§ 52. АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Электрическими аппаратами называются устройства, предназначенные для управления, регулирования и защиты электроустановок. Некоторые из этих аппаратов, используемых в СЭС, рассматривались в § 33. К пускорегулирующим аппаратам электроприводов относятся контакторы, контроллеры, реле, командоконтроллеры, конечные и путевые выключатели, реостаты.
Основными аппаратами современных схем управления электропривода являются контакторы и реле.
Контактор.
Аппарат дистанционного действия, предназначенный для частых включений и выключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы, называется контактором. В настоящее время существует очень много контакторов различных конструкций, однако принцип действия их аналогичен.
При протекании тока по электромагнитной катушке 6 (рис. 129) возникает магнитный поток Ф, который, замыкаясь через магнитопровод (сердечник) 5, якорь 3 и воздушный зазор, создает усилие, притягивающее якорь. Главные контакты 1 замыкаются, а отключающая пружина 4 сжимается. Подвижный контакт соединяется с якорем нежестко, и пружина 2 обеспечивает определенную амортизацию замкнутых контактов, предотвращая их кратковременное размыкание при ударах, вибрации и тряске.
Рис. 129. Контактор
Любой контактор состоит из электромагнитной и контактной систем и дугогасительного устройства.
Электромагнитная система включает катушку с магнитопроводом, якорь и отключающую пружину. Магнитопровод контакторов постоянного тока выполняют из литой стали, а контакторов переменного тока — из листовой. Существуют контакторы с поворотной и с прямоходовой магнитными системами.
Индуктивное сопротивление катушки контактора переменного тока сильно зависит от величины воздушного зазора между магнитопроводом и якорем. Вследствие этого ток в катушке в первый момент включения в 10—15 раз больше тока, который будет протекать по катушке после притягивания якоря. Такие броски тока при частых включениях разогревают катушку, и если якорь по какой-либо причине не притянется или притянется недостаточно плотно, то обмотка катушки быстро перегорит.
Магнитный поток, а следовательно, и притягивающее усилие контактора переменного тока остаются примерно постоянными до и после притягивания якоря.
Ток в катушке контактора постоянного тока не зависит от того, притянут якорь или нет. Поэтому такие контакторы допускают значительно большее число включений в час, чем контакторы переменного тока. После притягивания якоря у контакторов постоянного тока резко увеличиваются поток и притягивающее усилие, а ток в катушке становится излишне большим. Для уменьшения тока иногда в схемах применяют добавочный (экономический) резистор, который вводят последовательно с катушкой контактора после его срабатывания собственным вспомогательным контактом контактора.
Контактная система включает главные контакты, предназначенные для замыкания и размыкания силовых цепей (на рис. 129 показана одна пара контактов), и вспомогательные контакты, которые служат для замыкания цепей управления и сигнализации. Как главные, так и вспомогательные контакты делятся на две группы: замыкающие и размыкающие. При отключенной катушке электромагнита и отпущенном якоре замыкающие контакты находятся в разомкнутом состоянии, а размыкающие — в замкнутом.
Важнейшей характеристикой контактов является переходное сопротивление, т. е. сопротивление в месте соединения контактных поверхностей. Дело в том, что как бы тщательно ни обрабатывались контактные поверхности, какую бы форму они ни имели, соприкосновение их все равно происходит в отдельных точках. Этим объясняется наличие относительно большого переходного сопротивления контактов, которое выражается формулой
где ε — величина, зависящая от материала контактов, способа обработки и состояния контактных поверхностей; Р — усилие, сжимающее контакты; п — показатель степени, зависящий от числа контактных точек.
Для медных контактов, например, только что обработанных на станке и шлифным напильником, ε=1·10-4 Ом-кг, а для латунных ε=6,7·10-4 Ом-кг. Значения ε, а следовательно, и Rп зависят от окисления контактных поверхностей, особенно у контактов из материала, окислы которого обладают плохой электропроводностью. Например, у медных контактов, находящихся в открытом положении, переходное сопротивление через несколько дней возрастает в несколько тысяч раз.
Увеличение сжимающего усилия в определенных пределах способствует снижению Rn, но чрезмерное сжатие не дает должного эффекта и приводит к значительному увеличению размеров контактора.
Показатель степени п для одноточечных контактов принимается равным 0,5, а для многоточечных — не более 0,7—1. Это говорит о том, что увеличение размеров контактных поверхностей также относительно мало влияет на переходное сопротивление.
Правильный уход за контактами во многом определяет надежную работу электрооборудования. Главные контакты контакторов категорически запрещается шлифовать, так как при шлифовке число контактных точек уменьшается, а сами они делаются пологими и мало поддаются смятию. Контактные поверхности лучше всего обрабатывать напильником. При этом увеличивается число контактных точек, они делаются крутыми и легко сминаются, что приводит к уменьшению переходного сопротивления.
В качестве материала контактов чаще всего применяют медь, серебро (контактные наплавки), металлокерамику.
Дугогасительное устройство (рис. 130) служит для гашения электрической дуги, которая возникает при размыкании главных контактов под током. Наличие дуги крайне нежелательно по двум причинам: дуга вызывает сильное обгорание контактов; пока горит дуга, электрическая цепь не разомкнута.
