Аппаратура управления и защиты электроустановок

Составной частью электропривода является аппаратура управ­ления и защиты электродвигателей, предназначенная для пуска и остановки двигателя, изменения частоты и направления вращения вала двигателя, а также обеспечения работы электродвигате­ля в заданных режимах в соответствии с требованиями техноло­гического процесса и защиты его при отклонении режима рабо­ты от заданного.

Аппаратуру управления классифицируют по следующим при­знакам: по способу управления — с ручным, автоматическим и дистанционным управлением; роду тока —для постоянного и переменного тока; исполнению — открытое, защищенное пыле-брызгонепроницаемое, тропическое и т. п.

Аппаратура ручного управления приводится в действие обслу­живающим персоналом. К ней относятся выключатели и пере­ключатели, рубильники, пусковые резисторы, кнопочные стан­ции, магнитные пускатели, автоматические выключатели. Ручное управление электроприводами применяют только в редко вклю­чаемых установках небольшой мощности, не требующих дистан­ционного управления.

Для автоматического управления электроприводом широко применяют релейно-контакторную аппаратуру, в состав которой входят контакторы, магнитные пускатели с кнопочными станци­ями, конечные и путевые выключатели, различные реле и т. п. Существуют бесконтактные способы управления электроприво­дами, основанные на применении тиристоров и симисторов.

Для управления электроустановками производственного на­значения используют пакетные выключатели и переключатели. Их выпускают общего исполнения для открытой и скрытой уста­новки в помещениях с нормальной средой и герметическими (полугерметическими) — для сырых помещений. Контакты у выключателей скользящие или рубящие. По исполнению выклю­чатели и переключатели бывают перекидные, поворотные, кно­почные, клавишные и др.

Пакетные выключатели и переключатели предназначены для нечастых включений в цепях небольшой мощности (токи до 100 А при напряжении 220 В, 60 А —при 380 В). Их изготовляют открытого исполнения или с защитным кожухом. Они рассчита­ны для установки на щитах, в распределительных ящиках, сухих помещениях.

Пакетный выключатель состоит из отдельных сложенных вместе пакетов 3 (рис. 28.2) и приводного механизма. Пакет яв­ляется одним полюсом выключателя, в котором имеются два раз­рыва. Неподвижные контакты 5 выполнены в виде массивных пластин из латуни, подвижные б—в виде двух пружинящих гу­бок, которые насажены на квадратный изолированный вал 4 выключателя с рукояткой и могут поворачиваться вместе с ним.

Движение подвижных контактов осуществляется с помощью приводного механизма 1. При вращении рукоятки 2 сначала за­водится пружина, которая сообщает необходимую скорость кон­тактам.

Рис. 28.2. Пакетный выключатель:

1 — приводной механизм; 2— рукоятка выключателя;

3 — пакеты; 4— изолированный вал; 5— неподвижные

контакты; 6— подвижные контакты

Пакетные выключатели и переклю­чатели обладают большими преимуще­ствами по сравнению с другой аппара­турой управления: малыми габаритны­ми размерами, удобством монтажа, вибро- и удароустойчивостью. Приме­няют их в непыльных помещениях с относительной влажностью воздуха до 80 % при температуре 40 °С.

Для включения и отключения элек­трических цепей напряжением до 500 В применяют также простейшие аппараты управления — рубильники.

Рубильник состоит из неподвижных врубных контактов 2 (рис. 28.3), глав­ ных ножей 6, закрепленных шарнирно в неподвижных контактах 7, дугогасительного устройства и при­вода. Рубильники монтируют на изоляционных плитах 7, вклю­чают центральной 5 и боковой 9 рукоятками или через систему рычагов. Важнейшая часть рубильника — контакты. Нажатие на них в рубильниках, рассчитанных на токи до 100 А, обеспечивают пружинящие губки, а на токи больше 100 А — стальные пружины. Рубильники имеют устройства, предохраняющие ножи и кон­такты от обгорания и быстро отключающие ^контакты. Одно из наиболее простых устройств — моментный нож 3, соединенный с главным ножом 6 и пружиной 4. Во включенном положении ток в основном протекает по главному ножу. При выключении из губок неподвижных контактов 2 сначала выходит главный нож, а моментный остается в контактах, и по нему протекает ток. Так как цепь не разрывается в момент выхода из контактов главного ножа, то дуга при этом не возникает.

