2.2. Апаратура керування і захисту.

Електричним апаратом називається електротехнічний пристрій, призначений для керування електричними та неелектричними об'єктами, а також для захисту цих об'єктів при ненормальних та аварійних режимах роботи електричних мереж і систем.

За призначенням вони поділяються на:

- апарати керування, за допомогою яких здійснюють пуск, зупинку і зміну режиму роботи електродвигунів,

- та апарати захисту, які захищають їх від струмів короткого замикання, перевантаження, роботи на двох фазах, відхилення напруги від номінального значення.

 Апарати керування і захисту класифікують за такими основними ознаками:

- родом струму: апарати змінного струму, постійного струму та апарати, які можуть працювати в колах змінного і постійного струмів;

- напругою - апарати на напругу до 1000 Вольт  і на напругу понад 1000 Вольт;

 - частотою зміного струму - апарати, розраховані на роботу в електромережі з номінальною частотою 50 і 60 Герц та з ішими частотами;

кількістю полюсів - однополюсні та багатополюсні;

кількістю комутаційних положень - двопозиційні та багатопозиційні; захищеністю від впливу оточуючого середовища - з різними ступенями захисту

-за конструктивним виконанням:

 - контактні (замиканням і розмиканням рухомих контактних частин здійснюється вплив на кероване елек­тричне коло);

- безконтактні (які здійснюють керування приєднани­ми до них електричними колами зміною своїх електричних параме­трів - індуктивності, ємності, опору

за призначенням - на апарати для комутації силових кіл і кіл керування;

 за принципом дії - на апарати автоматичного керування і неавтоматичного (ручного керування).

Апаратом ручного керування називають апарат, який спрацьовує внаслідок механічної дії оператора. До апаратів ручного керування належать:

1.Рубильники  - це найпростіші апарати для нечастих неавтоматичних вмикань і вимикань кіл напругою до 1000 В на номінальний струм до 600 А, що випускаються одно-, двух- і триполюсними. Комутуючим елементом рубильників є рухливий ніж який під дією рукоятки повертається довкола осі і входить  в  нерухому пружинячу контактну стійку. Для привода цих рубильників використовують центральну рукоятку.

2. Перемикач  це електромеханічний пристрій для розмикання електричного кола або перемикання електричного струму з одного провідника на інший.  Контакти перемикачів можуть бути або нормально розімкнені або замкнені.

-Пакетні вимикачі і перемикачі застосовують для комутації в ланцюгах управління і сигналізації, в схемах пуску і реверсу двигунів невеликої потужності, перемикання обмоток асинхронних двигунів із зірки на трикутник. Перемикач складається з окре­мих пакетів, кожен з яких утво­рює полюс, що вмикається в одне коло вимикача. Нерухомі контак­ти кожного пакета займають певне положення, зміщене відносно кон­тактів інших пакетів. У пакетних вимикачах застосовано механізм миттєвого перемикання: швидкість комутаційних операцій не зале­жить від швидкості обертання ру­коятки пакетного вимикача рукою. У цьому важлива перевага їх над рубильниками.

-Пакетні вимикачі кулачкового типа, в яких електричний ланцюг замикається нерухомими контактами. Рухливими контактами є діелектричні кулачки, які залежно від їх конфігурації і положення осі вимикача замикають контакти.

-Барабанні перемикачі  призначені для ручного вмикання, вимикання і реверсування короткозамкнутих асинхронних електродви­гунів, перемикання полюсів багатошвидкісних двигунів, та  використання в схемах автома­тики.

3. Контролери, близькі за принципом дії і функціями до пакетних вимикачів, застосовують для перемикань в потужних електричних ланцюгах за певною програмою. З їх допомогою здійснюється комутація в ланцюгах різних механізмів, де програма роботи задається контролерами. Розрізняють контролери барабанні і кулачкові. Комутація ланцюгів в барабанному контролері здійснюється при обертанні барабана  і замиканні рухомих  і нерухомих контактів. 

4. Пускачі натискні, вібростійкі призначені для керування трифазними асинхрон­ними електродвигунами потужністю до 5 кВт. Контактна система, що складається з ізолюючої планки та  рухомими контактними містками, після натиснення кнопки «Пуск» утримується у фіксованому замкнутому стані пружинною та защібкою. При натисненні кнопки «Стоп» засчібка звільняє планку з контактами, і коло розмикається.

