2.1.6. Контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели

Контакторы — электрические аппараты, предназначенные для включения и отключения силовых цепей (цепей питания электродвигателей и других мощных потребителей электроэнергии) с помощью электромагнитов. Конструктивно контакторы сходны с сильноточными реле, но отличаются наличием мощных контактов и дугогасительных устройств. Различают контакторы постоянного и переменного токов. Устройство контактора постоянного тока по­казано на рис. 2.27. Главные контакты 1 и 3 замыкаются под дей­ствием пружины 5 в случае перемещения якоря 6 с рычагом 4 к ярму 8 при появлении тока возбуждения в обмотке 9. Размыкание контактов происходит под воздействием пружины 7. Для увеличе­ния силы притяжения якоря к ярму предусмотрен полюсный нако­нечник на сердечнике 8. Для интенсивного гашения дуги при раз­мыкании контактов применяется дугогасительная камера с решеткой из медных пластин 2, улучшающих теплоотвод от дуги и, следовательно, условия дугогашения.

Помимо силовых контактов в контакторах предусматриваются дополнительные, вспомогательные, блокировочные контакты.

Работу контактора переменного тока поясним на примере рас­смотрения рис. 2.28. При включении катушки 1 в цепь управления возникает магнитный поток в магнитопроводе, состоящем из ших­тованных ярма 2 и якоря 3. На якоре расположен короткозамкну­тый виток (для устранения вибрации магнитной системы). Контак­тная группа — главные контакты 5, 6, вспомогательные контакты 7— 9 — приводится в действие якорем 3, с которым она соединена ва­лом 4.

На рис. 2.28 изображен трехполюсный контактор для коммута­ции в трехфазной цепи. Здесь показана только одна дугогасительная камера 11, чтобы было видно расположение силовых контактов 5, 6.

Электромагнитные контакторы переменного тока широко исполь­зуют в магнитных пускателях — устройствах для дистанционного уп­равления (включить — выключить) и автоматической защиты от пе­регрузок асинхронных электродвигателей.

Для автоматического размыкания цепей постоянного и перемен­ного токов при нарушении нормального режима работы (при случайных коротких замыканиях в цепи, длительном превышении нагрузки выше номинальной или уменьшении напряжения ниже нормы), а также для включения и отключения тех же цепей при нормальных условиях служат автоматические выключатели (напри­мер, автоматы типов АП-25, АП-50, АЗ-100) (рис. 2.29). Автоматы представляют собой сочетание теплового реле, контактора, дугога-сительного устройства и механизма расцепления контактов.

На рис. 2.29 можно выделить основные элементы трехфазного автомата типа АП-25 — дугогасительную камеру 1, контактную сис­тему 2, электромагнитный расцепитель 3, кнопки ручного включе­ния и отключения 4, возвратную пружину 5, катушку электромагни­та 6, якорь электромагнита 7, механизм расцепления контактов 8, биметаллическую пластину теплового реле 9.

Основным узлом автомата является механизм расцепления контактов - система шарнирно связанных рычагов, который может приводиться в действие тепловым реле либо электромагнитом. Включение и выключение небольших автоматов производится вруч­ную или дистанционно с помощью реле. Мощные автоматы требу­ют для включения и отключения больших усилий, которые произ­водят мощные электромагниты, управляемые дистанционно.

Работу механизма расцепления автомата максимального тока можно пояснить кинематической схемой рис. 2.30, а. Если ток в цепи превысит заданное максимально допустимое значение, то электромагнит J притянет якорь 2, преодолевая сопротивление пру­жины 1. Защелка 4 освободит рычаг 5, который под действием пру­жины 6 разорвет контакты 7.

Кинематическая схема механизма расщепления автомата мини­мального тока (рис. 2.30, б) показывает, что при некотором минимально допустимом значении тока электромагнит 1 уже не может удержать якорь 2. Под действием силы F противодействую­щей пружины J якорь передвигается в направлении стрелки и кон­такты 4 автомата размыкаются.

В заключение отметим, что все необходимые данные о токах, на­пряжениях, мощностях, времени срабатывания и других параметрах электрических аппаратов можно найти в электротехнических спра­вочниках.

