Предохранители, реле тока и тепловые реле

Электрические приборы и установки нуждаются в защите. Ведь если в цепи произойдет короткое замыкание, ток резко увеличится, многие электротехнические устройства могут выйти из строя, может возникнуть пожар.

Все электротехнические установки тщательно защищаются. Строгие контролеры определяют величину тока в проводах и мгновенно производят отключение, если величина тока станет чрезмерно большой. Чем сложнее электротехническая установка, чем больше ее мощность, тем совершеннее ее защита. Защитные, отключающие аппараты выполняют в электротехнике такие же важные функции, как тормоза в автомобиле. Без надежного аварийного отключения работа электротехнических установок запрещена.

Простейшим защитным аппаратом в электрической цепи является плавкий предохранитель (рис.16.13, а, б).

 

 

Рис. 16. 13

 

На фарфоровый корпус предохранителя в нижней части надета металлическая втулка с резьбой, как у электрической лампочки. В полость корпуса вставлена тонкая проволочка, которая одним концом припаяна к резьбовой втулке, а другим – к контактному наконечнику на торце корпуса. Внешне предохранитель напоминает цоколь электрической лампочки, лишенный баллона. Если ток в цепи превышает норму, тонкая проволочка нагревается и расплавляется (ее называют плавкой вставкой) – цепь тока разрывается. Для того чтобы разрыв цепи происходил быстрее, в полость корпуса насыпают сухой кварцевый песок. Тогда электрическая дуга, возникающая при перегорании проволочки, быстро охлаждается и гаснет.

Такие предохранители называют пробочными, или про­сто «пробками». Пробки выпускают на токи от 6 до 20 А. Чем больше ток, тем короче корпус предохранителя, поэтому в патрон для предохранителя на 6 А вставить больший предохранитель нельзя.

Когда плавкая вставка предохранителя перегорает, ее нужно заменить новой. Ни в коем случае нельзя подкладывать под корпус предохранителя моток свернутой проволочки – «жучок». Такой предохранитель уже не защищает электрическую цепь, а это может привести к серьезной аварии.

Существуют также трубчатые предохранители. В них плавкая вставка – калиброванная проволока – помещена в стеклянную трубочку и своими концами припаяна к двум металлическим колпачкам. Колпачки удерживают проволоку и служат для подвода тока. Такие предохранители на небольшие токи применяют в радиоаппаратуре.

 

Рис. 16. 14. Реле тока: 1 - сердечник, 2 - катушка, 3 - якорь, 4 - противодействующая пружина, 5 - контакты, 6 - рычажок регулирующий величину тока срабатывания реле.

 

Предохранитель – это аппарат одноразового пользования. Это не очень удобно, особенно в производственных условиях, где короткие замыкания могут происходить довольно часто. В этих случаях применяют защитные быстродействующие реле тока (рис. 16.14). Якорь такого реле имеет форму легкого лепестка, напоминающую латинскую букву Z. Якорь установлен на оси. Реле имеет намагничивающую обмотку с сердечником, собранным из листовой электротехнической стали. Контролируемый ток намагничивает сердечник, и якорь притягивается к полюсам сердечника, стремясь повернуть ось. Этому повороту препятствует спиральная пружина, установленная на конце оси. Когда ток превышает норму, якорь преодолевает противодействие пружины, ось поворачивается и контактный мостик, закрепленный на изолирующей шайбе рядом с якорем, замыкает неподвижные контакты. В систему управления электротехнической установкой посылается сигнал о недопустимой перегрузке.

Когда ток снизится до нормы, якорь реле вернется в исходное положение и будет готов для дальнейшей работы.

Ток срабатывания таких реле можно регулировать. Для этого достаточно повернуть рычажок, регулирующий начальное закручивание спиральной пружины.

Реле тока срабатывает очень быстро – всего за 0,02 с. Это необходимо для аварийного отключения цепи при коротких замыканиях.

Кроме больших кратковременных перегрузок в электротехнических установках возможны перегрузки небольшие по величине, но длящиеся значительное время. Они также опасны для потребителей, но защититься от них при помощи плавких предохранителей или реле тока невозможно. Слишком часто будут происходить отключения. Защиту от перегрузок осуществляет тепловое реле его схема изображена на рисунке (Рис.16.15).

 

Рис. 16. 15. Тепловое реле: 1 - биметаллическая пластинка; 2 – контактная группа; 3 – нагреватель

 

Основой реле является биметаллическая пластинка, т. е. пластинка, выполненная из спая двух разнородных металлов. Известно, что при нагревании металлы расширяются. Один слой пластинки сделан из металла, который сильно изменяет свои размеры при нагревании. Для другого слоя выбран материал с очень малым температурным расширением (это инвар – сплав железа и никеля). В результате при нагревании контролируемым током пластинка постепенно изгибается и размыкает контакты в цепи тока. Чем больше ток в цепи, тем быстрее срабатывает тепловое реле.

Если ток в цепи очень большой, его просто пропускают через биметаллическую пластинку. В цепях с малыми токами используют специальный нагреватель. Осуществляют косвенный подогрев биметаллической пластинки.

