Плавкий предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, который используется для отключения защищенной цепи. Его назначение – это защита электрической сети и электрооборудования от короткого замыкания и значительной перегрузки. Основными параметрами изделий являются номинальный и предельно отключаемый ток, а также номинальное напряжение. В этой статье мы подробно рассмотрим плавкие предохранители: их назначение, типы, устройство и принцип действия.

Как работает устройство?

Плавкий предохранитель работает в двух режимах, которые значительно отличаются друг от друга.

1. Нормальный режим сети. В этом режиме нагрев устройства происходит, как установившейся процесс. При этом он полностью нагревается до определенной температуры и отдает выделяемую теплоту в окружающую среду. На каждом элементе указывается так называемая номинальная сила тока (как правило, указывается наибольшее значение тока элемента конструкции). В предохранитель можно вставить плавкий элемент разной номинальной силы тока.
2. Режим коротких замыканий и . Прибор сконструирован так, что при возрастании силы тока в сети, он мог сгореть за кратчайшее время. Для этого плавкий элемент на отдельных участках делают с меньшим сечением, где выделяется больше теплоты, чем на широких участках. При перегорают практически все или полностью все зауженные участки. Когда плавится элемент, вокруг него создается электрическая дуга, гашение которой происходит в патроне механизма.

Сила тока должна указываться на корпусе прибора, а также должно учитываться максимально разрешенное напряжение, при котором прибор не выйдет из строя.

На графике ниже указывается зависимость времени перегорания плавкого элемента от тока:

Где l10 – это ток, при котором происходит плавление элемента и отключение его от сети за 10 с.

Разновидности и типы элементов

Плавкие предохранители делятся на два вида: низковольтные и высоковольтные. Деление это объясняется величиной напряжения рабочей электросети, в которой используется предохранитель.

Низковольтные приборы маркируются как ПН или ПР и рассчитаны для напряжения до 1000 В. В низковольтных устройствах ПН вокруг вставки из меди находится мелкозернистый наполнитель. Применение их рассчитано до 630 Ампер.

Прибор ПР более простой (на фото ниже), чем ПН, но при коротком замыкании и они способны гасить электрическую дугу. Рассчитаны на токи от 15 до 60 Ампер.

По конструктивным особенностям предохранители делятся на патронные, пробочные, пластичные и трубчатые. По типу исполнения выпускают разборные и неразборные изделия. У разборных есть возможность доступа к вставке. Конструкция разбирается и сгоревшая вставка заменяется на новую. Неразборные сконструированы из стеклянной колбы, поэтому считаются одноразовыми и замене вставки не подлежат.

Конструкция

Современный плавкий предохранитель состоит из двух частей:

• основание из электроизоляционного материала с металлической резьбой (необходимо для соединения с электрической цепью);
• сменная вставка, которая плавится.

Основа устройства – вставка, которая сгорает или плавится при коротком замыкании. Для того чтобы погасить дугу, которая образовывается в результате перегорания сменной вставки, устанавливают дугогасящие приспособления.

Выводы вставки соединяются с клеммами таким образом, что предохранитель подключается в линию электрической цепи. Для этого применяют специальные надежные крепежные клеммы (держатели), которые должны обеспечивать хороший контакт. Если его не будет – то в этом месте может возникнуть нагрев.

Особенностью конструкции предохранителей считается то, что устройство сгорает раньше, чем повреждаются другие части механизма. Ведь его легче заменить, чем микросхему или другой компонент оборудования. Поэтому такую деталь и выбирают с тем учетом, чтобы скорость его плавления была больше, чем в проводах линии. Их температура не должна достигнуть опасного уровня, так как это приведет к выходу из строя оборудования.

Конструкция механизма пробочного типа имеет вид патрона, в который вкручивается плавкий предохранитель с цоколем. При возникновении аварийной ситуации перегорает пробка. На сегодня это пробка имеет вид кнопки, похожей на обычный выключатель. Эта кнопка после аварии возвращает устройство в рабочее состояние.

Помимо того, что плавкий компонент защищает электрическую цепь от повреждений, он еще и защищает от пожаров и возгораний. Ведь обычный провод может соприкасаться с горючими материалами в момент возгорания, а деталь сгорает внутри корпуса прибора.

Номиналы устройства подбираются по наименьшим расчетным токам электрической сети или отдельной части электрической цепи. Таблица номиналов предоставлена ниже:

Если необходимо сменить такой компонент на АВ (автоматические выключатели), то их номинал должен быть на шаг больше составляющей части. Например:

О том, мы рассказывали в соответствующей статье.

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

Материал плавких вставок

Плавкие вставки изготовляются из меди, цинка, свинца или серебра. Основные технические данные этих материалов под углом зрения их применимости для плавких вставок приведены в табл. 1.

Таблица 1.

В современных наиболее совершенных предохранителях отдают предпочтение медным вставкам с оловянным растворителем. Широко распространены также цинковые вставки. Медные вставки для предохранителей наиболее удобны, просты и дешевы. Улучшение их характеристик достигается наплавлением оловянного шарика в определенном месте, примерно в середине вставки. Такие вставки применяются, например, в упомянутой серии насыпных предохранителей ПН2. Олово плавится при температуре 232° С, значительно меньшей, чем температура плавления меди, и растворяет медь вставки в месте соприкосновения с нею. Появляющаяся при этом дуга уже расплавляет всю вставку и гасится. Цепь тока оказывается отключенной.
Таким образом, наплавление оловянного шарика приводит к следующему.
Во-первых, медные вставки начинают реагировать с выдержкой времени на столь малые перегрузки, на которые они при отсутствии растворителя вовсе не реагировали бы. Например, медная проволока диаметром 0,25 мм с растворителем расплавилась при температуре 280° С за 120 мин.
Во-вторых, при одной и той же достаточно большой температуре (т. е. при одинаковой нагрузке) вставки с растворителем реагируют много быстрее, чем вставки без растворителя. Например, медная проволока диаметром 0,25 мм без растворителя при средней температуре 1000° С расплавилась за 120 мин, а такая же проволока, но с растворителем при средней температуре только 650° С расплавилась всего за 4 мин.
Применение оловянного растворителя позволяет иметь надежные и дешевые медные вставки, работающие при сравнительно низкой эксплуатационной температуре, имеющие относительно малый объем и вес металла (что благоприятствует коммутационной способности предохранителя) и в то же время обладающие большим быстродействием при больших перегрузках и реагирующие с выдержкой времени на относительно малые перегрузки. Отношение Iп ог:Iв у таких вставок относительно невелико (не более 1,45), что облегчает условия выбора проводников, защищаемых такими плавкими вставками от перегрузок.
Цинк часто используется для изготовления плавких вставок. В частности, такие вставки применяются в упомянутой серии предохранителей ПР2. Вставки из цинка более устойчивы против коррозии. Поэтому, несмотря на относительно малую температуру плавления, для них, вообще говоря, можно было бы допустить такую же предельную эксплуатационную температуру, как для (меди 250°С), и конструировать вставки с меньшим сечением. Однако электрическое сопротивление цинка примерно в 3,4 раза больше, чем у меди. Чтобы сохранить ту же температуру, надо уменьшить потери энергии в ней, соответственно увеличив ее сечение. Вставка получается значительно более массивной. Это при прочих равных условиях приводит к понижению коммутационной способности предохранителя. Кроме того, при массивной вставке с температурой 250°С не удалось бы в тех же размерах удержать на допустимом уровне температуру патрона и контактов. Все это заставляет снизить предельную температуру цинковых вставок до 200°С, а следовательно, еще больше увеличивать сечение вставки. В итоге предохранители с цинковыми вставками при тех же размерах обладают значительно меньшей устойчивостью к токам короткого замыкания, чем предохранители с медными вставками и оловянными растворителями.
При большой потребности плавкие вставки на ряде предприятий изготовляют в собственных электроремонтных мастерских. При этом материалы, из которых выполняют элементы плавких вставок, должны быть тщательно калиброваны и не менее 10 % готовых плавких вставок выборочно испытаны на минимальный и максимальный токи.
За минимальный принимают ток, при котором плавкая вставка не должна перегореть за время менее 1 ч. Обычно этот ток равен 1,3-1,5 ее номинального тока, т. е.Imin=(l,3-1.5)Iном.
За максимальный принимают ток, при котором плавкая вставка должна перегореть за время менее 1 ч, обычно он составляет (l,6-2,l)Iном.
Изготовляемые вставки предохранителей по своим качествам, характеристикам и номинальным токам должны отвечать требованиям соответствующих ГОСТов.
Вставки кустарного изготовления применять недопустимо, так как в лучшем случае они защищают установку только от токов к. з. Для крепления цинковой плавкой вставки должны быть обязательно использованы стальная шайба увеличенного диаметра и пружинящая шайба. При отсутствии этих шайб цинк постепенно выдавливается из-под контактного болта и ослабляет контакт. В патроне предохранителя ПР нельзя устанавливать медную вставку без оловянного растворителя, поскольку при высокой температуре плавления медной вставки фибровый патрон быстро разрушается.