Рис. 2.1. Устройство рычажного контакта

Рис. 2.2. Устройство шарнирного контакта

Рис. 2.3. Устройство магнитоуправляемого

герметизированного контакта (геркона)

Рис. 2.4. Устройство камеры дугогашения с узкой щелью

Рис. 2.5. Включение диода для уменьшения искрения

Рис. 2.6. Устройство электромагнитных механизмов

Рис. 2.7. Схема замещения индуктивной катушки

Рис. 2.8. Вебер-амперная характеристика

Рис. 2.9. Упрощенная вебер-амперная характеристика

Рис. 2.10. Измерение вебер-амперной характеристики при измерении зазора

Рис. 2.11. Тяговые характеристи­ки электромагнитного механизма

Рис. 2.12. Схема применения короткозамкнутого витка провода в однофазных электромагнитах

Рис. 2.13. Векторная диаграмма магнитных потоков

Рис. 2.14 Тяговые характеристики электромагнитов

Рис. 2.15. Устройство (о) и внешний вид (б) электромагнитного реле

клапанного типа

Рис. 2.16. Условное графическое обозначение контактов

Рис. 2.17. Схемы включения реле максимального тока

Рис. 2.18. Устройство реле с поворотным якорем

Рис. 2.19. Схема включения реле минимального напряжения

Рис. 2.20. Устройство (а) и схема включения (б) теплового реле

Рис. 2.21. Зависимость вход - выход

Рис. 2.22. Тяговая характеристика

Рис. 2.23. Устройство и внешний вид промежуточного реле клапанного типа

Рис. 2.24. Внешний вид слаботочного реле

Рис. 2.25. Устройство и внешний вид поляризированного реле

Рис. 2.26. Устройство реле с электромагнитной памятью

Рис. 2.27. Устройство контактора постоянного тока

Рис. 2.28. Устройство трехполюсного контактора переменного тока для коммутации трехфазной цепи

Рис. 2.29. Устройство автоматического выключателя типа АП-25

Рис. 2.30. Кинематические схемы механизма расцепления автомата максимального тока (а)

и минимального тока (б)

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ по курсу «Эл. аппараты»

1. На кольцевой замкнутый сердечник (рис. 1) равномерно нанесена обмотка с числом витков w= 200. Поперечное сечение коль­ца прямоугольное. Наружный диаметр кольца D=16cm, внутрен­ний диаметр d=10 cм, толщина b = 4см. Определить ток в обмотке катушки, при котором магнитный поток в сердечнике Ф=12 10^-4 Вб, если материал сердечни­ка:

а) дерево; б) литая сталь; в) листо­вая электротехническая сталь 1512.

Рис.1

Сопоставить полученные результаты, доказать, что один и тот же магнитный поток Ф можно получить при меньших магнитодвижущих силах, если материал сердечника легче намагничивается.

2. Определить относительные магнитные проницаемости и маг­нитные сопротивления ферромагнитных сердечников задачи №1 и индуктивности их катушек.

Значения заданных величин можно подсчи­тать, пользуясь следующими соотношениями:

для относительной магнитной проницаемости

;

для магнитного сопротивления магнитопровода

, ;

для индуктивности катушки

Результаты вычислений занести в табл. 1.

Таблица 1

Материал сердеч­ника	Ток I, А	Индуктивность L, мГн	Относительная магнитная прони­цаемость μr	Магнитное сопро­тивление RМ, 1/(Ом с)
Литая сталь Сталь 1512

3. Как изменится индуктивность катушки в задаче №1, у ко­торой материал сердечника выполнен из стали 1512, если ток в об­мотке (I = 1,16 А) увеличить в два раза, при анализе учесть насыщение сердечника.

Как изменится магнитный поток катушки, если при той же магнитодвижущей силе (МДС) удалить сердечник? Как изменится в этом случае индуктивность катушки?

4. Кольцевой сердечник с числом витков w =128 можно вы­полнить из стали 3411 или пермаллоя 79НМ. Длина средней линии сердечника Iср = 12,8см, сечение стали (с уче­том k_з.с. ) S_c=l,37 см². В каком из сердечников можно получить больший магнитный поток при следующих значениях тока в обмотках: 0,01; 0,4; 0,8 А ? Определить значения магнитных потоков.

