Способы изменения времени срабатывания и отпускания

Различают конструктивные и схемные. Конструктивные способы предусматривают снижение массы подвижных частей и уменьшение потерь на вихревые токи за счет выполнения магнитопровода из шихтованной электротехнической стали.

Схемные способы предусматривают изменение постоянной времени тока нарастания или убывания в катушке электромагнита.

Изменение времени срабатывания. Для этого необходимо уменьшить постоянную времени . Как правило, с этой целью вводят в цепь катушки добавочное сопротивление , одновременно повышая напряжение источника питания, соответствующего первоначально напряжению срабатывания реле, на величину (рис. 1.10,а).

Это приводит к увеличению постоянной времени

.

Для большего повышения быстродействия параллельно вводят дифференцирующий конденсатор С, постоянная времени уменьшается и крутизна временной характеристики увеличивается. Временные характеристики приведены на рис. 1.10,б.

Изменение времени отпускания. Самое быстродействующее размыкание - бездуговое, для этого используются два способа.

Первый предусматривает введение схем, замедляющих исчезновение тока в коммутирующей цепи, т.е. параллельно нагрузке (рис. 1.11,а) или контактам (рис. 1.11,б) вводится RС -цепочка.

При размыкании контактов ЭДС самоиндукции , которая, как правило, превышает напряжение горения дуги, замыкается на сопротивление нагрузки, образуя цепь разряда конденсатора непосредственно на катушку.

Второй способ предусматривает замедление тока в катушке электромагнита за счет шунтирования диодом (рис. 1.11,в) или конденсатором (рис. 1.11,г). ЭДС самоиндукции , наводимая на зажимах катушки, замыкается на сопротивление катушки. Схема вида рис. 1.11,в применяется также для защиты катушки электромагнитов от межвиткового пробоя изоляции, так как . Причём, диод всегда включается встречно к .

 

1.5.2. Электромагниты переменного тока

При подаче переменного напряжения на катушку электромагнита, если не предпринимать никаких дополнительных мер, наблюдаются два нежелательных явления: возникает вибрация якоря; увеличиваются потери на вихревые токи, что приводит к сильному нагреванию.

Вибрация якоря однозначно определяет неработоспособность, так как при этом вибрируют контакты, размыкая и замыкая цепь.

Обратимся к уравнению (1.8). Здесь . При всех прочих одинаковых параметрах здесь можно записать

.

Тогда для цепи переменного тока электромагнитное усилие определяется

. (1.10)

График функции (1.10) приведен на рис. 1.12,а. изменяется согласно (1.10), т.е. возрастает до и убывает до нуля с частотой 2 . Очевидно, что при контакты будут замыкаться, а при размыкаться.

Для исключения вибрации применяют два конструктивных решения. Первое заключается в использовании двух катушек, в которых сдвиг фаз токов составляет 90° за счёт введения в их цепь L, С - элементов (рис.1.12,б).

Суммарное электромагнитное усилие определяется суммой усилий от двух обмоток и или

.

Для этой конструктивной схемы

.

Активные сопротивления обмоток равны, тогда и окончательно имеем

.

В магнитной среде пульсируют два магнитных потока, создающие и со сдвигом 90°, а суммарное усилие постоянно (рис. 1.12,в). С точки зрения технологии производства и эксплуатации это решение не совсем удачное, так как требует специального профиля сечения магнитопровода, двух обмоток и реактивных элементов L, C.

Второе решение заключается в создании расщепленного магнитного потока со сдвигом фаз между потоками, близким к 90°. Конструкция магнитной системы иллюстрируется на рис. 1.12,г. В торце магнитопровода выфрезерован паз, в который уложен короткозамкнутый виток, как правило, круглого или прямоугольного сечения. В результате магнитный поток катушки расщепляется на 2, причем

.

В короткозамкнутом витке наводится ЭДС, по витку течёт ток, порождающий магнитный поток . В одной части магнитопровода он направлен согласно с потоком , а в другой - встречно с потоком . То есть поток как бы подгоняется, а -замедляется. Тем самым между ними создается фазовый сдвиг 2 . Создаваемые при этом электромагнитные усилия , определяются

или .

