Вопросы для самоподготовки:
Дайте общую характеристику пускового режима?
В чем заключаются особенности пуска в хода электропривода с короткозамкнутым двигателем?
Как учесть изменения мощности электродвигателя при различных режимах работы?
Как учесть нагрев двигателя за время пуска и ход при выборе его мощности?
Лекция 4 Аппаратура и схемы неавтоматического управления
Теоретические вопросы:
4.1. Аппаратура и схемы ручного управления
4.2. Аппаратура контакторного управления
4.3. Схемы защиты
4.1. Аппаратура и схемы ручного управления
Электрическими аппаратами называются электротехнические устройства для управления потоками энергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов.Простейшим аппаратом ручного управления является рубильник (рис. 17).
Рубильники используются в качестве входных (или линейных) выключателей, предназначенных лишь для снятия напряжения с электросхемы машины в случае длительного перерыва в ее работе.
Рабочего тока электродвигателя вводный рубильник обычно не разрывает; это выполняют другие аппараты. Для управления электроприводами кузнечно-штамповочных машин рубильники, как правило, также не применяют.
Рис. 17.
Наиболее часто применяют трехполюсные рубильники с боковой и центральной рукоятками на 60, 100 и 200 А при напряжении в 500 В. Рубильники с боковой рукояткой обычно встраивают в электрошкафы так, чтобы рукоятка находилась снаружи.
Помимо рабочих контактов, замыкающих и размыкающих основные цепи, рубильники могут быть оснащены так называемыми блокировочными контактами, рассчитанными для управления цепями малого тока.
Эти контакты, размыкающиеся или замыкающиеся при включении рубильника, могут быть, например, использованы для включения или выключения сигнальной лампы. В схемах постоянного тока применяют двухполюсные рубильники. Конструктивное устройство рубильников показано на рис. 18.
Рис. 18. Конструктивное устройство рубильника.
а) - рубильник с боковой рукояткой и дугогасительными камерами; б) рубильник с центральным рычажным приводом и дугогасительными контактами
Выполняются рубильники и переключатели на токи от 100 А и выше. Отдельные серии, главным образом постоянного тока, выпускаются на токи до 10 кА. Изготовляются рубильники также и на малые токи (5-10 А). Рубильники и переключатели выполняются одно-, двух- и трехполюсными. Основными элементами их являются: неподвижные врубные контакты 4, подвижные контакты 5, закрепленные шарнирно в других неподвижных контактах б, дугогасительное устройство и привод. Монтируются рубильники на изоляционных плитах 7. Конструкция рубильника может выполняться для присоединения проводов сзади или спереди. Привод может осуществляться при помощи центральной рукоятки, боковой рукоятки 3 через вал 2, центральной рукоятки 9 через систему рычагов 10.
Важнейшей частью рубильника являются контакты. Почти исключительное применение в этих аппаратах находят врубные контакты. В рубильниках на малые токи контактное нажатие обеспечивается за счет пружинящих свойств материала губок, а на токи от 100 А и выше - стальными пружинами. С увеличением Нажатия падает переходное сопротивление, но увеличивается износ контактов из-за трения, и это ограничивает нажатие.
Гашение дуги постоянного тока при малых токах (до 75 А) происходит за счет ее механического растягивания расходящимися ножами. При больших токах гашение осуществляется в основном за счет перемещения дуги под действием электродинамических сил контура тока (детали рубильника, дуга). Сокращение длины ножа ведет к возрастанию напряженности магнитного поля и электродинамических сил, что повышает отключающую способность рубильника. Предельным значением рационального сокращения длины ножа является такая длина, при которой обеспечивается надежное гашение тока до 75 А.
Гашение электрической дуги при однофазном токе напряжением 220 В и при трехфазном токе напряжением 380 и 500 В осуществляется в основном за счет околокатодных явлений, имеющих место при переходе тока через нуль. Уже при расстоянии около 2 мм между контактами дуга надежно гаснет. Длину ножа в рубильниках переменного тока ввиду этого следует выбирать не из условий гашения дуги, а из механических условий.
Пример структурного обозначения рубильников показан на рис. 19.
Рис. 19. Структурное обозначение рубильников
Рубильники устанавливаются в силовых ящиках, предназначенных для приёма и распределения электрической энергии, а также защиты отходящих линий предохранителями от перегрузок и коротких замыканий в сетях напряжением 380/220 В трёхфазного переменного тока частотой 50 Гц, а также для нечастых коммутаций силовых электрических цепей в электрических установках переменного тока частотой 50 и 60 Гц напряжением до 660 В и постоянного тока напряжением до 440 В, устанавливаемых стационарно.