Перегоревшие плавкие вставки следует заменять запасными заводской калибровки. Если таких нет, их можно временно заменить заранее подготовленными проволочками, расчитанными на определенный ток. Диаметры и материалы проволочек приведены в табл 2.

Таблица 2.

Корпус плавких вставок предохранителей изготавливают из высокопрочных сортов специальной керамики (фарфор, стеатит или корундомуллитовая керамика) для обеспечения их высокой разрывной способности. Некоторые зарубежные фирмы (США, Япония) корпуса для предохранителей выполняют из стеклоткани, пропитанной кремнийорганической смолой. Анализ механических стволов литьевых смол подтверждает, что они могут быть использованы для изготовления корпусов предохранителей. Прочность на растяжение изготовленных таким образом корпусов выше прочности аналогичного по размеру корпуса из керамики со стальными крышами. Основным фактором, препятствующим применению смол, является их старение при повышенных температурах. При температуре корпуса, не превышающей 30 0 С, не обнаруживается старения, но при более высокой температуре механические и электрические свойства смол со временем ухудшаются. В связи с тем, что возможны значительные перегревы корпуса предохранителя как в номинальном режиме (до 120 0 С), так и в области токовых перегрузок, применение изоляционных смол для изготовления корпусов и других элементов конструкции предохранителей станет возможным только после создания литьевых смол с достаточно большой термической стойкостью в различных режимах работы предохранителей.

Фирма «Фриц Дришер» (ФРГ) изготовила предохранители с шарообразным корпусом из эпоксидной смолы, что значительно упростило массовое производство предохранителей. Для повышения механической прочности в эпоксидную смолу добавляют волокнистый материал. В таком предохранителе отсутствуют резьбовые соединения. Эти предохранители влагонепроницаемы. Но такие предохранители предназначены только для отключения больших токов короткого замыкания, поскольку при малых токовых перегрузках возникают недопустимые перегревы корпуса из смолы.

Для корпусов предохранителей с малыми номинальными токами обычно используются специальные стекла.

КОНСТРУКЦИЯ ПЛАВКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Все разновидности плавких элементов можно разделить на две группы: постоянного по длине плавкого элемента поперечного сечения и переменного. Плавкие элементы постоянного сечения обычно изготавливают из проволоки, а плавкие элементы переменного сечения – из металлической фольги или тонкой металлической пленки.

Отношение поперечного сечения широкой части плавкого элемента к поперечному сечению узкого перешейка определяет вид защитной характеристики. Например, для быстродействующих предохранителей обычно используются плавкие элементы с отношением более пяти. Характеристики для инерционных и нормально действующих предохранителей получаются при отношении менее пяти.

Плавкие элементы постоянного сечения обычно имеют плотность тока намного меньше, чем в плавких элементах переменного сечения. При срабатывании предохранители с плавкими элементами постоянного сечения имеют большие значения тока плавления и интеграла плавления, большие перенапряжения, но длительность горения дуги и отношения максимального значения пропускаемого тока к току плавления в этих предохранителях существенно меньше.

С повышением номинального напряжения предохранителя в плавких элементах переменного сечения увеличивается число последовательно соединенных узких перешейков, что необходимо для того, чтобы при срабатывании предохранителей на каждом перешейке загоралась отдельная дуга. В результате увеличения числа последовательно горящих дуг происходит более быстрое нарастание напряжения на предохранителе, чем в тех случаях, когда плавкий элемент имеет только один узкий перешеек.

Создание нескольких относительно узких параллельных каналов горения электрической дуги улучшает условия ее гашения за счет использования большего количества материалов наполнителя и уменьшения тока в каждой из параллельных дуг, поэтому при конструировании плавкие элементы предпочитают делить на ряд параллельных ветвей. Число параллельных ветвей ограничивается технологическими трудностями изготовления узких перешейков малых размеров.

Температура плавких элементов в различных режимах работы предохранителей изменяется в значительных пределах. Вследствие этого происходит большее или меньшее удлинение плавкого элемента. Некоторый разброс размеров корпусов плавких вставок приводит также к разбросу длин плавких элементов от предохранителя к предохранителю, поэтому в плавких элементах предусматривают по длине несколько изгибов, компенсирующих разницу в длинах корпуса и плавкого элемента в результате воздействия различных факторов.

Качество предохранителей в значительной степени зависит от значений переходных электрических сопротивлений. Как показали исследования, при плохом контактном соединении плавкого элемента с контактами плавкой вставки переходное сопротивление может достигать 50% электрического сопротивления плавкого элемента. Из-за этого предохранители перегреваются в номинальном режиме работы, сокращается их срок службы. Кроме того, при плохом контактном соединении нарушается воспроизводимость результатов испытаний от одного образца к другому. Все плавкие элементы предохранителей с большими номинальными токами присоединяются к контактным выводам сваркой, обеспечивающей хорошее качество контактного соединения. Для предохранителей с малыми номинальными токами используется иногда пайка мягкими припоями, но чаще механическое обжатие. В разборных предохранителях плавкий элемент соединяется с выводами плавкой вставки болтовым зажимом.

КОНСТРУКЦИЯ УКАЗАТЕЛЕЙ СРАБАТЫВАНИЯ ПЛАВКИХ ВСТАВОК

Плавкие элементы современных предохранителей находятся внутри непрозрачного корпуса, и состояние плавкого элемента визуально определить невозможно. Особенно важно иметь представление о состоянии плавкого элемента для предохранителей с большими номинальными токами из-за значительных трудностей, связанных с установкой и снятием предохранителя. В связи с этим применяются различного типа указатели, которые показывают, перегорел ли плавкий элемент предохранителя.

Имеется большое количество патентов на конструкции указателей. Наиболее широкое применение получил указатель срабатывания, использующий тот же принцип, что и основной плавкий элемент, - расплавление под действием сверхтока. Для создания такого указателя тонкая металлическая проволока с достаточной механической прочностью на растяжение электрически присоединяется параллельно основному плавкому элементу. При протекании через предохранитель сверхтока перегорают основной плавкий элемент и проволочка указателя. Проволочка указателя срабатывания закрепляется с одной стороны наглухо, а с другой подсоединяется к штифту, который подтягивается с помощью пружины в специальное отверстие. Проволочка указателя срабатывания находится в кварцевом песке. Ее длина обычно приблизительно равна длине плавкого элемента, что необходимо для надежного гашения дуги при номинальном напряжении предохранителя.

Указатели срабатывания такого типа изготавливаются двух видов: автономные – в виде небольшой плавкой вставки с высокоомным плавким элементом и наполнителем, устанавливаемые в собственном корпусе вне плавкой вставки и встроенные в корпус плавкой вставки. Автономные указатели срабатывания иногда крепятся непосредственно на плавкой вставке, а иногда устанавливаются совсем в стороне от предохранителя, имея с ним только электрическую связь. Последнее характерно для предохранителей фирмы «Инглиш электрик» (Великобритания).

После перегорания проволочки указателя срабатывания освобождается пружина, которая выталкивает штифт, окрашенный в яркий цвет и являющийся визуальным указателем того, что предохранитель перегорел. Иногда штифт служит и бойком, воздействующим на вспомогательные контакты предохранителя. В результате этого сигнал о срабатывании предохранителя передается на соответствующие органы управления.

В зависимости от соотношения электрических сопротивлений и теплофизических параметров основного плавкого элемента и указателя при срабатывании предохранителя могут наблюдаться три различных случая:

1) первоначальное расплавление основного плавкого элемента, горение дуги на нем. Активное сопротивление указателя шунтирует дугу основного плавкого элемента, способствуя снижению скорости нарастания напряжения на промежутке и снижению пика напряжения;

2) первоначальное расплавление проволоки указателя, а затем расплавление основного плавкого элемента. В связи с тем, что основной плавкий элемент имеет малое активное сопротивление, он будет шунтировать промежуток, образовавшийся после расплавления проволоки указателя, и препятствовать сколько-нибудь длительному горению дуги в указателе;

3) почти одновременное расплавление основного плавкого элемента и проволоки указателя срабатывания. Горение дуги на указателе может происходить до конца горения дуги на основном плавком элементе в одних случаях, а в других – горение дуги на указателе прекратится намного раньше, чем в основном плавком элементе

К сожалению, указатели рассматриваемого типа обладают нестабильностью срабатывания. При малых напряжениях и при малых токовых перегрузках проволока перегорает на небольшом участке. Если этот участок находится на большом расстоянии от пружины и если плотность упаковки песчаного наполнителя в корпусе указателя большая, силы трения проволоки о песчаный наполнитель могут превысить силу упругости пружины и указатель срабатывания может не сработать. Недостатком этих указателей является также то, что при случайном механическом обрыве плавкого элемента в процессе сборки или по какой-либо другой причине указатель срабатывания не показывает действительное состояние предохранителя без включения напряжения.

