Электрические и электронные аппараты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ “НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА” ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ Рекомендовано Ученым советом Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева в качестве учебно-практического пособия для студентов всех форм обучения по специальности 140211 «Электроснабжение» и «Электрические сети» Нижний Новгород 2014 УДК 621.31 (075) ББК 31.29 Г201 Рецензенты доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта, ФБОУ ВПО «Волжская Государственная Академия Водного Транспорта». О.С. Хватов кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта, ФБОУ ВПО «Волжская Государственная Академия Водного Транспорта». Е.М. Бурда Авторы: Гардин А.И., Лоскутов А.Б., Петров А.А., Юртаев С.Н Гардин А.И. Г201 Электрические и электронные аппараты: учебно-практическое пособие / А.И. Гардин, А.Б. Лоскутов, А.А. Петров, С.Н. Юртаев; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2014. – 303 с. Изучаются вопросы применения различных электрических аппаратов в электрических сетях, электростанциях и системах электроснабжения промышленных предприятиях. Рассмотрены принцип действия аппаратов, конструкции и основные технические характеристики. В пособии приводятся лабораторные и практические работы по дисциплине «Электрические и электронные аппараты», их описание, задания и указания по выполнению. Предназначается для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» и 140205 «Электроэнергетические системы и сети» всех форм обучения. Рис. 86. Табл. 43. Библиогр.: 14 назв. УДК 621.31 (075) ББК 31.29 ISBN © НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2014 © Гардин А.И., Лоскутов А.Б., Юртаев С.Н., Петров А.А., 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................. 6 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ В ЦЕХОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ .................................................... 7 1.1. Представление электроприемников и режимов работы сети .................. 7 1.2. Схемы электроприёмников и сети............................................................. 12 1.3. Вольт-амперные характеристики и векторные диаграммы сети и нагрузки ................................................................................................... 17 Задания по теме 1 ............................................................................................... 20 2. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВНЫХ ГРАФИЧЕСКИХ И БУКВЕННО-ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ ........................................ 29 2.1. Правила выполнения и анализа электрических схем ............................... 29 2.1.1. Общие определения, классификация схем ..................................... 29 2.1.2. Условные буквенно-цифровые обозначения в электрических схемах ................................................................... 31 2.1.3. Условные графические обозначения .............................................. 34 2.1.4. Правила техники чтения электрических схем ................................ 45 2.2. Описание лабораторных стендов для испытания электрических и электронных аппаратов ........................................................................... 49 2.2.1. Описание лабораторного стенда №1............................................... 49 2.2.2. Описание лабораторного стенда №2............................................... 52 2.2.3. Описание лабораторного стенда №3............................................... 55 Задания по теме 2 ............................................................................................... 57 3. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОНТАКТОРОВ И ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ ...................................................................................... 64 3.1. Магнитные пускатели ............................................................................... 64 3.1.1. Общие сведения ............................................................................... 64 3.1.2. Дистанционное управление нереверсивным электродвигателем ........................................................................... 67 3.1.3. Дистанционное управление реверсивным электродвигателем ..... 71 3.2. Контакторы ................................................................................................. 73 3.2.1. Конструктивное исполнение контакторов МП, характеристики ................................................................................. 73 3.2.2. Контакторы пускателей серии ПМЛ ............................................... 74 3.2.3. Контакторы пускателей серии ПМА............................................... 75 3.2.4. Контактная система ......................................................................... 76 3.2.5. Система дугогашения ...................................................................... 76 3.2.6. Мероприятия по устранению вибрации якоря ............................... 76 3.2.7. Обмотки электромагнита контактора ............................................. 77 3.2.8. Характеристики пускателя как релейного элемента ...................... 78 3.3. Тепловые реле ............................................................................................ 79 3 3.3.1. Общие сведения ............................................................................... 79 3.3.2. Технические характеристики тепловых реле магнитных пускателей ..................................................................... 89 Задания по теме 3 ............................................................................................... 92 4. ИЗУЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ......................... 113 4.1. Общие сведения. Выключатели нагрузки и разъединители .................... 113 4.2. Назначение, функции, устройство и параметры автоматических выключателей ............................................................................................. 115 4.2.1. Функции............................................................................................ 115 4.2.2. Устройство ....................................................................................... 117 4.2.3. Принцип токоограничения .............................................................. 120 4.2.4. Классификация и основные параметры .......................................... 122 4.3. Виды конструктивных исполнений ........................................................... 129 4.3.1. Модульные автоматические выключатели ..................................... 129 4.3.2. Автоматические выключатели в литом корпусе ............................ 132 4.3.3. Сильноточные воздушные автоматические выключатели в изолированном корпусе ................................................................ 134 4.4. Координация автоматических выключателей. Селективность и каскадное включение .................................................... 140 Задания по теме 4 ............................................................................................... 144 5. ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ................... 164 5.1. Общие положения ...................................................................................... 164 5.2. Виды УЗО. Классификация ....................................................................... 168 5.3. Структура условного обозначения УЗО ................................................... 170 5.4. Принципиальные электрические схемы подключения электроприемников посредством УЗО...................................................... 171 5.5. Достоинства и недостатки электромеханических и электронных УЗО .. 171 5.5.1. Достоинства электромеханических УЗО ........................................ 171 5.5.2. Достоинства электронных УЗО ....................................................... 173 5.5.3. Недостатки электромеханических УЗО .......................................... 173 5.5.4. Недостатки электронных УЗО ........................................................ 174 5.6. Нормируемые технические параметры УЗО ............................................ 175 5.7. Защитные характеристики УЗО................................................................. 176 5.7.1. Дифференциальный выключатель .................................................. 176 5.7.2. Дифференциальный автомат ........................................................... 178 5.8. Технические требования ............................................................................ 179 5.9. Маркировка и специальные обозначения ................................................. 180 Задания по теме 5 ............................................................................................... 181 6. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ, ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ .............. 194 6.1. Твердотельные реле ................................................................................... 194 6.1.1. Общие понятия ................................................................................. 194 6.1.2. Конструкция и основные параметры твердотельных реле KIPPRIBOR ...................................................................................... 200 6.1.3. Модификации твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR ................. 200 4 6.1.4. Общие рекомендации по выбору твердотельных реле .................. 202 6.1.5. Защита цепей ТТР. Правило подбора варистора и RC-цепи ......... 203 6.1.6. Классификация твердотельных реле по типу коммутируемой сети .......................................................... 204 6.1.7. Классификация твердотельных реле по диапазону коммутируемого напряжения ................................... 206 6.1.8. Классификация твердотельных реле по типу управляющего сигнала ....................................................... 206 6.1.9. Классификация твердотельных реле по способу коммутации ...... 207 6.1.10. Типы выходных силовых элементов твердотельных реле ........... 209 6.1.11. Радиаторы серии РТР для твердотельных реле KIPPRIBOR ....... 209 6.1.12. Конструктивные особенности твердотельных реле ..................... 210 6.1.13. Области применения твердотельных реле .................................... 211 6.1.14. Преимущества твердотельных реле по сравнению с электромеханическими реле и контакторами ............................ 212 6.2. Тиристорные контакторы .......................................................................... 213 6.3. Тиристорные управляемые пускатели (тиристорные источники питания) ............................................................ 217 6.3.1. Принцип работы системы импульсно-фазового управления тиристорами в однофазной сети .................................................... 218 6.3.2. Переходные процессы при работе управляемого тиристорного контактора ............................................................... 220 6.3.3. Тиристорный контактор постоянного тока ................................... 222 6.3.4. Тиристорные управляемые источники питания постоянного тока ............................................................................ 222 6.3.5. Технические характеристики тиристоров ..................................... 224 6.4. Описание лабораторной установки ........................................................... 228 Задания по теме 6 ............................................................................................... 228 Библиографический список ............................................................................... 234 Приложение 1........................................................................................................ 235 Приложение 2........................................................................................................ 242 Приложение 3........................................................................................................ 248 Приложение 4........................................................................................................ 256 Приложение 5........................................................................................................ 264 Приложение 6........................................................................................................ 277 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Ранее были изданы первая и вторая части комплекса учебнометодических материалов по дисциплине «Электрические аппараты» [4], [5]. В первую часть вошли пояснительная записка, рабочая учебная программа дисциплины и первая часть опорного конспекта лекций. Изложены материалы по следующим темам программы: общие сведения об электрических аппаратах (ЭА), правила выполнения и анализа электрических схем, режимы работы электроприемников и электрической сети, основы теории электрических аппаратов. По основным темам приведены задания и варианты контрольных работ, методические указания по их выполнению, вопросы для проверки знаний. Приведено описание восьми лабораторных работ, в глоссарии дано описание более 50 основных терминов и понятий по дисциплине. В библиографический список включена основная учебная литература. Приложение содержит описания основных электрических аппаратов и технические характеристики, которые необходимы для выполнения контрольной работы. Вторая часть опорного конспекта лекций раскрывает основные разделы темы «Электрические аппараты низкого напряжения в схемах электроснабжения», в части изучения аппаратов защиты. Рассмотрены вопросы применения электрических аппаратов защиты от сверхтоков в электроустановках промышленных предприятий; жилых, общественных, административных и бытовых зданий: принцип действия, конструкция, технические характеристики и выбор электрических аппаратов для защиты электроприемников и электрических сетей напряжением до 1000 В от ненормальных режимов работы, а также защиты человека и животных. Приведены контрольные задания. В настоящей части приведены лабораторные и практические работы по дисциплине «Электрические и электронные аппараты», их описание, задания и методические указания по выполнению. Тема 1 очень важна для студентов электроэнергетических специальностей, поскольку позволяет глубже представить те условия, в которых будут находиться ЭА. Тема 2 вводит студентов в мир условных графических и буквенно-цифровых обозначений ЭА и правил анализа электрических схем. Обучение происходит на основе анализа схем лабораторных стендов и схем управления асинхронными электродвигателями. Темы 3, 4, 5 посвящены изучению традиционных ЭА: магнитные пускатели, автоматические воздушные выключатели, устройства защитного отключения. Тема 6 посвящена изучению электронных ЭА: твердотельных реле, тиристорных контакторов. В приложениях приведены технические характеристики некоторых видов ЭА и краткие сведения из теории линейных электрических цепей. 6 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ В ЦЕХОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ В курсе «Электрические и электронные аппараты» по данной теме проводится лабораторная работа 1. В ходе работы студенты изучают: виды схем электроприемников (ЭП), способы подключения ЭП к электрической сети, методы электрического расчёта номинальных, нормальных и аварийных режимов; электрические схемы соединения фаз в однофазных и трёхфазных ЭП, физические основы влияния электрической нагрузки электроприемников на режим напряжения в точках подключения ЭП в схеме электроснабжения промышленного предприятия, административного и жилого здания. 1.1. Представление электроприемников и режимов работы сети В схеме, приведенной на рис. 1., источником электродвижущей силы (ЭДС) являются обмотки силового трансформатора T. В работе не учитываются сопротивления обмоток трансформатора, поэтому в качестве ЭДС принимаются фазные и линейные напряжения на выводах трансформатора, сдвинутые друг относительно друга на 120 электрических градусов, линейные напряжения опережают соответствующие фазные напряжения на 30 градусов (UAB опережает UA). Более подробно см. Приложение 6. Рис. 1.1. Понятие фазных и линейных напряжений цеховой сети 0,4 кВ: UAO, UBO, UCO (UA, UB, UC) -фазные напряжения, UAВ, UBC, UCA, - напряжения между линейными проводами или линейные напряжения Большинство принципиальных схем электроприемников в цеховой сети можно представить в виде схем замещения, состоящих из полных сопротивлений Z, которые для однофазных ЭП подключены на фазное или линейное напряжение, а для трехфазных ЭП в треугольник, звезду, звезду 7 с нулем (с выводом из нулевой точки электроприемника, подключенного к нулевому проводнику электрической сети). На рис. 1. показаны возможные аварийные режимы работы: короткие замыкания между проводящими частями, отсоединение проводников (обрывы), «витковые» замыкания фаз электроприемников. Рис. 1.2. Принципиальная многолинейная схема, поясняющая принцип работы цеховой сети 0,4 кВ: Т- понижающий трансформатор (источник ЭДС); A,B,C – фазные проводники, N- нулевой рабочий проводник; PE – нулевой защитный проводник Номинальный режим – к зажимам электроприёмника подведено номинальное напряжение Uном. В этих случаях по фазам ЭП протекает номинальный ток, величина которого определяется по закону Ома для участка цепи, в соответствии с приложенным номинальным напряжением и сопротивлением нагрузки Zн: I ном = U ном Z ном . (1.1) Формула для расчета номинального тока едина, но для каждой схемы электроприемника необходимо анализировать и правильно подставлять в числитель соответствующую величину напряжения (номинальное фазное или номинальное линейное), а в знаменатель – соответствующее сопротивление нагрузки, к которому приложено это напряжение. Значения номинальных величин напряжений для источников, электрических сетей и приемников электрической энергии приведены в ГОСТ 21128-83: «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приёмники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В» и сведены в табл. 1.1. 8 Таблица 1.1 Номинальные напряжения на выходе систем электроснабжения, источников и преобразователей электрической энергии, номинальные напряжения сетей и на выводах непосредственно присоединяемых к ним приемников электрической энергии Вид тока Постоянный Переменный: однофазный трехфазный Номинальное напряжение, В систем электроснабжения, сетей и источников и преобразователей приемников 6; 12; 28,5; 48; 62; 115; 230, 460 6; 12; 27; 48; 60; 110, 220; 440 6; 12; 28,5; 42; 62; 115; 230 42, 62; 230, 400; 690 6; 12; 27; 40; 60; 110; 220 40; 60; 220; 380; 660 Нормальные режимы – все электроприёмники подключены по схемам, обеспечивающим нормальное функционирование ЭП в соответствии с ГОСТ 54149 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (дата введения – 2013.01.01). По сети к ЭП протекают нормальные токи, величина которых определяется по закону Ома для участка цепи. Величина тока прямо пропорциональна величине приложенного фактического напряжения и сопротивления нагрузки ЭП Zн (см. формулу 1.1). Ток также можно определить по закону Ома для всей цепи при известном напряжении идеального источника питания U и сопротивлении для всей цепи, состоящем из последовательно включенных сопротивлений проводников подводящей сети Zпс и нагрузки ЭП Zн (сопротивления складываются алгебраически): I = U ZS ; ZS = (1.2) (Rпс + Rн )2 + ( X пс + X н )2 , (1.3) где Rпс, Xпс – активное и индуктивное сопротивления подводящей сети; Rн, Xн – активное и индуктивное сопротивления нагрузки. Формула для расчета тока едина, но для каждой схемы электроприемника необходимо анализировать и правильно подставлять в числитель соответствующую величину напряжения (фактическое фазное или фактическое линейное), а в знаменатель – алгебраическую сумму сопротивлений проводников сети и нагрузки. Значение фактического напряжения на выходе идеального источника задается индивидуально для каждого студента. Для схем с однофазными ЭП суммарное сопротивление подводящей сети состоит из последовательно включенных сопротивлений прямого и обратного проводников. В схемах замещения их, как правило, объединяют и располагают до сопро9 тивления нагрузки ЭП. Для упрощенного расчета сопротивления прямого и обратного проводников принимаются равными друг другу, поэтому суммарное сопротивление будет равно удвоенному сопротивлению одного из проводников. Для схем с симметричными трехфазными ЭП схема замещения изображается для одной фазы, и сопротивление подводящей сети будет состоять из одного сопротивления фазного проводника. Рис. 1.1. К понятию номинального и нормального режима для однофазного электроприемника, подключенного на линейное напряжение: UНОМ –номинальное напряжение, U –фактическое напряжение Аварийные режимы возникают при коротких замыканиях (к.з.), витковых замыканиях и обрывах проводников. Коротким называется такое замыкание, когда электроприёмник шунтируется накоротко (замыкается накоротко). Разность потенциалов на зажимах ЭП становится равной нулю и ток по нему не идет. В этом случае ток к.з. в электрической цепи Iк ограничивается только сопротивлением проводников подводящей сети. I к = U Z пс . (1.4) При однофазном замыкании на корпус ЭП ток протекает под действием фазного напряжения и ограничен только суммарным сопротивлением Zпс. Оно состоит из двух последовательно включенных сопротивлений фазного и нулевого проводников или проводника PE. Для двухфазного к.з. суммарное сопротивление Zпс состоит из двух последовательно включенных сопротивлений фазных проводников, но ток протекает под действием линейного напряжения, которое больше (выше) фазного напряжения, поэтому и ток двухфазного к.з. в корень квадратный из трех больше чем однофазный ток к.з.. При симметричных трехфазных замыканиях ток протекает по каждому фазному проводнику под действием фазного напряжения, поэтому в два раза больше чем ток замыкания на корпус и в 1,1547 раз ( 2 3 ) больше тока двухфазного замыкания. 10 Витковое замыкание – это замыкание, исключающее из схемы часть сопротивления нагрузки, что также увеличивает ток в электрической цепи. Обрывы - это потеря целостности проводника. При обрывах, которые происходят в цепях электродвигателей, ток часто также увеличивается, так как для создания достаточного механического момента за счет электромагнитного поля меньшим количеством витков обмоток требуется большее значение тока, происходит снижение индуктивного сопротивления обмоток. При соединении обмоток двигателя в звезду ток в цепи протекает под действием линейного напряжения и будет ограничен двумя сопротивлениями подводящей сети и двумя последовательно включенными уменьшенными сопротивлениями обмоток двигателя. Аварийные режимы, как правило, сопровождаются увеличением тока по сравнению с нормальным режимом. Увеличение тока приводит: - к повышенному нагреву проводников (согласно закону ДжоуляЛенца), под действием которого происходит разрушение изоляции. - к возникновению больших электродинамических усилий (ЭДУ), под действием которых возможно механическое разрушение электрических аппаратов и сетей. Поэтому электроприёмники и элементы электрической сети требуют защиты от токов при аварийных режимах. Защита осуществляется за счет быстрого отключения поврежденного участка от источника питания при помощи коммутационных аппаратов. Наиболее часто отключение выполняется автоматическими выключателями и предохранителями. Обрывы ведут к незначительному увеличению тока, и отключение допускается производить спустя некоторое время. Этот вид защиты возможно реализовать с помощью тепловых реле в комбинации с контактором – в магнитных пускателях. Технологическая перегрузка механизма электроприемника также приводит к увеличению тока, который требуется отключить с выдержкой времени при помощи магнитного пускателя. Замыкания на корпус всегда должны отключаться мгновенно при помощи автоматических выключателей, предохранителей и устройств защитного отключения. Это связано с тем, что с корпусом соприкасается человек (персонал), который оказывается под напряжением. Под действием приложенного напряжения по человеку будет протекать ток в соответствии с законом Ома для всей цепи, который при определенной длительности протекания будет смертельным для человека. Данная защита наиболее эффективно обеспечивается выключателями, управляемыми дифференциальным током - устройствами защитного отключения (УЗО). Все перечисленные аппараты: предохранители, автоматические выключатели, магнитные пускатели, УЗО будут изучаться в последующих лабораторных работах. 11 1.2. Схемы электроприёмников и сети На рис. 1.2 представлена принципиальная электрическая схема электрической сети и подключенные к ней электроприемники: в однолинейном исполнении и многолинейном исполнении. На рис. 1.3 представлена ее полная схема замещения. а) б) Рис. 1.2. Принципиальная электрическая схема электрической сети и подключенные к ней электроприемники: а – однолинейная схема; б – многолинейная схема 12 Трансформаторная подстанция (ТП) U1A A U1B B U1C C U1 Сборные шины трансформаторной подстанции U1 = 0,4кВ PEN ZПС Сопротивления фазных проводников и нулевого проводника кабельной или воздушной линии, ZПС A U2 Сборные шины силового пункта B C N PE I1 IA I2 IB IC IA IB IC IN IA IB Ibc Iab Z1 Z2 Z3 Z4 IC Ica Z5 Рис. 1.3. Полная схема замещения электрической сети: Z1 - Z5 – комплексные сопротивления нагрузки электроприемников (для трехфазных ЭП их количество равно трем); ZПС – комплексные сопротивления фаз и нулевого проводника подводящей сети Основные режимы электроприемников и сети приведены на рис. 1.4 - 1.8. Частные схемы замещения студенты строят самостоятельно после анализа режима работы схемы путем определения контура протекания тока под действием напряжения (фазного или линейного) и тех сопротивлений, которые окажутся в этом контуре. Рис. 1.4. Короткое замыкание на токопроводящий корпус трехфазного электроприемника: ток протекает под действием фазного напряжения, в контуре протекания тока находятся два последовательно соединенных сопротивления фазного и нулевого проводников 13 Рис. 1.5. Междуфазные короткие замыкания: а – двухфазное к.з., ток протекает под действием линейного напряжения, в контуре протекания тока находятся два последовательно соединенных сопротивления фазных проводников (ток фазы С не учитывается); б – симметричное трехфазное к.з., ток в каждой линии протекает под действием фазного напряжения, в контуре протекания тока находятся одно сопротивление фазного проводника Рис. 1.6. Обрывы фазных и линейных проводников сети для трехфазных ЭП с различными схемами соединения фаз 14 Рис. 1.7. Замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника, соединенного в звезду (полное витковое замыкание) Рис. 1.8. Замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника, соединенного в звезду с выведенной нейтралью (полное витковое замыкание) Рис. 1.9. Частичное замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника, соединенного в звезду (частичное витковое замыкание) Рис. 1.10. Частичное замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника соединенного в треугольник (частичное витковое замыкание), полное замыкание приводит к режиму двухфазного к.з. 15 Рис. 1.11. Пояснения к режиму компенсации реактивной мощности: а – подключение конденсатора к шинам силового пункта; б – индивидуальная компенсация - подключение конденсатора к выводам электроприемника Рис. 1.12. Режим компенсации реактивной мощности: а – однофазного электроприемника; б – трехфазного электроприемника со схемой «звезда» Рис. 1.13. Режим компенсации реактивной мощности трехфазного электроприемника со схемой «треугольник» В первом полугодии изучения курса «Электрические и электронные аппараты» студенты выполняют задания по схемам номинального, нормального и режимов к.з. Во втором полугодии изучения курса в рамках курсовой работы – все последующие схемы. 16 1.3. Вольт-амперные характеристики и векторные диаграммы сети и нагрузки Статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) источника питания называется зависимость падения напряжения на выходе источника от тока нагрузки. Применительно к электрической сети это контактные зажимы в месте подключения ЭП. Характеристика строится по уравнению, составленному согласно второму закону Кирхгофа: U& 1 = U& 2 + I&Z пс , (1.5) где U& 1 – комплексная величина напряжения в начале сети, где условно находится идеальный источник ЭДС, В; I&1 – ток, протекающий по сети и потребляемый ЭП, А; Zпс – сопротивление подводящей сети, Ом; U& 2 – напряжение в точке подключения ЭП, В. Статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) нагрузки (электроприемника) называется зависимость падения напряжения на зажимах электроприемника (на входных зажимах в месте подключения) от тока нагрузки. Характеристика строится по уравнению, составленному согласно частному случаю второго закона Кирхгофа - закону Ома для участка электрической цепи: U& 2 = I&Z н . (1.6) Для каждого ЭП, подключенного к электрической сети, источник электродвижущей силы (ЭДС) (например, обмотка силового трансформатора) с сопротивлением всех элементов сети до точки подключения ЭП будет представлять уникальный источник питания. Например, для ЭП, подключенного к шинам силового пункта в конце линии электрической сети, напряжение U2 определяется по уравнению (1.7) согласно второму закону Кирхгофа (1.5), составленному на основе схемы замещения сети, изображенной на рис. 1.14, а: U& 2 = U& 1 - I&Z пс . (1.7) Геометрическим решением уравнений (1.6) и (1.7) будет точка пересечения кривых, построенных по этим уравнениям. Векторные диаграммы, реализованные по формулам (1.6), (1.7), приведены, на рис. 1.15. 17 Рис. 1.14. Согласование вольт-амперных характеристик электрической сети и электроприемников: а – электрическая схема замещения; б – ВАХ ЭП различной мощности (S1 больше S2); в, г – потребляемая мощность ЭП снижается (S2 меньше S1); в – при снижении напряжения в центре питания; г – при удалении от центра питания а) б) Рис. 1.15. Векторная диаграмма линии электрической сети с нагрузкой на конце: а – преобладает индуктивное сопротивление сети; б – преобладает активное сопротивление. Примечание: для наглядности векторной диаграммы принято, что активное сопротивление подводящей сети составляет половину сопротивления нагрузки, а индуктивное сопротивление подводящей сети больше индуктивного сопротивления нагрузки в два раза для случая а и меньше индуктивного сопротивления нагрузки в 4 раза для случая б Вольт-амперная характеристика источника питания (далее ВАХ сети) представляет собой пологопадающую линию в диапазоне рабочих (номинальных) токов, идущую от оси ординат из точки U1 (см рис. 1.14, б). Положение ВАХ сети над осью абсцисс и угол её наклона будут изменяться в зависимости от величин, входящих в формулу (1.7). 18 При централизованном регулировании напряжения, когда снижается или увеличивается напряжение холостого хода трансформатора (свободный член уравнения), ВАХ сети пойдет параллельно ниже или выше (см. рис. 1.14, в). Крутизна ВАХ сети будет определяться величиной сопротивления участка сети Zпс. Например, при снижении сечения проводника, идущего к ЭП, ВАХ сети пойдет с большим наклоном к оси тока (см. рис. 1.14, г), такой же характер наклона будет иметь ВАХ сети для электрически более удаленного ЭП. Геометрически это объясняется тем, что увеличивается коэффициент при аргументе в уравнении (1.7). Электрическая схема замещения традиционных ЭП может быть представлена в виде постоянной величины электрического сопротивления Вольт-амперная характеристика (ВАХ) таких ЭП для каждой фазы сети будет представлять прямую линию с углом наклона относительно оси абсцисс (оси тока). Чем больше мощность ЭП, тем меньше будет его сопротивление и тем положе пойдет ВАХ (см. рис. 1.14, б) и, наоборот, ВАХ ЭП малой мощности пойдет с большим углом наклона относительно оси тока. Площадь прямоугольника под точкой пересечения ВАХ сети и ВАХ ЭП будет представлять полную мощность ЭП S (произведение тока на напряжение). Необходимо таким образом выбрать конфигурацию сети и сечение проводников, чтобы при согласовании ВАХ сети с ВАХ каждого ЭП (находящейся в произвольной точке сети) отклонение напряжения от номинального значения не превышало допустимых по ГОСТ Р 54149 2010 (см. рис. 1.14, в, г). Только в этом случае технические характеристики ЭП будут находиться в допустимых пределах. Приближение к номинальному режиму работы ЭП возможно как за счет регулирования напряжения на шинах источника питания (рис. 1.14, в), так и за счет приближения ЭП ближе к ТП или увеличения сечения жил питающего кабеля (рис. 1.14, г). Компенсация реактивной мощности ЭП дает аналогичный эффект. Маломощные ЭП особо чувствительны к колебаниям напряжения в питающей сети, так как величина напряжения на зажимах электроприемников будет изменяться под действием больших падений напряжения в подводящей сети за счет протекания тока более мощных электроприемников. Электрическая мощность ЭП, и соответственно технологические характеристики будут зависеть от фактической величины напряжения на зажимах ЭП. Сравнение величины векторов напряжений U1 и U2 на рис. 1.15 показывает, что для поддержания заданного напряжения на ЭП U2 (например, на уровне номинальной величины) при меньшем индуктивном сопротивлении сети требуется меньшее значение напряжения источника питания U1 (рис. 1.15, б). 19 Задания по теме 1 От шин центра питания (трансформаторной подстанции) напряжением 0,4 кВ отходит кабельная линия к силовому пункту (СП). К СП подключены электроприемники, с различными схемами включения. Необходимо определить технические характеристики режимов работы при их поочередном подключении. Параметры электрической нагрузки и кабеля с алюминиевыми жилами заданы вариантом и приведены в таблице 1.2. Таблица 1.2 Исходные данные для расчета Наименование параметров Zн, Ом Сечение кабеля, мм2 ro, Ом/км xo, Ом/км Наименование параметров φн Длина линии, км Напряжение на шинах ТП U1, В Значение параметров нагрузки для первой цифры заданного варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 240 185 150 120 95 70 50 35 25 16 0,13 0,169 0,208 0,261 0,329 0,447 0,625 0,894 1,25 1,95 0,0587 0,0596 0,0596 0,0602 0,0602 0,0612 0,0625 0,0637 0,0662 0,0675 Значение параметров нагрузки для второй цифры заданного варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 382 386 390 394 398 402 406 410 414 418 Допущение. К шинам центра питания подключен идеальный источник напряжения. Напряжение (междуфазное) на шинах центра питания поддерживается на уровне величины, заданной по варианту. ЗАДАНИЕ 1. Исследование нормальных режимов 1. Определить номинальный ток и номинальную мощность нагрузки, потери напряжения и потери мощности в линиях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактическое напряжение, которое необходимо поддерживать на шинах трансформаторной подстанции (ТП) для обеспечения номинальной мощности нагрузки. Результаты расчетов занести в таблицу. Сделать вывод о том, как изменяется ток в линии, потери напряжения и мощности в линии (с распределением по фазам трехфазной сети) при различных видах схем соединения нагрузки, а также фактическое напряжение, которое необходимо поддерживать на шинах трансформаторной подстанции для обеспечения номинальной мощности каждой из нагрузок. 2. Определить ток и мощность нагрузки при заданном (по варианту) напряжении на шинах ТП, потери напряжения и потери мощности в лини20 ях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактическую мощность нагрузки. Результаты расчетов занести в таблицу. Сделать вывод о том, как изменяется фактическая мощность нагрузки, ток в линии, потери напряжения и мощности в линии по сравнению с тем случаем, когда напряжение на нагрузке поддерживается на уровне номинальной величины. 3. Построить векторную диаграмму тока и напряжений для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение и для нагрузки, соединенной по схеме «звезда» (для одной из фаз). Сделать вывод о причинах различного изменения величины напряжения на зажимах ЭП. 4. Построить статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) сети и ВАХ нагрузки для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение и для нагрузки, соединенной по схеме «звезда» (для одной из фаз) на одном поле графика. Здесь же изобразить прямоугольник номинальной мощности. Подписать характеристики в виде аналитических выражений с численными коэффициентами (в соответствии с вариантом задания). Характеристики изобразить на листе формата А4 в книжной ориентации. Соотношение толщин графических зависимостей с линиями координатной сетки выполнить 3:1. Линии графика допускается выполнить карандашом, подписи выполнить шариковой ручкой черного цвета чертежным шрифтом. Сделать вывод о причинах различного изменения величины фактической мощности фазы ЭП. ЗАДАНИЕ 2. Исследование нормальных режимов при компенсации реактивной нагрузки ЭП 1. Выполнить индивидуальную компенсацию реактивной мощности (подобрать мощность компенсирующих устройств, рассчитать сопротивление и емкость конденсаторов). При компенсации реактивной мощности трехфазной нагрузки принять, что конденсаторы включены по схеме «треугольник». Определить потери напряжения и потери мощности в линиях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактическую мощность ЭП. Результаты расчетов занести в таблицу установленного образца. Сделать выводы о том, как изменяется фактическая мощность нагрузки, ток в линии, потери напряжения и мощности в линии, КПД по сравнению с тем случаем, когда компенсация реактивной мощности на шинах силового пункта отсутствует. 2. Построить векторную диаграмму тока и напряжений для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение и сравнить ее с векторной диаграммой тока и напряжений для случая, когда компенсация реактивной мощности на шинах силового пункта отсутствует. Сделать вывод об изме21 нении величины напряжения на зажимах ЭП. 3. Построить на том же поле графика (см. задания 1, п.1, п.4) статические вольтамперные характеристики (ВАХ) сети и ВАХ нагрузки для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение при компенсации реактивной мощности. Сделать вывод о причинах различной величины фактической мощности ЭП. ЗАДАНИЕ 3. Исследование номинальных, нормальных и аварийных режимов работы электроприемников в электрической сети 1. Рассчитать токи в аварийных режимах. Занести рассчитанные значения тока в номинальном, нормальном и аварийных режимах работы в таблицу установленного образца. 2. Для нормальных и всех аварийных режимов построить векторные диаграммы токов и напряжений. Векторные диаграммы разместить справа от соответствующей схемы замещения режима работы ЭП и сети. 3. Изобразить осциллограммы напряжения и тока в фазе электрической сети в нормальном режиме и в режиме замыкания на корпус. Принять момент возникновения к.з. в момент прохождения тока через нуль и в момент прохождения напряжения через нуль (по заданию преподавателя). Сделать выводы о величине токов в аварийных режимах работы. Отчет по работе должен содержать 1. Электрические схемы: принципиальная однолинейная, принципиальная многолинейная, схемы замещения для расчета нормальных и аварийных режимов работы сети; 2. Результаты расчетов (заданий 1-3), занесенные в таблицы установленной формы и размещенные непосредственно после электрических схем. Значения величин (тока в амперах, напряжения в вольтах, мощности в киловольт-амперах или киловаттах, угол в градусах) записать с точностью до одного знака после запятой; 3. Вольт-амперные характеристики, выполненные в масштабе на одном поле графика формата А4 в книжной ориентации; 4. Векторные диаграммы, выполненные в рукописном виде с использованием следующих цветов для изображения тока и напряжения: для фазы А – желтый, фазы В – зеленый, фазы С – красный; нулевые рабочие (нейтральные-N) – голубой (для выделения векторов напряжения использовать более интенсивные оттенки цвета). 5. Осциллограммы тока и напряжения (не менее двух периодов до и после возникновения к.з.), выполненные в масштабе на одном поле гра22 фика формата А4 в книжной ориентации; 6. Выводы разместить непосредственно после расчетных таблиц. Для выполнения работы допустимо использовать готовый расчетный модуль, выполненный в программном продукте Mathcad, и программу расчета режимов электрической сети - файл «peie.exe». Дата выдачи задания – первая неделя текущего семестра. Срок сдачи работы на проверку – четвертая неделя текущего семестра. Расчетные таблицы к лабораторной работе №1 (форма) Таблица 1.3 Исходные и расчетные данные (вариант ____ ): l, км F, мм2 R, Ом X, Ом Z, Ом φк, ° Zн, Ом φн, ° Rн, Ом Xн, Ом U, В cos φ Таблица 1.4 Расчетные величины для номинального режима при поддержании номинального напряжения на выводах ЭП: линейное напряжение 380 В, фазное -220В Вид нагрузки Наименование № схемы схемы Однофазная на Uф 1 Однофазная на U 2 «Звезда» 3,4 «Треугольник» 5 Значение параметров нагрузки, значений потерь напряжения в сети при протекании номинального тока нагрузки и предполагаемого напряжения на шинах ТП Pном Qном Sном Iном ΔU U1факт кВт квар кВА с-е А с-е В с-е В 1 1 1 Таблица 1.5 Расчетные величины для нормального режима – «до компенсации реактивной мощности» при напряжении (линейном) на шинах ТП U = ______ В (Uф = ______ В) Значение параметров электрической цепи и нагрузки для нормального режима работы электрической сети Pн Qн Sн Iн ΔU U2 № Наименование схемы схемы кВт квар кВА с-е А с-е В с-е В Однофазная на Uф 1 Однофазная на U 2 «Звезда» 3,4 1 1 1 «Треугольник» 5 Вид нагрузки 23 Таблица 1.6 Расчетные величины для нормального режима – «после компенсации реактивной мощности» при напряжении (линейном) на шинах ТП U = ______ В (Uф = ______ В) Значение параметров электрической цепи и нагрузки для нормального режима работы электрической сети Вид нагрузки Наименование схемы Sсети Sн № схемы кВА кВА Однофазная на Uф 1 Однофазная на U 2 «Звезда» Iсети А 3,4 «Треугольник» Iн с-е А 1 ΔU с-е В 1 U2 с-е В 1 5 Таблица 1.7 Расчетные величины для подбора параметров компенсирующего устройства № Наименование схемы схемы Однофазная на Uф 1 Однофазная на U 2 «Звезда» Конденсаторы включены по схеме « треугольник « (на Uном=380 В) Xк, Ом C, мкФ Iном_к , А с-е 3,4 «Треугольник» 1 5 Таблица 1.8 Расчетные величины КПД передачи электроэнергии № Наименование схемы схемы Однофазная на Uф 1 Однофазная на U 2 «звезда» «треугольник» До компенсации реактив- После компенсации реакной мощности нагрузки тивной мощности нагрузки Pн, В ΔP, В КПД, % с-е Pн, В ΔP, В КПД, % с-е 3,4 1 5 24 1 Таблица 1.9 Расчетные величины тока в различных режимах работы сети Ток в линейных проводниках при схемах соединения нагрузки, А Режим работы сети однофазная на Uф однофазная на U Δ 1. Номинальный 2. Нормальный 3. Нормальный после компенсации 4. Замыкание на корпус 5. Замыкание между линиями двух фаз 6. Замыкание между линиями трех фаз 7. Полное витковое замыкание 8. Частичное витковое замыкание 9. Обрыв линейного провода 10. Обрыв фазного провода 11. Обрыв нулевого провода в режиме частично– – го виткового замыкания 1. 2. 3. Допущения: Величина напряжения на шинах ТП поддерживается неизменной ( ____ В ) Короткие замыкания происходят в месте подключения электроприемников Активно-индуктивный характер электрической цепи составляет: а) в нормальном режиме и в режимах частичных витковых замыканий соотношением R и X всей электрической цепи X/R = ________ , что составляет_____ градусов; б) в режимах к.з. - соотношением R и X электрической сети (кабельной линии) X/R = _________ , что составляет φк =_____ градусов. Методические указания по выполнению расчетов Расчетные формулы для схем: 1. Однофазная нагрузка на Uф Номинальная полная мощность: 2 2 2 U ф.ном U ном 3 U ном S ном = U ф.ном I = = = . Zн Zн 3Z н ( ) 25 Номинальная активная мощность: Pном = S ном cos φ . Номинальная реактивная мощность: Qном = S ном sin φ . Номинальный ток в линии: I ном = U ном . Zн 2 Потери активной мощности в подводящей сети: DPном = 2 I ном R пс . Фактическое значение фазного напряжения, необходимое для поддержания номинальной мощности ЭТУ: U 1ф.факт = U 1ф.ном + DU . Потери напряжения в подводящей сети: DU = 2 3 I ном (R пс cos φ + X пс sin φ ) . 2. Однофазная нагрузка на U 2 U ном . Номинальная полная мощность: S ном = U ном I = Zн Номинальная активная мощность: Pном = S ном cos φ . Номинальная реактивная мощность: Qном = S ном sin φ . U ф.ном U ном . Номинальный ток в линии: I ном = = Zн 3Z н 2 Потери активной мощности в подводящей сети: DPном = 2 I ном R пс . Фактическое значение фазного напряжения, необходимое для поддержания номинальной мощности ЭТУ: U 1ф.факт = U 1ф.ном + DU . Потери напряжения в подводящей сети: DU = 2 3 I ном (R пс cos φ + X пс sin φ ) . 3. Трехфазная нагрузка соединенная по схеме «звезда», «звезда с нулем» Номинальная полная мощность: 2 2 2 U ф.ном U ном 3 U ном S ном = 3U ф.ном I ф = 3 =3 = . Zн Zн Zн Номинальная активная мощность: Pном = S ном cos φ . Номинальная реактивная мощность: Qном = S ном sin φ. ( Номинальный ток в линии: I ном = ) U ф.ном Zн = U ном 3Z н . 2 Потери активной мощности в подводящей сети: DPном = 3 I ном R пс . Фактическое значение фазного напряжения, необходимое для поддержания номинальной мощности ЭТУ: U 1ф.факт = U 1ф.ном + DU . Потери напряжения в подводящей сети: DU = 3I ном (R пс cos φ + X пс sin φ ) . 4. Трехфазная нагрузка, соединенная по схеме «треугольник» Номинальная полная мощность: S ном 2 U ном . = 3U ном I = 3 Zн 26 Номинальная активная мощность: Pном = S ном cos φ . Номинальная реактивная мощность: Qном = S ном sin φ . Номинальный ток в линии: I ном = 3I ф.ном = 3 U ном . Zн 2 Потери активной мощности в подводящей сети: DPном = 3 I ном R пс . Фактическое значение фазного напряжения, необходимое для поддержания номинальной мощности ЭТУ: U 1ф.факт = U 1ф.ном + DU . Потери напряжения в подводящей сети: DU = 3I ном (Rпс cos φ+ X пс sin φ) . КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назвать три вида «идеальных элементов», которые своим сочетанием формируют электрическую нагрузку. Изобразить осциллограммы и векторные диаграммы токов и падений напряжения. 2. Изобразить осциллограммы и векторные диаграммы токов и падений напряжения при последовательном соединении элементов R, L, C. 3. Изобразить векторную диаграмму падений напряжения на нагрузке и пояснить, каким образом на ее основе возможно сформировать треугольник сопротивлений и треугольник мощности. 4. Понятие нормального и номинального режима работы электроприемника. 5. Пояснить каким образом задаются параметры электроприемника через мощность. 6. Пояснить каким образом задаются параметры электроприемника через сопротивления. 7. Привести вывод аналитических выражений мощности, сопротивлений и токов. Назвать соотношения этих величин для различных схем замещения в режиме без компенсации реактивной мощности. 8. Привести три способа для подбора емкости батареи конденсаторов для полной компенсации реактивной мощности нагрузки. 9. Привести вывод аналитических выражений мощности, сопротивлений и токов. Назвать соотношения этих величин для различных схем замещения в режиме с компенсацией реактивной мощности. 10. Изобразить векторные диаграммы токов и напряжений при компенсации однофазной нагрузки. 11. Изобразить векторные диаграммы токов и напряжений при компенсации трехфазной нагрузки, соединенной по схеме «звезда» и и по схеме «треугольник».Конденсаторные батареи включены по схеме «треугольник». 27 12. Ответить на вопросы заданий по теме 1: 12.1. Изобразить осциллограммы напряжения на шинах ТП и тока в линии до и после к.з. на корпус электродвигателя. 12.2. Изобразить на одном поле графика статические ВАХ сети и ВАХ нагрузки для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение (до и после компенсации реактивной мощности) и для нагрузки, соединенной по схеме «звезда» (для одной из фаз). Здесь же изобразить прямоугольник номинальной мощности. 12.3. Написать аналитические выражения для определения номинального тока и номинальной мощности нагрузки, потерь напряжения и потерь мощности в линиях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактического напряжения, которое необходимо поддерживать на шинах трансформаторной подстанции (ТП) для обеспечения номинальной мощности нагрузки. 12.4. Написать аналитические выражения для определения тока и мощности нагрузки при заданном (по варианту) напряжении на шинах ТП, потерь напряжения и потерь мощности в линиях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактической мощности нагрузки. 12.5. Построить векторную диаграмму тока и напряжений для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение и для нагрузки, соединенной по схеме «звезда» (для одной из фаз). Сделать вывод о причинах различного изменения величины напряжения на зажимах ЭП. 12.6. Написать аналитические выражения для выполнения индивидуальной компенсации реактивной мощности (подобрать мощность компенсирующих устройств, рассчитать сопротивление и емкость конденсаторов). При компенсации реактивной мощности трехфазной нагрузки принять, что конденсаторы включены по схеме «треугольник». 28 2. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВНЫХ ГРАФИЧЕСКИХ И БУКВЕННО-ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ В курсе «Электрические и электронные аппараты» по данной теме проводится лабораторная работа 2. В ходе работы студенты изучают условные графические и буквенно-цифровые обозначения (УГО и БЦО) электрических аппаратов применяемых при изображении электрических схем. Знакомятся с правилами выполнения и анализа схем на основе принципиальных электрических схем лабораторных стендов для испытания ЭА, схем подключения асинхронных электродвигателей к электрической сети и схемы устройства для проверки целостности электрической цепи («прозвонки»). Каждый студент индивидуально изготавливает это устройство, которое в последующих лабораторных работах использует для выявления скрытых токопроводящих цепей ЭА и последовательности замыкания (размыкания) контактов. Изучаются виды ЭА, входящих в состав силовой цепи и цепи управления схем подключения нереверсивного и реверсивного асинхронного электродвигателя к электрической сети промышленного предприятия и административного здания. Студенты анализируют основные принципы работы схем в нормальных режимах (пуск, останов, изменение направления движения) и поведение электрических аппаратов в аварийных режимах (к.з., исчезновение и восстановление напряжения, технологическая перегрузка, обрывы фаз). 2.1. Правила выполнения и анализа электрических схем 2.1.1. Общие определения, классификация схем Электрическая схема – это упрощенное и наглядное изображение связей между отдельными элементами электрической цепи, выполненное при помощи условных обозначений. Электрическая цепь – совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об ЭДС, силе тока и напряжении. Электрическая цепь обязательно включает в себя источник электрической энергии, приёмник электрической энергии, соединительные провода или проводники. Также в её состав входят измерительные приборы, коммутирующие аппараты, контактные соединения между участками электрической цепи. 29 Электрическое соединение – соединение участков электрической цепи в узел. Электрическое соединение обладает электрическим сопротивлением, которое иногда следует учитывать при анализе электрических цепей. Фаза – (в электротехнике) одна из электрических цепей, входящая в состав многофазной цепи, характеризующаяся сдвинутой по времени ЭДС (напряжением) по отношению к другим цепям (фазам). Электрический ток – направленное движение зарядов в электрическом поле. Электрический ток в электрических цепях всегда идёт по замкнутому контуру, внутри которого должен быть источник электродвижущей силы. Электродвижущая сила (ЭДС) – разность потенциалов на концах проводника (как правило, это обмотка электрической машины), возникающая вследствие его перемещения в магнитном поле (например, в генераторах) или нахождения в переменном магнитном поле (например, в трансформаторах). Эквивале́ нтная схе́ ма (схема замещения, эквивалентная схема замещения) — электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов. Идеальные элементы. В эквивалентных схемах используются перечисленные ниже идеальные элементы. Предполагается также, что геометрические размеры эквивалентной схемы настолько малы, что какие-либо эффекты длинных линий отсутствуют, то есть эквивалентная схема рассматривается как система с сосредоточенными параметрами. · Резистор. Идеальный резистор характеризуется только сопротивлением. Индуктивность, емкость, а также сопротивление выводов равны нулю. · Конденсатор. Идеальный конденсатор характеризуется только ёмкостью. Индуктивность, утечка, тангенс угла потерь, диэлектрическое поглощение, а также сопротивление выводов равны нулю. · Катушка индуктивности. Идеальная катушка индуктивности характеризуется только индуктивностью. Емкость, сопротивление потерь, а также сопротивление выводов равны нулю. · Источник ЭДС. Идеальный источник ЭДС характеризуется только своим напряжением. Внутреннее сопротивление и сопротивление выводов равны нулю. · Источник тока. Идеальный источник тока характеризуется только своим током. Утечка равна нулю. · Проводники. Элементы эквивалентной схемы соединены идеальными проводниками, то есть индуктивность, емкость и сопротивление 30 проводников равны нулю. Согласно ГОСТ 2701-84, все схемы разделяются на виды: 1. В зависимости от видов элементов и связей между ними: Э – электрические схемы; Г – гидравлические; П – пневматические; Гз – газовые и т.д. 2. В зависимости от основного назначения каждый вид схемы делится на типы: 5 – схемы подключения; 1 – структурные схемы; 6 – общие схемы; 2 – функциональные схемы; 3 – принципиальные (полные) схемы; 7 – схемы расположения; 0 – объединенные схемы. 4 – схемы соединений (монтажные); Таким образом, наименование схемы определяется её видом и типом и обозначается буквенно-цифровым обозначением (БЦО). Пример. Обозначение Э3 – это электрическая принципиальная схема. 2.1.2. Условные буквенно-цифровые обозначения в электрических схемах Буквенно-цифровые обозначение (БЦО) предназначены для записи в сокращённой форме сведений об элементах электрической цепи. Для этого используются прописные буквы латинского алфавита и арабские цифры. Для уточнения вида элементов применяются двухбуквенные и многобуквенные коды. Таблица 2.1 Буквенные обозначения элементов электрической цепи Первая буква кода 1 A B Наименование группы элементов Примеры наименований элементов 2 3 Регулятор тока Блок реле Устройство автоматического повторного включения (АПВ) Громкоговоритель Телефон Тепловой датчик Датчик давления Фотоэлемент Микрофон Устройства Преобразователи неэлектрических величин в электрические (кроме генераторов и источников питания) или наоборот 31 Двухбуквенный код 4 AA AK AKS BA BF BK BP BL BM C Конденсаторы D Схемы интегральные, микросборки E Элементы разные F Разрядники, предохранители, устройства защитные G Генераторы, источники питания H K L M P Q R Устройства индикации и сигнализации Реле, контакторы, пускатели Катушки индуктивности, дроссели Двигатели Продолжение табл. 2.1 Силовая батарея конденсаторов CB Блок конденсаторов зарядный CG DA Интегральная схема аналоговая Интегральная схема цифровая, DD логический элемент Схема задержки DT Нагревательный элемент EK Лампа осветительная EL Предохранитель плавкий FU Разрядник FV Дискретный элемент защиты FA Аккумуляторная батарея GB Прибор звуковой сигнализации Прибор световой сигнализации Табло сигнальное Лампа сигнальная с линзой: зеленой красной белой Реле тока Реле управления Реле электротепловое Контактор (магнитный пускатель) Реле времени Реле напряжения Реле указательное Дроссель люминесцентной лампы HA HL HLА Амперметр Счетчик активной энергии Счетчик реактивной энергии Приборы, измерительное оборудование Часы (секундомер) Вольтметр Ваттметр Выключатель автоматический Выключатели, разъединители в Короткозамыкатель силовых цепях Разъединитель Заземляющий разъединитель Терморезистор Резисторы Измерительный шунт Варистор 32 HLG HLR HLW KA KC KK KM KT KV KH LL PA PI PK PT PV PW QF QK QS QSG RK RS RU S Устройства коммутационные в цепях управления, сигнализации, измерения T Трансформаторы, форматоры U Преобразователи электрических величин в электрические, устройства связи V Приборы электровакуумные, полупроводниковые W Линии и элементы сверхвысоких частот, антенны X Y Z автотранс- Соединения контактные Устройства механические с электромагнитным приводом Устройства оконечные, фильтры, ограничители Окончание табл. 2.1 Переключатель (ключ управлеSA ния) Выключатель кнопочный SB Выключатель автоматический SF Переключатель температуры SK Переключатель уровня SL Переключатель давления SP Переключатель положения SQ («путевой») Силовой трансформатор T Трансформатор тока TA Трансформатор напряжения TV Преобразователи: UD выпрямительный, UZ инверторный, UF частоты Диод VD Электровакуумный прибор VL Тиристор VS Транзистор VT Скользящий контакт Штырь (‘‘вилка’’) Гнездо (‘‘розетка’’) Соединение разборное, клеммник Соединение неразборное Электромагнит Замок электромагнитной блокировки Фильтр кварцевый Фильтр тока Фильтр напряжения Фильтр частоты XA XP XS XT XN YA YAB ZQ ZA ZV ZF Текстовая информация в схемах На схемах рекомендуется помещать следующие текстовые данные: 1. Наименование или характеристики электрических сигналов. 2. Обозначение электрических цепей (маркировка). 3. Технические характеристики электрических аппаратов и других устройств в виде текста, таблиц, диаграмм. Текст выполняется по 33 ГОСТ 2.701-84, должен быть кратким, точным без сокращений (кроме общепринятых), по возможности справа и сверху от электрического аппарата, рядом с линиями, в конце или в разрыве, на свободном поле, по возможности горизонтально. Таблицы должны иметь наименование, раскрывающее содержание, располагаться на свободном поле. Все надписи выполняются чертежным шрифтом по ГОСТ 2.304-81. Допускаются шрифты различных размеров. При выполнении на компьютере рекомендуется шрифт Times New Roman, кегль – 12, с одинарным межстрочным интервалом и отступом 2 см от левого края страницы. 2.1.3. Условные графические обозначения Устройства коммутационные и контактные соединения Условные графические обозначения (УГО) на устройства коммутационные и контактные соединения регламентируются ГОСТ 2.755-87, который вводит квалифицирующие символы, поясняющие принцип работы коммутационных устройств. Квалифицирующие символы разделены по выполняемым функциям: (полукруг) – контактор. 1) Контактор – электрический аппарат, предназначенный для дистанционной коммутации силовых электрических цепей низкого напряжения: (наклонный крест) – выключатель. Выключатель – коммутационный электрический аппарат, имеющий два коммутационных положения и предназначенный для включения, отключения и проведение электрического тока нагрузки: 2) (черта) – разъединитель. Разъединитель – коммутационный аппарат, предназначенный для коммутации участков электрической цепи высокого напряжения (выше 1000В) при отсутствии тока или при силе тока значительно меньше номинальной. Для обеспечения безопасности персонала разъединитель имеет в отключенном положении изоляционный промежуток (видимый разрыв). В цепях низкого напряжения такую функцию выполняет рубильник: 3) 34 Рубильник – коммутационный аппарат, предназначенный для ручного включения, отключения в электрических цепях низкого напряжения. В отключенном состоянии обеспечивает видимый разрыв. 4) (круг с чертой) – выключатель-разъединитель - коммутационный аппарат, имеющий два коммутационных положения и предназначенный для включения, отключения электрического тока нагрузки и обладающий функцией видимого разрыва: (квадрат) – автоматическое срабатывание, т.е. данный коммутационный аппарат срабатывает автоматически при превышении какоголибо параметра сверх заданного. Размер квадрата: 1,5 × 1,5 [мм]: 5) (прямоугольный треугольник с углами 30 и 60 градусов) – путевой или концевой выключатель, т.е. происходит срабатывание данного коммутационного аппарата при достижении объектом какого-то пространственного положения: 6) (треугольник равносторонний) – самовозврат, т.е. контакт возвращается в исходное положение после того, как воздействие на него заканчивается: 7) 35 8) (круг) – отсутствие самовозврата: (зигзаг с достроенными равносторонними треугольниками) – дугогашение: 9) Примеры построения контактных коммутирующих устройств – контакт замыкающий (нормально открытый) – контакт размыкающий (нормально закрытый) – переключающий контакт – переключающий контакт с нейтральной точкой Дополнительно используемые символы 1. Контакты импульсные: Контакты импульсные – это контакты, которые замыкаются (размыкаются) на незначительный промежуток времени (а и г – при срабатывании; б и д – при возврате; в и е – при срабатывании и при возврате): Замыкающие контакты Размыкающие контакты 2. Контакты в контактной группе, срабатывающие раньше по отношению к другим контактам: 36 - раньше замыкается - раньше размыкается 3. Контакты в контактной группе, срабатывающие позднее по отношению к другим контактам: - позднее замыкается - позднее размыкается. 4. Контакты замедления (контакты реле времени): а) при срабатывании; б) при возврате; в) при срабатывании и при возврате; Контакты двухпозиционных коммутационных устройств 1. Контакт замыкающий выключателя: Однополюсный Трехполюсный Пунктирная линия (линия механической связи) показывает, что подвижные и неподвижные контакты во всех полюсах электрического аппарата замыкаются и размыкаются одновременно. 2. Контакт замыкающий нажимного кнопочного устройства: 37 а) без самовозврата; б) размыкание и возврат элемента управления происходит: – автоматически; Действующий стандарт Устаревший стандарт – посредством вторичного нажатия кнопки; – посредством отдельного привода (например, нажатия кнопки «сброс» у теплового реле КК): Многопозиционные коммутационные устройства 1. Переключатель однополюсный многопозиционный: 2. Ключ управления: Утолщенная черточка или точка указывает на замкнутое состояние контактов ключа. Например, цепь 1–2 разомкнута в первом и втором положении ключа и замкнута в третьем положении ключа. 38 3. Трехпозиционный переключатель с нейтральным положением (перекидной рубильник без самовозврата): Контакты контактных соединений а) разъемное соединение Гнездо конструктивно выполняется на подвижном элементе сильноточного электрического аппарата, так как это более сложный узел, который легче обслуживать, когда аппарат выведен из ячейки распределительного устройства и он не находится под напряжением электрической сети. Наоборот, для переносных электроприемников (в том числе бытовых) штырь является элементом подвижной части, а гнездо (розетка) – неподвижный элемент электрической сети. б) разборное соединение или клемма . Пример. Колодка зажимов (клеммник) с разборными контактами 39 Проводники с двух сторон клеммника зажимаются при помощи винта. в) неразборное соединение (пайка) . Пример. Клеммник с разборными и неразборными контактами Размеры УГО ЭА рекомендовано выполнять такой величины, какой они изображены в стандарте или пропорционально увеличенными. Ориентация УГО должна быть такова, чтобы обеспечивался наиболее простой рисунок схемы с минимальным количеством изломов и пересечений линий связи. Линии в электрических схемах Линиями изображают: · элементы взаимосвязи (функциональные, логические и т.п.); · пути прохождения электрического тока (электрические связи); · механические взаимосвязи; · материальные проводники (провода, кабели, шины); · экранирующие оболочки, корпуса приборов и т.п.; · условные границы устройств и функциональных групп. Толщины линий выбираются в зависимости от формата схемы и размеров УГО. На одной схеме рекомендуется применять не более трех типоразмеров линий по толщине: b – тонкая линия; 2b – утолщённая; 3b...4b – толстая. 40 Таблица 2.2 Примеры видов и толщин линий Наименование линий Начертание ГОСТ 2303-68 Сплошная тонкая Сплошная основная толстая Штриховая Штрихпунктирная тонкая Штрихпунктирная с двумя точками Толщина Основное назначение Линия электрической связи, провод, b кабель, шина, линия групповой связи, линия УГО То же. Примечание: для линий групповой связи и сило2b, 3b ... 4b вых электрических цепей применяются утолщенные (2b) и толстые (3b-4b) линии Линия механической связи, линия b экранирования Линия для выделения на схеме b групп элементов, составляющих устройства Линия разъединительная, для граb фического разделения частей схемы Линии должны состоять из горизонтальных и вертикальных отрезков и иметь минимальное количество изломов и взаимных пересечений. Допускается применение наклонных линий связи, но длину этих линий по возможности следует ограничивать. Электрические связи изображают, как правило, тонкими линиями (b = 0,2÷1,0 мм). Для выделения наиболее важных цепей (например, цепи силового питания) используют утолщенные (2b) и толстые (3b, 4b) линии. УГО и линии связи в пределах одной схемы выполняются линиями одной толщины. Рекомендуется толщина линий b = 0,3÷0,4 мм. Линии групповой связи Линии групповой связи предназначены для уменьшения количества линий, изображаемых на схеме. Каждая сливаемая линия в месте слияния должна быть помечена цифрой, буквой или их сочетанием. Сливаемые проводники входят в групповую линию без точки, обозначающую наличие электрического контакта. При наличии разветвлений их количество указывается через дробную черту (а). Количество проводников в линиях групповой связи более двух допускается обозначать одной чертой и цифрой, указывающей на количество проводников (б – г). 41 A1 105 74 32 32/2 12 105 74 A B C N A3 4 32 12 A2 A а) B C N б) L1, L2, L N3 PE QF QS Q D в) 4 5 г) Обозначение цепей в электрических схемах В ГОСТ 2.709-72 выделены следующие виды цепей: силовые, защиты, управления, сигнализации, автоматики, измерения. Наиболее распространённый тип маркировки называется независимым. В этом случае одинаковую марку присваивают электрическим цепям, связанным между собой точки с одинаковым потенциалом вне зависимости от того, к каким приборам и аппаратам относятся эти точки. Участки цепи, разделённые электрическими аппаратами или их контактами, имеют разную маркировку, а участки, проходящие через разборные или неразборные контакты, имеют одинаковую маркировку. Как правило, используются арабские цифры и латинские буквы. Маркировка проставляется при горизонтальном расположении цепей – над участком проводника, при вертикальном – слева. При необходимости, нумерацию, присвоенную заводами-изготовителями, наносят около элементов электрической цепи с противоположной стороны 42 В схемах постоянного тока нечетные числа присваивают участкам положительной полярности, четные – отрицательной полярности В схемах трехфазного переменного тока участки цепей маркируют последовательными числами без деления на четные и нечетные с добавлением перед цифрой буквы А, В, С соответственно фазам, N – нейтрали, РЕ – защитного проводника. Кроме букв А, В, С применяют букву L – линия. В схемах однофазного переменного тока (фаза-фаза или фаза-нуль) участки цепей маркируют аналогично цепям постоянного тока – четными и нечетными числами. Принято маркировать участки цепей, изображаемые справа от катушки четными числами, возрастающими по мере приближения к катушке. Рис. 2.1. Пример выполнения маркировки подводников в электрической схеме управления асинхронным электродвигателем При описании схем часто используется слово Фаза. При этом имеется в виду проводник в трехфазной линии, связанный с источником ЭДС (с выводом трансформатора) в отличие от нулевого проводника (провод, соединенный с нейтралью трансформатора). Фазы обозначаются буквами А, В, С или Ж, З, К, так как шины, присоединенные к разным фазам, окрашивают желтой, зеленой и красной краской. Нулевой провод (ноль) обозначают цифрой 0 или буквой N (нейтраль), выполняется проводниками с изоляцией голубого цвета. 43 Для облегчения чтения монтажных схем, схем управления, защиты, сигнализации, каждому виду цепей присваивается определенная буква и определенный порядок цифр, например: · цепи постоянного тока, защиты и управления распределительных устройств имеют маркировку 1-99; · цепи переменного тока, защиты и управления распределительных устройств - 101-199; · цепи предупредительной сигнализации 201-299; · цепи аварийной сигнализации 301-399; · цепи трансформаторов тока 401-499; 501-599 · цепи трансформаторов напряжения 601-699. Прерывание линий Допускается обрывать линии, если они мешают чтению схемы. Обрывы обозначаются стрелками, около которых указывается БЦО. Если схема продолжается на другой лист, то указывается маркировка и адрес в круглых скобках. Рис. 2.2. Пример обозначения продолжения электрических цепей Обозначение заземлений и возможных повреждений изоляции Электрическое соединение с потенциалом земли: Заземление – преднамеренное соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением, с заземляющим устройством. 44 Соединение с корпусом, корпус бывает или заземлен, или присоединен к защитной шине: Повреждение изоляции между проводами: Повреждение изоляции между проводом и землей: Двойное замыкание на землю: Обозначение муфт в электрических схемах Муфта – это устройство, конструктивно располагаемое в месте присоединения проводников (жил) кабеля к ЭА распределительных устройств, или в месте соединения проводников двух и более кабелей. Предназначено для предотвращения проникновения влаги внутрь кабеля: – Концевая муфта – Концевая муфта с ответвлениями – Соединительная муфта с ответвлениями 2.1.4. Правила техники чтения электрических схем 1) Чтение схемы дает возможность: понять принцип действия электроустановки; 45 2) 3) 4) 5) 6) выяснить назначение ее элементов; определить, что с чем и как должно быть соединено; обнаружить ложные цепи; проверить правильность выбора режима электрооборудования; оценить предусмотренные схемой меры безопасности. Для чтения схем необходимо: а) знать и понимать УГО и БЦО и правила их применения; б) располагать достаточными знаниями из курса теоретических основ электротехники; в) уметь пользоваться приёмами чтения и анализа схем. Прочитать схему – это значит почерпнуть из неё необходимые сведения. Чтение и анализ схем неразрывно связаны, так как в процессе чтения схем необходимо оценивать правильность сделанных предположений, пользуясь приёмами, либо подтверждающими, либо опровергающими их. Наиболее распространенный прием чтения схем – нахождения замкнутых контуров протекания тока через устройства нагрузки с источником ЭДС внутри этого контура. Следует иметь ввиду, что нагрузка может располагаться как в силовой цепи, так и в цепи управления и сигнализации, поэтому контуров протекания тока будет множество. Если источников ЭДС в схеме несколько, то каждый из них будет создавать свои контуры протекания тока и в совместных цепях сложение или вычитание токов следует производить алгебраически. Анализ схем – дело сложное, кропотливое, требующее большого внимания и аккуратности. Существующие стандарты 1. ГОСТ 2.701-84. «ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению». 2. ГОСТ 2.702-75. «ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.» 3. ГОСТ 2.708-81. «ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.» 4. ГОСТ 2.709-89. «ЕСКД. Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов, оборудования и участков цепей в электрических схемах.» 5. ГОСТ 2.710-81. «ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.» Обозначение 7 – это номер группы стандартов единой системы конструкторской документации (ЕСКД). 46 Правила техники чтения схем, базирующиеся на законах Кирхгофа 1. Электрический ток в электрической цепи проходит по замкнутому контуру от условного начала источника ЭДС к его концу (внутри контура протекания тока должен быть источник ЭДС). Рис. 2.3. Пример одного контура протекания тока 2. Если в схеме присутствует несколько источников ЭДС, то каждый из них создаёт ток, протекающий независимо от токов других источников (принцип суперпозиции полей). Рис. 2.4. Пример двух контуров для протекания тока 3. При наличии нескольких контуров от одного источника ЭДС электрический ток в них распределяется обратно пропорционально сопротивлению контуров. 47 Рис. 2.5. Пример распределения тока обратно пропорционально сопротивлению Пример. - Задано: Значение фазного напряжения в месте подключения нагрузки: UФ = 220 В. Мощность нагрузки Z: S = 1100 ВА. Сопротивление цепи, состоящей из тела человека, контакта с землей и устройства заземления нейтрали трансформатора составляет R = 1000 Ом. Определение тока в каждом контуре: Значение сопротивления нагрузки: 220 2 U2 Z= = 44 Ом . ; Z= S 1100 Определение значения токов I1, I2: 220 U = 5А, I1 = ; I1 = Z 44 220 U = 0,22 A . I2 = ; I 2 = R 1000 Ток 5 А является номинальным током нагрузки, ток 0,22 А является аварийным и смертельно опасным для человека. 48 2.2. Описание лабораторных стендов для испытания электрических и электронных аппаратов 2.2.1. Описание лабораторного стенда №1 Лабораторный стенд обладает широкими функциональными возможностями в части испытания электрических аппаратов различных типов: автоматических выключателей, магнитных пускателей, тепловых реле, реле времени и проч. Общий вид стенда приведен на рис. 2.6. Его принципиальная схема с функциональным назначением каждой электрической цепи представлена на рис. 2.7. Спецификация оборудования стенда приведена в табл. 2.3. Таблица 2.3 Спецификация оборудования стенда Позиция Обозначение 1 2 SF SB1 3 КС 4 5 6 7 Т1 Т2 V HL1, HL2 8 R1, R2 9 10 11 12 PV РА1 РА2 РАЗ 13 РТ Наименование Тип Кол. Примеч. Выключатель автоматич. Кнопка двухштифтовая АК63 1 1 IHP = 10A ПМЛ1101 ПКЛ2204 Автотрансформатор ЛАТР Понижающий трансформатор Мост выпрямительный КД202Р Лампы сигнальные КМ-24-90 Сопротивление делителя ПЭ-20 напряжения Вольтметр Э365-1 Миллиамперметр Э365-1 Амперметр Э365-1 Амперметр Э365-1 Электромеханический секунПВ-53щ домер Реле управления 1 1 1 4 2 220/24В 24В 2 2 кОм 1 1 1 1 0 – 300В 0 – 300 мА 0 – 5А 1 – 50А 110, 127, 220В 1 Питание стенда от сети осуществляется через автоматический выключатель SF, предназначенный для нечастых коммутаций (включений отключений) и для защиты аппаратуры стенда, а также подключаемых к нему электрических цепей, от перегрузок и к.з. Цепь 1 (см. рис. 2.7) предназначена для сигнализации подачи напряжения на стенд. Так как номинальное напряжение лампы - 24 В, то к электрической цепи она подключена через электрическое сопротивление, образуя с ним делитель напряжения. 49 PV PA1 PA2 PA3 V mA1 A A PT Съемная панель с аппаратом Мнемосхема Рис. 2.6. Общий вид стенда Цепь 2 предназначена для включения и отключения реле управления КС, основное назначение которого подавать (и снимать) напряжение на схемы для испытания различных электрических аппаратов посредством своих контактов КС.2 ÷ КС.6. Контакт КС.1 предназначен для обеспечения подачи напряжения на катушку реле КС при отсутствии электрической цепи через кнопку SBON (этим обеспечивается "самоподхват" реле после размыкания электрической цепи кнопки SBON). Разрыв в электрической цепи катушки КС предназначен для включения в него нормально замкнутого контакта теплового реле при испытании данного реле для обеспечения отключения стенда при его срабатывании, в остальных случаях между клеммами X1, Х2 ставится токопроводящая перемычка. Отключение стенда после проведения экспериментов осуществляется при помощи кнопки SBOFF. Цепь 3 предназначена для сигнализации срабатывания испытуемого электрического аппарата, контакты которого включают в разрыв между клеммами Х6, Х7. Цепь 4 включает в себя автотрансформатор, предназначенный для обеспечения регулируемого напряжения на цепях 5-9. Цепь 5 включает в себя вольтметр для измерения величины регулируемого напряжения и клеммы Х8, Х9 для включения амперметра (в случае отсутствия необходимости точного измерения тока включается амперметр на 5А для контроля величины тока в цепи стенда). Цепь 6 предназначена для испытания электрических аппаратов, работающих на постоянном (выпрямленном) токе. Клеммы X10, X11 служат для подключения катушек испытуемых реле. 50 Рис. 2.7. Принципиальная схема лабораторного стенда №1 Цепь 7 предназначена для испытания электрических аппаратов, работающих на переменном токе. Клеммы X12, X13 служат для подключения катушек испытуемых реле и электромагнита моторного реле времени, а к X14 и Х13 подключается электродвигатель данного реле. Цепь 8 предназначена для подключения через контакт реле управления КС первичной обмотки понижающего (прогрузочного) трансформато51 ра, предназначенного для согласования нагрузки электрических аппаратов (тепловых реле, расцепителей автоматических выключателей) с напряжением электрической сети. Наличие регулируемого напряжения на первичной обмотке трансформатора позволяет получить регулируемый ток в его вторичной обмотке от 0 до 50 А (на закоротку). Цепь 9 предназначена, для испытания электрических аппаратов пропусканием через них регулируемого переменного тока. К клеммам X15, X16 включается амперметр, а к X17, X18 - испытуемый аппарат. Входы измерительных приборов выведены на клеммы, при помощи которых они включаются в соответствующую электрическую цепь. 2.2.2. Описание лабораторного стенда №2 Стенд обладает широкими функциональными возможностями в части испытания электрических аппаратов различных типов: автоматических выключателей, магнитных пускателей и различных типов реле. Принципиальная схема стенда приведена на рис. 2.8. Питание стенда осуществляется посредством автоматического выключателя Q1, предназначенного для нечастых коммутаций (включенийотключений) и для защиты аппаратуры стенда от перегрузок и к.з.. Лампа HL предназначена для сигнализации подачи напряжения на стенд. Ниже приводится описание основных элементов стенда, сгруппированных по одинаковым типам электрических аппаратов с указанием их назначения. Тумблеры (переключатели) S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 – коммутация цепи дискретного напряжения; – коммутация цепей регулируемого тока; – переключение вольтметров в зависимости от пределов подаваемого переменного напряжения (100 В и 380 В); – коммутация цепей регулируемого переменного напряжения; – коммутация цепей регулируемого постоянного напряжения; – коммутация цепи пульсатора; – коммутация цепи секундомера; – переключение выводов трансформатора TV1, подаваемого дискретные напряжения (12, 24, 42, 110, 220, 380В); – переключение цепей амперметра PA1 в зависимости от пределов подаваемого переменного тока (прямое включение, включение во вторичную цепь трансформатора тока TA1). 52 53 Рис. 2.8. Схема электрическая принципиальная стенда для сборки и настройки пускозащитной аппаратуры и реле (стенд №2) Предохранители Предохранители предназначены для защиты электрических цепей от перегрузок и к.з. FU1 – защита цепи дискретного напряжения ~12…380В (клеммы стенда X1, X2 и розеточные контакты XS1); FU2 – защита цепей регулируемого переменного напряжения от 0 до 380В (клеммы стенда X4,X5); FU3 – защита цепей регулируемого постоянного напряжения от 0 до 220В (клеммы стенда X6,X7); FU4 – защита токовых цепей (клемма стенда X12 – общая; клеммы X3, X13 - для регулируемого переменного тока в диапазоне до ~5 А и до ~300 А соответственно; клемма X14 - для регулируемого постоянного тока в диапазоне до –100 А); FU5 – защита цепей пульсатора (клеммы стенда X8,X9), секундомера (клеммы стенда X10, X11) и цепей переменного напряжения ~220В (розеточные контакты XS2, XS3). Амперметры PA1 – PA2 – PA3 – PA4 – в цепи регулируемого переменного тока; в цепи переменного напряжения; в цепи регулируемого постоянного тока; в цепи регулируемого постоянного напряжения. Вольтметры PV1 – в цепи переменного напряжения 100В; PV2 – в цепи переменного напряжения 380В; PV3 – в цепи постоянного напряжения. Трансформаторы и автотрансформатор TV1 – трансформатор цепей дискретного переменного напряжения; TV2 – трансформатор цепей регулируемого переменного и постоянного тока; TV3 – трансформатор цепей переменного напряжения; TVS – автотрансформатор питания цепей регулируемого напряжения, от которых запитаны трансформаторы TV2, TV3 и выпрямитель VD. 54 Внимание! При работе необходимо следить за тем, чтобы род тока и напряжения, а также величина подаваемого напряжения и тока соответствовали номинальным параметрам проверяемого реле. 2.2.3. Описание лабораторного стенда №3 Стенд представляет собой комплект типового лабораторного оборудования и обладает широкими функциональными возможностями в части проведения базовых экспериментов по курсу «Электрические и электронные аппараты». Аппаратная часть комплекта выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит: спроектированные с учебными целями натурные аналоги электрических аппаратов; однофазный и трехфазный источники питания; однофазный трансформатор и автотрансформатор; асинхронная двигательную и статическая активная нагрузка; выпрямитель; реостат; кнопочный пост управления; блок световой сигнализации; измерительные приборы; лабораторные столы с рамами для установки необходимых в эксперименте функциональных блоков. Питание комплекта осуществляется от однофазной сети напряжением 220 В и трехфазной сети напряжением 380 В с нейтральным и защитным проводниками. Таблица 2.4 Характеристики стенда Потребляемая мощность ВА, не более Габариты (длина/ ширина / высота), мм Масса, кг, не более 1. 2. 200 (2х910)х850х1600 150 Комплекту присущи следующие качества: Универсальность, которая выражается в возможности воспроизведения базовых экспериментов. Гибкость, которая обеспечивается возможностью компоновки требуемой конфигурации комплекта сообразно с задачами каждого конкретного эксперимента. 55 3. Наглядность результатов моделирования, которая обеспечивается их отображением на мониторе компьютера. 4. Надёжность, достигаемая за счет малой мощности силовых элементов, защитой электрических цепей от эксплуатационных к.з. и неумелого обращения. 5. Электробезопасность, которая обеспечена выполнением элементов классом защиты от поражения электрическим током 0I и I (согласно ГОСТ Р МЭК 61140), а также применением устройства защитного отключения. 6. Компактность, которая обеспечена малой установленной мощностью элементов и использованием только требуемых для данного эксперимента блоков и приборов. 7. Современный дизайн комплекта с учетом требований эргономики, инженерной психологии и эстетики. На комплексе может активно работать бригада из 2-3 студентов. Ниже приведены основные базовые эксперименты осуществимые с использованием стенда. Физические явления в электрических аппаратах 1. 2. 3. 4. Снятие кривой нагрева и охлаждения катушки электромагнита при кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы Определение зависимости переходного сопротивления контактов от силы сжатия Регистрация кривой напряжения на контактах при отключении активной, индуктивной, и ёмкостной нагрузок Определение тяговой характеристики электромагнита Аппараты управления 1. 2. 3. 4. 5. 6. Определение коэффициента возврата электромагнитного контактора Снятие времятоковой характеристики электротеплового реле Определение коэффициента возврата электромагнитного реле переменного тока Определение коэффициента возврата электромагнитного промежуточного реле переменного напряжения Снятие зависимости выдержки времени от уставки электромеханического реле времени Работа магнитного пускателя в нереверсивной схеме управления асинхронным двигателем 56 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Работа магнитного пускателя в реверсивной схеме управления асинхронным двигателем Программирование и работа микропроцессорного блока управления и защиты асинхронного двигателя Исследование операционного усилителя с положительной обратной связью в релейном режиме (триггер Шмидта) Моделирование функциональных преобразователей на базе операционного усилителя Определение характеристик оптронного реле Снятие характеристики «вход - выход» и определение чувствительности датчика силы Определение зоны срабатывания индуктивного, ёмкостного и оптического бесконтактных выключателей Аппараты распределительных устройств 1. 2. Снятие времятоковой характеристики предохранителя Снятие времятоковой характеристики автоматического воздушного выключателя 3. Снятие вольт-амперной характеристики ограничителя перенапряжений 4. Определение индуктивных сопротивлений сдвоенного реактора 5. Определение погрешности трансформатора тока 6. Определение погрешности трансформатора напряжения Подробное описание стенда, а также указания по проведению экспериментов приведено в [2] и приложении 5. Задания по теме 2 1. 2. 3. 4. 5. Изучить раздел «Правила выполнения и анализа электрических схем». Изобразить в рукописном виде УГО и БЦО следующих электрических аппаратов (для заданного варианта). Изобразить в рукописном виде схему лабораторного стенда №1 для испытания электрических аппаратов и пояснить назначение каждой электрической цепи. Изобразить в рукописном виде схему стенда №2 для сборки и настройки пускозащитной аппаратуры и реле. Пояснить назначение каждой электрической цепи. Изобразить в рукописном виде схему подключения нереверсивного асинхронного электродвигателя к цеховой сети совместно с принци57 пиальной схемой управления двигателем. Записать возможные режимы работы. Таблица 2.5 Индивидуальные задания по вариантам Наименование электрического аппарата Ключ управления на пять положений Значение характеристики для первой цифры заданного варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 количество цепей ключа управления на пять положений: 6 3 4 5 6 3 4 5 6 3 Реле управления с ко3 4 5 6 7 4 5 6 7 8 личеством контактов: Соединения контактные с количеством 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 контактов: Значение характеристики для второй цифры заданного варианта Дополнительные данные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Положения 1 цепь 1 2 3 4 5 1,2 1,3 1,4 1,5 2,3 ключа управ- 2 цепь 2,4 1 2 3 4 5 1,2 1,3 1,4 1,5 ления, в кото- 3 цепь 2,5 3,5 1 2 3 4 5 1,2 1,3 1,4 рых электр. цепи замкну- 4 цепь 1,3,4 2,3,5 3,4,5 1 2 3 4 5 1,2 1,3 ты * замы1з 2з 3з остальные 3з 1з 2з 3з Вид и коли- кающие чество контактов реле размыуправления каюостальные 1р 2р 3р остальные щие Вид контактного соРазборное, разъемное, подвижное единения * для электрической цепи 5: цепь замкнута в 1, 2 и 5 положении ключа управления, для электрической цепи 6: цепь замкнута в 1,3 и 5 положении ключа управления. 6. 7. 8. Изобразить в рукописном виде схему подключения реверсивного асинхронного электродвигателя к цеховой сети совместно с принципиальной схемой управления двигателем. Записать возможные режимы работы. Изобразить в рукописном виде электрическую принципиальную схему устройства для проверки целостности электрической цепи («прозвонки») и описать принцип его работы. Изготовить устройство по заданной принципиальной схеме. Составить спецификацию. Разработать схемы соединений (монтажные схемы) на основе прин58 ципиальных схем управления электродвигателями. Выполняется по заданию преподавателя. Дата выдачи задания – Третья неделя текущего семестра. Срок сдачи работы на проверку – следующее занятие после выдачи задания. Методические указания 1. К п.1. Рекомендуется самостоятельно на черновике (тетрадь «в клеточку») прорисовать все условно графические и буквенно-цифровые обозначения электрических аппаратов. Методический материал по УГО и БЦО для ЭА приведен в разделе «Правила выполнения и анализа электрических схем». Более подробно ниже приведен принцип формирования БЦО для электромагнитных реле. Буквенно-цифровое обозначение электромагнитных реле Электромагнитное реле представляет собой электромагнитный механизм и включает в себя катушку, магнитную систему (якорь, сердечник) и электрические контакты, которые через траверсу (коромысло) механически связанны с якорем. Реле времени, кроме того, дополнительно снабжается элементом задержки. Катушка (обмотка) и контакты одного реле имеют одинаковое буквенно-цифровое обозначение, и это позволяет однозначно идентифицировать контакты этого реле, в какой бы части схемы они не располагались. Согласно табл. 2.1 обозначение реле начинается с буквы K, а вторая буква указывает на вид реле: КА - реле тока, КН - реле указательное, КК - реле тепловое, КМ - контактор, магнитный пускатель, КТ - реле времени, КV реле напряжения, КL - промежуточное реле, КS - реле контроля, КС - реле управления, КF - реле частоты, КW - реле мощности, КG - газовое релe, KR - реле сопротивления. В принципиальной электрической схеме может использоваться несколько реле одного вида, тогда им присваиваются различные цифровые номера, которые становятся последующими знаками буквенно-цифрового обозначения. Например, в схеме используется семнадцать промежуточных реле, тогда их обозначение будет следующим: КL1, …, КL9,…, КL17. В случае необходимости обозначения номера контакта реле, после буквенного обозначения дополнительно ставится разделитель (обычно точка) и цифра. Поэтому, если у второго промежуточного реле необходимо пронумеровать контакты, то первый контакт реле КL2 будет иметь обозначение - КL2.1 (читается следующим образом: «Первый контакт реле КL2»). Или, например, на рис. 2.7 у реле управления KC изобра- 59 жение катушки и контактов разнесены (находятся в разных частях чертежа схемы), но всюду они имеют маркировку «KC». С точки зрения удобства чтения схемы и описания ее работы целесообразно пронумеровать контакты реле управления KC. Для этого порядковый номер контакта располагается после точки, изображаемой после буквенного обозначения: «KC.1»,…,«KC.6». Тогда при описании работы схемы можно использовать указанную нумерацию следующим образом: «Первый контакт реле управления KC подключен параллельно кнопке управления SBON, а посредством шестого контакта происходит подключение понижающего трансформатора T2». 2. К п.2. Следует изобразить УГО схем электрических аппаратов в соответствии с заданным вариантом (используя карандаш и линейку), БЦО нанести шариковой ручкой. Для ключа управления, разъемного контактного соединения привести оба варианта УГО, предусмотренного стандартом (регламентом). а) ключ управления – командоаппарат, предназначенный для включения, отключения, переключения в нескольких электрических цепях одновременно. На рис.2.8 приведены примеры изображения ключа управления (два варианта) на три положения (режима) для коммутации трех электрических цепей: в третьем положении ключа управления цепь 1замкнута с цепью 2, в положении 2 и 3 - цепь 3 замкнута с цепью 4, в положении 1и 2 - цепь 5 замкнута с цепью 6. Рис. 2.9. Примеры изображения ключа управления б) электрическое реле - это электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющей (входной) величины происходит скачкообразное изменение управляемой (выходной) величины. Из двух величин хотя бы одна должна быть электрической. Контактор магнитного пускателя - это яркий представитель релейного аппарата и выделен в отдельную группу только по функциональному назначению. На рис.2.9 приведен пример электрической схемы контактора с тремя главными контактами для коммутации трехфазной силовой цепи и с одним вспомогательным замыкающим контактом для коммутации цепи управления. При подаче напряжения на катушку KM по ней протекает ток, который создает маг60 нитный поток, намагничивающий якорь, он притягивается к сердечнику и подвижные контакты контактора, механически связанные с якорем, замыкают неподвижные контакты. Особенности выполнения задания применительно к реле управления: а) в принципиальной электрической схеме реле отсутствуют силовые контакты; б) УГО контактов реле изображаются также как контакты вспомогательной цепи контактора; в) БЦО катушки и контактов реле будет отличаться от KM (вторая буква – 150); г) маркировку клеммных зажимов катушки и контактов выполнить произвольно. Рис. 2.10. Пример изображения электрической схемы контактора 3. К п.3. Перерисовать принципиальную схему лабораторного стенда (рис 2.7.), используя карандаш и линейку, БЦО нанести шариковой ручкой. Шины нулевого рабочего проводника изобразить голубым цветом, шины регулируемого напряжения – оранжевым цветом. 4. К п.4. Перерисовать принципиальную схему лабораторного стенда (рис 2.8.), используя карандаш и линейку, БЦО нанести шариковой ручкой. 5. К п.5. Использовать методические указания, приведенные в разделе 3.1. Перерисовать схему подключения асинхронного электродвигателя к цеховой сети совместно с принципиальной схемой управления двигателем, используя карандаш и линейку, БЦО нанести шариковой ручкой. Записать возможные режимы работы. Электрические цепи на схеме промаркировать. Для силовой цепи использовать маркировку в виде прописной латинской буквы L или букв A, B, C с соответствующими цифровыми индексами. Для цепей переменного тока защиты и управления использовать цифровую маркировку 101-199. Использовать независимый принцип нанесения маркировки. Одинаковую марку имеют электрические цепи, связы61 вающие между собой точки, обладающие одинаковым электрическим потенциалом, не зависимо от того к какому аппарату подходят проводники, образующие эти цепи. Участки цепи, проходящие через разборные или неразборные контакты также имеют одинаковую маркировку. Участки цепи, разделенные каким либо элементом электрического аппарата (катушкой, контактом и проч.) имеют разную маркировку. 6. К п.6. Использовать схему, приведенную на рисунке 3.3. Записать каким образом осуществляется реверсирование двигателя. Пояснить работу электрической и механической блокировок (недопустимости) одновременного срабатывания контакторов. 7. К п.7. Использовать заданную (рис. 2.11) или самостоятельно разработанную схему и изготовить устройство для проверки целостности электрической цепи («прозвонку»). Схему устройства изобразить в рукописном виде, описать принцип его работы и составить спецификацию (табл.2.1) на элементы устройства (минимальное количество элементов-5). Рис. 2.11. Схема устройства проверки целостности электрической цепи («прозвонка») Таблица 2.6 Спецификация элементов устройства проверки целостности электрической цепи № Обозначение 1 GB 2 HL 3 S 4 X1 5 X2 6 L Примечание Источник постоянного тока, напряжением 4,5 В (электрическая батарея напряжением до 12 В) Лампа накаливания постоянного тока, напряжением 3,5-12 В Выключатель, предохраняющий электрическую батарею от разрядки при случайном замыкании контактов X1 и X2 в нерабочий период (при переноске и хранении). Примечание: не является обязательным элементом схемы. Контакт типа штырь (медная жесткая проволока сечением 2,5-6мм2 и длиной 8-10см с неизолированным концом длиной 1-1,5см); Контакт типа «крокодил» Гибкий многожильный провод между X3 и X2 сечением 0,351,0мм2, длиной 1м. 62 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Сформулировать определения: электрическая схема, электрическая цепь, электрическое соединение, фаза, ЭДС, эквивалентная схема, идеальный элемент. 2. Классифицировать электрические схемы. 3. Привести двухбуквенные коды реле, контакторы, пускатели. 4. Привести двухбуквенные коды выключателей в силовых цепях. 5. Привести двухбуквенные коды устройств коммутации в цепях управления 6. Привести двухбуквенные коды контактных соединений. 7. Каким образом располагается текстовая информация в электрических схемах. 8. Изобразить УГО коммутационных аппаратов и контактных соединений, используя соответствующие квалифицирующие символы: контактор, автоматический выключатель, разъединитель, выключательразъединитель, путевой выключатель, выключатель с самовозвратом и без него, контакт с системой дугогашения, импульсные контакты, контакты многопозиционные, контакты клеммников, автоматические выключатели выдвижного исполнения. 9. Каким образом выполняются линии в электрических схемах? 10. Каким образом формируется маркировка электрических цепей? 11. Каким образом осуществляется прерывание линий? 12. Изобразить УГО заземления и повреждения изоляции. 13. Сформулировать правила техники чтения электрических схем. 14. Ответить на вопросы задания по теме 2: · изобразить в рукописном виде ключ управления на заданное количество положений с заданным количеством цепей; · изобразить в рукописном виде реле управления с заданным количеством контактов определенного вида; · изобразить в рукописном виде схему лабораторного стенда №1 стенда №2 для испытания электрических аппаратов и пояснить назначение каждой электрической цепи; · изобразить в рукописном виде схему подключения нереверсивного и реверсивного асинхронного электродвигателя к цеховой сети совместно с принципиальной схемой управления двигателем. Записать возможные режимы работы; · изобразить в рукописном виде электрическую принципиальную схему устройства для проверки целостности электрической цепи («прозвонки») и описать принцип его работы. 