Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические и электронные аппараты. Учебное пособие.pdf
тродвигатель значительно позже, чем плавкий предохранитель. Для надеж-
ной защиты асинхронного электродвигателя используют совместно плавкие
предохранители и тепловое реле. Тепловое реле (нагреватель) может вклю-
чаться последовательно с контактами трехфазного автоматического выклю-
чателя, снабженного трехполюсным электромагнитным расцепителем, от-
ключающим цепь электродвигателя при возникновении трехфазного замы-
кания или любой разновидности однофазного короткого замыкания.
Если у трехфазного двигателя перегорает лишь один из трех предо-
хранителей, то двигатель, так как нагрузка на валу не изменилась, при
этом перегревается (при полной нагрузке) и может оказаться незащищен-
ным от однофазной работы при использовании только одного однополюс-
ного теплового реле. Для защиты электродвигателя от работы в однофазном режиме применяют двухполюсные или трехполюсные тепловые реле.
Трехполюсные тепловые реле необходимо применять лишь в том случае,
когда перегрузочная способность двигателя по моменту меньше двух.
Трехполюсное реле состоит из трех биметаллических однополюсных тепловых реле, рассмотренных выше.
Трехполюсное тепловое реле имеет механизм ускоренного срабатывания при обрыве одной фазы питающего напряжения. Поэтому, если по
какой-либо аварийной причине двигатель переходит на однофазную работу, трехполюсное тепловое реле срабатывает значительно быстрее, чем
двухполюсное.
Номинальный ток теплового элемента реле I
выбирают равным (или
н.т.э
несколько большим) номинальному току двигателя. Ток срабатывания теплового реле обычно выбирают на 20 % больше номинального тока двигателя. При таком выборе подавляющее большинство тепловых реле срабатывают за 20 мин, если нет обрыва одной фазы питающего напряжения.
Для надежной защиты электродвигателей от перегрузки нужно, чтобы
тепловые характеристики теплового реле и защищаемого электродвигателя при всех режимах его работы совпадали. Такое совпадение может быть
только при работе электродвигателя в длительном режиме. При повторнократковременном режиме работы привода тепловое реле не в состоянии
61
обеспечить надежную защиту, так как трудно согласовать условия нагрева
и охлаждения реле и электродвигателя при различных нагрузках на его валу.
При повторно-кратковременном режиме работы электропривода, когда процессы нагрева реле и двигателя различны, защита двигателя осуществляется с помощью реле максимального тока. Токи уставок реле при
этом выбирают на 20–30 % выше номинального тока двигателя. Так как
уставки реле ниже пускового тока двигателя, то при его пуске контакты
реле шунтируются контактами реле времени, имеющего выдержку времени несколько больше времени пуска двигателя.
Защиты от токов короткого замыкания тепловые реле не обеспечивают. Магнитные пускатели выпускают как с тепловыми реле, так и без тепловых реле. Тепловые реле изготавливают и в виде отдельных аппаратов
(с кожухом и без него).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЛЕ
Цель работы: ознакомиться с конструкциями тепловых реле; изучить
принцип действия тепловых реле.
Основные теоретические сведения
При незначительных длительных перегрузках в электродвигателях,
электромагнитах и других токоприемниках, возникающих при возрастании
момента сопротивления на рабочем органе машины или за счет витковых
замыканий в обмотках, протекает ток, превышающий допустимое значение
на 20–50 %. Такой режим работы приводит к перегреву обмоток и электро-
двигателя в целом, а следовательно, к преждевременному выходу его из
строя. Для защиты электрооборудования от таких перегрузок служат тепло-
вые реле, которые включают последовательно в контролируемую цепь.
Тепловые реле работают в цепях переменного и постоянного тока. Их
используют как самостоятельно, так и в составе магнитных пускателей.
Основным элементом теплового реле является биметаллическая пластина.