В качестве визуальных указателей срабатывания используют также газоразрядные лампы и светодиоды, включенные параллельно плавкой вставке. Но стоимость таких указателей срабатывания выше, а надежность их в работе ниже, чем у описанных выше указателей срабатывания.

ЗАКРЫТЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Закрытые предохранители обычно выполняются в виде фибровой трубки, закрытой с концов латунными колпаками. Внутри трубки плавкие вставки. Образующаяся при сгорании вставки электрическая дуга горит в закрытом объеме. При горении дуги стенки выделяют газ, давление в трубке повышается, дуга гаснет.

Закрытые предохранители серии ПР-2 (разборные) имеют номинальные токи от 100А до 1000 А, предельные отключаемые токи при напряжении 380В и cosj³0.4 составляют от 6 кА до 20 кА. Вставки в основном с перешейками.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ С НАПОЛНИТЕЛЕМ (ЗАСЫПНЫЕ)

Плавкие вставки размещаются в среде мелкозернистого твердого наполнителя (например: мел, кварцевый песок), помещающегося в фарфоровом или пластмассовом корпусе. Возникающая при плавлении вставок электрическая дуга тесно соприкасается с мелкими зернами наполнителя, интенсивно охлаждается, деионизируется и поэтому быстро гасится.

Засыпные предохранители серии ПН-2 имеют номинальные токи от 100 А до 600 А, предельный отключающий ток при напряжении 500 В () находится в пределах от 25 кА до 50 кА. Серии ПП31 на номинальные токи от 63 А до 1000 А, предельный ток отключения до 100 кА при напряжении 660 В.

В таких предохранителях применяют параллельные вставки, что позволяет при том же суммарном поперечном сечении вставок получить большую поверхность охлаждения.

ИНЕРЦИОННЫE ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Характеристика на участке б-в обеспечивается нормальной вставкой увеличенного сечения, а на участке а-б другим элементом.

Серия ИП на напряжение 30 В и токи от 5 А до 250 А.

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ – ток до 250 кА при напряжении 450 В переменного тока. Предохранители работают многократно с большим токоограничением. (Устройство рассмотрите самостоятельно; Чунихин, стр. 514-515).

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ. ПП-57 на номинальные токи (40-800) А, ПП-59 на номинальные токи (250-2000) А. Номинальные напряжения составляют до 1250 В переменного и 1050 В постоянного тока.

БЛОК ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ . БПВ номинальный ток до 350 А при переменном напряжении до 550 В.

ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Предохранители выбирают

1. по условию пуска и длительной эксплуатации;

2. по условию селективности.

1 В процессе длительной эксплуатации температура нагрева предохранителя не должна превосходить допустимых значений. В этом случае обеспечивается стабильность времятоковых характеристик предохранителя. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы патрон и плавкая вставка выбирались на номинальный ток, равный или несколько больший номинального тока защищаемой установки.

Предохранитель не должен отключать установку при перегрузках, которые являются эксплуатационными (так, пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может достигать семикратного значения номинального тока. По мере разгона пусковой ток падает до значения, равного номинальному току двигателя. Длительность пуска зависит от характера нагрузки).

Для двигателей с легкими условиями пуска (двигатели насосов, вентиляторов, станков)

,т.е. номинальный ток вставки выбирается по пусковому току нагрузки.

Для тяжелых условий пуска, когда двигатель медленно разворачивается (привод центрифуги, краны, дробилки), или в повторно-кратковременном режиме, когда пуски проходят с большой частотой, вставки выбирают с еще большим запасом

Если предохранитель стоит в линии, питающей несколько двигателей, плавкая вставка выбирается по формуле:

где – расчетный номинальный ток линии, равный .

Разность берется для двигателя, у которого она наибольшая.

Для сварочных трансформаторов условия выбора предохранителя следующие: ,где ПВ – продолжительность включения.

2 Выбор предохранителей по условию селективности.

Между источником энергии и потребителем обычно устанавливается несколько предохранителей, которые должны отключать поврежденные участки по возможности селективно.

Предохранитель , пропускающий больший номинальный ток, имеет вставку большего сечения, чем предохранитель , установленный у одного из потребителей.

При КЗ необходимо, чтобы повреждение отключалось предохранителем, расположенным у места повреждения. Все остальные предохранители, расположенные ближе к источнику, должны остаться работоспособными. Такая согласованность работы предохранителей называется избирательностью или селективностью.Для обеспечения селективности полное время работы () предохранителя должно быть меньше времени нагрева предохранителя до температуры плавления его вставки, т.е.t пл1 ³t р2 .Для обеспечения селективности наименьшее фактическое время срабатывания предохранителя (на больший ток) должно быть больше наибольшего времени срабатывания предохранителя (на меньший номинальный ток): ,где и - время срабатывания предохранителя на больший и меньший номинальные токи, соответствующие номинальной характеристике.

Время срабатывания предохранителя из-за производственных допусков может отклоняться от номинального на . Тогда приведенное неравенство можно записать в виде .Множители 0,5 и 1,5 учитывают, что предохранитель взят с отрицательным допуском по времени срабатывания, а предохранитель - с положительным. В результате получим необходимое условие селективности: ,т.е. для селективной работы время срабатывания предохранителя на больший ток должно быть в 3 раза больше, чем у предохранителя на меньший ток.Для однотипных предохранителей для проверки селективности достаточно проверить при наибольшем токе вставку с меньшим номинальным током.

Для разнотипных предохранителей проверка селективности производится по всему диапазону токов: от 3 х фазного КЗ в конце защищаемого участка до номин ального тока плавкой вставки.

10 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (АВТОМАТЫ)

Автоматические выключатели , как правило, предназначаются для отключения поврежденного участка сети при возникновении в нем аварийного режима (короткое замыкание, ток перегрузки, пониженное напряжение). Термическое и электродинамическое (при коротком замыкании) воздействия повышенных токов могут привести к выходу из строя электрооборудования. В условиях пониженного напряжения, если механический момент нагрузки на валу остается неизменными, через работающие двигатели также будет протекать повышенный ток.

Автомат в отличие от контактора имеет узел элементов защиты, автоматически обнаруживающий появление в сети ненормальных условий и дающий сигнал на отключение. Если контактор рассчитывается лишь на отключение токов перегрузки, которые достигают нескольких тысяч ампер, то автомат должен отключать токи короткого замыкания, достигающие многих десятков и даже сотен килоампер. Кроме того, автомат редко отключает электрическую цепь, в то время как контактор предназначается для частых оперативных коммутаций номинальных токов нагрузки.

Различают несколько разновидностей автоматов: универсальные (работают на постоянном и переменном токе), установочные (предназначаются для установки в общедоступных помещениях и выполняются по типу установочных изделий), быстродействующие постоянного тока и гашения магнитного поля мощных генераторов.

Рисунок – Конструктивная схема автомата

На рисунке дана условная конструктивная схема универсального автомата в упрощенном изображении. Автомат коммутирует электрическую цепь, подсоединяемую к выводам А и Б. В указанном положении автомат отключен и силовая электрическая цепь разомкнута. Чтобы включить автомат, надо вращать вручную по часовой стрелке рукоятку 3. Создается усилие, которое, перемещая рычаги 4 и 5 вправо, будет поворачивать основную несущую деталь 6 автомата вокруг неподвижной оси О по часовой стрелке. Замыкаются и включают цепь тока вначале дугогасительные 8 и 10, а затем главные 7 и 11 контакты автомата. После этого вся система остается в крайнем правом положении, зафиксированном специальной защелкой, и удерживается ею (на рисунке не показана).

Отключающая пружина 2 взводится при включении автомата. При подаче команды на отключение она отключает автомат. Когда по катушке электромагнитного расцепителя 1 протекает ток короткого замыкания, на его якоре создается электромагнитная сила, переводящая рычаги 4 и 5 вверх за мертвую точку, в результате чего автомат пружиной 2 отключается автоматически. При этом контакты размыкаются, и возникающая на них дуга выдувается в дугогасительную камеру 9 и гасится в ней.

