ĆWICZENIE NR 1 WYŁĄCZANIE PRĄDU STAŁEGO PRZEZ STYCZNIKI

ĆWICZENIE NR 1 WYŁĄCZANIE PRĄDU STAŁEGO PRZEZ STYCZNIKI Autor: mgr inż. Tdeusz Dszczyński Mil: dszczyt@ee.pw.edu.pl SPIS TREŚCI 1. Cel ćwiczeni... 2 2. Wstęp teoretyczny... 2 2.1. Styczniki... 2 2.2. Elektryczny łuk prądu stłego... 5 2.3. Wyłącznie prądu stłego... 8 3. Przebieg ćwiczeni... 14 4. Przykłdowe pytni... 15 5. Sprwozdnie... 15 6. Bibliogrfi... 16 1

1. Cel ćwiczeni Celem ćwiczeni jest zpoznnie się z procesmi złączni i wyłączni prądu stłego, procesmi zchodzącymi w przestrzeni międzystykowej orz budową i dziłniem styczników. W rmch ćwiczeni zostnie przedstwiony i wyjśniony wpływ indukcyjności n procesy łączeniowe. 2. Wstęp teoretyczny 2.1. Styczniki Według normy PN-EN 60947-1:2010 Aprtur rozdzielcz i sterownicz niskonpięciow Część 1: Postnowieni ogólne stycznik jest określny jko łącznik mechnizmowy przestwiny w inny sposób niż ręcznie, o tylko jednym położeniu spoczynkowym styków ruchomych, zdolny do złączni, przewodzeni i wyłączni prądów w normlnych wrunkch prcy obwodu, tkże przy przeciążenich mogących powstć w roboczych wrunkch prcy. Posid więc zdolności łączeniowe chrkterystyczne dl rozłącznik. Rys. 1. Symbol grficzny stycznik: stycznik zwierny (w stnie niewzbudzonym zestyk otwrty), b stycznik o wyzwlniu smoczynnym, c - stycznik rozwierny (w stnie niewzbudzonym zestyk zmknięty). Wytwórc prtury elektrycznej ustl i podje wielkości i cechy znmionowe prtów chrkteryzujące urządzenie ze względu n jego przeznczenie i zdolność do prcy w określonych wrunkch prcy. Wrtościmi znmionowymi są tkie wrtości wielkości używne do opisu technicznego, które odpowidją określonemu zbiorowi wrunków prcy dl podzespołu, urządzeni, wyposżeni lub ukłdu. Powinny być one dostępne n tbliczce znmionowej prtu. Pozostłe wrtości (np. nie liczbowe) powinn zwierć dokumentcj techniczn (informcyjn) krt ktlogow. Wielkościmi znmionowymi stycznik są: - Znmionowe npięcie izolcji stycznik U ni poziom izolcji torów głównych w stosunku do konstrukcji wsporczej, torów głównych między sobą i w stosunku do torów pomocniczych orz poziom izolcji przerwy biegunowej w kżdym torze głównym. Ozncz to iż znmionowe npięcie sieci nie może przekrczć wrtości U ni stycznik prcującego w tej sieci. 2

