Контакторы и магнитные пускатели

Контакторы — это электромагнитные устройства, предназначен­ные для дистанционного управления включением и отключением силовых электрических цепей. В электроприводе контакторы приме­няют для дистанционного управления включением и отключением двигателей либо других исполнительных устройств, в цепях кото­рых проходят токи, измеряемые десятками, сотнями ампер и более.

В принципе контактор представляет собой электромагнитное реле, но отличается от него более мощным электромагнитом, спо­собным создать тяговое усилие, достаточное для надежного замы­кания коммутирующих контактов, рассчитанных на токи большой вели­чины (до 2500 А). В состав контактной системы обычно входят устройства гашения электрической дуги.

Контакторы постоянного тока. На рис.5 представлена конст­руктивная схема контактора постоянного тока, предназначенного для включения двигателей постоянного тока.

		11
	12

Рис.5. Контактор постоянного тока

Контактор состоит из электромагнита 1 с поворотным движением якоря 10 (клапан­ного типа) и катушки 2. При включении катушки 2 под напряжение создается тяго­вое усилие и якорь притягивается к сердечнику, при этом возврат­ная пружина 12 сжимается, а контакт 5 и 7 замыкается. Комму­тируемый ток главной цепи проходит через верхний провод (шину), дугогасительную катушку 4, неподвижную контактную деталь 5, подвижную контактную деталь 7, гибкую медную ленту («косичку») 3 и нижний провод (шину). Сила нажатия подвижной контак­тной детали 7, расположенной на рыча­ге 8, к неподвижной детали 5 определяется упругостью пружи­ны 9. Замыкание главного контак­та (5 и 7) происходит с проскаль­зыванием и перекатыванием, что обеспечивает очи­стку их поверхностей от оксидов и нагара. Контактор имеет еще и вспомогательные (блокировочные) контакты (деталь 13),ис­пользуемые в схеме управления контактором. Вспомогательные контакты рас­считаны на небольшие токи, поэтому они меньше главных контактов и без дугогасительных устройств.

При отключении катушки 2 якорь 10 действием возвратной пружины 12 возвращается в исходное положение и контакт 5 и 7 размыкается. Чтобы исключить «прилипание» якоря к сердечнику за счет магнитного потока остаточного магнетизма, на якоре име­ется немагнитная (латунная) прокладка 11. При размыкании глав­ного контакта между его контактными деталями появляется электрическая дуга, кото­рая возникает и поддерживается электродвижущей силой самоин­дукции, возникающей в коммутируемых катушках двигателя. В этих условиях промежуток между контактными деталями становится токопроводящим, и прохождение тока в главной цепи при отключении контак­тора не прекращается. Электрическая дуга перегревает и оплавляет контактные поверхности главного контакта. Для гашения этой дуги в контакторе применяют дугогасительную камеру, назначение ко­торой, во-первых, оградить от действия электрической дуги эле­менты контактора, расположенные вблизи главных контактов, а во-вторых, создать условия для быстрого гашения дуги.

Дугогасительную камеру изготовляют из асбестоцемента, мате­риала, сочетающего электроизоляционные и термостойкие свой­ства. Во внутренней полости этой камеры имеются поперечные изоляционные перегородки 6. Между каждой парой изоляционных перегородок расположены несколько металлических перегородок. Эти перегородки разбивают дугу на ряд мелких дуг, что облегчает гашение дуги. Смещение дуги с поверхности размыкающихся кон­тактов в верхнюю полость дугогасительной камеры обеспечивает­ся магнитным «дутьем», создаваемым дугогасительной катушкой 4, по которой проходит ток главной цепи.

Контакторы постоянного тока изготовляют одно- или двухпо­люсными; их магнитная система выполняется из магнитомягкой электротехнической стали сплошного сечения.

При выборе контактора постоянного тока необходимо, чтобы напряжение срабатывания контактора было не более 0,8 номи­нального напряжения сети U_c, а допускаемый ток на главных кон­тактах — не меньше предельного значения рабочего тока двигате­ля либо другого устройства, коммутируемого этими контактами.

Контакторы переменного тока. Контакторы переменного тока изготовляют обычно с числом главных контактов не более трех; в некоторых типах контакторов их число увеличено до четырех или даже до пяти. Магнитную систему этих контакторов с целью умень­шения потерь от вихревых токов выполняют шихтованной из лис­товой электротехнической стали. Для получения достаточного уси­лия на якоре контакторы переменного тока делают трехстержневыми, при этом на торцах крайних стержней (полюсов) располо­жены короткозамкнутые витки, предназначенные для устранения вибрации якоря при срабатывании контактора. На рис.6 показана магнитная система контактора переменного тока клапанного типа.

