Игумнов Н. П. Типовые элементы и устройства систем автоматического управления - реферат

Игумнов Н.П.

ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И

УСТРОЙСТВА СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФГОУ СПО

Каннский политехнический колледж

ИГУМНОВ Н.П.

ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Рассмотрено и утверждено на заседании ЦМК электротехнических

дисциплин в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся

по специальности 220301 «Автоматизация технологических

процессов и производств»

2009

Рецензенты: А.И. Мухатаев, преподаватель Каннского педагогического колледжа

Игумнов Н.П.

Типовые элементы и устройства систем автоматического управления: Учебное пособие для студентов специальности 220301. – 3 – е изд., исправ. и доп. Канск: КПК, 2009. 180 с. ил.

Рассмотрены основные элементы, устройства и схемы, применяемые в системах автоматического управления. Изложены принципы действия, характеристики коммутационных электромеханических элементов (реле, контакторов и магнитных пускателей, электромагнитов и электромагнитных муфт), магнитных усилителей, аппаратов защиты и других элементов автоматики. В данное издание по сравнению со вторым внесены изменения и добавления: рассмотрены вопросы надежности элементов САУ, переработан материал по задающим элементам и внесены дополнения в раздел «Элементы защиты»

Для студентов СПО, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для студентов родственных специальностей.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 9

Введение. 11

Раздел 1 Элементы релейно-контакторного управления и защиты.. 13

Глава 1 . Релейно-контакторные элементы систем автоматического управления. 13

1.2 Электромагнитные реле постоянного тока. 15

1.3 Тяговые и механические характеристики электромагнитного реле. 17

1.4 Электромагнитные реле переменного тока. 19

1.5 Быстродействие электромагнитных реле. 21

1.2 Контактные элементы электромеханических релейных устройств. 25

1.2.1 Режимы работы контактов. 25

1.2.2 Конструктивные типы контактов. 26

1.2.3 Материалы контактов. 29

1.4 Поляризованные электромагнитные реле. 31

1.5 Реле времени. 34

1.6Специальные виды реле. 38

1.7 Контакторы и магнитные пускатели. 46

Глава 2 Коммутационные элементы ручного управления. 53

2.1 Общие сведения. Назначение. 53

2.2 Кнопки управления и кнопочные посты.. 53

2.3 Универсальные и пакетные переключатели. Тумблеры.. 55

2.4 Путевые и конечные выключатели. Микропереключатели. 58

2.5 Рубильники. 62

2.6 Контроллеры.. 64

Глава 3. Устройства защиты.. 68

3.1 Тепловые реле. 68

3.2 Плавкие предохранители. 70

3.3 Автоматические выключатели. 74

3.4 Специальные устройства защиты.. 79

Раздел 2 Источники электрического питания устройств систем автоматического управления. 86

Глава 4 . Требования, предъявляемые к источникам питания. 86

4.1 Источники постоянного тока. 87

4.2 Устройства для стабилизации напряжения и силы тока. 89

4.3 Электрические источники питания измерительных преобразователей, вторичных приборов и автоматических регулирующих устройств. 92

4.4 Блок питания измерительных преобразователей и датчиков. 94

Раздел 3 Электрические исполнительные устройства систем автоматического управления. 97

Глава 5 . Электромагниты и электромагнитные муфты.. 97

5.1 Назначение электромагнитных исполнительных устройств. 97

5.2 Классификация электромагнитов. 97

5.3 Исполнительные электромагниты.. 99

5.4 Электромагнитные муфты.. 103

Глава 6 . Электрические исполнительные механизмы постоянной скорости. 109

6.1 Позиционные исполнительные механизмы.. 109

6.2 Пропорциональные исполнительные механизмы.. 110

6.3 Исполнительные механизмы переменной скорости. 117

Глава 7 Бесконтактные коммутирующие устройства. 121

7.1 Магнитные усилители. 121

Тиристорные коммутирующие устройства. 123

7.2.1 Тиристрорные контакторы.. 123

7.2.2 Тиристорные пускатели. 125

7.3 Задающие элементы.. 128

Раздел 4 Цифровые системы автоматического управления. 130

Глава 8 ЭВМ и микропроцессоры В САУ.. 131

8.1 Включение ЭВМ в САУ.. 131

8.2 Логические устройства автоматики. 133

8.3 Микропроцессорные комплекты и системы.. 135

8.4 Микропроцессорная система. 137

Глава 9. Устройства представления информации. 142

9.1 Индикаторные элементы отображения информации. 142

Глава10 Надежность систем автоматического управления. 149

10.1 Основные понятия и показатели надежности. 149

10.2 Методы расчета на надежность. 151

10.3 Обеспечение надежности введением внутриэлементной и структурной избыточности. 156

Библиографический список. 157

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое развитие систем автоматического управления, систем и средств автоматизации во всех областях техники и отраслях современного производства связано с разработкой, модернизацией и выпуском в больших количествах разнообразных технических средств автоматики, к которым относятся функциональные элементы и различные автоматические устройства.

Специалисты в области автоматики, автоматизации производства и управления должны иметь глубокие знания в области теории автоматического управления и уметь проводить анализ и синтез систем автоматизации, т.е должны быть хорошо знакомы с элементами и устройствами, на базе которых строятся системы автоматики, автоматизации и управления.

Постоянное развитие науки и техники и интенсивное внедрение научно-технических достижений в производство обеспечивают непрерывное пополнение арсенала технических средств автоматики, вытесняя устаревшие элементы новыми, более современными конструкциями. Поэтому в предлагаемом учебном пособии основное внимание уделяется рассмотрению принципов действия, общих свойств, характеристик и способов реализации различных функциональных элементов автоматики, имеющих в настоящее время наибольшее применение.

Учебное пособие предназначено для студентов техникумов и колледжей, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для студентов родственных специальностей.

При написании учебного пособия автор использовал многолетний опыт преподавания дисциплины «Автоматизация технологических процессов», «Электрические машины и электропривод автоматических устройств» и «Типовые элементы и устройства систем автоматического управления» в средних профессиональных учебных заведениях.

Введение

Современный научно-технический прогресс тесно связан с широким развитием автоматики. Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.

Технический объект (станок, поточная линия, автоматизированный участок, цех т т.д.), называется объектом управления (ОУ).

Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой автоматического управления (САУ).

На крупных предприятиях, как правило, технологическое оборудование обладает большой единичной мощностью, процессы в значительной мере непрерывны. Многие установки и процессы достаточно хорошо подготовлены к автоматизации.

Анализ внедрения САУ показывает, что свыше 65%, действующих на предприятиях, является электрическими. Это обуславливается, во-первых, тем, что для питания электрических систем на каждом предприятии имеются источники электрической энергии, подключение к которым не вызывает трудностей; во вторых, большинство преобразовательных элементов и устройств имеет на выходе электрические сигналы (Э.Д.С., сопротивление, емкость т.д.), что не требует использования дополнительных преобразователей; в третьих, значительное число аналоговых регулирующих устройств (АРУ), выпускаемых отечественной промышленностью, является унифицированными; в четвертых, неограниченный радиус действия передачи сигналов положительно сказывается на работе систем автоматического управления, в пятых, сравнительно низкая стоимость САУ.

Использование электрических средств в системах управления позволяет значительно повысить качество управления, увеличить скорость и точность протекания процессов и повысить технико-экономические показатели использования аппаратуры.

Элементами автоматики называются конструктивно законченные устройства, выполняющие определенные самостоятельные функции преобразования сигнала (информации) в системах автоматического управления.

Элементы и системы управления, например датчики первичной информации и системы автоматического контроля технологических параметров, осуществляют качественное преобразование сигналов. Электронные, полупроводниковые, магнитные и другие усилители и автоматические регулирующие устройства, осуществляющие количественное преобразование сигналов, имеют на входе и выходе различные значения одной и той же величины.

Системы и элементы управления выполняют такие задачи, как контроль, сигнализация, блокировка, защита и автоматическое управление.

Устройства автоматического контроля определяют годность продукции и правильность протекания технологического процесса, обеспечение надежной и безаварийной работы оборудования и др.

Устройства сигнализации преобразуют сигналы, применяемые в системах автоматики, в сигналы воспринимаемые человеком. Такими сигналами - раздражителями обычно являются показания сигнальных ламп, звуковые сигналы (гудок, звонок, сирена т.д.).

Устройства блокировки и защиты предотвращают неправильный порядок работы средств автоматического управления или технологического процесса и обеспечивают отключение соответствующего оборудования при ненормальных режимах.

Системы управления функционируют по команде обслуживающего персонала по заданной программе или автоматически в зависимости от значения каких-либо параметров, определяющих желаемый ход процесса в объекте управления.

Современная теория элементов автоматики стремится к наиболее полному раскрытию физической и математической сущности элементов. Одновременно с разработкой физики элементов автоматики рассматриваются и развиваются их классификация, методы расчета и конструирования.

Раздел 1 Элементы релейно-контакторного управления и защиты

Глава 1 . Релейно-контакторные элементы систем автоматического управления

К релейным элементам автоматики (реле) относятся устройства, преобразующие плавное изменение входной величины в скачкообразное изменение выходной. Реле широко применяют в системах автоматики в качестве элементов управления и защиты, дискретных датчиков, размножителей сигналов при автоматическом управлении и регулировании различных технологических процессов.

Реле классифицируют по виду физических величин поступающих на вход реле, - электрические и неэлектрические; по назначению – реле управления, защиты, сигнализации, связи и т.д.; по принципу воздействия на выходную цепь – контактные и бесконтактные; по роду величины , на которую реагирует реле, - реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.; по исполнению – открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные и герметические.

Из электрических реле в современных дискретных системах автоматики широко используют электромеханические реле, являющиеся контактными устройствами, магнитные, электронные (ламповые) и полупроводниковые реле, являющиеся бесконтактными устройствами.

В контактных реле скачкообразное изменение выходной величины достигается замыканием или размыканием выходной цепи; в бесконтактных реле – путем резкого изменения параметров выходной цепи (R, L, C).

Основная характеристика реле – статическая (характеристика управления), выражающая зависимость выходной величины х _вых от входной х _вх . Для статических характеристик большинства реле характерным является наличие гистерезисной релейной петли, объясняющейся неоднозначностью характеристик при увеличении и уменьшении входного сигнала.

Основные виды статических характеристик реле приведены на рисунке 1.1. Пусть входной сигнал х _вх изменяется во времени непрерывно (т.е. может принимать любые значения) от нуля до некоторого значения, а затем также непрерывно уменьшаться, как показано на рисунке 1.1, а . Сначала при малых значениях х _вх выходной сигнал х _вых равен нулю. Но когда входной сигнал увеличится до некоторого значения х _{вх. ср.} , выходной сигнал скачком примет значение х _{вых. ср} , рисунок 1.1, б . При уменьшении сигнала х _вх. Значение выходного сигнала не изменяется, но при уменьшении его до значения х _{вых. отп.} Выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При дальнейшем уменьшении входного сигнала нулевое значение выходного сигнала сохраняется. Зависимость выходного сигнала показана на рисунке 1.1, в .

Рисунок 1.1 – Характеристики реле

Значение входного сигнала х _{вх. ср.} , при котором выходной сигнал изменяется от 0 до х _{вых. ср.} , называется сигналом срабатывания . Значение входного сигнала х _{вх. отп.} , при котором выходной сигнал скачком изменяется от х _{вых. ср.} до 0, называется сигналом отпускания . Как правило, сигнал срабатывания больше сигнала отпускания (х _{вх. ср} > х _{вх. отп.} ). Поэтому изменение х _вых при увеличении х _вх. Происходит по одному графику, а при уменьшении х _вх – по другому, рисунок 1.1, в . В этом случае можно сказать, что характеристика реле имеет петлю гистерезиса. В ряде случаев, когда значения сигналов срабатывания и отпускания близки, гистерезисом можно пренебречь. В этом случае зависимость х _вых = f(х _вх ) показана на рисунке 1.1, г . Теперь рассмотрим изменение выходного сигнала при изменении полярности входного сигнала. Если полярность выходного сигнала не влияет на полярность выходного сигнала, то при х _вх = - х _вх.ср. выходной сигнал скачком изменяется от нуля до х _{вых. ср.} , рисунок 1.1, д . Такую характеристику имеют нейтральные реле. Если полярность выходного сигнала влияет на полярность выходного сигнала, то при х _вх = - х _вх.ср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до - х _вх.ср , рисунок 1.1, е . Такую характеристику и подобные ей имеют поляризованные реле.

По принципу действия различают электромеханические реле, электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические и др.

Реле применяют в схемах автоматического управления, сигнализации, защиты и блокировки.

Основные параметры электромагнитных реле. К основным параметрам электромагнитных реле относятся:

Ток срабатывания I _ср , - это такое значение тока в катушке реле, при протекании, которого по обмотке реле происходит срабатывание реле и переключение контактов.

Рабочий ток I _р , - это такое значение тока в катушке реле, при котором обеспечивается надежное удержание контактов в переключенном состоянии.

Ток отпускания I _отп , - это такое значение тока в катушке реле, при котором магнитный поток недостаточен для удержания якоря и контакты возвращаются в исходное состояние.

Время срабатывания t _ср – интервал времени с момента подачи управляющего сигнала до начала воздействия устройства на управляемую цепь (переключения контактов).

Время отпускания t _отп – интервал времени с момента снятия управляющего сигнала до начала снятия воздействия на управляющую цепь.

По мощности управления (электрической мощности, потребляемой обмоткой) реле разделяют на маломощные (Р_{к доп} < 1 Вт), средней мощности (Р_{к доп} = 1 ÷ 10 Вт) и мощные (Р_{к доп} > 1 Вт). Мощность управления определяется напряжением питания реле и током срабатывания.

По времени срабатывания электромагнитные реле подразделяются: t_{c р} < 0,001 с – безынерционные; t_{c р} < 0,05 с быстродействующие; t_{c р} < 0,05…0,25 с нормальные; t_{c р} < 0,25…1,0 с – замедленного действия; t_{c р} > 1,0 – реле времени.

При выборе типа реле принимают во внимание все указанные характеристики и параметры, отдавая предпочтение тем, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям разрабатываемого устройства и условиям его эксплуатации.

1.2 Электромагнитные реле постоянного тока

Электромагнитные реле являются наиболее распространенными из группы электромеханических реле и получили широкое применение в системах автоматического управления. Реле подразделяются на нейтральные и поляризованные. Нейтральное реле одинаково реагирует на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, т.е. положение якоря не зависит от направления тока в обмотке реле. Поляризованные реле реагируют на полярность сигнала.