5. Определить магнитный поток в сердечнике и индуктивность катушки с числом витков w =100. Кольцевой сердечник катушки выполнен из электротехнической стали 1512 с внешним диаметром D = 28мм, внутренним диаметром d = 20 мм и толщиной в= 5 мм. Ток в обмотке I = 0,09 А (при коэффициенте заполнения пакета сердечника k_з.с. ).

6. Индуктивность катушки со стальным сердечником можно регулировать, изменяя значение тока в обмотке. Определить индук­тивности катушки в задаче №5, если ток в обмотке увеличить: а) в два раза: б) в пять раз, в) в десять раз. Оценить влияние нелиней­ности кривой намагничивания стали на зависимость между изменениями тока и индуктивности катушки.

7. В сердечнике из литой стали (рис. 2) необходимо создать магнитную индукцию B=1Тл. Число витков равномерно намотан­ной на сердечник обмотки до = 200, длина средней линии сердечника Iср = 69см, сечение S = 6 см². Как изменятся ток и магнитное со­противление магнитопровода, если в сердечнике сделать воздушный зазор δ = 0,5 мм? Магнитный поток сердечника при наличии воздушно зазора должен остаться без изменения. При расчете рассеянием пренебречь и считать поле в воздушном зазоре однородным.

Рис. 2

8. В воздушном зазоре магнитопровода катушки (рис. 3), набранного из пластин стали 1212, требуется получить индукцию В = 1 Тл. Определить ток в катушке с числом витков w = 500, если воздушный зазор равен: а) δ = 0,55 мм; б) δ = 2 мм. Как изменится индуктивность катушки с увеличением воздушного зазора, если магнитная индукция в зазоре должна оставаться при этом неизменной? При расчете потоком рассеяния пренебречь. Коэффициент заполнения стали k_з.с. = 0,95. (Размеры даны в миллиметрах).

Ответ: а) I=1,78 A: L = 0,067 Гн; б) I = 4,10 А; L = 0,029 Гн.

Как изменится мощность катушки в рассмотренных слу­чаях?

Рис. 3 Рис. 4

9. Определить ток в обмотке катушки с незамкнутым магнитопроводом (рис. 4, a, б), если заданы средняя длина /ср и попе­речное сечение сердечника S, длина воздушного зазора S, число витков обмотки w и магнитный поток в зазоре Ф₀ (табл. 4 а). При расчете полем рассеяния пренебречь, магнитное поле в зазоре считать равномерным. Сечение магнитопровода задано в см²; сред­няя длина магнитопровода и длина воздушного зазора —в см, магнитный по­ток— в Вб.

Таблица 4, а

Вариант	1ср	S	δ	W	Ф0 10-4	Материал		Рис. 4
1	100	4	0,02	500	4	Листовая эл.техн. горячекатаная сталь	1512	а
2	70	4	0,05	500	4	То же	1212	а
3	86	25	0,1	400	30	То же	1411	б
4	86	25	0,1	400	30	Никелевый пермаллой	50 НП	б

Магнитные характеристики материалов заданы табл. 4,б.

Таблица 4, б

B, Тл	0	0,2	0,4	0.6	0,8	1,0	1.2	Материал
Н, А/м	0	40	96	160	270	435	850	1512
	0	55	135	220	335	500	875	1212
	0	20	65	120	185	300	550	1410
	0	12	18	27	40	60	130	50 НП

10. Катушка с кольцевым сердечником, содержащим перемен­ный воздушный зазор, подключена к сети постоянного тока напря­жением U=12 В. Обмотка катушки имеет сопротивление R= 12 Ом и число витков w=1000. Сердечник выполнен из стали 1512 и имеет внешний диаметр D = 22cm, внутренний диаметр d=18см, толщину пакета b=1см, коэффициент заполнения стали k_з.с. 0,95. Определить магнитный поток и индуктивность катушки, если воз­душный зазор сердечника δ₁ = 0,01 см, и начертить схему замещения магнитной цепи.

Полученные результаты расчетов свести в таблицу.

11. Как изменятся магнитный поток и индуктивность катуш­ки в задаче №10, если воздушный зазор в сердечнике увеличить сначала до δ₂ = 0,05 см., потом до δ₃ = 0,1 см?

