шестнадцатая. Электрические аппараты автоматики и управления
Электрические аппараты автоматики и управления осуществляют непериодическую коммутацию в электрических цепях с целью защиты оборудования и регулирования электрических нагрузок. Различают электрические аппараты высокого (выше 1000 В) и низкого (до 1000 В) напряжений. Аппараты высокого напряжения рассчитываются на отключение токов до сотен килоампер и здесь подробно рассматриваться не будут. Среди аппаратов низкого напряжения различают аппараты автоматики и аппараты управления.
Аппараты автоматики (реле, датчики, регуляторы и др.) коммутируют токи до 5 А при напряжениях до 100 В в цепях автоматики.
Аппараты управления коммутируют токи более 5 А при напряжениях до 1000 В в силовых цепях двигателей, генераторов, нагревательных устройств и др. Различают аппараты управления приемниками электроэнергии в нормальных режимах работы (контакторы, магнитные пускатели, командоаппараты) и аппараты распределения электроэнергии и ее отключения в аварийных режимах (автоматы, предохранители, рубильники, пакетные выключатели).
Электрические аппараты изготавливаются на значения номинальных напряжений:
- • в цепях синусоидального тока —24, 36, 127, 220, 380 В;
- • в цепях постоянного тока — 12, 24, 48, 110, 220, 440 В.
Распространенные значения номинальных токов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 6;
10; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000 А.
Электрические аппараты в местах установки соединяются неизолированными шинами, укрепленными на изоляторах, или кабелями. Монтаж и эксплуатация неизолированных шин проще и дешевле по сравнению с изолированными. Кроме того, для них допускается большая плотность тока. В большинстве случаев применяются алюминиевые шины, стальные — только в установках с токами не выше 200 А. Алюминиевые шины могут быть однополюсными и многополюсными прямоугольного сечения с размерами полосы до 120 х 120 мм.
В трехфазных цепях шины окрашиваются в цвета: фаза А — желтый, фаза В — зеленый, фаза С — красный, нейтральные шины при изолированной нейтрали — в белый, при заземленной нейтрали — в черный.
В цепях постоянного тока шина положительной полярности — красная, отрицательной — синяя, нейтраль — белая.
Лекция 7
Для управления работой электрического оборудования необходимо осуществлять включение и переключение или выключение различных устройств. Все электромеханические устройства, как правило, подключаются к общей сети через специальные автоматические выключатели или предохранители, которые защищают сеть от повреждения в случае короткого замыкания приёмника электрической энергии.
В качестве электрических аппаратов управления используют разнообразные устройства: первичные преобразователи различных механических, тепловых, химических и других величин в электрические, устройства обработки электрических сигналов, устройства дистанционного управления.
Для переключения устройств высокого напряжения используют специальные сложные аппараты, в которых принимаются меры против образования электрической дуги и для её гашения, а также предусматривается защита при увеличении электрического тока.
Во всех этих случаях используются электрические аппараты – устройства для включения, переключения и выключения электрических и механических цепей, а также для плавного управления режимами работы электрических приёмников.
По назначению электрические аппараты управления классифицируют как :
— аппараты управления режимом работы электрооборудования (контакторы, пускатели, реле, электромагнитные муфты, командоаппараты и переключатели);
— аппараты распределительных устройств (автоматические выключатели и предохранители);
— аппараты регулирования и контроля (стабилизаторы и датчики).
Важнейшей частью электрических аппаратов является коммутирующий узел, который характеризуется переходным сопротивлением: состояние «замкнуто» — RЭА ≤ Rприёмника , состояние «разомкнуто» — RЭА ≥Rприёмника . Процессы коммутации сопровождаются импульсами тока, напряжения и появлением электромагнитных полей, которые могут быть опасными для людей и мешать работе других электротехнических и электронных устройств. Отсюда возникает необходимость решения проблемы электромагнитной совместимости электрических машин и электрической безопасности. По типу коммутирующего узла различают контактные, бесконтактные и гибридные электрические аппараты управления.
В контактных электрических аппаратах есть электрические контакты, которые замыкаются или размыкаются под действием механической силы, создаваемой приводом. Привод может быть электромагнитный, пневматический, механический и др.
Достоинства: большая надёжность, высокая перегрузочная способность, большие номинальные значения токов и напряжений в коммутаторной цепи.
Недостатки: узость контактных поверхностей, невысокая частота коммутаций, «дребезг» контактов.
В бесконтактном электрическом аппарате коммутация достигается изменением сопротивления нелинейного элемента (транзисторы, тиристоры и др.).
Достоинства: нет подвижных частей, малые габариты, большой срок службы, низкий уровень мощности управляющего сигнала.
Недостатки: большое сопротивление в состоянии «замкнуто» и малое – в состоянии «разомкнуто»; низкая перегрузочная способность.
В зависимости от напряжения в коммутируемой цепи применяются аппараты высокого (› 1000 В) или низкого напряжения. В зависимости от значения коммутируемого тока используют аппараты различного конструктивного исполнения.
По характеру физической величины используемой в электрических аппаратах управления последние классифицируют следующим образом:
— тепловые, реагирующие на изменение температуры;
— механические, реагирующие на перемещение, изменение давления, изменение частоты вращения и т. п.
— магнитные, реагирующие на изменение магнитных величин;
— акустические, реагирующие на силу звука;
— оптические, реагирующие на изменение освещённости.
7.2 Устройство и принцип действия коммутационных контактных аппаратов
Контактный аппарат содержит две части: электрические контакты и привод для управления контактами. Форма, размеры, материал, типы покрытия контактов выбирают в зависимости от значений напряжения и тока в управляемой электрической цепи.
Контакты изготовляют из материалов, обладающих небольшим удельным электрическим сопротивлением (медь, сплавы с никелем, иридием, металлокерамические соединения). Для повышения износоустойчивости контакты покрывают вольфрамом или металлокерамическим соединением. Иногда плотность соединения обеспечивается специальными пружинами.
Для предотвращения разогрева и повреждения контактов ускоряют процесс размыкания и используют тугоплавкие материалы, увеличивают расстояние между контактами в разомкнутом состоянии, применяют специальные активные и пассивные дугогасительные элементы.
Перемещение контактов производится с помощью привода. Наиболее просто устроены приводы командоаппаратов, в которых электрические контакты замыкаются под действием механической силы, создаваемой движением руки (нажатие кнопки, поворот руки или рычага) или при движении частей какого-либо механизма (концевые и путевые выключатели). В контакторах, магнитных пускателях, реле используют электромагнитный привод контактов с помощью электромагнитов постоянного или переменного тока.
Все элементы, формирующие магнитное поле изготавливаются из ферромагнитных материалов. В аппаратах переменного тока они изготовляются шихтованными для уменьшения потерь энергии на вихревые токи.
При наличии в катушке тока, превышающего определенные значения (ток срабатывания), в магнитной системе возникает магнитное поле достаточное для перемещения якоря в другое устойчивое положение. При этом преодолевается сопротивление рабочей пружины и с помощью механических связей размыкаются или замыкаются электрические контакты.
К электрическим аппаратам ручного управления относят кнопки и ключи управления, командоаппараты и силовые коммутационные аппараты (рубильники, пакетные выключатели и силовые контроллеры).
