Расчёт временных параметров электромагнитного реле

ФГБОУ ВПО

ДВГУПС

 

 

 

 

 

Кафедра: «Автоматика и телемеханика»

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по  дисциплине «Элементы автоматики и  телемеханики»

 

К.П. 112017           236 группа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Выполнил:Липкевич А.В.                                                                

                                                                             

                                                               Проверил: Малай Г.П.

 

 

 

 

г. Хабаровск 2013

 

 

 

 

Содержание:

 

Цель и конкретная задача курсового проекта, соответствующая заданному варианту…………………………………………………………………... стр.3

 

Задание 1. Описание заданного типа элемента…………………………..стр.4

Задание 2. Расчет  временных  параметров  электромагнитных реле………………………………………………………………………….стр.9

 

Теоретические положения, связанные  с расчетов временных параметров электромагнитных реле…………………………………………………...стр.9

 

Результаты расчетов, графические  построения и выводы по результатам расчетов…………………………………………………………………….стр.11

 

 

Заключение………………………………………………………………...стр.16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель и конкретная задача курсового  проекта, соответствующая заданному  варианту

 

Целью курсового  проекта является изучение конструкции, параметров и назначения элементов  автоматики и телемеханики, а также  расчет временных параметров электромагнитных реле.

Задачи  курсового проекта включают выполнение следующих пунктов:

• Представить конструкцию, параметры и описание заданного типа элементов автоматики и телемеханики.

( типы элементов представлены  ниже и задаются преподавателем);

• Произвести расчеты временных параметров электромагнитного реле согласно  варианта (варианты расчета представлены в таблице 1 и задаются преподавателем).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 1. Описание заданного типа элемента

Вариант 40

Емкостные датчики угловых перемещений

 

Угловые датчики являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах. В рамках системы выпускаются малогабаритные бесконтактные приборы, имеющие довольно высокие метрологические характеристики, при высокой эксплуатационной надежности и низкой стоимости.  
В настоящее время  выпускаются четыре типа угловых датчиков, имеющие одинаковые размеры и конструкцию и позволяющие охватить диапазоны измерения углов от 20° (ДУП-1А1) до 360° (ДУП-1А4). Это датчики с абсолютным отсчетом.

Технические характеристики

Тип прибора	ДУП-1А1	ДУП-1А2	ДУП-1А3	ДУП-1А4
Диапазон измерения	от ±1° (0°-2°) до ±10° (0°-20°)	от ±10°(0°-20°) до ±30° (0°- 60°)	от ±30°(0°-60°) до ±90° (0°-180°)	от ±90°(0°-180°) до ±180° (0°-360°)
Основная погрешность , ±%	0.5 - 1	0.5 - 1	0.5 - 1	1 - 1.5
Диапазон рабочих температур, °С	-30 ... +60	-30 ... +60	-30 ... +60	-30 ... +60
Дополнительная температурная погрешность  “0”	0.015%/°С	0.015%/°С	0.015%/°С	0.015%/°С
Дополнительная температурная погрешность  шкалы	0.08%/°С	0.08%/°С	0.08%/°С	0.03%/°С
Полоса пропускания (-3dB) ,Гц	600	600	600	200
Напряжение питания,В	±5 ... ±15	±5 ... ±15	±5 ... ±15	±5 ... ±15
Потребляемый ток, мА	3	3	3	6
Выходной сигнал, В	от 0...±2 до 0...±10	от 0...±2 до 0...±10	от 0...±2 до 0...±10	от 0...±2 до 0...±10
Габариты датчика, мм	Ф46х30,встроенная электроника	Ф46х30,встроенная электроника	Ф46х30,встроенная электроника	Ф46х20,отдельная плата электроники
Вес, г	62	62	62	58
Материал корпуса	алюминий	алюминий	алюминий	алюминий

 

Как и инклинометры (прибор, предназначенный для измерения угла наклона различных объектов, относительно гравитационного поля Земли), датчики могут быть доукомплектованы: для питания от однополярного источника питания +5В ... +15В; для получения на выходе датчика заданного вида кода при работе в цифровых системах; элементами дистанционной перестройки диапазона и “0” внешним цифровым сигналом.  

