Мета роботи

Вивчення конструктивних особливостей та основних технічних характеристик електричних апаратів захисту та керування електроприводами і розподілу електроенергії низької напруги.

Тривалість заняття

Тривалість лабораторної роботи 4 години.

Обладнання, матеріали та інструменти

Автоматичні вимикачі, магнітні пускачі, контактори, пакетні вимикачі і перемикачі, запобіжники, контролери, теплові реле, реле часу, поляризаційні реле, проміжне реле, геркони.

Місце проведення заняття

Лабораторна робота проводиться в лабораторії електроприводу 7м^а.

Загальні відомості

Апаратура управління і захисту

Управління електротехнічними пристроями здійснюється з допомогою різної апаратури. У залежності від призначення її можна поділити на дві великі трупи: комутаційні апарати (високовольтні вимикачі, роз'єднувачі, контактори і ін.) і захисні апарати (автоматичні повітряні вимикачі, плавкі запобіжники, різні реле і розрядники для захисту від перенапруг).

В трифазних системах у відповідності до послідовності чергування фаз шини повинні бути зафарбовані в такі кольори: фаза А жовтий, фаза В зелений, фаза С червоний; нейтральні шипи: при ізольованій нейтралі білий: при заземленій нейтралі чорний. При постійному струмі позитивна шина зафарбовується червоним, негативна шина синім, а нейтральна - білим кольором.

Для надійної роботи електричних апаратів важливим є умови виконання контактів. Вони можуть бути жорсткі (нероз’ємні), наприклад приєднання провідників до виводів машини або апарата; ковзаючі між нерухомими і рухомими струмопровідними частинами; комутаційні -- у вимикаючих апаратах.

Відключення електричного кола не може бути миттєвим. Розриваючи коло струму, неминуче виникає більша чи менша електрорушійна сила самоіндукції; під дією цієї е.р.с сумісно з напругою електричної мережі проміжок між контактами, що розходяться, пробивається і виникає електрична дуга. Висока температура в ній може викликати швидке руйнування або зварювання контактів. Особливо небезпечна дія дуги в апаратах високої напруги при вимиканні струмів короткого замикання.

Відключення електричних кіл перемінного струму суттєво спрощується, тому що перемінний струм періодично проходить через нульове значення, що приводить до гасіння дуги. Вимикачі змінного струму повинні бути сконструйовані так. щоб упередити повторне запалення дуги, після того як вона погасла при проходженні через нуль змінного струму.

Значно важче відключення електричних кіл постійного струму високої напруги. Вимикачі для нього струму повинні бути розраховані на поглинання значної енергії, що виділяється при тривалому горінні дуги постійного струму.

Тепловий захист електроустановок

Простим способом відключення струмів кроткого замикання є використання їх теплової дії в приладі захисту. Таким приладом є плавкий запобіжник. В ньому основним вимикаючим елементом є плавка вставка змінна частина запобіжника, яка розплавляється під тепловою дією струму при збільшенні його в захищуваному колі більше визначеного значення. По суті не коротка ділянка захищуваного електричного кола, яка відносно легко руйнується тепловою дією електричного струму.

Плавлення вставки не повинно супроводжуватись виникненням електричної дуги в запобіжнику, отже, плавка вставка повинна мати довжину, що відповідає напрузі захищуваного електричного кола; по цій причині на запобіжниках крім номінального струму вказується також і напруга.

Існує багато різних конструкцій плавких запобіжників для напруг до 250 В і струмів приблизно до 60 А повсюдно застосовуються запобіжники коркового типу. Також використовують запобіжники серії ПН (рис.2.1).

Рис. 2.1. Запобіжники серії ПН-2:

а − загальний вигляд і деталі; б − розріз; 1- корпус; 2 − плавка вставка;
3 − контакти; 4 − гвинти; 5 − азбестові прокладки

Для теплового захисту ліній високої напруги використовуються трубчаті запобіжники. Трубка не дає розбризкуватися розплавленому металу, а електрична дуга, що утворилася при плавленні дроту у середині трубки, швидко розривається завдяки тязі повітря в трубці.

