Лекция № 15 Аппараты управления

Аппараты управления применяются в схемах автоматического управления электроприводами, установками, технологическими комплексами и для автоматизации производственных процессов. К ним относятся контроллеры, командоаппараты, кнопки управления, путевые выключатели, этажные переключатели и ряд других аппаратов.

Контроллеры

Контроллером называется электрический аппарат с ручным управлением, предназначенный для изменения схемы подключения электродвигателя к электропитанию.

По конструктивному исполнению контроллеры делятся на барабанные, кулачковые и плоские.

Основу барабанного контроллера составляет контактный элемент, показанный на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Контактный элемент барабанного контроллера

На валу 1 укреплен сегментодержатель 2 с подвижным контактом в виде сегмента 3. Сегментодержатель изолирован от вала изоляцией 4. Неподвижный контакт 5 расположен на рейке 6. При вращении 1 сегмент 3 набегает на неподвижный контакт 5, осуществляя замыкание цепи. Контактное нажатие обеспечивается пружиной 7. Сегментодержатели соседних контактных элементов можно соединять между собой в различных комбинациях. Определенная последовательность замыкания различных контактных элементов обеспечивается различной длиной их сегментов.

Схема соединений сегментодержателей для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Схема соединения контроллера для пуска

асинхронного двигателя с фазным ротором

Контакты контроллера обозначены С1, Л1, С3, Л3, жирными горизонтальными линиями обозначены подвижные контакты – сегменты, косыми линиями – перемычки между сегментами. В положении “вперед” обмотка статора подключается к напряжению сети, а резисторы в цепях обмотки ротора включены полностью. По мере вращения барабана эти резисторы выводятся из цепи обмотки ротора.

Такие контроллеры применяются при редких включениях.

В кулачковом контроллере переменного тока (рис. 15.3) перекатывающийся подвижный контакт 1 имеет возможность вращаться относительно центра , расположенного на контактном рычаге 2. Контактный рычаг 2 поворачивается относительно центра.

Контакт 1 замыкается с неподвижным контактом 3 и соединяется с выходным контактом с помощью гибкой связи 4. Замыкание контактов 1, 3 и контактное нажатие создаются пружиной 5, воздействующей на контрольный рычаг через шток 6. При размыкании контактов кулачек 7 действует через ролик 8 на контактный рычаг. При этом сжимается пружина 5 и контакты 1, 3 размыкаются. Момент включения и отключения контактов зависит от профиля кулачковой шайбы 9, приводящей в действие контактные элементы. Малый износ контактов позволяет увеличить число включений в час до 600 при ПВ-60%.

Рис. 15.3. Кулачковый контроллер

В контроллер входят два комплекта контактных элементов I и II, расположенных по обе стороны кулачковой шайбы 9, что позволяет резко сократить осевую длину устройства. В контроллере имеется механизм для фиксации положения вала. Контроллеры переменного тока ввиду облегченного гашения дуги могут не иметь дугогасительных устройств. В них устанавливаются дугостойкие асбоцементные перегородки 10. Контроллеры постоянного тока имеют дугогасительное устройство, аналогичное применяемому в контакторах.

Выключение рассмотренного контролера происходит при воздействии на рукоятку и передаче этого воздействия через кулачковую шайбу, включение происходит с помощью силы пружины 5 при соответствующем положении рукоятки. Поэтому контакты удается развести даже в случае их сваривания.

На рис. 15.3 показана схема для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором с помощью кулачкового контролера. Контакты обозначены римскими цифрами, позиции вала аппарата арабскими. При пуске «вперёд» работают контактные элементы, расположенные справа.

Например, в позиции 3 замкнуты контакты I –IV. При этом статор подключен к сети, а в цепи ротора выведены первые ступени пусковых резисторов в двух фазах. В положении 5 все контакты замкнуты и ротор двигателя закорочен.

Плоские контроллеры

При большом числе контактов габариты и масса кулачковых и барабанных контроллеров резко возрастают. В этом случае, если число операций в час при регулировании и пуске невелико (10-12), применяются плоские контроллеры (рис.15.4). В плоском контроллере на плите из изоляционного материала располагаются неподвижные контакты, по которым скользит подвижный контакт мостикового типа, одновременно соприкасающийся с токосъёмной шиной.

Кoмандoаппараты

Командоаппаратом называется устройство, предназначенное для переключений в цепях управления силовых электрических аппаратов (например, контакторов). Командоаппараты могут иметь ручной привод (кнопки, ключи управления, командоконтроллеры) или приводиться в действие контролируемым механизмом (например, путевые и концевые выключатели).

