Контакторы и магнитные пускатели

Глава 20

КОНТАКТОРЫ  И МАГНИТНЫЕ   ПУСКАТЕЛИ

§ 20.1. Назначение контакторов и магнитных пускателей

Наиболее   распространенным   потребителем   электриче­ской энергии является электродвигатель. Примерно 2/3 всей выра­батываемой в стране электроэнергии потребляется электродвига­телями. Основным коммутационным аппаратом, осуществляющим подключение электродвигателя  к  питающей  сети,  является  кон­тактор. Электромагнитный контактор представляет собой выклю­чатель, приводимый в действие с помощью электромагнита. По сути дела, это мощное электромагнитное реле, контактный узел которого способен замыкать и размыкать силовые цепи с токами в десятки и сотни ампер при напряжениях в сотни вольт. При та­ких электрических нагрузках необходимо принятие специальных мер по гашению дуги. Поэтому по сравнению с обычными элект­ромагнитными реле электромагнитные контакторы имеют дугогасительные устройства и более мощные электромагнит и контакт­ные узлы. Кроме силовых (мощных) контактов! имеются и блоки­ровочные контакты, используемые в цепях управления для целей автоматики.   Различают  контакторы   постоянного   и   переменного тока. Для автоматического пуска, остановки и реверса электродви­гателей применяют магнитные пускатели.  Они представляют со­бой   комплектные электрические  аппараты,   включающие  в  себя электромагнитные контакторы, кнопки управления, реле защиты и блокировки.

Контакторы и магнитные пускатели используются и для вклю­чения других мощных потребителей электроэнергии: осветительпых и нагревательных установок,  преобразовательного и техно­логического электрического оборудования.

К этой же группе электрических силовых аппаратов следует отнести автоматические выключатели, которые также предназна­чены для подключения к питающей сети мощных электропотре­бителей. Замыкание их контактов производится не с помощью электромагнита, а вручную. Автоматически они производят лишь выключение нагрузки, защищая ее от перегрузок по току. Если контакторы и магнитные пускатели способны работать при час­тых включениях и отключениях, то автоматические выключатели обычно применяют при включениях па продолжительное время. В типовые схемы электропривода обычно входят автоматический выключатель (питающий и силовые, и управляющие цепи) и маг­нитный пускатель (осуществляющий непосредственную коммута­цию для пуска, остановки и реверса электродвигателя).

Рекомендуемые материалы

§ 20.2. Устройство и особенности контакторов

Принцип действия контакторов такой же, как и у эле­ктромагнитных реле. Поэтому и устройство их во многом сходно. Главное отличие заключается в том, что контакты контакторов коммутируют большие токи. Поэтому они выполняются более мас­сивными, требуют больших усилий, между ними при разрыве воз­никает дуга, которую необходимо погасить.

Основными узлами контактора являются электромагнитный механизм, главный (силовой) контактный узел, дугогасительная система, блокировочный контактный узел.

Электромагнитный механизм осуществляет замыкание и раз­мыкание контактов. При подаче напряжения на втягивающую катушку электромагнита якорь притягивается к сердечнику, а ме­ханически связанные с ним подвижные контакты замыкают сило­вую цепь и выполняют необходимые переключения в цепи управ­ления.

Магнитные системы контакторов в зависимости от характера движения якоря и конструкции различают на поворотные и пря-моходовые. Магпитопровод контактора поворотного типа устроен аналогично клапанному реле. Для устранения залипапия якоря используют немагнитные прокладки. Для замыкания силовых кон­тактов требуются значительно большие усилия, чем развиваемые в реле. Поэтому электромагнитный механизм контактора выполня­ется более мощным и массивным. При срабатывании контактора происходит довольно значительный удар якоря о сердечник. Час­тично этот удар принимает на себя немагнитная прокладка; кро­ме того, магнитную систему амортизируют пружиной, которая так­же уменьшает вибрацию контактов.

