Магнитный пускатель

Магнитный пускатель

1. Цель работы

Целью работы является знакомство с принципом действия магнитного пускателя и экспериментальное определение его характеристик на разных частотах.

2. Предварительные сведения

2.1. Магнитные контакторы. Для коммутации силовых цепей постоянного и переменного тока применяются электрические аппараты, называемые контакторами.

Контакторы, коммутирующие цепи постоянного тока, относятся к категории ДС, а контакторы, коммутирующие цепи переменного тока – к категории АС.

Остановимся более подробно на контакторах переменного тока, поскольку к ним относятся и магнитные пускатели (МП).

Контакторы переменного тока подразделяются на следующие 4 группы:

АС-1 – включение и отключение активной и малоиндуктивной нагрузки

[cos φ = 0,95; I_вкл = I_ном.р ; I_откл = I_ном.р ];

АС-2 – пуск электродвигателей с фазным ротором и торможение противовключением

[cos φ = 0,65; I_вкл = 2,5 I_ном.р ; I_откл = 2,5 I_ном.р ];

АС-3 – пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и отключение вращающихся двигателей при номинальной нагрузке

[cos φ = 0,35; I_вкл = 6 I_ном.р ; I_откл = I_ном.р ];

АС-4 – пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и отключение неподвижных и медленно вращающихся двигателей, торможение противовключением

[cos φ = 0,35; I_вкл = 6 I_ном.р ; I_откл = 6 I_ном.р ].

К основным техническим данным контакторов относятся:

■ номинальный ток главных контактов I_ном (8 часов без коммутации),

■ номинальный рабочий ток главных контактов в конкретных условиях применения I_ном.р,

■ предельный отключаемый ток I_откл,

■ номинальное напряжение коммутируемой цепи U_ном.р,

■ механическая (число циклов вкл-откл без тока до ремонта) и коммутационная (число циклов вкл-откл цепи тока до замены контактов) износостойкость N (N ~ 10⁶ и составляет ~0,1 N_мех),

■ допустимое число включений в час (~ 600 вкл. в час),

■ собственное время включения и отключения (~ 0,1 сек).

2.2. Магнитные пускатели. Наиболее широкое применение в автоматике в настоящее время находят магнитные пускатели (МП), относящиеся к контакторам переменного тока.

Их основное назначение – пуск и отключение короткозамкнутых асинхронных двигателей.

В связи с этим в МП помимо контактора встраиваются тепловые реле, предназначенные для защиты двигателя от токовых перегрузок и «обрыва или потери фазы».

При включении асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток в 6 раз превышает номинальный и контакты силовой цепи должны обеспечивать протекание такого тока.

После разгона двигателя ток падает до своего номинального значения, поэтому отключение работающего двигателя происходит при меньшей токовой нагрузке контактов. Напряжение на размыкаемых контактах при этом равно U_сети – Е_двиг≈ (0,15…0,2) U_ном.р, где Е_двиг – ЭДС двигателя.

Таким образом, отключение работающих асинхронных двигателей магнитными пускателями происходит в облегченных условиях.

Электрическая износостойкость контактов силовой цепи обратно пропорциональна мощности Р двигателя в степени 1,5…2, т.е.

N ~ (1 / Р) ^{-1,5 … 2}

Для повышения срока службы МП его выбирают на рабочий ток, не превышающий номинальный ток двигателя.

Износостойкость контактов силовой цепи, определяющая продолжительность их работы до замены, возрастает с уменьшением рабочего тока I_р через контакты по сравнению с их номинальным значением I_ном.

Так, для магнитных пускателей серии ПМЛ рабочая износостойкость N_р определяется соотношением:

при I_ном < 10А N_р = N_ном (I_ном/ I_р),

I_ном > 10А N_р = N_ном (I_ном/ I_р)²,

где N_ном – износостойкость контактов при номинальном токе.

Тепловые потери в магнитном пускателе с тепловым реле, в основном, складывается из двух составляющих:

- потери мощности по цепи управления, обусловленные активными потерями в катушке электромагнита, составляют ~ 60% общих потерь МП;

- потери мощности в нагревателях теплового реле (~ 40% общих потерь МП).

