CC BY
14
УДК 621.39
КУЧЕРЕНКО А.А., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Экспериментальные исследования переходных процессов в курсе «Теоретические основы электротехники»
Kucherenko A.A.., assistant professor (DRTI)
Experimental researches of transients are «Theoretical bases of the electrical engineering» in a course
Постановка проблемы
Переходные процессы в
электрических цепях с сосредоточенными и рассредоточенными параметрами изучаются во второй части курса «Теоретические основы электротехники» [1]. Этот раздел является одним из ключевых и востребованных как при выполнении расчётно-графических работ студентами технических ВУЗов, так и в практической работе инженера-электрика. Теоретические положения и методы расчёта переходных процессов лучше воспринимаются студентом, если они будут дополнены экспериментальными исследованиями. В ходе выполнения лабораторных работ студенты исследуют переходные токи и напряжения, возникающие в результате коммутации цепей постоянного и переменного тока. На экране осциллографа они наблюдают формы кривых, измеряют их параметры. Сравнивая экспериментальные и теоретические результаты, студенты реально ощущают возможности теории и оценивают влияние внешних факторов. Одновременно они получают навыки, как практического использования различной измерительной техники, так и постановки эксперимента.
Анализ проблемы
В Донецком институте
железнодорожного транспорта
(ДОНИЖТ) традиционно проводится цикл лабораторных работ по исследованию переходных процессов в цепях постоянного тока [2]: КЬ - цепи (а), КС -цепи (б), КЬС - цепи (в) (рисунок 1).
В исследуемых цепях применяется реальная катушка с индуктивностью Ь и сопротивлением гк, конденсатор С и магазин сопротивлений Кмс. Эти цепи периодически коммутируются на источник ЭДС +12 В и на сопротивление разряда К. В качестве коммутатора (ключа) применялось реле РС - 3. Основным недостатком схемы для исследования переходных процессов является дребезг контактов реле при его коммутации, который приводит к искажению переходного процесса. Особенно это наглядно при экспериментальных исследованиях КЬ -цепи (рисунок 2).
Причиной искажений переходного процесса является явление отскока контакта реле во время его коммутации. Рассмотрим данное явление подробнее. При замыкании контакта реле в цепи (рисунок 3) возникает переходной ток I.
к ' „С
I Ь г
—I-1—I— «Цепь» О
«Цепь» О—| " ¥ 1—I I—[■ 1_ катушка |
I
щий» О
МС I >КМС
«°бщий»0 «Общий» (
а) ,--------------------б)
I Ь гк | С
«Цепь» О——| |—|—11-. катушка I
в) «Общий»
||КМС
О
Рис. 1. Исследуемые цепи
Рис. 2. Искажение переходного процесса в КЬ - цепи
I Ь Гк
|_ катушка_____I
Рис. 3. Цепь при замыкании контакта реле
Для мгновенных значений переходного тока цепи I, по второму закону Кирхгофа, можно записать следующее дифференциальное уравнение первого порядка:
(И
Е — г • (К + г,) + Ь • —. ^ к) (г
(1)
Решение уравнения (1) ищем в виде суммы свободной и принуждённой (установившейся) составляющих, в соответствии с алгоритмом классического метода. Выражение для переходного тока, с учетом нулевых начальных условий и первого закона коммутации будет следующим:
Е
г —
К + г
(1 - ^ - ),
(2)
к
где т - постоянная времени цепи, равная
Ь
т —
(3)
К + г
к
При отскоке контакта реле формируется следующая цепь (рисунок 4).
С
к
Жм — Же; Жм — Ь • г'К/2; % — Ск • ц?/2.
ис — ик — гк \ „ ; гк —
Г _ к
—(1 - е"7)
К + г
(4)
решение: генератор
К
Здесь ток гк - значение переходного тока г в момент отскока контакта реле гк.
Так как ёмкость Ск мала, то на катушке возникают выбросы напряжения, которые в 6 раз превышают значение источника Е (рисунок 2). Эти выбросы искажают картину переходного напряжения и тока при
экспериментальных исследованиях
процессов в КЬ - цепи.
Возможно простое заменить реле на прямоугольных импульсов с выходным каскадом достаточной мощности для проведения экспериментов. Например, Г5 - 54 или Г6 - 15 производства СССР. Этих надёжных генераторов в ДОНИЖТ нет. Новый генератор Рго1ек 9205А производства КНР оказался пригодным лишь для исследования цифровых схем. Подобная зарубежная измерительная техника [3] стоит дорого и, в настоящее время, нам недоступна.
Цель работы
В настоящей работе была поставлена практическая цель:
спроектировать и изготовить простые и не дорогие лабораторные макеты для проведения исследований переходных процессов в цепях постоянного тока (рисунок 1).
Рис. 4. Цепь при отскоке контакта реле Основная часть
В этой цепи Ск является ёмкостью контакта реле относительно общего (земли). Энергия магнитного поля катушки преобразуется в энергию электрического поля конденсатора Ск:
В настоящей статье предложен простой и не дорогой лабораторный макет для исследования переходных процессов, который может быть легко выполнен в условиях ВУЗа.
г
В качестве ключа можно использовать ряд современных электронных элементов: например, оптическое реле (MOSFET - реле) фирмы «Omron» G3VM-61В1.
