Питання для самостійного вивчення

1. Що таке об’єкт управління? (Л. 3, стор. 8)

2. Що може бути управляючим пристроєм? (Л. 3, стор. 9)

3. Що таке алгоритм управління? (Л. 3, стор. 9)

4. Які основні функції процесу управління? (Л. 3, стор. 14-15)

5. Які завдання вирішують автоматичні системи регулювання, контролю, сигналізації, захисту? (Л. 3, стор. 127-136)

Тема 2. Апаратура управління та захисту електричних мереж, машин, апаратів.

Мета вивчення теми: засвоїти будову, принцип роботи та умови експлуатації електричних апаратів ручного та дистанційного управління технологічними процесами.

Дана тема розкриває такі питання:

1. Загальні відомості про електричні апарати управління та захисту.

2. Електричні контакти.

3. Апаратура ручного управління електроспоживачами.

4. Апаратура дистанційного управління електроспоживачами.

5. Апаратура захисту електроспоживачів від струмів короткого замикання та перенавантажень. Електромагнітні реле.

Інформаційні джерела: 1 с.3-8; 2 с. 5-54; 3 с. 48-82.

Методичні поради до вивчення теми.

Апаратура ручного управління

На підприємствах торгівлі і громадського харчування широкого поширення набула апаратура безпосереднього ручного управління, до якої відносяться: рубильники і перемикачі, пакетні та кулачкові вимикачі і перемикачі, реостати.

Рубильники призначені для ручного безпосереднього або дистанційного замикання і розмикання електричних ланцюгів і не розраховані на відключення струмів. За наявності відповідних дугогасильних пристроїв рубильники можуть відключати струми до 1 — 1,25 А.

Перемикачі призначені для перемикань і по суті є двосторонніми рубильниками. Вони можуть бути використані для включення двигунів і зміни напряму їх обертання.

Досконалішими є кулачкові вимикачі і перемикачі, що забезпечують до 100 000 перемикань. На Рис. 1а зображений кулачковий теплостійкий перемикач ТПКП, що складається з рукоятки 1, шпинделя 2 з кульковим механізмом швидкого перемикання 3, корпусу 4, клем нерухомих контактів 5, штовхачів 6, контактної групи 7.

На Рис. 1б зображена схема кулачкового перемикача для положення 0 (викл.). Кулачки 8 натискають виступами на штовхачі 6 рухомих контактів 9, внаслідок чого не відбувається їх зіткнення з нерухомими контактами 5; електричний ланцюг секцій г елементу що нагрівається (зображений пунктиром), розімкнений. При повороті шпінделя 2 з кулачками 8 на кут 90° за годинниковою стрілкою рухомі контакти 9 (другий і четвертий від рукоятки) приводяться пружинами в зіткнення з нерухомими контактами 5 і секції г нагрівального елементу включаються послідовно.

Механізм швидкого перемикання 3 складається з фігурної шайби 10, до западин якої пружинами притискаються кульки 11. При повороті рукоятки на 45° пружини стискаються і кульки починають стикатися з виступами шайби. При подальшому повороті рукоятки потенційна енергія стислих пружин збільшує швидкість обертання шпинделя з кульками.

Апаратура дистанційного управління

При автоматичному управлінні роботою пристроїв контроль, регулювання і захист їх здійснюються без безпосередньої участі людини. Дія автоматичних пристроїв заснована на встановленні функціонального зв'язку між двома, зазвичай самостійними в енергетичному відношенні, фізичними процесами. При відхиленні контрольованого параметра X від заданого значення повинна проходити автоматична стрибкоподібна зміна параметра Y, відповідно раніше встановленої функціональної залежності. Такий характер переривистого функціонального зв'язку називають релейним управлінням, а апарати, що здійснюють автоматичне переривисте управління, — реле.

Рисунок 1. Кулачковий перемикач ТПКП а — загальний вигляд; б — схема.

За призначенням розрізняють реле захисту і управління. Вони містять три основні функціональні елементи: приймаючий, проміжний і виконуючий.