Рис. 20. Ящики силовые
Кроме рубильников для электрооборудования кузнечно-штамповочных машин применяют также пакетные переключатели (рис. 21), являющиеся по сравнению с рубильниками весьма компактными аппаратами. Пакетный переключатель состоит из одного или нескольких наложенных друг на друга однополюсных поворотных переключателей, управляемых посредством вращения общей оси.
Рис. 21. Пакетные переключатели
Конструктивное устройство пакетных переключателей показано на рис. 22.
Рис. 22. Конструктивное устройство пакетных переключателей.
1 - контактный мостик; 2 - пластмассовый диск (пакет); 3 - контактные выводы; 4 - канал для стяжной шпильки; 5 - кожух; 6 – рукоятка
Пакетные переключатели в схемах электрификации кузнечно-штамповочных машин применяют в качестве вводных выключателей, для пуска электродвигателей, переключения цепей управления и сигнализации.
Обозначаются пакетные переключатели согласно схеме, приведенной на рис. 23.
В случае необходимости одновременного переключения большого числа цепей применяют также различного рода барабанные переключатели (контроллеры) (рис. 24). Такие переключатели применяют в различных случаях, и, в частности, их используют для переключения полюсов многоскоростных асинхронных двигателей.
Рис. 23. Структура обозначения пакетных переключателей
-
а)
б)
в)
г)
Рис. 24. Внешний вид барабанных переключателей
Помимо описанных аппаратов, применяют малогабаритные выключатели и переключатели, предназначенные для цепей переменного тока 0,5-10 А.
Такие выключатели и переключатели разнообразных конструкций и исполнений выпускают с одним контактом, с двумя контактами, из которых один замыкает одну цепь, а второй размыкает другую. Используются также переключатели на четыре цепи, которые замыкают и размыкают их в различных комбинациях.
4.2. Аппаратура контакторного управления
Контакторные переключатели (рис. 25) применяют для осуществления кнопочного управления электродвигателем. Включение электродвигателя осуществляет специальный аппарат – контактор, который замыкает цепь рабочего тока.
Когда нажимают кнопку на контакторе, то ток проходит через катушку, установленную на панели, сердечник катушки намагничивается и притягивает к себе якорь. Вал контактора при этом поворачивается и производит замыкание рабочих (или главных) контактов.
Рис. 25. Блок контакторных переключателей
Цепь, замыкаемую рабочими контактами, называют цепью рабочего тока. Эта цепь питает основной потребитель энергии, например, электродвигатель. Катушка состоит из большого числа витков тонкой проволоки и обладает весьма значительным сопротивлением; поэтому ток, замыкаемый кнопкой, невелик. Эта цепь тока относительно малой силы называется цепью управления. Состояние любого электрического аппарата при отсутствии электрического или механического воздействия на него считают нормальным положением.
Нормальным положением контактора называют положение, соответствующее отсутствию тока в его рабочей катушке. Поэтому тот контакт, который замыкается при срабатывании контактора и который, следовательно, разомкнут, когда контактор отключен, называют нормально-открытым (н.о.).
Контакт, который замкнут, когда контактор отключен, и размыкается при включении контактора, называется нормально-закрытым (н.з.). Отключается контактор обычно под действием силы тяжести своих подвижных частей, как только разрывается цепь управления и в катушку контактора перестает поступать ток. Реже применяют пружину. Время включения контакторов переменного тока колеблется в пределах 0,05…0,3 сек; время отключения составляет 0,03…0,05 сек.
При значительной мощности электродвигателя рабочие контакты контакторы могут сильно обгарать под действием электрической дуги, возникающей при отключении контактором электродвигателя; особенно значительно разрушение контактов дугой постоянного тока. Для ускорения разрыва электрической дуги при размыкании больших токов применяют контакторы с искрогасительными катушками.
Искрогасительная катушка состоит из большого числа витков проволоки большого сечения, охватывающих стальной сердечник. По ее виткам проходит весь рабочий ток. Создаваемое искрогасительной катушкой магнитное поле замыкается через промежуток между рабочими контактами, где возникает электрическая дуга.
Как известно, всякий обтекаемый током и незакрепленный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает двигаться в ту или иную сторону, в зависимости от направления тока в проводнике и направления магнитного поля. В данном случае электрическая дуга является таким подвижным проводником. Под влиянием магнитного поля искрогасительной катушки дуга начинает перемещаться.
