книги из ГПНТБ / Кудактин, А. В. Электрооборудование подъемно-транспортных машин учебник для учащихся механизаторской специальности мореходных училищ

нального тока в 1,25—2 раза. Поэтому плавкие предохранители не обеспечивают достаточно надежной защиты электродви­ гателей от перегрузок и применяются главным образом для защиты их от сверх­ токов (токов короткого замыкания).

В зависимости от материала, из кото­ рого изготовляются плавкие вставки, раз­ личают инертные и малоинертные встав­ ки. Первые изготавливаются из легкоплав­ ких материалов (свинец, олово) с относи­ тельно большим удельным сопротивлением и обладают повышенной теплоемкостью. Малоинертные вставки делают из хорошо

проводящих металлов (медь, серебро) малого поперечного сече­ ния. Теплоемкость таких плавких вставок очень мала и перего­ рают они значительно быстрее, чем инертные вставки.

Различают обычные плавкие предохранители, применяющиеся в установках с напряжением до 500 В, и специальные высоко­ вольтные предохранители, используемые для защиты высоковольт­ ных линий электропередач небольшой мощности.

Конструкция любого плавкого предохранителя в первую оче­ редь должна обеспечивать полную безопасность обслуживающего персонала и пожарную безопасность для окружающих предметов. Поэтому конструкции плавких предохранителей должны быть та­ ковыми, чтобы при сгорании плавкой вставки не образовывалась устойчивая электрическая, дуга. Токоведущие части плавкого пре­ дохранителя и части, находящиеся под напряжением, при этом должны быть защищены от случайного прикосновения к ним.

Для защиты электродвигателей подъемно-транспортных машин обычно используют плавкие предохранители трех типов: пробоч­

60 А и напряжении до 500 В. Их широко применяют, как извест­ но, в бытовых электроустановках. Поэтому конструкции таких пре­ дохранителей общеизвестны и особых пояснений не требуют. Глав­ ными частями пробочного предохранителя являются фарфоровое основание и пробка с плавкой вставкой внутри. На шейке пробки укреплена контактная гильза с резьбой, что позволяет пробку ввернуть в винтовую металлическую гильзу основания. При ввер­ тывании пробки нижний ее конец плотно прижимается к контакт­ ному штифту основания и тем самым обеспечивается замыкание цепи через плавкую вставку. Путь тока следующий: зажим це­ пи— металлический штифт основания — нижний контакт пробки — плавкая вставка — металлическая резьба пробки и основания — второй зажим цепи.

Разновидностью пробочных предохранителей являются патрон­ ные предохранители, главной деталью которых служит сменный

150

фарфоровый цилиндрический патрон с плавкой вставкой внутри. Патрон прижимается к основанию пробкой, имеющей винтовую нарезку, как и в обычных пробочных предохранителях.

Пробочные предохранители общепромышленного назначения типа ПК и ПД для облегчения условий гашения электрической дуги, возникающей при расплавлении плавкой вставки, заполня­ ются кварцевым песком. Под действием дуги песок выделяет газы, деионизирующие дугу и способствующие ее быстрому гаше­ нию. Пробочные предохранители, несмотря на простоту устройст- >ва и безопасность для обслуживающего персонала, не могут при­ меняться во всех случаях. Это объясняется тем, что при перегора­ нии плавкой вставки необходимо заменять всю пробку или патрон. Кроме того, под действием вибрации пробки могут самопроиз­ вольно вывинчиваться и производить тем самым непредусмотрен­ ные отключения электрических цепей.

П л а с т и н ч а т ы е п р е д о х р а н и т е л и , применяющиеся в установках с напряжением до 380 В и рабочими токами до 200 А, этого недостатка не имеют. Такой предохранитель (рис. 94, а) со­ стоит из плавкой вставки 1, впаянной в металлические наконечни­ ки 2, которые закреплены между двумя контактными зажимами 3. Зажимы укрепляются на изолированной плите 5 болтами 4. Для предохранения от электрической дуги, которая может возникнуть при расплавлении плавкой вставки, пластинчатый предохранитель должен закрываться кожухом.

Т р у б ч а т ы е п р е д о х р а н и т е л и , применяемые в электро­ установках с рабочими токами до 1000 А, являются наиболее со­ вершенными. Предохранитель состоит (рис. 94, б)- из плавкой вставки У, помещенной в трубчатый патрон 2. На концах патрон (трубка) имеет металлические контакты <3, которыми он вставля­ ется в контактные стойки 4. Последние закрепляются болтами на изолированной плите 5. Контактные части трубчатых предохрани­ телей могут выполняться цилиндрическими (до 60 А) и плоскими (от 100 А и выше).

