Воздушные автоматические выключатели (автоматы) предназначены для нечастых включений и отключений электрической цепи вручную и для автоматического размыкания цепи при коротком замыкании и перегрузках.
Промышленностью выпускают автоматы различных типов. В условиях строительных организаций наибольшее применение имеют так называемые установочные автоматы серий А-3100 и АП-50.
Автоматы А-3100 выпускают для работы в цепях переменного тока напряжением до 500 В и постоянного до 220 В, двух-и трехполюсные (автоматы на ток до 60 А выпускают однополюсные). Представление об их устройстве дает рис. 12.7.
Механизм, с помощью которого происходит замыкание и размыка ние цепи тока в автомате, называют расцепителем. Контактная часть расцепителя автомата А-3100 показана на рис. 12.7, б, в в отключенном и включенном положении. Включение автомата производят только вручную поворотом рукоятки вверх (после автоматического отключения рукоятка сначала повертывается вниз — механизм взводится, а потом вверх), а отключение может выполняться и вручную (поворотом рукоятки вниз), и автоматически. При этом расцепитель снабжен такой системой рычагов (механизм свободного расцепления), что в случае включения автомата вручную при наличии в цепи короткого замыкания автомат отключается, несмотря на то что рукоятка удерживается рукой во включенном положении. Все операции по включению и отключению совершенно безопасны: механизм автомата помещен в закрытый пластмассовый кожух с выведенным наружу концом рукоятки.
Рис. 12.7. Установочный автомат серии А-3100 на 100 А:
а — отключен автоматически; б — расцепитель в положении «взведен» или отключен вручную; в — расцепитель в положении «включен»; 1 — пластмассовый корпус; 2 — крышка; 3 — неподвижный контакт; 4 — подвижный контакт; 5 —рукоятка; 6 — рычаг расцепителя; 7 — рейка с выступом; 8 — поворотная рейка; 9 — пружина; 10 — неподвижная ось; 11 — электромагнит; 12— якорь электромагнита; 13 — тепловой биметаллический элемент; 14 — стальные пластины дугогасительной камеры; 15, 16 — зажимы для подвода проводов
Расцепители автоматов А-3100 могут быть трех типов:
а) электромагнитный, осуществляющий мгновенное отключение аппарата при достижении током определенной величины;
б) тепловой, осуществляющий защиту от токов перегрузки с обратно зависимой от тока выдержкой времени — чем больше перегрузка, тем скорее отключится аппарат;
в) комбинированный, имеющий электромагнитный и тепловой элементы. Таким комбинированным расцепителем и снабжен автомат, изображенный на рис. 12.7.
Действие электромагнитного элемента расцепителя основано на известном свойстве электромагнита с различной силой притягивать стальной сердечник в зависимости от величины тока, обтекающего обмотку электромагнита.
Действие теплового элемента расцепителя основано на свойстве биметаллической (т. е. двухслойной, составленной из двух различных металлов и сплавов) пластинки изгибаться при нагреве. При изготовлении биметаллических пластинок для данной цели выбирают металлы или сплавы с различными коэффициентами линейного расширения при нагреве. Для слоя с малым коэффициентом расширения обычно применяется специальный железоникелевый (с добавкой марганца и меди) сплав инвар; для другого слоя используется латунь, никель, сталь и др. При нагреве такая пластинка изгибается в сторону слоя с малым коэффициентом линейного расширения.
Для обеспечения быстрого погасания электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, автомат снабжен на каждую фазу специальной камерой, состоящей из металлических стальных пластин 14, укрепленных в каркас из листовой фибры. Подвод проводов к автомату производится к зажимам 15 и 16.
Автоматы серии А-3100 выпускают пяти величин на номинальные токи от 15 до 600 А. Для защиты электроустановок трехфазного тока, в том числе асинхронных электродвигателей, целесообразно применять трехполюсные автоматы с комбинированными расцепителями, так как они мгновенно отключают токи короткого замыкания, а при перегрузках работают с выдержкой времени. Применение автоматов исключает работу электродвигателей на двух фазах.