Рис.6. Магнитная система кон­тактора переменного тока клапан­ного типа

При подаче на катушку 1 напряжения в магнитопроводе 2 на­водится магнитный поток, якорь 3 действием тягового усилия при­тягивается к сердечнику и поворачивает валик привода главных и вспомогательных (блокировочных) коммутирующих контактов.

В связи с тем что тяговое уси­лие значительно, притяжение якоря сопровождается сильным ударом. Для предотвращения не­желательных последствий тако­го удара в некоторых конструк­циях крепление контакторов вы­полняют на амортизационных пружинах.

Процесс гашения дуги на контактах в контакторах пере­менного тока облегчен. Объясня­ется это тем, что при нулевых значениях переменного тока дуга гаснет.

Контакторы переменного тока небольшой мощности изго­товляют с магнитной системой прямоходового типа с мостиковыми контактами, обеспечивающими двукратный разрыв цепей главных контактов. Благодаря меньшей мощности и применению мостиковых контактов процесс гашения дуги на глав­ных контактах при их размыкании облегчен, что позволяет не ис­пользовать в этом контакторе дугогасительные камеры. Габариты такого контактора существенно уменьшены.

Катушка контактора выполняется обмоточным проводом с боль­шим числом витков, ее полное сопротивление переменному току определяется не только активным, но и индуктивным сопротивлениями. В начальный момент включения контактора магнитная система электромагнита разделена воздушным зазором между полюсами иякорем, поэтому магнитный поток ослаблен и индуктивное сопротивление катушки сравнительно невелико. Этим объясняется значительный бросок тока в цепи катушки контакто­ра при его включении. В следующий момент времени контактор срабатывает, магнитная система замыкается, и индуктивное со­противление катушки возрастает. При этом ток в катушке снижа­ется до установившегося значения.

Изготовляют также контакторы переменного тока с катушками постоянного тока. Такие контакто­ры предназначены для применения в схемах управления постоян­ного тока, но их главные (силовые) контакты коммутируют цепи переменного тока.

Основные параметры контакторов аналогичны параметрам реле.

Магнитные пускатели — это электромагнитные устройства для дистанционного управления и защиты от перегрузок трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Неревер­сивный магнитный пускатель (рис.7 а)состоит из собственно магнитного пускателя и кнопочной станции.

Рис.7. Магнитный пускатель переменного тока:

На рис.7 б отмечено: 1 — основание; 2 — сердечник; 3 — якорь; 4 — возвратная пружина; 5 — дугогасительная камера; 6 — главный подвижный контакт; 7 — главный неподвижный контакт; 8 — присоединительный зажим

Собственно магнит­ный пускатель МП состоит из контактора переменного тока КМ с тремя главными (силовыми) контактами, от 1 до 5 вспомогательных контатков (блокконтак­тов) и двух тепловых реле КК. Возможно применение одного тепло­вого реле с двумя нагревательными элементами. Все перечислен­ные устройства размещены в общем корпусе.

Нагревательные элементы тепловых реле включены в линей­ные провода фаз последовательно, а размыкающие контакты этих реле включены в цепь питания катушки контактора. Таким обра­зом, при перегрузке двигателя срабатывают тепловые реле, их кон­такты размыкаются и катушка контактора КМ оказывается отклю­ченной. Это приводит к размыканию силовых контактов КМ в цепи обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя.

Управление магнитным пускателем осуществляется от кнопоч­ной станции КС. Если пускатель нереверсивный, то управление пус­кателем ведется двумя кнопками: кнопка SB1«Пуск» и кнопка SB2 «Стоп» (красного цвета). При нажатии на кнопку SB1 замыка­ется цепь катушки контактора КМ, который срабатывает и свои­ми силовыми контактами подключает двигатель к питающей сети. Одновременно блок-контакт КМ шунтирует кнопку SB1. Поэтому при отпускании указанной кнопки цепь катушки контактора КМ не размыкается и двигатель остается включенным в сеть. Для оста­новки двигателя достаточно нажать кнопку SB2 «Стоп». При этом размыкается цепь катушки контактора КМ и двигатель отключает­ся от питающей сети.

Вследствие значительной тепловой инерции реле КК обеспе­чивают отключение двигателя лишь при перегрузках, но не защи­щают двигатель от короткого замыкания. Для этого вида защиты применяют группу плавких предохранителей FU, включенных в линейные провода питающей сети.

