваліфікації 6.100102 "Технічний фахівець-механік".
Укладач:
Старший викладачО.С. Лапенко
Рецензенти:
кандидат технічних наук, доцентЮ.М. Куценко
кандидат технічних наук, доцентО.С. Гаврильченко
Розглянуто на засіданні кафедри "Механізація виробничих процесів у тваринництві" (протокол № 7 від "05" квітня 2013р.) і ухвалено науково-методичною радою факультету механізації сільського господарства, протокол №10 від 29.05.2013р.
Змістстор.1. Інструктаж з техніки безпеки в лабораторії.42. Лабораторна робота №1 6Дослідження схем керування та захисту трифазного асинхронного двигуна3. Лабораторна робота №2 16Дослідження електромеханічних властивостей асинхронних електродвигунів4. Лабораторна робота №328Дослідження потенціометричних, індуктивних та дротяних тензорезисторних датчиків5. Лабораторна робота №441Дослідженні датчиків освітленості та фотореле6. Лабораторна робота №550Дослідження датчиків температури7. Лабораторна робота №657Дослідження логічних елементів та напівпровідникових підсилювальних пристроїв8. Лабораторна робота №7 70Дослідження нагрівання електродвигуна9. Лабораторна робота №881Дослідження схем гальмування асинхронних електродвигунів10. Лабораторна робота №9 86Дослідження системи електроприводу "тиристорний перетворювач частоти - асинхронний двигун"11. Лабораторна робота №1095Дослідження роботи автоматизованих насосних пристроїв12. Лабораторна робота №11109Дослідження роботи автоматизованих потокових ліній13. Лабораторна робота №12119Дослідження електроприводу доїльних установок14. Лабораторна робота №13 131Дослідження електропривода вантажопідйомних машин.15. Лабораторна робота №14 141Дослідження електропривода ручних електричних машин.16. Лабораторна робота №15149Вивчення автоматизованої електротехнологічної установки "ЛУЧ"Перелік рекомендованої літератури158
Інструктаж з техніки безпеки в лабораторії №333 Мета інструктажу - вивчення правил техніки безпеки, ознайомлення з робочими місцями лабораторії та правилами безпечного виконання робіт. Тренування по діям у ситуаціях при виникненні потерпілого. Надання першої медичної допомоги потерпілому.
Вивчення вимірювальної апаратури робочих місць лабораторії.
Вивчення заземлення та занулення у електроустановках.
Прилади та обладнання:
1) Шафа керування електроживлення робочих місць лабораторії зі звуковою та світловою сигналізацією.
2) Універсальні лабораторні стенди з блоками БП 4822-2 - 6 шт.
3) Амперметри : =50 мкА, = 750 мкА, =10 мА, =300 мА, 300 мА, 1А.
4) Вольтметри : =3 В, =15 В, =50 В, 50 В, 150 В, 250 В, 600 В.
5) Комбінований прилад Ц4352.
6) Люксметр Ф-102.
7) Набір плат.
8) Магазини опорів та реостати.
9) З'єднувальні провідники. 10) Контур заземлення.
Основні теоретичні положення:
Починати вивчення лабораторного курсу необхідно з отримання інструктажу з техніки безпеки, на якому слід вивчити правила безпечного виконання робіт, ознайомитися з робочими місцями лабораторії, правилами безпечного виконання робіт, апаратурою електроживлення лабораторії та способами вмикання/вимикання електроживлення обладнання, в тому числі аварійним вимиканням електроживлення. Також слід розглянути порядок та правила надання першої медичної допомоги потерпілому. На закріплення вивченого матеріалу слід відпрацювати порядок дій у аварійних ситуаціях, в т.ч. при виникненні потерпілого.
Вивчення вимірювальної апаратури робочих місць лабораторії дає можливість більш точно та якісно з високою продуктивністю отримувати дані експериментів. Універсальні лабораторні стенди з блоками БП 4822-2 являють собою спеціально оснащені стенди у вигляді парт з розташованими на них блоками живлення та роз'ємами для збирання дослідних схем. Блоки БП 4822-2 забезпечують наступні можливості:
- режими "Пуск" та "Стоп" подачі напруги на робочі місця з блокуванням у випадку зникання напруги та її появи та зі світловою сигналізацією;
- подачу на дослідні схеми нерегульованих напруг 3-х фазної напруги 220 В 50 Гц, 220 В, 127 В;
- подачу на дослідні схеми регульованих напруг 0...250 В, (=) 0...6,3 В, (=) 0...30 В, = 0...120 В, =0...250 В;
- на спеціально підготовлених платах виконувати надійне та якісне з'єднання елементів.
До вимірювальної апаратури слід віднести вольтметри (мілівольтметри) постійного та змінного струму, амперметри (міліамперметри, мікроамперметри) постійного та змінного струму, вимірювачі опору (омметри, кілоомметри, мегомметри), люксметри, а також прилади, що поєднують у собі декілька функціональних можливостей (наприклад, Ц4352).
Заземлення та занулення у електроустановках. Електроустановки у сільськогосподарському виробництві працюють у досить несприятливих умовах (атмосферний вплив, значний вміст агресивних газів, пари, пилу, підвищена вологість, вібрації тощо), які негативно впливають на стан ізоляції. У таких умовах зростає вірогідність появи на корпусах машин, трансформаторів, генераторів та інших електричних апаратів та приладів потенціалу, що являє собою велику небезпеку для обслуговуючого персоналу. Для забезпечення безпеки людей та тварин необхідно виконувати заземлюючі пристрої, до яких слід надійно підключати металеві частини електроустановок та корпуси електрообладнання, що можуть опинитись під напругою у випадку порушення ізоляції. Захисне заземлення - надійний засіб зниження потенціалу на корпусах та металевих неструмопровідних частинах до безпечного значення. Робоче заземлення - це заземлення нейтралів генераторів, трансформаторів, фази при використанні землі в якості робочого проводу і т.п. Заземлення блискавкозахисту служить для відводу у землю струму блискавки від розрядників та блискавковідводів. Заземлювачем називають металевий провідник (стержень, шина і т.п.), електрично з'єднуючий деталь електроустановки, що заземлюється, з землею. Заземлюючий пристрій (контур) складається з ряду заземлювачів, електрично поєднаних між собою металевою смужкою, дротом, стрічкою і т.п. Напругою доторкання називають напругу між двома точками тіла людини, однією з яких вона доторкається до частини електроустановки, що знаходиться під напругою, а іншою - до землі.
Зануленням називають навмисне електричне з'єднання металевих частин, що нормально не знаходяться під напругою, з глухозаземленою нейтраллю джерела живлення шляхом нульових захисних провідників. Це не потребує передбачати допоміжне заземлення занулених елементів електроустановок. А нульовий дріт може мати повторні заземлення. Будь-яке замикання струмоведучих частин на занулені частини перетворюється таким чином у однофазне коротке замикання, що призводить до відключення аварійної дільниці мережі. Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, з інструкцією з техніки безпеки в лабораторії №333, теоретичними матеріалами, підготувати звіт.
2. Вивчити правила техніки безпеки, ознайомитися з робочими місцями лабораторії та правилами безпечного виконання робіт.
3. Потренуватися по діям у ситуаціях при виникненні потерпілого, з надання першої медичної допомоги потерпілому.
4. Вивчення вимірювальної апаратури робочих місць лабораторії. Розглянути вимірювальну апаратуру робочих місць лабораторії, її характеристики, склад та застосування для проведення робіт.
5. Вивчення заземлення та занулення у електроустановках. Розглянути заземлення та занулення робочих місць лабораторії. Візуально оглянути стан заземлення та занулення робочих місць лабораторії.
6. Після закінчення роботи прибрати робоче місце, повернути інструкції до виконання робіт, роздатковий матеріал та інструменти керівнику робіт.
Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.
Контрольні питання:
1. Поясніть основні правила техніки безпеки та правила безпечного виконання робіт. 2. Поясніть характеристику вимірювальної апаратури робочих місць лабораторії.
3. З якою метою виконують заземлення та занулення у електроустановках?
4. Як практично виконують заземлення та занулення у електроустановках? Література: [9], с.456-494.
Завдання на самостійну підготовку: вивчити теорію, підготувати звіт.
Лабораторна робота № 1
Дослідження схем керування та захисту трифазного асинхронного двигуна
Мета роботи: отримати навички в дослідженні та застосуванні апаратури керування та захисту трифазного асинхронного двигуна.
Прилади та обладнання:
1. Апаратура керування та захисту електрообладнання (рубильники, проміжні реле, запобіжники, перемикачі, автоматичні вимикачі, теплові реле, реле часу, шляхові вимикачі, електромагнітні пускачі, кнопки керування, спеціальні захисні пристрої).
2. Прилад комбінований Ц4352.
3. Універсальний лабораторний стенд.
4. Трифазний асинхронний електродвигун з КЗ ротором 1,5 кВт, 1500 об/хв.
5. Лампи розжарювання.
6. З'єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:
Керування електроприводом - це комплекс дій, які забезпечують пуск, зупинку, гальмування, реверсування, регулювання і стабілізацію швидкості, здійснення заданого режиму роботи привода, сигналізацію про стан окремих його ланок, захист від ненормальних режимів роботи і аварій тощо. Залежно від участі в цих діях людини (оператора) розрізняють два способи керування: неавтоматичне (ручне) та автоматичне.
Неавтоматичним (ручним) називають керування, при якому оператор бере безпосередню участь як у створенні початкового керуючого імпульсу, так і в усіх наступних операціях по керуванню електроприводом (наприклад, комутація електричних кіл привода за допомогою рубильників і перемикачів, пакетних вимикачів і перемикачів та інших апаратів ручного керування).
Автоматичним вважають таке керування, при якому основні операції керування здійснюються без участі оператора. Його роль зводиться лише до подачі команд і контролю за їх виконанням. Часто і самі ці команди подаються різними автоматичними пристроями.
Автоматичне керування електроприводами дає можливість підвищити продуктивність робочих машин, зменшити витрати електроенергії на виробництво одиниці сільськогосподарської продукції, значно знизити затрати і підвищити продуктивність праці обслуговуючого персоналу. При автоматичному керуванні створюються найсприятливіші умови для контролю за ходом технологічного процесу і забезпечення оптимального режиму роботи обладнання.
Під системою автоматичного керування електропривода розуміють сукупність механічних, електромеханічних, напівпровідникових та інших елементів, за допомогою яких здійснюється керування. Система автоматичного керування може бути розімкненою або замкненою.
Розімкненою називають таку систему автоматичного керування, при якій із зміною збурюючої дії (наприклад, навантаження на валу двигуна) змінюється раніше заданий режим роботи електропривода і відновлення цього режиму без втручання оператора неможливе.
Замкненою називають систему автоматичного керування, при якій із зміною збурюючої дії заданий режим роботи електропривода не змінюється. Заданий режим підтримується керуючими діями, що створюються за допомогою засобів зворотного зв'язку.
У сільськогосподарському виробництві в основному використовують розімкнені системи автоматичного керування
Принципи автоматичного керування електроприводами
Пуск електродвигуна М здійснюємо наступним чином (рис.1):
- вмикаємо автоматичний вимикач QF;
- натискаємо кнопку "Пуск" SB2, при цьому струм надходить на котушку електромагнітного пускача КМ, яка намагнічується і замикає силові контакти пускача КМ силового кола та допоміжні контакти КМ кола керування;
Рис.1 Схема електрична принципова керування пуском асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором
- електродвигун починає працювати;
- для зупинки електродвигуна натискаємо кнопку "Стоп" SВ1;
- коло керування захищене від коротких замикань запобіжником FU, від перевантажень - контактами теплового реле КК1 та КК2;
- силове коло від коротких замикань та перевантажень захищене автоматичним вимикачем QF.
Для реверсування електродвигуна (можливості обертання валу двигуна у зворотньому напрямку) паралельно до електромагнітного пускача КМ1 підключаємо пускач КМ2, замінюючи при цьому будь-які 2 фази (рис.2).
Для реверсування двигуна натискаємо кнопку "Пуск" SB2, вал двигуна починає обертатися у зворотньому напрямку. Комутація здійснюється через електромагнітний пускач КМ2. В умовах сільськогосподарського виробництва здебільшого автоматизують керування пуску і гальмування асинхронних електродвигунів.
При пуску і гальмуванні з часом змінюються значення струмів у колах статора і ротора, обертаючий момент, швидкість обертання та інші параметри двигуна. Підтримувати величину цих параметрів в заданих межах можна відповідним перемиканням електричних кіл, зміною опору пускових і гальмівних резисторів, регулюванням напруги та іншими способами. Керування пуском і гальмуванням асинхронних двигунів переважно здійснюється у функції часу, струму або швидкості.
Рис.2 Схема електрична принципова реверсування асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором
Керування у функції часу полягає в тому, що перемикання електричних кіл, зміну опору пускових і гальмівних резисторів, підвищення або зниження напруги здійснюється в певний час, коли параметри двигуна (струм, момент, швидкість та інші) досягають заданих значень. Час контролюється за допомогою реле часу з відповідними видержками часу. Керування у функції часу можливе для усіх типів двигунів і на практиці найбільш поширене.
Керування пуском асинхронного двигуна з фазним ротором у функції часу (рис.3) здійснюють так. Натисканням на кнопку "Пуск" SB2 подають напругу на котушку лінійного контактора КМ1. Він спрацьовує і своїми головними замикачами контактами вмикає обмотку статора двигуна в електричну мережу, а допоміжним замикаючим контактом закорочує кнопку SB2 і подає напругу на котушку реле часу КТ1. Двигун розганяється при ввімкненому в коло ротора блоці пускових резисторів R1...R6. Реле часу КТ1 спрацьовує і своїм замикаючим контактом з видержкою часу подає напругу на котушки контактора прискорення КМ2 та реле часу КТ2, внаслідок чого вони спрацьовують. При спрацюванні контактора КМ2 замикаються його головні замикаючі контактори і закорочують перший ступінь блока резисторів R1...R3. Двигун продовжує розганятися при зменшеному опорі роторного кола. При спрацюванні реле КТ2 з видержкою часу подається напруга на котушку контактора КМ3 на саможивлення, а допоміжним розмикаючим контактом розмикає кола котушок контактора КМ2 та реле КТ1 і КТ2, позбавляючи їх живлення. Далі двигун розганяється при повністю замороченому блоці резисторів R1...R6 до швидкості, що відповідає навантаженню на його валу.
Рис.3 Схема електрична принципова керування пуском асинхронного двигуна з фазним ротором у функції часу
Керування у функції струму здійснюється за допомогою реле струму, ввімкнених в коло якоря двигуна постійного струму або в коло статора чи ротора двигуна змінного струму. Коли струм в колі якоря (статора, ротора) досягає певного, наперед заданого значення, реле вмикають контактори або інші комутаційні апарати, які змінюють з'єднання електричних кіл двигуна, закорочують окремі ступені пускових, гальмівних і регулювальних резисторів тощо.
Спрощена принципіальна схема керування пуском асинхронного двигуна з фазним ротором у функції струму показана на рис.4. Пуск здійснюється так. Натисканням на кнопку "Пуск" SB2 подається напруга на котушку лінійного контактора КМ1. Він спрацьовує і своїми головними замикаючими контактами вмикає обмотку статора двигуна на напругу електромережі, а допоміжними замикаючими контактами закорочує кнопку SB2 і подає напругу на блокувальне реле KV. На початку пуску в колі ротора находять максимальний пусковий струм, тому реле струму КА1 і КА2, котушки яких ввімкнені в це коло, спрацьовують і розмикають свої розмикаючі контакти в колах котушок контакторів прискорення КМ2 і КМ3. Це відбувається раніше, ніж замикання контакту блокувального реле КV, власна тривалість спрацювання якого більше від тривалості спрацювання реле КА1 і КА2. Тому контакти контакторів КМ2 і КМ3 залишаються розімкненими і двигун розганяється при ввімкненому в коло ротора блоці пускових резисторів R1...R6. Швидкість обертання двигуна зростає, а пусковий стум зменшується. При певних значеннях струму реле КА1 і КА2 по черзі повертається у вихідне положення і своїми розмикаючими контактами подають напругу в котушки контакторів прискорення КМ2 і КМ3. При цьому спочатку спрацьовує контактор КМ2 і своїми головними замикаючими контактами закорочує перший ступінь R1...R3,а потім, через деякий час, спрацьовує контактор КМ3 і скорочує другий ступінь R4...R6, блока пускових резисторів. Далі двигун розганяється до повної швидкості при закороченому блоці резисторів R1...R6.
Рис.4 Схема електрична принципова керування пуском асинхронного двигуна з фазним ротором у функції струму
Керування у функції швидкості можна здійснювати за допомогою реле швидкості, або реле, які реагують на зміну інших величин, що перебувають у прямій залежності від швидкості. Для двигунів постійного струму такою величиною є е.р.с., а для двигунів змінного струму - е.р.с., або частота струму ротора.
Керування пуском асинхронного двигуна з фазним ротором у функції частоти струму ротора (рис.5) здійснюється за допомогою реле частоти KF, магнітний потік якого створює спільною дією протилежно направлених магніторушійних сил котушки і короткозамкненого витка реле. На початку пуску частота струму ротора висока, тому струм в короткозамкненому витку і його розмагнічуюча дія великі, тому магнітний потік реле порівняно малий. Через це реле KF не спрацьовує і двигун розганяється при ввімкненому в коло ротора блоці пускових резисторів R1...R3. При зростанні швидкості двигуна частота струму ротора знижується, струм в короткозамкненому витку і його розмагнічувальна дія зменшується, а магнітний потік реле збільшується. Коли швидкість двигуна і частота струму ротора досягають певних значень, KF спрацьовує і своїм замикаючим контактом подає напругу на котушку контактора прискорення КМ2. Контактор КМ2 спрацьовує і закорочує блок резисторів R1...R3. Далі двигун розганяється при закороченому блоці резисторів до швидкості, що відповідає його навантаженню. Якщо при пуску двигуна застосовують кілька ступенів блока резисторів, то стільки ж треба мати реле, відрегульованих на різні частоти струму.
Рис.5 Схема електрична принципова керування пуском асинхронного двигуна з фазним ротором у функції частоти струму ротора
Блокіровки в схемах керування. У схемах автоматичного керування електроприводами найчастіше застосовують блокіровки, що забезпечують задану послідовність або одночасність вмикання і вимикання кількох двигунів, не допускають одночасного вмикання контактів або інших апаратів, запобігають мимовільному пуску двигунів, нещасним випадкам і аваріям, які можуть виникнути внаслідок неправильних дій обслуговуючого персоналу, тощо.
Щоб забезпечити задану послідовність вмикання в електромережу двигунів М1 і М2 (рис.6),треба послідовно з котушкою електромагнітного контактора КМ2, призначеного для керування двигуном М2, ввімкнути допоміжний замикаючий контакт контактора КМ1, призначеного для керування двигуном М1. При цьому вмикання двигуна М2 буде можливим лише після замикання допоміжного замикаючого контакту контактора КМ1, тобто після вмикання двигуна М1.
Для того щоб двигуни М1 і М2 (рис.7) вмикались тільки одночасно, треба послідовно з котушкою контактора КМ2, призначеного для керування двигуном М2, ввімкнути допоміжний замикаючий контакт контактора КМ1, призначеного для керування двигуном М1, а допоміжний замикаючий контакт контактора КМ2 приєднати паралельно кнопці "Пуск" SB2. Вмикання двигунів здійснюється так. Натисканням на кнопку SB2 подається напруга на котушку контактора КМ1. Він спрацьовує і своїми головними замикаючими контактами (на схемі не показані) вмикає двигун М1 в електромережу, а допоміжним замикаючим контактом подає живлення на котушку контактора КМ2. Контактор КМ2 теж спрацьовує і вмикає двигун М2. У тому випадку, коли з будь-яких причин контактор КМ2 не спрацьовує і двигун М2 не вмикається, при відпусканні кнопки SВ2 зупиняється і двигун М1. Одночасне вимикання обох двигунів здійснюється за допомогою кнопки "Стоп" SВ1.
Щоб не допустити одночасного вмикання контакторів КМ1 і КМ2 (рис.8), а треба послідовно з котушкою контактора КМ1 приєднати допоміжний розмикаючий контакт контактора КМ2, а послідовно з котушкою контактора КМ2 - допоміжний розмикаючий контакт контактора КМ1. При цьому, якщо один з контакторів ввімкнути, то його допоміжний розмикаючий контакт в колі котушки другого контактора розімкнеться і вмикання другого контактора стане неможливим. Таку блокіровку можна здійснити також за допомогою здвоєних кнопок, що мають по одному розмикаючому і одному замикаючому контакту(рис.9). При натисканні на кнопку SB2 її замикаючий контакт замикає коло котушки контактора КМ1, а розмикаючий - розмикає коло котушки контактора КМ2. Якщо ж натиснути на кнопку SB3, то, навпаки, замкнеться коло котушки контактора КМ2 і розімкнеться коло котушки контактора КМ1. При одночасному натисканні на обидві кнопки розмикаються кола котушок обох контакторів і вони вимикаються. Одночасне вмикання обох контакторів неможливе.
Мимовільному пуску двигуна, що відбувається після зупинки його внаслідок значного зниження або повного зникнення напруги електромережі і наступного відновлення її, необхідно запобігати у тих випадках, коли такий пуск не можна допустити за умовами технологічного процесу або умовами техніки безпеки. Запобігають мимовільному пуску найчастіше за допомогою електромагнітного контактора і кнопки "Пуск". Якщо напруга електромережі нормальна, то при натисненні на кнопку "Пуск" SB2 (рис.10) одержить живлення котушки контактора КМ. Він спрацює і своїми головними замикаючими контактами ввімкне двигун в електромережу, а допоміжним замикаючим контактом закоротить кнопку SB2. Після цього натискання на кнопку SB2 припиняють і вона повертається у вихідне положення, розмикаючи свій замикаючий контакт. Живлення котушки контактора КМ триває через контакт, що закорочує кнопку SB2. Якщо з будь-яких причин напруга електромережі значно знизиться або зникне, то контактор повернеться у вихідне положення і своїми головними контактами вимкне двигун з електромережі, а допоміжним розімкне коло своєї котушки. Наступний пуск двигуна після відновлення напруги можливий тільки після натискання кнопки "Пуск" SB2. Нещасним випадкам і аваріям запобігають за допомогою кінцевих вимикачів, електричних замків та інших пристроїв. Як приклад на рис.11 показано схему блокувального кола, що забезпечує переміщення рухомого елемента робочої машини в заданих межах і вимикання приводного двигуна цієї машини, коли елемент переміститься за допустимі межі. При нормальному режимі роботи рух елемента вліво припиняється після розмикання кінцевого вимикача SQ1, а рух вправо - після розмикання кінцевого вимикача SQ2. Якщо з будь - яких причин кінцевий вимикач SQ1 або SQ2 не розімкнеться, то рухомий елемент машини переміститься за допустимі межі і розімкнеться відповідний аварійний кінцевий вимикач SQ3 або SQ4. При цьому котушка лінійного контактора КМ позбавиться живлення і він вимкне двигун з електромережі.
Рис.6. Пуск у заданій послідовності
Рис.7. Одночасний пуск
Рис.8. Одночасна робота двигунів неможлива
Рис.9. Одночасна робота двигунів неможлива
Рис.10. Мимовільний пуск двигуна неможливий
Рис.11. Забезпечується переміщення рухомого елемента робочої машини в заданих межах
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню блокувальних звя'зків у схемах керування електроприводами з використанням пускової та захисної апаратури, підготувати звіт.
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схеми досліджень (рис.1, 2). Зібравши дослідну схему, покликати керівника виконання робіт і тільки після перевірки та з його особистого дозволу та контролю подавати напругу на схему керування електроприводом з використанням блокувальних зв'язків.
3. Впевнитись в тому, що схема зібрана вірно, є робочою та здійснює відповідні блокувальні звяۥзки при керуванні електроприводом.
4. Виключити живлення лабораторної установки, повернути органи керування у початкове положення.
5. Прибрати робоче місце. Після закінчення роботи прибрати робоче місце, повернути інструкції до виконання робіт, роздатковий матеріал та інструменти керівнику робіт.
Контрольні питання:
1. Яку роль відводять блокіровкам у схемах керування електроприводами?
2. Поясніть використання блокувальних звۥязків у схемах керування електроприводами рис.1 - рис.11.
3. Складіть схему керування електроприводами - трифазними асинхронними електродвигунами з КЗ ротором, у якій пуск другого двигуна здійснюється з витримкою часу після пуску першого з використанням електромеханічного реле витримки часу.
4. Поясніть вибір пускозахисної апаратури для реалізації блокіровок у схемах автоматичного керування електроприводами сільськогосподарського призначення.
Література: [ 3 ] , c 84-126.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота № 2
Дослідження електромеханічних властивостей асинхронних двигунів.
Мета роботи: вивчити конструкцію асинхронного електродвигуна, засвоїти правила визначення "початків" та "кінців" обмоток статора, дослідити роботу двигуна при пускових і номінальних режимах, а також при обриві однієї з фаз статора перед пуском та під час його роботи при з'єднанні обмоток статора "зіркою " і "трикутником ".
Прилади та обладнання:
1. Універсальний лабораторний стенд.
2. Трифазний асинхронний електродвигун з КЗ ротором 1,5 кВт, 1500 об/хв.
3. Лампи розжарювання.
4. З'єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:
Трифазний асинхронний двигун винайшов російський інженер-винахідник М. О. Доліво-Добровольський в 1889 р. Цей двигун має значні переваги над іншими електричними машинами: простий у конструктивному відношенні, надійний, не має потреби в збудженні. Ці переваги асинхронних двигунів дозволили широко застосовувати їх у промисловості, сільському господарстві та інших галузях народного господарства всіх країн світу.
Асинхронний двигун складається з двох основних частин, розділених повітряним зазором: нерухомого статора й обертового ротора. Кожна з цих частин має осердя й обмотку. При цьому обмотка статора включається в мережу і є як би первинною, а обмотка ротора - вторинною, тому що енергія в неї надходить з обмотки статора за рахунок магнітного зв'язку між цими обмотками, як у трансформатора.
За своєю конструкцією асинхронні двигуни поділяються на два види: двигуни з короткозамкнутим ротором і двигуни з фазним ротором. Будову трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором показано на рис. 1. Двигуни цього виду мають найбільш широке застосування.
Нерухома частина двигуна - статор - складається з корпусу 11 та осердя 10 із трифазною обмоткою. Корпус двигуна відливають з алюмінієвого сплаву чи з чавуну, або роблять зварним. Розглянутий двигун має закрите обдувне виконання. Тому поверхня його корпусу має ряд повздовжніх ребер, призначення яких полягає в тому, щоб збільшити поверхню охолодження двигуна.
У корпусі розташоване осердя 10 статора, що має шихтовану конструкцію: відштамповані листи з електротехнічної сталі, яка має найменші втрати на перемагнічування, товщиною, звичайно, 0,5 мм покриті шаром ізоляційного лаку, зібрані в пакет і скріплені спеціальними скобами чи повздовжніми зварними швами по зовнішній поверхні пакета. Така конструкція осердя сприяє значному зменшенню вихрових струмів Фуко, що виникають у процесі перемагнічування осердя обертовим магнітним полем. На внутрішній поверхні осердя статора є повздовжні пази, у яких розташовані пазові частини обмоток статора. Фазні обмотки виготовляють з ізольованого мідного проводу, який укладають у пази таким чином, щоб між їх серединами був кут 120О.
У розточці статора розташована обертова частина двигуна - ротор, що складається з вала 1 і осердя 9 із короткозамкнутою обмоткою. Така обмотка, названа "колесо білки", являє собою ряд металевих (алюмінієвих чи мідних) стержнів, розташованих у пазах осердя ротора, замкнутих із двох сторін короткозамикаючими кільцями (рис. 2а). Рис. 1 - Будова трифазного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором: 1 - вал; 2, 6 - підшипники; 3, 7 - підшипникові щити; 4 - коробка виводів; 5 - вентилятор; 8 - кожух вентилятора; 9 - осердя ротора з короткозамкнутою обмоткою; 10 - осердя статора з обмоткою; 11 - корпус; 12 - лапи
Осердя ротора також має шихтовану конструкцію, але листи ротора не покриті ізоляційним лаком, а мають на своїй поверхні тонку плівку окислу. Це є достатньою ізоляцією, що обмежує вихрові струми, тому що величина їх невелика через малу частоту перемагнічування осердя ротора. Наприклад, при частоті мережі 50 Гц і номінальному ковзанні 6 % частота перемагнічування осердя ротора складає 3 Гц. Ротор і статор розділені повітряним зазором.
Короткозамкнута обмотка ротора в більшості двигунів виконується заливанням зібраного осердя ротора розплавленим алюмінієвим сплавом. При цьому одночасно зі стержнями обмотки відливаються короткозамикаючі кільця і вентиляційні лопатки (див. рис. 2б).
Рис. 2 - Короткозамкнутийротор: а -обмотка "клітка білки"; б - ротор з обмоткою, виконаної методом лиття під тиском; 1 - вал; 2 - короткозамикаючі кільця; 3 - вентиляційні лопатки
Вал ротора обертається (див. рис. 1) у підшипниках кочення 2 і 6, розташованих у підшипникових щитах 3 і 7. Охолодження двигуна здійснюється методом обдування зовнішньої поверхні корпуса з ребрами. Потік повітря створюється відцентровим вентилятором 5, прикритим кожухом 8. На торцевій поверхні цього кожуха є отвори для забору повітря.
Кінці обмоток фаз виводять на затискачі коробки виводів 4. Звичайно асинхронні двигуни призначені для включення в трифазну мережу на дві різні напруги, що відрізняються в разів. Наприклад, двигун розрахований для включення в мережу на напруги 220/380 В. Якщо в мережі лінійна напруга 380 В, то обмотку статора варто з'єднати зіркою, а якщо 220 В, то трикутником. В обох випадках напруга на обмотці кожної фази буде 220 В. Виводи обмоток фаз позначають так, як вказано в табл. 1. і розташовують на панелі таким чином, щоб з'єднання обмоток фаз було зручно виконувати за допомогою перемичок без перехрещування останніх (рис. 3).
Рис. 3 - Схеми з'єднань обмоток статора трифазних асинхронних двигунів: а - зіркою; б - трикутником
Таблиця 1
Позначення виводів обмоток статора асинхронного двигуна
Номер фазиПочаток фазиКінець фази1С1С42С2С53С3С6 Монтаж двигуна в місці його установки здійснюється або за допомогою лап 12 (див. рис. 1), або за допомогою фланця. В останньому випадку на підшипниковому щиті (звичайно, з боку виступаючого кінця вала) роблять фланець з отворами для кріплення двигуна на робочій машині. Для запобігання можливому враженню обслуговуючого персоналу електричним струмом двигуни обладнують болтами для підключення до заземлення (не менше двох). Умовне позначення асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором на електричних схемах приведено на рис. 5 а. Інший різновид трифазних асинхронних двигунів - двигуни з фазним ротором - конструктивно відрізняються від розглянутого двигуна, головним чином, будовою ротора (рис. 4). Статор цього двигуна також складається з корпуса 3 та осердя 4 із трифазною обмоткою. У нього є підшипникові щити 2 і 6 із підшипниками кочення 1 і 7. До корпуса 3 прикріплені лапи 10 і коробки виводів 9. Однак ротор має більш складну конструкцію. На валі 8 закріплене шихтоване осердя 5 із трифазною обмоткою, виконаною аналогічно обмотці статора. Цю обмотку з'єднують зіркою, а її кінці приєднують до трьох контактних кілець, розташованих на валі й ізольованих одне від одного і від вала. Для здійснення електричного контакту з обмоткою обертового ротора на кожне контактне кільце 1 накладають, звичайно, дві щітки 2, розташовані в щіткотримачах 3. Кожен щіткотримач обладнаний пружинами, що забезпечують притискання щіток до контактного кільця з визначеним зусиллям.
Асинхронні двигуни з фазним ротором мають більш складну конструкцію і менш надійні, але вони мають кращі регулювальні і пускові властивості, ніж двигуни з короткозамкнутим ротором. Умовне позначення асинхронного двигуна з фазним ротором на електричних схемах приведено на рис. 5 б. Обмотка ротора цього двигуна з'єднана з пусковим реостатом ПР, що створює в колі ротора додатковий опір RД.
На корпусі асинхронного двигуна прикріплена табличка, на якій зазначені тип двигуна, назва заводу-виготовлювача, рік випуску і номінальні дані (корисна потужність, напруга, струм, коефіцієнт потужності, частота обертання, ККД та ін.).
Відповідно до принципу оборотності електричних машин, асинхронні машини можуть працювати як у рушійному, так і в генераторному режимах. Крім того, можливі ще й режими електромагнітного гальмування противмиканням, динамічного та ін.
Рис. 4 - Будова трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором: 1, 7 - підшипники; 2, 6 - підшипникові щити; 3 - статор; 4 - осердя статора з обмоткою; 5 - осердя ротора; 8 - вал; 9 - коробка виводів; 10 - лапи; 11 - контактні кільця
Принцип роботи асинхронного двигуна заснований на використанні обертового магнітного поля статора. Для того, щоб у статорі двигуна утворилось обертове магнітне поле, необхідно дотримуватись трьох таких вимог:
1) середини обмоток статора двигуна повинні знаходитись під кутом 120О одна відносно одної (ця вимога забезпечується при виготовленні двигунів на заводах);
2) струми в обмотках статора двигуна повинні бути зсунутими один відносно одного на третину періоду або на 120О, якщо врахувати, що повний період, рівний 360О (таке співвідношення між струмами та напругами забезпечується при виробленні трифазного струму на електростанціях, що передається по трифазній мережі);
Рис. 5 - Умовні позначення асинхронного двигуна на електричних схемах: а - з короткозамкнутим ротором; б - з фазним ротором
3) струми в усіх обмотках статора двигуна повинні протікати в однаковому напрямі: від "початків" до "кінців" або від "кінців" до "початків" - різниці немає, але якщо в одній обмотці струм протікає від "початку" до "кінця", то й у двох інших обмотках він повинен протікати від "початків" до "кінців" і навпаки (ця вимога повинна забезпечуватися при підключенні двигунів до мережі).
Асинхронний двигун працює таким чином. При включенні обмотки статора в мережу трифазного струму виникає обертове магнітне поле статора, частота обертання якого називається синхронною пС і визначається виразом:
(1)
де f - частота струму живлення; p - число пар полюсів.
