Электрической энергии

Аппаратура управления и защиты приемников

Аппараты управления предназначены для размыкания и замыкания электрических цепей. По принципу действия они подразделяются на контактные и бесконтактные. В отечественном оборудовании предприятий общественного питания, в основном, используются контактные аппараты управления.

Место перехода тока из одной токоведущей детали в другую называют электрическим контактом. Контакты электрических цепей могут быть подразделены на три группы: неразмыкаемые, коммутирующие (замыкаемые и размыкаемые) и скользящие. Коммутирующие контакты бывают рычажные, мостиковые, врубные, розеточные и роликовые. Наибольшее распространение в аппаратуре предприятий общественного питания получили мостиковые контакты.

К аппаратам управления предприятий общественного питания относятся: рубильники, кулачковые и пакетные выключатели и переключатели, автоматические выключатели, магнитные пускатели (контакторы), электромагнитные реле, реостаты, кнопки управления, путевые и конечные выключатели.

Рубильники – предназначены для редких замыканий и размыканий электрических цепей без нагрузки (без тока). Они служат, в основном, для образования видимого разрыва и бывают одно-, двух- и трехполюсные на напряжение до 500 В и на ток от 5 до 1000 А.

Пакетные и кулачковые выключатели и переключатели предназначены для редких замыканий и размыканий электрических цепей с током. Они бывают одно-, двух- и трехполюсные на напряжение до 380 В и на ток 10…225 А. Кроме того, переключатели дополнительно различаются по количеству направлений (2,3 и т.д.).

Автоматические выключатели предназначены для редких замыканий и размыканий электрических цепей под нагрузкой. Если в них устанавливаются тепловые или электромагнитные расцепители, то они дополнительно служат для защиты от различных перегрузок.

Контакторы предназначены для частых замыканий и размыканий силовых электрических цепей под нагрузкой и защиты от пониженных напряжений и повторных включений.

Магнитные пускатели по существу представляют собой контакторы, предназначенные для коммутации двигателей на переменном токе. Нередко в магнитные пускатели встраиваются тепловые реле, а иногда в них устанавливается два контактора.

Электромагнитные реле по устройству и принципу действия аналогичны контакторам и, в основном, являются усилителями, выполняющими роль промежуточного звена между цепями слабого и значительного тока.

На электромагнитном принципе выполняются реле тока (максимального и минимального), напряжения (максимального и минимального), а так же промежуточные, сигнальные и др., применяемые в качестве реле защиты, управления и автоматики.

Реостаты предназначены для ступенчатого или плавного регулирования неиндуктивного сопротивления.

Кнопки управления предназначены, в основном, для замыкания и размыкания цепей катушек электромагнитных аппаратов. Они бывают одно- и двухпозиционные на напряжение до 500 В.

Путевые и конечные выключатели предназначены для переключения в цепях управления на заданном участке пути, проходимым управляемым механизмом, или ограничения перемещения.

Для защиты электрических сетей и электрооборудования (потребителей) от токов перегрузки и короткого замыкания применяют плавкие предохранители, автоматические предохранители (АП) и тепловые реле. Большие токи перегрузок и короткого замыкания в основном возникают в цепи когда сопротивление ее оказывается намного меньше номинального сопротивления (стремится к нулю). Причинами этого могут быть повреждения электроизоляции, перегрузка двигателя при остановке ротора. Под действием этих токов за короткое время выделяется такое количество тепла, которое перегревает провода и обмотки выше критической для изоляции температуры. Если не обеспечить своевременное отключение питающей цепи, то произойдет воспламенение изоляции и расплавление проводов. Защита от тока короткого замыкания необходима во всех видах электрических цепей.

В тех электрических цепях, где возможно небольшое увеличение тока выше номинального, необходимо устанавливать защиту oт небольших, но длительных перегрузок. Так, сила тока электродвигателя зависит от нагрузки на его валу. В случае перегрузки двигателя ток в его обмотках превысит номинальный, что может привести к перегреву изоляции обмоток и питающих проводов.

Для защиты электрических цепей от больших токов и токов короткого замыкания применяют плавкие предохранители или автоматические предохранители с электромагнитными расцепителями.

В качестве аппаратуры защиты от небольших, но длительных перегрузок используют тепловые реле или автоматические предохранители с тепловыми расцепителями. Для защиты от токов короткого замыкания и небольших, но длительных перегрузок применяют автоматические предохранители с комбинированными расцепителями.