Кнопки управления предназначены для подачи оператором управляющего воздействия на электропривод. Две, три и более кнопок смонтированных в одном корпусе, образуют кнопочную станцию. Одноцепные кнопки управления выпускают с замыкающими и размыкающими контактами. Контакты на схемах изображают в «нормальном» состоянии, когда на них не оказывается механическое, электрическое, магнитное воздействие. Двухцепные кнопки управления имеют обе пары указанных контактов, на которые действует один привод.
Особенностью кнопок управления является их способность возвращаться в исходное положение (самовозврат) после снятия воздействия. Выпускают кнопки цепей переменного тока на напряжение до 500 В и постоянного тока на напряжение до 220 В при токах до 16 А. На принципиальных электрических схемах кнопки ручного управления обозначают следующим образом:
Ключи управления предназначены для подачи управляющего воздействия на электропривод и имеют два или более фиксированных положений рукоятки и несколько замыкающих и размыкающих контактов. Ключи управления рассчитаны на те же напряжения и токи, что и кнопки. На принципиальных электрических схемах ключи управления обозначают таким образом:
Универсальные переключатели используются для коммутации цепей катушек контакторов, масляных выключателей, управления многоскоростными асинхронными двигателями и другими устройствами.
7.3 Коммутационные аппараты для управления электротехническими устройствами низкого напряжения
7.3.1 Магнитный пускатель
Схема включения приемника электрической энергии с помощью магнитного пускателя имеет вид:
Магнитный пускатель содержит несколько коммутационных аппаратов: двухкнопочный пульт SB1, SB2, контактор КМ и защитные тепловые реле КК1, КК2. Обычно в контакторе есть несколько пар основных и вспомогательных контактов, управляемых одним рычагом привода. Важным элементом контактора является дугогасительное устройство.
Для коммутации ряда устройств с защитой от аварийных режимов применяют аппарат, который называется автоматическим воздушным выключателем. Изготавливают автоматы универсальные для установки в закрытых шкафах распределительных устройств и установочные, имеющие пластмассовый защитный корпус для установки вне шкафов. Универсальные автоматы могут иметь ручной или электромагнитный привод для дистанционного управления. Установочные автоматы выполняют с ручным приводом.
В автомате имеются два защитных устройства – тепловой и электромагнитный расцепители. Оба расцепителя освобождают (или не позволяют зафиксировать механический расцепитель контактора. Тепловой расцепитель – это биметаллическая пластина, которая деформируется при нагревании и освобождает механический расцепитель. Электромагнитный расцепитель имеет катушку, которая соединена последовательно с управляемыми контактами. При превышении определенного значения тока якорь, соединенный с механическим расцепителем притягивается к сердечнику и освобождает механический расцепитель. Защитные расцепители не только отключают, но и не позволяют вновь включать автомат до тех пор пока не будут устранены причины отключения.
Привод контактора замыкает основные контакты КМ1 и КМ2, которые соединены последовательно с приёмником, и, таким образом, приёмник подключается к сети. Одновременно замыкается вспомогательный контакт КМ3, который шунтирует кнопку S1 «пуск». Теперь при отпускании кнопки S1 катушка контактора не будет обесточена.
Для защиты от перегрузок сети и приёмника в магнитном пускателе устанавливают тепловые реле. Их обмотки управления КК1 и КК2 включены последовательно с приёмником, а нормально замкнутые контакты КК1 и КК2 включены последовательно с обмоткой контактора КМ.
Устройство одного из типов магнитного контактора постоянного тока показано на рисунке 7.4. Контактный узел состоит из неподвижного 1 и подвижного 3 контактов, помещённых в дугогасительную камеру 2. Контакт 3 закреплён на рычаге 4, связанном с помощью пружины 5 с якорем 6, и соединён с управляемой электрической цепью гибкой медной лентой 10. Электромагнитный привод контактора имеет возвратную пружину 7, сердечник 8 и обмотку 9.
Рисунок 7.4.— Конструктивная схема контактора постоянного тока
Важным элементом контактора является дугогасительное устройство. Его принцип действия таков: при размыкании между контактами в результате дугового разряда образуется ионизированная газовая область с движущимися зарядами. Этот ток создаёт магнитное поле между ферромагнитными пластинами, между которыми закреплены контакты 3. Магнитная сила перемещает ионизированную область в узкую щель между элементами дугогасительной решётки, которые изготовлены из изоляционного материала. Решётка отбирает тепловую энергию из области дугового разряда.
Для коммутации электротехнических устройств с защитой от аварийных режимов применяют автоматический воздушный выключатель (автомат). Изготовляют автоматы универсальные для установки в закрытых шкафах распределительных устройств и установочные, имеющие пластмассовый защитный корпус для установки вне шкафов. Универсальные автоматы могут иметь ручной или электромагнитный привод для дистанционного управления. Установочные автоматы выполняют с ручным приводом.
На рисунке 7.5 приведена схема установочного автомата. Включение и отключение производится рукояткой 11, которая находится в пазу изоляционной крышки корпуса 9.
Для включения рукоятку поднимают вверх. При этом пластина 10 свободным концом зацепляется за зуб 13 расцепителя 14 и фиксируется, пружина 12 тянет шарнир рычагов 4 и 5 наверх, рычаг 6 с подвижным контактом поворачивается влево до неподвижного контакта 7 и, таким образом, контакты замыкаются. Цепь автомата замыкается через гибкую токоведущую шину 3. Выключение осуществляют поворотом рукоятки вниз. В автомате установлена дугогасительная решётка 8.
В автомате есть два защитных устройства: тепловой и электромагнитный расцепители. Оба расцепителя не позволяют зафиксировать пластину 10 и расцепитель 14.
Рисунок 7.5.— Схема воздушного автоматического выключателя переменного тока
Тепловой расцепить – биметаллическая пластинка 1, которая деформируется при нагревании и опускается вниз. При этом поворачивается рычаг 14, освобождается пластина 10 и размыкаются контакты автомата. Так потребитель защищается от длительного превышения номинального значения тока.
Электромагнитный расцепитель имеет катушку, которая соединена последовательно с управляемыми контактами. При кратковременном превышении номинального значения тока якорь в виде ферромагнитной шайбы 2 притягивается к сердечнику катушки (влево), рычаг 14 расцепителя повернётся и управляемые контакты 6 разомкнутся. Причём, защитные расцепители не только отключают, но и не позволяют включить автомат вновь до тех пор пока не будут устранены причины защитного отключения (чрезмерный нагрев элемента тепловой защиты или недопустимо большой ток приёмника.
7.3.2 Электромагнитные реле систем автоматического управления и защиты
Электромагнитное реле – это электрический контактный аппарат, имеющий два или более устойчивых положений в зависимости от управляющих токов и напряжений. Указанные устойчивые состояния отличаются замкнутыми, разомкнутыми или переключёнными контактами.
Простейшее коммутационное промежуточное реле с приводом клапанного вида устроено аналогично магнитному контактору. Процесс «срабатывания» в этом реле не зависят от направления тока: оно работает как в цепях постоянного, так и переменного тока. Иногда такое реле называют нейтральным.