Оскільки в Україні електростанції генерують змінний струм із частотою f=50 Гц, то залежно від числа пар полюсів - р синхронна частота обертання магнітного поля статора nс може приймати значення, що вказані у табл. 2:
Таблиця 2
Синхронні частоти обертання магнітного поля статора
р123456nс об/хв300015001000750600500 У сільському господарстві використовуються в основному асинхронні двигуни із синхронними частотами обертання магнітного поля статора рівними 3000, 1500 чи 1000 об./хв.
Обертове поле статора зчіплюється як з обмоткою статора, так і з обмоткою ротора і наводить у них ЕРС. Будучи ЕРС самоіндукції, вона діє зустрічно прикладеній до обмотки напрузі й обмежує значення струму в обмотці. Обмотка ротора замкнута, тому ЕРС ротора породжує в стержнях обмотки ротора струми. Взаємодія цих струмів із полем статора створює на роторі електромагнітні сили РЕМ, напрямок яких визначають за правилом "лівої руки". Сукупність сил РЕМ створює на роторі електромагнітний момент М, що приводить його в обертання з частотою n < nс у сторону обертання поля статора. Величину електромагнітного моменту М можна визначити за залежністю:
, (2) де к - постійний коефіцієнт; Ф - магнітний потік обмоток двигуна; І2 - струм в обмотках ротора; - кут зсуву фаз між струмом І2 та ЕРС ротора.
Обертання ротора за допомогою вала передається виконавчому механізмові. Таким чином, електрична енергія, що надходить із мережі в обмотку статора, перетворюється в механічну енергію обертання ротора двигуна.
Напрямок обертання магнітного поля статора, а отже, і напрямок обертання ротора залежать від порядку чергування фаз напруги, що підводиться до обмотки статора. Частота обертання ротора п, названа асинхронною, завжди менша частоти обертання поля пс, тому що тільки в цьому випадку відбувається наведення ЕРС в обмотці ротора асинхронного двигуна. Величина, що характеризує різницю частот обертання ротора й обертового поля статора називається ковзанням. Ковзання є дуже важливим параметром асинхронної машини, його виражають у частках одиниці або у відсотках:
, (3) де - кутова швидкість двигуна що рівна: ; - синхронна кутова швидкість асинхронного двигуна, що визначається за формулою: .
Цілком очевидно, що зі збільшенням навантажувального моменту на валу асинхронного двигуна частота обертання ротора п зменшується. Отже, ковзання асинхронного двигуна залежить від механічного навантаження на валу двигуна і може змінюватися в діапазоні 0<s<1.
При включенні асинхронного двигуна в мережу в початковий момент часу ротор під впливом сил інерції нерухомий (п = 0). При цьому ковзання s дорівнює одиниці. У режимі роботи двигуна без навантаження на валу (режим холостого ходу) ротор обертається з частотою, не набагато меншою від синхронної частоти обертання пс, і ковзання дуже мало відрізняється від нуля (s ≈ 0). Ковзання, що відповідає номінальному навантаженню двигуна, називають номінальним ковзанням sH. Для асинхронних двигунів загального призначення sH = 1-8 %, при цьому для двигунів великої потужності, sH = 1%, а для двигунів малої потужності sH = 8 %.
Залежність між обертовим моментом асинхронного двигуна та кутовою швидкістю його валу, що називається його механічною характеристикою, описується рівнянням, куди входять параметри двигуна. Це рівняння дещо громіздке й незручне у користуванні, тому при практичних розрахунках частіше користуються приблизною формулою Клосса, у яку входять каталожні дані двигуна:
, (4)
де М - обертовий момент електродвигуна, Нм; Мк - критичний момент двигуна, Нм; sk - критичне ковзання асинхронного двигуна, що рівне:
q - допоміжний коефіцієнт, який можна визначити зі співвідношення:
Для двигунів значної потужності q приймається рівним нулю.
- допоміжний каталожний коефіцієнт , що рівний: , де - кратність пускового моменту двигуна; - перевантажувальна здатність двигуна; - номінальне ковзання двигуна sH, що рівне: .
Механічна характеристика асинхронного двигуна, представлена на рис. 6, має п'ять характерних точок. Точка 1 - синхронна швидкість при s=0 і М=0. Точка 2 - номінальне навантаження, коли та s = sH. Номінальний момент двигуна МН, [Нм] - це найбільший момент, розвиваючи який, двигун може працювати необмежено довго не перегріваючись: він вираховується за каталожними даними двигуна:
або , (5)
де РН - номінальна потужність двигуна, кВт; - номінальна кутова швидкість, рад/сек.
Точка 3 - критична, коли при та . У цій точці двигун розвиває максимальний (критичний) момент, який визначає перевантажувальну здатність двигуна що вибирається з довідників і для асинхронних двигунів знаходиться у межах =1,7÷2,2. Точка 4 - "провал моменту" - спостерігається при s≈0,7, коли двигун розвиває у процесі розгону найменший (мінімальний) момент М=Мmin=МН. "Провал" кривої моменту Мmin (ділянка при 0,7 < s < 0,85) ускладнює процес розгону двигуна і може викликати "застрягання" ротора на малій частоті обертання. Точка 5 - пускова, коли = 0 при s = 1 і М=МП=МН.
Максимальний момент двигуна Мк називається критичним, тому що на механічній характеристиці він поділяє зони стійкої та нестійкої роботи двигуна. Ділянка механічної характеристики асинхронного двигуна при sК<s<1 називають зоною стійкої роботи двигуна, коли при перевантаженнях двигун сповільнюється, але автоматично розвиває, більший момент, який дозволяє долати це пікове навантаження. Ділянка механічної характеристики асинхронного двигуна в межах 0< s < sК називають зоною нестійкої роботи двигуна, коли будь-яке перевантаження, що супроводжується сповільненням двигуна, призводить до зменшення обертового моменту двигуна та його зупинки.
Рис.6 - Механічна характеристика асинхронного двигуна
Потужність, яку споживає електродвигун із мережі при номінальному навантаженні Р1 (кВт ): ,
де - номінальний ККД двигуна.
Різниця між споживаною та номінальною потужностями складає втрати у двигуні (кВт):
(6)
Номінальний струм трифазних асинхронних короткозамкнутих двигунів можна визначити з формули:
; (7) де РН - номінальна потужність електродвигуна, Вт; - номінальна напруга, В; - номінальний коефіцієнт потужності; - номінальний коефіцієнт корисної дії електродвигуна. Одним із найбільш шкідливих режимів роботи асинхронного двигуна є пусковий режим, при якому він споживає великий пусковий струм, що призводить до швидкого його перегрівання та значного падіння напруги у мережі, особливо у сільській місцевості, де використовуються малопотужні трансформаторні підстанції, а лінії електропередач виготовляються із проводу невеликого перетину та мають значну протяжність. Пусковий струм двигуна (А):
,
де - кратність пускового струму (знаходиться у межах = 5-10 і вибирається з довідників).
Значне зростання пускового струму даного двигуна пов'язане з тим, що при підключенні статора трифазного двигуна до мережі у ньому утворюється обертове магнітне поле, яке миттєво набирає своєї синхронної швидкості пc = 1000-3000 об/хв, а ротор унаслідок інертності в першу мить нерухомий, при цьому витки обмотки його ротора перетинають велику кількість силових ліній обертового магнітного поля статора й у них індукується великий пусковий струм . Далі ротор зрушує з місця і починає наздоганяти обертове магнітне поле статора, при цьому витки його обмоток перетинають все менше силових ліній обертового магнітного поля й струм у них зменшується до величини, що відповідає навантаженню двигуна.
Зменшення шкідливих наслідків від пускових режимів двигуна можна досягнути або при зменшенні величини пускових струмів шляхом запуску двигунів при пониженій фазній напрузі чи використання двигунів із фазними роторами, або при зменшенні часу запуску двигуна шляхом запускання двигуна без навантаження в холосту чи використовуючи для з'єднання двигуна з робочими машинами відцентрові муфти. Зменшення пускового струму за рахунок зменшення фазної напруги досягається перемиканням обмоток статора на період пуску з "трикутника " на "зірку" або спеціальним трифазним трансформатором. Запуск потужних двигунів із фазним ротором здійснюється за допомогою трисекційного трифазного реостата, який перед запуском виставляється на максимальний опір. Далі, у міру розгону двигуна цей опір зменшується і при досягненні двигуном номінальних обертів закорочується. При запуску двигуна з додатковим опором у колі фазного ротора не тільки зменшується кратність пускового струму до величини = 2-3, але зростає і величина пускового моменту. І все ж, незважаючи на кращі експлуатаційні характеристики, ці двигуни порівняно з короткозамкненими складніші за будовою, на третину дорожчі і вимагають автоматичної апаратури керування, тому вони у сільському господарстві використовуються дуже рідко.
Для збільшення пускового моменту двигунів із короткозамкненими роторами використовують двигуни, що мають ротори з двома короткозамкнутими обмотками або ротори з глибоким пазом, що призводить до явища витіснення струму до периферії й зменшення індуктивного опору та покращення пускових характеристик.
Реверсування асинхронних двигунів, тобто зміна напрямку обертання їх ротора відбудеться тоді, коли поміняти місцями два лінійних провідники, що під'єднують двигун до мережі. У цьому випадку міняється черговість фазних напруг, а напрям обертання магнітного поля статора змінюється на протилежний, що і призводить до зміни напрямку обертання ротора.
Порядок виконання роботи:
1. Вивчити конструкцію асинхронних трифазних електродвигунів із короткозамкнутим та фазним ротором, що представлені на стендах.
2. Визначити "початки" і "кінці" фазних обмоток статора двигуна.
Якщо відсутні бірки з позначенням "початків" та "кінців" обмоток статора асинхронного двигуна, то перед підключенням цього двигуна до мережі їх необхідно визначити. Це найзручніше зробити методом трансформації у такій послідовності. Одним із методів проходження струму визначають виводи, що належать до кожної з фаз. Для цього можна використати джерело живлення та контрольну лампочку чи вольтметр і, з'єднавши їх послідовно, почергово підключати до виводів двигуна. Коли проходитиме струм, це означатиме, що виводи належать до однієї фази. Нумерувати фази можна довільно. Далі, також довільно, можна вибрати початок першої фази і вже відносно нього визначати "початки" і "кінці " решти фаз. Потім з'єднуємо "кінець" першої фази з одним із виводів другої фази у вузол А (див. рис.7а), вільні кінці цього єднання під'єднують до мережі змінного струму 220 В. До затискачів третьої фази під'єднують контрольну лампочку або вольтметр із шкалою до 30-60 В, і за допомогою вимикача SА подають напругу, при цьому може бути два випадки:
Рис. 7 - Схеми з'єднань обмоток статора при визначенні "початків" та "кінців" фаз методом трансформації
1) вольтметр показує деяку напругу (контрольна лампочка горить) - значить у вузол А з'єднано різнойменні виводи ("кінець" першої фази з "початком" другої);
2) вольтметр показує "нуль" (контрольна лампочка не горить) - значить у вузол А з'єднано однойменні виводи ("кінець" першої фази з "кінцем" другої); "початки" і "кінці" третьої фази визначають аналогічно (див. рис. 7б).
3) Зібрати електричне коло (рис. 8а) для включення електричного двигуна в трифазну мережу при з'єднанні обмоток статора "зіркою" і дослідити його роботу при обриві однієї з фаз перед запуском і під час роботи. Здійснити реверс двигуна. Результати записати у таблицю 3.
Рис. 8 - Схеми з'єднань обмоток статора при дослідженні параметрів двигуна: а) - з'єднання "зіркою", б) - з'єднання "трикутником"
Таблиця 3
Схема з'єднань обмоток статора двигунаНапруга, ВСтрум, А
запускномінальна роботаобрив фази
при роботіперед пуском
UЛUФІПЛІПФІНЛІНФІЛІФІЛІФΥΔ 4.Зібрати електричне коло (рис. 8б) для включення двигуна в трифазну мережу при з'єднанні обмоток статора "трикутником" і дослідити його роботу аналогічно до п. 3.
Контрольні питання:
1. Що таке механічна характеристика двигуна?
2. Що таке перевантажувальна здатність та жорсткість механічної характеристики електродвигуна?
3. Як побудовані та працюють асинхронні двигуни з короткозамкнутим і фазним ротором?
4. Чи може ротор асинхронного двигуна обертатися синхронно з обертовим полем статора і чому?
5. Що таке ковзання асинхронної машини і який діапазон зміни ковзання асинхронної машини в різних режимах її роботи?
6. Яким чином асинхронний двигун можна перевести в режим гальмування з рекуперацією енергії і де цей режим використовується?
7. Яким чином асинхронний двигун можна перевести в режим гальмування противмиканням і де цей режим використовується?
8. Яким чином асинхронний двигун можна перевести в режим динамічного гальмування і де цей режим використовується?
9. Якими показниками характеризуються пускові властивості асинхронних двигунів?
10. Які переваги й недоліки пускових властивостей асинхронних двигунів?
11. Які існують способи пуску асинхронних двигунів при зниженій напрузі?
12. Які існують способи регулювання частоти обертання асинхронних двигунів і яки у них переваги та недоліки?
13. Чому при частотному регулюванні частоти обертання одночасно з частотою струму необхідно змінювати напругу?
14. Чому при "обриві фази" зростає струм в обмотках двигуна, що працюють?
15. Як можна визначити "початки" та "кінці" обмоток статора трифазної машини?
Література: [4] с. 83-121, 169-185, 203-220.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №3
Дослідження потенціометричних , індуктивних та дротяних тензорезисторних датчиків
Мета роботи - ознайомлення з принципом дії, конструкцією та вибором потенціометричних , індуктивних та дротяних тензорезисторних датчиків.
Прилади та обладнання:
1. датчик лінійних переміщень 0-23 см;
2. датчик кутових переміщень 0-240 град
3. індуктивний датчик з рухомим осердям простішого типу;
4. диференційний індуктивний датчик з рухомим осердям;
5. вимірювальна схема з гнучкою балкою та наклеєними тензометричними датчиками та блоком живлення напругою постійного струму 12В;
6. універсальний лабораторний стенд з джерелами стабілізованих напруг постійного струму 120 В; 127В; 3 В; 0-220В, промислової частоти 50Гц;
7. амперметри : 300 мА(4 шт.); 750 мкА; 50мкА; ~ 300 мА; ~ 60 мА;
8. вольтметри : 150 В; 3 В; ~ 150 В; ~ 300 В;
9. підсилювач постійного струму;
10. додаткові опори;
11. з'єднувальні провідники.
1. Дослідження потенціометричних датчиків
Основні теоретичні положення
В потенціометричних датчиках переміщення, яке контролюється, передається первинному перетворювачу і перетворюється за рахунок змін свого електричного опору первинного перетворювача в змінну або постійну напругу. Ці датчики включають по схемі потенціометра, тому вони й отримали назву потенціометричні. Рухомий контакт потенціометра пов'язаний з переміщенням, яке контролюється, при зміні положення об'єкту змінюється напруга на вторинному приладі PV, проградуйованому в одиницях параметра, який контролюється. З метою виключення впливу коливань живлячої напруги на точність вимірювань рекомендується подавати живлення на вимірювальну схему з потенціометричним датчиком від стабілізатора.
Характеристику потенціометричного датчика Iп=f(Rx) намагаються зробити близькою до прямолінійної (рис.1,а), задаючи потенціометру відповідний режим роботи, використовуючи той чи інший спосіб намотки дротяного реостату, а також узгоджуючи опір вторинного приладу. Якщо необхідно, щоб вихідний струм та напруга відповідали за знаком напряму переміщення повзунка, застосовують потенціометр із "середньою точкою" (рис.1,б).
Для контролю кутових переміщень використовують датчики з каркасами у вигляді дуги окружності (рис.1,в). В якості безконтактних датчиків кутових переміщень використовували рідинні потенціометричні датчики.
Характеристику та чутливість потенціометричного датчика розраховують аналітично. Так, для схеми (рис.1,а ) можна скласти наступні рівняння:
; ; ; ,
де - опір x-й частини потенціометра.
Рис.1. Потенціометричні датчики:
а) з прямим каркасом та його статична характеристика; б) з середньою точкою та його статична характеристика; в) з кільцевим каркасом та його статична характеристика. R та L - повний опір та довжина намотки потенціометра; Iп та Ix - струми в опорах Rп та Rx; Rп - опір вторинного прилада; Uст - стабілізована напруга живлення датчика; I - повний струм, що протікає від джерела напруги через вимірювальну схему з потенціометричним датчиком.
Розв'язуючи рівняння відносно Iп, одержуємо:
, якщо
, то
;
.
Так як вихідні величини Iп та Uп прямопропорційні вхідній величині Х. Чутливість датчика (А/м або В/м ).
або Для датчика з кільцевим каркасом характеристики та чутливість визначають, виходячи зі слідуючих міркувань:
Напруга на вторинному приладі , а струм .
Якщо опір потенціометра рівно розподілений по довжині окружності, то залежність струму приладу від кута повороту  визначають рівнянням
Iп = Uст/(R·Rп)·r·· ,
де r - радіус каркаса, м;  - опір обмотки, віднесений до одиниці довжини окружності, Ом/м·рад. Чутливість датчика ( А/рад ): Kд = dIп/d = Uст/(R·Rп)·r·.
Зону чутливості дротяного потенціометричного датчика визначають діаметром дроту ( помилкою сходження ). Так, при переміщенні рухомого контакту на відстань, що дорівнює діаметру дроту, потенціал змінюється стрибком на значення Uст/n, де n - число витків потенціометра.
У датчика із суцільним напівпровідниковим покриттям помилка сходження відсутня. Потенціометричні датчики мають відносні точність та стабільність характеристик, простоту конструкції. Вони зазвичай не потребують підсилювачів, оскільки їх вихідна потужність достатня для роботи вторинних приладів. Потенціометричні датчики знайшли широке використання у автоматиці, в тому числі у автоматизації сільськогосподарської техніки.
Наявність рухомих частин та ковзаючого контакту у потенціометричних датчиків знижує надійність їх роботи. У сучасних засобах автоматизації перевага віддається безконтактним високоточним датчикам, але разом з тим контактні потенціометричні датчики у ряді випадків знаходять застосування.
2. Дослідження індуктивних датчиків
Основні теоретичні положення
Принцип дії індуктивних датчиків базується на зміні індуктивності або взаємоіндуктивності котушки з магнітопроводом при ппереміщенні якоря.
Індуктивні датчики (рис.2) класифікують на датчики з рухомим якорем, рухомим сердечником, поворотним якорем та магнітопружнього типу.
Індуктивні датчики в основному використовують для вимірювання кутових та лінійних переміщень, а також сили тиску. Вони прості , відносно надійні, безконтактні, у них порівняно велика вихідна потужність, працюють вони на змінному струмові частотою від 50Гц до 5кГц (на частотах менше 50Гц зменшується доля індуктивного опору датчика, а на частотах більше 5кГц зростають втрати на перемагнічування та зростає індуктивний опір датчика).
Для індуктивного датчика з рухомим якорем (рис.2,а) вхідним сигналом δ є переміщення якоря відносно середнього положення, а вихідним - напруга Uвих . Нехтуючи магнітним опором сталевого осердя та активним опором котушки, можна вважати, що струм , протікаючий в обмотках, пропорційний значенню повітряного зазору:
I = kδ,
де: k=U10/(0,2·π·ω·W·S)- коефіцієнт; δ - значення повітряного зазору; U - напруга, прикладена до обмотки; ω - кутова частота, пропорційна лінійній частоті напруги живлення f (ω=2·π·f); W - число витків обмотки; S - переріз сталевого сердечника.
Індуктивні датчики з рухомим якорем забезпечують вимірювання механічних лінійних переміщень в межах від декількох мікрометрів до декількох міліметрів.
Для вимірювання великих переміщень використовують індуктивні датчики з рухомим сердечником (рис.2,б).
Індуктивні датчики з поворотним якорем (рис.1,в) використовують для вимі рювання кутових переміщень, а індуктивні датчики магнітопружнього типу - для визначення сили тиску (рис.2,г).
Рис.2. Схеми індуктивних датчиків: а) з рухомим якорем; б) з рухомим сердечником; в) з поворотним якорем; г) магнітопружнього типу.
Залежність між вихідною та вхідною величинами датчика у статичному режимі називають статичною характеристикою датчика. Статична характеристика індуктивного датчика простого типу представлена на рис.7,а. Лінійність характеристики індуктивного датчика простого типу зберігається у межах деякої зони (А-В-С) і порушується, коли активний опір котушки r стає рівним з індуктивним опором XL. Нелінійність при малих повітряних зазорах зумовлена споживанням струму на покриття втрат у активному опорі котушки та у сталі.
Робочу точку індуктивного датчика вибирають на середині прямолінійної частини АС характеристики (точка В, рис.7,а). Цій точці відповідає початковий струм Iпо та початковий повітряний зазор δво.
Загальний недолік індуктивних датчиків - залежність точності вимірювань від стабільності частоти напруги живлення.
3. Дослідження дротяних тензорезисторних датчиків
Основні теоретичні положення
В основу роботи тензорезисторів покладена властивість деяких провід- никових та напівпровідникових матеріалів змінювати активний опір при деформації за рахунок зміни геометричних розмірів та питомого опору.
Провідникові матеріали підрозділяють на дротяні та фольгові. Дротяні тензорезистори представляють собою петлеподібний дріт 2 із константа діаметром 0,01...0,05 мм, укладений між двома електроізоляційними гнучкими прокладками 1 (Рис.3,а), до кінців дроту припаяні вивідні кінці 3. Фольгові тензорезистори (Рис.3,б) мають вид решітки зі стрічки товщиною 0,004...0,012 мм, яка закріплюється між плівками з лаку.
Напівпровідникові тензорезистори представляють собою тонку (до 0,01мм) пластинку з германію або кремнію, до кінців якої спеціальним методом прикріплюються вивідні провідники.
Чутливість тензорезисторів до деформації визначається за формулою
,
де: R, l - опір та довжина дротяного елементу тензорезистора; ΔR,Δ l - добутки опору та довжини; λ = ΔR/R - відносна зміна питомого опору дроту при його деформації; ε = Δ l / l - відносна деформації; μ - коефіцієнт Пуассона (для металів - 0,24...0,4); ρ, Δρ - питомий опір тензочутливого матеріалу та приріст питомого опору.
Характеристика тензодатчика ΔR/R = f(Δ l / l) близька до лінійної, тому чутливість тензодатчика майже постійна.
Тензорезистори наклеюють безпосередньо на об'єкт дослідження, який контролюється, або до пружного елементу, деформація якого є відомою функцією контролюємого параметру. Вибір конструкції та матеріалу пружного елементу здійснюють за характером та діапазоном зміни контролюємої величини, конструктивними та експлуатаційними особливостями об'єкту контролю, допустимою похибкою.
Чутливість тензорезисторів практично постійна та залежить від властивостей матеріалу, технології виготовлення, якості основи та наклейки тензорезисторів (товщини та суцільності шари клею, його однорідності, значення адгезії, повзучості, вологостійкості та ін.).
Для підвищення чутливості тензорезисторів використовують спеціальні вимірювальні схеми, у яких зміна опору тензодатчиків перетворюється у зміну електричного струму, напруги, частоти або кодового сигналу. Одночасно вимірювальні схеми дозволяють додавати або віднімати відносні зміни опорів декількох тензодатчиків, виключати (послаблювати) вплив температури та деяких інших факторів на вихідний сигнал датчика.
Чутливість вимірювальних схем залежно від характеристики перетворень визначається одним з виразів:
; ; ,
де: ΔI,ΔU, Δf- відповідно зміна струму, напруги, частоти вихідного сигналу.
Найбільше розповсюдження отримали потенціометричні та мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками.
На схемі рис.2,а наведена типова потенціометрична схема. Послідовно включені пасивний резистор R1 та тензорезистор R2 отримують живлення від джерела постійного струму з напругою Uст. При R2<< Rн напруга між точками А і Б
Максимальна чутливість схеми досягається при R1 = R2 = R. Вважаючи, що ΔR/R = ST· ε, отримуємо:
Більш досконалими є мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками (рис.4,б). Працюють вони на постійному та змінному струмі (невисокої частоти - до кГц). Живлення моста здійснюється від джерела, що під"єднується до точок А і Б - однієї діагоналі моста. До іншої діагоналі моста (точки В і Г) під"єднується навантаження . Тензорезистори можуть включатися у одне, два суміжних, або в усі чотири плеча. Якщо всі тензорезистори, що включають у вимірювальний міст, є активними, то зміна опорів тензорезисторів в суміжних плечах повинна бути протилежною за знаком при позитивних та від'ємних деформаціях.
Рис.3.Схеми тензорезисторних перетворювачів: а) - дротяного; б) - фольгового.
Рис.4.Вимірювальні схеми тензорезисторних перетворювачів: а) - потенціометрична; б) - мостова.
Рис.5.Схеми врівноважування тензорезисторних мостів: а) - регульованим конденсатором; б) - регульованим резистором.
Використання двох або чотирьох активних тензорезисторів збільшує чутливість датчика у 2 або 4 рази відповідно. Також при цьому відбувається безпосередня (пряма) компенсація негативного впливу на точність вимірювання коливань температури та напруги живлення.
Для мостової вимірювальної схеми , живлення якої здійснюється напругою постійного струму, можна визначити :
1.Баланс моста - за умови: ; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі Uн = 0. 2.Розбаланс моста - за умови: ; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі: а) Uн < 0; б) Uн > 0.
Якщо живлення моста здійснюється змінним струмом, тоді активні опори у плечах моста слід замінити повними опорами - комплексними величинами Z=R+jx, де R-активний опір; x - реактивний опір. Реактивна складова з"являється як результат реактивної асиметрії елементів моста (впливу індуктивного та ємнісного опорів елементів , в тому числі впливу паразитних ємкостей та ємкостей асиметрії з'єднувальних ліній). Рівновага моста досягається при виконанні умови: Врівноважування активної та реактивної складових опорів моста здійснюють за допомогою регульованих резисторів та конденсаторів RБЛ, СБЛ (рис.3а,б).
Сигнал на виході вимірювальних схем з тензодатчиками невисокої потужності і тому для його підсилення застосовують підсилювачі, до яких вимогами є стабільність характеристик, точність, високий коефіцієнт підсилення. Таким вимогам відповідають сучасні диференційні підсилювачі постійного струму.
На рис.5,а представлена схема вмикання вимірювального моста з активним R1 та компенсаційним R2 тензорезисторами. Резистором R3 врівноважують міст при відсутності деформації. Живлення моста здійснюють від джерела стабілізованої напруги постійного струму. Допоміжним балансним опором мостової схеми є резистор R4. Сигнал з виходу моста подається на підсилювач постійного струму на базі операційного підсилювача на інтегральній мікросхемі (ІМС). Захист вхідного кола від можливого пробою при ушкодженні тензорезисторів здійснюють діодами VD1, VD2. Резистор R5 забезпечує регулювання коефіцієнта підсилення. Ємкість С створює додатковий зворотній зв'язок, що охоплює операційний підсилювач та може скоректувати нелінійність, що властива неврівноваженим мостам та нелінійність тензорезисторів. Транзистор VT1 призначений для збереження працездатності підсилювача при випадковому замиканні вихідної клеми.
На рис.6,б представлена вимірювальна схема з підсилювачем змінного струму. Вхідний трансформатор Тр забезпечує узгодження малого опору тензорезисторів з великим вхідним опором підсилювача, що дозволяє збільшити відношення корисний сигнал/шум. Конденсатори С2, С3 зменшують послаблення сигналу на виході каскада через опори R7, R8.
Для підсилення сигналу, що отримують на виході тензометричного моста, використовують операційнї підсилювачі постійного струму у мікроінтегральному виконанні. Вимірювальна схема забезпечує вимірювання дуже малих струмів (10-6...10-9А). Рис.6.Вимірювальні тензорезисторні схеми з підсилювачами: а) постійного струму;б) змінного струму
Порядок виконання роботи з дослідження потенціометричних датчиків:
1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.
2.Підготувати робоче місце для виконання роботи, зібрати схеми досліджень (рис. 1).
3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4.Переміщуючи у відповідності з даними таблиці 1 повзунок потенціометричного датчика лінійного переміщення (Х, см), фіксувати значення приладів - вольтметра PV1 та міліамперметра РА1.
Отримані дані досліджень внести в таблицю 1 ,потім побудувати графічну характеристику Iп1=f( X).
Таблиця 1
Результати дослідження потенціометричного датчика лінійного переміщення
Х,см510152023Uп1,ВIп1,мАТаблиця 2
Результати дослідження потенціометричного датчика кутового переміщення
L,град306090120150180210240Uп2,ВIп2,мкА Графічні характеристики потенціометричних датчиків: а) Iп1=f(X) для лінійного переміщення; б) Iп2=f( L) для кутового переміщення.
5.Переміщуючи у відповідності з даними Таблиці 2 повзунок потенціометричного датчика кутового переміщення(L, град),фіксувати значення приладів-вольтметра РV2 та міліамперметра РА2.Отримані дані досліджень внести в Таблицю 2,потім побудувати графічну характеристику Iп2=f( L).
6.Закінчивши виконання роботи повернути всі органи керування та робочі механізми. Порядок виконання роботи з дослідження індуктивних датчиків:
1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню індуктивних датчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.
2.Підготувати робоче місце для виконання роботи, зібрати схеми досліджень(Рис.7, Рис.8).
3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4.Встановити вказане значення напруги на вольтметрі PV1 (Рис.7). Переміщуючи у відповідності з даними Таблиці 3 осердя індуктивного датчика лінійного переміщення простого типу Х1,мм, фіксувати значення сили струму Іп1 на міліамперметрі РА1. Отримані дані досліджень внести в Таблицю 3 та побудувати графічну характеристику Іп1=f( Х1). 5. Встановити вказане значення напруги на вольтметрі PV2 (Рис.8). Переміщуючи у відповідності з даними Таблиці 4 осердя індуктивного датчика лінійного переміщення диференційного типу Х2,мм, фіксувати значення сили струму Іп2 на мікроамперметрі РА2. Отримані дані досліджень внести в Таблицю 4 та побудувати графічну характеристику Іп2=f( Х2). Таблиця 3
Результати дослідження індуктивного датчика з рухомим осердям простішого типу
Uж,ВF,ГцПараметрПереміщення плунжеру Х1,мм051015202530354050Iп1,мА Таблиця 4
Результати дослідження індуктивного датчика з рухомим осердям диференційного типу
Uж,ВF,ГцПараметрПереміщення плунжеру Х2,мм051015202530354050Iп2,мА Примітка: перед виконанням дослідження індуктивного датчика диференційного типу виконати "баланс нуля", для чого при фіксованому середньому положенні осердя по відношенню до котушок L1,L2 виставити мінімальний струм по мікроамперметру РА2 (до 3 мкА) повзунком потенціометра Rp.
6.Закінчив виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.
Обробка результатів:
1.Побудувати статичні характеристики досліджуємих індуктивних датчиків.
2.Виділити на статичних характеристиках датчиків робочу (лінійну) частину та визначити для них чутливість за формулою kд = dI/dδ = tgα. Результати досліджень оформити у вигляді звіту.
Рис.7.Схема індуктивного датчика простого типу з рухомим осердям та його статична характеристика
Рис.8. Схема диференційного індуктивного датчика з рухомим осердям та його статична характеристика Порядок виконання роботи з дослідження тензорезисторних датчиків:
1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню тензорезисторних датчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.
2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження.
3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4.Включити QF 1, за допомогою R 3 встановити стрілку приладу на " 0 " .
5.Поступово навантажуючи балку гирями (через кожні 2 кг ) знімати показники мікроамперметру. Отримані дані занести в таблицю (І1,мкА).
6.Поступово розвантажуючи балку, знімати показники мікроамперметру та занести їх в таблицю (I2 мкА). 7.За отриманими даними побудувати графічні характеристики тензометричної установки (Рис. 9) .
8.Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування установки у вихідне положення .
Рис.9.Характеристика тензодатчика
Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.
Контрольні питання:
1. Які датчики називають потенціометричними ?
2. Назвіть основні параметри, що характеризують потенціометричні датчики.
3. Назвіть переваги та недоліки потенціометричних датчиків.
4. Що є вхідною величиною потенціометричного датчика?
5. Що називають зоною нечуттєвості дротяних датчиків та чим вона визначається?
6. З якою метою стабілізують напругу живлення потенціометричних датчиків?
7. Поясніть принцип дії індуктивних датчиків .
8. Що є вхідною величиною індуктивного датчика ?
9. На яких частотах працюють індуктивні датчики та що обмежує частотний діапазон напруги живлення?
10. З чим пов'язана наявність залишкового струму індуктивного датчика простішого типу при нульовому зазорі?
11. Як змінюється вихідний струм індуктивного датчика простішого типу із зменшенням повітряного зазору?
12. За якою ознакою класифікують індуктивні датчики ?
13. Які переваги та недоліки має індуктивний датчик диференційного типу ?
14. Який діапазон переміщення плунжеру індуктивного соленоїдного датчику?
15. Що змінюється у вихідному сигналі диференційного індуктивного датчика при зміні напрямку переміщення плунжеру ?
16. Яке положення якоря диференційного індуктивного датчика приймають за нуль відліку ?
17. На який з індуктивних датчиків (простий, диференційний) менший вплив мають температура та напруга живлення та чому ?
18. Поясніть принцип дії тензорезисторних датчиків.
19. Що є вхідною величиною тензорезисторного датчика?
20. Назвіть параметри тензорезисторних датчиків.
21. Поясніть характеристики тензорезисторних датчиків.
22. Яку напругу живлення використовують у схемах тензометричних установок?
23. Від чого залежить чуттєвість тензорезисторних датчиків?
24. Вимірювальні схеми тензорезисторних датчиків.Переваги мостових схем.
25. Використання підсилювачів у тензометричних установках.
26. Фізичний сенс балансу "0" вимірювальної схеми тензометричної установки?
27. Поясніть призначення елементів лабораторного стенду та порядок виконання роботи.
Література: [ 2 ] , c 97...105, [ 3 ] , c 57...87.
Лабораторна робота №4
Дослідження датчиків освітленості та фотореле
Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі датчиків освітленості.
Прилади та обладнання:
1.Універсальний лабораторний стенд.
2.Люксметр.