При достаточно отведенном главном ноже пружина разжима­ется и благодаря упругости вытягивает с большой скоростью мо­ментный нож из неподвижного врубного контакта. Возникаю­щая при этом дуга быстро гасится и не вызывает обгорания кон­тактов и ножа. Рубильники и переключатели выпускают на токи 100...500 А при напряжениях до 500 В постоянного тока и пере­менного частотой 50 Гц.

Командоаппараты служат для ручного переключения конт­рольных цепей катушек магнитных пускателей, контакторов, реле и т. д. Замыканием или размыканием электрической цепи оператор может дистанционно подать команду на пуск или оста­новку электрической машины. Наиболее простые командоаппараты—кнопки управления (рис. 28.4), применяемые для дистан­ционного управления электромагнитными аппаратами постоян­ного и переменного тока напряжением до 500 В. Несколько кно­пок, установленных в общем кожухе, состоящем из основания и крышки, образуют кнопочный мост управления.

Контакторы дистанционного действия служат для частых вклю­чений и отключений силовых электрических цепей при нормаль­ных режимах работы. В силовых цепях животноводческих элект

роустановок в основном используют контакторы переменного тока.

Контакторы состоят из главных и вспомогательных контак­тов, электромагнитного и дугогасительного устройств. Главные контакты рассчитаны на большое число включений и отключе­ний силовой цепи в единицу времени (большая частота). Они бывают рычажные и мостовые. Электромагнитное устройство обеспечивает дистанционное управление контактором. Оно со­стоит из катушки и двух сердечников Ш- или Т-образной фор­мы. Сердечники набирают из изолированных одна от другой пла­стин толщиной 0,35; 0,5; 1 мм. Для гашения дуги, возникающей при размыкании контактов, предусмотрено дугогасительное уст­ройство. Вспомогательные контакты необходимы для переклю­чения в цепях управления контактора, блокировки и сигнализа­ции.

Контакторы чаще всего выполняют по прямоходовой схеме, в которой контакты связаны с якорем через бесшарнирную ры­чажную систему (рис. 28.5, а) или непосредственно (рис. 28.5, б). Прямоходовая схема из-за отсутствия шарнирных соединений характеризуется высокой износостойкостью. Для устранения вза­имного влияния ударов в системе и повышения износостойкости деталей контакторов применяют поворотные схемы (рис. 28.5, в), в которых движение от электромагнита к контактам передается шарнирными рычагами.

Электромагнитный контактор переменного тока (рис. 28.6) со­стоит из закрепленных на изоляционной плите неподвижных главных контактов, блокировочных контактов, сердечника с об­моткой электромагнита. Магнитная система поворотная Ш-об-разная. Якорь 8 жестко связан с подвижной системой. Продол­жение боковых пластин якоря образует рычаг, закрепленный на валу 2. На этом же валу установлены подвижные главные контак­ты 5 и траверса 3 для блокировочных контактов. Сердечник электромагнита установлен на амортизирующих пружинах.

Для пуска электродвигателя необходимо нажатием кнопки «Пуск» замкнуть контакты в цепи управления. Тогда электричес­кий ток пойдет от одного фазного провода через контакты кно­пок управления «Пуск» и «Стоп», обмотку электромагнита к дру­гому фазному проводу. При прохождении тока по обмотке 7 сердечник намагничивается и притягивает якорь 8, вместе с кото­рым поворачиваются вал 2 и подвижные главные контакты 5. При этом главные контакты замыкаются и к обмоткам статора электродвигателя поступает ток. Одновременно с замыканием главных контактов замыкаются верхние блокировочные контак­ты /, которые замыкают цепь обмотки электромагнита, минуя контакты кнопки управления «Пуск», что позволяет ее после включения отпускать.