62
Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет теп-
1,25
ном
I
I, А
ct
ла, выделяемого в пластине током нагрузки. Очень часто нагрев биметал-
ла производится от специального нагревателя, по которому протекает ток
нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном
нагреве, когда пластина нагревается за счет тепла, выделяемого специаль-
ным нагревателем, а также обтекаемым током нагрузки. Прогибаясь, би-
металлическая пластина своим свободным концом воздействует на кон-
тактную систему, обеспечивая срабатывание реле.
Основной характеристикой теплового реле является зависимость вре-
мени срабатывания от тока нагрузки (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Времятоковая характеристика теплового реле
Для обеспечения надежной защиты времятоковая характеристика ре-
ле должна проходить во всем диапазоне изменения токов перегрузки ниже
времятоковой характеристики защищаемого оборудования, что достигает-
ся правильным выбором теплового реле по току.
Реле изготовляют одно-, двух- и трехфазного исполнения (типов РТ,
ТРВ, ТРА, ТРН, ТРП и РТЛ) на различные токи от 0,5 до 600 А. Номинальный ток теплового реле является его максимально допустимым током,
а сменные тепловые элементы позволяют получить для каждого типоразмера реле от 4 до 12 номинальных токов уставки. При этом для каждого
теплового элемента его ток уставки может изменяться (уменьшаться) спе-
циальным регулятором до 30 % от номинального значения, а некоторые
типы реле (ТРН) имеют предел регулирования от 0,75 до
.
63
Тепловые реле выбираются по номинальному току теплового элемен-
ном. реле cети
UU≥
ном.реле ном.дв
II=
та и номинальному току двигателя:
.
– для двигателей, работающих в длительном режиме
работы.
Для двигателей, работающих в кратковременном режиме, тепловая
защита не используется, за исключением случаев возможной работы двигателя на упор.
План работы
1. Собрать схему испытания теплового реле (рис. 2.15). В качестве
исследуемого применяется реле ТРН-10 с номинальной уставкой тока
0,8 А.
ми, поэтому в качестве секундомера можно использовать наручные часы
(при этом часть схемы с секундомером не нужна).
Рис. 2.15. Схема испытания теплового реле
Время срабатывания реле измеряется десятками секунд или минута-
64
2. Работу начать с включения ЛАТРа и регулятором установить необ-
Ток срабатывания
СР
I
, А
Показание секундомера t, с
ходимую величину тока нагрузки. Затем отключить ЛАТР, обнулить показания секундомера и после паузы, необходимой для остывания теплового
элемента реле, вновь включить. Секундомер начинает отсчет и останавливается после срабатывания реле. Во избежание перегрева теплового элемента реле ЛАТР следует сразу отключить.
3. Перед повтором эксперимента сделать паузу для полного остыва-
ния теплового элемента реле и затем вернуть его в исходное состояние
нажатием возвратной кнопки. Затем установить другую величину тока
нагрузки и повторить вышеприведенные действия. Данные, полученные
по показаниям приборов, занести в табл. 2.3 и построить зависимость времени срабатывания теплового реле от тока нагрузки.
Таблица 2.3
Результаты опыта
Допускается дополнить схему лабораторной работы, встроив контакт
магнитного пускателя с рабочим напряжением катушки 220 В между вы-
ходом ЛАТРа и первичной цепью понижающего трансформатора, а его
катушку запитать от гнезд 220 В в блоке ТРН через размыкающий контакт
теплового реле (при этом SA2 нужно будет включить). Тем самым достигается автоматическое отключение нагрузки при срабатывании теплового
реле. В цепь же секундомера взамен контакта теплового реле включается
замыкающий контакт пускателя.
1. Какие виды биметаллических пластин применяются в тепловых реле?
2. Как регулируется ток срабатывания теплового реле с непосред-
ственным и косвенным нагревом?
3. Как зависит величина прогиба пластины от ее длины и толщины?