При фазовом сдвиге 45°, =0 и при будет

.

Такая конструкция электромагнитов применяется практически во всех контакторах и реле переменного тока. Соотношение усилий и регламентируется коэффициентом запаса , который принимается для различных конструктивных групп следующим:

- контакторы 1,2 - 1,5;

- удерживающие электромагниты 1,1 - 1,2;

- реле управления 1,5 - 2,0.

В зависимости от конструкции магнитопровода различают электромагниты следующих типов: а) клапанный (рис.1.13,а); б) П-образный (рис.1.13,б); в) Ш-образный (рис.1.13,в); г) броневой (рис.1.13,г). Магнитопровод набирают из шихтованной электротехнической стали.

Для заданных условий работы целесообразен определённый тип электромагнита, являющийся наиболее экономичным. Критерием, определяющим тип электромагнита, может служить коэффициент «конструктивный фактор», / см

,

где - начальная сила электромагнита при отпущенном якоре;

- полный рабочий воздушный зазор.

Конструктивный фактор для различных электромагнитов характеризуется следующими значениями (для ):

- броневой с плоским штоком	50-280;
- броневой с коническим штоком	5,6-50;
- броневой без штока	0,65;
- клапанный	8,4 - 84;
- П-образный	2,2 - 780

Для электромагнитов переменного тока значение в раз выше.

Для уменьшения потерь на вихревые токи особенно в магнитах переменного тока магнитопровод выполняют из шихтованной электротехнической стали. Электротехнические стали - это сплав железа и кремния (0,5 - 5%), обозначаются как (Э12, Э21, Э22, Э31 и т.д.). Расшифровка маркировки:

Э11 (ЭХУ):

Э - электротехническа;

Х - процент кремния;

У - определяет рабочую частоту:

1,2,3: = 50 Гц,

4,5,6: = 400 Гц;

7,8 - с повышенными свойствами в слабых и средних полях.

Кремний ухудшает магнитные свойства, однако при легировании они несколько улучшаются. Увеличение кремния свыше 5% недопустимо, так как ухудшаются механические свойства сплава, повышаются его твёрдость и хрупкость. Положительный эффект введения кремния состоит в следующем:

а) переводит углерод в графит;

б) связывает часть растворимых в металлах газов (кислород);

в) способствует росту зерен в сплаве;

г) увеличивает удельное электрическое сопротивление сплава.

В итоге всё это улучшает свойства магнитного материала.

 

1.6. КОНТАКТОРЫ

 

Контакторы выполняются по конструктивной схеме рис. 1.1. Номинальные коммутируемые токи 3 - 4000 А, напряжение на главных контактах = 220, 440, 750 В; = 380, 660 В. При токах свыше 10 А дугогасительная камера обязательна. Технические требования к контакторам общепромышленного назначения определяет ГОСТ 11206-65. По механической прочности определены 4 класса, характеризуемые следующими параметрами (табл. 1.3).

По области применения контакторы делятся на следующие категории.

Для цепей переменного тока:

А₁ - электропечи, сопротивления, неиндуктивная или слабоиндуктивная нагрузка;

А₂ - пуск электродвигателей с фазным ротором, торможение противовключением;

А₃ - пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение вращающихся электродвигателей;

А₄ - пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей., реверсирование электродвигателей.

Для цепей постоянного тока:

Д₁ - аналогично А₁;

Д₂ - аналогично А₂; Д₃ - аналогично А₃.

Таблица 1.3

Класс износоустойчивости	Частота включения, цикл/ч.	Механическая износоустойчивость (число срабатываний)
I		0,25×106
II		1,2×106
III		5×106
IV		10×106

 

1.7. РЕЛЕ УПРАВЛЕНИЯ

 

К этой группе аппаратов и устройств относятся:

1) непосредственно реле;

2) поляризованное реле;

3) герконы;

4) шаговые искатели;

5) реле времени.

 

1.7.1. Классификация реле

Рассмотрим классификацию по следующим основным признакам:

1. По роду тока:

а) :

- неполяризованные;

- поляризованные;

б) :

- реле;

- вибропреобразователи.

2. По назначению:

а) в схемах автоматики;

б) для управления электродвигателями;

в) для защиты энергосистем.