Сприймаючий елемент електричних реле може бути виконаний на електромагнітному, індукційному, електродинамічному, магнітоелектричному, резонансному, тепловому і інших принципах.

За способом включення сприймаючого елементу розрізняють реле первинні, вторинні і проміжні. Сприймаючий елемент первинних реле безпосередньо включається в контрольовані ланцюги. У вторинних реле сприймаючий елемент включається в контрольовані ланцюги через вимірювальні трансформатори. Проміжні реле працюють від виконавчих органів інших реле і призначаються для посилення і множення сигналу. Тому проміжне реле має зазвичай декілька силових контактів.

За принципом дії виконавчого елементу розрізняють контактні і безконтактні реле.

У безконтактних реле комутуючим елементом є електричний опір, який може змінюватися в широкому діапазоні, що значно перевищує опір ланцюга, що відключається.

Електромагнітне реле

Електромагнітним реле називається апарат, що спрацьовує при пропусканні через його котушку струму певного значення. При спрацьовуванні або поверненні реле в початкове положення відбувається замикання або розмикання контактів.

На електромагнітному принципі виконуються реле струму (максимального і мінімального), напруги (максимальної, мінімальної), а також проміжні, сигнальні, реле часу, частоти та інші, вживані як реле захисту, управління і автоматики.

Потужність в ланцюзі управління реле коливається в межах від доль до декількох десятків ватів, а вихідна потужність може досягати декількох тисяч ватів. Подібно до магнітних пускачів електромагнітні реле є підсилювачами, що виконують роль проміжної ланки між ланцюгами слабкого струму і значного струму.

Одним з основних характеристик реле є час спрацювання — проміжок часу від початку подачі сигналу на котушку до моменту появи імпульсу в керованому ланцюзі.

За часом спрацьовування розрізняють реле безінерційні Тспр < 0,001 с, швидкодіючі Тспр <; 0,05 с, нормальні Тспр = 0,05 – 0,25 с, сповільненої дії (реле часу) Тспр > 0,25 с.

Незалежно від типу і призначення електромагнітні реле мають однакову принципову будову. У торгово-технологічному устаткуванні застосовуються в основному реле типів РПУ-1, РКН і КДР.

На Рис. 2 приведена конструкція електромагнітного реле РПУ-1. Реле складається з котушки 1, сердечника 2, якоря 3, штовхача (тяги) 4 і контактів 5.

Контактна група може бути зібрана з 4, 5 і 8 пружин з однаковими срібними контактами. Тривало допустимий струм, що протікає через контакти, не повинен перевищувати 6,3 А.

Реле РПУ-1 виготовляють на постійний і змінний струм різної напруги. Потужність котушки близько 7 ВА. Призначені реле для роботи при температурі від 283 до 308 К і відносній вологості повітря 60 – 75%. При нормальній напрузі і нормальному регулюванні контактів час спрацьовування реле повинен складати не більше 0,04 с.

Рисунок 2. Електромагнітне реле РПУ-1

Поляризоване реле

У поляризованих реле на відміну від звичайних електромагнітних на сприймаючий елемент окрім робочого потоку діє ще і поляризуючий потік. Завдяки цьому реле реагує на напрям струму в обмотках і відповідно до цього замикає або розмикає певні контакти.

Рисунок 3. Поляризоване реле

Конструктивна схема поляризованого електромагнітного реле приведена на рис. 3.

Постійний магніт 1 створює магнітний потік Ф₀, що проходить через якір 5 і що розгалужується в магнітопроводі 3 на два потоки, — Ф₁, і Ф₂. Котушки 2 залежно від полярності сигналу створюють магнітний потік Ф₃, який по напряму співпадатиме з потоком Ф₁ або Ф₂. Якщо в положенні, приведеному на мал. 2, магнітний потік Ф₃, створений сигналом, буде більше магнітного потоку Ф₁ що притягає якір до лівого контактного упору 4, якір буде перекинутий вправо. При подачі сигналу іншої полярності якір буде перекинутий від правого контактного упору до лівого.