Контрольные вопросы
65
2.5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Автоматические воздушные выключатели (автоматы) предназначены
для нечастых включений и отключений вручную электрических цепей пе-
ременного и постоянного тока под нагрузкой и для защиты их от недопу-
стимых перегрузок по току, в том числе и от токов короткого замыкания
(при наличии специальных расцепителей тока) [1, 6, 7].
Отечественная промышленность выпускает однополюсные автоматические выключатели для переменного тока, трехполюсные для трехфазного тока и двухполюсные для постоянного тока. Трехполюсный автомати-
ческий выключатель может быть снабжен тремя тепловыми расцепителя-
ми (для защиты от перегрузок по току) и тремя электромагнитными рас-
цепителями максимального тока (для защиты от токов короткого замыка-
ния). Катушки расцепителей максимального тока включают последова-
тельно с нагревателями тепловых расцепителей.
По устройству и принципу работы тепловые расцепители мало отличаются от тепловых реле.
Часто в автоматических выключателях применяют расцепители без
нагревателя. В этом случае контролируемый ток пропускается непосред-
ственно через биметаллическую пластину. В маломощных выключателях
такой расцепитель может выполнять функции и элемента максимальной
токовой защиты.
На практике широкое применение также получили автоматические
выключатели только с одними электромагнитными расцепителями макси-
мального тока.
Максимальный электромагнитный расцепитель тока (РЭ) представляет
собой электромагнит, состоящий из сердечника, катушки управления, якоря
и удерживающей пружины. Уставка по току срабатывания устанавливается
на заводе-изготовителе. При возникновении в защищаемой цепи тока корот-
кого замыкания, равного или превышающего уставку по току срабатывания
66
РЭ, якорь притягивается к сердечнику, воздействует на рейку механизма
управления (автомат, например, серии А3700), вызывая отключение выключателя без специально предусмотренной выдержки времени.
Рис. 2.16. Автоматический выключатель
В автоматическом выключателе (рис. 2.16) имеются три основных узла: блок управления и защиты (элементы 1–4), узел привода и передаточного механизма (элементы 5–9) и контактно-дугогасительная система
(элементы 10–16).
Для ручного включения автоматического выключателя поворачивают
рукоятку 5, при этом привод аппарата становится на защелку, взводится
отключающая пружина 6, а также замыкаются дугогасительные 11 и глав-
67
ные контакты 15. В некоторых выключателях помимо ручного используется электромагнитный 8 или электромашинный привод. В электромашинном приводе после отключения аппарата взвод пружины производится электродвигателем небольшой мощности.
При отключении выключателя вначале расходятся главные контакты 15,
после чего ток нагрузки замыкается через дугогасительные контакты 11. Таким образом, на главных контактах не образуется электрическая дуга. Дуга
гасится в дугогасительной камере 12. Для замыкания цепи тока дугогасительных контактов применяется гибкая латунная связь 16.
Компенсатор электродинамических усилий 13 необходим для снижения электродинамических воздействий, вызванных большими токами, для
этого используются шарнирно-связанные элементы, направление тока
в которых будет противоположным. Это усилие суммируется с усилием
контактной пружины 14, с усилием компенсатора и уравновешивает электродинамическую силу, возникающую в контактах выключателя и отталкивающую их друг от друга. Необходимо отметить, что компенсация
электродинамических усилий особое значение приобретает при коротком
замыкании, так как электродинамическое воздействие прямо пропорционально квадрату тока.
Для разрыва прямой механической связи между приводом включения
и валом 7 при автоматическом отключении используется механизм свободного расцепления 9. В случае попытки включения аппарата на действующее короткое замыкание предотвращается попытка замыкания такой цепи с последующим аварийным отключением. Механизм управления
выключателя выполнен по принципу ломающихся рычагов и устроен так,
что обеспечивает моментное замыкание и размыкание контактов при автоматическом срабатывании независимо от того, удерживается ли рукоятка выключателя оператором во включенном положении или нет.
