Описание лабораторной установки

Устройство коммутационной аппаратуры с напряжением до 1000 В можно изучить с помощью стенда, расположенного в учебной лаборатории.

Для испытаний аппаратуры на стенде следует собрать схемы, приведенные на рис. 10, 11.

Все схемы собираются при отключенном напряжении питания и с соблюдением правил техники безопасности.

После сборки каждая схема представляется преподавателю.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством, конструкцией и принципом действия всех элементов магнитного пускателя. Изучить условные обозначения элементов пускателя на электрических схемах.

2. Собрать схему (см. рис. 6 а) и определить напряжение втягивания и отпадения магнитного пускателя КМ1. Рассчитать коэффициент возврата.

3. Собрать схему подключения нагрузки к питающей сети с помощью магнитного пускателя, рис. 19. Проверить правильность ее функционирования и объяснить работу элементов при нажатии кнопки «Вперед» (ПУСК) SBC1.

4. Собрать реверсивную схему подключения нагрузки к питающей сети с помощью двух магнитных пускателей, рис. 20. Проверить правильность ее работы. Составить описание порядка срабатывания элементов схемы при нажатии кнопки «Вперед» SBC1 и при нажатии кнопки «Назад» SBC2.

Рис. 19. Схема нереверсивного управления асинхронным электродвигателем

Рис. 20. Схема реверсивного управления асинхронным электродвигателем

Контрольные вопросы

1. Каково назначение магнитного пускателя?

2. Как выполняется неавтоматическое включение и отключение пускателя?

3. При каких режимах пускатель отключается автоматически?

4. Как устроено и каково назначение теплового реле?

5. Почему в магнитных пускателях тепловые реле установлены в двух фазах?

6. Как осуществляется защита двигателей, управляемых магнитными пускателями, от КЗ?

7. Как гасится дуга в магнитном пускателе?

Лабораторная работа № 4 Исследование автоматического выключателя

Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия и конструктивными элементами автоматического выключателя. Изучить методы испытаний и наладки автоматических выключателей напряжением до 1000 В.

Общие сведения

Автоматический выключатель – это аппарат, предназначенный для нечастых включений и отключений электрической цепи при нормальной нагрузке, а также для автоматического отключения цепи при возникновении перегрузки, короткого замыкания, исчезновении или снижении напряжения. Автоматические выключатели выполняют одновременно функции защиты и управления.

Автоматические выключатели обычно выполняют функции защитных аппаратов при: коротких замыканиях или перегрузках (автоматические выключатели максимального тока), снижении или исчезновении напряжения (автоматические выключатели минимального напряжения), изменении направления передачи мощности или тока (автоматические выключатели обратного тока или обратной мощности).

Независимо от выполняемых функции автоматические выключатели подразделяются по собственному времени срабатывания t_с,в (времени с момента подачи команды до начала размыкания контактов) на нормальные t_c,в=0,02–0,1 с), селективные (t_c,в регулируется до 1 с) и быстродействующие, обладающие токоограничивающим эффектом (t_с,в не более 0,05 с).

Различают несколько разновидностей выключателей: универсальные (работают на постоянном и переменном токе), установочные (предназначаются для установки в общедоступных помещениях), быстродействующие постоянного тока, гашения магнитного поля мощных генераторов и др.

Возможность использования выключателей для включения и отключения токов электродвигателей должна устанавливаться в технических условиях на выключатели конкретных серий и типов;

ГОСТ 9098-78 – устанавливает следующую классификацию автоматических выключателей:

1. По роду тока главной цепи: постоянного тока; переменного тока; постоянного и переменного тока.

Номинальные токи главных цепей выключателей, предназначенных для работы при температуре окружающего воздуха 40 °С, должны соответствовать ГОСТ 6827-76. Номинальные токи для главных цепей выключателя выбирают из ряда: 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300 А. Дополнительно могут выпускаться выключатели на номинальные токи главных цепей выключателей: 1500; 3000; 3200 А.

Номинальные токи максимальных расцепителей тока выключателей, предназначенных для работы при температуре окружающего воздуха 40 °С, должны соответствовать ГОСТ 6827-76.

Допускаются номинальные токи максимальных расцепителей тока: 15; 45; 120; 150; 300; 320; 600; 1200; 1500; 3000; 3200 А

2. По числу полюсов главной цепи: однополюсные; двухполюсные; трехполюсные; четырехполюсные.

3. По наличию токоограничения: токоограничивающие; нетокоограничивающие.

4. По видам расцепителей: с максимальным расцепителем тока; с независимым расцепителем; с минимальным или нулевым расцепителем напряжения.