63 3 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОНТАКТОРОВ И ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ В курсе «Электрические и электронные аппараты» по данной теме проводится лабораторная работа 3. В ходе работы студенты изучают конструкцию и принцип действия электромагнитных контакторов и тепловых реле, как самостоятельных электрических аппаратов, так и в качестве составных элементов магнитного пускателя. Анализируются технические характеристики контакторов, тепловых реле, магнитных пускателей. Впервые вводится понятие времятоковой защитной характеристики электрического аппарата. Изучаются защитные характеристики тепловых реле и особенности согласования защитных характеристик тепловых реле и характеристик повреждаемости защищаемого объекта. Рассматриваются электрические схемы включения электромагнитных контакторов и тепловых реле. В рамках работы также изучаются трансформаторы тока, используемые для подключения тепловых реле. 3.1 Магнитные пускатели 3.1.1 Общие сведения Магнитные пускатели (МП) – электрические аппараты, предназначенные для дистанционного управления (пуск, останов, реверс) асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором (АД), а также другими электроприёмниками. МП представляют собой сочетание контактора переменного тока и теплового реле. При этом контактор выполняет функцию коммутации цепи питания обмотки статора двигателя, а реле защиту обмотки статора двигателя от нагрева до недопустимо высокой температуры за время протекания пускового тока. Увеличение тока может происходить из-за превышения момента сопротивления на валу двигателя (нагрузка выше номинальной) либо из-за снижения напряжения в пусковом режиме, превышающем допустимую величину. В таких случаях тепловое реле своим «размыкающим» контактом KK разрывает цепь питания обмотки (катушки) электромагнита контактора, который, в свою очередь, разрывает силовую цепь обмотки двигателя. Принцип действия контактора МП, как и любого другого электромагнитного механизма, основан на явлении притяжения между намагниченными магнитными телами. На рис. 3.1 приведена схема, поясняющая принцип действия МП с катушкой управления на постоянном токе. Главные контакты контактора KM включены в силовую цепь двигателя М, втягивающая обмотка контактора (катушка) - в цепь управления, содержащую кнопки «Пуск» и 64 «Стоп». Контактор изображен в состоянии, когда силовая цепь двигателя обесточена. В этом случае напряжение с обмотки 16, установленной на сердечнике 15, снято и его подвижная система под действием возвратной пружины 11, создающей силу РB, приходит в нормальное состояние. Возникающая при расхождении главных контактов 6 дуга Д гасится в дугогасительной камере 5, имеющей изоляционные перегородки 4, которые способствуют растяжению дуги, увеличению ее длины и сопротивления. На выходе камеры установлены металлические пластины пламягасительной решетки 3, обеспечивающие рассеивание остаточного столба ионизированных газов, возникших в процессе гашения дуги. Рис. 3.1. Устройство и схема включения контактора (КМ) с тепловыми реле (КК), подключенными к вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТА). Управление трехфазным асинхронным двигателем Быстрый выход дуги с контактов в камеру обеспечивается системой магнитного дутья. В цепь главного тока включена последовательная об65 мотка 17, которая размещена на стальном сердечнике 1. Две стальные пластины - полюса, расположенные по бокам сердечника 1, подводят создаваемое обмоткой 17 магнитное поле к зоне столба дуги, возникшей между контактами. Взаимодействие этого поля с током дуги приводит к появлению сил, которые воздействуют на дугу и способствуют ее вхождению в камеру. Дугогасительная камера 5 изготовляется из дугостойкого изоляционного материала (асбоцемент). Контактор включается, если подается напряжение на зажимы 13 обмотки 16 приводного электромагнита (катушки), что осуществляется нажатием пусковой кнопки. Поток Ф, созданный током, протекающим через обмотку электромагнита (катушку), развивает тяговую силу, и якорь 10 электромагнита притягивается к его сердечнику, преодолев силы противодействия возвратной 11 и контактной 8 пружин. При включении контактора пусковая кнопка шунтируется вспомогательными контактами 12 контактора. Поэтому при ее отпускании цепь обмотки 16 не разрывается и контактор остается во включенном состоянии. Сердечник электромагнита оканчивается полюсным наконечником 14, поперечное сечение которого больше поперечного сечения сердечника. Этим достигается некоторое увеличение силы, создаваемой электромагнитом, а также видоизменением тяговой характеристики электромагнита (зависимости электромагнитной силы от величины воздушного зазора). На якоре 10 установлена немагнитная прокладка 9 (латунь) толщиной 0,1 – 0,2 мм для уменьшения силы, обусловленной остаточной индукцией, и предохранение таким образом якоря магнитной системы от залипания. Соприкосновение контактов 2 и 7 друг с другом и замыкание цепи при включении контактора происходит раньше, чем якорь электромагнита полностью притянется к полюсу. По мере движения якоря, подвижный контакт 7 как бы проваливается, упираясь верхней частью в неподвижный контакт 2, который поворачивается на некоторый угол вокруг точки А и вызывает дополнительное сжатие контактной пружины 8. Это явление получило название «провал контактов», под которым подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный контакт удален. Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, если толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под воздействием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора и обычно составляет 1-10 мм. В момент соприкосновения подвижный контакт 7 оказывает давление на неподвижный контакт 2, обусловленное предварительным натяжением контактной пружины 8. Переходное сопротивление контактов в момент их касания невелико и контактная площадка разогре- 66 вается при включении до значительной температуры. Предварительное контактное нажатие, создаваемое пружиной 8, позволяет снизить вибрацию (отскоки) подвижного контакта при ударе его о неподвижный контакт. Все это предохраняет контакты от приваривания при включении электрической цепи. На контактах имеются контактные накладки 6, выполненные из специального материала, например серебра, чтобы улучшить условия длительного прохождения тока через замкнутые контакты во включенном состоянии. Накладки из дугостойкого контактного материала для уменьшения износа контактов под воздействием электрической дуги, размещают в местах первого касания контактов при «замыкании» и последнего – при «размыкании». Пускатель может осуществлять пуск, останов, реверс и защиту двигателей. Его основное принципиальное отличие от контактора состоит в наличии защитного элемента, например теплового реле, осуществляющего автоматическую защиту от перегрузок двигателей. 3.1.2 Дистанционное управление нереверсивным электродвигателем Принципиальная электрическая схема подключения двигателя к силовой сети в многолинейном исполнении совместно со схемой управления приведена на рис. 3.2. Рассмотрим основные режимы работы двигателя и сети. Дистанционность (управление на расстоянии) обеспечивается тем, что кнопки управления располагаются в месте, где оператору удобно управлять технологическим процессом с использованием асинхронного двигателя (АД). 1. Пуск АД. Вручную включается автоматический выключатель QF и «нажимается кнопка управления» SBON (замыкается контакт SBON). Под действием напряжения фазы C образуется замкнутый контур протекания тока Iy через обмотку электромагнита магнитного пускателя КМ. Контур тока обозначен на рис.3.2 стрелкой перечеркнутой одной чертой. Ток Iy создает магнитный поток, намагничивающий якорь контактора, и якорь притягивается к сердечнику. Подвижные контакты КМ, механически связанные с якорем, производят замыкание главной (силовой) цепи. Под действием трехфазной системы ЭДС (напряжений) обмоток трансформатора по электрической сети и обмоткам статора протекают трехфазные токи I. Они создают вращающее магнитное поле, которое согласно закону электромагнитной индукции приведет к возбуждению ЭДС и протеканию токов в обмотках ротора. На проводники ротора с током будет действовать силы со стороны магнитного поля статора, вращающий момент этих сил начнет разворачивать ротор. В начале пуска индуктивное 67 сопротивление обмоток статора не велико, поэтому величина тока I многократно (в 5-7 раз) превышает номинальную величину тока в установившемся режиме работы. Вспомогательный контакт (блок-контакт) КМ.1 шунтирует кнопку SBON, что дает возможность ее «отпустить» (размыкается контакт SBON), но цепь питания обмотки (катушки) КМ не нарушится и главные контакты МП КМ будут удерживаться во включенном состоянии. 2. Останов АД. Нажимается кнопка SBOFF и обмотка контактора магнитного пускателя КМ «теряет питание», разрывается цепь тока управления Iy. Магнитный поток, создающий электромагнитную силу, удерживающую якорь в притянутом положении исчезает. Якорь под действием возвратных и контактных пружин отрывается от сердечника. Главные контакты, механически связанные с якорем, размыкают главную цепь питания обмоток электродвигателя. Цепь тока I разрывается, двигатель под действием тормозного момента, существующего на его валу, останавливается. Обмотка низшего напряжения трансформатора 10/0,4 кВ T A B C N QF Iу FU Iк SBOFF SBON KM KK KM.1 KM I KK Iк Iк M Рис. 3.2. Схема подключения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором к цеховой сети. Принципиальная схема управления двигателем 3. Защита АД от перегрузки. При повышенном механическом моменте на валу АД по фазам статора двигателя протекают токи, по величине большие, чем номинальные значения. При этом срабатывает тепло68 вое реле и разрывает свой размыкающий контакт КК в цепи обмотки электромагнита контактора КМ. Цепь тока управления Iy, проходящего через катушку КМ разрывается. Магнитный поток, создающий электромагнитную силу, удерживающую якорь в притянутом положении исчезает. Якорь под действием возвратных и контактных пружин отрывается от сердечника. Главные контакты, механически связанные с якорем, размыкают главную цепь питания обмоток электродвигателя. Двигатель под действием тормозного момента, существующего на его валу, останавливается. Защита от перегрузки осуществляется при токе, начиная с 1,05 от номинального тока теплового реле Iнтр. Выдержка времени срабатывания будет уменьшаться при больших токах перегрузки. Ситуация перегрузки АД возникает при обрыве одной из фаз силовой цепи, питающих обмотки двигателя. Электродвигатель продолжает вращаться, но оставшиеся в работе обмотки потребляют из сети повышенный ток, который может привести их к перегреву и повреждению. Тепловое реле работает в двухполюсном режиме и ускоренно размыкает цепь питания обмотки контактора. Большинство современных реле обеспечивают ускоренное срабатывание для режима работы реле при нагреве только двух полюсов. 4. Короткое замыкание на корпус АД. По повреждённой фазе и нулевому проводу начинает протекать ток к.з. Iк . Контур протекания тока Iк обозначен на рис. 3.2 стрелкой перечеркнутой двумя чертами. Этот ток приводит к мгновенному срабатыванию электромагнитного расцепителя автоматического выключателя QF, который своими контактами совместно с дугогасительной системой разрывает цепь его протекания за время 0,02с. Автоматический выключатель защищает не только проводники электрической сети и обмотки электродвигателя, но также воспринимающую часть теплового реле (биметаллические пластины и нагревательные элементы) и силовые контакты электромагнитного контактора. Внимание! Срабатывание теплового реле КК при к.з. недопустимо. Отключение тока к.з. в этом случае будет осуществляться контактами магнитного пускателя КМ. Контактная и дугогасительная система КМ не рассчитаны на отключение больших токов, поэтому они повреждаются возникающей электрической дугой. Часто однофазное к.з. переходит в трехфазное к.з. на контактах МП, которое приводит к еще большим разрушениям. 5. Короткое замыкание в цепи управления МП. Этот вид к.з. отключается путем перегорания плавкого элемента предохранителя FU. При этом разрывается цепь тока управления Iy , проходящего через катушку КМ. Магнитный поток, создающий электромагнитную силу, удерживающую якорь в притянутом положении исчезает. Якорь под действием воз- 69 вратных и контактных пружин отрывается от сердечника. Главные контакты, механически связанные с якорем, размыкают главную цепь питания обмоток электродвигателя. Двигатель под действием тормозного момента, существующего на его валу, останавливается. При использовании двигателя с номинальным током до 10А данный предохранитель не устанавливается, а его функции выполняет автоматический выключатель QF. 6. Защита от понижения напряжения и от самозапуска. При пониженном напряжении двигатель потребляет из сети повышенный ток, который может привести к перегреву обмоток. Поэтому данный режим должен быть исключен без выдержки времени при помощи защиты минимального напряжения, которая осуществляется с использованием обмотки контактора МП. При понижении напряжения уменьшается ток, протекающий через катушку МП, которая не сможет создать достаточный электромагнитный момент для удержания якоря в притянутом положении при снижении питающего напряжения до 30 ¸ 60% от номинального значения, контакты КМ в силовой цепи размыкаются и происходит автоматическое отключение АД от сети. Одновременно размыкается и вспомогательный контакт KM.1. Тем самым предотвращается самопроизвольное повторное включение электроприемника после восстановления сетевого напряжения. В этом случае говорят о предотвращении самозапуска АД. Аналогичная ситуация возникает при полном исчезновении напряжения, чем исключается самозапуск АД при последующем восстановлении напряжения в сети. Самозапуск большого количества АД недопустим, т.к. в процессе пуска происходит увеличение тока в 5-7 раз выше номинального значения, что приведет к увеличению падения напряжения в подводящей сети и недопустимому снижению напряжения в точках подключения АД. Это не позволит создать достаточный пусковой момент для запуска. 7. Дополнительная защита от неполнофазного режима работы электродвигателя. При защите АД и сети от к.з. предохранителями (вместо автоматического выключателя QF) при к.з. на корпус происходит перегорание лишь одного предохранителя, что приводит к работе АД на двух фазах. Если запитать обмотку контактора МП на междуфазное (линейное, а не фазное) напряжение, то в двух из трех случаев защита осуществляется мгновенно, так как исчезает напряжение, под действием которого протекает ток управления Iy . Магнитный поток, создающий электромагнитную силу, удерживающую якорь в притянутом положении исчезает. Якорь под действием возвратных и контактных пружин отрывается от сердечника. Главные контакты, механически связанные с якорем, размыкают главную 70 цепь питания обмоток электродвигателя. Двигатель под действием тормозного момента, существующего на его валу, останавливается. В одном из трех случаев защита осуществляется тепловым реле KK по ускоренному варианту при загрузке двух полюсов теплового реле. 3.1.3 Дистанционное управление реверсивным электродвигателем Реверсивный магнитный пускатель представляет собой два трехполюсных контактора с тепловым реле (рис. 3.3). Контакторы имеют разную маркировку КМ1 – «Вперед» и КМ2 – «Назад» и механически между собой сблокированы, чтобы предотвратить возможность случайного включения одновременно обоих контакторов. Чтобы изменить направление вращения двигателя нужно «перекрестить» (поменять местами на зажимах электродвигателя) любые две фазы. Так, например, при вращении вперед фазы L1, L2, L3 присоединяются к выводам S1, S2, S3. При вращении назад фазы L1, L2, L3 присоединяются к выводам S3, S2, S1. Одновременное включение контакторов KM1 и KM2 приведет к к.з. L1 и L3, что и предотвращается блокировкой. Однако одной механической блокировки для безопасности работы реверсивного пускателя недостаточно. Поэтому механическая блокировка дополняется электрической. На рис. 3.3, а показана электрическая блокировка посредством кнопок, которая сводится к тому, что при нажатии кнопки SB1/вперед раньше размыкается ее контакт в цепи контактора KM2/назад, а затем замыкается другой контакт в цепи контактора КМ1/вперед. Аналогично действует кнопка SB2/назад. Эта схема позволяет, используя только кнопки SB1 и SB2, изменять направление вращения двигателя. На рис. 3.3, б для электрической блокировки использованы блокконтакты (вспомогательные контакты) контактора. При включении контактора КМ1/вперед его контакты КМ1.2 с заводской маркировкой 3-4 (написана под линией) отключают контактор КМ2/назад. Аналогично блок контакт КМ2.2 с маркировкой 7-8 включившегося контактора КМ2/назад отключает контактор КМ1. В этой схеме, чтобы изменить направление вращения двигателя следует сначала его остановить при помощи кнопки SBOFF. На рис. рис. 3.3, в блокировки осуществляются и на кнопках, и на блок-контактах. Схема позволяет изменять направление вращения двигателя без использования кнопки SBOFF. 71 Рис. 3.3. Силовые цепи и варианты принципиальных схем дистанционного управления реверсивным двигателем: а – электрические блокировки создаются при помощи сдвоенных кнопок, б - электрические блокировки создаются при помощи вспомогательных контактов контакторов, в – электрические блокировки создаются при помощи одновременного действия сдвоенных кнопок и вспомогательных контактов контакторов Маркировка цепей управления осуществляется нечетными цифрами до катушек контакторов со стороны фазы и четными цифрами – со стороны «нуля». Между катушкой и контактами теплового реле вводится вновь образованная маркировка 4. Она нужна для случая подключения параллельно катушкам, например, ламп сигнализации. Опущена маркировка 2, которая обычно присваивается отрицательному полюсу или нулевому проводнику. Питание схем управления осуществляется от силовой цепи на фазном напряжении. Также возможно питание на линейном напряжении. При 72 этом номинальное напряжение катушки должно соответствовать этому напряжению и предохранитель устанавливается с каждой стороны питания. При защите силовой цепи предохранителями (а не автоматом QF) катушку надлежит включать на линейное напряжение. В этом случае при «перегорании» плавкой вставки в одной из фаз, от которой запитана цепь управления, произойдет и останов электродвигателя. При перегорании плавкой вставки в фазе, которая не используется для питания цепи управления, двигатель будет продолжать работать на двух фазах. При этом он потребляет повышенный ток (перегружается) и отключается при срабатывании теплового реле КК. Токопроводящий корпус двигателя присоединяется к нулевому проводнику (или к защитному проводнику PE в сетях административных зданий). Поэтому при замыкании фазы на корпус возникнет контур тока к.з. (в электрической цепи контура будут присутствовать только сопротивления проводников). Протекание тока большой величины приведет к мгновенному срабатыванию электромагнитного расцепителя автоматического выключателя QF и отключению (менее чем за 0,1 с) электродвигателя от сети. 3.2 Контакторы 3.2.1 Конструктивное исполнение контакторов МП, характеристики Конструктивное исполнение контакторов зависит от назначения, типа магнитной системы и числа полюсов. Наибольшее распространение получили прямоходовая «Ш – образная» и «П–образная» магнитная система. Магнитную систему поворотного типа с Ш–образным сердечником имеет контактор серии ПА, снятый с производства, но находящийся в эксплуатации. В настоящее время для управления общепромышленными механизмами выпускаются контакторы серий ПМЛ и ПМА. Выпускаются также специальные контакторы, например, серии ПВИ, ПРР для работы во взрывоопасных помещениях; ПМС – для работы в судовых установках. Многие электротехнические компании выпускают контакторы со своей собственной маркировкой. К характеристикам контакторов относятся: а) величина (габарит) - определяющая номинальный ток главных контактов МП (и, следовательно, его размеры); б) назначение (реверсивный или нет); в) степень защиты согласно ГОСТ 14254-80; г) род тока; 73 д) е) ж) з) и) к) л) количество главных контактов и контактов вспомогательной цепи (блок-контактов); наличие тепловых реле или других приставок (размножителей контактов, реле времени, кнопок, сигнальных дамп и т.д.) климатическое исполнение; категория размещения (ГОСТ 15150-69, ГОСТ 15543-70); номинальное напряжение катушки; мощность, потребляемая катушкой, при включении и удержании; другие характеристики (сейсмостойкое исполнение, судовое, взрывобезопасное, особенности крепления и т.п.). 3.2.2 Контакторы пускателей серии ПМЛ Контакторы пускателей серии ПМЛ на токи 10 ¸ 63А (1 – 4 величина) имеют прямоходовую магнитную систему «Ш–образного» типа. Контактная система контакторов расположена над магнитной. Подвижная часть электромагнита (якорь), составляет одно целое с траверсой, в которой расположены подвижные контакты и их контактные пружины. Возвратная пружина находится на среднем стержне якоря. На дугогасительной камере контактора имеются направляющие для крепления дополнительных приставок: контактных – типа ПКЛ (размножитель контактов), кнопки «Пуск» и сигнальной лампы, приставки ПВЛ (пневмореле). Тепловое реле серии РТЛ крепится сбоку с помощью трех штырей, которые зажимаются. Контакторы серии ПМЛ на токи 80 ¸ 200 А (5 – 7 величина) имеют прямоходовую магнитную систему П–образного типа. Контактная система расположена сбоку от магнитной системы. Якорь составляет одно целое с рычагом, передающим движение траверсе. На каждом контакторе установлено два унифицированных узла с блок-контактами (неразборный блок). Тепловые реле крепятся к контактору перемычками. Структура условного обозначения ПМЛ – X1X2X3X4X5XX6X7; X1 – величина по номинальному току (1 – 10А; 2 – 25А; 3 – 40А; 4 - 63А; 5 – 80А; 6 – 125А; 7 – 200А); X2 – исполнение по назначению (реверсивный, нереверсивный) и наличию теплового реле (например, 0 – нереверсивный без теплового реле; 1 – тоже с тепловым реле); X3 – исполнение по степени защиты и наличию кнопок (например, 0 – IP00 – без кнопок; 2 – IP54 с кнопками "Пуск" и "Стоп"); X4 – число контактов вспомогательной сети (например, цифра 0 предпо74 лагает наличие одного замыкающего контакта (1з) для пускателей с номинальным током 10 - 25А и двух контактов: замыкающего и размыкающего (1з +1р) для пускателей с номинальным током 40 200 А; X5 – буква С для сейсмостойкого исполнения; XX6 – климатическое исполнение (0,ТВ) и категория размещения; X7 – исполнение по износостойкости (например, для пускателей при напряжении 380В: 1 – 4 величины - 1200 вкл. в час, 5 – 8 величины 600 вкл в час). Более подробная характеристика приведена в [3]. 3.2.3 Контакторы пускателей серии ПМА Контакторы пускателей серии ПМА 3-й величины имеют прямоходовую «Ш-образную» магнитную систему, состоящую из якоря и сердечника, заключенную в пластмассовый корпус. По направляющим основания скользит пластмассовая траверса, на которой собраны якорь магнитной системы и мостики главных контактов. Мостики блок-контактов собраны в окнах двух пластмассовых толкателей, скользящих по направляющим пазам корпуса. Контакторы пускателей 4 – 6 величины имеют также прямоходовую магнитную систему, но «П–образного» типа. В них вертикальное перемещение якоря с помощью «Г–образного» рычага преобразуется в горизонтальное перемещение траверсы, несущей подвижные главные контакты. При движении траверсы главных контактов, последняя своими выступами воздействует на траверсы контактов вспомогательной цепи (блок– контакты). Тепловые реле крепятся к корпусам пускателей специальным шинками или «втычными» контактами, которые зажимаются на клеммах контактора. Структура условного обозначения ПМА – X1X2X3X4X5X6X7XX8X9; X1 – величина пускателя в зависимости от номинального тока (3 - 40А; 4 – 63А; 80А; 5 – 100А; 6 – 160 А); X2 – назначение (реверсивный, нереверсивный), наличие теплового реле и аппарата позисторной защиты (например, 2- с тепловым реле, нереверсивный); X3 – степень защиты и наличие кнопок (например, 0 – IP00; 1 – IP40, без кнопок); X4 – род тока цепи управления, напряжение главной цепи и число кон75 X5 – X6 – X7 – XX8 – X9 – тактов вспомогательной цепи (например, 0 - переменный, 380В, 2з+2р для пускателей от 3 до 6 величины); для пускателей на 80 А – буква Д; для тепловых реле малой, инерционности – буква П; при сейсмостойком исполнении – буква С; климатическое исполнение (У, Т, УХЛ, 0) и категория размещения; износостойкость (исп. А, Б, В). Более подробная характеристика приведена в [3]. 3.2.4 Контактная система Контактная система МП выполнена в виде самоустанавливающегося мостика с накладками (на токи до 100А – на основе серебра, на токи свыше 100А – композиция серебра и окиси кадмия). Контакты подпружинены при помощи контактных пружин для обеспечения необходимого «провала» контактов. 3.2.5 Система дугогашения Гашение дуги при токах до 40А осуществляется за счет механического растяжения при расхождении контактов. При больших токах используется магнитное дутье и дугогасительные камеры. 3.2.6 Мероприятия по устранению вибрации якоря На стержнях сердечника располагаются у контакторов переменного тока короткозамкнутые витки. Однофазное выполнение магнитной системы и катушек магнитного пускателя приводит к тому, что усилие, удерживающее якорь во втянутом положении, изменяется пропорционально квадрату тока, протекающего через катушку. При периодическом переходе тока и магнитного потока через ноль электромагнитное усилие исчезает, и якорь за счет возвратной пружины и контактных пружин стремится оторваться от сердечника. Однако, по мере периодического нарастания тока, происходит увеличение силы тяги электромагнита и последующее притяжение якоря. В результате происходит вибрация якоря, создающая шум и усиленный износ подвижных частей и контактов пускателя. Для устранения вибрации, часть магнитопровода охватывают короткозамкнутыми витками, выполненными из меди или латуни. Магнитный поток, создаваемый током катушки, наводит в короткозамкнутом витке ЭДС, которая вызывает появление в нем тока, сдвинутого по фазе по отношению к 76 току катушки. Ток, протекающий в короткозамкнутом витке, также создает магнитный поток. Каждый из потоков создаёт свою электромагнитную силу под своей частью полюса. Результирующая ЭМС вследствие сдвига потоков по фазе имеет пульсирующий характер, но минимальное значение силы всегда будет больше силы противодействующих пружин.. 3.2.7 Обмотки электромагнита контактора Обмотки выполняются медным проводом, намотанным на каркас: прямоугольной формы для электромагнитов переменного тока и круглой формы для электромагнитов постоянного тока. В силу этого обмотки в технической литературе называются катушкой. Ток в обмотке контактора магнитного пускателя (следовательно, и электромагнитная сила) обусловлен величиной напряжения приложенного к клеммным «зажимам» обмотки и полным сопротивлением обмотки – активным и индуктивным. Экспериментально полное сопротивление контактора определяется по закону Ома методом амперметра-вольтметра: Z = U / I, (3.1) где I – ток в цепи катушки, U – напряжение приложенное к зажимам катушки. Индуктивное сопротивление обмотки контакторов переменного тока преобладает над активным сопротивлением и зависит от величины воздушного зазора между сердечником и якорем; приближенно может быть определено по выражению: X @ 62,8wS δ δ× 10 -9 , Ом (3.2) где w – число витков катушки; Sδ – площадь сечения воздушного зазора, мм2; Sδ = (1,1 ÷ 2) · S, где S – площадь сечения полюса электромагнита; δ - величина воздушного зазора, мм. Во включенном состоянии (якорь притянут к сердечнику) величина зазора ничтожно мала и индуктивное сопротивление резко увеличивается. При отпущенном якоре, т.е. большом значении δ, индуктивное сопротивление имеет наименьшее значение. Соотношение между максимальным током в катушке в первый момент включения (при включении) и минимальным при работе зависит от величины воздушного зазора и формы магнитной системы. Наибольшую кратность тока (10-15 имеют Ш77 образные магнитные системы, так как обладают увеличенной по сравнениям с другими длиной пути магнитного потока в воздухе). Большое значение тока включения по сравнению с рабочим током обмотки ограничивает применение магнитных пускателей при большой частоте включения. Нагрев втягивающей обмотки магнитного пускателя переменного тока обусловлен не только потерями в самой обмотке, но и потерями в стали магнитной системы. Вследствие этого условия теплоотдачи для катушки с обмоткой электромагнита хуже, чем на постоянном токе. Для уменьшения нагрева сердечника и катушки с обмоткой поверхности соприкосновения катушки с сердечником выполняются минимальными, а сами катушки широкими и короткими. Магнитопроводы электромагнитов переменного тока всегда выполняются шихтованным, т.е набранными из пластин электротехнической стали электрически изолированными друг от друга, что снижает их нагрев от вихревых токов. 3.2.8 Характеристики пускателя как релейного элемента Обмотки контакторов пускателей должны обеспечить четкое и надежное притяжение якоря к сердечнику при напряжении 85% от номинального значения Uн при нагретой обмотке и не должны перегреваться при напряжении 105% от номинального значения Uн. Отношение номинального напряжения катушки Uн к напряжению срабатывания Uср называется коэффициентом запаса (Kзап): Kзап = Uн / Uср. (3.3) Чем выше коэффициент запаса, тем быстрее и надежнее срабатывает контактор пускателя. Напряжение возврата якоря, называемое напряжением отпускания, составляет примерно 30-60% от номинального значения Uн. Отношение напряжения отпускания UОТП к напряжению срабатывания Uср, при котором происходит втягивание якоря, носит название коэффициента возврата (Kв): Kв = Uотп / Uср. (3.4) Для аппаратов релейной защиты стремятся иметь Kв ближе к единице. Увеличение Kв может быть достигнуто увеличением натяжения контактной пружины и увеличением конечного зазора (за счет немагнитной прокладки). Отношение напряжения отпускания Uотп к номинальному напряже78 нию катушки Uн называется коэффициентом защиты минимального напряжения (Kзащ): Kзащ = Uотп / Uн. (3.5) Отношение мощности на выходе силовой цепи контактора Pвых к мощности на входе (мощности управляющей цепи) называется коэффициентом усиления (Kу): KУ = Pдв Pвых = , Рвх S уд cos φ (3.6) где Pдв – максимальное значение номинальной активной мощности электродвигателя, которой может управлять контактор в силовой цепи; Sуд - полная мощность, потребляемая обмоткой контактора в режиме удержания якоря и коэффициент мощности cosφ в этом режиме. Чем выше коэффициент усиления, тем более экономично происходит управление объектом. Обмотка контактора мощностью в несколько ватт способна управлять асинхронным электродвигателем значительной мощности Pдв в несколько десятков киловатт. Время от момента включения цепи втягивающей катушки до момента первоначального касания контактов называется собственным временем включения магнитных пускателей. Время от момента снятия напряжения с втягивающей катушки до момента появления зазора между главными контактами называется собственным временем отключения магнитного пускателя. 3.3 Тепловые реле 3.3.1 Общие сведения Тепловое реле (ТР) служит для защиты электродвигателей от длительного тока перегрузки, превышающего номинальный ток двигателя. Действие теплового реле основано на принципе линейного расширения тел при нагревании. Оно срабатывает при определенной температуре чувствительного элемента и отключает электроприемник. ТР, вследствие инерционности процесса нагрева, не реагирует на мгновенное нарастание тока, подобно максимальному реле мгновенного действия. Это позволяет предотвратить ложные отключения электроприемника при случайных набросах нагрузки, в том числе от пусковых токов, имеющих кратковре- 79 менный характер. В схемах управления электродвигателями переменного тока тепловые реле служат также для отключения электродвигателя при обрыве одной из фаз питающей сети. Нагревательные элементы возможно включать в две фазы электродвигателя, так как при обрыве одной из фаз ток в двух других возрастает, что приводит к срабатыванию, по крайней мере, одного теплового реле. Тепловое реле обычно устанавливается на одной панели с контактором или в кожухе магнитного пускателя. В качестве чувствительного элемента используются тела с различными коэффициентами линейного расширения - термобиметаллические пластинки. Нагрев элемента осуществляется электрическим током, протекающим по электрической сети к защищаемому электроприемнику. В аварийном режиме электроприемника ток увеличивается и нагрев элемента будет более интенсивным. Ток может протекать непосредственно через элемент или протекать через специальное сопротивление, осуществляя косвенный нагрев (применяется для защиты более мощных электроприемников), также возможен комбинированный нагрев [1, разд. 7.1]. Биметаллическая пластинка состоит из двух слоев металлов с различным температурным коэффициентом расширения α1 и α2 и разной толщиной слоев. Слой с большим коэффициентом линейного расширения называется термоактивным слоем в отличие от слоя с меньшим коэффициентом линейного расширения, называемого термопассивным. При нагревании пластины происходит различное удлинение слоев, пластина изгибается в сторону термопассивного слоя. При этом в зависимости от конструкции ТР, либо размыкается контакт, связанный с пластиной, либо отпускается защелка, освобождающая подпружиненный шток, который воздействует на контакты. Времятоковая характеристика теплового реле - зависимость времени срабатывания от тока, при котором происходит срабатывание. Характеристика имеет обратнозависимый от тока характер. Чем выше значение тока I, тем быстрее произойдет срабатывание реле, (контакт ТР разорвет цепь протекания тока обмотки управления контактора и его главные контакты разорвут цепь питания обмоток статора электродвигателя) и электродвигатель остановится. tср = f(I). (3.7) По оси абсцисс она стремится к номинальному току ТР (рис. 3.4). Обычно зависимость (3.7) выражают через кратность тока по отношению к номинальному току теплового реле m: 80 m = I / Iнтр. (3.8) Рис. 3.4. Времятоковая характеристика срабатывания электротеплового реле с холодного (1) и нагретого (2) состояния Под номинальным током теплового реле Iнтр (ток несрабатывания) понимается такой ток, длительное протекание которого через реле не приводит к срабатыванию его при заданной неизменной температуре окружающей среды. Тепловые реле, защищающие электрические машины от перегрузок, должны иметь определенные времятоковые характеристики, отвечающие следующим основным требованиям: 1) время срабатывания теплового реле должно быть таким, в течение которого перегрев защищаемой машины не превысит допустимой величины; 2) время срабатывания теплового реле не должно быть слишком мало, с тем, чтобы полнее использовать перегрузочную способность защищаемой машины; 3) обеспечивать прямой пуск от сети асинхронного электродвигателя. Для надёжной защиты электродвигателя от перегрузок необходимо совпадение времятоковых характеристик tср = f(I) теплового реле и зависимости времени допустимого нагрева защищаемой установки от величины протекающего тока tx = f(I). При этом постоянные времени нагрева реле Тр и электродвигателя Тм должны быть близки. На рис. 3.5 показан слу81 чай надежной защиты: пунктирная кривая 2 времени срабатывания теплового реле идет ниже характеристики времени допустимого нагрева защищаемого электродвигателя (имеется в виду допустимый нагрев электродвигателя при токах, превышающих номинальный). Обычно существующие тепловые реле имеют Тр < Тм за счет отличных друг от друга материалов и масс двигателя и теплового реле. Этому условию соответствует кривая 3. В области А защита двигателя отсутствует, так как tср > tx, в области В, наоборот, защита срабатывает излишне быстро, так как tср < tx. Особые трудности возникают при защите вращающихся машин, работающих в повторно-кратковременных режимах, так как у них постоянная времени нагрева при работе и постоянная времени при остановке двигателя могут сильно отличаться друг от друга за счет отсутствия обдува двигателя. Поэтому тепловое реле рекомендуется для защиты двигателя, работающего в длительном режиме (не менее получаса). Рис. 3.5. Согласование времятоковых характеристик и идеального (2) и реального (3) теплового реле с характеристикой защищаемого объекта (1) Существенным недостатком теплового элемента является зависимость времени его действия от температуры окружающей среды. При отсутствии специальных мер такой элемент будет отключать магнитный пускатель при температуре окружающей среды 80–90°С даже при отсутствии тока в нагревательном элементе. Поэтому для получения благоприятной защитной характеристики необходимо стремиться, чтобы температура окружающей среды для защищаемого объекта и реле совпадали, чего не всегда можно достичь на практике. Другим путем стабилизации защитных характеристик тепловых реле является введение термокомпенсации, а также выполнение термоэлемента с высокой температурой срабатывания (более 200°С), что уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды (более подробно – ниже). 82 Подбор теплового реле осуществляется в соответствии с номинальным током защищаемого электроприемника Iн по условию: номинальный ток несрабатывания теплового реле должен быть не менее номинального тока электроприемника Iнтр ≥ Iн. Лучшая по чувствительности защита обеспечивается при равенстве этих токов. Рассмотрим в чем заключается сходство и различие теплового реле и электротеплового расцепителя. Тепловое реле предназначено для защиты двигателя от перегрева при длительном протекании недопустимо больших токов перегрузки затяжного пуска, вызванного недопустимо большим снижением напряжения, асимметрией питающего напряжения. Тепловой расцепитель - устройство, механически связанное с контактным коммутационным аппаратом, которое освобождает удерживающие приспособления и тем самым допускает размыкание коммутационного аппарата, например автоматического выключателя, при протекании токов перегрузки или к.з., создающих опасный нагрев токоведуших элементов электрической сети. Принцип действия тепловых реле и расцепителей основан на использовании явления изменения линейных геометрических размеров металлов при нагревании. Чувствительный элемент теплового реле и расцепителя - биметаллическая пластина - включается последовательно в силовую цепь. Биметаллическая пластина состоит из двух металлов (термоактивного и термопассивного) с различными коэффициентами линейного расширения, соединенных по поверхности в процессе проката. При протекании тока происходит нагревание биметаллической пластины за счет джоулевых потерь, при этом термоактивный слой удлиняется значительно больше термопассивного. Если один конец такой пластины жестко закреплен, то неравное удлинение слоев пластины вызывает ее деформацию - изгиб в сторону термопассивного слоя металла. Поскольку процесс деформации носит медленный характер (тепловая инерция), а размыкание контактов или срабатывание расцепителя должно происходить мгновенно, необходим некоторый механизм преобразования. Поэтому биметаллическая пластина должна обладать определенной жесткостью для создания необходимого усилия по приведению в действие этого механизма. Механизм преобразования может быть как простейшим в виде перебрасывающегося рычага с контактами, так и более сложным. На рис. 3.6 представлено устройство, в котором реализован механизм преобразования действия биметаллического расцепителя на исполнительные контакты в тепловых реле типов РТЛ-1000, РТЛ-2000. Ток силовой цепи протекает по биметаллическим пластинам 5 (трехфазное ис- 83 полнение). Одна сторона пластин жестко закреплена в изоляционном корпусе реле, а другая сторона упирается в подвижную изоляционную рейку 6. Для упрощения выводы внешнего подключения силовой цепи не показаны. Своим выступом рейка 6 действует на фигурный кулачок 2, который может поворачиваться вокруг оси 3. При повороте кулачок 2 воздействует на пластину рычага 1, одновременно являющегося элементом защелки 7, удерживающей подвижную систему 8 с установленными в ней контактами в фиксированном положении. На рисунке положение подвижной системы соответствует ненагруженному реле. При срабатывании реле происходит освобождение зацепления рычага 1 и подвижной системы 8, которая под действием отключающей пружины 9 перемещается влево, и происходит замыкание контактов 97- 98 и размыкание контактов 95- 96 (использована электрическая маркировка рис. 3.6, а). а) б) 14 6 9 Рис. 3.6. Электрическая схема (а) и конструктивная схема (б) механизма теплового реле: рычаг; 2 - фиксирующий кулачок; 3 - ось вращения рычага 1 и кулачка 2; - дополнительный нагревательный элемент; 5- биметаллический элемент; - изоляционная рамка; 7- защелка; 8-подвижная система с контактами; - пружина отключающая; 10 - кнопка взвода механизма в рабочее состояние; 95- 98 - контакты 84 Приведение реле в рабочее состояние осуществляется при воздействии на кнопку возврата 10, которая механически производит перемещение подвижной системы 8 вправо до зацепления с рычагом 1. При этом, если биметалл еще недостаточно остыл, данная операция будет неуспешной. Существуют конструкции реле с самовозвратом системы в рабочее состояние после остывания биметалла. На рис. 3.6 а. изображена электрическая схема теплового реле DeKraft серии РТ-01. Это реле имеет дополнительный переключатель, который позволяет установить способ возврата теплового реле в исходное положение после срабатывания (повторный взвод). При ручном положении (Руч.) возврат осуществляет эксплуатирующий персонал путем воздействия на кнопку 10. При автоматическом положении (Авто) происходит самовозврат системы в рабочее состояние после остывания биметалла. Дополнительно существуют еще две кнопки воздействия на положение электрических контактов не зависимо от теплового состояния биметаллических пластин (Тестирование, Остановка). Следует обратить внимание, что кнопка «Остановка» воздействует только на контактную группу с выводами 95 и 96. Это позволяет использовать ее при необходимости экстренной остановки электродвигателя. Одним из существенных недостатков тепловых реле является влияние окружающей температуры на время его срабатывания. Для снижения этого влияния рекомендуется выполнять биметаллические пластины из материала с рабочей температурой срабатывания около 200°С, значительно превышающей температуру окружающей среды 40°С, например, из хромоникелевой стали (латуни). Кроме этого, в конструкцию механизма передачи воздействия от биметалла включают еще один пассивный, не нагреваемый током нагрузки биметаллический элемент, чем и достигается компенсация изменения температуры окружающей среды. В рассматриваемом механизме реле эту функцию выполняет рычаг 1. При этом пассивный слой является нижней стороной рычага. Поэтому при увеличении температуры окружающей среды рабочие элементы биметалла 5 получат некоторую деформацию и переместят пластину 6 и, соответственно, кулачок 2, но при этом рычаг 1 тоже деформируется вниз, так что расстояние между элементами конструкции 2 и 1 не изменится. Существуют различные способы нагрева биметаллической пластины - прямой, косвенный и комбинированный. Прямой нагрев используется в области токов нагрузки 5 - 25 А, так как при этом мощность тепловых потерь уже достаточна для обеспечения нагрева до необходимых температур, а размеры биметаллических пластин еще не столь значительны. Рост номинальных токов вызывает увеличение, как поперечных сечений, так и линейных размеров биметаллических пластин, что приводит 85 к увеличению габаритных размеров всего реле. Поэтому прибегают к другому способу нагрева биметалла - косвенному. При этом ток протекает не по биметаллической пластине, а по параллельному ей участку токоведущей системы с уменьшенным сечением, расположенному настолько близко от этой пластины, чтобы создать на данном участке повышенную температуру, достаточную для нагрева биметалла за счет известных способов теплопередачи. Такое решение позволяет выполнить биметаллическую пластину оптимальных размеров, согласующихся с требованиями механизма реле. При очень больших токах (более 200 А) вновь находит применение прямой способ нагрева биметалла, но уже вторичным током трансформатора тока, первичная обмотка которого включена последовательно в силовую контролируемую цепь. Естественно, применение комбинированного нагрева (см. рис. 3.5, б) используется в тех случаях (малые токи нагрузки), когда не удается обеспечить создание усилий, необходимых для работы механизма реле. Тогда сечение и линейные размеры биметаллической пластины выбираются так, чтобы выполнить требования к величине необходимой деформации и усилию для срабатывания механизма реле, а недостающая мощность джоулевых потерь обеспечивается дополнительным элементом 4, имеющим большое электрическое сопротивление и включенным последовательно с биметаллом (конструктивно - например, в виде навитой спирали, максимально охватывающей биметаллическую пластину). Электрическая изоляция спирали и пластины друг от друга может обеспечиваться как за счет дополнительно проложенного между ними твердого диэлектрика, так и за счет создания на поверхности нагревателя окисной пленки, имеющей электрическую прочность, достаточную для данных условий. Защитные характеристики тепловых реле и расцепителей представлены на рис. 3.7. В табл. 3.1. приведены ограничения значений времен срабатывания для разных зон перегрузки стандартизованных классов расцепления тепловых реле и расцепителей из холодного состояния в соответствии с ГОСТ Р 50030.4.1-2002. Разные классы реле и расцепителей перегрузки (10А, 10, 20, 30) необходимы для возможно лучшего согласования защитной характеристики реле с перегрузочной характеристикой защищаемого двигателя. Обычно в каталогах представляются защитные характеристики расцепителей при нагреве как из холодного, так и из нагретого состояния, которые, расположены ниже характеристики, соответствующей холодному состоянию. 86 Рис. 3.7. Характеристики расцепления тепловых реле и расцепителей для нагрева при трехфазном (трехполюсном) режиме нагрузки из холодного состояния В случае обрыва одной из фаз срабатывание реле будет происходить быстрее, чем при трехполюсной работе. На рис. 3.7 пунктирной линией приведена характеристика реле класса 10А, она располагается ниже характеристики соответствующей трехфазному режиму. Как следует из принципа действия теплового реле, несмотря на использование температурной компенсации и различные классы исполнения реле, невозможно строго согласовать защитную характеристику реле с перегрузочной характеристикой двигателя. Такое согласование может быть достигнуто при использовании позисторной защиты. Позисторы - это терморезисторы из сегнетоэлектрических растворов на основе титаната бария, электрическое сопротивление которых на определенном небольшом интервале температур резко изменяется. Позисторы конструктивно встраиваются непосредственно в статорную обмотку двигателя в процессе ее изготовления, что позволяет кон87 тролировать непосредственно температуру нагрева обмотки в режиме перегрузки. Терморезисторы включаются на вход электронного реле (см. [1, том 2]), управляющего работой обычного электромеханического реле, включенного своим размыкающим контактом последовательно с обмоткой контактора, коммутирующего цепь статора двигателя. Таблица 3.1 Классы расцепления тепловых реле и тепловых расцепителей для защиты электродвигателей от перегрузки Зоны пере- Класс расцеп- Уровень (кратность) перегрузки ления грузки, I/In А Все классы 1,0...1,05 В Все классы 1,2 С 10 А 10 Более 1,5 20 30 D 10А 10 7,2 20 30 Время срабатывания (tсраб) Не ранее 2 ч Менее 2 ч Менее 2 мин Менее 4 мин Менее 8 мин Менее 12 мин 2... 10 с 4... 10 с 6...20 с 9...30 с Расцепитель, в отличие от теплового реле механически связан с контактным коммутационным аппаратом. Возможны следующие конструктивные исполнения расцепителей: мгновенного действия и с задержкой времени. Чувствительный элемент расцепителя приводится в действие при достижении уставки срабатывания - определенного значения контролируемого параметра (тока, напряжения, мощности). Типичным примером максимального расцепителя тока с обратнозависимой выдержкой времени является биметаллический расцепитель, механизм которого аналогичен механизму теплового реле, рассмотренного ранее (см. рис. 3.6). В любых типах расцепителей (электромагнитных, тепловых и механических) для перевода их в неустойчивое состояние обязательно необходимо создание определенных усилий при перемещении на соответствующее расстояние для снятия с защелки, удерживающей механизм в устойчивом состоянии, и нарушения механической связи привода и контактной системы. 88 3.3.2 Технические характеристики тепловых реле магнитных пускателей Пускатели серии ПМЛ комплектуются ТР серий РТЛ, и ПМА – РТТ. Тепловые реле серий ТРН и ТРП сняты с производства, но еще находятся в эксплуатации. Технические характеристики МП и ТР приведены в табл. 3.2 ¸ 3.5. Таблица 3.2 Технические характеристики электромагнитных пускателей серии ПМЛ и тепловых реле серии РТЛ (UH = 380 В) Величина Номин. ток, А 1 2 3 4 5 6 7 10 25 40 63 80 125 200 Мощность, потребляемая каПределы регулировки тока тушкой при несрабатывания, А включении/удержании, В∙А 84/9,5 0,1 ÷ 0,17 – 7 ÷ 10 115/9,5 7 ÷ 10; 9,5 ÷ 14; 13 ÷ 19; 18 ÷ 25 235/25 23 ÷ 32; 30 ÷ 41 235/25 30 ÷ 41; 38 ÷ 52; 47 ÷ 64; 54 ÷ 74 380/36 54 ÷ 74; 63 ÷ 85 510/46 75 ÷ 105; 90 ÷ 125 800/57 90 ÷ 125; 115 ÷ 160; 145 ÷ 200 Примечание: номинальный ток блок-контактов – 10А; число циклов срабатывания при номинальном токе не менее – 2·106 (исп. А); время срабатывания (вкл./откл.), мс – 19 ÷ 63; номинальное напряжение катушки – 220, 380, 660В переменного тока; номинальное напряжение изоляции – 660В. На рис. 3.8 приведена принципиальная схема управления АД с помощью МП, тепловые реле которых подключены посредством трансформаторов тока. Таблица 3.3 Характеристики приставок серии ПКЛ Количество контактов Тип ПКЛ замыкающих ПКЛ – 1104 ПКЛ – 2004 ПКЛ – 2204 ПКЛ – 4004 ПКЛ – 0404 1 2 2 4 размыкающих 1 2 4 89 Исполнение пускателей (нереверсивные) IP00, IP54 IP54 (без кнопок) (с кнопками) + + + + + – + – + – Рис. 3.8. Принципиальная схема управления АД с помощью магнитного пускателя, тепловые реле которого подключены посредством трансформаторов тока Таблица 3.4 Характеристики приставок серии ПВЛ Тип ПВЛ (имеют 1з. ÷ 1р.) ПВЛ – 11 ПВЛ – 12 ПВЛ – 21 ПВЛ – 22 Диапазон выдержки времени, с при включении при отключении 0,1 ÷ 30 10 ÷ 180 0,1 ÷ 30 10 ÷ 180 – – + – – – – + + – – – – + – – В Приложении 3 приведено описание лабораторной работы по изучению конструкции и испытанию трансформаторов тока. На рис. 3.9 приведена однолинейная схема подключения электродвигателей к электрической сети и многолинейная схема для одного из двигателей. 90 Таблица 3.5 Технические характеристики электромагнитных пускателей серии ПМА и тепловых реле серии РТТ (UH = 380 В) Мощность, потребляеВеличи- Ном. мая катушкой при Макс. мощн. на ток, А включении/удержании, АД кВт В∙А 3 40 200/20 18,5 4 63 280/40 30 4 80 280/40 30 5 100 100/45 45 6 100 530/60 75 Средний ток теплового реле, А Тип реле 12,5;16;20;25;32;40 32;40;50;63 32;40;50;63 50;63;80;100 80;100;125;160 РТТ–2П РТТ–2П РТТ–2П РТТ–ЗП РТТ–ЗП Примечание: номинальный ток блок-контактов пускателей 3÷5 величины – 6,3А; 6 – 10А; число циклов срабатывания при номинальном токе, не менее – 2·106 (исп. А); время срабатывания (вкл./откл.), не более, мс – 25; номинальное напряжение катушки – 220, 380, 660В переменного тока; номинальное напряженно изоляции - 660 В. Рис. 3.9. Однолинейная схема подключения электродвигателей к электрической сети (а) и многолинейная схема для одного из двигателей (б) Пускатели серии ПМЛ открытого исполнения на токи 10 – 63А допускают установку одной приставки ПКЛ или пневмоприставки ПВЛ. Пневматическая приставка позволяет создать замедление замыкания (размыкания) вспомогательных контактов как при включении пускателя, так и при его отключении. Их характеристики приведены в таблицах 3.3, 3.4. 91 Задания по теме 3 1. 