Вид характеристики вход (угловое перемещение) - выход (электрический  сигнал) представлен на рис. Сигнал может увеличиваться или уменьшаться  при повороте оси датчика. Сигнал может иметь положительную или  отрицательную полярность во всех диапазонах перемещений или быть двуполярным.

 

Характеристика вход-выход

 

 

 

 

 

 

В настоящее  время в указанных выше габаритах  выпущена опытная партия датчиков накопительного типа (датчиков приращений) с двумя  диапазонами разрешения: 540имп./оборот и 1080 имп./оборот.  
 
Также могут использоваться в качестве угловых датчиков и инклинометры, но при выборе между инклинометрами и угловыми датчиками потребителю следует учитывать следующее:  
· диапазоны измерения и метрологические характеристики инклинометров и угловых датчиков близки друг к другу  
· поэтому сначала надо выяснить возможность использования инклинометров, у которых значительно выше эксплуатационная надежность (полностью отсутствуют какие-либо подвижные механические узлы), существенно меньше габариты и вес, весьма проста установка на объект и существенно ниже стоимость самого прибора  
· угловые датчики в качестве базовых следует использовать только в случаях, когда требуется высокое быстродействие - свыше 1Гц (угловые перемещение происходят со скоростью свыше 60 оборотов/мин.; если сам объект часто испытывает заметные ускорения (порядка g) по нескольким направлениям и с частотами, близкими к измеряемым.

 

Принцип работы

В качестве чувствительного элемента емкостного датчика угла поворота используется дифференциальный конденсатор. Его  конструкция может быть достаточно произвольной. Варианты представлены на рис. 1, 2. Емкость каждого из плеч может быть небольшой – порядка десяти пикофарад, но необходимо, чтобы относительное изменение емкостей было как можно большим.

Рис. 1. Конструкция чувствительного элемента емкостного датчика угла отклонения зеркала сканера: 1 – основание сканера, 2 – зеркало сканера на торсионе (соединено с общим проводом), 3 – пластины дифференциального конденсатора (изолированы от основания и зеркала).

Рис. 2. Конструкция чувствительного элемента емкостного датчика угла поворота: 1 – крепежный винт, 2 – статор (стеклотекстолит), 3 – обкладки статора (медная фольга), 4 – изолирующая прокладка (полиэтиленовая пленка толщиной 0.1 мм), 5 – обкладки ротора, соединенные перемычкой (медная фольга), 6 – ротор (стеклотекстолит), 7 – гайка.

Конструкция электронной части

Электронный преобразователь сигнала емкостного датчика угла поворота выполнен по схеме рис. 3. На микросхеме DA1 (КР574УД1) собран задающий синусоидальный RC-генератор с мостом Вина-Робинсона. Частота генератора, примерно равная 100 кГц, определяется элементами R1C1R2C2 (R1=R2, C1=C2). Стабилизация амплитуды колебаний осуществляется с помощью нелинейного элемента – лампы накаливания HL1 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя DA1. На микросхеме DA2 (КР574УД1) собран усилитель, увеличивающий амплитуду колебаний до максимально возможной (около 10 В). Напряжение с выхода усилителя через резисторы R6, R7 подается на дифференциальный конденсатор C01, C02. Цепь R6R7C01C02 является, в сущности, резистивно-емкостным мостом, в одну из диагоналей которого включен источник переменного напряжения, а в другую – дифференциальный усилитель с фазовым детектором. Микросхемы DA3, DA4 (КР574УД1) включены по схеме буферных каскадов и служат для повышения входного сопротивления усилителя. Микросхема DA5 (КР574УД1) выполняет функцию дифференциального усилителя с коэффициентом усиления, равным двум. Операционный усилитель DA6 (КР574УД1) используется в качестве фазового детектора. Управление им осуществляется через ключ VT1. На выходе фазового детектора включен фильтр нижних частот R17C11 с частотой среза около 300 Гц. Как видно из принципиальной схемы, одна из пластин каждого плеча дифференциального конденсатора соединяется с общим проводом. Так как зеркало сканирующего устройства также, как правило, имеет контакт с общим проводом (через торсион), то оно может использоваться в качестве общей пластины дифференциального конденсатора. Это позволяет отказаться от гибких токоподводов, что является дополнительным преимуществом данного датчика.