Если магнитный пускатель реверсивный, то он содержит два кон­тактора переменного тока, включенные таким образом, что поря­док следования фаз на их контактах разный. При этом в схеме вклю­чения этих контакторов имеется электрическая блокировка, ис­ключающая их одновременное включение, что привело бы к ко­роткому замыканию в питающей сети. В некоторых конструкциях реверсивных пускателей применена механическая блокировка, состоящая из системы рычагов, блокирующих главные контакты одного из контакторов, если включен другой. Управление реверсивным пускателем осуществляется с помощью трех кнопок: «Вперед», «На­зад» и «Стоп».

При выборе контакторов и пускателей учитывают номинальное напряжение катушки, которое должно соответствовать номинальному напряжению сети, а также номинальное и наибольшее (при пуске, реверсе) значения токов двигателя.

Магнитные пускатели общего назначения изготовляют на на­пряжения переменного тока 36, 127, 220, 380 и 500 В. Допускае­мое значение тока через силовые контакты составляет от 1,5 до 400 А. При номинальном режиме работы магнитные пускатели до­пускают от 150 до 1200 включений в час.

Получили широкое применение магнитные пускатели серий ПМЕ и ПАЕ. На рис.7, показано устройство магнитного пус­кателя серии ПМЕ. Магнитные пускатели этих серий изготовляют открытого, защищенного и пылевлагонепроницаемого исполне­ний; реверсивными и нереверсивными; с тепловой защитой и без нее.

Приложение 3

Бесконтактные аппараты коммутации электрических цепей

Коммутирующие элементы.

В бесконтактных коммутирующих аппаратах обычно используются электронные ключи в качестве коммутирующих элементов. Для коммутации силовых и слаботочных электрических цепей применяют диоды, транзисторы и тиристоры. В силовых цепях чаще используют тиристоры. На их основе созданы полупроводниковые приставки, подключаемые к главным контактам контактора. При размыкании контакта ток с него отводится в полупроводниковую приставку, чем предотвращается разгорание электрической дуги на контакте. Действие полупроводниковой приставки ограничено временем, в течение которого контакт размыкается. Такие контакторы называют гибридными контакторами. В них полупроводниковые приставки подключены параллельно главным контактам.

Электронный ключ на основе диода. Схема подключения диода VD, используемого в качестве электронного ключа нагрузки R_H, ВАХ идеального диода и временные диаграммы, иллюстрирующие ключевой режим работы, показаны на рис.1.

Диодный ключ может находиться в одном из двух состояний: включенном «Вкл.» у =1 (проводящем) и отключенном «Отк.» у =0 (непроводящем). Переключение диодного ключа происходит в моменты времени, когда полярность приложенного напряжения u изменяется на противоположную. В первом приближении считают, что падение напряжения на диоде u_s =0, когда у =1, и u_s = u, когда у =0.

Транзисторный ключ (К_VT) на основе биполярного транзистора VT при упрощенном рассмотрении может быть представлен в схеме коммутации как показано на рис.2а.

В биполярных транзисторах токи эмиттера (Э) и коллектора (К) зависят от величины тока базы (Б) i_Б, который в схемах транзисторных ключей является током управления i_у . В зависимости от сигнала управления i_у транзистор может находиться в закрытом (у =0 – низкая проводимость) или в открытом (у =1 – высокая проводимость) состояниях.

Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и большинство их видов не выдерживают обратного напряжения. ВАХ идеального транзисторного ключа показана на рис.2в.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET-транзисторах) воспринимают сигнал управления в виде напряжения. У полевого транзистора (называют также МОП-транзистором или униполярным транзистором) в кристалле полупроводника есть либо индуцированный, либо встроенный канал, проводимость которого изменяется в зависимости от величины напряжения между выводами затвора и подложки. Выводы от канала – сток и исток - используют для подключения транзистора в коммутируемую цепь. Вывод от подложки обычно соединяют с истоком.

Полевые транзисторы обладают большим быстродействием по сравнению с биполярными транзисторами так как основные процессы в них обусловлены одним типом носителей (электронами или дырками). Допустимые значения коммутируемых токов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В; частота коммутации – 100 кГц, сопротивление проводящего канала – примерно 0,5 Ом.

Ключи на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT – транзисторах, называют их также МОПБТ) объединяют положительные свойства биполярного и полевого транзисторов. Подобно биполярному транзистору IGBT–транзистор имеет малые потери мощности во включенном состоянии и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых транзисторов.

Тиристорный ключ (K_VS) на основе однооперационного тиристора VS может быть представлен в схеме коммутации постоянного тока как показано на рис.3 а.