2. Выполнить пункты задания к экспериментальной части Выполнить индивидуальные задания (выполняется в рамках курсовой работы) Задание к экспериментальной части Испытание контактора 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Записать технические характеристики испытуемого электромагнитного контактора пускателя (тип контактора задается преподавателем). Замерить омметром сопротивление обмотки (катушки) контактора. Изобразить электрическую принципиальную схему испытания контактора на листе бумаги, предусмотрев на ней кнопки "Пуск" и "Стоп». Собрать схему установки для испытания контактора в соответствии с согласованной электрической принципиальной схемой. Установить на зажимах обмотки номинальное напряжение. Включить, отключить и включить контактор. Измерить ток и напряжение на зажимах катушки. Рассчитать полное и индуктивное сопротивление. Замерить ток в цепи катушки и напряжение на катушке до срабатывания и после срабатывания и построить вольт-амперную характеристику. Рассчитать полное и индуктивное сопротивление. Определить напряжение срабатывания и отпускания (возврата) и рассчитать коэффициенты возврата, защиты, запаса и усиления. Испытание теплового реле 1. 2. 3. Записать технические характеристики испытуемого теплового реле пускателя (тип реле задается преподавателем). Построить на бланке карты селективности времятоковую (защитную) характеристику изучаемого теплового реле на основе рис. 3.7 или использовать паспортную характеристику испытываемого реле. Изобразить электрическую принципиальную схему испытания теплового реле на лабораторной установке (использовать описание соответствующей лабораторной установки (см. раздел 2) и схему, изображенную на рис. 3.10). Исключить возможность протекания тока по тепловому элементу после срабатывания реле. 92 Рис. 3.10. Общая электрическая принципиальная схема испытаний контактора KM1 и снятия времятоковой защитной характеристики теплового реле (расцепителя): а – тепловой элемент в составе магнитного пускателя; б – загрузка трех (или двух) полюсов теплового реле; в – комбинированный расцепитель автоматического воздушного выключателя; г – испытание катушки контактора KM1 4. 5. 6. Собрать схему установки для испытания теплового реле (в одном из двух вариантов: только тепловое реле; тепловое реле с контактором). Снять несколько экспериментальных точек при следующих режимах работы теплового реле: однополюсный, двухполюсный и трехполюсный при фиксированном значении уставки тока. Между измерениями (срабатываниями) необходимо делать паузы не менее 1 мин для охлаждения теплового элемента и исключения влияния его начальной температуры на действительное время срабатывания. Нанести на поле паспортной времятоковой характеристики, построенной в п.2, значения экспериментальных точек. Методические указания по выполнению экспериментальной части Испытание контактора c катушкой на переменном токе 1. Подготовить заготовки таблиц испытаний установленного образца (см. табл. 3.6-3.8). 93 2. Выписать из каталогов технические характеристики заданного для испытания контактора и на их основе заполнить поля таблицы 3.6. Таблица 3.6 Паспортные технические характеристики контактора типа_____________ Номинальные величины Дополнительные характеристики Ток, А Напряжение, В Максимальная мощность элекГлавная цепь тродвигателя при коэф. мощности – 0,7071, кВт Мощность потребления Катушка в срабатывания в режимах режиме: удержания якоря Рабочая мощность при напряжеВспомогательные контакты нии 220В Узел контактора Таблица 3.7 Результаты испытания контактора типа _____________________________: Uном. кат.= ______В, Rкат. .= ______Ом. Наименование режима испытания Номинальный режим катушки Контактор 0,3 Uном. кат. отключен 0,4 Uном. кат. Контактор 1,1 Uном. кат. включен Uсраб. Напряжение срабатывания Напряжение возврата Значения величин I, А Z, Ом X, Ом tg φ U, В cos φ Таблица 3.8 Расчетные коэффициенты Наименование Расчетные формулы и значения величин Расчетная форВеличина, о.е мула Примечание Коэффициент возврата Коэффициент запаса Коэффициент защиты Коэффициент усиления 3. Изобразить электрическую принципиальную схему испытания на основе схемы стенда №1: соединить перемычкой клеммы X1, X2; присоединить проводниками замыкающий вспомогательный контакт (блок- 94 контакт) или один из главных контактов к клеммам X6, X7; соединить перемычкой клеммы X8, X9 или подсоединить к ним амперметр (следует иметь ввиду, что амперметр измерит ток во всех цепях автотрансформатора, в том числе и ток холостого хода трансформатора T2); подсоединить катушку контактора к клеммам X12, X13 последовательно с амперметром или подготовить для измерения токоизмерительные клещи. 4. Согласовать (подписать) принципиальную электрическую схему испытаний и формы таблиц для записи экспериментальных и расчетных данных с преподавателем. 5. Собрать на лабораторном стенде принципиальную электрическую схему испытаний. 6. Проведение испытаний при номинальном режиме работы Операция 1: Включить пакетный переключатель (разъединитель) Q. Автоматический выключатель QF расположен внутри стенда и находится во включенном положении. Результат: Загорится лампа HL1, сигнализирующая о наличии напряжения на элементах стенда. Операция 2: Установить при помощи лабораторного автотрансформатора T1 (ЛАТР) по вольтметру номинальное напряжение катушки контактора. Нажать кнопку «Пуск». Результат: Катушка реле управления KC получит питание и своими контактами замкнет электрические цепи: «самоподхват» катушки (KC.1), цепь питания первичной обмотки испытуемого контактора (KC.5). Вспомогательный контакт замкнет цепь питания лампы HL2, сигнализирующей о включении контактора. Операция 3: Нажать кнопку «Стоп». Результат: Катушка реле управления KC потеряет питание и своими контактами разорвет электрические цепи: «самоподхват» катушки (KC.1), цепь питания катушки контактора (KC.6). Контактор отключится, его вспомогательный контакт разорвет цепь питания лампы HL2 и она погаснет. Операция 4: Повторно нажать кнопку «Пуск» и произвести следующие измерения тока и напряжения. Результат: Замерить ток, протекающий по катушке контактора при помощи токоизмерительных клещей и напряжение на зажимах катушки при помощи вольтметра. Рассчитать по закону Ома для участка цепи полное электрическое сопротивление катушки. Занести результаты измерений и расчета в таблицу Операция 5: Повторно нажать кнопку «Стоп». Установить ручку ЛАТРа в крайнее левое положение. Отключить пакетный переключатель Q. 95 Результат: Контактор отключится. Вольтметр покажет значение «0». Питание со стенда снято. Операция 6: Произвести измерения и расчеты. Результат: Замерить омметром сопротивление катушки контактора постоянному току, принять замеренную величину сопротивления как активное сопротивление катушки. Рассчитать по теореме Пифагора индуктивное сопротивление катушки. Определить тангенс и косинус угла нагрузки катушки контактора при номинальном режиме. Занести результаты измерений и расчета в таблицу. Сделать вывод о соотношении величины активного, индуктивного и полного электрического сопротивления катушки при номинальном режиме работы. 7. Проведение испытаний при режимах работы отличных от номинального режима Операция 1: Включить пакетный переключатель (разъединитель) Q. Результат: Загорится лампа HL1, сигнализирующая о наличии напряжения на элементах стенда. Операция 2: Установить при помощи лабораторного автотрансформатора T1 (ЛАТР) по вольтметру напряжение равное 20-30% от номинального напряжения катушки контактора. Нажать кнопку «Пуск». Замерить величину тока катушки. Занести значения напряжения и тока в таблицу. Результат: Лампа HL2, сигнализирующая о включении контактора не загорится. Напряжение слишком мало, чтобы создать в цепи катушки ток и, соответственно, магнитный поток для получения намагничивающей силы, достаточной для притяжения якоря к сердечнику. Операция 3: Плавно увеличить напряжение до значения равного 4050% от номинального напряжения катушки контактора (не доводя до срабатывания контактора). Замерить величину тока катушки. Занести значения напряжения и тока в таблицу. Результат: Лампа HL2, сигнализирующая о включении контактора не загорится. Напряжение слишком мало, чтобы создать в цепи катушки ток и, соответственно, магнитный поток для получения намагничивающей силы, достаточной для притяжения якоря к сердечнику. Операция 4: Плавно увеличить напряжение до напряжения срабатывания контактора (до момента загорания лампы HL2 или характерного звука удара якоря о сердечник). Запомнить величину этого напряжения и быстро увеличить его на 10-20В (для исключения дребезжания магнитной системы и контактов). Занести запомненное значение напряжения срабатывания в таблицу. Результат: Загорится лампа HL2, сигнализирующая о включении контактора. Напряжение достаточно, чтобы создать в цепи катушки ток и, 96 соответственно, магнитный поток для получения намагничивающей силы, способной притянуть якорь к сердечнику и удерживать его в этом положении. Операция 5: Плавно увеличить напряжение до номинального напряжения катушки контактора. Замерить величину тока катушки и сравнить с ранее полученным значением. Плавно увеличить напряжение до значения равного 110-115% от номинального напряжения катушки контактора Замерить величину тока катушки. Занести значения напряжения и тока в таблицу. Результат: Горит лампа HL2, сигнализирующая о включенном положении контактора. Напряжение достаточно, чтобы создать в цепи катушки ток и, соответственно, магнитный поток для получения намагничивающей силы, способной надежно удерживать якорь в притянутом (к сердечнику) положении. Операция 6: Плавно снизить напряжение до величины напряжения срабатывания катушки контактора. Убедиться, что якорь притянут к сердечнику. Замерить величину тока катушки. Занести значения напряжения и тока в таблицу. Результат: Горит лампа HL2, сигнализирующая о включенном положении контактора. Напряжение достаточно, чтобы создать в цепи катушки ток и, соответственно, магнитный поток для получения намагничивающей силы, способной удерживать якорь в притянутом (к сердечнику) положении. Операция 7: Плавно снизить напряжение до величины напряжения отпускания (возврата), до момента погасания лампы HL2. Замерить величину тока катушки. Занести значения напряжения и тока в таблицу. Результат: Лампа HL2, сигнализирующая о включенном положении контактора не горится. Напряжение слишком мало, чтобы создать в цепи катушки ток и, соответственно, магнитный поток для получения намагничивающей силы, достаточной для удержания якоря в притянутом (к сердечнику) положении. Операция 8: Произвести расчеты. Результат: Рассчитать коэффициенты возврата, запаса и защиты минимального напряжения. Принять замеренную ранее омметром величину сопротивления катушки как ее активное сопротивление. Рассчитать индуктивное сопротивление катушки, тангенс и косинус угла нагрузки катушки контактора при всех режимах испытаний. Занести результаты расчета в таблицу. Построить вольт-амперную характеристику нагрузки катушки контактора, разрыв в характеристике обозначить пунктирной линией. Рассчитать средние значения величин сопротивлений для каждого положения якоря. Сделать вывод о соотношении величин полного электри- 97 ческого сопротивления катушки при различных режимах испытаний. 8. Определение коэффициента усиления контактора По паспортным данным главной цепи контактора записать максимальную активную мощность двигателя, который может управляться контактором, или определить ее по формуле: РДВ = 3 × U ном.сети × I ном cos j , (3.9) где Uном.сети – номинальное (линейное) напряжение электрической сети на зажимах двигателя, В (380В); Iном – номинальный ток главных (силовых) контактов, А; сosφ – коэффициент мощности двигателя, о.е. (принять cosφ=0,7). По паспортным данным цепи катушки контактора записать активную мощность в номинальном длительном режиме работы (режим удержания якоря), или определить ее по формуле: РКАТ = 3 ×U ном.кат × I кат cos jкат , (3.10) где Uном. кат– номинальное напряжение на зажимах катушки, В; Iном – номинальный ток катушки, А; сosφ – коэффициент мощности катушки, о.е. (принять cosφ =0,3). Рассчитать коэффициент усиления по формуле (3.6) Испытание теплового реле 1. 2. Подготовить заготовки таблиц испытаний установленного образца (см. таблицы 3.9, 3.10). Изобразить принципиальную электрическую схему реле. Таблица 3.9 Паспортные технические характеристики реле типа_________________ Номинальные величины Дополнительные характеристиУзел электроДиапазон реНапряжение, ки теплового реле гулировки тоВ ка, (ток) А Максимальная мощность заСиловая цепь щищаемого электродвигателя (тепловые элеменпри коэф. мощности – 0,76 ты) Максимальная мощность подКонтакты ключаемой катушки при напряжении 220В, ВА 98 Таблица 3.10 Результаты испытания теплового реле типа __________________________: Наименование режиУставка ма испытания № опыта тока, А 1 3-х полюсный режим 2 3 1 2-х полюсный режим 2 3 Значения величин U, В I, А t, с Примечание 3. Заполнить поля таблицы значениями паспортных характеристик. Построение паспортной защитной характеристики следует начинать с представления оси абсцисс в именованных единицах. Значение тока определяется в именованных единицах по формуле: I = К × I НТР , (3.11) где K – кратность тока срабатывания реле, обычно используется натуральный ряд чисел, взятый с паспортной характеристики, о.е.; Iнтр – номинальный ток теплового реле, А. Практически под осью абсцисс паспортной характеристики подрисовывается еще одна ось и на ней осуществляется преобразование относительных единиц в именованные. Ось ординат (времени срабатывания) остается без изменений. Только после этого характеристика переносится на бланк карты селективности. 4. Изобразить электрическую принципиальную схему испытания на основе схемы стенда №1. Силовая цепь: соединить перемычками три элемента теплового реле последовательно и включить во вторичную цепь понижающего трансформатора T2 к клеммам X17, X18; амперметр включить последовательно с тепловыми элементами, присоединив его к клеммам X15, X16 (в случае использования токоизмерительных клещей клеммы соединить перемычкой). Цепи управления и измерения времени срабатывания: подключить нормально закрытый (размыкающий) контакт испытуемого теплового реле в цепь катушки реле управления KC к клеммам X1, X2; подключить нормально открытый (замыкающий) контакт испытуемого теплового реле в цепь сигнальной лампы HL2 к клеммам X6, X7; электромеханический секундомер подключить параллельно катушке KC; соединить перемычкой клеммы X8, X9. 99 5. Согласовать (подписать) принципиальную электрическую схему испытаний и формы таблиц для записи экспериментальных и расчетных данных с преподавателем. 6. Согласовать с преподавателем тип испытуемого реле и уставку тока испытуемого реле, выставить ее на реле и занести ее численное значение в таблицу. На бланке карты селективности изобразить паспортную защитную характеристику испытуемого реле при заданной уставке тока. 7. Собрать на лабораторном стенде принципиальную электрическую схему испытаний. 8. Провести испытание теплового реле на заданной уставке тока при трехполюсной нагрузке тепловых элементов. Операция 1: Включить пакетный переключатель (разъединитель) Q. Автоматический выключатель QF расположен внутри стенда и находится во включенном положении. Результат: Загорится лампа HL1, сигнализирующая о наличии напряжения на элементах стенда. Операция 2: Повернуть ручку лабораторного автотрансформатора T1 по часовой стрелке до упора, при этом по вольтметру зафиксируется максимальное напряжение, которое можно получить в данной схеме. Занести значение напряжения в таблицу. Нажать кнопку SBON «Пуск». Результат: Катушка реле управления KC получит питание (под действием фазного напряжения сети по катушке потечет ток) и своими контактами замкнет следующие электрические цепи: «самоподхват» катушки (KC.1); цепь питания первичной обмотки понижающего трансформатора Т2 и во вторичной цепи начнет протекать ток через тепловые элементы. Следует занести значение тока в таблицу. Также получит питание двигатель электросекундомера и начнется отсчет времени протекания тока. После срабатывания теплового реле, оно разомкнет свой контакт в цепи катушки KC и электросекундомера (двигатель электросекундомера остановится). Следует занести значение времени в таблицу. Одновременно реле управления KC разомкнет свой контакт в цепи питания первичной обмотки T2 и ток во вторичной обмотке прекратится. Таким образом, устраняется возможность протекания тока по тепловым элементам после срабатывания реле. Повторить результаты опыта при меньших значениях напряжения. Провести 2-3 опыта, результаты занести в таблицу. Полученные экспериментальные точки нанести на поле паспортной защитной характеристики, соединить утолщенной пунктирной линией и подписать. 9. Проведение испытаний на заданной уставке тока реле при двухполюсной нагрузке тепловых элементов. 100 Аналогично провести 2-3 испытания. Следует иметь в виду, что при двухполюсной и однополюсной нагрузке тепловых элементов сопротивление во вторичной цепи T2 будет меньше и не следует начинать испытания с максимального напряжения. В этом случае ток будет слишком велик, что может привести к деформации тепловых элементов. 10. Изменить уставку тока (по заданию преподавателя) и провести испытания аналогично п.7, 8. Отличия в сборке схемы испытания теплового реле на других лабораторных стендах Стенд №2 1. 2. 3. Силовые цепи тепловых элементов присоединить к зажимам X12, X13. Переключатель S9 установить в положение «300А». Размыкающий контакт теплового реле включить в цепь секундомера, к зажимам X10, X11. Операцию включения и отключения осуществлять выключателем Q1. Следует помнить, что схема не предусматривает автоматическое отключение стенда после срабатывания реле. Поэтому незамедлительно отключить стенд в момент остановки электромеханического секундомера. Стенд №3 1. 2. Изобразить функциональную схему испытания, приведенную в описании к лабораторной работе на стенде и на ее основе составить принципиальную электрическую схему испытаний. Собрать схему и выполнить работу согласно заданию, приведенному в Приложении 5. Содержание отчета по экспериментальной части Отчет выполняется индивидуально каждым студентом и должен содержать описание цели лабораторной работы, электрические схемы для снятия характеристик магнитного пускателя и теплового реле, таблицы результатов испытаний и расчетов, паспортную защитную характеристику исследуемого теплового реле с нанесенными на поле графика экспериментальными точками, выводы после выполнения каждого пункта задания. 101 Индивидуальное задание 1. Задание по теме «Изучение контакторов и магнитных пускателей» Исходные данные Задан контактор переменного тока типа КМИ из Каталога электротехнической продукции компании IEK, Коммутационное оборудование, интернет-сайт - www.iek.ru. Преподаватель также может задать контактор другого производителя. Пояснения к техническим характеристикам контактора 1) 2) 3) расшифровка маркировки (типоисполнения) контактора КМИ 1 09 1 0 (1- габарит, 09 - номинальный рабочий ток в категории применения АС-3 составляет 9А, 1 – нереверсивный, 0 – имеется один замыкающий вспомогательный контакт; вспомогательный контакт обладает следующими техническими характеристиками: номинальное напряжение - до 660В, номинальное напряжение изоляции – 660В, ток термической стойкости (номинальный ток контакта) – 10А, Минимальная включающая способность - 24В, 10мА, максимальная кратковременная нагрузка (менее 1С) -100А; время замыкания (от момента включения цепи втягивающей катушки до момента первоначального касания силовых контактов) искусственно увеличено в 3-4 раза в учебных целях, фактическое время срабатывания не превышает 22-35 мс. Таблица 3.11 Исходные данные для расчета по вариантам Параметры главной (силовой) цепи контактора Технические характеристики полюсов (контактов силовой цепи) для номера соответствующего первой цифре заданного варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 09 10 1 12 10 1 18 10 2 25 10 2 32 10 3 40 12 3 50 12 4 65 12 4 8012 4 9512 Типоисполнение Номинальное рабочее ~ 400 напряжение, В Номинальное напряже~ 660 ние изоляции, В Номинальный рабочий ток в категории приме9 12 18 25 32 40 50 65 80 95 нения АС-3, А Номинальная мощность по АС-3 для напряжения 4 5,5 7,5 11 15 18,5 22 30 37 45 400 В, кВт 102 Окончание табл. 3.11 Технические характеристики цепи управления для номера соответПараметры цепи катушствующего второй цифре заданного варианта ки управления 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Номинальное напряжение катушки управления, 24 42 110 230 400 24 42 110 230 400 В Мощность рассеяния, Вт 3 3 3 3,5 3,5 10 10 10 10 10 Диапазосрабатыв. (0,8 -0,9) от номинального напряжения катушки ны напряжеотпускание ния (0,3 -0,6) от номинального напряжения катушки (возврат) управления, В Мощ- Срабатыв ко60 60 60 90 90 200 200 200 200 200 ность по- эф. мощн 0,75 требления удержание катушки, коэф. мощн 7 7 7 7,5 7,5 20 20 20 20 20 ВА 0,3 Время замыкание 56 60 64 70 76 80 86 90 96 100 срабатыразмы-кание 4 6 7 8 9 10 11 12 14 16 вания, мС * Время от момента включения цепи втягивающей катушки до момента первоначального касания силовых (главных) контактов называется собственным временем включения контактора. Время от момента снятия напряжения с втягивающей катушки до момента появления зазора между главными контактами называется собственным временем отключения магнитного пускателя. Задание 1. 2. 3. 4. 5. 6. На основе паспортных данных контактора записать его технические характеристики (ток, напряжение, мощность) для электрической цепи: а) главных контактов, б) катушки управления, в) вспомогательных контактов. Дать техническое описание контактора. Изобразить принципиальную электрическую схему контактора в совмещенном исполнении. Нарисовать в рукописном виде электрическую принципиальную схему подключения нереверсивного асинхронного электродвигателя, где контактор будет изображен в разнесенном исполнении. Определить характеристики электрической цепи катушки управления в режиме срабатывания и в режиме удержания якоря (полное сопротивление, ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, коэффициент мощности, угол сдвига фаз между током и напряжением, тангенс угла сдвига фаз между током и напряжением). Изобразить упрощенную осциллограмму тока в электрической цепи 103 7. катушки управления за время срабатывания электромагнитного механизма (ЭММ) контактора (задано по варианту). Определить характеристики контактора как релейного элемента: коэффициент возврата, коэффициент запаса, коэффициент защиты минимального напряжения, коэффициент усиления. Методические указания 1. К п.1 Задания. Использовать данные, приведенные в Каталогах производителей продукции, занести их в таблицу 3.12. Таблица 3.12 Паспортные технические характеристики контактора Узел контактора Номинальные величины Дополнительные характеристики Ток, А Напряжение, В Главная цепь Максимальная мощность электродвигателя при коэф. мощности – 0,7071 Катушка в срабатывания режиме удержания якоря Мощность потребления в режимах Вспомогательные контакты Рабочая мощность при напряжении 220В, Максимальная кратковременная нагрузка 2. К п.2 Задания. Использовать данные, приведенные в Каталогах производителей продукции 3. К п.3 Задания. Использовать данные, приведенные в Каталогах производителей продукции. 4. К п.4 Задания. Нарисовать в рукописном виде электрическую принципиальную схему подключения нереверсивного асинхронного электродвигателя, где контактор будет изображен в разнесенном исполнении. 5. К п.5 Задания. 5.1. Изобразить схему замещения электрической цепи катушки управления. 5.2. Определить полное сопротивление электрической цепи катушки управления в режиме срабатывания и в режиме удержания якоря по выражению полной мощности электрической цепи при номинальном напряжении катушки управления. 5.3. По закону Ома определить токи в режиме срабатывания и в режиме удержания якоря при номинальном напряжении катушки 104 управления. 5.4. Определить активное сопротивление электрической цепи катушки управления, используя значение полного сопротивления электрической цепи катушки управления в режиме срабатывания полученное в п.4.2 и условие равенства активного и индуктивного сопротивления в режиме срабатывания. По закону Джоуля-Ленца рассчитать значение активной мощности в режиме удержания якоря и проверить, чтобы эта величина не превосходила паспортного значения мощности рассеяния. 5.5. По теореме Пифагора определить индуктивное сопротивление электрической цепи катушки управления в режиме срабатывания и в режиме удержания якоря. Построить треугольник сопротивлений и, используя тригонометрические функции, определить: коэфф. мощности, угол сдвига фаз между током и напряжением, тангенс угла сдвига фаз между током и напряжением. 5.6. Занести полученные результаты в таблицу 3.13. 6. К п.6 Задания 6.1. Нарисовать оси координат тока и времени. По оси ординат нанести две величины амплитудного значения тока, полученные в п.5.3. По оси абсцисс нанести величину, увеличенную от заданного времени срабатывания контактора на 1-2 периода частоты 50 Гц; 6.2. Нарисовать вспомогательные тонкие линии (огибающие амплитуды тока) и изобразить между ними осциллограмму тока. Осциллограмма не будет отражать реальный переходный процесс, но проиллюстрирует процесс изменения индуктивного сопротивления катушки в процессе движения якоря. Таблица 3.13 Результаты расчета Наименование величин Значение величин при срабатывании при удержании Примечание Напряжение, В Ток, А Мощность, ВА Сопротивление: полное/активное/индуктивное, Ом Коэф. мощности/угол/тангенс угла 7. К п.7 Задания. Определить характеристики по формулам: - для определения коэффициента возврата - Kв= Uотп / Uсраб , используя крайние левые значения из диапазона напряжения управления (сраба- 105 тывания и отпускания). - для определения коэффициента усиления - Kу= Рвых / Рвх, отношение мощности силовой цепи (максимальная мощность в нагрузке управляемой цепи) к значению мощности катушки в режиме удержания якоря. Катушка мощностью в несколько Вт управляет двигателем мощностью несколько десятков кВт. - для определения коэффициента запаса - (Kзап=Uном / Uсраб). Чем выше коэффициент запаса, тем быстрее и надежнее будет работать ЭММ контактора. - для определения коэффициента защиты минимального напряжения - Kзащ=Uотп / Uном. Результаты расчета оформить в виде таблицы с головкой: «Наименование коэффициента», «расчетная формула», «величина» (см. табл. 3.8). 2. Задание по теме «Изучение тепловых реле и трансформаторов тока» Задание 1. 2. 3. Изобразить в рукописном виде УГО и БЦО следующих электрических аппаратов: автоматический выключатель, предохранитель, контактор (катушка и контакты), электротепловое реле, трансформатор тока, командоаппарат типа «кнопка управления». Выписать из Каталога электротехнической продукции компании EKF (Legrand, IEK, TDM, Dekraft и др.) следующую информацию для трансформаторов тока и электротепловых реле: назначение, принцип работы, технические характеристики, особенности конструкции, пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для измерений и учета (только для трансформаторов тока). Для заданного (в индивидуальном задании 1) контактора переменного тока: выбрать электротепловые реле, которые возможно использовать с этим контактором и записать их технические характеристики. 4. Выбрать электротепловые реле для защиты электродвигателей от перегрузки. Параметры нагрузки заданы в табл. 3.14. Для электродвигателя АД-1 выбрать реле, которое включено непосредственно в силовую цепь, для АД-2 выбрать реле включенное посредством трансформатора тока. 5. Нарисовать в рукописном виде электрическую схему подключения реверсивного асинхронного электродвигателя к цеховой сети. Тепловые элементы электротеплового реле включить посредством трансформатора тока. Схему управления выполнить с механической 106 и двумя электрическими блокировками и подключить на линейное напряжение. Описать работу схемы в следующих режимах: а) режим перегрузки технологического механизма; б) «обрыв фазы» ( отсоединение проводника в месте присоединения двигателя к сети). Таблица 3.14 Исходные данные для расчета по вариантам Наименование параметров Значение параметров нагрузки для первой цифры варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 380 Номинальн. напряжение, В Коэф. мощности, о.е. 0,7 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,8 Значение параметров нагрузки для первой цифры вариНаименование параметанта ров 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Мощность АД-1, кВт; 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11 15 18,5 Кратность пускового то- 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 ка Мощность АД-2, кВт; 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 110 Кратность пускового то- 6 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,3 7,4 7.5 ка 6. 7. Построить защитные характеристики тепловых реле на бланке карты селективности и подписать их по образцу: Тип, диапазон регулировки номинального тока теплового реле в амперах и параметры трансформатора. Пример – РТИ-1316, 9-13А (36-52А при КТТ=20/5). Подобрать аналоги тепловых реле трансформаторов тока в одном из каталогов других производителей. Методические указания 1. К п.1 Задания. Использовать учебник по курсу «Электрические аппараты» (Чунихин А.А. Электрические аппараты.- Изд. 3-е перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1988.- 720c.) и конспект лекций по электрическим аппаратам «раздел 2. Правила выполнения и анализа электрических схем». Для контактора изобразить УГО и БЦО следующих элементов: силовой контакт, контакт вспомогательной цепи (блок-контакт), обмотка (катушка). Для теплового реле - воспринимающая часть, контакт. Трансформатор тока изобразить в следующих вариантах а) с одной вторичной обмоткой, б) с двумя обмотка- 107 2. 3. 4. ми на одном магнитопроводе, в) с двумя обмотками, расположенными на разных магнитопроводах. К п.2 Задания. Использовать информацию каталогов электротехнической продукции компании EKF, Legrand, IEK, TDM, Dekraft и др. К п.3 Задания. Использовать данные номинального рабочего тока контактора, заданного по варианту в работе №3. В пределах данного тока выбрать тепловые реле, у которых диапазон регулировки тока не превышает номинальный рабочий ток контактора. При выборе учитывать габаритные размеры тепловых реле. Записать технические характеристики и расчетные дополнительные характеристики в таблицу 3.15. К п.4 Задания. Рассчитать ток электродвигателя заданной мощности по формуле активной мощности трехфазной цепи. По расчетному току выбрать тип теплового реле таким образом, чтобы расчетный ток электродвигателя находился в пределах диапазона тока регулирования теплового реле. Таблица 3.15 Паспортные технические характеристики теплового реле типа_____________________________________ Узел электротеплового реле Силовая цепь: тип Контакты Номинальные величины Дополнительные характеристиДиапазон регули- Напряжение, ки ровки тока, (ток) А В Максимальная мощность защищаемого электродвигателя при коэф. мощности – 0,76 Максимальная мощность подключаемой катушки при напряжении 220В, ВА Для варианта б использовать трансформаторы тока, включенные в каждую фазу силовой трехфазной сети. Первичный ток трансформатора тока ТТИ выбираем таким образом, чтобы он был не менее (т.е. больше или равен) расчетного тока электродвигателя. Далее записать технические характеристики трансформатора тока, рассчитать его коэффициент трансформации Ктт=I1ном/ I2ном. Тип, номинальный ток теплового реле подобрать таким образом, чтобы расчетный ток электродвигателя, разделенный на коэффициент трансформации трансформатора тока, находился в пределах диапазона тока регулирования теплового реле. Использовать информацию Каталога электротехнической продукции компании IEK: для электротеплового реле РТИ типоисполнений 13ХХ: 01 - ток может регулироваться в пределах от 0,1А до 0,16А; 02 - 0,16-0,25А; 108 03 - 0,25-0,4А; 04 - 0,4-0,63А; 05 - 0,63-1,0А; 06 - 1,0-1,6А; 07 - 1,6-2,5А; 08 - 2.5-4А; 10 - 4-6А; 12 - 5,5-8А; 14 - 7-10А; 16 - 9-13А; 21 - 12-18А; 22 - 1725А. Для электротеплового реле РТИ типоисполнений 33ХХ: 53 - 23-32А; 55 - 30-40А; 57 - 37-50А; 59 - 48-65А; 61 - 55-70А; 63 - 63-80А; 65 - 8093А.). Для выбора трансформатора тока использовать информацию Каталога электротехнической продукции компании IEK. Номинальный первичный ток трансформатора тока I1ном для типа ТТИ-А может быть выбран из следующих значений: 5, 10,15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 80, 100, 120, 125, 150, 200, 250, 300А. ТТИ-30: 150, 200, 300А. ТТИ-40: 400, 500, 600А. Номинальный вторичный ток трансформатора тока I2ном во всех случаях равен 5А 5. К п.5 Задания. Изобразить в рукописном виде схему подключения асинхронного электродвигателя к цеховой сети совместно с принципиальной схемой управления двигателем, аналогично как в индивидуальном задании к лабораторной работе №2. 6. К п.6 Задания. Перерисовать кривую срабатывания (защитную характеристику) теплового реле. Дополнительно нарисовать ось абсцисс в именованных единицах используя формулу I=K*Iнтр (Iнтр = Iндв). Далее характеристики перенести на специальный бланк, который получил название «Карта селективности» (см. [4, рис. 5.3]), при этом следует использовать только именованные значения тока по оси абсцисс. Характеристики не следует подписывать полным паспортным обозначением, т.к. это загромождает площадь бланка. Достаточно указать на свободном поле графика тип и номинальный ток расцепления. Пример: РТ-01, 0,24-0,36А. В случае отсутствия каталожных характеристик можно использовать для построения защитной характеристики следующие опорные точки, соответствующие классу расцепления 10А при трехфазном режиме нагрузки из рабочего (нагретого) состояния: а) для кратности тока, стремящейся к «бесконечности» время стремится к одной секунде; б) для кратности тока 10 время составляет около 2,5с; в) для кратности тока 3 время - 12с; в) для кратности 2 время - 27с; г) для кратности тока 1, время стремится к «бесконечности».) Пунктирной линией восстановить перпендикуляры: а) из значения номинального тока АД (IНД) до верхней границы бланка, б) из значения пускового тока АД (IП) до пунктирной горизонтали идущей от оси ординат из значения 1с, в) из значения номинального тока теплового реле (если оно отличается от номинального тока электродвигателя) до верхней границы карты. Обозначения указанных токов подписать на оси абсцисс под пунк- 109 тирными линиями, численные значения – разместить на свободном поле карты в порядке возрастания величин (Iнд , Iнтр, Iп). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. Назначение и область применения магнитных пускателей. Защитные функции магнитных пускателей. Принцип действия магнитного пускателя. Конструкция и работа магнитного пускателя типа ПМЛ. Конструкция и работа магнитного пускателя типа ПМА. Конструкция контактов магнитных пускателей. Каким образом обеспечивается необходимое нажатие контактов? Понятие "провала" контактов. Назначение главных и блок-контактов. Гашение дуги в магнитных пускателях. Причина появления вибраций. Назначение короткозамкнутых витков. Векторная диаграмма. Коэффициенты возврата и защиты минимального напряжения. Способы регулировки коэффициента возврата. Типоисполнение магнитных пускателей. 3ависимость индуктивного сопротивления катушки от зазора. Что такое контактор? Каково его назначение? Что применяют для устранения пульсации магнитного потока («вибрации якоря» в электромагнитах переменного тока контакторов? Почему мощность, потребляемая катушкой контактора в процессе включения больше мощности в процессе удержания якоря во включенном состоянии? Какие средства дугогашения используют в контакторах? Как изменяется ток катушки контактора постоянного тока в процессе включения? Почему в процессе движения якоря электромагнита переменного тока происходит изменение утла сдвига фаз между током в катушке и напряжением? Нарисовать и пояснить схему управления нереверсивным асинхронным двигателем. Назвать режимы, которые обеспечивает схема. Нарисовать и пояснить схему управления реверсивным асинхронным двигателем с двумя видами электрических блокировок одновременного включения контакторов. Назвать режимы, которые обеспечивает схема. 110 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. Для чего предназначено тепловое реле? Где используется тепловой расцепитель? Где и для чего используется биметаллическая пластина? Чем отличаются конструктивно и для чего используется прямой, косвенный и комбинированный нагрев биметаллической пластины? Что определяет класс расцепления теплового реле (и теплового расцепителя)? Назначение и область применения тепловых реле. Принцип действия теплового реле. Чувствительный элемент теплового реле. Его устройство. Конструкция теплового реле серии РТЛ, РТТ. Выбор теплового реле. Времятоковая характеристика теплового реле. Способы регулирования. Как изменится вид времятоковой характеристики при двухполюсной работе реле. От чего зависит время срабатывания и отпускания теплового реле? Требования, предъявляемые к характеристикам теплового реле. Условия надежной защиты электродвигателей от перегрузки. Недостатки тепловых реле и мероприятия по их устранению. Регулировка тока срабатывания теплового реле. Характеристики тепловых реле, выпускаемых промышленностью. Назначение трансформаторов тока? Основные параметры трансформаторов тока? Какие погрешности имеет трансформатор тока? От чего зависят погрешности трансформаторов тока? По каким основным техническим параметрам выбирают контакторы и магнитные пускатели? Какие аварийные режимы имеют место в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором? Каковы способы защиты от них? Изобразить в рукописном виде схему подключения нереверсивного и реверсивного асинхронного электродвигателя к цеховой сети совместно с принципиальной схемой управления двигателем. Пояснить в каких режимах работы защита осуществляется тепловым реле, в каких - тепловым расцепителем автоматического выключателя, а в каких - электромагнитным расцепителем автоматического выключателя. Вопросы по лабораторным стендам 1. Конструктивное исполнение стенда. 111 2. 3. 4. 5. 6. Принципиальная электрическая схема стенда, назначение всех электрических цепей и элементов в принципиальной схеме. Принципиальные схемы испытания электрических аппаратов. Вопросы по технике безопасности: а) на каких элементах схемы стендов возможно появление опасного напряжения? Какой величины? б) меры безопасности при необходимости изменений в схеме испытаний. Изобразить схему испытания контактора и описать порядок операций для определения коэффициента возврата. Изобразить схему испытания теплового реле и описать порядок операций для построения защитной характеристики. 112 4. ИЗУЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ В курсе «Электрические и электронные аппараты» по данной теме проводится лабораторная работа 4. В ходе работы студенты изучают конструкцию и принцип действия автоматических воздушных выключателей (АВ), применяемых в системах электроснабжения. Анализируются технические характеристики АВ. Продолжается изучение времятоковой характеристики срабатывания (защитной характеристики) электрического аппарата на основе расцепителей АВ. Изучаются защитные характеристики АВ с различными видами расцепителей и особенности согласования (координации) защитных характеристик тепловых реле с характеристиками АВ. Рассматриваются схемы включения АВ в силовых цепях и в цепях управления электроприемниками и способы построения времятоковых характеристик АВ по их паспортным данным. 4.1. Общие сведения. Выключатели нагрузки и разъединители Основными аппаратами распределения электрической энергии являются коммутационные электрические аппараты, т.е. устройства, предназначенные для включения или отключения тока в одной или нескольких электрических цепях. Такие устройства выполнены как контактные коммутационные аппараты, в которых электрическая цепь оказывается в замкнутом или разомкнутом состоянии в результате операции замыкания или размыкания перемещающихся друг по отношению к другу электрических контакт-деталей. Контакт-детали вместе с другими токопроводящими частями, предназначенными для установления непрерывности цепи при их соприкосновении и в процессе их движения относительно друг друга во время оперирования называют просто электрическим контактом коммутационного аппарата. Коммутационные аппараты могут выполнять разнообразные, определяемые стандартами функции, такие как управление, разъединение (секционирование), зашита, сигнализация и др. Выполняемые функции определяют тип (наименование) коммутационного аппарата. Включать, проводить и отключать токи в нормальных условиях может коммутационный аппарат, называемый выключателем. Выключатель может выполнять эти операции при оговоренных рабочих перегрузках. Выключатель реализует управление потоком электрической энергии от сети к потребителю. Контактный коммутационный аппарат, в разомкнутом положении отвечающий требованиям к функции разъединения, называют разъедини113 телем. Функция разъединения, которую называют еще гарантированным отключением или «видимый разрыв», подразумевает наличие обязательной индикации разомкнутого и замкнутого положения контактов аппарата, а также способность изоляционного промежутка и всей электрической изоляции аппарата выдерживать оговоренные импульсные перенапряжения. Оба эти условия обеспечивают достаточную безопасность работ на отключенной электроустановке. Разъединитель обычно не предназначен для оперирования при протекании тока (при выключении) и при наличии напряжения на разомкнутых контактах (при включении). Размыкание контактов разъединителя должно производиться, как правило, при обесточенной цепи, а замыкание без наличия напряжения на разомкнутых контактах. При к.з. в сети и выключатель, и разъединитель должны проводить ток в течение установленного времени. Ток к.з., который разъединитель или выключатель может проводить заданное время, называют наибольшим кратковременным током и обозначают его допустимое значение для данного аппарата как Icw. Обычно изготовители задают этот ток для времени 0,5; 1 или 3 с. В технической документации часто это допустимое значение именуют «сквозным током к.з.». Управление и разъединение могут быть объединены в одном аппарате, который называется выключатель-разъединитель. Выключатели, разъединители и выключатели-разъединители с ручным приводом могут быть конструктивно объединены с предохранителями. Такие комбинированные ЭА стали широко применяться в последние десятилетия, поскольку при простоте и дешевизне обеспечивают совмещение функций разъединения, управления и защиты от токов перегрузки и к.з. На электрических схемах распределения электрической энергии применяют различные изображения упомянутых выше аппаратов, что позволяет, даже не обращаясь к спецификации, знать выполняемые функции аппарата. Разнообразие некоторых рассмотренных аппаратов представлено на рис. 4.1. Предохранитель - выключатель-разъединитель, представленный поз. 5 на рис. 4.1, - это выключатель-разъединитель, у которого плавкая вставка или держатель с плавкой вставкой образуют подвижный контакт. Обычно при размыкании такого аппарата плавкая вставка становится доступной для замены. ГОСТ 2755-87 предусматривает специальные квалифицирующие символы, поясняющие принцип работы коммутационного ЭА. Так нанесение наклонного перекрестия на условном графическом изображении коммутирующего контакта (поз. 6 на рис. 4.1) указывает на то, что это выключатель. 114 Рис. 4.1. Схемные изображения коммутационных аппаратов: 1 - разъединитель; 2 - выключатель без самовозврата; 3 - выключательразъединитель; 4 - выключатель-разъединитель-предохранитель; 5 - предохранитель-выключатель-разъединитель; 6 - выключатель Выключатели-разъединители изготавливаются с ручным приводом и могут выполняться на базе более сложных ЭА, таких как автоматические выключатели, лишенных функции защиты, но с реализованной возможностью дистанционного или даже автоматического оперирования. Такие выключатели часто поставляются под именем «включатели нагрузки». Широко распространенные простейшие коммутационные аппараты, называемые рубильниками, чаще всего относятся к разъединителям. Если их снабжают дугогасительными камерами, то рубильник может при некоторых напряжениях выполнять функцию выключателя-разъединителя. Выключатель не приспособлен для отключения токов к.з., но может включать их. В этом случае изготовитель должен задать в наборе характеристик аппарата номинальную включающую способность в условиях к.з. Icm. Разъединители, выключатели и выключатели-разъединители обычно выпускают для номинальных токов до 2 500 А при напряжениях до 690 В. Выключатели нагрузки на базе автоматических выключателей могут иметь номинальные токи до 6 300 А. 4.2. Назначение, функции, устройство и параметры автоматических выключателей 4.2.1. Функции Автоматические выключатели (АВ) относятся к классу коммутационных аппаратов и аппаратов защиты. Они устанавливаются в электрических цепях постоянного и переменного тока и предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при к.з., перегрузках и недопустимых снижениях напряжения (при наличии расцепителя минимального напряжения), а также для нечастых (до 3 включений в час, у ВА50 -до 6, у АЕ20 - до 30) оперативных включений и отключений (ВО) 115 данных электрических цепей. АВ всегда выполняют функцию выключателя нагрузки и функцию разъединения. На рис. 4.2 приведена упрощенная однолинейная схема электроснабжения на напряжение до 1000В, в которой защита элементов сети выполнена автоматическими выключателями. Рис. 4.2. Упрощенная однолинейная схема электроснабжения с автоматическими выключателями 1– 2– 3– 4– Функциональное обозначение АВ, изображенных на рис. 4.2: вводные АВ, для защиты и коммутации сборных шин понижающей трансформаторной подстанции (ТП); линейные АВ, для защиты и коммутации линий, отходящих от шин ТП к группам потребителей или к отдельным крупным электроприемникам (электродвигателям, электротехнологическим установкам); секционный АВ (в нормальном режиме отключен) используется для резервирования питания, которое обеспечивается включением секционного АВ в случае исчезновения напряжения по одному из питающих направлений. Включение может быть автоматическим от контакта реле времени (АВР - автоматический ввод резерва), либо ручным при включении секционного АВ эксплуатационным персоналом; АВ, предназначенные для коммутации и защиты линий и отдельных электроприемников, располагаются в составе силовых пунктов; 116 5 – магнитный пускатель для управления электроприёмником (изучается в лабораторной работе № 3). 4.2.2. Устройство Автоматический выключатель - это механический коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состоянии электрической цепи, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи при аномальных состояниях электрической цепи, например, к.з. Коммутационные аппараты применяются в электроустановках для включения или отключения тока в одной или нескольких электрических цепях. При коммутации электрических цепей автоматический выключатель выполняет операции включения и отключения, а также включения с последующим автоматическим отключением. Обобщенная блок-схема взаимодействия механических частей АВ (на примере одного полюса) приведена на рис. 4.3. Рассмотрим назначение основных узлов АВ. Основными узлами любого автоматического выключателя являются контактно-дугогасительная система, механизм свободного расцепления (МСР), а также элементы управления и защиты. Аппарат коммутирует цепь с током i. Для ручного включения поворачивают рукоятку 12 в указанном направлении до такого положения, пока рычаг не встанет на защелку (на рис. 4.3 не изображена). Главные контакты 3 и дугогасительные контакты 1 будут замкнуты, а отключающая пружина 9 взведена (растянута). При включении первыми замыкаются дугогасительные контакты 1, после них - главные контакты 3. При отключении сначала расходятся главные контакты и ток переходит в дугогасительные. В результате на главных контактах предотвращается образование дуги большой мощности. Дуга гасится в дугогасительной камере 2. Гибкая медная связь 15 необходима для создания цепи тока при движении подвижного контакта. Для выполнения своих защитных функций автоматические выключатели снабжаются специальными устройствами - расцепителями (элементы 4, 5, 10, 11), воздействующими в различных нештатных ситуациях и аварийных режимах на механизм свободного расцепления (элементы 6, 7, 8, 13). Самыми распространенными являются расцепитель с биметаллическим элементом (тепловой) 4 и электромагнитный 5. Они защищают от сверхтоков (токов перегрузки и к.