Для отключения электродвигателя достаточно нажать кнопку «Стоп». При этом электрическая цепь размыкается, катушка электромагнита обесточивается, контакты размыкаются под дей­ствием собственной силы тяжести или пружин, обесточивается и обмотка статора электродвигателя.

Магнитный пускатель управляет асинхронными короткозамк-нутыми электродвигателями и защищает их от перегрева. Он со­стоит из контактора со встроенной тепловой защитой (тепловое реле) и кнопок управления. В магнитных пускателях применяют трехполюсные контакторы с контактной мостовой системой. Об­легченный, коробчатый, самоустанавливающийся мост крепят в металлической обойме пластмассовой направляющей колодкой, что обеспечивает его высокую износостойкость.

Магнитные пускатели защищают электрическую установку от самопроизвольного повторного включения при восстановлении напряжения после аварийного снижения его до нуля или недопу­стимо низких значений. При отключении пускателя вследствие перебоев в электроснабжении размыкаются все его контакты, в том числе и вспомогательные. При появлении напряжения в сети пускатель не включается до тех пор, пока не будет нажата кнопка «Пуск». То же происходит, когда напряжение в сети снижается до 50...60 % номинального. Если же электродвигатель включают рубильником, пакетным выключателем или контроллером, то при перерыве в электроснаб­жении и остановке двигателя схема не нарушается. При восстановлении напряжения двигатель самопроизвольно включается в сеть. Такой самопроизвольный пуск двигателя может послужить причиной ава­рии или несчастного случая.

Рис. 28.6. Схема контактора перемен­ного тока:

1 — блокировочные контакты; 2— вал; 3 — траверса; 4 — неподвижные главные кон­такты; 5—подвижные главные контакты; 6— сердечник; 7— обмотка электромагни­та; 8— якорь электромагнита; 9— электро­двигатель

Наиболее распространены магнитные пускатели типов ПМЛ, ПМЕ, ПА и ПАЕ. Втягивающие катушки их могут быть рассчита­ны на напряжение 127, 220, 380 В переменного тока частотой 50 Гц.

Для электроустановок, применяемых в сельском хозяйстве, характерны работа при токе, превышающем номинальный, не­равномерное распределение тока по фазам, пониженное напря­жение, а также внезапные отключение и подключение тока. По­вышенный сверхноминальный ток возникает из-за перегрузки или неисправности электроприемников и вследствие короткого замыкания. При большом снижении напряжения сила тока в сети падает, что приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей, теплоотдачи электронагревателей и светоот­дачи электроламп.

Защитная аппаратура должна своевременно отключать элект­роустановки, чтобы температура обмоток электродвигателей или проводов сети не успела достигнуть опасных значений, а также предотвратить самопуск электроустановки в случае прекращения и повторной подачи электроэнергии. К такой аппаратуре отно­сятся плавкие предохранители высокого и низкого напряжений, автоматические выключатели, реле максимального тока и реле минимального напряжения.

Плавкие предохранители низкого напряжения (рис. 28.7) авто­матически отключают электрическую цепь при ее коротком за­мыкании или перегрузке. Основные элементы всех предохрани­телей: плавкая вставка, корпус, контактное и дугогасительное ус­тройства.

В нормальных условиях вся выделяемая вставкой теплота от­водится в окружающую среду. При увеличении тока нагрузки повышается температура вставки, и она плавится. После отключе­ния цепи плавкий предохранитель заменяют.

Плавкие вставки изготовляют из листового цинка. Возникаю­щая при перегорании дуга вызывает сильное выделение газов стенками фибровой трубки патрона. При этом в патроне резко повышается давление (0,1 Па и более), которое способствует га­шению дуги.

