До виконання лабораторних робіт

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

До виконання лабораторних робіт

для студентів напряму 6.050701

"Електротехніка і електротехнології"

денної та заочної форм навчання

 

Всі цитати, цифровий та фактичний матеріал, бібліографічні відомості перевірені. Написання одиниць відповідає стандартам

 

 

Підпис(и) автора(ів) _________________

“ _____ ” ____________________20___р.

СХВАЛЕНО

На засіданні кафедри

електропостачання

промислових підприємств

Протокол №

від 2012 р.

Київ НУХТ 2012

Електричні апарати: Метод. вказівки до викон. лаборатор. робіт для студ. напряму 6.050701 "Електротехніка і електротехнології" ден. та заоч. форм навч. / Укладачі: О. В. Овчинніков, І.Ю. Литвин. – Київ. НУХТ, 2012.-53с.

 

Рецензент В.Є. Шестеренко, канд. техн. наук

 

Укладач О. В. Овчинніков

І.Ю. Литвин

 

Відповідальний за випуск С. М. Балюта, д.т.н., проф

Лабораторна робота № 1

ВИВЧЕННЯ ПЛАВКИХ ЗАПОБІЖНИКІВ

1. Мета роботи

Мета роботи – вивчення принципу дії, будови, режимів роботи плавких запобіжників (ПЗ); визначення дослідним шляхом номінального струму плавкої вставки запобіжника; ознайомлення з принципом вибору запобіжників.

 

2. Основні теоретичні положення

 

Запобіжником називається захисний електричний апарат, який призначений для відключення ділянок електричних мереж, що захищаються, або захисту окремих електротехнічних установок від струмів короткого замикання та струмів перенавантаження.

Простота будови, виготовлення та обслуговування, невеликі габарити та маса, низька вартість та висока вимикна здатність забезпечили запобіжникам широке застосування.

Подальший розвиток запобіжників пов’язаний з застосуванням напівпровідникової техніки, де інші захисні засоби виявилися не ефективними. В електричних мережах до 1000 В запобіжники є одними з основних апаратів захисту. Запобіжники виготовляються на номінальні струми від десятків міліампер до тисяч ампер. ПЗ з номінальною напругою вище 1000 кВ застосовуються для захисту трансформаторів 10/0,4 кВ, трансформаторів власних потреб, трансформаторів напруги з номінальною напругою до 35 кВ.

Основними складовими ПЗ є корпус, плавка вставка, контакти кріплення плавкої вставки, дугогасний наповнювач (в деяких типах ПЗ).

Плавка вставка (ПВ) – це елемент запобіжника, який включається послідовно в електричне коло мережі, яка захищається. ПВ потребує заміни після спрацювання запобіжника. ПВ виготовляється з міді, цинку, срібла, у вигляді проволоки чи пластини змінного перерізу.

Корпус запобіжника виготовляється з ізолюючого матеріалу (фібри, фарфору), контакти – із латуні, алюмінію.

В якості наповнювача використовується кварцовий пісок, якій покращує гасіння електричної дуги при перегоранні плавкої вставки.

Принцип дії ПЗ побудований на тепловій дії електричного струму

[Дж],

Де R – опір плавкої вставки, Ом; І – діюче значення струму, А; t – час, с.

При проходженні через ПВ струму, який не перевищує номінальний, теплота в ПВ встигає розсіюватись у довкілля, температура ПВ не перевищує допустимого значення. При проходженні струму більшого за номінальний, кількість теплоти в ПВ не встигає розсіюватись у довкілля, температура ПВ збільшується, досягає температурі плавлення металу. ПВ розплавляється, при цьому розривається електричне коло.

Основною характеристикою ПЗ є часо-струмова характеристика. Часо-струмовою характеристикою називається залежність часу спрацювання ПЗ від струму, який проходить через ПВ.

Часо-струмовою характеристикою об’єкту, який захищає запобіжник називається залежність часу пошкодження ізоляції цього об’єкту від струму, який проходе по струмоведучим частинам об’єкту.

Для досконалого захисту необхідно, щоб часо-струмова характеристика ПЗ (рис. 1. 1, а, крива 1) в усіх точках проходила трохи нижче характеристики об’єкту, що захищається (рис. 1. 1, а, крива 2).

 

Рис. 1. 1 Часо-струмова характеристика запобіжника

 

Реальні характеристики ПЗ (рис. 1. 1, б, крива 1) та об’єкту (рис. 1. 1, б, крива 2) перетинаються. В зоні великих перенавантажень (зона Б) характеристика ПЗ проходить нижче за характеристику об’єкту, тобто запобіжник захищає об’єкт, в зоні невеликих навантажень (зона А) характеристика ПЗ проходить вище за характеристику об’єкту – запобіжник не захищає об’єкт.

 

2.1. Основні параметри запобіжників

 

Номінальною напругою ПЗ, U _ном, називається найбільше значення робочої напруги, на яку розрахований запобіжник (ізоляція запобіжника) для довготривалої роботи.

Номінальним струмом плавкої вставки, І _{ПВ. НОМ,} називається найбільше значення робочого струму, який витримує ПВ нескінченно довгий час без пошкодження (рис. 1. 1, а, пунктирна лінія 3). Температура ПВ при проходженні номінального струму не перевищує допустимого значення.

Номінальним струмом запобіжника І _{ЗП. НОМ,}, називається найбільше значення номінального струму ПВ, яка може бути встановлена в корпус даного запобіжника (в корпус запобіжника можуть бути встановлені ПВ з різними номінальними струмами).

Пограничним струмом ПЗ, І _п, називається найменше значення робочого струму, за якого ПВ розплавляється при досягненні усталеної температури (рис. 1. 1, а, пунктирна лінія 4).

Мінімальним струмом випробування, І _{вип. мін}, називається значення робочого струму, за якого ПВ розплавляється не пізніше ніж через 1 годину.

Максимальним струмом випробування, І_{вип. мах.}, називається значення робочого струму, за якого ПВ розплавляється менш ніж за 1 годину роботи.

Кратність мінімального струму випробування .

Кратність максимального струму випробування .

Максимальним струмом відключення запобіжника називається найбільше значення струму, яке запобіжник може відключити без пошкодження.

Треба зазначити, що в енергетиці часо-струмову характеристику називають характеристикою захисту плавкої вставки. Характеристикою захисту плавкої вставки називається залежність часу з моменту виникнення струму в ній до моменту розриву електричного кола від значення струму, який протікає через плавку вставку, або від кратності цього струму по відношенню до номінального:

або

Значення пограничного струму (рис. 1. 1, а) залежить від матеріалу ПВ, її форми, довжини та перерізу, конструкції запобіжника, температури довкілля.

При струмах, більших за пограничний, ПВ повинна перегорати за мінімальний час. Для зменшення часу плавлення ПВ при зростанні струму, ПВ надається спеціальна форма, або використовується металургійний ефект.

У першому випадку ПВ виготовляється з ділянками, які мають менший переріз (рис. 1. 2).

