Коммутационные аппараты

Коммутационные аппараты

Управление работой двигателей электрического привода и других эдоктронриемпиков сводится к включению и отключению их, а также к регулированию режима их работы, например частоты вращения, путем соответствующего изменения структуры электрических цепей объекта управления. Такое изменение в электрических цепях называется коммутацией, а аппараты, с помощью которых эти изменения выполняют, называют коммутационными.

Коммутационные аппараты бывают контактные и бесконтактные. В данной главе рассматриваются контактные аппараты. Бесконтактные коммутационные аппараты, основанные на использовании полупроводниковых элементов.

При разрыве цепи, нагруженной током, в пространстве между размыкающими контактами образуется электрическая дуга. Электрическое сопротивление дуги очень мало, поэтому промежуток между контактами оказывается проводящим и контур тока поддерживается до момента полного гашения дуги.

Образование дуги объясняется ионизацией газового пространства между электродами, т. е. образованием положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов. Направленное движение ионов, обусловленное электрическим полем, создает электрический ток в виде дуги.

Высокая температура дуги разрушает контакты и может привести к аварии, поэтому коммутационные аппараты, разрывая цепь, должны гасить образующуюся при этом дугу. В качестве контактных коммутационных аппаратов для цепей, нагруженных рабочим током, применяют рубильники, контакторы, магнитные пускатели и автоматические воздушные выключатели.

В коммутационных аппаратах напряжением до 1000 В применяют различные способы гашения дуги. Простейший из них состоит в быстром разрыве контактов с созданием большого расстояния между ними в кратчайшее время, в течение которого устойчивая дуга не успевает образоваться. Другой способ основан на том, что электрическая проводимость по длине дуги неодинакова: ниже на участках, прилегающих к электродам, и выше в средней ее части.

Если длинную дугу разделить на ряд коротких, то суммарная длина участков с высокой проводимостью сократится, что способствует гашению дуги. Дугогасительное устройство, разделяющее дугу на несколько коротких дуг, состоит из решетки, образованной несколькими П-образными стальными пластинами. Ток в длинной дуге образует магнитный поток в пластинах. В результате взаимодействия магнитного потока и тока дуги последняя затягивается в решетку, рассекаясь на несколько коротких дуг.

Иногда для затягивания дуги в решетку применяют катушки магнитного дутья. Тогда пластины могут быть изготовлены из любого немагнитного материала. Способ магнитного дутья заключается в том, что коммутируемый ток подводится к неподвижному контакту через электромагнит с катушкой, состоящей из одного или нескольких витков. Полюса электромагнита образованы пластинами из магнитного материала.

Направление силовых линий поля этого электромагнита одинаково по обе стороны дуги; оно обозначено на рисунке простыми крестами и условно направлено за плоскость чертежа. Током, проходящим в дуге, образовано другое магнитное поле, имеющее разное направление силовых линий по обе стороны дуги. Это поле обозначено следами магнитных линий, показанными крестами и точками в кружках.

Под дугой концентрируются равнонаправленные линии магнитных полей, взаимно отталкиваясь, они как бы вытесняют (выдувают) дугу кверху. Увеличение длины дуги, а в данном случае дополнительное рассечение ее на короткие дуги, ведет к росту электрического сопротивления дуги и деионизации дугового промежутка, в результате чего дуга гаснет.

В аппаратах, коммутирующих ток относительно большой величины, контакты обычно помещают в особые дугогасительные камеры, изготовленные из жаропрочного материала (например, асбестоцемента). Внутри камеры устроены так, что при разрыве контактов дуга оказывается локализованной в узком пространстве.
Условия для поддержания дуги в и дуга гаснет.

Дуга гаснет и при воздействии па нее газового потока, который способствует понижению температуры дуги и ее механическому разрушению. Газовый поток возникает в результате газогенерирующих свойств некоторых материалов, образующих дугогасительное пространство. К таким материалам относятся фибра, оргстекло, масло и некоторые смолы.

Рубильники — простейшие коммутационные аппараты — бывают в одно-, двух- и трехполюсном исполнении. Каждый полюс состоит из поворотной пластины (ножа) и неподвижных губок, которые смонтированы на плите. Коммутацию цепи осуществляют замыканием ножа на губки с помощью рукоятки, изолированной от токоведущих частей рубильника тягой. В целях безопасности обслуживания ножи и губки рубильника помещают в закрытом шкафу или под кожухом, а рукоятку выводят наружу. На контактах рубильников гашение дуги основано на быстроте действий по включению и отключению. В современных электрических установках применение рубильников ограничено.