5. По характеристике выдержки времени максимальных расцепителей тока: без выдержки времени; с выдержкой времени, независимой от тока; с выдержкой времени, обратно зависимой от тока; с сочетанием указанных характеристик.

6. По наличию свободных контактов: с контактами; без контактов.

7. По способу присоединения внешних проводников: с задним присоединением; с передним присоединением; с комбинированным присоединением (верхние зажимы с задним присоединением, а нижние – с передним присоединением или наоборот); с универсальным присоединением (передним и задним).

8. По виду привода: с ручным; с двигательным.

9. По наличию и степени защиты выключателя от воздействия окружающей среды и от соприкосновения с находящимися под напряжением частями выключателя и его движущимися частями, расположенными внутри оболочки в соответствии с требованиями ГОСТ 14255-69.

10. По виду привода: с ручным; с двигательным.

11. По наличию и степени защиты выключателя от воздействия окружающей среды и от соприкосновения с находящимися под напряжением частями выключателя и его движущимися частями, расположенными внутри оболочки в соответствии с требованиями ГОСТ 14255-69.

Автоматические выключатели выполняются одно, двух, трехполюсными и имеют следующие конструктивные узлы: главной контактной системы, дугогасительной системы, привода, расцепляющего устройства, расцепителей и вспомогательных контактов.

Контактная система может быть трехступенчатой (с главными, промежуточными и дугогасительными контактами), двухступенчатой (с главными и дугогасительными контактами) и при использовании металлокерамики одноступенчатой.

Дугогасительная система может состоять из камер с узкими щелями или из камер с дугогасительными решетками. Комбинированные дугогасительные устройства - щелевые камеры в сочетании с дугогасительной решеткой применяют для гашения дуги при больших токах.

Автоматические выключатели изготовляют с ручным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.

Привод автоматического выключателя служит для включения, автоматического отключения и может быть ручным непосредственного действия и дистанционным (электромагнитным, пневматическим и др.).

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями.

Расцепители  это электромагнитные или термобиметаллические элементы, служащие для отключения автоматического выключателя через механизм свободного расцепления при КЗ, перегрузках и исчезновении напряжения в первичной цепи.

Механизм свободного расцепления состоит из рычагов, защелок, коромысел и отключающих пружин и предназначен для отключения автоматического выключателя, а также для устранения повторного включения автоматического выключателя на короткое замыкание при длительно существующей команде на включение.

Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой. По собственному времени отключения t_с,о (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошел установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (t_с,о = 0,02–1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (t_с,о < 0,005 с).

Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, так же как предохранители, обладают токоограничивающим действием, так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения I_уд.

Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить селективную защиту сетей путем установки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя и ступенчато возрастающей к источнику питания.

Автоматический выключатель может быть снабжен коммутатором, имеющим вспомогательные контакты, которые используются в цепях управления, блокировки и сигнализации автоматического выключателя, рис 21-22.

Рис. 21. Вспомогательные и дополнительные контакты 1 – контакт; 2 – корпус; 3 – пружина; 4 – контакт; 5 – пружина; 6 – шток

Рис 22. Контакты вспомогательной цепи

На рис. 23 приведена упрощенная схема автоматического воздушного выключателя. В указанном положении выключатель отключен и электрическая цепь, подсоединенная к выводам А и Б, разомкнута. Для включения выключателя надо вращать по часовой стрелке рукоятку 3. Создается усилие, которое, перемещая рычаги 4 и 5 вправо, будет поворачивать основную несущую деталь 6 выключателя вокруг неподвижной оси О по часовой стрелке. При этом замыкаются и включают цепь тока вначале дугогасительные 8 и 10, а затем главные 7 и 11 контакты, и взводится отключающая пружина 2. После включения вся система остается в крайнем правом положении, зафиксированном специальной защелкой (на рис. 23 не показана).

Рис. 23. Упрощенная схема

Когда по катушке 1 электромагнитного расцепителя проходит ток короткого замыкания, на его якоре создается электромагнитная сила, переводящая рычаги 4 и 5 вверх за мертвую точку, в результате чего выключатель отключается автоматически пружиной 2. При этом контакты размыкаются и возникающая на них дуга, выдувается в дугогасительную камеру 9 и гасится в ней.

Система шарнирно связанных рычагов 4 и 5 выполняет функцию расцепляющего устройства, которое в реальных выключателях имеет более сложное устройство.