После срабатывания теплового реле биметаллическая пластинка не сразу возвращается в исходное положение. Необходимо некоторое время, чтобы она остыла. Это время используют для устранения перегрузки в электротехнической установке. Существуют также и управляемые аппараты, защищающие электрооборудование от перегрузок. К ним относится реле максимального тока (рис. 16.16). Катушка реле 1 рассчитана на протекание тока в силовой цепи. Для этого она имеет обмотку, изготовленную из провода достаточного поперечного сечения. При токе, на который настроено реле, произойдет притяжение якоря 2 к сердечнику 3 катушки и с помощью контактного мостика 4 размыкаются контакты 5 в цепи управления магнитного пускателя. Это реле само прервет электроснабжение установки от источника тока.

Рис. 16. 16. Реле максимального тока

 

Для защиты электродвигателя от перегрузки в контактор монтируются два тепловых реле (на две фазы). В этом случае контактор называется магнитным пускателем.

Рис. 16. 17. Тепловое реле

 

Основной деталью теплового реле (рис. 16.17) является биметаллическая пластинка 1, состоящая из двух сплавов с различными коэффициентами расширения. Пластинка одним концом жестко прикреплена к основанию прибора, а другим упирается в защелку 2, которая под действием пружины 3 стремится повернуться против часовой стрелки. Рядом с биметаллической пластинкой помещается нагреватель 4, включаемый последовательно с двигателем. Когда по силовой цепи потечет большой ток, то температура нагревателя повысится. Биметаллическая пластина прогнется кверху и освободит защелку 2. Под действием пружины 3 защелка поворачивается и через изоляционную пластину 5 размыкает контакты 6 в цепи управления пускателем. Возврат реле возможен только после остывании пластины 1. Он осуществляется нажатием кнопки 7.

Основные сложности возникают при отключении электрических цепей, особенно если это отключение – аварийное. Существуют аппараты, которые специализируются на таких отключениях, — это автоматические выключатели или, более коротко, автоматы.

Автоматы применяют для защиты электрических цепей при коротких замыканиях, перегрузках и других недопустимых режимах работы. Автомат представляет собой комбинацию реле тока и теплового реле, и он позволяет вручную включать и выключать электрическую цепь. Автоматические выключатели строят на очень большие токи, составляющие сотни и тысячи ампер. Однако существуют и небольшие автоматы – автоматические пробки. Они стоят в наших квартирах вместо пробок с плавкими вставками и надежно защищают квартирную проводку. Схема такого автомата изображена на

 

Рис. 16. 18. Автоматическая пробка: 1 – цоколь; 2 – якорь; 3 – Контакты; 4 – система рычагов; 5 – кнопка

Рабочие контакты автомата включаются при помощи большой центральной кнопки 5 и сложной системы рычагов 4. После того как кнопка нажата, контакты 3 остаются во включенном положении. Однако рычажная система устроена так, что контакты можно разомкнуть специальными расцепителями.

Существуют три способа отключения автомата.

При коротких замыканиях срабатывает токовое электромагнитное реле, расположенное в нижней части автомата. Якорь реле притягивается к сердечнику, преодолевая противодействие цилиндрической пружины. Стерженек, связанный с якорем, размыкает рабочие контакты.

При длительных перегрузках срабатывает тепловой расцепитель. Он установлен в верхней части автомата и состоит из биметаллической пластинки с косвенным подогревом, контролируемым током.

Наконец, можно отключить автомат вручную. Для этого следует нажать маленькую кнопку, расположенную в крышке автомата сбоку.

Для повторного включения автомата нужно нажать большую центральную кнопку. Но спешить с этим не следует. Прежде всего, нужно определить причину неполадки в электрической сети и постараться устранить ее. Впрочем, если произошла перегрузка, сразу включить автомат нельзя. Центральная кнопка не будет фиксировать рабочие контакты. Нужно подождать некоторое время, пока биметаллическая пластинка теплового расцепителя остынет и вернется в исходное положение.

 

Путевые выключатели

Вы входите в кабину лифта, нажимаете кнопку нужного этажа, и лифт быстро доставит Вас по назначению. При этом кабина точно остановится на уровне пола. Как это происходит? Каким образом электродвигатель, наматывающий на барабан трос лифта, останавливается в нужный момент времени?

Ответы на эти вопросы можно получить, если познакомиться с работой путевых выключателей — специальных аппаратов, управляющих работой лифта.

Простейший путевой выключатель изображен на рис. 16.19. и 16.20.

 

             

Рис. 16. 19. Путевой выключатель                    Рис. 16. 20. Путевой выключатель с ускоряющим механизмом

 

По своему устройству он напоминает кнопку. Здесь также есть стержень 1, на котором закреплены контактные мостики (2 и 3). У путевого выключателя их два, но это не имеет особого значения. Контактные мостики коммутируют две электрические цепи. Если на стержень нажать, то верхние контакты разомкнутся, а нижние замкнутся. В исходное положение стержень возвращается сильной пружиной 4, Отличие заключается в том, что на кнопку нужно нажимать рукой, а на стержень путевого выключателя нажимает специальный кулачок 5, который устанавливают на подвижном предмете. Теперь ясно, что если на каждом этаже установить путевой выключатель, он будет отключать двигатель лифта именно в тот момент, когда кабина находится на уровне пола.

