38 Аппараты управления, регулирования и автоматики

Автоматические электромагнитные выключатели (автоматы). Этот вид ЭА находит ос­новное применение в системах распределения электроэнергии. Автоматы предназначены для включения и выключения цепей постоянного и переменного тока на напряжения до 1000 В и автоматической защиты цепей от коротких замыкании и токов перегрузки.

Широкое практическое применение автома­тических выключателей началось в 20-х годах, когда электроэнергию стали интенсивно исполь­зовать в промышленном производстве. Первые отечественные автоматы начали разрабатывать в 1923 г. Б.Ф. Вашур, Д.Л. Ступель и К.Н. Петров.

В 30-х годах была разработана серия отечест­венных универсальных автоматических выклю­чателей типов А2000—А2050 на токи от 200 до 1500 А.

Для защиты ртутных выпрямителей и генера­торов постоянного тока А.И. Голубевым в 1936г. была разработана оригинальная конструкция быстродействующего автомата типа ВАБ-2. В дальнейшем конструктивные решения А.И. Голубева были положены в основу серии быстродействующих выключателей, освоенной заводом «Уралэлектроаппарат». Основным направлением развития автоматов являлось со­вершенствование их защитных устройств, обес­печивающих срабатывание при заданных вре­менных параметрах. В настоящее время в авто­матах широко используются достижения современной электроники, в частности микропроцес­сорная техника.

Контакторы. Для автоматизации электро­привода и управления распределением энергии по разным потребителям широко используются контакторы, которые являются одним из наибо­лее распространенных видов ЗА. Контакторы существенно отличаются от автоматов большим числом срабатываний за период эксплуатации, что обусловливает высокие требования к меха­нической и электрической стойкости их контакт­ной системы.

Первые контакторы начали выпускаться фирмами АЕГ и «Вестингауз» в начале XX века. Отечественная промышленность наладила се­рийный выпуск контакторов в 30-х годах (серии КП-900 и КТ), В послевоенный период на Чебок­сарском электроаппаратном заводе были освое­ны серии К11-500 постоянного тока и КТП-500 переменного тока на токи от 50 до 100 А. Эти се­рии контакторов отличались высокими технико-экономическими характеристиками, в частно­сти, их механическая износостойкость была до­ведена до 20 млн включений за счет уменьшения вибраций контактов, сокращения времени горе­ния дуги, улучшения магнитной системы и кинематики подвижных частей. Общий вид контактора серии КП-500 приведен на рис. 6.13.

Совершенствование контакторов происходи­ло в направлении уменьшения их габаритов, по­вышения быстродействия и увеличения срока службы. Для повышения электрической износо­стойкости контактов были проведены работы по ограничению дугообразования в контакторе.

Рис. 6.13. Контактор типа КП-500 на ток 300 А

Один из способов реализации этого направления связан с синхронизацией процессов перехода то­ка через нуль и началом размыкания контактов, Подобные работы для выключателей высокого напряжения проводились в 50-х годах Г.И. Атабековым и Г.В. Буткевичсм.

Теоретические основы физических явлений, связанных с восстановлением электрической прочности между контактами, успешно развива­лись И.С. Таевым, который внес большой вклад в развитие отечественных контакторов.

Развитие силовой полупроводниковой тех­ники создало новую возможность для реализа­ции методов ограничения дугообразования за счет интеграции силовых диодов и тиристоров с электромеханическими контактами. Пер­вые образцы подобных отечественных аппара­тов были разработаны в 60-х годах Г.В. Могилевским, А.Г. Сосковым и другими специалистами. Такие аппараты позволили существенно ограни­чить процесс дугообразования и улучшить тех­нико-экономические показатели контакторов. Поскольку такие контакторы объединяют элек­тромеханические и силовые полупроводнико­вые ключи, они получили название гибридных контакторов.

В 80-х годах достижения в области силовых электронных приборов активизировали работы в области гибридных аппаратов. В результате рядом ведущих зарубежных фирм «Сименс», «Телемеханика» и «Мерлин Жерин» создана широкая номенклатура высокоэффективных гибридных контакторов. Работы по их совер­шенствованию продолжаются.

Аппараты регулирования. Первые отечест­венные регуляторы напряжения были реостатно­го типа и воздействовали па цепь возбуждения генераторов первых в России электростанций. Реостатные регуляторы выпускались заводами «Электросила», «Динамо» с 1917 по 1928 г.

В 30-х годах в электротехнике получили ши­рокое применение угольные регуляторы для ге­нераторов и двигателей. Принцип действия та­ких регуляторов был основан на изменении со­противления угольного столба, включенного в обмотку возбуждения, под воздействием дав­ления, создаваемого электромагнитом.

В развитие теории автоматического регули­рования большой вклад внесли русские ученые И.А. Вышнеградский, М.А. Ляпунов. В 30-х го­дах начинают развиваться частотные методы анализа в работах X. Найквиста (1932 г.), А.В. Михайлова (1938 г.) и других ученых. Особенно следует отметить работы в этой области акад. В.С. Кулебакина.

В этот же период стали применяться магнит­ные усилители (МУ). Принцип действия МУ ос­нован на изменении индуктивности сопротивления дросселей насыщения при подмагничивании их магнитопроводов постоянным магнитным по­током, создаваемым обычно током управления.