Пакетные и кулачковые выключатели и переключатели

В электрических кухонных плитах, жарочных и пекарских шкафах, мармитах и других аппаратах применяются однофазные кулачковые переключатели типа ТПКП (теплостойкий переключатель кухонных плит). Они имеют четыре позиции (0, 1, 2, 3), соответствующие отключенному положению, слабой, средней и сильной ступеням нагрева.

На рис. 5.1, а изображена кинематическая схема кулачкового переключателя. Он состоит из шпинделя с поворотной рукояткой, на которой закреплены четыре кулачка и звездочка. Кулачки выполнены из электроизоляционного материала. При повороте шпинделя кулачки в определенной последовательности нажимают своими выступами на толкатели, которые обеспечивают размыкание контактов. Когда над толкателем оказывается впадина кулачка, контакты замыкаются с помощью пружины.

Механизм быстрого расцепления состоит из звездочки, имеющей четыре симметричных выступа, и четырех шариков с прижимными пружинами. Устойчивым положением является то, при котором шарики находятся во впадине звездочки. При повороте рукоятки звездочка своими выступами сначала сжимает пружины, а после перехода через грани выступов силы сжатых пружин обеспечивают быстрый поворот шпинделя. В это время происходит размыкание или замыкание контактов.

Таким образом, скорость переключения контактов не зависит от скорости поворота рукоятки. Контактно-кулачковая группа помещается в корпусе переключателя. Механизм переключения расположен над корпусом со стороны рукоятки.

Электрическая схема кулачкового переключателя представлена на рис. 5.1, б. На схеме соответствующее замыкание контактов переключателя на каждой ступени показано в виде перемычек. Так на 1-й ступени замыкание контактов "Б" и "Г" обеспечивает последовательное соединение сопротивлений R1, R2. На второй ступени замыкание контактов "А" и "Г" обеспечивает включение сопротивления R2; на третьей ступени замыкание контактов "А", "В" и "Г" обеспечивает включение сопротивлений R1 и R2 параллельно.

Кулачковые одно- и трехфазные выключатели двухпозиционные, соответствующие отключенному и включенному положению. По устройству они аналогичны переключателям.

Контакторы

Контактор представляет собой аппарат дистанционного действия с кнопочным или автоматическим управлением. Контакторы могут быть постоянного и переменного тока. Контактор состоит из контактной группы и электромагнитной системы (рис. 5.2).

Контактная группа имеет неподвижные и подвижные контакты, в основном мостикового типа. Причем подвижные контакты жестко соединены с якорем. Количество контактов (открытых, закрытых) зависит от того, для управления какой электрической цепи предназначен контактор.

Кроме основной (силовой) группы контактов, контакторы обычно имеют вспомогательные контакты, предназначенные для использования в цепях управления.

Электромагнитная система состоит из магнитопровода, имеющего подвижную часть, называемую якорем и неподвижную – сердечником, на котором укреплена втягивающая катушка. При подаче напряжения на втягивающую катушку в сердечнике возникает магнитный поток, который притягивает якорь и происходит замыкание силовых контактов. Соответственно потребитель включается под напряжение. При снятии напряжения с катушки якорь под действием пружины отходит от сердечника, что приводит к размыканию силовой цепи. Одновременно происходят соответствующие переключения вспомогательных контактов.

Контакторы переменного тока имеют магнитную систему из листовой трансформаторной стали с поступательным или поворотным движением якоря.

Для устранения вибрации якоря в притянутом положении, возникающей из-за переменного характера магнитного потока, концы сердечника магнитопровода раздваиваются. На одну часть раздвоенного магнитопровода надевается короткозамкнутый виток. В момент уменьшения основного магнитного потока и прохождения его через нулевое значение током индукции витка создается вспомогательный магнитный поток, достаточный для удержания якоря в притянутом положении.

К характеристикам контактора относится коэффициент возврата (К_в), определяющий величину отношения напряжения отпадания (U_отп = 30…70% U_н) к напряжению втягивания (U_вт)

К_{в =} (5.1)

Магнитные пускатели переменного тока различаются по:

а) назначению – нереверсивные и реверсивные;

б) мощности и току;

в) номинальному напряжению;

г) количеству и виду силовых и вспомогательных контактов;

д) исполнению – открытые, защищенные (в кожухе), пылеводозащищенные. У последней группы пускателей тщательно уплотнены места сочленения кожуха с крышкой, а также патрубки, служащие для ввода проводов;

е) наличию и отсутствию тепловой защиты.

