2015-02-27
2925
11.1. Общие сведения и классификация аппаратов управления и защиты
Электрическими аппаратами управления и защиты называются электротехнические устройства и механизмы, предназначенные для ручного или автоматического изменения, регулирования и контроля параметров электрических и неэлектрических объектов и цепей.
Электрические аппараты управления и защиты классифицируют по назначению, принципу действия или способу управления, режиму работы, исполнению или способу защиты от воздействия окружающей среды.
По назначению, в зависимости от условий разрыва электрической цепи различают аппараты:
– для выключения цепи под напряжением, но без тока;
– для выключения цепи под током, но без напряжения;
– для выключения цепи под нагрузкой (пониженной, номинальной, повышенной);
– для разрыва цепи с разрушением элемента, предназначенного для размыкания цепи.
По принципу действия аппараты делятся на:
– аппараты неавтоматического управления, то есть ручного;
– аппараты автоматического управления, срабатываемые при получении соответствующего импульса или сигнала;
– среднее положение между названными выше группами аппаратов занимают воздушные автоматические выключатели, включение и отключение которых может осуществляться как автоматически, так и вручную.
По режиму работы различают аппараты продолжительной, кратковременной и повторно-кратковременной работы. Один и тот же аппарат может быть использован во всех режимах работы, но при соответствующих допустимых величинах нагрузки.
По исполнению или способу защиты от воздействия окружающей среды различают аппараты:
– открытого исполнения - токоведущие части открыты и доступны для прикосновения;
– защитного исполнения - имеется кожух или другие устройства, предохраняющие от прикосновения к токоведущим частям;
– плотно закрытого исполнения - кожух имеет уплотнение, предохраняющее от попадания внутрь пыли и грязи;
– герметического исполнения - имеются сальниковые устройства, предохраняющие от попадания жидкости;
– взрывобезопасного исполнения - взрыв или пламя внутри аппарата не может распространится наружу и наоборот.
Электрические аппараты представляют собой средства управления электрическим током, функции которых заключаются в управлении параметрами, характеризующими ток: электрическим напряжением, электрической мощностью и энергией, частотой электрического тока, его силой, формой импульсов тока или напряжения, магнитным потоком и тому подобное.
В техническом отношении к функции управления током относятся:
– коммутация (включение - отключение) электрического тока и связанных с ним параметров;
– автоматическое и неавтоматическое регулирование, стабилизация, изменение по заданному закону электрического тока и связанных с ним параметров;
– распределение тока (электрической энергии) по объектам и потребителям;
– защита электротехнического оборудования от аварийных режимов (короткого замыкания, перегрузки, изменения частоты тока, направления потоков электроэнергии и другое);
– контроль параметров электрического тока для подачи информации на входные органы автоматических регуляторов или аппаратов защиты;
– преобразование параметров тока (его вида, формы кривой, частоты и другое) для создания быстродействующих, высокочувствительных, высокоэффективных и надежных электрических аппаратов и на их основе систем управления.
Электрические схемы, осуществляя управление электрическим приводом, обеспечивают и защиту электропривода, питающей сети и технологического оборудования при возникновении различных ненормальных режимов – коротких замыканий, перегрузки двигателя, исчезновения питающего напряжения, обрыва фазы питающей сети и так далее. Для этого они содержат соответствующие аппараты и устройства, находящиеся во взаимодействии с устройствами управления двигателями. В разомкнутых схемах управления главным образом используется релейно-контакторная аппаратура, в состав которой входят командные маломощные аппараты, силовые коммутационные аппараты с ручным и дистанционным управлением, реле управления и защита. В замкнутых схемах управления электроприводом силовая часть, как правило, строится на основе преобразователь-двигатель. Наибольшее распространение в электроприводе получили полупроводниковые (тиристорные) преобразователи. Другим характерным признаком замкнутых электроприводов является использование главным образом бесконтактных элементов и устройств. Для выработки законов управления, реализуемых силовым преобразователем, замкнутые схемы электроприводов содержат определенный набор управляющих элементов.