Различают трубчатые предохранители с фарфоровыми (типа НП) и фибровыми патронами (типа ПР). Первые применяются в

Рис. 94. Предохранители и плавкие вставки:

а — пластинчатый предохранитель; б — трубчатый предохранитель; в — плав­ кие вставки

151

установках с рабочими токами до 600 А. Фар­ форовый патрон с плавкой вставкой внутри обычно заполняется кварцевым песком, облег­ чающим гашение дуги.

Трубчатые предохранители с герметически закрытыми фибровыми патронами (рис. 95) мо­ гут применяться в установках с рабочими тока­ ми до 1000 А при напряжении до 500 В постоян­ ного и переменного тока. Главной его частью является фибровый патрон 5, внутри которого помещается плавкая вставка 4, включаемая в цепь с помощью металлических обойм 3 и плос­ ких контактных ножей 2. Посредством контакт­ ных ножей предохранитель вставляется в пру­ жинящие контактные стойки 1, жестко укреплен­ ные на изолированной панели 6. С задней стороны панели к контактным стойкам присое­ диняются провода внешней электрической цепи. Внутренняя часть фибрового патрона обычно кварцевым песком не заполняется, так как быст­ рому гашению электрической дуги способствует сам материал, из которого сделан патрон. При сгорании плавкой вставки под действием высо­ кой температуры дуги фибра разлагается и вы­

деляет большое количество газов, деионизирующих пространство в зоне горения дуги и способствующих быстрому её гашению.

Конструкция плавкой вставки также способствует быстрому гашению электрической дуги. Для трубчатых предохранителей в большинстве случаев применяются плоские плавкие вставки, имеющие по своей длине несколько суженных мест (рис. 94, в). Благодаря этому при коротком замыкании расплавляются все суженные места и образуется несколько электрических дуг, вы­ зывающих интенсивное разложение кварцевого песка или фиб­ ры. При перегрузках плавкая вставка нагревается медленнее и расплавляется, как правило, в одном месте.

При выборе плавких предохранителей для защиты электродви­ гателей обязательно следует учитывать пусковые режимы послед­ них. Правда, плавкие предохранители допускают некоторую пере­ грузку (см. рис. 93), что на практике создает определенные удоб­ ства, так как кратковременные небольшие перегрузки в электри­ ческих установках всегда возможны. Однако при пуске, электро­ двигателей имеют место значительные кратковременные токовые перегрузки и плавкие предохранители должны быть выбраны с учетом этих перегрузок.

Таким образом, при подборе плавких предохранителей для за­ щиты электрической установки, не имеющей электродвигателей, необходимо соблюдать следующие два условия:

152

При подборе же плавких предохранителей для защиты элект­ родвигателей, кроме указанных условий, необходимо учитывать также пусковые режимы, чтобы при пуске электродвигателей в ход плавкие предохранители не перегорали.

Опытные данные, приведенные ниже, дают возможность опре­ делить время расплавления малоинертных плавких вставок на номинальные токи от 35 А и выше в зависимости от кратности проходящего по ним тока:

Нетрудно видеть, что даже малоинертные, сравнительно быстро плавящиеся вставки, не расплавляясь, могут выдерживать 2,5-кратный номинальный ток до 8 с.

Для большинства электродвигателей псотоянного и перемен­ ного тока самый большой пик пускового тока не превышает по времени 8—10 с. Следовательно, зная пусковой ток электродвига­ теля, нетрудно подобрать к нему плавкие предохранители. Для этого наряду с указанными выше двумя условиями, необходимо со­ блюдать следующее третье условие:

2,5

Формула (104) дает неточные результаты и может быть ис­ пользована лишь при грубых ориентировочных расчетах.

