10 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (АВТОМАТЫ)
Автоматические выключатели, как правило, предназначаются для отключения поврежденного участка сети при возникновении в нем аварийного режима (короткое замыкание, ток перегрузки, пониженное напряжение). Термическое и электродинамическое (при коротком замыкании) воздействия повышенных токов могут привести к выходу из строя электрооборудования. В условиях пониженного напряжения, если механический момент нагрузки на валу остается неизменными, через работающие двигатели также будет протекать повышенный ток.
Автомат в отличие от контактора имеет узел элементов защиты, автоматически обнаруживающий появление в сети ненормальных условий и дающий сигнал на отключение. Если контактор рассчитывается лишь на отключение токов перегрузки, которые достигают нескольких тысяч ампер, то автомат должен отключать токи короткого замыкания, достигающие многих десятков и даже сотен килоампер. Кроме того, автомат редко отключает электрическую цепь, в то время как контактор предназначается для частых оперативных коммутаций номинальных токов нагрузки.
Различают несколько разновидностей автоматов: универсальные (работают на постоянном и переменном токе), установочные (предназначаются для установки в общедоступных помещениях и выполняются по типу установочных изделий), быстродействующие постоянного тока и гашения магнитного поля мощных генераторов.
Рисунок – Конструктивная схема автомата
На рисунке дана условная конструктивная схема универсального автомата в упрощенном изображении. Автомат коммутирует электрическую цепь, подсоединяемую к выводам А и Б. В указанном положении автомат отключен и силовая электрическая цепь разомкнута. Чтобы включить автомат, надо вращать вручную по часовой стрелке рукоятку 3. Создается усилие, которое, перемещая рычаги 4 и 5 вправо, будет поворачивать основную несущую деталь 6 автомата вокруг неподвижной оси О по часовой стрелке. Замыкаются и включают цепь тока вначале дугогасительные 8 и 10, а затем главные 7 и 11 контакты автомата. После этого вся система остается в крайнем правом положении, зафиксированном специальной защелкой, и удерживается ею (на рисунке не показана).
Отключающая пружина 2 взводится при включении автомата. При подаче команды на отключение она отключает автомат. Когда по катушке электромагнитного расцепителя 1 протекает ток короткого замыкания, на его якоре создается электромагнитная сила, переводящая рычаги 4 и 5 вверх за мертвую точку, в результате чего автомат пружиной 2 отключается автоматически. При этом контакты размыкаются, и возникающая на них дуга выдувается в дугогасительную камеру 9 и гасится в ней.
Система рычагов 4 и 5 выполняет функции механизма свободного расцепления, который в реальных автоматах имеет более сложное устройство. Механизм свободного расцепления позволяет автомату отключаться в любой момент времени, в том числе и в процессе включения, когда включающая сила воздействует на подвижную систему автомата. Если рычаги 4 и 5 переведены вверх за мертвую точку, то жесткая связь между системами приводной и подвижной нарушается. Мертвая точка соответствует такому положению рычагов, когда прямые линии 
и 
, соединяющие оси вращения, совпадают по направлению друг с другом. Автомат немедленно отключается за счет действия возвратной пружины 2, независимо от того, воздействует ли включающая сила на приводную систему автомата или нет.
Механизм свободного расцепления предотвращает возможность следующих друг за другом циклов “отключения-включения” автомата (“прыгание автомата”) при возможном включении его на существующее в цепи короткое замыкание. Представим себе, что при соприкосновении контактов включающегося автомата по цепи пройдет ток короткого замыкания. В этом случае максимальный расцепитель 1 сработает и переведет рычаги механизма свободного расцепления 4 и 5 вверх за мертвую точку. Автомат отключится и больше не включится, так как механическая связь между включающей силой и подвижной системой автомата нарушена. Если бы не было механизма свободного расцепления, то после автоматического отключения автомата последовало бы его немедленное повторное включение под воздействием силы включающего устройства, которая к этому времени могла оказаться неснятой. Произошли бы быстро следующие друг за другом многократные отключения и включения автомата в тяжелом режиме короткого замыкания, что может привести к разрушению автомата.