Это реле обладает прекрасными техническими характеристиками:
- время срабатывания/ отпускания менее 100 мкС;
- ресурс 104 часов (десятки лет);
- миниатюрный корпус размером 2,45 х 1,45 х 1,3 мм;
- изоляция выдерживает 300 В;
- бесшумный в работе (нет механики);
- сопротивление контакта составляет
1 Ом;
- максимальное напряжение контакта реле менее 60 В;
- максимальный ток контакта реле менее 0,5 А.
Но оно стоит довольно дорого, поэтому мы выбрали малогабаритный полевой транзисторный ключ, который управляется логическим элементом: STN3NF06L. Несмотря на свои размеры, полевой транзистор с индуцированным п - каналом имеет защитный диод Шоттки и обладает следующими
характеристиками:
- сопротивление сток - исток в открытом состоянии менее 0,1 Ом;
- максимальное напряжение на стоке не более 60 В;
- максимальный ток канала не более
4 А;
- максимальный ток затвора не более 0,1 мкА;
- время включения/ выключения типовое менее 20 нС.
Стоимость ключа STN3NF06L составляет не более 30 рублей, что является его лучшей характеристикой для нашего макета.
Управление работой ключа на полевом транзисторе производится генератором прямоугольных импульсов на основе интегрального таймера N№555. Генератор формирует импульсы, которые подаются на затвор транзистора через инверторы. Эти инверторы являются элементами согласования выхода генератора и затвора полевого транзисторного ключа. Логический «0» на затворе полевого транзистора VT1 соответствует его закрытию, а логическая «1» - его открытию. Принципиальная схема макета для исследования переходных процессов в цепях постоянного тока приведена на рисунок 5.
Rn
10к||
i
R2 130к U^
C/0,33
X 5
C1/0,1
C
Зап
R
Сбр
БЛ1
GI
NE555
«+12 В» ~|
О
Р
Вых
+U
-U
3 "вых
C2/47,0:
R/150
fi
«Цепь» | (з^
О
R/510 DD1.1
1|-1 2 3i-i4 5|-16 1
1ф I 1
DD1/КР1554ЛН1
-О | «Общий»
+5 В
J VD1/КC147A
Рис. 5. Схема электрическая принципиальная для исследования переходных процессов
в цепях постоянного тока по курсу ТОЭ
6
7
2
8
4
1
На выходе генератора (вывод 3) формируется последовательность
импульсов амплитудой порядка 4,7 В следующего вида:
«Заряд» «Разряд»
<-3-► tp
Рис. 6. Осциллограмма выходного напряжения 6Вых генератора
Расчётные длительности времён заряда t3 и разряда tp различаются незначительно и составляют порядка 40 мС, что вдвое превышает теоретическую длительность переходного процесса при исследовании цепей (рисунок 1). Внешний источник питания Е = 12 В подключается к клеммам 1 и 2. Исследуемая цепь подключается к клеммам 3 и 1. Напряжение питания для микросхем интегрального таймера DA1 и инверторов DD1 формируется
параметрическим стабилизатором на основе VD1. При теоретических расчётах переходных величин необходимо учитывать и сопротивление R4 равное 150 Ом. Схема макета (рисунок 5) проста в сборке и наладке. Экспериментальные исследования переходных величин цепей постоянного тока (рисунок 1) на нашем макете показали их совпадение с теоретическими кривыми с погрешностью не более 2% (рисунок 7).
а)
СН1 2.00V СН2 5.00V М 10,0ms б)
в)
Рис. 7. Переходные напряжения на клемме 3 макета при исследовании: КЬ -цепи (а), КС - цепи (б), КЬС - цепи (в)
Выводы
1. Спроектирован и выполнен макет для исследования переходных процессов в цепи постоянного тока.
2. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность принятых схемотехнических решений.
3. Макет позволяет проводить исследование в двух режимах работы исследуемой цепи:
- заряд с нулевыми начальными условиями;
- разряд с не нулевыми начальными условиями.
Список литературы:
1. Рибалко М.П., Есауленко В.О., Костенко В.1. Теоретичш основи електротехшки: Лшшш електричш кола: Пщручник.- Донецьк: Новий свгг, 2003.513 с.
2 Давиденко М.Г., Кошевий С.В., Жемчугов М.1. Методичш вказiвки до лабораторних робiт з дисциплши «Теорiя електричних та магштних кш», роздiл «Теоретичш основи електротехшки» №
2251.- Харюв: ХарДАЗТ, Дон1ЗТ, 2001.104 с.
3. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов. - М.: ДМК Пресс, 2009.- 384 с.
Аннотации:
В статье рассмотрены разработка, реализация и результаты экспериментальных исследований макета лабораторных работ по курсу «Теоретические основы электротехники» для исследования переходных процессов в цепях постоянного тока. Макет выполнен на современных интегральных микросхемах и п -канальном MOSFET ключе.
Ключевые слова: переходные процессы, макет, теоретические основы электротехники, экспериментальные исследования, интегральный таймер, MOSFET ключ.
In the article development, realization and results of experimental researches of model of laboratory works, is considered to on-course «Theoretical bases of the electrical engineering» for research of transients in the chains of direct-current. A model is executed on modern integral microcircuits and n - channel MOSFET key.
Keywords: transients, model, theoretical bases of the electrical engineering, experimental researches, integral timer, MOSFET key.