Для более точных расчетов, необходимых для обеспечения се­ лективности действия защиты, можно воспользоваться следующи­ ми соотношениями:

при выборе плавкой вставки для единичного электродвигателя, наряду с формулами (102) и (103), должно быть удовлетворено следующее условие:

153

Плавкие предохранители при всей простоте их устройства и дешевизне не дают полной гарантии четкого действия максималь­ ной защиты во всех возможных случаях. Ток расплавления зави­ сит от состояния контактов предохранителя, старения плавкой вставки, колебаний напряжения в сети и т. п. Поэтому принято считать, что плавкие предохранители надежно защищают электри­ ческие установки лишь от токов короткого замыкания и сильных длительных перегрузок. Это заставляет в схему управления элект­ роприводами подъемно-транспортных машин, наряду с плавкими предохранителями, включать автоматические воздушные выключа­ тели максимального тока и токовые электромагнитные или тепло­ вые реле, обеспечивающие более четкое действие максимальной защиты при сравнительно небольших перегрузках электродвига­ телей.

§42. Электромагнитные реле

Впредыдущей главе рассматривались устройства и

принцип действия электромагнитных реле тока и напряжения, ко­ торые применяются не только для управления электроприводами, но и для обеспечения их защиты.

Токовые электромагнитные реле, выпускаемые с одной и дву­ мя катушками, осуществляют максимальную защиту электродви­ гателей от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Ка­ тушки максимальных реле имеют небольшое число витков и включаются последовательно в линию, питающую электродвига­ тель, а их контакты — в цепь питания катушки линейного контак­ тора, обеспечиващего коммутацию силовой цепи электродвигателя. Реле посредством изменения натяжения пружины или другим спо­ собом настраивается так, чтобы его подвижная система не притя­ гивалась к сердечнику при рабочих токах электродвигателя, не превышающих допустимого значения (/раб</уст). В этом случае контакты реле закрыты и работе линейного контактора (а значит и электродвигателя) не препятствуют. В случае же непредусмот-

154

ренного увеличения рабочего тока электродвигателя выше тока уставки реле последнее размыкает свои контакты, и цепь катушки линейного контактора обесточивается. Это приводит к соответст­ вующему срабатыванию контактора и отключению электродвига­ теля от сети (одновременно отключается и тормозной электромаг­ нит, если он предусмотрен в схеме). Следует иметь в виду, что контакты двухкатушечных максимальных реле размыкаются не­ зависимо от того, какая из двух катушек испытывает перегрузку током. Если ток хотя бы в одной из катушек превысит ток устав­ ки, реле сработает и разомкнет свои контакты.

Большинство максимальных реле, применяемых для защиты крановых электродвигателей, снабжаются самовозвратом. Поэто­ му после отключения электродвигателя от сети такое реле замы­ кает свои контакты и снова готово к работе.

Для крановых максимальных реле ток трогания устанавливают обычно в пределах 200—225% номинального нагрузочного тока электродвигателя, ток трогания также должен быть примерно на 25% выше максимального пускового тока.

Настройка максимальных реле возможна тремя способами: изменением натяжения пружины, изменением величины воздуш­ ного зазора между якорем и сердечником и изменением числа вит­ ков катушки. На практике обычно используют два первых спосо­

Электромагнитные реле напряжения, отличающиеся от токовых тем, что катушки их имеют большое количество витков тонкой проволоки и включаются в сеть параллельно, применяются в электроприводах для защиты электродвигателей от понижения на­ пряжения (минимальная защита) и предотвращения самопроиз­ вольного пуска электродвигателя после перерыва в питании (нуле­ вая защита). В принципе одно и то же реле напряжения, соответ­ ствующим образом включенное в схему электропривода, может обеспечивать и минимальную, и нулевую защиту электродвига­ теля.

Как правило, реле напряжения выполняется с нормально от­ крытыми контактами, которые замыкаются при подаче к элект­ роприводу напряжения от питающей сети. Включение контактов реле осуществляется так, чтобы в процессе работы электроприво­ да питание на катушку реле напряжения и катушки контактороз могло подаваться только через нормально открытые контакты ре­ ле. При снижении напряжения в питающей сети до 60—70% но­ минального якорь реле под действием пружины отходит от сер­ дечника, и контакты реле открываются, благодаря чему соответ­ ствующие контакторы отключают от сети электродвигатель и тормозной электромагнит. То же самое происходит при внезапном

155

полном исчезновении напряжения в сети. Благодаря тому, что при рабочих положениях командоаппарата катушка реле напряжения получает ток через собственные замыкающие контакты, появление напряжения в сети не вызывает срабатывания реле и повторного пуска электродвигателя. Для того чтобы снова включить реле напряжения и пустить электродвигатель, необходимо управляю­ щий орган командоаппарата (например, рукоятку командоконтроллера) вернуть в нулевое положение и производить пуск элект­ родвигателя обычным способом (например, переводом рукоятки командоконтроллера из нулевого положения в соответствующее рабочее положение или нажатием на кнопку «Пуск»).