Расцепитель 1 с биметаллической пластиной осуществляет защиту от
тепловой перегрузки оборудования, электромагнитный расцепитель 2 (расцепитель максимального тока) осуществляет защиту от сверхтоков и корот-
68
кого замыкания, минимальный расцепитель 3 необходим для защиты от недопустимого снижения напряжения, независимый расцепитель 4 применяется для дистанционного отключения. В нормальном режиме МДС катушки
минимального расцепителя 3 является достаточной для уравновешивания
силы пружины, в результате чего подвижная система удерживается в нижнем положении. При снижении напряжения, когда напряжение в сети окажется меньше допустимого, электромагнитная сила станет меньше силы
пружины, подвижная деталь переместится вверх, ударит по рычагам 9 и переведет их через мертвую точку. Связь между рукояткой 5 и валом 7 нарушится под действием пружины 6. Отключаемые аппаратами токи достигают
70–80 кА. Для гашения электрической дуги используются щелевые камеры,
дугогасительные решетки или их сочетание.
Функционально вышеописанные автоматические выключатели ис-
пользуют взамен блока «выключатель-предохранитель – тепловое реле».
Применение установочных автоматических выключателей вместо
плавких предохранителей дает следующие преимущества:
1) при перегрузке или коротком замыкании выключатель отключает
все фазы защищаемой им цепи, благодаря чему исключается возможность
однофазной работы трехфазных электродвигателей;
2) уменьшаются простои, так как включить сработавший выключа-
тель быстрее, чем сменить сгоревший предохранитель;
3) выключатель имеет более совершенную максимальную токовую
защиту, чем плавкие предохранители.
Достоинства автоматических выключателей: наличие кожуха, закрывающего все токоведущие части; легкое и удобное повторное включение; независимость скорости перемещения подвижных контактов при включении
и отключении от скорости перемещения оператором рукоятки управления;
отцепление рукоятки контактной системы при автоматическом отключении;
возможность определить коммутационное положение по положению рукоятки; возможность дистанционного аварийного отключения, чего не сделать
при использовании аппаратов ручного управления (рубильников, кулачко-
69
вых выключателей). Эти свойства установочных выключателей делают их
16
уст
t =
4
уст
t =
надежными, удобными и безопасными в обслуживании.
Главные контакты (коммутирующие) выключателя обычно изготовлены из металлокерамической композиции на основе серебра. Дугогасительные камеры с решеткой расположены под контактами каждого полю-
са выключателя и представляют собой набор стальных пластин, с помо-
щью которых происходит разделение дуги на ряд дуг. Стальные пластины
укреплены в изоляционной оправе. Гашение возникающей дуги при от-
ключении выключателем тока короткого замыкания происходит в искро-
гасителе, выполненном в пластмассовом съемном корпусе. Выключатель
может иметь и вспомогательные контакты.
По роду защиты выключатели могут применяться для селективной
защиты и токоограничения. В основном применяются токоограничиваю-
щие выключатели, которые позволяют в результате быстродействия резко
ограничить ток короткого замыкания.
Максимальная защита токоограничивающих выключателей выполняет-
ся на полупроводниковых и электромагнитных элементах, а выключателей
для селективной защиты – только на полупроводниковых расцепителях.
Уставки по току срабатывания и времени срабатывания в зоне короткого замыкания у выключателей, оборудованных только электромагнитными расцепителями тока, в эксплуатации не регулируются.
В некоторых аппаратах применяются термомагнитные расцепители,
в которых используется свойство ферромагнитных материалов изменять
магнитную проницаемость при нагреве током.
Вид защитной характеристики (зависимости времени срабатывания от
тока) определяется назначением аппарата и перегрузочной способностью
защищаемого объекта (двигатель, кабель и т. д.).
На рис. 2.17 даны защитные характеристики выключателя А3700
при двух уставках по времени на шкале расцепителя (зона 1 –
на 2 –
с); на оси абсцисс отложено отношение значения тока выклю-
чателя к номинальному току.
70
с, зо-