Потужність спрацьовування поляризованих реле в 10 – 50 разів менша, ніж електромагнітних реле, і рівна 0,005 – 0,01 Вт, тоді як у кращих електромагнітних реле Р_СПР = 0,1 Вт.

Поляризовані реле мають високу термічну стійкість і допускають тривале протікання струму, значення якого в 20–30 разів перевищує значення струму спрацьовування. Розривна здатність контактів менша, ніж у електромагнітних реле, і досягає 10 – 30 Вт. Поляризовані реле допускають велику частоту спрацьовування і мають високу механічну і електричну зносостійкість. Застосовуються вони як реле захисту, автоматики і рідше як реле управління.

На відміну від електромагнітних реле, у яких якір може знаходитися тільки в двох положеннях, поляризовані реле можуть виконуватися з якорем, що займає два або три положення (притягає в одну або іншу сторону і нейтральне).

Безконтактні апарати управління і захисту

Останнім часом сформувалася тенденція до заміни комутаційних електричних апаратів, що здійснюють видимий на око розрив електричного ланцюга, так званими безконтактними апаратами, побудованими на базі магнітних підсилювачів або напівпровідникових елементів. Такі апарати комутують електричний ланцюг без утворення електричної дуги, що виключає швидкий знос деталей апарату. Безконтактні апарати не мають рухомих елементів, тому в механічному відношенні вони надійніші за контактні апарати. Відсутність рухомої системи і необхідності гасити електричну дугу обумовлює високу швидкодію безконтактних апаратів.

Проте безконтактним апаратам властиві і певні недоліки. Вони не створюють видимого для очей розриву електричного ланцюга і не порушують повністю гальванічного зв'язку між джерелом струму і споживачем.

Тиристори – керовані напівпровідникові прилади, призначені для безконтактної комутації електричних ланцюгів. Зовнішній вигляд тиристорів на 10 і 50 А представлений на рис. 4.

На відміну від транзистора тиристор може знаходитися тільки в двох крайніх станах провідності: або він повністю проводить, або замкнутий. Перехід в ці стани забезпечується відповідним струмом управління. Якщо струм управління відсутній або дуже малий, тиристор замкнутий, якщо струм управління хоч би короткочасно перевищить деяке критичне значення, тиристор відкриється. Пояснюється це тим, що припинити протікання струму через тиристор шляхом дії на ланцюг управління не можна. Якщо для відкриття тиристора досить подати позитивний імпульс струму на управляючий електрод, то для його закриття необхідно змінити полярність анодної напруги або зняти його.

Рисунок 4. Зовнішній вигляд тиристора

В даний час серійно випускаються два класи потужних керованих тиристорів: однопровідні, такі, що працюють в режимі керованих вентилів, і двопровідні (симетричні), що забезпечують проходження струму в обох напрямах при зміні полярності підведеної до них напруги.

Апаратура захисту

Для захисту від струмів короткого замикання і великих перевантажень використовують плавкі запобіжники і реле максимального струму, від невеликих, але тривалих перевантажень – теплові реле; від надмірного зниження або повного зникнення напруги – реле напруги.

Плавкі запобіжники

Плавкі запобіжники призначені для захисту електричних мереж і приймачів від великих перевантажень (великих струмів) і струмів короткого замикання. Відключення ланцюга здійснюється в результаті розплавлення плавкої вставки, яка нагрівається безпосередньо струмом ланцюга, що захищається.

Широке застосування плавких запобіжників обумовлене простотою їх будови і обслуговування, малими розмірами, високою відключаючою здатністю і невеликою вартістю.

Плавкі запобіжники мають наступні основні елементи: корпус; плавку вставку; контактний приєднувальний пристрій; дугогасильний пристрій або дугогасильне середовище.