У пускачах натискних вібростійких з середнім контактом два контакти після натиснення кнопки «Пуск» утримується у фіксованому замкнутому стані а середній контакт  після припинення дії на кнопку «Пуск» розмикається.  Цей пускач при­значений для пуску конденсаторних двигунів, які приєд­нують до середнього контакту; після розгону електродвигуна і припинення дії на кнопку «Пуск» пусковий конденсатор вимикається.

5.Кнопка керування застосовуються для дистанційного керування електромагнітними апаратами: контакторами, магнітними пускачами, а також для включення кіл сигналізації. Кнопка керування має один або два контакти місткового типу, які залежно від призначення, можуть бути розмикаючими або замикаючими. Кнопки можуть виконуватися із самоповерненням у вихідне положення та комплектуватися у кнопкові пости.

6.Плавкі запобіжники є найпростішими апаратами захисту електроустановок від перевантажень і коротких замикань. У кожному запобіжнику є плавка вставка, яка є ослабленою ділянкою електричного кола і вибирається так, щоб при збільшенні струму більше допустимого вона розплавлялася і тим самим розривала коло електроустановки, що захищається.

Апарат автоматичного керування - це комутаційний апарат, спрацювання якого здійснюється без прямої участі оператора. Він може бути контактним або безконтактним.

До контактних апаратів належать:

1.Автоматичні вимикачі призначені для ручного вмикання і вимикан­ня електричних кіл, для автоматичного вимикання їх при перевантажен­ні, а також короткому замиканні, зниженні напруги, для пуску й за­хисту асинхронних двигунів.

Будова автоматичного вимикача:

Корпус, важіль керування, верхні та нижні клеми для підключення  кабеля , силові контакти нерохомий та рухомий,
механізм взведення та розмикання, електромагнітний розмикач який забезпечує захист від  струмів  короткого замикання – це електромагніт з рухомим осердям, пристрій гасіння дуги призначений  для гасіння дугового розряду що утворюється при розмиканні контактів, тепловий розчіплювач  призначений для захисту від  підвищеного навантаження виготовлений у вигляді біметалевої пластини один з кінців якого знаходиться біля спускового механізму. Для точного налаштування струму спрацювання є регулювальний гвинт теплової установки .

Принцип дії автоматичного вимикача. Автоматичний вимикач підключається послідовно з навантаженням . Під час взведення важіля керування відбувається з’єднання рухомого контакту з нерохомим. Струм починає притікати  через провідник, затискач,  по нерухомому та рухомому контактах далі через гнучний кабель котушку електромагніта гнучний кабель біметалеву пластину нижній затискач і провід  та до споживача. При короткому замиканні струми які в  багато разів перевищують номінальний, збільшують магнітний потік, який втягує соленоїд в котушку, долаючи опір пружини натискаючи на спусковий механізм що  призводить до розмикання кола.   При розриві між контактами виникає електрична дуга. Ця дуга нагріває контакти до великої температури.  Рухаючись в сторону камери дугогасіння   за рахунок пластин дуга дробиться на дрібні частини, тим самим значно втрачаючи свою руйнівну силу, розділяється і затухає. Продукти горіння через канал потрапляють на зовні.

За захист від перенавантаження відповідає тепловий розчіплювач. При збільшенні навантаження  відносно номінального, відбуваєтся нагрів білеталевої пластини яка вигинаючись натискає на спусковий механізм що розмикає контакти. При спрацюванні теплового вимикача одразу увімкнути автомат не  можливо потрібний проміжок часу щоб біметалева пластина охолола.

2.Пристрій захисного відключення ПЗВ - це швидкодіючий захисний вимикач, що реагує на диференційну різницю струмів у провідниках, які підводять електроенергію до електроустановки, що захищається. Тобто, пристрій відключить споживача від живлячої мережі, якщо відбудеться витік струму на заземлюючий провідник РЕ або утвориться витік струму з одного із провідників.