3.Фотодатчики.
4.Лампа розжарювання ~220В 75Вт.
5.Вимірювальні прилади постійного струму - мА, мкА, В.
6.З"єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:
У сільськогосподарській техніці датчики освітленості використовують в складі пристроїв, що забезпечують сортування продуктів (томатів, яблук, полуниці та ін.) за кольором та визначення якості на просвічування (зерна, яєць), у регуляторах освітленості та інтенсивності опромінення у теплицях, у тваринництві та птахівництві, у пристроях автоматичного вмикання та вимикання вуличного освітлення, у вимірювачах забрудненості повітря та рідин, у газоаналізаторах, у пристроях контролю полум'я у топках, у різноманітних захисних пристроях, в складі датчиків переміщення, тиску, рівня та ін. пристроях.
Чутливими (сприймаючими) елементами датчиків є вакуумні фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори (рис.1,а).
Фоторезистор - напівпровідниковий прилад, у якому під дією світла зростає кількість вільних електронів, а значить, і електропровідність. Зростання електропровідності напівпровідника під дією світлової енергії називають внутрішнім фотоефектом. Фоторезистор у більшості випадків представляє собою нанесену на скляну пластину 5 тонку шару напівпровідникової речовини 4. До протилежних боків напівпровідникового матеріалу прикріплюють металеві електроди 1, призначені для вмикання фоторезистора у електричне коло. Пластинку з нанесеним на неї напівпровідниковим матеріалом запресовують у пластмасову форму 2 з отвором (робочим вікном) для проходження променей. Робоче віконце покривають світлопроникливим лаком 3.
Фоторезистори характеризуються відносно високою світлочуттєвістю, простотою конструкції, малими габаритами, відносно значною потужністю розсіювання та практично необмеженим терміном служби. Вони можуть працювати у колах постійного та змінного струму. Такі якості обумовили широкі сфери застосування фоторезисторів. До недоліків фоторезисторів слід віднести деяку залежність їх параметрів від температури та нелінійну залежність сили фотоструму від світлового потоку, а також деяку інерційність (постійна часу фоторезисторів у межах при світловому потоці лм).
Вакуумний фотоелемент - вакуумна або наповнена газом лампа з катодом К з світлочуттєвого матеріалу, нанесеного на жорстку основу - "підложку" (внутрішню поверхню скляного балону), та анодом А у вигляді кільця або пластини (рис.1,б).
Вакуумні фотоелементи як правило працюють у режимі насичення, коли фотострум залежить тільки від освітленості та не залежить від прикладеної напруги.
На відміну від фоторезистора електрони, які в результаті дії фотоефекту отримали енергію та стали вільними носіями зарядів (фотоелектрони), не залишаються у освітленому шарі, а віддаляються від нього (зовнішній фотоефект). Для збільшення чутливості колбу вакуумного фотоелемента заповнюють інертним газом. Фотоелектрони, зіштовхуючись із атомами газу, іонізують його та під дією електричного поля підсилюють струм. Такі фотоелементи називають іонні.
Вакуумні фотоелементи інерційні, "старіють" в процесі експлуатації, тобто втрачають стабільність характеристик та параметрів з часом.
Фотодіод - напівпровідниковий приймач променистої енергії, у якому відбувається направлений рух носіїв струму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,в). Працюють у двох режимах: фото-перетворювальному - із зовнішнім джерелом живлення та фотогенераторному - без джерела живлення. На p-n-перехід фотодіода подається напруга постійного струму зворотної полярності по відношенню до прямого вмикання. При освітленні відбувається генерація носіїв зарядів, котрі під дією електричного поля на межі p-n-переходу створюють різницю електричних потенціалів. Фотоперетворювальний режим дає значне підвищення світлочутливості, що неможливо у звичайних вентильних фотоелементів.
Фототранзистор - напівпровідниковий приймач променистої енергії, що має направлений рух носіїв зарядів та властивості підсилення фотоструму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,г). Конструктивно фототранзистор представляє собою напівпровідникову пластину з трьома областями, що йдуть по черзі: p-n-p - або n-p-n - провідності. Ці області мають контактні виводи для вмикання фототранзистора у схему. Базова область Б доступна для проникнення світла. Під дією світла у базовій області утворюються пари електрон-дірка, які під впливом електричного поля діффундують у емітерну Е та колекторну К області транзистора. В результаті утворюється струм, що протікає через емітерно- базовий перехід та підсилює струм колектора (аналогічно тому, як це відбувається у звичайному напівпровідниковому транзисторі). Фототранзистори порівняно з фотодіодами мають додаткові можливості. Їх роботою можна керувати не тільки за рахунок світлового потоку, але й електричним сигналом одночасно. Крім того чутливість фототранзисторів набагато вища. Вмикання фототранзистора практично не відрізняється від вмикання звичайних транзисторів. Найбільш розповсюдженою є схема із загальним емітером. Іноді фототранзистори вмикають по схемі із вільним емітером або вільною базою (у діодному режимі).
Рис.1. Схеми вмикання:
а) - фоторезистора; б) - вакуумного фотоелемента; в) - фотодіода;
г) - фототранзистора; д) - фототиристора.
Фототиристор - чотиришаровий напівпровідниковий прилад з p-n-p-n-переходами, керуємий світлом (рис.1,д).Фототиристори поєднують у собі позитивні властивості тиристора та перетворювача оптичної енергії у електричну. Принцип дії фототиристора подібний до принципу дії фототранзистора. Під дією освітленості у напівпровідниковому шарі відбувається генерація пар електрон-дірка, які під впливом прикладеного електричного поля беруть участь у зростанні струму, що протікає через структуру фототиристора. Дія світла на p-n-p-n-структуру має той самий ефект, що і дія струму керуючого електроду КЕ у тиристорів. Але світлове керування фототиристорами має важливу перевагу порівняно з електричним, так як воно не передбачає гальванічного зв"язку з силровим колом та дозволяє використати керуючий електрод для інших схемних призначень, наприклад, для встановлення необхідних чутливостей або температурної стабілізації. Порівняно з фотодіодами та фототранзисторами фототиристори мають більшу інтегральну чутливість. Крім того вони мають велику навантажувальну здатність за малої потужності керування, високу швидкодію, великий діапазон робочих напруг. Фототиристори використовують у фотореле, у оптоелектронних пристроях, в якості вихідних силових безконтактних елементів. Фототиристори можуть витримувати значні(до десятків А) сили струми при напрузі сотні В.
Фотоварікап - напівпровідниковий прилад, ефективна ємність якого змінюється в залежності від інтенсивності та спектрального складу світлового потоку. В якості фотоварікапів використовують вентильні сірністо-срібні фотоелементи та структурні фотоємкості на основі сірчастого кадмію, сірчастого свинцю, кремнію та германію.
Світлодіоди - випромінюючі світлову енергію напівпровідникові діоди, працюючі на явищі електролюмінісценції при протіканні струму у напівпровідниках з p-n-переходом. Світлодіоди знаходять дуже широкі схери застосування, враховуючи їх переваги: мала потужність споживання, значний термін служби, висока швидкодія, висока чутливість, сумісність з цифровими пристроями та деякі інші. Властивості фотосприймаючих елементів визначають характеристиками та параметрами, з яких головними для схем автоматизації є світлові та вольт-амперні характеристики (рис.2 та рис.3).
Світловою характеристикою називають залежність фотоструму від світлового потоку Ф (освітленості Е) за незмінної прикладеної напруги.
Вольт-амперною характеристикою називають залежність фотоструму від напруги за незмінної освітленості.
Світлові характеристики фотоелементів за виключенням вакуумних нелінійні, що необхідно враховувати при розрахунку вимірювальних схем з датчиками. Характерною особливістю напівпровідникових фото-елементів є наявність теневого струму Iт, зумовленого кінцевою величиною опору елемента за відсутності освітленості.
Чутливість оптичних датчиків поділяють на інтегральну, питому та спектральну. Інтегральна чутливість (мкА/лм) чисельно дорівнює силі фотоструму, що протікає крізь датчик під дією одиниці світлового потоку, нерозкладеного у спектр: , де та - фотострум та світловий потік відповідно.
Питома чутливість (мкА/лм·В) є відношенням фотоструму до світлового потоку при напрузі 1В: , де U - напруга, прикладена до фотоелементу. Максимальну чутливість визначають як добуток питомої на максимальну різницю потенціалів.
Залежність чутливості фотоелемента від довжини хвилі світлового потоку називають спектральною характеристикою, а коефіцієнт чутли-вості, знайдений для певної довжини хвилі - спектральна чутливість.
Прикладом використання фотоелектронного приладу у якості датчика освітленості є фотореле типу ФР-2, яке встановлюють на комплектних трансформаторних підстанціях 10/0,4кВ для керування вуличним освітленням. У залежності від величини освітленості фотореле вмикає або вимикає освітлювальні установки. Датчиком у реле є фоторезистор ФСК-Г1, який має теневий опір 3,3 МОм, а при освітленні 200 лк - тільки 3,3 кОм. Фотореле складається з електронного ключа, керуємого фоторезистором та випрямляча напруги живлення. Електронний ключ представляє собою фотореле з підсилювачем струму на транзисторах VT1, VT2. Колекторним навантаженням транзистора VT2 є проміжне електромагнітне реле КV (рис.4). Фоторезистор Фр R1 та R2 утворюють поділювач напруги, з якого на базу транзистора VT1 подається напруга зміщення. За нормальної освітленості, коли опір фоторезистора малий, транзистор VT1 відкритий, а транзистор VT2 закритий. Котушка реле КV при цьому обезструмлена, а контакти реле КV1.1, КV1.2 розімкнені. При зменшенні освітленості опір фоторезистора зростає, від'ємна за знаком напруга на базі транзистора VT1 зменшується, транзистор VT1 закривається, а транзистор VT2 відкривається, реле КV спрацьовує та замикає контакти КV1.1, КV1.2, через які вмикається освітлення.
Рис.2. Світлові характеристики: а) фоторезистора; б) вакуумних фотоелементів; в) фотодіода; г) фототранзистора; д) - фототиристора
Рис.3. Вольт-амперні характеристики : а) фоторезистора; б) фотоелемента; в) фотодіода; г) фототранзистора; д) фототиристора
Рис.4. Схема електрична принципова фотореле :
- резистори R1 - ФСД-Г1; R2 - 10 кОм ; R3 - 56 кОм ; R4 - 30 Ом;
- транзистори VT1, VT2 - МП-25А;
- діоди VD1 - Д816В; VD2, VD3 - Д226В;
- реле KV - МКУ-48;
- конденсатори C1 - 30мкФ 160В ; C2 - 4мкФ 600В;
- тумблер SA.
Рис.5. Схема дослідження фотодатчиків
Порядок виконання роботи
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню фотодатчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень .
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (рис.5).
3. Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень .
4.Зняти вольт-амперну характеристику (ВАХ) вакуумного фотоелементу Iф=f(Uф) при Е=const. Освітленість змінюється шляхом зміни величини напруги живлення, яка подається на лампу розжарювання через ЛАТР, а величина освітленості вимірюється люксметром. Напруга живлення на фотоелементі змінюється за допомогою потенціометра RP1. Результати досліджень занести в таблицю.
5. Зняти світлову характеристику фотоелементу Iф=f(E) при U=const. Дані занести в таблиці .
6.Визначити опір фотоелементу в залежності від світлового фото потоку Rф=f (E) при U=const.
7. Аналогічно зняти характеристики фоторезистора. Дані досліджень занести в таблицю .
8. Закінчивши виконання роботи,вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення .
Таблиця 1
Результати дослідження фотодатчиків - вакуумного фотоелемента Вольт-амперна характеристикаСвітлова характеристикаU,ВЕ1, 250 лкЕ2, 250 лкЕ,лкU1=5ВU2=10ВІ1, mkAІ2, mkAІ1, mkAR1, kОmІ2, mkAR2, kОmВакуумний фотоелемент00--1500510001015001520002025002530Таблиця 2
Результати дослідження фотодатчиків - напівпровідникового фоторезистора
Вольт-амперна характеристикаСвітлова характеристикаU*,ВЕ*1, 1250 лкЕ*2, 2500 лкЕ*, лкU*1=15ВU*2=30ВІ*1, mAІ*2, mAІ*1, mAR*1, kОmІ*2, mAR*2, kОmНапівпровідниковий фоторезистор00--550010100015150020200025250030 Контрольні питання:
1.Поясніть принцип дії фотодатчиків .
2.Вкажіть переваги та недоліки фоторезисторів порівняно з вакуумними фотоелементами.
3.Як визначити чуттєвість фотодатчика ? Наведіть приклад.
4.Яке використання фотодатчиків у схемах автоматики та автоматизації? Наведіть приклади .
5.Як зрозуміти "теневий" чи "світловий" струм фотодатчика ?
6.З якою метою та яким газом наповнюють фотоелементи ?
7.Поясніть принцип роботи фотодіода у фотоперетворювальному та фотогенераторному режимах .
8.З чим пов'язані переваги та недоліки фототиристора порівняно з фототріодом ( фототранзистором )?
9.Поясніть світлові та вольтамперні характеристики фотодатчиків .
10.Поясніть принцип роботи фотореле (рисунок 5).
11.Поясніть будову,принцип дії,використання оптронів .
12.Як змінюється опір досліджуємих датчиків від зміни світлового фотопотоку?
Література: [ 2 ] , c 95...132, [ 3 ] , c 63...78.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунку,оформити звіт,вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №5
Дослідження датчиків температури
Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі датчиків температури - термоопорів, термопар, напівпровідникових, біметалевих, манометричних, дилатометричних.
Прилади та обладнання:
1.Датчики температури ( термопари, термоопори, напівпровідникові, біметалеві, манометричні, дилатометричні).
2.Міліамперметр = 10мА.
3.Мікроамперметр = 50мкА.
4.Вольтметри ~50В, =15В, =1,5В.
5.Термометр 200 град С.
6.Універсальний лабораторний стенд.
7.Допоміжні резистори постійного та змінного опору.
8.З'єднувальні провідники.
9.Таймер.
Основні теоретичні положення:
Датчиками температури використовують такі елементи, фізичні властивості яких залежні від температури та не дуже залежні від впливу інших факторів, наприклад вологості, хімічного складу середовища та деяких ін. До таких фізичних властивостей відносять явища теплового лінійного або об'ємного розширення, зміни опору, ємності або термоелектрорушійної сили спеціального елементу, що знаходиться у контакті із контролюємим середовищем. Багато датчиків температури використовують принцип зміни фізичних параметрів самого контролюємого середовища під дією температури: тиску, щільності, в'язкості та інтенсивності радіаційних випромінювань.
До датчиків, працюючих на принципі теплового розширення рідин та газів відносять рідинні об'ємні та контактні термометри та манометричні термодатчики.
Для дистанційного контролю температури використовують термопари, термометри опору (термоопори) та напівпровідникові терморезистори.
Найбільше використання у засобах сучасної автоматизації отримали напівпровідникові терморезистори. Вони знайшли використання для дистанційного вимірювання температури, сигналізації про зростання температури в установках та різноманітних агрегатах, як сприймаючі органи у різноманітних схемах автоматики та телемеханіки, а також в якості термокомпенсаторів.
Ртутно-контактні термометри - це ртутні термометри із впаяними у капіляр контактами. При зростанні температури стовпчик ртуті піднімається і при досягненні відмітки температури, на рівень якої впаяний контакт, замикає відповідний ланцюг схеми. Ртутно-контактні термометри бувають регульовані та нерегульовані. Нерегульовані термометри (ТК-1, ТК-3 та ін.) мають тільки нерухомі контакти. Регульовані ртутно-контактні термометри (ТК-5, ТК-6, ТК-8) мають один з контактів рухомим. Діапазон роботи ртутно-контактних термометрів 0...300 град.С. Розривна потуж-ність їх контактів 2 Вт при силі струму 0,2 А. На сьогодні використання ртутно-контактних термометрів значно скоротилося в зв'язку із певними їх недоліками а також можливостями застосування інших більш точних та технологічних датчиків температури.
Термометри опору (термоопори) при зміні температури змінюють свій електричний опір. Тому визначення температури термоопорами зводиться до виміру електричного опору термочуттєвого елементу. Термочутливий елемент термоопорів виконують з тонкого платинового або мідного дроту, який намотують на каркас з ізоляційного матеріалу (слюда, пластмаса).
Платинові термоопори призначені для виміру температур від -200 до +650 град.С. Платиновий дріт має діаметр 0,05...0,07 мм та довжину близько 2 м. Дріт намотують на слюдяний каркас біфілярно. До платинового дроту під"єднують срібні виводи, ізольовані фарфоровими бусинками. Чутливий елемент захищений від механічних пошкоджень за допомогою захисної арматури з головкою, у якій розміщується клемна колодка із підключеними до неї виводами від чутливого елементу. Платинові термоопори позначають літерами ТСП та виготовляють із різними градуюваннями: гр.20, гр.21, гр.22 та ін. При температурі 0 град. С опір цих термоопорів відповідно 10, 46 та 100 Ом.
Мідні термоопори виготовляють з мідного ізольованого дроту діаметром 0,1 мм, намотаного на пластмасовий каркас. До кінців обмотки припаяні два мідних виводи діаметром 1...1,5 мм. Чутливий елемент розташований у сталевій гільзі, захищеної від механічних пошкоджень ізоляційним матеріалом. Виводи обмотки прикріпляють до клем колодки, що вмонтована у головку термоопору. Мідні термоопори позначають літерами ТСМ та виконують із градуюваннями гр.23, гр.24 та ін. із опорами при 0 град.С 53 та 100 Ом відповідно. Межі вимірюємих температур мідними термоопорами становлять - 50...+ 180 град. С.
В якості вторинних приладів для виміру опору використовують логери та врівноважені мости.
Принцип дії біметалевих датчиків заснований на неоднаковості розширенні двох зварених між собою деталей, виготовлених з різних матеріалів, котрі мають різні значення коефіцієнту лінійного розширення. Біметалеві стрічки використовують у вигляді пластин або спіралей. Один кінець стрічки закріпляють, а другий при зміні температури розкручується або розгинається. У схемах сільськогосподарської автоматики отримали розповсюдження біметалеві датчики ДТКМ. Вітчизняна промисловість випускала більше 28 модифікацій ДТКМ на різні температурні діапазони та різноманітного конструктивного виконання. У половини модифікацій ДТКМ контакти замикаються при зростанні, а у решти - при зниженні температури контролюємого середовища. Датчики із регульованою уставкою виготовляють з такими шкалами : -30...0; -10...+10; 0...+30; +10...+30; +15...+25; +20...+50 град. С. Маркірують їх таким чином: ДТКМ-30, ДТКМ-31, і т.д. по ДТКМ-57. Чутливий елемент датчика виготовлений у вигляді біметалевої спіралі. При зміні температури навколишнього середовища вільний кінець спіралі переміщується та замикає або розмикає контакти. Для вмикання датчика у схему на ньому є клемна колодка. Всі елементи датчика закріплюють на ізоляційній основі та закривають з"ємною кришкою. Розривна потужність контактів на змінному струмі напругою 220 В становить 50 В·А, а на постійному струмі напруги 110 В - 50 Вт. Гарантований термін служби - 3 роки.
У дилатометричного датчика осердя з металу з малим коефіцієнтом температурного розширення розташоване всередині трубки з металу з великим коефіцієнтом теплового розширення та одним кінцем жорстко закріплено на неї. Для зменшення теплової інерції у стінах трубки зроблені отвори. При зміні температури зменшується довжина трубки та як наслідок відбувається переміщення осердя, з вільним кінцем якого з'єднана показуюча стрілка. Через великі похибки у вимірюванні біметалеві та дилатометричні датчики температури на сьогодні обмежені у використанні (захист електродвигунів, котли для нагріву рідин, протипожежний захист та деякі ін.) та замінені на сучасні технологічні датчики з кращими параметрами та характеристиками. Принцип дії термоелектричних датчиків (термопар) полягає у виникненні електрорушійної сили ЕРС при зміні температури одного зі спаїв замкненого ланцюга, складеного з різнорідних термоелектродів. При нагріванні спаю у електричному колі виникає термо-ЕРС, величина якої пропорційна різниці температур нагрітого та вільного кінців електричного кола та залежить від матеріалу дротів. Розрізняють стандартні технічні та нестандартні термопари. У автоматичних системах використовують металеві та напівпровідникові термопари:
- високотемпературні (до 2500 град. С), наприклад, платинородій-платинові ТПП з межами - 20...+1300 град. С;
- середньотемпературні (до 1200 град. С), наприклад, хромель-алюмелеві ТХА з межами - 50...+1000 град. С (хромель-сплав з 90% нікелю та 10% хрому; алюмель - 95% нікелю та 5% алюмінію, кремнію та марганцю);
- низькотемпературні (до 800 град. С), наприклад, хромель-копелеві ТХК (копель-сплав з 55% міді та 45% нікелю).
Термопари дозволяють вимірювати та реєструвати температури з від-носно високою точністю та передавати покази на відстань. Термопари віднесені до генераторних датчиків, тобто таких, які самі генерують ЕРС та можуть не використовувати зовнішнє джерело живлення вимірювальної схеми.
Манометричні термодатчики перетворюють температуру у тиск, тиск - механічне переміщення, а далі у електричний сигнал. До датчиків температури манометричного типу відносять температурне реле РТ-1, яке застосовували в інкубаторах "Універсал-45" та "Універсал-50". Реле РТ-1 має сильфон, всередину якого введено 3-5 куб.см ефіру. В результаті нагріву ефір розширюється, деформує сильфон, який діє на ртутно-магнітний вимикач ВРМ-7. Реле РТ-1 можна регулювати, встановлюючи уставку температури, при якій спрацьовує реле. Контакти реле вмикають на напругу 24 В.
Напівпровідникові (НП) терморезистори (термистори) при зростанні температури зменшують свій опір. Чутливість НП терморезисторів набагато вища ніж чутливість термоопорів чи термопар. Так, наприклад, якщо термоопори при нагріванні від 0 до 100 град. С збільшують свій опір приблизно на 40%, то напівпровідниковий терморезистор за такого ж самого нагріву зменшує свій опір у 20 та більше разів. З окислів металів (кобальту, марганцю) виготовляють терморезистори типу КМТ (КМТ-1,КМТ-4 та ін.) на номінальні опори від 22 до 1000 кОм. З окислів міді та марганцю виготовляють терморезистори типу ММТ (ММТ-1, ММТ-4, ММТ06 та ін.) на номінальні опори від 1 до 220 кОм. Напівпровідникові терморезистори призначені для контролю температури повітря та інших газових сумішей від -60 до +125 град. С. Допустимий струм терморезисторів 12 мА. Строк служби їх становить не менш ніж 5000 год. На відміну від звичайних НП терморезисторів позистори мають позитивний температурний коефіцієнт, тобто при зростанні температури контролюємого середовища опір позистора зростає.
Рівняння температурної характеристики термоопору має вигляд
,
де : Т- температура, К ; та В - постійні коефіцієнти, які визначають за формулами.
; ,
де та - опори НП терморезисторів при температурах та відповідно. Температурний коефіцієнт від'ємний:
,
та у десятки разів більший, ніж у металів, та зменшується із зростанням температури Т. Температурний діапазон роботи позисторів, аналогічно іншим НП - 40...+100град. С , тиск до Н/, відносна вологість до 70%. Спеціальні герметизовані позистори призначені для використання в умовах агресивного навколишнього середовища. Характеристики позисторів відносно стабільні. За механічними показниками вони не поступаються радіотехнічним опорам. Строк їх служби за нормальних режимів роботи практично не обмежений. Максимально допустима потужність розсіювання позисторів становить для різних типів від 5 до 800 мВт. Значний опір позисторів дозволяє зменшити вплив опору провідних дротів, контактів та контактних ЕРС, що дозволяє вимірювати температуру на значних відстанях. Теплова інерційність позисторів невелика, що дозволяє використовувати їх у якості чутливих датчиків при регулюванні температури малоінерційних об"єктів.
Вольт-амперні характеристики (ВАХ) НП терморезисторів отримують за кімнатної температури Тк та більшої ніж кімнатна температури Тб, напругу на терморезисторі регулюють потенціометром (рис.1).
Вольт-амперна характеристика НП терморезистора на початковій дільниці прямолінійна (струми малі та нагрів датчика невеликий). Далі відбувається самонагрів датчика, його опір зменшується, а струм швидко зростає. Тому в процесі отримання спадаючої ділянки вольт-амперної характеристики НП терморезисторів потрібно зменшувати напругу живлення. Робочою ділянкою вибирають лінійну частину вольт-амперної характеристики. Для кожної точки ВАХ можуть бути визначені статичні rT та динамічні rд опори:
rT = U/T rд = dU/dI.
Температурну характеристику датчика rT =f (T) отримують в інтервалі температур Тк 293...373 град. К (5-8 точок). Електрична схема для визначення температурної характеристики представляє собою вимірювальний мост, в одне з плечей якого включений датчик. Мост отримує живлення від джерела постійного струму. Напругу підтримують незмінною за допомогою потенціометра PR. Для відповідних вимірювань використовують міліамперметр, вольтметр та мілівольтметр постійного струму. Терморезистор розташовують в термостаті, температура у якому вимірюється ртутним термометром. При отриманні температурної характеристики ключ SK необхідно перевести на вольтметр PV. Поступово збільшуючи температуру, фіксують у протокол досліджень покази ртутного термометра, вольтметра та міліамперметра. За цими даними визначають опір датчика. Слід пам'ятати, що фіксувати результати дослідів можна тільки через 2...4 хвилини після того, як встановлюється задана температура у термостаті. Постійні коефіцієнти , та температурний коефіцієнт опору визначають аналітично. Таріровка вимірювального моста здійснюється за допомогою мілівольтметра, який включають у вимірювальну діагональ. За початкової (кімнатної) температури мост врівноважують змінним резистором RP. Ключ К переводять на мілівольтметр PmU. Рис.1.Схеми дослідження та характеристики НП терморезисторів: а) схема дослідження ВАХ; б) схема дослідження температурної характеристики та градуювання моста; в) ВАХ; г) температурна характеристика
Рис. 2. Напівпровідниковий терморезистор у схемі термореле (а) та ВАХ реле (б)
Скласти схему термореле (Рис.2) та визначити його параметри: температуру спрацювання та повернення. ВАХ датчика, відповідає двом значенням температури навколишнього середовища Т1 < Т2 та має релейний ефект (кидок струму І1-І2). Коли струм досягає значення Іспр., спрацьовує реле КV та через контакт К2 вмикає сигнальну лампу HL (або інше навантаження).
Таблиця 1
Результати дослідження термодатчиків
ДатчикиПараметриЧас t, хв.012345ТермопараІ1,мкАТ1,градТермоопірІ2,мкАТ2,град
Порядок виконання роботи :
1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню датчиків температури, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.
2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схеми досліджень (Рисунок 1).
3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4.Зняти температурну характеристику термопари І1=f ( Т1). Користуючись годинником фіксувати значення струму за мікроамперметром РА1 у відповідності з таблицею 1. Зростання температури відбувається за рахунок спеціального резистору-нагрівача. Дані фіксувати через кожну хвилину від початку дослідження (таблиця 1).
5.Зняти температурну характеристику термоопору І2=f(Т2).Користуючись годинником фіксувати значення струму за міліамперметром РА 2 у відповідності з таблицею 1. Зростання температури відбувається за рахунок спеціального резистору-нагрівача. Дані фіксувати через кожну хвилину від початку дослідження (таблиця 1 ).
6. Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.
7. За отриманими результатами побудувати графічні характеристики I1=f(t) при Т1=f(t), І2=f(t) при Т2=f(t), I1=f(T1), I2=f(T2).
Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи . Дайте відповіді на контрольні питання . Контрольні питання:
1.Дайте класифікацію датчиків температури .Поясніть їх принцип дії .
2.Порівняйте між собою датчики температури за їх перевагами та недоліками.
3.Дайте пояснення параметрів та характеристик датчиків температури.
4.Поясніть ,чому ВАХ НП терморезистора нелінійна?
5.Чому безконтактні датчики температури визнані кращими за контактні ?
6.Поясніть порядок виконання роботи.
7.Поясніть застосування датчиків температури у с.-г. виробництві.
Література: [ 2 ] c 116...121, [ 3 ] c 85...97.
Лабораторна робота № 6
Дослідження логічних елементів та напівпровідникових підсилювальних пристроїв
Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі логічних елементів та напівпровідникових підсилювальних пристроїв на біполярних транзисторах.
Прилади та обладнання:
1. кнопкові перемикачі-7 шт;
2. біполярний транзистор КТ801А;
3. універсальний лабораторний стенд;
4. лампи розжарювання типу МН 3,5-0,26 - 4 шт;
5. вольтметр = 3 В , = 50 В;
6. міліамперметри = 10 мА , = 300 мА;
7. логічні ІМС серії К155;
8. реле пост. струму типу РЄС - 2 шт;
9. допоміжні елементи - резистори Rk,Rб1,Rб2; конденсатори Сп1,Сп2;
10. осцилограф С1-73;
11. з'єднувальні провідники.
1. Дослідження логічних елементів
Основні теоретичні положення
Автоматичні системи керування у своїй роботі використовують велику кількість операцій логічного характеру. Для побудови схем керування технологічними процесами використовують спеціальний математичний апарат - алгебра логіки. Теоретичні положення алгебри логіки вперше сформував англійський математик Д. Буль (1815-1864). У булєвій алгебрі функції та їх змінні можуть приймати тільки два значення: "0" та "1" (логічний "0" та логічна "1"). Зі змінними можна виконувати три основні логічні дії: додавання, множення, інверсію, що відповідає трьом елементарним логічним функціям "АБО", "І", "НІ".
Логічна функція "АБО"- логічне додавання (диз'юнкція) позначається у = х1+х2 (у = х1х2) і читається так: у дорівнює х1 або х2. Функція у приймає значення "1", якщо х1 дорівнює "1" або х2 дорівнює "1".
Логічна функція "І"- логічне множення (кон'юнкція) позначається у = х1·х2 і читається так: у дорівнює х1 помножити на х2. Функція у приймає значення "1" тоді і тільки тоді, коли і х1, і х2 мають значення "1".
Логічна функція "НІ" - логічна інверсія позначається у = ¯х і читається так: у дорівнює не х (або у є інверсія х).
На основі елементарних логічних функцій "АБО", "І", "НІ" створена велика кількість більш складних функцій: "І-НІ", "АБО-НІ", "І-АБО", "І-АБО-НІ" та ін. Кількість входів логічного елементу може бути не тільки 2, а й 3,4,5 і т.і. (для спрощення розглядаємо 2-входові логічні елементи).
Логічна функція "І-НІ" - заперечення кон"юнкції (операція Шеффера). Позначається у = х1·х2.
Логічна функція "АБО-НІ" - заперечення диз"юнкції (операція Пірса). Позначається у = х1+х2.
Стан логічних елементів, що характеризується вихідними сигналами при відповідних вхідних сигналах (таблиця істинності) наведений у табл.1.
Таблиця 1
Стан логічних елементів (таблиця істинності)
Х 1Х 2УАБОІНІІ - НІАБО - НІ0000111011011010100101111000 Схематичне зображення логічних елементів у відповідності з ЕСКД наведено на рис.1. Рис. 1. Умовне графічне позначення основних логічних елементів:
а) - "АБО"; б) - "І"; в) - "І-НІ"; г) - "НІ"; д) - "АБО-НІ".
Реалізація логічних елементів повинна бути на таких технічних елементах, які мають два стійких стани, один з яких відповідає логічній одиниці, а другий - логічному нулю. Такими електротехнічними елементами були спочатку електромагнітні реле, потім електровакуумні лампи, а потім широкого розповсюдження набули напівпровідники - діоди, транзистори, а потім - інтегральні мікросхеми. Сучасна цифрова інтегральна мікросхема (ІМС) містить в одному корпусі мільйони транзисторів, на яких реалізовані мільйони логічних елементів простішого типу чи дещо менша кількість більш складних.
Система маркірувань логічних ІМС складається з буквенно-цифрового коду за чотирма позиціями:
Перша - літера, що означає основний матеріал, з якого виготовлена ІМС;
Друга - три цифри, що означають серію ІМС, підгрупу, та порядковий номер розробки мікросхеми по функціональній ознаці у даній серії; Третій - дві літери - спочатку "Л" - логічна, а далі - варіанти: "І" - функція "І", "Л" - "АБО", "Н" - "НІ", "Б" - "І-НІ/АБО-НІ", "С" - "І-АБО" та ін. Четвертий - цифра, означає підвид мікросхеми даної серії за яким-небудь параметром, відмінним від аналогічних параметрів інших мікросхем. Наприклад, К155ЛА3 - логічна ІМС 155-серії, з кремнію, виконує функцію "І-НІ", підвид "3".
Логічні елементи простішого типу, які можна реалізувати на дискретних напівпровідниках - діодах, транзисторах з використанням також опорів - резисторів - представлені на рис.2.
Рис.2. Логічні схеми простішого типу:
а) "АБО", б) "І", в) "НІ", г) "І-НІ", д) "АБО-НІ".
Електричний аналог логічного елементу "І" (рис.3,б) складений з послідовно з'єднаних джерела живлення GB, кнопкових перемикачів SB1, SB2 та лампи розжарювання HL (МН 3,5 - 0,26). Перемикачі імітують вхідні електричні сигнали, а лампа розжарювання - вихідний сигнал. Розімкнені контакти кнопок відповідають сигналам логічного "0", замкнені - "1" . Таким чином лампа засвітиться тоді і тільки тоді, коли обидва перемикачі будуть замкнені. На рис.3,в зображені часові діаграми електричних процесів, які дають уявлення про роботу логічного елемента "І". На вході Х1 сигнал з'являється першим. Далі як тільки з'являється сигнал Х2, одночасно з'являється сигнал і на виході У, який існує до тих пір, поки на обох входах знаходяться сигнали "1". Про стан логічного елемента та зв'язок між вхідними та вихідними сигналами несе інформацію таблиця істинності (рис.3,г).