Электромагнитные реле, рисунок 1.2 по конструкции подвижной части подразделяются на реле с поворотным якорем и реле с втягивающимся якорем.

Рисунок 1.2 Конструкции электромагнитных реле

Реле с поворотным якорем, рисунок 1.2, а представляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп, закрепленных на общем основании 1 . Магнитопровод электромагнитного механизма состоит из ярма 11 , сердечника 8 и поворотного якоря 6 . На сердечнике находится каркас 9 с одной или несколькими обмотками 10 . При протекании через обмотки тока якорь притягивается к сердечнику, который, поворачиваясь, через штифт 3 из токонепроводящего материала замыкает контакты 4 и 5 . Контакты закрепляются на контактных плоских пружинах 2 . Чтобы исключить залипание якоря при обесточивании обмоток из-за наличия остаточного намагничивания, на якоре имеется пластинка 7 из немагнитного материала, обеспечивающая при срабатывании реле зазор σ ₀ = 0,1 мм между сердечником и якорем. Поворот якоря в исходное положение при обесточивании обмоток происходит в некоторых реле под действием несбалансированной массы якоря, в других реле – под действием контактных пружин или под действием специально предусмотренных для целей возвратных пружин (на рисунке 1.3 не показаны).

В реле с втягивающимся якорем, рисунок 1.2, б магнитопровод состоит из ярма 11 , неподвижного сердечника 8 и якоря 6 . внутри ярма расположен каркас 9 с обмотками 10 . В исходном положении якорь удерживается пружиной 12 . При срабатывании реле якорь 6 втягивается внутрь каркаса до соприкосновения с сердечником 8 ; при этом замыкаются контакты 5 и 4 , 5 и 13 . Пластина 7 из немагнитного материала, как и у реле с поворотным якорем, служит для исключения залипания якоря за счет остаточного намагничивания.

Рассмотрим особенности работы реле по этапам, рисунок 1.3 на примере реле с поворотным якорем. За счет индуктивности катушки реле ток в ней нарастает (убывает) не мгновенно, а постепенно. При детальном рассмотрении работы реле в процессе срабатывания и отпускания можно определить четыре этапа.

Рисунок 1.3 Временнáя диаграмма работы реле

Этап I – срабатывание реле. Длительность этого этапа – время полного срабатывания t _ср , т.е. промежуток времени от момента подачи напряжения на катушку реле до момента надежного замыкания контактов (точка А ); I _тр – ток трогания, при котором начинается движение якоря; t _тр – время, за которое ток достигает значения I _тр , (точка а ), т.е. промежуток, соответствующий началу движения якоря; I _ср – ток, при котором срабатывает реле; t _дв – время движения якоря при срабатывании. Таким образом, время полного срабатывания, отвечающее окончанию движения якоря, t _ср = t _тр + t _дв .

Этап II – срабатывание реле (t _раб – время работы реле). После того как реле сработает, ток в обмотке продолжает увеличиваться (участок АВ ), пока не достигнет установившегося значения. Участок АВ необходим для того, чтобы обеспечить надежное притяжение якоря к сердечнику, исключающее вибрацию якоря при сотрясениях реле. Впоследствии ток в обмотке реле остается неизменным. Отношение установившегося тока I _уст к току срабатывания I _ср называется коэффициентом запаса реле по срабатыванию K _зап , т.е. K _зап показывает надежность работы реле: K _зап = I _уст /I _ср = 1,5…2. Величина I _уст не должна превышать значения, допустимого для обмотки реле по условиям его нагрева.

Этап III – отпускание реле. Этот период начинается от момента прекращения подачи сигнала (точка С ) и продолжается до момента, когда ток в обмотке реле уменьшится до значения I _от (точка D – прекращение воздействия реле на управляемую цепь). При этом различают время трогания при отпускании t _тр и время движения t _дв .

Время отпускания t _от = t _тр + t _дв , где t _тр – время до начала движения якоря при отпускании; t _дв – продолжительность перемещения якоря. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэффициентом возврата: К _в = I _от /I _ср < 1; обычно К _в = 0,4…0,8.

Этап IV – покой реле – отрезок времени от момента размыкания контактов реле (точка D) до момента поступления нового сигнала на обмотку. При быстром следовании управляющих сигналов друг за другом работа реле характеризуется максимальной частотой срабатывания (числом срабатываний реле в единицу времени).

1.3 Тяговые и механические характеристики электромагнитного реле

Электромагнитное тяговое усилие – сила притяжения якоря к катушке реле прямопропорциональна квадрату тока в катушке, о обратно пропорциональна квадрату длины δ воздушного зазора и не зависит от направления тока в управляющей обмотке.

В процессе срабатывания реле изменяется длина воздушного зазора, а следовательно, изменяется электромагнитное усилие на якоре. Зависимость электромагнитного усилия от величины воздушного зазора между якорем и сердечником F = f (δ ) называется тяговой характеристикой электромагнитного реле, рисунок 1.4.

При достаточно больших значениях величины воздушного зазора δ электромагнитное усилие достигает минимального значения F _{э min} , а магнитное сопротивление воздушного зазора становится значительно больше магнитного сопротивления стальных элементов магнитопровода (R _м.δ >> R _м.ст ); однако при малых значениях зазора δ сопротивление R _м.δ резко уменьшается и становится сравнимым с R _м.ст , т.е. электромагнитное усилие не может быть бесконечно большим. Практически оно достигает некоторого значения F _max .

Рисунок 1.4 Тяговая характеристика электромагнитного реле

Так как после отключения обмотки реле части магнитопровода сохраняют некоторую намагниченность, обусловленную коэрцитивной силой, то при δ →0 возможно «залипание» притянутого якоря под действием остаточной намагниченности стали. Для уменьшения этого притяжения, т.е. исключения «залипания», применяют немагнитный штифт (наклепки или прокладки), который закрепляется на вертикальной части якоря против оси сердечника см. рисунок 1.2. С помощью штифта, толщина которого δ ₀ = 0,1 мм, при притянутом якоре обеспечивается некоторый минимальный воздушный зазор δ ≥ δ ₀ , что облегчает отход якоря при включении тока. При этом создается достаточное магнитное сопротивление, которое уменьшает остаточный магнитный поток до минимального значения. Работа электромагнитного реле сводится к замыканию и размыканию контактных пружин, число которых в разных конструкциях реле колеблется в пределах 2…16.

Перемещению якоря по направлению к сердечнику в процессе притяжения противодействуют силы упругих элементов реле – возвратной пружины и контактных пружин. При разных положениях якоря эти силы различны, т.е. противодействующие силы зависят от величины воздушного зазора δ . Зависимость механических (противодействующих) сил от величины зазора между якорем и сердечником называется механической характеристикой реле F _э = f (δ ). Силы, преодолеваемые якорем реле при его перемещении, изображаются, как правило, в виде ломаных линий.

Рисунок 1.5 Согласование тяговой и механической характеристик

Работа реле невозможна без согласования тяговой и механической характеристик. Для срабатывания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика F _э , соответствующая току срабатывания, везде находилась выше механической характеристики F _м . При начальном зазоре эти характеристики имеют общую точку (точка А на рисунке 1.5). Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току отпускания, везде находилась ниже механической характеристики. При минимальном зазоре эти характеристики могут иметь общую точку (точка Б на рисунке 1.5).

1.4 Электромагнитные реле переменного тока

При подаче в обмотку реле переменного тока якорь будет притягиваться к сердечнику так же, как и при постоянном токе под действием электромагнитной силы F _э , пропорциональной магнитному потоку Ф_δ , возникающий в зазоре между якорем и сердечником и создаваемому при протекании тока в обмотке электромагнит

)

Так как ток в обмотке электромагнита переменный, то и магнитный поток Ф_δ , создаваемый этим током в рабочем зазоре, будет также переменным, т.е.

.

После преобразования получим

или

(1.1)

где μ₀ – магнитня постоянная.

Изменение тока I в обмотке и соответствующее изменение электромагнитного усилия во времени изображены на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Графики тока и электромагнитного усилия в обмотке реле переменного тока

Якорь будет притягиваться к сердечнику под действием среднего значения электромагнитного усилия, т.е. его постоянной составляющей F _{э ср.} определяться путем тригонометрического преобразования формулы (1.1):

(1.2)

где постоянная составляющая электромагнитного усилия

а переменная составляющая

Из формулы (1.2) следует, что электромагнитное усилие меняется (пульсирует) с удвоенной частотой 2 w , обращаясь в нуль дважды за период питающего (входного) напряжения. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваться от сердечника возвратной пружиной, что вызывает износ его оси, обгорание контактов, прерывание электрической цепи и другие нежелательные явления.

Для уменьшения вибрации один полюс сердечника, рисунок 1.7, а , раздваивают и на одну половину помещают медную пластину (короткозамкнутый виток). Ток i создает магнитный поток, который разветвляется в полюсе сердечника на два потока Ф₁ и Ф₂ . Поток Ф₂ наводит в короткозамкнутом витке ток, который препятствует изменениям потока Ф₂ (по закону электромагнитной индукции). В результате поток Ф₂ отстает по фазе от потока Ф₁ . Следовательно, в рабочем зазоре реле переменного тока будут действовать два сдвинутых во времени потока, см. рисунок 1.7, б . Тогда при Ф₁ = 0, а Ф₂ ≠ 0 и наоборот, поэтому электромагнитная сила прочно удерживает якорь возле сердечника. Сердечник и якорь выполняют шихтованным из листовой трансформаторной стали с целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.

Рисунок 1.7 Короткозамкнутый виток в реле переменного тока

Электромагнитные реле переменного тока, несмотря, на недостатки (сложность конструкции, дополнительные потери в магнитопроводе и д.р.) достаточно широко применяют в системах автоматики.

В качестве промежуточных применяют также реле типов РП-250; РП-321; РП-341, РП-42; РП-2; ПЭ-21; РПУ-2; РП-25.

1.5 Быстродействие электромагнитных реле

Выше были рассмотрены основные параметры, характеризующие быстродействие реле: время срабатывания t _ср и время отпускания t _отп . Эти параметры определяются при анализе переходных процессов, происходящих при включении и отключении реле. Переходной процесс при включении реле можно рассматривать как известный из электротехники случай включения катушки индуктивности на постоянное напряжение, рисунок 18, а .

Рассмотрим график переходного процесса при включении реле постоянного тока, рисунок 1.8, б . В процессе движения якоря к сердечнику индуктивность L увеличивается (аналогично работе электромагнитного индуктивного датчика перемещения). Изменение индуктивности начинается с того момента времени, когда ток в обмотке достиг значения тока трогания (i = I _тр ). Начинающееся увеличение индуктивности приводит к увеличению постоянной времени T = L /R . Следовательно, рост тока замедляется. Кроме того, быстрое возрастание магнитного потока вызывает увеличение противо-ЭДС, т.е. напряжения на индуктивности u_L . Это приводит даже к уменьшению на некоторое время тока в цепи (см. сплошную кривую 2 на рисунке 1.8, б ). Как только якорь притянется к сердечнику, индуктивность обмотки перестает увеличиваться, и ток снова возрастает по экспоненте, но с меньшей скоростью, чем на начальном участке, поскольку увеличилась постоянная времени.

Рисунок 1.8 Переходные процессы при включении и выключении реле постоянного тока

Время срабатывания реле t _ср определяется двумя составляющими, рисунок 1.8, б : временем трогания t _тр и временем движения t _дв , т.е. t _ср = t _тр + t _дв .

Время движения t _дв зависит от механической инерционности электромагнитного механизма реле. Оно может быть определено на основании второго закона Ньютона a = F/m , где а – ускорение, m – масса. Для уменьшения времени движения необходимо стремиться к уменьшению массы якоря. Для данного типа реле можно считать величину t _дв приблизительно постоянной. Поэтому основным фактором, влияющим на время срабатывания реле t _ср , является постоянная времени T .

Рассмотрим способы ускорения и замедления срабатывания электромагнитных реле. Время срабатывания и отпускания реле с помощью специальных схем можно изменять в некоторых пределах. Наиболее распространенные схемы представлены на рисунке 1.9. Последовательно с обмоткой реле включается добавочное активное сопротивление R _доб , а напряжение питания повышается на величину ΔU , которая выбрана таким образом, чтобы установившееся значение тока осталось неизменным, т.е.

.

Теперь постоянная времени уменьшилась

,

и нарастание тока будет происходить по боле крутой экспоненте (кривая 2 на рисунке 1.9, б ), чем без добавочного сопротивления (кривая 1 на рисунке1.9, б ).

Еще большее ускорение срабатывания реле можно получить, подключив параллельно добавочному сопротивлению R _доб конденсатор емкостью С , на рисунке 1.9, а это подключение показано пунктиром. При замыкании ключа К ток переходного процесса проходит через емкость в обход R _доб . Ведь до замыкания ключа напряжение на конденсаторе было равно нулю, а скачком оно измениться не может. Поэтому в первый момент времени все повышенное напряжение приложено именно к катушке реле. В цепи появляется значительный ток, но он не опасен для обмотки, т.к. действует короткое время. По окончании переходного процесса ток уменьшается до установившегося значения, поскольку он проходит через R _доб (через конденсатор постоянный ток не проходит). Емкость конденсатора выбирается из условия

Рисунок 1.9 Способы ускорения срабатывания реле постоянного тока

В ряде случаев возникает необходимость не ускорения, а замедления времени срабатывания реле. К схемным методам замедления времени срабатывания и отпускания относится метод шунтирования обмотки реле конденсатором, рисунок 1.10. При включении реле ток в обмотке будет нарастать медленнее за счет процесса зарядки конденсатора. Время срабатывания может быть увеличено примерно до 1 с по сравнению 50 мс при включении без конденсатора. При отключении реле, наоборот, конденсатор будет разряжаться на сопротивление R _доб необходимо для ограничения тока, потребляемого от источника питания.

Рисунок 1.10 Схема для замедления времени срабатывания

Эффективным схемным методом замедления времени отпускания является включение параллельно обмотке реле диода (в непроводящем по отношению к напряжению питания направлении), рисунок 1.11. В этом случае ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке реле и удерживающий якорь некоторое время в притянутом положении. Включение диода используется и для защиты обмотки реле от пробоя под действием перенапряжений при отключении.