Магнитопровод контактора   прямоходного  типа  имеет обычно Ш-образпую форму. В этом случае для устранения заливания яко­ря делают зазор между средними стержнями сердечника и якоря. Втягивающая катушка    обычно    обеспечивает    включение    и удержание якоря в притянутом положении. Но иногда использу­ют две катушки: мощную включающую и менее мощную удержи­вающую. В этом случае контактор во включенном состоянии по­требляет меньше электроэнергии, поскольку включающая катушка находится под током только короткое время. Размыкание контак­тов происходит за счет отключающей пружины при снятии напря­жения с катушки контактора. Втягивающая катушка должна обе­спечивать надежное срабатывание контактора при снижении на­пряжения до 0,85. По нагреву катушка должна выдерживать повышение напряжения до 1,05

В контакторах с поворотным якорем наибольшее распростра­нение получили линейные перекатывающиеся контакты (см. рис. 16.5). В примоходных контактах применяются мостиковые кон­тактные системы (см. рис. 16.4). Контактный мостик имеет не­большую массу и выполняется самоустанавливающимся, что сни­жает вибрацию контактов. Для предотвращения вибрации кон­тактная пружина создает предварительное нажатие, равное при­мерно половине конечной силы нажатия.

У контакторов для длительного режима работы на поверх­ность медных контактов обычно напаивается металлокерамическая или серебряная пластинка. Контакты иногда могут выпол­няться из меди, если образующаяся пленка окисла па рабочей поверхности контактов периодически снимается их самоочисткой. Дугогасительная система контакторов постоянного тока обыч­но выполняется в виде камеры с продольными щелями, куда дуга вытесняется с помощью магнитной силы. Дугогасительная систе­ма контакторов переменного тока обычно имеет вид камеры со стальными дугогасительными пластинами и двойным разрывом дуги в каждой фазе.

Блокировочные или вспомогательные контакты применяются для переключений в цепях управления и сигнализации, поэтому они имеют такое же конструктивное выполнение, как и контакты реле.

§ 20.3. Конструкции контакторов

Как правило, род тока в цепи управления, которая пи­тает катушку контактора, совпадает с родом тока главной цепи. Поэтому контакторы постоянного тока, предназначенные для включения двигателей постоянного тока, имеют электромагнитный механизм, питаемый постоянным током. Соответственно контак­торы переменного тока, предназначенные для включения двигате­лей (или другой нагрузки) переменного тока, имеют электромагнитный механизм, питаемый переменным током. Бывают и исклю­чения. Известны, например, случаи, когда катушки контакторов переменного тока получают питание от цепи постоянного тока.

Устройство контактора постоянного тока показано на рис. 20.1. Электромагнитный механизм поворотного типа состоит из сердеч­ника / с катушкой 2, якоря 3 и возвратной пружины 4. Сердеч­ник 1 имеет полюсный наконечник, необходимый для увеличения

Рис. 20.1. Контактор посто-                 Рис.   20.2.   Дугогасительная

янного тока                                  камера     с     электромагнит-

ным дутьем

магнитной проводимости рабочего зазора электромагнита. Немаг­нитная прокладка 5 служит для предотвращения залипания яко­ря. Силовой контактный узел состоит из неподвижного 6 и по­движного 7 контактов. Контакт 7 шарнирно закреплен на рычаге 8, связанном с якорем 8 и прижатом к нему нажимной пружиной 9.  Подвод тока к подвижному контакту 7 выполнен гибкой медной
лентой 10. Замыкание главных контактов 6 и 7 происходит с проскальзыванием и перекатыванием, что обеспечивает очистку кон­тактных поверхностей от окислов и нагара. При срабатывании электромагнитного механизма кроме главных контактов переклю­чаются вспомогательные контакты блокировочного контактного уз­ла 11. При размыкании главных контактов 6 и 7 между ними возникает электрическая дуга, ток которой поддерживается за счет ЭДС самоиндукции в обмотках отключаемого электродвига­теля. Для интенсивного гашения электрической дуги служит ду­гогасительная камера 12. Она имеет дугогасительную решетку в виде тонких металлических пластин, которые разрывают дугу на короткие участки. Пластины интенсивно отводят теплоту от дуги и гасят ее. Однако при большой частоте включения  контактора пластины   не  успевают остывать  и  эффективность дугогашения падает.

Для вытеснения дуги в сторону дугогасителыюй решетки мож­но использовать электромагнитную силу, так называемое магнит­ное дутье. На рис. 20.2 показана дугогасительная камера с уз­кой щелью и магнитным дутьем. Щелевая камера образована дву­мя стенками /, выполненными из изоляционного материала. Си­стема магнитного дутья состоит из катушки 2, включенной после­довательно с главными контактами и размещенной на сердечнике 3. Для подвода магнитного поля в зону образования дуги служат ферромагнитные щеки 4. В результате взаимодействия электриче­ского тока дуги с магнитным полем появляется сила F, которая растягивает дугу и вытесняет ее в щелевую камеру между стенками 1. За счет усиленного отвода теплоты стенками камеры дуга быстро гаснет.