Устройство автоматов серии АП-50 близко к рассмотренному выше. Они в отличие от автоматов серии А-3100 регулируют уставки тока срабатывания. Выпускают их на номинальные токи от 1,6 до 50 А.
Для защиты электросетей в жилых домах и общественных зданиях взамен пробочных плавких предохранителей изготовляют бытовые автоматы типа АБ-25 на напряжение 220 В и номинальные токи 15, 20 и 25 А.
Аппарат дистанционного действия, который служит для частых включений и отключений под нагрузкой электрической силовой цепи, называют контактором. Эти контакторы широко применяют для автоматического и полуавтоматического управления электродвигателями. Кроме включения и отключения, они осуществляют также нулевую защиту двигателей — отключаются при исчезновении напряжения в питающей сети, без самостоятельного включения при повторной подаче напряжения. По принципу действия контактор представляет собой электромагнитный выключатель с контактами, управляемыми электромагнитом.
Рис. 12.8. Трехполюсной контактор переменного тока:
1 — катушка электромагнита; 2 — сердечник электромагнита; 3 — якорь; 4 — валик; 5 — подвижные главные контакты; 6 — неподвижные главные контакты; 7 — замыкающие блок-контакты; 8 — размыкающие блок-контакты; 9 — дугогасительная камера (со второй и третьей фазы камеры сняты)
Основными частями контактора являются: магнитная система; втягивающая обмотка (катушка); дугогасительная камера; главные контакты; вспомогательные контакты (блок-контакты). Главные контакты осуществляют переключения в силовых цепях, а блок-контакты — в цепях управления и сигнализации.
Те и другие контакты могут быть замыкающими (сокращенно обозначаются з. к. и з. б. к.) и размыкающими (р. к. и р. б. к.) Замыкающим называется такой контакт, который при отсутствии напряжения на катушке контактора (а следовательно, и тока в ней) находится в открытом, не замкнутом положении и замыкается при подаче напряжения на катушку контактора. Размыкающим называется такой контакт, который, наоборот, находится в замкнутом положении при отсутствии тока в катушке контактора и размыкается при подаче напряжения на катушку.
Контакторы изготовляются для работы в цепях как переменного, так и постоянного тока. По конструктивному выполнению их можно подразделить на два основных типа: с качающимся якорем и с прямолинейным ходом якоря.
Представление об устройстве и принципе действия трехполюсного контактора переменного тока с качающимся якорем дает рис. 12.8. При подаче напряжения на катушку электромагнита 1 якорь 3 притягивается к сердечнику электромагнита 2, поворачивая валик 4, с укрепленными на нем подвижными контактами — главными 5 и вспомогательными блок-контактами 7 и 8. При этом главные контакты замыкаются (подвижный контакт 5 замыкается с неподвижным б), замыкающие блок-контакты (з. б. к.) 7 также замыкаются, а размыкающие блок-контакты (р. б. к.) 8 — размыкаются. При размыкании цепи, питающей катушку электромагнита контактора, якорь под влиянием своего веса отпадает, валик с подвижными контактами поворачивается; в результате главные контакты размыкаются, блок-контакты 7 также размыкаются, а блок-контакты 8 замыкаются — контактор отключен. Автоматическое отключение контактора происходит при исчезновении напряжения в сети, а также при понижении его ниже 85% номинального. Быстрое гашение электрической дуги, возникающей при разрыве главных контактов, обеспечивается дугогасительными камерами 9, установленными на каждой фазе (на рис. 12.8 камеры на двух фазах сняты).
