1. Электромеханические аппараты автоматики, управления, распределительных устройств и релейной защиты

План лекции:

1.3. Аппараты управления.

Аппараты управления

Они объединяют две группы аппаратов низкого напряжения: аппараты для управления режимом работы электрооборудования (аппараты управления) и аппараты для управления режимами работы распределительных низковольтных электрических сетей и их защиты от ненормальных режимов (аппараты распределения энергии).

Аппараты управления предназначены для частых оперативных отключений и включений нормальных токов нагрузки и нечастых коммутаций токов перегрузки, превышающих номинальные в 5 – 20 раз.

Аппараты распределения энергии осуществляют защиту электрооборудования и сетей от аварийных режимов работы (токов короткого замыкания и перегрузки, понижения напряжения в сети).

К аппаратам управления относятся контакторы, пускатели, электромагнитные муфты, реле управления. К аппаратам распределения энергии - автоматические воздушные выключатели (автоматы), предохранители и др.

На рис.1.3 приведена схема участка распределительной сети на напряжение 380 В за понижающим трансформатором Тр.

Рис.1.3. Схема включения аппаратов управления

Автоматический выключатель А (автомат) подает напряжение 380 В на распределительные шины, от которых отходят три фидера к объектам нагрузки. При повышенном токе (I >) и пониженном напряжении (U <) автомат снимает с шин напряжение 380 В, обеспечивая защиту объектов от этих аварийных режимов. Токи короткого замыкания и перегрузки вызывают недопустимый нагрев электрооборудования, а пониженное напряжение приводит к затормаживанию двигателей и повышенным токам вследствие резкого уменьшения их электрического сопротивления.

Если нажать пусковую кнопку П командоаппарата КА, это обеспечит подачу напряжения на включающую обмотку О контактора, который своими линейными (главными) контактами ЛК включает цепь тока на потребитель М (например, двигатель). Включение контактора вызовет замыкание вспомогательных контактов ВК, и при отпускании кнопки П обмотка О останется под напряжением. Отключение контактора производят нажатием кнопки С, снимающей напряжение с обмотки О. Нагревательные элементы теплового реле РТ включены последовательно в цепь главного тока. При повышенном токе, вызывающем нагрев, размыкаются контакты реле, цепь тока на удерживающую обмотку О разрывается и контактор отключается под действием силы отключающей пружины (на рис. не показана). Т.о., обеспечивается защита потребителя от токов перегрузки. Предохранители П защищают потребитель от токов короткого замыкания.

На рис.1.4. приведена конструктивная схема контактора прямоходового типа.

Рис.1.4. Прямоходовый контактор

При подаче напряжения на обмотку 6 электромагнитного привода возникает магнитный поток Ф, который развивает электромагнитную силу и притягивает к полюсам 5 верхний якорь 4. Вместе с ним переместится вниз контактный элемент 2, мостиковые контакты 2 и 3 замкнут цепь тока I₀. Контактная пружина обеспечит необходимую силу нажатия Р_к в замкнутых контактах. Для отключения аппарата снимается напряжение с обмотки 6. При этом исчезает электромагнитная сила привода и Р_п отключающей пружины подвижная система переместится вверх, а цепь тока I₀ будет разорвана контактами 2 и 3. Возникающие при отключении тока электрические дуги между контактами 2 и 3 гасятся в дугогасительном устройстве 1.

Пускатели предназначены для включения и отключения электрических двигателей, тогда как контакторы могут коммутировать любую нагрузку. По принципу устройства они аналогичны, однако в пускатели могут встраиваться дополнительные элементы для защиты двигателей от перегрузки.

Электромагнитные муфты осуществляют соединение и разъединение ведущего и ведомого валов в приводе. На рис.1.5 показан принцип устройства муфты с неподвижной обмоткой возбуждения 3.

Рис.1.5. Электромагнитная муфта

Если подать напряжение на неподвижную обмотку возбуждения 3, то возникающий магнитный поток Ф создаст электромагнитные силы между деталями 2 и 4, которые, переместившись навстречу друг другу, войдут в зацепление. Благодаря наличию пазов и выступов в деталях 1 и 2, 4 и 5 элементы 1 и 5, связанные с ведущей и ведомой частями привода, не смогут провертываться одна относительно другой, т.е. они войдут в зацепление. Т.о., при сцеплении деталей 2 и 4 за счет сил трения, возникающих под влиянием электромагнитных сил в зазорах, будет происходить передача вращающего момента от ведущего вала к ведомому.

Муфта, приведенная на рис.1.5, относится к фрикционным, в которых сцепление осуществляется силами трения поверхностей. В ферропорошковых муфтах сцепление достигается при «затвердевании» в магнитном поле ферропорошковой смеси, состоящей из смеси частиц ферромагнитного материала и наполнителя (тальк, масло).