3. По способу включения:

а) первичные;

б) вторичные.

4. По величине потребляемой мощности :

а) высокочувствительные = 10 мВт;

б) нормальной чувствительности =(0,1 - 5) Вт.

5. По величине коммутируемой мощности:

а) малой мощности:

, 50 Вт;

, 120 Вт;

б) промежуточные:

, 150 Вт;

, 500 Вт;

в) силовые 600 Вт.

6. По конструктивному исполнению:

а) по габаритам:

- обычные, типа РПН, РКН, РМУГ и др.;

- малогабаритные, серии РЭС: РЭС-9, РЭС-10,..., РЭС-47 и др.;

б) по количеству контактных групп:

- одна;

- две;

- три и более;

в) по состоянию контактов:

- замыкающие,

- размыкающие;

- переключающие;

г) по степени защищённости контактов:

- открытые, -герметичные.

- закрытые,

7. По быстродействию (параметр- время срабатывания ):

а) нормальные, = (10 - 50) мс,

б) быстродействующие, = (1 - 10) мс.

Конструктивные отличия обычных реле управления от контакторов заключаются в следующем:

а) меньшие габариты, так как меньшие коммутируемые мощности;

б) отсутствие дугогасительной камеры и системы магнитного дутья, так как возникающая при размыкании контактов дуга имеет стадию искрового разряда.

 

1.7.2. Поляризованные реле

Предназначены для переключения контактов в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. Конструктивная схема приведена на

рис. 1.14.

Поток , создаваемый постоянными магнитами, распадается на два: и , причём . Усилие, создаваемое в левой и правой частях магнитопровода, определяется

,

где - площадь сечения магнитопровода в зазоре.

За счёт равенства якорь удерживается в нейтральном положении. Тогда достаточно некоторого дополнительного усилия , чтобы вызвать перемещение якоря в одну или другую сторону. Расчёт сводится к определению , обеспечивающему перемещение якоря.

Пусть достаточно для перемещения якоря. Тогда

, ;

, ;

.

Считаем, что сопротивление магнитной цепи определяется сопротивлением зазора, тогда

, ;

, ;

, .

В исходном положении намагничивающие силы в левой и правой частях магнитопровода равны

или ;

; , откуда .

В зависимости от расположения контактов относительно нейтрали различают:

а) двухпозиционные с преобладанием (односторонняя регулировка контактов);

б) двухпозиционные нейтральные (двухсторонняя регулировка контактов);

в) трёхпозиционные.

В двухпозиционных с преобладанием реле для переключения контактов необходимо подать напряжение одной полярности. При снятии его якорь перемещается в исходное положение (РП-7).

В двухпозиционных нейтральных реле якорь занимает положение в зависимости от полярности напряжения (РП-4). При снятии напряжения якорь остается в положении, соответствующем полярности этого напряжения.

В трехпозиционных реле в отличие от двухпозиционных нейтральных при снятии напряжения якорь занимает нейтральное положение (РПБ-5).

 

1.7.3. Герконы

Магнитоуправляемые или герметизированные контакты коммутируют токи до 5 А, 100 В. Герконы представляют собой пружинные контакты из пермаллоя, впаянные в стеклянную колбу, наполненную азотом или инертным га-

зом (рис.1.15). При воздействии на контакты магнитным полем они деформируются и замыкаются. Достоинствами герконов являются: высокая надежность; большой срок службы 10⁸ - 10⁹ циклов; высокое быстродействие = 2 мс; низкая стоимость и высокая радиационная стойкость. Недостатками гер-

конов являются: малое число контактных групп (одна); дребезг контактов при замыкании и большая намагничивающая сила, так как поток преодолевает несколько магнитных зазоров.

Промышленность выпускает различные типы реле на герконах:

а) реле промежуточные серии РПГ, = 12, 24 В, = 2 мс;

б) реле напряжения серии РНГ =12, 24, 48 В; работают в цепях по- стоянного и выпрямленного переменного тока. Время срабатывания реле не более 35мс.;

в) реле с магнитной памятью серии РМГ, управляемые импульсным

напряжением = 12, 24 В, = 10 мс;

г) реле времени с выдержкой на включение и отключение серии РВГ;

д) реле тока серии РТГ для схем постоянного тока до 500В.