Электрическая дуга — это не что иное, как электрический ток (электрический разряд) в сильно ионизированном воздушном промежутке между контактами. Ионизация воздуха при размыкании контактов происходит вследствие термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии и ионизации толчком, а затем поддерживается термической ионизацией, поскольку температура ствола дуги превышает 7000°С.
Рис. 130. Дугогасительное устройство контактора
Наряду с ионизацией в стволе дуги протекает обратный процесс — деионизация, увеличивающая число нейтральных частиц, — рекомбинация и диффузия. Рекомбинацией называется соединение положительно заряженной частицы с электроном и образование нейтрального атома. Рекомбинация хорошо развивается при наличии промежуточногб тела (стенки дугогасительной камеры), когда оно заряжается электронами отрицательно, а положительные ионы, соприкасаясь с ними, нейтрализуются. Кроме того, заряженные частицы непрерывно покидают ствол дуги, уходя в окружающее пространство, а нейтральные частицы, наоборот, приходят в ствол дуги. Этот процесс, называемый диффузией, усиливается в случае обдувания дуги воздухом или при быстром перемещении ее в неподвижном воздухе.
В контакторах постоянного тока и в автоматических воздушных выключателях на дугу воздействует магнитное поле, созданное специальной катушкой 1 (см. рис. 130), которая включена последовательно в цепь отключаемого тока. При взаимодействии тока в дуге с магнитным полем возникает сила, которая, заставляет дугу быстро перемещаться вверх по дугогасительным рогам 2, размещенным в узкой щели дугогасительной камеры 3. Быстрое перемещение дуги и соприкосновение ее со стенами камеры усиливают процессы деионизации ствола дуги, что способствует ее быстрому гашению.
Щель дугогасительной камеры иногда делят металлическими изолированными друг от друга перегородками (решеткой), которые дробят дугу на более мелкие дуги. Это приводит к увеличению общего падения напряжения на ней и, следовательно, к ухудшению условий ее горения.
Гашение дуги в контакторах переменного тока облегчается тем, что ток дуги через каждый полупериод проходит через нуль и дуга в это время гаснет. Задача дугогасительного устройства в этом случае сводится к тому, чтобы не допустить возникновения дуги вновь. Обычно в контакторах переменного тока магнитное поле для гашения дуги не применяют, но обязательно используют дугогасительные камеры, иногда с металлической решеткой.
Реле.
Аппарат, который замыкает или размыкает соответствующую электрическую цепь при изменении той величины, на которую он предназначен реагировать, называется реле. Режим работы любого реле поясняется диаграммой нс рис. 131. Буквой х обозначена величина, на которую реагирует реле (входной параметр), а у — величина, которая изменяется в результате срабатывания реле (выходной параметр).
Диаграмму можно пояснить следующим примером. Нагревательное устройство должно поддерживать температуру в пределах от х1 до х2. При увеличении температуры до х2 срабатывает температурное реле, которое своими контактами включает в цепь нагревательного элемента дополнительный резистор. В результате суммарное сопротивление нагревателя увеличивается до у2, количество выделяемого тепла уменьшается, а значит, начинает, уменьшаться температура х. При снижении температуры до х1 температурное реле отключается и шунтирует добавочный резистор. Суммарное сопротивление цепи нагревателя уменьшается до уь а выделяемое количество тепла возрастает.
Электромагнитные реле по принципу действия не отличаются от контакторов. Различие состоит в конструкции и назначении электромагнитных катушек, которых у реле может быть одна или более. Контакты реле рассчитаны на замыкание и размыкание только цепей управления, поэтому дугогасительные устройства у них отсутствуют.
В электрооборудовании судов применяют электромагнитные реле максимального тока, обратного тока, минимального напряжения, максимальной и обратной мощности, времени.
В электромагнитных реле времени (рис. 132) для получения выдержки времени при замыкании или размыкании контактов применяют медную демпферную гильзу 2, расположенную на магнитопроводе (сердечнике) 8. При включении катушки 9 якорь 5 притягивается без выдержки времени, а контакты 10 замыкаются. При отключении катушки ток, а значит и поток, созданный этим током, исчезают. По закону электромагнитной индукции в медной гильзе индуктируется э. д. с. и потечет ток, который вызовет свой поток, замыкающийся по магнитопроводу и якорю. Этот поток создает дополнительное усилие, удерживающее якорь. Пружина 3 отключит якорь после того, как поток, созданный током гильзы, затухнет.
Остальные позиции на рисунке: 1 — силуминовое основание; 4 — упорная скоба с винтом; 6 — немагнитная прокладка; 7 — тяга.
Такой способ получения выдержки времени (обычно не более 3 с) применяется в контакторах и реле, у которых электромагнитная катушка питается постоянным током. Для получения большей выдержки времени применяют различные механические замедлители движения якоря, например анкерное устройство часового механизма.
Реле минимального напряжения отличается от электромагнитного реле времени только отсутствием медной гильзы.
У реле максимального тока катушка включается последовательно в силовую цепь главного тока, поэтому ее делают из толстого провода с малым числом витков.