Рис.3. Логічний елемент "І": а) - умовне позначення; б) - електричний аналог елементу; в) - часові діаграми; г) - таблиця істинності
Рис.4. Логічний елемент "АБО": а) - умовне позначення; б) - електричний аналог елементу; в) - часові діаграми; г) - таблиця істинності
Рис.5. Логічний елемент "НІ": а) - умовне позначення; б) - електричний аналог елементу; в) - часові діаграми; г) - таблиця істинності
Рис.6. Логічний елемент "І-НІ": а) - умовне позначення; б) - електричний аналог елементу; в) - часові діаграми; г) - таблиця істинності
Умовний символ логічного елементу "АБО" - цифра 1 у середині прямокутника (рис.4,а). У цього елемента також може бути два і більше входів. Сигнал на виході У відповідає "1" у випадках, якщо хоча б на одному вході - чи Х1, чи Х2, чи водночас на двох входах діє "1". Електричний аналог такої схеми (рис.4,б) вказує на те, що лампа HL засяє та просигналізує, що У="1" тоді, коли натисканням на кнопку SB1 подано вхідний "1" сигнал на Х1, або натисканням на кнопку SB2 подано вхідний "1" сигнал на Х2, або одночасно на Х1 та Х2 подано "1". Також це пояснюють часові діаграми (рис.4,в) та таблиця істинності (рис.4,г).
Умовний символ логічного елементу "НІ" - також цифра 1 у прямокутникові (рис.5,а). Але у нього один вхід і один вихід. Невеликий кружечок, яким починається лінія вихідного сигналу, символізує логічне заперечення "НІ" на виході елемента. На мові цифрової техніки "НІ" означає, що даний елемент є інвертором - електронним пристроєм, вихідний сигнал якого протилежний вхідному. Інакше кажучи, якщо на вході "0", то на виході "1" та навпаки. Електричний аналог елемента "НІ" представлений на рис.5,б. Доки контакти SB розімкнені, обмотка реле KV обезструмлена, контакти реле KV замкнені і відповідно лампа HL горить. При натисканні на кнопку SB її контакти замикаються, імітуючи появу вхідного сигналу, реле спрацьовує і розмикає контакт KV, лампа HL гасне, сигналізуючи про появу на виході "0"(Див. рис.5,в та рис.5,г).
На рис.6,б зображений електричний аналог логічної схеми "І-НІ". У початковому стані, коли контакти кнопок розімкнені, лампа горить, символізуючи стан логічної "1" на виході. Після натискання однієї з кнопок індикаторна лампа продовжує сяяти, а гасне лампа при замиканні кнопок SB1, SB2. При цьому спрацьовує реле KV, яке розмикає свої нормально замкнуті контакти KV. Таким чином якщо на одному або на всіх входах елементу І-НІ "0" (коли контакти вхідних кнопок розімкнені), на виході діє сигнал логічної "1", а зникає він при появі "1" сигналів на всіх входах елементу І-НІ (рис.6,в, рис.6,г).
Дуже важливою є динамічна характеристика логічного елементу, яка показує у динаміці зміну вихідної напруги (чи вихідного струму) під дією вхідного сигналу (рис.7).
Рис.7. Динамічна характеристика логічного елементу
Чим вища швидкодія логічного елементу, тим меншими значеннями часових інтервалів мають бути t0.1,t1.0 при тій умові, що збільшення частоти обробки інформації супроводжується зменшенням періоду коливань T.
2. Дослідження напівпровідникових підсилювальних пристроїв
Основні теоретичні положення
У схемах автоматизації підсилювачі вирішують ряд важливих задач - підсилюють потужність малопотужних сигналів з датчиків, задаючих пристроїв, порівнюючих пристроїв; забезпечують підсилення інформаційних сигналів, які передають на відстань та багато інших задач.
З усіх видів підсилювачів виділяємо електричні, а з них - електронні. Таким чином підсилювачем будемо називати електронний пристрій, який забезпечує підсилення потужності сигналу за рахунок енергії джерела живлення.
Стисла класифікація електронних підсилювачів (за декількома ознаками):
- за призначенням: операційні, вимірювальні, для систем автоматики тощо;
- за типом підсилювального елементу: напівпровідникові, лампові, магнітні, електромашинні тощо;
- за характером підсилюємих сигналів: підсилювачі гармонійних сигналів та імпульсні;
- за частотою підсилюємих сигналів: низько - та високочастотні, вибіркові, резонансні, підсилювачі постійного струму;
- за схемою вмикання підсилюємого елементу: для транзисторних - із загальним емітером, із загальною базою, із загальним колектором; для лампових - із загальним анодом, із загальним катодом, із загальною сіткою;
- за кількістю каскадів підсилення: одно - та багатокаскадні;
- за видом зв'язку між каскадами або за типом навантаження: резистивні, ємкісні, трансформаторні, з коливальним контуром тощо.
Структурна схема підсилювального каскаду (рис.8) містить нелінійний керуємий елемент ПЕ (біполярний, польовий транзистор чи мікросхема, резистор R та джерело електричної енергії E). Підсилювальний каскад має вхідний ланцюг, до якого підводиться вхідна напруга Uвх (підсилюємий сигнал) та вихідний ланцюг для отримання вихідної напруги Uвих (підсилений сигнал). Підсилення сигналу за потужністю відбувається за рахунок джерела електричної енергії E. Процес підсилення здійснюють шляхом зміни опору ПЕ, а відповідно і струму у вихідному ланцюгу, під дією вхідного струму або напруги. ПЕ називають активним елементом. Таким чином підсилення засновано на перетворенні електричної енергії джерела постійної ЕРС Е у енергію вихідного сигналу за рахунок зміни опору ПЕ за законом, який задає вхідний сигнал.
Одним з найважливіших параметрів підсилювача є коефіцієнт підсилення. Розрізняють коефіцієнти підсилення по напрузі, по струму та за потужністю.
Коефіцієнт підсилення по напрузі є відношення зміни вихідної напруги до зміни вхідної напруги
(1)
Аналогічно знаходять коефіцієнти підсилення по струму (2)
та за потужністю .(3)
У підсилювачів обов'язково коефіцієнт підсилення за потужністю більше 1 (сотні - тисячі), а коефіцієнти підсилення по струму та по напрузі як правило більше, іноді один з коефіцієнтів дорівнює одиниці. Якщо необхідний значно більший коефіцієнт підсилення, ніж такий, який дає один каскад підсилювача, то застосовують багато каскадні підсилювачі, у яких наступний каскад підключений до виходу попереднього (рис.2). Коефіцієнт підсилення такого багатокаскадного підсилювача визначають:
,(4)
де: - сумарний коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача; ,,,..., - коефіцієнти підсилення 1-го, 2-го, 3-го,...,n-го каскадів підсилювача.
Одним з найбільш розповсюджених підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах є каскад із загальним емітером (ЗЕ), схема якого наведена на рис.3.
Напруга джерела живлення сучасних підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах становить одиниці - десятки вольт. Для колекторного кола підсилювального каскаду відповідно до другого закону Кирхгофа можна скласти рівняння електричного стану:
Рис.8. Структурна схема підсилювального каскаду
Рис.9. Структурна схема багатокаскадного підсилювача
Рис.10. Схема електрична принципова підсилювального каскаду на біполярному транзисторі із загальним емітером
,(5)
де: - напруга джерела живлення колектора; - напруга, що спадає на колекторі транзистора (колектор-емітер транзистора); - колекторний струм транзистора; - колекторне навантаження.
Розрахунок підсилювального каскаду можна проводити графічно. Даний спосіб розрахунку підсилювальних каскадів (Рис.11) є достатньо точним та наочним. Для цього на сімействі колекторних характеристик необхідно провести з точки Ек на осі абсцис вольт-амперну характеристику резистора Rк, що задовольняє рівнянню
(6)
Будувати її зручно за двома точками: перша - з координатами при , друга - з координатами при . Побудовану таким чином характеристику з урахуванням колекторного навантаження називають навантажувальною. Точки перетинання її з колекторними характеристиками дають графічний розв'язок рівняння (5) для даного значення опору Rк та різних значеннях струму бази Іб. За цими точками можна визначити колекторний струм , однаковий для транзистора та резистора Rк, а також напруги Uk та URk. Оскільки вхідні характеристики для різних значень Uk відрізняються несуттєво, то в якості вхідної приймають як правило усереднену вхідну характеристику (рис.4).
Аналіз роботи підсилювального каскаду зручно проводити за допомогою перехідної характеристики, яку будують за точками перетинання навантажувальної характеристики з колекторними.
На рис.4 крім колекторних характеристик наведена вхідна характеристика, розгорнута на , та показано побудування перехідної характеристики. Перехідна характеристика має майже лінійну ділянку ав у межах зміни базового струму від 0 до деякого значення, що залежить від типу транзистора та опору Rк. Виконуючи проекцію цієї ділянки на лінію навантаження та вхідну характеристику, відмічаємо на них відповідні ділянки та .
Опір резистора Rк вибирають виходячи з необхідного підсилення вхідних сигналів, але при цьому слід пам'ятати, що лінія навантаження проходила лівіше або нижче допустимих значень UKmax ,IKmax. Опір колекторного резистора Rк має значення порядку декількох кОм.
Рис.11. Вхідна та колекторні характеристики біполярного транзистора, а також перехідна характеристики підсилювального каскаду при Ек =20В та Rк=1кОм
Резистор Rб, ввімкнений у базовий ланцюг, забезпечує необхідну роботу транзистора у режимі спокою, тобто за відсутності вхідного сигналу. Завдяки цьому резистору можна отримати оптимальні значення струму бази ІБсп та напруги між базою та емітером UБсп, що відповідають середині лінійної ділянки вхідної характеристики. Ця робоча точка (точка n на Рис.4) знаходиться приблизно посередині лінійної ділянки перехідної характеристики, для чого Rб слід обирати:
(7)
Конденсатор С1 призначений для вмикання джерела змінної вхідної е.р.с. евх із внутрішнім опором Rвн у коло бази. За відсутності цього конденсатора у колі джерела вхідного сигналу утворювався б постійний струм від джерела живлення Ек, який міг би викликати спад напруги на внутрішньому опорі джерела сигналу, змінюючи режим роботи транзистора та викликаючи нагрів джерела сигналу.
Конденсатор С2 на виході підсилювального каскаду забезпечує виділення з колекторної напруги змінної складової, яка може подаватися на навантаження з опором Rн.
При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги Uвх струм бази буде змінюватися у відповідності з вхідною характеристикою, тобто крім постійної складової ІБсп буде мати змінну складову IБ. Для вхідної напруги справедливо рівняння
,(8)
де: Rвх - вхідний опір підсилювального каскаду, який приблизно дорівнює вхідному опору транзистора; .
Суттєвим недоліком транзисторів є залежність їх параметрів від температури. У деяких випадках зростання температури може вивести робочу точку за межі лінійної ділянки перехідної характеристики та порушити нормальну роботу підсилювача. Для зменшення впливу температури на характеристику підсилювального какаду із загальним емітером у коло емітера вмикають резистор Rе, шунтуючи його конденсатором Се. Введення у схему Rе призводить до деякого зменшення коефіцієнта підсилення каскаду. Конденсатор Се послаблює дію негативного зворотнього зв'язку, за рахунок якого і відбувається деяке зменшення коефіцієнта підсилення каскаду.
Підсилювальні каскади можуть працювати в одному з режимів: А, В, С, АВ. Режими визначаються положенням робочої точки за відсутності вхідного змінного сигналу. Це положення визначається на характеристиках транзистора (рис.12) сукупністю постійних складових струмів та напруг у вихідному колі Іок, Uоке та у вхідному колі Іоб, Uобе.
При роботі транзистора у активному (підсилювальному) режимі А початкове положення робочої точки повинно бути таким, щоб струм через транзистор протікав на протязі усього періоду зміни вхідного сигналу, а амплітудне значення вихідного струму не перевищувало початкового Іок. Початкове положення робочої точки забезпечується поділювачем напруги, який складається з резисторів значення яких визначають співвідношеннями:
Rб = (Eк - Uобе - URе)/(Iпод + I об), де Іпод = (2...5)Іоб - струм у колі поділювача. Рис.12. Схема електрична принципова досліджень вхідних та вихідних характеристик біполярного транзистора КТ801А
Порядок виконання роботи з дослідження логічних елементів:
1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами
по вивченню логічних елементів, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.
2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (рис. 3-6).
3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4.Встановити вказане значення напруги. Користуючись перемикачами задавати необхідні значення вхідних сигналів та відповідно до таблиці 1 за вихідними сигналами розпізнати логічний елемент.
5.Закінчивши виконання роботи ,вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.
Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.
Порядок виконання роботи з дослідження напівпровідникових підсилювальних пристроїв:
1 .Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню напівпровідникових підсилювальних пристроїв, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (Рисунок 12).
3. Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.
4. Встановити необхідне значення напруги на колекторі транзистора відповідно до таблиці 1 =5В(10В) за вольтметром РУ 2. За допомогою вольтметра РУ 1 потенціометром К. 1 встановлювати значення напруг на базі транзистора та фіксувати значення базового струму Іб, мА. Дані занести в таблицю 1. Отримавши вхідні характеристики транзистора, побудувати графічні залежності. 5. Аналогічно побудувати вихідні характеристики транзистора - таблиця 2 , вольтметри РУ 1 , РУ 2 ; міліамперметри РА 1, РА 2 ;потенціометри К 1, К. 2 . Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.
6. На побудованих характеристиках у вказаних точках визначити коефіцієнти підсилення по струму, напрузі, за потужністю .
Таблиця 1
Вхідні характеристики біполярного транзистора
U бе,В00,511,522,5Іб,мАUк1=5В
Uк2=10ВТаблиця 2
Вихідні характеристики біполярного транзистора
U ке,В05101520Ік,мАUб1=1 В
Uб2=1,3В Примітка зафіксувати записати значення базового струму при Uб1=1Вта Uб2=1,3 В. Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.
Контрольні питання:
1. Наведіть умовні графічні позначення простіших логічних елементів.
2. Поясніть фізичний сенс двійкової системи числення.
3. Складіть електричні аналоги логічних елементів " І ", " НІ " ," АБО ", " І-НІ ", "АБО-НІ" .
4. Побудуйте часові діаграми для простіших логічних елементів (аналогічно з діаграмами рис.3 в) ... 6 в).
5. Вкажіть параметри та характеристики логічних елементів на ІМС.
6. Поясніть динамічну характеристику логічних елементів.
7. Поясніть маркірування логічних ІМС.
8. Що впливає на швидкодію логічних ІМС?
9. Поясніть принцип дії електричних аналогів логічних елементів (рис. 3в...6в).
10. Що таке біполярний транзистор ?
11. Що таке підсилювач ?
12. Поясніть принцип дії підсилювача.
13. Поясніть призначення окремих елементів підсилювача .
14. Які режими роботи біполярних транзисторів ?
15. Як побудувати навантажувальну характеристику підсилювача на біполярному на біполярному транзисторі ?
16. Як визначити параметри підсилювача - Кі ,Ки ,Кр .
17. Назвіть параметри та характеристики підсилювачів на біполярних транзисторах.
18. Поясніть порядок виконання роботи .
Література : [ 2 ] , с 132 ...182; [3 ] с 134...145
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота № 7
Дослідження нагрівання електродвигуна
Мета роботи: дослідити нагрівання електродвигуна під час роботи, визначити усталене перевищення температури двигуна, постійну часу нагрівання та номінальну потужність електродвигуна за його нагріванням.
Прилади та обладнання:
1. Універсальний лабораторний стенд.
2. Трифазний асинхронний електродвигун з КЗ ротором 1,5 кВт, 1500об/хв.
3. З'єднувальні провідники.
4.Термометр опору (типу ТСМ).
5.Таймер.
6. Двигун постійного струму змішаного збудження П22.
7. Електролампочки .
8. Реостат.
Основні теоретичні положення:
Потужність, яку може розвивати електродвигун, в основному визначається його нагріванням внаслідок втрат енергії при роботі, величина яких залежить від коефіцієнта корисної дії двигуна : ,
де - потужність, що підводиться до двигуна із мережі; - номінальна потужність двигуна.
Утрати енергії поділяються на змінні (що залежать від навантаження) та постійні, які при будь-якому навантаженні на електродвигун практично однакові і в основному залежать від величини напруги мережі живлення електродвигуна. До змінних втрат належать втрати від проходження струму навантаження по обмотках електродвигуна (вони пропорційні квадрату сили струму навантаження), до постійних втрат - втрати на перемагнічування осердя (гістерезис), втрати від протікання в осерді вихрових струмів Фуко, втрати на тертя та ін. Унаслідок безперервного виділення постійної кількості теплоти при роботі двигуна із постійним навантаженням його температура поступово підвищується і перевищує температуру навколишнього середовища. При цьому зростає тепловіддача від двигуна в навколишнє середовище. Через деякий час настає теплова рівновага, коли кількість тепла, що утворюється у двигуні за одиницю часу, дорівнює кількості тепла, що віддається двигуном у навколишнє середовище. Температура двигуна при цьому лишається незмінною і називається усталеною. Підвищення температури обмоток двигуна понад допустиму значно скорочує термін служби ізоляції. Допустима температура електродвигуна залежить від термостійкості ізоляційних матеріалів, що використані при його виготовленні. Стандарт ГОСТ 8865-87 поділяє всі ізоляційні матеріали, що використовуються в електричних машинах, за теплостійкістю (гранично допустимою температурою нагрівання ) на сім класів (див. табл. 1):
Таблиця 1
Термостійкість ізоляційних матеріалів
YAEBFHC90105120130155180>180 При аналізі нагрівання електродвигуна оцінюється перевищення його температури над температурою навколишнього середовища. У стандартах за нормальну температуру навколишнього газоподібного середовища (охолоджувального) прийнята температура + 40 °С при висоті над рівнем моря 1000 м.
Допустима температура підшипників електричних машин не повинна перевищувати + 100 °С для підшипників кочення і + 80 °С для підшипників ковзання.
Залежність перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища від часу має вигляд експоненціальної функції: ,
де - перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища, °С; - відповідно, усталене та початкове перевищення температури двигуна над температурою навколишнього середовища, °С; - час, с; Тн - постійна часу нагрівання, с.
Охолодження двигуна при вимиканні його з мережі описується залежністю: ,
де Т0 - постійна часу охолодження, с.
У двигунів із самовентиляцією (без вентиляції від окремих вентиляторів) Т0>Тн, оскільки тепловіддача при нерухомому вентиляторі двигуна менша ніж при рухомому.
Рис. 1 - Криві нагрівання та охолодження двигуна
Оскільки усталеного значення перевищення температури електродвигун теоретично набуває за нескінченний проміжок часу , як правило, обмежений у часі, то визначають графічним способом (рис. 1). Для цього знаходять приріст температури: і т. д. за рівні проміжки часу . Через точки кривої нагрівання 1, 2, 3, 4 проводять горизонтальні лінії і на них ліворуч від осі ординат відкладають величини . Отримують точки б, в, г, через які проводять пряму до перетину з віссю ординат () у точці д. Відрізок Од у вибраному масштабі дорівнює усталеному перевищенню температури двигуна . Горизонтальна лінія, проведена через точку д, буде асимптотою для кривої нагрівання.
Постійну часу нагрівання Тн можна визначити за кривою нагрівання, для цього необхідно через точку на осі ординат, що відповідає 0,632 провести горизонтальну лінію до перетину з кривою нагрівання і спроектувати точку перетину на вісь часу, відрізок від початку координат до проекції даної точки на вісь часу у масштабі часу буде рівним Тн. При наявності кривої нагрівання, постійну часу можна визначити методом дотичної, проведеної у довільній точці кривої (бажано до другої її половини), наприклад у точці а. Відрізок від проекції точки а на лінію до точки перетину дотичної і лінії у масштабі часу буде рівним Тн. Методом дотичної визначають і постійну часу охолодження двигуна Т0.
Якщо не визначене, то постійну часу нагрівання можна визначити за трьома точками за формулою:
,
Величини беруть з графіка, через рівні проміжки часу .
Усталене значення перевищення температури двигуна можна визначити за формулою:
,
де - змінні значення дозвільної точки кривої нагрівання електродвигуна.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитись з обладнанням стенда і записати у табл. 2 паспортні дані досліджуваного двигуна.
Таблиця 2
Паспортні дані електродвигуна
Тип двигунаРH, ВтUH, ВІH, АККД, %Режим роботиКлас ізоляціїВага,
кг 2. Зібрати електричну схему стенду (рис. 2). При проведенні дослідів температуру обмоток досліджуваного двигуна вимірюють за допомогою термометра опору (типу ТСМ), який закладений в осердя статора двигуна. Навантаженням на двигун є механічно з'єднаний з ним двигун постійного струму змішаного збудження П22, що працює в режимі генератора і навантажений електролампочками Н.
3.Ввімкнути двигун і завантажити його шляхом включення певної кількості лампочок Н. При проведені експерименту необхідно контролювати (за допомогою амперметра) і підтримувати навантаження досліджуваного двигуна постійним, шляхом включення певної кількості лампочок Н. Щоб потужність холостого ходу навантажувального двигуна була незмінною, необхідно підтримувати за допомогою реостата R постійний струм його збудження. Потужність на валу досліджуваного двигуна визначається за формулою:
, де - напруга генератора, В; - струм генератора, А; - втрати холостого ходу генератора, Вт; - втрати потужності на нагрівання обмоток якоря генератора; - додаткові втрати в генераторі.
Рис. 2 - Електрична схема з'єднань стенду дослідження нагрівання електродвигуна
Величини параметрів, що контролюються під час роботи навантажувального двигуна (генератора) і підтримуються незмінними, записати до табл. 2.
Таблиця 2
ВААВтОм 4. Під час роботи двигуна, через кожні 3 хвилини записувати у табл. 3 температуру двигуна , температуру навколишнього середовища (покази ртутного термометра, що знаходиться біля двигуна), струм, який споживає () електродвигун (покази амперметра А).
За результатами досліджень побудувати криву нагрівання двигуна , де . Графічно визначити усталене перевищення температури двигуна , провести на графіку відповідну йому горизонтальну лінію і продовжити відповідно до неї криву нагрівання двигуна. Визначити аналітично (за допомогою формули) і знайти середнє значення.
Таблиця 3
tхв03691215182124273033363942454851545760°С°С°СА 5. Визначити постійну часу нагрівання двигуна ТH за трьома вищевказаними способами і знайти середнє значення.
6. Визначити номінальну потужність двигуна за його нагріванням за формулою:
,
де - допустиме перевищення температури обмоток двигуна, для даного класу ізоляції 40° С.
Методика практичних розрахунків:
1 Розрахувати криву нагрівання електродвигуна. Побудувати криву нагрівання.
2 Розрахувати криву охолодження електродвигуна. Побудувати криву охолодження.
Розрахунок перевищення температури електродвигуна на кожній ділянці навантажувальної діаграми проводиться на основі рівняння:
,(1)
деτ0і - початкове перевищення температури двигуна, на і-тій ділянці, 0С;
τуі - стале перевищення температури двигуна, яке наступило би при необмежено довготривалої його роботі з навантаженням і-тій ділянці, 0С;
Тн - постійна часу нагрівання, хв;
t - час роботи електродвигуна на ділянці, хв.
Стале перевищення температури електродвигуна на кожній ділянці розраховується за формулою:
, (2)
деΔРі - витрати потужності електродвигуна для і-го періоду роботи, Вт;
А - тепловіддача електродвигуна, Вт/оС.
Значення А визначають на основі каталожних даних обраного електродвигуна за формулою:
, (3)
деРн - номінальна потужність двигуна, Вт;
ηн - номінальний ККД;
τн - номінальне перевищення температури обмотки статора електродвигуна, 0С.
Для асинхронних електродвигунів АИР номінальне перевищення температури τн узяти за їх довідковими даними на ізоляцію, ураховуючи, що для класу нагрівостійкості
"В" τн=900 С
Втрати потужності в електродвигуні для і-го періоду роботи визначаються:
, (4)
деΔРн - номінальні втрати потужності в електродвигуні, Вт;
α - відношення постійних втрат потужності електродвигуна до змінних. Приймається α = 0,5...0,7 [2];
Кі - кратність перевантаження.
, (5)
,(6)
Постійна часу нагрівання визначається за формулою:
,(7)
деС0 - питома теплоємність матеріалу двигуна, Со = 390 Дж/кг· оС
m - маса обраного електродвигуна, кг.
Щоб визначити, як змінюється перевищення температури електродвигуна на кожній із ділянок навантажувальної діаграми, необхідно зрівняти початкове перевищення температури на даній ділянці τ0і з його сталим перевищенням температури τуі, обчисленим за формулою (2).
Якщо τ0 і<τуі, то буде відбуватися процес нагрівання електродвигуна. Якщо τ0 і >τуі, то буде відбуватися процес охолодження електродвигуна. Якщо τ0 і=τуі, то температура двигуна, на даній ділянці навантажувальної діаграми, мінятися не буде.
Причому слід пам'ятати, що кінцеве значення перевищення температури електродвигуна, на попередній ділянці τкон і - буде дорівнюватися початковому перевищенню температури електродвигуна на розглянутій ділянці τ0 і.
При включенні електродвигуна в роботу з холостого становища, коли його температура дорівнюється температурі навколишнього середовища (t=0), початкове перевищення τ0=0. Тому першій ділянці завжди буде відбуватися нагрівання електродвигуна.
При розрахунку кривої τ = f (t), необхідно для кожного навантаження значення теперішнього часу t приймати рівними в початку, в кінці та в середині вибраної ділянки навантажувальної діаграми. В цьому випадку крива нагрівання (охолодження) на кожній ділянці буде будуватися за трьома крапками, які розташовані в початку, в кінці та в середині ділянки. Розрахунок починати з першої ділянки (періоду роботи) навантажувальної діаграми.
При відключені двигуна від мережі втрати потужності в ньому припиняться. Тоді відповідно формули (2) τу откл = 0 і рівняння (1) приймає вигляд
,(8)
де - постійна часу охолодження відключеного двигуна, хв.;
(9)
де β - коефіцієнт, який ураховує погіршення охолодження самовентильованих двигунів у нерухомому стані. Приймати β=0,5 [2].
Даючи t значення 0, То, 2То, 3То, 4То за формулою 8 розраховують криву охолодження двигуна після відключення.
Результати розрахунку представити в табличній формі (таблиці 5), а потім на їх основі провести будування кривої нагрівання та охолодження електродвигуна, поєднавши її з навантажувальною діаграмою.
Вихідні дані
Вихідні дані для виконання практичного заняття за варіантами наведені в таблиці 4.
Приклад розрахунку:
Розрахувати і побудувати криву нагрівання та охолодження електродвигуна типу АИР132S4У3 з Рн = 7,5 кВт. Сумістити з приведеною навантажувальною діаграмою, криву нагрівання та охолодження електродвигуна. Температура електродвигуна до його включення рівна температурі навколишнього середовища. Температура навколишнього середовища незмінна.
Р1 = 7,5 кВт; Р2 = 0 кВт; Р3 = 10 кВт; Р4 = 3 кВт;ηн = 87,5 %; t1 = 12 хв.;t2 = 6 хв.; t3 = 18 хв.; t4 = 16 хв.; m = 72 кг.
Номінальні втрати двигуна визначаємо за формулою (6):
,
Середні втрати визначаємо в електродвигуні визначаємо за формулою (4):
Таблиця 4
Вихідні дані
ВаріантТип електродвигунаПотужність, кВтНавантаження, кВтЧас роботи, хвηн, %Маса
m, кгР1Р2Р3t1t2t31АИР100L2У35,52841015208831,42АИР160S2У31514204201015901003АИР180S2У3222782015102090,51604АИР180S2У3221220610152090,51605АИР160S2У3152412851215901006АИР180S2У3221224812181090,51607АИР160М4У318,55152510201090,51108АИР160S4У31510515101218901009АИР160S4У315201051510129010010АИР132М4У31110858161687,583,511АИР112М4У35,585210151585,54912АИР132S4У37,538512151087,57013АИР160М6У315,0121381611148812014АИР160S6У31191251016108810015АИР160S6У31178142010128810016АИР160S6У31157131412128810017АИР160S6У31111571016168810018АИР132М6У37,5410310151285,581,519АИР160М8У311641010151887,512020АИР160М8У3111310412181587,512021АИР160М8У3116131012141687,512022АИР180М8У315148132050158918023АИР160S8У37,51046101288710024АИР160М8У311136141520587,512025АИР180М8У31510111410101089180 Постійна часу нагрівання визначаємо за формулою (7):
Тепловіддача електродвигуна визначається за формулою (3):
Стале перевищення температури визначаємо за формулою (2):
Постійну часу охолодження визначаємо за формулою (9):
Розрахунок перевищення температури електродвигуна на кожній ділянці проводиться за формулою (1):
.
Розрахунок кривої охолодження проводиться за формулою (8):
.
Розрахункові дані наведені в таблиці 5
Таблиця 5
Розрахункові дані кривої нагрівання та охолодження
Періодτу1 = 82,3 оС τу2 = 30,25 оС τу3 = 136,1 оС τу4 = 39,5 оС τу = 0t, хв.0612036091808160Т02Т03Т04Т0τ1, оС010,619,819,820,521,121,142,559,959,956,553,653,619,77,252,70,98 За даними розрахунку будуємо криві нагрівання і охолодження які представлені на рисунку 3.
Рис. 3 - Навантажувальна діаграма, та крива нагрівання і охолодження електродвигуна
Контрольні питання:
1. Чим обмежується допустиме навантаження електродвигуна?
2. Які класи ізоляції застосовуються в електродвигунах?
3. Який вид має рівняння теплового балансу двигуна?
4. З яких втрат складаються загальні втрати потужності в електродвигунах?
5. Який вигляд має рівняння нагрівання двигуна, починаючи з гарячого стану?
6. Який фізичний смисл постійної часу нагрівання?
7. Який вигляд має рівняння охолодження двигуна при зменшенні навантаження під час роботи?
8. Який вигляд має рівняння охолодження більше постійної часу нагрівання при відключенні та зупиненому електродвигуні?
9. Чому постійна часу охолодження більше постійної часу нагрівання при відключеному та зупиненому електродвигуні?
10. Як визначають постійну часу та час нагрівання електродвигуна до сталої температури?
11. Який фізичний смисл сталого перевищення температури?
12. Як визначають сталу температуру двигуна?
Література: [6] с. 214 - 229.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота № 8
Дослідження схем гальмування асинхронних електродвигунів
Мета роботи: вивчити будову та принцип роботи електромеханічного гальма й реле контролю швидкості, а також роботу схем керування асинхронним двигуном з електромеханічним гальмуванням, гальмуванням противмиканням та динамічним гальмуванням; дослідити залежність часу динамічного гальмування асинхронного електродвигуна від величини прикладеної до його затискачів напруги постійного струму.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження схем гальмування асинхронних електродвигунів.
2. Електросекундомір.
3. Резистор.
Короткі теоретичні пояснення
До найбільш широковживаних способів гальмування асинхронних електродвигунів можна віднести такі:
- механічне гальмування з електричним керуванням (електромеханічне гальмування);
- гальмування противмиканням;
- динамічне гальмування.
Механічне гальмування з електричним керуванням здійснюється механічним гальмом керованим тяговим або гальмівним електромагнітом. Воно застосовується у тому випадку, коли після зупинки двигуна необхідно зафіксувати нерухоме положення його валу (кранові піднімальні пристрої, лебідки, муфти тощо). Для цього застосовують колодкові або дискові гальма. Гальмування валу здійснюється пружинами або тягарем, розгальмування - тяговим або гальмівним електромагнітом (однофазним та трифазним). Обмотка електромагніта включається паралельно до обмоток статора двигуна. При подаванні напруги на електродвигун, гальмівний електромагніт також отримує живлення і, притягуючи свій якір, розгальмовує вал електродвигуна. При вимиканні електродвигуна з мережі або при зникненні напруги у мережі якір електромагніта відштовхується пружинами і вал двигуна загальмовується механічним гальмом. Цей спосіб гальмування досить ефективний і застосовується для двигунів малої і середньої потужності. Вибіг ротора виходить мінімальним.
Гальмування противмиканням. Для гальмування противмиканням необхідно під час обертання ротора двигуна змінити послідовність фаз живлення на його статорі (для цього достатньо поміняти місцями два лінійних провідники, що під'єднані до статора двигуна). При цьому зміниться напрям обертання магнітного поля статора і воно загальмовуватиме ротор. При близькій до нуля швидкості ротора статор необхідно вимкнути з мережі, інакше ротор почне обертатись у зворотному напрямку. Вимикати двигун із мережі краще автоматично за допомогою реле контролю швидкості.
Принципова схема реле контролю швидкості типу РКС-М приведена на рис. 1. Ротор реле Р, що являє собою постійний магніт, зв'язаний з валом керованого двигуна за допомогою муфточки. Статор С реле має обмотку типу "клітка білки", подібну до обмотки короткозамкнутого ротора електродвигуна (алюмінієві стержні замкнуті кільцями). Статор може вільно провертатись навколо своєї осі. До статора прикріплена колодочка К, яка своїм кінцем може діяти на підпружинені рухомі контакти. При обертанні ротора (і його магнітного поля) в обмотках статора індукується електричний струм. Магнітне поле ротора, що обертається, діє на витки обмотки статора із струмом і заставляє статор реле С з колодкою К провертатись. При цьому колодочка перемикає контакти реле. При малій швидкості обертання на статорі реле створюється малий обертовий момент і підпружинені контакти повертаються у вихідне положення.
Рис. 1 - Будова реле контролю швидкості РКС-М
Динамічне гальмування. Гальмування противмиканням виходить різким, що для ряду приводів неприпустимо. При динамічному гальмуванні гальмівний момент наростає плавно, максимальний гальмівний момент виходить при низькій швидкості (20 - 30% номінальної).
Щоб створити режим динамічного гальмування асинхронного двигуна, необхідно відключити його від мережі змінного струму і подати на статор понижену постійну напругу. Оскільки при постійному струмі обмотки статора створюють лише активний опір, то напруга постійного струму не повинна перевищувати 10% від величини номінальної напруги змінного струму. Постійний струм, що проходить в обмотці статора, створює нерухоме у просторі магнітне поле, в якому обертається (за інерцією) ротор двигуна. В обмотці ротора індукується е.р.с., під дією якої у витках обмотки ротора виникає змінний струм. Взаємодія цього струму з нерухомим магнітним полем статора призводить до гальмування ротора. При зниженні швидкості обертання ротора до нуля струм у його обмотці і гальмівний момент також зменшуються до нуля. Після закінчення гальмування живлення обмотки статора постійним струмом необхідно відключити.