Реле подразделяют на реле токовые и реле напряжения. Электромагнитные реле имеют от 2 до 20 контактов. Допустимое значение тока составляет от 5 мА до 5 А и более, а допустимое напряжения размыкания от 5 до 400 В. Время «срабатывания» — интервал времени от появления управляющего сигнала до момента коммутации – составляет от 0,1 до сотен миллисекунд; износостойкость контактов – не менее 10 6 срабатываний.
Чтобы осуществить коммутацию в зависимости от направления управляющего тока или напряжения, применяют поляризованные реле. Схема такого реле приведена ниже.
Рисунок 7.6— Схема устройства поляризованного реле
Магнитная система реле состоит из двух управляющих катушек 5, которые соединены последовательно; сердечника 4, постоянного магнита 1 и якоря 2, находящегося в воздушном зазоре сердечника, и контактов 3. Верхняя часть якоря и торцы сердечника являются противоположными полюсами и взаимно притягиваются с силами F1 и F2. Эти силы обратно пропорциональны зазорам между якорем и сердечником и поэтому якорь всегда занимает одно из двух положений.
Ток управляющих катушек создаёт дополнительное магнитное поле, которое создаёт намагничиванием новые магнитные полюса. Взаимодействие новых полюсов с полюсами постоянного магнита приводит к размыканию контактов или к их удерживанию.
Такое поляризованное реле называется двухпозиционным, состояние реле зависит от полярности управляющего сигнала. При уменьшении управляющего сигнала до нуля состояние реле не изменяется. Поляризованные реле рассчитаны на весьма небольшие токи и напряжения срабатывания.
7.3.3 Защитные реле для электротехнических устройств
Защитные реле применяют для защиты электродвигателей и других электрических устройств от превышения температуры, тока и напряжения их допустимых значений по условиям эксплуатации. Для защиты от превышения температуры используют тепловое реле, его принципиальная схема представлена ниже.
Рисунок 7.7— Схема защитного теплового реле
Управляющей величиной является ток Iн защищаемого приёмника электрической энергии. Последовательно с приёмником включается нагревательный элемент 1, который нагревает термочувствительный элемент 2 – биметаллическую пластинку. При достаточно длительном нагревании током, значение которого превышает допускаемое, пластинка деформируется, опускаясь вниз. Рычаг 4 освобождается и под действием сжатой пружины 5 поворачивается против часовой стрелки. При этом подвижный контакт 3 размыкается и разрывает цепь управления. Последующее охлаждение биметаллической пластинки не приведёт к восстановлению замкнутого состояния контактов: для этого необходимо нажать кнопку возврата 6, которая сожмёт пружину 5 и отведёт рычаг 4.
Для защиты электрической сети и приёмника от импульсного изменения тока (напряжения) до недопустимых значений применяют защитные реле тока (напряжения).
Они отличаются от других специальным регулирующим значение тока или напряжения элементом, который позволяет установить с большой точностью ток (напряжение) срабатывания или отпускания. Например, реле максимального тока устроено следующим образом:
Рисунок 7.8— Принципиальная схема реле максимального тока
Реле состоит из токовой обмотки 1, винта 4 для «регулировки» воздушного зазора между якорем 3 и сердечником 2, гайки 5 для «регулировки» натяжения возвратной пружины 12, пластмассовых колодок 9 для крепления двух пар подвижных контактов 7 и 10 , двух пар неподвижных контактов 6 и 11, контактных пружин 8 для сжатия пар коммутируемых контактов. Ток срабатывания реле регулируется изменением положения винта 4 и гайки 5. Время срабатывания реле при повышении тока до 1,3 Iсрабат. равно не более 0,1 с.
7.3.4 Современная реализация защитных функций
Реализация защитных и блокирующих функций в настоящее время осуществляется программно в системах управления, автоматического регулирования и контроля. Для этого измеряют посредством датчиков те технические величины, которые характеризуют состояние объекта регулирования и контроля, и включают в программное обеспечение регулирующих устройств соответствующие алгоритмы для реагирования на возникающие аварийные ситуации или неправильные действия оператора.
Таким образом, исчезает необходимость в широком использовании электромагнитных реле. Правда, при отказе автоматических регулирующих устройств некоторыми объектами регулирования и контроля возможно наступление тяжёлых последствий для окружающей среды и людей в результате аварии. В этом случае необходимо резервирование питания и самих электронных устройств, а в некоторых случаях применение дополнительных контактных или бесконтактных электромагнитных устройств автоматики и контроля, которыми можно управлять вручную.
7.3.5 Электромагнитные реле с магнитоуправляемыми контактами
Магнитоуправляемый контакт – устройство, имеющее контакты из упругого ферромагнитного материала, которые управляются внешним магнитным полем. Контакты выполняют несколько функций: они являются управляемым элементом, частью магнитного привода и рабочей пружиной.
В настоящее время выпускаются и широко используются герконы – магнитоуправляемые контакты, которые помещены в стеклянную герметизированную колбу. Контактные пары находятся в инертной среде. Благодаря малой массе подвижных частей герконы обладают большим быстродействием и высокой чувствительностью к управляющему воздействию, они выдерживают до 10 7 включений. Схемы герконов некоторых видов приведены ниже.
а) – замыкающее; б) – переключающее; в) – многоконтактное
Рисунок 7.9— Конструктивные схемы герконовых реле
На рисунке 7.9,а пластины 1 замыкающего геркона выполнены из пермаллоя (ферромагнитный материал с высокой магнитной проницаемостью), контактные площадки 2 покрывают золотом, родием или серебром и помещают в стеклянную колбу 3; катушка 4 создаёт управляющее магнитное поле.
На рисунке 7.9, б изменением соотношения между значениями токов в катушках можно замыкать правую или левую пару контактов. На рисунке 7.9, в представлен многоконтактный геркон замыкающего типа. Так как герконы чувствительны к внешним магнитным полям, то их помещают в экранирующий корпус из магнитомягкого материала.
Один из типов магнитоуправляемого контакта – феррид – обладает свойством сохранять своё состояние после уменьшения до нуля управляющего тока. Ниже представлена конструктивная схема такого реле.
Рисунок 7.10— Схема устройства феррид – герконового реле
с памятью состояния
В стеклянной герметизированного колбе 1 укреплены гибкие ферромагнитные пластины 2. Управляющая магнитная система содержит сердечник 3 из феррита, обладающего остаточной намагниченностью, и катушку 4.
Для замыкания контактов и намагничивания сердечника создают импульс тока в катушке определённой амплитуды и длительности. После отключения тока магнитное поле, создаваемого намагниченным сердечником, удерживает контакты в замкнутом состоянии. Для размыкания контактов создают отрицательный импульс для размагничивания сердечника.
Все рассмотренные герконы являются слаботочными и рассчитаны на коммутацию цепей с токами до 1 А. В цепях с большими токами используют герсиконы (силовые герконы). Устройство герсикона показано на рисунке 7.11.
