Пускатели и реле

Пускатели

Определение

    Пускатель электромагнитный (магнитный пускатель) — это низковольтное электромагнитное (электромеханическое) комбинированное устройство распределения и управления предназначенное для пуска и разгона электродвигателя до номинальной скорости, обеспечения его непрерывной работы, отключения питания и защиты электродвигателя и подключенных цепей от рабочих перегрузок. Пускатель представляет собой контактор, комплектованный дополнительным оборудованием: тепловым реле, дополнительной контактной группой или автоматом для пуска электродвигателя, плавкими предохранителями.

Устройство  и применение

Помимо простого включения, в случае управления электродвигателем  пускатель может выполнять функцию  переключения направления вращения его ротора (т. н. реверсивная схема), путем изменения порядка следования фаз для чего в пускатель встраивается второй контактор. Переключения обмоток  трехфазного двигателя со «звезды» на «треугольник» производится для  уменьшения пускового тока двигателя.

Исполнение магнитных  пускателей может быть открытым и  защищенным (в корпусе); реверсивным  и нереверсивным; со встроенной тепловой защитой электродвигателя от перегрузки и без нее.

Реверсивный магнитный  пускатель представляет собой два  трёхполюсных контактора, укреплённых на общем основании и сблокированных механической или электрической блокировкой, исключающей возможность одновременного включения контакторов.

Магнитный пускатель, контактор или реле имеют силовые  и блокировочные контакты. Силовые  используются для коммутации мощной нагрузки; блок-контакты — в управляющей цепи. Силовой и блок-контакт может быть нормально открытым (Normal Open, NO) и нормально закрытым (Normal Close, NC). Нормально открытый контакт в нормальном положении контактора разомкнут. Нормально закрытый контакт в нормальном положении контактора замкнут. Контакты контактора, пускателя или реле на принципиальных схемах показываются в нормальном положении. Нормальным называется такое положение, когда катушка электромагнита контактора не находится под напряжением, то есть контактор отключен.

Магнитный пускатель  представляет собой простейший комплект аппаратов для дистанционного управления электродвигателями и кроме самого контактора часто имеет кнопочную  станцию и аппараты защиты.

Схема подключения нереверсивного магнитного пускателя

На рис. 1, а, б показаны соответственно монтажная и принципиальная схемы включения нереверсивного магнитного пускателя для управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. На монтажной схеме границы одного аппарата обводят штриховой линией. Она удобна для монтажа аппаратуры и поиска неисправностей. Читать эти схемы трудно, так как они содержат много пересекающихся линий.  

Рис. 1. Схема включения  нереверсивного магнитного пускателя: а - монтажная схема включения  пускателя, электрическая принципиальная схема включения пускателя 

На принципиальной схеме все элементы одного магнитного пускателя имеют одинаковые буквенно-цифровые обозначения. Это позволяет не связывать  вместе условные изображения катушки  контактора и контактов, добиваясь  наибольшей простоты и наглядности  схемы. 

Нереверсивный магнитный  пускатель имеет контактор КМ с тремя главными замыкающими  контактами (Л1 - С1, Л2 - С2, Л3 - С3) и одним вспомогательным замыкающим контактом (3-5).  

Главные цепи, по которым  протекает ток электродвигателя, принято изображать жирными линиями, а цепи питания катушки пускателя (или цепи управления) с наибольшим током — тонкими линиями.

Принцип действия схемы включения  нереверсивного магнитного пускателя

Для включения электродвигателя М необходимо кратковременно нажать кнопку SB2 «Пуск». При этом по цепи катушки  магнитного пускателя, потечет ток, якорь притянется к сердечнику. Это  приведет к замыканию главных  контактов в цепи питания электродвигателя. Одновременно замкнется вспомогательный  контакт 3 - 5, что создаст параллельную цепь питания катушки магнитного пускателя.  

Если теперь кнопку «Пуск» отпустить, то катушка магнитного пускателя будет включена через  собственный вспомогательный контакт. Такую схему называют схемой самоблокировки. Она обеспечивает так называемую нулевую защиту электродвигателя. Если в процессе работы электродвигателя напряжение в сети исчезнет или значительно  снизится (обычно более чем на 40% от номинального значения), то магнитный  пускатель отключается и его  вспомогательный контакт размыкается.  

После восстановления напряжения для включения электродвигателя необходимо повторно нажать кнопку «Пуск». Нулевая защита предотвращает непредвиденный, самопроизвольный пуск электродвигателя, который может привести к аварии.  

Аппараты ручного  управления (рубильники, конечные выключатели) нулевой защитой не обладают, поэтому  в системах управления станочным  приводом обычно применяют управление с использованием магнитных пускателей.  