Магнитный пускатель с одним контактором называется нереверсивным, а с двумя – реверсивным, т.е. обеспечивающим возможность изменить направление вращения электродвигателя.

Магнитный пускатель обеспечивает защиту электродвигателя от самозапуска, отключение его в случае значительного снижения напряжения. Пускатель, имеющий тепловое реле, обеспечивает так же защиту электродвигателя от небольших, но длительных перегрузок по току.

Принципиальная электрическая схема включения электродвигателя с помощью магнитного пускателя приведена на рис. 5.3.

Схема имеет две основных цепи – силовую и управления. В силовую цепь входят плавкие предохранители и основные (силовые) контакты. В цепь управления – втягивающая катушка, кнопки «Стоп» и «Пуск» и вспомогательный замыкающий контакт БК.

При нажатии на кнопку S2 цепь питания катушки К замыкается и по ней течет ток. При этом в сердечнике возникает магнитное поле и подвижный якорь магнитной системы притягивается к сердечнику, что приводит к замыканию контактов К1, К2, К3 и подключению электродвигателя М к электрической сети. Одновременно замыкается контакт БК, блокирующий кнопку S2.

Для отключения электродвигателя М необходимо нажать на кнопку S1. При этом цепь питания катушки К разрывается и магнитное поле в сердечнике исчезает. Соответственно, якорь под действием пружины отходит от сердечника и контакты К1, К2, К3 и БК размыкаются отключая электродвигатель от электрической сети.

Бесконтактные аппараты управления

В последнее время наметилась тенденция к замене коммутационных электрических аппаратов, осуществляющих видимый на глаз разрыв электрической цепи, так называемыми бесконтактными аппаратами, построенными на базе магнитных усилителей или полупроводниковых элементов. Такие аппараты коммутируют электрическую цепь без образования электрической дуги, что исключает быстрый износ деталей аппарата. Бесконтактные аппараты не имеют подвижных элементов, поэтому в механическом отношении они надежнее контактных аппаратов. Отсутствие подвижной системы и необходимости гасить электрическую дугу обусловливает высокое быстродействие бесконтактных аппаратов.

Однако бесконтактным аппаратам свойственны и определенные недостатки. Они не создают видимого для глаз разрыва электрической цепи и не нарушают полностью гальванической связи между источником тока и потребителем.

Магнитный усилитель может рассматриваться как регулируемое индуктивное сопротивление, включаемое в цепь переменного тока. Изменение индуктивного сопротивления достигается путем создания в сердечнике из магнитопроводящего материала постоянного магнитного потока.

Усилитель представляет собой аппарат, состоящий из замкнутой магнитной системы с двумя (в простейшем случае) обмотками. Одна обмотка, в цепь которой включается нагрузка, питается от сети переменного тока, другая (управляющая) – от источника постоянного тока.

При появлении в управляющей обмотке постоянного тока происходит насыщение магнитной системы. По мере ее насыщения снижается индуктивное сопротивление обмотки переменного тока, а напряжение на зажимах потребителя начинает расти. Такое устройство позволяет при затрате небольшой мощности на входе получать большие изменения мощности на выходе. Срок их службы фактически не зависит от числа включений и ограничивается только старением изоляции и других элементов.

Магнитные усилители не нашли применения в аппаратах предприятий общественного питания за счет их сложности и значительных потерях энергии при больших мощностях потребителей.

Бесконтактные аппараты на тиристорах широко используются в зарубежных тепловых аппаратах для осуществления регулирования мощности.

Тиристоры – управляемые полупроводниковые приборы, предназначенные для бесконтактной коммутации электрических цепей. В отличие от транзистора тиристор может находиться только в двух крайних состояниях проводимости: либо он полностью проводит, либо заперт. Переход в эти состояния обеспечивается соответствующим током управления. Если ток управления отсутствует или слишком мал, тиристор заперт, если ток управления хотя бы кратковременно превысит некоторое критическое значение, тиристор откроется. Если для открытия тиристора достаточно подать положительный импульс тока на управляющий электрод, то для его закрытия необходимо изменить полярность анодного напряжения или снять его.

Простейший вариант принципиальной схемы зависимого управления (электрод управления питается от той же цепи, что и анод тиристора) показан на рис. 5.4. Источником питания в анодной цепи является цепь переменного напряжения. Нагрузочное сопротивление R_н введено в неразветвленный участок цепи.