На рис. 12.9 показано устройство контактора другого типа с прямолинейным ходом якоря. В этой конструкции электромагнитная система имеет Ш-образную форму. Якорь, притягиваясь к сердечнику и замыкая при этом главные и вспомогательные контакты, преодолевает сопротивление пружин. При снятии напряжения с катушки электромагнита контактора якорь отходит от сердечника и размыкает контакты под действием пружин. Контакты такого типа ПМИ выпускают для работы в сетях трехфазного тока; предназначаются для управления асинхронными двигателями. Имеются аналогичной конструкции контакторы типа КТУ, предназначенные для тяжелых условий работы.
Рис. 12.10. Кнопочная станция
Рис. 12.9. Трехполюсной контактор переменного тока с прямолинейным ходом якоря:
/ — катушки электромагнита; 2 — сердечник электромагнита; 3 — якорь; 4 — изоляционная траверса с контактными мостами; 5 — возвратные пружины; 6 — пластмассовый корпус
Кнопки управления или кнопочные станции применяют для управления контакторами, замыканием и размыканием цепей, питающих током катушки электромагнитов. Для управления электродвигателями больше применяются кнопочные станции из двух и из трех элементов серии КУ. Первая с кнопками «пуск» и «стоп» используется в схемах полуавтоматического пуска и остановки электродвигателей. Вторая (рис. 12.10) с кнопками «вперед», «назад» и «стоп» — в схемах реверсированием (изменением направления вращения) электродвигателей. Выпускают станции и с большим количеством кнопок.
Рис. 12.11. Магнитный пускатель серии П: 1 — контактная система; 2 — электромагнит; 3 — тепловое реле
Магнитный пускатель предназначен для дистанционного пуска и остановки электродвигателя нажатием кнопки управления, а также для автоматического отключения при перегрузках и недопустимом понижении напряжения в сети. Пускатель состоит из трехполюсного контактора (обычно с прямолинейным ходом якоря) и, как правило, двух тепловых реле, осуществляющих тепловую защиту электродвигателя от перегрузок (подобно тепловым расцепителям автоматов). Пускатель, предназначенный не только для пуска, но и реверсирования электродвигателей (называемый реверсивным), имеет два контактора.
На рис. 12.11 представлен общий вид нереверсивного магнитного пускателя серии П. Контакты пускателя — три главных и один блок- контакт размещены в верхней его части. Контактная система в средней ее части приводится в действие якорем (с прямолинейным ходом) электромагнита, смонтированного в нижней части пускателя. Справа и слева от электромагнита размещены тепловые реле. Действие теплового реле основано на том же принципе, что и действие теплового расцепителя автомата, уже рассмотренного (рис. 12.7). Оно состоит из биметаллической пластинки с нагревателем, включаемым в цепь главного тока, и системы рычагов, которые при повороте вокруг неподвижной оси под действием пружины размыкают контакты реле, включаемые в цепь управления контактором пускателя. Схема действия теплового реле показана на рис. 12.12. При прохождении через нагреватель реле тока перегрузки, превышающего номинальный ток на 15—20%, биметаллическая пластинка изгибается*, освобождая при этом рычажки реле. Пружина их поворачивает, контакты реле размыкаются, цепь питания током катушки электромагнита пускателя разрывается, пускатель отключает электродвигатель. Перед повторным включением пускателя необходимо привести тепловые реле в рабочее состояние (вернуть их рычажки в исходное положение с замыканием контактов реле). Это выполняется через 1—2 мин после отключения реле (такое время требуется для остывания биметаллической пластинки) нажатием специальной кнопки, выведенной из кожуха пускателя.
Тепловое реле так же, как тепловой расцепитель автомата, не реагирует на кратковременные пусковые токи электродвигателей. Вместе с тем следует учитывать, что тепловые реле магнитного пускателя, защищая электродвигатель от перегрузки, не защищают его от коротких замыканий. Поэтому последовательно с магнитным пускателем необходимо устанавливать плавкие предохранители.
Рассмотрим управление асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, магнитным пускателем (рис. 12.13).
Для пуска в ход электродвигателя нажимают кнопку «пуск», замыкая ее контакты.