 

Рис. 1. 2 Форми плавких вставок

 

На ділянках з меншим перерізом виділяється більше теплоти при проходженні струму. При струмах в межах номінального, надлишкова теплота, що виділяється на ділянках з меншим перерізом, в наслідок теплопровідності матеріалу ПВ встигає розповсюдитись на ділянки з більшим перерізом, і вся ПВ має практично однакову температуру. При проходженні через ПВ струмів перенавантаження чи струмів короткого замикання (струм більший за номінальний), нагрів ділянок з меншим перерізом відбувається інтенсивно, надлишкова теплота не встигає розповсюджуватись на ділянки з більшим перерізом. На ділянках з меншим перерізом температура досягає температури плавлення і ПВ на цих ділянках плавиться. ПВ має 2 або більше ділянок з зменшеним перерізом, отже, якщо ПВ має 4 таких ділянки, вона перегорає в чотирьох місцях, кожний розрив має електричну міцність 200 В, сумарна електрична міцність розриву електричного кола складає 800 В. Це сприяє швидкому гасінню електричної дуги, яка виникає при плавленні ПВ і покращує струмообмежувальну здатність запобіжника.

У другому випадку (металургійний ефект) використовується здатність деяких легкоплавких металів (олово, свинець) в розплавленому стані розчиняти більш тугоплавкі метали (мідь, срібло).

На ділянки з меншим перерізом мідної плавкої вставки наносяться олов’яні кульки. При струмах перенавантаження, коли температура ПВ досягає температурі плавлення олова, кульки розплавляються, розчиняючи мідь на яку вони були напаяні. Переріз ПВ в місцях розчину міді ще більше зменшується, а температура, за якої ПВ розриває електричне коло, значно зменшується порівняно з температурою плавлення міді.

Таким чином, застосовуючи ПВ із змінним перерізом та металургійний ефект, запобіжникам надається дуже важлива перевага, порівняно з іншими захисними апаратами - покращується струмообмежувальна властивість запобіжника, тобто ПВ перегорає набагато раніше, ніж струм короткого замикання в електричному колі досягне усталеного значення. При цьому струм короткого замикання обмежується в 2-5 разів, тим самим зменшується руйнівна дія електродинамічних зусиль та теплового імпульсу струму короткого замикання.

Час, протягом якого ПЗ розриває електричне коло визначається за формулою:

t=t _пл + t _п + t_д,

де t _пл – час нагріву ПВ до температури плавлення; t _п – час переходу ПВ з твердого стану в стан рідини; t_д – час горіння електричної дуги.

Електрична дуга виникає раніше ніж розплавлена ділянка ПВ перейде в рідинний стан. Час гасіння електричної дуги повинен бути якомога меншим; він залежить від конструкції запобіжника та засобу гасіння електричної дуги.

ПВ виготовляються з міді, цинку, алюмінію, срібла, свинцю, олова. Найбільше розповсюдження мають мідні та цинкові ПВ.

 

2.2. Основні вимоги, що пред'являються до плавких запобіжників

 

До запобіжників пред'являються наступні вимоги:

Часо-струмова характеристика запобіжника повинна проходити нижче, але можливо ближче до часо-струмової характеристики об'єкту, що захищається.

При короткому замиканні запобіжники повинні працювати селективно.

Час спрацювання запобіжника при короткому замиканні має бути мінімально можливим, особливо при захисті напівпровідникових приладів. Запобіжники повинні працювати з струмообмеженням.

Характеристики запобіжника мають бути стабільними. Розкид параметрів із-за виробничих відхилень не повинен порушувати захисні властивості запобіжника.

У зв'язку із збільшенням потужності установок запобіжники повинні мати високу вимикну здатність.

Заміна згорілого запобіжника або плавкої вставки не повинна вимагати багато часу.

У промисловості найбільшого поширення набули запобіжники типів ПР-2 і ПН-2.

 

2.3. Класифікація запобіжників

 

Запобіжники класифікуються за конструктивними, функціональними і параметричними ознаками.

За конструкцією плавких вставок запобіжники поділяються на:

розбірні - запобіжники, що допускають заміну плавких елементів після спрацювання на місці експлуатації;

нерозбірні - запобіжники, у яких заміну підлягає вся плавка вставка.

По конструкції контактів плавкі вставки підрозділяються на плавкі вставки з:

ножовими контактами - плавка вставка вставляється в губки контактної основи;

болтовими контактами - плавка вставка приєднується безпосередньо до провідника комплектного пристрою;

фланцевими контактами - плавка вставка встановлюється на струмопровідній монтажній площині.

За наявності наповнювача розрізняються запобіжники:

без наповнювача;

з наповнювачем.

За формою корпусу плавкі вставки розділяються:

циліндричні (або трубчасті) - з плавкою вставкою циліндричної форми;

призматичні - з плавкою вставкою у вигляді прямокутного паралелепіпеда.

За виглядом плавких вставок в залежності:

від діапазону струмів відключення:

g - з вимикною здатністю в повному діапазоні струмів відключення;

а - з вимикною здатністю в частині діапазону струмів відключення;

за швидкодією:

нешвидкодіючі (плавкі вставки типу g і а) - характеристики їх забезпечують захист пристроїв з відносно великою сталою часу навантаження (трансформатори, електричні машини, кабелі);

швидкодіючі (плавкі вставки типу aR і gR) характеристики їх забезпечують захист пристроїв з відносно малою сталою часу навантаження (силові напівпровідникові прилади).

За наявності і конструкції основи:

з каліброваним основою - запобіжник, конструкція якого не допускає установку в його основі ПВ на номінальний струм більше передбаченого для даного запобіжника;

з некаліброваною основою - запобіжник, конструкція якого допускає установку в його основі ПВ на номінальний струм більше передбаченого для даного запобіжника.

За способом монтажу:

на власній основі - допускається установка запобіжника як на ізоляційної, так і на металевій монтажній площині;

без власної основи (з установкою на основі комплектних пристроїв), з контактами, призначеними для установки на ізоляційній панелі комплектного пристрою;

без власної основи (з установкою на провідниках комплектних пристроїв) - призначені для кріплення на підвідних провідниках комплектного пристрою.

За способом охолодження плавкої вставки:

з природним охолоджуванням - призначені для експлуатації при природній конвекції навколишнього повітря;

з примусовим охолодженням всієї або частини зовнішньої поверхні плавкої вставки.

За способом приєднання зовнішніх провідників:

із заднім приєднанням;

з переднім приєднанням;

з універсальним (переднім і заднім) приєднанням.

За наявності покажчика спрацьовування:

з покажчиком спрацьовування і бойком;

з покажчиком спрацьовування;

з бойком;

без покажчика спрацьовування і без бойка.

За наявності вільних контактів:

з вільними контактами;

без вільних контактів.

За кількістю полюсів:

однополюсні;

двополюсні;

триполюсні.

За напругою:

низьковольтні;

високовольтні.

 

2.4. Вибір плавких запобіжників.

 

Для безінерційного запобіжника у разі “спокійного навантаження” (печі опору, освітлювальні навантаження):

де І_розр – розрахунковий струм у лінії.

При захисті лінії до одиничного двигуна з легким пуском (двигун металообробних верстатів, насоси):

де І_{пуск .} – пусковий струм двигуна.

Якщо пуск важкий (двигуни кранів, центрифуг):

При захисті лінії, що живить групу споживачів:

де І_пік. – піковий струм групи споживачів.