На рис.1.6 приведена упрощенная схема автоматического выключателя (автомата), изображенного в положении, соответствующем стадии отключения цепи тока I₀ и гашению в дугогасительном устройстве 6 возникшей на его контактах электрической дуги 5. Ручной привод 3 переведен в отключенное состояние. Ручной привод 3 переведен в отключенное состояние. Включение автомата осуществляется приводом (по часовой стрелке); подвижная система при этом встанет на защелку (на рис. не показана).

Рис.1.6. Схема автоматического выключателя

Автоматическое выключение аппарата произойдет в том случае, если ток в цепи превысит заданное значение. Тогда сработает электромагнитный расцепитель 1 и переведет рычаги 4 механизма свободного расцепления вверх за мертвую точку. Под действием отключающей пружины 2 подвижная система автомата переместится влево, контакты 5 разомкнутся, а возникшая между ними электрическая дуга будет погашена в дугогасительной камере 6.

Такая схема построения автомата относится к универсальным и установочным автоматам. Кроме этих существуют быстродействующие автоматы, автоматы гашения магнитного поля мощных синхронных генераторов и различные автоматы специального назначения.

На рис.1.7 приведена схема быстродействующего автомата, основанного на индукционно-динамическом принципе действия. Аппарат должен автоматически отключить контактами К цепь тока I₁, если он будет нарастать до недопустимо высоких значений. Протекая по неподвижной обмотке 7, ток I₁ создает магнитный поток Ф₁. при нарастании I₁ поток Ф₁ изменяется во времени и в соответствии с принципом инерции Лоренца наводит в диске 8 ток I₂ противоположного направления. Взаимодействие токов I₁ и I₂ приводит к возникновению электродинамической силы отталкивания Р_ЭДУ, которая переместит подвижную систему аппарата вправо, а контакты К разорвут цепь аварийного тока I₁.

Рис.1.7. Схема быстродействующего автомата

Для улучшения условий коммутации тока в аппаратах управления применяются полупроводниковые приборы. На рис.1.8 приведен пример схемы гибридного контактора, сочетающего в себе обычную контактную систему и шунтирующую полупроводниковую приставку из тиристоров Т1 и Т2.

Рис.1.8. Бесконтактный аппарат – гибридный контактор

При отсутствии тока i_упр на управляющих электродах УЭ тиристоры закрыты и токи по ним практически не протекают. При подаче сигнала на управляющие электроды УЭ (i_упр > 0) тиристоры открываются в прямом направлении тока (+i) в условиях небольшого напряжения (пороговое напряжение U_п ≈ 1 ÷ 2 В).

При включенных контактах ГК падение напряжения на них меньше порогового U_п и ток через тиристоры не протекает. Размыкание ГК приводит к появлению электрической дуги, и, когда падение напряжения на ней превысит пороговое U_п, один из тиристоров открывается (соответственно направлению полуволны переменного тока), т.к. на их управляющие электроды УЭ через диоды Д1 и Д2 подаются сигналы тока управления со вторичных обмоток трансформатора тока ТТ. Эти сигналы трансформируются во вторичных обмотках благодаря протеканию тока по первичным обмоткам ТТ, соединенным последовательно с ГК.

Один из тиристоров пропустит первую полуволну тока, за нулем тока он оказывается закрытым для обратной полуволны. Но когда ток из цепи перешел в параллельную цепь тиристоров, на вторичных обмотках ТТ уже не трансформируются управляющие сигналы и они не поступают на управляющие электроды тиристоров. Поэтому после перехода переменного тока через нуль другой тиристор также оказывается закрытым для обратной полуволны тока. Т.о., при первом переходе через нуль протекание тока в главной цепи прекратится, т.е. эта цепь с током будет отключена.

Т.о., в гибридном контакторе функцию проведения тока в длительном режиме выполняют главные контакты ГК. Падение напряжения на них небольшое, поэтому выделяемая в них тепловая мощность невелика: она во много раз ниже той, которая выделилась бы в тиристорах при длительном протекании по ним тока того же значения. Тиристорная приставка выполняет роль бездугового коммутирующего элемента, в результате чего практически устраняется дугообразование в аппарате и существенно повышается срок его службы.

На рис.1.9 приведена принципиальная схема включения бесконтактного аппарата управления трехфазным переменным током.

Рис.1.9. Бесконтактный аппарат – трехфазный тиристорный пускатель

Коммутирующие элементы в полюсах (фазах) состоят из параллельно включенных диодов Д и тиристоров Т. Включение аппарата осуществляется сигналами, подаваемыми на управляющие электроды тиристоров Т от блока управления БУ. Снятие этих сигналов с блока управления приводит к закрытию тиристоров и отключению токов в фазах в моменты их переходов через нулевые значения.

ЛЕКЦИЯ № 3 - 4