Рисунок 7.11— Конструктивная схема герсикона
Управляющая катушка 1 помещена на ферромагнитном сердечнике 2. При токе катушки, превышающем ток срабатывания, якорь 6 – упругая ферромагнитная пластинка – притянется к торцевой поверхности полюса 7 сердечника, подвижный контакт 3 соединится с неподвижном контактом 4. Керамический корпус 8 с не ферромагнитной металлической крышкой 9 создаёт герметичную область с инертными газами, в которой находятся контакты. Электрическое соединение управляемой цепи с подвижным контактом осуществляется гибкой токопроводящей шины 5 и крышки 9.
Проблема повышения допустимого тока размыкания для герконов решается труднее, чем для обычных реле, из-за технических трудностей.
7.3.6 Примеры современных высоковольтных реле
Высоковольтными называют реле, которые коммутируют цепи с напряжением выше 500 В и большими токами.
1 – керамическая оболочка; 2 – вращаемая арматура; 3 – пружина; 4 – катушка (в сборе)
Рисунок 7.12 -Газонаполненное высоковольтное реле с вращаемой арматурой
Для увеличения электрической прочности изоляции высоковольтные реле изготовляют вакуумными или наполняют инертным газом, так как диэлектрическая проницаемость вакуума, гексафторида серы (SF6) или инертного газа больше, чем у воздуха. Кроме того, в вакууме или среде инертного газа не происходит окисление контактов, что позволяет применять медные или родиевые контакты, которые способны выдерживать большие токи.
При размыкании контактов под нагрузкой при малых токах используют молибденовые или вольфрамовые контакты. Заполнение реле гексафторидом серы позволяет реле работать при больших бросках тока и разрядах ёмкостных нагрузок.
Катушка (в сборе) конструктивно является внешним элементом по отношению к вакуумной оболочке и её легко заменить.
Рисунок 7.13—Вакуумноевысоковольтное реле с диафрагмой,
изготовленной из молибдена или вольфрама
В конструкции реле с диафрагмой используется молибденовая диафрагма, позволяющая металлическому стержню поступательно перемещаться. При этом стержень проходит через отверстие в первом контакте реле и электрически с ним соединяется. Как только стержень достигает второго контакта и перестаёт двигаться, контакты замыкаются.
Системы автоматики: системы автоматического контроля, управления и регулирования
Все элементы автоматики по характеру и объему выполняемых операций подразделяют на системы: автоматического контроля, автоматического управления, автоматического регулирования.
Система автоматического контроля (рис. 1) предназначена для контроля за ходом какого-либо процесса. Такая система включает датчик В, усилитель А, принимающий сигнал от датчика и передающий его после усиления на специальный элемент Р, который реализует заключительную операцию автоматического контроля — представление контролируемой величины в форме, удобной для наблюдения или регистрации.
В частном случае в качестве исполнительного элемента Р могут служить сигнальные лампы или звуковые сигнализаторы. Систему с такими элементами называют системой сигнализации .
Рис. 1. Система автоматического контроля
В систему автоматического контроля кроме указанных на рис. 1, а могут входить и другие элементы — стабилизаторы, источники питания, распределители (при наличии нескольких точек контроля или нескольких датчиков в одном исполнительном элементе Р) и т. д.
Независимо от количества элементов системы автоматического контроля являются разомкнутыми и сигнал в них проходит только в одном направлении — от объекта контроля Е к исполнительному элементу Р.
Система автоматического управления предназначена для частичного или полного (без участия человека) управления объектом либо технологическим процессом. Эти системы широко применяют для автоматизации, например, процессов пуска, регулирования частоты вращения и реверсирования электродвигателей в электроприводах всех назначений.
Необходимо указать на такую важную разновидность систем автоматического управления, как системы автоматической защиты , которые не допускают аварийного или предельного режима, прерывая в критический момент контролируемый процесс.
Система автоматического регулирования поддерживает регулируемую величину в заданных пределах. Это наиболее сложные системы автоматики, объединяющие функции автоматического контроля и управления. Составная часть этих систем — регулятор .
Если системы выполняют только одну задачу — поддерживают постоянной регулируемую величину, их называют системами автоматической стабилизации. Однако существуют такие процессы, для которых необходимо изменять во времени регулируемую величину по определенному закону, обеспечивая ее стабильность на отдельных участках. В этом случае автоматическую систему называют системой программного регулирования .
Для обеспечения постоянства регулируемой величины можно использовать один из принципов регулирования — по отклонению, возмущению или комбинированный, которые будут рассмотрены применительно к системам регулирования напряжения генераторов постоянного тока.
При регулировании по отклонению (рис. 2 и 3) элемент сравнения UN сравнивает фактическое напряжение U ф с заданным Uз, определяемым задающим элементом EN. После сравнения на выходе элемента UN появляется сигнал Δ U=Uз — U ф, пропорциональный отклонению напряжения от заданного. Этот сигнал усиливается усилителем А и поступает на рабочий орган L. Изменение напряжения на рабочем органе L, которым является обмотка возбуждения генератора G, приводит к изменению фактического напряжения генератора, устраняющего его отклонение от заданного.
Усилитель А, не изменяющий принципа действия системы, необходим для ее практической реализации, когда мощность сигнала, поступающего от элемента сравнения UN, недостаточна для воздействия на рабочий орган L.
Рис. 2. Система автоматического регулирования
Рис. 3. Автоматическое регулирование по отклонению
Наряду с задающим воздействием на систему могут влиять различные дестабилизирующие факторы Q, которые вызывают отклонение регулируемой величины от заданной. Воздействия дестабилизирующих факторов, один из которых условно обозначен на рисунке буквой Q, могут проявляться в различных местах системы и, как принято говорить, поступать по различным каналам. Так, например, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению сопротивления в цепи обмотки возбуждения, что в свою очередь влияет на напряжение генератора.
Однако где бы ни возникали воздействия Q (со стороны потребителя — ток нагрузки, вследствие изменения параметров цепи возбуждения), система регулирования будет реагировать на вызванное ими отклонение регулируемой величины от заданной.
Наряду с рассмотренным принципом регулирования используют регулирование по возмущению , при котором в системе предусматривают специальные элементы, измеряющие воздействия Q и влияющие на рабочий орган.
В системе, использующей только такой принцип регулирования (рис. 4 и 5), фактическое значение регулируемой величины не учитывается. Принимают во внимание только одно возмущающее воздействие — ток нагрузки I н. В соответствии с изменением тока нагрузки происходит изменение магнитодвижущей силы (мдс) обмотки возбуждения L2, являющейся измерительным элементом данной системы. Изменение мдс этой обмотки приводит к соответствующему изменению напряжения на выводах генератора.
Рис. 4. Автоматическое регулирование по возмущению
Рис. 5. Принципиальная схема системы автоматики
Система, осуществляющая комбинированное регулирование (по отклонению и возмущению), может быть получена объединением ранее рассмотренных систем в одну (рис. 6)
Рис. 6. Система автоматики комбинированного регулирования
В системе автоматического регулирования задающий элемент представлял собой эталон напряжения, с которым сравнивалась регулируемая величина U ф. Значение U p принято называть уставкой регулятора. В общем случае регулируемую величину обозначают буквой Y , а ее уставку Yo .
