5.4. Електричні апарати
Електричні апарати – електротехнічні пристрої, призначені для керування потоками енергії або інформації. Керування може здійснюватися потоками енергії різного виду: електричної, механічної, теплової тощо. У параграфі розглядаються електричні апарати, призначені для керування потоками електричної енергії з метою зміни режимів роботи, регулювання параметрів, контролю й захисту електроустановок. Як правило, електричні апарати функціонують за допомогою комутації (включення й відключення) електричних кіл з різною частотою, починаючи від нечастих та нерегулярних значень до періодичних високочастотних, наприклад, в імпульсних регуляторах напруги.
Розрізняють електричні апарати низької напруги – напругою до 1000 В і електричні апарати високої напруги – напругою вище 1000 В. Електричні апарати низької напруги також класифікують за величиною струму, що комутується: слабо-струмові – до 10 А та сильно-струмові – понад 10 А.
Апарати низької напруги умовно поділяють на наступні види:
– апарати керування й захисту – автоматичні вимикачі, контактори, реле, пускачі електродвигунів, перемикачі, рубильники, плавкі запобіжники, кнопки керування й інші апарати, що управляють режимами роботи електроустановок і здійснюють їх захист;
– апарати автоматичного регулювання – стабілізатори і регулятори напруги, струму, потужності та інших параметрів електричної енергії;
– апарати автоматики – реле, датчики, підсилювачі, перетворювачі та інші апарати, що здійснюють функції контролю, посилення й перетворення електричних сигналів.
Електричні апарати як низької, так і високої напруги звичайно є конструктивно закінченими технічними пристроями, що реалізують певні функції й розраховані на різні умови експлуатації.
За принципом роботи електричні апарати поділяють на контактні й безконтактні. Контактні електричні апарати мають рухливі контактні частини, і в них вплив на коло керування здійснюється шляхом замикання або розмикання цих контактів. Безконтактні електричні апарати не мають рухливих контактів. Такі апарати здійснюють керування шляхом зміни своїх електричних параметрів (індуктивності, ємності, опору тощо).
Контактні апарати можуть бути автоматичними, напівавтоматичними та неавтоматичними. Автоматичними є апарати, що працюють залежно від заданого режиму роботи електричного кола та незалежно від дій оператору. Неавтоматичними є апарати, робота яких залежить тільки від дій оператора. Ними можна керувати дистанційно або безпосередньо (вони є ручними). Проміжними є напівавтоматичні апарати, частина операцій у яких виконується при втручанні оператора, а частина автоматично. Коли апарат здійснює яку-небудь дію, то говорять, що "апарат спрацьовує".
Більшість електричних апаратів призначена для здійснення якої-небудь однієї функції. Наприклад, рубильники служать тільки для включення і відключення установок. Існують апарати, що виконують кілька функцій. Такі електричні апарати називаються комплектними.
В електричних апаратах використовуються різні фізичні явища: вплив магнітного поля на феромагнітні тіла, взаємодія електричного струму з магнітним полем, виникнення ЕРС і вихрових струмів у масивних провідних тілах у змінному магнітному полі тощо.
Розглянемо докладно деякі типи електричних апаратів.
Рубильники. Рубильник є найпростішим ручним комутаційним апаратом, призначеним для вмикання і вимикання електричних кіл. Бувають однополюсними, двополюсними, триполюсними і багатополюсними.
Конструкція найпростішого двополюсного рубильника зображена на рис. 5.53.
Рис. 5.53 – Конструкція двополюсного рубильника
1 – ніж; 2 – стійка; 3 – губка; 4 – рукоятка; 5 – основа
Для створення надійного електричного контакту необхідний певний тиск між контактними поверхнями. У рубильниках, розрахованих на невеликі струми, цей тиск здійснюється за рахунок пружних властивостей міді губок та ножів. У рубильниках на великі струми необхідний тиск створюється спеціальними неструмопровідними сталевими пружинами.
Відомо, що при замиканні і розмиканні контактів утворюються електричні дуги. У низьковольтних рубильниках змінного струму на середні
і малі струми гасіння дуги здійснюється швидкою деіонізацією газів. Ефективним заходом є застосування дугогасних решіток, що складаються з набору мідних або сталевих пластин, ізольованих одна від одної і від інших частин апарата. Дуга направляється в дугогасні решітки, де розбивається на ряд коротких дуг між пластинами і швидко гасне. При цьому дугогасні пластини інтенсивно поглинають тепло.
Кнопки керування. Кнопки керування застосовуються для дистанційного керування електромагнітними апаратами (контакторами, магнітними пускачами), а також для включення кіл сигналізації. Конструкцію кнопки керування показано на рис. 5.54.