Рис. 3. Схема принципиальная электронного преобразователя сигнала емкостного датчика угла поворота.

Задание 2. Расчет  временных параметров электромагнитных реле

 

 

Теоретические положения, связанные с расчетов временных параметров электромагнитных реле

 

Быстродействие релейных схем зависит  от скорости срабатывания реле, которая  определяется переходными процессами, протекающими в обмотках и в схемах включения. Быстродействие (скорость срабатывания реле) определяется следующими временными параметрами:

• Время полного срабатывания – время от момента подачи напряжения на обмотку реле до момента надежного замыкания общих и фронтовых контактов;
• Время отпускания   - время от момента выключения напряжения на обмотке реле до момента надежного замыкания общих и тыловых контактов.

Для определения временных параметров реле рассмотрим переходные процессы при включении и выключении питания  обмотки. Обмотка электромагнитного  реле можно представить в виде последовательного соединения индуктивности  L и активного сопротивления R. Индуктивность обмотки реле определяется числом витков W, магнитными свойствами и геометрией магнитопровода. Конструктивной особенностью является изменяющийся  в процессе срабатывания воздушный зазор между якорем и сердечником, который в основном определяет магнитную проводимость магнитопровода. Это обстоятельство делает индуктивность обмотки величиной переменной, зависящей от величины зазора, т.е. от положения якоря. Переходной процесс при включении напряжения на обмотку определяется следующим дифференциальным уравнением Кирхгофа:

 

 

                                                                                                                           (1)               

 

где: – ток, протекающий через обмотку реле,

        – индуктивность магнитопровода при отпущенном якоре.

 

Как известно, решение уравнения (1) при нулевых начальных условиях имеет следующий вид:

 

                   

                                                                                                     (2)

 

где t = , имеющая размерность в секундах, называется постоянной времени и определяет скорость протекания переходного процесса.

 

Переходной процесс при включении напряжения на обмотке реле заканчивается, когда ток в цепи достигает установившегося значения

 

При выключении напряжения на обмотке  реле переходной процесс также описывается  дифференциальным уравнением (1), решение  которого при начальных условиях имеет вид:

 

 

                                                                                                                              (3)

 

где t = ,  – индуктивность реле при притянутом якоре.

 

Индуктивность реле при притянутом якоре больше, чем при отпавшем якоре, поэтому ток в обмотке реле спадает медленнее, чем нарастает при включении.

Решая уравнение (3) относительно времени  t, получим выражение для времени отпускания:

                                                                                   
 
                      

                                                                                                                              (4)

 

 

где: t= – ток отпускания якоря.

 

Аналогично, произведя решение  уравнения (2) относительно времени  t, получим выражение для времени срабатывания:

 

 

                                                                                                                              (5)

 

 

где: t = , – ток срабатывания реле (полного притяжения якоря).

 

По времени срабатывания электромагнитные реле подразделяются на следующие типы:

• Нормальнодействующее  (- 0.1 сек.)
• Быстродействующее (- 0.001 сек.)
• Медленнодействующее или замедленное (- 0.5 - 1 сек.)
• Реле времени или временные (- 1 сек. и более)

Чувствительность  реле определяется коэффициентом возврата

 

Результаты  расчетов, графические построения и  выводы по результатам расчетов.

 

                                            Вариант 3;1

 

Исходные  данные: Рассчитать:

      U = 24В i - ?

= 0,8 * Гн  - ?

= 1,6 *  Гн  - ?

= 0,6                               - ?

= 0,4

R = 900 Ом

1). Рассчитать и построить графически зависимость тока в обмотке реле от времени при включении напряжения на обмотку. Сформулировать и записать выводы. При расчетах использовать уравнение (2).              