Ток в цепи управления тиристора V1 появляется тогда, когда ключ S разомкнут. При замкнутом ключе S ток управления проходит через R_у и диод V2, минуя цепь управления тиристора. Диод V2 предупреждает появление в цепи управления отрицательных напряжений, превышающих допустимые.

В настоящее время серийно выпускаются два класса мощных управляемых тиристоров: однопроводящие, работающие в режиме управляемых вентилей, и двухпроводящие (симметричные), обеспечивающие прохождение тока в обоих направлениях при изменении полярности подведенного к ним напряжения.

Плавкие предохранители

Плавкие предохранители предназначены для защиты электрических сетей и потребителей от больших перегрузок и токов короткого замыкания. Отключение цепи осуществляется в результате расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи.

По конструкции плавкие предохранители подразделяются на резьбовые (пробочные) и трубчатые (рис. 5.5). Основной частью плавкого предохранителя является плавкая вставка. В случае короткого замыкания она практически мгновенно нагревается до плавления и разрывает электрическую цепь. В резьбовом предохранителе (рис. 5.5, а) плавкая вставка находится внутри фарфорового корпуса. Концы ее присоединяются к контактному диску и резьбовому патрону. В коробке предохранителя провод от сети присоединяется к центральному контакту, а провод от нагрузки – к боковому контакту. Трубчатый предохранитель (рис. 5, 6) состоит из двух ножевых контактов, к которым присоединяется плавкая вставка, изоляционного патрона и двух обойм. Ножи вставляются в неподвижные контакты, к которым присоединяются питающие провода. У некоторых предохранителей poль ножей выполняют обоймы. Патрон, изготовляемый из фарфора или фибры, иногда заполняют кварцевым песком.

Плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди, серебра и др. Вставки из легкоплавких металлов позволяют иметь невысокую температуру предохранителя, однако обладают относительно малой электропроводимостью и имеют значительные сечения.

Основными параметрами предохранителя являются номинальное напряжение и ток. Номинальное напряжение предохранителя должно быть больше или равно напряжению сети. При эксплуатационных перегрузках предохранитель не должен отключать установку.

Номинальный ток предохранителя должен соответствовать наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая может быть в нем установлена. За номинальный ток плавкой вставки принимается предельное значение рабочего тока, при котором она не плавится. Чем больше ток нагрузки превышает величину номинального тока вставки, тем быстрее она плавится. Экспериментально установлено, что старения плавкой вставки не происходит, если через нее протекает ток, равный по значению половины плавящего тока.

Если пуск двигателя длится 1 с, то в течение этого времени ток, протекающий через вставку, должен составлять не более 0,5 тока плавления вставка. Согласно защитной характеристике (рис. 5.6) вставка предохранителя ПН-2 за 1 с плавится при токе, равном 5I_н. Таким образом, пусковой ток (I_пуск) связан с током вставки (I_пл.вст.) соотношением I_пуск = 0,5ּ5ּI_пл.вст.. Следовательно,

I_пл.вст = (5.2)

Для тяжелых условии пуска (двигатель медленно набирает обороты) или при частом включении двигателя вставка выбирается по формуле

I_пл.вст = (5.3)

Для осветительной нагрузки и электротепловых аппаратов ток плавкой вставки определяется по рабочему (номинальному) току

I_пл.вст = 1,1ּI_раб. (5.4)

Диаметр провода для плавкой вставки может быть определен из следующего выражения

I_пл.вст = , (5.5)

где I_пл.вст – номинальный ток плавкой вставка. А;

d – диаметр вставки, мм;

а – коэффициент, зависящий от материала вставки (для меди а = 80).

Реле максимального тока

Реле представляет собой электромагнит, катушка которого состоит из небольшого числа витков и включается в цепь главного тока последовательно напрямую или через трансформатор тока. Конструктивная схема электромагнитного реле максимального тока приведена в кинематической схеме автоматического предохранителя типа АП50.

Ток срабатывания реле можно регулировать изменением числа витков катушки, силы натяжения пружины, связанной с якорем или величиной зазора между якорем и сердечником магнитопровода. При срабатывании максимальное реле механически или электрически воздействует на отключающий механизм.

Реле напряжения

Реле напряжения отличается от токовых реле в основном числом и сечением витков катушки и включением его параллельно между двумя фазами или фазой и нулевым проводом. Они бывают на максимальное и минимальное напряжение.

Обычно применяются реле минимального напряжения, которые автоматически отключают установку при падении напряжения ниже установленного значения или при его полном исчезновении. В качестве реле напряжения обычно используют реле электромагнитного типа. В магнитных пускателях роль реле напряжения выполняют контакторы.