12. Незамкнутый магнитопровод ка­тушки состоит из двух различных по се­чению участков 1 и 2 (рис.5). Опре­делить ток в обмотке катушки, если маг­нитная индукция в зазоре В₀ = 1 Тл, дли­на участка с сечением S₁ = 1 см² I₁ = 4 см, длина участка с сечением S₂ = 0,5 см² I₂= =7 см, воздушный зазор δ = 0,01 мм. Число витков обмотки w=100. Материал магнитопровода—сталь 1512. При расчете рассеянием пренебречь и магнитное поле в зазо­ре считать равномерным.

Рис. 5

Как изменится ток в обмотке катушки, если при неиз­менном значении магнитной индукции в зазоре В₀ = 1 Тл сечение первого участка S₁ изменить и сделать равным S₂?

13. Ш-образный магнитопровод выполнен из пластин стали 1212.

На рис. 6 указаны размеры: а= 16 мм, b = 20 мм, с= 16 мм, h = 40мм, δ = 0,5 мм. Определить магнитодвижущую силу катушки, если индукция в воздуш­ном зазоре B₀=1,25Тл. При расчете по­током рассеяния пренебречь. Коэффициент заполнения стали принять равным k_з.с. = 0,9.

Ввиду полной симметрии разветвлен­ной магнитной цепи относительно верти­кальной оси АA , проходящей через сере­дину магнитопровода, магнитный поток, создаваемый катушкой, разветвляется на два равных потока. Следовательно, рас­чет этой цепи можно вести по одной ее половине.

Рис 6

14. Магнитопровод, показанный на рис. 7, а, выполнен из стали 1212. Какой ток нужно установить в намагничивающих ка­тушках с числом витков 260 у каждой, чтобы создать в воздушном зазоре магнитный поток Ф = 32,4*10^-4 Вб? При расчете потоками рассеяния пренебречь. Размеры сердечника (в сантиметрах) и на­правления токов в обмотках указаны на рисунке, коэффициент за­полнения стали k _з.с = 0,9. Какой ток нужно иметь в катушке для сохранения того же потока в воздушном зазоре, если из двух ка­тушек оставить одну и поместить ее на среднем стержне? Выполнить анализ схем замещения магнитной цепи для обоих случаев.

Рис. 7

15. Определить маг­нитный поток в воздушном зазоре катушки с незамкну­тым магнитопроводом (рис. 8), если заданы средняя длина l_ср и сечение S магни­топровода, длина воздушного зазора δ, ток в обмотке I, число витков w и материал сердечника (см. табл. 5). Полем рассеяния пренебречь, поле воздушного зазора считать рав­номерным. Размеры заданы в сантиметрах, ток —в амперах. Зада­чу решить графически. Магнитные характеристики материала магнитопровода заданы табл. 4,б.

Рис.8

Таблица 5

Вариант	lср	S	δ	w	I	Материал	Рис. 8
1	100	5	0,1875	500	3	1512	а
2	50	4	0,15	500	2	1212	а
3	20	1	0,0125	54	0,28	50НП	б
4	100	5	0,15	500	2	1411	б

16. На рис. 9 , а при­веден упрощенный эскиз маг­нитной цепи двухполюсного электротехнического устройства . Используя схему замещения, представленную на рис 9,б, рассчитать график зависимос­ти магнитного потока Ф₀ в зазоре под полюсом устройства от тока возбуждения I_в в обмотках полюсов: Ф₀(I_в) и сравнить результаты с аналогичным графиком, представленным на рис. 9,в который был получен экспериментальным путем.

Индукция в зазоре B₀ = 0,2 0,8 Тл, остаточный поток Ф_ост = 2 10^-4 Вб. Число вит­ков обеих обмоток w = 1900. Статор 1 выполнен из элек­тротехнической стали 1512, поперечное сечение S_ст = = 20 см², длина магнитной линии по статору I_ст = 22 см. Якорь 2 и полюсы 3 выпол­нены из той же стали и имеют соответственно размеры:

S_я= 50 см², l_я = 5 см, S_п = 40 см², l_п= 2 см.

