Аппараты управления и защиты

 

К аппаратам автоматического дистанционного управления относятся электромагнитные пускатели, контакторы и реле различного рода, коммутация которых осуществляется при подачи на их катушки электрического сигнала (напряжения или тока) и снятия этого сигнала. Они являются двухпозиционными коммутационными аппаратами с самовозвратом, включение и отключение которых осуществляется электрическим сигналом.

 

12.1. Аппараты автоматического управления. Назначение, устройство, выбор

 

Электромагнитные пускатели. Предназначены для дистанционного управления электроустановками (для электродвигателей пуск, остановка, торможение, реверсирование), а также при наличии теплового реле для защиты от небольших, но длительных перегрузок. Осуществляет пускатель так же защиту электроустановки от снижения напряжения или его исчезновения и от самозапуска двигателя после восстановления напряжения, так называемая нулевая защита. В соответствии с перечисленными функциями в состав пускателя могут входить контактор, кнопки управления, тепловые реле защиты, сигнальные лампы, размещаемые в одном корпусе.

Электромагнитные пускатели различаются между собой по: назначению (нереверсивные, реверсивные); степени защиты от воздействия окружающей среды; наличию тепловых реле (без тепловых реле, с тепловыми реле); виду блокировки в реверсивных пускателях (механической, электрической, механической и электрической одновременно); наличию встроенных в оболочку пускателя кнопок управления (без кнопок, с кнопками); величине, габариту или передаваемой мощности; напряжению главной цепи и цепи управления.

Главные силовые (линейные) контакты пускателя включают в Рассечку проводов, питающих электроустановку (электродвигатель). В провода двух или трёх фаз включаются также нагревательные элементы тепловых реле. Катушку электромагнита подключают к сети через размыкающие контакты тепловых реле и кнопки управления (рис.12.1).

Рис.12.1. Схема управления электродвигателем при помощи электромагнитного пускателя

 

Находят применение пускатели серий ПМЕ и ПА, а также выпускаемые в настоящее время серии ПМ12, ПМЛ, ПМС, ПМА. Пускатели серий ПМ12, ПМЕ, ПМЛ, ПМС, ПМА имеют прямоходовую Ш - образную или П - образную электромагнитную систему, серий ПА и ПАЕ - поворотно-рычажную конструкцию (рис.12.2).

Рис. 12.2. Устройство магнитных пускателей с прямоходовой Ш-образной (а) и поворотно-рычажной П–образной (б) магнитными схемами: 1 – основание; 2 –пружина; 3 –неподвижный контакт; 4 – подвижный контакт; 5 – траверса, 6 – катушка;7 – сердечник; 8 – якорь; 9 – короткозамкнутый виток; 10 – мостик блок-контактов

 

Магнитная система пускателей собрана из отдельных листов электротехнической стали. Катушка пускателя питается переменным током, поэтому в магнитопроводе возникает пульсирующий магнитный поток. Для устранения вибрации, износа якоря и подгорания главных контактов торец сердечника в области прилегания к нему якоря разрывают и часть его охватывают демпферным короткозамкнутым витком из меди или латуни. В короткозамкнутом витке переменный магнитный поток индуцирует ЭДС, и протекающий по нему ток создает свой магнитный поток, сдвинутый по фазе по отношению к основному. Таким образом, в воздушном зазоре возникают два магнитных потока, сдвинутых между собой по фазе. Их сумма в любой момент не равна нулю, следовательно, сила притяжения электромагнита не уменьшается до нуля.

Пускатели выпускаются по величине 0…7 на мощность 1…100кВт и токи 4…200А. Частота включений в час по механической износостойкости при номинальном токе для пускателей по 5 - ую величину составляет 3600, 6 - ой и 7 - ой величин - 2400. Механическая износостойкость для пускателей по 5 - ую величину составляет 16 млн. циклов, 6 - ой и 7 - ой величин - 5 млн. циклов. Коммутационная (электрическая) износостойкость пускателей составляет 3 млн. циклов.

Электромагнитный пускатель в основном выбирают по величине или габариту, исполнению, наличию реверса и теплового реле, напряжению и другим признакам согласно буквенной и цифровой расшифровке типа пускателя. Структура условного обозначения пускателей наиболее распространенных серий приводится ниже.

1 – Обозначение серии.

2 – Условное обозначение величины номинального тока: 010 - 10А, 025 - 25А, 040 - 40А, 063 - 63А, 100 - 100А, 125 - 125А, 160 - 160А, 250 - 250А.