Система рычагов 4 и 5 выполняет функции механизма свободного расцепления, который в реальных автоматах имеет более сложное устройство. Механизм свободного расцепления позволяет автомату отключаться в любой момент времени, в том числе и в процессе включения, когда включающая сила воздействует на подвижную систему автомата. Если рычаги 4 и 5 переведены вверх за мертвую точку, то жесткая связь между системами приводной и подвижной нарушается. Мертвая точка соответствует такому положению рычагов, когда прямые линии и , соединяющие оси вращения, совпадают по направлению друг с другом. Автомат немедленно отключается за счет действия возвратной пружины 2, независимо от того, воздействует ли включающая сила на приводную систему автомата или нет.

Механизм свободного расцепления предотвращает возможность следующих друг за другом циклов “отключения-включения” автомата (“прыгание автомата”) при возможном включении его на существующее в цепи короткое замыкание. Представим себе, что при соприкосновении контактов включающегося автомата по цепи пройдет ток короткого замыкания. В этом случае максимальный расцепитель 1 сработает и переведет рычаги механизма свободного расцепления 4 и 5 вверх за мертвую точку. Автомат отключится и больше не включится, так как механическая связь между включающей силой и подвижной системой автомата нарушена. Если бы не было механизма свободного расцепления, то после автоматического отключения автомата последовало бы его немедленное повторное включение под воздействием силы включающего устройства, которая к этому времени могла оказаться неснятой. Произошли бы быстро следующие друг за другом многократные отключения и включения автомата в тяжелом режиме короткого замыкания, что может привести к разрушению автомата.

При отключении автомата первыми размыкаются главные контакты 7 и 11, и весь ток перейдет в параллельную цепь дугогасительных контактов 8 и 10 с накладками из дугостойкого материала. На главных контактах дуга не должна возникать, чтобы эти контакты не обгорали. Дугогасительные контакты размыкаются, когда главные контакты расходятся на значительное расстояние. На них возникает электрическая дуга, которая выдувается вверх и гасится в дугогасительной камере 9.

При включении автомата первыми замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные. Возможная из-за вибрации контактов электрическая дуга возникает и гасится лишь на дугогасительных контактах.

Быстродействующие автоматы предназначаются для защиты установок постоянного тока (транспортные, преобразовательные). Их собственное время срабатывания – доли миллисекунды, обычных автоматов – десятые доли секунды.

Быстрое размыкание контактов при возникновении аварийного режима в сети определяет характерную особенность этих автоматов. Сопротивление рано появляющейся на контактах электрической дуги, включенное последовательно в отключаемую цепь, ограничивает ток короткого замыкания, не давая ему, возрасти до установившегося значения. Быстродействие аппарата достигается применением поляризованных электромагнитных устройств в приводе, интенсивных дугогасительных устройств, магнитных систем, в которых изменяющиеся магнитные потоки не сцепляются с замкнутыми обмотками и проходят по шихтованной части магнитопроводов (борьба с замедляющим влиянием вихревых токов) и т.д., а также максимальным упрощением кинематической схемы аппарата и ликвидацией промежуточных звеньев между измерительным органом (расцепителем) и контактами.

РАСЦЕПИТЕЛИ АВТОМАТОВ

Расцепители в автоматах являются измерительными органами. Они контролируют величину соответствующего параметра защищаемой цепи и дают сигнал на отключение автомата, когда он достигает заданного значения, называемого уставкой (ток срабатывания, напряжения срабатывания и т.д.). В расцепителях предусмотрены возможности регулирования уставки в достаточно широких пределах. Это необходимо для осуществления селективной (избирательной) защиты электрической сети, в которую включен автомат.

Селективность защиты достигается прежде всего за счет разного времени срабатывания предыдущей и последующей ступени защиты. Разница во времени срабатывания этих ступеней называется ступенью селективности во времени . Существует также ступень селективности по току.

В разветвленной сети нарастание выдержки времени от одной ступени защиты к другой может привести к недопустимо большой величине этой выдержки на последних ступенях защиты. Длительное протекание большого тока короткого замыкания (10 кА) может привести к недопустимому нагреву проводов в цепи. Поэтому при больших токах целесообразно осуществлять мгновенное отключение автомата (расположенного близко к месту которого замыкания) при помощи расцепителя токовой отсечки.

На величину тока кроме электромагнитного может реагировать тепловой расцепитель, устройство которого аналогично тепловому реле. Этот расцепитель не используется для защиты от токов короткого замыкания, так как он создает при этом недопустимо высокие выдержки времени, однако позволяет получить необходимые в эксплуатацонных условиях большие выдержки времени при токах перегрузки. Тепловым расцепителям свойственны недостатки: их защитные характеристики (зависимость времени срабатывания от тока) нестабильны и меняются с температурой окружающей среды; время возврата расцепителя в исходное положение после срабатывания велико.

В автоматах применяются также расцепители минимального напряжения, подающие команду на отключение автомата при понижении напряжения ниже заданного уровня. Такие расцепители обычно строятся на электромагнитном принципе. При понижении напряжения ниже заданного уровня электромагнитная сила оказывается меньше силы возвратной пружины. Якорь электромагнита отпускается и через промежуточное звено (валик) воздействует на защелку автомата, в результате чего последний отключается.

В отличие от электромагнитного полупроводниковые расцепители, которые широко применяются в последнее время, не имеют такого большого количества подвижных механических элементов. Но главные их преимущества заключаются в улучшении эксплуатационных характеристик: широкие диапазоны регулирования токов и времени срабатывания, что позволяет унифицировать изделия и выпускать меньшую их номенклатуру, более тонкая и точная регулировка времени срабатывания при больших токах короткого замыкания и т.д. В измерительных органах таких расцепителей применяются трансформаторы тока, а одним из основных узлов у них является узел выдержки времени. В их состав входит также выходное реле, передающее сигнал на отключающий электромагнит. Выдержка времени в таких расцепителях осуществляется за счет применения контуров RC в цепях управления транзисторами и применения магнитных накопителей и бесконтактных счетчиков импульсов.

БЕЗДУГОВЫЕ КОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ

Цепь переменного тока можно отключить без образования электрической дуги, если развести контакты с достаточной скоростью непосредственно перед переходом тока через нулевое значение. В это время электромагнитная энергия, запасенная в цепи, приближается к нулю.

Рисунок Полуволна тока

На рисунке изображена полуволна переменного тока. Если точка А соответствует моменту размыкания контактов и образования дуги, то дуга в этом полупериоде будет гореть в течение времени . За это время через неё пройдет количество электричества, определяемой площадью , и выделенная в дуге энергия будет относительно большой. Когда же контакты аппарата разомкнутся непосредственно перед переходом тока через нуль (точка В), в дуге выделится значительно меньшая энергия, так как время её существования и мгновенные значения токов будут значительно меньше. Когда контакты аппарата расходятся перед переходом тока через нуль, количество электричества в стадии газового разряда определится площадью и дуговой столб не успевает накопить в своем объеме значительный запас тепловой энергии. Это тепло быстро рассеивается вблизи перехода тока через нуль, а восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка приобретает высокие значения и быстро нарастает во времени. Создаются условия, при которых дуга гаснет, не успев развиться. Отключение цепи переменного тока становиться практически бездуговым.Отключающие аппараты с фиксированным моментом расхождения контактов непосредственно перед нулевым значением переменного тока принято называть синхронными выключателями .

Основная трудность при создании синхронных выключателей заключается в достижении необходимой точности срабатывания аппарата непосредственно перед нулем тока и в разведении контактов на необходимое изоляционное расстояние за очень малое время, предшествующее переходу тока через нуль. Чтобы преодолеть эти трудности искусственно растягивается пауза тока до одного полупериода ( с при ) с помощью диодов.

КОМАНДОАППАРАТЫ И НЕАВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

К командоаппаратам относятся путевые и конечные выключатели, кнопки управления, многоцепные аппараты – ключи управления и командоконтроллеры, многочисленные пары контактов которых коммутируются в определенной последовательности при повороте рукоятки из одного положения в другое.

Путевые и конечные выключатели осуществляют коммутацию цепей управления и автоматики на заданном участке пути, проходимом управляемым механизмом. Конечные выключатели устанавливаются, например, в механизмах подъемно-транспортных устройств, в суппортах металлорежущих станков. В первом случае они ограничивают высоту подъема грузов, во втором – ход суппорта, подавая в конце контролируемого хода механизма сигнал на отключение двигателей (а в подъемниках также сигнал на срабатывание тормозного электромагнита).