Если уставку Yo в заданных пределах оператор изменяет вручную, а регулируемой величиной является Y , система работает в режиме стабилизации. Если уставка регулятора изменяется произвольно во времени, система автоматики, поддерживая значение Δ Y = Yo — Y = 0, будет работать в следящем режиме, т. е. следить за изменением Yo .
И наконец, если уставку Yo изменять не произвольно, а по заранее известному закону (программе), система будет работать в режиме программного управления. Такие системы называют системами программного регулирования .
не имеет замкнутой цепи воздействия по регулируемой величине, поэтому ее называют разомкнутой.
Системы автоматики по принципу действия подразделяют на статические и астатические. В статических системах регулируемая величина не имеет строго постоянного значения и с увеличением нагрузки изменяется на некоторую величину, называемую ошибкой регулирования.
Рассмотренные системы (рис. 1 — 6) являются примерами простейших статических систем. Наличие ошибки регулирования в них обусловлено тем, что для обеспечения большего тока возбуждения необходимо большее отклонение напряжения.
Рис. 7. Внешние характеристики систем автоматики: а — статической, б — астатисческой
Зависимость напряжения генератора от тока нагрузки в виде прямой наклонной линии показана на рис. 7, а. Наибольшее относительное отклонение напряжения от заданного называют статизмом системы по напряжению: Δ = = (Um a x — Umin)/Um a x, где (Um a x, Umin — напряжения генератора на холостом ходу и под нагрузкой. Обобщая сделанное заключение для любой статической системы, можно записать: Δ = ( Y m a x — Y min)/ Y m a x, где Y — регулируемая величина.
Иногда статизм определяют по другой формуле: Δ = ( Y m a x — Y min)/ Y ср, причем Y ср = 0,5( Y m a x + Y min) — среднерегулируемая величина Y . Статизм называют положительным, если с ростом нагрузки значение Y уменьшается, и отрицательным, если значение Y увеличивается.
В астатических системах статизм равен нулю и поэтому зависимость регулируемой величины от нагрузки представляет собой линию, параллельную оси нагрузки (рис. 7,6).
Рассмотрим, например, астатическую систему автоматики (см. рис. 8), в которой напряжение генератора регулируется изменением сопротивления реостата R , включенного в цепь обмотки возбуждения L.
Рис. 8. Астатическая система автоматики
Серводвигатель М начинает вращаться и перемещать ползунок реостата R всякий раз, когда на входе усилителя А появляется сигнал Δ16; U об отклонении напряжения генератора U ср от заданного значения U p . Ползунок реостата перемещается до тех пор, пока сигнал об отклонении не станет равным нулю. Такая система отличается от другой системы тем, что для поддержания нового значения тока возбуждения не требуется сигнала на выходе усилителя А. Это отличие и позволяет избавиться от статизма.
Во всех ранее приведенных примерах предполагалось, что воздействие на рабочий орган производилось непрерывно в течение всего промежутка времени, пока существует отклонение регулируемой величины от заданной. Такое управление называется непрерывным , а системы — системами непрерывного действия .
Однако существуют системы, называемые дискретными, в которых воздействие на рабочий орган осуществляется с перерывами, например система регулирования температуры подошвы утюга, в которой регулирующее воздействие может принимать только одно из двух фиксированных значений при непрерывном изменении регулируемой величины — температуры.
В этой системе регулирование температуры осуществляется включением и отключением нагревательного элемента R по сигналу датчика температуры (смотрите — Базовые элементы автоматики). При увеличении температуры сверх уставки датчик размыкает свой контакт и отключает нагревательный элемент. При снижении температуры ниже уставки нагревательные элементы включаются. Эта система не имеет устойчивого промежуточного состояния рабочего органа, а он занимает лишь два положения — включено в сторону «больше» или включено в сторону «меньше».
Для обеспечения необходимого качества процесса регулирования в системе могут быть предусмотрены специальные устройства, называемые обратными связями . Эти устройства отличаются от других тем, что сигнал в них имеет направление, обратное основному управляющему сигналу.
Для примера на рис. 8 изображена обратная связь Е по отклонению регулируемой величины Δ U , соединяющая выход усилителя А со входом элемента сравнения UN. При положительной обратной связи Е на выходе элемента сравнения UN получается сумма величин Δ U и Z, а при отрицательной — их разность.
Рис. 9. Структурная схема системы телемеханики
Рассмотренные системы автоматики предполагают непосредственную связь всех входящих в них элементов. Если элементы системы автоматики расположены на значительном удалении друг от друга, для их соединения используют передатчики, каналы связи и приемники. Такие системы называют телемеханическими .
Телемеханическая система состоит из пункта управления, где находится оператор, управляющий работой системы, одного или нескольких контролируемых пунктов, на которых расположены объекты контроля A 1 — An, линий связи L1A — LnA (каналы передачи данных), соединяющих пункт управления Е1М с контролируемыми пунктами Е2А — Еn (рис. 9). В телемеханической системе по линиям связи можно передавать как все, так и некоторые виды контрольной и управляющей информации.
При передаче информации только о параметрах ОК телемеханическую систему называют с истемой телеизмерения , в которой сигналы с выходов датчиков (измерительных преобразователей, установленных на ОК) передаются на пункт управления Е1М и воспроизводятся в виде показаний стрелочных или цифровых измерительных приборов. Информация может передаваться как непрерывно, так и периодически, в том числе и по команде оператора.
Если на пункт управления передается только информация о состоянии, в котором находится тот или иной объект контроля («включен», «выключен», «исправен», «неисправен»), такую систему называют системой телесигнализации .
Телесигнализация, как и телеизмерение, выдает оператору исходные данные для принятия решения по управлению ОК или служит для выработки управляющих воздействий в системах телеуправления и телерегулировки. Основное отличие этих систем от предыдущих заключается в том, что в первой из них используются дискретные сигналы типа «включить», «выключить», а во второй — непрерывные, подобно обычным системам регулирования.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Конспект «Электрические аппараты автоматики и управления»
Электрические аппараты автоматики и управления осуществляют непериодическую коммутацию в электрических цепях в целях защиты оборудования и регулирования электрических нагрузок. Различают электрические аппараты высокого (от единиц до 750 кВ и выше) и низкого (до 1000 В) напряжений. Аппараты высокого напряжения рассчитываются на отключение токов до сотен килоампер и здесь подробно рассматриваться не будут. Среди аппаратов низкого напряжения различают аппараты автоматики и аппараты управления.
Аппараты автоматики (реле, датчики, регуляторы и др.) коммутируют токи до 5 А при напряжениях до сотен вольт и используются в цепях автоматики.
Аппараты управления коммутируют токи более 5 А при напряжениях до 1000 В в силовых цепях двигателей, генераторов, нагревательных устройств и др. Различают аппараты управления приемниками электроэнергии в нормальных режимах работы (контакторы, магнитные пускатели, командоаппараты) и аппараты распределения электроэнергии и ее отключения в аварийных режимах (автоматы, предохранители, рубильники, пакетные выключатели).
Электрические аппараты изготовляют на наиболее распространенные значения номинальных напряжений:
■в цепях синусоидального тока — 24, 36, 127, 220, 380 В;
■в цепях постоянного тока — 12, 24, 48, 110, 220, 440 В.
Распространенные значения номинальных токов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 6; 10; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000 А.