2.3. Конструкция контактора. Упрощенная конструкции контактора магнитного пускателя приведена на рис.1. Основным узлом контактора МП является электромагнит, представляющий собой линейный электропривод для подвижных мостиковых контактных групп 1.

Ш-образный сердечник электромагнита 9 неподвижно закреплен на основании 11. На каждом из внешних стержней сердечника впрессовано по короткозамкнутому (КЗ) витку 8 из меди или латуни. Площадь сечения стержня, охваченного витком, примерно равна остальной площади сечения.

На сердечнике расположена катушка (обмотка) электромагнита 7, подключаемая в цепь управления магнитным пускателем. Якорь электромагнита 6, также представляющий собой Ш-образный сердечник, соединен с диэлектрической траверсой 5, несущей мостиковые контактные группы 1. Для большей наглядности на рисунке 1 верхняя часть траверсы вместе с контактными группами показана повернутой на 90˚.

В исходном состоянии, до подачи напряжения на электромагнит, его якорь вместе с траверсой отжат до упоров 4 возвратными пружинами 10. Контактные площадки мостиковых контактных групп и неподвижных контактов 3 удалены друг от друга, и силовая цепь МП разомкнута.

При подаче напряжения на катушку электромагнита его якорь втягивается внутрь. Связанная с ним траверса перемещает мостиковые контактные группы и прижимает их к неподвижным контактам, замыкая тем самым силовую электрическую цепь. Необходимая степень поджатия контактов обеспечивается пружиной 2.

Магнитные пускатели имеют обычно 3 - 4 группы силовых контактов и 1 – 2 группы вспомогательных слаботочных контактов. Отдельные типы МП имеют помимо слаботочных замыкающих контактов и по 2 группы вспомогательных размыкающих контактов, размыкающихся при срабатывании МП. Вспомогательные группы контактов используются для соответствующих коммутаций в цепи управления системы управления объектом.

2.4. Магнитный поток в зазоре магнитопровода. Электромагниты контакторов могут питаться как от постоянного, так и от переменного тока. Однако тяга обычного электромагнита Р при питании от сети переменного тока пульсирует с двойной частотой сети, изменяясь от 0 до 2‹F›, где ‹F› – среднее значение тяги.

Поэтому в контакторах, допускающих использование в цепи управления переменного тока, для получения постоянной тяги электромагнита использовано изящное техническое решение. Магнитный поток сердечника электромагнита расщепляют на две составляющие Ф₁ и Ф₂, сдвинутые друг относительно друга на некоторый угол φ. Сдвиг потоков приводит к тому, что тяги, создаваемые отдельными потоками, никогда одновременно не обращаются в нуль и, следовательно, общая тяга электромагнита F всегда больше нуля (F > 0).

На рис. 2 показан фрагмент магнитопровода. Расщепление магнитного потока и сдвиг во времени одной его составляющей относительно другой достигается путем охвата части поперечного сечения сердечника короткозамкнутым витком.

Н а рисунке введены следующие обозначения:

Ф₁ – магнитный поток вне коротко-замкнутого витка,

Ф₂ – запаздывающий магнитный поток внутри КЗ витка,

S_1, S₂ – площади поперечного сечения магнитопровода, через которые проходят потоки Ф₁ и Ф_2,

δ – зазор между сердечником и якорем электромагнита.

2.5. Тяга электромагнита контактора. Найдем связь между магнитными потоками и соответствующими им составляющими тяги электромагнита.

Тяга для одного постоянного магнитного потока. Вначале будем считать, что короткозамкнутый виток отсутствует, а общая площадь поперечного сечения сердечника равна S.

Пусть в исходном состоянии магнитопровод замкнут, т.е. δ = 0.

Если магнитная индукция в сердечнике В, то магнитный поток внутри сердечника

Ф = ВS.

Раздвинем сердечники магнитопровода на бесконечно малое расстояние δ. При этом против сил магнитного поля будет совершена некоторая работа А

А = F · δ, ( 1 )

где F – тяга (сила) электромагнита.

Очевидно, что совершенная работа будет равна энергии магнитного поля, появившегося в объеме возникшего зазора.