Рис. 9

17. Магнитопровод 1 и ярмо 2 электромагнита (рис. 10) выпол­нены из стали одинакового сечения S_с=2,5 см² и имеют суммарную длину l_с = 0,3 м. Определить силу F, с которой ярмо притягивается к магнитопроводу, если ток в обмотке I=1,8 А, число витков об­мотки w =110, длина воздушного зазора δ = 0,025 мм. Магнитная характеристика стали задана табл. 6.

Примечание. По мере притяжения ярма зазор δ уменьшается и сила F возрастает, расчет ведется для заданного максимального зазора.

Рис.10

Таблица 6

В, Тл	0	0,4	0,67	0,87	1,0	1.1	1,2	1,3
Н, А/м	0	100	200	300	4С0	500	600	700

При изменении расстояния между магнитопроводом и ярмом происходит изменение энергии магнитного поля

dW_эм=d(LI²/2)=I²/2*dL,

которое должно быть равно работе сил, вызывающих перемещение Fdδ, т.е. dW_эм = Fdδ, откуда

F=I²/2*dL/dδ

Ввиду малости воздушного зазора можно принять dL/dδ=L/δ . С по­мощью преобразований находим

L=Ψ₀/I=Ф₀w/I=B₀S₀w/I,

или

LI² = B₀S₀wI=B₀S₀H₀б= S₀б/μ₀,

откуда

F = .

Выражая силу F в ньютонах (Н), магнитную индукцию В₀ — в тесла (Тл), сечение S₀ — в см² и подставляя значение магнитной постоянной μ₀ = 4π ∙ ∙10^-7 Гн/м, получаем расчетную формулу F(H)= 40 (Тл) S₀ (см²).

18. Рассчитать тяговую харак­теристику подъемного электромагни­та F(δ) для значений воздушного зазора δ=1, 2, 3, 4 мм. При рас­чете потоком рассеяния и магнитным сопротивлением стали пренебречь, магнитодвижущая сила катушки электромагнита wI=2500 А. Размеры электромагнита на рис.11 указаны в миллиметрах.

Рис. 11

Магнитодвижущая сила катушки электромагнита расходуется на прохождение магнитного потока через воздушные зазоры, тело электромагнита и поднимаемую деталь: wI = 2δH₀ + ( l_M + l₂ )H_c + l_м.д.Н_д, или в случае пренебрежения магнитными со­противлениями участков в теле электромагнита и сопротивлением участка поднимаемой детали

wl = δ₁H₀₁ + δ₂H₀₂ =R_м0Ф = (R_м01 + R_м02) Ф , (1)

где R_m01 = δ₁/μ₀S₁ и R_м02 = δ₂/(μ₀S₂)—магнитные сопротивления воз­душных зазороз средней (S₂) и внешней (S₁) частей электромагнита. Сила тяги электромагнита состоит из двух различных сил:

F = F₁ + F₂,

где

F₁= F₂= (2)

Магнитные индукции воздушных зазоров

B₁=Ф/S₁=w_l/((R_м01+R_м02)S₁)= ,

B₂=Ф/S₂=w_l/((R_м01+R_м02)S₂)= . (3)

Подставляя соотношения (6) в (5), получаем

F₁= , (4)

F₂= .

Задаваясь значениями δ₁ = δ₂ = l, 2, 3, 4 мм и подставляя в (7) площади средней S₂ и внешней (S₁) частей электромагнита

S₁ = (D² – d²)/4*π = 0.0887 м², S₂ = /4*π = 0,081 м²,

Полученные в процессе расчета данные свести в таблицу и построить тяговую характеристику электромагнита.

19. Катушку электромагнита переменного тока, рассчитанную на

220 В с числом витков 880 из про­вода ПЭЛ диаметром 0,75 мм,

пересчитать на напряжение 110 В постоянного тока. Определить

число витков, марку и диаметр провода.

В эксплуатационной практике для увеличения надеж­ности работы контакторов переменного тока катушки их иногда включают на постоянный ток. При включении катушки в сеть переменного тока она об­ладает активным R_K и индуктивным х_к сопротивлением, т.е.z_k= ,

где z_k — полное сопротивление катуш­ки, Ом.

Ток катушки при этом

.