Для отключения электродвигателя достаточно нажать кнопку SB1 «Стоп». Это  приводит к размыканию цепи самопитания  и отключению катушки магнитного пускателя.

Схема подключения реверсивного магнитного пускателя

В том случае, когда  необходимо использовать два направления  вращения электродвигателя, применяют  реверсивный магнитный пускатель, принципиальная схема которого изображена на рис. 2, а.

Рис. 2. Схемы  включения реверсивного магнитного пускателя 

Принцип действия схем включения  реверсивного магнитного пускателя

Для изменения направления  вращения асинхронного электродвигателя необходимо изменить порядок чередования  фаз статорной обмотки.  

В реверсивном магнитном  пускателе используют два контактора: КМ1 и КМ2. Из схемы видно, что при случайном одновременном включении обоих контакторов в цепи главного тока произойдет короткое замыкание. Для исключения этого схема снабжена блокировкой.  

Если после нажатия  кнопки SB3 «Вперед» к включения контактора КМ1 нажать кнопку SB2 «Назад», то размыкающий контакт этой кнопки отключит катушку контактора КМ1, а замыкающий контакт подаст питание в катушку контактора КМ2. Произойдет реверсирование электродвигателя.  

Электрическая схема  цепи управления реверсивного пускателя  с блокировкой на вспомогательных  размыкающих контактах изображена на рис. 2, б.  

В этой схеме включение  одного из контакторов, например КМ1, приводит к размыканию цепи питания катушки другого контактора КМ2. Для реверса необходимо предварительно нажать кнопку SB1 «Стоп» и отключить контактор КМ1. Для надежной работы схемы необходимо, чтобы главные контакты контактора КМ1 разомкнулись раньше, чем произойдет замыкание размыкающих вспомогательных контактов в цепи контактора КМ2. Это достигается соответствующей регулировкой положения вспомогательных контактов по ходу якоря.  

В серийных магнитных  пускателях часто применяют двойную  блокировку по приведенным выше принципам. Кроме того, реверсивные магнитные  пускатели могут иметь механическую блокировку с перекидным рычагом, препятствующим одновременному срабатыванию электромагнитов  контакторов. В этом случае оба контактора должны быть установлены на общем  основании.         

5 наиболее часто  встречающихся повреждений  электромагнитных  пускателей и методы  их устранения

1. Разновременность  замыкания и состояние  главных контактов                       Разновременность замыкания главных контактов магнитного пускателя можно устранить затяжкой хомутика, держащего главные контакты на валу. При наличии на контактах следов окисления, наплывов или застывших капель металла, контакты надо зачистить.

2. Сильное гудение  магнитной системы  электромагнитного  пускателя                          Сильное гудение магнитной системы может привести к выходу из строя катушек пускателя. При нормальной работе пускатель издает лишь слабый шум. Сильное гудение пускателя свидетельствует о его неисправности.                                                                          Для устранения гудения пускатель надо отключить и проверить:

а) затяжку винтов, крепящих якорь и сердечник,

б) не поврежден ли короткозамкнутый виток, уложенный  в прорезы сердечника. Так как  через катушку протекает переменный ток, то и магнитный поток изменяет свое направление и в какие то моменты времени становится равным нулю. В этом случае противодействующая пружина будет отрывать якорь от сердечника и возникнет дребезг якоря. Короткозамкнутый виток устраняет это явление.

в) гладкость поверхности  соприкосновения обеих половин  электромагнитной системы пускателя  и точность пригонки их, так как  в электромагнитных пускателях ток  в обмотке сильно зависит от положения  якоря. При наличии зазора между  якорем и сердечником ток, проходящий через катушку больше номинального.

Для проверки точности соприкосновения между якорем и  сердечником электромагнитного  пускателя между ними можно подложить  листок копировальной бумаги и листок тонкой белой бумаги и замкнуть пускатель  от руки. Поверхность соприкосновения  должна быть не менее 70% сечения магнитопровода. При меньшей поверхности соприкосновения этот дефект можно устранить правильной установкой сердечника электромагнитной системы пускателя. Если же образовался общий зазор, то необходимо шабровать поверхность вдоль слоев листовой стали магнитной системы.

3. Отсутствие реверса  в реверсивных  магнитных пускателях                                        Отсутствие реверса в реверсивных пускателях можно устранить подгонкой тяг механической блокировки

4. Прилипание якоря  к сердечнику пускателя                                                                 Прилипание якоря к сердечнику происходит в результате отсутствия немагнитной прокладки или недостаточной ее толщины. Пускатель может не отключится даже при полном снятии напряжения с катушки. Необходимо проверить наличие и толщину немагнитной прокладки или воздушный зазор.