Треба розрізняти захист електротехнічних установок від коротких замикані, і захист від тривалих перевантажень.

Тепловий принцип захисту використовується також і більш досконалих приладах теплових реле. В цих реле для спрацювання пристрою за звичай використовується біметалічний елемент, який складається із двох механічно скріплених пластин з різним температурним коефіцієнтом розширення. На рис. 2.2 показана принципова схема влаштування теплового реле.

Рис. 2.2. Будова теплового реле типу ТРН:

1 − нагрівальний елемент; 2 − біметалева пластина; 3 − ричаг; 4 − контакти; 5 − пружина; 6 − кнопка «повернення»; 7 − тяга; 8 − штанга розчіплювала; 9 − біметалева пласти температурного компенсатора; 10 − тяга вставки; 11 − ексцентрик

Одначе теплові реле із-за значної теплової інерції не забезпечують захисту від струмів короткого замикання, тому необхідним доповненням теплового реле є плавкий запобіжник або автоматичний вимикач.

Автоматичні повітряні вимикачі

Плавкі запобіжники захищають електродвигуни і решта промислових пристрої від струмів короткого замикання, а від тривалих перевантажень вони надійно захистити не можуть. Тому в потужних електротехнічних установках крім плавких запобіжників встановлюється автоматичний захист.

Простим пристроєм для автоматичного захисту від пошкоджень за ненормального режиму роботи в установках з робочою напругою до 1 кВ є автоматичні повітряні (не масляні і не з стисненим повітрям) вимикачі, їх часто називають автоматами.

Ці апарати можуть, захищати установку не тільки при перевантаженні струмом. Вони здійснюють вимикання електричних кіл автоматично при порушенні нормальних робочих умов, при чому у залежності від типу автомату це вимикання відбувається або коли певна електрична величина переходить установлене граничне значення (максимальні і мінімальні автомати), або коли змінюється напрям передачі енергії (автомати зворотної потужності). Крім того, існують багато різних автоматів спеціального призначення. Для дії на защіпку вимикаючого механізму в автоматах застосовуються електромагнітні, теплові і комбіновані розщіплювачі. У випадку комбінованого розщіплювача електромагнітний і тепловий елемент можуть незалежно вимикати автомат.

Електромагнітний розщіплювач діє миттєво, і тому при ньому нема необхідності в плавких запобіжниках.

Рис. 2.3. Будова автоматичного вимикача:

1 − ручка взвод; 2 − механізм вимкнення; 3 − контакти; 4 − клеми підключення; 5 − біметалева пластина теплового розчіплювала; 6 − регулювальний гвинт; 7 − котушка електромагнітного розчіплювала; 8 − дугогасильна камера

Найбільш розповсюдженим автоматичним повітряним вимикачем є автомат максимального струму. Коли струм захищуваного електричного кола досягає граничною значення, котушка втягує сталеве осердя і защіпка звільнює пружину, яка розриває контакти і таким чином, вимикає електричне коло. Конструктивні оформлення цих автоматів різноманітні.

Автомати максимального струмузастосовуються в освітлювальних мережах житлових приміщень взамін плавких запобіжників. Вмикання автомата здійснюється рукою, при чому часто автомат забезпечують вільним розщіплювачем, завдяки якому перевантажене електричне коло відключається, навіть якщо електромонтер, що вмикає йото, утримує ручку автомата в положенні ввімкнено. Часто автомати забезпечують приспосібленням для регулювання граничного струму, при якому відбувається вимикання. Точність налаштування автомата на певний граничний струм не порівняно вище, чим при захисті плавкими запобіжниками.

Щоб уникнути відключення установки при короткочасному збільшенні струму, не небезпечним для установки (наприклад, пускового струму двигуна) автомати деколи забезпечують пристроєм витримки часу (приспосібленням, яке створює певний проміжок часу між дією струму на автомат і відключенням кола). Крім годинникового механізму для витримки часу в автоматах з електромагнітним розщіплювачем застосовують також масляне і повітряне гальмо і т. п.