Теплові реле

Теплове реле призначене для захисту електродвигунів від невеликих, але тривалих перевантажень. Принцип його роботи заснований на перетворенні теплової дії в механічні переміщення, які і використовуються для приведення в дію виконавчих органів.

Рисунок 5. Біметалічна пластина

Найбільшого поширення в громадському харчуванні набули біметалічні теплові реле, принцип дії яких заснований на різниці лінійного подовження (рис. 5) двох пластин, виготовлених з матеріалів з різним коефіцієнтом лінійного розширення. Якщо пластини з двох таких матеріалів жорстко з'єднати один з одним і нагрівати, то подвійна пластина зігнеться у бік матеріалу з меншим температурним коефіцієнтом лінійного розширення. Механічне зусилля, що розвивається такою пластиною, використовується для приведення в дію виконавчих органів реле – контактів.

Для виготовлення біметалічних пластин широкого поширення набули такі матеріали, як інвар (Fe-Ni₃₆)_, з малим коефіцієнтом лінійного розширення і немагнітна або хромонікелева сталь (з великим коефіцієнтом лінійного розширення).

Біметалічні пластини мають різноманітну форму. При безпосередньому нагріві пластин струм проходить в пластині, при непрямому нагріві — по нагрівальному елементу, при комбінованому нагріві — по пластині і нагрівальному елементу. Сучасні магнітні пускачі комплектуються тепловими реле ТРП (однофазні) і TPН (двофазні).

Рисунок 6. Теплове реле ТРП

Конструкція реле представлена на рис. 6. Нагрів біметалічної пластини здійснюється комбінованим способом. Пластина 1 нагрівається як за рахунок нагрівача 5, так і за рахунок проходження струму безпосередньо через пластину. При прогині кінець біметалічної пластини впливає на перекидний контактний місток 3. Регулювання струму спрацьовування здійснюється ручкою 2, що змінює первинну деформацію пластини. Повернення реле після спрацьовування в початкове положення проводиться кнопкою 4. Можливе виконання реле і з самоповерненням після охолодження біметалу.

Недолік|нестача| всіх теплових реле – необхідність зміни струму|току| спрацьовування залежно від навколишньої|довколишньої| температури. Для зменшення впливу навколишньої|довколишньої| температури на струм|тік| спрацьовування робочу температуру біметала вибирають вищою або використовують вторинну компенсаційну біметалічну плас­тину.

Номінальний струм теплового реле — це найбільший струм, при якому реле не спрацьовує.

Для захисту електричних установок від "короткого замикання" застосовуються електромагнітні реле максимального струму. Реле являє собою електромагніт, котушка якого складається з невеликого числа витків і включається в ланцюг головного струму послідовно або через трансформатор струму.

Дія електромагнітного реле максимального струму заснована на притяганні якоря при проходженні струму по обмотці електромагніту. Струм спрацьовування можна регулювати зміною числа витків котушки, сили натягнення пружини, пов'язаної з якорем, зазором між якорем і сердечником магнітопровода. При спрацьовуванні реле максимального струму механічно або електрично впливає на відключаючий механізм.

Основними вимогами, що висовують до реле, є: швидке спрацьовування (Тспр < 0,05 с), широкий діапазон регулювання струму спрацьовування, вібро- і ударостійкість.

Реле напруги

Реле напруги відрізняються від струмових реле в основному числом і перетином витків котушки. Розраховують їх на максимальну і мінімальну напругу. При значному зниженні напруги в мережі живлення (до 50 – 70% номінального значення) електродвигуни перестають нормально працювати: вони зупиняються або продовжують працювати, але споживають при нормальному моменті опору великий струм, що викликає перегрівання обмоток.

Реле мінімальної напруги автоматично вимикає установку при падінні напруги нижче встановленого значення або при повному його зникненні.

Як реле напруги зазвичай використовують реле електромагнітного типу. У електромагнітних реле цю роль виконує електромагніт. На відміну від реле максимального струму, що послідовно включаються в ланцюг головного струму, реле напруги включаються паралельно між двома фазами.