Обозначение реле состоит из букв, обозначающих серию, например РПГ- реле промежуточное на герконах, и цифр, обозначающих: первая цифра -реле без штепсельного разъема(0) или с разъемом (1), вторая - тип геркона.

Габаритные размеры реле напряжения, реле времени и токовой приставки одинаковы - 39 56 90мм.

 

1.7.4. Реле времени

Различают электромагнитные реле времени и электронные с релейным выходным элементом. Принцип действия электромагнитного реле с замедлением на отпускание основан на введении в магнитную систему дополнительной короткозамкнутой катушки (рис. 1.16).

При размыкании цепи питания катушки поток в магнитной системе начинает убывать. За счёт его изменения в короткозамкнутой катушке наводится ЭДС и создаётся поток , направленный в сторону, препятствующую уменьшению порождающего его потока . В результате на каком-то интервале времени сохраняется суммарное значение , обеспечивающее . Процессы в короткозамкнутой обмотке описываются уравнениями

,

 

;

.

Проинтегрировав это выражение, получим

 

,

.

Как правило, время замедления составляет 0,1- 3с.

Работа электронного реле времени основана на использовании времязадающего конденсатора. Ток цепи разряда является током управления (базы) транзистора, в коллекторную цепь которого включена катушка малогабаритного реле (рис.1.17). При переключении конденсатора с цепи заряда на разряд ток разряда убывает по зависимости , где , а ток в цепи коллектора транзистора , где -коэффициент усиления каскада. В моменты переключения конденсатора реле K срабатывает, а при убывании тока в цепи коллектора до значения тока отпускания реле, оно отпускает якорь и размыкает (замыкает) свои контакты. Время срабатывания

определяется постоянной цепи разряда T и регулируется переменным резистором. Диапазон времени срабатывания такого реле может быть достаточно велик (0,01 - 10 с и более).

Время срабатывания определяется

.

В электронных схемах вместо катушки реле в цепь коллектор - эмиттер устанавливается резистор. Далее устанавливается пороговый элемент (нормализатор уровня - транзисторный ключ или триггер Шмитта). Выходной сигнал его (перепад напряжений) и будет выходным сигналом реле времени.

 

2. АППАРАТУРА ЗАЩИТЫ

 

К этой группе аппаратов относятся: плавкие предохранители; тепловые реле; реле максимального тока и напряжения; реле обрыва фазы; автоматические воздушные выключатели (автоматы) и синхронные выключатели.

 

2.1. ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

 

Предназначены для защиты сети от токов короткого замыкания. Процесс срабатывания плавкого предохранителя (ПП) можно разделить на следующие стадии:

а) нагревание до температуры плавления;

б) плавление и испарение материала;

в) возникновение и гашение дуги с восстановлением изоляционных свойств межконтактного промежутка.

Основной характеристикой ПП является защитная характеристика (рис.2.1), а характерной точкой - пограничный ток - это значение тока, при котором время срабатывания плавкой вставки более 1 часа. Минимальный ток срабатывания должен быть как можно ближе к . Материал предохранителей: медь ( 1083°С), серебро( 960°С), цинк ( 419°С),свинец( 327°С). Гашение дуги обеспечивается при достаточной для этого длине её столба, т.е. определяется длиной ПП, обычно она составляет 50 - 70 мм.

По конструкции ПП бывают:

- открытые (плавкие вставки в воздухе) или помещенные в фарфоро- ровую трубку (стеклянную колбу);

- разборные;

- засыпные.

Открытые ПП применяются при небольших (номинальных) токах ( 20 А) и напряжениях З8О В. Если ПП поместить в фарфоровую трубку, то дуга не «перекидывается» на зажимы, исключая тем самым их выгорание.

Разборные предохранители ( <(10-30) кА, 550 В) с фигурной вставкой позволяют снизить давление внутри трубки, так как оно может достигать сотен атмосфер, что недопустимо по соображениям механической прочности.