Создается цепь тока: от фазы С через размыкающие контакты кнопки «стоп», замыкающие контакты кнопки «пуск», катушку электромагнитного пускателя ПК, размыкающие контакты тепловых реле 1РТК и 2РТК к фазе А. Якорь контактора пускателя притягивается к сердечнику, замыкая при этом главные контакты П в силовой цепи электродвигателя и блок-контакт ПК1 в цепи управления. Электродвигатель идет в ход. Кнопку «пуск» можно отпустить; она вернется в свое исходное положение, контакты ее разомкнутся, но ток в цепи управления будет по-прежнему проходить через катушку контактора, так как блок-контакт ПК1 теперь замкнутый, создает обход цепи тока (как принято говорить: блок-контакт шунтирует кнопку «пуск»).
Рис. 12.12. Схема действия теплового реле:1 — нагревательный элемент; 2 — биметаллическая пластинка; 3 — рычаг; 4 — пружина; 5 — контакты
* Для теплового реле применяют биметаллическую пластинку, у которой верхний слой из сплава с малым коэффициентом линейного расширения. Поэтому в данном случае она при нагревании изгибается не вниз, как в тепловом расцепителе автомата, а вверх.
Рис. 12.13. Схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с помощью нереверсивного магнитного пускателя
Для остановки электродвигателя достаточно нажать кнопку «стоп». Контакты ее разомкнутся, цепь тока, питающего катушку электромагнита контактора пускателя, разорвется, якорь под действием пружины отойдет от сердечника, разрывая при этом главные контакты и блок- контакт. Электродвигатель остановится. В случае перегрузки работающего электродвигателя тепловые реле 1РТ и 2РТ, нагреватели которых включены в силовую цепь электродвигателя, размыкают свои контакты 1РТК и 2РТК, включенные в цепь управления; контактор пускателя отключается, электродвигатель останавливается. В случае короткого замыкания в электродвигателе мгновенно сгорают плавкие вставки предохранителей Пр, отключая двигатель от сети. Магнитный пускатель отключает также электродвигатель от сети при исчезновении напряжения или понижении его ниже 50—70% номинального (электромагнит контактора при этих условиях не может удержать якорь в притянутом к сердечнику положении).
На рис. 12.14 представлена схема управления электродвигателем при помощи реверсивного магнитного пускателя. Как уже отмечалось, такой пускатель имеет два контактора: один для пуска электродвигателя «вперед» (т. е. с вращением, положим, по часовой стрелке),
Рис. 12.14. Схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с помощью реверсивного пускателя
другой для пуска «назад» (с вращением в другую сторону — против часовой стрелки). Кнопочная станция состоит из трех кнопок: «вперед», «назад», «стоп». Схема аналогична рассмотренной выше для нереверсивного пускателя. Разница состоит только в том, что каждый контактор имеет 2 блок-контакта; назначение первого из них, с замыкающим контактом, то же, что и у нереверсивного пускателя — шунтирование кнопок, осуществляющих пуск электродвигателя (в данном случае это кнопки «вперед» и назад»). Второй же блок-контакт с размыкающим контактом служит для предотвращения ошибок в управлении двигателем ' (как принято говорить — для блокировки). Для этой цели блок-контакт ВК2, принадлежащий контактору В (вперед), включен, как видно по схеме, в цепь управления контактором Н (назад) и, наоборот, контакт НК2, принадлежащий контактору Н, включен в цепь управления контактором В. Такая блокировка работает следующим образом. При пуске электродвигателя «вперед» нажатием соответствующей кнопки управления включают контактор В и размыкают при этом блок-контакт ВК2. Если далее при работающем «вперед» электродвигателе по ошибке (положим вместо кнопки «стоп») нажать кнопку «назад, контактор Н не включится, так как его цепь управления разорвана блок-контактом ВК2. То же самое выполняет и блок-контакт НК2 при работе электродвигателя «назад».