11.2. Электрические контактные соединения. Бесконтактные аппараты управления и защиты.
В настоящее время наиболее всего распространены аппараты релейно-контактного типа, хотя любой аппарат такого типа можно сделать и бесконтактным. Рассмотрим основные физические процессы, лежащие в основе работы отдельных аппаратов.
Электрическим контактом называют место перехода тока из одной токоведущей части аппарата в другую. Конструктивный узел, при помощи которого осуществляются периодические замыкания и размыкания электрической цепи, называют электрическим контактным соединением. Его конструктивное исполнение и состояние контактной поверхности во многом определяет надежность работы аппарата.
Контактные соединения можно классифицировать по: состоянию контакта (твердый металл, жидкость, плазма), условиям работы (неподвижные, подвижные, скользящие), конфигурации контактирующих поверхностей (точечные, линейные, поверхностные), конструктивному исполнению контактирующих элементов (торцевые, рубящие, пальцевые, щеточные, перекатывающиеся, штепсельные, Г - и Т - образной формы, мостиковые).
Физические процессы, протекающие в электрических контактах, весьма разнообразны и сложны. Они определяются конструкцией контактов, свойствами материалов проводников, условиями, существующими во внешней среде и в электрической цепи при работе контактного соединения в моменты замыкания, замкнутого состояния и размыкания контактных поверхностей.
При замыкании в момент касания контактных поверхностей участвуют весьма малые поверхности, поэтому плотность тока, падение напряжения и потери мощности в месте контакта весьма велики. При этом возникают динамические усилия, стремящиеся разомкнуть контакты. Отталкивание контактов вызывают и механические силы, возникающие при ударе подвижного элемента о неподвижный. Все это в сочетании с силами упругости пружин создают вибрацию контактирующих элементов. Вибрация в сочетании с высокой температурой в месте контакта и электрической дугой в момент разрыва контакта приводит к разрушению контактирующих элементов и эрозии контактной поверхности.
В замкнутом состоянии под давлением пружины происходит сжатие микровыступов контактной поверхности и увеличение её площади соприкосновения, уменьшение общего сопротивления контактного соединения. При этом на его работу существенное влияние оказывает температурный режим, определяемый в основном переходным сопротивлением. Чрезмерный нагрев приводит к окислению контактной поверхности. Окисные пленки у большинства металлов неэлектропроводные, что приводит к увеличению переходного сопротивления и значительному увеличению температуры, размягчению, расплавлению и привариванию контактных элементов друг к другу.
Размыкание контактных элементов может сопровождаться возникновением электрической дуги. В первый момент при очень малых расстояниях между ними напряженность электрического поля достигает порядка сотен киловольт на сантиметр, даже если напряжение сети составляет всего 10…20В. Этой напряженности достаточно для излучения электронов с поверхности катода. Возникает дуга, приводящая к увеличению температуры как контактных элементов, так и пространства между ними. Образуются автоэлектронная эмиссия за счет значительной напряженности поля и термоэлектронная эмиссия за счет высокой температуры. В момент возникновения электрической дуги, она характеризуется большой плотностью тока (порядка десятков тысяч ампер на 1см2), так как поверхность, через которую проходит ток дуги, мала.
Для повышения надежности и быстродействия схем в настоящее время наряду с контактными применяют бесконтактные аппараты, построенные на базе бесконтактных усилителей. Большинство бесконтактных аппаратов - статические, не имеющие подвижных частей. Электрические цепи в них в процессе работы не разрываются, а сигналы управления получаются за счет дискретного изменения параметров составляющих элементов, имеющих нелинейные характеристики (диодов, транзисторов, микросхем, ферримагнитных сердечников). К этим аппаратам относятся индуктивные, емкостные и генераторные измерительные преобразователи, фотоэлектрические аппараты, транзисторные, магнитные и тиристорные усилители, транзисторные и магнитные логические элементы, програмируеммые микроконтроллеры, выполняющие различные функции. Бесконтактные аппараты более долговечны, чем электромеханические аппараты, требуют незначительного времени на обслуживание, обладают высокой надежностью и быстродействием. К недостаткам следует отнести чувствительность к внешним электрическим помехам и нарушение стабильности работы при изменении температуры.