Будова ПЗВ: корпус , верхні та нижні клеми для підключення  кабеля, камери дугогасіння , рухомі контакти, випростовувач який призначений для перетворення змінного струму в постійний, трансформатор струму нульової послідовності з перевинною обмоткою кінці якої підключені до рухомого та нерухомого контактів та вторинної обмотки кінці якої підключені до випростовувача , поляризоване реле яке спрацьовує при утворенні струму витоку на землю , діє на механізм розмикання, важіль рекування з спусковим механізмом, індикатор диференційного струму який відображається у випадку спрацювання ПЗВ, кнопка тест яка призначеня для перевірки і контролю справності ПЗВ, рухомі та нерухомі пружини кнопки тест , струмообмежувальний резистор що імітує струм витоку.

Принцип дії ПЗВ. В номінальному режимі при подачі напруги до споживачів магнітне поле що утворюється навколо первинної обмотки нейтралізують один одного так як ці провідники утворюють зустрічно включені первинну 1 і вторинну  2 обмотки трансформатора струму тому на вторинній обмотці  3 напруга не індукується і ПЗВ функціонує в нормальному режимі. При дотику людини до відкритих струмопровідних частин або до корпусу заземленого електропристрою, на якому відбувся пробій ізоляції,  по фазній або нульовій (первинній) обмотці трансформатора окрім струму навантаження протікає додатковий струм - струм витоку  Отже  струми вже нерівні, тому нерівні і магнітні потоки, які вже не компенсують один одного. Через це в обмотці 3 виникає струм. Якщо цей струм перевищує встановлене значення, то спрацьовує поляризоване реле, яке впливає на виконавчий механізм і контакти розмикаються.

Якщо заземлення на приладу відсутнє, то ПЗВ  не буде реагувати на струм витоку, до того часу поки в електричному колі не утвориться струм витоку на землю. Коли користувач доторкнеться до корпусу  приладу рукою на якому відбувся пробій ізоляції,  утвориться різниця струмів що привиде до спрацювання поляризованого реле та контакти розімкнуться. Перевірка працездатності ПЗВ здійснюються натисканням на кнопку Тест, при цьому пружини з’єднані з фазним провідником,  доторкаються до контакту який підключений до нейтрального провідника,  і струм починає протікати через струмообмежувальний резистор,  який в свою чергу утворює струм витоку,  який призводить до спрацювання пристрою. Якщо при натисканні на кнопку «Тест» ПЗВ не спрацював це означає що прилад не робочий.

3.Диференційний автомат – це прилад який поєднує в собі автоматичний вимикач і ПЗВ. Будова: корпус,    важіль керування,   механізм взведення та розмикання який здійснює вимикання за всіма типами захисту, верхні та нижні клеми для підключення  кабеля, фазні силові нерухомий та рухомий контакти, електромагніт з рухомим осердям це  електромагнітний розмикач який забезпечує захист від  струмів  короткого замикання  , пристрій гасіння дуги  з каналом відведення газів,  призначений  для гасіння дугового розряду що утворюється при розмиканні контактів, тепловий розмикач  призначений для захисту від  підвищеного навантаження, виготовлений у вигляді біметалевої пластини  з регулювальним гвинтом, струмообмежувальний резистор що імітує струм витоку, верхні та нижні клеми для підключення  кабеля,  випростовувач  та згладжуваний фільтр, поляризоване реле,  нерухомий та рухомий силові контакти,  кнопки «Тест», диференційний трансформатор з первинною обмоткою силових провідників, та вторинної  обмотки кінці якої підключені до випростовувача, нульові силові контакти нерухомий та рухомий.

 