Кнoпки управления используются для схем пуска, остановки и реверса электродвигателей путем замыкания и размыкания обмоток контакторов, которые коммутируют главную цепь, а также для управления самыми различными схемами автоматики. Один из вариантов кнопки управления показан на рис. 15.5.

При переменном токе электрическая дуга надежно гаснет при напряжении до 500 В и токе 3 A благодаря двум размыкающим контактам для одной коммутируемой цепи. При постоянном токе и напряжении 440 B отключаемый ток не превышает 0,15 А. При использовании кнопки для включения электромагнитов переменного тока её контакты в замкнутом положении должны надежно пропускать пусковые токи обмоток, которые могут достигать 60 А.

Рис. 15.4. Схема соединений кулачкового контроллера

для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором

Рис. 15.5. Кнoпка yпpaвления

Схемы управления целесообразно проектировать так, чтобы отключение цепи производилось не кнопкой, а другим, более мощным аппаратом, имеющим вспомогательные контакты. Когда необходимо производить переключение нескольких цепей по определенной программе с большой частотой включений, применяются командоконтроллеры.

На рис. 15.6 показан нерегулируемый командоконтроллер постоянного тока, по принципу устройства аналогичный кулачковому контроллеру.

Рис. 15.6. Нерегулируемый кулачковый командоконроллер

С помощью мостикового контакта 1 в отключаемой цепи создаются два разрыва, что облегчает гашение дуги.

Кулачковый привод, большое расстояние контактов от центра вращения 0 рычага 2, большой междуконтактный промежуток позволяют получить высокую скорость расхождения контактов и увеличить ток отключения почти в 4 раза по сравнению с током отключения кнопочного элемента. Моменты замыкания и размыкания контактов зависят от профиля кулачка 3. Положение вала фиксируется с помощью рычажного фиксатора 4. С помощью командоконтроллера производится управление силовыми контакторами, которыми, в свою очередь, коммутируются силовые цепи.

При точной регулировке момента срабатывания применяются регулируемые кулачковые командоконтроллеры (рис. 15.7).

а

б

в

г

Рис. 15.7. Регулируемый кулачковый командоконтроллер

На валу 1 укрепляется диск 3 из изоляционного материала. По окружности диска расположены отверстия для крепления кулачков 2 и 7. При нажиме кулачка 7 на ролик 9 контактный рычаг 8 поворачивается относительно центра 0 против часовой стрелки и неподвижные контакты 4 и 5 замыкаются мостиком 6.

Контактный рычаг фиксируется во включенном положении защелкой 12, которая удерживается пружиной 13 в пазу нижней части рычага 8 (рис. 15.7,б).

Одновременно сжимается возвратная пружина 10. При дальнейшем вращении диска кулачёк 2 набегает на ролик 11 защелки 12 и выбивает последнюю. Под действием пружины 10 происходит размыкание контактов (рис. 15.7, г).

Достоинством механизма является независимость скорости размыкания контактов от частоты вращения вала.

Момент замыкания и размыкания контактов может регулироваться в широких пределах с большой точностью. При грубой регулировке кулачек устанавливается в различные положения на диске. Для точной регулировки предусмотрена овальная форма отверстия для крепления кулачка, что позволяет смещать его на ±10°30’ относительно центра отверстия.

В регулируемом командоконтроллере можно установить на каждом диске до трех включающих и трех выключающих кулачков. Число коммутируемых цепей может меняться от 4 до 12. Вращение вала осуществляется специальным исполнительным двигателем, что обеспечивает дистанционное управление командоконтроллером.

Для схем управления электроприводом, электрических аппаратов и разнообразных устройств автоматики широко применяются универсальные переключатели (УП), устройство которых такое же, как и командоконтроллеров, но с меньшим числом коммутируемых цепей и меньшими габаритами. Переключение контактов УП осуществляется вручную оператором. Рукоятка УП может иметь несколько фиксированных положений или возвращаться в исходное положение.

Путевой (позиционный) выключатель (переключатель) предназначен для размыкания слаботочных сигнальных цепей в зависимости от пространственного положения (позиции) рабочего органа управляемого электропривода. Частным случаем путевых являются конечные (концевые) выключатели, обеспечивающие коммутацию сигнальных цепей только в крайних положениях хода рабочего органа. Контактные путевые выключатели можно подразделить на кнопочные и рычажные. В кнопочном путевом выключателе контролируемый рабочий орган воздействует на шток кнопочного элемента (рис. 15.8). Размыкание и замыкание контактов происходит со скоростью перемещения контролируемого органа. При скорости штока 0,4 м/мин необходимо применять выключатели с повышенным быстродействием.