Статические бесконтактные аппараты аналогичны релейно-контактным. Они обладают дискретным действием (скачкообразным изменением состояния), имея два устойчивых состояния - „включено" и „выключено", которые в удобном математическом отображении в двоичной системе записывается как 1 и 0. Для бесконтактного логического элемента, наиболее распространенного в схемах управления электроприводами, цифра 1 указывает на наличие напряжения на его выходе а цифра 0 - на отсутствие напряжения. Аналогично обозначаются и входные сигналы элементов. Эти сигналы через усилители поступают на исполнительные устройства управления электроприводом (электромагнитные муфты, электромагниты золотников, тиристорные ключи, пускатели и тому подобное). Бесконтактные схемы могут быть собраны и с помощью логических элементов, выполняющих элементарные логические функции: ПОВТОРИТЕЛЬ, И, ИЛИ, НЕ, ПАМЯТЬ, ВРЕМЯ, ЗАДЕРЖКА, ЗАПРЕТ. Для связи логических элементов с другими аппаратами схем управления (кнопками, выключателями, реле и измерительными преобразователями) имеются элементы согласования, основой которых являются миниатюрные герконовые реле.
Под логическим синтезом понимается процесс составления структурных формул (алгебраических выражений) схемы управления электроприводом по заданным условиям технологического процесса. Это позволяет, на основе алгебраических выражений, построить схему с минимальным количеством бесконтактных элементов и создавать современные быстродействующие и надежные схемы управления электроприводами.
11.3. Аппараты ручного управления. Назначение, устройство, выбор
К аппаратам ручного управления относятся командные маломощные устройства – кнопки и ключи управления, командоаппараты и силовые коммутационные аппараты-рубильники, пакетные выключатели и переключатели, силовые контроллеры, реостаты.
Кнопочные станции. Несколько заключенных в кожухе кнопочных элементов называют кнопочной станцией. Заключенный в кожух кнопочный элемент называется кнопкой управления (рис. 11.1).
Кнопка управления – простейший командоаппарат. Она предназначена для дистанционного управления электромагнитными и другими аппаратами при сравнительно редких включениях. Кнопки имеют электрически не связанные между собой замыкающие и размыкающие контакты с двойным разрывом цепи. Особенностью кнопок управления является их способность возвращаться в исходное (нормальное) положение (самовозврат) после снятия воздействия. Номинальный ток продолжительного режима работы 6А, напряжение переменного тока 500В, постоянного – 250В. Кнопочные станции могут выполняться для монтажа на пульте, стене, полу (ножные) и подвесными. Кнопки и переключатели классифицируются по типам, исполнению, виду управляющего элемента, степени защиты, количеству контактов, климатическому исполнению, наличию специальных устройств и по цвету толкателя (красный, желтый, зеленый, фиолетовый, белый). Наиболее распространены кнопки управления серии КЕУ, ВК, АВLF, АЕ, ANE, РРВВ, АРВВ, SB, ВК, кнопочные станции серии КУ, ПКЕ, КП.
Рис. 11.1. Устройство кнопки управления
Ключи управления (универсальные переключатели). Предназначены для подачи управляющего воздействия на электропривод и имеют два или более фиксированных положений рукоятки и несколько замыкающих и размыкающих контактов. Количество контактов ключей и диаграмма их работы могут быть самыми различными. Ключи управления серий ПЕ, АКS, АС выпускаются на те же напряжения и токи, что и кнопки управления. Универсальные переключатели серий УП 5300, УП 5400 и ПКУ 3 – многоцепные аппараты, используемые при сложной коммутации цепей управления и измерения. Они могут коммутировать до 32 цепей и иметь до 8 положений или позиций рукоятки управления. Универсальные переключатели имеют сравнительно небольшие габариты и довольно мощные контакты (до 20А переменного тока). Это позволяет использовать их в силовых цепях многоскоростных асинхронных двигателей небольшой мощности и в ряде других случаев.