Для более эффективного гашения дуги при больших токах ( >30 кА, >550 В) используются запасные ПП. Наполнитель - кварцевый песок. При этом ухудшаются условия горения дуги, так как уменьшается свободный пробег заряженных частиц, а следовательно, вторичная ионизация; за счет близости частиц улучшаются условия теплоотдачи.

Расчет ПП состоит в следующем. Расчетной исходной величиной является . Расчетный пограничный ток берется несколько больше

номинального тока . Отношение для различных вставок равно:

медные вставки	= 1,6 - 2,0;
серебряные вставки	= 1,1 - 1,6;
цинковые и свинцовые вставки	= 1,25 - 1,45.

Этот запас расчётного пограничного тока предохранителя в отношении к номинальному току определяется возможностью снижения фактического пограничного тока из-за уменьшения сечения плавкой вставки в эксплуатации вследствие её коррозии и технологических отклонений при изготовлении. Плавкая вставка не должна иметь заниженное сечение ещё и потому, что в длительном режиме протекания номинального тока изоляционные и контактные детали предохранителя могли бы нагреться до недопустимо высокой температуры. Учёт этого обстоятельства также приводит к необходимости повышения пограничного тока по отношению к номинальному.

Пограничный ток бесконечно длинной открытой плавкой вставки в воздухе можно рассчитать на основе уравнения баланса подводимой и отводимой мощностей

,

где - коэффициент теплопередачи с наружной поверхности вставки;

- температура плавления материала вставки, которая достигается при пограничном токе; - температура окружающей среды.

Сопротивление плавкой вставки связано с удельным сопротивлением материала вставки, его температурным коэффициентом , длиной и сечением вставки соотношением

.

Боковая поверхность охлаждения выражается через периметр поперечного сечения и длину вставки : . С учетом этих зависимостей получаем окончательное выражение для пограничного тока

.

Для круглой плавкой вставки диаметром эта формула принимает вид .

Если в неё вместо подставить произведение , то можно получить связь между диаметром и номинальным током плавкой вставки.

Имеется ряд эмпирических формул для определения пограничного тока от крытых плавких вставок в воздухе, одна из них имеет вид:

 

,

где - диаметр вставки, мм.

Константа имеет следующие значения для различных материалов:

медь	= 60;	олово	= 128;
серебро	= 44;	свинец	= 24,6.

2.2. ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ

 

Тепловые реле (ТР) предназначены для защиты потребителей при незначительных по величине перегрузках по току (1,1 - 1,5) , но длительных во времени. Чувствительный элемент - биметаллическая пластина, которая при нагреве изгибается и переводит контактную систему в отключённое состояние (рис. 2.2, состояние II). Для замыкания контактов предусмотрена кнопка возврата (КВ). Тепловое реле имеет небольшую регулировку по времени срабатывания. Основное требование к свойствам материалов биметаллической пластины - максимальная разница значений коэффициентов линейного расширения. Как правило, один материал инвар. Это сплав никеля со сталью, например ЭН36 (36% ) ЭН42 (42% ). Другой материал - сталь, латунь и другие металлы.

В зависимости от способа нагрева различают ТР:

а) с непосредственным нагревом, когда ток нагрузки протекает через биметаллический элемент;

б) с косвенным нагревом, когда ток нагрузки протекает через специально введённый нагревательный элемент, расположенный рядом с биметаллической пластиной;

в) комбинированный, использующий два предыдущих способа.

Конструктивные параметры биметаллической пластины выбираются из условия обеспечения соотношения

,

где - допустимая температура нагрева и окружающей среды; - модуль Юнга; - коэффициенты линейного расширения материалов; - максимальное механическое напряжение, возникающее в пограничном слое.

При этом биметаллический элемент рассматривается как консольная балка (рис.2.3). Толщина биметаллической пластины ( и ) выбирается из условия максимальной чувствительности в соответствии с соотношением

,где - модули упругости компонентов.

Обычно выбирают . Стрелка прогиба определяется

.

Сила, развиваемая при тепловых деформациях на свободном конце, определяется

,

где b - ширина пластины.

Максимальное механическое напряжение в пограничном слое не должно превышать допустимое напряжение

.

По величинам и рассматриваются параметры кинематической цепи контактной системы, или решается обратная задача.

Время срабатывания определяется из условия, что вся выделяемая энергия идёт на нагрев, т.е.