Электрические аппараты в местах установки соединяют неизолированными шинами, укрепленными на изоляторах, или кабелями.
В трехфазных цепях шины должны быть окрашены в определенный цвета: фаза А — в желтый, фаза В — в зеленый и фаза С — в красный; нейтральные шины: при изолированной нейтрали — в белый, при заземленной нейтрали — в черный.
В цепях постоянного тока шина положительной полярности — красная, отрицательной — синяя, нейтраль — белая.
10.2. МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА
Контактом называется место механического соединения токоведущих элементов электрической цепи, предназначенных для ее замыкания или размыкания. Различают контакты неподвижные (рис. 10.1, а) и подвижные. Последние разделяются на скользящие и стыковые. Типовая конструкция скользящего контакта (рис. 10.1, б) содержит подвижный контакт (1) и вилку (2). Нажатие контактов обеспечивается упругостью материала вилки и плоских пружин (3).
В качестве стыковых используются мостиковые контакты (рис. 10.1, в) и др. Для увеличения износостойкости применяют рычажковые контакты с перекатыванием одного контакта относительно другого (рис. 10,1, г). В разомкнутом состоянии подвижный контакт (1) находится относительно неподвижного (2) в указанном на рис. (10.1, г) положении. Начало соприкосновения контактов при их замыкании происходит в точке А, а при дожатии точка соприкосновения контактов перемещается в точку В. В результате контакты меньше подвергаются эрозии от электрической дуги. Для ускорения ее гашения при размыкании контактов применяются «рога» (3), вдоль которых дуга перемещается, растягивается и гаснет.
Отключение электрической цепи не может быть мгновенным. При разрыве цепи тока неизбежно возникновение большей или меньшей ЭДС самоиндукции (3.19). Под действием этой ЭДС и напряжения сети промежуток между расходящимися контактами пробивается и возникает электрическая дуга. Высокая температура дуги приводит к разрушению или свариванию контактов. Особенно опасно действие дуги в аппаратах высокого напряжения при отключениях токов короткого замыкания.
Отключение цепей синусоидального тока существенно упрощается, так как синусоидальный ток периодически принимает нулевое значение, что приводит к гашению дуги. Значительно труднее отключение цепей постоянного тока высокого напряжения. Выключатели постоянного тока должны быть рассчитаны на поглощение значительной энергии, выделяющейся при длительном горении дуги постоянного тока.
Электромеханическое реле, далее просто реле, представляет собой электрический аппарат, состоящий из измерительной и исполнительной частей или устройств. При действии на измерительное устройство электрической величины управления (ток, напряжение и др.) определенного значения реле срабатывает и его исполнительное устройство, содержащее контакты, производит коммутацию вспомогательной цепи оперативного тока, который приводит в действие электроприводы выключателей большой мощности.
Токи, коммутируемые реле, обычно не превышают 5 А при напряжениях до сотен вольт. Поэтому условия работы контактов реле легкие, а его рабочие характеристики определяются измерительным устройством.
Значение электрической величины управления, при которой происходит срабатывание реле, называется параметром срабатывания, или уставкой, а отпускание реле — параметром возврата (например, токи срабатывания I сраб и возврата I вз ).
По характеру электрической величины управления различают реле тока, напряжения, сопротивления (реагирующее на отношение между значениями тока и напряжения) и мощности.
В зависимости от характера изменения электрической величины управления, вызывающей срабатывание реле, различают реле максимальные, минимальные и дифференциальные.
Максимальное реле срабатывает, когда значение электрической величины управления (например, ток) больше значения, определенного уставкой.
Минимальное реле срабатывает, когда значение электрической величины управления (например, напряжение) меньше значения, определенного уставкой.
Дифференциальное реле срабатывает, когда разность значений двух сравниваемых одноименных электрических величин управления достигает значения, определенного уставкой.
Широко распространены также реле времени, которые имеют возможность регулировать в широких пределах выдержку времени от момента достижения электрической величиной управления значения уставки до момента замыкания контактов. Устройства выдержки времени могут встраиваться в реле тока, напряжения и др.
Основными параметрами реле являются:
■ чувствительность — минимальное значение электрической величины управления, приводящее к срабатыванию реле;
■ коэффициент возврата — отношение значений электрической величины управления, вызывающих отпускание и срабатывание реле;
■ быстродействие — интервал времени от момента достижения электрической величиной управления значения уставки до момента замыкания или размыкания контактов (до 0,05 с для быстродействующих и 0,15 с для нормальных реле);
■коммутируемая мощность — произведение максимальных значений тока при замкнутых и напряжения при разомкнутых контактах.
Наиболее распространены электромагнитные, в том числе поляризованные и магнитоуправляемые, и тепловые реле.
Электромагнитные реле. Такие реле приводятся в действие электромагнитом постоянного или синусоидального тока. Рассмотрим принцип действия реле тока на основе электромагнита синусоидального тока (рис. 10.2). Катушка с числом витков w включена последовательно в цепь тока управления i уп . Ее МДС i уп w возбуждает в неразветвленной магнитной цепи магнитный поток Ф, замыкающийся через магнитопровод 1,якорь 2 и воздушный зазор шириной ẟ. При этом на якорь действует электромагнитная сила F эм, притягивающая его к магнитопроводу. Если значение электромагнитной силы превысит значение силы возвратной пружины F пр то реле сработает и контакты К разомкнутся.
Поляризованное реле приводится в действие в зависимости от значения и направления тока управления i уп в обмотке электромагнита. Конструкция и электрическая схема поляризованного реле приведены на (рис. 10.3). В неразветвленную магнитную цепь реле встроен постоянный магнит. Пусть при отсутствии тока управления iуп в обмотке с числом витков w магнитный поток постоянного магнита равен Фп.м, а магнитный поток срабатывания реле —Фсраб >Фп.м, Тогда при согласном (встречном) направлении магнитного потока управления будет (не будет) происходить срабатывание реле — размыкание контактов К. Причем реле будет срабатывать при малом значении МДС iупw необходимом для возбуждения малого магнитного потока управления: Фуп=Фсраб-Фм.п, Это определяет высокие чувствительность по МДС iупw (до 2А) и быстродействие (до 0,005 с) поляризованного реле.
Магнитоуправляемое реле (геркон), в отличие от рассмотренных ранее, имеет контакт, располагающийся в вакууме или среде инертного газа (рис. 10.4). В стеклянную капсулу 3, заполненную инертным газом, впаяны токопроводящие пружинящие пластины 1 и 2 из ферромагнитного материала. Магнитный поток Ф, возбуждаемый током управления iуп в катушке с числом витков w , создает электромагнитную силу 
притяжения пластин друг к другу. При достижении током управления iуп значения, определенного уставкой, пластины геркона замыкаются.
В поляризованных герконах токопроводящие пружинящие пластины замыкаются в зависимости от значения и направления тока управления в обмотке.
Токи, коммутируемые герконами, не превышают 1 А при напряжениях в десятки вольт.
Чувствительность герконов к МДС управления 10—200 А, габаритные размеры 1 = 5—10 мм, D = 2—5 мм.