W = [плотность энергии магнитного поля] · [объем зазора]

или

W = [(μ₀ Η_δ²)/2] · S · δ, ( 2 )

где μ₀ – магнитная постоянная,

Η_δ – напряженность магнитного поля в зазоре.

Приравняв (1) и (2), получим выражение для тяги электромагнита

F = [(μ₀ Η_δ²)/2] · S.

Выразим тягу через магнитный поток в зазоре Ф_δ:

F = [(μ₀ Η_δ²)/2] · S = (μ₀² Η_δ² S²) ·[1/(2μ₀S)] = (В_δS)²·[1/(2μ₀S)] = Ф_δ² ·[1/(2μ₀S)],

F = [1/(2μ₀S)] · Ф_δ²

где В_δ = μ₀ Η_δ - магнитная индукция в зазоре.

Заметим, что Ф_δ = Ф, т.к. при появлении бесконечно малого зазора поток через магнитопровод не изменяется.

Следовательно,

F = [1/(2μ₀S)] · Ф²

Тяга для двух постоянных магнитных потоков. Возвратимся к нашему случаю, когда часть поперечного сечения магнитопровода охвачена КЗ витком.

Запишем выражения для составляющих тяги зон зазора вне КЗ витка F₁ и внутри КЗ витка F₂

F₁ = [1/(2μ₀S₁)] · Ф₁²,

F₂ = [1/(2μ₀S₂)] · Ф₂².

В контакторах переменного тока обычно реализуется условие

S₁ = S₂ = S/2

Поэтому общая тяга электромагнита будет равна

F = F₁ + F₂ = [1/(μ₀S)] · (Ф₁² + Ф₂²) ( 3 )

Тяга для двух гармонических магнитных потоков. Будем считать, что магнитный поток Ф₁ изменяется во времени по гармоническому закону

Ф₁ = Ф_1М sin ωt

Магнитный поток Ф₂ запаздывает относительно потока Ф₁ на некоторый угол φ из-за влияния КЗ витка, препятствующего изменению проходящего через него исходного потока (закон Ленца), т.е.

Ф₂ = Ф_2М sin (ωt - φ)

Обычно выполняется условие равенства амплитуд магнитных потоков

Ф_1М = Ф_2М ≈ Ф_М / 2,

где Ф_М – амплитуда магнитного потока через сечение сердечника при отсутствии КЗ витка.

Учитывая соотношение (4), получим выражение для общей тяги

F = [Ф_М² /(4μ₀S)] · { sin² ωt + sin² (ωt – φ)}

Так как

sin² ωt + sin² (ωt – φ) = 1- cos φ cos (2ωt – φ),

и переходя от максимального значения магнитного потока Ф_М к максимальной индукции в сердечнике В_М, получим

F = ‹F› [1 - cos φ cos (2 ωt – φ)]

где ‹F› = [B_М² S /(4μ₀)] - среднее значение силы тяги электромагнита.

Итак, среднее значение тяги электромагнита контактора переменного тока пропорционально площади поперечного сечения сердечника и квадрату максимальной индукции (квадрату напряжения питания электромагнита).

Зависимость тяги от угла между магнитными потоками. Рассмотрим влияние угла φ на величину тяги.

а) φ = 0°. Эквивалентно отсутствию КЗ витка

F = ‹F› [1 – сos 2ωt ]

б) φ = 90°. Идеальный случай, соответствующий постоянной тяге

F = ‹F›.

в) φ = 50°… 60°. Реальный случай для контакторов переменного тока

F = ‹F› [1 – (0,5…0,64) cos (2ωt – (50°… 60°))].

На рис. 3 приведены графики для всех трех случаев.

На рисунке через F_ПР обозначена сила разжатия, развиваемая возвратной пружиной контактора. Величина этой силы выбирается меньше минимальной тяги электромагнита, составляющей 36…50% от значения средней тяги ‹F› .

Для обеспечения постоянства прижатия контактов силовой цепи независимо от вибрации якоря электромагнита подвижные мостиковые контакты МП прижимаются к неподвижным с помощью специальной поджимающей пружины 2 (Рис.1).