Командоконтроллер – многопозиционный аппарат, управляющий катушками контакторов, главные контакты которых включены в силовые цепи электрических машин, трансформаторов и резисторов. Контроллер – это также многопозиционный аппарат, предназначенный для управления электрическими машинами и трансформаторами путем коммутации непосредственно силовых цепей обмоток машин, трансформаторов, а также резисторов. С помощью контроллеров (и командоконтроллеров) могут осуществляться пуск, регулирование скорости, реверсирование и остановка двигателей.

Пакетные выключатели – аппараты закрытого типа. Дуга возникает и гасится в ограниченном объеме, в результате давление в этом объеме повышается. С повышением давления сопротивление дуги и напряжение на ней возрастают. Физически это объясняется тем, что с повышением давления уменьшаются расстояния, на которых взаимодействуют элементарные частицы газа. Это приводит, во-первых, к усилению интенсивности теплообмена между частицами газа и улучшению условий теплопередачи от дуги и, во-вторых, к уменьшению длины свободного пробега электронов в газе. При прочих равных условиях это снижает интенсивность процессов ионизации, так как электрон на меньшей длине свободного пробега способен приобрести меньшую энергию, двигаясь в электрическом поле. Это приводит к росту сопротивления и напряжения дуги.

11 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ

КОНТАКТОРЫ И МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ

Контактор – это двухпозиционный аппарат с самовозвратом, предназначенный для частых коммутаций токов, не превышающих токи перегрузки, и приводимый в действие приводом. Этот аппарат имеет два коммутационных положения, соответствующие включенному и отключенному его состояниям. В контакторах наиболее широко применяется электромагнитный привод. Возврат контактора в отключенное состояние (самовозврат) происходит под действием возвратной пружины, массы подвижной системы или при совместном действии этих факторов.

Пускатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, остановки и защиты электродвигателей без выведения и введения в их цепи сопротивлений резисторов. Пускатели осуществляют защиту электродвигателей от токов перегрузки. Распространенным элементом такой защиты является тепловое реле, встраиваемое в пускатель.

Токи перегрузки для контакторов и пускателей не превышают (8-20)-кратных перегрузок по отношению к номинальному току. Для режима пуска двигателей с фазовым ротором и торможения противотоком характерны (2.5-4)-кратные токи перегрузки. Пусковые токи электродвигателей с короткозамкнутым ротором достигают (6-10)-кратных перегрузок по сравнению с номинальным током.

Электромагнитный привод контакторов и пускателей при соответствующем выборе параметров может осуществлять функции защиты электрооборудования от понижения напряжения. Если электромагнитная сила, развиваемая приводом, при снижении напряжения в сети окажется недостаточной для удержания аппарата во включенном состоянии, то он самопроизвольно отключится и осуществит таким образом защиту от понижения напряжения. Как известно, понижение напряжения в питающей сети вызывает протекание токов перегрузки по обмоткам электродвигателей, если механическая нагрузка на них будет оставаться неизменной.

Контакторы предназначены для коммутации силовых цепей электродвигателей и других мощных потребителей. В зависимости от рода коммутируемого тока главной цепи различают контакторы постоянного и переменного тока. Они имеют главные контакты, снабженные системой дугогашения, электромагнитный привод и вспомогательные контакты.Как правило, род тока в цепи управления, которая питает электромагнитный привод, совпадает с родом тока главной цепи. Однако известны случаи, когда катушки контакторов переменного тока получают питание от цепи постоянного тока.

Рисунок 1 - Конструктивная схема контактора

На рис. 1 изображена конструктивная схема контактора, отключающего цепь двигателя. В этом случае напряжение на катушке 12 отсутствует и его подвижная система под действием возвратной пружины 10, создающей силу F в, придет в нормальное состояние.Возникающая при расхождении главных контактов дуга Д гасится в дугогасительной камере 5.

Быстрое перемещение дуги с контактов в камеру обеспечивается системой магнитного дутья. В цепь главного тока включена последовательная катушка 1, которая размещена на стальном сердечнике 2. Стальные пластины – полюса 3, расположенные по бокам сердечника 2, подводят создаваемое катушкой 1 магнитное поле к зоне горения дуги в камере. Взаимодействие этого поля с током дуги приводит к появлению сил, которые перемещают дугу в камеру.

Контактор включит цепь с током I 0 , если подать напряжение U на катушку 12 приводного электромагнита. Поток Ф, созданный током, протекающим через катушку электромагнита, разовьет тяговую силу и притянет якорь 9 электромагнита к сердечнику, преодолев силы F в противодействия возвратной 10 и F k контактной 8 пружин.

Сердечник электромагнита оканчивается полюсным наконечником 11, поперечное сечение которого больше поперечного сечения самого сердечника. Установкой полюсного наконечника достигается некоторое увеличение силы, создаваемой электромагнитом, а также видоизменение тяговой характеристики электромагнита (зависимости электромагнитной силы от величины воздушного зазора).

Соприкосновение контактов 4 и 6 друг с другом и замыкание цепи при включении контактора произойдет раньше, чем якорь электромагнита полностью притянется к полюсу. По мере движения якоря подвижный контакт 6 будет как бы «проваливаться», упираясь своей верхней частью в неподвижный контакт 4. Он повернется на некоторый угол вокруг точки А и вызовет дополнительное сжатие контактной пружины 8. Появится провал контактов, под которым подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.

Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под. действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.

После соприкосновения, контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекатывании происходит разрушение окисных пленок и других химических соединений, которые могут появиться на поверхности контактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздействию дуги и являющиеся поэтому более «чистыми». Все это уменьшает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются).

В момент соприкосновения подвижный контакт 6 сразу же оказывает на неподвижный контакт 4 давление, обусловленное предварительным натяжением контактной пружины 8. Вследствие этого переходное сопротивление контактов в момент их касания будет небольшим и контактная площадка не разогреется при включении до значительной температуры. Кроме того, предварительное контактное нажатие, созданное пружиной 8, позволяет снизить вибрацию (отскоки) подвижного контакта при ударе его о неподвижный контакт. Все это предохраняет контакты от приваривания при включении электрической.цепи. На контактах имеются контактные накладки, выполненные из специального материала, например серебра, чтобы улучшить условия длительного прохождения тока через замкнутые контакты во включенном состоянии. Иногда применяются накладки из дугостойкого материала для уменьшения износа контактов под воздействием электрической дуги (металлокерамика «серебро-окись кадмия» и др.). Гибкая связь 7 (для подвода тока к подвижному контакту) изготовляется из медной фольги (ленты) или тонкой проволоки.

Раствором контактов называется расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электромагнита. Это приводит к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощности катушки электромагнита и его габаритов. Минимальная величина раствора контактов определяется: технологическими и эксплуатационными условиями, возможностью образования металлического мостика между контактами при разрыве цепи тока, условиями устранения возможности смыкания контактов при отскоке подвижной системы от упора при отключении аппарата. Раствор контактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.

Рисунок 2 - Прямоходовой пускатель

Изображенная на рис. 1 схема контактора поворотного типа довольно типичная. Обычно такие контакторы предназначаются для тяжелого режима работы (большая частота циклов коммутационных операций, индуктивные цепи) при относительно высоких значениях номинального тока (десятки и сотни ампер). Другой распространенный тип контакторов и пускателей - прямоходовой; он рассчитывается преимущественно на меньшие номинальные токи (десятки ампер) и более легкие условия работы. Прямоходовой пускатель (рис. 2) имеет мостиковые контакты 2 и 3, с которых дуга выдувается в дугогасительные камеры 1. Сила F k контактной пружины создает нажатие в замкнутых контактах, возвратная пружина F п возвращает подвижную систему аппарата в отключенное состояние, когда будет снято напряжение с катушки. Аппарат включается электромагнитом при подаче напряжения на его катушку 5. На полюсах электромагнита переменного тока устанавливаются короткозамкнутые витки 4, устраняющие вибрацию якоря во включенном положении аппарата.

В отличие от контактора постоянного тока в контакторе переменного тока для уменьшения потерь на вихревые токи применяют шихтованные магнитопроводы и короткозамкнутые витки на полюсах для устранения вибрации якоря. Контакторы переменного тока чаще изготовляют трехполюсными, постоянного тока - однополюсными и двухполюсными. В качестве дугогасительного устройства в контакторах на постоянном токе чаще применяются щелевые камеры, на переменном - чаще дугогасительная решетка.