 

При захисті зварювального апарату:

де І_зв – номінальний струм зварювального апарату, Т В – тривалість включення зварювального апарату.

Номінальна напруга запобіжника:

де – U_{ном. мережі} - номінальна напруга мережі.

Номінальний струм запобіжника:

 

3. Типи і конструкція плавких запобіжників.

 

Стандарти на плавкі запобіжники визначені ДОСТ 17242-71.

Запобіжники з закритими розбірними патронами без наповнювача,тип ПР-2 (рис. 1.3).

Рис. 1. 3 Запобіжник ПР-2 та форми плавких вставок

 

ПВ 1 розміщена в герметичному трубчатому патроні. Патрон складається з фібрового циліндра 3, латунної обойми 4, латунного ковпачка 5. Диски 6 жорстко пов’язані з контактними ножами 2, вони кріпляться до обойми 4 за допомогою ковпачків 5.

Процес гасіння дуги в запобіжниках ПР-2 відбувається наступним чином. При відключенні перегорають ділянки ПВ з меншим перерізом, після чого виникає електрична дуга. Під дією високої температури дуги фіброві стінки патрона виділяють газ, в результаті чого тиск у патроні за долі напівперіоду піднімається до 4-8 МПа. За рахунок збільшення тиску піднімається вольт-амперна характеристика дуги, що сприяє її швидкому гасінню.

Тиск всередині патрона плавкого запобіжника пропорційно квадрату струму в момент плавлення вставки і може досягати великих значень. Тому фібровий циліндр повинен мати високу механічну міцність.

Запобіжники ПР-2 працюють безшумно, практично без викиду полум'я і газів, що дозволяє встановлювати їх на близькій відстані один від одного. Плавкі запобіжники ПР-2 випускаються двох осьових розмірів - короткі та довгі. Короткі запобіжники ПР-2 призначені для роботи на змінній напрузі не вище 380 В. Вони мають меншу вимикну здатність, ніж довгі, розраховані на роботу в мережі з напругою до 500 В.

Технічні характеристики запобіжників ПР-2

В залежності від номінального струму випускається шість габаритів патронів різних діаметрів. У патрони кожного габариту можуть встановлюватися вставки на різні номінальні струми. Так, у патроні з номінальним струм 15 А можуть бути встановлені вставки з номінальним струм 6, 10 і 15 А.

Номінальні струми патронів: 15, 60, 100, 200, 350, 600, 1000 А.

Номінальні струми ПВ: 6, 10, 15, 20, 25, 35, 45, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 350, 430. 500, 600, 700, 850, 1000 А.

Плавкі запобіжники з дрібнозернистим наповнювачем ПН-2.

Рис. 1. 4. Запобіжник ПН-2

Запобіжники ПН-2 більш досконалі, ніж запобіжники ПР-2. Корпус квадратного перерізу 1 запобіжника типу ПН-2 виготовляється з міцної порцеляни або стеатіту. Усередині корпусу розташовані стрічкові плавкі вставки 2 і наповнювач - кварцовий пісок 3. Плавкі вставки приварюються до диску 4, що кріпиться до пластин 5, пов'язаних з ножовими контактами 9. Пластини 5 кріпляться до корпусу гвинтами.

В якості наповнювача в запобіжниках ПН-2 використовується кварцовий пісок з вмістом SiO2 не менше 98%, із зернами розміром (0,2-0,4) 10-3 мм і вологістю не вище 3%. Перед засипанням пісок ретельно просушується при температурі 120-180 °С. Зерна кварцового піску мають високу теплопровідність і добре розвинену охолоджуючу поверхню.

Плавка вставка запобіжників ПН-2 виконується з мідної стрічки товщиною 0,1 - 0,2 мм. Для отримання струмообмеження вставка має звужений переріз 8. Плавка вставка розділена на три паралельні гілки для більш повного використання наповнювача. Застосування тонкої стрічки, ефективний тепловідвід від звужених ділянок дозволяють вибрати невеликий мінімальний переріз плавкої вставки для даного номінального струму, що забезпечує високу струмообмежуючу здатність. З'єднання декількох звужених ділянок послідовно, сприяє уповільненню зростання струму після плавління плавкої вставки, так як зростає напруга на дузі запобіжника. Для зниження температури плавлення на ПВ наносяться олов'яні смужки 7 (металургійний ефект).

Принцип роботи запобіжника ПН-2

При короткому замиканні плавка вставка запобіжника ПН-2 згорає і дуга горить в каналі, утвореному зернами наповнювача. Через горіння в вузькій щілині при струмах більших за 100 А дуга має зростаючу вольт-амперну характеристику. Градієнт напруги на дузі дуже високий і досягає (2-6) 104 В / м. Цим забезпечується гасіння дуги за кілька мілісекунд. Наповнювач сприяє відводу тепла від електричної дуги.

Після спрацювання запобіжника плавкі вставки разом з диском 4 замінюються, після чого патрон засипається піском. Для герметизації патрона під пластини 5 кладеться азбестова прокладка 6 що охороняє пісок від зволоження. При номінальному струмі 40 А і нижче запобіжник має більш просту конструкцію.

Технічні характеристики запобіжників ПН-2

Запобіжники ПН-2 виконуються на номінальний струм до 630 А. Максимальне значення струму короткого замикання, який може відключатися запобіжником, досягає 50 кА (діюче значення струму металевого короткого замикання мережі, в якій встановлюється запобіжник).

Невеликі габарити, незначна витрата дефіцитних матеріалів, висока струмообмежуюча здатність є перевагами плавкого запобіжника ПН-2.

Номінальні струми патронів: 100, 250, 400, 600 А (ПН-2-100, ПН-2-250, ПН-2-400, ПН-2-600).

Номінальні струми ПВ: 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600 А.

Запобіжники ПНБ-2 (Б - швидкодіючий) мають таку ж конструкцію, як і ПН-2, ПВ у них срібні і призначені для захисту електричних пристроїв з напівпровідниковими силовими вентилями.

Запобіжники серії ПД і ПДС розраховані для захисту ланцюгів постійного струму напругою до 350 В і ланцюгів змінного струму з частотою 50 Гц напругою до 380 В. Запобіжники серії ПД виготовляються семи величин на струми від 1 до 630 А, серії ПДС - шести величин на струми від 1 до 350 А і мають підвищену механічну міцність. Запобіжники серії ПДС відрізняються від запобіжників серії ПД тим, що корпус у них виконаний не з фарфору, а із стеатиту. Циліндри цих запобіжників також заповнені кварцовим піском. На торці є контрольне вікно для спостереження за справністю запобіжника.

Гасіння дуги здійснюється за рахунок високого тиску і інтенсивного охолоджування у вузьких каналах наповнювача. Відключаюча здатність цих запобіжників до 15 кА.

Запобіжники серії НПН мають нерозбірні плавкі вставки, заповнені кварцовим піском. Служать для захисту ланцюгів змінного струму напругою до 500 В.

Наприклад, запобіжник НПН-2-60 має номінальну напругу 500 В, номінальний струм патрона 60 А, номінальний струм вставок 6, 10, 25, 30, 40, 60 А.