 

Время t выбираем произвольно, а ток i определяем из уравнения (2):

 

t = – постоянная времени.

t = 0,00089 мс;

t = 0,00178 мс;

t = 0,00356 мс;

t = 0,00712 мс;

t = 0,01424 мс;

t = 0,02848 мс;

t = 0,05696 мс;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученные  результаты занесём в таблицу и построим график зависимости i(t):

t, мс	0,00089	0,00178	0,00356	0,00712	0,01424	0,02848	0,05696
i, А	0,01686	0,02306	0,02618	0,02666	0,02667	0,02667	0,02667

 

 

 

 

t, мс

i, А

 

Вывод: В графической зависимости тока в обмотке реле от времени t при включении напряжения на обмотку в промежутке времени от 0,00089 до 0,00712 мс ток i возрастает от 0,01686 до 0,02666 А. А при значении времени t равном 0,01424 мс и дальше ток i становится постоянный и равен 0,02667 А.

 

2). Рассчитать и построить графически зависимость тока в обмотке реле от времени при выключении напряжения на обмотке. Сформулировать и записать выводы. При расчетах использовать уравнение (3).

 

Время t выбираем произвольно, а ток i определяем из уравнения (3):

 

t =

t = 0,00178 мс;

t = 0,00356 мс;

t = 0,00712 мс;

t = 0,01428 мс;

t = 0,02848 мс;

t = 1,82 мс;

t = 3,64 мс;

Полученные  результаты занесём в таблицу и построим график зависимости i(t):

t, мс	0,00178	0,00356	0,00712	0,01424	0,02848	1,82	3,64
i, А	0,0098	0,0036	0,00049	0,0000089	0	0	0

 

 

 

i, А

t, мс

 

 

 

Вывод: В графической зависимости тока в обмотке реле от времени t при выключении напряжения на обмотку в промежутке времени от 0,00178 до 0,01424 мс ток i убывает от 0,0098 до 0,0000089 А. А при значении времени t равном 0,2848 мс и дальше ток i становится равным 0 А.

 

 

3). Рассчитать и построить графически зависимость времени срабатывания от  напряжения на обмотке реле, т.е . При этом использовать уравнение (5), напряжение менять в большую и меньшую сторону относительно заданного ( не менее значений). Сформулировать и записать выводы.

 

t =

 

 А

 

U=20 В; 

U=24 В;

U=44 В; 

U=48 В; 

U=68 В; 

 

U, В	20	24	44	48	68
tср, мс	0,0011	0,0008	0,0004	0,0003	0,0002

tср, мс

 

U, В

 

Вывод: В графической зависимости времени срабатывания от  напряжения на обмотке реле, меняя напряжение от 20 до 68 В, с увеличением напряжения U tср убывает от 0,0011 до 0,0002 мс.

 

 

4). Рассчитать и построить графически зависимость времени отпускания от  напряжения на обмотке реле, т.е _{. При этом использовать уравнение (4), напряжение} менять в большую и меньшую сторону относительно заданного ( не менее значений). Сформулировать и записать выводы.

 

t =

 

 

U=20 В; 

U=24 В; 

U=44 В; 

U=48 В; 

U=68 В; 

 

 

U, В	20	24	44	48	68
tот, мс	0,0013	0,0016	0,0027	0,0029	0,0035

 

 

 

tот, мс

 

U, В

Вывод: В графической зависимости времени отпускания от  напряжения на обмотке реле, меняя напряжение U от 20 до 68 В, tот возрастает от 0,0013 до 0,0035 мс.

 

 

5) Определить коэффициент возврата для заданного реле.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В данном курсовом проекте была предоставлена конструкция, параметры и описание емкостных датчиков угловых перемещений, которые являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах. В ходе выполнения курсового проекта мы ознакомились с временными параметрами реле, определяющими его быстродействие. Также были произведены расчёты этих параметров электромагнитного реле. Для определения временных параметров были рассмотрены переходные процессы при включении и выключении питания обмотки.