5. При включении  пускатель на становится на самоблокировку                                     Необходимо проверить состояние блокировочных контактов пускателя. Контакты во включенном положении должны плотно прилегать друг к другу и включаться одновременно с главными контактами пускателя. Зазоры блок-контактов (кратчайшее расстояние между разомкнутым подвижным и неподвижным контактом) не должны превышать допустимых значений. Необходимо произвести регулировку блок-контактов пускателя. Если провал блок-контакта становится меньше 2 мм, то блок-контакты надо заменить.                                                                                                                                   Своевременные испытания и регулировка электромагнитных пускателей позволяют заблаговременно избежать неполадок и повреждений.

Реле

Реле́ — электромеханическое устройство (переключатель), предназначенное для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электромагнитные, пневматические и температурные реле.

Существует класс  электронных полупроводниковых  приборов именуемых оптореле (твердотельное реле).

Первое реле было изобретено российским ученым П.Л. Шиллингом  в 1830 г, позже изобретено американцем  Дж. Генри в 1831 г. и базировалась на электромагнитном принципе действия, следует отметить, что реле Дж. Генри  было не коммутационным. Слово реле возникло от английского relay, что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relay) уставшим спортсменом.

Основные части  электромагнитного реле: электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит  представляет собой электрический  провод, намотанный на катушку с  сердечником из магнитного материала. Якорь — пластина из магнитного материала, через толкатель управляющая  контактами. При пропускании электрического тока через обмотку электромагнита возникающее магнитное поле притягивает  к сердечнику якорь, который через  толкатель смещает, и тем самым  переключает контакты. Переключатели  могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими. 

Герконовые реле вместо сердечника используют геркон.

Принцип действия реле 

Обозначение на схемах

                                                                                                1 — обмотка реле (управляющая цепь), 2 — контакт замыкающий, 3 — контакт размыкающий, 4 — контакт замыкающий с замедлителем при срабатывании, 5 — контакт замыкающий с замедлителем при возврате, 6 — контакт импульсный замыкающий, 7 — контакт замыкающий без самовозврата, 8 — контакт размыкающий без самовозврата, 9 — контакт размыкающий с замедлителем при срабатывании, 10 — контакт размыкающий с замедлителем при возврате.

Особенности работы

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом  сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются  крышкой. Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.                                                        В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче управляющего сигнала электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения управляющего напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.                          Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей (такая ситуация часто обозначается в электротехнике как сухой контакт). Более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть: слаботочные электрические схемы (например дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы которые на выходе имеют минимальные значения тока и напряжения. Таким образом, реле по сути выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были заменены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами — работающими в ключевом (переключательном) режиме. В настоящее время имеются попытки возродить релейные вычислительные машины с использованием нанотехнологий.                                                                                          В настоящее время в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.                                                                                             При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая «масляная ячейка»).                                                                                                      Реле до сих пор очень широко применяются в бытовой электротехнике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надёжнее электроники, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя и, особенно, к сильному броску напряжения при его отключении.

Тепловые  реле

Тепловые реле - это  электрические аппараты, предназначенные  для защиты электродвигателей от токовой перегрузки. Наиболее распространенные типы тепловых реле - ТРП, ТРН, РТЛ и  РТТ. 
 

Принцип действия

Долговечность энергетического  оборудования в значительной степени  зависит от перегрузок, которым оно  подвергается во время работы. Для  любого объекта можно найти зависимость  длительности протекания тока от его  величины, при которых обеспечивается надежная и длительная эксплуатация оборудования. Эта зависимость представлена на рисунке (кривая 1).  

При номинальном  токе допустимая длительность его протекания равна бесконечности. Протекание тока, большего, чем номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима. Кривая 1 на рисунке устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы. 

Время-токовые характеристики теплового реле и защищаемого объекта

При идеальной защите объекта зависимость tср (I) для теплового реле должна идти немного ниже кривой для объекта.

Для защиты от перегрузок, наиболее широкое распространение  получили тепловые реле с биметаллической  пластиной.

Биметаллическая пластина теплового реле состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший  температурный коэффициент расширения, другая — меньший. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены  либо за счет проката в горячем  состоянии, либо за счет сварки. Если закрепить  неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону  материала с меньшим. Именно это явление используется в тепловых реле.                                                                                                      Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение a) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение a).

Нагрев биметаллического элемента теплового реле может производиться  за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки. Очень часто нагрев биметалла производится от специального нагревателя, по которому протекает  ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном  нагреве, когда пластина нагревается  и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через биметалл, и за счет тепла, выделяемого специальным  нагревателем, также обтекаемым током  нагрузки.  

Прогибаясь, биметаллическая  пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему  теплового реле.