Направление витков искрогасительной катушки подбирают так, чтобы электрическая дуга перемещалась вверх; при этом она удлиняется и рвется. Чем больше разрываемый ток, тем мощнее электрическая дуга и тем сильнее действие искрогасительной катушки.
Искрогасительные катушки применяют в контакторах как постоянного, так и переменного тока. При переменном токе происходит одновременное изменение направлений тока в дуге и магнитного поля, создаваемого искрогасительной катушкой; следовательно, направление силы взаимодействия остается неизменным. Конструкция перечисленных устройств показана на рис. .
Для гашения электрической дуги также применяют искрогасительную решетку. В этом случае над рабочими контактами располагается ряд металлических пластин, укрепленных в стенках искрогасительной камеры. При замыкании рабочих контактов электрическая дуга быстро втягивается внутрь искрогасительной решетки под воздействием магнитного поля, создаваемого разрывным током. Пластины решетки отбирают у электрической дуги много тепла, что способствует деионизации воздуха и быстрому разрыву дуги.
Структура обозначения контакторов показана на рис. 27.
Электромагнитный аппарат, по своему устройству аналогичен контактору, но имеющий контакты, предназначенные для работы в цепях управления (с небольшими токами), называют промежуточным реле. Промежуточные реле используются для включения маломощных электродвигателей (до 0,5 кВт).
У такого реле при протекании тока в катушке притягивается якорь и посредством штанги замыкаются н.о. контакты и размыкаются н.з. контакты. При разрыве цепи катушки 1 реле отключается под действием веса якоря и контактной системы, а также пружины.
Рис. 26. Дугогасительные устройства контакторов постоянного тока с последовательной дугогасительной катушкой: а - камера открытая; б - камера с широкой щелью; в - камера с продольными перегородками; г - камера с поперечными перегородками; д - камера с «воздушным мешком»; е - камера с двумя «воздушными мешками»; ж - камера с дугогасительной решеткой; з - камера с узкой зигзагообразной щелью
Рис. 27. Пример условного обозначения контакторов
Для включения промежуточного реле через его катушку нужно пропустить относительно небольшой ток, контакты промежуточного реле могут при этом управлять значительно бóльшим током.
Таким образом, промежуточное реле может работать в качестве усилителя командного импульса, недостаточного для воздействия на исполнительный орган.
При наличии нескольких контактов, включенных в различные цепи, промежуточное реле осуществляет также размножение командного импульса. В случае необходимости включения контакторов или промежуточных реле их катушки включаются параллельно друг другу.
Управление различными контакторами осуществляется с помощью кнопочных элементов (рис. 28). Нормальным положением кнопки считают ее положение при отсутствии воздействия (нажатия).
Кнопочный элемент с н.о. контактом замыкает цепь при нажатии на кнопку. Кнопочный элемент с н.з. контактом при нажиме на кнопку обеспечивает разрыв цепи. Широко распространены также кнопочные элементы с двумя контактами: одним н.о. и одним н.з.
-
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 28. Внешний вид современных
кнопочных элементов
Кнопки управления (рис. 29) применяют для дистанционного управления электромагнитными пускателями и контакторами.
Рис. 29. Кнопочный элемент: 1 — головка; 2 — верхняя пара контактов; 3 — подвижный контакт; 4 — нижняя пара контактов; 5 — стержень
Для пуска и установки приводов применяют кнопки с расширенной выступающей головкой, а также кнопки, предназначенные для нажатия ладонью.
Ладонные кнопки весьма удобны для осуществления быстрой остановки, например в случае аварии. При нажатии металлической головки такой кнопки опускается связанный с ней толкатель, нажимающий на штифт кнопочного элемента. Смещением штифта замка кнопка может быть заперта и пользование ею исключено. Имеются также кнопки со встроенным замком, что позволяет блокировать не заданное включение.
Кнопочные элементы, объединенные в одном корпусе или панели называются кнопочными станциями.
В прессостроении в некоторых случаях кнопка встраивается в педальный механизм и управление прессом ведется от педали. В прессостроении используются кнопки управления серии КЕ и кнопочные посты управления серии ПКЕ. Они предназначены для коммутации цепей управления переменного тока напряжением до 500 В и постоянного напряжением до 220 В. Номинальная сила тока до 6 А. Для управления контакторами кнопки собирают в кнопочные посты.
