Wstęp teoretyczny

Praca przekaźnika elektromagnetycznego polega na przyciąganiu kotwicy poprzez elektromagnes i przełączaniu styków (rys.1). Kotwica w ruchu napotyka na opór sprężyny odciągającej oraz opór sprężyn stykowych. Opory te muszą być pokonane przez siłę przyciągania elektromagnesu. W czasie ruchu kotwicy zmienia się szerokość szczeliny powietrznej (kotwica - rdzeń), a przez to również siła przyciągania elektromagnesu. Siła ta musi być w całym zakresie ruchu kotwicy większa od, również zależnej od wychylenia kotwicy, siły sprężystości układu mechanicznego.

Rys.1 Budowa (szkic) typowego przekaźnika elektromagnetycznego

Parametry które charakteryzują pracę przekaźnika:

• Moc zadziałania - moc jaką należy doprowadzić z obwodu sterującego do przekaźnika, aby spowodować przyciągnięcie kotwicy i zamknięcie obwodu sterowanego.

• Moc sterowania - największa moc w obwodzie sterowanym, przy której jeszcze przekaźnik działa prawidłowo.

• Czasy działania przekaźnika - wartości czasów działania przekaźnika są narzucone przez wymagany czas przekazania sygnału z obwodu sterującego do sterowanego.

• Współczynnik powrotu - stosunek napięcia zwalniania do napięcia przyciągania kotwicy.

• Współczynnik zapasu (k_p) - stosunek kp = I/Ip

• Stała czasowa τ - stosunek indukcyjności do rezystancji uzwojeń.

1.2. Wyznaczanie charakterystyki t_pp=f(k_p)

Wyniki dokonanych przez nas pomiarów przedstawiamy w tabeli:

I	mA	34	50	70	90	110	130	150	175	200	250	300
tpp	ms	375	41	35	31	30	26	28	24	20	18	13
kp		1	1,47	2,05	2,64	3,23	3,82	4,41	5,14	5,88	7,35	8,82

Charakterystyka wyznaczona na podstawie pomiarów ma następujący kształt:

Czas przełączania dla prądu przyciągania przekaźnika jest bardzo duży i wynosi około 375ms. Jest to spowodowane tym, iż pole magnetyczne jest na tyle małe (przy k_p=1), że siła, która przyciąga kotwicę niewiele większa niż opory przyciągania.

Dalszy wzrost natężenia prądu powoduje, że pole magnetyczne jest większe a co za tym idzie - wzrasta również siła przyciągająca kotwicę. Skutkuje to skróceniem czasu przełączenia tpp. Największe skrócenie t_pp przypada na wartości prądu niewiele przekraczające wartość prądu I_p. Dalszy wzrost natężenia prądu nie skutkuje już tak dużymi skróceniami czasu przełączenia.

Warty uwagi jest również fakt, że czas t_pp w funkcji współczynnika kp ciągle ulega skróceniu, lecz zapewne po przeprowadzeniu większej liczby pomiarów, czas ten by się ustabilizował wokół konkretnej wartości. Dalsze skrócenie t_pp nie byłoby możliwe z racji tego, iż przekaźnik jest urządzeniem mechanicznym.

1.3. Wyznaczenie charakterystyk t_zz=f(k_p), t_rr=f(k_p), t_rz=f(k_p), t_zr=f(k_p),

gdzie:

t_zz - jest to czas zwierania zestyków zwiernych, czyli czas od momentu włączenia zasilania do zwarcia zestyków zwiernych,

t_rr - jest to czas rozwierania zestyków rozwiernych, czyli czas od momentu włączenia zasilania do rozwarcia zestyków rozwiernych,

t_rz - jest to czas rozwierania zestyków zwiernych, czyli czas od momentu wyłączenia zasilania do rozwarcia zestyków zwiernych,

t_zr - jest to czas zwierania zestyków rozwiernych, czyli czas od momentu wyłączenia zasilania do zwarcia zestyków rozwiernych.

Wyniki pomiarów potrzebnych do wyznaczenie tych charakterystyk zamieszczone w tabeli:

I	mA	34	50	70	90	110	130	150	175	200	250	300
tzz	ms	780	255	161	108	95	77	69	53	46	44	42
trr	ms	880	211	115	94	70	56	40	37	34	33	32
trz	ms	16	29	34	39	41	37	38	40	40	41	30
tzr	ms	24	35	41	42	40	46	50	51	52	53	55
kp	mA/mA	1	1,47	2,05	2,64	3,23	3,82	4,41	5,14	5,88	7,35	8,82

Wyznaczone charakterystyki mają następujący kształt:

Charakterystyki t_zz=f(k_p) i t_rr=f(k_p) jak widać na wykresie mają zbliżony kształt. Taka sama sytuacja ma miejsce w przypadku charakterystyk t_rz=f(k_p) i t_zr=f(k_p).