При последовательном включении главных контактов и катуш­ки магнитного дутья направление силы F остается постоянным при любом направлении тока в силовой цепи, поскольку сила F пропорциональна квадрату тока (ведь магнитное поле создается этим же током). Поэтому магнитное дутье можно использовать и в контакторах переменного тока.

Контакторы переменного тока отличаются от контакторов по­стоянного тока, прежде всего тем, что они, как правило, выпол­няются трехполюсиыми. Основное назначение контакторов пере­менного тока — включение трехфазных асинхронных электродви­гателей. Поэтому они имеют три главных (силовых) контактных узла. Все три главных контактных узла работают от общего эле­ктромагнитного приводного механизма клапанного типа, который поворачивает вал с установленными на нем подвижными контак­тами. С этим же приводом связаны вспомогательные контакты. Главные контактные узлы имеют систему дугогашения с магнит­ным дутьем и дугогасителной щелевой камерой или дугогаси­телной решеткой. В контакторах быстрее всего изнашиваются главные контакты, поскольку они подвергаются интенсивной эро­зии (как говорится, контакты выгорают). Для увеличения общего срока службы контакторов предусматривается возможность сме­ны контактов.

Наиболее сложным и трудным этапом работы контактов является процесс их размыкания. Именно в этот момент контакты оп­лавляются, между ними возникает дуга. Для облегчения работы главных контактов при размыкании выпускаются контакторы пе­ременного тока с полупроводниковым блоком. В этих контакторах параллельно главным замыкающим контактам включают по два тиристора (управляемых полупроводниковых диода). Во включен­ном положении ток проходит через главные контакты, поскольку тиристоры находятся в закрытом состоянии и ток не проводят. При размыкании контактов схема управления на короткое время открывает тиристоры, которые шунтируют цепь главных контак­тов и разгружают их от тока, препятствуя возникновению элект­рической дуги. Такие комбинированные тиристорные контакторы выпускаются на токи в сотни ампер. Поскольку тиристоры рабо­тают в кратковременном режиме, они не перегреваются и не нуж­даются в радиаторах охлаждения.

Коммутационная износостойкость комбинированных контакто­ров составляет несколько миллионов циклов, в то время как глав­ные контакты обычных контакто­ров постоянного и переменного то­ка выдерживают обычно 150—200 тыс. включений.

Для управления электродвига­телями переменного тока неболь­шой мощности применяют прямоходовые контакторы с мостиковыми контактными узлами. Благодаря двукратному разрыву цепи и облег­ченным условиям гашения дуги пе­ременного тока в этих контакторах не требуются специальные дугогасительные камеры с магнитным дутьем, что существенно уменьшает их габаритные размеры.

Электромагнитный привод контактора переменного тока малой мощности (рис. 20.3) имеет Ш-образный сердечник 1 и якорь 2, собранные из пластин электротехнической стали. Часть полюсов сердечника охвачена короткозамкнутым витком, что предотвра­щает вибрацию якоря, вызванную снижением силы электромаг­нитного притяжения до нуля при прохождении переменного сину­соидального тока через нуль. Катушка 3 контактора охватывает сердечник и якорь, она и создает намагничивающую силу в маг­нитной системе контактора. На якоре 2 закреплены подвижные контакты 4 мостикового типа, что повышает надежность отклю­чения за счет двукратного размыкания. В пластмассовом корпусе установлены неподвижные контакты 5 и 6. Пружина 7 возвраща­ет контакты 4 в исходное положение. В трехфазном контакторе — три контактные пары, отделенные друг от друга пластмассовыми перемычками 8. Главные контакты имеют металлокерамические накладки и защищены крышкой. Вспомогательные контакты на рис. 20.3 не показаны.

§ 20.4. Магнитные пускатели

Магнитный пускатель — это комплектное устройство, предназначенное главным образом для пуска трехфазных асин­хронных двигателей. Основной составной частью магнитного пускателя является трехполюсный контактор переменного тока. Кро­ме того, контактор имеет кнопки управления и тепловые реле.