3 – Обозначение исполнения пускателей по назначению и наличию теплового реле: 1- без теплового реле, нереверсивные; 2 - с тепловым реле, нереверсивные; 5 - без теплового реле, реверсивные, с электрической и механической блокировками; 6-с тяговым реле, реверсивные, с электрической и механической блокикировкой.

4 – Обозначение исполнения пускателей по степени защиты и наличию кнопок: О - IР00; 1-IP54 без кнопок; 2-IP54 с кнопками "Пуск", и "Стоп"; 4-IP40 без кнопок; 5-IP20; 6-IP40 с кнопками "Пуск", и "Стоп".

5 – Обозначение исполнения пускателей по роду тока цепи управления: О - переменный ток. Номинальное напряжение втягивающей катушки, В: 24,36,40,48,110,127,220,230,240,380,400,415,440,500,660В частоты 50 Гц.

6 –Назначение климатического исполнения по ГОСТ 15150 - 69: У-стандартное исполнение, Т - тропическое исполнение.

7 – Обозначение категории размещения по ГОСТ 15150 - 69.

8 – Обозначение исполнения пускателей по износостойкости: А, Б, В.

9 – Обозначение ТУ, по которым выпускается пускатель: ТУ 16-89 и ГФР. 644236.033 ТУ.

Применяемые типы тепловых реле для пускателей: РТТS-10, РТТ‑121, РТТ-131, РТТ-231, РТТ310, РТ362.

1 – Обозначение серии.

2 – Обозначение габарита (величины) по передаваемой мощности: 0‑1кВт, 1-4кВт, 2-10кВт.

3 – Обозначение исполнения по защищенности от воздействия окружающей среды: 1- открытое, 2-защищенное, 3-пылебрызгозащи-щенное, 4-пылевлагонепроницаемое.

4 – Обозначение исполнения пускателей по назначению, наличию реверса и теплового реле: 1-нереверсивный без реле, 2-нереверсивный с реле, 3-реверсивный без реле, 4-реверсивный с реле.

Номинальное напряжение втягивающей катушки 24, 36, 40, 48, 110, 127, 220, 230, 240, 380, 400, 415, 440, 500, 660В частоты 50 Гц.

Пускатели изготавливаются по климатическому исполнению и категории размещения: УХЛ4, У3, Т3, О4, а исполнению по износостойкости: А,Б,В.

Применяемые типы тепловых реле для пускателей: РТТ5-10, РТТ‑141.

Контактор. Представляет собой двухпозиционный аппарат с самовозвратом, предназначенный для частых коммутаций рабочих токов, а также для редких отключений при токах перегрузки. Включение контакторов - дистанционное с помощью встроенных электромагнитов.

Контакторы различаются между собой по: роду тока главной цепи и цепи управления (постоянного, переменного); числу главных полюсов (от одного до пяти), номинальному току главных цепей (4;6,5;10,16,25,40,63,100,160,250,400,630,1000,2500А); номинальному напряжению главной цепи (постоянное - 110,220,400,600В; переменное – 220,380,500,660,1140В); номинальному напряжению включающей катушки (постоянное - 24,48,60,110,220В; переменное - 24,36,110,127, 220,230,240,380,400,415,440,500,660В); способу гашения дуги (с магнитным гашением или дугогасительной решеткой); наличию и исполнению блок-контактов; роду присоединения проводников; классу, соответствующему частоте включений; категории размещения; воздействию климатических факторов; степени защиты.

Механическая износоустойчивость позволяет осуществлять от 250 тысяч до 10 млн. циклов, время срабатывания контакторов лежит впределах от десятых до сотых долей секунды.

Контакторы имеют конструкцию электромагнита с якорем клапанного (откидного) типа (рис.12.3), и прямоходовым якорем, подобную конструкцию электромагнита пускателя (рис.12.2).

 

Рис. 12.3. Устройство контактора постоянного тока:1 – неподвижный главный контакт; 2 – искрогасительная решетка; 3 – изоляционные перегородки; 4 – дугогасительная камера; 5 – подвижный главный контакт; 6, 9 – пружина; 7 – гибкий проводник; 8 – якорь; 10 – замыкающиеся блок-контакты; 11 – размыкающиеся блок-контакты; 12 – катушка электромагнита; 13 – контакты подачи напряжения на катушку; 14 – неподвижный сердечник.

 

Неподвижная часть имеет втягивающую катушку 12, неподвижный контакт 1, сердечник 14. Подвижная часть состоит из подвижного контакта 5, якоря 8 и мостика блок-контактов 10, 11. Контакторы переменного тока по принципу своего действия и основным элементом конструкции не отличаются от контакторов постоянного тока. Разница заключается в том, что контактор переменного тока имеет шихтованную, набранную из отдельных изолированных пластин стали, магнитную систему и на торце сердечника короткозамкнутый виток, аналогичный как для пускателей.

