9.11. Аппаратура и схемы управления

В процессе работы электропривода необходимо включать и выключать двигатель, изменять скорость вращения и ее направление и т. п., т. е. осуществлять управление электроприводом.

Управление электроприводом производится с помощью аппаратов ручного и автоматического управления.

Аппараты ручного управления служат для нечастого оперативного включения и отключения электрических цепей сравнительно небольшой мощности. К ним относятся ключи, пакетные выключатели, командоаппараты, универсальные переключатели, командоконтроллеры, конечные и путевые выключатели различных модификаций, кнопки, кнопочные станции (блоки из двух и более кнопок) и т.д.

Включение и отключение таких аппаратов осуществляется ручным или механическим способом путем воздействия на рычаги с укрепленными на них подвижными контактами. Все перечисленные аппараты весьма просты по устройству и принципу работы.

Для нечастого включения и отключения электрической цепи используют также автоматический воздушный выключатель (рис.9.19)

Особенностью автоматического воздушного выключателя является то, что он, помимо контактной системы, снабжен устройством, выполняющим функцию защиты коммутируемой цепи. Таким устройством служит расцепитель — элемент, контролирующий заданный параметр цепи и воздействующий на контактную систему автомата.

Расцепитель представляет собой механизм с подвижной системой, работа которой обусловливается тепловымилимагнитнымдействием тока.

В зависимости от того, какую защиту должен осуществлять автомат, его расцепитель может быть выполнен как:

1) расцепитель максимального тока (для защиты от токов короткого замыкания) — электромагнит, якорь которого втягивается при токе, превышающем определенное значение (ток установки);

2) тепловой расцепитель (для защиты от токов перегрузки); действие такого расцепителя можно рассмотреть на устройстве теплового реле (рис. 9.20). Основным элементом теплового реле является биметаллическая пластинка 1, представляющая собой спай двух металлов, с различными коэффициентами удлинения. Биметаллическая пластинка охвачена спиралью 2, которая является участком защищаемой цепи, т. е. по ней проходит ток. Благодаря тепловому действию тока спираль нагревается, а вместе с ней нагревается и биметаллическая пластинка.

Биметаллическая пластинка охвачена спиралью2, которая является участком защищаемой цепи, т. е. по ней проходит ток. Благодаря тепловому действию тока спираль нагревается, а вместе с ней нагревается и биметаллическая пластинка.

При нормальном режиме работы приемника (I = I_н) нагрев пластинки недостаточен для ее заметной деформации. Если же ток длительно превышает номинальное значение, пластинка от нагревания значительно деформируется и, изгибаясь, поднимается вверх, освобождая рычаг 7. Последний под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 8 по часовой стрелке и тягой 5 размыкает контакты 6, разрывая тем самым вспомогательную цепь катушки включающего устройства. Кнопка 3 предназначена для возврата системы реле в исходное положение, после того как охладится спираль и биметаллическая пластинка.

Тепловой расцепитель, выполненный по принципу теплового реле, отключает автомат только при длительных перегрузках: (при I = 1,5 I_н он срабатывает примерно через 2 мин., при I = 31_н — через 35 с; расцепитель не реагирует на значительные, но кратковременные превышения тока в защищаемой цепи.

В том случае, когда цепь необходимо защищать и от кратковременных, но значительных перегрузок, применяют автомат скомбинированным расцепителем (электромагнитный и тепловой).

Существуют также расцепители минимального напряжения (для предотвращения работы электротехнического устройства при пониженном напряжении). Такой расцепитель представляет собой электромагнит, якорь которого, втягиваясь при заданном значении напряжения, способен преодолеть сопротивление пружины; при понижении или исчезновении напряжения пружина оттягивает якорь, отключая автомат.

Дуга, возникающая при размыкании контактов в защищаемой цепи, гасится в окружающей среде, поэтому эти автоматы называют воздушными. В настоящее время широкое распространение получили одно-, двух- и трехполюсные воздушные выключатели.

Большую группу аппаратов дистанционного или автоматического управления составляют электромагнитные аппараты, подвижные контакты которых замыкаются под действием силы тяги электромагнита.

Электромагниты весьма разнообразны по назначению и конструктивному исполнению.