Прямое (+ u_s) и обратное (- u_s) напряжение тиристор способен выдерживать, не переходя в проводящее состояние. Сигналом управления i_y, подаваемым на управляющий электрод, он может быть переведен только из непроводящего состояния (у =0) в проводящее состояние (у =1), но не наоборот. Причем включение тиристора возможно кратковременным импульсом тока управления i_у, если на тиристоре действует прямое напряжение + u_s не меньшее определенной величины (обычно до единиц вольт). Включенный тиристор отключается после спадания прямого тока до нуля и восстановления его запирающей способности. На рис.3 в показана ВАХ идеального тиристора.

Формирование импульса тока i_у (тока управления),включающего тиристор осуществляется путем замыкания, а затем размыкания контакта S1 (рис.3 б). Резистор R_У ограничивает по величине ток управления i_у.

Среди способов отключения тиристора принято различать принудительное выключение (принудительную или искусственную коммутацию) и естественное выключение (естественную коммутацию).

Для коммутации цепи нагрузки R_H постоянного тока применяют различные способы принудительного выключения тиристора. Обычно используется отключающий конденсатор С (рис.3 а). Тиристор отключается разрядным током конденсатора С. Отключение происходит после замыкания контакта S2. Разрядный ток конденсатора протекает по тиристору. Ток разряда С направлен встречно по отношению к току нагрузки. Результирующий ток в тиристоре снижается до нуля, и тиристор переходит в непроводящее состояние.

На рис.4 представлены диаграммы ключевого режима работы, построенные для схемы рис.3 а.

Логические переменные x_S1, x_S2, у отображают на диаграммах состояния элементов S1, S2, VS, изменяющиеся во времени t.

Естественное выключение тиристора происходит под воздействием переменного, обычно сетевого, напряжения U в момент спадания тока до нуля. Поскольку тиристор обладает односторонней проводимостью, то в тиристорном ключе на переменном токе используют два тиристора (VS1, VS2), включенных втречно-параллельно (рис.5а). Для упрощения анализа работы тиристорного ключа будем считать, что нагрузка R_H активная.

При замыкании контакта S тиристорный ключ включается. Тиристоры VS1 и VS2 током управления i_У (при замкнутом S) попеременно в каждый полупериод переменного напряжения ~ u переводятся в проводящее состояние при прямом напряжении u_S на соответствующем тиристоре (рис.5б и рис.5в). В непроводящее состояние каждый из тиристоров переходит, когда напряжение на нем изменяется от прямого к обратному. Тиристоры и диоды, находящиеся под обратным напряжением (не проводящие ток), показаны на рис.5б и рис.5в прерывистыми линиями. Диоды VD1, VD2 (диодные ключи) служат для надежного включения тиристоров.

Коммутация нагрузки переменного тока может осуществляться при широтном или фазовом управлении тиристорным ключом.

Широтное управление, используемое, например, в тиристорных пускателях, реализуется при условии, когда продолжительности замкнутого состояния и разомкнутого состояний контакта S значительно превышают период T=1/f переменного напряжения ~ u (для промышленной частоты f =50 Гц период Т =0,02 с).

Фазовое управление реализуется по командам на включение тиристорного ключа, подаваемым с частотой 2 f. Оно используется в регуляторах переменного напряжения, в устройствах плавного пуска электродвигателя. В этом случае в качестве коммутационного устройства S применяют электронный (достаточно быстродействующий) ключ и так называемую систему импульсного фазового управления (СИФУ). В любом варианте технической реализации устройства фазового управления оно формирует и подает на управляющие электроды тиристоров импульсы управления x_S, сдвигая их на требуемый интервал времени τ относительно моментов естественной коммутации t_2k, k= 0, 1, 2, … (рис.6).

Представленные на рис.6 диаграммы упрощены с предположением, что тиристорный ключ К_VS идеальный, состоит из вентилей VS1, VS2 и реализован по схеме рис.5 а с активной нагрузкой R_H. Функция x_S отображает во времени состояния коммутационного устройства S, а функция у - состояния тиристорного ключа К_VS. Ключ закрывается в моменты t_2k и открывается в моменты t_2k+1 (k= 0, 1, 2, …).

Схемы бесконтактной коммутации цепи нагрузки, представленные на рис. 2, 3, 5, не предусматривают гальваническую развязку между цепью управления и цепью нагрузки. Если гальваническая связь между этими цепями недопустима, то в качестве электронных ключей применяют оптоэлектронные приборы (оптроны).

Оптоэлектронный ключ обеспечивает гальваническую развязку между цепью управления и цепью нагрузки. В корпусе оптоэлектронного прибора установлен излучающий элемент (обычно светодиод) и воспринимающий элемент (фототранзистор, фототиристор или фоторезистор). Связь между ними оптическая.