Рис. 5.54 – Конструкція кнопки керування КУ-1500
1 – корпус; 2 – металевий стрижень; 3 – кнопка; 4 – зворотна пружина; 5 – розми-кальні контакти; 6 – контактний місток; 7 – контактна пружина; 8 – замикальні контакти
Кнопка керування має один або два контакти місткового типу, які, залежно від призначення, можуть бути розмикальними або замикальними. Контакти виготовляються мідними, посрібленими, срібними, метало-керамічними. Кнопки можуть виконуватися із самоповертанням у вихідне положення. Кнопки можуть комплектуватися у кнопкові пости.
Універсальні перемикачі. Універсальні перемикачі служать для ручного перемикання кіл керування і силових кіл малої потужності.
Установлюються на щитах і пультах керування. Дозволяють одержати будь-яку послідовність переключень для різних умов роботи. Конструкцію універсального перемикача приведено на рис. 5.55.
Універсальний перемикач складається з набору контактних секцій, стягнутих шпильками. Через усі секції проходить центральний вал, що несе кулачкові шайби із пластмаси, що замикають і розмикають контакти при повороті рукоятки.
Рис. 5.55 – Конструкція універсального перемикача
Пакетні перемикачі. Пакетні перемикачі (вимикачі) використовуються для пуску дрібних двигунів і перемикання кіл керування. Зовнішній вигляд пакетного перемикача приведено на рис. 5.56.
Рис. 5.56 – Конструкція пакетного перемикача
Реле. Існують реле керування, реле автоматики та реле захисту.
Реле керування й автоматики призначені для автоматичного керування електроприводами та іншими електротехнічними пристроями. Реле керування можуть також служити для захисту електроустановок.
Спрацьовування реле відбувається або при втягуванні якоря, або при відпусканні його. На рис. 5.57,а показано конструкцію реле з хитним якорем. Притягання якоря приводить до розмикання або замикання контактів. На рис. 5.57,б показано конструкцію реле соленоїдного типу. Якір утягується полем котушки усередину гільзи з немагнітного матеріалу, змушуючи спрацьовувати контакти реле.
Рис. 5.57 – Конструкція реле: а – з хитним якорем, б – соленоїдного типу
Реле захисту призначені для контролю й керування режимами роботи елементів електричної системи: генераторів, трансформаторів, двигунів, ліній передачі. При порушенні нормального режиму роботи реле посилають імпульс, що приводить у дію апаратуру автоматичного керування, яка відновлює нормальні умови роботи або відключає ушкоджену ділянку. До реле захисту відносяться, зокрема, теплове реле, пристрій захисного автоматичного вимикання живлення, які будуть розглядатися окремо у параграфі 8.4.
Електромагнітні контактори. Електромагнітні контактори застосовуються для частих вмикань та вимикань потужних електричних кіл. Контактори не призначені для вимикання аварійних струмів короткого замикання або перевантаження.
Електромагнітний контактор має котушку, що втягує рухливий якір, систему головних контактів, дугогасний пристрій. Головні контакти розраховані на комутацію значних струмів.
Магнітні пускачі. Магнітні пускачі призначені для керування (пуску, зупинки, реверсування) електродвигунами малої і середньої потужності. Основним елементом магнітного пускача є контактор. Керування здійснюється за допомогою кнопкового поста, що вбудовується в пускач або розташовується окремо.
На рис. 5.58 пояснюється конструкція нереверсивного магнітного пускача із прямохідною рухомою частиною.
Нереверсивний магнітний пускач із прямохідною рухомою частиною має магнітопровід (осердя) 2, який виконано розімкнутим. При пропусканні електричного струму по котушці 3 в магнітопроводі виникають магнітні силові лінії (показані пунктиром) та якір 4 притягується до магнітопроводу 2. Внаслідок цього контакти 5 замикаються.
Рис. 5.58 – Конструкція нереверсивного магнітного пускача із прямохідною
рухомою частиною
1 – корпус; 2 – магнітопровід (осердя); 3 – котушка; 4 – якір; 5 – контакти; 6 – пружина;
7 – гвинт для підключення провідників
На рис. 5.59 показано найпростішу схему вмикання трифазного асинхронного двигуна за допомогою нереверсивного магнітного пускача. При натисканні на кнопку "пуск" електричний струм подається на котушку магнітного пускача. Це приводить до його спрацьовування, і на затискачі С1, С2, С3 статора двигуна подається напруга. Блок-контакт АБ, що замкнувся, шунтує кнопку "пуск", яку можна відпустити. Для зупинки двигуна достатньо натиснути кнопку "стоп".
Магнітні пускачі серії П (ПА, ПМЕ, ПМИ тощо) відрізняються "величиною", яка позначається арабськими цифрами. Чим більше "величина" магнітного пускача, тим на більший струм розраховано його контакти.