При всем разнообразии встречающихся в аппаратах электромагнитов они состоят из следующих частей одинакового назначения (рис. 9.21): 1 — катушки с расположенной на ней намагничивающей обмоткой; 2 — неподвижной части магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (основание и сердечник); 3 — подвижной части магнитопровода (якорь).

Якорь, воспринимая электромагнитное усилие, передает его на подвижные контакты аппарата.

Электромагниты, применяемые в аппаратах, можно разделить на две группы: электромагниты постоянного тока и электромагниты переменного тока.

В первом случае величина магнитного потока определяется величиной постоянного тока и не зависит от направления последнего. Магнитопровод электромагнита постоянного тока изготовляют из сплошной электротехнической стали.

Во втором случае, т. е. при питании обмотки переменным током, создается пульсирующий магнитный поток. Сила электромагнитного притяжения электромагнита тоже пульсирует, изменяясь от нуля до максимума, который определяется приложенным напряжением. Это приводит к вибрации якоря.

Для уменьшения магнитных потерь, возникающих вследствие пульсирующего потока, магнитопровод изготовляют из штампованных пластин листовой электротехнической стали, т. е. шихтованным.

Кроме того, для уменьшения вибраций, вызванных пульсацией силы электромагнитного притяжения, в торцевой части якоря или сердечника устанавливают короткозамкнутый виток (риc. 9.22) В нем наводится э.д.с, сдвинутая во времени относительно основного потока. Магнитный поток, создаваемый током в короткозамкнутой витке, не совпадает по фазе с основным потоком. Это способствует тому, что в магнитной системе всегда имеется поток, благодаря которому сохраняется усилие, удерживающее якорь в притянутом, а контакты — в замкнутом состоянии.

В зависимости от того, как располагается якорь относительно сердечника, различают электромагниты с притягивающимся (рис.9.23, а) и втягивающимся (рис.9.23, б) якорем.

По характеру движения якоря электромагниты делятся на две группы: с вращательным (рис. 9,24, а) и поступательным (рис. 9,24, б) движением подвижной части.

Наряду с магнитопроводом одной из основных частей электромагнита является его обмотка (катушка). Ее параметры определяют такую величину магнитного потока, которая является оптимальной для срабатывания электромагнита при заданном значении тока или напряжения. Различают обмотки последовательного включения (рис. 9,25) и параллельного включения. Обмотками последователь ного включения обычно снабжают электромагнитные устройства защиты — электромагнитные максимальные или токовые реле.

Обмотки таких устройств включают последовательно в защищаемую цепь (обмотку двигателя или другого элек­тротехнического устройства) и рассчитывают на значительные токи. Поэтому их изготовляют с небольшим числом витков из проводника большого сечения.

Если ток в обмотке такого реле превысит заданное значение, его якорь притянется, а контакты, укрепленные на нем, разорвут цепь катушки включающего устройства.

Обмотки параллельного включения наматывают тонким проводом, но с большим количеством витков и рассчитывают на стандартные напряжения. Устройства с подобными обмотками называют реле напряжения.

Реле напряжения в схемах автоматического управления нашли применение в качестве аппаратов, управляющих торможением двигателей, ускорением при пуске, а также защищающих электроустановки от

работы при пониженном напряжении или от обрыва контролируемой цепи.

Рис 9.26. Устройство

электромагнита

с замедлением:

Особую группу составляют так называемые электромагниты с замедлением (рис. 9.27), которые используют в таких широко распространенных аппаратах, как реле времени постоянного тока. В указанных аппаратах искусственным путем увеличивают время отпускания якоря, размещая на магнито-проводе короткозамкнутые катушки или массивные гильзы из материала с хорошей электропроводностью (медь, латунь, алюминий). Это позволяет уменьшить скорость нарастания или затухания магнитного потока при включении или отключения намагничивающей катушки. При подключении такого реле к источнику питания оно срабатывает мгновенно. Если отключить катушку, то якорь отпадет только по истечении какого-то времени, т. е. с выдержкой времени. Это происходит вследствие замедленного убывания магнитного потока. Причиной замедления является то, что основной магнитный поток, убывая, наводит э.д.с. в медной гильзе как в накоротко замкнутом витке. По правилу Ленца, ток, возникающий в результате наведенной э.д.с, создает поток, который стремится сохранить основной поток неизменным. Однако вследствие потерь в медной гильзе поток все же будет уменьшаться, и через некоторое время с момента отключения катушки якорь отпадет под действием пружины. Изменяя натяжение пружины или устанавливая немагнитные прокладки различной толщи­ны между якорем и сердечником, получают выдержки времени большей или меньшей длительности.