Автомат мінімального стуму застосовується, коли електричне коло повинно бути відімкнене, якщо в ньому або в одній із його віток струм зменшиться нижче граничного значення. Котушка утримує осердя і защіпку до тих пір, поки струм в котушці не понизиться до певного значення.

Реле і релейний захист

Реле − це електричний апарат, в якому при плавній зміні управляючого (вхідного) параметра до визначеного наперед заданої величини відбувається скачкоподібна зміна керованого (вихідного параметра). Хоча б один цих параметрів повинен бути електричним.

Загальна основна характеристика реле це характеристика управління, що виражає зв’язок між управляючою (вхідна величина) фізичною величиною 1 і керова­ною величиною U (рис 2.4).

Рис 2.4. Характеристика управління реле

При збільшенні керуючої величини до певного значення, що зветься параметром спрацювання (зокрема, струм спрацювання реле), керована величина не зміниться, тобто поки І < І_С, керована величина U = 0. Коли управляюча величина досягне І_С, виконавча частина реле здійснює скачкоподібну зміну керованої величини U (наприклад, вмикає чи вимикає електричне коло). Подальше збільшення І не змінює U. Не впливає на U і зменшення управляючої величини, поки І більше певного значення, що зветься параметром повернення І_П (зокрема, струм повернення). Коли управляюча величина досягає значення І = І_П виконавча частина реле зменшує керовану величину до U = 0.

Відношення І_П/І_С = k_П зветься коефіцієнтом повернення реле. У залежності від принципу дії і конструкції реле коефіцієнт повернення може мати значення k_П = 0, 98…0, 3.

По області застосування реле можна розділити на реле для схем автоматики, для управління і захисту електроприводу і захисту енергосистем. По принципу дії реле діляться на електромагнітні, поляризовані, теплові, індукційні, напівпровідникові і ін.

У залежності від вхідного параметра реле можна розділити на реле струму, на­пруги, потужності, частоти і інших величин. Реле може реагувати не тільки на вхід­ний параметр, але й на різницю значень (диференціальні реле), зміну знаку або швидкості зміни вхідного параметра.

За принципом дії на кероване електричне коло реле діляться на контактні і без­контактні. Вихідним параметром безконтактного реле є різка зміна опору, увімкне­ного в кероване електричне коло. Розімкненому стану контактів контактного реле відповідає великий опір керованого електричного кола безконтактного реле.

За способом вмикання реле розрізняють первинні і вторинні. Первинні реле вмикають в кероване електричне коло безпосередньо, вторинні − через вимірний трансформатор.

Час з моменту подачі команди на спрацювання до моменту початку зростання вихідного параметру зветься часом спрацювання. Цей час залежить від конструкції реле, схеми його вмикання і вхідного параметра. Час з моменту подачі команди на відключення до досягнення мінімального значення вихідного параметра зветься ча­сом відключення. Для контактних реле цей час складається із двох інтервалів − час відпускання і час горіння електричної дуги.

Основною вимогою до реле захисту електроприводу є висока швидкодія (t_cп ≤ 0, 05 с), широке регулювання струму спрацювання, вібростійкість і ударостійкість.

В схемах захисту і автоматики часто потрібна видержка часу між спрацюванням двох або декількох апаратів. Для створення витримки часу служать реле часу.

Для схем автоматичного управління електроприводами при великій частоті вмикань потрібні реле з високою механічною зносостійкістю − до
(5…10)·10⁶ спрацю­вань. Потрібні витримки часу знаходяться в границях 0, 25…10 с. До цих реле не ставляться вимоги відносно високої стабільності витримки часу. Розкид часу спра­цювання може досягати 10%. Реле повинні працювати у виробничих умовах за на­явності інтенсивних механічних впливів.