Время-токовые  характеристики теплового  реле

Основной характеристикой  теплового реле является зависимость  времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). В общем  случае до начала перегрузки через  реле протекает ток Iо, который нагревает пластину до температуры qо.                           При проверке времятоковых характеристик тепловых реле следует учитывать, из какого состояния (холодного или перегретого) происходит срабатывание реле.                                    При проверке тепловых реле надо иметь в виду, что нагревательные элементы тепловых реле термически неустойчивы при токах короткого замыкания.

Выбор тепловых реле

Номинальный ток  теплового реле выбирают исходя из номинальной нагрузки электродвигателя. Выбранный ток теплового реле составляет (1,2 - 1,3) номинального значения тока электродвигателя (тока нагрузки), т. е.тепловое реле срабатывает при 20- 30% перегрузке в течении 20 минут.                                                                                          

Постоянная времени нагрева электродвигателя зависит от длительности токовой перегрузки. При кратковременной перегрузке в нагреве участвует только обмотка электродвигателя и постоянная нагрева 5 - 10 минут. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса электродвигателя и постоянна нагрева 40-60 минут. Поэтому применение тепловых реле целесообразно лишь тогда, когда длительность включения больше 30 минут.

Влияние температуры окружающей среды на работу теплового  реле

Нагрев биметаллической  пластинки теплового реле зависит  от температуры окружающей среды, поэтому  с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания реле уменьшается.                                                                                                                                                  При температуре, сильно отличающейся от номинальной, необходимо либо проводить дополнительную (плавную) регулировку теплового реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды.                                                               Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания теплового реле, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась возможно больше.                                                                                                                                                      Для правильной работы тепловой защиты реле желательно располагать в том же помещении, что и защищаемый объект. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — нагревательных печей, систем отопления и т. д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией (серии ТРН).

Конструкция тепловых реле

Прогиб биметаллической  пластины происходит медленно. Если с  пластиной непосредственно связать  подвижный контакт, то малая скорость его движения, не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при  отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт.                                                                                                                                  В обесточенном состоянии пружина 1 создает момент относительно точки 0, замыкающий контакты 2. Биметаллическая пластина 3 при нагреве изгибается вправо, положение пружины изменяется. Она создает момент, размыкающий контакты 2 за время, обеспечивающее надежное гашение дуги. Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепловыми реле ТРП (одно-фазное) и ТРН (двухфазное). 

Тепловые  реле ТРП 

Тепловые токовые  однополюсные реле серии ТРП с  номинальными токами тепловых элементов  от 1 до 600 А предназначены главным образом для защиты от недопустимых перегрузок трехфазных асинхронных электродвигателей, работающих от сети с номинальным напряжением до 500 В при частоте 50 и 60 Гц. Тепловые реле ТРП на токи до 150 А применяют в сетях постоянного тока с номинальным напряжением до 440 В.

Устройство  теплового реле типа ТРП

Биметаллическая пластина теплового реле ТРП имеет комбинированную  систему нагрева. Пластина 1 нагревается  как за счет нагревателя 5, так и  за счет прохождения тока через саму пластину. При прогибе конец биметаллической  пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3.                                                                                                           Тепловое реле ТРП позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока уставки). Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка позволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя.                                                                                          Возврат реле ТРП в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла.

Высокая температура  срабатывания (выше 200°С) уменьшает  зависимость работы реле от температуры  окружающей среды.                                                                                                          Уставка теплового реле ТРП меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на КУС.                                                                                                                                              Высокая ударо- и вибростойкость теплового реле ТРП позволяют использовать его в самых тяжелых условиях.

Тепловые  реле  РТЛ

Реле тепловое РТЛ  предназначено для обеспечения  защиты электродвигателей от токовых  перегрузок недопустимой продолжительности. Они также обеспечивают защиту от не симметрии токов в фазах  и от выпадения одной из фаз. Выпускаются электротепловые реле РТЛ с диапазоном тока от 0.1 до 86 А.                                                   Тепловые реле РТЛ могут устанавливаться как непосредственно на пускатели ПМЛ, так и отдельно от пускателей (в последнем случае они должны быть снабжены клеммниками КРЛ). Разработаны и выпускаются реле РТЛ и клеммники КРЛ которые имеют степень защиты ІР20 и могут устанавливаться на стандартную рейку. Номинальный ток контактов равен 10 А. 

Тепловые  реле РТТ

Реле тепловые РТТ предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок недопустимой продолжительности, в том числе возникающих при выпадении одной из фаз, а также от несимметрии в фазах.                                                                                                                                   Реле РТТ предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в схемах управления электроприводами, а также для встройки в магнитные пускатели серии ПМА в целях переменного тока напряжением 660В частотой 50 или 60Гц, в целях постоянного тока напряжением 440В.