Для гашения дуги применяют также камеры с дугогасительной решеткой. Дугогасительная решетка представляет собой пакет тонких металлических пластин 5 (рис. 1). Под действием электродинамических сил, создаваемых системой магнитного дутья, электрическая дуга попадает на решетку и рвется на ряд коротких дуг. Пластины интенсивно отводят тепло от дуги и гасят ее, но пластины дугогасительной решетки обладают значительной термической инерционностью - при большой частоте включений они перегреваются и эффективность дугогашения падает.

Мощные контакторы переменного тока имеют главные контакты, снабженные системой дугогашения - магнитным дутьем и дугогасительной камерой с узкой щелью или дугогасительной решеткой, как и контакторы постоянного тока. Конструктивное отличие заключается в том, что контакторы переменного тока выполняют многополюсными; обычно они имеют три главных замыкающих контакта. Все три контактных узла работают от общего электромагнитного привода клапанного типа, который поворачивает вал контактора с установленными на нем подвижными контактами. На том же валу устанавливают вспомогательные контакты мостикового типа. Контакторы имеют достаточно большие габаритные размеры. Их применяют для управления электродвигателями значительной мощности.

Для увеличения срока службы конструкция контакторов допускает смену контактов.

Существуют комбинированные контакторы переменного тока, в которых параллельно главным замыкающим контактам включают два тиристора. Во включенном положении ток проходит через главные контакты, поскольку тиристоры находятся в закрытом состоянии и ток не проводят. При размыкании контактов схема управления открывает тиристоры, которые шунтируют цепь главных контактов и разгружают их от тока отключения, препятствуя возникновению электрической дуги. Поскольку тиристоры работают в кратковременном режиме, их номинальная мощность невелика и они не нуждаются в радиаторах охлаждения.

Наша промышленность выпускает комбинированные контакторы типа КТ64 и КТ65 на номинальные токи, превышающие 100 А, выполненные на базе широко распространенных контакторов КТ6000 и снабженные дополнительным полупроводниковым блоком.

Коммутационная износостойкость комбинированных контакторов в режиме нормальных коммутаций составляет не менее 5 млн. циклов, а коммутационная износостойкость полупроводниковых блоков примерно в 6 раз выше. Это позволяет многократно использовать их в системах управления.

Для управления электродвигателями переменного тока небольшой мощности применяют прямоходовые контакторы с мостиковыми контактными узлами. Двукратный разрыв цепи и облегченные условия гашения дуги переменного тока позволяют обойтись без специальных дугогасительных камер, что существенно уменьшает габаритные размеры контакторов.

Прямоходовые контакторы обычно выпускаются промышленностью в трехполюсном исполнении. При этом главные замыкающие контакты разделяются пластмассовыми перемычками 1.

Наряду со слаботочными герконами, созданы герметичные силовые магнитоуправляемые контакты (герсиконы), способные коммутировать токи в несколько десятков ампер. На этой основе были разработаны контакторы для управления асинхронными электродвигателями мощностью до 1.1 кВт. Герсиконы отличаются увеличенным раствором контактов (до 1.5 мм) и повышенным контактным нажатием. Для создания значительной силы электромагнитного притяжения используют специальный магнитопровод.

Область применения электромагнитных контакторов достаточно широка. В машиностроении контакторы переменного тока применяют чаще всего для управления асинхронными электродвигателями. В этом случае их называют магнитными пускателями. Магнитный пускатель представляет собой простейший комплект аппаратов для дистанционного управления электродвигателями и кроме самого контактора часто имеет кнопочную станцию и аппараты защиты.

На рисунке 1 (а, б) показаны соответственно монтажная и принципиальная схемы соединений нереверсивного магнитного пускателя. На монтажной схеме границы одного аппарата обводят штриховой линией. Она удобна для монтажа аппаратуры и поиска неисправностей. Читать эти схемы трудно, так как они содержат много пересекающихся линий.

Рисунок 1 - Схемы нереверсивного пускателя

На принципиальной схеме все элементы одного аппарата имеют одинаковые буквенно-цифровые обозначения. Это позволяет не связывать вместе условные изображения катушки контактора и контактов, добиваясь наибольшей простоты и наглядности схемы.

Нереверсивный магнитный пускатель имеет контактор KM с тремя главными замыкающими контактами (Л1-С1, Л2-С2, Л3-С3) и одним вспомогательным замыкающим контактом (3-5).

Главные цепи, по которым протекает ток электродвигателя, принято изображать жирными линиями, а цепи питания катушки контактора (или цепи управления) с наибольшим током – тонкими линиями.

Для включения электродвигателя М необходимо кратковременно нажать кнопку SB2 «Пуск». При этом по цепи катушки контактора потечет ток, якорь притянется к сердечнику. Это приведет к замыканию главных контактов в цепи питания электродвигателя. Одновременно замкнется вспомогательный контакт 3 – 5,

что создаст параллельную цепь питания катушки контактора. Если теперь кнопку «Пуск» отпустить, то катушка контактора будет включена через собственный вспомогательный контакт. Такую схему называют схемой самоблокировки. Она обеспечивает так называемую нулевую защиту электродвигателя. Если в процессе работы электродвигателя напряжение в сети исчезнет или значительно снизится (обычно более чем на 40% от номинального значения), то контактор отключается и его вспомогательный контакт размыкается. После восстановления напряжения для включения электродвигателя необходимо повторно нажать кнопку «Пуск». Нулевая защита превращает непредвиденный, самопроизвольный пуск электродвигателя, который может привести к аварии.

Аппараты ручного управления (рубильники, конечные выключатели) нулевой защитой не обладают, поэтому в системах управления станочным приводом обычно применяют контакторное управление.

Для отключения электродвигателя достаточно нажать кнопку SB1 «Стоп». Это приводит к размыканию цепи самопитания и отключению катушки контактора.

В том случае, когда необходимо использовать два направления вращения электродвигателя, применяют реверсивный магнитный пускатель, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2, а. Для изменения направления вращения асинхронного электродвигателя необходимо изменить порядок чередования фаз статорной обмотки. В реверсивном магнитном пускателе используют два контактора: КМ1 и КМ2. Из схемы видно, что при случайном одновременном включении обоих контакторов в цепи главного тока произойдет короткое замыкание. Для исключения этого схема снабжена блокировкой. Если после нажатия кнопки SВ3 «Вперед» и включения контактора КМ1 нажать кнопку SB2 «Назад», то размыкающий контакт этой кнопки отключит катушку контактора КМ1, а замыкающий контакт подаст питание в катушку контактора КМ2. Произойдет реверсирование электродвигателя.

Рисунок 2 - Схемы реверсивного пускателя

Аналогичная схема цепи управления реверсивного пускателя с блокировкой на вспомогательных размыкающих контактах изображена на рисунке 2, б. В этой схеме включение одного из контакторов, например КМ1, приводит к размыканию цепи питания катушки другого контактора КМ2. Для реверса необходимо предварительно нажать кнопку SB1 «Стоп» и отключить контактор КМ1. Для надежной работы схемы необходимо, чтобы главные контакты контактора КМ1 разомкнулись раньше, чем произойдет замыкание размыкающих вспомогательных контактов в цепи контактора КМ2. Это достигается соответствующей регулировкой положения вспомогательных контактов по ходу якоря.

В серийных магнитных пускателях часто применяют двойную блокировку по приведенным выше принципам. Кроме того, реверсивные магнитные пускатели могут иметь механическую блокировку с перекидным рычагом, препятствующим одновременному срабатыванию электромагнитов контакторов. В этом случае оба контактора должны быть установлены на общем основании.

Магнитные пускатели открытого исполнения монтируют в шкафах электрооборудования. Пускатели пылезащищенного и пылебрызгонепроницаемого исполнения снабжают кожухом и монтируют на стене или стойке в виде отдельного аппарата.

Электромагнитные контакторы выбирают по номинальному току электродвигателя с учетом условий эксплуатации. ГОСТ 11206-77 устанавливает несколько категорий контакторов переменного и постоянного тока. Контакторы переменного тока категории АС-2, АС-3 и АС-4 предназначены для коммутации цепей питания асинхронных электродвигателей. Контакторы категории АС-2 используют для пуска и отключения электродвигателей с фазным ротором. Они работают в наиболее легком режиме, поскольку эти двигатели обычно пускаются при помощи роторного реостата. Категории АС-3 и АС-4 обеспечивают прямой пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и должны быть рассчитаны на шестикратный толчок пускового тока. Категория АС-3 предусматривает отключение вращающего асинхронного электродвигателя. Контакторы категории АС-4 предназначены для торможения противотоком электродвигателей с короткозамкнутым ротором или отключения неподвижных электродвигателей и работают в наиболее тяжелом режиме.