Запобіжники серії ПП-17-39. Випускаються на номінальну напругу змінного струму до 500 В і постійного до 440 В, номінальний струм 1000 А, номінальні струми вставок 500, 630, 800 і 1000 А. патрон розбірний, заповнений кварцовим піском.

Запобіжники напругою вище 1000 В за призначенням і принципу роботи аналогічні запобіжникам з напругою до 1000 В. Вони призначені для захисту силових трансформаторів, повітряних і кабельних ліній (тип ПКТ), трансформаторів напруги (тип ПКН) в електромережах трифазного змінного струму частотою 50 і 60 Гц на номінальну напругу 3-35 кВ; силових електричних ланцюгів (тип ПКЕ) і трансформаторів напруги (тип ПКЕН) змінного струму частотою 50 і 60ГЦ в комплектних розподільних пристроях екскаваторів і пересувних електростанцій на номінальну напругу 6, 10 і 35 кВ з номінальними струмами запобіжників до 200 А.

Основною складовою запобіжників ПК є патрон у вигляді фарфорової трубки, закритої на торцях металевими кришками, заповнений кварцовим піском, який охоплює плавкий елемент з проволоки по всій його довжині. Запобіжники ПКТ і ПКЕ мають покажчик спрацьовування, ПКН і ПКЕН не мають.

Запобіжники типу ПВТ (вихлопні, колишня назва – запобіжники стріляючі типу ПСН) виготовляються на номінальні напруги 10-110 кВ. Вони призначені для встановлення у відкритих розподільчих пристроях. У сільських електричних мережах найбільш розповсюджені запобіжники ПВТ-35 для захисту трансформаторів напругою 35/10 кВ.

Рис. 1. 5. Запобіжник вихлопний ПВТ-35

 

а, б - загальний вигляд і патрон запобіжника ПВТ (ПСН) -35; в - запобіжник ПСТ (ПС) -35 МУ1; 1 і 1'-контактний ніж; 2 - вісь; 3 - опорний ізолятор; 4 - плавка вставка; 5 - трубка з газогенеруючого діелектрика; 6 - гнучкий зв'язок; 7 - кінцевик; 8 – патрубок.

Основний елемент патрона запобіжника - газогенеруюча трубка 5 з вініпласту (рис. 1.5). Всередині трубки розташований гнучкий провідник 6, з'єднаний одним кінцем з плавкою вставкою 4, розташований в металевій голівці патрона, а другий - з контактним кінцевиком 7.

Патрон запобіжника розміщується на двох опорних ізоляторах 3, укріплених на цоколі (рамі). Головка патрона затиснута спеціальним утримувачем на верхньому ізоляторі. На нижньому ізоляторі укріплений контактний ніж 1 зі спіральною пружиною, яка прагне повернути ніж навколо осі 2 в положення 1'. Ніж 1 з’єднаний з контактним кінцевиком 7 патрона.

Використовуються цинкові плавкі вставки, а також подвійні вставки з міді і сталі (сталева вставка, розташована паралельно мінній, сприймає зусилля пружини, яка прагне витягнути з патрона гнучкий провідник; при короткому замиканні спочатку розплавляється мідна, потім сталева плавка вставка).

Після перегорання ПВ контактний ніж звільняється і, повертаючись (відкидаючись) під дією пружини, тягне за собою гнучкий провідник, який потім викидається з патрона. Під дією дуги, що утворилася після розплавлення ПВ, стінки вініпластової трубки інтенсивно генерують газ. Тиск у патроні підвищується, потік газу створює сильне поздовжнє дуття, що гасить дугу. Процес викиду розпечених газів через нижній отвір патрона супроводжується звуком, схожим на постріл. У зв'язку зі збільшенням довжини дуги в процесі викиду гнучкого зв'язку під час відключення перенапруги не виникає, але ці запобіжники не володіють і струмообмежуючим ефектом. Як видно з малюнка 1.5, плавка вставка розміщена не в трубці, а в металевому ковпаку, що закриває один кінець. Це виключає газоутворення в нормальному режимі, коли плавка вставка також може нагріватися до високої температури.

Промисловість випускає вихлопні (стріляючі) запобіжники типу ПВТ-35МУ1, наведений на рис. 5, в. Патрон цього запобіжника, на відміну від розглянутого вище, має металевий патрубок 8, в якому встановлено мідний клапан, який закриває поперечний дуттєвий отвір патрубка. При гасінні великих струмів короткого замикання, коли інтенсивно розвивається дуга, тиск у патроні швидко зростає і викидає клапан, внаслідок чого отвір патрубка відкривається. При гасінні дуги з малими струмами отвір патрубка залишається закритим, забезпечуючи підвищення тиску в патроні.

Керовані плавкі запобіжники типу УПС-35. Для усунення одного з істотних недоліків запобіжників - труднощі узгодження послідовно встановлених апаратів через невідповідність характеристик - на базі запобіжників ПВТ (ПС)-35МУ1 розроблені керовані запобіжники УПС-35У1, призначені для захисту трансформаторів напругою 35 / 6... 10 кВ. Є також розробки керованих запобіжників на напругу 110 кВ.

Гнучкий провідник всередині патрона керованого запобіжника з'єднаний з плавкою вставкою не жорстко, а через контактну систему, яка забезпечує механічний розрив ланцюга плавкою вставки під дією приводу при спрацьовуванні релейного захисту. Коли виникає коротке замикання, релейний захист спрацьовує і в результаті дії приводу контактний ніж спільно з гнучким зв'язком переміщується вниз.

При цьому контактна система, розташована всередині патрона, розмикається. Решта процесів - подальше переміщення і викидання гнучкого провідника, гасіння дуги - здійснюються так само, як і при перегоранні ПВ в некерованому вихлопному запобіжнику. При великих токах короткого замикання плавка вставка керованого запобіжника перегорає раніше, ніж спрацює релейна захист.

 

4. Експериментальна установка

 

Схема для зняття часо-струмових характеристик зображена на рис. 1.6.

 

 

Рис. 1. 6. Електрична схема лабораторної установки

 

Елементи схеми: SA1 – вимикач для підключення установки до мережі 220 В змінного струму; TV1 – автотрансформатор (ЛАТР) – призначений для регулювання струму в ПВ запобіжника, що випробується; TV2 – силовий трансформатор; FU – запобіжник, що випробується; R – струмообмежуючий резистор; РA1 – амперметр зі шкалою до 20 А; PA2 – амперметр зі шкалою до 100 А; SA3 – перемикач амперметрів: у лівому положенні працюють обидва амперметри, але відлік ведеться по РА1; у правому положенні працює тільки РА2; HLR – сигнальна червона лампа, вона сигналізує про те, що установка знаходиться під напругою; КМ – котушка контактора постійного струму; КМ.1 – силові контакти контактора постійного струму, які шунтують запобіжник, що випробується при встановленні заданого струму; КМ.1 – вторинні контакти контактора постійного струму, які включають коло живлення первинної обмотки знижуючого трансформатора TV3, з вторинної обмотки якого подається напруга 36 В на лічильник імпульсів РС; VD1-VD4 – мост для живлення котушки КМ контактора постійного струму; SA2 – вимикач для вмикання та вимкнення контактора постійного струму; ТА – трансформатор струму, який через пост VD5-VD8 живить проміжне реле постійного струму KL. Контакти KL.1 реле KL відключають коло живлення лічильника імпульсів РС в момент перегорання плавкої вставки FU. Контакти KL.2 реле KL вмикають коло живлення зеленої сигнальної лампи, загорання якої свідчить про те, коло живлення лічильника імпульсів РС готове до роботи.