Час спрацювання реле з електромагнітним сповільнювачем дуже малий. Цей час складає 0, 05…0, 2 с за наявності короткозамкненого витка і 0, 02...0, 05 с за його відсутності. Тому можливості електромагнітного сповільнення при спрацюванні реле обмежені і щоб одержати більші витримки часу використовують спеціальні схеми вмикання електромагнітних реле.

Для одержання витримки часу 1 с і більше, необхідно використовувати відпус­кання якоря реле часу з електромагнітним сповільнювачем (короткозамкненим вит­ком). Регулювання витримки часу реле при відпусканні може здійснюватись плавно і ступіньчато (грубо).

Для отримання великих витримок часу використовують реле з пневматичним сповільнювачем (від 0, 4 до 180 с з точністю ±10%), з сповільнювачем типу анкерно­го механізму (від 7 до 17 с з точністю ±10%) або моторне реле (20…30 хв).

Поляризовані реле можуть допускати частоту перемикань до 200 за секунду з зміною струму.

Контактні осердя герконових реле виготовляються із феромагнітного матеріалу з високою магнітною проникливістю (пермалой) і вварюються в скляний герметичний балон, який заповнений чистим азотом (0, 4…0, 6)·10³ Па, що запобігає окисленню контактів. Управління контактами здійснюється магнітним полем.

Контактори, магнітні пускачі і контролери

По суті контактор подібний до реле, тому що він представляє собою електромагнітний вимикач, який спрацьовує при замиканні або розмиканні оперативного струму. На відміну від реле контактори розраховуються на комутування великих струмів, деколи при високій напрузі. Вони застосовуються для управління потужними приймачами електроенергії великими електродвигунами, нагрівальними пристроями і т. д. Тому електромагніти контакторів повинні маги великі значення ходу контактів і сили тяги.

Управління контакторами здійснюється оперативним струмом допоміжного електричного кола, причому це управління може виконуватися простим натисканням одної кнопки в електричному колі оперативного струму (кнопкове управління).

На рис 2.5. показано улаштування контролера постійного струму.

Рис 2.5. Контактор постійного струму:

1 − нерухомий головний контакт робочого струму; 2 − дугогасна камера; 3 − рухомий головний контакт; 4 − важелі; 5 − пружина; 6 − сталевий якір;
7 − повертальна пружини; 8 − осердя котушки; 9 − котушкою контактора;
10 − контакти електричного кола оперативного струму (допоміжні контакти)

Електромагнiтний механізм поворотного типу складається з осердя 1 з котушкою 2, якоря 3 і повертальної пружини 4. Осердя 1 має полюсний наконечник, необхідний для збільшення магнітної провідності робочого зазору електромагнiту.

Немагнiтна прокладка 5 служить для передбачення залипання якоря. Силовий контактний вузол складається з нерухомого 6 і рухомого 7 контактів. Контакт 7 шарнірно закрiплений на важелі 8, зв’язаному з якорем 3 і притисненим до нього пружиною 9. Замикання головних контактів 6 і 7 відбувається з прослизанням і перекочуванням, що забезпечує очистку контактних поверхонь від окисiв і нагару. При спрацьовуваннi електромагнiтного механізму окрім головних контактів перемикаються допоміжні контакти блокувального контактного вузла 10. При розімкненнi головних контактів 6 і 7 між ними виникає електрична дуга, струм якої підтримується за рахунок ЕРС самоiндукцiї в обмотках електродвигуна, який вимикається. Для інтенсивного гасіння електричної дуги служить дугогасна камера 2. Вона має дугогасну решітку у вигляді тонких металевих пластин, що розривають дугу на короткі ділянки. Пластини інтенсивно відводять тепло від дуги і гасять його. Однак при великій частоті вмикання контактора пластини не встигають охолонути і ефективність дугогасiння падає.

Контактор перемінного струму входить як складова частина в магнітний пускач, який представляє собою комплектний пристрій управління, що складається із одного або декількох електромагнітних контакторів, теплових реле і кнопок управління.