При отключении автомата первыми размыкаются главные контакты 7 и 11, и весь ток перейдет в параллельную цепь дугогасительных контактов 8 и 10 с накладками из дугостойкого материала. На главных контактах дуга не должна возникать, чтобы эти контакты не обгорали. Дугогасительные контакты размыкаются, когда главные контакты расходятся на значительное расстояние. На них возникает электрическая дуга, которая выдувается вверх и гасится в дугогасительной камере 9.
При включении автомата первыми замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные. Возможная из-за вибрации контактов электрическая дуга возникает и гасится лишь на дугогасительных контактах.
Быстродействующие автоматы предназначаются для защиты установок постоянного тока (транспортные, преобразовательные). Их собственное время срабатывания – доли миллисекунды, обычных автоматов – десятые доли секунды.
Быстрое размыкание контактов при возникновении аварийного режима в сети определяет характерную особенность этих автоматов. Сопротивление рано появляющейся на контактах электрической дуги, включенное последовательно в отключаемую цепь, ограничивает ток короткого замыкания, не давая ему, возрасти до установившегося значения. Быстродействие аппарата достигается применением поляризованных электромагнитных устройств в приводе, интенсивных дугогасительных устройств, магнитных систем, в которых изменяющиеся магнитные потоки не сцепляются с замкнутыми обмотками и проходят по шихтованной части магнитопроводов (борьба с замедляющим влиянием вихревых токов) и т.д., а также максимальным упрощением кинематической схемы аппарата и ликвидацией промежуточных звеньев между измерительным органом (расцепителем) и контактами.
РАСЦЕПИТЕЛИ АВТОМАТОВ
Расцепители в автоматах являются измерительными органами. Они контролируют величину соответствующего параметра защищаемой цепи и дают сигнал на отключение автомата, когда он достигает заданного значения, называемого уставкой (ток срабатывания, напряжения срабатывания и т.д.). В расцепителях предусмотрены возможности регулирования уставки в достаточно широких пределах. Это необходимо для осуществления селективной (избирательной) защиты электрической сети, в которую включен автомат.
Селективность защиты достигается прежде всего за счет разного времени срабатывания предыдущей и последующей ступени защиты. Разница во времени срабатывания этих ступеней называется ступенью селективности во времени. Существует также ступень селективности по току.
В разветвленной сети нарастание выдержки времени от одной ступени защиты к другой может привести к недопустимо большой величине этой выдержки на последних ступенях защиты. Длительное протекание большого тока короткого замыкания (10 кА) может привести к недопустимому нагреву проводов в цепи. Поэтому при больших токах целесообразно осуществлять мгновенное отключение автомата (расположенного близко к месту которого замыкания) при помощи расцепителя токовой отсечки.
На величину тока кроме электромагнитного может реагировать тепловой расцепитель, устройство которого аналогично тепловому реле. Этот расцепитель не используется для защиты от токов короткого замыкания, так как он создает при этом недопустимо высокие выдержки времени, однако позволяет получить необходимые в эксплуатацонных условиях большие выдержки времени при токах перегрузки. Тепловым расцепителям свойственны недостатки: их защитные характеристики (зависимость времени срабатывания от тока) нестабильны и меняются с температурой окружающей среды; время возврата расцепителя в исходное положение после срабатывания велико.
В автоматах применяются также расцепители минимального напряжения, подающие команду на отключение автомата при понижении напряжения ниже заданного уровня. Такие расцепители обычно строятся на электромагнитном принципе. При понижении напряжения ниже заданного уровня электромагнитная сила оказывается меньше силы возвратной пружины. Якорь электромагнита отпускается и через промежуточное звено (валик) воздействует на защелку автомата, в результате чего последний отключается.
В отличие от электромагнитного полупроводниковые расцепители, которые широко применяются в последнее время, не имеют такого большого количества подвижных механических элементов. Но главные их преимущества заключаются в улучшении эксплуатационных характеристик: широкие диапазоны регулирования токов и времени срабатывания, что позволяет унифицировать изделия и выпускать меньшую их номенклатуру, более тонкая и точная регулировка времени срабатывания при больших токах короткого замыкания и т.д. В измерительных органах таких расцепителей применяются трансформаторы тока, а одним из основных узлов у них является узел выдержки времени. В их состав входит также выходное реле, передающее сигнал на отключающий электромагнит. Выдержка времени в таких расцепителях осуществляется за счет применения контуров RC в цепях управления транзисторами и применения магнитных накопителей и бесконтактных счетчиков импульсов.