Контроллеры. Переключения электрических могут выполняться контроллером – многоступенчатым, многоцепным аппаратом, имеющим специальную диаграмму переключений контактов. Контролеры классифицируются по: виду коммутации – релейно-контакторного, бесконтактного (программируемые логические контроллеры); назначению – силовые сильноточные (коммутация главных силовых цепей двигателя), командоконтроллеры (коммутация цепей управления); конструктивному исполнению – барабанные, кулачковые, плоские, магнитные (в его состав входят командоконтроллер и электромагнитный аппарат - контактор); роду тока – постоянного и переменного; количеству коммутируемых цепей; виду привода контактной системы – ручной, ножной; числу рабочих положений; диаграммы включения и выключения.
Устройство барабанного и кулачкового контроллеров представлены на рис.11.2, 11.3.
| Рис. 11.2. Устройство барабанного контролера: 1 – рукоятка; 2 – барабан; 3 – сегменты; 4 – стойки из изоляционного материала; 5– пружинящие пальцы | Рис. 11.3.Устройство кулачкового контролера: 1 – изоляционная плита; 2 – неподвижные контакты; 3 – подвижные контакты; 4 – рычаг; 5 – стойка; 6 – ролик; 7 – кулачковая шайба; 8 – вал; 9 – пружина |
Барабанный контроллер состоит из двух частей - вращающейся и неподвижной. Вращающая часть представляет барабан 2, на котором в определенном порядке закреплены медные или бронзовые сегменты 3. На конце вала расположена рукоятка 1 или маховик для привода вала в движение. Неподвижная часть имеет изолирующую стойку 4, на которой закреплены зажимы с пружинящими пальцами 5, изолированными друг от друга. К зажимам подводятся провода. На изоляционной плите 1 кулачкового контролера укреплены неподвижные контакты 2. Подвижные контакты 3 закреплены на фигурном рычаге 4 с роликом 6. Рычаг 4 связан с планкой 5. На вертикальном валу 8, который приводится в действие рукояткой или маховиком, укреплены кулачковые шайбы фасонного профиля, изолированные от вала и друг от друга. При повороте вала 8 кулачковая шайба 7 нажимает ролик 6, скользящего по окружности (поверхности) шайбы. Когда ролик 6 попадает в вырез, происходит замыкание контактов под воздействием пружины 9.
Командоаппараты выпускаются общепромышленного назначения серии КА, ККП для коммутации постоянного тока напряжением до 440В и переменного тока напряжением до 500В. В крановом электроприводе используются кулачковые контроллеры серий ККВ - 60А и КВ100. Они имеют до 12 силовых контактов на номинальные токи до 63А, а также маломощные контакты для коммутации цепей управления. Число позиций рукоятки (маховика) - до 6 в каждую сторону от среднего (нулевого) положения.
Пакетные выключатели. Разновидность рубильников, характеризующаяся тем, что их контактная система набирается из отдельных пакетов по числу полюсов или коммутируемых цепей представляет собой пакетные выключатели. Пакет состоит из изолятора, в пазах которого находятся неподвижный контакт с винтовыми зажимами для подключения проводов и пружинный подвижный контакт с устройством искрогашения. Выпускаются пакетные выключатели типа ПВМ, ВП, ППМ, ПУ, УП, ОКП, ВS, ВSВ предназначенные для коммутации электрических цепей постоянного тока напряжением до 220В и токами до 400А и переменного тока напряжением до 380В и токами до 250А.
Реостаты. Реостат – аппарат, состоящий из секций активного сопротивления и переключающего устройства. Сопротивления реостатов предназначено для ограничения и регулирования тока или напряжения на том или ином участке электрической цепи. В схемах управления электроприводами реостаты выполняют следующие функции:
– пусковые, служат для пуска двигателей в ход и ограничения тока в процессе разгона, рассчитаны на кратковременный режим работы;
– регулировочные или возбуждения, для регулирования тока или напряжения в электрических цепях, рассчитаны на длительный режим работы;
– пускорегулировочные, для пуска и регулирования скорости вращения электродвигателей, состоят из двух частей (пусковой и регулировочной);
– нагрузочные, для регулирования нагрузки при торможениях и испытаниях электрических машин за счет поглощения электрической энергии.