Предохранители высокого напряжения отличаются от предохра­нителей низкого тем, что патрон, в который помещают плавкую вставку, изготовляют герметичным и весь его объем заполняют кварцевым песком, газом или жидкостью для интенсивного га­шения дуги.

Тип предохранителя выбирают, исходя из условий работы электроустановок. При защите электродвигателей с нормальны­ми условиями пуска предохранители выбирают на пусковой ток электродвигателя. Ток, протекающий через предохранитель, рас­считывают по формуле

(28.3)

где к_пр — коэффициент, зависящий от режима перегрузки и характеристики плав­кой вставки; при редких пусках и длительности разбега, не превышающей 5 с, к_пр = 2,5; в случае частых пусков и длительности разбега более 5 с к_пр = 1,6...2.

Автоматические выключатели (автоматы) АП50, А63, A3100, АЕ2000 предназначены для ручного включения и отключения электроустановок и автоматического отключения их в случае пе­регрузки или короткого замыкания.

Автомат АП50 (рис. 28.8) состоит из основания, группы глав­ных контактов, дугогасительных камер, электромагнитного и теплового расцепителей, кнопок «Пуск» и «Стоп». Тепловые рас-цепители защищают электроустановки от тока перегрузки, а электромагнитные — от тока короткого замыкания, размыкая главные контакты через механизм расцепления. Тепловые расце-пители регулируемые, электро­магнитные — нерегулируемые.

Марку автомата АП50-ЗМТ расшифровывают следующим образом: АП — тип автомата, 50 — максимальный ток главных контактов (А), 3 — число расцепителей, М — магнитный расще­питель, Т — тепловой расцепитель.

Рис. 28.8. Автомат АП50 (крышка и дугогасительные камеры сняты):

1 — дугогасительная камера; 2 — электромаг­нитный расцепитель; 3 — главные контакты; 4, 5— кнопки; 6— основание

Пробочные автоматы (рис. 28.9) предназначены для защиты осветительных цепей. Автомат вворачивают в корпус предохра­нителя типа Н (Ц-27) вместо тепловой вставки. При перегрузке или коротком замыкании контакты автомата отключают линию. Для восстановления цепи нажимают на кнопку 2, а для отключе­ния — на кнопку 1.

Тепловые реле (рис. 28.10) магнитного пускателя защищают электродвигатель от перегрузок. Датчиком тепловых реле служит биметаллическая пластинка 3 (выполнена из двух металлов, име­ющих разные коэффициенты линейного расширения).

Теплота, выделяемая нагревателем, включенным последова­тельно в защищаемую цепь, воздействует на биметаллическую пластинку. При точке перегрузки биметаллическая пластинка нагревается и деформируется. Изгибаясь, пластинка через рычаг 4 отводит защелку 5 и освобождает рычаг 6, который под дей­ствием пружины поворачивается на оси и размыкает контакты 9 и 1, разрывая защищаемую цепь, что действует так же, как и на­жатие кнопки «Стоп». Остывшую пластинку возвращают в ис­ходное положение, нажав кнопку возврата 8. Некоторые реле имеют механизм самовозврата. Нагреватели тепловых реле выби­рают по каталогу в зависимости от номинального тока электро­двигателя.

Реле максимального тока (рис. 28.11) имеет катушку, включен­ную последовательно с главной цепью. Катушка 5 намагничивается при прохождении через нее тока определенного значения, но сила намагничивания не в состоянии преодолеть силу натя­жения пружины 6, и цепь остается замкнутой. При увеличении тока в цепи выше допустимого катушка притягивает якорь 4, ко­торый, поворачиваясь вокруг оси, ударяет по защелке. При этом механизм расцепления отходит, пружина 1 отводит перемычку и цепь размыкается.

Реле минимального напряжения (рис. 28.12) удерживает якорь 4 в притянутом состоянии катушкой 6, через которую проходит ток. При понижении напряжения сила намагничивания катушки уменьшается и пружина 5 воздействует на якорь, который ударя­ет по защелке. Механизм расцепляется, пружина / отводит пере­мычку, и цепь размыкается.