Контролери представляють собою комутаційні апарати, що дають можливість простим поворотом ручки або маховичка не тільки увімкнути чи вимкнути електричне коло, але й здійснити складні перемикання елементів схеми управління електричних машин і апаратів (наприклад, пуск в хід, регулювання швидкості обертання, реверсування, гальмування). Застосування контролера значно спрощує роботу обслуговуючого персоналу (водія електровоза, робочого біля верстату). На рис 2.6. показано улаштування барабанного контролера.

Контактні пальці ізольовані один від одного, і до них приєднані провідники, що з’єднують контролер з керованою установкою. При повертанні валу 3 сегменти 4 в певній послідовності доторкаються до контактних кілець 2, і в той спосіб здійснюється необхідне перемикання в управляючих електричних колах установки. Барабанний контролер може безвідмовно працювати лише при невеликому числі вмикань за годину.

Значно краще працює кулачковий контролер (командоконтролер). Основною його деталлю є комутуючий пристрій кулачкового типу − кулачковий контактний елемент. Схема подібного пристрою, що комутує два електричних кола, показана на рис 2.7.

Рис 2.6. Барабанний контролер:

1 − нерухома ізольована основа; 2 − пальці (нерухомі контакти);
3 − ізольований обертовий вал; 4 − сегменти (відрізки мідних кілець)

Рис 2.7. Схема кулачкового контролера:

1 − управляючий вал; 2 − ізоляційні кулачки;

3 − рухомі контакти мостикового типу; 4 − нерухомі контакти; 5 − ізолююча плита 6 − дві пружини; 7 − ролик; 8 − пружина

Кінцевий вимикач розриває головне електричне коло або коло управління двигуном в результаті натискання управляючого упору (кулачка). Ці вимикачі мають важливе значення в підіймальних пристроях.

Шляхові вимикачі комутують електричні кола під дією управляючих упорів (кулачків), коли контрольований об’єкт проходить певні точки свого шляху.

По суті це варіанти кулачкових командоапаратів, в ряді випадків суттєво спрощені.

Вивчення апаратури необхідно починати з зовнішнього огляду та ознайомлення з паспортними даними. Після встановлення основних характеристик апарата слід відшукати йото опис у каталозі і дальше вивчення проводити, використовуючи детальні відомості, наведені в каталозі чи рекомендованій літературі.

В деяких випадках вивчення апарата повинно супроводжуватись поділом його на окремі частини. За вказівкою викладача певні типи апаратів слід вивчати більш детально і включити одержані відомості у звіт. Так, наприклад, при ознайомленні з пусковим реостатом слід визначити призначення кожного з елементів (максимального реле, контактора, економічного опору). Вникнути у робочу схеми, звернути увагу на особливості конструкції комутатора і елементів опорів.

При ознайомленні з електромагнітними реле часу постійного струму слід вивчити конструкцію, принцип дії, способи регулювання витримки часу. Всі відомості, одержані в результаті вивчення апаратів у натуральному вигляді та за даними каталогу, необхідно вміти пояснити, користуючись загальними принципами і теорією роботи даного апарата.

Послідовність виконання роботи

1. Розглянути апаратуру, запропоновану викладачем, з метою ознайомлення з конструкцією кожного апарата і визначення його фунцій.

2. Записати паспортні дані.

3. Зарисувати електричну і конструктивну схему деяких апаратів, вказати їх призначення, технічні характеристики конкретного апарата і його окремих елементів, способи налагодження і галузь застосування.

Зміст звіту

1. Назва роботи.

2. Мета роботи.

3. Послідовність виконання роботи.

4. Вказати призначення, тип та основні технічні дані апаратів.

5. Накреслити електричну і конструктивну схеми чи ескізи апаратів, які за вказівкою викладача вивчалися більш детально.

6. Дати опис роботи схеми чи конструкції апарата, вказати галузь його застосування.

7. Висновок.

Питання для самоконтролю

1. Будова запобіжника низької напруги.

2. Принцип дії, будова повітряного автоматичного вимикача.

3. Принцип дії, будова контактора постійного і змінного струму.

4. Принцип дії, будова електричних реле.