Контакторы, предназначенные для работы в режиме АС-3, могут быть использованы в условиях, соответствующих категории АС-4, но номинальный ток контактора при этом снижается в 1.5-3 раза. Аналогичные категории применения предусмотрены для контакторов постоянного тока.

Контакторы категории ДС-1 применяют для коммутации малоиндуктивной нагрузки. Категории ДС-2 и ДС-3 предназначены для управления электродвигателями постоянного тока с параллельным возбуждением и позволяют коммутировать ток, равный . Категории ДС-4 и ДС-5 применяют для управления электродвигателями постоянного тока с последовательным возбуждением.

Указанные категории определяют режим нормальных коммутаций, в котором контактор может непрерывно работать длительное время. Кроме того, различают режим редких (случайных) коммутаций, когда коммутационная способность контактора может быть увеличена примерно в 1.5 раза.

Если асинхронный электродвигатель работает в повторно-кратковременном режиме, то выбор контактора осуществляется по величине среднеквадратичного тока. На выбор контактора влияет степень защиты контактора. Контакторы защищенного исполненияимеют худшие условия охлаждения, и их номинальный ток снижается примерно на 10% по сравнению с контакторами открытого исполнения.

КОНТАКТНО – ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТАКТОРОВ

В контакторах обычно используются рычажные (рис. 1, а) и мостиковые (рис. 1, б) контакты. В рычажных контактах образуется при отключении один разрыв (одна дуга), в мостиковых – два (две дуги). Поэтому при прочих равных условиях возможности для отключения электрических цепей у аппаратов с мостиковыми контактами выше, чем у аппаратов с рычажными (пальцевыми) контактами.

Рисунок 1 – Рычажные и мостиковые контакты

Мостиковые контакты по сравнению с рычажными имеют тот недостаток, что в замкнутом состоянии в них создается два контактных перехода тока, в каждом из которых должно быть создано надежное касание. Поэтому сила контактной пружины должна быть удвоенной (по сравнению с рычажными контактами), что в конечном итоге увеличивает мощность электромагнитного привода контактора.

В контакторах переменного тока на отключаемые токи до 100 А при напряжении сети до 100-200 В можно не применять дугогасительные камеры, так как дуга гасится за счет растяжения ее в атмосферном воздухе (открытый разрыв). Для предотвращения перекрытия электрических дуг на соседних полюсах применяются изоляционные перегородки. Контакторы с открытым разрывом дуги существуют также и на постоянном токе, но отключаемые токи для них существенно меньше.

При высоких значениях отключаемых токов и напряжений аппараты снабжаются дугогасительными камерами, из которых наиболее распространены щелевые камеры и дугогасительные решетки . Щелевая камера (рис. 2, а) образует внутри узкий просвет (щель) между стенками из дугостойкого изоляционного материала (асбестоцемент и др.). В него загоняется электрическая дуга 1 и там она гасится за счет усиленного отвода тепла при тесном соприкосновении со стенками.

Дугогасительная решетка (рис. 2, б) представляетсобой пакет из тонких ( мм) металлических пластин 2, на которые выдувается дуга. Пластины выполняют роль радиаторов, интенсивно отводящих тепло от столба дуги и способствующих ее гашению.

Наиболее важной характеристикой дугогасительной камеры является вольт – амперная характеристика. Используя ее, можно рассчитать процессы гашения дуги при отключении цепи.

Рисунок 2 – Дугогасительные камеры

Как показал опыт эксплуатации, дугогасительная решетка непригодна для частых отключений цепи при сравнительно больших токах. При большой частоте отключений ее пластины разогреваются до высоких температур и не успевают остыть. Они оказываются неспособными охлаждать столб дуги, и решетка отказывает в работе. Для режима частых отключений цепи более пригодны щелевые дугогасительные камеры. , м, между пластинами 3 на рис. 3, а) в соответствии с законом полного тока для однородного поля (HL=Iw) напряженность поля (А/м)

.

Подставив это значение в (*), получим:

,

где – число витков катушки.

Так как в системе с катушкой последовательного магнитного дутья сила пропорциональна квадрату тока, то целесообразно использовать этот вид дутья в контакторах, рассчитанных на сравнительно большие номинальные токи. Для сокращения расхода меди на изготовление катушки, сечение которой должно выбираться по номинальному току контактора, желательно иметь возможно меньшее число витков катушки. Однако это число витков должно обеспечивать такую напряженность магнитного поля в зоне его взаимодействия с током дуги, которая создаст условия для надежного гашения дуги в заданном диапазоне отключаемых токов. Обычно оноизмеряется единицами при номинальных токах в сотни ампер, а при токах в десятки ампер достигает десяти и выше.

Преимущество систем с катушкой последовательного магнитного дутья заключается в том, что направление силы не зависит от направления тока . Это позволяет применять указанную систему не только на постоянном, но и на переменном токе. Однако на переменном токе вследствие появления вихревых токов в магнитопроводе может возникнуть сдвиг по фазе между током дуги и результирующей напряженностью магнитного поля в зоне горения дуги, что может вызвать обратное «забрасывание» дуги в камеру.

Недостаток системы с катушкой последовательного магнитного дутья – малая напряженность магнитного поля, создаваемая ею при небольших отключаемых токах. Поэтому параметры этой системы надо выбирать так, чтобы в области этих токов обеспечить максимально возможную напряженность магнитного поля в зоне горения дуги, не прибегая к значительному увеличению числа витков катушки магнитного дутья, чтобы не вызывать излишнего расхода меди на её изготовление. При небольших токах магнитопровод этой системы не должен насыщаться. Тогда почти вся намагничивающая сила катушки компенсируется падением магнитного потенциала в воздушном зазоре и напряженность магнитного поля в нем окажется максимально возможной. При больших токах магнитопровод, наоборот, целесообразно вводить в насыщение, когда его магнитное сопротивление становится большим. Это снизит напряженность магнитного поля в зоне расположения дуги, уменьшит силу и интенсивность гашения дуги, снизит перенапряжения при её гашении.

Существует система с катушкой параллельного магнитного дутья, когда катушка 1 (см. рис. 3), содержащая сотни витков из тонкого провода и рассчитываемая на полное напряжение источника питания, создает в зоне горения дуги напряженность магнитного поля (А/м)

.

Действующая на дугу электродинамическая сила (Н) (см. рис. 3, б)

,

где

В этой системе сила, действующая на дугу, пропорциональна току в первой степени. Поэтому она оказывается более целесообразной для контакторов на небольшие токи (примерно до 50 А).

Контактор с параллельной катушкой магнитного дутья реагирует на направление тока. Если направление магнитного поля сохраняется неизменным, а ток изменит свое направление, то сила будет направлена в противоположную сторону. Дуга будет перемещаться не в дугогасительную камеру, а в противоположную сторону – на катушку магнитного дутья, что может привести к аварии в контакторе. Это – недостаток рассматриваемой системы. Недостатком этой системы является также необходимость повышения уровня изоляции катушки в расчете на полное напряжение сети. Понижение напряжения сети приводит к уменьшению намагничивающей силы катушки и ослаблению интенсивности магнитного дутья, что снижает надежность дугогашения.

В системе магнитного дутья вместо катушки напряжения можно применять постоянный магнит. По свойствам такая система аналогична системе с параллельной катушкой магнитного дутья. Замена катушки напряжения постоянным магнитом исключит расход меди и изоляционных материалов, которые потребовались бы на создание катушки. При этом в системе не должны нарушаться свойства постоянного магнита в процессе эксплуатации.

Системы с катушкой параллельного магнитного дутья и постоянными магнитами на переменном токе не применяются, так как практически невозможно согласовать направление магнитного потока с направлением тока дуги, чтобы получить одно и то же направление силы в любой момент времени.

С увеличением напряженности поля магнитного дутья улучшаются условия схода дуги с контактов на дугогасительные рога и облегчается её вхождение в камеру. Поэтому с ростом уменьшается также износ контактов от термического воздействия дуги, но до определенного предела.

Большие напряженности поля создают значительные силы, воздействующие на дугу и выбрасывающие расплавленные металлические мостики из межконтактного промежутка в атмосферу. Это повышает износ контактов . При оптимальной напряженности поля износ контактов минимален.

Износ контактов – важный технический фактор. Поэтому принимаются серьезные меры, например уменьшение вибрации контактов при включении аппарата, чтобы уменьшить износ и увеличить срок службы контактов.

Важной характеристикой дугогасительного устройства переменного тока является закономерность роста восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка за переходом тока через нуль.

12 РЕЛЕ. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ – ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Релейная защита любой электроустановки содержит три основные части: измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы защиты, которые воздействуют на логическую часть при отклонении электрических параметров (тока, напряжения, мощности, сопротивления) от значений, предварительно заданных для защищаемого объекта.

Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пусковых органов в соответствии с заложенной в логическую часть программой запус

Плавкие вставки изготовляются из меди, цинка, свинца или серебра.

современных наиболее совершенных предохранителях отдают предпочтение медным вставкам с оловянным растворителем. Широко распространены также цинковые вставки.

Медные вставки для предохранителей наиболее удобны, просты и дешевы. Улучшение их характеристик достигается наплавлением оловянного шарика

определенном месте, примерно в середине вставки. Такие вставки применяются, например, в упомянутой серии насыпных предохранителей ПН2. Олово плавится при температуре 232°, значительно меньшей, чем температура плавления меди, и растворяет медь вставки в месте соприкосновения с нею. Появляющаяся при этом дуга уже расплавляет всю вставку и гасится. Цепь тока оказывается отключенной.

Таким образом, наплавление оловянного шарика приводит к следующему.

Во-первых, медные вставки начинают реагировать с выдержкой времени на столь малые перегрузки, на которые они при отсутствии растворителя вовсе не реагировали бы. Например, медная проволока диаметром 0,25 мм с.растворителем расплавилась при температуре 280° за 120 мин.

Школа для электрика: статьи, советы, полезная информация

Во-вторых, при одной и той же достаточно большой температуре (т. е. при одинаковой нагрузке) вставки с растворителем реагируют много быстрее, чем вставки без растворителя.

Например, медная проволока диаметром 0,25 мм без растворителя при средней температуре 1 000° расплавилась за 120 мин, а такая же проволока, но с растворителем при средней температуре только 650°, расплавилась всего за 4 мин.

Применение оловянного растворителя позволяет иметь надежные и дешевые медные вставки, работающие при сравнительно низкой эксплуатационной температуре, имеющие относительно малый объем и вес металла (что благоприятствует коммутационной способности предохранителя) и в то же время обладающие большим быстродействием при больших перегрузках и реагирующие с выдержкой времени на относительно малые перегрузки.

Цинк часто используется для изготовления плавких вставок. В частности, такие вставки применяются в упомянутой серии предохранителей ПР-2.

Вставки из цинка более устойчивы против коррозии. Поэтому, несмотря на относительно малую температуру плавления, для них, вообще говоря, можно было бы допустить такую же предельную эксплуатационную температуру, как для меди (250°), и конструировать вставки с меньшим сечением. Однако электрическое сопротивление цинка примерно в 3,4 раза больше, чем у меди.

Чтобы сохранить ту же температуру, надо уменьшить потери энергии в ней, соответственно увеличив ее сечение. Вставка получается значительно более массивной. Это при прочих равных условиях приводит к понижению коммутационной способности предохранителя. Кроме того, при массивной вставке с температурой 250° не удалось бы в тех же габаритах удержать на допустимом уровне температуру патрона и контактов.

Все это заставляет снизить предельную температуру цинковых вставок до 200°, а для этого - еще больше увеличивать сечение вставки. В итоге предохранители с цинковыми вставками при тех же размерах обладают значительно меньшей устойчивостью к токам короткого замыкания, чем предохранители с медными вставками и оловянными растворителями.

Школа для электрика: статьи, советы, полезная информация

При эксплуатации бытовой и промышленной электрической сети всегда существуют риски получения электротравм или повреждения оборудования. Они могут возникнуть в любой момент при появлении критических режимов. Снизить такие последствия позволяют защитные устройства. Их применение значительно повышает безопасность пользования электроэнергией.

Защиты электрической схемы работают на основе:

предохранителя;

механического автоматического выключателя.

Принцип работы и устройство предохранителя

Два гениальных ученых Джоуль и Ленц одновременно установили законы взаимных связей между величиной проходящего тока в проводнике и выделением теплоты из него, выявив зависимости от сопротивления цепи и длительности промежутка времени.

Их выводы позволили создать самые простые защитные конструкции, основанные на тепловом воздействии тока на металл провода. У используется тонкая металлическая вставка, через которую пропускается полный ток схемы.

При номинальных параметрах передачи электроэнергии эта «проволочка» надежно выдерживает тепловую нагрузку, а с превышением ее значений сверх нормы — перегорает, разрывая цепь и снимая напряжение с потребителей. Чтобы восстановить работоспособность схемы необходимо заменить перегоревший элемент: плавкую вставку.

Она хорошо видна на конструкциях предохранителей для бытовой теле и радиоаппаратуры со стеклянными, прозрачными корпусами вставок.

На ее концах смонтированы специальные металлические площадки, создающие электрический контакт при установке в гнезда. Этот принцип воплощен в электрических пробках с плавкими вставками, много десятилетий защищавших наших родителей и старшие поколения от повреждений в электрической проводке.

По такой же форме были разработаны автоматические конструкции, которые вкручивались в гнезда вместо пробок. Но они при срабатывании не нуждались в замене составных частей. Для восстановления электроснабжения достаточно утопить кнопку внутрь корпуса.

Такими способами защищались старые электрические ввода в квартиру. Затем наряду с предохранителями стали появляться .

Выбор предохранителя основан на учете:

номинальных величин токов самого предохранителя и его вставки;

коэффициентов минимальной/максимальной кратности испытательного тока;

предельного отключаемого электротока и возможности разрыва транспортируемой мощности;

защитной характеристики плавкой вставки;

номинального напряжения предохранителя;

соблюдения принципов селективности.

Предохранители обладают простой конструкцией. Они широко используются в электроустановках, включая высоковольтное оборудование до 10 кВ, например, в защитах измерительных трансформаторов напряжения.

Принцип работы и устройство автоматического выключателя

Назначением механического коммутационного аппарата, называемого автоматическим выключателем, является:

включение, пропускание, отключение токов при нормальном режиме цепи;

автоматическое снятие напряжения с электроустановки при аварийных режимах, например, токах металлических коротких замыканий. Автоматические выключатели работают в режимах многоразовых защит от КЗ и перегрузок. Возможность многократного использования считается их основным отличием от предохранителя.

Во времена СССР в энергетике широко использовались автоматические выключатели серий АП-50, АК-50, АК-63, АО-15.

В современных электрических схемах работают усовершенствованные конструкции зарубежных и отечественных производителей.

Все они заключены в диэлектрические корпуса, имеют общие исполнительные органы, обеспечивающие:

1. тепловое расцепление цепи при небольшом превышении допустимого значения тока;

2. электромагнитную отсечку при резких бросках нагрузки;

3. дугогасящие камеры;

4. контактные системы.

В случае нагрева энергией выделяемого тепла работает биметаллическая пластина, изгибающаяся от температурного воздействия до приведения в работу механизма расцепления. Эта функция зависит от количества выделенной теплоты и растянута по времени до определенного момента.

Отсечка действует максимально быстро от срабатывания электромагнитного соленоида с возникновением электрической дуги. Для ее гашения применяются специальные меры.

Усиленные контакты рассчитаны на многократные разрывы .

Эксплуатационные отличия автоматических выключателей от предохранителей

Защитные свойства обоих методов проверены временем, причем каждый способ требует анализа конкретных условий эксплуатации при оценке стоимости конструкции с учетом длительности и надежности работы.

Предохранители проще устроены, отключают схему одноразово, дешевле. Ими можно снимать напряжение вручную, но это, как правило, не очень удобно. К тому же при незначительных превышающих токах они долго отключают нагрузку. Этот фактор может служить поводом повышенной пожарной опасности.

Любой предохранитель защищает всего одну фазу сети.

Автоматические выключатели сложнее, дороже, более функциональны. Зато они точнее настраиваются под уставки защищаемой электросхемы, подбираются по рабочему расчетному току с учетом коммутируемых мощностей.

Корпуса современных автоматов из реактопластов обладают повышенной устойчивостью к термическому воздействию. Они не плавятся, стойки к воспламенению. Для сравнения: полистирольный корпус старых выключателей мог противостоять температурам не выше 70 градусов.

Конструктивное исполнение позволяет подбирать модели для одновременного размыкания от одной до четырех электрических цепей. Если в трехфазной цепи использовать предохранители, то они будут снимать напряжение со схемы с разными выдержками времени, что может стать дополнительной причиной развития аварии.

Предохранители работают от тока, без учета его характеристик. Автоматические выключатели подбирают под нагрузку и классифицируют буквами:

А — электросети увеличенной протяженности;

В — освещение коридоров и площадок;

С — силовые и осветительные системы с умеренными пусковыми токами;

D — преобладающие нагрузки от включения электродвигателей с большими пусковыми параметрами;

К — индуктивные печи и электрические сушилки;