Электрические аппараты.

Электрическим аппаратом называют электротехническое устройство, предназначенное для регулирования, контроля и защиты источников электрической энергии и электрических приемников. По назначению их подразделяют на аппараты оперативного отключения (включения), защитные аварийного отключения (включения), пускорегулирующие и контролирующие.

Оперативные аппараты служат для подключения или отключения определенной установки обслуживающим ее персоналом. Такие аппараты называют коммутирующими. К ним относят различные рубильники, выключатели, контакторы .

К защитным аппаратам относят разлличные автоматические выключатели и плавкие предохранители.

Пускорегулирующие аппараты предназначены для осуществления пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин. К ним относятся контакторы, пускатели, командоконтроллеры.

Контролирующие аппараты служат для контроля за работе электрических устройств. В случае нарушения установленного жима работы они подают электрические сигналы или воздействуют на органы, управляющие данным устройством. К ним относятся различные регуляторы и реле (защитные реле, реле тока, напря­жения, времени, тепловые реле и т. д.).

Все контактные аппараты имеют следующие основные части: контактную систему и привод. Во многих таких аппаратах имеется также система дугогашения.

Типы контактных соединений. Электрическим контактом назы­вают место перехода тока из одной токоведущей части аппарата или иного токопровода в другую часть. В аппаратах контактом также называют конструктивный элемент, с помощью которого в процессе работы аппарата осуществляется периодическое замы­кание и размыкание электрической цепи.

Контактная система электрического аппарата состоит в боль­шинстве случаев из пары или нескольких пар подвижных и непо­движных элементов, при замыкании которых образуется электри­ческая цепь.

Различают две группы контактных соединений: неподвижные и подвижные. Неподвижные контактные соединения служат для жесткого присоединения внутренних токоведущих частей и внеш­него присоединения соединительных проводов к аппарату. Во время работы аппарата такие соединения не разъединяются. Подвижные контактные соединения имеют один или несколько подвижных контактов, которые в процессе работы, соприкасаясь с неподвижными контактами, создают электрическую цепь.

Условия работы контактов. Полное сопротивление контактного соединения включает в себя сопротивления собственного мате­риала контактных элементов и переходного сопротивления в месте их соприкосновения. R = Rм + R пер.

Переходное сопротивление зависит от мате­риала контактов, силы прижатия их друг к другу, площади кон­тактной поверхности, ее состояния и температуры. Чем больше контактное нажатие тем меньше переходное сопротивление. . В случаях превышения пре­дельной допустимой температуры механическая прочность мате­риала контактов резко уменьшается. Предельно допустимая температура при токах корот­кого замыкания для контактов из меди составляет 200—300 °С, а для алюминиевых—150—200 °С. Чрезмерное нагревание контактов приводит к их окислению, а окисные пленки большинства металлов не проводят электри­ческий ток и резко повышают переходное сопротивление.

Материал контакта должен обладать высокой механической прочностью, хорошей электропроводностью, теплостойкостью и антикоррозионной стойкостью. Широкое распространение получили контакты из меди и ее сплавов (латунь, бронза) для изготовле­ния как подвижных, так и неподвижных контактных соединений. При длительной непрерывной работе во избежание окисления медные контакты покрывают слоем олова или выполняют с сере­бряными накладками. Алюминий и сталь применяют, главным образом, для неподвиж­ных контактных соединений. Для защиты от коррозии алюминие­вые контакты иногда оцинковывают, а стальные покрывают слоем кадмия. Большой теплостойкостью и твердостью обладают воль­фрамовые контакты. Никель, платину и серебро используют для контактов мало­мощных аппаратов, где требуется точность и надежность сраба­тывания. Серебряные контакты имеют проводящую окисную пленку с такой же электропроводностью, как и сам металл, а платиновые практически не покрываются окисной пленкой.

Широкое применение в электрических аппаратах получили металлокерамические контакты, выполненные путем прессования смеси порошков различных металлов.