Электромагнитные реле тока и напряжения, применяемые для защиты электродвигателей, как правило, никакими устройствами для создания выдержек времени не снабжаются и срабатывают практически мгновенно при возникновении недопустимой перегруз­ ки или недопустимого снижения (исчезновения) напряжения в пи­ тающей сети. Собственное же время выключения электромагнит­ ных реле мгновенного действия очень мало и измеряется сотыми долями секунды. Поэтому защита электродвигателей с помощью электромагнитных реле всегда отличается высокой надежностью

иточностью в работе.

§43. Тепловые реле

Максимальная защита электродвигателей постоянно­ го и переменного тока, работающих в длительном режиме, может обеспечиваться тепловыми реле, действие которых основано на расширении тел при нагревании. Известно, что при пропускании по проводникам электрического тока выделяется тепло, проводни­ ки нагреваются и их линейные и объемные размеры изменяются. Это явление и используется в тепловых реле, которые достаточно надежно защищают электродвигатели от продолжительных пе­ регрузок порядка 10—20% и выше. Кроме того, эти реле обеспе­ чивают в ряде случаев (при больших нагрузках) защиту электро­ двигателей переменного тока от перегрузки при обрыве одного из проводов питающей сети. Однако считать такую защиту надеж­ ной нельзя.

Основной частью любого теплового реле является биметалличе­ ская пластинка 5 (рис. 96), составленная из двух металлов, имеющих разные коэффициенты линейного расширения. Пластин­ ка помещается в теплоизоляционную оболочку 4, защищающую ее от окружающей среды. Биметаллическая пластинка получа­ ет тепло от нагревательного элемента 6, последовательно вклю­ ченного в линию, питающую электродвигатель. При нормальной нагрузке электродвигателя тепла, выделяемого нагревательным элементом, недостаточно для нагрева биметаллической пластин­ ки, и вся система занимает положение, указанное на рисунке.

При возникновении перегрузки и увеличении рабочего тока

156

вает и более быстрое срабатывание реле. В связи с тем, что тепловое реле при всех условиях не мо­

жет срабатывать мгновенно, его нельзя считать надежным сред­ ством защиты от токов короткого замыкания. Тепловое реле, сра­ батывая с некоторой выдержкой времени, зависящей от величи­ ны тока, является весьма удобным средством защиты электро­ двигателей от перегрузок. Для обеспечения же мгновенной мак­ симальной защиты электродвигателей от токов короткого замы­ кания последовательно с тепловым реле приходится включать плавкие предохранители, электромагнитные токовые реле или автоматические выключатели.

Большинство тепловых реле снабжено ручным возвратом, ко­ торый осуществляется нажатием на кнопку 7, спустя 0,5—1,5 мин после срабатывания реле. Это время необходимо для того, чтобы биметаллическая пластинка успела остыть.

На работу тепловых реле сильное влияние оказывает темпе­ ратура окружающей среды. Чем выше эта температура, тем быстрее сработает реле. Поэтому тепловые реле устанавливают вдали от источников тепла.

Применение тепловых реле в схемах управления электроприво­ дами подъемно-транспортных машин ограничено, так как они не обеспечивают достаточно надежной защиты от токов короткого замыкания, не имеют самовозврата и не выдерживают большой ча­ стоты включений и выключений. Обычно тепловые реле входят в комплект магнитных пускателей, которые применяются для обес­ печения дистанционного пуска и остановки асинхронных электро­ двигателей с короткозамкнутым ротором, работающих в длитель­ ных режимах (см. § 45). В этих случаях применяют однофазные тепловые реле, выбор которых производится по номинальному току

157

защищаемого электродвигателя. Нагревательные элементы ука­ занных реле включаются в цепь защищаемого электродвигателя непосредственно или через трансформаторы тока, а их контакты — в цепь катушки линейного контактора; осуществляющего комму­ тацию силовой цепи.

Распространение получили также двух- и трехфазные электро­ магнитные тепловые реле, представляющие собой комбинацию теплового и максимального реле. В таком комбинированном реле защита от перегрузок достигается путем воздействия нагреваю­ щейся биметаллической пластинки на контактную систему реле через определенную выдержку времени, зависящую от величины перегрузки. Защита же от коротких замыканий обеспечивается здесь мгновенным действием особого электромагнитного устройст­ ва, воздействующего на ту же контактную систему.