Рисунок 1.11 Схема включения реле с шунтирующим диодом

К конструктивным методам уменьшения временных параметров реле относятся уменьшение хода якоря, уменьшение вихревых токов за счет применения шихтованного магнитопровода. Следует также помнить, что реле постоянного тока являются более быстродействующими, чем реле переменного тока.

1.2 Контактные элементы электромеханических релейных устройств

1.2.1 Режимы работы контактов

В коммутационных и электромеханических элементах, предназначенных для переключений электрических цепей при ручном управлении и автоматическом управлении, основным является контактный узел. Именно надежность контактного узла определяет работоспособность любой коммутационной аппаратуры.

Контактный узел состоит из подвижного и неподвижного контактов. Эти контакты могут находиться в замкнутом и разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии сопротивление между контактами должно быть минимальным. Это сопротивление называют сопротивлением контактного перехода, надо увеличивать площадь соприкосновения контактов. Однако даже при самой тщательной шлифовке поверхности контактов остается много микровыступов и микровпадин, рисунок 1.12. Поэтому площадь реально контактирующей поверхности меньше площади контактов. Для того чтобы увеличить реальную контактирующую поверхность, надо приложить силу, прижимающую контакты друг к другу. В первый момент при сближении контактов они соприкасаются лишь в одной точке, рисунок 1.12, а , площадь которой очень мала, а сопротивление контактного перехода велико. Усилие прижима F создает на малой площади большое удельное давление, что приводит к смятию материала контактов, увеличению площади соприкосновения и появлению новых точек соприкосновения, рисунок 1.12, б . Удельное давление уменьшается, и процесс сближения контактов и смятие их материала завершится тогда, когда это удельное давление сравняется с пределом прочности материала на смятие. Характер зависимости сопротивления контактного перехода R _к от удельного контактного давления F _уд , рисунок 1.12, в , показывает, что увеличение F _уд целесообразно только до некоторого предела, при котором сопротивление R _к уже достаточно близко к минимально возможному, определяемому электропроводностью материала контактов. Через замкнутые контакты проходит ток I , и они нагреваются под действием выделяющейся теплоты, соответствующей мощности потерь в контактном переходе: P _к = I ² R _к . Поэтому допустимое значение тока, проходящего через контакты, зависит от термической прочности контактов и от условий теплоотвода, т.е. от конструкции и размеров контактов.

Рисунок 1.12 Изменение сопротивления контактного перехода в зависимости от усилия прижима

В разомкнутом состоянии сопротивлении контактов должно стремиться к бесконечности (практически миллионы Ом), что обеспечивается изолирующими свойствами среды в контактном промежутке и расстоянием между контактами. В разомкнутом состоянии контакты подвергаются химическому воздействию окружающей среды, происходит их коррозия . Коррозия заключается в образовании оксидных (под действием кислорода воздуха) и сульфитных (под действием серы воздуха) пленок. У некоторых материалов (например, у меди) эти пленки обладают большим сопротивлением, что приводит к увеличению сопротивления контактного перехода при замыкании контактов.

Наиболее тяжелый режим работы контактов связан с размыканием электрической цепи, поскольку при размыкании контактов между ними возникает электрическая дуга. При этом происходит расплавление контактов и их износ, который называется электрической эрозией .

Таким образом, в процессе работы контакты подвергаются механическому истиранию, химической коррозии и электрической эрозии. Уменьшить отрицательное влияние этих факторов можно при правильном выборе конструкции контактов и их материала.

1.2.2 Конструктивные типы контактов

Контакты реле выполняют коммутирующие функции и в значительной мере определяют надежность их работы. К контактам предъявляются следующие требования: иметь небольшое и стабильное переходное сопротивление (10 ^-1 – 10^-3 Ом) при замыкании, иметь большое сопротивление (от десятков МОм до бесконечности) в разомкнутом состоянии, не иметь вибраций в различных режимах работы, обладать высокой электрической проводимостью, быть стойкими к внешним воздействиям (изменениям температуры, влажности и т.п.), обладать высокой износоустойчивостью, надежно коммутировать расчетную мощность управления. По форме контакты бывают: точечные, линейные и плоскостные, рисунок 1.13, изготавливаемых из серебра, меди, платины, золота, вольфрама и т.д. Благородные металлы, используемые для контактов, в частности золото и платина, весьма стойки против коррозии, но сильно подвержены эрозии, что ограничивает их применение.

Точечные контакты выполняются один в виде конуса, второй в виде плоскости, полусферы и плоскости, оба в виде полусфер. Соприкасаются контакты в одной точке. Такие контакты рассчитаны на небольшую силу тока управления (не свыше 2 – 3 А).

Линейные контакты соприкасаются по линии. Они выполняются парами клин – плоскость, цилиндр – полуплоскость (соприкосновение по образующей линии полуцилиндра), полуцилиндр – полуцилиндр. Они работают в цепях с силой тока от единиц до десятков ампер.

Плоскостные контакты соприкасаются по плоскости; они рассчитываются на работу в цепях с силой тока от десятков до сотен ампер.

В реле малой и средней мощностей наибольшее распространение имеет точечный контакт, как обеспечивающий надежное электрическое соединение при небольшом контактном давлении. Контакты при этом закрепляются на упругих плоских пружинах, рисунок 1.14.

а – точечные; б – линейные; в - плоскостные

Рисунок 1.13 – Типы контактов

1 – основание; 2 – неподвижный контакт; 3 – подвижный контакт; 4 - упор

Рисунок 1.14 Рычажный контактный узел

Применяется также мостиковый контактный узел, в котором размыкание цепи происходит на двух контактах, рисунок 1.15. мостиковый контактный узел обеспечивает разрыв электрической цепи в двух местах, что повышает надежность работы. В более мощных реле используют контактный узел с шарнирным креплением подвижного контакта, рисунок 1.16. При замыкании подвижный контакт этого узла перекатывается по неподвижному, что способствует очищению контактных поверхностей от оксидных пленок.

а – разомкнутый; б – замкнутый; 1 – упор; 2 – пружина сжатия контактов; 3 – мостик с подвижными контактами; 4 – неподвижные контакты

Рисунок 1.15 Мостиковый контактный узел

а – разомкнутый; б – замкнутый; 1 – рычаг; 2 – подвижный контакт; 3 – неподвижный контакт; 4 – пружина; O₁ – ось поворота рычага

Рисунок 1.16 Рычажный контактный узел с перекатывающимися контактами

При замыкании и размыкании контактов на них может возникать искровой или дуговой разряд. Особенно велика возможность возникновения разряда при коммутации цепей, содержащих индуктивность и емкость. При этом возрастает износ контактных поверхностей. Наибольшее разрушение контактов происходит при возникновении электрической дуги. Износ обусловлен бомбардировкой положительного контакта электронами, вырываемыми электрическим полем дуги с отрицательного контакта, который при этом разрушается, а также за счет термического действия дуги. Кроме того, появление искры или электрической дуги между контактами создает радиопомехи и может привести к ложному срабатыванию различных цепей в автоматических системах.

Для снижения возможности возникновения искры или дуги, а также их гашения применяют специальные схемы, основанные на шунтировании нагрузки или контактов последовательным соединением резистора с емкостью или цепочки с диодом (если коммутируется цепь постоянной полярности). Действие этих схем основано на том, что магнитная энергия, накопленная на индуктивности, расходуется не в зазоре между контактами, а на элементах шунтирующей цепи.

а – шунтирование нагрузки е6мкостью и сопротивлением; б - шунтирование нагрузки диодом; в - шунтирование контактов

Рисунок 1.17 – Схемы гашения искры

На рисунке 1.17 приведены некоторые из схем гашения искры. В схемах, представленных на рисунке 1.17, а , б , при размыкании контактов К накопленная в нагрузке Z_н энергия расходуется в замкнутом контуре. Значения сопротивления R и емкости С выбирают такими, чтобы не возникали колебания в образовавшемся контуре LC . Для этого используются конденсаторы емкостью С = 0,1 ÷ 1 мкФ и резисторы R = 50 ÷ 100 Ом. Следует отметить, что в установившихся рабочих режимах для постоянного тока сопротивление емкости С равно бесконечности и поэтому подключенная к нагрузке шунтирующая цепь не оказывает никакого отрицательного действия на рабочую цепь.

В схеме, представленной на 1.17, в , RC -цепь шунтирует контакты К реле, в результате чего при их размыкании энергия индуктивной нагрузки Z_н в большей ее части проходит через шунтирующую цепь.

1.2.3 Материалы контактов

При выборе материала контактов необходимо обеспечить выполнение целого ряда требований: большая механическая прочность, высокая температура плавления, хорошие теплопроводность и электропроводность, устойчивость против коррозии и эрозии.

Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют серебро, золото, платина, медь и их сплавы, а также вольфрам, таблица 1.

Таблица 1.1 – Материалы для контактов

Сопротивление контактного перехода определяется по формуле

где а – коэффициент, зависящий от материала и обработки поверхности контакта; F – контактное усилие; b –коэффициент формы контактов.

Для точечных контактов b ≈ 0,5; для линейных b ≈ 0,55 ÷ 0,7; для плоскостных b ≈ 1,0.

Коэффициент а для меди лежит в пределах от 0,07 до 0,28. Наименьшее значение a (и соответственно сопротивления R _к ) обеспечиваются при покрытии меди слоем олова (лужение). Слой олова препятствует образованию оксида, поэтому для луженных медных контактов коэффициент a < 0,1. Большие значения a получаются для нелуженых плоскостных медных контактов, поскольку у них имеются участки, покрытые слоем окиси.

Для малых контактных усилий в высокочувствительных реле применяются благородные металлы (платина, золото, платинородий) при контактных усилиях F = 0,01 ÷ 0,05 Н. Эти материалы не окисляются и мало подвержены эрозии. При контактных усилиях F = 0,05 ÷ 1 Н и малой частоте срабатывания применяется серебро, которое имеет хорошую электропроводность, легко обрабатывается, но имеет невысокую твердость и подвержено эрозии. При контактных усилиях F = 0,3 ÷ 1 Н и большой частоте срабатывания используются металлокерамические контакты, получаемые методами порошковой металлургии (путем спекания смеси порошков двух металлов: серебра с вольфрамом, молибденом или никелем, меди с вольфрамом и молибденом). При контактных усилиях F > 1 Н и большой частоте срабатывания применяется вольфрам.

Наиболее дешевым материалом является медь, которая применяется для мощных контактов, имеющих сравнительно большие размеры и требующих большого расхода материала. Контактные усилия для меди F > 3 Н. Для защиты от коррозии кроме лужения применяется серебрение или кадмирование медных контактов.

1.4 Поляризованные электромагнитные реле

Поляризованными называют электромагнитное реле, у которого направление перемещения якоря зависит от направления тока в катушке реле, т.е. полярности входного напряжения, что достигается взаимодействием двух магнитных потоков: рабочего Ф_р , образованного катушкой, и поляризованного Ф₀ , создаваемого постоянным магнитом. Магнитопроводы поляризованных реле конструируются по дифференциальной или мостовой схеме.

Поляризованное реле с дифференциальной схемой представлено на рисунке 1.18, а . Постоянный магнитный поток Ф₀ от постоянного магнита 5 в этом реле разветвляется в магнитопроводе на два потока: Ф₁ и Ф₂ . Реле имеет две одинаковые рабочие обмотки 4 и 7 , соединенные последовательно. При симметричном положении якоря значения потоков Ф₁ в воздушном зазоре δ₁ и Ф₂ в воздушном зазоре δ₂ одинаковы. В зависимости от полярности подводимого напряжения в одном воздушном зазоре, например δ₂ , результирующий ток увеличивается: Ф_δ2 = Ф₂ + Ф_р , а в другом, δ₁ , - уменьшается: Ф_δ1 = Ф₁ + Ф_р . В результате этого якорь 6 реле перебрасывается в правую сторону, замыкая контакты 2 и 3 .

При подачи на рабочие обмотки напряжения другой полярности увеличивается результирующий поток в зазоре δ₁ и уменьшается в зазоре δ₂ . Якорь реле перебрасывается влево, замыкая тем самым контакты 1 и 2 . поляризованное реле с мостовой схемой магнитопровода представлено на рисунке 1.18,б .

Принцип действия поляризованных реле с мостовыми схемами магнитопровода аналогичен принципу действия реле с дифференциальной схемой. Однако в связи с тем, при мостовой схеме магнитопровода магнитная цепь для потока Ф_р рабочей обмотки выполнена отдельно от цепей Ф₁ + Ф₂ потоков, создаваемых постоянным магнитом, поляризованные реле с мостовыми схемами магнитопроводов имеют более высокую стабильность параметров и устойчивость к внешним механическим воздействиям.

Поляризованные реле могут настраиваться в зависимости от положения неподвижных контактов и натяжения (сжатия) пружин, воздействующих на якорь (на рисунке 1.18 пружины не показаны), на двухпозиционную, двухпозиционную с преобладанием какого-либо состояния реле или трехпозиционную работу. Пружины с двух сторон воздействуют на якорь, стремясь удерживать его в нейтральном (среднем) положении. Если натяжение пружин слабое и неподвижные контакты расположены симметрично относительно нейтрали, то при снятии напряжения с рабочей обмотки реле за счет потока Ф₁ или Ф₂ постоянного магнита 5 остается в том же положении, в котором он находился до снятия напряжения. Следовательно, остаются замкнутыми соответствующие контакты реле (например, контакты 1 –2 на рисунке 1.19, а ).

Рисунок 1.18 – Электромагнитные поляризованные реле

В этом случае механическое усилие пружин 4 , стремящиеся возвратить якорь в нейтральное положение, что меньше тягового усилия от потока постоянного магнита, стремящегося удержать якорь реле в притянутом положении. При подаче на рабочую обмотку реле напряжения противоположной полярности якорь реле сразу перебрасывается в противоположное крайнее положение, размыкая контакты 1 – 2 и замыкая контакты 2 – 3. при снятии напряжения контакты 2 – 3 останутся замкнутыми.

Рисунок 1.19 – Настройка работы поляризованного реле

Таким образом, якорь реле занимает только два устойчивых положения (позиции): крайнее левое (замкнуты контакты 1 – 2 ) или крайнее правое (замкнуты контакты 2 – 3 ).