Выпускаются контакторы постоянного тока следующих типов: КПВ 600, КПВ 620, КП, КПД, КПМ, КН, КМИ: переменного тока КТ 600, СNM, КТ 7000, КТП 600, КТП 64, КТП 65, КТВ, КТД, КТИ, КТУ.

Буквенные обозначения типов контакторов постоянного и переменного токов расшифровываются следующим образом: К – контактор, П – постоянного тока, Т – переменного тока, В – вертикальной установки, Д – промышленного назначения, М – морского исполнения или модификация, Н – повышенной надежности, У – угольной промышленности. Когда в обозначении после буквы Т стоит буква П, то это означает, что контактор переменного тока имеет питание цепей управления на постоянном токе. Цифровое обозначение контакторов не систематизировано (каждая серия имеет свое обозначение типа) и поэтому всегда следует обращаться к паспорту контактора на предмет его технических данных. При выборе контакторов необходимо исходить из условий их использования и характеристик электропривода. Следующие основные требования: обеспечение необходимой коммутационной способности, нагрева и коммутационной износостойкости.

Электромагнитное реле.Реле – коммутационное устройство, предназначенное производить скачкообразные изменения в управляемых цепях при заданном значении электрических воздействующих величин. Электромагнитное реле представляет собой аппарат для коммутации слаботочных цепей управления электропривода в соответствии с электрическим сигналом, подаваемым на его катушку. Область применения реле очень широкая. Они используются в качестве датчиков тока и напряжения, промежуточных элементов для передачи команд из одной цепи в другую и размножения сигналов усилителя электрических сигналов, датчиков времени, выходных элементов различных датчиков координат электропривода и технологических параметров рабочих машин и механизмов.

Электромагнитное реле работает следующим образом (рис.12.4). На сердечнике 2 магнитной системы находится катушка 1, на которую подается входной электрический сигнал.

Рис. 12.4. Электромагнитное реле

 

Когда ток (напряжение) превысит некоторое значение, называемое током (напряжением) срабатывания реле, создаваемая им электромагнитная сила станет больше противодействующей силы возвратной пружины 10. Якорь 3 притянется к сердечнику 2 и траверса 6, поднявшись, обеспечит замыкание контактов 8 и размыкание контактов 7. Сила нажатия в контактах создается пружиной 9.

Если уменьшить (отключить) ток (напряжение) в катушке, то якорь 3 под действием пружины 10 перейдет в исходное положение и контакты реле вернутся в нормальное (исходное) положение. Ток (напряжение), при котором якорь возвращается в исходное положение, носит название тока (напряжения) возврата или отпускания. Отношения тока (напряжения) возврата к току (напряжению) срабатывания называется коэффициентом возврата реле.

Поскольку контакты реле коммутируют небольшие от миллиампер до 10А токи, в них обычно не используются дугогасительные камеры, а конструкции контактов простые.

Основные типы реле, применяемых в схемах управления электроприводами: времени электромеханические – 2РВМ, CRONO, BC‑33, ВС‑43, РВ‑100, РВ‑200; времени электромагнитные – РЭВ‑811…РЭВ‑818, РЭВ‑881…РЭВ884; контроля трехфазного напряжения – ЕЛ‑11…ЕЛ‑13; промежуточные - РПЛУ, РЭУ‑11, РЭУ‑21, НН63Р, НН64Р, ПЭ‑37, РП‑8, РП‑9, РП‑11, РП‑12, РП‑16…РП‑18, РП‑23, РП‑25, РП‑251…РП‑256, РП‑21004, R153, R3, R4, R15, РЭП‑15, РЭП‑25, РЭП‑34, РПУ‑2М, РПУ‑3М, РПЛ, РЭВ‑822, РЭВ‑826; тока – РТ‑01, РТ‑40, РТ‑140, РТД‑11, РТД‑12, РСТ‑11, РСТ‑13, РЭ‑830; напряжения – РН‑01, РН‑51, РН‑151, РН‑53, РН‑153, РН‑54, РН‑154.

Герконовые электромагнитные реле. Они имеют ту особенность, что их контакты герметизированы, это повышает их износостойкость и надежность в работе. Геркон представляет собой ферромагнитные (сплав железа с никелем) контакт-детали (подвижный и неподвижный контакты) герметично запаянные в стеклянный баллон, заполненный нейтральным газом. Геркон приводится в действие внешним магнитным полем катушки (рис.12.5) или постоянного магнита.