Если требуется остановить рабочий орган привода или при его приближение выполнить соответствующие переключения с высокой точностью , применяются путевые (конечные) микропереключатели.

На рис. 15.8 показан микропереключатель с одним переключающим контактом.

Неподвижные контакты 1 и 2 укреплены в пластмассовом корпусе 7. Подвижный контакт 3 укреплен на конце специальной пружины, состоящей из плоской 4 и фигурной 5 частей. В изображенном на рис. 15.8 положении пружина создает давление на контакт 2. При нажатии рабочего органа на головку 6 происходит деформация пружины и переброс контакта 3 в нижнее положение за время 0,01 – 0,02 с, что обеспечивает надёжное отключение цепи. Ход головки 6 составляет десятые доли миллиметра. Микровыключатели ВМК – ВЗГ отключают ток до 2,5 А при постоянном напряжении 220В и переменном 380 В.

Рис. 15.8. Путевой микропереключатель

При больших ходах рабочего органа и больших токах применяются рычажные путевые переключатели, принцип действия которых показан на рис. 15.9.

Контролируемый рабочий орган привода воздействует на ролик 1, укрепленный на конце рычага 2. На другом конце рычага находится подпружиненный ролик 3, который может перемещаться вдоль оси рычага. В указанном положении замкнуты контакты 7 и 8. Положение контактов зафиксировано защелкой 6. При воздействии на ролик 1 рычаг 2 поворачивается против часовой стрелки. Ролик 3 поворачивает тарелку 4 и связанные с ней контакты 8 и 9. При этом контакты 7 и 8 размыкаются, а 9 и 10 замыкаются.

Возврат в исходное положение после прекращения воздействия на ролик 1 производится пружиной 5.

Рис. 15.9. Рычажный путевой переключатель

Контактные путевые переключатели обеспечивают точность срабатывания ± (0,02-0,05) мм при износостойкости до (5-10)переключений и благодаря простоте конструкции находят широкое применение. Для повышения надежности и долговечности в контактных путевых выключателях часто применяются герметичные магнитоуправляемые контакты – герконы, на базе которых создана серия выключателей ВСГ.

Принцип действия герконовых выключателей продемонстрирован на рис. 15.10.

В выключателях серии ВСГ с контролируемым рабочим органом жестко связана пластина из магнитомягкой стали. Пластина входит в узкую щель, с одной стороны которой расположен геркон, а с другой – постоянные магниты (рис. 15.10). При вхождении в щель пластины через неё замыкается поток постоянного магнита. Магнитный поток в герконе исчезает, им происходит его переключение. Выключатель имеет замыкающий и размыкающий контакты, коммутирующие ток 0,01-1 А при напряжении постоянного тока до 110 В и ток 0,025-0,2 А при напряжении 220 В переменного тока. Допустимая частота переключений достигает 6000 в час. Износостойкость составляет переключений.

а

б

в

Рис. 15.10. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана:

а – геркон 1 срабатывает при удалении экрана 4 от постоянного магнита 2;

б – геркон 1 срабатывает при приближении к постоянным магнитам 2 и 3 экрана 4; в – геркон срабатывает при удалении экрана 4 из зазора между герконом и постоянным магнитом 2

Современные требования к надежности и увеличенной частоте срабатывания привели к созданию бесконтактных путевых выключателей, в которых рабочий орган воздействует не на контакт, а на бесконтактные датчики. Датчики могут быть индуктивными, индукционными, магнитомодуляционными, оптическими и др. Вырабатываемый датчиками сигнал используется для управления электроприводом.

На базе оптронных элементов создан путевой выключатель серии ВПФ-11-01 (рис. 15.11).

Источником светового сигнала является арсенид-галлиевый светодиод 1, приёмником – кремниевый фотодиод 3. Выключатель обеспечивает отключение привода при повороте выходного вала на заданный угол. На вал рабочего органа устанавливается сектор 2, проходящий между источником света и приемником. Сигнал от фотодиода 3 подается на усилительный элемент 4, после чего поступает на формирователь прямоугольных импульсов 5. Выходной сигнал блока 5 подается на выход через выходной усилитель 7 и через блок 6 ИЛИ-НЕ. В результате на выходах формируется выходной сигнал и его инверсия. Угол, при котором происходит затемнение приемника, может регулироваться от 2 до 318⁰.