Если неподвижный контакт, например 1 , установить с той же стороны относительно нейтрали, что и второй неподвижный контакт 3 (рисунок 1.19, б ), то тяговое усилие от потока Ф₁ (потоки показы только на рисунке 1.19, а ) постоянного магнита, стремящиеся удержать якорь реле в крайнем левом положении, будет намного меньше тягового усилия от потока Ф₂ постоянного магнита, стремящегося удержать якорь в крайнем правом положении. В результате этого при соответствующем выборе жесткости пружины 4 при снятии напряжения с рабочей обмотки реле его якорь от воздействия тягового усилия от потока Ф₂ всегда устанавливается и удерживается в крайнем положении.

Таким образом, при такой настройке поляризованного реле его якорь занимает два положения: крайнее левое положение (замкнуты контакты 1 – 2 ) при подаче на рабочую обмотку реле напряжения соответствующей полярности или крайнее положение (замкнуты контакты 2 – 3 ) при подаче на рабочую обмотку напряжения противоположной полярности, а также при снятии напряжения с рабочей обмотки (приоритет замыкания контактов 2 – 3 ).

Если при симметричном положении контактов 1 и 3 относительно нейтрали выбрать пружину большей жесткости, обеспечивающей превышение механического усилия над тяговым усилием от потоков постоянного магнита в крайних положениях якоря, то при снятии напряжения с рабочей обмотки реле его якорь будет устанавливаться в нейтральное положение при разомкнутых контактах реле, рисунок 1.19, в .

В этом случае поляризованное реле обеспечивает трехпозиционную работу6 1) замкнуты контакты 1 – 2 при подаче на рабочую обмотку постоянного напряжения соответствующей полярности; 2) замкнуты контакты 2 – 3 при подаче на рабочую обмотку постоянного напряжения противоположной полярности; 3) разомкнуты все контакты при снятии напряжения с рабочей обмотки.

Контакты поляризованных реле допускают коммутационные токи 0,2 – 1 А; время срабатывания 1 – 5 мс.

Рисунок 1.20 – Поляризованное реле типа РП-7

Отечественной промышленностью выпускаются поляризованные реле различных типов и с различной настройкой контактов. Например, реле типа РП-4 – двухпозиционное (с нейтральной настройкой); реле типа РП-5 – трехпозиционное; рели типа РП-7 – двухпозиционное с преобладанием.

На рисунке 1.20 показано поляризованное реле типа РП-7, состоящее из катушки 1 , полюсных наконечников 2 , якоря 3 , контактных пружин с подвижными контактами 4 , неподвижных контактов 5 , магнитопровода 6, керамической колодки 7 со штырьковыми выводами, что позволяет быстро включать реле в рабочую схему, вставляя его в соответствующую соединительную колодку.

1.5 Реле времени

При создании релейных схем автоматического управления различными технологическими процессами, а также машинами и агрегатами необходимо осуществлять замедление (задержку) срабатывания или отпускания после подачи на его вход командного сигнала.

Эту функцию выполняют релейные преобразовательные устройства, называемые реле времени. Реле времени, как правило, имеют элементы, посредством которых осуществляется регулируемая перенастройка выдержки времени в широких пределах. Все реле времени можно подразделить на – электромагнитные, моторные, электронные.

Электромагнитное реле времени с пневматической задержкой представляет собой устройство, состоящее из приводного механизма электромагнитного типа и пристроенного пневматического механизма задержки. Пневматическое реле времени РВП-72 имеет выдержку времени 0,2 – 180 с и предназначены для использования в цепях переменного тока напряжением 127 и 220 В. Выдержка времени получается за счет медленного натекания воздуха в камеру с регулируемым сечением отверстия. Эти реле имеют разные наборы контактов: замыкающие, размыкающие с выдержкой времени при замыкании или размыкании, а также наборы мгновенного срабатывающих контактов.

Пневматическое реле времени, рисунок 1.21 имеет электромагнит 1 и пневматическую приставку с микропереключателем 2 . Герметическая камера 3 пневматической приставки сообщается с атмосферой через узкое отверстие 4 . Камера 3 перегорожена эластичной плоской мембраной 5 , выполненной из резины. Мембрана соединена со штоком 6 , который опирается на якорь электромагнита 1 .

При подаче управляющего сигнала якорь электромагнита 1 втягивается. Шток 6 , лишенный опоры, под действием пружины 11 медленно опускается вниз по мере заполнения полости приставки воздухом через отверстие 4 . В конце хода штока рычаг 8 производит переключение контактов микропереключателя 2 . возврат реле в исходное положение происходит при снятии входного сигнала с электромагнита под действием пружины 9 . При этом воздух пневматической камеры мгновенно вытесняется через обратный клапан 7 . возврат контактов реле, следовательно, происходит без задержки времени. Для регулировки выдержки времени реле используют винт 10, изменяющий сечение дросселирующего отверстия 4 .

Моторное реле времени. Для получения больших выдержек времени (десятки минут и часы) используют электродвигательные (моторные) реле времени. Моторные реле времени в своей основе имеет специальный низкоскоростной двигатель и редуктор с большим передаточным числом, на валу редуктора. Механизм реле времени, рисунок 1.22 состоит из редуктора 1 , диска времени 2 , имеющего несколько зубцов, контактов 3 , включенных в цепь катушек электромагнитов или пускателей производственной машины, и катушки 4 паузного механизма 5 . Диск времени, вращаясь с заданной скоростью, своими зубцами замыкает контактную группу 3 и включает электродвигатель производственного механизма или другие технологические установки. При помощи концевого выключателя размыкается цепь механизма 5 . механизм реле приводится в действие синхронным двигателем. Выдержка времени создается вследствие замедления, получаемого в редукторе двигателя, и дополнительного редуктора, установленного в реле.

Рисунок 1.21 - Пневматическое реле времени с электромагнитом

По такому принципу работает реле времени РВТ-1200 с пределами регулирования 1 – 20 мин , погрешностью выдержки времени ±0,5 сек . Оно имеет пять независимых по времени цепей срабатывания. Подобные реле чаще всего применяют для задания программы автоматического управления каким-либо процессом, поэтому их часто называют также программными.

Рисунок 1.22 – Моторное реле времени

На рисунке 1.23 приведена схема моторного реле времени РВТ-1200. при замыкании ключа К синхронный двигатель с редуктором начинает вращаться. Одновременно возбуждается электромагнит ЭМ и сцепляет зубчатые колеса Z₁ и Z₂ . На одной оси с колесом Z₁ закреплены профильные шайбы (кулачки), одна из которых показана на рисунке. Двигатель начинает вращать профильные шайбы в направлении, указанном стрелкой, натягивая при этом пружину F ₂ .Как только уступ выреза профильной шайбы S подойдет к выступу рычага С , рычаг под действием пружины F ₃ повернется, размыкая контакты 1 – 2 в цепи двигателя СД и замыкая контакты 3 – 4 выходной цепи реле. Другие профильные шайбы на оси колеса Z₁ должны быть установлены на меньшие независимые выдержки времени и замыкать (или размыкать) каждая свои, также не показанные на схеме контакты внешних цепей.

Рисунок 1.23 – Принципиальная схема моторного реле времени

При размыкании контактов 1 – 2 двигатель СД останавливается, а все профильные шайбы остаются в том положении, которого они достигли до тех пор, пока ключ SA замкнут. При размыкании SA сцепляющий электромагнит ЭМ отпустит якорь, и пружина F ₁ расцепит колеса Z₁ и Z₂ . Профильные шайбы под действием пружины F ₂ повернутся назад до упора А . При этом контакты окажутся вновь в исходном положении, и реле времени готово к новому включению. Положение шайб на оси колеса Z₁ определяет время замедления срабатывания данного контакта. Оно (установка времени) может быть установлено с помощью шкалы, градуированной в минутах и секундах.

Реле времени с электромагнитным приводом типа ЭВ-100 на постоянном токе показано на рисунке 1.24. По имеющейся в реле шкале может задаваться выдержка времени замыкающих и проскальзывающих контактов. Реле этого типа могут создавать выдержки времени от 0,1 до 20 сек, и имеют три разновидности исполнения контактов.

При подаче напряжения на обмотку 7 электромагнита цилиндрический плунжер 6 втягивается, сжимая возвратную пружину, при этом освобождается рычаг 5 сцепления с часовым механизмом. Часовой механизм 4 под действием встроенной в нем пружины 1 начинает вращаться, обеспечивая равномерное движение стрелки с подвижным контактом 3, который через заданный промежуток времени вызывает замыкание неподвижных контактов 2, закрепленных на контактной колодке. Выдержка времени задается поворотом контактной колодки 2 против соответствующей цифры на шкале.

Выпускают также аналогичные реле на переменном токе типа ЭВ-200.

Рисунок 1.24 – Реле времени ЭВ-100

Электронные (полупроводниковое) реле времени (ЭРВ) , обычно в своих схемах используют различные полупроводниковые элементы (чаще всего транзисторные) и конденсаторы, время разряда или заряда которых и определяет выдержку времени, рисунок 1.25.

В исходном положении внешний управляющий контакт К замкнут и на базу транзистора VT1 подан отрицательный потенциал источника питания GB . Транзистор открыт, при этом потенциал базы транзистора VT2 будет положительным по отношению к его эмиттеру и будет закрыт. В результате выходное реле KV будет отключено. В исходном положении конденсатор С будет заряжен с показанной на рисунке полярностью своих обкладок.

Рисунок 1.25 – Схема устройства электронного реле времени

Команда на начало отсчета времени подается при размыкании внешнего управляющего контакта К . после этого начинается разряд конденсатора С через резистор R ₂ и переход эмиттер – база транзистора VT1 . В конце разряда транзистор VT1 закроется, что приведет к появлению на базе транзистора VT2 отрицательного потенциала. Оно откроется, по обмотке реле KV начнет протекать ток, оно сработает и переключит свои контакты. Отсчет времени закончится.

Выдержка времени такого реле определяется временем разряда конденсатора С , которое зависит от величины его емкости и сопротивления резистора R ₂ . Регулируя эти величины, можно устанавливать требуемые выдержки времени реле. Выпускаемые электронные реле времени обеспечивают выдержку времени от 0,1 с до 10 мин.

Маятниковое механическое реле времени рисунок 1.26 состоит из электромагнита с втяжным якорем 1 , который при подаче входного сигнала перемещает тягу 2 и, сжимая пружину 3 , стремится переместить рычаг с зубчатым сектором 4 справа налево. Но спусковое зубчатое колесо 5 со скобой 6 может поворачиваться за каждое качение маятника 7 только на один зуб, благодаря чему скорость перемещения зубчатого сектора ограничивается. После этого как все зубцы сектора 4 выйдут из зацепления с храповым колесом 8 , сработает микропереключатель 9 .

При снятии выходного сигнала с электромагнита 1 сектор 4 быстро возвращается в исходное положение под действием веса якоря электромагнита 1 сектор 4 быстро возвращается в исходное положение под действием веса якоря электромагнита 1 и усилия пружины 3 . Микропереключатель выключается без задержки времени. Таким образом, обеспечивается задержка времени только при срабатывании реле, но не при отпускании.

Грубая настройка времени срабатывания регулируется винтом 10 , ограничивающим длину зацепления сектора 4 с храповым колесом 8. Точная настройка времени регулируется перемещением груза маятника 7 . Маятниковое реле обеспечивает выдержку времени до десятков секунд.

Рисунок 1.26 – Маятниковое реле времени с электромагнитом

1.6Специальные виды реле

Наряду с наиболее распространенными реле электромагнитного типа в системах автоматики находят применение и реле других типов, в которых тяговое усилие, необходимое для переключения контактов, создается не с помощью электромагнита. К такой группе реле относятся реле с магнитоуправляемыми контактами, магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные реле.

Реле с магнитоуправляемыми контактами , называемые герконами (герметизированные контакты), рисунок 1.27 представляют собой стеклянную ампулу, заполненную инертным газом, а также азотом и водородом или из которой выкачан воздух (вакуумный геркон), в которую впаяны тонкие упругие ферромагнитные пластинки, выполняющие одновременно роль контактов, упругих элементов и части магнитопровода.

Управляются герконы внешним магнитным полем, которое создается катушкой обтекаемой током, или постоянным магнитом. Под действием магнитного поля концы пластин притягиваются, замыкая коммутируемую цепь. При исчезновении поля пластины вследствие силы упругости расходятся, рисунок 1.27, а . Для уменьшения переходного сопротивления контактов на концы пластин-контактов наносится слой серебра, золота, родия или других благородных металлов. Этот слой выполняет также роль немагнитной прокладки, не допускающей залипания контактов.

Рисунок 1.27 – Реле с магнитоуправляемыми контактами

Герконы обладают большим сроком службы с числом срабатываний, достигающим 10⁶ – 10⁹ . Благодаря малому расстоянию между контактами и малой инерционности пластинок-контактов реле с магнитоуправляемыми контактами – сравнительно быстродействующие элементы t _ср = 0,5 ÷ 2.0 мс.

Промышленность выпускает разнообразные магнитоуправляемые контакты-герконы с замыкающими, размыкающими и переключающими контактами рисунок 1.27, а – в , а также реле с магнитоуправляемыми контактами, внутри катушки может находиться один или несколько герконов, рисунок 1.27, г .

Реле на магнитоуправляемых контактах предназначены для использования в схемах автоматики в качестве промежуточных реле, реле защиты и запоминающих элементов. Реле промежуточные РПГ и РПГ-2 (миниатюрные) имеют большие функциональные возможности и повышенную надежность благодаря использованию контактов на герконах КЭМ-1. Реле с магнитной памятью РМГ применяют в схемах автоматики в качестве элементов памяти.

Магнитоэлектрические реле . Принцип действия магнитоэлектрического реле основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке, выполненной в виде поворотной рамки.

Магнитоэлектрическое реле, рисунок 1.28 состоит из постоянного магнита 1 , между полюсными наконечниками которого находится цилиндрический стальной сердечник 2 . В кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиальное направленное магнитное поле. В зазоре размещена легкая алюминиевая рамка 3 с обмоткой из тонкого провода, к которой подводится ток по спиральным пружинам из фосфористой или оловянно-цинковой бронзы. Эти пружины создают противодействующий момент, стремящийся установить рамку с обмоткой таким образом, чтобы ее плоскость была направлена по оси полюсов магнита 1. При пропускании тока I по обмотке реле на рамку с обмоткой действует вращающий момент, заставляющий ее поворачиваться вокруг оси в направлении, определяемом полярностью тока. Жестко закрепленный на рамке подвижный контакт 4 замыкается с одним из неподвижных контактов 5 или 6 .