Расцепляющее устройство позволяет выключателю отключаться в любой момент времени, в том числе и в процессе включения на существующее в электрической цепи короткое замыкание. Если рычаги 4 и 5 переведены вверх за мертвую точку, то жесткая связь между приводной рукояткой 3 и подвижной деталью 6 нарушается и выключатель не включается. Мертвая точка соответствует такому положению рычагов 4 и 5, когда прямые линии О₁О₂ и О₂О₃, соединяющие оси вращения рычагов, находятся на одной линии. Система рычагов расцепляющего устройства строится так, что для их расцепления требуются незначительные усилия.

При отключении выключателя первыми размыкаются главные контакты 7 и 11 и весь ток перейдет в параллельную цепь дугогасительных контактов 8 и 10 с накладками из дугостойкого материала. На главных контактах дуга не должна возникать, чтобы эти контакты не обгорали. Дугогасительные контакты размыкаются, когда главные контакты расходятся на значительное расстояние. На них возникает электрическая дуга, которая выдувается вверх и гасится в дугогасительной камере 9.

При включении автомата первыми замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные. Возможная из-за вибрации контактов электрическая дуга возникает и гасится лишь на дугогасительных контактах.

Расцепители в выключателях выполняют защитные функции и являются измерительными органами. Они контролируют заданный параметр защищаемой цепи и, воздействуя на механизм расцепления, отключают выключатель при отклонении значения параметра от установленного.

В зависимости от выполняемых функций защиты расцепители бывают:

а) токовые максимальные мгновенного или замедленного действия, последние используются как расцепители перегрузки;

б) расцепители напряжения: минимальные – для отключения выключателя при снижении напряжения ниже определенного уровня; независимые – для дистанционного отключения выключателя, срабатывающие при подаче на них соответствующего напряжения;

в) тепловые – работают в зависимости от силы тока и времени его прохождения, применяются обычно для защиты от перегрузок;

г) расцепители обратного тока – срабатывают при изменении направления тока;

д) комбинированные – срабатывают при сочетании ряда факторов;

ж) полупроводниковые.

Нулевой расцепитель напряжения представляет собой электромагнит, катушка которого подключена к контролируемой цепи. При наличии напряжения в контролируемой цепи якорь электромагнита притянут к сердечнику. В случае недопустимого снижения напряжения в контролируемой цепи якорь электромагнита отпадает и воздействуя на механизм управления, вызывает срабатывание выключателя.

П ри недопустимом снижении напряжения контролируемой цепи якорь находится в отпущенном положении, чем препятствует включению выключателя.

Независимый расцепитель предназначен для дистанционного отключения включенного выключателя при подаче на выводы его катушки напряжения постоянного или однофазного переменного тока частоты 50, 60 Гц.

Расцепитель независимый представляет собой электромагнит с шунтовой катушкой, кинематически связанный с механизмом свободного расцепления выключателя. При подаче напряжения якорь независимого расцепителя воздействует на отключающую рейку и выключатель отключается. Питание от стороннего источника напряжения подается на катушку независимого расцепителя через замыкающий контакт вспомогательной цепи, что предохраняет катушку от длительного нахождения под током.

Рис. 25. Расцепитель независимый (А 3790) 1 – электромагнит; 2 – якорь; 3 – скоба

Рис. 26. Расцепитель независимый (ВА08) 1 – катушка; 2 – шток; 3 – пружина

Рис. 27. Расцепитель электромагнитный (А 3790) 1 – сердечник; 2 – якорь; 3 – пружина; 4 – скоба

Рис. 28. Электромагнитный расцепитель (ВА08) 1 – сердечник; 2 – якорь; 3 – пружина

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, состоящий из сердечника 1, якоря 2 и удерживающий пружины 3. Расцепитель настраивается на определенную уставку по току срабатывания (в зависимости от заказа) предприятием-изготовителем и в условиях эксплуатации не регулируется.

В настоящее время широко применяются полупроводниковые расцепители. Они имеют улучшенные эксплуатационные характеристики: широкие диапазоны регулирования токов и времени срабатывания, что позволяет унифицировать изделия и выпускать меньшую их номенклатуру, не имеют большого количества подвижных элементов. В измерительных органах таких расцепителей применяются трансформаторы тока, а одним из основных элементов является элемент выдержки времени.

Полупроводниковый микропроцессорный расцепители предназначены для подачи команды на автоматическое отключение выключателя по заданной программе при возникновении в цепи токов короткого замыкания или перегрузки. Полупроводниковый расцепитель выполняет следующие виды защит:

• защита от однофазного короткого замыкания с выдержкой времени или без нее;

• защита от междуфазного короткого замыкания с задержкой и без задержки срабатывания;

• защита от токов перегрузки (без выдержки времени; с независимой от тока выдержкой

Дополнительно полупроводниковый микропроцессорный расцепители может осуществлять:

• индикацию кратности тока наиболее нагруженной фазы (Iф/Iр);

• сигнализацию времени с начала перегрузки, если перегрузка длится более 50 % времени до срабатывания ИЭ (исполнительного электромагнита)

• индикацию причины отключения;

• передачу во внешние цепи сигналов причины отключения, логической селективности;

• дистанционное переключение характеристик защиты от токов перегрузки.