В бесконтактном путевом выключателе БВК-24 (рис. 15.12) используется индуктивный датчик на двух ферритовых магнитопроводах I, II с обмотками. Управление датчиком осуществляется с помощью алюминиевой пластины, жестко связанной с рабочим органом контролируемого механизма. При вхождении пластины в зазор между магнитопроводами в ней наводятся вихревые токи, за счет чего магнитная связь между обмотками положительной обратной связи и отрицательноймагнитопроводовI, II ослабляется.

Рис. 15.11. Путевой выключатель на оптронных элементах

Рис. 15.12. Схема бесконтактного путевого переключателя БВК-24

Это явление используется для получения генераторного режима усилителя на транзисторе VT. В результате через реле К начинает протекать ток, и оно срабатывает. При выходе пластины из зазора под действием отрицательной обратной связи от обмотки генераторный режим прекращается и релеК отключается.

Резисторы пусковых и пускорегулирующих реостатов

Резисторы делятся на следующие группы:

Пусковые резисторы – служат для ограничения тока в момент подключения к сети неподвижного двигателя и для ограничения тока на определенном уровне в процессе его разгона.

Тормозные резисторы – служат для ограничения тока двигателя при его торможении.

Регулировочные резисторы – служат для регулирования тока или напряжения в электрической цепи.

Добавочные резисторы – включаемые последовательно в цепь электрического аппарата с целью снижения напряжения на нем.

Разрядные резисторы – включаемые параллельно обмоткам электромагнитов или других индуктивностей с целью ограничения перенапряжений при их отключении или для разряда емкостных накопителей.

Балластные резисторы – включаемые в цепь последовательно для поглощения части энергии или параллельно источнику с целью предохранения его от перенапряжений при отключении нагрузки.

Нагрузочные резисторы – служат для создания искусственной нагрузки генераторов и других источников, например при испытаниях электроаппаратов.

Нагревательные резисторы – служат для нагрева окружающей среды или аппаратов при низких температурах.

Заземляющие резисторы – включаемые между землёй и нулевой точкой генератора или трансформатора с целью ограничения токов КЗ на землю и возможных перенапряжений при замыкании на землю.

Установочные резисторы – для установки определенного значения тока или напряжения в приёмниках энергии.

Пусковые, тормозные, разрядные и заземляющие резисторы предназначены для работы в кратковременном режиме и имеют большую постоянную времени нагрева. Особых требований к стабильности этих резисторов не предъявляется. Остальные резисторы работают в длительном режиме и требуют необходимой поверхности охлаждения. В зависимости от материала проводника различают резисторы металлические, жидкостные, угольные и керамические. В электроприводе распространены металлические резисторы. Керамические резисторы (с нелинейным сопротивлением) применяются в высоковольтных разрядниках.

Резисторы в виде спирали из проволоки и ленты изготавливаются путем её навивки на цилиндрическую оправку «виток к витку». Необходимый зазор между витками устанавливается при растяжении спирали и крепления её к опорным изоляторам в виде фарфоровых роликов. Недостатком такой конструкции является малая жесткость, из-за которой возможно соприкосновение соседних витков, что требует снижения рабочей температуры материала (1000⁰С для константановой спирали). Поскольку теплоемкость резистора определяется только массой резистивного материала, постоянная времени нагрева таких резисторов мала.

Резисторы в виде спирали целесообразно использовать для длительноrо режима работы, так как тепло рассеивается всей поверхностью проволоки или ленты.

Допустимый ток спирали из константана составляет для круглой проволоки

а для плоской ленты:

(15.1)

Постоянные времени нагрева для этих спиралей составляют для круглой проволоки с и для плоской лентыс. В приведенных соотношенияхдиаметр круглой проволоки, мм;высота и толщина ленты, мм.

Для увеличения жесткости спирали проволока может наматываться на керамический каркас в виде трубки (рис. 15.13) со спиральным пазом на поверхности, предотвращающим замыкание витков между собой.

Рис. 15.13. Резистор на керамическом каркасе

В процессе нагрева и охлаждения участвует как проволока, так и каркас.

Постоянная времени нагрева элемента определяется:

(15.2)

где Т – постоянная времени нагрева, с;

масса каркаса, кг;

масса проволоки, кг;

поверхность охлаждения, м².

Коэффициентучитывает, что в переходном режиме теплоемкость каркаса не используется полностью. В кратковременных режимах работыснижается до. За поверхность охлаждения резистора S принимается цилиндрическая поверхность каркаса без учета пользовательского коэффициента теплоотдачи:

(15.3)

При диаметре d<0,3 мм пазы на поверхности каркаса не выполняются и изоляция между витками создается за счёт окалины, образующейся при нагреве проволоки. Такие трубчатые резисторы широко применяются для управления двигателями малой мощности. Максимальная мощность рассеивания резистора – 150 Bт, а постоянная времени нагрева – 200-300 с.