Принцип дії. В номінальному режимі струм в дифавтоматі протікає від фазного провідника через затискач , котушку соленоїда,  через рухомий та нерухомий контакт, гнучкий кабель , біметалеву пластину та провідники первинної обмотки трансформатора, далі нижню клему, і через кабель,  до споживача. В зворотному напрямку, струм від навантаження протікає по провіднику, через нижню клему нульового провідника, гнучкий провід, рухомі та нерухомі контакти, через витки нульового провідника,  первинної обмотки трансформатора до верхньої  нейтральної  клеми . У випадку короткого замикання, за відключення відповідає електромагнітний розчеплювач. При значному збільшенні струму в котушці виникає електромагнітне поле яке втягує якір і натискає на ричаг спускового механізму який спрацьовує і відключає навантаження. При розмиканні контактів утворюється дуга яка рухається до камери дуго гасіння і попадаючи на пластини розділяється і затухає. Продукти горіння через канал потрапляють на зовні. Захист від перенавантаження контролює теплове реле з біметалевої пластини яка нагрівається і вигинається при проходженні по ній надмірного струму. У випадку пробою на корпус нагрівного елемента духовки, та утворені струму витоку, який протікає в обмотці трансформатора, та створює магнітний потік що індукує напругу на вторинній обмотці трансформатора, яка через випростовувач подається на поляризоване реле, яке спрацьовує якщо цей струм перевищує встановлене значення, та  тисне  на виконавчий механізм і контакти розмикаються. Якщо заземлення на приладу відсутнє,  то дифавтомат не буде реагувати на струм витоку до того часу поки в електричному колі не утвориться струм витоку на землю. Коли користувач доторкнеться до корпусу  прилада рукою, на якому відбувся пробій ізоляції,  в цьому випадку утвориться різниця струмів що привиде до спрацювання поляризованого реле, та контакти розімкнуться. Перевірка працездатності дифавтомата здійснюються натисканням на кнопку «Тест», при цьому рухомий контакт замикається, і струм починає протікати від фазного провідника до нульового через струмообмежувальний резистор, який в свою чергу утворює струм витоку  який призводить до спрацювання пристрою. Якщо при натисканні на кнопку «Тест»  дифавтомат не спрацював це означає що прилад не робочий.

4.Контактори змінного струму призначені для дистанційного вмикання й вимикання електроустановок.

Будова контактора: корпус, нерухома частина осердя виготовленого з ша подібних листів електротехнічної сталі, два короткозамкнених кільця встановлених на двох крайніх стержнях осердя, які призначені для зменшення вібрації а  резинова накладка для зменшення шуму при спрацюванні, електромагнітної котушки з клемами для підключення, зворотна пружина, рухома частина осердя, траверса з пружними контактами, верхній та нижній ряд клем  контактів для підключення провідників, а також контактів комутації схеми контактора. В потужних контакторах є камера дугогасіння.

Принцип роботи контактора на прикладі керування електродвигуном.  При натисненні кнопки «Пуск» котушка контактора КМ, по якій проходить струм, втягує якір магнітної системи й замикає контакти КМ силового кола і блокувального контакту. При цьому струм починає протікати по трьом основним і одному додатковому контакту. Блокувальні контакти ввімкнуті паралельно кнопці «Пуск» і вони залишають живлення на котушки навіть  після того, як кнопку «Пуск» буде відпущено. При натисненні кнопки «Стоп» коло котушки розмикається і якір магнітної системи під дією пружин роз'єднує силові і блокувальні контакти.

5.Магнітні пускачі використовують, як правило, для дистанційного керування :вмикання, вимикання, реверсування трифазними асинхронними двигунами з коротко замкнутим ротором, та для їх  захисту тобто автоматичного вимикання двигуна при зниженні напруги до 50 відсотків від номінальної і захист від перевантаження якщо є теплове реле.

За будовою магнітний пускач відрізняється  від контактора  наявністю теплового  реле та відсутністю камери дуго гасіння та менш потужними контактами.

Електричні реле це механізм, що реагують на зміну електричних величин: струму, напруги, потужності, частоти. За принципом дії реле поділяють на електромагнітні, магнітоелектричні, індукційні, теплові, електродинамічні, феромагнітні, електронні та  резонансні.

Електромагнітні реле, працюють як на постійному, так і на змінному струмі. Власний час спрацювання їх — соті частки секунди; вони можуть бути обладнані також механізмом витримки часу. За конструкцією розрізняють електромагнітні реле клапанного і соленоїдного типів і з поворотним якорем. Магнітна система реле змінного струму відрізняється від магнітної системи реле постійного струму. Реле постійного струму мають магнітну систему з суцільного заліза. У реле змінного струму магнітна система складена з окремих ізольованих одна від одної пластин, виготовлених із спеціальної електротехнічної сталі. Це робиться для того, щоб у магнітній системі зменшити втрати потужності, які спричиняються перемагнічуванням та вихровими струмами. Другою особливістю магнітної системи реле змінного струму є наявність короткозамкненого витка, завдяки якому усувається вібрація рухомого якоря і контактів.