При включении катушки в сеть постоянного тока она об­ладает лишь активным сопротивлением, в результате чего ток катушки будет в несколько раз больше номиналь­ного и катушка сгорит. Поэтому при включении катушки в сеть постоянного тока последовательно с ней необхо­димо подключить резистор, который ограничивает ток ка­тушки до номинального тока.

При решении задачи определить сопротивление резистора.

Разработать электрическую схему включения катушки переменного тока на постоянный ток с добавоч­ным сопротивлением.

20. Катушка электромагнита постоянного тока на 220 В S3₁ = 25% имеет данные: d₁ = 0,95 мм; w = 6560; марка ПЭЛ. Требуется пере­считать катушку на S3₂ = 40%. Определить сопротивление резистора в цепи переменного тока катушки электромагнита для включения его на постоянный ток напря­жением 110 В.

При пересчете катушек аппаратов с одной продолжи­тельности включения S3₁ (%) на другую продолжитель­ность включения S3₂(%) основные параметры катушек определяются из выражений:

d₂=d₁ ; w₂=w_{1 -} для аппаратов постоянного тока; d₂=d_{1 ;} w₂=w₁ — для аппаратов

переменного тока, где d₁, d₂ и w₁, w₂ — диаметры прово­дов без изоляции и число витков соответственно для продолжительности включения S3₁ и S3₂.

Примечание: пересчет обмоточных данных катушек электромагнит­ных аппаратов (при сохранении их нормального объема) основан на следующих условиях.

1. Магнитный поток, создаваемый катушкой, а следо­вательно, ее намагничивающие силы должны оставаться неизменными I₁w₁=I₂w₂= ... Iw = пост., где I₁, I₂...w₁, w₂...— ток и число витков катушки при напряжениях се­ти U₁, U₂...

2. Тепловые потери в катушке должны оставаться не­изменными R₁ = R₂ = ...RI² = пост., где R1, R2 ... I₁, I₂ — сопротивление и ток катушки при напряжениях сети U₁ и U₂...

3. Число витков катушки, при котором четко сра­батывает контактор, пускатель и т. д., можно считать прямо пропорциональным напряжению, подводимому к катушке, ибо на каждый виток должно приходиться оп­ределенное напряжение для четкости срабатывания ап­парата; сечение же провода катушки — обратно пропор­ционально напряжению. При уменьшении сечения прово­да катушка может нагреться до недопустимой величины, при увеличении же сечения ее габариты могут превзойти допустимые размеры.

21. Определить число витков и действующий эквивалентный ток в обмотке катушки электромагнита ( рис. 5 ), включенной в сеть с напряжением U =220 В, чсастотой 50 Гц. Магнитная индукция в магнитопроводе из стали 1512 ( кзс= 0,95 ) ВM =1,4 Тл, плотность материала магнитопровода γ=7,8 г/ cм3. Магнитное поле в воздушном зазоре считать равномерным. Активным сопротивлением обмотки пренебречь. Размеры магнитопровода указаны в миллиметрах.

22. Определить сопротивления Rо и Xо схемы замещения катушки электромагнита с ферромагнитным сердечником по следующим данным: действующее значение напряжения на катушке 120 В, действующее значение тока 1,5 А, потери мощности в катушке, измеренные ваттметром 20 Вт, сопротивление обмотки 4 Ом. Полем рассеяния пренебречь.

23. Построить в масштабе векторную диаграмму катушки электромагнита с ферромагнитным сердечником, к зажимам катушки подведено синусоидальное напряжение 220 В. При токе равном 0,25 А мощность катушки равна 25 Вт. Число витков катушки W= 500, активное сопротивление обмотки катушки равно 240 Ом. Индуктивное сопротивление рассеяния катушки равно 120 Ом.

Список литературы

1. Чунихин А.А. Электрические аппараты.- М.: ООО «ИД Альянс», 2008.-720 с.

2. Электрические и электронные аппараты. Под общей редакцией Розанова Ю.К. - М.: Высшая шк., 2002.- 528 с.

3. Электротехнический справочник. Т.2 / Под общ. ред. В.Г. Герасимова._-М.: Энергоатомиздат, 1986 – 712 с.

4. Основы теории электрических аппаратов / под редакцией И.С. Таева. М.: Высшая шк., 1987, 352 с.