В момент размыкания контактов переходное сопротивление резко увеличивается, возрастает температура и возникает электри ческая дуга, что приводит к электрическому износу контактов (их выгоранию и эрозии).

В за­висимости от характера соприкосновения элементов контактного соединения контакты подразделяют на поверхностные (плоскост­ные), линейные, точечные,линейные перекатывающиеся, пальцевые, рубящие, мостиковые В поверхностных контактах электри­ческий контакт осуществляется по плоскости ABCD (а), в линейных — по линии АВ (6), в точечных — в точке А( в).

П ерекатывающиесяконтакты

Т-образной формы

в начале (а) и в конце (б) включения Пальцевый (а), рубящий (б) и мостиковый (в) контакты

Основными параметрами, характеризующими работу подвижного контактного соединения, являются: конечное нажатие, начальное нажатие, раствор (зазор), провал. Усилие, создаваемое контакт­ной пружиной в точке конечного касания контактов (при полностью включенном контакторе), называется конечным нажатием. Усилие, создаваемое контактной пружиной в точке первоначального каса­ния контактов, называется начальным нажатием. Конечное и начальное нажатия — важные эксплуатационные показатели. На­грев контактов в значительной степени зависит от конечного нажатия. Уменьшенное начальное нажатие приводит к вибрации подвижного контакта при замыкании, что может вызвать оплав­ление контактов, а увеличенное значение его — к нечеткому сра­батыванию контактора и к застреванию в промежуточных положе­ниях.

Схема измерения провала контактов

Кратчайшее расстояние между контактными поверхностями под­вижной и неподвижной деталей в их разомкнутоположении называется зазором (раствором).

Большой зазор может не обес­печить нормального нажатия и притирания, а малый

электрических аппаратов может вызвать переброс дуги (перекрытие) между контактными поверхностями. Процесс совместного скольжения и перекатывания контактов от точки соприкосновения до конечного рабочего положения называется притиранием контактов. Для лучшего притирания подвижную контакт-деталь 2 нужно сконструировать так, чтобы после соприкосновения до положения полного включения подвижная поверхность детали перекатывалась и скользила по неподвижной поверхности 1, а кон­тактный рычаг (или якорь) переместился на определенное расстоя­ние. Если при полностью включенном аппарате убрать неподвиж­ную контакт-деталь, то подвижная будет перемещаться- до тех пор, пока контактодержатель 3 не соприкоснется с рычагом. Это рас­стояние называется провалом. Помимо притирания, провал обеспе­чивает также в пределах допусков работу контактора при изношен­ных контакт-деталях.

В аппаратах, рассчи­танных на большое число включений и отключений (выключатели, контакторы, контроллеры), применяют конструкции контактов с перекатывающимися поверхностями. Такие контакты замыкаются и размыкаются, соприкасаясь одним участком поверхности, где происходит горение электрической дуги и наблюдается повышен­ный механический износ, а затем в процессе работы передвигаются друг относительно друга, и в дальнейшем электрический контакт поддерживается между чистыми поверхностями При перекатывании кон­тактных элементов происходит их самозачистка от окисных пленок.Как правило один из контактов соединения неподвижен, второй подвижен.

Классификация аппаратов. Аппараты, включенные в силовую цепь тепловоза (ее напряжение достигает 900 В) непосредственно или через добавочные резисторы, условно называют высоковольтными. Аппараты, работающие в цепях управления, освещения и вспомогательных нагрузок, напряжение которых 75—11О В, назы­вают низковольтными.

Аппараты, служащие для повторного замыкания и размыкания электри­ческих цепей подразделяются на контакторы и реле. Аппараты создающие цепи с большими токами и имеющие главные и вспомогательные контакты называются контакторами. Реле имеют равнозначные контакты. Контакты аппаратов подразделяются на размыкающие РК и замыкающие ЗК. . Размыкаю­щий контакт замкнут при отключенном аппарате, замыкающий контакт замкнут при включенном контакторе.