В начале XX в. были созданы первые дроссе­ли насыщения, управляемые путем подмагничивания постоянным током. Эти дроссели были усовершенствованы В.П, Вологдиным и Н.Д. Папалекси. Дальнейшее развитие теории магнит­ных усилителей связано с именами отечествен­ных ученых Р.А. Липмана, ЕЛ. Львова, И.Б. Негневицкого, М.А. Розенблата, Л.В. Шопена и др.

Большой вклад в создание общей теории маг­нитных цепей сделан И.И. Коваленковым. Мето­ды расчета электромагнитных механизмов в раз­ное время успешно разрабатывались отечествен­ными учеными Р.Л. Ароновым, А.Я. Буйловым, Б.К. Булем, Б.С. Сотсковым, Ф.А. Стунелем.

Магнитные усилители постоянно совершен­ствовались и успешно использовались для раз­личных целей, особенно в системах автоматиче­ского регулирования. Но с конца 60-х годов соз­дание мощных полупроводниковых приборов существенно ограничило их развитие. Однако в 80-е годы разработчики регуляторов вновь на­чали проявлять к ним интерес благодаря их стойкости к различным возмущающим воз­действиям. Работы в этом направлении происхо­дили на основе применения в цепях повышенной частоты, где возможности МУ проявляются наи­более ярко.

Принципиально новые возможности и пер­спектива для развития эффективных регулято­ров различного назначения были созданы в ре­зультате совершенствования электронных тех­нологий.

Создание в конце 80-х годов силовых полно­стью управляемых полупроводниковых прибо­ров на токи свыше 1 кА и напряжение 1 кВ по­зволило создавать импульсные регуляторы боль­шой мощности. При этом стало возможным вы­сокое качество управления посредством микро­процессорных устройств.

На основе соединения в едином конструктив­ном модуле силовых электронных приборов и микроэлектронных устройств родились новые виды аппаратов, получивших название «интел­лектуальных». Такие аппараты открыли новые перспективы развития в различных областях техники, в частности электропривода, свето­техники и др.

Рис. 6.14. Упрощенная схема электромагнитного реле якорного типа

В новый этап совершенствования отечест­венных электрических аппаратов управления на основе силовой электроники большой вклад внесли работы, проводимые с начала 90-х в МЭИ под руководством Ю.К. Розанова.

Реле. В классе ЭА автоматики и зашиты наи­более распространенным видом являются реле, Первые реле были созданы и нашли практиче­ское применение в конце XIX в. Причем наибо­лее широкое применение первые реле находили в системах телефонной и телеграфной связи.

Первые реле имели конструкцию якорного типа, принцип действия которой основан на пе­ремещении якоря с контактной системой при по­даче напряжения или тока на обмотку электро­магнита (рис. 6.14). Реле с таким типом конст­рукции получили широкое распространение и их усовершенствованные модификации продолжа­ют использоваться в настоящее время.

В 30-х годах развитие электроэнергетики в промышленно развитых странах активизирова­ло научно-исследовательские и опытно-конст­рукторские работы в области релейной защиты. В результате были созданы различные конструк­ции реле максимального тока, минимального на­пряжения, дифференциальные реле обратной мощности и много других типов реле защиты. В этот же период фирмой АЕГ была разработана конструкция индукционного реле (рис. 6-15), которая получила широкое применение во всем мире. На основе этой конструкции были созданы защитные реле с регулируемой выдержкой времени, зависящей от значения контролируе­мого тока.

Для систем автоматики требовались реле с высоким быстродействием, малым потребле­нием энергии для управления и большим числом

Рис. 6.15. Конструкция индукционного реле

срабатываний за период эксплуатации. Для этих целей конструкция якорного реле мало подходи­ла. В результате работы над повышением быст­родействия реле и упрощением его конструкции в 20-х годах В.И. Коваленков предложил отка­заться от массивного якоря, заменив его легкими контактными сердечниками, выполненными в виде упругих консолей из ферромагнитного материала. Эта конструкция получила дальней­шее развитие в реле с герметичными контакта­ми, названных герконами.

Конструкция герконов была запатентована в 1942 г. В. Элвудом (США). В этой конструкции контактные сердечники из ферромагнитного ма­териала помещены в стеклянный герметичный баллон, заполненный инертным газом. Непосредственно контактирующие поверхности покрыты тонким слоем контактно­го материала, например серебра. Для управления контактами используется обмотка управления, создающая магнитный поток, или постоянные магниты. Герконы с 60-х годов начали успешно использовать в различных системах автоматики. Принцип герконового реле в дальнейшем полу­чил развитие при создании сильноточных герме­тизированных контактов (герсиконов). Большой вклад в развитие методов анализа отечественных герконов внес В.Н. Шоффа (МЭИ).

В 50-е годы, когда интенсивно проводились научно-исследовательские работы в области магнитных усилителей, последние успешно были использованы в качестве бесконтактных реле. Релейный эффект в этих устройствах дос­тигался посредством введения положительных обратных связей.

Новый этап развития реле автоматики и за­шиты начался на основе достижений микро­электронной техники. Использование электрон­ных компонентов позволило существенно улуч­шить технико-экономические характеристики реле и расширить их функции. Так, например, большинство современных реле для систем за­щиты содержат микропроцессоры, определяю­щие алгоритм функционирования реле в зависи­мости от режимов работы и состояния контроли­руемой системы и ее составных частей. При этом информация в микропроцессоры может посту­пать как с различных датчиков, так и с блоков управления более высокого уровня.