Реле клапанної конструкції у нормальному положенні клапан  реле відтягнутий від осердя пружиною 6 і його контакт 5 розімкнутий. Коли по котушці реле проходить струм, клапан реле притягується до осердя. При цьому замикаючий контакт 5 замикається, а розмикаючий 5 розмикається. Деякі реле цього типу мають коротко замкнутий виток 5, призначення якого — знизити вібрації клапана і контактів при роботі на змінному струмі.

1.Реле соленоїдної конструкції  у нормальному положенні одні  контакти  розімкнуті, а інші замкнуті. Коли ж по котушці тече струм, осер­дя  втягується одні  контакти  замикаються, а інші  розмикаються.

 2.Поляризоване високочутливе реле його спрацьовування залежить від полярності струму котушки. Магнітний потік створюється тут не тільки обмоткою котуш­ки, а й постійним магнітом. Завдяки цьому при появі незначного магнітного поля в котушці якір реле притягується до того полюса, поле якого виявилось сильнішим. Якщо, наприклад, на котушку реле пода­но сигнал з позитивною полярністю, то магнітний потік котушки  полюса S буде підсилений , а полюса N — ослаблений . Якір реле спрацює в бік полюса S і замкне  відповідні контакти. При зміні полярності на вході якір реле замкне контакти інші контакти.

3.Індукційні реле - пристрої принцип дії яких грунтуэться на взаємодії магнітних потоків, що створюються обмотками реле при протіканні по них струму. Вони застосовуються тільки в ланцюгах змінного струму . Робота індукційних реле заснована на взаємодії змінних магнітних потоків з струмами, індуктуватися ними в рухомій системі реле. Індукційні реле виконують у вигляді нерухомої і рухомої частин магнітопроводу. У нерухомої частини магнітопроводу утворюються два змінних магнітних потоки. В якості рухомої частини зазвичай використовують алюмінієвий або мідний диск закріплений на поворотній осі і розташований в зазорі магнітної системи. Рухома частина реле пов'язана з його контактною системою. Зазвичай з віссю диску жорстко пов'язаний рухливий контакт реле, що замикає при повороті нерухомі контакти. Обертанню диска в сторону замикання контактів протидіє спіральна пружина.

4.Реле часу створює витримку часу між моментом подачі командного імпульсу на замикання або розмикання кола керування та моментом здійснення цих операцій. Деякі реле часу (програмні реле) мають багатоконтактну систему і керують рядом процесів у наперед заданій послідовності. За принципом дії сповільнюючого органу реле часу поділяють на механічні (маятникові), електромеханічні, моторні, електромагнітні, електропневматичні, електронні. Реле часу вибирають за витримкою часу, за напругою живлення, розривною потужністю контактів, кількістю програм

5.Герконові реле мають магнітокеровані контакти. Основними елементами герконового реле є заповнена інертним газом скляна колба 1 з упаяними в неї пружними пластинами з феромагнітного матеріалу . Пластини одночасно служать магнітопроводом, рухомими частинами реле та контактними пружинами. У нормальному режимі пластини розімкнуті . Струм в обмотці викликає магнітний потік Ф, що проходить по пластинах. Він створює електромагнітну силу, що прагне притягнути пластини один до одного. Якщо вона перевищує механічні сили пружності пластини, контакти  замикаються. Також геркоги можуть спрацьовувати від постійного магніту.

 6.Тепловими реле називають електричні пристрої, головним завданням яких є захист різноманітного обладнання від струмових навантажень. Теплові реле бувають електронні та механічні, або як їх ще називають біметалічні. Принцип дії теплових реле ґрунтується на тепловому струмі, який нагріває біметалеву пластину. При збільшенні температури до певного значення пластина викривляється і натискає на клямку розчіплювача, внаслідок чого відбувається розмикання контактів.

 

Відео лекція "Апаратура керування і захисту".  {youtube}PoNkR7v3Nus{/youtube}