Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

Если требуется остановить рабочий орган привода или при его приближение выполнить соответствующие переключения с высокой точ-

ностью (0,3 0,7) 10 3 м , применяются путевые (конечные) микропе-

реключатели.

На рис. 15.8 показан микропереключатель с одним переключающим контактом.

Неподвижные контакты 1 и 2 укреплены в пластмассовом корпусе 7. Подвижный контакт 3 укреплен на конце специальной пружины, состоящей из плоской 4 и фигурной 5 частей. В изображенном на рис. 15.8 положении пружина создает давление на контакт 2. При нажатии рабочего органа на головку 6 происходит деформация пружины и переброс контакта 3 в нижнее положение за время 0,01 – 0,02 с, что обеспечивает надёжное отключение цепи. Ход головки 6 составляет десятые доли миллиметра. Микровыключатели ВМК – ВЗГ отключают ток до 2,5 А при постоянном напряжении 220В и переменном 380 В.

Рис. 15.8. Путевой микропереключатель

При больших ходах рабочего органа и больших токах применяются рычажные путевые переключатели, принцип действия которых показан на рис. 15.9.

Контролируемый рабочий орган привода воздействует на ролик 1, укрепленный на конце рычага 2. На другом конце рычага находится подпружиненный ролик 3, который может перемещаться вдоль оси рычага. В указанном положении замкнуты контакты 7 и 8. Положение контактов зафиксировано защелкой 6. При воздействии на ролик 1 рычаг 2 поворачивается против часовой стрелки. Ролик 3 поворачивает тарелку 4 и связанные с ней контакты 8 и 9. При этом контакты 7 и 8 размыкаются, а 9 и 10 замыкаются.

113

Возврат в исходное положение после прекращения воздействия на ролик 1 производится пружиной 5.

Рис. 15.9. Рычажный путевой переключатель

Контактные путевые переключатели обеспечивают точность сра-

батывания ± (0,02-0,05) мм при износостойкости до (5-10) 106 переключений и благодаря простоте конструкции находят широкое применение. Для повышения надежности и долговечности в контактных путевых выключателях часто применяются герметичные магнитоуправляемые контакты – герконы, на базе которых создана серия выключателей ВСГ.

Принцип действия герконовых выключателей продемонстрирован на рис. 15.10.

В выключателях серии ВСГ с контролируемым рабочим органом жестко связана пластина из магнитомягкой стали. Пластина входит в узкую щель, с одной стороны которой расположен геркон, а с другой – постоянные магниты (рис. 15.10). При вхождении в щель пластины через неё замыкается поток постоянного магнита. Магнитный поток в герконе исчезает, им происходит его переключение. Выключатель имеет замыкающий и размыкающий контакты, коммутирующие ток 0,01-1 А при напряжении постоянного тока до 110 В и ток 0,025-0,2 А при напряжении 220 В переменного тока. Допустимая частота переключений достига-

ет 6000 в час. Износостойкость составляет 106 108 переключений.

114

Рис. 15.10. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана:

а– геркон 1 срабатывает при удалении экрана 4 от постоянного магнита 2;

б– геркон 1 срабатывает при приближении к постоянным магнитам 2 и 3 экрана 4; в – геркон срабатывает при удалении экрана 4 из зазора между

герконом и постоянным магнитом 2

Современные требования к надежности и увеличенной частоте срабатывания привели к созданию бесконтактных путевых выключателей, в которых рабочий орган воздействует не на контакт, а на бесконтактные датчики. Датчики могут быть индуктивными, индукционными, магнитомодуляционными, оптическими и др. Вырабатываемый датчиками сигнал используется для управления электроприводом.

На базе оптронных элементов создан путевой выключатель серии ВПФ-11-01 (рис. 15.11).

Источником светового сигнала является арсенид-галлиевый светодиод 1, приёмником – кремниевый фотодиод 3. Выключатель обеспечивает отключение привода при повороте выходного вала на заданный угол. На вал рабочего органа устанавливается сектор 2, проходящий между источником света и приемником. Сигнал от фотодиода 3 подается на усилительный элемент 4, после чего поступает на формирователь прямоугольных импульсов 5. Выходной сигнал блока 5 подается на выход через выходной усилитель 7 и через блок 6 ИЛИ-НЕ. В результате на выходах формируется выходной сигнал и его инверсия. Угол, при котором происходит затемнение приемника, может регулироваться от 2 до 3180.

В бесконтактном путевом выключателе БВК-24 (рис. 15.12) используется индуктивный датчик на двух ферритовых магнитопроводах I, II с обмотками. Управление датчиком осуществляется с помощью алюминиевой пластины, жестко связанной с рабочим органом контролируе-

115

мого механизма. При вхождении пластины в зазор между магнитопроводами в ней наводятся вихревые токи, за счет чего магнитная связь между

обмотками положительной обратной связи wп.о.с и отрицательной wо.с

магнитопроводов I, II ослабляется.