БЕЗДУГОВЫЕ КОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ
Цепь переменного тока можно отключить без образования электрической дуги, если развести контакты с достаточной скоростью непосредственно перед переходом тока через нулевое значение. В это время электромагнитная энергия, запасенная в цепи, приближается к нулю.
Рисунок Полуволна тока
На рисунке изображена полуволна переменного тока. Если точка А соответствует моменту размыкания контактов и образования дуги, то дуга в этом полупериоде будет гореть в течение времени 
. За это время через неё пройдет количество электричества, определяемой площадью 
, и выделенная в дуге энергия будет относительно большой. Когда же контакты аппарата разомкнутся непосредственно перед переходом тока через нуль (точка В), в дуге выделится значительно меньшая энергия, так как время её существования 
и мгновенные значения токов будут значительно меньше. Когда контакты аппарата расходятся перед переходом тока через нуль, количество электричества в стадии газового разряда определится площадью 
и дуговой столб не успевает накопить в своем объеме значительный запас тепловой энергии. Это тепло быстро рассеивается вблизи перехода тока через нуль, а восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка приобретает высокие значения и быстро нарастает во времени. Создаются условия, при которых дуга гаснет, не успев развиться. Отключение цепи переменного тока становиться практически бездуговым.Отключающие аппараты с фиксированным моментом расхождения контактов непосредственно перед нулевым значением переменного тока принято называть синхронными выключателями.
Основная трудность при создании синхронных выключателей заключается в достижении необходимой точности срабатывания аппарата непосредственно перед нулем тока и в разведении контактов на необходимое изоляционное расстояние за очень малое время, предшествующее переходу тока через нуль. Чтобы преодолеть эти трудности искусственно растягивается пауза тока до одного полупериода (
с при 
) с помощью диодов.
КОМАНДОАППАРАТЫ И НЕАВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
К командоаппаратам относятся путевые и конечные выключатели, кнопки управления, многоцепные аппараты – ключи управления и командоконтроллеры, многочисленные пары контактов которых коммутируются в определенной последовательности при повороте рукоятки из одного положения в другое.
Путевые и конечные выключатели осуществляют коммутацию цепей управления и автоматики на заданном участке пути, проходимом управляемым механизмом. Конечные выключатели устанавливаются, например, в механизмах подъемно-транспортных устройств, в суппортах металлорежущих станков. В первом случае они ограничивают высоту подъема грузов, во втором – ход суппорта, подавая в конце контролируемого хода механизма сигнал на отключение двигателей (а в подъемниках также сигнал на срабатывание тормозного электромагнита).
Командоконтроллер – многопозиционный аппарат, управляющий катушками контакторов, главные контакты которых включены в силовые цепи электрических машин, трансформаторов и резисторов. Контроллер – это также многопозиционный аппарат, предназначенный для управления электрическими машинами и трансформаторами путем коммутации непосредственно силовых цепей обмоток машин, трансформаторов, а также резисторов. С помощью контроллеров (и командоконтроллеров) могут осуществляться пуск, регулирование скорости, реверсирование и остановка двигателей.
Пакетные выключатели – аппараты закрытого типа. Дуга возникает и гасится в ограниченном объеме, в результате давление в этом объеме повышается. С повышением давления сопротивление дуги и напряжение на ней возрастают. Физически это объясняется тем, что с повышением давления уменьшаются расстояния, на которых взаимодействуют элементарные частицы газа. Это приводит, во-первых, к усилению интенсивности теплообмена между частицами газа и улучшению условий теплопередачи от дуги и, во-вторых, к уменьшению длины свободного пробега электронов в газе. При прочих равных условиях это снижает интенсивность процессов ионизации, так как электрон на меньшей длине свободного пробега способен приобрести меньшую энергию, двигаясь в электрическом поле. Это приводит к росту сопротивления и напряжения дуги.