з.) и относятся к расцепителям максимального тока. Время действия теплового расцепителя зависит от тока: чем больше ток, тем быстрее расцепитель срабатывает, а время действия 117 Рис. 4.3. Конструктивная схема одного полюса автоматического воздушного выключателя QF в схеме питания электродвигателя совместно с магнитным пускателем (контактором KM и тепловым реле KK): 1, 3 – дугогасительные и главные контакты; 2 – дугогасительная камера; 4 – термобиметаллический (тепловой) расцепитель (биметаллическая пластинка и нагревательный элемент); 5 – электромагнитный расцепитель максимального тока; 6, 7 – ломающиеся рычаги механизма свободного расцепления (МСР), 8 – пружина МСР; 9 – отключающая пружина; 10 – расцепитель минимального напряжения; 11 – независимый расцепитель; 12 – ручной привод включения-отключения АВ; 13 – упор системы ломающихся рычагов; 14 – планка воздействия на МСР; 15 – гибкая связь; 16 – главный рычаг, несущий подвижный контакт; 17 – компенсатор электродинамических сил дугогасительных контактов; 18 – пружина дугогасительных контактов; 19 – контактная пружина главного подвижного контакта; 20 – электромагнитный или моторный привод выключателя; KM – электромагнитный контактор; KK – тепловое реле; М – электродвигатель, О1,О2,О3. – оси вращения элементов АВ 118 электромагнитного расцепителя обычно мало и условно считается, что он срабатывает мгновенно. Существуют и другие виды расцепителей. Например, минимальный расцепитель 10 защищает от снижения напряжения контролируемой сети, а независимый расцепитель 11 позволяет практически мгновенно дистанционно отключить выключатель. Система ломающихся рычагов 6, 7 осуществляет связь между рукояткой 12 и главным рычагом 16, воздействующим на подвижный контакт АВ. Эта механическая связь между рукояткой и подвижным контактом нарушается при автоматическом отключении аппарата от элементов управления и защиты или при дистанционном отключении. Механизм свободного расцепления предотвращает повторные включения и отключения аппарата, в частности - при включении аппарата на существующее в сети к.з. Если вместо механизма свободного расцепления между рукояткой 12 и рычагом 16 сделать жесткую связь, то возможно многократное включение на к.з. и последующее отключение от защиты. Такие повторные включения и отключения могут привести к выходу аппарата из строя. Принцип действия механизма свободного расцепления более подробно рассмотрен на рис. 4.4. Во включенном положении шарнир, соединяющий рычаги 1 и 2, находится ниже «мертвой» точки, в которой центры всех трех шарниров рычагов 1 и 2 расположены на одной прямой. В аварийной ситуации под воздействием толкателя 8 расцепителя 7 рычаг 2 идет вверх и проходит «мертвую» точку. Пружина 5 расцепителя воздействует на главный рычаг 3 и элемент 4. В результате этого они переходят в положение, изображенное на рис. 4.4, б. Для подготовки выключателя к новому включению рукоятка 10 должна быть опущена вниз до упора. Рис. 4.4. Три устойчивых положения механизма свободного расцепления: а – включено; б – отключено автоматически; в – отключено вручную; 1, 2 – ломающиеся рычаги механизма свободного расцепления; 3 – главный рычаг; 4 – элемент, передающий движение главному подвижному контакту; 5 – отключающая пружина; 6 – упор системы ломающихся рычагов; 7 – электромагнитный расцепитeль; 8 – толкатель механизма расцепления; 9 – рычаг рукоятки привода выключателя; 10 – перекидная рукоятка привода выключателя 119 Итак, расцепление механизма ломающихся рычагов 1,2 и 3 (см. рис. 4.4) позволяет пружине произвести перемещение элемента 4 и контактов выключателя в отключенное положение. При этом энергия, запасенная в пружине, расходуется на движение механизма и контактов аппарата. Поэтому при последующем включении в пружине вновь должна быть запасена энергия, т.е. требуется ее взвести (растянуть или сжать в зависимости от конкретного исполнения выключателя). Принцип работы механизма свободного расцепления позволяет выделить три состояния автоматического выключателя: «отключен», «включен» и «отключен автоматически»; диаграмма возможных переходов из одного состояния в другое представлена на рис. 4.5. При переходе в положение «включен» взводится отключающая пружина выключателя, и он готов к отключению аварийных режимов. Под действием тока перегрузки или к.з. происходит автоматическое отключение, т.е. переход в состояние «отключен автоматически». Теперь во включенное состояние аппарат может быть переведен только через положение «отключен». Рис. 4.5. Диаграмма состояний автоматического выключателя Для однозначного визуального определения положения контактов на автоматическом выключателе обязательно предусматривается индикация. Включенному состоянию (замкнутому положению контактов) соответствует верхнее положение ручки выключателя и знак (|), отключенному вручную (разомкнутому) - нижнее положение и знак (0). Если выключатель отключен автоматически, то ручка располагается посредине между включенным и отключенным положениями. 4.2.3. Принцип токоограничения В процессе работы токи к.з., отключаемые аппаратами низкого напряжения (НН), могут достигать десятков и сотен килоампер Выделяющаяся при этом тепловая энергия и возникающие электродинамические 120 силы оказывают существенные тепловые и электродинамические воздействия на сам аппарат и всю систему электроснабжения. Для более быстрого отключения тока к.з. разработаны специальные токоограничивающие исполнения выключателей. Принцип токоограничения заключается в использовании сопротивления электрической дуги. Возникающая электрическая дуга включается в цепь как дополнительное сопротивление и ограничивает рост тока к.з. Быстрота развития дуги связана со скоростью размыкания контактов. С момента начала размыкания контактов ts (рис. 4.6) напряжение дуги UД нарастает до момента t1 и достигает значения напряжения сети Еm. Ограниченный ток к.з. (It1) достигает своего максимального значения, затем уменьшается и становится равным нулю в момент времени t2. Уменьшение тока к.з. вызвано напряжением дуги Uд, которое превышает напряжение сети Еm. Iкз It1 t U Em Uд ts t1 t2 t Рис. 4.6. Токи к.з. и напряжения при использовании эффекта токоограничения Применение токоограничивающих выключателей значительно снижает отрицательные воздействия токов к.з. В частности, уменьшение тока к.з. и длительности его протекания, т.е. уменьшение выделяемой тепловой энергии, снижает нагрев кабельных линий и прочих проводников, а значит, и увеличивает срок их службы. Снижается влияние магнитного поля, а значит, и уменьшается опасность нарушения работы соседних измерительных приборов. Ограничение тока к.з. снижает и электромагнитные силы, которые могут приводить к различным механическим деформациям и разрушениям. Для достижения эффекта токоограничения необходимо осуществить размыкание контактов на фронте первого полупериода тока к.з. В малогабаритных аппаратах такое раннее размыкание контактов реа- 121 лизуется непосредственно якорем электромагнитного расцепителя. В аппаратах с номинальными токами, большими 100 А, обычно токоограничение обеспечивается отбросом условно неподвижного контакта электродинамическими силами. 4.2.4. Классификация и основные параметры Для автоматических выключателей низкого напряжения (НН) часто используется следующая практическая классификация: • модульные автоматические выключатели (МСВ - от англ. Moulded Circuit Breakers - сформованный выключатель тока); они рассчитаны на номинальный ток не выше 125 А; обычно имеют тепловой и электромагнитный расцепители и нерегулируемые характеристики расцепления; • автоматические выключатели в литом корпусе (МССВ - от англ. Moulded Case Circuit Breakers - сформованный в литом корпусе выключатель тока); они широко применяются в большинстве низковольтных сетей и рассчитаны на номинальный ток до 1600 А; характеристики этих выключателей могут подвергаться регулировкам; • автоматические выключатели в изолированном корпусе (ICCB - от англ. Isolated Case Circuit Breakers) - для сетей НН с повышенными значениями тока (до 6300 А). Это лишь основные типы автоматических выключателей для сетей НН. Реальная их номенклатура шире. Например, существуют автоматические выключатели в металлической оболочке. В настоящее время при производстве выключателей применяются настолько разнообразные технологии, что некоторые из этих устройств трудно отнести к какой-либо категории. В нормативной документации автоматические выключатели классифицируются по различным техническим характеристикам: роду тока силовой цепи, числу полюсов, способу монтажа и присоединения, номинальным параметрам, току мгновенного расцепления и другим параметрам. По роду тока главной цепи они подразделяются на выключатели постоянного или переменного тока и комбинированные автоматические выключатели постоянного и переменного тока. Род тока и тип системы заземления определяют число полюсов выключателя. Под полюсом понимается часть автоматического включателя, связанная исключительно с одним электрически независимым проводящим путем, имеющая контакты для замыкания и размыкания. По количеству полюсов выключатели могут быть одно-, двух-, трех- и четырехпо- 122 люсные. В многополюсном выключателе подвижные контакты блокируются таким образом, чтобы замыкать и размыкать цепь одновременно как при ручном, так и при автоматическом управлении. Полюс выключателя может быть защищенным, незащищенным или отключающим нейтральный провод (нейтраль). Защищенный полюс всегда содержит расцепитель максимального тока. Незащищенный полюс не имеет расцепителя максимального тока, но способен коммутировать цепь так же, как и защищенный полюс. Полюс, отключающий нейтраль, предназначен для замыкания и размыкания нулевого рабочего проводника N. Расцепитель полюса нейтрали настраивается в соответствии с сечением нейтрального проводника, которое может отличаться от сечения фазного проводника. Полюс, отключающий нейтраль, обозначается на выключателе символом «N». Подключать к такому полюсу фазный проводник нельзя! По способу монтажа выключатели классифицируются на стационарные (устанавливаемые на рейку или монтажную плату), втычные (с цоколем) и выдвижные или выкатные (с шасси). Главными стандартизуемыми техническими параметрами автоматических выключателей являются напряжение (номинальное рабочее Ue и номинальное по изоляции Ui), номинальный ток In и уставка тока срабатывания при к.з. Основной характеристикой срабатывания автоматических выключателей в аварийных режимах является времятоковая характеристика (рис. 4.7). Как правило, на ней можно выделить две основные зоны: токов перегрузки и токов к.з. Срабатывание выключателя в зоне токов перегрузки характеризуется значением уставки тока расцепителя Ir. Это значение может совпадать с номинальным током аппарата In. Выключатели на токи более 125 А, как правило, имеют возможность регулировки уставки тока расцепителя, иногда в довольно широких пределах - (0,4 ... 1) In. 123 Рис. 4.7. Времятоковая характеристика срабатывания выключателя: 1,2 - границы наименьшего и наибольшего допустимого тока, вызывающего срабатывание при заданном времени срабатывания Для задания допуска на параметры режима перегрузки введены понятия условного тока несрабатывания Int и условного тока срабатывания It выключателя (см. рис. 4.7). При токе Int выключатель обязан сработать за время, не меньшее условного времени tусл, а при токе It - не большее tусл. Условное время определяется стандартами или иными нормами. Для автоматических выключателей обычно tусл = 1 ч. При больших токах перегрузки характеристика имеет обратнозависимый от времени характер. При к.з. срабатывание происходит мгновенно, если ток превышает значение Isd. В зависимости от типа и исполнения выключателя времятоковая характеристика может иметь несколько разграниченных зон. Например, срабатывание выключателя при к.з. может происходить мгновенно или с малой выдержкой времени. Уставка мгновенного срабатывания Ii, (рис. 4.8) это действующее значение тока, при достижении которого выключатель практически мгновенно размыкает свои главные контакты. При уставке тока срабатывания Isd с выдержкой времени tsd выключатель срабатывает не мгновенно, как на рис. 4.7, а с некоторой задержкой. Эта выдержка времени tsd принудительно устанавливается на выключателе, чтобы обеспечить согласованную работу нескольких последовательно соединенных выключателей. Токи Ii и Isd могут задаваться абсолютным значением тока срабатывания выключателя или кратностью тока уставки к номинальному току расцепителя Ir или к номинальному току выключателя. В зависимости от возможности задания выдержки времени выключатели подразделяются на две категории: А и B . Выключатели категории А не имеют выдержки времени при отключении; в категории B существует возможность установки выдержки времени для обеспечения временной 124 селективности. К категории А относятся все модульные выключатели и некоторые исполнения выключателей в литом корпусе, а к категории B выключатели в литом или изолированном корпусе. Токоограничивающие выключатели обычно относятся к категории А. Рис. 4.8. Регулируемые параметры характеристики срабатывания (защитной характеристики): Ir - уставка защиты от перегрузок (с обратно зависимой выдержкой времени); tсп выдержка времени при перегрузке не имеет фиксированного значения и изменяется при регулировании tr; в пределах 100-400с; tr – уставка выдержки времени при фиксированном значении тока перегрузки (обычно 6 Ir); Isd - уставка защиты (от токов к.з.) с малой выдержкой времени; tsd - уставка выдержки времени при токах к.з.; Ii - уставка тока мгновенного срабатывания без выдержки времени Способность выключателя реализовать защиту от токов к.з. характеризуется отключающей способностью, которая определяется действующим значением ожидаемого тока к.з. - Iкз.ож, который способен отключать выключатель при установленном напряжении в предписанных условиях эксплуатации и поведения. Различают предельную наибольшую (Icu) и рабочую наибольшую (Ics) отключающие способности. Цикл предписанных испытаний с отключением тока Icu выключатель обязан выполнить хотя бы один раз, и после этого он может остаться неработоспособным; а ток Ics выключатель обязан отключить как минимум 3 раза. Рабочая отключающая способность Ics задается в процентах от предельной Icu. У многих современных зарубежных выключателей это соотношение составляет 100 %. Способность аппарата включать сеть при существующем в ней к.з. характеризует номинальная наибольшая включающая способность Icm. Это максимальное ударное (пиковое) значение тока к.з., которое не препят125 ствует включению и последующему отключению аппарата, при включении его в сеть с существующим в сети к.з. Термическая стойкость аппарата характеризуется наибольшим кратковременно допустимым током Icw. Ток Icw - такой ток, действующее значение которого аппарат может проводить без повреждений в течение определенного короткого времени t. Длительность прохождения Icw должна составлять, по крайней мере, 0,05 с. Произведение квадрата тока Icw на длительность t его прохождения (I2t) является допустимым для выключателя интегралом Джоуля. В технической документации иногда этот ток называют допустимым сквозным током, подчеркивая тем самым, что речь идет только о протекании такого тока через аппарат, когда сам этот аппарат не производит его отключения. Обобщим приведенные характеристики и параметры АВ применительно к традиционно сложившейся терминологии в России. АВ характеризуется следующими параметрами: Номинальный ток (IН) – ток, прохождение которого по токоведущим частям допустимо в течение длительного времени, температура всех частей выключателя не превышает допустимых величин; Номинальный ток расцепителя (IНР), (In), (Ir) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и по расцепителям допустимо в течение длительного времени и не приводит к отключению выключателя; Ток срабатывания расцепителя при перегрузке(IСП), (Int) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и расцепителям выключателя приводит к обязательному отключению выключателя за время, не меньшее условного времени tусл (обычно tусл = 1 ч), Ток срабатывания расцепителя при к.з., ток срабатывания отсечки (IСО), (Isd), (Ii) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и расцепителям выключателя приводит к обязательному отключению выключателя за время, возможно минимальное. Это действующее значение тока, при достижении которого выключатель практически мгновенно размыкает свои главные контакты или размыкает с выдержкой времени tsd , которая принудительно устанавливается на выключателе, чтобы обеспечить согласованную работу нескольких последовательно включенных АВ в схеме электроснабжения; Номинальное напряжение - напряжение, при котором может применяться АВ данного типа (по условиям диэлектрической прочности изоляции); Предельный ток отключения (Icu.) - максимальный ток, который может отключить АВ не разрушаясь; Собственное время отключения - время от подачи импульса на отключение до момента начала расхождения контактов; 126 Полное время отключения - это собственное время отключения АВ плюс время гашения дуги. Если собственное время отключения АВ меньше 0,01 с (половина периода переменного тока частотой 50 Гц), то автомат называется быстродействующим. В этом случае ток в цепи к.з. не успевает достичь максимального установившегося значения, т.е. имеет место эффект токоограничения. Быстродействующие автоматы применяются для защиты элементов системы электроснабжения, для которых недопустима даже кратковременная перегрузка по току (например, АВ типа ВА47 – 36, 38 отключает полупроводниковые преобразователи за время - 0,001с). В данной работе изучаются нормальные выключатели, т.е. такие АВ, собственное время отключения которых (в зависимости от номинального тока и конструкции) лежит в пределах 0,015-0,15 с. Одним из основных элементов АВ являются расцепители. Расцепитель - это элемент защиты, который воздействует на механизм свободного расцепления, т.е. запускает механизм отключения АВ при отклонении значения контролируемого параметра от установленного. Расцепители бывают следующих видов: 1) расцепители тока (максимальные расцепители): а) мгновенного действия для защиты от тока к.з.; б) замедленного действия для защиты от перегрузки; 2) расцепители напряжения: а) минимального напряжения (минимальный расцепитель) для отключения АВ при снижении напряжения ниже определенного уровня; б) независимый расцепитель для дистанционного отключения АВ. Максимальные токовые расцепители задают (формируют) защитную времятоковую характеристику срабатывания АВ. Времятоковая характеристика рис. 4.9 представляет собой зависимость времени срабатывания АВ от тока t = f(I) или кратности тока t = f(I/IНР) где IНР (In)- номинальный ток расцепителя (ток, прохождение которого в течении неограниченного времени не вызывает срабатывание расцепителя). В целях уменьшения количества типоразмеров АВ, выключатели одного "габарита" могут комплектоваться различными по величине тока максимальными расцепителями. Поэтому номинальный ток выключателя (IН) и номинальный ток расцепителя (IНР) совпадают только в случае применения для АВ максимально возможного расцепителя. Времятоковая характеристика в общем случае имеет обратно зависимую от тока часть - I, в которой обеспечивается защита от перегрузки (область перегрузки), и независимую от тока часть - II, где обеспечивается защита от к.з. (область к.з.). Время срабатывания АВ в области к.з. (tСО) 127 равно собственному времени отключения или времени установленному согласно требования селективности отключения (время уставки – 0,1 ÷ 0,7 с, только у селективных АВ). Селективность - это свойство аппаратов защиты отключать именно поврежденный участок электрической сети. Одной из важнейших характеристик АВ является ток уставки расцепителя это наименьшее значение тока, при прохождении которого расцепитель срабатывает. Различают ток уставки в области перегрузки (IСП , обычно IСП = l,25IНР ) и ток уставки в области к.з. (IСО), иногда его называют током отсечки т.к. он как бы отсекает обратно зависимую от тока защитную характеристику АВ. Ток отсечки может быть установлен в процессе эксплуатации у АВ типа А3700, "Электрон", АВМ, ВА (IСО = 2, 3, 5, 7, 10IНР) или является нерегулируемым у АВ типа АЕ–20 (IСО =12IНР). Цифры, характеризующие отношение IСП/ IНР и IСО /IНР называются кратностью уставки тока при перегрузке и кратностью тока отсечки. Рис. 4.9. Времятоковая защитная характеристика автоматического выключателя Приведенную на рис. 4.9 времятоковую характеристику можно обеспечить различными видами расцепителей: а) комбинированным расцепителем, т.е. сочетанием теплового и электромагнитного расцепителя у автоматов типа АЕ-20 и А3705(6)Б,Ф; ВА51(52)-39; а также сочетанием полупроводникового и электромагнитного расцепителя у АВ типа А3703(4)Б,С; б) полупроводниковым (микропроцессорным) расцепителем у АВ типа А3703С4 Б,С, "Электрон", ВА53(55)-41,43; в) электромагнитным расцепителем в сочетании с реле времени в области перегрузки и механического замедлителя расцепления, в области к.з. у выключателя типа АВМ. 128 АВ в общем виде сочетают функции рубильника и плавкого предохранителя, но обладают рядом преимуществ: 1) более высокая оперативность (не требуется замена плавких вставок, постоянная готовность к включению); 2) отключение происходит одновременно всех трех фаз (что устраняет опасные неполнофазные режимы, свойственные предохранителям); 3) времятоковые характеристики АВ более стабильны, чем у предохранителей. 4.3. Виды конструктивных исполнений 4.3.1. Модульные автоматические выключатели Модульные аппараты являются самой многочисленной группой среди автоматических выключателей. В общей схеме электроснабжения (электроустановки) они устанавливаются на уровне конечного распределения, для которого характерны малые значения токов к.з., а основными требованиями являются обеспечение эффективного токоограничения и электробезопасность, так как аппараты защищают непосредственно конечного потребителя и могут быть доступны неквалифицированному персоналу. На этом уровне применяются модульные токоограничивающие автоматические выключатели, относящиеся к категории А. Типичная конструкция модульного выключателя представлена на рис. 4.10. Как правило, эти выключатели имеют электромагнитный расцепитель максимального тока с катушкой 4, присоединенной непосредственно к одному из выводов 2, и тепловой расцепитель с биметаллической пластиной 9. Расцепители этих выключателей являются расцепителями прямого действия, т. е. они срабатывают непосредственно от тока, который протекает по цепи автоматического выключателя. Конструкции механизма управления и механизма свободного расцепления снижают дребезг подвижного контакта 7. Замыкание контактов при включении происходит практически мгновенно и независимо от скорости движения рукоятки управления 5. При отключении возникает дуга и ее основания движутся по дугогасительным рогам 6, 8, и дуга перемещается в дугогасительную камеру 3. При изготовлении корпуса 1 используются высококачественные негорючие материалы с высокой огнестойкостью и повышенной механической прочностью - полиамидные смолы. Контактные выводы (зажимы), выполненные в виде гнезд 2 и 10, глубоко погружены внутрь корпуса, что обеспечивает высокую степень безопасности при случайном прикосновении человека к корпусу аппарата. На задней стороне выключатель имеет 129 специальный язычок 11 для крепления на стандартной профильной DINрейке шириной 35 мм без применения какого-либо инструмента. Рис. 4.10. Устройство модульного выключателя: 1 – корпус; 2 – гнездо верхнего вывода; 3 – дугогасительная камера; 4 – катушка электромагнитного расцепителя; 5 – рукоятка; 6 – дугогасительный рог неподвижного контакта; 7 – подвижный контакт; 8 – дугогасительный рог подвижного контакта; 9 – термобиметаллическая пластина теплового расцепится; 10 – гнездо нижнего вывода; 11 – язычок фиксации корпуса на профильной рейке; 12 – отключающая пружина 130 Токоограничение модульных автоматических выключателей определяется принципом действия электромагнитного расцепителя. При втягивании якоря в катушку он ударяет по подвижному контакту, сообщая последнему высокую начальную скорость. Таким образом, напряжение дуги начинает нарастать рано и очень быстро. АВ с малыми номинальными токами (до 16А) обладают значительным сопротивлением полюса (за счет теплового и электромагнитного расцепителя) и это дополнительно способствует токоограничению. Модульные автоматические выключатели имеют множество исполнений по номинальному току и числу полюсов, которое объясняется многообразием применений и защищаемых объектов. Номинальный ток модульных выключателей является уставкой защиты от перегрузок с обратнозависимой выдержкой времени. В процессе эксплуатации уставки токов срабатывания модульных выключателей не регулируются. Срабатывание модульных выключателей в аварийных режимах нормируется типом характеристики отключения - кратностью уставки тока мгновенного срабатывания к номинальному току расцепителя (табл. 4.1). У модульных АВ номинальный ток расцепителя Ir совпадает с номинальным током In выключателя. Таблица 4.1. Стандартные типы защитных характеристик модульных автоматических выключателей Тип характеристики Диапазон кратностей тока мгновенного срабатывания B (3-5) Ir C (5-10) Ir D (10-50) Ir Область применения Защита цепей без бросков тока: генераторы, кабели большой длины Общие применения: защита розеточных цепей и цепей освещения Защита цепей с большими пусковыми токами: трансформаторы, двигатели Различают три основных типа характеристик: В, С, D (рис. 4.11). Как правило, серия модульных автоматических выключателей всегда дополняется перечнем различных аксессуаров и вспомогательных устройств для них - это моторный привод, дополнительные расцепители (минимального напряжения и независимый) и вспомогательные контакты. Эти электрические устройства позволяют осуществлять дистанционное отключение и сигнализацию состояния автоматических выключателей Номенклатура отечественных и зарубежных производителей модульных автоматических выключателей очень схожа. 131 Рис. 4.11. Стандартизованные характеристики отключения Автоматические выключатели типа АЕ-20 АВ данного типа как и модульные выключатели обычно применяются в точке 4 схемы электроснабжения (см.рис. 4.2) на токи от 16 А (расцепители от 0,3 А) до 160 А и комплектуются тепловыми и электромагнитными расцепителями. С техническими характеристиками данных АВ ознакомиться на интернет-сайтах производителей. Основные узлы конструкции изучить по образцам, установленным в лаборатории. 4.3.2. Автоматические выключатели в литом корпусе Автоматические выключатели в литом корпусе имеют самый широкий диапазон применений, так как могут устанавливаться как в качестве вводных аппаратов небольших электроустановок, так и аппаратов конечного распределения. Но чаще всего они встречаются в щитах промежуточного уровня между вводом и конечным распределением для защиты отходящих линий промежуточного уровня и электродвигателей. Особенностями промежуточного уровня системы электроснабжения НН являются повышенные требования к бесперебойности питания, необходимость снижения тепловых и электродинамических воздействий токов к.з. на электроустановку (особенно на кабельные линии). Значения ожидаемых токов к.з. на этом уровне также высоки, поэтому часто применяются токоограничивающие выключатели. Выключатели в литом корпусе на токи до 250 А могут быть оснащены тепловыми и электромагнитными расцепителями с регулируемыми уставками тока и времени срабатывания. Но в исполнениях на токи более 250А включать расцепители непосредственно в контролируемую сеть довольно сложно, потому выключатель оснащают специальными расцепителями, в которых используется микропроцессорная электронная техноло132 гия. Электропитание таких расцепителей, необходимое для работы, осуществляется через трансформаторы тока, входящие в конструкцию выключателя. Разными производителями созданы различные конструкции контактных систем выключателей в литом корпусе, эффективно снижающих тепловые и электродинамические воздействия на проводники и устройства. Токоограничение достигается путем отталкивания подвижной части контакта от неподвижной с силой, пропорциональной квадрату тока, что позволяет отключать ток к.з. раньше, чем он достигнет своего ожидаемого установившегося значения. Эффект отброса подвижного контакта может быть усилен применением контактов U-образной формы (рис. 4.12) с ферромагнитной вставкой. После отброса контакта возникающая при этом электрическая дуга оказывается в магнитном поле. Рис. 4.12. Пример исполнения U-образного контакта: 1, 2 - неподвижный и подвижный контакты; 3 - ферромагнитная вставка Электромагнитная сила, действующая в этом поле на дугу, перемещает ее вверх, где обыкновенно и располагается дугогасительная камера. Дуга как бы «выдувается» в камеру, и такую систему воздействия на нее называют магнитным дутьем. Автоматические выключатели типа А3700 и ВА50 АВ в литом корпусе данного типа обычно применяются в точках схемы электроснабжения 2, 3, 4 (см. рис. 4.2): автоматы типа ВА50 на ток 630 А, 1000 А, 1500 А; автоматы типа А3700 на токи от 160 А (расцепители от 16 А) до 630 А. В зависимости от типоисполнения они комплектуются или комбинированными расцепителями (тепловой и электромагнитный, или полупроводниковый и электромагнитный для токоограничивающих АВ), или полупроводниковыми расцепителями для селективных АВ. 133 4.3.3. Сильноточные воздушные автоматические выключатели в изолированном корпусе Наиболее важной частью сети низкого напряжения до 1000В являются вводные распределительные устройства. Для таких электроустановок можно отметить следующие отличительные особенности: а) наличие высоких требований к бесперебойности электроснабжения, поскольку ложное срабатывание аппарата на этом уровне приводит к отключению большого числа потребителей; б) относительно высокие значения токов к.з. в силу близости к источнику питания; в) большие номинальные токи, так как вся нагрузка нижерасположенной сети питается от секций вводного устройства. В качестве вводных аппаратов на этом уровне наиболее часто применяются автоматические выключатели в изолированном корпусе (ICCB). Автоматические выключатели в изолированном корпусе оснащаются электронными микропроцессорными расцепителями или блоками контроля и управления. Эти микропроцессорные блоки контроля и управления позволяют не только вырабатывать сигналы на отключение, но и производить измерения различных параметров сети. Осуществлять прямые измерения токов и напряжений при столь высоком их уровне практически невозможно, поэтому блоки управления подключают к трансформаторам тока, встроенным в выключатель. Широкий диапазон регулировок уставок по току и времени срабатывания микропроцессорных расцепителей позволяет успешно реализовывать селективную работу с нижестоящими выключателями. В сильноточных выключателях с микропроцессорным управлением штатными являются не только защита от сверхтоков, но и защита от однофазных к.з. и токов утечки на землю, которые могут быть причиной пожаров электроустановок. Эти аппараты могут реализовывать и дополнительные функции, обеспечивающие реакцию практически на любые аварийные режимы и нештатные ситуации, которые могут произойти в электроустановке. К таким дополнительным функциям относятся, например, управление отключением неприоритетных потребителей при избыточном сверхнормативном потреблении энергии, контроль отклонения напряжений, контроль коэффициента мощности и качества электроэнергии. Микропроцессорные блоки управления позволяют сохранять историю аварийных отключений и передавать данные о состоянии автоматического выключателя в локальные информационные сети, а также управлять выключателем по сети передачи данных непосредственно от компьютера диспетчерского пункта предприятия. 134 Одной из важнейших особенностей выключателей для больших токов является использование пружинных приводов включения. Для включения такого выключателя предварительно должна быть запасена энергия во включающей пружине, т.е. пружина должна быть «взведена». Операция взведения включающей пружины осуществляется обычно мотор-редуктором или с помощью специального механизма ручной «накачки». При таком способе управления автоматическим выключателем его включение и отключение производится нажатием соответствующих кнопок, а положение главных контактов выключателя отображается специальными механическими индикаторами. Наличие таких индикаторов обязательно для того, чтобы было обеспечено гарантированное отключение, реализующее функцию разъединения. Рассмотрим некоторые АВ данного типа, которые обычно применяются в точках схемы электроснабжения 1, 2, 3 (см. рис. 4.2) при токах от 400 А (расцепитель от 120 А) до 2000 А – АВМ; от 1000 А (расцепитель от 640 А) до 6300 А - "Электрон", "Протон". С техническими характеристиками данных АВ ознакомиться на интернет-сайтах производителей. Основные узлы конструкции изучить по образцам, установленным в лаборатории и приведенным ниже описаниям. Автоматический выключатель типа АВМ Автомат типа АВМ-4 изображен на рис. 4.13 (две дугогасительные камеры сняты). Включение АВ можно произвести вручную рукояткой 9 или дистанционно с помощью электродвигательного привода 10. Отключение осуществляется с помощью ручного привода или независимого расцепителя, а также от защит: минимального напряжения (при снижении напряжения в сети), максимально-токовой защиты (МТЗ), которая посредством электромагнитного расцепителя воздействует через кулачки на отключающий валик (7), освобождающий защелку МСР (20) (у селективных АВ - воздействие осуществляется через механический замедлитель расцепления). Размыкание контактной системы осуществляется под действием отключающей пружины (19) после того как МСР освободит главный вал (6). Контактная система автомата выполнена сдвоенной, что позволяет устранить разрушающее воздействие электрической дуги на поверхность главных (рабочих) контактов. Дуга, возникающая на разрывных (дугогасительных) контактах, загоняется в дугогасительную камеру под действием электродинамических сил, возникающих внутри витка, образованного токоведущими частями выключателя. 135 Рис. 4.13. Конструкция автоматического воздушного выключателя типа АВМ-4 1 – изоляционная плита 2 – главные контакты; 3 – дугогасительные контакты; 4 – контактные пружины; 5 – дугогасительная система (камера с дугогасительной и пламягасительной решетками и контакты); 6 – главный вал; 7 – отключающий валик с кулачками; 8 – механизм свободного расцепления (МСР); 9 – рукоятка ручного привода; 10 – электродвигатель включения; 11 – якорь электромагнитного расцепителя; 12 – часовой механизм электромагнитного расцепителя, действующий при токах перегрузки; 13, 14, 15 – шкалы уставок выдержки времени при перегрузке, тока срабатывания при перегрузке, тока срабатывания при к.з. соответственно; 16 – место установки механического замедлителя расцепления; 17 – место установки независимого расцепителя; 18 – клеммник; 19 – отключающие пружины (за клеммником 18); 20 – защелка (планка) МСР; 21 – алюминиевые шины. 136 Автоматический выключатель типа "Электрон" Существует два типа базовых конструкций: первая на номинальный ток до 1000 А - выключатель Э06; вторая на токи до 6300 А - Э16, Э25, Э40. Обе модификации собираются из отдельных конструктивных сборочных единиц. Автомат Э25 изображен на рис. 4.14. Контактная группа выключателя типа Э06 выполнена одноступенчатой с перекатывающимися контактами. У выключателей второй модификации имеются две группы контактов – главные и дугогасительные. В верхней части дугогасительных устройств установлены пламягасительные решетки. Механизм управления совместно с механизмом свободного расцепления служит для включения АВ за счёт энергии накопленной спиральной пружиной, удержания контактной системы в замкнутом состоянии и обеспечения свободного расцепления (отключения), при срабатывании расцепителей. Спиральная пружина помещается в барабане 3а, завод пружины осуществляется от электродвигателя 3б (М) через редуктор 3в или вручную при помощи съемной рукоятки, вставляемой в отверстие 3д. Включение осуществляется путем выдергивания защелки включающей пружины. Эта операция может быть выполнена вручную с помощью съемной рукоятки, устанавливаемой в отверстие 3ж или кнопкой «Вкл» (SB), тогда на защелку воздействует электромагнит включения YAON, 3к на рис. 4.14. Схема управления автоматом приведена на рис. 4.15. После включения автомата замыкаются контакты конечного выключателя 3г (SQ) и электродвигатель вновь заводит пружину 3а в течение 6 10 с; т.е. автомат подготавливается к следующему включению. Отключение осуществляется через механизм свободного расцепления при повороте отключающего валика 3з вручную – механической кнопкой «Откл» или дистанционно – подачей напряжения на независимый расцепитель 6. При перегрузке или к.з. на отключающий валик воздействует катушка электромагнита отключения (ЭО). Размыкание контактов происходит под действием отключающих пружин. Штепсельный разъем 8 (X1) служит для соединения с внешними цепями управления и сигнализации. Блок-схема автомата представлена на рис. 4.16 и состоит из главных контактов (ГК), связанных через механизм свободного расцепления (МСР) с механизмом управления. В механизм управления входят: спиральная пружина (СП), которая заводится электродвигателем (М) через редуктор (Р); электромагнит включения (ЭВ) с кнопкой «Вкл»; механически связанные с МСР кнопка «Откл», расцепитель минимального напряжения (РМН) и электромагнит отключения (ЭО). 137 Отключение выключателя при возникновении аварийных режимов в сети происходит при помощи полупроводникового реле максимального тока (РМT), которое подключается к трансформаторам тока (ТA). Они обеспечивают его питание и действие ЭO от блока питания (БП). 9 10 2 1 8 3г 5 3з 6 3б 3а 3д 4 3в 3к 3ж 0,8-1-1,25- 4- 3, 5, 7 10, 0,25 0,45 0,7 PW1 g1-g2 7а 7б 7в 7г Рис. 4.14. Конструкция автоматического воздушного выключателя типа «Электрон» 1 – контактные группы; 2 – дугогасительные устройства; 3 – механизм управления контактами вспомогательных цепей; 4 – контакты вспомогательных цепей; 5 – отключающая катушка расцепителя минимального напряжения; 6 – расцепитель минимального напряжения, 7 – полупроводниковое реле максимального тока; 8 – штепсельный разъем; 9 – втычные контакты (только для АВ выдвижного исполнения) 138 Рис. 4.15. Схема управления автоматическим воздушным выключателем типа «Электрон»: SB – кнопка управления «Вкл»; YAON – электромагнит включения; SQ – конечный выключатель; M – электродвигатель завода пружин; XI – штепсельный разъем Информация о величине протекающего в защищаемой цепи тока I поступает через блок измерений (БИ) к полупроводниковым реле перегрузки и к.з. (РП) и (РКЗ). При увеличении тока (до IСП или IСО) то или иное реле дает сигнал на работу блока управления, который дает импульс на открывание выходного тиристора VS. При этом от блока питания БП организуется электрическая цепь через электромагнит отключения ЭО, что приводит к «выбиванию» защелки механизма свободного расцепления МСР и освобождению энергии сжатой отключающей пружины, что приводит к отключению автомата, т.е. размыканию его главных контактов. Отключение может произойти и с помощью реле минимального напряжения РМН, если по каким-либо причинам снизится напряжение в сети. У автоматических выключателей этого типа обеспечивается широкий диапазон регулировки времятоковой защитной характеристики. На лицевую панель реле максимального тока выведены ручки (см. рис. 4.14, 4.16): 7а – установка номинального тока расцепителя IНР в пределах (0,8 ÷ 1,25)IНБ, где IНБ – номинальный базовый ток РМТ. Реле перегрузки дает команду на БУ при токе 1,25IНР через 120 - 400 с (в зависимости от величины уставки выдержки времени РП в зоне токов шестикратной перегрузки, см. рис. 4.22); 7б – регулировка уставки выдержки времени РП в зоне токов шестикратной перегрузки (6IНР) в пределах 4, 8, 16 с; 7в – регулировка уставки тока РКЗ в пределах (3, 5, 7, 10)IНР, 7г – регулировка уставки времени срабатывания РКЗ в зоне токов к.з. в пределах 0,25; 0,45; 0,7 с. 139 Слева от ручек расположена панель, на которую выведены контрольные точки 0 – 4, используемые во время проверок РМТ, и два штепсельных переключателя S1 и S2, позволяющие видоизменять времятоковые характеристики выключателя. Рис. 4.16. Блок - схема автоматического выключателя типа «Электрон» 4.4. Координация автоматических выключателей. Селективность и каскадное включение Термин «координация» определяет и характеризует поведение двух и более последовательно расположенных защитных аппаратов, например, автоматических выключателей при аварийных режимах в электрической сети. Селективность (избирательность) заключается в обеспечении такой координации времятоковых характеристик последовательно расположенных выключателей, чтобы в случае повреждения отключался только выключатель, наиболее близкий к повреждению. Различают полную и частичную селективность: • в случае полной селективности при значении тока к.з. в линии потребителя меньшего или равного максимальному значению тока к.з. в точке А (рис. 4.17) срабатывает только автоматический выключатель QF2 • частичная селективность: при токе к.з. в линии потребителя ниже определенного значения срабатывает только автоматический выключатель QF2, при токе к.з. в линии потребителя, равном или выше этого определенного значения, срабатывают автоматические выключатели QF1 и QF2. 140 Рис. 4.17. Каскадное включение двух автоматических выключателей: QF1 - вышестоящий выключатель; QF2 - нижестоящий выключатель; А – место к.з. Для пары последовательно стоящих в одной сети выключателей существует понятие предельного тока селективности Is (рис. 4.18). Если возникший в сети ток к.з. меньше тока Is, то срабатывает только нижний выключатель QF2. В случае возникновения в сети тока к.з. большего Is возможно одновременное срабатывание обоих выключателя QF1 и QF2. Рис. 4.18. Соотношение токов при частичной селективности: Ir,QF2 - уставка защиты от перегрузок нижестоящего выключателя; Is -предельный ток селективности, Iк.з., max –максимальный ток к.з. при аварии непосредственно на выводах отходящей линии нижестоящего выключателя QF2. Как правило, предельный ток селективности определяется нижней границей уставки мгновенного срабатывания верхнего выключателя QF1 (Im,QF1 на рис. 4.19 а). Существуют следующие типы селективности: по току и времени, логическая и энергетическая селективность. Селективность по току (рис. 4.19, а) основывается на выборе автоматических выключателей, имеющих различные уставки тока срабатывания (автоматические выключатели на стороне питания имеют более высокие уставки). Этот тип селективности чаще используется на уровне конечных потребителей. У выключателей, выпускаемых разными производителями, минимальное соотношение уставок по току срабатывания различно, но приблизительно оно должно быть не менее 2. 141 Рис. 4.19. Селективность по току (а); селективность по времени (б) Селективность по времени (рис. 4.19, б) достигается путем выбора выключателей с преднамеренной задержкой времени срабатывания Δt (выключатель, ближайший к источнику питания QF1 имеет большее время срабатывания). Селективность по времени требует задержки не менее 100 мс (0,1с) по отношению ко времени срабатывания автоматического выключателя на стороне нагрузки. Для обеспечения временной селективности (также как и при токовой селективности) выключатели должны иметь разные токовые уставки защиты от перегрузки. Соотношение между этими уставками срабатывания выключателей на стороне питания и на стороне нагрузки должно быть не менее 1,5. Применение токоограничивающих выключателей позволяет изменять предел селективности, т.е. улучшать токовую и временную селективность. Если нижний выключатель QF2 выбран токоограничивающим, то возникший ток повреждения Iк.з., который будет протекать через выключатель QF1, ограничивается выключателем QF2. Короткое замыкание может возникнуть на любом участке электроустановки, в том числе и на участках между выключателями (вне зоны пересечения ответственности выключателей). Но токи к.з. на входе и выходе выключателя QF2 (рис. 4.20) могут быть практически одинаковыми, поэтому необходимо «сообщать» вышестоящему выключателю QF1, что QF2 не в состоянии отключить возникшее к.з. Такой принцип передачи информации по контрольному проводу от нижнего выключателя верхнему носит название логической селективности. Контрольный провод соединяет последовательно расположенные выключатели. В аварийном режиме выключатель, расположенный выше повреждения, обнаруживает его и посылает сигнал блокировки мгновенного срабатывания на верхний уровень, т.е. вышестоящему выключателю. В этом случае вышестоящий аппарат будет работать с заданной блоком 142 управления выдержкой времени. Если вышестоящий автоматический выключатель не получает сигнал блокировки, он срабатывает мгновенно. Рис. 4.20. Логическая селективность Логическая селективность может быть реализована даже на выключателях с близкими номинальными токами, но эти выключатели должны иметь специальные электронные расцепители. При защите от больших токов к.з. используется принцип энергетической селективности (рис. 4.21), при котором сравниваются кривые «энергии» I2t=f(Iк.з.) срабатывания аппарата QF2 и несрабатывания аппарата QF1. При возникновении большого тока к.з. контакты выключателей QF1 и QF2 начинают размыкаться, ограничивая ток. Нижестоящий автоматический выключатель QF2 имеет меньший номинальный ток и более эффективное токоограничение. Он отключает цепь к.з. и ограничивает ток таким образом, что «энергия» будет недостаточна для отключения вышестоящего аппарата QFl. Каскадное включение («резервная защита») позволяет использовать устройства защиты с отключающей способностью ниже, чем расчетный ток к.з. в точке его установки, при условии, что имеется другое устройство защиты с необходимой отключающей способностью на стороне питания. Принцип заключается в установке верхнего автоматического выключателя QF1 с целью «оказания помощи» нижнему выключателю QF2 при отключении токов к.з., которые превышают его предельную наибольшую отключающую способность Icu Наглядно отобразить этот принцип можно при помощи кривых «энергии» I2t выключателей (см. рис. 4.21). В процессе токоограничения участвует не только нижестоящий аппарат QF2, но и вышестоящий аппарат QF1. Однако, несмотря на отталкивание контактов отключение аппарата QF1 не происходит, так как кривая «несрабатывания» проходит выше кривой «отталкивания контактов». Таким образом, одновременно решаются две задачи: во-первых обеспечивается очень эффективное токоограничение, позволяющее значи143 тельно улучшить условия термической и динамической стойкости кабельных линий, шин и т.д.; во-вторых, надежно обеспечивается селективность с нижестоящими аппаратами как при токах Icu,QF1 и Icu,QF2 больших ожидаемого тока к.з., так и при использовании «каскадного соединения», когда Icu,QF2 меньше ожидаемого тока к.з. Каскадное соединение позволяет в полной мере использовать преимущества токоограничения, снижая отрицательные воздействия токов к.з. (электромагнитные, электродинамические и тепловые). Установка одного токоограничивающего выключателя дает возможность значительно упростить нижерасположенную сеть следовательно, снизить ее стоимость за счет использования выключателей с меньшей отключающей способностью по отношению к ожидаемому току к.з. Рис. 4.21. Кривые «энергии» выключателей: а – несрабатывание QF1; б – отталкивание контактов QF2 Селективность и каскадное включение могут быть гарантированы только производителем, который указывает результаты испытаний в специальных таблицах. Задания по теме 4 1. Выполнить пункты задания к экспериментальной части 2. Выполнить индивидуальные задания (выполняется в рамках курсовой работы) Задание к экспериментальной части Испытание автоматических выключателей 1) Выполнить лабораторные испытания по заданной программе: изучить технические характеристики выключателей различных производителей, установленных на стендах: а) модульные выключате144 2) 3) 4) ли– «ABB», «LEGRAND», «DEKraft», «ТДМ», «EKF», «IEK», «MOELLER», «MERLIN GERIN», «EATON», б) в литом корпусе А3794С, А3716Ф, ВА50; в) в изолированном корпусе - Э25, Э06, АВМ-4, «LEGRAND». с помощью ручного привода осуществить включение и отключение указанных выключателей. изучить технические (паспортные) характеристики автоматического выключателя заданного преподавателем для лабораторных испытаний. Графически изобразить упрощенную времятоковую (защитную) характеристику выключателя на основе его паспортных данных. Ось абсцисс построить в относительных и именованных единицах (две оси, расположенные одна под другой). на лабораторном стенде снять три точки защитной характеристики выключателя: две в зависимой от тока области защитной характеристики, третью - в независимой от тока области защитной характеристики., сравнить экспериментальные данные с паспортными. Методические указания по выполнению экспериментальной части (п. 3, 4 задания) 1. Подготовить заготовки таблиц испытаний установленного образца (см. таблицы 4.2, 4.3). 2. Согласовать с преподавателем тип выключателя и уставку тока, выставить ее на выключателе и занести ее численное значение в таблицу. 3. Изобразить принципиальную электрическую схему автоматического выключателя. 4. Заполнить поля таблицы значениями паспортных характеристик и построить защитную характеристику с осями координат в именованных единицах на бланке карты селективности. Таблица 4.2 Паспортные технические характеристики выключателя типа______________ Наименование Номинальные величины Напряжение, Ток, А В Силовая цепь Расцепители 145 Примечание Таблица 4.3 Результаты испытания выключателя типа ___________________________ Наименование режима испытания Однополюсный режим Значения величин Уставка № тока, А опыта 1 2 3 U, В I, А t, с Примечание Построение паспортной защитной характеристики для выключателя с заданным номинальным током расцепителя следует начинать с представления оси абсцисс в именованных единицах. Значение тока определяется в именованных единицах по формуле: I = К × I НР , (4.1) где К – кратность тока срабатывания расцепителя, обычно используется натуральный ряд чисел, взятый с паспортной характеристики, о.е.; Iнр – номинальный ток теплового расцепителя, А. Практически на паспортной характеристике подрисовывается еще одна ось абсцисс и на ней осуществляется преобразование кратностей в именованные единицы тока. Ось ординат (времени срабатывания) остается без изменений. Далее характеристика переносится на бланк карты селективности, где оси координат всегда представляются только в именованных единицах. 