Рис. 12.5. Герконовое реле

 

Если на катушку 4 подать напряжение постоянного тока, то в ней начнет протекать ток, создающий в магнито-проводе 5 и контактах 1 и 2 магнитный поток. Под его воздействием подвижный контакт 2 переместится и замкнется с неподвижным контактом 1. Контакты заключены в стеклянный корпус 4. Износоустойчивость реле с герконами, способных коммутировать токи до 5А при напряжении до 100В, достигает несколько десятков миллионов срабатываний при времени срабатывании 0.3…2.0 mс.

Выпускаются герконовые реле следующих типов: РГК 49, РГК 50, РГК 51, РГК 52, РГК 53, РГК 54 на ряд рабочих напряжений 3,5,12,15,24В при коммутируемым токе до 3А.

 

12.2. Аппараты защиты электроустановок. Назначение, устройство, выбор

 

К аппаратам защиты, используемые в электроприводе следует отнести воздушные автоматические выключатели, плавкие предохранители и тепловые реле.

Автоматические воздушные выключатели. Автоматические выключатели предназначены для нечастых замыканий и размыкании электрической цепи, находящейся под нагрузкой и длительного прохождения по ней тока, а также отключения цепи при ненормальных и аварийных режимах: коротких замыканий, длительных небольших перегрузок, чрезмерном снижении напряжения питания или его исчезновения.

Контактная система и механизмы автоматического выключателя смонтированы на пластмассовой панели. Он оборудуется подвижными и неподвижными контактами, дугогасительным устройством. Для воздействия на защелку отключающего механизма применяются один или несколько расцепителей, отключающих их главные контакты. Расцепители представляют собой электромагнитные или термобиталлические механизмы, срабатываемые и вызывающие отключение автоматического выключателя мгновенно или с некоторой выдержкой времени. Имеют место наиболее распространенные: электромагнитные расцепители максимального тока, срабатываемые при токе превышающем ток установки (короткое замыкание, чрезмерный ток перегрузки); электромагнитные расцепители минимального напряжения, срабатываемые когда напряжение на катушке становятся меньше заданного или исчезает полностью; тепловые расцепители, срабатываемые при небольших, но длительных токах перегрузки; расцепители независимые, срабатываемые без выдержки времени, когда на их катушку подано напряжение; электромагнитные расцепители минимального и обратного тока, срабатываемые, когда ток соответственно станет меньше определенного значения или изменит свое направление.

Рассмотрим принцип действия некоторых расцепителей (рис.12.6. а, б, в).

Рис.12.6. Схемы действия электромагнитных расцепителей: а – максимального тока; б – минимального напряжения; в – теплового расцепителя:1 – пружина; 2 – защелка; 3 – катушка; 4 – стальной сердечник; 5 – контакты; 6 – биметаллическая пластина; 7 – нагревательный элемент

 

В автоматическом выключателе с электромагнитным расцепителем максимального тока по достижении током установленного предельного значения или короткого замыкания катушка 3 втягивает стальной сердечник 4 и освобождает защелку 2, которая под действием пружины 1 разрывает силовые контакты 5. В автоматическом выключателе с электромагнитном расцепителем минимального (нулевого) напряжения или тока катушка 3 удерживает сердечник 4 и связанную с ним защелку до тех пор, пока напряжение сети, а следовательно, и ток в катушке не снизятся до установившегося предельного значения или исчезнет совсем, после чего сердечник 4 отпускается и защелка 2 освобождает пружину 1, цепь силовых контактов 5 при этом разрывается. Электромагнитные расцепители срабатывают практически мгновенно – собственное время срабатывания составляет 0,02…0,03с. В автоматическом выключателе с тепловым расцепителем, ток, проходя по нагревательному элементу 7, нагревает биметаллическую пластину 6, которая снимает защелку 2 пружины 1 и тем самым производит отключение силовых контактов 5. Из холодного состояния при температуре окружающей среды 40°С и нагрузке 1.1 номинальной тепловой расцепитель не срабатывает в течение часа, при нагрузке 1.35 номинальной срабатывает за 30 минут, а при шестикратной нагрузке - не более чем за 2…10с.

Автоматический выключатель при наличии трех расцепителей одновременно (электромагнитного максимального значения, электромагнитного минимального значения и теплового) заменяет рубильник, электромагнитный пускатель, плавкую вставку предохранителя и тепловое реле.

Принципиальная схема универсального автоматического выключателя на большие токи приведена на рис.12.7.