Используя разнесенное изображение оптрона на электрической схеме, представим коммутатор цепи нагрузки переменного тока с гальванически развязанными цепями управления и нагрузки переменного тока так, как показано на рис.7.

Когда в цепь управления подано напряжение U_y, светодиоды VD1, VD2 излучают, что приводит к попеременному отпиранию фототиристоров VS1, VS2 на соответствующих полуволнах переменного напряжения ~U. По нагрузке Z _H протекает переменный ток.

При U_y =0 фототиристоры сохраняют закрытое состояние. Ток в нагрузке Z _H отсутствует.

Силовые оптотиристоры способны пропускать ток до 1500 А при напряжении до 4 кВ.

Реверсивный тиристорный пускатель предназначен для пуска, остановки и реверсированимя (изменения направления вращения) асинхронного электродвигателя. Упрощенная электрическая схема пускателя с электродвигателем (М) показана на рис.8. В схему не включены элементы защиты электродвигателя, которые обычно предусматриваются в реальных пускателях.

Пускатель подключают к линиям Л1, Л2, Л3 питающей трехфазной сети, по которой электрическая энергия передается электродвигателю М. Направление вращения двигателя зависит от порядка чередования фаз на его обмотках, обозначенных С1, С2, С3. Пуск двигателя на прямой ход осуществляется нажатием кнопки SB2. В этом случае контактором К1 включаются блоки коммутации А2, А3, А4. Двигатель М подключается к трехфазной сети. Остановка двигателя производится нажатием SB1. Пуск на обратный ход – нажатием SB2. Теперь включаются блоки коммутации А1, А3, А5 с помощью контактора К2. Чередование фаз изменяется, и двигатель вращается в противоположном направлении.

Управление пускателем широтно-импульсное.

Выпускаемые промышленностью пускатели тиристорные трехфазные серии ПТТ позволяют реализовать следующие функции:

▪ бесконтактное включение и отключение в номинальном режиме работы;

▪ плавный разгон электродвигателя с ограничением пускового тока на заданном уровне (при импульсно-фазовом управлении);

▪ плавную остановку с заданной длительностью переходного режима;

▪ режим динамического торможения;

▪ аварийное отключение цепи нагрузки при неполнофазном режиме, при токах короткого замыкания и при перегрузках.

Поскольку потери энергии на коммутирующих контактах меньше потерь на электронных ключах, в некоторых пускателях силовой электронный ключ подключают параллельно коммутирующему контакту электромагнитного контактора. Ключ используется для ускоренного гашения электрической дуги, возникающей при размыкании главного контакта контактора.

Гибридные контакторы имеют полупроводниковые приставки с тиристорными ключами. Приставка к главному контакту электромагнитного контактора в простейшем исполнении может быть представлена схемой, как на рис.5. По существу это блок А, который показан на рис.8 для каждой фазы питающей сети. Приставку (А) подключают параллельно главному контакту (ГК) электромагнитного контактора КМ как показано на рис.9а.

Для управления приставкой может использоваться вспомогательный контакт ВК контактора КМ. В этом случае вспомогательный контакт ВК КМ должен размыкаться с некоторым замедлением по сравнению с главным контактом контактора. Поэтому в начале размыкания главного контакта ГК КМ, когда напряжение на нем возрастает, создаются условия для включения одного из двух тиристоров, на котором падает прямое напряжение. Поскольку вспомогательный контакт ВК КМ еще замкнут, тиристор включается, и ток из ГК КМ переходит в полупроводниковую приставку, протекая по открытому тиристору. Тем самым предотвращается разгорание электрической дуги на ГК КМ. Затем контакт ВК КМ размыкается (ГК КМ уже разомкнут). Управляющие электроды тиристоров обесточены, и тиристоры сохраняют закрытое состояние. Замедление размыкания ВК КМ выбирают таким, чтобы при размыкании ГК КМ включался один раз один тиристор. Продолжительность горения электрической дуги на ГК КМ не превышает 0,01 с.

На рис.9 б приведен другой вариант исполнения полупроводниковой приставки с трансформаторами тока ТТ и формирователем импульсов управления ФИУ тиристорами. Принцип действия приставки аналогичен рассмотренному применительно к рис.9 а. Отличие заключается в формировании импульсов управления тиристорами. Импульсы вырабатываются только тогда, когда по главному контакту ГК КМ и по первичной цепи трансформаторов тока ТТ протекает ток. При разомкнутом ГК КМ ток не протекает и ФИУ не вырабатывает импульсы управления. Тиристоры находятся в закрытом состоянии.

Дата добавления: 2015-07-15