Запуск і автоматичне гальмування противмиканням асинхронного двигуна можна здійснити, використовуючи схему приведену на рис. 2. У ній використовується два контактори: лінійний КМV і гальмівний КМВ, проміжне реле КV, реле контролю швидкості ВR, кнопки SВ2 - "Пуск" та SВ1 -"Стоп". Контактори КМV та КМВ увімкнені за звичайною реверсивною схемою. Захист двигуна здійснюється автоматичним вимикачем або запобіжниками і тепловими реле.
Для запуску двигуна натискають на кнопку SВ2 - "Пуск", при цьому струм поступає на котушку лінійного контактора КМV і він своїми головними контактами вмикає двигун у мережу. Один замикаючий блок-контакт цього контактора шунтує кнопку "Пуск", другий замикаючий - готує коло котушки реле КV, розмикаючий блок-контакт розмикається у колі котушки КМВ. При досягненні валом двигуна деякої швидкості контакт реле ВR замикається і реле КV спрацьовує. При цьому один його контакт шунтує блок-контакт КМV у колі котушки КV, інший контакт реле КV також замикається й готує коло живлення котушки гальмівного контактора КМВ. При роботі двигуна котушка контактора КМВ не може одержати живлення, тому що розмикаючий блок-контакт КМV у колі котушки КМВ розімкнутий.
Рис. 2 - Схема керування асинхронним електродвигуном з автоматичним гальмуванням противмиканням
При натисканні на кнопку "Стоп" контактор КМV вимикається, його розмикаючий блок-контакт у колі котушки контактора КМВ, під дією пружин замикається, контактор КМВ спрацьовує і вмикає двигун у мережу зі зворотнім чергуванням фаз. Двигун загальмовується і при швидкості ротора, близькій до нуля, реле ВR розмикає свій контакт, реле КV знеструмлюється і вимикає контактор КМВ. На цьому гальмування завершується.
Запуск і динамічне гальмування асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором можна здійснити за схемою зображеною на рис.3. У ній використовуються два контактори: лінійний КММ і гальмівний КМВ, проміжне реле КV, реле часу КТ, кнопки SB2 - "Пуск" та SB1 - "Стоп", випрямляч VD, знижувальний трансформатор Т, резистор R. Для вимірювання часу гальмування використовуються реле контролю швидкості ВR і електросекундомір РТ, а для вимірювання величини постійної напруги, що прикладається до статора двигуна - вольтметр РV. Захист двигуна здійснюється автоматичним вимикачем QF. Величина постійної напруги на статорі двигуна регулюється резистором R. Вимикач SA служить для переведення двигуна у режим вільного вибігу при зупинці.
Для запуску двигуна натискають на кнопку SB2 - "Пуск". При цьому спрацьовує лінійний контактор КММ і головними контактами вмикає двигун у мережу, його замикаючий блок-контакт шунтує кнопку "Пуск", а розмикаючий блок-контакт у колі котушки КМВ розмикається. Двигун запускається і працює.
Для зупинки двигуна, натискають на кнопку SB1 - "Стоп", один її контакт у колі котушки контактора КММ розмикається, при цьому контактор КММ відпускається, його головні контакти відключають двигун від мережі змінного струму, а блок-контакт у колі котушки КМВ замикається. При натисканні на кнопку SB1 - "Стоп", одночасно замикається і її другий контакт і подає струм на котушки реле часу КТ та гальмівного контактора КМВ, замикаючий блок-контакт якого підключає до мережі трансформатор Т із випрямлячем VD, а головні контакти подають випрямлений струм на одну із фаз двигуна і починається його динамічне гальмування. При цьому блок-контакт контактора КМВ у колі котушки контактора КММ розмикається і запобігає одночасному спрацюванню двох контакторів КМВ і КММ, що може призвести до короткого замикання електричних кіл змінного і постійного струму. При поданні напруги контактом кнопки SB1 -"Стоп" на реле часу КТ, воно спрацьовує й один його контакт миттєво замикається, шунтуючи кнопку SB1 - "Стоп", після чого її можна відпустити, а контакт реле часу КТ у колі котушки проміжного реле КV замикається з витримкою часу, яка розрахована на час динамічного гальмування. При цьому спрацьовує проміжне реле КV, його контакт у колі реле часу КТ розмикається, реле часу КТ також відпускається й обидва його контакти миттєво розмикаються, що призводить до відпускання контактора КМВ, головні контакти якого відключають статор двигуна від мережі постійного струму, а блок-контакт відключає трансформатор від мережі змінного струму. На цьому динамічне гальмування закінчується. У випадку, коли немає необхідності контролювати час гальмування двигуна та величину постійної напруги, в електричних схемах керування відсутні апарати обведені, пунктирною лінією на рис. 3.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитись з обладнанням робочого місця і записати в зошит його паспортні дані.
2. Зібрати електричну схему за рис. 3. Запустити електродвигун, натиснувши на кнопку SB2 - "Пуск". Після запуску двигуна, натиском на кнопку SB1- "Стоп", перевести його у режим динамічного гальмування. За допомогою резистора R швидко встановити необхідну напругу постійного струму, яка подається на статор двигуна.
3. Запустити електродвигун і після запуску перевести у режим динамічного гальмування. За допомогою електросекундоміра РТ заміряти час динамічного гальмування електродвигуна Ті . Дослід повторити тричі. Результати записати у таблицю 1.
4. Змінюючи величину напруги постійного струму, аналогічно до п. 2 заміряти час гальмування двигуна при різних напругах аналогічно до п. 3. Результати записати у таблицю 1.
Рис. 3 - Схема керування асинхронним електродвигуном з автоматичним динамічним гальмуванням
5. За отриманими результатами побудувати залежність U = f (ТСР).
Таблиця 1
Дослідні дані при дослідженні гальмування асинхронного двигуна
UВ454035302520151050Т1секТ2секТ3секТСРсек Контрольні питання:
1. Як здійснюється електромеханічне гальмування електродвигунів?
2. Як перевести асинхронний електродвигун у режим гальмування противмиканням?
3. Як побудоване і працює реле контролю швидкості?
4. Як перевести асинхронний електродвигун у режим динамічного гальмування?
5. Як працює електрична схема запуску й автоматичного гальмування противмиканням асинхронного електродвигуна?
6. Як працює електрична схема запуску і динамічного гальмування асинхронного електродвигуна?
Література: [6] с. 137 - 141.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №9
Дослідження системи електроприводу "тиристорний перетворювач частоти - асинхронний двигун"
Мета роботи: дослідження системи електропривода з частотним перетворювачем та аналіз схеми та характеристик системи електропривода з частотним перетворювачем.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження системи електропривода з частотним перетворювачем.
Короткі теоретичні пояснення
Перетворювачі частоти призначено для перетворення одно- або трифазної напруги з постійною частотою 50 Гц у трифазну напругу зі змінною частотою в діапазоні від 0,2 до 400 Гц. Ця властивість перетворювачів частоти уможливлює їхнє широке застосування для безступінчастого регулювання швидкості будь-яких асинхронних електродвигунів, у тому числі електродвигунів компресорів, ліфтів, підйомників і інших механізмів. Різноманіття функцій і висока надійність, закладена в перетворювачах частоти, уможливлює їхнє вигідне практичне застосування для керування електроприводами різних установок і технологічних комплексів.
Структурна схема перетворювача частоти:
Рис.1 Структурна схема перетворювача частоти.
Перетворювач являє собою статичний перетворювач частоти із проміжною ланкою постійного струму. Перетворювач складається із двох силових елементів - некерованого випрямляча та автономного інвертора напруги. На вхід випрямляча подається нерегульована напруга змінного струму промислової частоти, яка випрямлюється і подається на інвертор, що перетворює постійну напругу в змінну, регульованої амплітуди і частоти.
Вихідна частота регулюється в широких межах і визначається частотою комутації транзисторів інвертора, яка задається периферійним контролером, керованим центральним процесорним пристроєм. У схемі проводиться роздільне регулювання амплітуди і частоти вихідної напруги, що дозволяє здійснювати необхідне співвідношення між діючим значенням напруги та частотою на затискачах асинхронного двигуна відповідно до необхідного закону керування.
Перетворювач із проміжною ланкою постійного струму дозволяє регулювати частоту як на збільшення, так і на зменшення від частоти живильної мережі, відрізняється високим коефіцієнтом корисної дії (близько 0.96), значною швидкодією, малими габаритами, порівняно високою надійністю і безшумною роботою.
Автономний інвертор напруги - транзисторний. Створення транзисторних перетворювачів частоти стало можливим у зв'язку з появою потужних транзисторів, розрахованих на напругу до 1000В и на струм у кілька десятків і навіть сотень ампер. Транзисторні перетворювачі частоти для регульованих електроприводів малої і середньої потужності є більш перспективними, чим тиристорні. Транзисторний перетворювач частоти більш економічний і надійний, через менше число перемикаючих елементів. Транзистори відрізняються від тиристорів, насамперед способом керування. Керуючий ланцюг транзистора може плавно змінювати опір і струм головного ланцюга, а керуючий ланцюг тиристора може тільки відкрити головний ланцюг (як ключ), але не може її закрити. Хоча ця відмінність у схемах інверторів згладжується, тому що в інверторах транзистори, як правило, застосовують у ключовому режимі з метою максимального використання припустимої потужності вентиля.
Тому що стан транзисторів безупинно, тобто у всіх крапках осі часу залежить від сигналу керування, те останній у транзисторних інверторах повинен мати вигляд прямокутної хвилі напруги. Відповідно двом можливим значенням сигналу транзистор займає одне із двох крайніх положень на характеристиці рис.2.
Рис 2. Зовнішня характеристика транзистора
У тиристорних інверторах сигнал керування може мати вигляд послідовності короткочасних, в ідеалізації - миттєвих, імпульсів, тобто ґратчастої функції, що визначає моменти відкриття й закриття.
Іншої важливою особливістю транзисторів є те, що вони допускають використання на більш високих частотах. Це дозволяє регулювання напруги і частоти здійснювати по методу широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), причому несуча частота може в багато разів перевищувати робочу частоту, досягаючи десятків кілогерців. І хоча транзисторні інвертори із ШІМ і їх схеми керування суттєво складніше тиристорних інверторів з міжфазною комутацією, а коефіцієнт корисної дії їх нижче через підвищені втрати, пов'язані з високою частотою комутації транзисторів, такі схеми знаходять застосування в досить перспективних перетворювачах частоти, застосовуваних у приводах із глибоким регулюванням швидкості. Відмінною рисою цих інверторів є не тільки можливість регулювання в них як напруги, так і частоти від нуля до номінального значення, але й одержання форми вихідного струму, близької до синусоїдальної. Це дозволяє в таких системах забезпечити досить широкий діапазон регулювання кутової швидкості асинхронного двигуна й зменшити втрати в ньому від вищих гармонік напруги. Крім того, при використанні інверторів із широтно-імпульсною модуляцією відпадає необхідність у джерелі регульованої випрямленної напруги, що спрощує силову схему й дозволяє одержати коефіцієнт потужності перетворювача, близький до одиниці. Використовуючи принцип широтно-імпульсної модуляції, можна забезпечити будь-яку задану форму струму в навантаженні, у тому числі синусоїдальну. Принцип дії таких інверторів можна пояснити за допомогою еквівалентної схеми, представленої на рис.3. Навантаження zн включено в діагональ моста, утвореного джерелами напруги Е/2 і напівпровідниковим ключем К, який перемикається з положення 1 у положення 2 і навпаки з високою частотою f, називаної надалі несучою. Якщо час Δt1 знаходження ключа в положенні 1 дорівнює часу Δt2 знаходження ключа в положенні 2, то середнє значення напруги на навантаженні дорівнює нулю. У загальному випадку напруга на навантаженні дорівнює:
,
де =Δt1+Δt2- період несучої частоти.
Рис. 3. До пояснення принципу дії інвертора із ШІМ:
а - еквівалентна схема інвертора із широтно-імпульсною модуляцією за синусоїдальним законом; б - діаграма напруги і струму на виході інвертора
Якщо при постійній несучій частоті міняти співвідношення між Δt1і Δt2 відповідно до синусоїдального закону, то середнє за період несучої частоти значення напруги на навантаженні також буде мінятися за синусоїдальним законом із частотою модуляції:
де Ω - кругова частота модуляції (вихідна частота), μ - коефіцієнт глибини модуляції, що показує, у яких межах змінюється тривалість інтервалів Δt1 і Δt2 у плині періоду частоти модуляції.
При повній модуляції (μ=l) Δt1 і Δt2 змінюються від 0 до τ і амплітуда середнього значення напруги на навантаженні рівна Е/2. Якщо навантаження має індуктивний характер, то струм у навантаженні близький до синусоїдального (рис.3,б). Таким чином, змінюючи значення μ і Ω можна здійснювати незалежне регулювання напруги і частоти струму в навантаженні при постійній несучій частоті та незмінній по величині живлячій напрузі. Принципова схема однофазного інвертора, що працює в режимі синусоїдальної ШІМ, представлена на рис.4. Тут роль ключів виконують тиристори 1 і 2, які комутуються за допомогою конденсаторів С1 і С2 і індуктивності L таким чином, що при відкриванні тиристора 2 закривається тиристор 1 і навпаки.
Рис.4 Принципова схема однофазного інвертора
Тиристори мають лише однобічну провідність, тому для пропущення зворотного струму їх необхідно зашунтувати некерованими вентилями 1 і 2.
При формуванні позитивної півхвилі струму проводить тиристор 1 і струм навантаження споживається від верхньої половини джерела живлення. При відкриванні тиристора 2 відбувається закривання тиристора 1, однак струм навантаження протікає в непровідному напрямку стосовно тиристора 2, тому відкривається вентиль 2' і струм вертається в нижню половину джерела живлення. Після зміни полярності струму в навантаженні проводить тиристор 2, а під час закритого стану тиристора 2 - вентиль 1. Коли відкритий тиристор 2, струм навантаження споживається з нижньої половини джерела живлення; коли відкритий вентиль 1, він вертається у верхню половину.
Силова частина перетворювача частоти:
Рис.5 Силова частина перетворювача частоти - трифазний інвертор.
Інвертор живиться від мережі через некерований випрямляч "В", шунтований конденсатором С. У якості керованого випрямляча використовуються шість діодів, включених у мостову схему для одержання трьохполуперіодної випрямленної напруги. Вибір такої схеми випрямлення пояснюється тим, що мостова схема має максимальний коефіцієнт підсилення і мінімальну амплітуду пульсацій випрямленної напруги. Трифазний міст інвертора "И" складається із шести транзисторів, шунтованих діодами для пропущення зворотного струму. Перетворення постійної напруги в трифазну змінну здійснюється комутацією транзисторів VТ1 - VТ6, що працюють у певній послідовності. Послідовність включення тиристорів відповідає їхній нумерації за схемою, тобто спочатку включається VТ1, через 60° включається VТ2 і т.д. до VТ6. Після VТ6 знову VТ1 і т.д. через кожну 1/6 періоду вихідної напруги. У кожний момент часу поза комутацією відкриті одночасно два транзистори. Включення транзисторів здійснюється подачею керуючого імпульсу на базу транзистора від периферійного контролера. На відміну від тиристорного інвертора, де вихідна напруга має східчасту форму із тривалістю кожного щабля 1/6 періоду вихідної напруги, характеристики транзисторів дозволяють одержувати на виході інвертора, змінна напруга синусоїдальної форми, частота якого регулюється зміною частоти подачі імпульсів на тиристори. Сигнал керування інвертором виробляється в центральному процесорному пристрої, потім надходить у периферійний контролер, де розгалужується на два ланцюги: керування напругою - через регулятор напруги та керування частотою - через блок перетворення напруга - частота, що й задає частоту на виводах двигуна в обумовленому їм відношенні до напруги.
Регулятор напруги модулює через генератор імпульсів і модулятор тривалість імпульсів сигналу, що управляє транзисторами на несучій частоті, в 60 раз перевищуючої вихідну частоту інвертора. Для керування частотою останнього несуча частота зменшується дільником частоти вдесятеро, після чого сигнал надходить на кільцевий лічильник, а потім на модулятор. Програмування інвертора здійснюється за допомогою пульта керування. Керування перетворювачем частоти здійснюється подачею зовнішніх сигналів на клеми ланцюгів керування. По RS-485 можливе керування перетворювачем, моніторинг, читання й запис параметрів.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитись з лабораторним стендом для дослідження системи електропривода з частотним перетворювачем.
Рис. 6. Загальний вигляд навчально-дослідного стенду керування та діагностування трифазних асинхронних електродвигунів
002Режим керуванняДистанційне керування 100КонфігураціяРозімкнута схема [0] 102Потужність двигунаІз заводської таблички 103Напруга двигунаІз заводської таблички 104Частота двигунаІз заводської таблички 105Струм двигунаІз заводської таблички 106Ном. частота обертання дв.Із заводської таблички 201Мін. вихідна частота0 Гц 202Макс. вихідна частота50 Гц 207Час розгонуЗалежить від застосування 208Час затримкиЗалежить від застосування 302Клема 18 (цифр.вхід)Старт [1] 304Клема 27 (цифр.вхід)Зупинка вибігом інв. [0] 308Клема 53 (аналог.вхід)Завдання [1] 309Кл. 53 хв. масштаб0 В 310Кл. 53 макс. масштаб10 В Рис. 7 Витратна характеристика навантаження: підтримка постійного тиску насосом у системі водопостачання.
2. Виконати передпускову підготовку: підключити двигун до перетворювача.
3. Запустити перетворювач та підготувати навантажувальну машину.
4. Одержати дані до характеристик.
5. Нотувати результати.
6. Зупинити лабораторний агрегат.
7. Обробити результати досліджень. Побудувати графіки перехідних характеристик.
Рис. 8. Перехідні характеристики електроприводу.
Контрольні питання:
1. Від яких величин залежить частота обертання валу асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором? 2. Як частота струму з мережі живлення впливає на частоту обертання валу асинхронного двигуна? 3. Яка послідовність перетворення енергії у ТПЧ? 4. Які головні функціональні складові ТПЧ? 5. У чому полягає функція випрямляча напруги? 6. Що таке інвертор? 7. Які елементи надають випрямлячу властивості джерела напруги? 8. Як розрахувати момент навантажувальної машини? 9. Як розрахувати момент асинхронного двигуна лабораторної установки? 10. Як протікає струм через випрямляч, інвертор та двигун?
Література: [6] с. 115 - 128.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота № 10
Дослідження роботи автоматизованих насосних пристроїв
Мета роботи: ознайомитись з основними типами насосних пристроїв, які використовуються у сільському господарствi та системами їх керування й автоматизації, засвоїти методику вибору електродвигуна насоса і підключення його до електричної мережі, дослідити режими роботи електронасосного агрегату.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження водопостачального пристрою із водонапірним баком: резервуар з водою; насос; електродвигун; водонапірний бак; водомірна трубка; пульт керування; вентилі; датчики верхнього та нижнього рівнів.
2. Електроконтактний манометр.
3. Таймер.
Короткі теоретичні пояснення
У сільськогосподарському виробництві насосні пристрої застосовуються у системах водопостачання, зрошування та каналізації.
Системи водопостачання призначені для добування, очищення та розподілу води для технічних і господарських потреб. Автоматичні системи керування насосними станціями систем водопостачання призначені для автоматичного запуску і зупинки насосів за певною програмою, автоматичного регулювання подачею насосів, вмикання резервного насоса, захисту електродвигунів, сигналізації нормальної роботи та аварійних зупинок, вимірювання тиску та рівня води, сили струму, який споживає електродвигун та напруги. Затрати ручної праці на подачу води у тваринницькі ферми становлять 30% від усіх робіт, а застосування автоматизованого електропривода збільшує продуктивність праці на цих операціях у 18-20 разів.
До сільськогосподарських споживачів воду в основному подають через водонапірний котел чи водонапірний бак, за допомогою відцентрових насосів, які приводяться в рух асинхронними електродвигунами. Безпосередньо від насоса у розподільчу мережу воду подають у відкритих зрошувальних системах із приводом від асинхронних чи синхронних двигунів. Для забирання води з відкритих водоймищ, а також із шахтних криниць і свердловин із динамічним рівнем води у них не глибше 5-7 м від поверхні землі, переважно застосовують відцентрові насоси типів К, КМ і ЦВ та вихрові насоси типів В, ВК і ВКС. З глибинних шахтних криниць та свердловин воду піднімають за допомогою водострумних пристроїв ВН та заглибних електронасосів типів ЭЦВ, ЭПН, ЭПЛ, АП, АПВ і АПВМ.
Для того, щоб вибрати тип і потужність електронасосного пристрою та їх кількість, необхідно, виходячи з місцевих умов, вибрати схему водопостачання. При виборі насоса виходять із його необхідної подачі QН та напору Н, який він повинен створювати. Подачу насоса знаходять із співвідношення:
,
де - коефіцієнт нерівномірності погодинної витрати (для поселень =1,5; для ферми з автонапувалками =2...3, для ферми без автонапувалок =4...5); - коефіцієнт нерівномірності добової витрати (=1,1.. .1,3); - ККД пристрою, який враховує втрати води ( = 0,9);
- середньодобова витрата води, (л/доб.) ;
- норма води на одного споживача (корова, свиня, птах, технологічний процес, автомобіль), л/доб;
- число споживачів даного виду.
При розрахунку водопостачання, зокрема, враховують пожежну витрату води (2,5-10 л/с) залежно від розмірів господарства чи населеного пункту, тривалість пожару приймають рівною 2-3 год. Цю витрату зобов'язані забезпечити насосний агрегат та водопровідна мережа або на нього повинна бути розрахована запасна ємність. Напір насоса вибирають таким чином, щоб він міг подавати воду при необхідному тиску у заданому місці.
Необхідний напір насоса Н визначають із залежності: Н = НВ + НН + НТ + Н1, [м],
де НВ - висота всмоктування;
НН - найбільша висота водоспоживачів;
НТ - напір втрат у трубопроводах;
Н1 - напір, який необхідний для створення певної швидкості витікання води (вільний напір).
Знаючи потрібні витрати та напір, за каталогом вибирають насос з урахуванням можливої частоти обертання привідного електродвигуна. За універсальною характеристикою вибраного насоса уточняють його подачу QН, напір Н і визначають коефіцієнт корисної дії.
Потужність двигуна для приводу насоса:
,
де - питома вага рідини, що перекачується, Н/м3; - ККД передачі (при прямому з'єднані валів =1, для клинопасової передачі =0,98, для зубчатої =0,97, для плоскопасової =0,95); - ККД насосів (поршневих =0,7...0,9, відцентрових =0,4...0,8, вихрових =0,25... 0,5); - коефіцієнт запасу, що вибирається з табл. 1.
Таблиця 1
Коефіцієнти запасу
Р, кВт≤123458≥101,7...21,51,331,251,21,121,05...1 Для відцентрових насосів особливо важливо правильно вибрати кутову швидкість, оскільки його продуктивність, пропорційна кутовій швидкості, напір і момент квадрату кутової швидкості, а потужність її кубу:
Тип електродвигуна вибирають, виходячи з умов навколишнього середовища та особливостей монтажу. Наприклад, для приводу заглибних насосів типу ЭЦВ застосовують спеціальні двигуни типу ПЭДВ потужністю 0,7-65 кВт, які мають видовжену форму корпусу і розраховані на роботу у свердловинах діаметром від 100 до 250 мм при подачі на висоту до 350 м. Підшипникова пара заглибних двигунів являє собою пару ковзання: сталь - гума, сталь - текстоліт чи сталь - пластик. Маса ротора сприймається підп'ятником, який складається зі сталевої п'яти, насадженої на кінець вала ротора та гумового чи текстолітового кільця, яке запресовується у розточку підшипникового щита. Підшипники змащуються водою. Перед вмиканням заглибного електродвигуна в його внутрішню порожнину необхідно обов'язково залити чисту воду. Обмотка статора двигуна виконується проводом із поліхлорвініловою вологостійкою ізоляцією. Заглибні електронасоси залежно від рівня залягання водоносного шару експлуатують на глибинах 40-230 м. Термін служби заглибних електродвигунів до капітального ремонту відносно невеликий - 1...1,5 року.
Для приводу незаглибних відцентрових насосів типу К та КМ та вихрових насосів використовують асинхронні короткозамкнуті двигуни сільськогосподарського виконання або двигуни з фазним ротором із вологостійкою ізоляцією потужністю 1,5...55 кВт.
Механічна характеристика відцентрового насоса має вентиляторний вигляд і описується формулою:
,
де - момент опору при кутовій швидкості, ; - момент опору при номінальній кутовій швидкості,; - момент опору від сил тертя у рухомих частинах машини для відцентрового насоса =0,05; х - показник степеня, для відцентрового насоса х = 2.
Відцентровий насос можна запускати як при відкритій, так і при закритій засувці на напірному трубопроводі.
Подачу насосних пристроїв можна регулювати шляхом включення і відключення одного або декількох двигунів (у випадку застосування декількох електронасосів), зміною частоти їх обертання та дроселюванням засувкою.
Двохпозиційне релейне регулювання застосовується у більшості автоматичних пристроїв. У цьому випадку двигун працює в області номінальних навантажень із достатньо високими техніко-економічними показниками. Недоліки даного способу полягають у тому, що двигун частину часу не працює, а отже, коефіцієнт використання його встановленої потужності менший одиниці та пропорційний відносній тривалості включення. Окрім того, при збільшенні частоти включень двигуна за годину (нормальне допустиме число включень за годину рівне 6) його нагрівання може перевищити допустиме, тому привід повинен перевірятись на допустиму частоту включень.
Регулювання при дроселюванні засувкою призводить до непродуктивних затрат потужності електродвигуна на переборення додаткового опору у прикритій засувці і застосовується на напірній магістралі в пристроях із синхронними двигунами потужністю у декілька кіловат при невеликому діапазоні та плавності регулювання, коли застосування інших методів призводить до значного зростання капітальних затрат і не дає істотної економії за рахунок зниження втрат.
Регулювання подачі електронасоса шляхом зміни частоти обертів є одним із найбільш раціональних способів. Частоту обертів асинхронного двигуна можна регулювати шляхом зміни напруги, що підводиться до двигуна, переключенням числа пар полюсів, зміни опору у колі ротора чи частоти струму живлення, а також, за допомогою електромагнітної муфти чи клинопасової передачі з варіатором.
При надійному електропостачанні і невеликих погодинних витратах (1,6...36 м3/год) на фермах можуть застосовуватись насосні пристрої з повітряно-водяним котлом, заглибним, лопатним чи вихровим насосом і станцією керування типу ВУ (див. рис. 1).
Насосний пристрій типу ВУ працює таким чином: вода, яка подається насосом 1, йде до споживачів, а її надлишок - у повітряно-водяний котел 2, де вода піднімається й стискає повітря, яке знаходиться у котлі. Коли тиск води у котлі досягає певного значення, реле тиску 6 своїми контактами SР відключає електронасосний агрегат і подача води зупиняється. Після чого вода до споживачів подається під тиском повітря у котлі. Поверненню води назад до водоймища через насос протидіє зворотній клапан.
Рис. 1 - Технологічна (а) та електрична (б) схеми насосного пристрою із повітряно-водяним котлом і станцією керування ВУ: 1 - насосний агрегат; 2 - повітряно-водяний котел; 3 - камера змішування регулятора; 4 - повітряний клапан; 5 - жиклер; 6 - реле тиску; 7 - станція керування; 8 - запобіжний клапан
У міру витрати води тиск у котлі понижується і коли він досягає встановленого мінімального значення, реле тиску включає насосний агрегат. Звичайно, відношення мінімального тиску (вмикання) до максимального (вимикання) складає 0,65...0,75 для пристроїв невеликої подачі і 0,8...0,85 для пристроїв із великою подачею. Повітряна подушка котла пом'якшує гідравлічні удари, які виникають при перехідних режимах роботи електронасосного пристрою.
У повітряно-водяних котлах повітря безпосередньо контактує з водою, в результаті чого частина його розчиняється й виноситься водою, що зменшує об'єм повітряної подушки. Це може призвести до порушення нормальної роботи пристрою і більш частих включень агрегату. Для автоматичного підтримування необхідного об'єму повітряної подушки застосовується розподільна діафрагма або струменевий регулятор, за допомогою якого повітряна подушка поповнюється повітрям.
У повітряно-водяних котлах запас води порівняно невеликий, тому при великих погодинних витратах води, зростає частота вмикання насосного агрегату, що може призвести до перегрівання електродвигуна й виходу його з ладу. Збільшення об'єму котла істотно підвищує його вартість, тому при великих годинних витратах води використовують баштові насосні пристрої з водонапірними баками.
Автоматичні системи керування баштових насосних пристроїв повинні виконувати такі функції:
- автоматичне вмикання електродвигуна при випорожненні водонапірного бака нижче встановленого рівня й вимикання електродвигуна при заповненні водонапірного бака вище верхнього встановленого рівня та при зниженні рівня води у свердловині (захист від сухого ходу);
- ручне керування водонаносного пристрою;
- вимикання електродвигуна при коротких замиканнях, перевантаженнях, обриві фази, значному зниженні напруги;
- сигналізацію про роботу системи керування та про завантаження двигуна.
Контроль за рівнем води у водонапірному баку може здійснюватись за допомогою поплавкових чи електродних датчиків рівня та електроконтактних манометрів. Поплавкові датчики рівня мають низьку надійність роботи внаслідок наявності рухомих механічних частин.
Електродні датчики рівня (рис. 2) використовують провідність води для проходження електричного струму і надійно працюють при температурах вище нуля, а при морозі відмовляють у роботі, оскільки електроди покриваються кригою, яка має низьку провідність і швидко окислюються. Для запобігання замерзанню електродних датчиків рівня (як правило, датчика верхнього рівня) використовують нагрівальний опір НО потужністю 80...100 Вт, який включається на зимовий період від руки. Оскільки для електричного зв'язку датчиків рівня, які розміщені у баку і станції керування, необхідні з'єднувальні проводи значної протяжності, то у нових станціях керування насосними пристроями для контролю за рівнем води у водонапірних баках використовуються електроконтактні манометри, які встановлюються у приміщенні насосної станції і можуть реєструвати перепад статичного тиску стовпа рідини у системі водопостачання при зміні рівня води на 1...2 м.
Заглибні насоси, як правило, поставляють разом із станціями керування та релейно-контактними елементами ПЭТ або напівпровідниковими пристроями (логічними елементами, мікросхемами) типу ШЭП та "Каскад", які відрізняються також за потужністю керованого двигуна і виготовляються двох габаритів для двигунів потужністю 10...12 кВт і 16...65 кВт. Перші дві станції зняті з виробництва, але у господарствах ще використовуються.
Розглянемо прості схеми автоматичного керування насосних пристроїв, які розповсюджені у сільському господарстві і за допомогою яких можна вияснити принцип роботи типових станцій типу ШЭП, "Каскад" та інших. Електричну схему автоматизованого керування заглибних насосів за допомогою електродних датчиків рівнів у водонапірному баку й електродного датчика сухого ходу у свердловині приведено на рис. 3.
Рис. 2 - Електродні датчики рівня: а) - трубчатий датчик; б) - стержневий датчик; ЕЗ - загальний електрод з'єднаний із нульовим проводом мережі; ЕВР - електрод верхнього рівня; ЕНР - електрод нижнього рівня; НО - нагрівальний опір
За нормальних умов роботи заглибний насос знаходиться у воді й контакти (електроди) датчика сухого ходу SL3 замкнуті, реле КV2 ввімкнено, його замикаючі контакти КV2.1 у колі котушки магнітного пускача КМ замкнуті, горить сигнальна лампочка HL4, яка сигналізує про наявність води у свердловині (у зоні насоса). Режим роботи схеми задається перемикачем SА1. При переключенні його у положення А (автоматичне керування) і вмиканні автоматичного вимикання QF, на схему керування подається напруга. Якщо рівень води у напірному баку знаходиться нижче електрода нижнього рівня датчика, то контакти (електроди) SL1 і SL2 - розімкнуті, реле КV1 знеструмлене і його контакти КV1 у колі котушки магнітного пускача КМ замкнуті. У цьому випадку магнітний пускач спрацьовує й включає електродвигун насоса, одночасно гасне сигнальна лампочка HL1 і загоряється лампочка HL2. Насос подаватиме воду до напірного бака й рівень води у ньому підніматиметься. Коли вода заповнить проміжок між електродом нижнього рівня і корпусом датчика, який під'єднаний до заземленого нульового проводу, контакти SL2 замкнуться, але реле КV1 не спрацює, оскільки його контакти КV1.2, які включені послідовно з контактами SL2, розімкнуті. Коли вода досягне електрода верхнього датчика рівня, контакти SL1 замкнуться, реле КV1 спрацює й розімкне свої контакти КV1.1 у колі магнітного пускача КМ і вимкне останній, а також замкне замикаючі контакти КМ.2, магнітний пускач КМ відключить своїми головними контактами електродвигун, а допоміжними контактами вимкне сигнальну лампочку HL2 і ввімкне лампочку HL1. Повторне вмикання електродвигуна насоса відбудеться при зниженні рівня води до положення, коли розімкнуться контакти (електроди) SL2 і реле КV1 знеструмиться.
Рис. 3 - Електрична схема автоматизації заглибного насоса за рівнем води у водонапірній вежі
Реле КV1 живиться постійним струмом, оскільки обмотка реле змінного струму може перегоріти при повільному заповненні водою верхнього датчика рівня і повільному зменшенні опору води та зростанні струму до величини струму спрацювання, який при розімкнутому магнітопроводі у декілька разів більший від номінального струму. Опір R2 вибирають таким, щоб при напрузі мережі 220 В на обмотці реле КV1 була напруга 24 В постійного струму.
У випадку аварійного зниження рівня води у свердловині (у зоні заглибного насоса) нижче допустимого положення розімкнуться контакти (електроди) датчика сухого ходу SL3, реле КV2 знеструмиться й розімкне контакти КV2.1 у колі котушки магнітного пускача КМ, який вимкне електродвигун заглибного насоса. Лампочка HL4 погасне, а HL5 загориться, сигналізуючи про аварійне зниження рівня води у свердловині.
Для захисту електродвигуна заглибного насоса від перевантажень, замість теплових реле може використовуватись пристрій ФУЗ-М, який більш надійно захищає двигун заглибного насоса як від перевантажень, так і від неповно фазних режимів роботи.