Тепловые реле. Тепловые реле изготовляют на основе биметаллических элементов, представляющих собой две механически скрепленные пластины из металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. В качестве материала с малым (большим) температурным коэффициентом линейного расширения применяется инвар — сплав никеля со сталью (различные стали, латунь, константан и др.).
На рис. 10.5 показаны конструкция и электрическая схема теплового реле. Нагреватель 2, включенный в цепь с током управления i уп воздействует на биметаллический элемент 1. При значении тока i уп , превышающем значение уставки, обе пластины биметаллического элемента, нагреваясь, удлиняются. Однако одна из них удлиняется больше, вследствие чего биметаллическая пластина изгибается вверх (показано штриховой линией) и выходит из зацепления с защелкой 3. Последняя под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 5 по направлению движения часовой стрелки и посредством тяги 6 размыкает контакты 7.
Например, тепловые реле для защиты от перегрузок компании «Шнейдер Электрик» (Франция):
тип реле…………….. LR — K 0301 LR 2- K 0304 LR 2- K 0308
уставка тока, А…….. 0,11—0,16 0,36—0,54 1,8—2,6
тип реле. ………. LR 2- K 0314 LR 2- K 0322
уставка тока, А……..5,5—8 12— 16
имеют регулируемую уставку выдержки времени от 2 до 10 с и массу 0,145 кг.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИЕМНИКАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Электрические аппараты управления предназначены для оперативной коммутации электрических нагрузок приемников (электродвигателей, нагревательных устройств и др.) в нормальных режимах работы.
К электрическим аппаратам управления относятся контакторы, магнитные пускатели и командоаппараты.
В отличие от реле они рассчитываются на коммутацию больших токов (более 5 А) при относительно высоком напряжении (до 1000 В).
Контактор. Контактор представляет собой электрический аппарат для оперативной коммутации силовых цепей как при нормальных токах, так и токах перегрузки (но не токов короткого замыкания). Он имеет два коммутационных положения, соответствующих включенному и отключенному состояниям, и управляется оперативным током вспомогательной цепи. Различают контакторы постоянного и синусоидального токов.
На рис. 10.6 приведены конструкция и электрическая схема контактора постоянного тока поворотного типа. При отсутствии оперативного тока управления iуп в катушке с числом витков 
подвижная часть контактора под действием силы F в возвратной пружины 10 приходит в нормальное положение с разомкнутыми контактами. Возникающая при этом между контактами электрическая дуга Д гасится в дутьевой дугогасительной камере 5. Для этого в цепь отключаемого тока I включена последовательно катушка 1 с ферромагнитным сердечником 2. Полюсы 3 в виде пластин из ферромагнитного материала, расположенные на торцах сердечника 2, позволяют создавать в зоне горения дуги магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна значению отключаемого тока /. Взаимодействие этого магнитного поля с током в дуге создает электромагнитные силы F эм , растягивающие и перемещающие дугу в камере.
Щелевая камера (см. рис. 10.6) представляет собой объем с узкими щелями между стенками 12 из дугостойкого электроизоляционного материала, например асбестоцемента. В щели камеры выдувается дуга, где она разрывается и гасится.
Таблица 10.1 Параметры некоторых типов контакторов компании «Шнейдер Электрик» для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутой обмоткой ротора
Номи-нальный ток, А
Номинальная мощность двигателя, кВт, при напряжении, В
Макси-мальное число комму-тационных циклов в час
Дугогасительная решетка представляет собой объем с узкими щелями между стенок из тонких (1—3 мм) металлических пластин, на которые выдувается дуга. Гашению дуги способствует интенсивное рассеивание теплоты на пластинах, выполняющих роль радиаторов.
При включении оперативного тока управления I уп в цепь катушки под действием возбуждаемого им магнитного потока Ф, а следовательно, и электромагнитных сил, якорь 9, преодолев силы противодействия Fn возвратной 10 и Fk контактной 8 пружин, притянется к полюсному наконечнику 11 сердечника электромагнита.
Замыкание контактов 4 и 6 происходит до полного притяжения якоря к полюсу электромагнита. При этом контакт 6 будет поворачиваться вокруг точки А, что вызывает дополнительное сжатие контактов контактной пружиной 8.
При соприкосновении контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному (см. рис. 10.1, г). При этом оксидные пленки на поверхности контактов частично разрушаются, уменьшая их переходное сопротивление. Для еще большего уменьшения переходного сопротивления на контактах располагают накладки из специальных материалов, например серебра. Гибкий проводник 7 изготовляется из медной фольги или гибкого провода.
Контакторы поворотного типа предназначены для тяжелых режимов работы [частая коммутация (до 1000в час) цепи с индуктивной нагрузкой] при больших номинальных токах (десятки и сотни ампер) и напряжениях (до 1000 В) (табл. 10.1).
Магнитный пускатель. Магнитный пускатель (далее пускатель) представляет собой коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверса и защиты от токов перегрузки (но не токов короткого замыкания) электродвигателей. Для выполнения защиты от токов перегрузки в пускатели встраивают тепловые реле (см. под- разд. 10.3), что является их главным отличием от контакторов. В отличие от контакторов режим работы пускателей легче.
На рис. 10.7 приведены конструкция и электрическая схема магнитного пускателя прямоходового типа. Он имеет мостиковые контакты 2 и 3, с которых дуга выдувается в дугогасительные камеры I. Силы Fk контактной и Fв возвратной пружин создают нажатие на замкнутые контакты и возврат аппарата в отключенное состояние. При включении оперативного тока управления i уп в цепь катушки с числом витков w под действием возбуждаемого им магнитного потока Ф, а следовательно, и электромагнитных сил, якорь 5 притягивается к магнитопроводу 6 и контакты 2 и 3 замыкаются. На торцах магнитопровода располагаются короткозамкнутые витки 4, устраняющие вибрацию якоря, если в качестве оперативного тока используется синусоидальный ток.
Пускатели (табл. 10.2) и контакторы с мостиковыми контактами обычно рассчитываются на номинальные токи в десятки ампер.
Таблица 10.2. Параметры некоторых типов пускателей компании «Шнейдер Электрик» для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутой обмоткой ротора
Номинальное напряжение, В
Номинальная мощность двигателя, кВт
Уставка тока теплового теле, А
Уставка тока магнитного расцепите- ля, А
Часто контакторы и пускатели кроме главных контактов для коммутации силовых цепей имеют также вспомогательные контакты для коммутации оперативного тока вспомогательных цепей.
Командоаппараты. К командоаппаратам относятся кнопки управления, путевые (концевые) выключатели, контроллеры и ко- мандоконтроллеры.
Путевые (концевые) выключатели осуществляют коммутацию цепей управления и автоматики на заданном участке пути движения управляемого механизма, например подъема груза на заданную высоту.
Контроллер представляет собой многопозиционный аппарат, предназначенный для управления режимами работы приемников электрической энергии путем непосредственной коммутации их силовых цепей. Контроллеры осуществляют пуск, регулирование частоты вращения, реверсирование и останов двигателя. Обычно контроллер (рис. 10.8) имеет общий вал 6, на котором последовательно насажены диски различного профиля (на рис. 10.8 показан один диск 1).