Реостаты различают по: назначению – пусковые, регулировочные, пускорегулировочные, нагрузочные; материалу, используемого для создания сопротивления – металлические, жидкостные, угольные; исполнению – открытого, защищенного, закрытого; способу охлаждения – воздушное, масляное, водяное и с песочным заполнением; режиму работы - длительного, кратковременного.
Материал сопротивлений металлических реостатов должен обладать высоким удельным электрическим сопротивлением, малым температурным коэффициентом сопротивления, легко переносить высокие температуры, не теряя при этом своих механических свойств, не окисляться и иметь малую термо ЭДС в паре с проводниковым материалом, быть технологичным (легкость изготовления ленты и проволоки, свариваемость, возможность навыки спиралей и другое), быть дешевым.
Для металлических резисторов в металлы (железо Fe и никель Ni), пригодных по механическим свойствам вводят другие металлы (медь Cu, хром Cz, алюминий Al, марганец Mn, цинк Zn) для получения сплавов высокого сопротивления. Характеристики металлических материалов резисторов приведена в табл. 11.1.
Таблица 11.1 Характеристики металлических материалов резисторов
| Наименование материала | Состав, % | Удельное сопротивление mК Ом·м |
| Константан | Cu 60, Ni 40 | 0,480 |
| Фехраль | Fe 80, Cz 15, Al 5 | 1,180 |
| Нихром А | Ni 87, Cz 11, Mn 2 | 0,870 |
| Нихром В | Ni 61, Cz 15, Fe 20, Mn 4 | 1,130 |
| Никелин | Cu 62, Ni 18, Zn 20 | 0,420 |
| Реотан | Cu 53.4, Ni 25.3, Zn 16.8, Fe 4.5 | 0,470 |
| Чугун | Fe 92.8, C 3.6, Si 1.72, Mn 0.75, P 1.06 | 0,800 |
| Железо | Fe 99.9, S 0.085 | 0,130 |
| Никель | Ni 100 | 0,102 |
Материалы с малыми значениями температурного коэффициента и термо ЭДС, обладая стабильностью сопротивления, применяются для изготовления прецизионных резисторов, а материалы с большими значениями этих параметров - для пусковых и регулировочных резисторов. Из жаропрочных материалов изготавливают нагрузочные резисторы.
В жидкостных реостатах в качестве сопротивления используются растворы щелочи или соли, например, 10…15% раствор соды в воде. Их применяют для пуска и регулирования скорости вращения двигателей большой мощности. Величина сопротивления такого реостата обратно пропорциональна степени погружения электродов в электролит. Регулирование сопротивления реостата – плавное.
Рабочий элемент угольных реостатов выполняется в виде набора угольных дисков различной формы - круглой, прямоугольной. Его сопротивление изменяется в зависимости от степени прижатия дисков друг к другу, то есть от испытуемого давления. Применяют угольные реостаты для регулирования возбуждения.
В соответствии с разнообразными функциями сопротивлений реостатов весьма велика их номенклатура по величине сопротивления и допустимому току. В паспорте сопротивление реостата или в каталогах приводятся значение сопротивления и номинального, допустимого при длительном режиме по условиям нагрева, тока. Для определения температурного режима сопротивления (температура не должна превышать допустимого установившегося значения), допустимого тока, конструктивных параметров или допустимого времени работы необходимо решать уравнение теплового баланса для сопротивления реостата.
При заказе реостата с воздушным и масляным охлаждением необходимо указать тип и мощность электродвигателя, его рабочее напряжение, условия пуска (половинная, полная, тяжелая нагрузка). При заказе пусковых реостатов с управлением при помощи контроллеров нужно указывать число пусков в час.