Сила, действующая на проводник длиной l , обтекаемой током I и помещенный в магнитное поле с индукцией В , определяется на основании закона Ампера:

F = BlI. (16.1)

На рамку длиной l , шириной а , с числом витков ω действует вращающий момент

. (16.2)

Рисунок 1.28 – Магнитоэлектрическое реле

Для конкретного реле Blaw = K = const, следовательно,

M_ир = KI. (16.3)

Из уравнения (16.3) видно, что при неизменных конструктивных параметрах реле и заданном токе I в его обмотке вращающий момент имеет постоянное значение.

В то же время противодействующий момент, создаваемый закручивающимися токопроводящими пружинами, пропорционален углу закрутки, т.е. углу поворота рамки. Поскольку направление поворота рамки определяется направлением тока в обмотке, магнитоэлектрическое реле является поляризованным и может быть выполнено трехпозиционным.

По сравнению с другими электромеханическими реле магнитоэлектрическое реле является наиболее чувствительным, оно срабатывает при мощности управления в доли милливатта. Усилие на контактах магнитоэлектрического реле невелико (порядка 10^-2 Н и менее), поэтому для повышения надежности контакты выполняются из платины и платинородиевого сплава. При резком изменении усилия маломощные контакты быстро изнашиваются, поэтому магнитоэлектрические реле используются обычно в схемах, где сигнал постоянного тока меняется медленно. По своему быстродействию они уступают нейтральным магнитным реле.

Электродинамические реле . Принцип действия электродинамического реле основан на взаимодействии двух катушек с током, одна из которых подвижна, а другая неподвижна. От магнитоэлектрического реле электродинамическое реле отличается тем, что индукция в рабочем зазоре создается не постоянным магнитом, а неподвижной катушкой на сердечнике, т.е. электромагнитным способом. От электромагнитного реле электродинамическое реле отличается тем, что тяговое усилие воздействует не на стальной якорь, а на подвижную катушку.

Устройство электродинамического реле показано на рисунке 1.29 на магнитопровод 3 надета неподвижная катушка 2 , обтекаемая током I ₂ . между полюсными наконечниками магнитопровода находится цилиндрический стальной сердечник 4 . В кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиальное направленное магнитное поле. В зазоре размещена легкая алюминиевая рамка 1 с обмоткой из тонкого провода, к которой подводится ток I ₁ по спиральным пружинам, создающим противодействующий момент, стремящийся установить плоскость рамки 1 вдоль оси полюсных наконечников.

При подаче управляющего тока I ₁ в обмотку рамки 1 она будет поворачиваться в зазоре между полюсными наконечниками и сердечником. Жестко закрепленный на рамке подвижный контакт 5 замыкается с одним из неподвижных контактов 6 и 7 .

Сила, действующая на проводники рамки электродинамического реле, определяется законом Ампера. Следовательно, будут справедливы уравнения (16.1) и (16.2) . однако входящая в эти уравнения индукция. В не постоянна, а определяется намагничивающей силой, создаваемой катушкой 2 с током I ₂ :

Рисунок 1.29 – Электродинамическое реле

В = I₂ w₂ /(R _м s_δ ), (16.4)

где R _м – магнитное сопротивление на пути магнитного потока возбуждения; s_δ – площадь поперечного сечения рабочего воздушного зазора.

Подставляя (16.4) в (16.2) и выразив через постоянный коэффициент К сочетание всех неизменных конструктивных и обмоточных данных реле, получим уравнение для вращающего момента электродинамического реле:

M _вр = K I ₁ I ₂ . (16.5)

Из (16.5) видно, что направление поворота рамки зависит от направления токов в обеих обмотках реле, т.е. оно будет положительным при одинаковых направлениях токов и отрицательным при разных направлениях.

При работе реле на постоянном токе и питании его неизменным по значению и направлению током возбуждения I ₂ электродинамическое реле (как и магнитоэлектрическое) является поляризованным и трехпозиционным. В зависимости от направления управляющего тока I ₁ замыкается пара контактов 6 – 7 или 6 – 8 , а при отсутствии тока I ₁ контакт 6 находится в среднем, незамкнутом, положении.

Однако в отличии от магнитоэлектрического реле электродинамическое может работать при питании переменном током. В этом случае на рамку воздействует переменный магнитный поток, а направление поворота определяется средним за период значением вращающего момента

M _{вр . ср .} = K I ₁ I ₂ cosφ , (16.6)

где I ₁ и I ₂ – действующие значения токов в обмотках; φ – угол сдвига фаз между токами.

Из (16.6) следует, что электродинамическое реле реагирует на фазу входного сигнала, т.е. его можно использовать как реле сдвига фаз, срабатывающее при определенном значении φ . Это же реле может реагировать и на мощность переменного или постоянного тока. В этом случае на одну из обмоток подается ток, а на другую – напряжение цепи.

При последовательном соединении обмоток I ₁ =I ₂ = I вращающий момент

M _вр. = K I ² ,(16.7)

Т.е. зависимость тягового усилия от тока будет аналогична электромагнитному нейтральному реле.

К недостаткам электродинамических реле следует отнести их большие габариты и вес.

Индукционные реле . Принцип действия индукционных реле основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками.

Рисунок 1.30 – Индукционное реле скорости

Рассмотрим принцип действия индукционного реле скорости. Реле скорости (РКС ) механически соединяется с валом электродвигателя механизма скорость, которого требуется контролировать. РКС работает аналогично асинхронному двигателю и устроено следующим образом. Ротор реле, рисунок 1.30 представляет собой постоянный магнит 1 , соединенный с помощью валика с валом двигателя. Постоянный магнит помещен внутри алюминиевого цилиндра 2, имеющего обмотку в виде беличьей клетки. Цилиндр может поворачиваться вокруг оси валика 0 на небольшой угол, и переключать при этом с помощью упора 6 контакты 5 и 7. При неподвижном двигателе упор занимает среднее положение, и контакты реле находятся в «нормальном» положении. При вращении двигателя и тем самым магнита 1 уже при небольших скоростях на цилиндр 2 начинает действовать вращающий момент, под действием, которого он поворачивается и обеспечивает с помощью упора 6 воздействует на контакты 5 или 7, вызывая их замыкание с контактами 4 или 8 . При скорости двигателя, близкой к нулю, цилиндр возвращается в среднее положение и контакты 5 или 7 переходят в свое «нормальное» состояние. Величина скорости, при которой переключаются контакты реле, определяется положением настроечных винтов 9, т.е. регулированием натяжения пружины.

Реле контроля скорости удобно использовать при автоматизации процесса торможения, когда требуется обеспечивать отключение двигателя от сети после снижения его скорости до нуля.

Реле счета импульсов . Реле счета импульсов позволяет отсчитывать наперед заданное количество импульсов и передавать команду на исполнительные механизмы после отработки этих импульсов. С помощью этого реле осуществляется строгая цикличность в управляемом процессе.

Основным элементом реле счета импульсов является шаговый искатель (распределитель). Шаговый распределитель прямого хода, рисунок 1.31, а , состоит из электромагнита 1 и якоря с храповым колесом 3 . При повороте якоря вокруг оси собачка 6 под действием пружины 7 зацепляется за зуб храпового колеса 3 и поворачивает его вал на одно деление зуба, перемещаясь до упора 5 . поворот вала вызывает перемещение контактных щеток 2 по контактным (ламельным) рядам. По окончании действия импульса собачка 6 возвращается под действием пружины 8 в исходное положение. Собачка 4 препятствует обратному повороту храпового колеса. При подаче очередного импульса в электромагнит вал искателя прямого хода поворачивается на одно деление зуба, а щетки перемещаются на следующую ламель и т.д. Обычно в искателях бывает от трех до восьми ламельных рядов.

а – прямого хода; б – обратного хода

Рисунок 1.31 – Кинематическая схема шаговых распределителей

Распределитель обратного хода, рисунок 1.31, б , отличается от первого лишь тем, что якорь снабжен движущейся пружиной 8 , обладающей достаточной упругостью для создания усилия, необходимого для перемещения щеток. При притяжении якоря собачка 6 скользит по зубьям храпового колеса 3 , не входя с ними в зацепление, и заводится пружиной 8 . После отключения обмотки электромагнита пружина 8 , двигая собачку 6 , поворачивает храповое колесо на один зуб.

На рисунке 1.32 приведен общий вид шагового искателя.

1 – статор с ламелями; 2 – движущая собачка; 3 – скользящие контакты; 4 – ротор с храповым колесом; 5 – барабан; 6- обмотка электромагнита; 7 – контактная группа; 8 - якорь

Рисунок 1.32 – Шаговый искатель ШИ-17

Фотоэлектрические реле состоят из фотоэлемента (воспринимающего элемента), усилителя и выходного электромеханического реле. Фотоэлемент преобразует падающий на него световой поток в изменении сопротивления или ЭДС.

Фотореле применяют в системах автоматического контроля и регулирования различных величин и параметров (температуры, уровня, размеров и т.д.), изменение которых приводит к изменению светового потока. На рисунке 1.33, а приведена схема фотореле с фоторезистором BLR и электромагнитным реле К1 и К2 , которая срабатывает при освещении BLR . В цепь фоторезистора включено слаботочное реле постоянного тока К1 выполняющее функции промежуточного усилителя и управляющее более мощным выходным реле К2 . При затемнении BLR его сопротивление велико, поэтому ток в цепи катушки реле К1 имеет малую величину и реле К1 отключается, а следовательно и отключается выходное реле К2 .

Рисунок 1.33 – Схемы фотореле на фоторезисторе (а ) и фотодиоде (б )

Фоторезисторы имеют малые габаритные размеры и массу, высокую чувствительность и надежность. Однако они более инерционны, чем другие фотоэлементы. При использовании в фотореле в качестве выходных элементов электромеханических реле, время срабатывания которых значительно, инерционность фоторезисторов не имеет существенного значения. В то же время фоторезисторы имеют большую мощность рассеяния, что позволяет получать простые и надежные схемы фотореле.

В схеме фотореле с фотодиодом, рисунок 1.33, б в качестве промежуточного усилителя используют полупроводниковый усилитель на транзисторе VT , в коллекторную цепь которого включена катушка выходного реле К . При затемнении фотодиода BLD , включенного в цепь в непроводящем направлении, его сопротивление велико и, следовательно, транзистор VT заперт. Выходное реле при этом обесточено и сигнал на выходе отсутствует. При освещении фотодиода его сопротивление в непроводящем направлении уменьшается во много раз, что обуславливает возникновение тока в цепи базы. Транзистор отпирается, и возникающий ток в цепи коллектора обеспечивает срабатывание выходного реле и появление сигнала на выходе. Диод VD защищает транзистор VT от перенапряжений при его запирании. Фотодиоды, как и все полупроводниковые элементы, достаточно надежны, имеют малые размеры и большую чувствительность, чем фоторезисторы и другие фотоэлементы.

1.7 Контакторы и магнитные пускатели

Контакторы – это электромагнитные автоматические аппараты, предназначенные для автоматического и дистанционного управления электрическими цепями постоянного и переменного тока напряжением до 1000 В. Они широко применяются для частых включений и отключений электрических двигателей при дистанционном управлении. Контакторы не защищают электрические цепи, в которых они установлены, от нарушения режима (перегрузок, коротких замыканий т.д.). Контакторы выпускают с нормально открытыми главными контактами на ток 75…600 А, число полюсов 2, 3, 4 и 5.

Основные узлы любого электромагнитного контактора – электромагнитный механизм, главные контакты, дугогасительное устройство и блок-контакты.

Контакторы переменного тока промышленной частоты в большинстве своем имеют три замыкающих контакта (один контакт на фазу). Магнитопровод и якорь набираются из пластин электротехнической стали, изолированной одна от другой. На концах полюсов магнитопроводов размещены короткозамкнутые витки, каждый из которых охватывает часть своего полюса.

В контакторах переменного тока применяются мостиковые контакты с двумя разрывами на каждую фазу. Применение мостиковых контактов, как правило, исключает необходимость в специальных дугасительных камерах. Благодаря двум разрывам на фазу дуга будет гаснуть в закрытых камерах при первом же переходе тока через нуль.

Магнитная система выполняется с поступательным, рисунок 1.34 и поворотным, рисунок 1.36 движением якоря.

Рисунок 1.34 – Контактор с поступательным движением якоря

Контактор с поступательным движением якоря, рисунок 1.33 состоит из пластмассового корпуса, две половины которого соединены четырьмя винтами. Внутри корпуса размещена электромагнитная система, состоящая из неподвижной 7 и подвижной 5 части сердечника и обмотки 6 . Подвижная часть сердечника шпонкой соединена с пластмассовой траверсой 4 , на которой смонтированы контактные мостики 2 с подвижными контактами. Плавность замыкания контактов и необходимое усилие обеспечивается пружинным амортизатором 1 . Контакты 8 изготовляют из серебра и для повышения износоустойчивости имеют сферическую форму. Неподвижные контакты 3 припаяны к контактным пластинам с винтовыми зажимами для присоединения проводов.

При прохождении через обмотку заданного тока магнитное поле притягивает подвижную часть сердечника и связанную с ней траверсу с подвижными контактами и контакты переключаются. После отключения цепи в катушке подвижная часть сердечника возвращается в исходное состояние двумя спиральными пружинами. Для устранения дребезга контактов в контакторах переменного тока в торец сердечника укладывается медное кольцо, рисунок 1.35.

Рисунок 1.35 – Торец сердечника контактора

Кроме главных контактов в контакторах на боковой поверхности смонтированы вспомогательные контакты на замыкание и размыкание. Главные контакты закрыты фасонной крышкой, защищающей их от загрязнения, случайных прикосновений и междуфазных замыканий.

Контактор с магнитной системой поворотного типа, рисунок 1.36 состоит из неподвижного сердечника 6 с обмоткой 5 , к которому на ярме прикреплен подвижный сердечник (якорь) 7 . при замыкании цепи управления по обмотке проходит ток, якорь притягивается к сердечнику. Подвижные главные контакты 3 прижимаются к неподвижным 2 , тем самым замыкая силовую цепь 4 и обеспечивая прохождение тока по соответствующему приемнику электроэнергии. Главные контакты рассчитаны на большие токи и при их размыкании возникает электрическая дуга, разрушающая контактные поверхности. Для быстрого гашения дуги установлены дугогасительные камеры 1 из дугостойкого изоляционного материала, в которых размещены специальные решетки из стальных обмедненных пластин. Электрическая связь подвижных контактов с их выводами на тыльной стороне основания контактора выполняется в виде гибких пакетов из медной фольги 8 . блокировочные контакты 9 находятся в левой части контактора.