- Rodzj prądu torów głównych stycznik określ stosowlność prtu w siecich prądu przemiennego lub stłego. - Ktegori użytkowni styczników określ podstwowe njczęstsze przeznczenie styczników. W tbeli nr 1 przedstwiono ktegorie użytkowni styczników ze względu n chrkter obciążeń. Rodzj prądu Chrkterystyk odbiornik Zstosownie stycznik do łączeni: b c d e f g Prąd przemienny - obciążeń młoindukcyjnych i nieindukcyjnych - pieców oporowych - przeciętej sieci przemysłowej AC1 - silników pierścieniowych - rozruch, hmownie przeciwprądem - silników kltkowych - rozruch przełącznikiem Y/ - silników synchronicznych - rozruch przełącznikiem Y/ i utotrnsformtorowy - silników pierścieniowych - rozruch, wyłącznie bez hmowni przeciwprądem - silników kltkowych - rozruch bezpośredni, wyłącznie przy pełnej prędkości obrotowej AC1 AC2 AC3 - j.w. + rozruch przełącznikiem Y/ AC2 AC1 AC1 AC1 AC1 AC1 A1 AC2 AC2 AC2 AC2 AC2 A2 AC3 AC2 AC2 AC2 AC2 AC2 A2 AC3 AC3 AC3 AC3 AC3 A3 Rodzj prądu - silników synchronicznych - rozruch bezpośredni, wyłącznie przy pełnej prędkości obrotowej - silników indukcyjnych kltkowych - rozruch bezpośredni, impulsownie, rewersownie AC3 AC4 AC4 AC4 AC4 AC4 AC4 - j.w. + wyłącznie przy zhmownym lub wolno wirującym silniku Chrkterystyk odbiornik Zstosownie stycznik do łączeni: d e f g h A4 Prąd stły - obciążeń młoindukcyjnych DC1 DC1 DC1 - pieców oporowych i rezystorów - silników bocznikowych - rozruch, wyłącznie przy znmionowej prędkości obrotowej - silników bocznikowych - rozruch, impulsownie, rewersownie - silników szeregowych - wyłącznie przy pełnej prędkości obrotowej - silników szeregowych - rozruch, impulsownie, rewersownie DC1 D1 DC1t DC2 DC2 DC2 DC2 DC2t DC3 DC3 DC3 DC3 DC3t DC4 DC4 DC4 DC4 DC4t DC5 DC+ DC5 DC5 DC5t - rozruch i wyłącznie wirujących silników D2 - rozruch i wyłącznie zhmownych i wolno wirujących silników Tbel 1. Ktegorie użytkowni styczników ze względu n chrkter obciążeń. D3 - Wytrzymłość zwrciow określ się ją z pomocą dwóch wrtości: znmionowy prąd n-sekundowy (wrtość skuteczn prądu krótkotrwłego n- sekundowego, który płynąc n-sekund przez tor prądowy stycznik nie spowoduje ndmiernego ngrzni prtu i uszkodzeni prtu) i prąd szczytowy (szczytow 3

wrtość prądu zwrciowego, którą stycznik wytrzymuje bez uszkodzeń w stnie zmknięci). - Czsy włsne otwierni i zmykni, czs wyłączeni chrkteryzują współdziłnie zestyków pomocniczych z zestykmi głównymi i między sobą. Określją możliwości stosowni prtu w różnych ukłdch. Stycznik dokowo może być wyposżony w zestyki pomocnicze, określne wielkościmi: liczbą i rodzj zestyków, rodzj prądu, prąd cieplny ciągły (skuteczn wrtość prądu, który przepływjąc dowolnie długo przez tor prądowy stycznik nie spowoduje przekroczeni ustlonych w normch przyrostów tempertur elementów stycznik), prąd i npięcie łączeniowe, ktegori użytkowni, trwłość łączeniow, wytrzymłość zwrciow jko prąd szczytowy. Styk ruchomy, sprzężony z mechnizmem npędowym stycznik, wrz ze stykiem nieruchomym tworzą zestyk łączeniowy. Dokowo jeden z zestyków posid zwsze sprężynę stykową, służącą do wywierni docisku zestykowego wstępnego (bezpośrednio po zetknięciu się styków) i roboczego (w stnie ustlonym zmknięci). Występują dw położeni wymuszone styku ruchomego zwierne (zmknięty w położeniu wymuszonym) i rozwierne (otwrty w położeniu wymuszonym. Jko prt elektryczny stycznik służy głównie do łączeni silników w wrunkch roboczych. Stycznik może wykonuje prcę przepustową przewodząc prąd elektryczny lub mnewrową, złączjąc i wyłączjąc prąd w wrunkch roboczych. W ćwiczeniu wykorzystuje się jednobiegunowy stycznik prądu stłego typu SE- 310 i SE-410. Budow prtu zostł przedstwion n rys. 2. Rys 2. Budow jednobiegunowego stycznik prądu stłego typu SE: 1 elektromgnes npędowy, 2 styk ruchomy, 3 komor gszeniow z obrysem 3 elektromgnesu wydmuchowego, 4 cewk szeregowego elektromgnesu wydmuchowego, 5 przełącznik obwodów wtórnych, 6 zciski przyłączowe toru prądowego głównego, 7 połączenie pone styku ruchomego, 8 podstw. 4

2.2. Elektryczny łuk prądu stłego Przy wyłączniu obwodu zwierjącego SEM, w chwili rozejści się styków orz przy odpowiednich poziomch prądów i npięć, pojwi się łuk elektryczny. Zjwisk zchodzące między elektrodmi po przyłożeniu do nich pewnego npięci zleżą od: - rodzju i ciśnieni gzu w przerwie międzyelektrodowej, - czynników zewnętrznych (joniztory i dejoniztory), - wielkości i zmienności w czsie przyłożonego npięci, - mteriłu i ksztłtu elektrod, - pewnych sprzężeń pojemnościowych posidjących wpływ n rozkłd pol między elektrodmi. Wskutek różnego rodzju promieniowni (np. rdioktywne, kosmiczne, itp.) pewn ilość cząstek gzu może ulegć jonizcji zpewnijąc stły przyrost koncentrcji pr łdunków. Jednocześnie wrz z jonizcją gzu zchodzi tkże łączenie się różnoimiennych łdunków (rekombincj), co powoduje pewien ubytek łdunków. Dzięki tym dwóm zjwiskom otrzymujemy ściśle określony stopień jonizcji gzu. Rozptrując obwód z rys. 3, pole pomiędzy elektrodmi A i K jest przyczyn przepływu łdunków. Łdunki donie podążją do ktody w kierunku spdku potencjłu, ntomist elektrony w kierunku donim grdientu potencjłu. Rys. 3. Obwód prądu stłego - źródło E, rezystncj R orz dwie elektrody A i C. Zmienijąc npięcie pomiędzy elektrodmi dosttecznie wolno, by dl kżdej wrtości pomirowej ustlił się koncentrcj łdunków, możn wykreślić sttyczną chrkterystykę npięciowo-prądową wyłdowń (rys. 4). 5

Rys. 4. Chrkterystyk sttyczn wyłdowń w gzie. Pod wpływem pol potencjlnego elektrod odpływją łdunki i zmieni się stn koncentrcji pr łdunków: n = q α (1) R Gdzie: q przyrost koncentrcji pr łdunków wskutek jonizcji nturlnej, α R współczynnik rekombincji. W mirę zwiększni się ntężeni pol, zwiększ się liczb przepływjących do elektrod łdunków, ż do momentu gdy liczb wszystkich generownych pr łdunków będzie przepływł do elektrod. Wystąpi prąd nsyceni, którego gęstość nie wzrst wrz ze wzrostem ntężeni pol (odcinek 1-2). Dlszy wzrost pol będzie wówczs jedynie zwiększł prędkość łdunków, czyli ich energię kinetyczną. W punkcie 2 elektron osiąg energię kinetyczną równą energii jonizcji i nstępują pierwsze wyłdowni Townsend. Zkłdjąc że n pewnej drodze przebiegjący elektron o prędkości v ek spowoduje jonizcję α cząsteczek gzu, wówczs przyrost pr łdunków wskutek elektronowej jonizcji zderzeniowej α w czsie wyniesie: dn K = αn e (2) Gdzie: α pierwszy współczynnik jonizcji zderzeniowej Townsend, n e koncentrcj elektronów. Zgięcie krzywej (rys. 4) w punkcie 3 przypisywne jest jonizcji zderzeniowej, zjwiskom przy ktodzie, elektronowej emisji wtórnej ktody orz elektronowej fotoemisji ktody. Przebieg n odcinku 3-4 określny jest z pomocą drugiego współczynnik Townsend. Przy poziomie npięci określonym w punkcie 4 nstąpi 6

zpłon wyłdowń smoistnych, których rozwój jest uzleżniony od prmetrów obwodu orz stnu gzu. Wyłdowni Townsend (niewidoczne) przechodząc pod wpływem przyłożonego npięci do wyłdowń smoistnych mogą się różnorko rozwijć: 1) Z pośrednictwem wyłdowń wrstwowych świetlących (4-5-6), które ngle (6-8) lub stopniowo (6-7) przerdzją się w wyłdownie łukowe (punkt 9) 2) Bezpośrednio (4-8) w wyłdownie łukowe (punkt 9) Chrkterystyk sttyczn łuku stnowi część chrkterystyki sttycznej wyłdowń U=f(i) w zkresie dużych prądów. W zleżności od przebiegu wyłdowń smoistnych chrkterystyk sttyczn może mieć różny przebieg, jednk z uwgi n występownie wyłdowń początkowych przy brdzo młych wrtościch prądu zzwyczj posługujemy się przebiegiem uproszczonym (rys. 5). Npięcie u z przy prądzie i=0 nzywmy npięciem zpłonu. Sttyczną chrkterystyką łuku nzywmy tką zleżność npięci łuku u s =f(i ) przy stłej długości l i w określonych wrunkch zewnętrznych, przy której dl kżdej pry wrtości u (i ) spełniony jest wrunek: dn ( i ) s = dn K dn + T dn + R dn + D = 0 (3) Rys. 5. Chrkterystyki łuku prądu stłego: 1 sttyczn, 2 dynmiczn. 7

Wyrz dn K jest pomijlny z uwgi n młą wrtość K. Wyrzy: przyrost koncentrcji pr łdunków wskutek jonizcji cieplnej, dn T dn R określ określ przyrost koncentrcji pr łdunków wskutek rekombincji objętościowej, dn D określ przyrost koncentrcji pr łdunków wskutek dyfuzji mbipolrnej i w niewymuszonym ośrodku jest pomijlny. Przy szybkich zminch prądu stn koncentrcji, tempertur, ciepło i średnic łuku nie odpowidją chwilowym wrtościom prądu obserwownego w stnie ustlonym. Otrzymujemy wtedy nieskończoną liczbę dynmicznych chrkterystyk npięciowo prądowych u =f(i ). Przebieg chrkterystyki dynmicznej zleży tkże od prędkości zmin prądu. Im szybsze są zminy prądu, tym niżej leży chrkterystyk dynmiczn poniżej chrkterystyki sttycznej. Przy mlejącym prądzie, npięcie u w chwili i = 0 nzyw się npięciem gszeni łuku u g. 2.3. Wyłącznie prądu stłego Prktycznie we wszystkich przypdkch wyłączni obwodów silnoprądowych powstje łuk elektryczny. Istotą wszelkich zbiegów konstruktorów prtów elektrycznych, w szczególności ukłdów stykowo-gszeniowych, jest tkie projektownie urządzeń, by możliwie jk njbrdziej ogrniczyć skutki dziłni tego łuku (ngrzewnie komór i styków, zużycie mteriłu styków). Podstwowymi zbiegmi są skrócenie czsu pleni się łuku i zmniejsznie wydzielnej w łuku energii. Prąd stły w sposób nturlny nie przechodzi przez zero i jego wyłączenie wymg pewnych zbiegów wymuszjących przejście do wrtości zerowej. Ogólny wrunek wyłączni prądu o wrtości początkowej I w możn określić jko: I w i = i 0 (4) Gdzie i chwilow wrtość prądu łuku. Funkcj i (t) powinn być mlejąc, le przebieg może posidć różnorki: - bez punktów przegięci wrunek wyłączeni możemy określić jko: di i = 0 i = I w < 0 (5) 8

d i - posid zwykłe punkty przegięci ( = 0 d i 2 orz 0 3 ) ogólny wrunek wyłączeni określ się jko: 2 3 i ( t w di ) = 0 i ( t w) < 0 (6) Gdzie t w czs łukowy wyłączeni. Wrunki z nierówności (5) nzyw się dynmicznymi wrunkmi wyłączni. Są one konieczne, lecz nie zwsze wystrczjące do wyłączeni prądu. Z uwgi n chrkter ćwiczeni przedstwione zostnie i omówione dokłdniej wyłącznie prądu stłego przez zwiększnie rezystncji łuku. Anlizując ukłd szeregowy RL (rys. 6) przebieg prądu po złączeniu możn opisć wzorem: E t T i e = I m 1 e R = t T 1 (7) Rys. 6. Schemt zstępczy obwodu szeregowego RL, zsilnego npięciem stłym. Z równni (7) możn wyznczyć przebieg prądu złącznego (rys. 7). Wrtość prądu po jednej stłej czsowej możn określić jko: i =, 632 t= T 0 I (8) m Po czsie równym czterem stłym czsowym T, prąd prktycznie osiąg wrtość ustloną: i =, 98 t= T 0 I (9) m Stłą czsową T możn obliczyć jko: 9

L T = (10) R Rys. 7. Przebieg prądu stłego przy złączniu. Otwrcie wyłącznik W z obwodu z rys. 6 może nstąpić w skutek sytucji wryjnej, np. zwrci. Z uwgi n czs włsny wyłącznik, wyłączenie może nstąpić przy ustlonej wrtości prądu zwrciowego lub przed ustleniem się prądu zwrciowego. Stycznik lub wyłącznik prąd stłego mją możliwość tylko wyłączeni po ustleniu się prądu. Zstosownie bezpiecznik topikowego lub wyłącznik szybkiego umożliwi uzysknie wyłączeni przed ustleniem się prądu. Niezleżnie do tego kiedy nstąpi wyłączenie, zdniem prtu elektrycznego jest sprowdzenie prądu do zer. Złóżmy że mmy obwód z rys. 6 orz: - wyłącznik W w stnie zmkniętym nie m wpływu n przebieg prądu zwrciowego, - czs włsny wyłącznik W jest długi, - wrunki chłodzeni łuku są określone i stłe, - styki wyłącznik W rozchodzą się z nieskończenie dużą prędkością n określoną odległość s, - brk oddziływni zewnętrznego pol mgnetycznego i pol temperturowego n łuk (długość łuku równ jest s i jest stł). Uwzględnijąc powyższe złożeni orz korzystjąc z II prw Kirchhoff dl obwodu z rys. 6 otrzymujemy: 10

di E = Ri + L + u (11) Gdzie i prąd łuku, u npięcie łuku między stykmi łącznik W. Częścią równni (11), któr pokzuje zminę prądu łuku jest różniczk di cząstkow L, któr przyjmuje wrtość: di L i = I i =0 ł w = E Ri u (12) di Aby spełnić ogólny wrunek wyłączni, różniczk cząstkow L powinn przyjmowć wrtości mniejsze od zer. Otrzymujemy więc nierówność: E Ri u < 0 (13) Npięcie redukujące prąd w obwodzie powinno ztem spełnić nierówność: i = 0 [ u ( E Ri )] > 0 i = 0 u = i = I i = I (14) w w Powyższ nierówność (11) określ wrunek dynmiczny wyłączni prądu stłego. Wrunek ten (l = const) zostnie spełniony jeżeli przebieg chrkterystyki sttycznej będzie określony nierównością: ( E Ri ) i = 0 i =0 u s > i = I i = I (15) w w Nierówność (15) określ konieczny i wystrczjący wrunek sttyczny wyłączni prądu stłego. Wyłączenie obwodu prądu stłego jest możliwe (l = const), jeżeli chrkterystyk sttyczn łuku u s =f(i ) posid dl kżdej wrtości prądu i, wrtości większe, niż chrkterystyk zewnętrzn obwodu E-Ri =f(i ). Dzięki temu zostnie spełnion nierówność (14) orz w obwodzie powstnie donie npięcie redukujące w cłym obwodzie 11

Rys. 8. Ilustrcj grficzn wyłączni prądu stłego. Może dojść do sytucji, w której chrkterystyk sttyczn łuku m przebieg jk n rys. 8. Wówczs nie nstąpi wyłączenie. Złożony wrunek wyłączni byłby spełniony w przedzile I w -i 1, w którym prąd łuku mlłby z określoną prędkością decydującą o przebiegu chrkterystyki dynmicznej w tym przedzile: di ( E Ri ) u = (16) L Prędkość zmin prądu mleje w mirę zbliżni się do chrkterystyki zewnętrznej obwodu. W punkcie przecięci się obu chrkterystyk (punkt A) prędkość t osiąg wrtość zero stn równowgi sttycznej, w której brk jest npięci redukującego, łuk będzie się utrzymywł trwle (i =i 1 ): E = Ri + u (17) 1 s1 Wrunek wyłączeni prądu stłego (15) wymg by chrkterystyk sttyczn łuku nie posidł punktów wspólnych z chrkterystyk zewnętrzną obwodu, więc nie m możliwości osiągnięcie równowgi sttycznej łuku. Jeśli zpewnimy dostteczny odbiór mocy z łuku wrunek ten zostnie spełniony. Moc łuku wyłączeniowego wyniesie w powyższym przypdku: 2 di P = u i = Ei Ri i L (18) Energi łuku wyłączeniowego od początku wyłączeni wyniesie: t w A = P = E i R i L i di (19) 0 t w 0 t w 0 2 I 0 w 12

Gdzie: I w prąd wyłączeniowy dl t=0, t w czs łukowy. Zmniejszniu się prądu i ł do zer towrzyszy wzrost npięci łuku do wrtości npięci gśnięci u g, które możn wyznczyć jko: u g dił di = ł uł E L = E + L ił 0 = (20) Podczs wyłączni określonego obwodu prądu stłego (dne: E, L i R) wielkość przepięci zleży od zmin prądu w chwili wyłączeni, indukcyjności wyłącznego obwodu orz npięci łuku. Im większ indukcyjność, tym większ energi mgnetyczn n niej zgromdzon i większ wrtość przepięci. Większ indukcyjność powoduje tkże wolniejsze zmniejsznie się wyłączlnego prądu. Wpływ n przepięcie u g m tkże ukłd gszeniowy, kiedy intensywniej odbier ciepło z knłu łukowego, powoduje zwiększenie stromości mleni prądu łuku. 13

3. Przebieg ćwiczeni Nleży stosowć się bezwzględnie do poleceń prowdzącego ćwiczenie. Kżdą pierwszą czynność łączeniową i pomir wykonuje njpierw prowdzący ćwiczenie i tylko on dopuszcz grupę do wykonywni ćwiczeni. Grup m z zdnie: 1) Zpoznć się z ukłdem pomirowym nrysowć ukłd pomirowy w protokole, sprwdzić połączeni w stnie beznpięciowym; spisć sensownie tbliczki znmionowe użytych prtów orz zpoznć i zidentyfikowć spisne wrtości; zorientowć się jk mierzony jest prąd i npięcie i do którego knłu oscyloskopu przyłączone są odpowiednie pomiry. 2) Wykonć pomiry prądu i npięci dl różnych nstw indukcyjności nleży bezwzględnie pozostwić nie zmienioną nstwę rezystncji. Nstw indukcyjności Wrtość npięci U [V] Wrtość prądu I [A] R[Ω] 0 1 2 3 4 3) Wykonć pomiry złączni prądu w ukłdzie z użyciem komputer. 4) Wykonć pomiry wyłączni prądu w ukłdzie z użyciem komputer. 5) Dyskusj dotycząc otrzymnych wyników. 14

4. Przykłdowe pytni 1. Jkim prtem elektrycznym jest stycznik i jkimi możliwościmi łączeniowym się chrkteryzuje? 2. Jkim prtem elektrycznym jest odłącznik i jkimi możliwościmi łączeniowym się chrkteryzuje? 3. Jkim prtem elektrycznym jest rozłącznik i jkimi możliwościmi łączeniowym się chrkteryzuje? 4. Jkim prtem elektrycznym jest wyłącznik i jkimi możliwościmi łączeniowym się chrkteryzuje? 5. Jkie są podstwowe prmetry elektryczne styczników? 6. Jkie są metody wyłączni prądu stłego? 7. Czym jest chrkterystyk sttyczn łuku prądu stłego? 8. Czym jest chrkterystyk dynmiczn łuku prądu stłego? 9. Jki jest wpływ indukcyjności n wyłącznie prądu stłego? 10. Wpływ przepięć n izolcję obwodu? 5. Sprwozdnie Sprwozdnie powinno zwierć: 1. Cel ćwiczeni 2. Krótki, zwięzły, n temt wstęp teoretyczny dotyczący temtu ćwiczeni. 3. Opis bdnego ukłdu, rysunek obwodu, dne znmionowe prtów użytych podczs ćwiczeni, oczekiwne wyniki pomirów. 4. Otrzymne opisne przebiegi, opis dotyczący otrzymnych wyników. 5. Chrkterystyk dynmiczn i zewnętrzn obwodu z opisem. 6. Wnioski Wszystkie przebiegi nleży wykonć z użyciem progrmu Mtlb. 15

6. Bibliogrfi 1. Jn Mksymiuk, Aprty elektryczne, WNT 1992 2. Jerzy Kryński, Elektryczne prty rozdzielcze, PWN 1964 3. Adm Bóbr, Włdysłw Polowczyk, Jędrzej Tucholski, Styczniki energoelektryczne, WNT 1979 4. PN-EN 60947-1:2010 Aprtur rozdzielcz i sterownicz niskonpięciow Część 1: Postnowieni ogólne 5. Mteriły z wykłdu. 16