Схема включения трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис. 20.4. Для пуска элект­родвигателя М нажимается кнопка SB1 («Пуск»). Через катушку контактора КМ проходит ток, электромагнит контактора срабатывает, и замыкаются все его контакты, которые на схеме обоз­начаются теми же буквами КМ. Силовые контакты КМ подклю-

Рис. 20.4. Схема включения трех-           Рис.   20.5.   Конструкция   неревер-

фазного     асинхронного     электро-       сивного магнитного пускателя

двигателя   с   магнитным   пускате­лем

чают на трехфазное напряжение обмотку электродвигателя М. Параллельно кнопке SB1 подсоединены блокировочные контак­ты КМ. Так как они замкнулись, то после отпускания кнопки SB1 катушка контактора получает питание по этим контактам. Сле­довательно, для включения электродвигателя не надо все время держать кнопку нажатой: достаточно ее один раз нажать и от­пустить. Для остановки электродвигателя служит кнопка SB2 («Стоп»), при нажатии которой разрывается цепь питания кон­тактора КМ. Для защиты электродвигателя от перегрева служат тепловые реле FP1 и FP2, чувствительные элементы которых включаются в две фазы электродвигателя, а размыкающие кон­такты, обозначенные теми же буквами, включены в цепь пита­ния катушки контактора КМ. Для защиты самой схемы управле­ния служат плавкие предохранители FV. На схеме показан также рубильник Р, который обычно замкнут. Его размыкают лишь в том случае, когда собираются проводить ремонтные работы. По­добная схема является типовой, она применяется во всех случаях, когда не требуются изменение направления вращения (реверс) электродвигателя и интенсивное (принудительное) торможение.

На рис. 20.5 показана конструкция нереверсивного магнитно­го  пускателя, который  смонтирован в ящике с открывающейся крышкой. Электромагнитный механизм 1 контактора при сраба­тывании перемещает три подвижных контакта 2, размещенных в дугогасительных камерах. Одновременно переключаются блокиро­вочные контакты 3. Последовательно с двумя главными контакт­ными узлами включены тепловые реле 4.

Кнопки «Пуск» и «Стоп» обычно находятся вне ящика пуска­теля, они размещены на пульте управления под рукой у рабочего. Кнопка «Стоп» имеет красный цвет. Реверсивная схема включе-

Рис. 20.6. Схема  включения трехфазного асинхронного элек­тродвигателя с реверсивным магнитным пускателем

ония трехфазного асинхронного двигателя показана на рис. 20.6. Для того чтобы реверсировать (изменить направление вращения) трехфазный асинхронный двигатель, необходимо изменить поря­док чередования фаз на обмотке статора. Например, если для прямого вращения фазы подключались в последовательности ABC, то для обратного вращения необходима последовательность АСВ. Поэтому в состав реверсивного магнитного пускателя входят два контактора: KB для вращения вперед и КН для вращения назад. Кроме того, реверсивный магнитный пускатель имеет три кнопки управления и тепловые реле. В ряде случаев в комплект магнит­ного пускателя входят пакетный переключатель и плавкие предохранители. Схема (рис. 20.6) работает следующим об­разом.

Для включения электродвигателя М в прямом направлении не­обходимо нажать кнопку SB1 («Вперед»). При этом срабатывает контактор KB и своими силовыми контактами подключает к трех­фазной  сети обмотки электродвигателя. Одновременно  блокировочные контакты KB разрывают цепь питания катушки контакто­ра КН, чем исключается возможность одновременного включения обоих контакторов. Для включения электродвигателя в обратном направлении необходимо нажать кнопку SB2 («Назад»). В этом случае срабатывает контактор КН и своими силовыми контактами подключает к трехфазной сети обмотки электродвигателя. После­довательность соединения фаз теперь иная, чем при срабатывании контактора KB: две фазы из трех поменялись местами. При сра­батывании контактора КН его блокировочные контакты разрыва­ют цепь питания катушки контактора КВ. Нетрудно видеть, что при одновременном включении контакторов KB и КН произошло бы короткое замыкание двух линейных проводов трехфазной сети друг на друга. Для того чтобы исключить такую аварию, и нуж­ны блокировочные размыкающиеся контакты контакторов KB и КН. Следовательно, если подряд нажать обе кнопки (SB1 и SB2), то включится только тот контактор, кнопка которого была нажа­та раньше (пусть даже на мгновение).

Для реверса электродвигателя надо предварительно нажать кнопку SB3 («Стоп»). В этом случае блокировочные контакты подготавливают цепь управления для нового включения. Для на­дежной работы необходимо, чтобы силовые контакты контактора разомкнулись раньше, чем произойдет замыкание блокировочных контактов в цепи другого контактора. Это достигается соответст­вующей регулировкой положения блокировочных контактов по хо­ду якоря электромагнитного механизма контактора. Для блоки­ровки кнопок SB1 и SB2 используются замыкающиеся блокиро­вочные контакты соответствующего контактора, подключенные па­раллельно кнопке.