Для пуска двигателей мощностью до 10кВт применяются проволочные или ленточные поля (рамочные резисторы), конструкция которого показана на рис. 15.14.

Рис. 15.14. Рамочный резистор

На стальной пластине 1 укреплены изоляторы 2 из фарфора или стеатита. Константановая проволока 3 наматывается в канавки на поверхности изоляторов. Для резисторов на большие токи используется лента. Коэффициент теплоотдачи, отнесённый к поверхности проволоки, составляет 10-14 Из-за малой массы изоляторов и слабого теплового контакта проволоки с металлической пластиной постоянная времени нагрева рамочного резистора примерно такая же, как и при отсутствии каркаса. Максимальная допустимая температура составляет 300°С, рассеиваемая мощность - 350 Вт.

Для двигателей от трех до нескольких тысяч киловатт применяются высокотемпературные резисторы на основе жаростойких сплавов Х2ЗЮ5 (рис. 15.15).

Рис. 15.15. Высокотемпературный резистор

Жаростойкая лента наматывается на ребро и укладывается в канавки, фиксирующие положение отдельных витков. В одном блоке устанавливаются пять резисторов мощностью 450 Вт каждый.

Жаростойкие резисторы имеют малый ТКС и большую механическую жесткость. Эти резисторы обладают высокой термической устойчивостью. Допускается кратковременный нагрев до 850°С при длительной допустимой температуре 300°С.

Чугунные резисторы (рис. 15.16) применяются для двигателей мощностью от трех до нескольких тысяч киловатт.

При максимальной рабочей температуре чугуна 400°С номинальная мощность резисторов принимается из расчета на температуру 300°С. Сопротивление чугунных резисторов в значительной степени зависит от температуры, поэтому они применяются только как пусковые.

Набор чугунных резисторов собирают в стандартные ящики с помощью стальных стержней, изолированных от чугуна миканитом.

Рис. 15.16. Чугунные резисторы:

а - для больших токов; б - для малых токов; в и г- выводные зажимы

Если у резистора необходимо сделать отводы, то они делаются с помощью специальных зажимов (рис. 15.16, в, г).

Общая мощность резисторов, установленных в одном ящике, не должна превышать 4,5 кВт.

Для ответственных электроприводов реостат собирают из стандартных ящиков (без отводов внутри ящика). При повреждении резистора в ящике работоспособность схемы быстро восстанавливается путем замены неисправного ящика на новый.

Поскольку температура воздуха вблизи резистора высока, токоподводящие провода и шины должны иметь теплостойкую изоляцию или вообще не иметь изоляцию.

Выбoр резистoрoв

Сопротивление пускового резистора выбирается так, чтобы броски пускового тока были ограничены и не опасны для двигателя (трансформатора) и питающей сети. Значение этого сопротивления должно обеспечивать пуск двигателя за требуемое время.

После расчёта сопротивления производится расчёт и выбор резистора по нагреву. Температура резистора в любых режимах не должна превышать допустимую для данной конструкции.

В процессе пуска двигателя ток в резисторе меняется во времени. Если длительность обтекания резистора током мала по сравнению с его постоянной времени Т, то расчёт можно вести по эквивалентному току , тепловой эффект которого за время работы такой же, как и у реального тока:

, (15.4)

где - время прохождения пускового тока по резистору.

Для определения тока можно воспользоваться реальной кривой тока, построить зависимостьи провести графическое интегрирование. Точный результат можно получить, заменяя кривые спада пускового тока отрезками прямых.

Наряду с эквивалентным током по теплу существует эквивалентный ток по нагреву- ток, который, проходя по сопротивлению, нагревает его до той же температуры, что и реальный ток. При сделанном допущенииэквивалентный ток по теплу равен эквивалентному току по нагреву:

=. (15.5)

Нагрев резистора происходит без отдачи тепла в окружающую среду.

По значениям иможно выбрать резистор необходимого типа, если в справочнике приведен ток кратковременного режима для заданного времени.

Если в справочнике задан действительный ток нагрузки, то необходимо перейти к эквивалентному току, который нагревает резистор до той же температуры, что и пусковой.

Тепловой расчёт резисторов сложен. Для типовых схем пусковые резисторы выбираются по справочным таблицам, в которых сопротивления и токи даны в зависимости от параметров двигателя.