Більшість магнітних пускачів мають вбудоване теплове реле, що захищає двигун від перевантаження. Крім теплових реле, в магнітні пускачі визначених серій вмонтовуються пристрої температурного позисторного захисту, призначені для відключення двигуна, що захищається, від мережі при нагріванні його обмотки, що може статися з будь-яких причин.
Рис. 5.59 – Найпростіша схема вмикання трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором за допомогою магнітного пускача
Маркування магнітних пускачів є літерно-цифровим. Літери позначають серію магнітного пускача (наприклад, ПА, ПАЕ, ПМЕ). Перша цифра позначає "величину" пускача (наприклад, магнітні пускачі серії ПА випускаються чотирьох величин: 3-тя величина – пускач розрахований на номінальний струм 40 А (найбільша потужність двигуна 13 кВт за напруги 380 В), 4-та величина – 56 А (20 кВт), 5-та величина – 115 А (55 кВт), 6-та величина – 140 А (75 кВт). Друга цифра позначає ступінь захисту оболонки (1 – відкритий (ІР00), 2 – захищений (ІР20), 3 – закритий (ІР54)). Третя цифра позначає можливість реверсування двигуна та наявність теплового реле (1 – без реверсування та теплового реле; 2 – без реверсування, з тепловим реле; 3 – з реверсуванням, без теплового реле; 4 – з реверсуванням та тепловим реле).
Приклад маркування магнітного пускача: ПА-322. Розшифровується наступним чином: магнітний пускач серії ПА, 3-ї величини (розрахований на струм до 40 А), у захищеному корпусі (ступінь захисту оболонки ІР20), без реверсування, з тепловим реле.
Автоматичні вимикачі. Автоматичний вимикач (автомат) є апаратом захисту, що, зокрема, виконує функцію ручного вимикача для нечастих комутацій електричної мережі. Більш докладно автоматичні вимикачі будуть розглядатись у параграфі 8.4.
Загальні відомості про електричні апарати високої напруги. До комутаційної апаратури високої напруги, що використовується на електричних станціях і підстанціях, відносяться роз’єднувачі, вимикачі навантаження, оливні й безоливні автоматичні вимикачі.
За допомогою роз’єднувачів до мережі приєднують, головним чином, малопотужні установки. Роз’єднувачі призначені для приєднання установок до мережі або відключення їх без напруги чи під напругою, але за відсутності навантаження.
Для відключення установок під навантаженням застосовують вимикачі навантаження (розраховані на струми до 400 А).
Оливні й безоливні автоматичні вимикачі застосовують для вимикання номінальних струмів і струмів короткого замикання. З високовольтними вимикачами послідовно включають роз’єднувачі, що призначені для зняття напруги з вимикача для його огляду або ремонту.
Оливний вимикач практично являє собою звичайний повітряний рубильник, занурений у бак з оливою (рис. 5.60).
Рис. 5.60 – Конструкція оливного вимикача
1 – силове коло; 2 – порцелянові ізолятори; 3 – рухливі контакти;
4 – нерухомі контакти; 5 – вимикальна пружина
Олива використовується як середовище, що виділяє у процесі гасіння дуги газ і має високу дугогасну здатність. Олива також є охолоджувальним середовищем й ізолятором.
Недоліком оливних вимикачів є їх вибухонебезпечність і горючість оливи. При утворенні дуги виділяється багато газів, тиск яких передається стінкам оливного бака, що може привести до вибуху.
На рис. 5.61 приведено позначення на електричних схемах деяких видів електричних апаратів.
Рис. 5.61 – Умовні позначення на електричних схемах: а – однополюсний вимикач, б – двополюсний вимикач, в – натискний кнопковий вимикач із замикальним контактом, г – натискний кнопковий вимикач із розмикальним контактом, д – магнітний пускач з однією парою нормально розімкнених контактів
Зовнішній вигляд деяких сучасних електричних апаратів подано на рис. 5.62.
а) б) в)
г) д) е)
ж) з) и)
Рис. 5.62 – Зовнішній вигляд сучасних електричних апаратів: а – рубильник,
б – кнопка керування серії КЕ, в – пост управління ПКЕ, г – універсальний перемикач серії УП-53, д – пакетний перемикач серії ПВ, е – реле РПУ, ж – контактор серії КВ, з – магнітний пускач серії ПМ, и – кінцевий вимикач серії ВК
Пожежна небезпека електричних апаратів. Розглянуті електричні апарати є комутаційними. Характерними пожежонебезними режимами їх роботи є виникнення великих перехідних опорів, іскор та дуг. Великі перехідні опори можуть виникати при погіршенні контактів у місцях приєднання провідників до електричних апаратів, за зниження тиску пружин на струмовідні частини тощо. Дуги та іскри виникають при спрацьовуванні рухливих елементів електричних апаратів. У трифазних електричних апаратах можливе виникнення міжфазних коротких замикань.