Charakterystyki t_zz=f(k_p) i t_rr=f(k_p) mają podobny kształt jak w punkcie 1.2, gdzie wyznaczona została charakterystyka t_pp=f(k_p). Tutaj również na małych wartości współczynnika k_p czas zwierania zestyków zwiernych jest stosunkowo duży. Powód jest ten sam co w przypadku punktu 1.2, czyli niskie natężenie prądu, co skutkuje słabym natężeniem pola magnetycznego a co za tym idzie - słabą siłą przyciągania kotwicy. W miarę wzrostu współczynnika kp czasy te maleją gwałtownie ale tylko na początku. Potem wartość czasu zwierania oscyluje wokół określonej liczby.

W przypadku charakterystyk t_rz=f(k_p) i t_zr=f(k_p) sytuacja jest odwrotna. Wraz ze wzrostem natężenia prądu czasy t_rz oraz t_zr rosną. Sytuacja taka ma miejsce, gdyż gdy pole magnetyczne wytworzone przez odpowiednio duże natężenie prądu nie znika tak szybko jak w przypadku mniejszych prądów. To z kolei powoduje, iż „odpuszczona” kotwica jeszcze przez chwilę czasu jest przyciągana (choć z minimalną siłą). Taka sytuacja powoduje zwiększenie się czasów rozwarcia zestyków zwiernych a także zwarcia zestyków rozwiernych.

2. Układy pracy przekaźnika obojętnego.

W tym punkcie badaliśmy wpływ elementów dołączonych do cewki przekaźnika na jego czasy działania dla znamionowej wartości prądu (I=38mA).Podczas laboratoriów zbadaliśmy układy a, b, d oraz f, zaś pozostałe układy wykonaliśmy teoretycznie. Otrzymane wyniki zostały przedstawione w tabeli:

		a	b	c	d	e	f	g	h
tzz	ms	380	402	240	255	192	355	360	360
trz	ms	21	20	24	170	23	125	130	15
I	mA	38	38	38	38	38	38	38	38

Wnioski:

1. Analiza charakterystyki t_pp = f(k_p):

Dla prądu przyciągania czyli współczynnik zapasu k_p=1 czas przełączania przy przyciąganiu t_pp jest bardzo duży. Spowodowane jest to tym, że siła przyciągająca kotwicę do rdzenia, powodowana strumieniem magnetycznym, ma wartość zbliżoną do oporów przytrzymujących zestyki w pozycji początkowej. Wraz ze wzrostem prądu, a co za tym idzie wzrostem wartości współczynnika k_p, czas t_pp.

2. Analiza charakterystyk t_zz = f(k_p), t_rr = f(k_p), t_rz = f(k_p), t_zr = f(k_p):

Z wykresu mogliśmy zauważyć że czasy t_rr oraz t_zz mają odwrotne charakterystyki niż czasy t_rz i t_zr. Spowodowane jest to tym, że pierwsze dwa czasy opisują przyciąganie kotwicy do rdzenia zaś dwa następne opisują to kiedy jest ona zwalniana.

Charakterystyki t_zz = f(k_p) i t_rr = f(k_p) mają kształt podobny do charakterystyki t_pp = f(k_p) czyli dla k_p zbliżonego do 1 czasy są bardzo duże. Spowodowane jest to dwoma czynnikami: pierwszym z nich jest to że jak w czasie t_pp siła powodowana strumieniem magnetycznym ma małą wartość, dla małych wartości natężenia prądu powoduje siłę niewiele większą od sił trzymających kotwicę w położeniu wywoływanym przez sprężynę, i ciężko jest jej przyciągnąć kotwicę do rdzenia. Dlatego też fizyczne przemieszczenie kotwicy trwa dłużej niż w przypadku większych wartości prądu, a co za tym idzie większego k_p, czasy stają się coraz mniejsze żeby w końcu dla dużej wartości k_p ustabilizować się. Równie ważnym powodem, zwłaszcza przy natężeniach prądu nieznacznie przekraczających prąd przyciągania ważny jest czas od momentu włączenia zasilania do chwili gdy kotwica zacznie rzeczywiście poruszać się w kierunku rdzenia. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest fakt, że po włączeniu zasilania prąd nie zyskuje od razu żądanej wartości, a przez pewien czas rośnie nieliniowo, aż do chwili ustabilizowania się. Tak więc przy małych natężeniach prądu element opóźnienia związany z osiągnięciem w obwodzie prądu przyciągania jest stanowi znaczną część czasu t_zz, a w przypadku t_rr jest jeszcze ważniejszy, gdyż rozwarcie styków rozwiernych następuje zaraz po rozpoczęciu przez kotwicę ruchu w kierunku rdzenia i stanowi on główną składową tego czasu.
Przy charakterystykach czasów t_rz i t_zr miejsce ma sytuacja odwrotna. Dla k_p=1, gdy siła przyciągania kotwicy do rdzenia jest mała, powrót kotwicy pod wpływem sprężyny następuje bardzo szybko. Już przy małym oddaleniu kotwicy od rdzenia siła szybko zanika ułatwiając kotwicy powrót. W miarę wzrostu k_p rośnie wartość siły przyciągającej, więc przy rozłączaniu styków zwiernych, w miarę zwiększania się szczeliny powietrznej, siła przyciągająca maleje powoli, więc czas rozłączenia staje się coraz dłuższy i stabilizuje się przy pewnej wartości k_p.