 

5. Порядок виконання роботи

 

Теоретична частина повинна бути вивчена студентами до прихода в лабораторію.

В лабораторії потрібно:

І. Вивчити конструкцію плавких запобіжників на зразках матеріальної частини.

ІІ. Зняти часо-струмові характеристики трьох мідних круглих ПВ різного діаметру. ПВ (проволоки) дає викладач або лаборант.

1. Визначити за допомогою мікрометра діаметр плавкої вставки, значення записати у зошит.

2. Встановити руківку ЛАТРа в нульове положення, обертаючи проти годинникової стрілки до упору.

3. Встановити вимикачі:

SA1 та SA2 – в положення “Вимкнуто”;

SA3 – в положення “РА2”.

5. Стріли лічильника імпульсів РС встановити в нульове положення.

6. Встановити в патрон запобіжника плавку вставку найменшого діаметру. Патрон встановити в роз’єми запобіжника експериментальної установки.

7. Доповісти викладачу про готовність (без дозволу викладача включати установку категорично заборонено).

8. Після отримання дозволу на вмикання установки встановити:

а) вимикач SA1 в положення “Ввімкнено”, при цьому повинна загорітися червона сигнальна лампа HLR;

б) вимикач SA2 встановити в положення “Ввімкнено”. Повинен спрацювати контактор КМ (чутно удар якора о полюсний кінцевик). При цьому контакти КМ.1 замкнуться, шунтуючи плавку вставку FU, а контакти КМ.2 розімкнуться і розірвуть первинне коло трансформатора TV3, який живить лічильник імпульсів РС.

9. Обертаючи руківку ЛАТРа за годинниковою стрілкою, встановити за амперметром РА2 максимально можливий струм (60 А). При цьому на початку обертання руківки ЛАТРа повинно спрацювати реле KL (буде чутно відповідний удар якора), контакти реле KL.1 та KL.2 замкнуться. Контакти KL.1 підготували коло живлення трансформатора ТV3 і відповідно лічильник імпульсів РС, а контакти KL.2 ввімкнули коло живлення зеленої лампи HLG, яка сигналізує про готовність установки до випробування.

10. Вимикач SA2 встановити в положення “Вимкнено”. При цьому контактор КМ відпустить якір, його контакти КМ.1 розімкнуться і струм буде проходити безпосередньо через плавку вставку FU, одночасно замкнуться контакти КМ.2, які замикають коло живлення лічильника імпульсів РС.

Після перегорання плавкої вставки FU коло силового трансформатора TV2 розімкнеться, трансформатор струму ТА знеструмиться, відповідно контакти реле KL KL.1 розірвуть коло живлення лічильника імпульсів РС і він зупиниться, а KL.2 розірвуть коло живлення зеленої лампи, вона згасне.

11. Вимикач SA1 встановити в положення “Вимкнено” і обов’язково одразу встановити руківку ЛАТРа в нульове положення (обертати проти годинникової стрілки до упору).

12. Значення струму та кількість імпульсів лічильника імпульсів РС записати в табл. 1. 1.

Таблиця 1. 1

Струм, А	d1	d2	d3
Кількість імпульсів	Час, с	Кількість імпульсів	Час, с	Кількість імпульсів	Час, с

 

Час в секундах отримують множенням кількості імпульсів на 0,02.

Стрілки лічильника імпульсів встановити в нульове положення. Досліди проводити для одного діаметра ПВ при струмах, зазначених в табл. 1.1.

Примітки:

при струмах 20 А і менше вимикач SA3 встановити в ліве положення і відлік струму вести за амперметром РА1.

Якщо під час випробування струм за амперметром буде зменшуватися, його треба підтримувати на заданому рівні за допомогою руківки ЛАТРа.

Аналогічні досліди провести для ПВ інших діаметрів. При випробуванні ПВ великих діаметрів час проходження струму через ПВ не повинен перевищувати 20000 імпульсів (два повних кола лівої стрілки лічильника імпульсів) після чого установку потрібно вимкнути, дотримуючись усіх правил, наведених вище.

Якщо ПВ не перегоріла, скажімо, при 30 А, то при 20 А дослід проводити не потрібно, так як за цей проміжок часу вона напевно не перегорить.

 

6. Зміст звіту

 

Звіт повинен складатись з: мети робити та локанічного її опису; схеми установки та переліку приладів; даних дослідів у вигляді таблиці; побудованих на одному графіку часо-струмових залежностей t=f(I); висновків по роботі.

 

7. Контрольні запитання

 

1. Призначення плавких запобіжників.

2. Типи плавких запобіжників та їх будова.

3. Матеріали плавких вставок.

4. Для чого плавка вставка виготовляється із змінним перерізом?

5. Що таке металургійний ефект і для чого він застосовується в запобіжниках?

6. Для чого патрон запобіжника ПР-2 виготовляється з фібри?

7. Принцип роботи запобіжника ПН-2.

8. Який струм називається номінальним струмом плавкої вставки?

9. Який струм називається номінальним струмом запобіжника?

10. Призначення наповнювача в запобіжниках ПН-2.

11. Який струм називається максимальним струмом відключення?

12. Сутність струмообмежуючої дії запобіжника.

13. Що називається часо-струмовою характеристикою запобіжника?

14. Що називається пограничним струмом запобіжника?

15. Умови вибору запобіжника.

 

8. Література

 

[1], с. 349…369; [2], с. 186…194, [4], с. 311…312.

 

 

Лабораторна № 2

 

ДОСЛІДЖЕННЯ КОНТАКТОРІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

 

1. Мета роботи

 

Мета роботи – вивчити призначення, принцип роботи, конструкцію та типи контакторів постійного струму, провести їх експериментальне дослідження та визначити експлуатаційні характеристики.

 

2. Основні теоретичні положення

 

Контактором називається одноступінчатий комутаційний електричний апарат дистанційної дії, який призначений для частих включень і відключень силових електричних кіл за нормальних режимів роботи.

Контактор - це, мабуть, найстаріший апарат, який застосовувався для керування електродвигунами. Найбільшого поширення в світі отримали електромагнітні контактори. Вони є основними комутаційними апаратами схем з струмами більше 50 А.

Всі контактори класифікуються:

• за родом струму силових кіл і кіл управління (включаючої котушки) - постійного, змінного, постійного і змінного струму;

• за числом головних полюсів - від 1 до 5;

• за номінальним струмом силових контактів - від 1,5 до 4800 А;

• за номінальною напругою силових контактів: від 27 до 2000 В постійного струму; від 110 до 1600 В змінного струму частотою 50, 60, 500, 1000, 2400, 8000, 10 000 Гц;

• за номінальною напругою котушки включення: від 12 до 440 В постійного струму, від 12 до 660 В змінного струму частотою 50 Гц, від 24 до 660 В змінного струму частотою 60 Гц;

• за наявністю допоміжних контактів - з контактами, без контактів.