Необходимо исключить одновременное срабатывание обоих контакторов, для чего используют двойную или даже тройную блокировку. Для этой цели в схеме рис. 20.6 применяют двухцепные кнопки SB1 и SB2. Например, кнопка SB1 при нажатии за­мыкает свои контакты в цепи контактора KB и разрывает свои контакты в цепи контактора КН. Аналогично работает двухцепная  кнопка SB2. Кроме того, реверсивные магнитные пускатели могут иметь механическую блокировку с перекидным рычагом, препят­ствующим одновременному срабатыванию электромагнитов кон­такторов. Контакты тепловых реле FP1 и FP2, включенные в две фазы обмотки электродвигателя, отключают цепь питания катушек обоих контакторов при длительном протекании большого тока, чтобы не допустить перегрева обмоток. Для защиты схемы уп­равления служат плавкие предохранители FV.

Магнитные пускатели и контакторы выбирают по номинально­му току электродвигателя с учетом условий эксплуатации. В про­мышленности применяются магнитные пускатели серий ПМЕ и ПМЛ с прямоходовыми контакторами и серии ПАЕ с подвижной системой поворотного типа.

Автоматический выключатель предназначен для вклю­чения и отключения электрических цепей и электрооборудования, а также для защиты от больших токов, возникающих при корот­ких замыканиях и перегрузках. В отличие от магнитного пускате­ля автоматический выключатель не может использоваться для автоматических систем, использующих электрические управляющие сигналы. Он также не обеспечивает ре­верса электродвигателя. Автоматический выключатель часто используют для про­должительного включения нереверсируемых электродвигателей. Может он также использоваться вместо рубильника в схе­мах с магнитным пускателем (см. рис. 20.4 и 20.6).

Устройство автоматического воздуш­ного выключателя (автомата) показано на рис. 20.7. С помощью рукоятки / про­изводится включение и отключение ав­томата. В состоянии, показанном на ри­сунке, автомат отключен, и подвижный контакт 2 не замкнут с неподвижным контактом 3. Для включения автомата следует взвести пружину 6, при этом ру­коятка / перемещается вниз и повора­чивает деталь 4, которая своим нижним концом входит в зацепление с зубом удерживающего рычага 5.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Глава 1. Принцип действия и виды.

Теперь авто­мат готов к включению. Для его вклю­чения    рукоятку  1  перемещают    вверх.

Пружина 6 займет такое положение, что шарнирно соединенные рычаги 7 и 8 перемещаются вверх по отношению к тому положе­нию, когда они находятся на одной прямой. Автомат включится: цепь тока создается через контакты 2 и 3, разделители 9 и 10.

Автоматическое отключение автомата происходит при сраба­тывании разделителей. При длительных токовых перегрузках сра­батывает тепловой биметаллический расцепитесь 10, свободный конец, которого перемещается вниз, поворачивая рычаг 5 по часо­вой стрелке. Зуб рычага расцепляется с деталью 4, которая пово­рачивается, а рычаги 7 и 8 проходят мертвое положение. Усилие пружины 6 направлено вниз, под его действием размыкаются кон­такты 2 и 3. Отключение при максимально допустимом токе про­исходит под действием электромагнитной силы , выводящей зуб рычага 5 из зацепления с деталью 4. Если произошло автомати­ческое отключение нагрузки, то рукоятка 1 остается в верхнем положении. Ручное отключение автомата происходит при перемещении ру­коятки 1 вниз. Возникающая при размыкании контактов 2 и 3 электрическая дуга гасится с помощью дугогасительной решет­ки 11.

Автоматы могут снабжаться расцепителями минимального на­пряжения, отключающими автомат при напряжении в сети ниже допустимого значения. Для дистанционного управления автомати­ческим выключателем могут использоваться специальные их кон­струкции, дополненные электромагнитным  приводом рукоятки 1.

Выпускаемые промышленностью автоматические выключатели типов АК, АП, АЕ имеют от 1 до 3 пар силовых контактов. Они предназначены для цепей с напряжением от 110 до 500 В при то­ках в десятки ампер. Время автоматического отключения состав­ляет 0,02—0,04 с.