5. Изобразить электрическую принципиальную схему испытания на основе схемы стенда №1 (рис. 2.7) и обшей принципиальной схемы испытаний (рис. 3.9). Силовая цепь: один полюс контактов силовой цепи включить во вторичную цепь понижающего трансформатора T2 к клеммам X17, X18; амперметр включить последовательно, присоединив к клеммам X15, X16 (в случае использования токоизмерительных клещей клеммы соединить перемычкой). Цепи управления и измерения времени срабатывания: подключить второй полюс испытуемого выключателя в цепь катушки реле управления KC к клеммам X1, X2; подключить третий полюс испытуемого выключателя в цепь сигнальной лампы HL2 к клеммам X6, X7; электромеханический секундомер подключить параллельно катушке KC; соединить перемычкой клеммы X8, X9. 6. Согласовать (подписать) принципиальную электрическую схему испытаний и формы таблиц для записи экспериментальных и расчетных данных с преподавателем. 7. Собрать на лабораторном стенде принципиальную электрическую схему испытаний. 146 8. Проведение испытаний при заданной уставке тока выключателя при однополюсной нагрузке расцепителей. Операция 1: Включить пакетный переключатель (разъединитель) Q. Автоматический выключатель QF расположен внутри стенда и находится во включенном положении. Результат: Загорится лампа HL1, сигнализирующая о наличии напряжения на элементах стенда. Операция 2: Повернуть ручку лабораторного автотрансформатора T1 по часовой стрелке до упора, при этом по вольтметру зафиксируется максимальное напряжение, которое можно получить в данной схеме. Занести значение напряжения в таблицу. Нажать кнопку SBON «Пуск». Результат: Катушка реле управления KC получит питание (под действием фазного напряжения сети по катушке потечет ток) и своими контактами замкнет следующие электрические цепи: «самоподхват» катушки (KC.1), после этого кнопку SBON можно отпустить; цепь питания первичной обмотки понижающего трансформатора Т2 и во вторичной цепи начнет протекать ток через расцепители выключателя. Следует занести значение тока в таблицу. Также получит питание двигатель электросекундомера и начнется отсчет времени протекания тока. После срабатывания выключателя, он разомкнет свой контакт во вторичной цепи трансформатора T2, в цепи катушки KC и электросекундомера (двигатель электросекундомера остановится). Следует занести значение времени в таблицу. Одновременно реле управления KC разомкнет свой контакт в цепи питания первичной обмотки T2 и устраняется работа T2 на холостом ходу. При больших значениях напряжения величина тока будет так велика, что мгновенно сработает (за время менее 0,1с) электромагнитный расцепитель выключателя, поэтому значение тока и времени зафиксировать на приборах невозможно и следует просто отметить результат мгновенного отключения в таблице испытаний записью - «сработал электромагнитный расцепитель». Повторить результаты опыта при меньших значениях напряжения, когда будет срабатывать тепловой расцепитель. Провести 2-3 опыта, результаты занести в таблицу. Полученные экспериментальные точки нанести на поле паспортной защитной характеристики, соединить утолщенной пунктирной линией и подписать. 9. Проведение испытаний при заданной уставке тока реле при двухполюсной нагрузке расцепителей. Аналогично провести 2-3 испытания. Следует иметь в виду, что при двухполюсной и трехполюсной нагрузке расцепителей сопротивление во вторичной цепи T2 будет больше, поэтому даже при максимальном напряжении невозможно будет достичь тока срабатывания электромаг- 147 нитных расцепителей. В этом случае ток будет достаточен только для испытания тепловых расцепителей. 10. Проведение испытаний при другой уставке тока (по заданию преподавателя для образцов, где возможна регулировка тока). Провести испытания аналогично п.7, 8. Отличия в сборке схемы испытания выключателей на других лабораторных стендах 1. 2. 3. Силовые цепи полюса выключателя присоединить к зажимам X12, X13. Переключатель S9 установить в положение «300А». Второй полюс выключателя включить в цепь секундомера, к зажимам X10, X11. Операцию включения и отключения осуществлять выключателем Q1. После срабатывания испытуемого выключателя он разорвет своими контактами цепь нагрузки и цепь электромеханического секундомера. Стенд №3 1. 2. Изобразить функциональную схему испытания, приведенную в описании к лабораторной работе на стенде и на ее основе составить принципиальную электрическую схему испытаний. Собрать схему и выполнить работу согласно заданию, приведенному в приложении 5. Содержание отчета по экспериментальной части Отчет выполняется индивидуально каждым студентом и должен содержать описание цели лабораторной работы, электрическую схему для снятия времятоковой защитной характеристики, таблицы результатов испытаний и расчетов, паспортную защитную характеристику исследуемого выключателя с нанесенными на поле графика экспериментальными точками, выводы после выполнения каждого пункта задания. Индивидуальное задание 1. Задание по теме «автоматические выключатели с комбинированным расцепителем» 1. Обеспечить защиту трехфазных асинхронных электродвигателей 148 (АД) от к.з. и перегрузки при помощи автоматических выключателей различной величины: для АД-1 выбрать автоматический выключатель типа ВА-101 или ВА-201; для АД-2 выбрать выключатель типа ВА-300 или ВА310. Допускается выбрать АВ других производителей. Исходные данные параметров нагрузки приведены в табл. 4.4. 2. Построить защитные характеристики выбранных выключателей. Использовать времятоковые характеристики типа С для ВА-101 и ВА-201, а характеристики типа D - для ВА-300, ВА-310. 3. Нанести на один бланк карты селективности: 1) защитные характеристики тепловых реле для защиты от перегрузки электродвигателя (выбраны по индивидуальному заданию Темы 3); 2) защитные характеристики автоматических выключателей построенные в п.3. 4. Подписать характеристики по образцу: ВА101(201)(301)(310), Iнр; РТ-01, диапазон регулировки тока. Сделать вывод о том, какой вид расцепителя обеспечивает ту или иную область характеристики. 5. Проверить очередность срабатывания защит в области перегрузок и в области к.з. для теплового реле и автоматического выключателя. Сделать вывод о том, какой аппарат обеспечивает защиту в той или иной области токов. 6. По заданию преподавателя выбрать в качестве аппаратов защиты от токов к.з. плавкие предохранители и обеспечить программу проверок, предусмотренных в пунктах 2-5. Таблица 4.4 Исходные данные для выбора автоматических выключателей по вариантам Значение параметров нагрузки для первой цифры варианта Наименование параметров 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Номинальн. напряжение, В 380 Коэф. мощности, о.е. 0,7 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,8 Значение параметров нагрузки для второй цифры варианта Наименование параметров 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Мощность АД-1, кВт; 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11 15 18,5 Кратность пускового тока 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 Мощность АД-2, кВт; 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 110 Кратность пускового тока 6 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,3 7,4 7.5 149 Методические указания к индивидуальному заданию 1 1. К п.1. Рассчитать ток электродвигателя заданной мощности по формуле активной мощности трехфазной цепи. Выбрать номинальный ток расцепителя (теплового и электромагнитного) автоматического выключателя (IНР) таким образом, чтобы он был не менее (т.е. больше или равен) расчетного тока электродвигателя (IНР> IНД). Используя техническое описание, приведенное в Каталоге электрооборудования DEKraft или другого производителя выбрать выключатели и выписать их технические характеристики. Важейшей характеристикой выключателя является его защитная характеристика – зависимость времени срабатывания от величины тока, протекающего через выключатель. 2. К п.2. Ось абсцисс в паспортных защитных характеристиках градуированы в кратностях к номинальному току расцепителя (К = I / IНР). Чтобы перенести эти характеристики на карту селективности, следует переградуировать ось абсцисс из относительных единиц в именованные единицы электрического тока (Амперы). Перерисовать времятоковые характеристики выбранных автоматических выключателей. Для выбранного тока расцепителя подрисовать дополнительную ось абсцисс в именованных единицах, используя формулу (4.1) – I=K·IНР. В случае отсутствия, каких либо характеристик можно воспользоваться опорными точками построения характеристики для АВ типа АЕ-20 (для холодного состояния): для кратности тока (К) более 12 время срабатывания составляет 0,02с в области характеристики, где время не зависит от тока, и 1,8с - в области характеристики, где время зависит от тока; для кратности тока 7, время – 5с; для кратности тока 1,25, время – 1000с; для кратности тока 1, время стремится к бесконечности. 3. К п.3. Нарисованные защитные характеристики (тепловых реле и автоматических выключателей) перенести на специальный бланк, который получил название «Карта селективности» (см. [4, рис. 5.3]), при этом следует использовать только именованные значения тока по оси абсцисс. 4. К п.4. Характеристики не следует подписывать полным паспортным обозначением, т.к. это загромождает площадь бланка. Достаточно указать на свободном поле графика тип и номинальный ток расцепления. Пример: ВА101, 6А; РТ-01; 0,24-0,36. Пунктирной линией восстановить перпендикуляры: а) из значения номинального тока АД (IНД) до верхней границы бланка, б) из значения пускового тока АД (IП) до пунктирной горизонтали идущей от оси ординат из значения 1с, в) из значения номинального тока теплового расцепителя автоматического выключателя (IНР) до верхней границы карты, г) из значе150 ния тока уставки срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя (IСО) до правой вертикали тока характеристик типа C и D вертикали срабатывания расцепителя, д) из значения тока плавкой вставки предохранителя (IВ) до верхней границы карты. Обозначения указанных токов подписать на оси абсцисс под пунктирными линиями, численные значения – разместить на свободном поле карты в порядке возрастания величин (IНД , IНР, IВ, IП, IСО). 5. К п.5. Для оценки селективности действия защит необходимо восстановить два перпендикуляра от оси тока: один в зоне действия теплового расцепителя АВ, другой – в зоне действия электромагнитного расцепителя. Далее необходимо проверить, чтобы в зоне защиты от перегрузки АД раньше срабатывало тепловое реле и посредством контактора отключало АД от сети. Если создается неопределенная ситуация, то следует выбрать для АВ большее значение номинального тока расцепителя. При к.з. в сети отключение должен производить только АВ (предохранитель), так как при этом происходит защита не только АД и кабельной линии, но и контактора, теплового реле, трансформаторов тока, т.е электрических аппаратов, которые также включены в контур протекания тока к.з. Сделать вывод о первоочередности срабатывания защит тепловых реле или автоматических выключателей (предохранителей) в каждой области аварийных токов (перегрузки и к.з.). 6. К п.6. Для выбора предохранителей и построения защитных характеристик использовать информацию, приведенную в [5, Приложение 1]. Для расчета тока плавкой вставки использовать формулу: IВ ³ IП 2,5 , где IB – номинальный ток плавкой вставки предохранителя, А; IП – пусковой ток электродвигателя, А. Времятоковую характеристику нанести на тот же бланк селективности и проверить ее способность осуществлять защиту от токов к.з. 2. Задание по теме «автоматические выключатели с микропроцессорным (полупроводниковым, электронным) расцепителем» 1. Изучить техническое описание автоматических выключателей типа ВА50 с микропроцессорным максимальным расцепителем тока (МРТ). 2. Построить область возможных время-токовых (защитных) характеристик автоматического выключателя типа ВА55-41 для номинального 151 тока выключателя IНВ=1000А на бланке карты селективности. Подписать две граничные характеристики по образцу. 3. Построить защитную характеристику выключателя типа ВА55-41 по заданным уставкам тока и времени МРТ согласно таблицы 4.5. Характеристику подписать по образцу. ВАХХ - XX, I НВ I СП , I 6 /t6 I НР I СЗ1 , I CO / tCO Таким образом, следует подписать три характеристики: две граничные и характеристику с заданными по варианту уставками тока и времени,. 4. Построить кривую «энергии» I2t=f(I) срабатывания автоматического выключателя используя времятоковую характеристику с заданными по варианту уставками тока и времени. Таблица 4.5 Значение уставок тока и времени по вариантам Наименование уставок тока и времени МРТ IНР/IНВ Наименование уставок тока и времени МРТ IСО / IНР t6, С tСО, С Iсз1 / IНР Значение уставки тока МРТ для номера соответствующего первой цифре заданного варианта I 2 3 4 5 6 7 8 9 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Значения уставок тока и времени МРТ для номера соответствующего второй цифре заданного варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 5 7 2 3 5 7 2 3 4 8 12 16 4 8 12 16 4 8 мгн. 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 0,4 0,6 0,8 1 0,4 0,6 Методические указания к индивидуальному заданию 2 1. К п.1. Выключатели автоматические серии BA-50 предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при к.з., перегрузках и недопустимых снижениях напряжения, а также для нечастых (до 6 в час) оперативных включений и отключений электрических цепей и рассчитаны для эксплуатации в электроустановках с номинальным напряжением до 440 В постоянного тока, до 660 В переменного тока частоты 50 и 60 Гц. Допускается использовать выключатели для нечастых прямых пусков асинхронных электродвигателей. Структура условного обозначения: BA5X1 – ХХ2 – ХХ3XХ4X5Х6 – 20Х73 152 ВА - выключатель автоматический; 5X1 - номер серии (51 - с тепловыми и электромагнитными расцепителями, 52 - тоже, но с повышенной коммутационной способностью; 53 - с полупроводниковыми расцепителями, токоограничивающие; 55 - с полупроводниковыми расцепителями, с выдержкой времени в зоне токов к.з., селективные; 56 - без максимальных расцепителей тока); XX2 - 39 - на номинальный ток 630 А, 41 - на номинальный ток 1000 А, 43 - на номинальный ток 1600 А; ХХ3 - число полюсов и количество максимальных расцепителей тока в комбинации с исполнением максимальных расцепителей тока по зоне защиты (3Х - 3 полюса с расцепителями тока в 3-х полюсном конструктивном исполнении выключателя; 3(8)3 - расцепитель в зоне токов к.з., 3(8)4 - расцепитель в зоне токов перегрузки и к.з., 3(8)5 -расцепитель в зонах перегрузки и к.з. с выдержкой времени только для ВА55; 3(8)8 - расцепитель в зонах токов к.з., для защиты от однофазных замыканий для ВА53, 3(8)9 - расцепитель в зоне токов к.з. с выдержкой времени, для защиты от однофазных замыканий; XX4 - исполнение по дополнительным расцепителям и вспомогательным контактам (количество замыкающихся и размыкающихся вспомогательных контактов; наличие независимого расцепителя, нулевого (отключение при (0,35 ÷ 0,1) ∙UН)и минимального (отключение при (0,70 ÷ 0,35) ∙UН ) расцепителя напряжения; Х5 - вид привода и способ установки выключателя (1 - ручной привод, стационарное исполнение, 3 – электромагнитный привод, стационарное исполнение; 5 - ручной дистанционный привод, выдвижное исполнение, 7 - электромагнитный привод, выдвижное исполнение); X6 - исполнение по дополнительным механизмам (0 - отсутствуют; 5 - механизм для оперирования через дверь распределительного устройства выключателем стационарного исполнения с ручным приводом; 6 - устройство для блокировки положений "включено" и "отключено"); 20 - степень защиты выключателя по ГОСТ 15150-69, IP - 20, выводов - IP-00; Х3 - климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70 (У, УХЛ, Т) и категория размещения 3. Выключатели с комбинированными тепловыми и электромагнитными расцепителями допускают повторное включение после отключения 153 токов перегрузки через время не более 3 мин, токов к.з. - не более 2 мин. Выключатели не срабатывают в течение времени менее 2 ч при начале отсчета с холодного состояния при токе 1,05∙IНР и срабатывают при токе 1,25∙IНР менее 2 ч при начале отсчета с нагретого , состояния (током 1,05∙IНР в течении 2 ч). Выключатели с полупроводниковыми максимальными расцепителями токa в условиях эксплуатации допускают ступенчатую регулировку следующих параметров: номинального тока расцепителя (IНР), уставки по току срабатывания в зоне токов к.з. (IСО), уставки по времени срабатывания в зоне токов перегрузки при 6∙IНР для переменного тока (t6 ) и 5 ∙IНР для постоянного тока, уставки по времени срабатывания в зоне токов к.з. (tСО). Уставки по току и времени срабатывания приведены в таблице. Отклонения фактических значений тока и времени выключателей с полупроводниковыми расцепителями тока, не превышают 20% от установленных. Времятоковые характеристики выключателей приведены на рис.4.22, 4.23. Таблица 4.6 Технические характеристики выключателей с микропроцессорным расцепителем Тип IНВ,А IСО/ IНР IС.МГН, кА (3ступень) ПКС, кА* 47.5 55 135 135 87 100 150 32/5 47.5 55 80 60 70 ОПКС, кА* 53 60 140 140 ¾ ¾ 160 38 53 60 85 65 75 ВА53-37 160,250,400 2,3,5, 7,10** ВА53-39 160,250,400,630 ВА53-41 1000 2,3,5,7** ВА53-43 1600 2.5;4;6.3;7 ВА54-37 160,250,400 2,3,5, 7,10** ВА54-39 400,500,630 ВА54-41 1000 2,3,5,7** ВА55-37 160,250,400 2,3,5, 7,10 ВА55-39 160,250,400,630 20 ВА55-41 1000 ВА55-43 1600 2,3,5,7 ВА75-45 2500 30 ВА75-47 2500,4000 2,3,5 Примечания: 1) * - действующее значение тока; 2) ** - ток срабатывания электромагнитного расцепителя равен 120% наибольшей уставки тока отсечки полупроводникового расцепителя; 3) Для всех модификаций выключателя серии ВА общими являются следующие уставки тока и времени: 154 - кратность уставки номинального тока расцепителя (IНР) по отношению к номинальному току выключателя (номинальному базовому току расцепителя) (IНВ) регулируется в следующем диапазоне - IНР / IНВ =0.4; 0.5; 0.6; 0.7; 0.8; 0.9; 1.0; 1.1; - кратность уставки тока срабатывания при перегрузке (IСП) не регулируется и по отношению к номинальному току расцепителя (IНР) составляет: IСП / IНР =1,25 - кратность уставки тока срабатывания отсечки (IСО) по отношению к номинальному току расцепителя (IНР) регулируется в следующем диапазоне – IСО / IНР =2; 3; 5; 7; 10 (см.таблицу); : уставка времени срабатывания отсечки (tСО) регулируется в следующем диапазоне мгн (0,02÷0,04 с), 0,1с; 0,15с; 0,2с; 0,25с; 0,3с; 0,35с; 0,4с; - уставка времени срабатывания при перегрузке (t6), равной шестикратному току (I6) по отношению к номинальному току расцепителя регулируется в следующем диапазоне: 4,8,12,16 с; - кратность уставки тока срабатывания защиты при однофазном к.з. по отношению к номинальному току расцепителя (IНР) регулируется в следующем диапазоне – IСЗ1 / IНР =0,4;0,6;0,8;1,0 - уставка тока срабатывания защиты третьей ступени защитной характеристики (IС.МГН) обеспечивается для некоторых выключателей встроенным электромагнитным расцепителем (см. ** в таблице). Пояснения для построения защитной (времятоковой) характеристики при заданных уставках тока и времени: - время срабатывания при токе перегрузки IСП = 1,25 IНР составляет около 100; 200; 300; 400 сек, в зависимости от выбранной (заданной) уставки времени срабатывания при шестикратном токе (см. рис. 4.22); - ток срабатывания IС.МГН задаётся в кА в зависимости от типа выключателя; - номинальный ток расцепителя может регулироваться. При этом вся область характеристик, построенная для именованных единиц тока, будет сдвигаться влево или вправо относительно характеристики, построенной при кратности IНР / IНВ =1; - автоматические выключатели серии ВА имеют специальную защиту от однофазных к.з., когда током будет нагружен только один полюс выключателя. В этом случае срабатывание выключателя произойдет при токе, меньшем, чем номинальный ток расцепителя. При этом обеспечивается защита трансформатора от несимметричной нагрузки и увеличивается чувствительность защиты при минимальных токах к.з. 155 Рис.4.22. Время-токовая характеристика выключателей переменного тока ВА53-41 и ВА 55-41. 156 Рис. 4.23. Время-токовая характеристика выключателей переменного тока ВА53-41 и ВА55-41 с защитой от однофазных замыканий. 2. К п.2, 3.Для всех вариантов задается выключатель серии ВА 55-41 на номинальный ток (IНВ) 1000А. Возможная область расположения защитных (времятоковых) характеристик строится на бланке карты селективности на основе двух крайних (граничных) защитных характеристик выключателя. Нижняя граница области защитных характеристик строится при задании минимальных величин уставок тока и времени, а верхняя граница - при задании их максимальных величин. За основу построения берется номинальный ток выключателя (IНВ ), который одновременно является и базовым током полупроводникового расцепителя. Характеристика строится на основе паспортной защитной характеристики (рис. 4.22) по шести опорным точкам (см. рис. 4.24). Первая точка - пересечение вертикали, соответствующей току срабатывания выключателя в зоне перегрузки (IСП) и горизонтали, соответствующей времени срабатывания при данном токе (согласно защитной характеристике – в зависимости от выбранной уставки времени срабатывания защиты при шестикратном токе перегрузки составляет 100 ¸ 400 с): IСП=1,25·IНР=1,25·КНР·IНВ, А, где IНР - номинальный ток максимального расцепителя тока (МРТ), А; КНР - заданное калиброванное значение кратности номинального тока расце- 157 пителя (0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1). Для левой граничной характеристики берется КНР=0.4, для правой граничной характеристики - КНР=1,1. Вторая точка - пересечение вертикали, соответствующей шестикратному току уставки (I6) и горизонтали, соответствующей заданному калиброванному значению времени срабатывания при данном токе (t6 = 4; 8; 12; 16 сек): I6=6·IНР=6·КНР·IНВ , А; Для левой граничной характеристики следует использовать: t6 = 4 сек, I6=6· 0,4· IНВ, для правой граничной характеристики - t6 = 16 сек, I6=6·1,1 IНВ. Третья точка - пересечение вертикали, соответствующей току срабатывания защиты в зоне отсечки и прямой, соединяющей первую и вторую точку. Если IСО IΔ > N 2 N 2 4 6 а) б) Рис. 5.7. Электрические принципиальные схемы двухполюсных и четырехполюсных дифференциальных выключателей: а) многолинейные схемы; б) однолинейные схемы · наличие только у дифференциального автомата электромагнита сброса, который надежно сдергивает защелку механизма независимого расцепления. Однако этот электромагнит также запитан от источника питания посредством электронного усилителя с пороговым устройством. У дифференциального выключателя воздействие на 191 механизм свободного расцепления осуществляет магнитоэлектрическая защелка, которая не имеет специального источника питания и поэтому всегда сохраняет работоспособность. а) б) Рис. 5.8. Электрические принципиальные схемы двухполюсных и четырехполюсных дифференциальных автоматов: а) многолинейные схемы; б) однолинейные схемы Схема подключения трехфазной нагрузки посредством дифференциального выключателя приведена на рис.5.2 а,г, а дифференциального автомата – на рисунке 5.2 б, в. 2. К п.2. Используя структуру условного обозначения, приведенную в разделе 3, записать два варианта обозначения дифференциального выключателя и два варианта обозначения дифференциального автоматического выключателя. 3. К п.3. Рассчитать ток электроустановки по формуле активной мощности трехфазной цепи. Выбрать номинальный ток дифференциального автоматического выключателя (In ) таким образом, чтобы он был не менее (т.е. больше или равен) расчетного тока электроустановки (In> Iрасч). Обычно номинальный ток дифференциального автомата равен номинальному току теплового и электромагнитного расцепителя. 192 Перерисовать времятоковую характеристику отключения (защитную характеристику) дифференциального автомата или использовать, для построения характеристики, следующие опорные точки: а) для кратности тока более 10, время отключения составляет: 0,01с – в области характеристики, где время не зависит от тока, и 4с – в области характеристики, где время зависит от тока; б) для кратности 5, время составляет 10с; в) для кратности тока 1,45, время – 1000с; г) для кратности тока 1, время стремится к бесконечности. Для выбранного тока In нарисовать ось абсцисс в именованных единицах тока, используя формулу I=K∙In. Защитную характеристику блока дифференциального выключателя, входящего в дифференциальный автомат, следует изобразить в виде пунктирной прямой линии параллельной оси тока на уровне 0,01с. Начало линии ограничить током равным половине заданного номинального дифференциального отключающего тока. Характеристику подписать согласно структуре условного обозначения, используя свободное поле графика. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Назначение и область применения УЗО. Принцип действия УЗО. Виды УЗО. Классификация УЗО. Достоинства и недостатки электронных и электромеханических УЗО. Нормируемые технические параметры УЗО. Построение защитной характеристики УЗО. Технические требования к УЗО. Пояснить результаты лабораторных испытаний – проверки работоспособности УЗО. Что такое «ток замыкания на землю»? В чем состоит отличие замыкания на землю от других видов коротких замыканий в системах с глухозаземленной нейтралью? Что означает термин «дифференциальный ток»? Что такое «аппарат, управляемый дифференциальным током»? В чем суть дифференциального метода обнаружения тока повреждения? Что такое дифференциальный трансформатор тока? В чем состоит принцип работы устройства защитного отключения? Что такое «номинальный отключающий дифференциальный ток»? Какие типы УЗО существуют? Как работает схема обнаружения тока замыкания на землю с помощью четырех трансформаторов тока? 193 6. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ, ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ В курсе «Электрические и электронные аппараты» по данной теме проводится лабораторная работа 6. В ходе работы студенты изучают конструкцию и принцип действия твердотельных реле и тиристорных контакторов. Рассматриваются основные характеристики диодов, тиристоров, симисторов их технические параметры, маркировка, условное графическое обозначение в электрических схемах. Изучаются основные характеристики твердотельных реле. Рассматривается принцип работы схемы импульсно-фазового регулирования напряжения на нагрузке с использованием твердотельных реле. Анализируются особенности применения управляемых тиристорных контакторов при различных схемах включения трехфазных электроприемников. Анализируются причины искажения напряжения в месте подключения электроприемника, посредством тиристорного управляемого источника питания. 6.1. Твердотельные реле 6.1.1. Общие понятия Твердотельное реле – это устройство полупроводникового типа, используемое для бесконтактной коммутации силовых цепей разнообразных устройств, в основном, нагревательных элементов, маломощных двигателей, осветительных приборов. Бесконтактная коммутация – коммутация электрической цепи за счет изменения проводимости полупроводниковых элементов, включенных в эту цепь последовательно с нагрузкой. При этом электрическая цепь физически не имеет видимого разрыва. Например, при «выключении» цепи проводимость полупроводникового прибора становится очень малой, т.е. его сопротивление увеличивается до десятков мегаОм (МОм). При «включении» цепи сопротивление полупроводникового прибора снижается до значения близкого к нулю - несколько миллиОм (мОм). В качестве полупроводниковых приборов, включаемых в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, используются диоды, транзисторы, тиристоры, симисторы. Основой полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p−n переход), главное свойство которого − односторонняя проводимость от области p (анод) к области n (катод). Эту идею наглядно передают условно-графические обозначения УГО полупроводниковых приборов (рис.6.1, 6.2). Диоды и тиристоры изображаются в виде равностороннего треугольника, который вместе с пересе194 кающей его линией электрической связи образует подобие стрелки, которая указывает направление проводимости. Рис. 6.1. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VD) изображение диода на электрических схемах Наружная p−область и вывод от нее называется анодом (на рисунках - основание треугольника). Наружная n−область и вывод от нее называется катодом (на рисунках - короткая черточка, перпендикулярная стрелке образует совместно с двумя сторонами равностороннего треугольника подобие перевернутой буквы «К»). Внутренние p и n−области называются базовыми. Если на анод подать «+», а на катод «−», переходы у диода открываются, и по диоду через p-n переход будет протекать ток прямой проводимости. При обратной проводимости катод будет заперт. Поэтому при включении диода последовательно с нагрузкой к источнику переменного синусоидального напряжения, к нагрузке будет приложена только положительная полуволна напряжения. Под действием этого напряжения (согласно закону Ома) по нагрузке будет протекать только положительная полуволна тока. Тиристор (рис. 6.2) имеет отвод от одной из базовых областей, который называется управляющий электрод (УЭ). Управление может осуществляться как по аноду, так и по катоду. У тиристора для его открытия необходимо одновременное выполнение двух условий: 1) на анод следует подать «+», а на катод «−» или для переменного тока достаточно, чтобы потенциал анода был выше потенциала катода; 2) необходимо подать на управляющий электрод импульс напряжения относительно катода или анода определенной полярности, величины и длительности, чтобы под его воздействием по управляющему электроду начал протекать ток (согласно закону Ома), достаточный для открытия тиристора по направлению анод-катод. Нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора), тиристор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Закрытие диода и тиристора обеспечивается снижением тока прямой проводимости ниже тока удержания. В схемах переменного тока это осуществляется автоматически каждую половину периода, так как напряжение, под действием которого протекает 195 ток, периодически возрастает и снижается до нуля по синусоидальному закону. Рис. 6.2. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VS) изображение тиристора на электрических схемах с аналогами подключения на полупроводниковых структурах: а) с управлением по аноду; б) с управлением по катоду Важно помнить, что каждую половину периода происходит реальное выключение нагрузки вблизи моментов времени, когда ток, проходящий через основные электроды, приближается к току удержания (к нулю). Для активной нагрузки это происходит, когда напряжение на основных электродах тиристора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети). И чтобы открыть («включить») тиристор, следует вновь подать импульс напряжения на управляющий электрод и обеспечить протекание достаточного управляющего тока через управляющий p-n переход. Поэтому управляющие импульсы напряжения должны периодически подаваться на управляющий электрод тиристора с частотой напряжения в сети. Еще одной важной особенностью всех полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры, симисторы, транзисторы, варисторы и проч.) является то, что во «включенном» (проводящем) положении на них возникает падение напряжения (согласно закону Ома для участка цепи). Для диодов и тиристоров оно составляет порядка 1-2В, что говорит о наличии определенного сопротивления p-n структуры. Поэтому при протекании тока нагрузки они будут нагреваться в соответствие с законом ДжоуляЛенца и во многих случаях потребуется применение устройств для отвода тепловой энергии (радиаторов). 196 У контактных выключателей (например, у электромагнитного контактора) падение напряжения на контактах во включенном положении составляет менее 1В и значительного их нагрева не происходит, однако, они нагреваются в моменты коммутации (включения-отключения) за счет возникающего на контактах дугового разряда У диодов, тиристоров, симисторов на переменном токе коммутация при «выключении» всегда происходит в момент прохождения тока через нуль, поэтому дуга не возникает и существенного нагрева полупроводниковых структур в моменты коммутаций не происходит. Поэтому коммутационные аппараты на основе полупроводниковых приборов особенно эффективны при частых включениях и отключениях нагрузки, а также для коммутации больших значений тока. Для создания твердотельного реле переменного тока необходимо два тиристора, собранных по встречно-параллельной схеме и включенных с нагрузкой последовательно (рис.6.3). Рис. 6.3. Твердотельное реле переменного тока на двух тиристорах При положительной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS1 и возникает ток, протекающий через нагрузку - лампу накаливания. Ток лампы будет совпадать по фазе с напряжением, так как она обладает активным сопротивлением. При отрицательной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS2 и возникает ток, который также будет совпадать по фазе с напряжением. Ток, протекающий по лампе, под действием синусоидального напряжения также будет «синусоидальным». Полностью синусоидальным его назвать нельзя, так как в кривой тока будет наблюдаться незначительный разрыв в момент перехода от положительной полуволны напряжения к отрицательной и наоборот, т.к. в начале каждого полу197 периода должно сформироваться достаточное превышение потенциала анода над потенциалом катода. При активно-индуктивном характере нагрузки ток будет отставать по фазе от напряжения тем больше, чем больше величина индуктивного сопротивления по отношению к активному сопротивлению. Поэтому в момент появления тока напряжение будет достаточным для открытия соответствующего тиристора и разрыва в кривой тока наблюдаться не будет. Симистор − полупроводниковый прибор, является разновидностью тиристора и используется для коммутации в цепях переменного тока. Основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу его структуры они являются и тем и другим одновременно. Рис. 6.4. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VST) изображение симистора на электрических схемах Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость у симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами возникает проводимость, нагрузка оказывается подключенной к источнику (сети). Симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Для его удержания в открытом состоянии также нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Выключение активной нагрузки происходит вблизи моментов времени, когда напряжение на основных электродах симистора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети). При включенном положении на симисторе остается минимальное напряжение UОСТ , поэтому он нагревается согласно закону Джоуля –Ленца и требуется применение устройств для отвода тепловой энергии (радиаторов). 198 Рис. 6.5. Вольт-амперная характеристика симистора Поэтому при включении симистора последовательно с нагрузкой к источнику переменного синусоидального напряжения и подаче напряжения на управляющий электрод, к нагрузке будут приложены обе полуволны напряжения. Также как и в схеме с двумя тиристорами под действием этого напряжения по нагрузке будет протекать не совсем синусоидальный ток. Регулирование напряжения на нагрузке Используя тиристоры и симисторы возможно выполнить устройства (преобразователи, устройства плавного пуска, регуляторы и стабилизаторы напряжения и др.), позволяющие регулировать напряжение на нагрузке. Для этого необходимо лишь подавать управляющие импульсы напряжения с некоторым запаздыванием относительно питающего напряжения на угол управления α. Чем больше величина этого угла, тем позднее откроется тиристор (симистор) и меньшая величина действующего (среднеквадратичного) напряжения будет приложена к нагрузке и поэтому согласно закону Ома снизится величина тока нагрузки. Таким образом, существует возможность плавно изменять напряжение, приложенное к нагрузке: от величины напряжения сети (при подаче полной синусоиды напряжения сети) до значения достаточного для протекания тока удержания и далее до нуля (при полном закрытии тиристоров). Поэтому и ток, протекающий через нагрузку, будет изменяться от номинального значения (при номинальном напряжении в точке подключения нагрузки) до нуля. Лампа накаливания при этом будет изменять величину светового потока. 199 Для активно-индуктивной нагрузки начальная величина угла α должна быть меньше или равна величине угла сдвига фаз тока и напряжения – φ. 6.1.2. Конструкция и основные параметры твердотельных реле KIPPRIBOR KIPPRIBOR - российский производитель твердотельных реле (ТТР) которые, обеспечивают надежную коммутацию в самом большом на сегодня в России диапазоне токов нагрузки (до 250 А). Основные модификации твердотельных реле KIPPRIBOR приведены в таблице П4.1. Роль твердотельных реле (ТТР, или в английском варианте SSR) в современных системах автоматики существенна. В последние годы в различных технологических областях (от автомобильной электроники, систем связи и бытовой электроники до промышленной автоматики) идет переход от построения систем коммутации на обычных электромагнитных реле, пускателях и контакторах к удобным, надежным способам коммутации с помощью твердотельных полупроводниковых реле. Твердотельное реле (ТТР) – это класс современных модульных полупроводниковых приборов, выполненных по гибридной технологии, содержащих в своем составе мощные силовые ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. Они с успехом используются для замены традиционных электромагнитных реле, контакторов и пускателей. Твердотельные реле обеспечивают наиболее надежный метод коммутации цепей. Твердотельное реле представляют широкий диапазон модификаций для коммутации, как малых, так и больших токов нагрузки, а также спецсерии для выполнения специфических задач коммутации. ТТР обеспечивает надежную гальваническую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому применение дополнительных мер изоляции цепей не требуется. 6.1.3. Модификации твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR Однофазные ТТР · Серия MD-xx.44ZD3 однофазные твердотельные реле в миниатюрном корпусе специально для коммутации маломощной резистивной или слабоиндуктивной нагрузки. На сегодня это самый бюджетный в России вариант однофазных ТТР. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети. 200 · · · · · Серии HD-xx.ZD3 и HD-хх.44ZA2 однофазные общепромышленные твердотельные реле в стандартном корпусе для коммутации самых распространенных в промышленности диапазонов токов резистивной или индуктивной нагрузки. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети. Серия HD-xx.25DD3 однофазные твердотельные реле для коммутации цепей постоянного тока резистивной или индуктивной нагрузки. Также ТТР этой серии применяется для усиления выходного сигнала регулирующего прибора (с небольшой нагрузочной способностью выхода) при подключении к нему нескольких ТТР. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети. Серии HD-xx.VA и HD-xx.2210U однофазные твердотельные реле для непрерывного регулирования напряжения в диапазоне от 10 В до номинального значения, пропорционально входному сигналу. Типы управляющих сигналов: · переменный резистор 470 кОм, 0,5 Вт для HD-xx.44VA; · унифицированный сигнал напряжения 0…10 В для HDxx.2210U. Рекомендуются только для коммутации резистивной нагрузки. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети. Серии SBDH-xx.44ZD3 и BDH-xx.44ZD3 однофазные твердотельные реле для коммутации мощной нагрузки, выполненные в корпусах промышленного стандарта. Перекрывают самый большой на сегодняшний день в России диапазон токов нагрузки. Используются для коммутации цепей питания мощных резистивных или индуктивных нагрузок в однофазной или трехфазной сети. Корпус имеет большие клеммы для удобного подключения проводов большого сечения. ТТР серии SBDH выполнен в более компактном корпусе. Серия HDH-xx.44ZD3 однофазные твердотельные реле для коммутации мощной нагрузки, выполненные в стандартном корпусе ТТР. Позволяют коммутировать резистивную или индуктивную нагрузку в однофазной или трехфазной сети. Трехфазные ТТР Серии HT-xx.44ZD3 и HT-xx.44ZA2 трехфазные твердотельные реле для коммутации резистивной нагрузки. Обеспечивают одновременную коммутацию по каждой из 3-х фаз. Возможно использование для групповой коммутации нагрузки в трех однофазных цепях. 201 6.1.4. Общие рекомендации по выбору твердотельных реле Нагрев твердотельных реле при коммутации нагрузки обусловлен электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. Увеличение же температуры ТТР накладывает ограничение на величину коммутируемого тока, поскольку, чем выше температура твердотельного реле, тем меньший ток оно способно коммутировать. Достижение температуры в 40° C не вызывает существенного ухудшения рабочих параметров, а нагрев твердотельного реле до 60С° существенно снижает допустимую величину коммутируемого тока: нагрузка может отключаться не полностью, а само ТТР перейти в неуправляемый режим работы и даже выйти из строя. Следовательно, при длительной работе твердотельного реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации при токах нагрузки свыше 5 А) требуется применение радиаторов или воздушного охлаждения для рассеивания тепла. При повышенных нагрузках, например, в случае нагрузки индуктивного характера (соленоиды, электромагниты и т.п.), рекомендуется выбирать твердотельное реле с большим запасом по току (в 2-4 раза), а в случае применения твердотельных реле для управления асинхронным электродвигателем необходим 6-10 кратный запас по току. При работе с большинством типов нагрузок включение твердотельного реле сопровождается скачком тока (пусковой перегрузкой) различной длительности и амплитуды, и это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле. Для различных типов нагрузок можно указать следующие величины пусковых перегрузок: · чисто активные нагрузки (нагреватели типа ТЭН) дают минимально возможные скачки тока, которые практически устраняются при использовании твердотельного реле с переключением в нуле; · лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального; · флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 сек) дают кратковременные скачки тока, в 5-10 раз превышающие номинальный ток; · ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин; · обмотки электромагнитных реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального в течение 1-2 периодов; · обмотки соленоидов: ток в 10…20 раз больше номинального в течение 0,05 - 0,1 сек; 202 электродвигатели: ток в 5…10 раз больше номинального в течение 0,2 - 0,5 сек; · высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (трансформаторы на холостом ходу) при включении в фазе нуля напряжения: ток в 20-40 раз больше номинального в течение 0,05 - 0,2 сек; · емкостные нагрузки при включении в фазе, близкой к 90°: ток в 20-40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд. Способность твердотельных реле выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной ударного тока, т.е. амплитудой одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока эта величина обычно в 2 – 3 раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это соотношение около 10. Для токовых перегрузок произвольной длительности можно исходить из эмпирической зависимости: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока. Выбор номинального тока твердотельного реле для конкретной нагрузки заключается в подборе запаса по номинальному току реле и введением дополнительных мер по уменьшению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, реакторы и т.д.). Для повышения устойчивости твердотельного реле к импульсным помехам параллельно ему устанавливают цепь, состоящую из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепочка). Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле. · 6.1.5. Защита цепей ТТР. Правило подбора варистора и RC-цепи RC-цепочка (снабберная RC цепь) – электрическая цепь из последовательно включенных емкости (конденсатора) и сопротивления, подключаемая параллельно выходным клеммам ТТР. RC- цепочка повышает надежность работы ТТР в условиях действия импульсных помех (перенапряжений) и ограничивает скорость нарастания напряжения на коммутационном элементе, что особенно важно при коммутации индуктивной нагрузки. Варистор – полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Благодаря резкому снижению своего сопротивления при превышения определенного уровня напряжения, та203 кой элемент может использоваться в качестве ограничителя напряжения в электрических цепях. Варистор используется для защиты твердотельного реле от превышения допустимого для него уровня напряжения, как в цепи нагрузки, так и в цепи управления. Один из основных параметров, по которому производится выбор варистора, Выбор варистора для защиты цепей ТТР можно производить по упрощенной схеме, по классификационному напряжению (условная величина напряжения после которого происходит резкое уменьшение его сопротивления): Uваристора = Uрабочее сети (1,6...1,9) Варистор обычно изготавливается в небольшом круглом корпусе с проволочными выводами, что его позволяет монтировать непосредственно на клеммы твердотельного реле. Тип используемого варистора определяется на основе конкретных характеристик работы реле. Наиболее распространенными сериями отечественных варисторов являются: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2. 6.1.6. Классификация твердотельных реле по типу коммутируемой сети Твердотельное реле для коммутации однофазной сети: · · · могут использоваться для коммутации трехфазной сети при использовании по одному однофазному реле на каждую фазу; позволяют осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»). Применение отдельного твердотельного реле для коммутации каждой из 3-х фаз существенно повышает надежность коммутации, а, следовательно, и надежность всей системы управления в целом; позволяют коммутировать нагрузку резистивного и индуктивного типа; Твердотельное реле для коммутации трехфазной сети: · · позволяют осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»); позволяют коммутировать нагрузку только резистивного типа. 204 Токи утечки в цепи применительно к твердотельным реле В общем случае ток утечки – это ток, который протекает в систему заземления или на сторонние проводящие части в неповрежденной электрической цепи. Применительно к твердотельным реле ток утечки - это ток, присутствующий в цепи нагрузки, даже при отсутствии на твердотельном реле управляющего напряжения. Ток утечки в твердотельном реле обусловлен наличием встроенной параллельно цепи нагрузки RC-цепочки, через которую при подведенном к ТТР напряжении всегда протекает ток, даже когда коммутационный элемент твердотельного реле находится в «выключенном состоянии». Типы нагрузок твердотельных реле Резистивная нагрузка – электрическая нагрузка в виде сопротивления (резистора), на котором происходит преобразование электрической энергии в тепловую. К резистивной нагрузке относится большинство нагревателей (ТЭНов). Нагрузка резистивного типа характеризуется относительно низкими пусковыми токами, что позволяет использовать для коммутации резистивной нагрузки твердотельные реле с минимальным запасом по току (как правило, с запасом в 25%). Но есть исключения, яркий пример - лампы накаливания, которые хоть и являются, по сути, резистивной нагрузкой, но имеют достаточно высокие пусковые токи (до 12 * Iном), что обусловлено очень большим разбросом сопротивления нихромовой спирали при разных температурах. Трубчатый электронагреватель (ТЭН) – нагреватель в виде металлической трубки, заполненный теплопроводящим электрическим изолятором, в центре которого установлен нагревательный элемент определенного сопротивления. В качестве нагревательного элемента обычно используется нихромовая нить. ТЭН относится к нагрузке резистивного типа с малыми пусковыми токами. Индуктивная нагрузка – электрическая нагрузка с большой индуктивной составляющей. К такой нагрузке относятся электрические аппараты, в составе которых имеются электрические катушки либо обмотки: соленоиды клапанов, трансформаторы, электродвигатели, дроссели и пр. Особенностью индуктивной нагрузки являются высокие потребляемые токи при её включении (пусковые токи), вызванные переходными электрическими процессами. Пусковые токи высокоиндуктивной нагрузки могут превышать номинальный ток в несколько десятков раз и быть достаточно длительными, поэтому при применении твердотельного реле для 205 коммутации индуктивной нагрузки необходимо выбирать номинал твердотельного реле (ТТР) с учетом пусковых токов нагрузки. 6.1.7. Классификация твердотельных реле по диапазону коммутируемого напряжения Стандартный диапазон коммутации: 40…440 VAC - этот широкий диапазон коммутируемого напряжения (в сети переменного тока) позволяет использовать твердотельные реле для управления нагрузками в различных областях промышленности; Диапазон коммутации постоянной нагрузки: в твердотельных реле серии HD-xx.25DD3 используется диапазон коммутируемого напряжения 20…250 VDC для коммутации нагрузки постоянного тока; Диапазоны регулирования напряжения при управлении нагрузкой: в твердотельных реле серии HD-xx.44VA используется диапазон регулирования нагрузки 10…440 VAC для регулирования напряжения с помощью внешнего переменного резистора; в твердотельных реле серии HDxx.2210U используется диапазон регулирования переменного напряжения 10…220 VAC. Класс по напряжению – применительно к полупроводниковым приборам (тиристорам) обозначает максимально допустимое значение повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и максимально допустимое значение обратного напряжения, приложенного к полупроводниковому элементу. Класс по напряжению обычно маркируется цифрами в виде количества сотен вольт, например, 9-й класс по напряжению будет означать, что данный полупроводниковый элемент выдерживает максимальное пиковое напряжение 900 Вольт. Для сети питания с номинальным напряжением 220 Вольт рекомендуется использовать полупроводниковые элементы не ниже 9-го класса по напряжения, т.