.

Проинтегрировав по переменным и , при условии получим

; .

Можно также записать для предварительно нагретого током элемента

.

 

2.3. РЕЛЕ ЗАЩИТЫ

 

В эту группу входят реле максимального тока и напряжения и реле обрыва фазы. Реле максимального тока и напряжения - это высокочувствительные электро- и магнитоэлектрические реле поворотного типа, включаемые последовательно в цепь нагрузки (тока) или параллельно (напряжения). С поворотным якорем связана контактная система. Они защищают потребителей при кратковременных бросках тока или напряжения: превышающих их допустимые значения в динамических режимах. Контакты этих реле не являются силовыми.

Реле обрыва фазы предназначены для защиты потребителей в случае короткого замыкания в одной из фаз или её обрыва. Это трёхобмоточное реле, включаемое параллельно плавким предохранителям (рис.2.4).

В случае короткого замыкания в одной из фаз предохранитель перегорает и ток течет по одной из катушек реле, вызывая её срабатывание. При обрыве одной из фаз возрастает ток нагрузки в других фазах, вызывая срабатывание реле.

Область применения устройств защиты применительно к двигателям постоянного тока, используемых в различного рода потребителей можно проиллюстрировать рис. 2.5. Для электроприводов с двигателями переменного тока меняется диапазон работы реле защиты в пусковых режимах, так как пусковые токи лежат в меньшем диапазоне.

 

2.4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

(АВТОМАТЫ)

 

Предназначены для защиты потребителей (или группы потребителей) при возникновении в них аварийных режимов. Защищают потребители с =10 - 2000 А, 550 В, К ним предъявляются следующие требования:

1) минимальное время срабатывания;

2) срабатывание автомата, защищающего один участок, не должно влиять на работу других автоматов;

3)для селективной защиты должна быть регулировка параметров.

По времени срабатывания различают обычные (t ~ 0,01 с) и быстродействующие автоматы (t ~ 0,001 с).

Конструктивная схема автомата приведена на рис. 2.6, где цифрами обозначены элементы конструкции:1- размыкающие контакты; 2- компенсаторы электродинамических усилий; 3 - пружина поджатия; 4 - главные контакты; 5 - гибкий токопровод; 6 - биметаллическая пластина; 7 - нагревательный элемент; 8 - электромагнит максимального тока; 9 - электромагнит минимального напряжения; 10 - электромагнит отключения; 11 - кинематическая система рычагов; 12 - электромагнит включения; 13 - ручной привод; 14 - пружина поджатия; 15 - пружина возврата; 16 - дугогасительная камера; 17 - дуга. Замыкание контактов осуществляется ручным приводом 13 или электромагнитом 12. При включении сначала замыкаются размыкающие контакты 1, а затем главные 4. При размыкании цепи порядок их обратный. Для компенсации электродинамических усилий, возникающих при протекании тока по контактам, вызывающих отскок контактов, предназначены пружины 3, 14 и компенсаторы электродинамических усилий 2. Величина этого усилия определяется . Принцип действия их основан на взаимодействии силовых линий электрического поля, возникающих около проводника. Так как токи в них направлены в разные стороны, то силовые линии направлены согласно, и проводники (шины 2) отталкиваются друг от друга, создавая дополнительное поджатие контактов.

Узел расцепителей 6 - 11 обеспечивает следующие виды защиты:

а) от дополнительных перегрузок (тепловое реле, элементы 6,7);

б) от бросков максимального тока (электромагнит 8);

в) от падения напряжения в сети ниже допустимого (усилие пружины и электромагнита 9 направлены в разные стороны); при усилие пружины уравновешивается усилием электромагнита; при уменьшении напряжения питания пружина воздействует на кинематическую систему;

г) по команде оператора (электромагнит10).

При этом один из исполнительных элементов устройств 6,8,9,10 через кинематическую систему рычагов воздействует на рычаг с расположенными на

нем подвижными контактами. Быстрое размыкание достигается за счет срабатывания взведённой пружины возврата 15. Для быстрого гашения дуги применяется система магнитного дутья, включающая катушку (на схеме не показана) и дугогасительную камеру 16.