Рис. 15.11. Путевой выключатель на оптронных элементах

Рис. 15.12. Схема бесконтактного путевого переключателя БВК-24

116

Это явление используется для получения генераторного режима усилителя на транзисторе VT. В результате через реле К начинает протекать ток, и оно срабатывает. При выходе пластины из зазора под действи-

ем отрицательной обратной связи от обмотки wо.с генераторный режим прекращается и реле К отключается.

Резисторы пусковых и пускорегулирующих реостатов

Резисторы делятся на следующие группы:

Пусковые резисторы – служат для ограничения тока в момент подключения к сети неподвижного двигателя и для ограничения тока на определенном уровне в процессе его разгона.

Тормозные резисторы – служат для ограничения тока двигателя при его торможении.

Регулировочные резисторы – служат для регулирования тока или напряжения в электрической цепи.

Добавочные резисторы – включаемые последовательно в цепь электрического аппарата с целью снижения напряжения на нем.

Разрядные резисторы – включаемые параллельно обмоткам электромагнитов или других индуктивностей с целью ограничения перенапряжений при их отключении или для разряда емкостных накопителей.

Балластные резисторы – включаемые в цепь последовательно для поглощения части энергии или параллельно источнику с целью предохранения его от перенапряжений при отключении нагрузки.

Нагрузочные резисторы – служат для создания искусственной нагрузки генераторов и других источников, например при испытаниях электроаппаратов.

Нагревательные резисторы – служат для нагрева окружающей среды или аппаратов при низких температурах.

Заземляющие резисторы – включаемые между землёй и нулевой точкой генератора или трансформатора с целью ограничения токов КЗ на землю и возможных перенапряжений при замыкании на землю.

Установочные резисторы – для установки определенного значения тока или напряжения в приёмниках энергии.

Пусковые, тормозные, разрядные и заземляющие резисторы предназначены для работы в кратковременном режиме и имеют большую постоянную времени нагрева. Особых требований к стабильности этих резисторов не предъявляется. Остальные резисторы работают в длительном режиме и требуют необходимой поверхности охлаждения. В зависимости от материала проводника различают резисторы металлические, жидкостные, угольные и керамические. В электроприводе распростране-

117

ны металлические резисторы. Керамические резисторы (с нелинейным сопротивлением) применяются в высоковольтных разрядниках.

Резисторы в виде спирали из проволоки и ленты изготавливаются путем её навивки на цилиндрическую оправку «виток к витку». Необходимый зазор между витками устанавливается при растяжении спирали и крепления её к опорным изоляторам в виде фарфоровых роликов. Недостатком такой конструкции является малая жесткость, из-за которой возможно соприкосновение соседних витков, что требует снижения рабочей температуры материала (10000С для константановой спирали). Поскольку теплоемкость резистора определяется только массой резистивного материала, постоянная времени нагрева таких резисторов мала.

Резисторы в виде спирали целесообразно использовать для длительноrо режима работы, так как тепло рассеивается всей поверхностью проволоки или ленты.

Допустимый ток спирали из константана составляет для круглой проволоки

Постоянные времени нагрева для этих спиралей составляют для круглой проволоки T 44,5d с и для плоской ленты T 89bс. В при-

веденных соотношениях d диаметр круглой проволоки, мм; h,b

высота и толщина ленты, мм.

Для увеличения жесткости спирали проволока может наматываться на керамический каркас в виде трубки (рис. 15.13) со спиральным пазом на поверхности, предотвращающим замыкание витков между собой.

Рис. 15.13. Резистор на керамическом каркасе

В процессе нагрева и охлаждения участвует как проволока, так и каркас.

Постоянная времени нагрева элемента определяется:

kTS

118

где Т – постоянная времени нагрева, с;

Gk масса каркаса, кг;

Gпр масса проволоки, кг;

S поверхность охлаждения, м2.

Коэффициентβk учитывает, что в переходном режиме теплоемкость каркаса не используется полностью. В кратковременных режимах работы βk снижается до 0,3 0,4. За поверхность охлаждения резисто-

ра S принимается цилиндрическая поверхность каркаса без учета пользовательского коэффициента теплоотдачи:

При диаметре d<0,3 мм пазы на поверхности каркаса не выполняются и изоляция между витками создается за счёт окалины, образующейся при нагреве проволоки. Такие трубчатые резисторы широко применяются для управления двигателями малой мощности. Максимальная мощность рассеивания резистора – 150 Bт, а постоянная времени нагрева –

200-300 с.

Для пуска двигателей мощностью до 10кВт применяются проволочные или ленточные поля (рамочные резисторы), конструкция которого показана на рис. 15.14.