Электрическая схема для одной фазы контактора приведена на рисунке 1.37 При нажатии на кнопку S1 на удерживающую катушку К1 подается линейное напряжение U_АВ и удерживающая катушка обтекается током. При этом проявляются магнитные свойства сердечника, на котором расположена катушка. Якорь 7 притягивается к сердечнику, и рабочие контакты замыкаются. Одновременно замыкаются блок-контакты К1:4, шунтирующие кнопку S1 («Пуск»). Для отключения контактора достаточно нажать на кнопку S2 («Стоп»). При этом цепь удерживающей катушки прерывается и главные (рабочие) контакты размыкаются. Дуга, возникающая между расходящимися рабочими контактам, под действием силы взаимодействия между электрической дугой и стальными пластинами вытягивается в решетку 6. При этом происходит ее деление на ряд коротких последовательных дуг. Дуга растягивается, охлаждается и гаснет. Продолжительность процесса включения контактора зависит от его типа и размеров, она составляет 0,08…0,1 с.

Рисунок 1.36 – Трехполюсной контактор с поворотным якорем

Рисунок 1.37 – Схема контактора

Структура условного обозначения

ХХХХХХХХ:

ХХ – вид контактора: КТ – контактор переменного тока с управлением переменным током; КТП - контактор переменного тока с управлением постоянного тока.

ХХ – номер серии: 60, 70.

Х - величина номинального ока: 1, 2, 3, 4, 5 (первая величина до 100 А, вторая величина – до 160 А, третья – 250 А, четвертая – до 400 А, пятая – до 630 А.

Х – число полюсов: 2, 3, 4, 5.

Х – специфические особенности серии: Б – модернизированные контакторы.

Х – материал главных контактов: буква в обозначении отсутствует – контакты медные; С – контакты с металлокерамическими накладками на основе серебра.

Например, КТП6054Б – контактор переменного тока с цепью управления, работающей на постоянном токе, модернизированный, серия 60, с номинальным током контактов до 630 А, контакты медные.

Механическая устойчивость изготовляемых в настоящее время контакторов достигает более 5 млн. включений и отключений.

Магнитный пускатель - это комплексный коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, отключения, реверса и защиты электродвигателей от перегрузки, исчезновения или значительного уменьшения питающего напряжения. Его единственное отличие от контактора – наличие устройства защиты (обычно теплового реле) от тепловых перегрузок.

Пускатель состоит их трехполюсного трехфазного контактора переменного тока, теплового реле и командоаппарата (кнопочный пост). Тепловое реле обеспечивает защиту электродвигателя от перегрева токами, превышающими номинальное значение и обрыва фаз из-за выхода контакта или сгорания предохранителя.

Нулевая защита – исключение повторного включения магнитного пускателя при появлении в сети ранее исчезнувшего напряжения – осуществляется замыкающим вспомогательным контактом магнитного пускателя (контакт шунтирующий кнопку «Пуск»).

Пускатели могут иметь исполнение: реверсивное, нереверсивное, с переключением обмоток двигателя «звезда-треугольник». Нереверсивный магнитный пускатель состоит из одного, а реверсивный – из двух контакторов и теплового реле, смонтированных на общем основании или в общей защитной оболочке. Чтобы устранить одновременное включение контакторов реверсивного магнитного пускателя, в их подвижные системы встраивают механическую блокировку.

Бесперебойная работа асинхронных двигателей в значительной степени зависит от надежности пускателей. Потому к ним предъявляются высокие требования в отношении износостойкости, коммутационной способности, четкости срабатывания, надежности защиты двигателя от перегрузок, минимального потребления мощности. Главная церь контактора должна допускать его работу при напряжении на его зажимах до 1,1U_н и цепи управления от 0,85 до 1,1 номинального напряжения соответствующих цепей.

Пускатели выпускают на номинальные напряжения 127, 220, 380 и 500 В.

Контактор с нагретой до допустимого значения катушкой при подаче напряжения 0,85U_ном должен включаться без задержки подвижной системы в промежуточном положении, а при снижении напряжения до 0,7U_ном якорь должен удерживаться в притянутом положении, а при снятии напряжения должен четко отключаться.

При снижении напряжения меньше 0,7U_ном пускатель должен отключаться, осуществляя защиту двигателя от понижения напряжения в сети. В противном случае двигатель может остановиться, т.к. момент на валу пропорционален U² , а это режим короткого замыкания.

Пускатели электромагнитные серии ПМЛ предназначены для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети, для остановки и реверсирования трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, а в исполнении с трехполюсным тепловым реле серии РТЛ – для защиты управляемых электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности и от токов, возникающих при обрыве одной из фаз.

Пускатели серии ПМЛ выпускаются на токи от 10 до 200 А, допустимая частота включений в час для пускателя 1 – 5 габаритов составляет 3600, а для 6 – 7 габаритов – 2400.

Буквенные обозначения пускателей серии ПМЛ указывают:

ПМЛ - ХХХХХХХ

ПМЛ – серия.

Х – величина пускателя по номинальному току (1 – 10А, 2 – 25А, 3 – 40А, 4 – 63А, 5 – 80А, 6 – 125А, 7 – 200А).

Х – исполнение пускателей по назначению и наличию теплового реле (1 – нереверсивный пускатель без теплового реле; 2 – нереверсивный пускатель с тепловым реле; 5 – реверсивный пускатель без теплового реле с электрической и механической блокировкой; 6 - реверсивный пускатель с тепловым реле с электрической и механической блокировкой; 7 – пускатель для схемы Y – Δ).

Х – исполнение пускателей по степени защиты и наличию кнопок (0 – 1Р00 без кнопок; 1 – 1Р54 без кнопок; 2 - 1Р54 с кнопками «Пуск» и «Стоп»; 3 - 1Р54 с кнопками «Пуск» и «Стоп», с сигнальной лампой.

Х – число контактов вспомогательной цепи: 0 – 1з (на 10…25 А) или 1з+1р (на 40…63 и 80…200А); 1 – 1р (на 10…25А) или 2з+2р (на 80…200А), 2 – 3з+3р (на 80…200А); 3 – 3з+1р (на 80…200А), 4 – 5з+1р (на 80…200А).

Х – сейсмостойкое исполнение пускателей;

ХХ – климатическое исполнение (О; ТВ) и категория размещения (2; 4) по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70.

Х – исполнение по износостойкости (А – более 400 циклов в сутки; Б – от 120-до 400; в – менее 120).

Исполнение пускателей по коммутационной износостойкости выбирается в зависимости от частоты срабатывания: при частоте срабатывания пускателя в категории применения АС-3 более 400 циклов в сутки – исполнение А, от 120 до 400 циклов в сутки – исполнение А, от 120 до 400 циклов в сутки исполнение Б, менее 120 циклов в сутки – исполнение В.

Пускатели электромагнитные серии ПМА предназначены для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети, остановки и реверсирования трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 75 кВт при напряжении до 380 и до 660 в переменного тока.

При наличии тепловых реле или аппаратов позисторной защиты пускатели защищают управляемые электродвигатели от перегрузок недопустимой продолжительности.

Структура условного обозначения

ПМА – ХХХХХХХ

ПМА – серия;

Х – величина пускателя в зависимости от номинального тока (3 – 40 А; 4 – 63 А; 5 – 100 А; 6 – 160 А);

Х – назначение и наличие теплового реле и аппарата позисторной защиты (1 – без реле, нереверсивные; 2 – с реле, нереверсивные; 3 – без реле, реверсивные с электрической блокировкой; 5 – без реле, реверсивные с электрической и механической блокировками; 6 – с реле, реверсивные с электрической и механической блокировками; 7 – с аппаратом позисторной защиты АЗП, нереверсивные; 8 – с АЗП, реверсивные с механической блокировкой; 9 – с аппаратом позисторной защиты УВТЗ – 1М, нереверсивные; 0 – с УВТЗ – 1М, реверсивные с механической и электрической блокировками);

Х – степепень защиты и наличие кнопок (0 – 1Р00; 1 – 1Р40 без кнопок; 2 – 1Р54 без кнопок; 3 – 1Р40 с кнопками «Пуск» и «Стоп»; 4 – 1Р54 с кнопками «Пуск» и «Стоп»; 5 - 1Р40 с кнопками «Пуск» и «Стоп» и сигнальной лампой; 6 – 1Р54 с кнопками «Пуск» и «Стоп» и сигнальной лампой);

Х – род тока цепи управления, напряжение главной цепи и число контактов вспомогательной цепи (0 – переменной, 380 В; 2 з. + 2 р. для 3…6-й величин пускателей; 1 – постоянной, 380 В; 2 з. + 2 р. для 5 и 6-й величин; 2 – переменный, 660 В; 2 з. + 2 р. для 5 и 6-й величин; 3 - постоянной, 660 В; 2 з. + 2 р. для 5 и 6-й величин; 4 - переменный, 380 В; 4 з. + 2 р. для 4…6-й величин; 5 - постоянной, 380 В; 4 з. + 2 р. для 5 и 6-й величин; 6 - переменный, 660 В; 4 з. + 2 р. для 4…6-й величин; 7 - постоянной, 660 В; 4 з. + 2 р. для 5 и 6-й величин; 8 - переменный, 380 В; 2 з. Для 3…6-й величин; 9 – переменный, 660 В, 2 з. Для 3…6-й величин);

ХХ – климатическое исполнение (У, Т, УХЛ, О) и категория размещения (2, 3, 4) по ГОСТ 15150 – 69 и ГОСТ 15543 – 70;

Х – износостойкость (А, Б, В).

Контрольные вопросы

1. Что такое реле?

2. Как работает электромагнитное реле?

3. Перечислите основные параметры электромагнитного реле.

4. Поясните график изменения тока в обмотке реле при его срабатывании и отключении.

5. Что такое тяговая и механическая характеристики реле?

6. Чем отличаются реле переменного тока от реле постоянного тока?

7. Какие способы позволяют повысить быстродействие реле?

8. Назовите область применения электромагнитных реле?

9. Что такое поляризованное реле?

10. В чем разница между поляризованным и нейтральным реле?

11. Как выполняется настройка контактов поляризованного реле?

12. Какие виды контактов применяются в реле?

13. Какие требования предъявляются к рабочим контак там и почему?

14. Поясните принцип действия магнитоэлектрического реле.

15. Поясните принцип действия электродинамического реле.

16. Поясните принцип действия индукционного реле.

17. Поясните принцип действия реле времени?

18. Что такое геркон и как он устроен?

19. В чем преимущество герконов?

20. Чем отличается контактор от обычного реле?

21. Где используются контакторы и магнитные пускатели?

22. Чем магнитный пускатель отличается от контактора?

23. Какие способы гашения электрической дуги вам известны? В чем их достоинства и недостатки?

Глава 2 Коммутационные элементы ручного управления

2.1 Общие сведения. Назначение

Под коммутацией обычно понимают выполнение операций включения, отключения и переключения электрических цепей. Коммутационные элементы предназначены для выполнения этих операций. Различают коммутационные элементы ручного и автоматического управления. Коммутационные элементы ручного управления срабатывают при непосредственном механическом воздействии на их органы управления. Автоматические коммутационные элементы срабатывают под воздействием электромагнитных сил на их приводные органы. (они рассмотрены в предыдущей главе).

Коммутационные элементы различают по числу коммутируемых цепей (одноцепные и многоцепные) и по числу фиксированных положений, причем имеются коммутационные элементы с самовозвратом в исходное положение, т.е. без фиксации переключенного положения, что может быть необходимо для ряда схем управления.

К коммутационным элементам с механическим приводом относятся рубильники, кнопки (кнопочные посты) управления, микропереключатели, тумблеры, пакетные и универсальные переключатели, а также концевые и путевые переключатели.

2.2 Кнопки управления и кнопочные посты

Кнопки управления . Кнопки управления представляют собой электрические аппараты с ручным приводом и предназначены для подачи оператором управляющего воздействия в систему автоматизации. Они различаются по величине – нормальные и малогабаритные, по числу замыкающих и размыкающих контактов, по форме толкателя. Одноцепные кнопки управления выпускают с замыкающим и размыкающим контактами. Двухцепные кнопки имеют обе пары контактов с единым приводом. Особенностью кнопок управления является их способность возвращаться в исходное (нормальное) состояние (самовозврат) после снятия воздействия. Промышленностью выпускаются кнопки серии КУ-120 КЕ, предназначенные для работы в цепях переменного тока с напряжением до 500 В и постоянного тока с напряжением до 220 В и токами до 4А.

Кнопки различаются по виду управляющего элемента (толкателя): КЕ-011 – толкатель цилиндрический; КЕ-021 – толкатель грибовидный. Цвет толкателя может быть красный, черный, желтый, зеленый, белый (кнопка «Стоп» - как правило, в красный цвет).

Независимо от конструкции и габаритных размеров кнопок, рисунок 2.1 все они имеют неподвижные контакты 1 и подвижные 6 перемещаемые с помощью толкателя 3 . внешняя цепь подсоединяется к кнопке с помощью винтовых зажимов 7 . К каждому зажиму контактного элемента можно присоединить два медных провода сечением до 1,5 мм² . Ввод проводов в посты производится через отверстие в кожухе с резьбой ½^" или ³ /₄ ^" . Корпус 2 фиксируется на панели управления гайками 4 и 5 .

Рисунок 2.1 – Конструкция кнопки управления

Электрические параметры наиболее распространенных кнопок приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 – Электрические параметры кнопок управления различных типов

Долговечность и надежность кнопок управления оценивают коммутационной износостойкостью, которую выражают в гарантированном числе циклов включений-отключений под нагрузкой. Этот параметр различен для различных кнопок и условий эксплуатации. Например, для кнопок типа ВК 14-21 с медными контактами он составляет 0,25·10⁶ циклов, с биметаллическими контактами – 2,5·10⁶ , с серебряными контактами - 4·10⁶ .

На основе кнопок управления изготовляют кнопочные станции, содержащие до 12 кнопок различного исполнения, собранных на общей панели или в одном корпусе. Кнопочные посты управления, рисунок 2.2 предназначены для коммутации электрических цепей управления и имеют такие же параметры, как и кнопки серии КЕ. Посты серии ПКЕ устанавливают на подвижных и неподвижных частях стационарных электроустановок. Рабочее положение в пространстве любое.