е. они должны обладать способностью, выдерживать максимальное пиковое напряжение в 900 Вольт. Общепромышленные серии твердотельных реле KIPPRIBOR имеют 9 класс напряжения. А твердотельные реле KIPPRIBOR для коммутации больших мощностей серий BDH и SBDH имеют 11 и 12 класс напряжения, что позволяет им выдерживать очень значительные перегрузки. 6.1.8. Классификация твердотельных реле по типу управляющего сигнала В зависимости от модификации твердотельные реле могут иметь следующие типы управляющих сигналов: 206 управляющее напряжение постоянного тока 3…32 В; · управляющее напряжение переменного тока 90…250 В; · ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт); · аналоговое управление выходным напряжением с помощью унифицированного сигнала напряжения 0…10 В. Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления. · 6.1.9. Классификация твердотельных реле по способу коммутации Твердотельные реле с контролем перехода через ноль применяются для коммутации: резистивных нагрузок (электрических нагревательных элементов, ламп накаливания), емкостных нагрузок (например, помехоподавляющих сглаживающих фильтров, имеющих в своем составе конденсаторы); слабоиндуктивных нагрузок (катушек соленоидов, клапанов) При подаче управляющего сигнала на твердотельное реле с контролем перехода через ноль, напряжение на его выходе появляется в момент первого пересечения линейным напряжением нулевого уровня. Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы коммутируемых нагрузок. Однако ТТР с контролем перехода через ноль не могут коммутировать высоко индуктивную нагрузку, когда cos φ<0,5 (например, трансформаторы на холостом ходу). Диаграмма срабатывания ТТР с контролем перехода через ноль Вид управления С коммутацией при переходе тока через нуль Выходной сигнал по току в нагрузке Преимущества Недостатки Нет помех, создающихся третьей гармоникой при включении Применяется только с резистивной, емкостной нагрузкой, и нельзя с высоко индуктивной Твердотельные реле мгновенного (случайного) включения применяются для коммутации резистивных нагрузок (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания) и индуктивных нагрузок 207 (маломощные двигатели, трансформаторы) при необходимости мгновенного срабатывания. Напряжение на выходе твердотельного реле данного типа появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 миллисекунды), а значит включение ТТР возможно на любом участке синусоидального напряжения. При этом могут возникать импульсные помехи и начальные броски тока при коммутации. После включения такое твердотельное реле функционирует как обычное ТТР с контролем перехода через ноль. Диаграмма срабатывания ТТР мгновенного включения Вид управления С коммутацией при переходе тока через нуль Выходной сигнал по току в нагрузке Преимущества Недостатки Нет помех создающихся третей гармоникой при включении Применяется только с резистивной, емкостной нагрузкой и нельзя с высоко индуктивной Твердотельные реле с фазовым управлением позволяют изменять величину выходного напряжения на нагрузке и применяются для следующих задач: регулирование мощности нагревательных элементов, регулирование уровня освещенности у лампы накаливания и т.д. Диаграмма срабатывания ТТР с фазовым управлением Вид управления Фазовое управление Выходной сигнал по току в нагрузке Преимущества Недостатки подходит для любых типов нагрузки, и непрерывность выходного сигнала помехи при переключении 208 плавность 6.1.10. Типы выходных силовых элементов твердотельных реле В твердотельных реле в зависимости от модификации используются различные выходные силовые элементы: симисторы (TRIAC), транзисторы (Transistor), SCR-выход, тиристоры (Thyristor) Симисторные выходы используются в твердотельных реле для коммутации небольших токов. Конструктивные особенности симистора таковы, что по нему протекает ток одновременно в обе стороны, а при двустороннем протекании больших токов эффективного отвода тепла от кристалла симистора добиться невозможно. Тиристорные выходы (SCR выходы). Для коммутации больших токов используются тиристоры, раздельно установленные на охлаждающей подложке. Это дает возможность обеспечить необходимый отвод тепла. SCR – общепринятое международное наименование полупроводникового ключа на базе триодного тиристора (или просто тиристора). SCR выход – в твердотельных реле так обозначается тип полупроводникового ключа, выполненного методом нанесения на металлическое основание изолирующей керамической подложки, на которую затем наносятся кристаллы полупроводниковой структуры тиристора. Физически SCR-выход представляет собой два разнесенных монокристалла, наращенных непосредственно на основание ТТР. Такая технология обеспечивает наиболее эффективный теплоотвод и, следовательно, делает коммутацию надежной даже при высоких токах коммутации. Однако, это не исключает требование применения радиаторов и вентиляторов охлаждения для работы с большими токами коммутации. В модификациях твердотельные реле KIPPRIBOR, рассчитанных на длительную коммутацию больших токов или работу с индуктивной нагрузкой, применяются тиристорные SCRвыходы. 6.1.11. Радиаторы серии РТР для твердотельных реле KIPPRIBOR При выборе радиатора для охлаждения твердотельного реле следует руководствоваться: · в первую очередь, способностью радиатора рассеивать тепло (!); · и только потом уделять внимание габаритным характеристикам. Расположение ребер охлаждения радиатора всегда должно соответствовать направлению потоков движения воздуха – т.е. так, чтобы его ребра охлаждения были параллельны потокам воздуха (естественным (снизу 209 вверх) или искусственным (в зависимости от источника образования потоков воздуха)). Радиаторы РТР монтируются на плоскость. Монтаж твердотельного реле на радиатор Для разных серий твердотельных реле на радиаторах серии РТР имеются разные посадочные отверстия. Типы допустимых к установке на конкретный радиатор реле указаны в характеристиках радиатора. При установке ТТР на радиатор необходимо использовать термопроводящую пасту с высокой теплопроводностью, которая значительно улучшает теплопередачу от твердотельного реле к радиатору за счет заполнения мелких пустот между поверхностями реле и радиатора (например, на пасту КПТ-8 в тюбиках, с рабочей температурой от минус 60° до +180° С). Подбор радиаторов для конкретной серии ТТР Точный расчет требуемого радиатора охлаждения для конкретного случая применения ТТР требует большого количества математических вычислений. Однако, большинство применений твердотельных реле – типовое (установка в вертикальный шкаф, нагрузка – нагревательные элементы). В этом случае можно упростить выбор радиатора, используя «Таблицу подбора радиатора для твердотельных реле», которую вы найдете на сайте KIPPRIBOR в разделе Радиаторы для Твердотельных Реле. 6.1.12. Конструктивные особенности твердотельных реле Основание твердотельного реле - это теплопроводящая металлическая основа твердотельного реле, необходимая для отвода тепла от коммутационного элемента ТТР к радиатору охлаждения. Может быть изготовлено из алюминиевого или из медного сплава. Материал основания твердотельного реле можно отличить визуально: основание изготовленное из алюминиевого сплава, имеет матовый бледно-серый цвет, а основание из медного сплава напоминает вид матовой стали, а иногда может иметь практически зеркальную шлифованную поверхность. Медное основание имеет несвойственный ему зеркально-стальной вид, вследствие покрытия его дополнительным слоем никеля, что исключает окисление меди при длительном либо неверном хранении. Основание ТТР из медного сплава - наиболее эффективное для твердотельного реле с точки зрения теплоотдачи. Поскольку теплопроводность меди значительно выше, чем у алюминия, процесс отвода тепла от 210 коммутационного элемента ТТР происходит значительно быстрее и эффективнее. Следовательно ТТР с медным основанием (в отличие от реле с алюминиевым основанием), более эффективно выдерживает «пиковые» нагрузки и эффективнее работает в сложных условиях эксплуатации, однако медь имеет чуть более высокую стоимость, относительно алюминия. Основание из алюминиевого сплава - более дешевое. Поскольку, алюминиевое основание твердотельного реле менее эффективно, по сравнению с медным, его применяют в бюджетных сериях продукции и исключительно для коммутации малых нагрузок. Теплопроводящая паста – это паста на силиконовой основе, обладающая хорошей теплопроводностью. Используется в электронных устройствах для отвода тепла от компонентов, смонтированных на радиаторе. Применение теплопроводящей пасты при монтаже твердотельного реле на радиатор охлаждения, значительно улучшает теплопередачу от реле к радиатору. Повышение эффективности теплоотдачи происходит за счет заполнения мелких пустот между поверхностями реле и радиатора, поскольку идеально ровных поверхностей не бывает. Наиболее распространенной маркой теплопроводной пасты является паста КПТ-8 в тюбиках, с рабочей температурой от минус 60° до +180° С. 6.1.13. Области применения твердотельных реле В самых различных областях техники происходит активная замена «традиционных» электромагнитных реле на их твердотельные электронные аналоги. Твердотельные реле также используют для замены традиционных симисторных и тиристорных устройств, если ток нагрузки не превышает 250А. По типу управляемой цепи твердотельные реле делятся на реле постоянного тока и реле переменного тока, которые по виду нагрузки разделяются на реле однофазные и трёхфазные. При помощи твердотельных реле также возможно управлять величиной выходного напряжения (напряжением на нагрузке). Твердотельные реле обладают целым рядом достоинств: у них небольшое энергопотребление порядка на 95% меньше, чем при питании катушек управления у электромагнитных устройств, малый вес и габариты, они имеют высокую надёжность, обусловленную тем, что в них отсутствуют механические контакты, их характеристики остаются неизменными в течение всего срока эксплуатации. Твердотельные реле особенно востребованы в системах автоматики и управления, в автомобильной электронике, системах связи, бытовой электронике и промышленной автоматике. 211 Однофазные и трехфазные твердотельные реле применяются в различных производственных процессах: управлении лампами накаливания, нагревательными элементами, маломощными электродвигателями, электромагнитами, соленоидными клапанами, а также иными исполнительными устройствами. Применение твердотельных реле обеспечивает высокую надежность и увеличивает срок службы систем управления технологическим оборудованием. Различные исполнения твердотельных реле перекрывают диапазоны номинальных токов от 5 до 250 А. 6.1.14. Преимущества твердотельных реле по сравнению с электромеханическими реле и контакторами Преимущество твердотельных реле перед электромагнитными пускателями можно продемонстрировать простым арифметическим расчетом. Предположим, что мы используем электромагнитный контактор для коммутации цепи питания нагревательного элемента, который поддерживает температуру в технологическом процессе при помощи ПИД – регулятора, который обеспечивает двухпозиционное регулирование мощности (включено-отключено). Допустим, что контактор рассчитан на номинальный ток 150А. В среднем при таком режиме работы контактор включает и отключает нагревательный элемент 10 раз в минуту. Число циклов коммутации контактора, рассчитанного на такие токи в среднем составляет 1 200 000 циклов. Рассчитаем сколько циклов включено-отключено (В-О) будет производить (срабатывать) контактор за один рабочий день (8 часов): 1. За один час контактор будет срабатывать: 10 х 60 = 600 раз, где 10 – количество включений-отключений в минуту, 60 – количество минут в 1 часе. 2. За один рабочий день контактор будет срабатывать: 600 х 8 = 4800 раз, где 600 – количество включений контактора в час, 8 – количество часов. 3. Разделив количество возможных циклов коммутации контактора (справочные данные) на количество срабатываний за один рабочий день, мы получим количество дней, в течение которых контактор сможет функционировать: 1200000 = 250 дней, 4800 где 1200000 – ресурс контакторов (возможное количество циклов в процессе эксплуатации), 4800 – количество включений в день. 212 Таким образом, контактор будет находиться в рабочем состоянии меньше года, в то время как твердотельное реле, при соблюдении температурного режима, может работать десятилетиями, не производя шума, искрения контактов и электромагнитных помех, оказывающих влияние на работу оборудования, находящегося рядом. Другими достоинствами твердотельных реле являются: · высокая надежность, обусловленная отсутствием механических контактов; · неизменные характеристики в течение всего срока службы; · отсутствие дребезга контактов, искр и электрической дуги при коммутации, что значительно снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность её работы; · отличные характеристики изоляционных свойств между управляющими и силовыми цепями (до 4 кВ), высокое сопротивление изоляции корпуса; · низкое энергопотребление (твердотельные реле потребляют электроэнергии значительно меньше, чем электромагнитные реле и контакторы); · отсутствие акустического шума; · высокое быстродействие; · малые габариты и вес. Технические характеристики твердотельных реле приведены в Приложении 8. 6.2. Тиристорные контакторы Тиристорный контактор или тиристорный переключатель переменного тока (ТППТ) - полностью бесконтактный аппарат. Если контактор – это электрический аппарат, предназначенный для дистанционной коммутации силовых электрических цепей низкого напряжения, то полупроводниковый контактор – аппарат, выполняющий функции контактора, посредством использования полупроводниковых коммутационных аппаратов. Наиболее часто тиристорные переключатели переменного тока строятся по схеме встречно – параллельного включения тиристоров VS1, VS2 (рис.6.6). При этом блок управления (БУ) вырабатывает импульсы в момент перехода питающего напряжения через ноль (для активной нагрузки). Эти импульсы сдвинуты один относительно другого на 1800 и открывают тиристоры поочередно таким образом, что в цепи нагрузки проходит синусоидальный переменный ток. Выключение тиристоров происходит при снижении мгновенного значения тока нагрузки до величины, называ213 емой током удержания. Так как каждый период происходит выключение тиристоров, то в начале следующего периода из БУ должен поступить импульс, вновь открывающий тиристор. Достоинства ТППТ: 1) высокий КПД за счет малого падения напряжения в открытом состоянии (около 1-2В); 2) высокое быстродействие (время включения тиристора не более 10 микросекунд); 3) большой коэффициент усиления по мощности (порядка 105 - 106); 4) малые габариты; 5) постоянная готовность к работе. На рис.6.6 приведена принципиальная схема тиристорного контактора для управления установкой контактной сварки При импульсном (кратковременном) замыкании кнопки SB1 по электронному реле времени КT, будет протекать ток и замкнется (без выдержки времени) контакт КT в цепи управления тиристоров, тиристоры VS1, VS2 становятся проводящими: VS1 - в положительную полуволну напряжения, VS2 - в отрицательную. Проводимость тиристоров будет существовать пока контакт реле времени КТ замкнут. По истечение выдержки времени контакт КT размыкается, на управляющие электроды тиристоров не будет поступать отпирающее напряжение, тиристоры теряют проводимость при первом переходе тока через нуль и тем самым «разрывают» первичную цепь сварочного трансформатора, сварочный ток прекращается. Так как длительность протекания тока для получения одной сварочной точки при контактной сварке составляет до 1с, поэтому только тиристорный контактор совместно с электронным реле времени способен обеспечить протекание тока в течение столь непродолжительного времени. R-C цепь, параллельная тиристорам, необходима для их защиты от возможных коммутационных перенапряжений, так как согласно второму закону коммутации напряжение на конденсаторе не может увеличиться скачкообразно. Сопротивление R0 необходимо для подбора соответствующей величины тока управления тиристорами. Диоды VD1,2 обеспечивают необходимую полярность тока управления на управляющих электродах соответствующих тиристоров в положительную и отрицательную полуволну напряжения сети. Данный контактор называется неуправляемым, так как не позволяет регулировать величину тока нагрузки, а позволяет лишь подавать на нагрузку определённое число полуволн напряжения, обеспечивая заданную (за счет электронного реле времени) продолжительность тока нагрузки. 214 Рис.6.6. Принципиальная схема машины контактной сварки с тиристорным контактором, позволяющим регулировать длительность протекания сварочного тока Пример. Контакт реле времени KТ оказывается замкнут на время 0,04с, тогда через сварочный трансформатор пройдут полные 4 полуволны напряжения, которые трансформируются и во вторичной цепи понижающего сварочного трансформатора TS возникнет такое же количество полуволн тока. Прохождение тока приведет к свариванию деталей. Для увеличения или уменьшения мощности в месте сваривания необходимо увеличить или уменьшить время замкнутого состояния КТ. На рис. 6.7, 6.8 приведены схемы трехфазных контакторов для управления и регулирования мощности печей сопротивления. При соединении нагревательных элементов в треугольник, требуется тиристорный контактор на 6 тиристорах. При соединении нагревательных элементов в звезду в одной из цепей каждой фазы возможно тиристор заменить на диод. Часто вместо тиристоров также применяют симисторы, которые обладают свойствами встречно-параллельного соединения тиристоров, но имеют один управляющий электрод. При снятии управляющего тока закрываются для протекания обе полуволны тока. 215 Рис. 6.7. Электрическая схема трехфазного контактора с регулированием напряжения на каждом тиристоре Рис. 6.8. Электрическая схема трехфазного контактора с регулированием напряжения в одном тиристоре фазы 216 6.3. Тиристорные управляемые пускатели (тиристорные источники питания) Принцип регулирования тока нагрузки основан на том, что последовательно с ней включаются твердотельные реле или тиристорные контакторы, которые обладают функцией изменять свою проводимость в пределах каждой полуволны напряжения переменного тока за счет системы импульсно-фазового управления (СИФУ) или за счет изменения величины временных интервалов включения-отключения электрической цепи – принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Рис. 6.9. Осциллограммы тока и напряжения в одной фазе СИФУ: а – α =φ, к нагрузке поступает максимальное напряжение – напряжение сети; б – α > φ, величина заштрихованной площади под осциллограммой напряжения на нагрузке равна действующему (среднеквадратичному) значению напряжения, увеличение α приводит к уменьшению действующего напряжения на нагрузке; в – iу – импульсы тока управления. 217 СИФУ - система импульсно-фазового управления обеспечивает подачу сигнала на управляющие электроды тиристоров с некоторым сдвигом относительно угла естественной коммутации электрической цепи с частотой для каждого тиристора, равной частоте периода переменного тока. Если в каждый из полупериодов на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2 подаются положительные импульсы с углом управления a = j (j - угол сдвига фаз между током и напряжением), то работа схемы будет аналогична неуправляемому тиристорному контактору. VS1, VS2 будут пропускать полную полуволну тока, и в нагрузке будет выделяться максимальная мощность. Если же от СИФУ будут приходить импульсы с углом a>j, то тиристоры будут открываться с некоторой задержкой и проводить неполный полупериод (в нагрузку будет подаваться действующее напряжение U меньшей величины, чем при a = j), и мощность нагрузки будет уменьшаться. Например, для активной нагрузки: P=U2/Rн. 6.3.1. Принцип работы системы импульсно-фазового управления тиристорами в однофазной сети 1. Сетевое напряжение выпрямляется мостом VD1-VD4. Получаем напряжение в точке 1 (U1 на рис .6.10, 6.11). Данное напряжение поступает на параметрический стабилизатор (сопротивление R1, стабилитрон VD5). 2. Получаем напряжение в точке 1 (U2 на рис .6.10, 6.11). Этим напряжением U2 питается СИФУ, состоящая из сопротивлений R2, R3 и конденсатора С, однопереходного транзистора VT и импульсного трансформатора Т3. Так как напряжение с удвоенной частотой сети достигает нуля, то работа СИФУ начинается каждый раз синхронизировано с сетью. Исходное состояние: VT закрыт, ток в цепи: R3, VT, первичная обмотка трансформатора Т не протекает. Ток в цепи R2, эмиттер VT, первичная обмотка трансформатора Т также отсутствует. При заряде конденсатора по цепи т.1 – R1 – R2 – C – т.5 напряжение точки 3 (U3)достигает такого значения, что VT пробивается и становится проводящим; конденсатор и источник разряжаются на первичную обмотку импульсного трансформатора. На вторичной обмотке возникает импульс напряжения (U4), под действием которого в цепи управления тиристора будет протекать импульс тока, который откроет тиристор для протекания тока по основным выводам (от анода к катоду). Осциллограммы напряжений на элементах 218 системы импульсно-фазового управления тиристорами приведены на рис.6.11. Рис. 6.10. Электрическая схема подключения машины контактной сварки посредством тиристорного контактора совместно с схемой системы импульсно-фазового управления тиристорами Во вторичных обмотках (на выводах а, б и в, г) импульсного трансформатора (Т3) индуцируются напряжения, под действием которых протекают импульсные токи в цепи управления силовых тиристоров. Открывается тот тиристор, для которого соблюдается первое условие для обеспечения проводимости (jА > jК). При увеличении сопротивления R2 конденсатор будет заряжаться и достигнет напряжения пробоя за больший промежуток времени. Это приведёт к сдвигу импульсов тока в цепи управления силовых тиристоров. Если a = j, то пропускается вся полуволна тока. Если a > j, то пропускается меньшее значение тока. 219 Рис. 6.11. Осциллограммы напряжений на элементах системы импульснофазового управления тиристорами: a1 > a2 В данной схеме a регулируется за счёт изменения постоянной времени заряда путем изменения величины R2. Общий принцип изменения тока нагрузки за счет изменения угла открывания тиристоров получил название импульсно-фазовое регулирование. 6.3.2. Переходные процессы при работе управляемого тиристорного контактора Рассмотрим принципиальную схему включения тиристоров в тиристорном контакторе представленной на рис. 6.13. Процесс коммутации начинается всегда с момента, когда ток в цепи отсутствует, и эта ситуация повторяется через каждые половину периода. Напряжения и ток изменяются по синусоидальному закону: u = Um sinωt. (6.1) Чтобы был обеспечен режим начала тока из нуля, каждый полупериод возникают две составляющие тока, начальные значения которых равны по величине, но противоположны по знаку. 220 i = iуст + iсв, (6.2) где iуст – установившаяся составляющая полного тока, А; iсв – апериодическая составляющая полного тока, А. Значения этих величин можно определить по следующим выражениям: i уст U = m sin (j н + w t ); Z iсв = A e - t t, где A – начальное значение апериодической составляющей полного тока; τ – постоянная времени цепи. Так как ток не может мгновенно изменяться во времени, то он разделяется на сумму двух составляющих – установившуюся (iуст) и свободную, апериодическую (iсв) таким образом, что в начальный момент времени сумма их равна нулю. Изобразим временные зависимости тока, протекающего в цепи тиристорного контактора (рис. 6.12). u, i u A φн α iуст i B iсв ωt B iу ωt Рис. 6.12. Временные зависимости тока и напряжения для пояснения принципа длительности протекания тока При большой индуктивности (L>>R) затухание будет медленным и iсв≈ A, в этом случае суммарный ток i, проходящий по тиристору VS1, будет получен графическим методом, опусканием установившегося тока на величину A. Во второй половине периода, когда открыт тиристор VS2– установившийся ток поднимается на величину A и так далее. Важно то, что каждый полупериод этот переходный процесс будет возникать заново, 221 так как ток в сварочной цепи с тиристорами начинается с нуля. В результате в процессе увеличения угла управления сдвигается от точки естественной коммутации не только левая граница тока но также «уходит» и правая граница. 6.3.3. Тиристорный контактор постоянного тока Для создания тиристорного контактора или твердотельного (полупроводникового) реле на постоянном токе для включения достаточно одного тиристора, но чтобы тиристор закрыть приходиться дополнить схему вторым тиристором и запирающим конденсатором. На постоянном токе тиристор самостоятельно закрыться не может, как это естественно получается на переменном токе, когда ток периодически сменяет полярность под действием синусоидального напряжения. Необходимо искусственно обеспечить спадание тока до значения, меньшего чем ток удержания. Поэтому тиристорные контакторы постоянного тока всегда имеют в своём составе устройство искусственной коммутации. Принцип действия. Нажимаем SB1. Подается управляющий импульс на управляющий электрод тиристора VS1 и он включается (становится проводящим). По нагрузке протекает ток. Одновременно с этим заряжается конденсатор С по цепи “+”, R, C, VS1, “-”. Ток и время заряда конденсатора регулируются сопротивлением Rз. Ток управления тиристоров ограничивается сопротивлением Rдоб. Если необходимо отключить нагрузку нажимается SB2, при этом открывается тиристор VS2, конденсатор начинает разряжаться и обратным напряжением запирается тиристор VS1. Ток в цепи нагрузки прекращается. 6.3.4. Тиристорные управляемые источники питания постоянного тока Используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока управления полупроводниковых приборов, а значит и тока нагрузки. Получается при помощи этой же схемы путём регулирования частоты и длительности между импульсами токов i1 и i2. При изменении интервала между импульсами на открытие α0 и закрытие αЗ тиристоров изменяется действующее напряжение на нагрузке, а значит и действующее значение тока нагрузки. Согласно закону Джоуля – Ленца мощность, выделяемая в нагрузке, пропорциональна квадрату тока (или квадрату напряжения, приложенного к нагрузке) и при изменении этих величин осуществляется ее регулирование. 222 Период следования отпирающих импульсов Т постоянен), а время проводимости тиристора tпров, регулируется запирающим импульсом, при этом изменяется скважность q=T/tпров. Чем выше скважность тем меньшая мощность поступает к нагрузке. Рис. 6.13. Принципиальная электрическая схема тиристорного контактора постоянного тока в двух исполнениях (а,б). Виды нагрузок: лампа освещения EL, соленоид привода выключателя YA, электродвигатель M. 223 Рис. 6.14. Принцип регулирования мощности в сети постоянного тока за счет изменения длительности протекания тока проводимости тиристора tпров в пределах периода T постоянной частоты повторений управляющих импульсов 6.3.5. Технические характеристики тиристоров Тиристор может проводить ток в одном направлении, а в закрытом состоянии может выдерживать прямое и обратное напряжение. Основные технические характеристики приведены в табл. 6.1. Типовая схема включения тиристора и его выходные и входные статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) приведены на рис. 6.15. На рис. 6.15, б представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управляющего электрода. Предельное прямое напряжение, которое выдерживает тиристор без его включения, имеет максимальное значение при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, а выключенному - ветвь I. Процессу включения соответствует участок III ВАХ. Ток удержания Iн равен минимальному допустимому 224 значению прямого тока анода iA, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Таблица 6.1 Технические характеристики тиристоров Параметр Обозначение в справочной литературе Смысловое значение* русское латинское 1 Прямое падение напряжения, В 2 3 Uпр VТ Неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, В Uнп VDSM Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, В Uп VDRM Критическая скорость нарастания напряжения du/dtmax в закрытом состоянии, В/мкс Максимальный средний ток, А du/dtcrit Iср ITAV Максимальный действующий ток, А Iдейств ITRSM Ток удержания, мА Iудерж IH Ток включения, мА Iвкл IL 225 4 Напряжение на включенном тиристоре В отличии от диода, этот параметр нормируется не только при обратном, но и при прямом направлении напряжения В отличии от диода, этот параметр нормируется не только при обратном, но и при прямом направлении напряжения Максимальная скорость изменения напряжения, которое не приводит к несанкционированному включению (без управляющего импульса) тиристора Среднее значение тока анода, не приводящее к превышению температуры тиристора Действующее значение тока анода, не приводящее к превышению температуры тиристора Наименьший ток анода, при котором тиристор удерживается в открытом состоянии Наименьший ток анода, при котором тиристор удерживается в открытом состоянии сразу после включения Значения параметра тиристоров на 6500 В, 2650 А 5 2 6500 5600 2000 2650 4160 100 500 1 Ударный неповторяющийся прямой ток, кА 2 3 Iудар ITSM Защитный показатель, кА2∙С ∫i2dt ∫i2dt Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии, А/мкс di/dtmax di/dtcrit Ток в закрытом состоянии, мА Время включения, мкс Iз.с. iD tвкл tgt Время выключения, мкс tвыкл tq Заряд обратного восстановления, мкс QВ Qrr Окончание табл. 6.1 4 5 Ток, при котором превыша45 ется максимально допустимая температура перехода, но который возникает однократно в аварийных режимах и не приводит к выходу тиристора из строя 10125 Значение интеграла от квадрата тока в аварийном режиме (используется для выбора защитного предохранителя) 500 Наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор выдерживает без повреждения Ток утечки в закрытом со600 стоянии Время, в течение которого 3 тиристор переходит из закрытого состояния в открытое 800 Наименьшее время между переходом анодного тока при выключении и моментом воздействия прямого напряжения, при котором не происходит несанкционированное включение тиристора Заряд, выводимый из тири2700 стора при его выключении Зависимость тока утечки от обратного напряжения соответствует ветви IV. При превышении обратным напряжением значения иВo начинается резкое возрастание обратного тока, приводящее к пробою тиристора. Пробой может быть необратимым и приводить к выходу тиристора из строя. В последнем случае энергия, выделяющаяся в тиристоре, должна 226 быть ограничена. В качестве нормируемых предельных параметров напряжения в закрытом состоянии обычно указывается повторяющееся и неповторяющееся, прямое и обратное максимально допустимое напряжение (табл. 6.1). Повторяющееся напряжение - это напряжение, которое тиристор выдерживает без пробоя каждый период на рабочей частоте. Неповторяющееся напряжение - это напряжение, которое тиристор выдерживает однократно с последующим длительным перерывом, необходимым для восстановления его структуры. а) б) в) Рис. 6.15 Характеристики тиристора: а – схема включения; б – входные ВАХ; в – выходные ВАХ Статические входные ВАХ, характеризующие параметры управления тиристора, представлены на рис. 6.15, в. Семейство ВАХ расположено в области, ограниченной ее значениями при максимально 1 и минимально 2 допустимой рабочей температуре тиристора. Заштрихованная область ограничена минимальными значениями тока IGmin и напряжения UGCmax цепи управления, при которых происходит включение тиристора. Суще227 ствуют также ограничения на максимально допустимые значения тока управления IGmах, напряжения управления UGC mах и мощность рассеяния PG max. Ограничения мощности зависят от длительности сигналов управления (кривая коротких импульсов управления расположена выше, а длинных ниже кривой, соответствующей ограничению мощности управления для стандартных импульсов управления). Нагрузочная характеристика, определяемая амплитудой источника сигналов управления еу mах и сопротивлением цепи управления R y , должна выбираться с учетом указанных ограничений (прямая 3 на рис. 6.15, в). В справочной литературе приводятся максимальные и минимальные значения тока и напряжения импульса управления. Часто эти данные представлены в виде графических зависимостей, учитывающих влияние температуры окружающей среды (см. рис. 6.15, в). 6.4. Описание лабораторной установки Лабораторная установка представляет собой электротехнический ящик с открывающейся дверкой. Внутри ящика размещено оборудование стенда: автоматический выключатель, понижающий трансформатор, два тиристора, включенных по встречно-параллельной схеме, электрическая нагрузка в виде двух активных сопротивлений (регулируемого и нерегулируемого) и индуктивной катушки, электронная схема системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Схема лабораторной установки приведена на рис. 6.17. Упрощенная схема СИФУ приведена на рис. 6.10. На двери изображена мнемосхема силовой части цепей тиристорного контактора с нагрузкой, размещены два вольтметра для измерения первичного и вторичного напряжения трансформатора и амперметр для измерения тока нагрузки, а также выводы для подключения дополнительных измерительных приборов и цепей осциллографа. Задания по теме 6 Программа испытаний тиристора 1. Включение тиристора (перевод тиристора в проводящее состояние) 1.1. Изобразить принципиальную электрическую схему, иллюстрирующую необходимость одновременного выполнения двух условий для включения тиристора (перевода его в проводящее состояние). Для этого использовать «прозвонку» и кратковременное прикосновение управляющего электрода к «плюсу прозвонки». Для обозначения кратковременного прикосновение ис228 пользовать графическое изображение кнопки з замыкающим импульсным контактом. 1.2. Собрать схему, изображенную в п.1.1 и осуществить перевод тиристора в проводящее состояние. Зафиксировать результат включения нагрузки (лампы прозвонки). Рис. 6.17. Принципиальная схема лабораторной установки 2. Отключение тиристора (перевод тиристора в непроводящее состояние) 2.1. Изобразить принципиальную электрическую схему, иллюстрирующую необходимость одновременного выполнения единственного условия для отключения тиристора (перевода его в непроводящее состояние). Для этого использовать схему второй «прозвонки», подключив кратковременно плюс к катоду. Для обозначения кратковременного прикосновение использовать графическое изображение кнопки с замыкающим импульсным контактом. 2.2. Собрать схему, изображенную в п.2.1 и осуществить перевод тиристора в непроводящее состояние. Зафиксировать результат выключения нагрузки (лампы прозвонки). Программа испытаний тиристорного контактора 1. Составление принципиальной электрической схемы лабораторной 229 установки в составе схемы электроснабжения лаборатории Изобразить схему лабораторной установки (далее установка), присоединенную к схеме электроснабжения лаборатории посредством линии с активно-индуктивным сопротивлением. На схеме показать стационарные (щитовые) измерительные приборы (вольтметры на первичном и вторичном напряжении трансформатора установки, амперметр во вторичной цепи); дополнительные измерительные приборы, точки подключения цепей осциллографа: для измерения тока, для измерения падений напряжения на нагрузке и на тиристорном контакторе. 2. Испытание в схеме электроснабжения при включенном тиристорном контакторе 2.1 Включить тиристорный контактор на активно-индуктивную нагрузку. Регулятором угла управления установить максимально возможный ток по щитовому амперметру (больше 2,5А), что будет соответствовать углу управления тиристорами, равному углу сдвига фаз между напряжением на нагрузке и тока нагрузки (на осциллографе будут наблюдаться полные синусоиды тока и напряжения). Несколько раз отключить и включить контактор кнопками «Стоп» и «Пуск». Убедиться, что выставленное значение тока не изменяется. Далее произвести следующие измерения и расчеты. · Зарисовать (сфотографировать) осциллограмму тока во вторичной цепи и падения напряжения на нагрузке с экрана осциллографа. · Записать величину действующих значений напряжений и тока по щитовым и дополнительным приборам, рассчитать величину амплитуды напряжения по осциллографу (или использовать режим измерений осциллографа). Сравнить показания. Сделать выводы о характере осциллограмм тока и напряжения 2.2 Повторить задания п.2.1 еще для двух значений тока: а) в диапазоне от 1,2А до 2А (вращая регулятор угла управления добиться по амперметру заданного значения тока, а по осциллографу частичной синусоиды тока и напряжения на нагрузке), б) минимального (вращая регулятор тока добиться по щитовому прибору значения тока в диапазоне 0,5А-0,8А). Сделать вывод о зависимости искажения кривой напряжения и тока нагрузки при увеличении угла управления. Сделать вывод о причинах сдвига тока от момента естественной коммутации в конце полупериода. 2.3 Повторить задания пунктов 2.1, 2.2 для активной нагрузки (при закороченной индуктивности нагрузки). Сделать выводы о характере осциллограмм тока и напряжения. Сделать вывод о зависимости искажения кривой напряжения и тока нагрузки 230 при увеличении угла управления. Сделать вывод о причинах сдвига тока от момента естественной коммутации в начале полупериода. 2.4 Используя данные измерений пунктов 2.1-2.3., построить следующие графические зависимости. · Графики зависимости напряжения на нагрузке от величины угла управления тиристорного контактора для активно-индуктивной нагрузки и для активной нагрузки. · Регулировочные характеристики тиристорного контактора (зависимость величины тока от величины угла управления тиристорного контактора). Угол управления α и угол φ определяются с помощью осциллографа. Содержание отчета по экспериментальной части Отчет должен содержать текст задания, таблицы экспериментальных данных, осциллограммы и выводы по каждому пункту задания. Индивидуальное задание 1. Изобразить схему присоединения к цеховой электрической сети однофазного трансформатора, подключенного на линейное напряжение, посредством низковольтного комплектного устройства типа «блок рубильник-предохранитель» и управляемого тиристорного контактора. К вторичной обмотке трансформатора подключена электрическая нагрузка (нарисовать в виде сопротивления Z). Изобразить следующие осциллограммы тока и напряжения для двух случаев: а) активная нагрузка (печь сопротивления), б) активноиндуктивной нагрузка (машина контактной сварки). Исходные данные параметров нагрузки и режимов работы приведены в табл. 6.2. Показать не менее чем 1,5 периода при частоте 50Гц при коэффициенте мощности равном 0,643 (tgφ=1,191; φ=50град) при угле управления тиристорами 0 и 90 Использовать следующие обозначения осциллограмм: а) напряжение сети - тонкая линия; б) напряжение на нагрузке - утолщенная линия; в) ток при угле управления 0 градусов - пунктирная линия; в) ток при угле управления 90 градусов - утолщенная линия. Заштриховать площадь, используемую для определения действующего (среднеквадратичного) значения напряжения на нагрузке при угле управления тиристорами 90 градусов. 231 2. Изобразить схему подключения к цеховой электрической сети асинхронного двигателя посредством устройства плавного пуска (УПП) с последующим шунтированием его электромагнитным контактором. Изобразить осциллограммы тока в линии, соответствующего фазного напряжения сети и напряжения на зажимах электродвигателя при угле управления тиристорами 135 градусов (показать не менее чем 2 периода). Использовать следующие обозначения осциллограмм: а) напряжение сети - тонкая линия; б) напряжение на фазе электродвигателя при введенном УПП утолщенная линия; в) ток при выведенном УПП при коэффициенте мощности равном 0,7071 (tg φ=1; φ=45град) - пунктирная линия; в) ток при введенном УПП - утолщенная линия. Заштриховать площадь, используемую для определения действующего (среднеквадратичного) значения напряжения на фазе электродвигателя. Описать режим работы тиристоров УПП после включения электромагнитного контактора. Исходные данные параметров нагрузки и режимов работы приведены в табл. 6.2. Таблица 6.2 Исходные данные для построения осциллограмм Наименование параметров Номинальное напряжение сети, В Коэффициент мощности активноиндуктивной нагрузки, о.е. Наименование параметров Угол управления тиристорами Мощность АД, кВт Напряжение вторичной обмотки трансформатора, В Сопротивление сварочной нагрузки, мОм Мощность печи сопротивления, кВт Значение параметров нагрузки для первой цифры варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 380 0,643 0,65 0,7 0,707 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,8 Значение параметров нагрузки для второй цифры варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11 15 18,5 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11 15 18,5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 110 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 232 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. Устройство, принцип действия и характеристики тиристора. Устройство, принцип действия и характеристики симистора. Вольт-амперная характеристика тиристора и симистора. Понятие бесконтактной коммутации электрической цепи. Особенности коммутации и проведения тока тиристорами и симисторами. Сформулировать принцип открытия и закрытия тиристора на переменном токе Каким образом осуществляется регулирование длительности протекания тока нагрузки тиристорного контактора переменного тока на основе схемы контактной сварки. Каким образом осуществляется регулирование величины тока нагрузки тиристорного контактора переменного тока. Принципиальная схема и осциллограммы. Принцип работы системы импульсно-фазового управления тиристорами в однофазной сети Каким образом осуществляется регулирование величины тока нагрузки тиристорного контактора постоянного тока. Принципиальная схема и осциллограммы. Переходные процессы изменения тока при работе управляемого тиристорного контактора Понятие твердотельного реле Изобразить принципиальные схемы испытания тиристора с использованием «прозвонок» Области применения твердотельных реле их достоинства, расчет эффективности использования. Модификации и технические характеристики твердотельных реле Описание принципиальной схемы лабораторной установки 233 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Акимов Е.Г. Электрические и электронные аппараты: в 2-х т. / [Е.Г. Акимов и др.] ; под ред. А.Г. Годжело, Ю.К. Розанова.- М.: Издательский центр «Академия», 2010.-352с. Беглецов Н.Н. Электрические аппараты. Руководство по выполнению базовых экспериментов / Н.Н. Беглецов, П.Н. Сенигов. – Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2007. - 10 с. Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4кВ / А.В. Беляев; М.: - Энергоатомиздат, 1988.-176с. Гардин А.И. Электрические аппараты: комплекс учебно-методических материалов / А.И. Гардин; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2008. – 172с. Гардин А.И. Электрические аппараты. Часть 2.Аппараты защиты от сверх токов: комплекс учебно-методических материалов / А.И. Гардин; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2010. – 87с. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебное пособие для неэлектротехн. спец. вузов.- М.: Высш. шк., 1984.-375с. Маньков В.Д. Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток. Справочное пособие / В.Д. Маньков, С.Ф. Заграничный. – М.: НОУ ДПО "УМИТЦ "Электро Сервис", 2006. - 160с. Монаков В.К. Устройства защитного отключения (УЗО). Теория и практика / В.К. Монаков. - 2006.-368 с. Родштейн Л.А. Электрические аппараты / Л.А. Родштейн - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 304 с. Харечко В.Н. Устройства защитного отключения / В.Н. Харечко, Ю.В. Харечко. – М.: МИЭЭ (Московский институт по энергобезопасности и энергосбережению), ООО ПТФ, 2004. - 199с. Чунихин А.А. Электрические аппараты / А.А. Чунихин - М.: Энергия, 1988. - 720 с. Электронный каталог ОАО «Дивногорский завод низковольтной аппаратуры» [Электронный ресурс]: база данных. – Дивногорск. Режим доступа: http://www.dznva.ru , свободный. – Загл. с экрана Электронный каталог Интерэлектрокомплект [Электронный ресурс]: база данных. – Группа компаний. - Режим доступа: http://www.iek.ru , свободный. – Загл. с экрана Электронный каталог ЗАО “Контактор" [Электронный ресурс]: база данных. – Ульяновск. – Режим доступа: http://www.kontaktor.ru , свободный. – Загл. с экрана 234 Приложение 1 Изучение конструкции и опытная проверка параметров трансформатора тока Цель работы Изучить принцип действия, конструкцию, характеристики и методику испытания трансформаторов тока, используемых в схемах релейной защиты. Общие сведения Трансформаторы тока (ТТ) изолируют цепи, в которые включается реле от системы высокого напряжения первичного тока и обеспечивают стандартные значения вторичного тока (5 или 1 А) при различных значениях номинальных первичных токов. Из принципиальной схемы трансформатора тока (рис. П.1.1) следует, что обе обмотки w1 и w2 охватывают один и тот же магнитопровод, то есть являются магнитосвязанными. При протекании по первичной обмотке w1 тока I1 в сердечнике создается магнитный поток Ф0, охватывающий как первичную, так вторичную обмотку w2. «Пересекая» в процессе своего изменения во времени витки обмоток, магнитный поток возбуждает во вторичной обмотке электродвижущую силу Е2, под действием которой в замкнутой цепи вторичной обмотки возникает ток I2, называемый вторичным. Рис. П.1.1. Принципиальная схема трансформатора тока: а) многовиткового; б) одновиткового. 235 Величина первичного тока I1 практически не зависит от нагрузки вторичной цепи трансформатора тока, поскольку его сопротивление с нагрузкой, приведенное к числу витков первичной обмотки, ничтожно мало по сравнению с сопротивлениями элементов электрической системы. Величина вторичного тока, а, следовательно, необходимая точность трансформатора тока обеспечивается работой его в режиме, близком к короткому замыканию зажимов вторичной цепи, т.е. с малым значением тока намагничивания. Работа с закороченной вторичной обмоткой представляет собой частный случай нормальной работы, а с разомкнутой – является недопустимой уже при номинальных первичных рабочих токах. Отношение паспортных номинальных токов первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации трансформатора тока. ТТ = ном ном (П.3.1) Основной недостаток – низкая точность при малых измеряемых токах, что вынуждает в этом случае применять многовитковые трансформаторы тока. Буквы в обозначении трансформаторов тока располагаются в определенной последовательности. В качестве начальной буквы наименования принята буква "Т". За ней ставится буква, характеризующая способ установки трансформатора тока; "П"- проходной, а отсутствие буквы "П"- опорный. Далее ставится буква, характеризующая конструкцию первичной обмотки трансформатора (О – одновитковый, Ш – шинный, К – катушечный). После этого ставится буква, характеризующая конструктивные особенности трансформатора (Ф – фарфоровая изоляция, Р – разъемный), либо особенности его назначения (Б – быстронасыщающийся, В – встроенный, Ч – для повышения частоты). На последнем месте ставится буква, показывающая род установки трансформатора тока (Н –наружная, отсутствие буквы Н – внутренняя). Цифровая часть условного обозначения типа, приписываемая к буквенной части справа, характеризует напряжение трансформатора тока, при котором погрешность в коэффициенте трансформации тока составляет 10%. При отсутствии указанных пригодность трансформаторов тока для данной защиты может быть приближенно установлена по его характеристике намагничивания = ( ном ), снимаемой опытным путем. Для трансформаторов тока нормального исполнения ном = 5 . 236 Номинальный первичный ток ном выполняется по шкале: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000,10000, 12000, 15000 А. Согласно ГОСТу зажимы обмоток трансформаторов тока обозначаются следующим образом: - первичная обмотка – начало обмотки – Л , конец обмотки – Л - вторичная обмотка – начало обмотки – И , конец обмотки – И Направление токов принято: первичный ток I1 протекает от Л1 к Л2, вторичный ток I2 – от И1 через нагрузку к И2. Выводы (зажимы) обмоток Л1, И1 и Л2, И2 при указанном направлении токов принято считать однополярными. В этом случае выполняется следующее правило: «Если ток в первичной цепи направлен к зажиму Л1 («входит в зажим Л1»), то за начало вторичной обмотки принимается тот зажим, из которого ток выходит в нагрузку, т.е зажим И1» По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся на: а) одновитковые - стержневые, с первичной обмоткой в виде прямолинейного стержня; б) одновитковые - шинные, не имеющие собственной первичной обмотки, роль которой у них выполняют шины, пропускаемые при монтаже через внутреннюю полость трансформатора тока; в) многовитковые. Основное достоинство одновитковых трансформаторов тока - высокая устойчивость токам к.