Контактори постійного струму призначені для комутації ланцюгів постійного струму і, як правило, приводяться в дію електромагнітом постійного струму. Загальні технічні вимоги до контакторів і умови їх роботи регламентовані ГОСТ 11206—77.

Категорії застосування контакторів постійного струму:

• ДС-1 — активне або малоіндуктивне навантаження;

• ДС-2 — пуск електродвигунів постійного струму з паралельним збудженням та їх відключення за номінальної частоти обертання;

• ДС-3 — пуск електродвигунів з паралельним збудженням та їх відключення при нерухомому стані або повільному обертанні ротора;

• ДС-4 — пуск електродвигунів з послідовним збудженням та їх відключення при номінальній частоті обертання;

• ДС-5 — пуск електродвигунів з послідовним збудженням, відключення не-рухливих двигунів або таких, що повільно обертаються, гальмування противвімкненням.

Вимоги до контакторів:

1.Висока комутаційна здатність – не нижче 10 І_ном, а в окремих випадках до 20 І_ном;

2. Тривала робота за великої частоти вмикань та відключень;

3. Висока комутаційна зносостійкість – до 3 млн. циклів з врахуванням відключень пускових струмів;

4. Висока механічна зносостійкість;

5. Технологічність конструкції, мала маса і габарити;

6. Висока надійність в експлуатації.

Контактори постійного струму випускаються в основному на напруги 22 і 440 В, струми до 630 А, однополюсні та двополюсні.

Контактори серії КПД 100Е призначені для комутації силових кіл та кіл управління електроприводом постійного струму напругою до 220 В. Контактори виготовляються на номінальні струми від 25 до 250 А. Контактори серії КПВ 600 призначені для комутації головних ланцюгів електроприводів постійного струму. Контактори цієї серії мають два виконання: з одним замикаючим головним контактом (КПВ 600) і з одним розмикаючим головним контактом (КПВ 620). Управління контакторами здійснюється від мережі постійного струму. Контактори виготовляються на номінальні струми від 100 до 630 А. Контактор на струм 100 А має масу 5,5 кг, на 630 А – 30 кг.

 

2.1. Конструкція електромагнітних контакторів постійного струму та принцип їх роботи

 

Контактор постійного струму має наступні основні вузли: контактну систему, дугогасний пристрій, електромагніт і систему допоміжних контактів.

На рисунку 2.1. показана схема включення електродвигуна постійного струму за допомогою електромагнітного контактора з зазначенням основних вузлів контактора постійного струму.

При подачі напруги на обмотку електромагніту контактора його якір притягується. Рухомий контакт, пов'язаний з якорем електромагніту, замикає або розмикає головний ланцюг. Дугогасний пристрій забезпечує швидке гасіння дуги, завдяки чому досягається малий знос контактів. Система допоміжних контактів, які розраховані на невеликі струми, служить для погодження роботи контактора з іншими пристроями.

 

Рис. 2.1. Схема включення електродвигуна постійного струму: 1 – котушка магнітного дуття, яка включається послідовно з нерухомим силовим контактом 2; 3, 4, 5 - дугогасна камера; 6 – напайки з тугоплавкого металу для покращання зносостійкості головних контактів; 7 – головні контакти; 8 – контактна пружина; 9 - прокладка з немагнітного матеріалу, встановлена на якорі 10; 11 – відключаюча пружина; 12 – допоміжні контакти; 13 – клеми котушки електромагніта 15; 14 – осердя електромагніта.

 

Електромагнітна система контактора забезпечує дистанційне керування контактором. Конструкція системи визначається родом струму і ланцюга управління контактора і його кінематичною схемою. Електромагнітна система складається з осердя, якоря, котушки і кріпильних деталей.

Електромагнітна система може розраховуватися на включення якоря і утримання його в замкнутому положенні або лише на включення якоря. Утримання ж його в замкнутому положенні в цьому випадку здійснюється клямкою. Відключення контактора відбувається після знеструмлення котушки натисканням кнопки SВ2, під дією відключаючої пружини, або власної ваги рухомої системи, якір з рухомим контактом 7 переходить у відключене положення. У контакторах з клямкою, окрім електромагнітної системи включення, є друга електромагнітна система, яка виробляє звільнення рухливої системи з-під клямки. Оскільки електромагнітні системи тут працюють короткочасно, то вони можуть виконуватися малими розмірами і з великими перевантаженнями за струмом.

Магнітні системи контакторiв, в залежності від характеру руху якоря і конструкції, поділяються на поворотні та прямохiднi. Магнiтопровiд контактора поворотного типу влаштований аналогічно клапанному реле. Для того, щоб усунути залипання якоря використовують немагнiтнi прокладки. Для замикання силових контактів потрiбнi великі зусилля, тому електромагнiтний механізм контактора виконується потужним та масивним. При спрацьовуваннi контактора відбувається досить значний удар якоря по осердю. Частково цей удар приймає на себе немагнiтна прокладка; крім того, магнітну систему амортизують пружиною, що також зменшує вібрацію контактів.

Магнiтопровiд контактора прямохiдного типу має, зазвичай, Ш ‑ подiбну форму. В цьому випадку для усунення залипання якоря роблять зазор між середніми стержнями осердя і якоря.

Втягувальна котушка зазвичай забезпечує вмикання і утримання якоря в притягненому стані. Але інколи використовують дві котушки: потужну, що вмикає, і менш потужну - утримувальну. В цьому випадку контактор у ввiмкненому стані споживає меншу кiлькiсть електроенергії, оскільки котушка вмикання знаходиться під струмом тільки короткий час. Розiмкнення контактів відбувається за рахунок відключаючої пружини при зніманнi напруги з котушки контактора. Втягувальна котушка повинна забезпечувати надійне спрацьовування контактора при зниженні напруги до 0,85 U _ном. При нагрiванні котушка повинна витримувати підвищення напруги до 1,05 U _ном.

Головні контакти можуть виконуватися важельного і мостикового типу. Контакти важельного типу передбачають поворотну рухому систему, контакти мостикового типу – прямохідну систему.

Контактний міст має невелику масу і виконується таким, що сам встановлюється, і це знижує вібрацію контактів. Для запобігання вібрації контактна пружина створює попереднє натискання, рівне приблизно половині кінцевої сили натискання.

У контакторiв для тривалого режиму роботи на поверхню мідних контактів зазвичай напаюється металокерамiчна або срібна пластинка. Контакти інколи можуть виконуватися з мiдi, якщо плівка окису, що утворюється на робочій поверхні контактів, періодично знімається самоочисткою.

Зносом контактів називають руйнування їх робочої поверхні під час роботи, яке супроводжується зміною їх маси, геометричних розмірів та форми. Розрізняють механічний та електричний знос. Причиною механічного зносу контактів є різного роду механічні фактори: удар, тертя, перекочування. Електричний знос спостерігається як при відключенні, так і при включенні ланцюга. В обох випадках він виникає під дією електричної дуги, яка створюється між контактами.

Часто знос контактів при включенні буває більшим, ніж при відключенні. Причина цього – вібрація контактів, яка виникає при включенні контактора. Вібрація контактів – це явище їх періодичного відскоку та наступного замикання. Для виключення явища вібрації контактів використовують контактні пружини, які виконують ще одну важливу функцію – забезпечують необхідну силу стискання контактів у замкнутому положенні, в результаті чого зменшується перехідний опір контактів.