Для удобства обслуживания головки штифтов (кнопок) могут снабжаться надписями «Пуск», «Стоп», «Вперед» и т.д.

1 –неподвижные контакты; 2 – подвижные контакты; 3 – возвратная пружина

а – двухкнопочный;

1 – размыкающие контакты; 2 – возвратная пружина; 3 – замыкающие контакты; 4 – контактный мостик

б - трехкнопочный

Рисунок 2.2 – Кнопочные посты

Условное обозначение постов формируется из названия серии (ПКЕ); обозначение способов крепления (1 – для встройки в нишу; 2 – для крепления к ровной поверхности; 3 – подвесные; 5 – подвесные с аварийным стопом; 6 – «пуск-стоп» для встройки в нишу; 7 - «пуск-стоп» для крепления к ровной поверхности);

обозначение степени защищенности от воздействия окружающей среды (1 – 1Р40, 2 – 1Р54);

обозначение материала корпуса (1 – металл, 2- пластмасс);

число толкателей;

обозначение климатического исполнения и категории размещения по ГОСТ 15150-69.

Посты всех типов, кроме «пуск-стоп», выпускают с любой комбинацией замыкающих и размыкающих контактов, с толкателем цилиндрической формы любых цветов. Посты «пуск-стоп» изготавливают с контактным элементом, имеющим 1з и 1р контакты, и цилиндрическими толкателями: черного цвета – для замыкающего контакта, красного – для размыкающего.

В последнее время все большее распространение получили кнопки управления с прямоугольной формой толкателя – их называют клавишами.

2.3 Универсальные и пакетные переключатели. Тумблеры

Для коммутации нескольких цепей при нескольких фиксированных положениях для выбора различных режимов работы используются универсальные и пакетные выключатели и переключатели.

Универсальные переключатели предназначены для ручного переключения цепей управления напряжением до 440 В постоянного тока и до 550 В переменного тока с частотой 50 Гц. Они применяются в качестве коммутаторов для управления различными электроустановками с неавтоматическим (ручным) замыканием, размыканием и переключением вспомогательных электрических цепей постоянного и переменного тока.

Контактная система универсального переключателя представлена на рисунке 2.3 На валике 1 установлены кулачковые шайбы 3 , 4 , 9 (правая 4 и левая 9 – включающие, средняя 3 - отключающая). К контактной скобе 6 приварены неподвижные контакты 5 .Элементы контактной секции укреплены на изоляционной перегородке 2 , а неподвижные контакты 5 – на изоляционной рейке 7 . При повороте валика 1 поворачиваются кулачковые шайбы. Одна из шайб поворачиваются кулачковые шайбы. Одна из шайб (4 или 9 ) выступом нажимает на хвостовик скобы включения правой (или левой) контактной системы. Отключение ее произойдет при нажатии выступа рабочей поверхности средней шайбы 3 на шип 10 пальца 11 (к ним приварены серебряные контакты 8); хвостовик скобы 12 при этом перейдет во впадину шайб 4 или 9 .

Рисунок 2.3 – Контактная секция универсального переключателя

Универсальные переключатели серии УП5300 могут коммутировать до 32 цепей и иметь до 8 положений (позиций) рукоятки управления.

Переключатели выполняются либо с фиксацией рукоятки в определенных положениях, либо самовозвратом рукоятки в нулевое положение. Рукоятка может иметь овальную или револьверную форму.

Механическая износоустойчивость аппаратов составляет 1 млн. переключений. За одно переключение принимается поворот рукоятки на одно коммутационное положение.

Пакетные выключатели и переключатели применяют в качестве вводных выключателей и переключателей цепей управления электроустановок переменного тока напряжением 380 В частотой 50 Гц, и постоянного тока напряжением 220 В. Для пакетных выключателей и переключателей обычно указывают два значения номинальной силы тока – сила тока выключения при напряжении 220 В и сила тока выключения при напряжении 380 В.

Рисунок 2.4 – Пакетный выключатель

Пакетный выключатель, рисунок 2.4, состоит из пакетов изоляционных дисков 6, (диафильм), смонтированных на изолированном от токоведущих частей валу 3. На дисках укреплены подвижные упругие контакты 4 из гартованной латуни, которые обжимают неподвижные контакты 5, установленные в корпусе пакетного выключателя. Выключатель включается и отключается при повороте его вала 1 от руки рукояткой. При этом вместе с валом поворачиваются подвижные контакты, электрически соединяющие (обжимающие) неподвижные контакты или разобщающиеся с ними. Достаточно высокая скорость перемещения подвижных контактов обеспечивается пружинами 2. Для точной фиксации нужного положения подвижных контактов служит фиксатор положений «Включено» или «Выключено». Контактная система каждого полюса (секции) создает два разрыва. Дуга гаснет в закрытой камере, образованной между пакетами.

Таблица 2.2 – Характеристики пакетных выключателей

* в скобках указана величина выключателя.

Пакетные выключатели и переключатели выдерживают 200000 включений при частоте не более 5 переключений в минуту. Условное обозначение этих аппаратов включает следующие буквы и цифры: П – пакетный; В или П - соответственно выключатель или переключатель, первая цифра после букв – количество коммутируемых цепей (2, 3, 4), цифра после тире – номинальная сила тока выключения при U_н = 220 В.

Тумблеры используют в качестве выключателей, а также двух- и трехпозиционных переключателей. На рисунке 2.5 показано устройство двухпозиционного тумблера. Мостиковый контакт, выполненный в виде токопроводящего ролика 1, замыкает одну из двух пар неподвижных контактов 2. Переключение контактов тумблера осуществляется воздействием на рычаг 3, а ускорение срабатывания (мгновенное действие) обеспечивается пружиной 4. Номинальный ток тумблера 1 и 2 А при напряжении 220 В, масса их не превышает 30 г.

Рисунок 2.5 – Двухпозиционный тумблер

2.4 Путевые и конечные выключатели. Микропереключатели.

Путевые и конечные выключатели. Путевые и конечные выключатели представляют собой коммутационные элементы, кинематические связанные с рабочей машиной и срабатывающие в зависимости от перемещения подвижной части рабочей машины. Выключатель, ограничивающий ход рабочего механизма, называют конечным выключателем. Путевые выключатели срабатывают в определенных промежуточных точках на пути перемещения. Особенно широко путевые и конечные выключатели используются в схемах автоматизированного электропривода различных производственных механизмов.

По характеру перемещения подвижного штока выключатели подразделяются на нажимные, шток совершает прямолинейное движение и рычажные, (движение передается через устройство в виде рычага, поворачивающийся на некоторый угол.). Выключатели, у которых срабатывание контактов зависит от скорости движения упора, называют выключателями простого действия. Они не обеспечивают быстрого переключения при малых скоростях, их применяют при скоростях перемещения упора не менее 0,4 м/мин – при меньшей скорости из-за длительного действия дуги происходит быстрый износ контактов.

Выключатели, у которых переключение контактов не зависит от скорости движения упора называют моментными . Здесь контакты связаны с подвижным (измерительным) устройством через систему с двумя фиксированными при помощи пружин положениями.

Нажимные выключатели выпускают в основном простого действия, рисунок 2.6, а . Выключатель состоит из основания 1 , неподвижных контактов 6 , штока 4 , опирающегося на сферическую поверхность втулки 7 , несущей мостики подвижных контактов 5 . Для более надежного включения подвижные контакты 5 и неподвижные 6 поджимаются пружиной 2 . При воздействии усилия шток 4 перемещается, и контактные мостики отключают размыкающие и включают замыкающие контакты. Надежное включение контактов обеспечивает пружина 3 . Когда габариты выключателей не позволяют установить их из-за недостатка места, применяют микропереключатели . Они обеспечивают быстрое переключение контактов при незначительном перемещении штока, что достигается применением специальной контактной пружины.

У выключателей моментного действия, рисунок 2.6, б и в , на клеммных колодках 1 укреплены неподвижные контакты 2 . Мостик подвижных контактов 6 смонтирован на рычаге 3 . Подвижный (измерительный) рычаг 5 связан с поводком 10 не жестко, а через набор ленточных пружин 11 (во избежание поломок выключателя). Планка 7 связана с рычагом 3 , при его повороте шарик 8 под действием пружины 9 заставляет планку 7 мгновенно переключать контакты в момент освобождения ее собачкой 13 . Возврат контактов в исходное положение происходит под действием пружины 12 . Измерительный рычаг 5 может быть установлен на валике 4 под любым углом в пределах ± 45^о от оси выключателя.

В промышленности находят широкое применение выключатели ВК-200, ВК-300, ВПК-1000, взрывозащищенные ВКМ-ВЗГ.

Рассмотренные путевые и конечные выключатели имеют сравнительно низкую надежность, связанную с повышенным износом контактной пары. Более высокая надежность обеспечивается при использовании бесконтактных датчиков (например, индуктивного или фотоэлектрического типов), мгновенность срабатывания которых обеспечивается с помощью электронных схем.

Бесконтактные переключающие устройства. Эти устройства надежнее контактных, особенно при большой частоте переключений. В качестве бесконтактных переключающих устройств индуктивного типа широко распространены параметрические и генераторные датчики положения. Принципиальная схема бесконтактного переключающего устройства на основе индуктивного генераторного датчика положения приведена на рисунке 2.7. Это транзисторный генератор колебаний, амплитуда колебаний которого управляется с помощью металлической заслонки 2 между катушкой колебательного контура 1 и катушкой обратной связи 3 . При отсутствии заслонки в зазоре между катушками схема генерирует колебания, увеличивающие среднее значение тока через транзистор-генератор VT 1 . Этот ток усиливается выходным транзистором. Когда заслонка проходит между катушками, коэффициент обратной связи уменьшается, амплитуда колебаний падает и колебания прекращаются, что в свою очередь, вызывает закрытие выходного транзистора VT 2 . На таком принципе построены бесконтактные выключающие устройства типа КВД, БК.

а - простого действия; б – моментного действия; в – кинематическая схема

Рисунок 2.6 – Конечные выключатели

Рисунок 2.7 – Схема бесконтактного переключающего устройства на

основе индуктивного датчика

Технические данные выключателей типа КВД в зависимости от ширины щели в корпусе для прохода металлической пластинки и напряжения питания приведены в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Технические данные выключателей типа КВД

Микропереключатель представляет собой коммутационное устройство с механическим приводом. Он используется в качестве исполнительных устройств дистанционного управления, а также в качестве базового элемента для ряда коммутирующих изделий: кнопок, кнопочных, клавишных и других переключателей. Например, малогабаритные кнопки управления выполняют на основе микровыключателя типа МП. Микропереключатели также используются в качестве концевых выключателей, отключая поступательно движущееся или поворотные механизмы в конце их хода или поворота.

а - контакты 3 и 4 замкнуты; б - контакты 3 и 4 разомкнуты

Рисунок 2.8 – Контактная группа микропереключателя

Отличительная особенность микропереключателей заключается в конструкции механизма, обеспечивающего быстрое переключение контактов независимо от скорости перемещения приводного механизма. На рисунке 2.8 показана контактная группа микропереключателя с приводным элементом в двух состояниях. В исходном состоянии контакты 3 и 4 замкнуты под действием результирующей силы пружин. При действии на пружину внешней силы с помощью приводного элемента пружина начинает изгибаться. Одновременно изгибается жестко связанная с ней на одном конце вторая пружина. Когда прогиб этой пружины достигает некоторого значения, первая пружина мгновенно изменяет свое положение. В результате этого сила, действующая на контакт, изменяет свое направление.

Внешние соединения микропереключателя выполняются с помощью пайки к выводам. Переключатель способен работать в цепях с напряжением до 380 В при токе до 3 А. перемещение штока составляет 0,5 – 0,7 мм, необходимое усилие для срабатывания не более 5 – 7 Н. время срабатывания 0,01 – 0,02 с при частоте включений до двух раз в минуту.

2.5 Рубильники

Рубильники – это простейшие коммутационные аппараты, которые в основном предназначаются для неавтоматического нечастого замыкания и размыкания силовых электрических цепей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В и тока до 5000 А, и имеет 1 – 3 полюса.

Рубильники состоят из подвижных ножей и неподвижных контактов. Подвижные контактные ножи в нижней своей части прикреплены шарнирно к контактным стойкам, а в средней – связаны общей траверсой из изолирующего материала. Верхние концы контактных ножей входят в неподвижные контакты, выполненные в виде двух пружинящих губок. В рубильниках, рассчитанных на малую силу тока, контактное нажатие обеспечивается за счет пружинящих свойств материала губок, а на силу тока 100 А и выше – стальными пружинами.

При размыкании контактов возникает электрическая дуга. Для ее быстрого гашения аппараты снабжают дугогасительными контактами и дугасительными камерами .

Дугогасительные контакты, включаясь последними, предохраняют главные ножи от обгорания. В рубильниках с дугогасительной камерой дуга разделяется на несколько частей, охлаждается и гаснет.

По роду привода рубильники бывают: с центральной или боковой рукояткой, с боковым или центральным рычажным приводом. По защищенности: открытые – компоновки распределительных устройств станций и подстанций (для помещений не пригодны); защищенные (с защитными кожухами) – для отдельных электрических установок.

По способу подключения проводов рубильники могут быть с передним или задним присоединением.

Рубильники, как указывалось выше, могут иметь дугогасительные камеры. Предельный ток, который можно отключить рубильником (I_по ) без дугогасительных камер I_по 0,3 I_{ном. руб.} (при U = 380 В). При U > 380 В отключать цепь под током рубильником без дугогасительных камер вообще не разрешается. При наличии дугогасительных камер I_по I_{ном. руб.} (при U = 380 В) и I_по 0,5 I_{ном. руб.} (при U = 500 В).

Рубильники имеют следующую маркировку: Р, РБ, РПБ, РПУ. Первая буква в маркировке типа означает: Р – рубильник, П – переключатель; вторая: Б - боковая рукоятка, П – наличие привода; третья Б – боковой привод, Ц – центральный привод; первая после буквенного обозначения цифра определяет число полюсов, вторая – условное значение номинального тока (1 – 100 А, 2 – 200 А, 4 – 400 А). Например, обозначения РБ34, ПБ32 означают: первое – рубильник с боковой рукояткой, трехполюсный, на номинальный ток 400 А, второе – переключатель, с боковой рукояткой, трехполюсный, на 250 А.