2.5. Силовые контакты контакторов. К материалу контактов промышленных контакторов и МП предъявляются достаточно жесткие требования. Они должны обладать высокой электро- и теплопроводностью и иметь хорошие износо- и дугостойкие характеристики.

Ни один из чистых металлов не удовлетворяет в полной мере этим требованиям. Поэтому в настоящее время используют специальную высокопроводящую и дугостойкую металлокерамику, получаемую методом порошковой металлургии. Обычно для изготовления силовых контактов используют одну из следующих комбинаций исходных компонент смеси:

серебро – оксид кадмия,

серебро – оксид меди,

серебро – графит,

медь – графит,

серебро (медь) – вольфрам - никель

серебро – никель - графит.

2.6. Тепловое реле. При использовании МП для включения и выключения асинхронных электродвигателей с целью защиты двигателя от перегрузки или обрыва фазы силовой цепи электромагнитный контактор дополняется отдельным тепловым реле.

Основная задача теплового реле – разорвать цепь питания электромагнита при возникновении аварийных режимов работы электродвигателя, связанных с резким возрастанием потребляемого им тока.

В качестве датчиков тока используются низкоомные нагреватели с биметаллическими пластинами в качестве чувствительных элементов. Биметаллические пластины размещены рядом с нагревателями.

При возрастании тока двигателя во время аварийной ситуации поток тепла от нагревателя резко возрастает, биметаллические пластины нагреваются и изгибаться, снимая фиксацию с выключателя, через контакты которого протекает ток питания обмотки электромагнита контактора. Контакты выключателя размыкаются, обмотка электромагнита обесточивается, и контактор отключает электродвигатель от силовой цепи.

В отечественных тепловых реле установлены два нагревателя в двух фазовых проводниках. Этого оказывается вполне достаточно, поскольку при обрыве любого из трех фазовых проводников через остальные фазовые проводники потекут большие токи, вызывая изгиб одной или двух биметаллических пластин. В то же время для снятия фиксации с выключателя питания обмотки контактора достаточно изгиба только одной пластины.

В зарубежных тепловых реле иногда нагреватели ставятся во все три фазовых проводника. Тогда для снятия фиксации можно использовать более маломощные нагреватели, уменьшая тем самым общие потери потребляемой от сети энергии.

На рис. 4 приведена конструкция одного их вариантов теплового реле.

Основным исполнительным органом теплового реле является диэлектрический шток 1, несущий подпружиненную контактную группу 9. Реле имеет два чувствительных элемента, каждый из которых состоит из нагревателя 7 и расположенной рядом с ним биметаллической пластины 6. Нагреватели включены в фазы силовой сети последовательно с обмотками электродвигателя.

Усилие, развиваемое биметаллической пластиной при нагреве, с помощью диэлектрического рычага 5 передается на общий для обоих датчиков температуры толкатель 4. Толкатель воздействует на подпружиненный язычок 8 и снимает его фиксацию на ступенчатом упоре 2.

С помощью устройства подстройки тока срабатывания 3 осуществляется перемещение ступенчатого упора. При приближении упора к штоку ток срабатывания возрастает.

Тепловое реле приводится в исходное состояние нажатием на шток до упора. При этом язычок скользит вдоль ступенчатого уступа вниз. Одновременно неподвижные контакты цепи управления замыкаются подвижной мостиковой контактной группой. После отпускания штока он остается зафиксированным в нижнем положении язычком, упирающимся в нижний порожек. Толкатель отжат от язычка и находится крайнем правом положении.

При обрыве фазы или перегрузке двигателя резко возрастает ток через один или оба нагревателя. Нагретая нагревателем биметаллическая пластина изгибается влево и толкатель снимает язычок с нижнего упора. Шток под действием возвратной пружины поднимается верх. Кверху поднимается и мостиковая контактная группа, разрывая цепь питания электромагнита контактора.

Таким образом, положение штока теплового реле несет информацию о состоянии силовой цепи питания асинхронного двигателя или его перегрузке.

После устранения причины срабатывания теплового реле оно вновь приводится в исходное состояние нажатием на шток до упора.

На рис. 4б приведено условное обозначение теплового реле в электрических схемах.