Тепловое реле

Тепловое реле служит для защиты электрических цепей от небольших, но длительных перегрузок по току. Принцип его действия основан на изгибании биметаллической пластины при нагревании.

Тепловые реле бывают прямого и непрямого действия. В первом случае это тепловые расцепители, действующие непосредственно на контакты силовой цепи. Такие реле входят в автоматические выключатели (предохранители) АП–50, A3I00 и др.

Тепловые реле непрямого действия типа РТ, ТРП, ТРН входят в комплект магнитных пускателей и при срабатывании своими контактами размыкают цепь питания втягивающей катушки, что приводит затем к отключению силовой цепи. На рис. 5.7 приведена кинематическая схема теплового реле непрямого действия типа ТРН (на рис. показан один нагреватель). Реле имеет два нагревательных элемента, включаемых в две фазы цепи. Тепло, выделяемое в них при прохождении тока, передается биметаллическим пластинам. При нагреве пластины изгибаются и через толкатель давят на общий рычаг, конец которого воздействует на защелку, и выводит ее из зацепления с упором регулятора (эксцентрика).

Под действием пружины происходит перемещение штока и размыкание контактов реле. После охлаждения биметаллической пластины нажатием кнопки возврата реле приводится в исходное состояние. Поворотом эксцентрика регулятора можно менять ток срабатывания реле в пределах 5%.

Рычаг, на котором закреплен толкатель, изготовлен из биметалла и имеет противоположное направление изгиба, чем биметаллическая пластина и выполняет роль температурного компенсатора. Тепловые реле характеризуются величиной тока, соответствующей наибольшему номинальному току нагревательного элемента, который может быть в нем установлен. Так в реле ТРН–10 могут быть установлены нагревательные элементы на токи от 0,5 до 10 А, в реле ТРН–25 – от 5 до 25 А, в реле TPH–40 – от 12,5 до 40 А.

За номинальный ток теплового реле принимается максимальное его значение, при котором реле не срабатывает. При этом номинальный ток реле должен соответствовать I_н защищаемого устройства.

Основной характеристикой теплового реле является защитная характеристика, представляющая собой зависимость времени срабатывания (t _cp) от отношения тока нагрузки (I) к номинальному току (I_н.) t _cp= f (I/I_н).

Автоматические предохранители

Автоматические предохранители (выключатели) служат для редких замыканий и размыканий электрических цепей с током, а также защиты от токов короткого замыкания и от небольших, но длительных перегрузок.

Автоматические предохранители совмещают в себе функции аппарата управления и защиты, поэтому они имеют двойное название (выключатели, предохранители). Если в автоматическом выключателе нет аппаратуры защиты, то он используется только как аппарат управления.

Автоматические выключатели могут иметь электромагнитные расцепители максимального тока, предназначенные для автоматического отключения цепи в случае короткого замыкания, или тепловые расцепители, которые обеспечивают защиту электрических цепей от небольших перегрузок. Выпускаются автоматические выключатели и с комбинированными (электромагнитными и тепловыми) расцепителями, которые обеспечивают автоматическое отключение цепи при коротком замыкании или перегрузке. Автоматические выключатели различаются по типу, числу полюсов, рабочему напряжению, роду тока, виду расцепителей и номинальному току установки расцепителя.

На рис. 5.8 схематично изображен автоматический предохранитель типа АП50, который часто применяется для пуска и защиты трехфазных асинхронных двигателей и имеет комбинированный расцепитель. При включенном положении ток проходит от сетевой клеммы С через контакты, нагревательный элемент теплового расцепителя, обмотку электромагнитного расцепителя и далее через клемму Н к нагрузке. При нажатии на кнопку «Откл» рычаг возврата поворачивает валик по часовой стрелке и поворотный рычаг выходит из зацепления с ним. Под действием пружины каретка поворачивается вокруг оси, и контакты выключателя размыкаются. В режиме перегрузки биметаллическая пластина изгибается вверх и нажимая на рычаг поворачивает кулачок, который через коромысло поворачивает валик по часовой стрелке и поворотный рычаг выходит из зацепления с ним. Механизм размыкания контактов тот же, что и при нажатии кнопки «Откл». При срабатывании электромагнитного расцепителя его сердечник давит на тот же рычаг, приводя к повороту валика и отключению контактов. С помощью регулятора тока и шкалы регулируется величина тока установки расцепителя.

Дата добавления: 2015-06-30