3. Określenie wpływu parametrów elektrycznych elementów dołączanych do cewki przekaźnika na mierzone czasy:

Dołączenie szeregowo rezystancji powinno spowodować spadek czasu t_zz w porównaniu z przypadkiem bez dołączonych elementów

Podłączenie równolegle kondensatora (przyp. D) powoduje znaczne zwiększenie t_zz. Jest to spowodowane tym, że naładowany kondensator podtrzymuje napięcie w układzie, przez co pole magnetyczne zanika z lekkim opóźnieniem.

2. Układy pracy przekaźnika obojętnego (poprawione).

W tym punkcie badaliśmy wpływ elementów dołączonych do cewki przekaźnika na jego czasy działania dla znamionowej wartości prądu (I=38mA).Podczas laboratoriów zbadaliśmy układy a, b, d oraz f, zaś pozostałe układy wykonaliśmy teoretycznie. Otrzymane wyniki zostały przedstawione w tabeli:

		a	b	c	d	e	f	g	h
tzz	ms	380	402	240	255	192	355	360	370
trz	ms	21	20	24	170	23	125	150	19
I	mA	38	38	38	38	38	38	38	38

1. Przekaźnik bez podłączenia dodatkowych elementów

t_zz=380 [ms]

t_rz=21 [ms]

2. Przekaźnik z cewką podłączoną szeregowo (I=38[mA])

Szeregowe dołączenie cewki spowodowało wzrost czasu zwarcia zestyków zwiernych, zaś wartość czasu rozwarcia minimalnie spadła. Wzrost t_zz możemy tłumaczyć wolniejszym narastaniem prądu spowodowanego wystąpieniem indukcyjności.

3. Przekaźnik z oporem podłączonym szeregowo (I=38[mA])

Takie podłączenie rezystancji spowodowało znaczny spadek czasu zwierania zestyków zwiernych, jednak nie miało większego wpływu na czas rozwierania. Dodatkowe podłączenie oporu wpływa na zmniejszenie czasu, co skutkuje skróceniem czasu przyciągania kotwicy.

4. Przekaźnik z oporem połączonym szeregowo oraz kondensatorem podłączonym równolegle do przekaźnika (I=38[mA])

Porównując układy „c” oraz „d” możemy zauważyć, że wydłużenie czasu t_zz o 15ms jest spowodowane wolniejszym narastaniem prądu w uzwojeniu przekaźnika na skutek ładowania kondensatora. Co się tyczy czasu rozwierania zestyków zwiernych to zwiększył się on siedmiokrotnie. Spowodowane jest to przepływem prądu (przez przekaźnik) pochodzącego z rozładowywanego kondensatora, który rozładowuje się od momentu wyłączenia napięcia sterującego co powoduje podtrzymanie hamującego strumienia magnetycznego, a w efekcie późniejsze zwolnienie kotwicy.

5. Przekaźnik z podłączoną szeregową rezystancją, do której dołączono równolegle kondensator (I=38[mA])

Układ ten również najlepiej porównać z przypadkiem „c”. Względem wymienionego układu czas rozwarcia zestyków nie uległ wartym wspomnienia zmianom, co zaś się tyczy czasu zwarcia zestyków zwiernych to jego spadek spowodowany jest wzrostem rezystancji wypadkowej kondensatora oraz rezystora.

6. Przekaźnik z rezystancją dołączoną równolegle (I=38[mA])

Porównując ten przypadek z układem „a” możemy stwierdzić, że t_zz zmalało o 25 ms, zaś t_rz wzrosło sześciokrotnie. Biorąc pod uwagę inne układy spadek czasu zwierania zestyków jest mało wyraźny. Czas rozwierania zestyków zwiernych wzrósł ponieważ stała czasowa układu τ=R, a więc rośnie wraz ze wzrostem rezystancji.

7. Przekaźnik z podłączonymi równolegle rezystancją i kondensatorem (I=38[mA])

Dołączenie równolegle połączonych szeregowo rezystancji i kondensatora powoduje wzrost czasu t_rz, w porównaniu z przypadkiem gdy jest podłączony sam rezystor. Jest to spowodowane tym, że po wyłączeniu zasilania kondensator rozładowuje się przez cewkę przekaźnika oraz rezystor.

8. Przekaźnik z równolegle podłączoną cewką (I=38[mA])

Dołączenie równolegle indukcyjności nie powoduje zmian czasów w porównaniu z pierwszym przypadkiem.

---