Основні параметри контактної системи: контактне натискання, проміжок та провал контактів. Від них залежить надійна робота контактів контактора.

Дугогасна система забезпечує гасіння електричної дуги, яка виникає при розмиканні головних контактів. Способи гасіння дуги і конструкції дугогасних систем визначаються родом струму головного ланцюга і режимом роботи контактора. Дугогасна система контакторiв постійного струму, зазвичай, виконується у виглядi камери з повздовжніми щілинами, куди дуга витісняється за допомогою магнітної сили. Магнітне поле, в переважній більшості конструкцій, збуджується послідовно включеною з контактами дугогасною котушкою (котушкою магнітного дуття). У 60-х роках минулого століття в СРСР були створені конструкції з постійними магнітами, але поширення вони не набули. Камери з вузькими щілинами, які можуть бути прямими і зигзагоподібними значно підвищують вимикну здатність і обмежують розміри дуги і її полум'я за межами камери, проте повного гасіння електричної дуги в об'ємі камери досягнути не вдається.

На рис. 2.2 показана схема дугогасної камери з вузькою щілиною і електромагнітним дуттям.

 

Рис. 2.2. Дугогасна камера з електромагнітним дуттям.

 

Щілинна камера утворена двома стінками 1, виконаними з ізоляційного матеріалу. Система магнітного дуття складається з котушки магнітного дуття 2, яка включається послідовно з головними контактами і розміщеною на осерді 3. Для підведення магнітного поля в зону утворення дуги застосовуються феромагнітні щоки 4. В результаті взаємодії електричного струму дуги з магнітним полем з'являється сила F, яка розтягує дугу і витісняє її в щілинну камеру між стінками 1. За рахунок посиленого відведення теплоти стінками камери дуга швидко згасає.

При послідовному включенні головних контактів і котушки магнітного дуття напрямок сили F залишається постійним при будь-якому напрямі струму в силовому ланцюзі, оскільки сила F пропорційна квадрату струму (адже магнітне поле створюється цим же струмом). Тому магнітне дуття можна використовувати і в контакторах змінного струму.

Допоміжні контакти застосовуються для перемикання в колах керування контактора, а також в колах блокування і сигналізації. Вони розраховані на тривале проходження струму не більше 20 А, і відключення струму не більше 5 А. Контактор, як плавило, обладнаний замикаючими і розмикаючими допоміжними контактами мостикового типу.

 

2. 2. Основні технічні дані контакторів постійного струму

 

Основними технічними даними контакторів є номінальний струм головних контактів, граничний струм, що відключається, номінальна напруга ланцюга, який комутується, механічна і комутаційна зносостійкість, допустима кількість включень за годину, власний час включення і відключення.

Здатність контактора, як і будь-якого комутаційного апарату, забезпечити роботу при великому числі операцій характеризується зносостійкістю.

Розрізняють механічну і комутаційну зносостійкість. Механічна зносостійкість контакторів визначається кількістю циклів включення-відключення контактора без ремонту і заміни його вузлів і деталей. Струм в ланцюзі при цьому дорівнює нулю. Механічна зносостійкість сучасних контакторів постійного струму складає (10—20)_*10⁶ операцій. Комутаційна зносостійкість контакторів визначається таким числом включень і відключень, після якого потрібна заміна контактів. Сучасні контактори повинні мати комутаційну зносостійкість близько (2—3) _*10⁶ операцій (деякі контактори, що випускаються в даний час, мають комутаційну зносостійкість 10⁶ операцій і менше). Комутаційна зносостійкість головних контактів для категорій ДС-2, ДС-4 в режимі нормальних комутацій має бути не менше 0,1, а для категорій ДС-3 не менше 0,02 механічної зносостійкості. Допоміжні контакти повинні комутувати ланцюги електромагнітів змінного струму, в яких пусковий струм може у багато разів перевищувати постійний.

Власний час включення контактора складається з часу наростання потоку в електромагніті контактора до значення потоку торкання і часу руху якора. Велика частина цього часу витрачається на наростання магнітного потоку. Для контакторів постійного струму з номінальним струмом 100А власний час включення складає 0,14 с, для контакторів із струмом 630А воно збільшується до 0,37с.

Власний час відключення контактора - час з моменту знеструмлення електромагніту контактора до моменту розмикання його контактів. Воно визначається часом спаду потоку від сталого значення до потоку відпускання. Часом з початку руху якоря до моменту розмикання контактів можна нехтувати. У контакторах постійного струму з номінальним струмом 100 А власний час відключення складає 0,07с, в контакторах з номінальним струмом 630 А — 0,23 с.

Номінальним струмом контактора I _ном є струм, який можна пропускати по замкнутих головних контактах протягом 8 годин без комутацій, причому перевищення температури різних частин контактора не має бути більше допустимого (переривисто-тривалий режим роботи).

Номінальний робочий струм контактора I _{ном. р} - це допустимий струм через його замкнуті головні контакти в конкретних умовах застосування. Так, наприклад, номінальний робочий струм I _{ном. р} контактора для комутації асинхронних двигунів з коротко-замкнутим ротором вибирається за умови включення шестикратного пускового струму двигуна.

Номінальною напругою контактора називається найбільша напруга кола, що комутується, яку витримує ізоляція контактора без пошкодження.

Найкоротша відстань між контактними поверхнями рухомого і нерухомого контактів в їх розімкненому положенні називається проміжком контакту. Відстань, на яку переміститься із замкнутого положення рухомий контакт при видаленні нерухомого, називається провалом контакту. Величина провалу вибирається за умови допустимого зносу контактів і забезпечує торкання контактів, не дивлячись на їх поступовий знос при роботі.

У включеному положенні контактора його контакти мають бути стиснуті такою силою, яка забезпечує виконання умов допустимого нагріву контактів за тривалого режиму роботи і їх електродинамічної стійкості при наскрізних струмах короткого замикання.

 

2. 3. Характеристики контакторів

 

Основними характеристиками контакторів є: тягова характеристика електромагніта; механічна характеристика; коефіцієнт повертання електромагнітної системи; контактне стискання; проміжок контактів; провал контактів.

 

2. 3. 1. Тягова характеристика електромагніта

 

Найважливішою характеристикою електромагніта є сила тяги. Якщо проміжок між якорем та осердям невеликий, то силу тяги можна визначити за формулою Максвела, Н:

,

де Ф - магнітний потік в осерді Вб; S - переріз осердя, точніше полюса, якій взаємодіє з якорем, м²; - магнітна стала, .

Якщо переріз осердя та якоря однакові, то , де В-індукція, Тл. Отже:

.

Питома сила тяги електромагніту:

.

Отже, питома сила тяги пропорційна квадрату магнітної індукції. Максимальне значення індукції насичення сталі, яка застосовується для осердя: В_max = 1 Тл. Відповідно максимальна питома сила тяги електромагніта:

.

В реальних конструкціях електромагнітів .

Часто застосовуються електромагніти, в яких проміжок між якорем та полюсом осердя співвідносні з реальними розмірами полюса. В цьому випадку сила тяги визначається формулою:

,

де - розмір повітряного проміжку між полюсом осердя та якорем, м.