В электромагнитных аппаратах переменного тока данный принцип создания выдержек времени неприемлем. Для получения выдержек времени в них используют механическое маятниковое реле времени, якорь которого приводится в действие механическим путем, или оно пристраивается к подвижной части аппарата переменного или постоянного тока и тем самым получает команду на срабатывание.

Исполнительный орган электромагнитного аппарата — контактная система — выполняется в зависимости от его назначения. Аппараты, предназначенные для включения статорных обмоток двигателей или силовых цепей электроустановок, снабжены силовыми контактами, рассчитанными на большие токи, и имеют дугогасительные устройства (контакторы, магнитные пускатели). Кроме силовых контактов, подвижная система таких аппаратов несет на себе так называемые блокировочные контакты, предназначенные для переключений в цепях управления (вспомогательных цепях).

И те и другие контакты могут быть выполнены замыкающими (3) (нормально-открытыми — н. о.) и размыкающими (Р) (нормально-закрытыми — н. з.). Контактная система аппаратов, как правило, состоит из неподвижных и подвижных контактов, которые могут иметь самую различную форму (рис. 9.27). Подвижные контакты, соединяясь или разъединяясь с неподвижными, создают или разры­вают цепь тока. От надежности этого соединения зависит нормальная работа как самого аппарата, так и управляемой им цепи. Надежность работы контактного соединения в сильной степени зависит от так на­зываемого переходного сопротивления — относительно большого электрического сопротивления в зоне перехода тока из одного тела в другое.

Переходное сопротивление зависит от силы нажатия на контакты, площади и состояния контактных поверхностей, а также от температуры контактного соединения. Необходимую силу нажатия создают пружины, которыми, как правило, снабжены подвижные контакты. Пружины выбирают с таким расчетом, чтобы они создавали лишь требуемую силу нажатия, так как чрезмерные усилия не приводят к уменьшению переходного сопротивления.

Переходное сопротивление зависит в значительной степени от чистоты поверхности контактных элементов, причем установлено, что шлифовка поверхностей увеличивает переходное сопротивление по сравнению с обработкой напильником. Особенно неблагоприятно сказывается на величине переходного сопротивления наличие окислов на контактных поверхностях.

Для уменьшения переходного сопротивления контактные поверхности покрывают оловом или изготовляют из серебра. На работу контактного соединения очень неблагоприятно влияет дуга — электрический разряд между расходящимися контактами цепи при сколько-нибудь значительных токе и напряжении.

Под действием высокой температуры возникает термическая ионизация воздуха, благодаря которой поддерживается возникший дуговой разряд. При этом температура дуги достигает такой величины, что контакты аппаратов обгорают, а нередко и расплавляются так, что могут оказаться сваренными после застывания расплавленного ме­талла.

Во избежание нежелательных явлений, связанных с возникнове­нием дуги, в аппаратах низкого напряжения применяют различные устройства для гашения дуги. Принцип действия таких устройств подробно рассматривается в специальной литературе по электрическим аппаратам.

Выбор аппаратов производят на основании учета их технических характеристик и условий работы в каждом конкретном случае, ко­торые указаны в соответствующих каталогах.

Однако для аппарата любой конструкции необходимо соблюдать следующие условия: а) допустимая плотность тока и разрывная способность контактов должны быть не менее заданных; б) катушка аппарата (если аппарат приводится в действие электромагнитом) по своему номинальному напряжению (току) должна соответствовать заданному; в) магнитная система аппарата (катушка и магнитопровод) должна соответствовать роду тока.

При эксплуатации аппарата необходимо следить за чистотой кон­тактных поверхностей и надежностью контактных соединений.