з., обусловленная отсутствием межвитковых динамических усилий. Задание к экспериментальной части 1. Ознакомиться с конструктивными особенностями имеющихся в лаборатории трансформаторов тока. 2. Определить опытным путем однополярные зажимы трансформаторов тока. 3. Определить коэффициент трансформации трансформатора тока. 4. Снять характеристики намагничивания и определить исправность вторичных обмоток трансформатора тока. Методические указания 1. К п.2. Полярность выводов обмоток трансформаторов тока проверяется с помощью магнитоэлектрического прибора с обозначенной полярностью обмотки и нулем в середине шкалы по схеме рис. П.1.2. 237 Рис. П.1.2. Принципиальная электрическая схема для определения однополярных зажимов трансформаторов тока. Источник постоянного тока, в качестве которого используется сухая батарейка «Б» или аккумулятор напряжения 4-6 В, подключается последовательно с добавочным сопротивлением Rд к первичной обмотке трансформатора тока. При этом положительный полюс батарейки подключается к началу, а отрицательный – к концу первичной обмотки. Обычно используется устройство для проверки целостности электрической цепи («прозвонка»), где в качестве добавочного сопротивления применяется лампа накаливания «прозвонки». Замыкая и размыкая ключом «К» цепь первичной обмотки трансформатора тока, наблюдают за отклонением стрелки гальванометра, подключенного к вторичной обмотке трансформатора тока. Если при замыкании цепи стрелка будет отклоняться вправо, а при размыкании – влево, значит выводы первичной и вторичной обмоток, к которым подключены плюс батареи и плюс прибора, являются однополярными. Использование «прозвонки» для определения однополярных зажимов 1) определим полярность прибора. Для этого подключим «плюс» батареи к левому зажиму прибора , а «минус» батареи к правому зажиму прибора. При этом стрелка прибора должна отклониться вправо при замыкании, и - влево при размыкании. 2) проверка полярности Подключим «плюс» батареи к зажиму Л1, а «минус» батареи к зажиму Л2. Подключим «плюс» прибора к зажиму И1, а «минус» прибора к зажиму И2. При этом стрелка прибора должна отклониться вправо при замыкании плюсового вывода батареи к Л1, и влево при размыкании плюсового вывода батареи от Л1. 2. К п. 3. Проверкой коэффициента трансформации устанавливается его соответствие номинальному значению. Проверка производится по 238 схеме (рис. П.1.3). Измерительные приборы должны иметь класс точности 1 - 2,5. Отсчеты первичного тока снимаются при вторичном токе 3, 4 и 5 А. Коэффициент трансформации определяется для трех снятых отсчетов и сравнивается с ближайшим стандартным значением. Рис. П.1.3. Принципиальная электрическая схема для определения коэффициента трансформации трансформаторов тока. Несовпадение измеренного коэффициента со стандартным свидетельствует о неисправности трансформатора тока или погрешности измерения. У встроенных трансформаторов тока коэффициент трансформации должен проверяться для всех ответвлений. 3. К п.4. Характеристика намагничивания является основной характеристикой, которая определяет исправность трансформатора тока, а также возможность его применения в различных схемах релейной защиты. Для снятия характеристики намагничивания при разомкнутой первичной обмотке на зажимы вторичной обмотки (рис. П.1.4) трансформатора тока подается переменное напряжение через регулировочный автотрансформатор АТ. Увеличивая ступенями напряжение, для каждого его значения фиксируют величину тока. В настоящей лабораторной работе отсчеты должны быть сняты при токах 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10 А для каждой из вторичных обмоток. Желательно снимать характеристику намагничивания до момента «насыщения» магнитопровода, т.е. до таких значений тока, при которых дальнейшее увеличение тока не приводит к увеличению напряжения. 239 Рис. П.1.4. Принципиальная электрическая схема для снятия кривой намагничивания трансформаторов тока. Изменение тока и напряжения следует производить приборами электромагнитного или электродинамического типа, реагирующими на действующее значение измеряемых величин. При наличии короткозамкнутых витков характеристика намагничивания резко снижается, как показано на рис. П.1.5 б, что может быть обнаружено при сравнении полученной характеристики с характеристикой, снятой ранее или с характеристиками однотипных трансформаторов тока. В настоящей работе для проверки этого на одной из вторичных обмоток характеристика снимается дважды, причем второй раз при закороченных нескольких витках обмотки. U а б Iа Рис. П.1.5. Примеры кривых намагничивания: а – обмотка исправна (витки не замкнуты); б – обмотка не исправна (часть витков закорочена). 240 Внимание. Перед проверкой характеристики намагничивания и после нее производится размагничивание сердечника путем двух или трех плавных подъемов и снижений напряжения до нуля. При снятии характеристики следует избегать подачи напряжения на трансформатор тока толчком. Так как толчок намагничивающего тока может вывести из строя амперметр. Содержание отчета по экспериментальной части 1. Схемы и данные по определению однополярных зажимов, коэффициента трансформации и характеристик намагничивания трансформатора тока. 2. Начертить кривые намагничивания трансформатора тока. 3. Выводы по каждому опыту. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Принципы действия трансформаторов тока, основные уравнения. 2. Схема замещения и векторная диаграмма трансформатора тока. 3. Причины погрешности ТТ. 4. Что называется погрешностью по току и угловой погрешностью. 5. Относительная токовая погрешность и полная погрешность. 6. Характеристика намагничивания ТТ. 7. Как уменьшить ток намагничивания? 8. Требования, предъявляемые к ТТ, питающим реле защиты. 9. Маркировка выводов ТТ. 10. Буквенное обозначение ТТ. 241 Приложение 2 Выключатели автоматические серии BA-50 Выключатели предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при коротких замыканиях, перегрузках и недопустимых снижениях напряжения, а также для нечастых (до 6 в час) оперативных включений и отключений электрических цепей и рассчитаны для эксплуатации в электроустановках с номинальным напряжением до 440В постоянного тока, до 660 В переменного тока частоты 50 и 60 Гц. Допускается использовать выключатели для нечастых прямых пусков асинхронных электродвигателей. Структура условного обозначения BA5X1 – ХХ2 – ХХ3XХ4X5Х6 – 20Х73; ВА – выключатель автоматический, 5X1 – номер серии (51 - с тепловыми и электромагнитными расцепителями, нетокоограничивающие; 52 - тоже, но с повышенной коммутационной способностью, токоограничивающие; 53 - с полупроводниковыми и электромагнитными расцепителями, токоограничивающие, неселективные; 55,75 - с полупроводниковыми расцепителями,с выдержкой времени в зоне токов короткого замыкания,селективные; 56 - без максимальных расцепителей тока); XX2 – 29 - на номинальные токи 63А, 30-80А,31-100А,32-125А,33-160А, 35-250А, 37-400А, 39-630 А; 41 - 1000А; 43 - 1500 А, 45-2500А, 47-4000А. ХХ3 – число полюсов и количество максимальных расцепителей тока в комбинации с исполнением максимальных расцепителей тока по зоне защиты (3Х - 3 полюса с расцепителями тока в 3- полюсном конструктивном исполнении выключателя; 3(8)3 - расцепитель в зоне токов к.з., 3(8)4 - расцепитель в зоне токов перегрузки и к.з., 3(8)5 – расцепитель в зонах перегрузки и к.з. с выдержкой времени только для ВА55; 3(8)8 - расцепитель в зонах токов к.з., для защиты от однофазных замыканий для ВА53, 3(8)9 - расцепитель в зоне токов к.з. с выдержкой времени, для защиты от однофазных замыканий; XX4 – исполнение по дополнительным расцепителям и вспомогательным контактам (количество замыкающихся и размыкающихся вспомогательных контактов; наличие независимого расцепителя, нулевого (отключение при (0,35 ÷ 0,1)UН) и минимального (отключение при (0,70 ÷ 0,35)UН ) расцепителя напряжения; 242 Х5 – вид привода и способ установки выключателя (1 – ручной привод, стационарное исполнение, 3 – электромагнитный привод, стационарное исполнение; 5 - ручной дистанционный привод, выдвижное исполнение, 7 - электромагнитный привод, выдвижное исполнение); X6 – исполнение по дополнительным механизмам (0 - отсутствуют; 5 механизм для оперирования через дверь распределительного устройства выключателем стационарного исполнения с ручным приводом; 6 – устройство для блокировки положений "включено" и "отключено"); 20 – степень защиты выключателя по ГОСТ 15150-69, IP- 20, выводов IP-00; Х3–климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70 (У, УХЛ, Т) и категория размещения 3. Основные технические характеристики выключателей приведены в.табл. 1, 2.П.2. Выключатели с комбинированными расцепителями допускают повторное включение после отключения токов перегрузки через время не более 3 мин, токов к.з. - не более 2 мин. Выключатели не срабатывают в течении времени менее 2 ч при начале отсчета с холодного состояния при токе 1,05IНР и срабатывают при токе 1,25IНР менее 2 ч при начале отсчета с нагретого , состояния (током 1,05IНР в течении 2 ч). Время-токовые характеристики выключателей приведены на рис. П.2.1-4. Рис. П.2.1. Характеристика токоограничения выключателей переменного тока типа ВА53-41: cosφ=0.2; UH=380B: IM – пропускаемый ток (мгновенное амплитудное значение) ; I – ожидаемый ток (эффективное значение); 1 – без ограничения тока; 2 – с ограничением тока 243 Выключатели с полупроводниковыми максимальными расцепителями токa в условиях эксплуатации допускают ступенчатую регулировку следующих параметров: номинального тока расцепителя (IНР), уставки по току срабатывания в зоне токов к.з., уставки по времени срабатывания в зоне токов перегрузки при 6IНР для переменного тока (t6) и 5IНР для постоянного тока, уставки по времени срабатывания в зоне токов к.з. (IСО) (для выключателей типа ВА55 - 41, 43). Уставки по току и времени срабатывания приведены в табл. П.2.2. Отклонения фактических значений тока и временя выключателей с полупроводниковыми расцепителями тока, не превышают 20% от установленных. Времятоковые характеристики выключателей приведены на рис. П.2.2-П.2.4. Рис. П.2.2. Времятоковые характеристики выключателей типов ВА51-39 и ВА5239 (с холодного состояния) Таблица П.2.1 Технические характеристики выключателей ВА-50 Тип выключателей ВА51 – 39 ВА52 – 39 ВА53 – 41 ВА55 – 41 IН, А 630 1000 Предельная коммутационная Износостойкость способность, кА выключателей при напряжении, В Общее количество Из них под циклов ВО нагрузкой 380 660 440 35 20 70,0 (-220В) 16000 2000 40-55 25-30 55-100 135 33,5 110 10000 2000 55 33,5 100 244 Таблица П.2.2 Основные технические характеристики выключателей серии ВА Комбинированный расцепитель тока Полупроводниковый расцепитель тока Тип выключат IН , А еля Электр отепловой магнит- IНР , А IСП, A t6 , c IСО , А TСО , c IСО(1) ный IНР , А IСО , А ВА51 – 39 400,500,630 630 250,320,400 10IНР – – – – – – ВА52 – 39 500,630 BA53 – 41 – (0,63; 1,25 4,8,1 (2,3,5, – – 0,8; BA55 – 41 1000 0,1;0,2;0. 1,0 IНР IНР 6 7) IНР 1,0) IН 3 IН – номинальный (базовый) ток выключателя; IНР – номинальный ток расцепителя; IСП – уставка по току срабатывания в зоне перегрузки; IСО – уставка по току срабатывания в зоне КЗ. (IСО – при междуфазных КЗ- при однофазных КЗ); t6 , tСО – уставки времени срабатывания при токах соответственно: шестикратной перегрузки (6IНР) и при КЗ. Рис. П.2.3. Времятоковая характеристика выключателей переменного тока типа ВА55-41 245 Рис. П.2.4. Времятоковая характеристика выключателей переменного тока с защитой от однофазного замыкания: 1 – выключатели типа ВА53 – 41; 2, 3, 4, -выключатели типа ВА55-41 Выключатели автоматические типов ВА47-36, ВА47-38 Выключатели предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при коротких замыканиях и перегрузках в полупроводниковых, преобразователях. Структура условного обозначения ВА47 –XX1 – ХХ2113О – 20X4 ; ВА – выключатель автоматический; 47 – номер серии; XX1 – номинальный ток (36 - 320 А; 38 - 500 А); ХХ2 – число полюсов в комбинации с защитой от токов к.з. (12 - 1 полюс с защитой, 27 - 2 полюса с защитой без выдержки времени; 32 - 3 полюса с защитой); 11 – наличие свободных контактов, 3 – вид привода и способ установки аппарата (двигательный привод, стационарное исполнение); 0 – дополнительные механизмы отсутствуют; 20 – степень защиты по ГОСТ 14255-69 (IP -20); Х4 – исполнение по климатическому воздействию по ГОСТ 1515069; УХЛ4, 04. 246 Конструкция и принцип действия Выключатели обеспечивают высокую степень токоограничения вследствие наличия индукционно-динамического привода и электромагнитной дугогасительной системы. Они состоят из однополюсных контактных устройств, блоков управления и конденсаторов. Предусматривается дистанционное управление. Сигнал на отключение выключателя может подаваться как по цепи дистанционного отключения, так и от датчиков тока КЗ, встроенных в аппарат. Таблица П.2.3. Технические данные выключателей автоматических типов ВА47-36, ВА47-38 Наименование Отключаемый ток к.з., кА Общее количество отключений, циклов Пропускаемый ток, не более, кА Интеграл отключения, А2 с Собственное время отключения, мс Коммутационная износостойкость, циклов ВО Механическая износостойкость, циклов ВО Гарантийный срок, годы Срок службы, год 247 Для выключателей Для выключателей постоянного тока переменного тока 220 В 440 В 220, 380В 15 20 25 50 25 6 12 3 100 х 10 320 х 103 4 1 2000 2000 10000 10000 2 20 2 20 Приложение 3 Применение УЗО в электроустановках различных систем заземления Классификация электрических сетей Системы электрических сетей классифицируются по ГОСТ 50571294 (МЭК-364-3-93). Для классификации используются две буквы, указывающие характер заземления: - первая буква – указывает характер заземления нейтрали источника; - вторая буква – указывает характер заземления открытых проводящих нетоковедущих частей электроустановок (корпуса). В обозначении используются начальные буквы французских слов: T (terre) – заземлено; N (neutre) – занулено (присоединено к нейтрали источника питания); I (isole) – изолировано. Выделяются три системы сетей: TT, IT, TN. 1) TT – нейтраль источника и корпуса электроприемников заземлены; Рис. П.3.1. Система сети TT На территории России по такой системе выполняются электрические сети напряжением 110 кВ и выше а также в электроустановках индивидуальных жилых домов, коттеджей, дачных (садовых) домов и других частных сооружений. Примечание. В примерах в качестве источников показаны вторичные обмотки трансформаторов (источниками питания могут служить также обмотки генераторов). 2) IT – нейтраль источника изолирована, а корпуса электроприемников заземлены; На территории России по такой системе выполняются электрические сети напряжением 6, 10, 35 кВ. 248 Рис. П.3.2. Система сети IT 3) TN – нейтраль источника заземлена, а корпуса электроприемников занулены. Схема TN имеет 3 модификации в зависимости от устройства нулевого рабочего и нулевого защитного проводников. Схема TN-С (common, combine) – функция нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (PE) проводников объединены в одном проводнике, который называется PEN. TN-C ~ PEN A X1 B X2 C X3 N X4 PE Рис. П.3.3. Система сети TN-C Схема TN-S (select, separe) – функция нулевого рабочего и нулевого защитного проводников обеcпечивается отдельными проводниками, соответственно N и PE. Рис. П.3.4. Система сети TN-S Схема TN-С-S – нулевые проводники на головных участках объединены в проводник PEN, а далее разделены на проводники N и PE. 249 На территории России по такой системе выполняются электрические сети напряжением 0,4 кВ. Рис. П.3.5. Система сети TN-C-S Защита в электроустановках системы ТТ В системе ТТ все открытые проводящее части электроустановки присоединены к заземлению, электрически независимому от заземлителя нейтрали источника питания. ГОСТ Р 50669-94 предписывает применение системы ТТ как основной в случае подключения указанных электроустановок к вводнораспреде-лительным устройствам соседнего (капитального) здания. В стандарте ГОСТ Р 50571.3-94 п. 413.1.4 указано, что в системе ТТ устройства защиты от сверхтока (автоматические выключатели, предохранители) могут использоваться для защиты от косвенного прикосновения только в электроустановках, имеющих заземляющие устройства с очень малым сопротивлением. При этом гарантированное отключение питания электроустановки должно производиться при появлении на открытых проводящих частях электроустановки напряжения не более 50 В. В реальных условиях осуществить автоматическое отключение питания электроустановки системы ТТ с помощью автоматических выключателей по ряду причин (необходимости обеспечения большой кратности тока короткого замыкания, низкого сопротивления заземляющего устройства и др.) весьма проблематично. Эффективное решение проблемы автоматического отключения питания дает только применение УЗО. 250 Электроустановка здания A A B B C C N N PE IΔ1 IΔ IΔ1 IΔ2 Защитный проводник PE Нулевой рабочий проводник N Рис. П.3.6. Схема электроустановки здания с применением системы TT В п. 1.7.59 ПУЭ (7-е изд.) содержится требование обязательного применения УЗО для обеспечения условий электробезопасности в системе ТТ. При этом уставка (номинальный отключающий дифференциальный ток) должна быть меньше значения тока замыкания на заземленные открытые проводящие части при напряжении на них 50 В относительно зоны нулевого потенциала. Это означает, что в электроустановках индивидуальных жилых домов, коттеджей, дачных (садовых) домов и других частных сооружений, где не всегда имеется возможность выполнить заземлитель с требуемыми нормами параметрами, необходимо применять систему ТТ с обязательной установкой УЗО. В этом случае требования к значению сопротивления заземлителя значительно снижаются. Таблица П.3.1 Допустимые значения сопротивления заземления Сопротивление заземления Rз, Ом Номинальный отключающий дифференциальный ток I Dп , мА 251 5000 166 6 500 166 100 10 30 100 300 500 Защита в электроустановках системы TN Электроустановки системы TN-C В электроустановках системы TN все открытые проводящие части электроустановок должны быть присоединены к заземленной нейтральной точке источника питания посредством защитных проводников. Основное условие электробезопасности системы TN состоит в том, чтобы значение тока при коротком замыкании между фазным проводником и открытой проводящей частью превышало величину тока срабатывания защитного устройства за нормированное время. В случае использования в качестве защитного устройства УЗО значение тока короткого замыкания следует заменить на значение номинального отключающего дифференциального тока устройства I∆п. При этом задача обеспечения низкого значения сопротивления "фаза-ноль", которую надо решать при использовании защиты от сверхтока, заменяется на проверку работоспособности УЗО и защитного проводника. Контроль сопротивления цепи "фаза-ноль" следует производить только на входных зажимах УЗО. Самой используемой разновидностью системы TN является система TN-C. В качестве защитного проводника при этом используется проводник PEN, который одновременно выполняет функции рабочего и нулевого защитного проводника. Рис. П.3.7 Схема электроустановки здания с применением системы TN-C 252 В ПУЭ 7-го издания имеется указание: "Не допускается применять УЗО, реагирующее на дифференциальный ток, в четырехпроводных трехфазных цепях (система TN-C). В случае необходимости применения УЗО для защиты отдельных электроприемников, получающих питание от системы TN-C, защитный РЕ проводник электроприемника должен быть подключен к PEN проводнику цепи, питающей электроприемник, до защитно-коммутационного аппарата". Это означает, что как исключение для защиты отдельных электроприемников ПУЭ допускают применение УЗО в системе TN-C, при соблюдении определенных условий - подсоединения открытых проводящих частей электроприемников к PEN - проводнику со стороны источника питания по отношению к УЗО. Электроустановки системы TN-S Рис. П.3.8. Схема электроустановки здания с применением системы TN-S Более современной и в большинстве случаев более безопасной является система TN-S, где используется самостоятельный нулевой защитный проводник РЕ и нулевой рабочий проводник N, которые прокладываются раздельно, начиная от вывода источника питания. Эта система уже долгое время используются в телекоммуникационных сетях (при этом исключаются помехи в слаботочных сетях, образующиеся при протекании части рабочего тока в земле в сети системы TN-C). Применение УЗО обязательно, кроме оговоренных особых случаев (например, цепи питания пожарной сигнализации). 253 Электроустановки системы TN-C-S При разделении, например в групповом щитке, в электроустановке системы TN проводника PEN на отдельные проводники РЕ и N образуется система TN-C-S. При этом, как в сети системы TN-S, проводники РЕ и N должны прокладываться раздельно, а их соединение после точки раздела недопустимо. Данная система в настоящее время - основная, которую можно выполнить в отдельной части электроустановки при проведении реконструкции. Рис. П.3.9. Схема электроустановки здания с применением системы TN-C-S Защита в электроустановках системы IT В системе IT значение тока замыкания на землю определяется состоянием изоляции сети относительно земли. При хорошем состоянии изоляции (высоком сопротивлении относительно земли) ток замыкания на землю очень мал. В случае прямого прикосновения человека к токоведущим частям электроустановки ток через тело человека также определяется сопротивлением изоляции и при сопротивлении изоляции выше определенного значения не представляет опасности для жизни. Таким образом, уровень сопротивления изоляции является в системе IT фактором, определяющим как надежность, так и электробезопасность ее эксплуатации, поэтому очень важно поддерживать сопротивление изоляции на высоком уровне и ведение автоматического постоянного контроля изоляции должно быть обязательным электрозащитным мероприятием. 254 Рис. П.3.10. Схема электроустановки здания с применением системы IT Применение УЗО в системе IT регламентируется ПУЭ 7-го издания следующим образом (п. 1.7.58): "...В таких электроустановках для защиты при косвенном прикосновении при первом замыкании на землю должно быть выполнено защитное заземление в сочетании с контролем изоляции сети или применены УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА". В электроустановках системы IT устройства контроля изоляции подают сигнал при первом замыкании на землю. Если до устранения первого замыкания происходит второе замыкание на землю, то происходит срабатывание УЗО. Основное требование при использовании УЗО - устанавливать его необходимо как можно ближе к электроприемнику. Одновременное функционирование устройств контроля изоляции и УЗО не оказывает влияния на работу каждого из этих устройств. 255 Приложение 4 Конструкция и основные параметры твердотельных реле Таблица П.4.1 Модификация твердотельных реле KIPPRIBOR Серия Тип реле Тип управляющего сигнала Номи- Коммути- Выходной элемент нальные руемое (ключ) токи, А напряжение Рекомендуемый тип нагрузки Нагревательные элементы, лампы Симистор накаливания, ка(TRIAC) тушки клапанов, соленоидов MD Однофазное Напряжение MDxxxxZD3 3…32 V DC HD Однофазное Напряжение 10, 25, 40 40…440 V Симистор AC HDxxxxZD3 3…32 V DC (TRIAC) Нагревательные элементы, лампы 10, 25, 40 Симистор накаливания, каНапряжение (TRIAC) тушки клапанов, Однофазное 90…250 HDxxxxZA2 Тиристор соленоидов V AC 60, 80 (Thyristor) ТранзиУправление Однофазное Напряжение 20…250 нагрузкой по10, 25, 40 стор HDxxxxDD3 3…32 V DC V DC (Transistor) стоянного тока Нагревательные Переменный Однофазное 40…440 V Симистор элементы, лампы резистор 10, 25, 40 HDxxxxVA AC (TRIAC) накаливания 470-560 кОм HDH Однофазное Напряжение HDHxxxxZD3 3…32 V DC 5, 10, 15 60, 80, 100, 120 Напряжение 10, 25, 40 90…250 Трехфазное V AC HTxxxxZA2 60, 80 60, 80, 100, 120 Симистор Маломощные (TRIAC) асинхронные Тиристор электродвигате(Thyristor) ли, нагревательСимистор ные элементы, (TRIAC) лампы накалиТиристор вания (Thyristor) Промыш100, 120, ленное од- Напряжение 150, 200, нофазное 3…32 V DC 250 BDHxxxZD3 Асинхронные электродвигатели, нагревательные элементы HT 10, 25, 40 Трехфазное Напряжение HTxxxxZD3 3…32 V DC BDH Тиристор (SCR) Маломощные однофазные электродвигатели, лампы накаливания, катушки клапанов, соленоидов 256 Тиристор (SCR) Выбор необходимой модели твердотельного реле зависит от ряда факторов, среди которых основными являются: 1) ток нагрузки; 2) тип нагрузки; 3) величина питающего напряжения; 4) тип управляющего сигнала. Таблица П.4.2 Спецификация элементов твердотельных реле Модификация твердотельного реле MDxxxxZD3 Технические характеристики Тип выходного элемента Симистор (TRIAC) Напряжение управления 3…32 V DC Потребляемый ток в цепи управления 6…35 мА Напряжение управления 3 V DC / 1 V DC (порог включения / порог выключения) Индикация наличия управляющего сигнала Светодиод Коммутируемое напряжение 40…440 V AC Номинальный ток (варианты исполнения) 5 А, 10 А, 15 А Максимальное пиковое напряжение 900 V AC Падение напряжения в цепи нагрузки (вклю≤1,6 V AC ченное состояние) Время переключения реле при частоте сети 50 ≤10 мс Гц Ток утечки на выходе в выключенном состо≤10 мА янии Сопротивление изоляции 500 мОм при 500 V DC Напряжение изоляции по переменному току 2500 V за минуту Условия эксплуатации Температура окружающего воздуха -30…+80 °С Атмосферное давление 84…106,7 кПА Относительная влажность воздуха ≤ 98 % (при +35°С и ниже при конденсации влаги) Корпус Габаритные размеры 38,5 х 28,7 х 18 мм Тип монтажа Крепление винтами на плоскость Масса ≤ 30 г Примечание: 1) при токе нагрузки большем 5 А монтаж реле осуществляется на охлаждающий радиатор; 2) при использовании реле для управления индуктивной нагрузкой необходимо установить варистор параллельно цепи нагрузки (в соответствии со схемой включения). 257 Твердотельные реле серии MD для нагрузки от 5 А до 15 А Твердотельные реле серии MD предназначены для управления однофазной электрической нагрузкой от 5 А до 15 А. Реле серии MD изготавливаются в корпусе уменьшенного размера. Малые размеры позволяют значительно экономить место при монтаже. Реле имеют симисторный выход (TRIAC). Структура условного обозначения: MD1044XXX M – тип корпуса твердотельного реле «М»; D – однофазное; 10 – номинальный рабочий ток, А: 5;10;15; 44 – номинальное коммутируемое напряжение, В: «44»: 440 V AC; XXX – тип управляющего сигнала и коммутируемого напряжения (ZD3 – управление 3…32 V DC, коммутация напряжения постоянного тока ). Области применения а) управление однофазной электрической нагрузкой: лампы накаливания; нагревательные элементы; катушки электромагнитов; б) управление регулирующими клапанами (задвижками) посредством двух однофазных твердотельных реле совместно с регуляторами, работающими по принципу «больше − меньше». Таблица П.4.3 Варианты исполнения Коммутируемое напряжение 440 V AC Напряжение управления 3…32 V DC Номинальный рабочий ток / Модификация реле 5А 10 А 15 А MDO544ZD3 MD1044ZD3 MD1544ZD3 Радиатор выбирается в соответствии с номинальным рабочим током. Например, для допустимого тока нагрузки не более 20А применяется модель радиатора типа РТР060; не более 40А применяется модель радиатора типа РТР061, РТР036; не более 60А применяется модель радиатора типа РТР062, РТР037; не более 100А применяется модель радиатора типа РТР063, РТР038. 258 блок контроля 4 перехода через 0 управляющее напряжение 1 + RU или U 2 3 ~ нагрузка напряжение питания нагрузки – нагрузка ~ Рис.П.4.1. Схема включения MDxxxxZD3 1 Рис.П.4.2. Габаритные размеры MDxxxxZD3, мм Твердотельные реле серии HD для нагрузки от 10 А до 80 А Твердотельные реле серии HD предназначены для управления однофазной электрической нагрузкой от 10 до 80 А. Реле серии НD изготавливаются в нескольких модификациях и отличаются типом управляющего сигнала и родом тока коммутируемой цепи. Реле имеют выходы: симисторный (TRIAC) для модификаций: ZD3, ZA2, VA и транзисторный для модификации DD3. Твердотельные реле KIPPRIBOR с типом управления DD3 – это реле для коммутации нагрузок постоянного тока. Данные реле выпускаются на номинальные токи – 10 А, 25 А, 40 А и имеют следующие обозначения: HD1025DD3, HD2525DD3, HD4025DD3. 259 Области применения а) управления однофазной электрической нагрузкой преимущественно резистивного характера: нагревательные элементы, лампы накаливания, катушки клапанов, соленоидов, электромагнитов (HD xxxx ZA2, HD xxxx ZD3); б) управление нагрузкой постоянного тока (HD xxxx DD3); в) ручное управление нагревательными элементами (регулирование мощности ТЭНов, спиралей), лампами накаливания (регулирование уровня освещенности) (HDxxxxVA). Твердотельные реле KIPPRIBOR с типом управления VA – это реле с возможностью регулирования напряжения нагрузки при помощи управляющего переменного резистора. Данные реле выпускаются на номинальные токи - 10 А, 25 А, 40 А и имеют следующие обозначения: HD1044VA, HD2544VA, HD4044VA. Основные характеристики Тип коммутации: переключение в «0», коммутация постоянного тока; Максимально допустимое импульсное напряжение: - 900 V AC – для модификаций ZD3, ZA2, VA; - 400 V DC – для модификации DD3. Таблица П.4.4 Варианты исполнения Коммутируемое напряжение 440 V AC 250 V DC 440 V AC Напряжение управления 3…32 V DC 90…250 V AC 3…32 V DC Переменный резистор 470-560 кОм Модификация реле для номинального рабочего тока 10 А 25 А 40 А 60 А 80 А HD1044ZD3 HD2544ZD3 HD4044ZD3 − − HD1044ZA2 HD2544ZA2 HD4044ZA2 HD6044ZA2 HD8044ZA2 HD1025DD3 HD2525DD3 HD4025DD3 HD1044VA HD2544VA HD4044VA − − − − Светодиодная индикация для контроля наличия входного сигнала Три типа управления: напряжением постоянного тока 3…32 V DC, напряжением переменного тока 90… 250 V AC, ручное управление переменным резистором 470…560 кОм. 260 Таблица П.4.5 Спецификация Модификация твердотельного реле HDxxxxDD3 HDxxxxZD3 HDxxxxZA2 Технические характеристики Тип выходного элемен- Транзистор Симистор Симистор та (Transistor) (TRIAC) (TRIAC) Напряжение управления 5…32 V DC 3…32 V DC 90…250 V AC HDxxxxVA Симистор (TRIAC) Переменный резистор 470-560 кОм Потребляемый ток в 5…35 мА 6…35 мА 5…30 мА − цепи управления Напряжение управле5 V DC ния 3 V DC 90 V AC − (порог включения / по1 V DC 1 V DC 10 V AC рог выключения) Коммутируемое 20…250 V DC 40…440 V AC 40…440 V AC 40…440 V AC напряжение Номинальный ток (ва10, 25, 40, 60, 10, 25, 40 10, 25, 40 10, 25, 40 рианты исполнения), А 80 Максимальное пиковое 400 V DC 900 V AC напряжение Падение напряжения в цепи нагрузки (вклю≤ 1,2 V DC ≤ 1,6 V AC ≤ 1,6 V AC − ченное состояние) Время переключения реле при частоте сети ≤ 5 мс ≤ 10 мс ≤ 10 мс − 50 Гц Ток утечки на выходе в ≤ 10 мА выключенном состоя≤ 5мА ≤ 10 мА ≤ 10 мА (TRIAC) нии Индикация наличия Светодиод управляющего сигнала Сопротивление изоля500 МОМ при 500 V DC ции Напряжение изоляции 2500 V в течении одной минуты по переменному току Примечание: 1) При токе нагрузки большем 5 А монтаж реле осуществляется на охлаждающий радиатор; 2) При использовании реле для управления индуктивной нагрузкой необходимо установить варистор (или диод) параллельно цепи нагрузки (в соответствии со схемой включения); 3) Выходной элемент симистор (TRIAC) используется на номинальные токи до 40 А включительно, от 60 А – тиристор (Thyristor); 4) Корпус для всех модификаций имеет размеры 57,2 х 43,5 х 29 мм, масса менее 150г и крепится винтами на плоскость радиатора; 5) Условия эксплуатации: температура окружающего воздухас -30…+80 °С, атмосферное давление 84…106,7 кПА, относительная влажность воздуха (при +35°С и ниже при конденсации влаги) ≤ 98 % 261 блок контроля перехода через 0 ~ нагрузка 1 управляющее напряжение 4 напряжение питания нагрузки - RU или U 2 3 + нагрузка ~ Рис.П.4.3. Схема включения HDxxxxZD3 1 Переменное управляющее напряжение нагрузка RU или U 2 3 ~ напряжение питания нагрузки блок контроля перехода через 0 4 нагрузка ~ Рис.П.4.4. Схема включения HDxxxxZА2 3 RU или U 2 цепь сдвига фаз Рис.П.4.5. Схема включения HDxxxxVA 262 ~ нагрузка 1 нагрузка напряжение питания нагрузки цепь устранения сдвига фаз потенциометр 470 кОм 4 ~ Структура условного обозначения: HD1044XXX H – тип корпуса твердотельного реле «H»; D – количество фаз «D»: однофазное; 10 – номинальный рабочий ток, А: 10; 25; 40; 60; 80; 44 – номинальное коммутируемое напряжение, В: «44»: 440 V AC; «25»: 250 V DC; XXX – тип управляющего сигнала и коммутируемого напряжения (ZD3 – управление 3…32 V DC, коммутация напряжения постоянного тока; ZA2 – управление 90…250 V AC, коммутация напряжения переменного тока; DD3 – управление 3…32 V DC, коммутация напряжения постоянного тока; VA – управление переменным 470-560 кОм, регулирование напряжения переменного тока). 1 2 4 3 Рис.П.4.6. Габаритные размеры твердотельного реле типа HD 263 Приложение 5 Методические указания по проведению экспериментов на лабораторном стенде №3 Снятие времятоковой характеристики автоматического воздушного выключателя Рис. П.5.1. Испытание АВ. Электрическая схема соединений Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1. 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений. 4. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 5. Включите выключатель «СЕТЬ» измерителя тока и времени Р2. 6. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее по часовой стрелке положение. 7. Включите выключатель А11. 8. Включите выключатель «СЕТЬ» автотрансформатора А1. 264 9. После отключения выключателя А11 считайте показания тока I и времени t, высвечивающиеся на индикаторах измерителя тока и времени Р2, и занесите времени срабатывания от тока в таблицу. 10. Отключите выключатель «СЕТЬ» автотрансформатора А1. 11. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки примерно на 45 градусов. 12. Спустя, например, 5 минут (время необходимое для остывания автоматического выключателя) повторите операции начиная с включения выключателя А11 и заканчивая поворотом регулировочной рукоятки автотрансформатора А1. 13. Операции повторяйте до тех пор, пока после включения выключателя «СЕТЬ» автотрансформатора А1 выключатель А11 не перестанет отключаться. 14. Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. 15. Отключите выключатели «СЕТЬ» автотрансформатора А1, измерителя тока и времени Р2. 16. Используя, снятые ранее, зависимости времени срабатывания от протекаемого тока, постройте искомую времятоковую характеристику t=f(I) автоматического воздушного выключателя. Определение коэффициента возврата электромагнитного контактора Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1. 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений 1 рис. П.5.2. (питание обмотки контактора синусоидальным током промышленной частоты) или 2 рис. П.5.2. (питание обмотки контактора выпрямленным током). 4. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение. 5. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 6. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1. 7. Включите используемый мультиметр Р1.1. 265 Схема 1 Схема 2 Рис. П.5.2. Испытание контактора. Электрические схемы соединений 266 8. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте напряжение, прикладываемое к обмотке контактора А2. 9. В момент включения контактора зафиксируйте с помощью вольтметра Р1.1 напряжение U1. 10. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки, уменьшайте напряжение, прикладываемое к обмотке контактора А2. 11. В момент отключения контактора зафиксируйте с помощью вольтметра Р1.1 напряжение U2. 12. Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. 13. Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1. 14. Вычислите коэффициент возврата электромагнитного контактора как отношение U2 к U1. Снятие времятоковой характеристики теплового реле. Рис. П.5.3. Испытание теплового реле. Электрическая схема соединений Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1. 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений. 4. Отключите выключатель A11. 267 5. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение. 6. Вращая регулировочный винт, установите желаемую уставку электротеплового реле А5. 7. Если выступает шток электротеплового реле А5, то нажмите его. 8. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 9. Включите выключатели «СЕТЬ» автотрансформатора А1, блока мультиметров Р1, измерителя тока и времени Р2. 10. Включите используемый мультиметр Р1.1. 11. Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1. установите по вольтметру Р1.1 напряжение, на выходе автотрансформатора А1 равное, например, 200 В. 12. Включите выключатель A11. 13. После срабатывания электротеплового реле А5 считайте показания тока I и времени t, высвечивающиеся на индикаторах измерителя тока и времени Р2, и занесите их в таблицу. 14. Отключите выключатель A11. 15. Нажмите выступающий шток электротеплового реле А5. Уменьшите напряжение на выходе автотрансформатора А1, например, на 20 В. Спустя, например, 5 минут повторите операции начиная с включения выключателя А11 и заканчивая уменьшением напряжения на выходе автотрансформатора А1. Операции повторяйте до тех пор, пока после включения выключателя A11 электротепловое реле А5 не перестанет отключаться. 16. Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. Отключите выключатели «СЕТЬ» автотрансформатора А1, блока мультиметров Р1, измерителя тока и времени Р2. 17. Используя снятые данные, постройте искомую времятоковую характеристику t=f(I) электротеплового реле. Определение коэффициента возврата электромагнитного промежуточного реле переменного напряжения Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1. 268 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений. Рис. П.5.4. Испытание электромагнитного реле напряжения. Электрическая схема соединений 4. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение. 5. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 6. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1. 7. Активизируйте используемый мультиметр Р1.1. 8. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте напряжение, прикладываемое к обмотке реле А8. 9. В момент срабатывания реле А8 зафиксируйте с помощью вольтметра Р1.1 напряжение U1. 10. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки, уменьшайте напряжение, прикладываемое к обмотке реле А8. 11. В момент возврата реле А8 зафиксируйте с помощью вольтметра Р1.1 напряжение Uj. 12. Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. 269 13. Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1. 14. Вычислите коэффициент возврата электромагнитного промежуточного реле переменного напряжения как отношение U2 к U1. Определение коэффициента возврата электромагнитного реле переменного тока Рис. П.5.5. Испытание электромагнитного реле тока. Электрическая схема соединений Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1. 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений. 4. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение. 5. Установите желаемую уставку реле тока А7, например 1,5 А. 6. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 7. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1. 8. Включите используемые мультиметры Р1.2 и Р1.3. 270 9. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте ток, протекающий по обмотке реле А7. 10. В момент срабатывания реле А7 (определяется по появлению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.3) зафиксируйте с помощью амперметра Р1.2 ток I. 11. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки, уменьшайте ток, протекающий по обмотке реле А7. 12. В момент возврата реле А7 (определяется по исчезновению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.3) зафиксируйте с помощью амперметра Р1.2 ток I. 13. Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. 14. Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1. 15. Вычислите коэффициент возврата электромагнитного реле переменного тока как отношение I2 к I1. Работа магнитного пускателя в нереверсивной схеме управления асинхронным двигателем Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений. 4. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 5. Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1. 6. Включите используемые мультиметры Р1.1 и Р1.2. 7. Включите источник G2. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. 8. Включите выключатель А10. 271 Рис. П.5.6. Магнитный пускатель в нереверсивной схеме АД. Принципиальная схема. Электрическая схема соединений 272 Рис. П.5.7. Магнитный пускатель в нереверсивной схеме АД. Электрическая схема соединений. 9. Включите выключатель A11. В результате загорится зеленая лампа блока А13, сигнализирующая о готовности двигателя M1 к пуску. 10. Нажмите верхнюю кнопку поста управления А12. В результате произойдет прямой пуск двигателя Ml, о чем будет сигнализировать загоревшаяся красная лампа в блоке А13. Вольтметр Р1.1 и амперметр Р1.2 покажут напряжение и ток двигателя Ml. Зеленая лампа в блоке А13 погаснет. 11. Нажмите нижнюю кнопку поста управления А12. В результате произойдет отключение двигателя M1 от электрической сети и последующий его останов. Двигатель M1 будет готов к очередному пуску, о чем будет сигнализировать загоревшаяся зеленая лампа в блоке А13. Красная лампа в блоке А13 погаснет. 12. По завершении эксперимента отключите нажатием на кнопку «красный гриб» трехфазный источник питания G2 и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. 273 Работа магнитного пускателя в реверсивной схеме управления асинхронным двигателем Рис. П.5.8. Магнитный пускатель в реверсивной схеме АД. Схема электрическая принципиальная. Указания по проведению эксперимента 1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. 2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. 3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений. 4. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1. 274 Рис. П.5.9. Магнитный пускатель в реверсивной схеме АД. Электрическая схема соединений 5. Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров PL 6. Включите используемые мультиметры Р1.1 и Р1.2. 7. Включите источник G2. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. 8. Включите выключатель А10. 9. Включите выключатель A11. В результате загорится зеленая лампа блока А13, сигнализирующая о готовности двигателя Ml к пуску. 10. Нажмите верхнюю кнопку поста управления А12. В результате произойдет прямой пуск двигателя M1, о чем будет сигнализировать загоревшаяся красная лампа в блоке А13. Вольтметр Р1.1 и амперметр Р1.2 покажут напряжение и ток двигателя M1. Зеленая лампа в блоке А13 погаснет. 11. Нажмите среднюю кнопку поста управления А12. В результате произойдет реверс двигателя M1, о чем будет сигнализировать загоревшаяся средняя красная лампа в блоке А13. Вольтметр Р1.1 и амперметр Р1.2 покажут напряжение и ток двигателя M1. 12. Нажмите нижнюю кнопку поста управления А12. В результате произойдет отключение двигателя M1 от электрической сети и 275 последующий его останов. Двигатель M1 будет готов к очередному пуску, о чем будет сигнализировать загоревшаяся зеленая лампа в блоке А13. Красная лампа в блоке А13 погаснет. 13. По завершении эксперимента отключите нажатием на кнопку «красный гриб» трехфазный источник питания G2 и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. 276 Приложение 6 Краткие сведения об электрической нагрузке Термин электронагрузка очевидно возник от того, что мы чем то «нагружаем» источник электродвижущей силы. Существует три вида «идеальных элементов», которые своим сочетанием формируют электрическую нагрузку. Виды нагрузок 1. Резистор (от лат. resisto – сопротивление) – электротехническое изделие, которое оказывает известное активное сопротивление электрическому току. В цепи переменного тока резистором называется активное сопротивление (R) – это идеальный элемент, в котором происходит процесс необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (электрокамин, утюг, электрочайник, электрическая дуга – в тепловую энергию; электролизная ванна – в химическую энергию). Рис. П.6.1. Схема подключения резистора к сети = = sinω , (П.6.1.) где i, Im, I – ток через элемент, соответственно мгновенное, максимальное (амплитудное) и действующее значение.; u, Um ,U – напряжение, на которое подключается элемент, соответственно мгновенное, максимальное (амплитудное) и действующее значение. В этом случае ток и напряжение совпадают по фазе. Рис. П.6.2. Векторная (а) и временная (б) диаграммы тока и напряжения при активной нагрузке 277 Один и тот же резистор имеет разное сопротивление постоянному и переменному току. Это различие увеличивается с частотой тока, так как ток неравномерно распределяется по сечению проводника. Глубина проникновения электромагнитной волны в материал проводника (расстояние от поверхности проводника, на котором амплитуда напряженностей электрического и магнитного полей уменьшится в е =2,7183 раз, и в этом слое выделяется 86,5 % всей энергии), D: ∆= 503,29212 ρ . μ (П.6.2.) В таблице П.6.1 приведены расчетные значения глубины проникновения электромагнитной волны для немагнитных материалов (µ=1) при частоте 50 Гц в зависимости от значения удельного сопротивления материала, r. Таблица П.6.1. Глубина проникновения электромагнитной волны при различном удельном сопротивлении материала при частоте 50 Гц Материал D, мм r, Ом·м Медь Алюминий 9,4 12,0 Чугун 50,3 Нихром 74,0 rCu = 0,0175 Ом·м rAl = 0,029 Ом·м rчугун = 0,5 Ом·м (в расплавленном состоянии) rнихром = 1,1 Ом·м 2. Индуктивность (L) –идеализированный элемент электрической цепи, в котором происходит накопление магнитной энергии. Рис. П.6.3. Схема подключения индуктивности к сети Индуктивностью обладают все проводники с током, так как вокруг проводника образуется магнитное поле. 278 ψ = , (П.6.3.) где y - потокосцепление цепи. Закон электромагнитной индукции. При помещении проводника в переменное магнитное поле в нем возникает ЭДС, величина которой пропорциональна скорости изменения этого поля. Ток, который будет возникать от этой ЭДС, будет создавать магнитное поле, направленное встречно основному магнитному полю. Проводник находится в созданном им же самим (током, протекающем по нему) переменном магнитном поле и согласно закону электромагнитной индукции в нем будет наводиться ЭДС самоиндукции (eL). ψ ( ) (П.6.4.) =− =− =− . Знак минус (формулируется правилом Ленца) указывает на то, что ЭДС самоиндукции всегда имеет такое направление, при котором она препятствует изменению тока в электрической цепи. ( sinω ) π (П.6.5.) =− =+ =ω cosω = ω sin ω + ; 2 ω (П.6.6.) = ; = ω = 2π . √2 Величина wL получила название – индуктивное сопротивление (XL). Размерность L – Ом·с; f – 1/с; XL – [Ом·с/с] = Ом. Рис. П.6.4. Векторная (а) и временная (б) диаграммы тока и напряжения при индуктивной нагрузке Для момента времени t = 0 нулевая фаза для тока имеет фазу p/2. «Парадоксальность» в том, что при максимуме напряжения ток равен нулю, а при напряжении, равном нулю – ток максимален. 3. Емкость (C) – идеализированный элемент электрической цепи, в котором происходит накопление электрической энергии. 279 Рис. П.6.5. Схема подключения емкости к сети Емкость определяется как электрический заряд, который накапливается между пластинами конденсатора, если к ним (пластинам) приложено напряжение 1 В. (П.6.7.) = , где Q – электрический заряд. Тогда величина заряда выражается через емкость и величину приложенного напряжения: = . (П.6.8.) При изменении величины напряжения, величина заряда так же будет изменяться. Это изменение заряда и связанное с ним движением электронов представляет собой электрический ток (изменение электрического заряда во времени). =− =− =ω ω = ( √2 ) = ( sinω ) =ω = π sin ω + ; 2 ; =ω . 1/(ω ) cosω (П.6.9.) (П.6.10.) По аналогии с законом Ома, величина 1/(w С) получила название емкостное сопротивление (XC). Рис. П.6.6. Векторная (а) и временная (б) диаграммы тока и напряжения при емкостной нагрузке 280 Фактически электроны не перескакивают с одной пластины на другую, но ток все равно проходит через конденсатор, поскольку электроны одной пластины взаимодействуют с электронами другой пластины, находясь в непосредственной близости друг от друга. В силу взаимного отталкивания они передают друг другу колебания (так называемые осцилляции) переменного тока, обеспечивая тем самым протекание тока через, казалось бы, очевидный разрыв в электрической цепи. Последовательное соединении элементов R, L, C Изобразим электрическую цепь при последовательном соединении элементов R, L, C (рис. П.6.7). Рис. П.6.7. Схема подключения к сети элементов R, L, C Ток по закону Ома будет равен: = = +( − ) , (П.6.11.) где Z – полное сопротивление. Построим векторную диаграмму. За основу возьмем ток, так как он общий для всех элементов. Рассмотрим два случая: а) случай, когда XL >XC (wL > 1/(wC)). В этом случае говорят, что схема имеет индуктивный характер, так как напряжение опережает ток на угол j. Рис. П.6.8. Векторная диаграмма для случая XL > XC 281 Согласно второго закона Кирхгофа получаем треугольник падения напряжения (рис. П.6.9). Рис. П.6.9. Треугольник падения напряжения Из треугольника падения напряжения можно выделить активную и реактивную составляющую падения напряжения: = cosφ; а р = sinφ. (П.6.12.) Разделим все стороны треугольника на величину тока I, получим треугольник сопротивлений (рис. П.6.10). а = ; р = ; (П.6.13.) = . Рис. П.6.10. Треугольник сопротивлений Из него следуют соотношения между активным, реактивным и полным сопротивлением: = cosφ; = sinφ; = + . (П.6.14.) Если умножить все стороны треугольника напряжений на ток, то получим треугольник мощностей (рис. П.6.11): а = ; р = ; = , (П.6.15.) где S – полная мощность, ВА; Q – реактивная мощность, вар; P – активная мощность, Вт. Рис. П.6.11. Треугольник мощностей 282 Из него следуют соотношения между активной, реактивной и полной мощностью: = cosφ; = sinφ; = + . (П.6.16.) Отношение активной мощности к полной показывает, какая доля от полной мощности потребляется цепью активно, то есть необратимо преобразуется в другие виды энергии (П.6.17.) = cosφ. б) случай, когда XL