§ 44. Воздушные автоматические выключатели

Электромагнитные и тепловые реле, применяемые для защиты электродвигателей от ненормальных режимов работы, са­ ми, как известно, не производят отключения электродвигателей от сети, а подают лишь командные импульсы в катушки контакторов, которые и осуществляют отключение. В случае мощных электри­ ческих установок отключающая способность контакторов может оказаться недостаточной для отключения установки, например, при глухом коротком замыкании, и это может явиться причиной крупной аварии и даже несчастного случая.

Поэтому для наиболее мощных и ответственных установок, на­ ряду с плавкими предохранителями и электромагнитными реле, применяются автоматические выключатели, обладающие высокой отключающей способностью и обеспечивающие надежную авто­ матическую защиту электрических установок от перегрузок, ко­ ротких замыканий и недопустимых снижений напряжения. Кроме защитных функций, автоматический выключатель может выпол­ нять коммутационные функции, обеспечивая ручное включение и выключение силовых электрических цепей, находящихся под на­ грузкой.

Различают в о з д у ш н ы е и м а с л я н ы е автоматические вы­ ключатели. Последние применяются в основном в высоковольтных установках. Для защиты же и коммутации электроприводов подъ­ емно-транспортных машин применяют, как правило, воздушные автоматические выключатели (автоматы).

Электромагнитные автоматы делятся на автоматы максималь­ ного тока, минимального напряжения и максимально-минималь­ ные. В автомат максимального тока встраивается токовое реле, в автомат минимального напряжения — реле напряжения, а макси­ мально-минимальный автомат зключает в себя реле обоих видов. В ряде случаев максимально-минимальные автоматы снабжаются

158

также тепловым расцепителем, обеспечивающим защиту электро­ установок от сравнительно небольших, но длительных перегрузок (так называемые установочные автоматы). Автоматы дистанцион­ ного управления имеют, кроме того, так называемый независимый электромагнитный расцепитель, обеспечивающий возможность включения и выключения автомата на расстоянии.

Различают азтоматы мгновенного действия и селективные. Пер­ вые срабатывают практически мгновенно, а вторые с выдержкой времени, которая может в некоторых пределах регулироваться. Для создания выдержек времени к автоматам могут пристраивать­ ся либо специальные часовые механизмы, либо воздушные или ма­ сляные демпферы.

Автоматы, предназначенные для коммутации и защиты аппара­ тов, очень удобны в работе. После срабатывания автомат может быть быстро включен, так как для этого не потребуется замена каких-либо частей, как, например, у предохранителя.

Автоматы имеют главные и вспомогательные (блокировочные) контакты. Главные контакты автоматов, включаемые в силовые электрические цепи, изготавливаются обычно из особых металло­ керамических композиций; они не свариваются и могут работать длительное время без замены. Пара главных контактов каждого полюса автомата обязательно помещается в асбоцементную ду­ гогасительную камеру, гашение дуги в которой происходит с помощью электромагнитного дутья или путем дробления и деио­ низации дуги поперечными стальными пластинками. Благодаря усиленной контактной системе и использованию надежных меха­ низмов расцепления, отключающая способность автоматов обычно значительно выше, чем у контакторов, и достигает 80000 А (мак­ симальный разрываемый ток).

Блокировочные контакты автоматов имеют обычную мостиковую конструкцию, искусственным дугогашением не снабжаются и применяются для осуществления переключений в блокировочных цепях и цепях сигнализации.

Любой автомат посредством особой рукоятки, связанной с ме­ ханизмом свободного расцепления, может быть вручную включен и выключен. Обычно во включенном положении автомата рукоят­ ка занимает верхнее положение, при отключенном вручную — нижнее, а при автоматическом отключении — промежуточное. Ино­ гда автомат снабжается лампами, сигнализирующими о состоянии автомата (включен или выключен).

Автоматическое отключение автомата обеспечивается, как ука­ зывалось, электромагнитным или тепловым расцепителем, связан­ ным с механизмом свободного расцепления. Принцип действия электромагнитного расцепителя автомата максимального тока приведен на рис. 97, а. При установке рукоятки автомата в верх­ нее положение (автомат «Включен») подвижной контакт 6 сопри­ касается с неподвижным и цепь замыкается. При этом взводится отключающая пружина 7, а защелка 5 удерживает механизм сво­ бодного расцепления во включенном состоянии. Если ток, проте-

159