Токоведущая цепь имеет основные 3 и дугогасительные контакты 1, которые удерживаются или возвращаются в исходное положение пружиной 13. Включение и выключение автоматического выключателя вручную рукояткой 8 или электромагнитами 7 и 11. Звенья 10,12 и упор 9 представляют собой механизм свободного срабатывания, положение рычагов которого при автоматическом отключении показано штриховой линией. При токах короткого замыкания автоматический выключатель отключается токовым элементом 5, при понижении напряжения - элементом 6, при токах перегрузки - нагревательным биметаллическим элементом 4. Для гашения возникающий при коммутации дуги служит дугогасительная камера 2.

Рис. 12.7. Принципиальная схема автоматического выключателя на большие токи

 

По конструктивному оформлению различают автоматические выключатели с пластмассовым корпусом и крышкой на токи до 630А – установочные и без корпуса и крышки на токи от 630 до 15000А – универсальные. По времени отключения различают автоматические выключатели небыстродействующие и быстродействующие.

Рассматривая только установочные автоматы, следует отметить следующие наиболее применяемые серий: АП-50 2(3) МТН; АЕ2000; ВА51‑35; А3700…А3716 до 180А; А3726 до 250А; ВА5700…ВА5731 до 16…100А; ВА5735 до 100А; ВА57Ф35 до 100А; ВМ-40IП (16,25А); ВМ‑403П (16,25,40А); "ЩИТ", ДЭК-1П (10…63А); ДЭК-2П (10-63А); АВ‑50‑45; ВА 50-41…ВА 56-41; АВ 2М; "Электрон" 306С, 316В, 325С, 325В, 340В, 340С, ВАМУ, фирмы Legrand ДРХ и другие.

Автоматические выключатели, предназначенные для установки в квартирах и удовлетворяющие всем требованиям, предъявляемым к установочным изделиям называют бытовыми: серии АЕ-1000, ВА-101, ВА1-103, ВА-201, ВА-301…ВА304; ВА 92-29; ВА47; ВА88; «Щит»; фирмы Legrand ДРХ^ТМ, LR^ТМ и другие.

Номинальные токи автоматических выключателей и уставок расцепителей следует выбирать по расчетному току цепи и возможному току перегрузки. Коммутационную способность проверяют по допустимому току короткого замыкания. Между номинальным током теплового расцепителя I_{уст.тепл} и рабочим током цепи должно быть условие I_{уст.тепл}=1,25 I_раб. Ток электромагнитного расцепителя I_уст.эм для питания одиночных электродвигателей должен быть I_уст.эм=1,25 I_пуск (I_пуск - пусковой ток электродвигателя). Для группы электродвигателей учитывается пусковой ток большего по мощности электродвигателя I_{пуск.макс} и суммарный ток остальных, то есть

где n – число электродвигателей.

Тепловые реле. Тепловые реле служат для защиты электродвигателей от небольших, но длительных перегрузок, возникающих из-за прохождения по обмоткам повышенных токов, перегрузок рабочего механизма по технологическим причинам, тяжелых условиях пуска, длительного понижения напряжения сети, обрыва одной из фаз. Тепловые перегрузки вызывают ускоренное старение и разрушение изоляции, что приводит к коротким замыканиям. Основное требование к тепловой защите – должна срабатывать при перегрузках электродвигателя свыше 20% в течении не более 20 минут с момента достижения установившейся температуры. Принцип действия теплового реле аналогичен принципу действия теплового расцепителя автоматического выключателя. Необходимо отметить лишь особенности теплового реле. Термобиметаллическая пластина, способная изгибаться при нагреве, состоит из двух прочно соединенных между собой разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами температурного расширения. По способу нагрева биметаллической пластины различают тепловые реле с прямым, косвенным и комбинированным нагревом.

Широкое распространение получили тепловые реле типа ТРН, ТРП, РТТ и РТЛ. Тепловые реле типа ТРН - двухполюсные с температурной компенсацией, ручным возвратом и сменными нагревателями, рассчитанными на токи от 0,32 до 40А. Тепловые реле ТРП - однополюсные, ручного возврата или самовозвратом, без температурной компенсации и со сменными нагревателями на токи от 25 до 150А. Трехполюсные реле типа РТТ и РТЛ обеспечивают ускоренное срабатывание при потере фазы и имеют механизм для ускоренного срабатывания, температурную компенсацию, пределы регулирования тока уставки - 0.75…1.25 от номинального. Тепловые реле типа РТТ выпускаются в пяти исполнениях по номинальному току: О - 0.2…10А; 1-0.2…25А; 2‑10…63А; 3-63…160А; 4-125…630А. Тепловые реле серии РТЛ бывают трех исполнений по номинальному току: РТЛ-1000-до 25А, РТЛ-2000-до 80А и РТЛ-3000-до 200А.

 

12.3. Современные аппараты управления и защиты