Автоматические выключатели характеризуются:

1. номинальным напряжением – максимальным напряжением сети, при котором допускается применять выключатель;

2. номинальным током – максимальным током, который выдерживает выключатель длительное время;

3. собственным временем срабатывания – временем от момента, когда контролируемый параметр превзошел установленное для него значение (уставку – I_уст), до момента начала расхождения контактов (на рисунке 2I_откл), или временем от подачи импульса на отключение до момента начала расхождения контактов. Это время зависит от способа расцепления и конструкции расцепляющего устройства выключателя, от силы отключающих пружин, массы подвижной системы и пути этой массы до момента размыкания контактов;

4. полным временем срабатывания – собственным временем отключения плюс время гашения дуги t₁, зависящее главным образом от эффективности дугогасительного устройства.

Рис. 29. Процесс отключения цепи при коротком замыкании нормальным и быстродействующим выключателем

Автоматические выключатели серии А 3100 (установочные автоматы) выполняются на токи 50, 100, 200 и 600 А и напряжение 220 В постоянного тока, 380 и 500 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц, а также на токи до 160 А для повышенной частоты 400 и 2400 Гц и напряжение 400 и 500 В соответственно. Выключатели выпускаются двух- и трехполюсные (на 50 А также однополюсные) с тепловыми, электромагнитными (максимальными) и комбинированными расцепителями. Отключающая способность достигает 50 кА.

Автоматический выключатель серии А 3100 показан на рис 30. Он смонтирован на основании 1. Кожух 2 закрывает все токоведущие части. Контактная система одноступенчатая и состоит из неподвижных 3 и подвижных 4 контактов. Контакты с напайками из металлокерамики на основе серебра. Контакты не свариваются и устойчиво работают без ухода.

Гибкие соединения 6 соединяют подвижные контакты с шинами токовых расцепителей – максимального 16 и теплового 18. Держатели подвижных контактов соединены общим стальным изолированным валиком 13 или изолированной траверсой и посредством расцепляющего устройства 9 связаны с рукояткой 5. Камера 10 с дугогасительной деионной решеткой 11 обеспечивает надежное гашение дуги.

Автоматические выключатели серии А 3700 выполняются четырех габаритов: 40, 80 и 160 А (один габарит); 250, 400 и 630 А на 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц и 440 В постоянного тока. По роду защиты могут быть токоограничивающими, с выдержкой времени и неавтоматические.

Выключатель серии А 3700 показан на рисунке 31. Он смонтирован в изоляционной оболочке, состоящей из корпуса 1 и крышки 5. Ребра в корпусе и крышка отделяют полюсы друг от друга. Токопроводы 2 закрыты от соприкосновения обслуживающего персонала.

Контактная система состоит из подвижных контактов 6, укрепленных на изоляционной оси 13, связанной с расцепляющим устройством, и неподвижных контактов 14 токоограничивающего или компенсационного устройства, собираемых из унифицированных деталей.

Гашение дуги осуществляется в камере дугогасительной деионной решеткой 4. Над камерой установлена пламегасительная решетка 3.

Расцепляющее устройство обеспечивает моментное замыкание и размыкание контактов. Расцепители максимального тока – полупроводниковые, изготовляются в виде отдельного блока 8. Они позволяют при помощи рукояток 9 регулировать ток расцепителя, уставку по току в зоне короткого замыкания, время отключения для выключателей с выдержкой времени или время отключения при перегрузках. Полупроводниковый расцепитель воздействует на расцепляющее устройство через независимый расцепитель (катушку с сердечником 11, якорь 12).

Рис. 30. Автоматический выключатель А 3100

Рис. 31. Автоматический выключатель серии А 3700

При переменном токе измерительным элементом для полупроводникового расцепителя являются трансформаторы тока 10, а при постоянном токе – магнитные датчики, устанавливаемые в каждом полюсе.

Привод выключателя ручной – осуществляется рукояткой 7, двигательный – устанавливается на крышке и воздействует на выключатель через рукоятку.