В зависимости от привода аппараты подразделяются на аппараты с непосредственным (ручным) приводом (выключатели, рубильник аккумуляторной батареи) и аппараты косвенного, или дистанционного, управления. К дистанционным приводам относят электромагнитный, электропневматический, электродвигательный и тепловой приводы.

Электромагнитный привод. Наиболее широко применяется в электрических аппаратах электромагнитный привод, в котором используется сила притяжения якоря к сердечнику электромагнита или сила втягивания якоря в катушку соленоида. Любой ферромагнитный материал, помещенный в магнитное поле, при­обретает свойства магнита. Поэтому магнит или электромагнит будет притягивать к себе ферромагнитные тела. На этом свойстве основано устройство разного рода втягивающих и пово­ротных электромагнитов.

Сила F, с которой электромагнит при­тягивает к себе якорь зависит от магнитодвижущей силы катушки, т. е. от числа витков w и тока I, протекающего по ней. Свойства электромагнитного привода характеризуются зависи­мостью силы F от положения якоря. Эта зависимость называется тяговой характеристикой электромагнитного привода.

Ш ирокое распространение в электрических аппаратах полу­чила магнитная система, состоящая из П-образного сердечника1 с катушкой 2 и поворотного якоря 4, который соединен с подвижным контактом 3 аппарата. При полностью разомкнутых контактах воздушный зазор х между якорем и сердечником относительно велик и магнитное сопротив­ление системы будет наибольшим. Поэтому магнитный поток Ф в воздушном зазоре электромагнита, индукция В и тяговое усилие F будут наименьшими. Однако при правильно рассчитанном приводе это усилие должно обеспечить притяжение якоря к сердечнику.

Тяговое усилие F должно быть достаточным для преодоления силы тяжести Q и возвратной пружины P (1-2), а затем начального нажатия (2-3) и конечного (3-4)

Электромагнитные приводы аппаратов характеризуются током или напряжением срабатывания и возврата. Током (напряжением) срабатывания называется наименьшее значение тока (напряжения), при котором обеспечивается четкое и надежное срабатывание аппарата. Для тяговых аппаратов напряжение срабатывания составляет 75 % номинального напряжения. Наибольшее значение тока (напряжения), при котором аппарат отключается, называется током (напряжением) возврата. Ток возврата I_в всегда меньше Iср срабатывания (поскольку при включении подвижной системе аппарата необходимо преодолеть силы трения, а также повышен­ные воздушные зазоры между якорем и ярмом электромагнитной системы).

Отношение тока возврата к току срабатывания называют коэффициэнтом возврата.

Кв= Iв / Iср Этот коэффициент всегда меньше единицы

Основ­ными техническими характеристиками аппаратов являются: ток и напряжение (продолжительное и максимальное), раствор, провал и нажатие контактов, ток (напряжение) срабатывания (для реле)

Электропневматический привод. В простейшем случае пневма­тический привод состоит из цилиндра 1и поршня 2, который связан с подвижным контактом 6. При открытии крана 3 цилиндр соединяется с магистралью сжатого воздуха 4, который поднимает поршень 2 в крайнее верхнее положение и замыкает контакты. Такой привод можно назвать пневматическим приводом с ручным управлением. Для возможности дистанционного управления подачей сжатого воздуха вместо крана применяют электромагнитные вентили. Элек­тромагнитный вентиль представляет собой систему двух клапанов (впускного и выпускного) с электромагнитным приводом малой мощности (5—25 Вт). Они подразделяются на включающие и выключающие в зависимости от характера выполняемых ими операций при возбуждении катушки.