Поворот вала 6 фиксирует одно из десяти положений «0»—«9» профиля диска 1 по отношению к ролику 2, прижимаемого к диску действием силы F , пружины 3. При положении диска «3»—«5» контакты 4 замкнуты действием силы F 2 пружины 5. При положении диска «0»—«2» и «6»—«9» контакты 4 разомкнуты.
Командоконтроллер в отличие от контроллера представляет собой многопозиционный автомат для коммутации цепи оперативных токов катушек управления контакторов, главные контакты которых включены в силовые цепи приемников электрической энергии.
Электрические аппараты распределения предназначены для коммутации цепей снабжения электроэнергией электроустановок и защиты их в аварийных режимах. К ним относятся плавкие предохранители, автоматические выключатели, рубильники, пакетные выключатели, кнопки.
Плавкие предохранители. Эти аппараты предназначены для защиты электроустановок от токов короткого замыкания. Их основной элемент — плавкая вставка, разрушающаяся под действием теплоты при больших значениях тока в ней. Материалом для плавких вставок служат медь и цинк. Последний не окисляется в пределах допустимых температур, что позволяет сохранять рабочие характеристики плавкой вставки долгое время.
Для напряжений до 250 В и токов до 60 А применяют пробочные предохранители (рис. 10.9). Пробочный предохранитель состоит из основания 1, в которое ввертывается сменяемая при перегорании вставка 2, опирающаяся на неподвижный контакт 4. Пробка изготовлена из керамического материала и снабжена двумя металлическими контактами, между которыми припаяна плавкая вставка 3.
Для защиты двигателей, электронагревательных установок и других устройств от токов короткого замыкания применяют трубчатые предохранители. Их типовая конструкция представляет собой трубку из электроизоляционного материала (фарфора, керамики, фибры и др.), в которой размещена плавкая вставка в среде воздуха, или различных наполнителей (кварцевый песок с содержанием SiO 2 не менее 99% и мела CaCO 3 . Возникающая при плавлении вставки электрическая дуга, соприкасаясь с наполнителем, интенсивно охлаждается, деионизируется и быстро гаснет.
Для защиты электронных приборов (компьютеров, телевизоров и др.) применяют быстродействующие предохранители в виде тонкого слоя металла (серебра), напыленного на электроизоляционную основу.
Автоматические выключатели (автоматы). Автоматы предназначены для отключения поврежденных участков электрической сети при возникновении в них аварийного режима, например короткого замыкания, понижения напряжения и пр. В отличие от контактора автомат имеет измерительное устройство (расцепитель), определяющий режим работы сети и дающий сигнал на отключение. Если контактор рассчитан лишь на отключение токов перегрузки (до нескольких килоампер), то автомат должен отключать токи короткого замыкания (до нескольких десятков и даже сотен килоампер).
Различают автоматы универсальные, быстродействующие и гашения магнитного поля генераторов большой мощности.
Универсальные автоматы предназначены для защиты установок постоянного и синусоидального токов. Конструкция и электрическая схема автомата приведены на рис. 10.10. В указанном положении автомат отключен и силовая электрическая цепь между выводами А и В разомкнута. Включение автомата осуществляется вращением вручную рукоятки 3 вокруг неподвижной оси О, по направлению движения часовой стрелки. При этом рычаги 4 и 5 будут вращать рычаг 6 вокруг неподвижной оси О в том же направлении. Замыкают цепь сначала дугогасительные 8 и 10, а затем главные 7 и 11 контакты автомата. Одновременно при включении автомата взводится отключающая пружина 2. При токе короткого замыкания в катушке w электромагнита якорь 1 под действием электромагнитной силы F эм перемещается, переводя рычаги 4 и 5 за «мертвую» точку. Она соответствует такому положению рычагов, при котором линия О1-О2-О3 является прямой. При этом автомат силой Fпр пружины 2 отключается, контакты размыкаются, а образующаяся между ними дуга выдувается в дугогасителыгую камеру 9 и гасится. Время отключения универсальных автоматов составляет десятые доли секунды.
Система рычагов 4 и 5 выполняет функции механизма свободного расцепления, позволяющего автомату отключаться в любой момент времени, даже в момент включения. Механизм свободного расцепления предотвращает возможность повторных несанкционированных циклов отключения и включения.
Быстродействующие автоматы предназначены для защиты установок постоянного тока. Их время отключения составляет тысячные доли секунды и достигается применением поляризованных (см. подразд. 10.3) электромагнитных устройств, интенсивных дугогасительных устройств, а также упрощением кинематической схемы аппарата в системе взаимодействия измерительного элемента (расцепителя) и контактов.
Пакетные выключатели. Такие выключатели предназначены для одновременного включения и отключения вручную нескольких цепей. Их набирают из неподвижных соосно-расположенных колец (пакетов) из электроизоляционного материала, внутри каждого из которых устанавливают коммутирующее устройство, связанное с общим валом (рис. 10.11).
Рубильники. Рубильники служат для включения и отключения вручную приемников электрической энергии малой мощности и общих источников питания на распределительных щитах. Различают одно-, двух- и трехполюсные рубильники (рис. 10.12). Все они имеют скользящие контакты (см. рис. 10.1, б).
Кнопки управления. Кнопки применяют для дистанционного управления электрическими аппаратами. Они могут выполняться как с самовозвратом в исходное положение, так и без него. Несколько кнопок, конструктивно оформленные в одном корпусе, образуют кнопочную станцию.
Расцепители (измерительные устройства) в автоматах измеряют и контролируют значение электрической величины, определяющей режим работы защищаемой цепи и дают сигнал на отключение автомата при достижении этой величиной заданного значения уставки (ток срабатывания, напряжение срабатывания и т.д.).
Значение тока уставки можно регулировать в достаточно широких пределах. Это позволяет осуществлять селективную защиту электрических сетей с помощью автоматов.
В зависимости от назначения автомата в него встраиваются различные расцепители.
Расцепитель максимального тока применяется, если цепь должна отключаться при увеличении тока i в ней выше тока уставки (рис. 10.13, а). При достижении током i значения тока уставки под действием электромагнитной силы F эм якорь 2 втягивается в катушку / электромагнита, освобождая защелку 3, и под действием силы Fnp пружины 4 контакты 5 разъединяются.
Чтобы исключить отключение автомата при кратковременном увеличении тока i , в цепи применяются расцепители с устройством выдержки времени (рис. 10.13, б). Зубчатая передача 6, связанная с часовым механизмом (на рис. 10.13, б не показан), не позволяет катушке / электромагнита мгновенно втянуть якорь 2 и освободить защелку 3 (табл. 10.3).
Расцепитель минимального тока применяется, если цепь должна отключаться при уменьшении тока i в ней ниже тока уставки (рис. 10.13, в). При достижении током i значения тока уставки под действием силы F ‘ np пружины 6, которая становится больше силы F эм электромагнита I, якорь 2 освобождает защелку 3 и под действием силы F «пр пружины 4 контакты 5 разъединяются.
Расцепитель минимального напряжения применяется для отключения цепи, если ее напряжение ниже напряжения уставки (рис. 10.13, г).
Таблица 10.3. Параметры некоторых типов расцепителей компании «Шнейдер Электрик»