Рис. 32. Выключать токоограничиваюший А 3790

1 – расцепитель нулевого напряжения; 2 – крышка выключателя; 3 – вывод верхний; 4 – искрогаситель; 5 – камера дугогасительная; б – пластины стальные; 7 – контактодержатсль контакта подвижного; 8 – контакт подвижный; 9 – траверса изоляционная; 10 – рукоятка; 11 – рейка отключающая; 12 – элемент измерительный; 13 – блок управления расцепителя полупроводникового; 14 – вывод нижний; 15 – корпус; 16 – расцепитель электромагнитный; 17 – соединение гибкое; 18 – расцепитель независимый; 19 – колодка зажимная; 20 – контакты вспомогательной цепи; 21 – контакт малоподвижный; 22 – контактодержатсль контакта малоподвижного.

Выключатель состоит из следующих сборочных единиц: основания, крышки, механизма свободного расцепления, содержащего подвижную контактную систему, неподвижной контактной системы, максимальных расцепителей тока, дугогасительных камер, искрогасителей, выводов для присоединения к главной цепи выключателя

На рис. 33 показан выключатель типа ВА08 стационарного исполнения без дополнительных сборочных единиц.

Механизм свободного расцепления рычажного типа установлен в среднем полюсе выключателя. Механизм имеет опорный рычаг 10 шарнирно соединенный двумя звеньями 3 и 5 с подвижной контактной системой и собачкой 12 с отключающей рейкой 13 поворотного типа. Для включения выключателя, находившегося в расцепленном положении (положение «Отключено автоматически»), механизм должен быть взведен путем перемещения рукоятки 2 выключателя в направлении знака «0» до упора.

При этом происходит зацепление собачки с отключающей рейкой 13. Последующее включение осуществляется перемещением рукоятки 2 в направлении знака «1» до упора.

Автоматическое отключение выключателя происходит при повороте по часовой стрелке отключающей рейки 13 любым из расцепителей независимо от положения рукоятки 2 выключателя. При этом рукоятка занимает промежуточное положение между знаками «0» и «1», указывая, что выключатель отключен автоматически.

1 – крышка; 2 – рукоятка; 3 – звено; 4 – вывод; 5 – звено; 6 – искрогасительные пластины; 7 – малоподвижный контакт; 8 – вал; 9 –гибкое соединение; 10 – рычаг; 11 – вывод; 12 – собачка; 13 – отключающая рейка; 14, 17 – пластина камеры; 15 – подвижный контакт; 16 – дугогасительная камера; 18 – блок полупроводниковой защиты БУТ-11; 19 – щека камеры

Рис. 33. Общий вид выключателя ВА08

Дугогасительные камеры 16 установлены в каждом полюсе выключателя и представляют собой деионные решетки, состоящие из ряда стальных пластин 14, закрепленных в изоляционных щеках 19.

Искрогасители, содержащие искрогасительные пластины 6, закреплены в крышке выключателя 1 перед отверстиями для выхода коммутационных газов в каждом полюсе выключателя.

Выводы 4 предназначены для присоединения внешних проводников со стороны малоподвижных контактов.

	Рис. 34. Разрез автоматического выключателя на 10 ампер с креплением на ДИН рейку 1 – рукоятка; 2 – расцепитель; 3 – главные контакты; 4 – клемма подключения; 5 – биметаллическая пластина теплового расцепителя; 6 – пружина; 7 – катушка электромагнитного расцепителя; 8 – дугогасительная решетка.
	Рис. 35. Автоматический выключатель: 1 – катушка электромагнитного расцепителя; 2 – дугогасительная камера; 3 – главные контакты; 4 – корпус; 5 – клемма подключения; 6 – биметаллическая пластина теплового расцепителя

Выводы 11 предназначены для присоединения внешних проводников со стороны подвижных контактов. Выводы 4 имеют маркировку «1», «3», «5». Выводы 11 имеют маркировку «2», «4», «6».

Включенный автоматический выключатель в нормальном режиме длительно проводит ток в защищаемой цепи. Если в защищаемой цепи хотя бы одного полюса ток достигает величины, равной или превышающей значение уставки по току срабатывания максимальных расцепителей тока в зоне токов перегрузки или короткого замыкания, срабатывает соответствующий максимальный расцепитель и выключатель отключает защищаемую цепь независимо от того, удерживается ли рукоятка во включенном положении или нет.

Рис. 36. Блок автоматических выключателей соединенных общей шиной

На рис 34 и 35 представлены современные малогабаритные автоматические воздушные выключатели с креплением на DIN рейку. Они состоят из главных контактов, дугогасительной камеры, теплового и электромагнитного расцепителя, рукоятки включения и блока защиты от включения на КЗ.

При установке на одну DIN рейку нескольких выключателе возможно соединение их между собой по вводным цепям с помощью специальной шины, рис 36.