В настоящее время достойной альтернативой классическим механическим кнопочным элементам можно назвать сенсорные кнопки, так как они герметичны, не подвержены механическим воздействиям и имеют более привлекательный дизайн, изображения кнопок могут быть нарисованы на корпусе. Принципиальное отличие заключается в том, что сенсорные кнопки не требуют нажатия как механические, а реагируют на прикосновение.
Строятся такие кнопки, как правило, на емкостных сенсорах, принцип действия которых основан на изменении емкости при касании поверхности над токопроводящим покрытием. У кузнечно-штамповочных машинах (например, у кривошипных прессах), наряду с кнопочным управлением, широко применяют управление посредством педали с контактной системой. Конструкция такого устройства выглядит следующим образом.
Рис. 30. Устройство сенсорных кнопочных элементов
В корпус педали встраивают переключатель с одним н.о. и н.з. контактами. При нажатии ногой на рифленую поверхность педали контакты переключаются. Поворачивая регулятор, можно изменять усилие нажатия в пределах 1,5-40 Н. При прекращении нажима педаль возвращается в исходное положение посредством пружин. Педаль во избежание случайного нажатия снабжается козырьком, прикрывающим ее сверху.
С кузнечно-штамповочной машиной педаль соединяют посредством штепсельного соединения и гибкого шланга с проводами или гибкого многожильного провода, конец которого защищен трубой. Такое соединение позволяет расположить педаль на полу вблизи кузнечно-штамповочной машины там, где это наиболее удобно для рабочего. При изменении характера работы педаль может быть передвинута в другое положение. Кроме этого, в кузнечно-штамповочном машиностроении широко используют включение пресса посредством одновременного нажатия двумя руками рабочего двух кнопок управления. Такое управление обеспечивает бóльшую безопасность, чем управление посредством педали. Это объясняется тем, что работая с педалью, рабочий может нарушить правила техники безопасности и нажать педаль не убрав руки из-под движущегося инструмента.
Кнопки при этом размещают так, чтобы при пуске обязательно были заняты обе руки рабочего.
4.3. Схемы защиты
У перегруженного электродвигателя в ходе работы повышается нагрев обмоток, что может вызвать преждевременный выход электродвигателя из строя. Поэтому следует отключать электродвигатель, как только его температура превысит установленную величину. Если в цепи возникает короткое замыкание, цепь необходимо немедленно отключить.
Простейшими аппаратами, обеспечивающими защиту электродвигателя в сети от чрезмерно больших токов, являются плавкие предохранители (рис. 31).
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 31. Внешний вид основных типов плавких предохранителей
Отключение электродвигателя этими предохранителями осуществляется расплавлением специально рассчитанной плавкой вставки, представляющей собой кусок калиброванной проволоки или металлическую пластинку (рис. 32).
Широкое применение в кузнечно-штамповочном машиностроении получили пробочные (резьбовые) и трубчатые плавкие предохранители. У двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором, пускаемых посредством реостата, плавкую вставку подбирают на номинальный ток электродвигателя.
Рис. 32. Конструктивное устройство плавких предохранителей
1 - медный или цинковый контакт, покрытый слоем серебра; 2 - плавкий элемент из медно-никелевого сплава (56% меди, 44% никеля) или из аналогичного материала с теми же значениями удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента; 3 - наполнитель (кварцевый песок); 4 - керамический корпус
Для короткозамкнутых асинхронных двигателей вставку нельзя выбирать таким образом, так как она перегорит за время пуска под действием пускового тока, превышающего у этих двигателей номинальный в 5-7 раз.
В этом случае при небольшой инерционности разгоняемой кинематической цепи плавкие вставки выбирают на ток, в 2-2,5 раза меньший пускового. Вследствие кратковременности пуска такая плавкая вставка не успевает перегореть.
При разгоне маховиков процесс пуска занимает значительное время и плавкую вставку выбирают на ток, в 1,5-2 раза меньший пускового (т.е. в 2,5-4,7 раза больший номинального тока). Предохранитель, выбранный таким образом, не защищает двигатель даже от незначительных перегрузок.
Величина тока, который расплавляет плавкую вставку, находится в обратной зависимости от времени его протекания.
При коротких замыканиях и больших перегрузках, приводящих к остановке электродвигателя, плавкая вставка расплавляется быстро. Когда же ток меньше 200% от номинального, плавкий предохранитель недопустимо долго сохраняет цепь замкнутой.