Контакторы и магнитные пускатели одинаковы по принципу действия и состоят из неподвижной и подвижной частей. Неподвижная часть представляет собой электромагнит и группу
неподвижных контактов (главных и вспомогательных — блок-контактов), подвижная — механически связанные между собой якорь, группу подвижных главных контактов и мостики, замыкающие вспомогательные контакты.

При включении кнопкой обмотки электромагнита на напряжение управления якорь подвижной системы притягивается к электромагниту и подвижные контакты замыкаются с неподвижными. Одновременно на блок-контактах 3 я 4 замыкаются и размыкаются соответствующие вспомогательные цепи.

Главные контакты 2 и 5 служат для подключения (или отключения) основного токоприемника к источнику электрической энергии (сети); блок-контакты — для сигнализации или необходимых переключений в цепях управления. Контакты размыкаются при отключении катушки электромагнита. При этом якорь магнитной системы и связанные с ним подвижные контакты отпадают под действием собственной массы или особой оттягивающей пружины.

Нормальным считается положение элементов контактора или пускателя, при котором на катушку электромагнита не подано напряжение.

По исполнению контакты (главные и блокировочные) бывают замыкающими или размыкающими. Первые разомкнуты, а вторые замкнуты при отсутствии напряжения на катушке. Число главных и блокировочных контактов в контакторах и пускателях может быть различно. Управляют контактной системой с помощью электромагнита, поэтому работа аппарата зависит от величины питающего напряжения. Катушки электромагнитов рассчитывают на продолжительную работу при напряжении сети от 0,85 до 1,05 номинального значения. Различные виды контакторов предназначены для работы в цепях переменного и постоянного тока.

Контакторы обычно используют в качестве аппарата, являющегося частью комплектного устройства: шкафа или панели управления. Самостоятельного применения контакторы не имеют.

Катушки электромагнитов рассчитаны на различное напряжение в зависимости от рода тока:
при переменном токе — на 127, 220, 380, 500 В; при постоянном — на 24, 48, 110, 220, 440 В. Контакторы (так же как и магнитные пускатели) помимо их номинальных электрических параметров характеризуются следующими показателями:

  • допустимой частотой включения;
  • износостойкостью (расчетным числом циклов срабатывания);
  • собственным временем включения (время от момента включения катушек до соприкосновения контактов);
  • отключения (время от момента снятия напряжения на катушках до появления зазора между контактами).

В пределах каждого вида контактора (или магнитного пускателя) различают его величину, зависящую от номинального тока аппарата. Распространены типы контакторов переменного тока серии КТ-6000 и постоянного тока КПД.

Рассмотрим различия между контакторами переменного и постоянного тока. Электрическая дуга при постоянном токе более устойчива, чем при переменном, вследствие чего контакторы постоянного тока при прочих равных условиях рассчитаны на меньший ток по сравнению с контакторами переменного тока.
Электрическое сопротивление втягивающих катушек контакторов переменного тока зависит от величины воздушного промежутка между неподвижной и подвижной частями магнитопровода, определяющего индуктивное сопротивление электромагнита.

При разомкнутом магнитопроводе индуктивное сопротивление во много раз меньше, чем при замкнутом. Поэтому ток в момент включения катушки при переменном токе в 15—20 раз превышает установившееся значение тока. При постоянном токе сопротивление катушек электромагнита неизменно и значение тока включения не отличается от его установившейся величины. Собственное время включения контакторов переменного тока поэтому ниже, чем у контакторов постоянного тока.

Магнитопроводы втягивающих электромагнитов нагреваются вследствие гистерезиса и вихревых токов. Для уменьшения такого нагрева в контакторах переменного тока применяют шихтованные (слоеные с изолирующей прокладкой) электромагниты, изготовляемые из стали с повышенным значением удельного сопротивления. Для контакторов постоянного тока подобные требования излишни.

Трехфазный контактор переменного тока

Главные составные части контактора — это магнитная система и его контактные группы. Магнитная система состоит из сердечника с катушкой и поворотного якоря, закрепленного на валу. Контактная группа образована главными неподвижными и подвижными контактами (по одной паре контактов в каждой фазе), а также вспомогательными контактами (блок-контактами). Подвижные контакты механически связаны с поворотной частью контактора.