На рис.4 приведена електрична схема автоматизованого керування заглибним насосом з водонапірним баком за допомогою електроконтактного манометра. При наявності води у свердловині у зоні заглибного насоса, контакти (електроди) датчика сухого ходу SL будуть замкнутими, а реле КV2 триматиме замкнутими свої контакти КV2.1 у колі котушки магнітного пускача КМ. В автоматичному режимі при вимкненому насосі рівень води у баку знижується, коли вона витрачається,а отже, зменшується тиск водяного стовпа, рухомий стрілковий контакт манометра SР буде рухатись до нерухомого контакту 1, положення якого встановлюється відповідно до тиску, який створює водяний стовп при нижньому рівні води у баку. При замиканні цих контактів струм поступає на магнітний пускач КМ, який вмикає електродвигун заглибного насоса і своїми замикаючими контактами КМ.2 шунтує контакти 1 та SР.
При вмиканні електронасосного агрегату у напірному трубопроводі виникає короткочасне підвищення тиску у момент трогання насоса. У цьому випадку рухомий контакт манометра SР може торкнутись контакту 2 і реле КV1 може короткочасно розімкнути свої контакти у колі котушки пускача КМ, але пускач не вимикається, оскільки його живлення здійснюватиметься через контакти реле часу КТ. Після роз гону електронасосного агрегату й стабілізації тиску, реле часу розімкне свої контакти КТ. При підніманні рівня води у напірному баку тиск водяного стовпа зростатиме і рухомий стрілковий контакт манометра SР рухатиметься до нерухомого контакту 2, положення якого встановлюється відповідно до тиску, який створює водяний стовп при верхньому рівні води у баку. При замиканні цих контактів, струм надійде до реле КV1, яке розімкне свої контакти КV1.1. і вимкне магнітний пускач КМ, який, у свою чергу, вимкне електродвигун насоса. При витраті води, її рівень у напірному баку знову знижуватиметься, тиск зменшиться і контакт SР знову доторкнеться до контакту 1. Робота схеми повториться. Для гасіння короткочасних зростань тиску, які діють на електроконтактний манометр у моменти трогання насоса, на відгалуженні до манометра встановлюють дроселі з малими отворами або регульовані вентилі. У таких випадках реле часу у схемі на рис. 4 не потрібне.
Станції керування ШЭП відрізняються від попередніх тим, що всі кола керування виконані на безконтактних логічних елементах, змонтованих у блок БЛ-4М. Силові кола залишені такими ж, до них входить автоматичний вимикач та електромагнітний пускач. Безконтактні апарати керування мають більшу надійність порівняно з релейно-контактними. Середній строк служби логічних елементів 40 тис. годин при набагато вищій швидкодії (можуть працювати з частотою до 10 кГц) і захищеності від дії навколишнього середовища. Окрім того безконтактні пристрої не потребують регулювань і наладки.
Рис. 4 - Електрична схема автоматизації заглибного насоса за тиском водяного стовпа водонапірної вежі
Станції керування ШЭП виконують ті ж функції, що і попередні схеми керування, окрім того дозволяють автоматичне керування електронасосом у режимі дренажу, залежно від рівня води у свердловині за допомогою встановлених у ній датчиків рівня. Окрім того, захист двигуна від перевантажень та обриву фази виконаний на логічних елементах із контролем струму навантаження має вищу надійність і швидкодію. Ця станція також знята з виробництва, але у господарствах ще використовується.
Найпоширенішими у даний час є станції керування "Каскад", які комплектуються скриньками керування, ЯНН5110 або ЯН 5100 і випускаються у двох виконаннях: для керування двигунами потужністю до 12кВт та двигунами потужністю від 16 до 65 кВт. Залежно від типу скриньки керування станція "Каскад" може виконувати такі функції:
- автоматичний запуск і зупинку електронасоса залежно від рівня води у режимі водопіднімання та дренажу;
- автоматичний запуск електронасоса в режимі водопіднімання залежно від тиску водяного стовпа у башті, та його автоматичну зупинку через заданий оператором проміжок часу (до 90 хв);
- селективний автоматичний запуск насосів із регульованою витримкою часу;
- місцевий (від руки) та телемеханічний запуск і зупинку двигуна;
- вимикання електронасоса при зниженні рівня води у свердловині (захист від сухого ходу) та при перевантажені;
- неможливість повторного автоматичного запуску після спрацювання будь-якого захисту;
- світлову сигналізацію з розшифровкою причини аварійної зупинки;
- контроль завантаження двигуна струмом.
Усі функції автоматичного керування, сигналізації та захисту двигуна від аварійних режимів (окрім коротких замикань) виконує блок керування типу БОН-9200, виконаний на напівпровідникових елементах.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитись з обладнанням лабораторного стенда і записати у таблицю 2 паспортні дані електродвигуна, а у табл. 3 - насоса.
Таблиця 2
_Паспортні дані електродвигуна
НазваТипUHІHРHcosφηHnHВагаКлас ізоляціїРежим роботи
ВАВт%об/хвкг
Таблиця 3
Паспортні дані насоса
НазваТипQHHHВага
м /смкг 2. Вивчити будову й принцип роботи станцій керування типу ШЭП та "Каскад", вияснити можливі режими їх роботи, а також умови застосування переваги та недоліки.
3. Перевірити роботу в автоматичному режимі схеми керування насосним агрегатом за допомогою електроконтактного манометра.
4. Запустити у дію насосний пристрій (рис. 5) у режимі ручного керування і визначити подачу насоса, заповнюючи бак при закритих вентилях В4 і В5 (вентиль В5 служить для заповнення відцентрового насоса водою перед запуском) та повністю відкритих вентилях В1, В2 і В3, вирахувати об'єм V води, яка подається насосом протягом деякого часу (попередньо заміряти площу бака F). Зафіксувати 4...6 проміжків часу і роботи насоса і відповідні їм рівні води за допомогою водомірної труби. Результати записати у табл. 4.
5. Установити витрати при різних положеннях водорозбірного вентиля В4 (вентиль відкритий на один оберт маховичка, на два і т. д. повністю) витрати заміряти у межах зміни напору водяного стовпа від верхнього до нижнього рівня. Після кожного досліду заповнити бак до верхнього рівня. Результати записати у табл. 5.
Рис. 5 - Схема лабораторного стенду для дослідження водопостачального пристрою із водонапірним баком: 1 - резервуар з водою; 2 - насос; 3 - електродвигун; 4 - водонапірний бак; 5 - водомірна трубка; ПК - пульт керування; В1, В2, В3, В4, В5 - вентилі; ДВР, ДНР - датчики верхнього та нижнього рівнів
Таблиця 10.4
Дані для визначення подачі насоса
№ з/пt, сh, м∆V, м3∆t, сF, м2QП, м3/с12345 Таблиця 5
Дані для визначення витрати води
№ з/пt, сh, м∆V, м3∆t, сF, м2QП, м3/с12345 6. Виміряти напір, який розвиває насос. Запустити насосний пристрій у режимі ручного керування при відкритих вентилях В1, В2, В3 і В4. Напори НН та НВ визначити за показами манометрів на нагнітальному і всмоктувальному трубопроводі. Повний напір НП насоса дорівнює їх сумі. Сумарний напір НС складається з геометричних висот всмоктування, нагнітання та вільного напору Н1 (Н1 = 6...10 м вод. ст.) Напір втрат у трубопроводах НТ буде рівним НТ = НП - НС. Результати записати у табл. 6.
Таблиця 6
Результати вимірювань напорів
НВНННПН1НСНТНТПа м. вод. стПа м. вод. стПа м. вод. стПа м. вод. стПа м. вод. стПа м. вод. ст 7. Визначити ККД насоса при роботі у режимі ручного керування і повністю відкритих вентилях В1, В2, В3 та В4. Покази приладів записати у табл. 7.
Таблиця 7
Дослідні дані для визначення ККД насосного пристрою
№ з/пUIРQПНВНННПВАВтм3/сПаПаПа1 Потужність, яка затрачується на піднімання води (корисна), кВт: .
ККД пристрою і насоса:
,
,
де Н - напір, що створює насос, м. вод. ст.: ,
де НН та QН - номінальне значення напору і подачі насоса (за паспортними даними);
,
де - ККД двигуна при навантаженні РХ.
Коефіцієнт механічного завантаження двигуна:
,
де РПР - приєднана потужність, кВт:
.
,
де - номінальні значення ККД, ковзання та коефіцієнта потужності електродвигуна. 8. Визначити частоту вмикань насосного пристрою при заданому об'ємі регульованої ємності. Витрату води встановити рівною половині номінальної подачі насоса (Q = QH/2) і включити насосний пристрій у режимі автоматичного керування. Результати вимірів записати до табл. 8.
Таблиця 8
Дослідні дані для визначення частоти вмикань насосного пристрою № з/пUIРQПQР∆VЧас, секВАВтм3/см3/см3tPtЗtЦ1 Частота вмикань рівна: ,
де - час циклу, с; - час роботи насоса, с; - час зупинки, с.
За умови Q = QH/2 - частоту вмикань можна розрахувати за формулою:
.
У випадку розходження Z і ZР необхідно пояснити причину.
Контрольні питання:
1. Які системи водопостачання застосовують у сільському господарстві й у чому їх переваги та недоліки?
2. За яким принципом керування автоматизують водопіднімальні пристрої?
3. Як побудовані та працюють заглибні електронасоси й у чому переваги систем водопостачання з їх використанням?
4. Які системи датчиків використовують у водопіднімальних пристроях, у чому полягає принцип їх роботи та в чому їх переваги й недоліки?
5. У чому полягають переваги безконтактних систем керування електроприводом водопіднімальних пристроїв?
6. Як працює автоматичний водопіднімальний пристрій з повітряно-водяним котлом?
7. У чому полягають особливості запуску та роботи відцентрових та вихрових насосів?
8. Як здійснюється захист електродвигуна для приводу водяного насоса?
10. Як розрахувати потужність електродвигуна для приводу водяного насоса?
11. Як залежить потужність, яку споживає електродвигун, від частоти обертів насоса?
12. Чому обмежується максимальне число включень електродвигуна насоса за годину, від чого воно залежить та як його розрахувати?
Література: [1] с. 15 - 52, [3] с. 127 - 146.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №11
Дослідження роботи автоматизованих потокових ліній
Мета роботи: ознайомитись з основними потоковими лініями, які використовуються у сільському господарствi системами їх керування та автоматизації, дослідити режими роботи потокових ліній.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження роботи потокових ліній.
Короткі теоретичні пояснення
Для комплексної механізації та електрифікації різних технологічних процесів практично в усіх галузях сільськогосподарського виробництва використовується система машин. Це сукупність різних робочих машин, механізмів та апаратів, які зв'язані між собою згідно з продуктивністю, швидкістю руху й тривалістю дії для завершеного технологічного або виробничого циклу. При цьому через механізми зв'язку одна машина задає роботу іншій і таким чином забезпечується потоковість виробництва, умови його автоматизації і безпеки експлуатації. Система машин забезпечує найкраще використання коштів, впровадження інтенсивних технологій виробництва продукції тваринництва, різке підвищення продуктивності праці, економію паливно-енергетичних ресурсів, поліпшує умови праці.
Ручне керування машинами, які працюють у потоці, малоефективне: обслуговуючий персонал не в змозі своєчасно реагувати на роботу кожної з них. Автоматизація контролю і керування технологічним процесом є обов'язковою умовою підвищення ефективності використання машин.
Однак концентрація машин і устаткування, їх розміщення, взаємозв'язок і певна послідовність їх роботи, яка зумовлює введення централізації та автоматизації керування, разом з тим ставить нові вимоги до електропривода та електропостачання.
Схеми автоматичного керування електроприводами потокових ліній включають керування кількома двигунами (кількість їх може бути більше десяти), тому можливі різні схеми пуску. Найпростіша з них - одночасний пуск 2 - 4 двигунів. Це стосується, як правило, двигунів невеликої потужності. За умов одночасного пуску пусковий струм визначається сумою пускових струмів окремих електродвигунів. Найраціональнішим для групи двигунів невеликої потужності є лавинний пуск. Вмикання двигунів відбувається послідовно з витримкою часу спрацьовування магнітного пускача, який вмикає кожний наступний двигун. У цьому випадку пусковий струм знижується порівняно з одночасним пуском на 15 - 20%. За наявності значної кількості електродвигунів пуск здійснюється з витримкою часу, яка дорівнює або більше часу розгону попереднього електродвигуна. Витримка часу або обирається оператором інтуїтивно, або у ланцюзі керування монтуються відповідні реле часу. Можливі схеми пуску наведені на рис. 1.
абв
Рис.1. Схема пуску електродвигунів у потоковій лінії: а - одночасний пуск; б - лавинний пуск; в - пуск з витримкою часу
Електроустаткування установки забезпечує:
• керування установкою в двох режимах - налагоджувальному та автоматичному, аварійну зупинку;
• передпускову звукову сигналізацію;
• керування в автоматичному режимі двома лініями - подрібнення і завантаження;
• керування системою аспірації;
• автоматичне встановлення засувок залежно від обраної під завантаження секції наддозаторного бункера;
• блокування, яке передбачає за умов зупинки однієї з машин зупинку попередніх;
• звільнення лінії подрібнення від залишків продукту при зупинці;
• зупинку лінії завантаження при завантаженні обраної секції бункера-нагромаджувача або бункера білково-вітамін-но-мінеральних добавок (БВД);
• світлову сигналізацію роботи машин;
• сигналізацію завантаження бункерів та їх секцій продуктом;
• безступінчасте регулювання швидкості двигуна механізму дозування в діапазоні 50 - 70 об/хв;
• блокування пуску двигунів установки за умов відкритої камери дробарки;
• захист всього електрообладнання від струмів короткого замикання та перевантажень.
Електропривід малогабаритної комбікормової установки УМК-Ф-2.
Установка УМК-Ф-2 призначена для виготовлення розсипних комбікормів із зерна та білково-вітамінно-мінеральних добавок (БВД) промислового виробництва в умовах тваринницьких ферм. Вони розміщуються в закритих приміщеннях, які оснащені механізованою подачею вихідної сировини, наприклад норією. Вихідні компоненти, які надходять на переробку, повинні мати вологість не більше 13 %. Вихідна зернова сировина зсипається до вивантажувальної ями транспортними засобами і норією (рис.2) через сепаратор 3 і магнітну колонку 4, подається до розподільного конвеєра 5. У сепараторі вихідна сировина очищується від великих включень, а в магнітній колонці - від металомагнітних. Конвеєром 5 вихідний матеріал подається до бункера оперативного запасу сировини 7, секції з відкритою над нею засувкою 6. Подавання матеріалу припиняється після надходження сигналу від відповідного датчика верхнього рівня завантаження 15. Причому компонент, який має найбільший продукт у рецепті, завантажується до секції бункера над дозатором ІІ (зерновий), а компоненти, що не потребують подрібнення, включаючи й БВД, у секції бункера над дозаторами І і V.
Рис. 2. Технологічна схема малогабаритної комбікормової установки:
1 - норія; 2 - живильник: 3 - сепаратор; 4 - магнітна колонка; 5 - розподільний конвеєр; 6 - засувки; 7 - запасні бункери; 8 - механізм дозування: 9 - дробарка; 10 - гвинтовий конвеєр; 11 - змішувач; 12 - бункер готового продукту (нагромаджувач); 13 - бункер для білково-вітамінно-мінеральних добавок; 14 - вивантажувальний конвеєр; 15 - датчики рівня; I-V - дозатори.
БВД завантажуються до бункера 13 завантажувачем сухих кормів ЗСК-10 або через завантажувальну яму (норію 2), сепаратор 3 з магнітною колонкою 4 та розподільний конвеєр 5.
Контроль рівня завантаження бункера 13 і бункера 7 здійснюється за допомогою датчиків верхнього і нижнього рівнів 15, інформацію від яких виведено на сигнальні лампочки шафи керування.
Бункер 13 оснащено шнековим живильником 2 для подавання вихідних БВД до крайньої укороченої секції І бункера 7.
Вихідні компоненти механізмами дозування 8 подаються для подрібнення до дробарки 9, а компоненти, які не потребують подрібнення, спеціальними перехідними клапанами надходять до розподільного конвеєра 5 без подрібнення.
Подрібнений продукт разом із компонентами, які не слід подрібнювати, потрапляє до горизонтального гвинтового конвеєра 10 і вертикального конвеєра. Змішувач 11 змішує та пересіває готовий продукт до бункера-нагромаджувача 12, звідки відвантажується до транспортних засобів споживача.
Перед початком роботи на дробильну камеру замість передньої кришки встановлюється спеціальний лотік, за допомогою якого здійснюється тарування подачі шнеків дозаторів. Після тарування кришку встановлюють на попереднє місце.
Принципіальну електричну схему керування приводами комбікормової установки наведено на рис. 3. Схема забезпечує два режими роботи: налагоджувальний та автоматичний. Вибір режиму роботи здійснюється перемикачем SА2, який має три положення: "Налагодження", "Вимкнено", "Автомат".
У налагоджувальному режимі здійснюється незалежне вмикання кожного механізму окремо під час монтажу, обкатки або обслуговування. Для роботи у налагоджувальному режимі перемикач режиму роботи SА2 встановлюють у положення "Налагоджування". При подаванні напруги до шафи керування вимикачем QS вмикаються реле КV1 та КV2, які своїми контактами готують коло керування до роботи у налагоджувальному режимі. Почерговим натисканням кнопок SВ7, SВ9, SВ11, SВ13, SВ17, SВ20, SВ22, SВ24, SВ26, SВ30, SВ33, SВ34, SВ36, SВ37 одержують живлення котушки відповідних магнітних пускачів та реле, які вмикають електродвигуни. Кнопками SВ6, SВ8, SВ10, SВ12, SВ16, SВ19, SВ21, SВ23, SВ25, SВ27, SВ29, SВ32, SВ35, SВ38 здійснюється зупинка відповідних двигунів. У разі вмикання електродвигунів замикаючими контактами пускачів вмикаються сигнальні лампи.
При автоматичному режимі роботи перемикач SА2 встановлюють у положення "Автомат", при цьому забезпечується вмикання механізмів установки в технологічній послідовності та керування ними за допомогою сигналів, які видають датчики рівнів.
Схема автоматичного керування забезпечує роздільну роботу лінії подрібнення зерна та лінії завантаження. При необхідності обидві лінії в змозі працювати спільно. Схему силової мережі лінії подрібнення наведено на рис. 3, а.
Лінія подрібнення продукту працює так. При натисканні пускової установки SB4 вмикається реле KV3, контакти якого блокують пускову кнопку і готують мережі автоматичного керування до роботи. Одночасно з реле KV3 одержує живлення котушка реле часу КТ1 і сирена НА, що видає передпусковий звуковий сигнал. Через 10 с розмикаючі контакти реле часу КТ1 вимикають сирену НА, а замикаючі - вмикають пускач КМ1 і КМ10. Замикаючими контактами пускача КМ1 вмикається пускач КМ2, контактами КМ2 вмикається КМ3.1 або KM3.2 залежно від положення перемикача SA3. При спрацюванні магнітних пускачів КМ3.1 або KM3.2 їх замикаючі контакти вмикають струмове реле KA, а воно у свою чергу вмикає реле KV5. При спрацюванні вказаних пускачів та реле вмикаються електродвигуни M1 - М4 та М10 (похилий шнек, шнек дробарки, дробарка, дозатор, шнек БВД). Блок керування А автоматично встановлює подачу дозатора таким чином, щоб електродвигун дробарки був завантажений оптимально. Обсяг завантаження контролюється за приладом РА.
а
Рис. 3. Принципіальна електрична схема керування малогабаритною
комбікормовою установкою: а - силова мережа; б - мережа керування
Датчики верхнього рівня секцій піддозаторного бункера, бункера БВД, бункера готової продукції і датчики нижнього рівня сигналізують про наявність продукту. Контроль рівня продукту здійснюється лампочками, які знаходяться на мнемосхемі шафи керування.
За відсутністю основного компонента, який знаходиться у секції № 2 наддозаторного бункера, датчик SL6 вмикає реле KV15, яке своїми контактами вимикає мережу керування дозатора, припиняючи подавання компонентів до дробарки. Одночасно розмикаючі контакти KV15, замикаючись, вмикають реле часу КТ2. Через 20 с, тобто час, необхідний для очищення лінії подрібнення від продукту, реле часу КТ2 розмикаючими контактами знеструмлює котушку реле KV3, яке вимикає всю лінію подрібнення. Аналогічно зупинка лінії відбувається при наповненні бункера готового продукту. Сигнал від датчика верхнього рівня SL13 вмикає реле KV18, замикаючі контакти вмикають реле КТ2 і відключення лінії відбувається аналогічно описаному вище.
Лінію подрібнення можна зупинити кнопкою SB5. При натисканні на неї реле KV18 вмикається, стає на самоблокування, замикаючими контактами вмикає реле часу КТ2 і вимикає дозатор. Через 20 с реле часу вимикає лінію.
Електропривід кормороздавача РКА-2000.
Кормороздавач РКА-2000 використовується для роздавання гранульованих кормів. Згідно з технологією (рис. 4, а) корм з бункера-сховища 1 похилим шнеком 6 та горизонтальним транспортером 3 подається до проміжних бункерів 7. Штанги з шайбами здійснюють зворотно-поступальний рух на відстань 0,44 м і переміщують корм від проміжних бункерів в обидва боки.
Електрична схема (рис. 4, б) забезпечує ручне та автоматичне керування роздаванням кормів. Ручне керування здійснюється встановленням перемикачів SA3, SA5, SA7 у положення "Ручне".
При автоматичному керуванні вказані перемикачі необхідно встановити у положення "Автоматичне". У цьому випадку команди на вмикання та вимикання подаються двопрограмним реле часу КТ.
Перша програма КТ.1 подає живлення на проміжне реле КL7, яке своїми замикаючими контактами вмикає через пускач КМ5 освітлення свинарника.
Контактами КТ.2 згідно з другою програмою подається живлення на проміжне реле KL6, замикаючі контакти якого вмикають мережі котушок магнітних пускачів КМ1, КМ2, КМ3. Указані пускачі вмикають відповідно електродвигуни шнека М1, скребкового транспортера М2 та кормороздавача М3. Коли проміжні бункери 7 будуть повністю заповнені кормом, розмикаються контакти датчика рівня SL, котушки пускачів КМ1 та КМ2 втрачають живлення й електродвигуни М1 та М2 зупиняються. Реверсивний привід двигуна М3 здійснює зворотно-поступальний рух штанг. У крайніх положеннях команду на зміну напрямку обертання електродвигуна дають кінцеві вимикачі SQH та SQB.
Тривалість роботи визначається часом замкненого стану контактів програмного реле часу КТ2. За умов перевантаження мережі штанги спрацьовує кінцевий вимикач перевантаження і двигун М3 привода кормороздавача вимикається, спрацьовує аварійне реле КН і загоряється сигнальна лампа HL3.
Рис. 4. Електропривід кормороздавача РКА-2000: а - технологічна схема: 1 - бункер-сховище; 2 - електрична станція керування; 3 - горизонтальний транспортер; 4 - датчик рівня; 5 - кормороздавач: 6 - шнек; 7 - проміжні бункери; 8 - натяжний пристрій; б - принципиальна електрична схема керування.
Автоматизований привід кормороздавача дає можливість роздавати корм згідно з заданою програмою у кілька прийомів малими дозами, що дає змогу значно підвищити приріст тварин.
Електропривід потокових ліній на птахофермах.
Для комплексної механізації та часткової автоматизації виробничих процесів у великих птахівницьких господарствах для утримання курей-несучок широко використовуються комплекти устаткування на базі одно- та багатоярусних кліткових батарей. Вони складаються з окремих уніфікованих машин і пристроїв, які забезпечують роздавання корму, подавання питної води, збирання яєць, прибирання та видалення посліду. Комплекти відрізняються якістю і компонуванням складових частин.
Технологічну схему роздавання корму у багатоярусних кліткових батареях типу КБН наведено на рис. 5. Сухий корм до пташників підвозять спеціальним автокормовозом-завантажувачем і заповнюють бункер типу БСК-10 для зберігання сухих кормів. Похилим шнековим транспортером 2 і горизонтальним поперечним транспортером 3 корм подається до приймальних бункерів навісних кормороздавачів двобічної дії, і після заповнення усіх приймальних бункерів привід похилого шнека та горизонтального транспортера зупиняється. Наповнені навісні кормороздавачі переміщуються вздовж пташника, роздають корм до годівниць, а скребками одночасно видаляється послід.
Кормороздавачі та скребки для видалення посліду приводяться у дію від електродвигуна М1 потужністю 0,6 кВт через редуктор та систему передач.
При зворотному русі роздавача корм продовжує заповнювати годівниці, а скребки для видалення посліду здійснюють холостий хід. У кінці пташника встановлено транспортер, який видаляє послід за межі будівлі з одночасним завантаженням у транспортні засоби.
Електрична схема керування роздавання корму і прибирання посліду (рис. 5, б) може працювати у ручному та автоматичному режимах. У ручному режимі керування електродвигунами M1, М2, М3 відбувається за допомогою натискання відповідних кнопок "Пуск" та "Стоп" (SB1, SB2B, SB2H, SB3).
При автоматичному керуванні вмикання роздавача здійснюється програмним реле часу КТ. У вихідному положенні кормороздавачів А, Б, В, Г замкнені контакти кінцевих вимикачів SQ4, SQ5, SQ6, SQ7. Якщо приймальні бункери останнього роздавача не заповнені кормом, то контакти фотореле BL замкнені і котушка магнітного пускача КМ3 одержує живлення і вмикає двигун М3 горизонтального скребкового транспортера 3. Одночасно замикаючі контакти КМ3 подають напругу на котушку пускача КМ2, який вмикає двигун М2 привода похилого шнекового транспортера.
При роботі завантажувальної лінії йде почергове заповнення бункерів кормороздавачів, починаючи з першого. Після заповнення останньої секції останнього бункера 1 розмикаються контакти фотореле BL і двигуни М2 та М3 зупиняються.
У визначений час контакти програмного реле часу КТ замикаються, вмикається проміжне реле К1. Замикаючі контакти К1 подають напругу на котушку магнітних пускачів KM 1В (KM2В, КМ3В, КМ4В), які вмикають електродвигуни М1А (М1Б, М1В, М1Г) навісних роздавачів, і всі роздавачі починають переміщуватися вздовж пташника і роздавати корм.
На електричній схемі наведено електродвигун М1 кормороздавача А. Аналогічно йде керування роздавачами Б, В, Г.
Рис. 5. Електропривід роздавання корму на птахофермах:
а - технологічна схема роздавання корму: б - електрична схема керування; 1 - бункер; 2 - шнековий транспортер; 3 - горизонтальний поперечний транспортер; 4 - вивантажувальне вікно; 5 - навісний кормороздавач; 6 - приймальний бункер; 7 - годівниця.
Одночасно з роздаванням корму йде прибирання посліду. Коли роздавач доходить до кінця приміщення, упори скребків четвертих ярусів натискають на кінцеві вимикачі SQ1, SQ3, SQ5, SQ7 і привід реверсується.
При зворотному русі роздавання кормів у годівниці триває. У вихідному положенні упори скребків третього ярусу натискають на кінцеві вимикачі SQ2, SQ4, SQ6, SQ8, кормороздавачі вимикаються підготовленими до наступного завантаження.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню будови, принципів дії та технічніх характеристик малогабаритної комбікормової установки, підготувати звіт.
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження (рис.3). Зібравши дослідну схему, покликати керівника виконання робіт і тільки після перевірки та з його особистого дозволу та контролю подавати напругу на схему керування малогабаритною комбікормовою установкою.
3. Впевнитись в тому, що схема зібрана вірно та є робочою.
4. Виключити живлення лабораторної установки, повернути органи керування у початкове положення.
5. Після закінчення роботи прибрати робоче місце, повернути інструкції до виконання робіт, роздатковий матеріал та інструменти керівнику робіт.
Контрольні питання:
1. Які схеми пуску електродвигунів застосовують при аввтоматизації потоковій ліній?
2. Пояснити принцип роботи електричної схеми керування малогабаритною комбікормовою установкою УМК-Ф-2?
3. Пояснити принцип роботи електричної схеми керування кормороздавачем РКА-2000?
4. Пояснити принцип роботи електричної схеми керування роздачі корму на птахофермах?
Література: [1] с. 247 - 262.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №12
Дослідження електроприводу доїльних установок
Мета роботи: вивчення будови, принципів дії та технічніх характеристик доїльних установок та систем керування електроприводу доїльних установок.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження електроприводу доїльних установок.
Короткі теоретичні пояснення
Рівень механізації доїння корів і первинної обробки молока досягає нині 90 - 95 %. До первинної обробки молока відносять його охолодження, пастеризацію та очищення. Механізація та електрифікація процесу доїння значно полегшує працю доярок, при цьому підвищується продуктивність праці у 2 - 4 рази порівняно з ручним доїнням.
Первинну обробку молока здійснюють з метою збереження його харчової і технологічної цінності на тривалий проміжок часу.
Широкого розповсюдження набув доїльний агрегат АДМ-8А з молокопроводом, призначений для машинного доїння корів у стійлах, транспортування молока у молочне приміщення, групового обліку видоєного молока, фільтрації, охолодження та подавання до резервуарів на зберігання. Доїльні апарати з'єднуються із скляними вакуум- та молокопроводами, які встановлено над стійками корівника, за допомогою суміщених молочно-вакуумних кранів. У приміщенні молочної змонтовані системи промивання і первинної обробки молока. Привід силової вакуумної установки електричний. Молоко з доїльного апарата надходить до пристрою зоотехнічного обліку (за умови контрольних доїнь) або безпосередньо до молокопроводу, а потім транспортується у молочне приміщення до дозаторів та молокоприймальника, відокремлюється від повітря молочним насосом, через фільтр і охолодник перекачується до резервуара-холодильника для зберігання. Під час промивання миючий розчин відсмоктується з посудини через доїльні апарати, систему молочних трубопроводів і надходить до молокоприймальника. Розчин за допомогою насоса перекачується назад до посудини для повторного використання або зливання у каналізацію.
Агрегат випускається у двох варіантах: АДМ-8А-1 і АДМ-8А-2. Порівняно з агрегатом АДМ-8, продуктивність праці підвищується на 14 %, надій молока за рахунок зниження захворюваності корів - на 18 %. Завдяки використанню спрощеної схеми молочно-вакуумної лінії, точнішого вимірювання кількості видоєного молока за допомогою пристрою зоотехнічного обліку молока ПЗМ-1А, зменшуються затрати праці на монтаж і технічне обслуговування, а також виключаються втрати і забруднення молока під час наповнювання молокоприймальника.
Для малих ферм використовують доїльний агрегат з молокопроводом АДМ-8А-1 (виконання 05 та 06). У цьому агрегаті відсутній пластинчастий охолодник, автоматичну систему обмивання вимені замінено на механічну.
Для машинного доїння корів у доїльних станках з індивідуальним впусканням та випусканням, транспортуванням молока у молочне відділення, фільтрації та охолодження використовується доїльна установка "Тандем-автомат" УДА-8А. Установка складається з комплекту станків (стійл) на 8 місць, технологічної лінії та лінії промивання, 8 маніпуляторів доїння. Порівняно з УДА-8 конструкція доїльних станків простіша.
Доїльна автоматизована установка "Ялинка-автомат" УДА-16А використовується для машинного доїння корів у групових доїльних станках та первинної обробки молока на молочних фермах. Установка складається з двох секцій (кожна на 8 корів). У кожній секції вісім дозаторів роздавання концентрованих кормів, які подаються транспортером. Молоко з доїльного автомата через індикатор обліку надходить до молокопроводу молочного відділення і молочним насосом крізь фільтр та пластинчастий охолодник подається в місткість для зберігання. Установка промивається автоматично згідно з заданою циклограмою. До установки додатково може постачатися кормороздавач.
Доїльні автоматизовані установки "Ялинка" УДА-16А і "Тандем" УДА-8А із зніманням інформації та АСУТП призначені для машинного доїння корів у доїльному залі з автоматизацією доїння, збирання та обліку молока, автоматичного індивідуального нормованого годування корів концентрованими кормами залежно від їх фізіологічного стану (стадія лактації, продуктивність тощо), одержання, обробки, зберігання та передачі інформації для керування зооветеринарною роботою, а також виділення тварин за низкою ознак для зооветеринарного обслуговування.
Електропривід вакуум-насосів. Для роботи доїльних апаратів необхідний вакуум, який одержують за допомогою вакуумних насосів. Сучасні доїльні установки комплектуються ротаційними вакуумними насосами УВУ-60/45.
Ротаційний лопатевий вакуум-насос (рис. 1) складається з ребристого чавунного корпуса 3, ротора 1 з текстолітовими лопатками 2, задньої та передньої ребристих кришок. Чотири текстолітові лопатки розміщені радіально в пазах ротора і при його обертанні під дією відцентрової сили притискаються до внутрішньої поверхні циліндричного корпуса. Внаслідок ексцентричного розміщення ротора об'єм простору між кожною парою лопаток змінюється. З одного боку відбувається всмоктування повітря з трубопроводу, з іншого - стискання і викидання його в атмосферу.
Таким чином, вакуум-насос перетворює механічну енергію на потенціальну енергію тиску (з від'ємним знаком), яка потім перетворюється на кінетичну енергію всмоктування молока з вимені і транспортування його до місця приймання та очищення.
До складу вакуумної установки входять також вакуум-регулятор 4, вакуумметр 5, вакуум-балон 6 та вакуум-провід 7.
Рис. 1. Технологічна схема вакуумної установки:
1 - ротор вакуум-насоса; 2 - лопатки; 3 - корпус; 4 - вакуум-регулятор; 5 - вакуумметр; 6 - вакуум-балон; 7 - вакуум-провід; 8 - вихлопний пристрій.
Вакуум-насос з'єднується з електродвигуном за допомогою клинопасової передачі.
Механічна характеристика вакуум-насоса має слабковиявлений вентиляційний характер, а навантажувальна діаграма являє собою незалежний від часу роботи насоса графік, паралельний осі абсцис після пуску. Оскільки доїння корів відбувається протягом 2 год., режим роботи тривалий. Потужність електродвигуна Р, Вт, для привода ротаційного вакуум-насоса визначається за формулою
,(1)
де Qн - подача насоса, м/с; Нн - вакуум, який розвиває насос, Па; ηп - коефіцієнт корисної дії передачі; ηн - коефіцієнт корисної дії вакуум-насоса.