Рис. 15.14. Рамочный резистор

На стальной пластине 1 укреплены изоляторы 2 из фарфора или стеатита. Константановая проволока 3 наматывается в канавки на поверхности изоляторов. Для резисторов на большие токи используется лента. Коэффициент теплоотдачи, отнесённый к поверхности проволоки,

составляет 10-14 Вт/м2 0С. Из-за малой массы изоляторов и слабого теплового контакта проволоки с металлической пластиной постоянная времени нагрева рамочного резистора примерно такая же, как и при отсутствии каркаса. Максимальная допустимая температура составляет 300°С, рассеиваемая мощность - 350 Вт.

119

Для двигателей от трех до нескольких тысяч киловатт применяются высокотемпературные резисторы на основе жаростойких сплавов Х2ЗЮ5 (рис. 15.15).

Рис. 15.15. Высокотемпературный резистор

Жаростойкая лента наматывается на ребро и укладывается в канавки, фиксирующие положение отдельных витков. В одном блоке устанавливаются пять резисторов мощностью 450 Вт каждый.

Жаростойкие резисторы имеют малый ТКС и большую механическую жесткость. Эти резисторы обладают высокой термической устойчивостью. Допускается кратковременный нагрев до 850°С при длительной допустимой температуре 300°С.

Чугунные резисторы (рис. 15.16) применяются для двигателей мощностью от трех до нескольких тысяч киловатт.

При максимальной рабочей температуре чугуна 400°С номинальная мощность резисторов принимается из расчета на температуру 300°С. Сопротивление чугунных резисторов в значительной степени зависит от температуры, поэтому они применяются только как пусковые.

Набор чугунных резисторов собирают в стандартные ящики с помощью стальных стержней, изолированных от чугуна миканитом.

Рис. 15.16. Чугунные резисторы:

а - для больших токов; б - для малых токов; в и г- выводные зажимы

120

Если у резистора необходимо сделать отводы, то они делаются с помощью специальных зажимов (рис. 15.16, в, г).

Общая мощность резисторов, установленных в одном ящике, не должна превышать 4,5 кВт.

Для ответственных электроприводов реостат собирают из стандартных ящиков (без отводов внутри ящика). При повреждении резистора в ящике работоспособность схемы быстро восстанавливается путем замены неисправного ящика на новый.

Поскольку температура воздуха вблизи резистора высока, токоподводящие провода и шины должны иметь теплостойкую изоляцию или вообще не иметь изоляцию.

Выбoр резистoрoв

Сопротивление пускового резистора выбирается так, чтобы броски пускового тока были ограничены и не опасны для двигателя (трансформатора) и питающей сети. Значение этого сопротивления должно обеспечивать пуск двигателя за требуемое время.

После расчёта сопротивления производится расчёт и выбор резистора по нагреву. Температура резистора в любых режимах не должна превышать допустимую для данной конструкции.

В процессе пуска двигателя ток в резисторе меняется во времени. Если длительность обтекания резистора током мала по сравнению с его постоянной времени Т, то расчёт можно вести по эквивалентному току

IЭК,Т , тепловой эффект которого за время работы такой же, как и у ре-

ального тока:

tp

i2dt

где tp - время прохождения пускового тока по резистору.

тегрирование. Точный результат можно получить, заменяя кривые спада пускового тока отрезками прямых.

Наряду с эквивалентным током по теплу IЭК.Т существует экви-

валентный ток по нагреву IЭК.Н - ток, который, проходя по сопротивле-

нию, нагревает его до той же температуры, что и реальный ток. При сде-

121

ланном допущении tp T эквивалентный ток по теплу равен эквива-

лентному току по нагреву:

Нагрев резистора происходит без отдачи тепла в окружающую

среду.

По значениям IЭК.Т и IЭК.Н можно выбрать резистор необходи-

мого типа, если в справочнике приведен ток кратковременного режима для заданного времени tp .

Если в справочнике задан действительный ток нагрузки, то необходимо перейти к эквивалентному току, который нагревает резистор до той же температуры, что и пусковой.

Тепловой расчёт резисторов сложен. Для типовых схем пусковые резисторы выбираются по справочным таблицам, в которых сопротивления и токи даны в зависимости от параметров двигателя.

Лекция № 16

Применение реле для защиты электроустановок

При нарушениях нормального режима работы электроустановки для исключения выхода из строя электрооборудования и повышения надежности работы схемы в них используется электрическая защита, выполняемая с применением защитных реле.

К реле защиты предъявляются требования селективности, быстродействия, чувствительности и надёжности.

Селективность – это способность реле отключать только поврежденный участок.

Быстродействие позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии.

Минимальное значение входного параметра, при котором срабатывает реле, называется чувствительностью.

Применяются следующие виды защит: максимально- и минималь- но-токовые, тепловая, температурная, от исчезновения напряжения, нулевая и ряд других защит.

Максимально-токовая защита обеспечивает защиту двигателей, преобразователей и элементов схем управления от коротких замыканий. Она осуществляется плавкими предохранителями, максимально-

122