При подаче напряжения на катушку электромагнита якорь, поворачиваясь, притягивается к сердечнику, а главные контакты замыкаются. Блок-контакты при этом замыкаются или размыкаются в зависимости от их назначения.

Для гашения дуги, возникающей при размыкании, коммутируемый ток подается к неподвижным главным контактам через дуго-гасительную катушку, а группа контактов каждой фазы помещается в отдельной дугогасительной камере.

Магнитные пускатели используют в качестве самостоятельного аппарата, чаще всего они предназначены для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Пускатели конструктивно объединяют контактор с кнопками включения и отключения и устройством тепловой защиты, устанавливаемой в одной или двух фазах пускателя. Действие тепловой защиты основано на деформации биметаллического элемента при непосредственном или косвенном нагреве его рабочим током нагрузки, проходящим через главные контакты пускателя.

Деформация биметаллического элемента, вызванная недопустимо длительным прохождением повышенного тока, конструктивно обусловливает размыкание контактов реле в цепи катушки пускателя. При разрыве цепи катушки якорь контактора отпадает и его главные контакты размыкаются. Время срабатывания теплового реле зависит от величины тока. При токе, превышающем номинальный на 20%, реле должно срабатывать по истечении 20 мин. При меньших перегрузках время срабатывания увеличивается, при больших — резко уменьшается. На кожухе пускателя имеется кнопка возврата контактов теплового реле в исходное положение.

Магнитные пускатели могут быть нереверсивными и реверсивными. В последнем случае они представляют собой блок двух контакторов.

Автоматические воздушные выключатели

Автоматические воздушные выключатели предназначены для защиты электрических установок от перегрузок и коротких замыканий, а также для нечастых коммутаций электрических цепей в нормальном режиме работы. Независимо от конструкции и назначения управляют автоматическими выключателями с помощью рукояток, а при перегрузках они отключаются автоматически. Автоматические выключатели, рассчитанные на большой ток, имеют устройства дистанционного управления с электромагнитным или двигательным приводом. Контактная система и принципы гашения дуги на контактах автоматических выключателей аналогичны рассмотренным для контакторов и магнитных пускателей.

Особенность автоматических выключателей— наличие у них механизма свободного расцепления, который представляет собой систему шарнирно связанных рычагов, воздействующих на подвижные контакты. Механизм свободного расцепления исключает удержание контактов в замкнутом положении при перегрузке защищаемой цепи и обеспечивает размыкание контактов аппарата независимо от оператора и включающего усилия.

В электрических установках гидромеханизации широко применяют автоматические выключатели серии А-3100 в пластмассовом: кожухе, выполняемые на токи 50, 100, 200 и 600 А, двух- и трех-полюсные. Включают и выключают автомат с помощью рукоятки, выведенной на переднюю крышку аппарата. При воздействии на рукоятку контакты 1 я 2 замыкаются. Для автоматического отключения предусмотрены тепловые и электромагнитные (или комбинированные) расцепители. Для выключения автомата при коротком замыкании служит электро-магнитный элемент мгновенного действия.

При восьми- и десяти-кратном значении тока по сравнению с номинальным электромагнитный элемент воздействует на механизм, освобождающий подвижную систему контактов, и выключатель отключается мгновенно. При перегрузках срабатывает тепловой элемент, действие которого аналогично действию теплового реле магнитного пускателя; контакты автомата размыкаются с выдержкой времени, обусловленной длительностью прохождения тока перегрузки.

Механизм свободного расцепления обеспечивает автоматическое отключение при перегрузках независимо от положения, в котором находится в данный момент рукоятка. Для гашения дуги служит решетка, охватывающая контакты выключателя.

Помимо описанной конструкции в электроустановках гидро-механизации применяют автоматические выключатели серии АК-50 на токи от 1,6 до 50 А с управлением кнопками, выведенными на переднюю панель. Автоматы снабжены электромагнитными и тепловыми расцепителями.

Для защиты цепей с большой нагрузкой, обслуживающих, на-пример, группы мощных токоприемников, применяют автоматы серии АВ на ток от 400 до 2000 А с ручным и дистанционным управлением. Для автоматического отключения предусматривают расцепители мгновенного и замедленного срабатывания с регулированием выдержки времени отключения, а также элементы отключения автомата при недопустимом понижении напряжения. Некоторые виды автоматов имеют помимо рабочих (главных) вспомогательные (блокировочные) контакты, которые используют для необходимых переключений в цепях контроля и управления.