Рубильники для электроустановок выбирают по номинальному напряжению U_{ном. руб.} U_{ном. с.} ; максимальной силе тока выключения I_ном. I_длит. и по степени защиты от влияния внешней среды . В сухих помещениях рубильники устанавливают в шкафах и ящиках защищенного исполнения. На рисунке 2.9 показан трехполюсной рубильник с боковой рукояткой (защитный кожух снят), а на рисунке 2.10 - с рычажным центральным приводом, в этом случае рубильник устанавливается позади панели распределительного щита, что делает управление им удобнее и безопаснее.

Выпускают также аппараты, предназначенные для выполнения функций, как рубильника, так и предохранителя. Применяют их для ручного включения и отключения цепей под нагрузкой, а также для защиты цепей при перегрузках и ко-

ротких замыканиях. Блок предохранитель-выключатель представляет собой выключатель (рубильник), вместо ножей которого встроены предохранители. Предохранитель-выключатель позволяет значительно уменьшить размеры распределительных щитов. В этих аппаратах применяют, как правило, предохранители ПН-2. Наиболее часто используют предохранители-выключатели типа ППВ и блоки предохранителей-выключателей БПВ.

1 – изоляционное основание; 2 – неподвижный контакт; 3 – рукоятка; 4 – неподвижный контакт; 5 – вывод.

Рисунок 2.9 – Рубильник с боковой рукояткой типа РБ

1 – панель щита; 2 – панель рубильника; 3 – тяга.

Рисунок 2.10 – Рубильник с рычажным приводом

2.6 Контроллеры

Контроллеры – это многоконтактные коммутирующие устройства ручного управления, предназначенные для пуска, реверса, торможения и регулирования частоты вращения двигателей постоянного и переменного тока путем переключения их обмоток или включением в цепи этих обмоток резисторов. Рассмотрим принцип работы на примере барабанного контроллера, рисунок 2.11, а . На валу 3 , изготовленного из изоляционного материала, закреплены медные сегменты 4 различной длины, смещенные относительно друг друга под различными углами. Эти сегменты, выполняющие роль подвижных контактов, определенным образом соединены между собой. Подвижная часть контроллера называется барабаном. Напротив каждого сегмента расположены неподвижные контакты в виде плоских металлических пластин 2 , укрепленных на изоляционном основании 1 . Каждая из этих пластин (пальцев) расположена строго на уровне соответствующего сегмента. Внешняя управляемая контроллером электрическая цепь присоединена к неподвижным контактам.

а – устройство; б – схема включения

Рисунок 2.11 - Контроллер барабанного типа

Посредством рукоятки вал 3 можно поворачивать, при этом сегменты 4 в определенной последовательности приобретают контакт с пластинами 2 либо утрачивают его, в зависимости от взаимного углового смещения сегментов относительно друг друга. При этом во внешней цепи происходят переключения элементов электрических устройств по заданной программе. Эта программа задается длиной сегментов и углами их взаимного смещения.

На рисунке 2.11, б представлена развернутая в плоскости схема контроллера (обведенная штриховой линией) для управления двигателем постоянного тока последовательного возбуждения. Сегменты изображены отрезками толстых линий, соединенных между собой определенным образом. Барабан контроллера имеет семь положений: одно нейтральное 0, положение I, II и III при повороте барабана по часовой стрелке (относительно нейтрального положения) и положения I^' , II' и III^' при повороте барабана против часовой стрелки. При нейтральном положении барабана двигатель выключен. При положении барабана I происходит соединение неподвижных контактов 9 – 8 – 7 – 6 – 5, а также 4 – 3. Электрический ток проходит от клеммы «плюс» через обмотку возбуждения ОВ, через катушку дугогашения S на контакт 1, через резисторы пускового реостата R_пр , через контакты 3 – 4, по обмотке якоря и через замкнутые клеммы 7 – 6 – 5 на клемму «мину». При этом начинается пуск двигателя. При повороте барабана в положения II его сегменты замыкают клеммы 2 – 3 и шунтируют первую ступень пускового реостата. Пуск двигателя продолжается при уменьшенном сопротивлении пускового реостата. При повороте барабана в положение III замыкаются контакты 1 – 2, шунтируется вторая ступень пускового реостата, процесс пуска заканчивается и двигатель переходит в рабочий режим.

Если барабан повернуть в положение I^' , то направление тока в якоре изменится и начнется пуск двигателя в противоположном направлении. В положении II' пуск продолжится, в положении барабана III^' двигатель выйдет на рабочий режим. Если пусковой реостат использовать в качестве регулировочного, применив в нем резисторы, рассчитанные на длительное протекание тока, то рассматриваемый контроллер можно использовать для регулирования частоты вращения двигателя.

Недостаток контроллера барабанного типа – ненадежность контактных соединений. Поэтому практически применение получили командоконтроллеры кулачкового типа, в которых вместо скользящих контактов применен набор кулачковых элементов. На рисунке 2.12 два кулачковых элемента, каждый из которых коммутирует свою электрическую цепь. На валу 1 контроллера расположены кулачковые диски 2 , которые через ролик 7 воздействуют на подвижные контакты 3 .

1 – вал; 2 – кулачковый диск; 3 – подвижный контакт; 4 – неподвижный контакт; 5 – изоляционная пластина неподвижных контактов; 6 – пружина; 7 – ролик; 8 – пружина для прижатия ролика к кулачковому диску

Рисунок 2.12 - Кулачковые элементы командоконтроллера

При определенном положении кулачковых дисков эти контакты замыкаются на неподвижные контакты 4 , расположенные на изоляционном основании 5 . посредством пружины 6 обеспечивается необходимое усилие сжатия контактов. Пружина 8 прижимает рычаг с роликом 7 к кулачкам, обеспечивая замыкание или размыкание контактов в строгом соответствии с формой и положением кулачковых дисков 2 . Кулачковые диски командоконтроллеров можно настроить на требуемую последовательность команд и таким образом задать необходимую программу работы управления механизмом. Число коммутируемых цепей в командоконтроллере может достигать 12 .

Контрольные вопросы:

1. Назначение кнопок управления и кнопочных постов?

2. Поясните устройство кнопок управления и кнопочных постов.

3. Основное назначение путевых и коечных выключателей.

4. Поясните устройство и принцип действия нажимных и рычажных конечных выключателей.

5. Особенности использования микропереключателей в системах автоматического управления.

6. Поясните устройство и принцип действия пакетного выключателя.

7. Поясните назначение рубильников и область их применения.

8. Какой рубильник наиболее безопасен в обслуживании?

9. Каково назначение и устройство контроллера?

Глава 3. Устройства защиты

3.1 Тепловые реле

Для защиты электродвигателей от длительной перегрузки и связанного с этим недопустимого перегрева служат тепловые реле. Их основным элементом является биметаллическая пластинка из металлов с различными коэффициентами теплового расширения. При нагревании проходящим током такая пластинка деформируется в сторону металла с большим коэффициентом линейного расширения, вызывая срабатывание реле. Электротепловые реле бывают двухполюсными (ТРН), и техполюсными (РТЛ РТТ). Реле типа ТРН используются с пускателями ПМЕ и ПМ, а реле РТЛ, РТТ – с пускателями ПМЛ.

На рисунке 3.1 приведена кинематическая схема теплового реле РТЛ. Ток протекает по нагревательному элементу 1 . Биметаллическая пластинка 2 отгибается и поворачивает держатель 3 , который выводит защелку 5 из зацепления с эксцентриком 4 . При снятии защелки траверса 6 под действием пружины 7 поднимается вверх и размыкает блок-контакты 8 . Поворачивая эксцентрик, изменяют расстояние а . Чем больше это расстояние, тем на больший угол отгибается биметаллическая пластина, размыкая блок-контакты реле. Следовательно, реле будет срабатывать (через 20…30 мин) при большем токе, протекающем через нагреватель.

Рисунок 3.1 – Схема теплового реле

Тепловое реле имеют регулировку тока уставки в пределах ± 25%. регулировку теплового реле производят: если нагреватель рассчитан на ток, не равный номинальному току нагрузки; если температура окружающей среды отличается от нормальной на ±10 ^о С. Регулировку производят с помощью механизма, изменяющего натяжение ветвей термоэлемента, или изменением зазоров в кинематической цепи.

Механизм изменения уставки имеет шкалу с делениями, нанесенными по обе стороны от нулевой отметки. Цена деления – 5% уставки.

Тепловые реле включаются в две фазы трехфазных двигателей непосредственно или через трансформатор тока ТА , если ток двигателя превышает номинальный ток реле рисунок 3.2. В реле новых конструкциях тепловых реле РТЛ биметаллические пластинки устанавливают во всех фазах.

Рисунок 3.2 – Схема включения теплового реле

Допустимость выбора номинальных токов нагревательных элементов, несколько отличающихся от номинальных токов двигателей, объясняется тем, что тепловые реле имеют устройство для регулирования тока установки (I _уст ). Под последним имеется в виду тот ток, значение которого устанавливается оператором с помощью регулятора тока уставок реле. При превышении этого тока – при перегрузке реле должно сработать с заданным временем, зависящим от степени перегрузки, определяемой характеристикой реле – t _реле =ƒ( I _реле ) .

Например, у реле ТРН головку регулятора тока уставки, снабженную контрольной риской, можно поворачивать вправо на пять делений шкалы уставок или влево на пять делений от средней – нулевой риски, соответствующей току уставки I _{уст 0} Ток уставки I _{уст 0} равен номинальному току установленного в реле нагревательного элемента I _{ном. нагр. элем.} ( I _{уст 0} = I _{ном. нагр. элем.} ) при условии равенства температур окружающего реле воздуха и температуры, при которой производилась калибровка нагревательного элемента на заводе (Θ_зав =20 ⁰ С). Каждое деление шкалы уставок этого реле соответствует примерно 5% от I _уст.0 . При повороте головки регулятора по часовой стрелке происходит соответствующее увеличение тока уставки (плюс), а при повороте против часовой стрелке – уменьшение (минус). Таким образом, регулирование тока уставки реле ТРН возможно в пределах (0,75…1,25) I _уст.0 . Например, если номинальный ток нагревательного элемента, установленного в реле, I _{ном. нагр. элем} =20А , то при температуре воздуха, окружающего реле, равной заводской - Θ_зав =20 ⁰ С, I _уст.0 =20 А , регулирование I _уст. реле возможно в пределах – (0,75·20…1,25·20) А = (15…25) А.

Деление шкалы уставок для тепловых реле типа ТРН выбирается в соответствии с выражением

= ( I _ном – I ₀ )/( c I ₀ ) ,

где I _ном – номинальный ток электродвигателя;

I ₀ – ток нулевой уставки реле;

с - цена деления, равная 0,05 для открытых пускателей и 0,055 для защищенных.

Для токовых реле типа ТРН при температуре окружающей среды ниже +40 ⁰ С вводится поправка на окружающую температуру

N ₂ = ( t _окр - 30)/10

При окружающей температуре выше +40 ⁰ С поправка не вводится. С учетом поправки на температуру окружающей среды результирующее деление шкалы

N = N ₁ + N ₂ .

Полученные дробные расчетные значения делений шкалы уставок округляют до ближайшего целого значения.

Пример . Пускатель серии ПМЕ с тепловыми реле типа ТРН включает электродвигатель с номинальным током I _ном = 5 А. Ток нулевой уставки теплового реле I ₀ = 6 А. Пускатель имеет открытое исполнение. Температура окружающей среды +25 ⁰ С. Определить положение механизма регулировки тока уставки на шкале теплового реле.

Находим

N ₁ = (5 - 6)/(0,05·6) = -3,3.

Так как реле типа ТРН имеет температурную компенсацию, то поправка на температуру окружающей среды не требуется. Механизм регулировки следует установить на отметку N = - 3 (третье деление влево от нулевой отметки).

Условное обозначение теплового реле РТТ имеет следующую структуру:

РТТ-Х₁ Х₂ Х₃ Х₄ Х₅ ,

где Х₁ – номинальный ток реле [1 – исполнение на 40 А (РТТ-1); 2 - исполнение на 63 А (РТТ-2)]; Х₂ – цифры, обозначающие способ установки реле (1 - исполнение на все токи для индивидуальной установки; 2 – исполнение на 40 а (РТТ-1) для присоединения к пускателю ПМ12-040; 3 – исполнение на 40 А (РТТ-1) для присоединения к пускателю ПМ12-025; Х₃ – вид контактов вспомогательной цепи реле (1 – с размыкающим контактом; отсутствие цифры означает переключающий контакт); Х₄ – исполнение реле по инерционности (П – пониженная инерционность, только для РТТ-2; Х₅ – климатическое исполнение УХЛ или 0.

3.2 Плавкие предохранители

Плавкие предохранители – наиболее простые аппараты, предохраняющие электроприемники от перегрузок и токов короткого замыкания. Основные элементы предохранителя: патрон или корпус, плавкая вставка, закрепленная в патроне, контактное устройство. Включенный в защищаемую цепь предохранитель должен при нормальном режиме работать неограниченно долго. Если же в цепи возникнет перегрузка или короткое замыкание, то при увеличении тока плавкой вставки расплавляется, в результате происходит отключение защищаемой цепи. продолжительность плавления вставки зависит от плавящего тока и с увеличением его уменьшается.

По конструкции предохранители бывают: пробочные (резьбовые) и трубчатые.

Пробочные (резьбовые) предохранители широко применяют для защиты осветительных установок и электродвигателей малой мощности при напряжении до 380 В. предохранитель однополюсной резьбовой переднего присоединения, рисунок 3.3, а состоит из фарфорового основания 8 , к которому подсоединена пластина 7 с контактным винтом 9 и пластина 10 с резьбовой гильзой 6 . Пластмассовый чехол 5 укрепляется на предохранителе при ввинчивании кольца 4 . Фарфоровая пробка имеет резьбу 1 и контакт 3 , соединенный калиброванной плавкой вставкой 2 . Собранный предохранитель и цепь тока через его вставку показаны на рисунке 3.3, б стрелками. При возникновении в защищаемой цепи чрезмерно больших токов вставка плавится (перегорает) и ток прекращается.

Резьбовые предохранители с резьбой Е-27 изготовляют на токи 6, 10 16 и 20 А и напряжение до 380 В. Чтобы нельзя было установить пробки на большие токи, пробки и контактные винты к ним изготовляются разных размеров: пробка на меньший ток – длиннее, а винт к ней короче. Поэтому, если ввернуть пробку на ток, больше указанного на контактном винте, цепь предохранителя не замкнется, так как пробка не достанет до винта.