Подача насоса має забезпечити необхідну витрату повітря, яка визначається як сума витрат повітря усіма доїльними апаратами і різних втрат повітря внаслідок нещільності у вакуум-проводі та молокопроводі, просмоктувань крізь доїльні стакани під час надівання їх на дійки, просмоктувань між дійками та сосковою гумою, а також внаслідок спадання шлангів з кранів.
Виходячи з потрібного вакууму і подачі, вибирають потрібну кількість вакуум-насосів з урахуванням резерву. Під час роботи вакуумної установки необхідно підтримувати вакуум 47 - 48 кПа, необхідний для нормальної роботи доїльних стаканів. На практиці рекомендується підбирати діаметр вакуум-проводу та його конфігурацію такими, щоб падіння у ньому вакууму не перевищувало 2,5 кПа.
Під час вибору вакуум-насоса необхідно звертати увагу на його основну характеристику, які відбиває залежність подачі насоса від величини вакууму, а також на забезпечення нормального вакууму у вакуум-проводі.
При машинному доїнні корів для створення вакууму потрібна вакуумна уніфікована установка УВУ-60/45А. На відміну від УВУ-60/45 вона має меншу масу, більш високу продуктивність, забезпечує зручність монтажу і технічного обслуговування. Для привода вакуум-насоса використовується асинхронний короткозамкнений двигун із номінальною частотою обертання 1430 об/хв потужністю 4 кВт. При цьому забезпечується подача 60 м3/год. Клинопасова передача дає змогу на шківах інших діаметрів одержати швидкість вакуум-насоса 1220 об/хв, при цьому потужність електродвигуна становить 3 кВт, а подача насоса - 45 м3/год.
Електропривід молочних насосів. Молочні насоси призначені для транспортування молока трубопроводами та по технологічній апаратурі, не обладнаній власними напірними пристроями. Для цього використовують відцентрові та діафрагмові насоси. Для в'язких рідин (вершків тощо) використовують шестеренчасті насоси, їх встановлюють нижче рівня місткості, щоб виключити необхідність заповнення насоса рідиною перед пуском.
Найширше використовують універсальний молочний насос НМУ-6. Він найкраще задовольняє техніко-економічні та гігієнічні вимоги. Насос складається з корпуса із всмоктувальним і нагнітальним патрубками, електродвигуна закритого обдувного виконання потужністю 1,1 кВт і частотою обертання 2880 об/хв. Ротор електродвигуна передає обертання крильчатці насоса. Подача води з місткості під вакуумом 0,6 МПа становить від 2 до 6 м /год за умов напору 1 та 0,6 МПа відповідно. Для вмикання та вимикання насоса молокозбірник доїльної установки оснащений автоматом пуску. Згідно з технологією насос забезпечує промивання всієї системи в технологічній лінії, після чого частково розбирають і вручну промивають деталі насоса. Механічна характеристика насоса має вентиляторний характер, а навантажувальна діаграма - вигляд прямої, паралельної осі абсцис. При виборі потужності електродвигуна враховують тривалий режим роботи молочного насоса.
Подача відцентрового насоса залежить від напору та частоти обертання, тому, користуючись напірними характеристиками, можна визначити інші характеристики насоса.
Електропривід сепараторів молока. Для виділення молочного жиру з молока використовують сепаратори. Принцип дії сепаратора ґрунтується на здатності механічних сумішей розподілятися у полі дії відцентрових сил за рахунок різної густини сумішей, з яких вони складаються. Розподіл відбувається всередині сепараторного барабана, який обертається з великою частотою, причому щільніші частинки (молочний жир) пересуваються до периферії. Виходячи з технологічного процесу, до електропривода сепаратора висувають жорсткі вимоги відносно частоти обертання барабана. За умови значних коливань швидкості порушується процес сепарування і стає можливим момент, коли вершки будуть відходити до молочник відвійок, а ті, навпаки, зможуть потрапляти до вершків. Тому для привода сепараторів використовують трифазні асинхронні електродвигуни, які мають жорстку механічну характеристику.
Незважаючи на різноманітне технологічне призначення молочних сепараторів, конструктивно вони відрізняються тільки будовою барабана. Кінематичну схему електропривода сепаратора наведено на рис. 2. Від електродвигуна 5 обертання через клинопасову передачу 4, відцентрово-фрикційну муфту (або шків) 6, шестірню 3 та черв'як 2 передається барабану 1. Рис. 2. Кінематична схема електропривода сепаратора:
1 - барабан: 2 - черв'як; 3 - шестірня: 4 - клинопасова передача; 5 - електродвигун; 6 - відцентрово-фрикційна муфта (або шків)
Характерним для привода барабана є те, що передаточне число менше за одиницю: .(2)
Барабани сепараторів мають частоту обертання, яка у 2 - 4 рази перевищує найбільшу швидкість обертання ротора асинхронного електродвигуна, тому зведений момент інерції системи двигун - робоча машина досить великий. Виходячи з основного рівняння руху електропривода, час розгону сепаратора перебуває у прямій залежності від зведеного моменту інерції. Залежно від типу сепаратора і схеми пуску розгін барабана триває 100 - 480 с.
Механічна характеристика сепаратора має вентиляторний характер і без урахування резонансних піків може бути виражена залежністю
,
де Мс - момент опору сепаратора, зведений до вала електродвигуна, Н•м; М0 - початковий момент опору, М0=(0,2 - 1,0) Н•м; b - коефіцієнт пропорційності, який залежить від якості обробки елементів кінематичної схеми привода, маси барабана, ступеня шорсткості поверхні барабана, Н•м/(рад/с)2; ω - кутова швидкість барабана, рад/с. Потрібна потужність електродвигуна Р, кВт, для привода сепаратора у робочому режимі може бути визначена за виразом
,(3)
де k - 1,2 - 2 - коефіцієнт, який враховує потужність, необхідну для надання кінетичної енергії рідині, що надходить до барабана, а також для подолання гідродинамічних втрат, втрат тертя у підшипниках, передавальному механізмі тощо.
Під час розгону сепаратора в механічній характеристиці його можливе виникнення резонансних піків. Особливо небезпечні вони на початковій стадії розгону, коли пік в механічній характеристиці сепаратора збігається при початковій швидкості з мінімальним моментом на механічній характеристиці асинхронного електродвигуна. Тому робоча частота обертання вала барабана сепаратора не повинна знаходитися у зоні резонансу коливань. Це основна умова нормальної роботи сепаратора.
При вмиканні сепаратора у роботу розрізняють такі три режими:
1 - пуск у дію, коли потужність електродвигуна зменшується від пускової до потужності холостого ходу;
2 - прикладання навантаження, коли потужність трохи збільшується, а потім спадає;
3 - усталений режим при постійному навантаженні та частоті обертання.
В умовах перехідного режиму під час пуску момент, що створюється механічними коливаннями системи в період першого резонансу та биття, більший за сумарний статичний момент в 1,5 - 2 рази. Пускова потужність сепаратора в 1,3 - 2 рази більша за потрібну потужність у робочому режимі.
Якщо для привода сепаратора встановити трифазний асинхронний короткозамкнений електродвигун згідно з потужністю сталого режиму сепарування, то кратність пускового моменту має бути не менше за 1,8 - 2, кратність максимального моменту - 2,2 - 2,4, а кратність мінімального моменту - 1,0. Встановлювати для привода сепаратора двигуни із завищеною потужністю недоцільно, оскільки під час пуску виникають додаткові динамічні зусилля, які можуть призвести до поломки черв'ячної пари. Тому для полегшення пуску використовують двошвидкісні двигуни, або одношвидкісні з відцентрово-фрикційною муфтою.
Рис. 3. Механічні характеристики двошвидкісного електродвигуна (1, 2) і сепаратора (3)
Рис. 4. Відцентрово-фрикційна муфта сепаратора:
1 - диск: 2 - палець; 3 - колодки; 4 - ведений барабан; 5 - привідний вал сепаратора
Механічні характеристики двошвидкісного двигуна та сепаратора, наведені на рис. 3, показують, що динамічний момент на першій швидкості майже у 2 рази більший, ніж на другій. Тому розгін здійснюється за умов великого моменту і меншої швидкості. Коли швидкість двигуна досягає певного значення, автоматично відбувається перемикання обмотки статора двигуна на другу підвищену швидкість. З цією метою на валу електродвигуна встановлено тахогенератор, який підключено до обмотки проміжного реле. Оскільки розгін здійснюється при більшому моменті, то час пуску скорочується, зменшується і нагрівання двигуна. Загальні втрати у двигуні в цьому випадку у два рази менші, ніж при одноступінчастому пуску.
Відцентрово-фрикційну муфту наведено на рис. 4. При вмиканні електродвигуна диск, закріплений шпонкою на валу електродвигуна, починає обертатися. Пальці 2 починають тягти колодки 3, які ковзають по внутрішній циліндричній поверхні барабана 4, насадженого на горизонтальний вал привода сепаратора. Коли швидкість диска 1 дорівнює нулю або близька до нього, то зчеплення колодок із внутрішньою поверхнею барабана дорівнює нулю, тому момент від вала двигуна до веденого привідного вала 5 не передається. При збільшенні частоти обертання відцентрова сила зростає, колодки притискаються до внутрішньої поверхні барабана і відповідно зростає сила тертя між колодками і барабаном. Розміри барабана, колодок та матеріали для їх виготовлення вибирають так, щоб механічні характеристики електродвигуна і відцентрово-фрикційної муфти перетинались на робочій ділянці механічної характеристики за умови значення моменту, близького до критичного (рис. 5). При цьому починається розгін електропривода при великому надлишковому моменті.
Рис. 5. Привідні характеристики сепаратора:
а - механічні характеристики двигуна(1), сепаратора (2) та муфти (3); б - навантажувальна діаграма електродвигуна на період розгону сепаратора
Струм електродвигуна у початковий момент досягає пускового, а потім за частки секунди знижується до 1,5 - 2 кратного значення, при якому і відбувається розгін сепаратора. При вмиканні без відцентрово-фрикційної муфти пусковий струм впливає на обмотки практично увесь час періоду розгону. Нагрівання електродвигуна при пуску з відцентрово-фрикційною муфтою знижується у кілька разів, при цьому зменшується час розгону електропривода внаслідок того, що надлишковий момент є досить значним. У зв'язку з тим, що під час розгону сили тертя і ковзання також значні, відбувається посилене нагрівання муфти, тому рекомендується здійснювати не більше 2 пусків-розгонів підряд.
При вмиканні електродвигуна швидкість ротора майже миттєво досягає значення ωсв, при цьому встановлюється момент Мсв, за умов якого починається розгін привідного вала сепаратора. Від моменту Мсв до Му відцентрово-фрикційна муфта працює із значним ковзанням, при цьому швидкість привідного вала сепаратора зростає від 0 до ωу.
За час який триває частки секунди, момент електродвигуна змінюється від пускового значення Мп до Мсв, яке визначається моментом зчеплення між колодками муфти та веденим барабаном. За час t2 відбувається розгін барабана від нерухомого стану до швидкості ωсв, а на дільниці t3 момент електродвигуна зменшується від значення Мсв до сталого Му, який визначається точкою перетину механічних характеристик сепаратора та електродвигуна.
Тривалість періодів t1 та t3 становить 5-7 % загальної тривалості розгону.
Електропривід молочних сепараторів належить до нерегульованих приводів із запуском вхолосту і тривалим режимом роботи. Тривалість безперервної роботи сепаратора при відокремленні вершків досягає 2 год, очищенні молока 4 год, після чого необхідне розбирання та очищення барабана сепаратора.
Електропривід танка-охолодника молока ТОМ-2А. Танк-охолодник молока ТОМ-2А призначений для збирання, охолодження і зберігання молока на фермі, де розміщено до 400 корів. Він складається з молочної ванни 9 (рис. 6) з мішалкою 8, фреонового компресора 1, конденсатора 2, ресивера 3, фільтра-осушника 4, теплообмінника 3, випарника 6, водяного насоса 7, акумулятора холоду.
Рис. 6. Технологічна схема танка-охолодника молока ТОМ-2:
1 - компресор: 2 - конденсатор; 3 - ресивер; 4 - фільтр-осушник; 5 - теплообмінник; 6 - випарник; 7 - водяний насос; 8 - мішалка; 9 - молочна ванна
За 3 - 4 год до початку доїння вмикають компресор й здійснюють попереднє охолодження води в акумуляторі холоду та наморожування льоду на панелях випарника. Це відбувається внаслідок руху фреону по замкненому контуру. Пари фреону, які відсмоктуються з випарника 6, компресором 1 стискаються, нагріваються й нагнітаються у конденсатор 2. У ньому фреон охолоджується повітряним потоком, який утворюється за допомогою вентилятора, віддає тепло, стає рідким й зливається до ресивера 3. Під тиском він надходить до фільтра-осушника 4, очищується від парів масла, охолоджується зустрічним потоком парів фреону у теплообміннику 5 і крізь отвір у терморегулювальному вентилі впорскується у внутрішню порожнину пластин випарника 6. Опинившись у розрідженому просторі, фреон кипить (переходить з рідкої у газоподібну фазу) зі споживанням теплоти.
При цьому пластини випарника охолоджуються до мінус 8 - 10 ºС і на них наморожується вода, в яку вони занурені.
Перед початком подавання молока вмикають мішалку 8 і водяний насос 7. Холодна вода омиває днище молочної ванни та охолоджує молоко, що надходить до неї.
Принципіальну електричну схему керування танком-охолодником молока ТОМ-2А наведено на рис. 7.
Рис. 7. Електрична схема керування танком-охолодником ТОМ-2А
При вмиканні автоматичного вимикача QF напруга живлення подається на головні контакти магнітних пускачів КМ1 - КМ4 та на коло керування, при цьому загоряються лампи НL1, НL2. Схема передбачає три режими роботи: ручний, автоматичний, миття.
У положенні перемикача SА "Ручний" керування електроприводами здійснюється тумблерами S1, S2, S3, S4 у колах відповідних магнітних пускачів. Вмиканням тумблера S1 у ручному режимі здійснюється початкове наморожування льоду на панелях випарника.
У положенні перемикача SА "Автоматичний" керування технологічним циклом реалізується за допомогою блока логічного керування Е залежно від стану контакту датчика температури SК2. Блок Е призначений для вироблення тимчасових сигналів необхідної тривалості, забезпечення технологічного алгоритму та організації вихідних сигналів у вигляді "сухих" контактів герконових реле К2 і К3. Як датчик температури використовується термоконтакт SК2, контакт якого замкнений ртутним стовпчиком при температурі + 4 ºС та вище. Логічний сигнал про необхідність вмикання системи охолодження, надходячи до блока Е, викликає спрацювання вихідних реле К2 і К3. Замикаючий контакт реле К2, який увімкнено в коло котушки магнітного пускача КМ1, забезпечує роботу мішалки, а контакт К3 вмикає пускач КМ2 і подає команду на ввімкнення насоса охолодження.
Надалі алгоритм керування передбачає таке функціонування схеми керування:
• за умов досягнення в процесі охолодження молока температури, нижчої за + 4 ºС, контакт SК2 розмикається, вихідне реле К3 вимикається і відповідно розмикає свій контакт у колі котушки пускача КМ2, що викликає вимикання насоса охолодження;
• мішалка після вимикання системи охолодження працюватиме, а після закінчення часу 3 ± 1 хв блок Е виробить команду вимикання вихідного реле К2, контакт якого вимкне пускач мішалки КМ1;
• у процесі зберігання охолодженого молока блок Е вмикає мішалку на 3 хв через кожні 30 хв;
• через зменшення кількості льоду на панелях випарника, який витрачається на охолодження молока, температура вихідних парів хладону з випарника підвищується, контакти температурного реле SK1 у колі магнітного пускача KM3 замикаються і вмикається привід компресора і вентилятора;
• для контролю системи мащення компресора передбачене реле РКС. При кожному запуску компресора контакт реле РКС повинен замкнутися протягом 20 с, що контролюється елементом ДА9 (I-312), який у разі успішного функціонування системи замикання контакту РКС не дозволить вимкнутися проміжному реле К1. У випадку, коли контакт РКС за 20 с від початку запуску компресора не замкнеться, електромагнітне реле в елементі ДА9 знеструмиться, контакт його розімкнеться, вимикаючим реле К1, замикаючі контакти К1 розмикаючись вимкнуть ланцюг живлення, що забезпечить аварійне вимкнення устаткування ТОМ-2А;
• за умов неприпустимого підвищення тиску, який контролюється датчиком реле тиску SP, та спрацюванні теплових реле КК1 - КК4 при можливих перевантаженнях електродвигунів М1 - М5 їх розмикаючі контакти знеструмлюють коло живлення реле К1 і відбувається аварійне вимкнення устаткування ТОМ-2А, загоряється сигнальна лампа HL2 "Аварія". Деблокування сигналу "Аварія" відбувається шляхом вимикання ввідного автоматичного вимикача QF та його повторного вмикання;
• технологічна операція "Миття" здійснюється у відповідному положенні перемикача SA. У цьому режимі передбачається керування електроприводом насоса мийки та електроприводом мішалки. Вмикання мішалки та насоса здійснюється за допомогою тумблера S4;
• за умов підвищення температури молока контакти SК2 замикаються і робота схеми повторюється.
Захист електроприводів та електроустаткування ящика керування від струмів короткого замикання забезпечується автоматичними вимикачами.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню будови, принципів дії та технічніх характеристик доїльних установок та систем керування електроприводу доїльних установок, підготувати звіт.
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження (рис.7). Зібравши дослідну схему, покликати керівника виконання робіт і тільки після перевірки та з його особистого дозволу та контролю подавати напругу на схему керування електроприводу доїльної установоки.
3. Впевнитись в тому, що схема зібрана вірно та є робочою.
4. Виключити живлення лабораторної установки, повернути органи керування у початкове положення.
5. Після закінчення роботи прибрати робоче місце, повернути інструкції до виконання робіт, роздатковий матеріал та інструменти керівнику робіт.
Контрольні питання:
1. Пояснити принцип роботи електропривід вакуум-насосів. 2. Пояснити принцип роботи електропривід молочних насосів. 3. Пояснити принцип роботи електропривід сепараторів молока. 4. Пояснити принцип роботи електропривід танка-охолодника молока ТОМ-2А. Література: [1] с. 161 - 178.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №13
Дослідження електропривода вантажопідйомних машин
Мета роботи: засвоїти принцип дії схеми керування та методи перевірки електромеханічних характеристик асинхронного електроприводу механізму підйому.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження характеристик асинхронного електроприводу механізму підйому. Короткі теоретичні пояснення
До вантажопідйомних машин відносять підйомні крани, кран-балки, талі, лебідки. За характером технологічного процесу вони є машинами циклічної дії. Спільним для цих установок є режим роботи, при якому технологічний процес складається з ряду повторюваних однотипних циклів, кожний з яких є закінченою операцією завантаження робочого органу, переміщення його з вихідної точки в пункт призначення і розвантаження.
Основними механізмами вантажопідйомних машин є механізми підйому і пересування (повороту) (рис. 1).
Рис. 1. Кінематичні схеми кранових механізмів:
а - однокінцевої підйомної лебідки; б - механізму переміщення; Д - двигун; Г - гальмо; Р - редуктор; Б - барабан; П - поліспаст; ГП - гакова підвіска; ХК - ходове колесо; в - талі ТЗП-1; 1 - проміжний вал; 2 - робочий барабан; 3 - порожнистий вал; 4 - робочий вал; 5, 7, 8 - сателіти; 6, 9, 15 - сонячні шестерні; 10 - гальмівні диски; 11 - гальмівна пружина; 12 - електромагніт; 13 - блочні шестерні; 14, 16, 21 - водила; 17 - канат; 18 - підвіска; 19 - гак; 20 - електродвигун підйому вантажу; 22 - електродвигун переміщення візка; 23, 24 - шестерні; 25 - коток; 26 - монорейка.
Сили тертя в кранових механізмах обумовлюють реактивні моменти, а сили тяжіння мас, що рухаються вертикально або похило - активні. При цьому зведений до вала двигуна статичний момент Мс є алгебраїчною сумою моменту Мв, обумовленого вагою переміщуваного вантажу, і моменту втрат на тертя Мт (рис. 2). Момент Мв залежить від величини рухомих мас (вантажу та вантажозахватного пристрою), момент Мт - від ККД кінематичних ланок механізму, який у свою чергу є функцією ваги вантажу. При номінальному завантаженні Gном величини ККД визначаються за довідковими даними. При завантаженні G, меншому за номінальне, ККД можна визначити за експериментальними кривими, наведеними на рис. 3.
У рух механізми приводяться, як правило, реверсивним електроприводом, розрахованим для роботи в повторно-короткочасному режимі. У кожному циклі є неусталені режими роботи електропривода: пуски, реверси, гальмування, що суттєво впливають на продуктивність механізму, динамічні навантаження привода і механізму, ККД установки, нагрівання двигунів.
Стандартами встановлені такі режими роботи механічного і електричного обладнання кранових механізмів: легкий - Л (ТВном = 15-25%, кількість вмикань за годину h < 60 1/год), середній - С (ТВном = 25-40%, h < 120 1/год), важкий - В (ТВном = 40%, h < 240 1/год) і дуже важкий - ДВ (ТВном = 60%, h < 600 1/год).
Для електрообладнання кранів приймають, що час циклу не перевищує 10 хв, а для механізмів - 1 год.
Щоб втрати електроенергії в електродвигунах були меншими, потрібно, щоб зведений до вала двигуна момент інерції системи був невеликим. Робочі швидкості механізмів кранів, що використовуються в сільському господарстві, знаходяться в межах 0,5 - 2 м/с, тому основну частку в зведеному моменті інерції становить момент інерції ротора двигуна. Цим обумовлюються застосування в приводах кранових механізмів двигунів з малими моментами інерції ротора.
Кранові двигуни повинні мати велику перевантажувальну здатність, щоб забезпечити: 1) достатній механічний момент при розгоні; 2) необхідний пусковий момент для подолання короткочасних механічних перевантажень, що виникають при відриві вантажів.
Механічні характеристики електроприводів кранових механізмів повинні відповідати вимогам технологічних операцій, що виконує кран:
а)для підйому і опускання вантажів з високою швидкістю характеристики 1 повинні бути жорсткими (див. рис. 2);
б)плавний пуск двигуна при реостатному керуванні та роботу на проміжних швидкостях забезпечують м'які характеристики 2;
в)для доводок вантажів при підйомі або спуску з наступною точною зупинкою характеристики 3 повинні бути жорсткими при малих швидкостях;
г)для привода механізмів, що працюють з різними перевантаженнями, наприклад грейферних, використовуються приводи з екскаваторною характеристикою 4;
д)у ряді випадків для механізмів переміщення основною вимогою до механічних характеристик електропривода є підтримання постійного прискорення при розгоні, що забезпечується характеристикою 5.
За розглянутими графіками можна вибрати тип привода для забезпечення потрібного набору характеристик. Набори 1 і 2 забезпечуються асинхронним електродвигуном з фазним ротором при реостатному регулюванні роторного кола. Характеристики 1, 2 і 3 мають приводи з двигуном постійного струму паралельного збудження при реостатному регулюванні (2) та шунтуванні якоря (3). Набори 1, 3, 4 забезпечують складні приводи, наприклад асинхронний двигун з фазним ротором і дроселями насичення в колі статора, або електропривод постійного струму, що живиться від генератора чи тиристорного перетворювача.
Рис. 2. Механічні характеристики електроприводів кранових механізмів
Рис. 3. Залежність ККД механізму від величини навантаження
Вантажопідйомні машини працюють у різних умовах навколишнього середовища - запилених, вологих приміщеннях, на відкритому повітрі, в умовах різких змін температури. Для забезпечення високої експлуатаційної надійності це необхідно враховувати при виборі електрообладнання за ступенем захищеності від дії навколишнього середовища.
Автоматизація кранових електроприводів.
Електрообладнання кранів повинно забезпечувати надійну високопродуктивну і безпечну роботу. Системи керування передбачають:
* реверсивне керування електродвигунами;
* регулювання швидкості обертання в заданих межах;
* електромеханічне гальмування при зупинках;
* електричне гальмування при роботі на опускання вантажу;
* обмеження ходу вантажозахватного пристрою вгору та пересування моста і візка в обидва боки;
* нульове блокування кіл керування;
* електричні блокування, що запобігають невірному вмиканню апаратів;
* захист від коротких замикань і перевантажень максимальними струмовими реле. У приводах кран-балок і талів передбачають захист тільки від коротких замикань автоматичними вимикачами.
Усі кранові механізми обладнуються гальмами закритого типу, що діють при вимиканні живлення двигуна. Всі неструмоведучі металеві частини електрообладнання повинні бути електрично з'єднані з металевою фермою крана, а та, в свою чергу, - з заземлюючим контуром через підкранові рейки.
Електродвигунами талів і кран-балок керують за допомогою реверсивних магнітних пускачів і пускових кнопок, підвішених на гнучкому броньованому кабелі. Напруга до контактів контакторів підйому КМ1 (рис. 4), спуску КМ2, переміщення вперед і назад КМ3, КМ4 і до кола керування підводиться через автоматичний вимикач QF і кабель або контактні проводи. Для підйому вантажу натискують на кнопку для спуску - на кнопку SB2. При цьому спрацьовує контактор КМ1 або КМ2 і електромагніт YA гальма. Гальмо розстопорює ротор двигуна, який починає обертатися. Після відпускання кнопки контактор вимикається і ротор двигуна гальмується. При натисканні на кнопки SB3 або SB4 таль рухається вліво або вправо. Рух підйомного пристрою вгору обмежується кінцевим вимикачем SQ1, рух талі вліво або вправо - кінцевими вимикачами SQ2 або SQ3. Блокування контакторів реверсивних пускачів здійснюється двоконтактними кнопками керування, допоміжними розмикаючими контактами контакторів та пристроями механічного блокування пускачів. Замикаючі контакти пускових кнопок не шунтують відповідними замикаючими контактами контакторів, щоб запобігти роботі талі після відпускання оператором підвісної кнопкової станції.
Керування механізмами підйомних кранів здійснюють за допомогою силових контролерів або командоконтролерів.
Рис. 4. Схема керування електродвигуном талі
Характерні особливості схем керування електроприводами механізмів підйому з асинхронними двигунами з фазним ротором можна вивчити по схемі керування за допомогою командоконтролера типу ТСА (рис. 5).
Особливостями схеми є: несиметрична відносно нульового положення діаграма замикань командоконтролера, яка забезпечує при підйомі і опусканні вантажів різні механічні характеристики електропривода відповідно до несиметричного характеру навантаження підйомної лебідки; використання режиму однофазного вмикання двигуна для поліпшення умов регулювання швидкості при опусканні.
Для запуску механізму підйому вмикають рубильник QS, а командоконтролер SA1 ставлять у положення "0". При цьому спрацьовує реле КV, яке одним контактом подає напругу на кола керування, а другим - самоблокується. Через випрямляч VD1 - VD4 одержує живлення реле часу КТ2, яке розмикає контакт у колі котушок контакторів прискорення КМV3 і КМV4. При установці контролера в положення 1 "Підйом" вмикаються контактори КМF, КММ, КY і КМ2. Через головні контакти КММ і КМF подається напруга на статор двигуна, а контактор KY вмикає електромагніт гальма, який розстопорює ротор. Через контакти KY і КММ, що замкнулися, одержує живлення котушка реле часу КТ1. Головні контакти контактора противмикання КМ2 шунтують перший ступінь реостата R у колі ротора двигуна. Таким чином, у положенні 1 "Підйом" двигун працює на характеристиці 1п (рис. 6).
Рис. 5. Схема керування електродвигуном підйому крана за допомогою командоконтролера типу ТСА
Перестановкою командоконтролера (див. рис. 5) в положення 2, 3 і 4 "Підйом" послідовно вмикають контактори прискорення KMV1 - KMV4, які головними контактами шунтують відповідні ступені реостата R, і двигун працює на регулювальних характеристиках 2п і 3п та на основній характеристиці 4п. При роботі на основній характеристиці в колі ротора залишається увімкненим невеликий опір, який забезпечує зміну пускового струму ротора в заданих межах при наявній кількості контакторів прискорення.
Для опускання вантажу командоконтролер ставлять у положення 3 "Спуск". Через контакт К7 одержує живлення контактор однофазного вмикання КМ1. Останній головними контактами вмикає двигун за схемою однофазного живлення статора, а допоміжним контактом подає напругу на реле часу КТ1, яке після цього залишається увімкненим у всіх інших положеннях "Спуск". Реле КТ1 вмикає контактори KMF і KY. Електромагніт гальма YA вмикається в мережу, і колодки гальма звільняють гальмівний шків. Через контакт К10 одержує живлення контактор прискорення KMV1, який головними контактами шунтує частину реостата R. Двигун працює на гальмівній характеристиці 3с.
При переведенні командоконтролера в положення 2 "Спуск" контактори KMV1 i КМ1 вимикаються, а контактор КММ спрацьовує. Оскільки раніше був увімкнений контактор КМF, статор двигуна вмикається в мережу в напрямку "Підйом" при повністю введеному в коло ротора опору реостата R. Двигун працює за характеристикою 2с, яка призначена для гальмівного спуску середніх вантажів у режимі противмикання.
Рис. 6. Механічні характеристики електропривода, керованого командоконтролером типу ТСА
Переведенням ручки командоконтролера в положення 1 "Спуск" контактом К9 вмикають контактор КМ2, який головними контактами шунтує ступінь противмикання реостата R. Опір роторного кола зменшується, і двигун переходить на роботу за характеристикою 1с, необхідною для гальмівного спуску важких вантажів.
Якщо ручку командоконтролера перевести з положення 3 "Спуск" у положення 4 "Спуск", спрацьовують послідовно контактори КМV2, КМR, КММ і КY та знеструмлюється котушка реле часу КТ2. Двигун спочатку працює за характеристикою 4'с. По закінченню витримки часу КТ2 спрацьовує контактор прискорення КМV3 і робоча точка переміщується на характеристику 4''с. Розмикаючий контакт КМV3 вимикає струм з котушки реле часу КТ1, яке з витримкою часу вмикає контактор КМV4. Двигун працює за основною характеристикою 4с, на якій відбувається силовий спуск гака і гальмівний надсинхронний (у режимі рекуперативного гальмування) спуск вантажів з великою швидкістю.
Таким чином, при спусках вантажів реле часу КТ1 зміщує вихідне робоче положення схеми з нульового положення командоконтролера в положення 3. Це зроблено з такою метою. Наприклад, необхідно опустити невеликий вантаж з моментами статичного навантаження М'ст1 при підйомі і М''ст1 при спуску. При роботі за характеристикою 2с замість спуску вантаж буде підніматися з швидкістю ω'с1. Тільки в положенні 3 "Спуск", де двигун працює в однофазному режимі, вантаж опускається з невеликою швидкістю ω'''с1. Отже, реле КТ1 запобігає підйому легких вантажів на положеннях командоконтролера "Спуск".
При важких вантажах М'ст2 і М''ст2 вмикання привода в положення 3 "Спуск" призведе до швидкого збільшення швидкості спуску ("осідання" вантажу). Щоб цього уникнути, кранівник може до вмикання двигуна натиснути на педаль SA2 і вимкнути блокування двох перших положень командоконтролера. Контакт SA2.1 готує коло вмикання контактора КМF, обминаючи контакти КТ1, а SA2.2 - коло контактора КY. Тепер при установленні командоконтролера в положення 1 "Спуск" вмикаються контактори КМF, КММ, КY і КМ2. Двигун працює за характеристикою 1с при невеликій швидкості спуску великого вантажу ωс2. Одночасно контакти КY і КММ вмикають реле КТ1, яке залишається увімкненим на всіх положеннях спуску.
Схемою передбачено автоматичний контроль протікання перехідних процесів при пуску і гальмуванні при швидкій перестановці командоконтролера з нульового положення в крайні положення і навпаки. У нульовому положенні конмандоконтролера реле часу КТ1 знеструмлене, а котушка реле КМ2 - під напругою. Контакт КТ2 розриває коло живлення котушок контакторів прискорення КМV3 і КМV4.
При швидкому переставлянні командоконтролера з положення 0 у положення 4 "Підйом" спрацьовують контактори КМF, КММ, КY, КМ2, КМV1 і КМV2. Розмикаючий контакт КМV2 знеструмлює реле часу КТ2, а через контакти КY, КММ і КМY3 одержує живлення котушка реле КТ1. Двигун запускається за характеристикою 3п до швидкості перемикання ωп1. Після закінчення витримки часу реле КТ2 його контакт замикається, спрацьовує контактор КМV3 і двигун переходить на проміжну пускову характеристику 4'п. Розмикаючий контакт КМV3 знеструмлює реле часу КТ1, яке починає відлік часу, достатній для прискорення двигуна до другої швидкості перемикання ωп2. Після відпускання реле КТ1 контактор КМV4 спрацьовує і головними контактами шунтує останній пусковий ступінь реостата R. Двигун переходить на основну характеристику і розганяється до усталеної швидкості. Контактор КМV4 одним замикаючим контактом самоблокується, а другим вмикає котушку реле КТ1.
Контроль пуску в напрямку спуску відбувається по проміжних пускових характеристиках 4'с і 4''с, як показано вище.
При швидкому переставлянні командоконтролера з положення 4 "Спуск" у нульове контактори КМR, КY, КМV1 - КМV4 вимикаються і знеструмлюється котушка КТ1. Через замкнений протягом певного часу контакт КТ1 одержують живлення котушки контакторів КМ2, КМF і КММ. Відбувається гальмування противмиканням при одночасному накладанні механічного гальма. Після закінчення витримки часу реле КТ1 обмотка статора вимикається з мережі. Суміщення механічного та електричного гальмування запобігає "осіданню" вантажу і зменшує спрацювання механічного гальма.
При надмірному підніманні вантажу розмикається контакт кінцевого вимикача SQF і знімає напругу з кіл керування. Для повторного вмикання ручку командоконтролера ставлять у положення 4 "Спуск", контакт K8 шунтує розімкнений контакт вимикача SQF і двигун вмикається в напрямку спуску.
Для аварійного вимикання схеми передбачена кнопка SB.