Включающий вентиль при возбужденной катушке соединяет цилиндр привода с источником сжатого воздуха, а при невоз­бужденной катушке сообщает цилиндр с атмосферой, одновременно перекрывая доступ в цилиндр сжатого воздуха. Воздух из резер­вуара поступает через отверстие В к нижнему кла­пану 2, который в исходном положении закрыт. Цилиндр пневматического привода, присоединенный к отверстию А, соединяется через открытый клапан 1с атмосферой через отверстие С. При возбуждении катушки К шток электромагнита давит на верхний клапан 1 и, преодолевая усилие пружины 3, закрывает клапан 1 и открывает клапан 2. При этом сжатый воздух из отверстия В через клапан 2 и отверстие А поступает в цилиндр пневмати­ческого привода.

Выключающий вентиль, наоборот, при невозбужденной катушке соединяет цилиндр со сжатым воздухом, а при возбужденной —с атмосферой. В исходном состоянии клапан 1 закрыта клапан 2 открыт, создавая путь сжатому воздуху от отверстия В до отверстия А через клапан 2. При возбужденной катушке кла­пан1 открывается, соединяя цилиндр с атмосферой, подача воздуха прекращается клапаном 2

. Пнев­матический при­вод Включающий (а) и выключающий (б) электромагнитные вентили

Вентили электропневматические: _Коопус-

а-ВВ-1;б-ВВ32; 1катушка; 2-клапан верхний; 3-клапан нижний, 4-корпус,

Электропневматический вентиль

типа EV51 (а) и нижняя часть вентиля типа EV51/II (6)

1 - пробка; 2, 4 - впускной и выпускной клапаны; 3 - игла; 5 — ярмо; б — болт, 7 — штифт; 8 -упорная скоба; 9 - якорь; 10 - латунный стержень; 11 - катушка; 12 - сердечник; 13 - втулка; 14 - корпус; 15 - резиновое кольцо; 16 - выключающая пружина; 17 - резиновая прокладка;18 - штуцер; 19 – винт;

А, Р, Ц— отверстия для прохода воздуха .

На тепловозах применяют контакторы с электропневма­тическим (при токах 750—1200 а) и электромагнитным приво­дами (400 а и меньше). В силовых цепях устанавливают электро­пневматические контакторы, так как они обеспечивают достаточное нажатие, надежный контакт и быстроту срабатывания.

Электродвигательный привод. Для привода ряда электрических аппаратов применяют электрические двигатели с механическими системами, преобразующими вращательное движение вала двига­теля в поступательное движение контактной системы.

В электрическом аппарате с электродвигательным приводом вращение от электродвигателя 1 передается через передачу 2 к кулачковому валу 3. В определенном положе­нии кулачок вала 4 поднимает шток 5 и замыкает связанный с ним подвижной контакт с неподвижным контактом 6.В систему привода групповых электрических аппаратов иногда вводятся устройства, обеспечивающие шаговое вращение вала электрического аппарата с остановкой его на каждой позиции. Во время остановки электродвигатель выключается. Такая система обеспечивает точную фиксацию вала электрического аппарата на позициях.

Т епловой привод. Основным элементом этого привода является биметаллическая пластина, которая состоит из двух слоев раз­личных металлов, жестко связанных по всей поверхности сопри­косновения. Эти металлы имеют разные температурные коэффи­циенты линейного расширения. Слой металла с большим коэффи­циентом линейного расширения 1 называется термо­активным слоем в отличие от слоя с меньшим коэффициентом линейного расширения 3, называемого термопассивным. При нагре­вании пластины проходящим через нее током или нагревательным элементом (косвенный подогрев) происходит различное удлинение обоих слоев, и пластина изгибается в сторону термопассивного слоя. При таком изгибе могут непосредственно замыкаться или размыкаться контакты 2, соединенные с пластиной, что исполь­зуется в тепловых реле. Изгиб пластины может также освобождать защелку рычага , электрического аппарата, который затем отключается пружинами. 1 Ток уставки привода регулируют подбором нагревательных элементов.