Питома сила тяги обернено пропорційна квадрату повітряного проміжку. Залежність сили тяги від проміжку називається тяговою характеристикою електромагніту.

При малих проміжках сила тяги максимальна. Зі збільшенням проміжку сила тяги різко зменшується. Для промислових механізмів така характеристика непридатна. Тому в конструкціях електромагнітів застосовують спеціальні заходи для вирівнювання тягової характеристики, забезпечення сталої сили тяги.

 

2. 3. 2. Механічна характеристика

 

Механічна характеристика - це залежність моменту, який утворюється силами опору руху рухомої системи, від кута повороту якоря електромагніту, тобто М _мех = f (α). Цей момент утворюється силами поворотної (що відключає) і контактної пружин, масою неврівноважених частин, а також силами тертя. Статична тягова характеристика - це залежність величини тягового моменту електромагніту від кута обертання якора при незмінній величині прикладеної напруги на обмотці електромагніту, тобто М _ем = f (α). Моменти всіх сил визначаються відносно осі повороту якора електромагніту. Типові для контактора механічна і тягові характеристики представлені на рис. 2. 3. Графік М_мех = f (α) є ламаною лінією. На початку руху при α = α_торк (що відповідає найбільшому проміжку між якорем і осердям електромагніту) протидіючий момент М1 створюється зусиллям попереднього стискування поворотної пружини, силами тертя і силами тяжіння неврівноважених відносно вісі якоря мас рухомої системи. На ділянці від α_мах до α_торк момент поступово наростає до значення М₂ в результаті стискування поворотної пружини. При зіткненні рухомого контакту з нерухомим (при α = α_торк) відбувається різке збільшення протидіючого моменту до величини М₃ із-за наявності попереднього початкового стискання контактної пружини. Величину зміни моменту М₃ - М₂ можна розрахувати як множення сили початкового контактного натиснення на відстань від точки прикладання цієї сили до осі повороту якоря. При подальшому повороті якоря до α =0 (що і відповідає торканню якоря з осердям електромагніту) момент зростає до значення М₄ за рахунок подальшого стискування контактної і поворотної пружин.

 

αторк

αмах

аторк

мах

Рис. 2.3. Тягова та механічна характеристики контакторів

 

Графік тягової характеристики М _ем = f (α) є повільною кривою, що різко зростає із зменшенням кута α. Кожному значенню прикладеної до обмотки електромагніту напруги відповідає певна тягова характеристика на графіку і навпаки.

Для повного включення контактора необхідно, щоб тягова характеристика розташовувалася на графіці вище механічної, тобто, щоб за любого значення α дотримувалася нерівність М _ем > М _мех. Контактор спрацьовує лише тоді коли при α_мах величина М_ем стає більше М _мех, і навпаки, якщо при α =0 значення М _ем стане менше М _мех, то контактор відключається. Зупинка рухомої системи контактора в проміжному положенні недопустима як при вмиканні, так і при відключенні.

 

2. 3. 3. Коефіцієнт повертання

 

Найменше значення напруги на котушці, за якої починається і повністю закінчується втягування якоря електромагніту, називається напругою втягування. Найбільше значення напруги на котушці, за кого починається і повністю закінчується відпадання якоря електромагніту, називається напругою відпадання. Відношення напруги відпадання до напруги втягування називається коефіцієнтом повертання:

(2.6)

За значенням К _п можна оцінювати як розташовані механічна та тягова характеристики, о чутливості контактора до зміни вхідної величини.

Коефіцієнт повертання буде тим більший, чим менший інтервал між тяговою та механічною характеристиками. Для забезпечення надійного вмикання електромагніта бажано, щоб інтервал був більшим, з іншого боку, площа фігури, яка обмежена тяговою та механічною характеристиками, визначає надлишок кінетичної енергії рухомої системи контактора, яка витрачається на удари деталей та викликає вібрацію контактів. Тому існує оптимальне співвідношення тягової та механічної характеристик контактора. Виходячи з досвіду проектування та експлуатації, в існуючих конструкціях контакторів постійного струму коефіцієнт повертання електромагнітних механізмів, як правило, складає 0,2-0,3.

 

3. Експериментальна установка

 

Експериментальна установка (рис. 2. 4) складається з регулятора напруги TV (ЛАТР), випрямного пристрою VD1-VD2. Для виміру випрямленої напруги контактора, що підводиться до котушки, використовується вольтметр PV, а струм в обмотці контактора вимірюється амперметром РА. Вимикач SA1 служить для включення установки в мережу 220 В змінного струму і її відключення.

 

 

Рис. 2.4. Електрична схема лабораторної установки

 

На установці змонтовано два контактори КМ1 і КМ2. Перемикач SА2 служить для перемикання напруги живлення з одного контактора на іншій. Сигнальні лампи HLG1 і HLG2 (зеленого кольору) сигналізують про подачу напруги на обмотки контакторів. Якщо SА2 знаходиться в лівому положенні, то під напругою знаходиться контактор КМ1 (на панелі ліворуч) і горить лампа HLG1 (на панелі ліворуч). Контактор КМ2 і лампа HLG2 в цьому випадку знеструмлені. Якщо SА2 знаходиться в правому положенні, під напругою знаходиться контактор КМ2 і горить лампа HLG2 (розташовані праворуч). КМІ і HLG1 - знеструмлені.

 

Паспортні дані контакторів

 

КМ 1 – контактор постійного струму КПД-121.

Номінальна напруга котушки U_{кат. ном} = 110 В.

Кількість витків котушки N = 7800, опір обмотки R_к = 360±18 Ом.

КМ2 – контактор постійного струму КП-503.

Номінальна напруга котушки U_{кат. ном} = 220 В.

Кількість витків котушки N = 18750, опір обмотки R_к = 1285Ом.

Номінальний струм головних контактів I_н = 150 А.

 

4. Порядок виконання роботи

 

4. 1 Програма

 

Підготувати установку до роботи, для цього вимикач SA1 встановити в положення “Вимкнено”, перемикач SA2 встановити в праве положення (включений контактор КМ2), руківку ЛАТРа обертати проти годинникової стрілки до упору (виведене положення).

Підготувати до роботи динамометр, лінійку, омметр, немагнітні пластини.

Доповісти викладачу про готовність до роботи.

Без дозволу викладача вмикати установку в мережу заборонено!

 

4. 2. Послідовність виконання роботи

 

Виміряти омметром опір обмотки контактора в холодному стані і порівняти з паспортними даними (контактор вказує викладач).

Визначити за допомогою лінійки розміри проміжку і провалу контактів контактора КМ2 (правий).

Визначити коефіцієнт повертання контактора.

Зняти тягову характеристику електромагніту за різних значеннях струму в обмотці контактора (контактор і значення струму вказує викладач).

Визначити силу початкового та кінцевого стискання головних контактів (для контактора КМ2).

Визначити залежність значення струму в котушці електромагніту від величини робочого проміжку при заданому значенні напруги на котушці.

Виміряти опір обмотки контактора в робочому стані.

Зняти механічну характеристику контактора КМ2.

 

5. Методичні вказівки до викон