Захист двигуна від коротких замикань і перевантажень здійснюється струмовими реле KA1 - KA3. Кола керування від коротких замикань захищені запобіжниками FU1 i FU2. Схемою передбачене також нульове блокування, яке виконують паралельно увімкнений контакт K1 та реле KV.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню будови, принципів дії та методи перевірки електромеханічних характеристик асинхронного електроприводу механізму підйому, підготувати звіт.
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження (рис. 5). Зібравши дослідну схему, покликати керівника виконання робіт і тільки після перевірки та з його особистого дозволу та контролю подавати напругу на схему керування електроприводу механізму підйому.
3. Впевнитись в тому, що схема зібрана вірно та є робочою.
4. Виключити живлення лабораторної установки, повернути органи керування у початкове положення.
5. Після закінчення роботи прибрати робоче місце, повернути інструкції до виконання робіт, роздатковий матеріал та інструменти керівнику робіт.
Контрольні питання:
1. Пояснити кінематику кранових механізмів. 2. Режими роботи кранових механізмів. 3. Механічні характеристики електроприводів кранових механізмів. 4. Пояснити схему керування електродвигуном талі. 5. Пояснити схему керування електродвигуном підйому крана за допомогою командоконтролера типу ТСА.
Література: [1] с. 87 - 119.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота №14
Дослідження електропривода ручних електричних машин Мета роботи: вивчити призначення, будову, принцип дії та технічні характеристики ручних електричних машин і джерел їх живлення, дослідити асинхронний перетворювач частоти.
Прилади та обладнання:
1. Лабораторний стенд для дослідження характеристик перетворювача частоти ИЭ-9401. Короткі теоретичні пояснення
Ручною електрифікованою називається машина, у якій головний робочий рух здійснюється від електродвигуна, а керування, подача та інші рухи - від руки. Продуктивність праці при застосуванні цих машин зростає у декілька разів порівняно із застосуванням не електрифікованих машин. Промисловість випускає понад 100 типів ручних електрифікованих машин. У сільському господарстві найпоширеніші машини для підстригання овець, а також машини для виконання слюсарно-монтажних робіт: дрилі, ножиці, шліфувальні машини, машини для обробітку деревини та інші.
Будь-яка ручна електрифікована машина складається з рушія - електродвигуна чи електромагніта, передавального пристрою, власне інструменту та регулювальних пристроїв, які задають напрямок та глибину обробітку, а також корпусу чи рами і пристроїв для керування та живлення електричним струмом.
Ручні електрифіковані машини повинні відповідати таким вимогам:
* невелика маса і підвищена механічна міцність;
* безпечність, зручність і економічність при експлуатації;
* велика перевантажувальна здатність та жорсткість механічної характеристики.
За робочою напругою та ступенем електробезпеки ручні електрифіковані машини поділяються на три класи:
1 клас - машини з мінімальною напругою живлення вище 42 В, тільки з робочою ізоляцією та заземлювальним пристроєм;
2 клас - машини з номінальною напругою живлення вище 42 В і подвійною або посиленою ізоляцією але без заземлювальних пристроїв;
3 клас - машини з номінальною напругою живлення до 42 В від трансформаторів чи перетворювачів.
Для приводу ручних електрифікованих машин розроблено уніфіковані серії електродвигунів:
АН - асинхронні, промислової частоти струму живлення;
АП - асинхронні, підвищеної частоти струму живлення;
КН - універсальні колекторні.
Обертовий рух від двигуна до інструмента може передаватись через гнучкий вал (електрошліфувальні та стригальні машини), або через такі редуктори:
* циліндричний (електродрилі, стригальні машини);
* черв'ячний (електропилки);
* циліндричний редуктор і кривошипний вал із повзуном (електроножниці).
Застосування гнучкого валу дає можливість істотно зменшити масу інструменту, але значні втрати потужності, невеликий строк служби та виникнення у корпусі реактивного моменту, який додатково завантажує руку людини, обмежують його використання. Тому більше розповсюджений ручний електрифікований інструмент із вмонтованим електродвигуном та передавальним редуктором. Для зменшення активної маси електродвигуна збільшують його кутову швидкість і частоту струму живлення. Але робочі органи інструменту мають свою оптимальну швидкість. Тому збільшення кутової швидкості двигуна призводить до зростання передавального числа й маси редуктора. Отже, сумарна маса електродвигуна й редуктора має мінімум при певній оптимальній частоті обертів двигуна. Для ручного електрифікованого інструменту вона знаходиться у межах 8...12 тис. об/хв.
Для отримання таких частот обертання асинхронних двигунів їх живлять струмом підвищеної (200 Гц) частоти. Такі двигуни мають достатньо жорстку механічну характеристику, велику перевантажувальну здатність, невелику масу, прості й надійні в експлуатації. Але необхідність використання перетворювачів струму створює певні незручності.
Застосовуються також універсальні колекторні двигуни змінного однофазного струму, які можуть працювати і від мережі постійного струму. Перевагою колекторних двигунів є висока частота обертів 12...18 тис. об/хв при відсутності перетворювачів струму. Серед недоліків цих двигунів можна назвати низьку надійність щіткового контакту та м'якість механічної характеристики, що веде до зниження частоти обертів при будь-якому перевантаженні.
Для живлення ручного електрифікованого інструменту може використовуватись знижувальний трансформатор ТС. Для зміни схеми з'єднання обмоток вони обладнані спеціальними перемичками, корпус трансформатора заземлюється шляхом з'єднання до нього нульового проводу мережі живлення.
Для перетворення змінного струму частоти 50 Гц напругою 220 В чи 380 В у змінний трифазний струм підвищеної частоти 200 Гц і напругою 36 В використовують перетворювач частоти ИЭ-9401. Перетворювач частоти (див. рис. 1) складається із двополюсного двигуна із короткозамкнутим ротором 1 та шестиполюсного асинхронного генератора 4 із фазним ротором. Їх статори розміщені у одному корпусі, а ротори насаджені на один вал. На валу також закріплені три ізольованих одне від одного кільця 2, до яких приєднані затискачі обмоток ротора генератора. Кільця контактують із вугільними щітками 3, до яких підводиться трифазний струм напругою 380 В або 220 В при частоті 50 Гц. Ця ж сама напруга одночасно підводиться і до обмоток статора двигуна. Обмотки статора двигуна і ротора генератора з'єднані так, щоб їх магнітні поля обертались в одному напрямку. Електродвигун обертає ротор генератора з частотою 2800 об/хв, одночасно, магнітне поле ротора генератора обертається із синхронною частотою 1000 об/хв відносно самого ротора. Тому силові лінії обертового магнітного поля ротора перетинають витки нерухомої обмотки статора генератора з частотою, рівною 2800 + 1000 = 3800 об/хв. При цьому у шестиполюсних обмотках статора генератора виникає напруга 36 В з частотою 190 Гц.
Рис. 1 - Електрична схема перетворювача частоти ИЭ-9401: 1 - електродвигун; 2 - контактне кільце; 3 - щітка; 4 - генератор
Стригальний агрегат ЭСА-12/200 призначений для підстригання овець та верблюдів. Агрегат включає в себе 12 стригальних машин типу МСУ - 200, перетворювач частоти типу ИЭ-9401, точильний апарат типу ТА-1 або ДАС-350, переносну електромережу та комплект запасних частин та інструментів. При використанні цих агрегатів продуктивність праці стригаля збільшується у 3-4 рази при вищій якості вовни за рахунок більш низького та рівного зрізання, а вихід її збільшується на 8-10% в результаті зменшення січки порівняно з ручним підстриганням.
Стригальна машинка МСУ-200 (рис. 2 а) складається із стригальної головки й електродвигуна типу АП. Ширина захвату стригальної головки 76,8 мм. ЇЇ різальний апарат здійснює 2200 подвійних ходів за хвилину. Стригальна головка складається з корпусу, ексцентрикового і натискного механізмів, різального апарату та редуктора з передавальним числом і = 5. Вмонтований трифазний асинхронний короткозамкнутий електродвигун АП закритого обдувного виконання має номінальну потужність 90 ват, напругу живлення 36 В при частоті 200 Гц, номінальну частоту обертів 10600 об/хв, cоs = 0,75,  = 0,65. Двигун має закритий алюмінієвий корпус із ребрами охолодження і зовнішнім самообдуванням від вентилятора, що встановлений на кінці валу ротора. Довжина шнура живлення 2,2 м. У стригальній машинці МСУ-200 В (див. рис. 2 б) обертовий рух від електродвигуна до вала головки стригальної машинки передається за допомогою пари шестерень із передавальним числом і = 5. Кінець вала електродвигуна виготовлений у вигляді шестерні, яка входить у зачеплення із шестернею, що має внутрішній зубчатий вінець. Обертовий рух валу, на якому встановлено шестерню за допомогою ексцентрикового пристрою, перетворюється у поперечний зворотно-поступальний рух важеля різального апарата. Використання напруги живлення 36 В при частоті 200 Гц істотно зменшує небезпеку враження електричним струмом і робить експлуатацію цих стригальних машинок електробезпечною. Збільшення рухливості й зниження реактивного моменту (приблизно у чотири рази), який стомлює руку стригаля, збільшує продуктивність праці при підстриганні овець за допомогою машинок МСУ-200 на 20...30% порівняно із підстриганням за допомогою стригальних машинок із гнучким валом ЭСА-1Д.
Рис. 2 - Стригальні машинки МСУ-200 (а) та МСУ-200В (б): 1 - натискна лапка; 2 - упорний стержень; 3 - натискна гайка; 4 - кожух; 5 - зубчате колесо; 6 - щит підшипника; 7 - шарикопідшипник; 8 - статор електродвигуна; 9 - корпус електродвигуна; 10 - шнур живлення; 11 - фіксатор; 12 - вентилятор; 13 - кришка електродвигуна; 14 - вал-шестерня ротора електродвигуна; 15 - гвинт; 16 - підшипник; 17 - ексцентрик; 18 - ролик; 19 - корпус машинки; 20 - вісь; 21 - важіль; 22 - ніж; 23 - гребінка; 24 - вал Електричні свердлильні ручні машини застосовують для свердління отворів у різних матеріалах і виконання інших операцій. Шпиндель машинки можуть з'єднувати із зовнішнім робочим інструментом, наприклад, абразивним кругом, металевою щіткою та ін.
Кожна електрична свердлильна ручна машина складається (див. рис. 3) із вмонтованого електродвигуна, зубчатої передачі та шпинделя. Потужність електродвигунів знаходиться у межах від 0,1 до 0,8 кВт, частота обертів 2800...12000 об/хв, напруга живлення 220 В та 36 В, частота струму живлення 50 та 200 Гц, маса машин 1,4...9,1 кг. Для приводу електричних свердлильних ручних машин переважного застосування набули універсальні колекторні двигуни типу КН, схема включення яких у мережу приведена на рис. 4. Оскільки колекторний двигун при роботі створює значні радіоперешкоди, то для їх усунення застосовують фільтри з конденсаторів.
Рис. 3 - Кінематична схема привода електрифікованої свердлильної ручної машини: 1 - корпус; 2 - перша зубчата пара; 3 - конус; 4 - робочий вал; 5 - друга зубчата пара;6 - ведучий вал; 7 - статор; 8 - ротор; 9 - вимикач;10 - рукоятка
Електроножиці ручні НЭ-35401 призначені для різання листової сталі завтовшки до 2,5 мм із тимчасовим опором розриву до 450 МПа. Ножиці складаються з електродвигуна, редуктора з кривошипно-шатунним механізмом, ручки з вимикачем. Електродвигун універсальний колекторний типу КН потужністю 250 Ват з номінальною частотою обертів 12000 об/хв працює від мережі змінного струму частотою 50 Гц при напрузі 220 В. Режим роботи повторно короткочасний (S3) із тривалістю вмикання 40%. Подвійна ізоляція електродвигуна забезпечує максимальну безпеку працюючого при роботі від мережі 220 В без застосування додаткових захисних засобів та заземлювальних пристроїв.
Пилка ручна електрична дискова ИЭ5102Б призначена для розпилу дерев'яних дощок, брусків завтовшки до 70 мм при подачі 1 м/хв, а також для зрізування дерев'яних деталей під необхідним кутом (від 0° до 45°). Складається з електродвигуна, редуктора, ручки з вимикачем, різального диска діаметром 200 мм, захисних кожухів, плити з направним сектором та пристрою для регулювання глибини пропилу, струмоведучого кабелю зі штепсельним з'єднанням. Привід здійснюється трифазним асинхронним двигуном типу АН потужністю 600 ват і частотою обертів 2800 об/хв, що працює від мережі змінного струму з частотою 50 Гц при напрузі 220 В. Режим роботи двигуна тривалий (S1).
Рис. 4 - Схема підключення електропривода ручного інструмента із універсальним колекторним двигуном
Поверхневий вібратор типу ИВ-1 призначений для ущільнення бетонової суміші, а також для усунення зависання сипучих матеріалів у бункерах. Складається із асинхронного електродвигуна з короткозамкнутим ротором на валу якого з обох сторін закріплені дебалансні вантажі з регульованим статичним моментом відносно осі обертання. Вантажі закриваються кожухами. Двигун кріпиться безпосередньо до поверхонь площадок, які необхідно приводити у коливний рух. При обертанні дебалансних вантажів виникають постійні за величиною обертові інерційні відцентрові сили, які є збуджувачами вібраційних коливань. Живиться вібратор від джерела змінного струму частотою 50 Гц при напрузі 36 В. Потужність двигуна 0,4 кВт при частоті обертів 2800 об/хв.
Правила техніки безпеки при експлуатації ручних електричних машин:
1. До роботи з ручними електрифікованими машинами допускаються особи, що пройшли спеціальне навчання та інструктаж із техніки безпеки при використанні даних машин і мають відмітку у посвідченні про допуск до цих робіт.
2. В особливо небезпечних приміщеннях (вогкі підвали, дахи, котли та ін.) допускається робота машинами тільки третього класу з обов'язковим застосуванням захисних засобів (діелектричні рукавиці, килими, калоші).
3. Заземлення корпусів машин першого класу необхідно виконувати за допомогою спеціальної жили проводу живлення, яка не повинна буди одночасно провідником робочого струму. Провід повинен бути оснащений штепсельною вилкою, що має відповідну кількість робочих та один заземлювальний контакт. Конструкція вилки повинна забезпечувати першочергове вмикання заземлювального контакту та вимикання його із запізненням. Заземлення корпусів машин другого та третього класів не дозволяється.
4. При роботі ручними машинами забороняється:
а)передавати машину іншим особам, що не мають права працювати з нею;
б)доторкатись руками до інструменту, що рухається;
в)видаляти руками стружку під час роботи машини;
г)вносити всередину котлів, металевих резервуарів та інших особливо небезпечних приміщень переносні трансформатори та перетворювачі частоти.
5. Під час роботи необхідно слідкувати за температурою корпусу електроінструмента, яка не повинна перевищувати температуру навколишнього повітря більше ніж на 20° .
6. Ручні електричні машини та допоміжне обладнання до них (трансформатори, перетворювачі частоти, захисно-вимикаючі пристрої, кабелі) повинні періодично перевірятись - не рідше одного разу у шість місяців. При перевірці виконують такі операції:
1. зовнішній огляд;
2. перевірку роботи на холостому ході не менше 5 хв. ;
3. вимірювання опору ізоляції мегомметром при напрузі 500 В протягом 1 хв. , при цьому опір ізоляції повинен бути не меншим 0,5 МОм;
4. перевірку справності кола заземлення (для машини першого класу).
7. Ручні машини повинні мати інвентарний номер і зберігатись у сухому приміщенні. При видачі машини у роботу необхідно перевіряти її комплектність, надійність кріплення деталей, зовнішній вигляд ізоляційних деталей корпусу й кабелю, справність роботи машини на холостому ходу.
У побутових умовах дозволяються експлуатувати тільки машини другого та третього класів відповідно до вказаного у паспорті призначення, без застосування індивідуальних захисних засобів.
Рис. 5 - Електрична схема лабораторного стенду для дослідження характеристик перетворювача частоти ИЭ-9401
Порядок виконання роботи:
1. Вивчити будову й принцип дії ручних електрифікованих машин та джерел їх живлення, що знаходяться на робочому місці і записати їх паспортні дані.
2. Зібрати електричну схему (рис. 5) і дослідити залежність вихідної напруги Uп, частоти струму fп і потужності холостого ходу Рхх, перетворювача частоти ИЭ-9401 від напруги його живлення Uм, результати вимірювань записати у табл. 1.
Таблиця 1 - Дослідні дані при регулюванні напруги живлення перетворювача частоти
№ з/п12345678910Uм ВUпВfпГцРххВат За отриманими результатами побудувати залежності: Uп = f1(Uм); fп = f2(Uм); Рхх = f3(Uм).
3. Під'єднати стригальну машину до перетворювача частоти, включити їх у мережу і випробувати їх роботу на холостому ходу. Прослідкувати за показами приладів, що заміряють частоту й напругу на виході перетворювача.
Контрольні питання:
1. Які машини називають ручними електрифікованими?
2. Які вимоги ставлять до ручних електрифікованих машин, і як їх класифікують за ступенем електробезпеки?
3. Які типи електродвигунів застосовують на ручних електрифікованих машинах і які їх переваги та недоліки?
4. Як побудований і працює перетворювач частоти ИЭ-9401?
5. Як побудовані і працюють стригальні машини, електричні свердлильні ручні машини, ручні електроножниці, дискова ручна електрична пилка, та поверхневий вібратор типу ИВ-1?
6. У чому полягають основні правила техніки безпеки при роботі з ручними електрифікованими машинами?
Література: [1] с. 178 - 191.
Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.
Лабораторна робота № 15
Вивчення автоматизованих електротехнологічних установок "ЛУЧ", "ІКУФ"
Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та використанні установки "Луч" та "ІКУФ".
Прилади та обладнання:
1. Універсальні автоматизовані установки "Луч" та "ІКУФ".
2. Амперметр ~ 16А.
3. Вольтметри ~600В.
4. Прилад комбінований Ц 4352.
5. Універсальний лабораторний стенд.
6. Люксметр Ф-102.
7. Таймер.
8. З'єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:
Джерела інфрачервоного випромінювання. Джерелом інфрачервоного випромінювання є будь-яке нагріте тіло. Потужним джерелом інфрачервоних променів є Сонце, у спектрі якого переважають промені з довжиною хвиль від 0,76 до 5 мкм. За спектральним складом джерела інфрачервоного випромінювання поділяють на "світлі" і "темні". "Світлі" випромінювачі за конструкцією і принципом дії подібні до ламп розжарювання, але порівняно з останніми мають нижчу температуру нагрівання вольфрамової спіралі (2270-2770 К). Максимум спектральної густини випромінювання цих джерел знаходиться в межах 1000... 1400 нм. Промисловість випускає інфрачервоні дзеркальні лампи типу ИКЗ, ИКЗК, ИКЗС і КИ. Колби ламп типів ИКЗ та ИКЗК мають параболічну форму. Для відбивання і концентрації променів в необхідному напрямі верхня внутрішня поверхня колби вкрита дзеркальним шаром алюмінію або сріблом Виготовляють колби із звичайного скла, тому термостійкість їх низька (100...150°С). Небезпечним для цих ламп є попадання на гарячу колбу вологи, тому без світильників лампи використовувати в тваринницьких приміщеннях не рекомендується. Завдяки зниженій порівняно з лампами розжарювання температурі вольфрамової нитки ці лампи мають строк служби до 5000 годин. Нижня частина колби ламп ИКЗК і ИКЗС вкрита відповідно червоним та синім термостійким лаком для зменшення випромінювань видимої частини спектра.
Лампи типу КИ являють собою циліндричну колбу, виготовлену із термостійкого кварцового скла, яке добре пропускає інфрачервоні промені. По осі колби розміщена вольфрамова нагрівальна моноспіраль. Для концентрації потоку випромінювання в необхідному напрямку і захисту ламп від механічних пошкоджень і крапель води використовують світильники ССПО1-250-001-УЗ для ламп ИКЗК-220-250, ОРИ-1 для ламп ИКЗ-220-500, "ЛатвИКО" для ламп КИ-220-1000-1 та інші.
Основна частина потоку випромінювання ламп ИКЗ та ИКЗК припадає на область спектра з довжиною хвиль 0,6-2 мкм. "Темними" називають низькотемпературні інфрачервоні випромінювачі. Вони являють собою металеву трубку, всередині якої в вогнетривкій ізоляційній масі розміщена нагрівальна ніхромова спіраль. Ніхромову спіраль вмонтовують також у керамічну основу. Температура нагрівання ніхромової спіралі становить 700...1000 К, а температура на поверхні випромінювача - 400...600°С. Максимум випромінювання припадає на частину спектра з довжиною хвилі 3,5...4 мкм. Відсутність контакту нагрітої спіралі з повітрям забезпечує тривалий строк служби випромінювача. Інфрачервоне випромінювання широко використовують для обігрівання молодняку тварин і птиці. Воно не тільки проявляє теплову дію, а й активізує біологічні процеси в організмі тварин, підвищує їх тонус. Найбільший ефект досягається при відповідності максимумів спектральної чутливості шкіри тварин і спектрального розподілу енергії випромінювача. Шкірою тварин практично повністю поглинаються випромінювання з довжиною хвиль 2,5...3,5 мкм, а в діапазоні 0,4...2 мкм коефіцієнт поглинання становить 0,5...0,8 і значною мірою залежить від виду тварин та їх кольору. Особливо добрі результати дає одночасне опромінення тварин і птиці інфрачервоними і ультрафіолетовими променями. Промисловість випускає для одночасного інфрачервоного і ультрафіолетового опромінення установки ИКУФ-1М та "Луч". Універсальна автоматизована установка "Луч" призначена для інфрачервоного обігрівання і ультрафіолетового опромінення молодняку тварин і птиці. Вона складається з пульта керування, 40 опромінювачів і регулятора напруги (два автотрансформатори типу АТ-10). Опромінювач являє собою жорстку овальну конструкцію (Рис. 1), в якій на кронштейні змонтовані дві інфрачервоні лампи 2 і між ними одна еритемна лампа 1 типу ЛЭ-15 або ЛЭО-15. Зверху в кожусі 3 розташована пускорегулююча апаратура лампи ЛЭ-15. Знизу опромінювач закритий захисною решіткою 5. Автотрансформатори типу АТ-10 служать для регулювання напруги на інфрачервоних лампах, що дає змогу регулювати температурний режим у процесі вирощування молодняку.
Принципіальна електрична схема установки "Луч" зображена на Рис.2. Схема забезпечує ручне і автоматичне керування. При ручному керуванні вмикають і вимикають інфрачервоні лампи перемикачем SА1, а необхідну напругу на лампах встановлюють перемикачами Q2 і Q3. При автоматичному керуванні перемикач SA1 встановлюють у положення "А". Після цього перемикачами Q2 і Q3 встановлюють необхідну напругу для інфрачервоних ламп. Тривалість періодів роботи і перерв регулює реле часу типу 2РВМ, яке має дві програми.
Рис. 1. Опромінювач установки "Луч":
1- еритемна лампа; 2 - інфрачервона лампа; 3 - кожух пускорегулюючої апаратури; 4 - підвіска; 5 - захисна решітка.
Ручне керування лампами ЛЭ-15 здійснюють вимикачем SА2. При автоматичному керуванні лампами ЛЭ-15 перемикач SА2 встановлюють у положення "А", а режим роботи забезпечує друга програма реле часу 2РВМ (контакт КТ1: 2) відповідно до заданої добової дози.
Рис. 2. Принципіальна електрична схема установки "Луч".
Розрахунок установок інфрачервоного опромінення
Кількість опромінюючих установок n можна визначити залежно від кількості молодняку тварин або птиці в приміщенні N і щільності посадки молодняку в зоні обігрівання однієї установки n1
. (1)
Потужність системи місцевого обігрівання
, (2)
де: Р1- встановлена потужність однієї установки, кВт.
Величина енергетичної опроміненості залежить від віку молодняку тварин та птиці і температури повітря в приміщенні. Тому точніше кількість опромінювачів можна визначити за енергетичною опроміненістю, яку потрібно створити. Кількість опромінювачів визначають за формулою
, (3)
де: S - площа опромінюваної поверхні, м2; Р1 - потужність одного опромінювача, Вт; - енергетичний коефіцієнт корисної дії опромінювача (для ламп ИКЗК-220-250 та ИКЗК-220-500 - 0,66, для опромінювача ОКБ-3296Т - 0,38), u - коефіцієнт ефективності використання ламп, залежить від висоти підвішування ламп і площі приміщення (у межах 0,7...0,85); К - коефіцієнт запасу (приймають 1,1...1,25); Е - оптимальна енергетична опромінюваність, Вт•м-2. На Рис.3 зображено криві для визначення енергетичної опроміненості для курчат.
6 12 18 24 t,днів
Рис.3. Номограма для визначення оптимальної енергетичної опроміненості для курчат
Як видно з Рис.4, максимум спектрального розподілу енергії "світлих" випромінювачів не співпадає з максимумом спектральної чутливості шкіри тварин. В цьому відношенні перевагу мають "темні" випромінювачі. З енергетичної точки зору вони на 10-25 % ефективніші "світлих". Рис. 4. Відносна спектральна чутливість (коефіцієнт) поглинання шкіри в інфрачервоному діапазоні:
1-поросяти; 2-курчати; 3-теляти білого кольору; 4-теляти чорного кольору.
"Темні" випромінювачі порівняно з "світлими" мають переваги за надійністю роботи, строком служби, рівномірністю поля під опромінювачем, в їх спектрі відсутнє видиме випромінювання, що непокоїть тварин. Перевага "світлих" випромінювачів - незначні втрати теплоти через теплопровідність і конвекцію. Оскільки інфрачервоні промені погано поглинаються повітрям, то основна їх частина передається безпосередньо тілу, що опромінюється. Особливо добрі результати дає одночасне опромінення тварин і птиці інфрачервоними і ультрафіолетовими променями. Промисловість випускає для одночасного інфрачервоного і ультрафіолетового опромінення установки ІКУФ-1М та "Луч".
До складу однієї установки ІКУФ-1М входить 40 опромінювачів, силовий щиток і блок програмного керування. Кожен опромінювач (Рис.5) має дві інфрачервоні лампи типу ИКЗК-220-250 і одну ультрафіолетову лампу ЛЭ-15, які змонтовані в загальній арматурі разом з пусковою апаратурою для лампи ЛЭ-15. Один опромінювач забезпечує обігрівання і опромінювання поросят-сисунів у двох станко-місцях, а телят - в одному станко-місці.
Рис.5. Опромінювач установки ІКУФ -1:
1- інфрачервона лампа; 2- еритемна лампа; З - кожух пускорєгулюючого апарата з перемикачами; 4 - підвіска; 5 - захисна решітка.
Принципіальну електричну схему установки ІКУФ-1М зображено на Рис.6. В схемі передбачено ручне і автоматичне керування. При ручному керуванні тумблери SА1 і SА2 встановлюють у положення "А". Якщо подати на схему напругу, то спрацює реле часу КТ1 типу 2РВМ і через свої контакти подасть напругу на котушки електромагнітних пускачів КМ1 і КМ2. Пускачі спрацюють і ввімкнуть інфрачервоні та ультрафіолетові лампи. Ультрафіолетові лампи розраховані на напругу 127 В і живляться від спеціальних трансформаторів. Програмне реле регулюють на потрібний режим роботи, і воно автоматично підтримує потрібну тривалість роботи ламп.
Дозування ультрафіолетового опромінення. Експозиція (доза) опромінення - це рекомендована на основі біологічних досліджень кількість опромінення, дія якої на об'єкт викликає необхідний ефект. Основною умовою ефективності ультрафіолетового опромінення є дотримання рекомендованих доз та режиму опромінювання. Оптимальні дози в мер•год•м-2 для різних тварин і птиці визначені експериментально і наводяться в довідковій літературі. Для адаптації тварин і птиці до ультрафіолетового опромінювання спочатку програму опромінювання задають частками від повної розрахункової, а потім роблять перерву на кілька діб. До повної норми опромінювання переходять через 15...20 днів. Кількість опромінення в певній точці у загальному випадку визначають за формулою
Н = Е•t, (1)
де: Е - опроміненість, мер • м-2; t-час, год.
З виразу (1) видно, що одну і ту саму експозицію можна одержати при різних комбінаціях значень опроміненості і часу. З метою підвищення продуктивності тварин рекомендується брати меншу опроміненість при більш тривалому проміжку часу, який не перевищує тривалості світлового дня. В довідковій літературі наводяться також значення еритемної опроміненості в мер • м-2 від різних джерел залежно від висоти підвішування. Так, наприклад, лампа ЛЭ-30 дає еритемну опроміненість на висоті підвішування 1 м над спиною тварин 42 мер • м-2, на висоті 2 м - 10,6 мер • м-2. Поділивши значення добової дози опромінювання на опроміненість при заданій висоті підвішування опромінювача, матимемо значення тривалості опромінювання в годинах на добу. Більш точний розрахунок тривалості опромінювання від стаціонарних опромінюючих установок можна виконати точковим методом.
Рис.6. Принципіальна електрична схема установки ІКУФ-1М.
За розрахункову приймають точку з найкращими умовами опромінювання, щоб запобігти переопромінюванню тварин чи птиці. Криві розподілу еритемного потоку випромінювання f() беруть для окремих ламп з довідкової літератури. При цьому коефіцієнт нерівномірності опромінювання не повинен бути меншим за 0,8. Опроміненість розрахункової точки при пересуванні опромінювача змінюється залежно від його положення в певний момент часу.
Для спрощення розрахунків опроміненість виражають через силу випромінювання і приймають її постійною в межах певного кута (Рис.7). Величина кута залежить від екрануючої дії будівельних конструкцій і захисного кута арматури випромінювача. На Рис.4 показано, що опромінювач пересувається з швидкістю V в напрямку від а до б на висоті h над розрахунковою точкою М. Враховуючи, що умови опромінення зліва і справа на шляху руху опромінювача однакові, кількість опромінювання в заданій точці за один прохід опромінювача
H = , (2)
де: h - висота підвішування опромінювача, м; V - швидкість пересування опромінювача, м•год-1; I - сила випромінювання опромінювача, прийнята постійною в межах кута , мер•ср-1. Потрібна кількість проходів опромінювача за добу
n = , (3)
де: А -добова експозиція опромінення, мер • год • м-2.
Рис.7
Рекомендується періодично (не рідше одного разу на тиждень) проводити вимірювання еритемної опроміненості за допомогою уфіметра.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню автоматизованої електротехнологічної установки "ІКУФ-1М", підготувати звіт.
2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (Рис.2,6). Зібравши дослідну схему, покликати керівника виконання робіт і тільки після перевірки та з його особистого дозволу та контролю подавати напругу на схему.
3. Отримавши дозвіл керівника робіт, включити установку "ІКУФ". Провести експеримент згідно з програмою досліджень.
4. Виключити живлення лабораторної установки, повернути органи керування у початкове положення.
5. Після закінчення роботи прибрати робоче місце, повернути керівнику робіт інструкції до виконання робіт, роздатковий матеріал та інструменти.
Контрольні запитання:
1. Яке практичне застосування установки "ІКУФ-1М"?
2. Поясніть конструкцію установки "ІКУФ-1М".
3. Поясніть роботу установки "ІКУФ-1М" за принциповою електричною схемою (Рис.6).
4. Поясніть методику виконання лабораторного дослідження установки "ІКУФ-1М".
5. Як виконують розрахунок установок інфрачервоного (ультрафіолетового) опромінення? Яке практичне застосування установки "Луч"?
6. Поясніть конструкцію установки "Луч".
7. Поясніть роботу установки "Луч" за принциповою електричною схемою (Рис.2).
8. Поясніть методику виконання лабораторного дослідження установки "Луч".
9. Як виконують розрахунок установок інфрачервоного опромінення?
Література: [6], с. 320...336, [7], с. 132...148.
Завдання на самостійну підготовку: вивчити теорію, підготувати звіт.
Перелік рекомендованої літератури
1. Жулай Є.Л., Зайцев Б.В., Лавріненко Ю.М., Марченко О.С., Войтнюк Д.Г. Електропривід сільськогосподарських машин, агрегатів та потокових ліній. - К.: Вища освіта, 2001. -288 с.
2. Птушкин А.Т., Новицкий О.В. Автоматизация производственных процессов в отрасли хранения и переработки зерна. - М.: Агропромиздат, 1985, - 334 с.
3. Бородин И.Ф., Кирилин Н.И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. - М.: Колос, 1972, -328 с..
4. Практикум з електропривода / В.С. Олійник, О.С. Марченко, Е.Л. Жулай, Ю.М. Лавриненко. - К. : Урожай, 1999,192 с.
5. Дайнеко В.А. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий - Минск: Новое знание, 2008.- 320 с.
6. М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский Основы автоматизированного электропривода. Учеб. пособие для вузов. М., "Энергия", 1974. 508 с.
7. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок (И.Ф. Кудрявцев, Л.А. Калинин, В.А. Карасенко и др./Под ред. Кудрявцева И.Ф. - М.: Агропромиздат, 1988. - с. 480.
8. Москаленко В. В. Электрический привод. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 368 с.
9. Фоменков А. П. Электропривод сельскохозяйственных машин, агрегатов и поточных линий. - М.: Колос, 1984. - 288 с.
10. Подобайло В. Г. ,Зініч В. П., Байгер М. А. Застосування електроенергії у сільському господарстві. - К.: Урожай, 1989. - 166 с. 11. Електрообладнання тваринницьких підприємств і автоматизація виробничих процесів у тваринництві / В. Ф. Гончар, Л. П. Тищенко -2-е вид. перероб. і доп. - К.: Вища школа, 1986, 287 с. 12. Фокин В. В. Практикум по электрооборудованию сельскохозяйственного производства. - М.: Агропромиздат, 1991, 160 с. 13. Автоматика и автоматизация производственных процессов / Н. Н. Мартиненко, Б. Л. Головенский, Р. Д. Проценко, Т. Ф. Резниченко. - М.: Агропромиздат, 1985, 335с.
Методичні рекомендації до лабораторних робіт з дисципліни "Електропривод і автоматизація" для студентів денної форми навчання факультету механізації сільського господарства, за напрямом підготовки 6.100102 "Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва" кваліфікації 6.100102 "Технічний фахівець-механік".
Ухвалено науково-методичною радою факультету механізації сільського господарства.
2
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1 523
Размер файла
9 290 Кб
Теги
lab, elektroprivod, 2013, avtomat
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа