ТЕМА 9 ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ АПАРАТИ І ПРИСТРОЇ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ
Лекція 16 Вимикачі, запобіжники, контактори і реле постійного та змінного струму
Для керування електроприводом використовуються різноманітні електромеханічні апарати, які мають для з'єднання електричного кола рухомі контакти, і безконтактні апарати, у яких відсутні рухомі частини, а електричне коло створюється за рахунок гальванічних зв'язків і електронно-іонних провідностей напівпровідникових і електронних елементів. Найбільше розповсюдження мають електромеханічні апарати загально-промислового застосування, які працюють у схемах живлення і керування напругою до 1000 В. Їх можна розділити на дві основні групи – апарати ручного (неавтоматичного) керування та апарати автоматичного керування.
Апарати ручного керування приводяться в дію оператором, який обслуговує електропривод або установки механізму.
Апарати автоматичного керування приводяться у дію від електричних сигналів (команд), які подаються різними реле, датчиками і командними апаратами, на які спочатку може впливати оператор. Ці апарати призначаються:
1) для обслуговування основних процесів керування: пуску в хід, реверсування, регулювання швидкості, гальмування і відключення двигунів;
2) для захисту двигунів, механізмів, електричних мереж живлення від надмірних навантажень, коротких замикань, мимовільних вмикань і ушкоджень;
3) для блокування окремих елементів електропривода і механізму, що забезпечує задану послідовність дій або запобігає невірній дії оператора, забезпечення необхідної послідовної роботи схеми керування і механізмів.
|
|
|
За призначенням (або функціональним ознакам) всі апарати можуть бути розділені на дві групи: апарати, які працюють у головних (силових) електричних колах, і апарати та пристрої керування, які вмикають і відключають головні апарати. До першої відносяться головним чином електромагнітні контактори і пускачі, сильнострумні вимикачі, запобіжники, резистори (реостати), реактори. До другої групи відносяться реле керування (контактні та безконтактні), апарати захисту і блокування, командоапарати, датчики електричних і неелектричних величин, блокові системи регуляторів і різні спеціальні апарати та пристрої.
За родом струму апарати поділяються: за комутацією — постійного або змінного струму; за приведенням в дію – з котушками керування на постійному або змінному струмі.
Великий недолік контактних апаратів — утворення в процесі комутації електричної іскри або дуги між контактами. Від цього недоліку вільні безконтактні апарати, у яких немає рухомих електричних контактів. Вони здійснюють комутацію кола електричного струму яким-небудь нелінійним елементом: напівпровідниковим, магнітним, електронним. На відміну від механічних електричних контактів, безконтактний комутаційний елемент не розриває цілком гальванічний зв'язок у колі, що в ряді випадків варто віднести до недоліків цих апаратів. Безконтактні логічні елементи не тільки виконують функції, аналогічні релейно-контактним апаратам, але найчастіше мають і більш широкі можливості за рахунок підсумовування та об'єднання в них декількох сигналів і функцій.
|
|
|
Вимикачі та запобіжники
Для подачі напруги та комутації струмів в електричних схемах керування і регулювання електроприводом служать різні автоматичні та неавтоматичні вимикачі, рубильники, тумблери, кнопкові пускачі.
Рубильник (рис. 9.1) – найбільш простій з названих апаратів. Він складається з нерухомих і рухомих контактів, останні виконуються у виді ножів з міді або латуні. При вмиканні рубильника його ножі щільно входять у нерухомі пружні контакти (губки). Рубильники виготовляються одно-, дво- та триполюсними. У якості рубильників можуть використовуватися перемикачі на два робочих і одне нейтральне положення. За допомогою рубильників можна здійснювати пуск двигунів малої потужності з невеликою кількістю вмикань за годину.
|
|
|
Пакетний вимикач або перемикач — зачинений комутаційний апарат, у якому розриву контактів не видно. Вимикач складається з набору кілець-пакетів, виконаних з ізолюючого матеріалу, всередині порожнин яких розташований окремий для кожного полюса контактний пристрій.
Рубильники та неавтоматичні вимикачі не мають пристроїв для захисту електричної мережі від коротких замикань у ній або в двигунах, тому послідовно з ними встановлюються запобіжники.
Плавкий запобіжник — апарат, який автоматично відключає електричне коло при короткому замиканні. Коло відключається при розплавленні плавкої вставки, яка нагрівається безпосередньо струмом кола, що захищається.
Автоматичний повітряний вимикач (автомат) – апарат, який служить для замикання і розмикання електричного кола, що знаходиться під навантаженням, і для відключення його при ненормальних і аварійних режимах – перевантаженнях, коротких замиканнях, надмірному зниженні напруги живлення. Автоматичний вимикач може вмикатися вручну або дистанційно за допомогою електромеханічного приводу.
Основними параметрами автоматичних вимикачів є номінальний тривалий струм, номінальна напруга, граничний струм відключення, уставки спрацьовування за напругою та струму.
|
|
|
Автоматичні вимикачі займають проміжне положення між апаратами ручного та автоматичного керування. Сучасні автоматичні вимикачі поєднують функції комутаційного та захисного характеру і застосовуються в шафах панелях або щитах керування двигунами (замінюють рубильники і плавкі запобіжники). У залежності від призначення автоматичні вимикачі виготовляють одно-, дво- або триполюсними.
Розрізняють наступні різновиди автоматичних вимикачів, які отримали широке розповсюдження: 1) універсальні; 2) установочні; 3) швидкодіючі.
Універсальні автоматичні вимикачі виготовляються на значні струми (100 — 1000 А) і мають комбіновані уставки захисту — максимально-струмову і мінімальної напруги.
Принципова кінематична схема універсального автоматичного вимикача на струм більше 200 А наведена на рис. 9.2. Струмопровідне коло має основні 3і дугогасні контакти 1, які утримуються або повертаються у вихідне положення пружиною 13. Вмикання і вимикання автоматичного вимикача може виконуватися вручну (рукояткою 8) або електромагнітами 11 і 7. Ланки 10,12 і упор 9представляють собою механізм вільного спрацювання, положення важелів якого при автоматичному відключенні показано штриховою лінією. При струмах короткого замикання автоматичний вимикач відключається струмовим елементом 5, при зниженні напруги – елементом 6, а при струмах перевантаження - нагрівальним біметалічним елементом 4. Для гасіння дуги, яка виникає при комутації служить дугогасна камера 2.
Автоматичні вимикачі загального призначення призначені для більш частої комутації невеликих потужностей, мають ізоляційні кожухи і зачинені виводи. Такі автоматичні вимикачі називаються установочними. У них передбачаються теплові, максимально-струмові розчіплювачі або їх комбінація (комбіновані розчіплювачі).
Контактори та реле
Контактор — двопозиційний апарат із самоповерненням, призначений для частих комутацій робочих струмів, а також для не частих відключень при струмах перевантаження. Вмикання контакторів – дистанційне, за допомогою вбудованих електромагнітів.
Контактори виконуються одно- і двополюсними для кіл постійного струму і дво- і триполюсними для кіл змінного струму. Контактори розрізняються: за конструкцією електромагніта — з якорем клапанного типу та прямоходовим якорем; за способом гасіння дуги — з магнітним гасінням або дугогасними ґратами.
Контактор постійного струму – електромеханічний апарат, будова якого з якорем клапанного типу зображений на рис. 9.3, а. Контактор зображений у стані, коли він відключає силове коло, по якому протікає струм І.
На суцільнометалевому нерухомому осерді 1 магнітної системи контактора встановлена котушка постійного струму 2, яка втягується. З рухомою частиною магнітної системи – якорем 5 – зв'язаний важіль, на якому закріплений рухомий головний контакт 8, який приєднується до кола струму гнучким провідником 6. Принцип дії полягає в тому, що при подачі напруги на котушку 2 (замиканні контакту ключа SA1) якір притягається до осердя, а контакт 8 – до нерухомого головного контакту 12. Необхідне натискання головних контактів у їхньому робочому положенні забезпечується пружиною 7. При цьому в процесі торкання контактів відбувається перекочування і притирання контактних поверхонь, що зменшує перехідний опір контактів. Таким чином з'єднується головне електричне коло. З якорем зв'язані також вмикальні 3а і вимикальні 3б допоміжні або блокувальні контакти місткового типу, призначені для роботи в колах керування і розраховані на невеликі струми.
Відключення контактора відбувається зняттям напруги з котушки 2 (контакт ключа SA1 розмикається). При цьому рухома система контактора під дією власної маси і повертальної пружини 4 приходить у «нормальний» стан. Виникаюча при розходженні головних контактів дуга від струму, який протікає, швидко гаситься системою магнітного дуття в щілинній дугогасній камері9, яка виготовлена з жаростійкого ізоляційного матеріалу.
Система магнітного дуття складається з послідовної котушки 15, яка розміщена на сталевому осерді 14 з двома сталевими пластинами — полюсами 13, що охоплюють дугогасну камеру. Струм, який протікає по котушці 15, створює магнітний потік Фк (рис. 9.3, б) у зоні горіння дуги. Цей потік, взаємодіючи з магнітним полем від струму дуги, викликає електромагнітні сили F2,які зміщують дугу в щілину камери 9. Дуга розтягується, інтенсивно охолоджується і гасне. Для полегшення гасіння дуги можуть застосовуватися камери з ізоляційними перегородками 10, які сприяють збільшенню довжини дуги та її опору. У дугогасних камерах деяких типів контакторів установлюються також іскрогасні грати з коротких металевих пластин 11. Щоб уникнути «прилипання» якоря після відключення котушки на якорі зміцнюється прокладка 16 з немагнітного матеріалу.
Контактор змінного струму відрізняється від контактора постійного струму числом головних контактів і шихтованої (набраної з окремих ізольованих пластин стали) магнітною системою електромагніта.
Розріз по магнітній і контактній системах одного полюса триполюсного контактора змінного струму з якорем клапанного типу показаний на рис. 9.4, а. Котушка електромагніта контактора живиться однофазним струмом, внаслідок чого магнітний потік у магнітній системі контактора періодично протікає через нуль. Ця обставина викликає вібрацію і гудіння магнітної системи, яка живиться однофазним струмом. Для послаблення цих явищ на торці осердя контактора змінного струму закладається мідний короткозамкнений виток, який охоплює звичайно біля 1/3 площі його перетину (рис. 9.4, б). У моменти, коли основний магнітний потік Ф осердя проходить через нуль, швидкість зміни цього потоку максимальна і тому в короткозамкненому витку наводиться максимальна ЕРС, як у вторинній обмотці трансформатора. Через виток протікає струм, який створює магнітний потік Фв, який замикається через осердя і якір та заважає відпаданню останнього при переході основного потоку через нуль.
Для гасіння дуги в контакторах змінного струму застосовуються дугогасні камери, аналогічні дугогасним камерам контакторів постійного струму.
Всі контактори постійного і змінного струмів повинні надійно працювати при коливаннях напруги мережі від 85 до 105 %.
Контактор у поєднанні з захисними тепловими реле називається пускачем. Магнітний пускач — це комплексний комутаційний апарат, призначений для пуску, відключення і захисту двигунів від перевантаження без виведення або введення в їхні силові кола резисторів. Нереверсивний пускач складається з одного, а реверсивний — з 2 триполюсних контакторів і 2 однополюсних теплових реле (або одного двополюсного), змонтованих на загальній основі в загальній захисній оболонці. Щоб усунути одночасне вмикання контакторів реверсивного магнітного пускача, у їхні рухомі системи вбудовують механічне блокування (рис. 9.5). Рухома частина 1 верхнього контактора при спрацюванні переміщується ліворуч і важелем 2відтягає рухому частину 3 нижнього контактора праворуч. У випадку подачі напруги на котушку нижнього контактора якір електромагніта не рушає з місця тому, що сила утримання рухомої системи верхнього контактора більше початкової сили нижнього електромагніта, який має великий зазор між якорем і осердям. Тому що при великому зазорі магнітної системи через малий індуктивний опір у котушці протікає струм, який у 8 – 15 разів перевищує робочий, то для того, щоб котушка не перегрівалася, зазор повинен бути мінімальним.
Реле — слабострумний апарат, який застосовується для дистанційного і автоматичного керування контакторами і пускачами. За конструктивним виконанням реле поділяються на контактні та безконтактні, а за призначенням — на реле керування і захисту.
Електричне контактне реле — у більшості випадків проміжний елемент у системі автоматичного керування, який здійснює замикання або розмикання одного або декількох електричних кіл. У реле при плавній або стрибкоподібній зміні вхідної (керуючої) величини (електричної, теплової тощо) відбувається стрибкоподібне замикання контактів, тобто стрибкоподібна зміна вихідної (керованої) величини.
В електроприводі реле керування призначається для керування пуском, розгоном або гальмуванням двигуна, контролю та підтримки значення струму в колі або напруги, а також введення в систему керування сигналів на зміну режимів роботи установки. Реле захисту служать для захисту від ушкоджень апаратів, двигунів і механічних вузлів електропривода в ненормальному режимі роботи шляхом подачі команд на відключення або сигналізацію.
Деякі типи реле (струму, напруги) використовуються як для керування, так і для захисту.
З усього різноманіття типів і конструкцій реле розглянемо ті, які найбільш часто застосовуються для керування електроприводом.
Реле часу служать для створення витримки часу між спрацьовуванням двох або декількох апаратів. Витримка часу в цих реле може здійснюватися при командах як на спрацьовування, так і на відключення.
В електроприводі для створення невеликих витримок часу (до 5 — 10 с) найбільше розповсюдження отримали реле часу з електромагнітним уповільненням. Реле приводиться в дію тільки постійним струмом. У колах змінного струму для використання цього реле встановлюють випрямлячі. Витримка часу реле створюється після зняття напруги або струму з котушки керування за рахунок уповільненого падіння залишкового магнітного потоку в магнітній системі.
Для подачі команд, затриманих у часі, служать також інші конструкції реле:
пневматичне реле часу, у якого витримка часу виходить за рахунок повільного натікання повітря в камеру з регульованим перетином отвору;
реле часу з годинниковим механізмом, у якого уповільнювач виконаний у виді анкерного механізму годинника;
моторне реле часу, у якому витримки часу до декількох десятків хвилин отримуються за рахунок механізму, який приводиться в дію мікродвигуном;
реле часу напівпровідникове, тиратронне, електронне,у якому використовується принцип уповільненого розряду конденсатора з використанням елементів електронної та напівпровідникової техніки (ламп, транзисторів, тиратронів тощо).
Для одночасної комутації декількох електричних кіл в автоматичних схемах керування використовуються електромагнітні проміжні реле, які вмикаються і відключаються з малою затримкою часу (десяті та соті частки секунди). Схема подібних реле наведена на рис. 9.6. Вони працюють з великим числом вмикань за годину, тому несправності електромагнітів і контактів стають найбільш частими причинами відмов у роботі. Для підвищення надійності та зносостійкості розроблені конструкції реле з магнітокерованими герметизованими контактами (герконами). Зносостійкість герконів досягає десятків і сотень мільйонів спрацьовувань. Геркони здатні здійснювати комутацію струмів до 5 А при напрузі до 200 В.
На рис. 9.7, а зображений найпростіший геркон із вмикальним контактом, який поміщений у герметизировану колбу або капсулу 1. У нормальному стані, тобто при відсутності зовнішніх впливів, контакт розімкнений або замкнений. Якщо контакт помістити в магнітне поле, яке створене постійним магнітом або котушкою зі струмом, то контактні пластини 2 зімкнуться (або розімкнуться, якщо вони були замкнені). Геркони поєднуються в конструкції (рис. 9.7, б), які мають єдині зовнішні або внутрішні керуючі котушки 3. При цьому створюються багатоконтактні реле, які керуються одним сигналом струму, що створює магнітний потік Фа. Багатоконтактні реле, що виконані на герконах, дозволяють здійснювати і визначену послідовність спрацьовування контактів за рахунок створення різних магнітних кіл окремих контактів. Це значно розширює їхнє застосування в автоматизації керування електроприводом.
Теплові реле призначені для захисту двигунів від перевантажень. Найбільше розповсюдження отримали теплові реле з біметалічною пластиною. Біметалічна пластина складається з двох пластин, які з'єднані зварюванням, одна з яких має більший температурний коефіцієнт розширення. Якщо нагрівати таку пластину, то вона зігнеться в бік матеріалу з меншим коефіцієнтом розширення. Біметалічний елемент може нагріватися за рахунок теплоти, яку виділяє в пластині струм, що протікає, або спеціальним нагрівачем. Нагрівач вмикається в коло струму двигуна, який захищається. Реле захищає двигун при порівняно невеликих (1,1 — 1,2) Iном, але тривалих перевантаженнях.
Кінематична схема теплового реле зображена на рис. 9.8. Струм двигуна, який захищається, протікає через нагрівальний елемент 1, всередині якого розташована біметалічна пластинка2, що упирається у верхній кінець пружини 5. Нижній кінець пружини тисне на виступ пластмасового коромисла 6 з рухомим контактом 8 місткового типу.
Доти, поки струм не перевищує допустимого значення (номінального струму двигуна, який захищається), механізм реле залишається в положенні, при якому контактні пластини 7 замкнені містком8. При протіканні через нагрівальний елемент струму, що перевищує струм уставки, нагрів біметалічної пластини зростає з часом. При досягненні визначеної температури пластини реле спрацьовує і розімкне контакт 7, 8, подавши в схему керування сигнал на відключення двигуна. Правильно обране і відрегульоване теплове реле спрацьовує при перевантаженні двигуна за струмом на 20 % протягом 20 хв. і не буде спрацьовувати при пуску двигуна або короткочасних поштовхах навантаження. Регулювання струму спрацьовування реле здійснюється перестановкою упора 4.
Після охолодження біметалічної пластини (через 1 — 1,5 хв.) реле повертається у вихідне положення або мимовільно, або за допомогою кнопки повернення 9. Регулювання реле на самоповернення або на ручне повернення виконується перестановкою упора 3.
Теплові реле використовуються для захисту не тільки від перевантаження асинхронних двигунів, але і від роботи на двох фазах, для чого у схемах застосовуються два однополюсних реле або одне двополюсне з двома нагрівальними елементами, які вмикаються в дві фази.
Пристрої температурного захисту (рис. 9.9) призначені для безпосереднього контролю за температурою двигунів та їх своєчасного відключення при перегріві. Температура обмоток двигуна М вимірюється за допомогою вбудованих у них терморезисторів. При досягненні визначеної температури терморезистор стрибкоподібно змінює опір, а отже, і стан схеми електронного підсилювача П1, на виході якого увімкнене електромеханічне реле КА1. Реле КА1 відключає контактор, через який отримує живлення двигун або подає команду пристроям розвантаження. Пристрої температурного захисту відключають двигун при роботі на двох фазах тому, що за рахунок підвищеного струму в фазах, які залишилися в роботі, температура двигуна підвищується, що в остаточному підсумку, призводить до спрацювання КА1. При обриві фази пристрій безпосередньо реагує на зміну потенціалу нульової точки обмоток двигуна і подає команду на його відключення.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 2346; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!