3.7. Аппараты управления
Под аппаратами управления понимаются две разновидности сильноточных (более 5 А) аппаратов напряжением до 1000 В – аппараты управления приемниками электроэнергии (контакторы, пускатели, командоаппараты) и аппараты распределения электроэнергии (автоматы, предохранители, рубильники, пакетные выключатели).
Общими характеристиками аппаратов управления являются отключающая и включающая способность.
Отключающая способность – наибольшее значение тока, который способен отключить аппарат и погасить возникшую при этом электрическую дугу.
Включающая способность – наибольшее амплитудное значение тока в цепи, которую аппарат включает без повреждений, в том числе без приваривания контактов.
В зависимости от типа дугогасительной системы и ее конструкционных особенностей критические токи могут лежать в пределах от нескольких единиц до сотен ампер. Гашение дуги малых токов происходит за счет увеличения расстояния между контактами. При этом дуга располагается непосредственно в пространстве между контактами аппарата, где растягивается и гасится.
При отключении значительных токов появляются электродинамические силы, выдувающие дугу из межконтактного промежутка. Дуга гасится под воздействием этих сил, которые ее растягивают. При больших отключаемых токах увеличение расстояния между контактами, наоборот, снижает электродинамические силы, что отрицательно сказывается на гашении дуги.
3.7.1. Дугогасительные устройства аппаратов управления
При высоких значениях токов и напряжений аппараты снабжаются дугогасительными устройствами, из которых в аппаратах низкого напряжения наиболее распространены щелевая камера и дугогасительная решетка.
Щелевая камера (рис. 3.43) представляет собой узкий просвет, примерно 0,5 мм, между стенками из дугостойкого изоляционного материала, например, асбоцемент. В него загоняется электрическая дуга 1 и там гасится за счет усиленного отвода тепла при тесном соприкосновении со стенками.
Рис. 3.43. Щелевая камера
Дугогасительная решетка (рис. 3.44) представляет собой пакет из тонких (1…3 мм) металлических (медных) пластин 2, в который выдувается дуга. Пластины исполняют роль радиаторов, интенсивно отводящих тепло от столба дуги, что способствует ее гашению. Гашению дуги также способствует приэлктродное падение напряжения на пластинах решетки, которое увеличивает напряжение дуги.
Рис. 3.44. Дугогасительная решетка
Опыт эксплуатации показывает, что дугогасительные решетки непригодны для частых отключений цепи при сравнительно больших токах, так как при большой частоте отключений пластины решетки раскаляются, не успевают остыть и теряют дугогасящую способность, поэтому для тяжелых условий эксплуатации рекомендуется применять щелевые камеры.
3.7.2. Контакторы и пускатели
Контакторы и пускатели – оперативные аппараты, предназначенные для коммутации электрических нагрузок в нормальных режимах работы электрооборудования.
Контактор – двухпозиционный аппарат с самовозвратом, предназначен для частых коммутаций токов, не превышающих токи перегрузки и приводимый в действие электромагнитным приводом. Этот аппарат имеет два коммутационных положения, соответствующих включенному и отключенному состоянию. Самовозврат контактора происходит под действием возвратной пружины, массы подвижной системы или того и другого вместе.
Пускатель – коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, остановки и защиты электродвигателей. Пускатели осуществляют защиту от токов перегрузки. Распространенным элементом такой защиты является тепловое реле, встраиваемое в пускатель.
Токи перегрузки для контакторов и пускателей не превышают 8…20-и кратных перегрузок по отношению к номинальному току. Для режима пуска двигателей с фазным ротором и торможения противотоком характерны 2,5…4-х кратные токи перегрузки. Пусковые токи двигателя с короткозамкнутым ротором достигают 6…10-и кратных перегрузок по сравнению с номинальным током.
Электромагнитный привод пускателей и контакторов может осуществлять защиту электрооборудования от пониженного напряжения. Как известно, пониженное напряжение в питающей сети вызывает протекание токов перегрузки по обмоткам электродвигателей, если механическая нагрузка на них будет оставаться неизменной.
Электрическая износостойкость контакторов и пускателей может достигать нескольких миллионов срабатываний, механическая износостойкость может доходить до 16-и миллионов срабатываний. В течение этого срока службы изношенные контакты могут несколько раз заменяться новыми.
Конструктивная схема контактора поворотного тип представлена на рис. 3.45.
Рис. 3.45. Контактор поворотного типа
На рис. 3.45 изображен контактор в момент отключения цепи двигателя. При этом напряжение на катушке 12 отсутствует и его подвижная система под действием возвратной пружины 10, создающей силу Fв, придет в исходное состояние. Возникающая при расхождении главных контактов дуга Д гасится в дугогасительной камере 5.
Быстрое перемещение дуги в дугогасительную камеру обеспечивается системой магнитного дутья. В цепь главного тока включена последовательная катушка 1, которая размещена на стальном сердечнике 2. Стальные пластины - полюса 3, расположенные по бокам сердечника 2, подводят создаваемое катушкой 1 магнитное поле к зоне горения дуги в камере 5. Взаимодействие этого поля с током дуги приводит к появлению сил, которые перемещают дугу в камеру.
Контактор включает цепь с током I0 при подаче напряжения на катушку 12 приводного электромагнита. Поток , созданный током, протекающим через катушку электромагнита, разовьет тяговую силу и притянет якорь 9 электромагнита к сердечнику, преодолев силу противодействия Fв возвратной 10 и Fк контактной пружины 8.
Сердечник электромагнита оканчивается полюсным наконечником 11, поперечное сечение которого больше сечения самого сердечника. Установка полюсного наконечника увеличивает силу, создаваемую электромагнитом, и видоизменяет тяговую характеристику электромагнита.