У реле обратного тока, максимальной и обратной мощности по две катушки, одна из которых включается последовательно в цепь главного тока, а другая — параллельно.
Рис. 132. Электромагнитное реле времени
Кроме электромагнитных, на судах широко распространены реле, которые реагируют на давление, уровень жидкости, температуру, частоту вращения и т. д. У .чувствительного органа этих реле обычно имеется механическое устройство, замыкающее или размыкающее контакты электрической цепи. Чувствительным органом, например, реле давления является мембрана с пружиной, воспринимающая контролируемое давление, у реле уровня жидкости — это поплавок.
Для защиты электродвигателей oт перегрузки во всех электроприводах применяют тепловые реле. Чувствительным элементом их является биметаллическая пластина, обогреваемая теплом, которое выделяется при протекании контролируемого тока: прогибаясь, она воздействует на контакт электрической цепи.
Контакторы и реле используют для дистанционного и автоматического управления электроприводами и для защиты электроустановок. Ручное управление осуществляется при помощи кнопок, контроллеров, командоконтроллеров, пусковых и регулировочных реостатов.
Контакты контроллера служат для замыкания и размыкания силовых электрических цепей, поэтому они снабжены такими же дугогасительными устройствами, что и контакты контакторов. Контакты приводятся в действие кулачковыми шайбами различной формы, расположенными на общем валу. Контроллеры имеют от трех до тринадцати положений. В электроприводе брашпиля на судах типа «Андижан» контроллеры имеют по шесть положений «выбирать» и «травить» и одно нейтральное.
Командоконтроллеры отличаются от контроллеров только тем, что их контакты рассчитаны на замыкание цепей управления и, значит, не имеют дугогасительных устройств. Обычно они служат для включения катушек контакторов, реле, цепей возбуждения двигателей в схемах пуска, регулирования частоты вращения, реверсирования и торможения электроприводов.
Все рассмотренные аппараты коммутируют электрическую цепь при помощи контактов, в основе работы которых лежит механическое движение. Самая совершенная конструкция этих устройств не может исключить естественного износа и эксплуатационной неисправности или поломки всего аппарата, и особенно его контактов. В наиболее трудных условиях работают силовые контакты, размыкающие электрическую цепь под током. Они подвергаются воздействию электрической дуги и значительным статическим и динамическим нагрузкам. Практика показывает, что большинство отказов в электроустановках приходится на контактные аппараты управления и регулирования. Поэтому надежность электроустановок, в том числе электроприводов, можно существенно повысить заменой контактной аппаратуры на бесконтактную.
Бесконтактные аппараты.
Основу любого бесконтактного аппарата составляет элемент (или устройство), способный коммутировать электрическую цепь без ее механического разрыва. Такими устройствами являются магнитные усилители, электронные, ионные или полупроводниковые приборы. Среди полупроводниковых приборов наибольший интерес представляют тиристоры, которые в принципе являются переключающими. Кроме того, современные тиристоры позволяют коммутировать практически любые точки и напряжения, возможные в СЭЭС.
Пример использования тиристоров для бесконтактной коммутации электрической цепи постоянного тока рассмотрен в предыдущем параграфе (см. рис. 124). Здесь главная проблема заключается в запирании тиристора, для чего в схему вводятся дополнительные элементы Тк, Lк, Ск, Дк. В цепях переменного тока такой проблемы нет, потому что при отсутствии сигнала управления тиристор запирается естественным образом в момент прохождения тока через нуль. Открыть же тиристор в простейшем случае можно, подав положительный потенциал напряжения сети на управляющий электрод тиристора.
На рис. 133, а приведена схема тиристорного контактора, который служит для частых подключений потребителя Ζн к однофазной сети переменного тока. Основными элементами здесь являются два силовых тиристора Т1 и Т2, включенные встречно параллельно друг другу.
Рис. 133. Схема одно- и трехфазного тиристорных контакторов
В положительный полупериод напряжения сети ток проводит тиристор Т1, в отрицательный — тиристор Т2. При этом управляющие сигналы проходят по цепям: для тиристора Т1 — плюс диод Д1, контакт К, ограничительный резистор УЭ тиристора Τ1, катод тиристора Т1, минус; для тиристора Т2 — плюс диод Д2, резистор Rб, к, УЭ тиристора Т2, катод тиристора Т2, минус. Размыкание контакта к приводит к закрытию тиристоров и отключению потребителя. Ток управления, протекающий через контакт к, обычно не превышает нескольких миллиампер. Понятно, что роль этого контакта может выполнять транзистор.
На рис. 133, б приведена схема трехфазного тиристорного контактора, который используют для подключения к сети, например асинхронного двигателя АД. Схема управления тиристорами может быть столь же простой, что и на рис. 133, а. Вместе с тем тиристорный контактор способен выполнять и более сложные задачи, чем включение и выключение потребителя. Например, он может регулировать напряжение или ток нагрузки по определенному закону. В этом случае схема управления должна вырабатывать управляющие импульсы и регулировать, их временную задержку, подобно тому как это делается в управляемом выпрямителе.