Путевой выключатель, изображенный на рис. 16.19, страдает одним существенным недостатком. Скорость размыкания контактов зависит от скорости, с которой нажимают на стержень. Если нажимать медленно, то между контактами будет возникать электрическая дуга и они выйдут из строя. Во избежание этого путевые выключатели снабжают ускоряющим механизмом, который «мгновенно» переключает контакты.

Пример такого более сложного переключателя мы видим на рис. 16.20. Когда упор давит на ролик, рычаг поворачивается и освобождает одну из собачек (боковой рычажок), которые фиксируют контактную планку, расположенную на оси в центре путевого выключателя. Под действием сильной пружины планка поворачивается и быстро переключает контакты. Контакты расположены на другой стороне корпуса и на рис. 16.20 не показаны.

Очень широкое применение в электротехнике имеют микровыключатели (рис. 16.21)

 

 

Рис. 16. 21. Микровыключатель

 

В маленькой пластмассовой коробочке закреплены две пары неподвижных контактов (а – b и с – d). Между ними расположен контактный мостик, который замыкает нижнюю пару контактов. Контактный мостик выполнен в виде прыгающей пружины. Такая пружина имеет два устойчивых положения.

В средней части контактного мостика установлен пластмассовый стерженек – толкатель. Если надавить на толкатель микровыключателя, пружина контактного мостика мгновенно меняет свое положение.                   

В результате происходит переключение контактов. Нижняя пара контактов размыкается, а верхняя замыкается.

Микровыключатели, как следует из их названия, имеют очень малые габариты, но способны коммутировать токи до 6 А. Применяют их в устройствах промышленной автоматики, радиоаппаратуре и во многих других случаях.

Принципы управления

Принцип автоматического управления заключается в том, что без участия человека осуществляется строгое и последовательное выполнение операций по включению, отключению электрооборудования, а также соблюдение заданного режима его работы. Различают два вида управления: полуавтоматическое и автоматическое. При полуавтоматическом управлении оператор осуществляет первоначальный пуск объекта (нажатие кнопки, поворот ручки и т.д.). В дальнейшем его функции сводятся лишь к наблюдению за ходом процесса. При автоматическом управлении даже начальный импульс по включению установки посылают датчик или реле. Установка полностью работает в автоматическом режиме по заданной программе. Программное устройство может быть выполнено как на основе электромеханических элементов, так и с помощью логических схем.

Самой простой из полуавтоматических схем управления асинхронным трехфазным двигателем является схема управления с помощью магнитного пускателя.

При нажатии кнопки «пуск» подключается к сети катушка электромагнита. Подвижный якорь придет в соприкосновение с сердечником катушки и своим движением замкнет силовые контакты, подающие трехфазное напряжение на электродвигатель. Одновременно с силовыми, замкнутся и блокировочные контакты, которые зашунтируют кнопку «пуск», что позволяет ее отпустить. При нажатии кнопки «стоп» разрывается цепь питания катушки электромагнита, и якорь, освободившись, отпадает, разомкнув при этом силовые контакты. Электродвигатель остановится. Защита электродвигателя от длительной перегрузки здесь обеспечивается двумя тепловыми реле РТ, включенными в две фазы. Отключающие контакты тепловых реле РТ1 и РТ2 введены в цепь питания катушки электромагнита.

Рис. 16. 22. Схема нереверсивного управления асинхронным двигателем: А, В, С – сеть; КЛ – выключатель силовой цепи; РТ1, РТ2 – воспринимающая часть электротеплового реле; С1, С2, С3 – зажимы двигателя; КнС – выключатель с размыкающим контактом; КнП – выключатель с замыкающим контактом; Кл – кнопка; К1 – катушка; РТ1, РТ2 – отключающие контакты тепловых реле; Д - двигатель.

 

Для реверсивного управления двигателем применяется схема с двумя магнитными пускателями (рис. 16.23). Один магнитный пускатель коммутирует схему включения двигателя на прямое вращение, а другой – на обратное.

Кнопки «вперед» и «назад» подключают соответственно свои катушки, а кнопка «стоп» и отключающие контакты теплового реле включены в общую цепь управления. 

Рис. 16. 23. Схема реверсивного управления асинхронным двигателем: А, В, С – сеть; Пр - предохранители; КВ, КН – выключатели силовой цепи (вперед, назад); РТ1, РТ2 – воспринимающая часть электротеплового реле; С1, С2, С3 – зажимы двигателя; КнС, Кн, Кв – выключатели с размыкающим контактом; КнВ, КнН – выключатели с замыкающим контактом (вперед, назад); Кв, Кн – катушки; РТ1, РТ2 – отключающие контакты тепловых реле; Д – двигатель.