Соприкосновение контактов 4 и 6 друг с другом и замыкание цепи при включении контактора произойдет раньше, чем якорь электромагнита полностью притянется к полюсу. По мере движения якоря подвижный контакт 6 будет «проваливаться», упираясь своей верхней частью в неподвижный контакт 4. Он повернется на некоторый угол и вызовет дополнительное сжатие контактной пружины 8. Появится провал контактов. Провал контактов – величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.
Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие их выгорания. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.
После соприкосновения контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Вследствие действия контактной пружины при перекатывании происходит разрушение пленок, что уменьшает переходное сопротивление, в то же время перекатывание повышает механический износ.
Кроме того, предварительное контактное нажатие, созданное пружиной 8, позволяет снизить вибрацию подвижного контакта при ударе его о неподвижный контакт. Все это предохраняет контакты от сваривания.
На контактах имеются контактные накладки, выполненные, например, из серебра, чтобы снизить переходное сопротивление при длительном протекании тока во включенном состоянии. Иногда применяются накладки из дугостойкого материала для уменьшения износа при действии дуги (металлокерамика «серебро – окись кадмия»). Гибкая связь 7 выполняется из полосок медной фольги или канатика из тонкой медной проволоки.
Раствор контактов – расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии. Обычно лежит в пределах 1÷20 мм.
Схема контактора поворотного типа довольно типичная. Обычно такие контакторы используются для тяжелого режима работы (большая частота циклов коммутационных операций, индуктивные цепи) при относительно высоких значениях номинального тока (десятки и сотни ампер).
Другой распространенный тип контакторов и пускателей – прямоходовой, рис. 3.46. Он рассчитан на меньшие номинальные токи (десятки ампер) и более легкие условия работы. Такой контактор имеет мостиковые контакты.
Рис. 3.46. Пускатель прямоходового типа
На рис. 3.46 введены следующие обозначения: 1 – дугогасительные камеры; 2 и 3 – подвижные и неподвижные контакты, соответственно; 4 – короткозамкнутые витки; 5 – катушка.
В контакторах и пускателях обычно используются рычажные и мостиковые контакты, рис. 3.47 а) и б), соответственно.
Рис. 3.47. Разновидности контактов
При отключении в рычажных контактах образуется один разрыв и одна дуга, в мостиковых – два разрыва и две дуги. Поэтому при прочих равных условиях возможности для отключения электрических цепей у аппаратов с мостиковыми контактами выше, чем у аппаратов с рычажными контактами.
В мостиковых контактах в замкнутом состоянии создается два контактных перехода тока, в каждом из которых должно создаваться надежное касание. Поэтому сила контактной пружины должна быть удвоенной, по сравнению с рычажными контактами, что требует увеличения мощности электромагнитного привода, в этом состоит недостаток мостиковых контактов.
В зависимости от коммутируемого тока пускатели подразделяются по величине или габариту. Величина аппарата определяется коммутируемым током. Зависимость величины пускателя от коммутируемого тока приведена в таблице 3.2.
Таблица 3.2. Величина пускателя и коммутируемый ток
Величина |
Ток, А |
0 |
4; 6,3 |
1 |
10; 16 |
2 |
25 |
3 |
40 |
4 |
63 |
5 |
100 |
6 |
160 |
7 |
250 |
Пример обозначения пускателя широкого применения ПМЕ
ПМЕ X1 X2 X3 ,
где X1 – величина пускателя – 0, 1, 2;
X2 – исполнение пускателей по степени защиты – 1 – IP00, 2 – IP30, 3 – IP54;
X3 – тип работы электродвигателя и наличие теплового реле – 1 – без теплового реле нереверсивный; 2 – с тепловым реле нереверсивный; 3 – без теплового реле реверсивный; 4 – с тепловым реле реверсивный.
Пускатель электромагнитный ПМЕ 212 – величина пускателя вторая; исполнение по степени защиты IP00 (без корпуса); нереверсивный, с тепловым реле. Число полюсов главной цепи 3. Номинальное напряжение главной цепи 380 В. Дополнительные контакты на номинальный ток 6,3 А при 380 В. В стандартном исполнении – 2 замыкающих и 2 размыкающих дополнительных контакта, тепловое реле РТТ–141 (0,2÷25 А).
Для работы в цепях управления и блокировки пускатели и контакторы комплектуются дополнительными слаботочными (6,3 А) контактами с напряжением коммутации не более 380 В. В аппаратах нулевой величины для коммутации цепей управления используются основные контакты. Дополнительные контакты могут выполняться в виде приставки к пускателю или контактору. Типовые схемы включения нереверсивного и реверсивного пускателя приведены на рис. 3.48 и 3.49, соответственно.
Рис. 3.48. Схема включения нереверсивного пускателя
На рисунке 3.48 введены обозначения: SB1 – кнопка «Стоп»; SB2 – кнопка «Пуск»; KM1 – катушка магнитного пускателя; KM1.1 – дополнительные контакты пускателя. Дополнительные контакты служат для питания катушки пускателя при отпущенной кнопке «Пуск».
Рис. 3.49. Схема включения реверсивного пускателя
На рис. 3.49: KK1.1 – контакты теплового реле; SB3 – кнопка «Стоп»; SB1 и SB2 – кнопки пуск «Вперед» и «Назад», соответственно; KM1 и KM2 – пускатели «Вперед» и «Назад», соответственно, с дополнительными контактами. Дополнительные контакты пускателей и кнопок управления осуществляют электрическую блокировку от одновременного включения пускателей. Силовые цепи на рис. 3.48 и 3.49 не показаны.