Путевые и конечные выключатели. Микропереключатели.

Путевые и конечные выключатели. Путевые и конечные выключатели представляют собой коммутационные элементы, кинематические связанные с рабочей машиной и срабатывающие в зависимости от перемещения подвижной части рабочей машины. Выключатель, ограничивающий ход рабочего механизма, называют конечным выключателем. Путевые выключатели срабатывают в определенных промежуточных точках на пути перемещения. Особенно широко путевые и конечные выключатели используются в схемах автоматизированного электропривода различных производственных механизмов.

По характеру перемещения подвижного штока выключатели подразделяются на нажимные, шток совершает прямолинейное движение и рычажные, (движение передается через устройство в виде рычага, поворачивающийся на некоторый угол.). Выключатели, у которых срабатывание контактов зависит от скорости движения упора, называют выключателями простого действия. Они не обеспечивают быстрого переключения при малых скоростях, их применяют при скоростях перемещения упора не менее 0,4 м/мин – при меньшей скорости из-за длительного действия дуги происходит быстрый износ контактов.

Выключатели, у которых переключение контактов не зависит от скорости движения упора называют моментными. Здесь контакты связаны с подвижным (измерительным) устройством через систему с двумя фиксированными при помощи пружин положениями.

Нажимные выключатели выпускают в основном простого действия, рисунок 2.6, а. Выключатель состоит из основания 1, неподвижных контактов 6, штока 4, опирающегося на сферическую поверхность втулки 7, несущей мостики подвижных контактов 5. Для более надежного включения подвижные контакты 5 и неподвижные 6 поджимаются пружиной 2. При воздействии усилия шток 4 перемещается, и контактные мостики отключают размыкающие и включают замыкающие контакты. Надежное включение контактов обеспечивает пружина 3. Когда габариты выключателей не позволяют установить их из-за недостатка места, применяют микропереключатели. Они обеспечивают быстрое переключение контактов при незначительном перемещении штока, что достигается применением специальной контактной пружины.

У выключателей моментного действия, рисунок 2.6, б и в, на клеммных колодках 1 укреплены неподвижные контакты 2. Мостик подвижных контактов 6 смонтирован на рычаге 3. Подвижный (измерительный) рычаг 5 связан с поводком 10 не жестко, а через набор ленточных пружин 11 (во избежание поломок выключателя). Планка 7 связана с рычагом 3, при его повороте шарик 8 под действием пружины 9 заставляет планку 7 мгновенно переключать контакты в момент освобождения ее собачкой 13. Возврат контактов в исходное положение происходит под действием пружины 12. Измерительный рычаг 5 может быть установлен на валике 4 под любым углом в пределах ± 45^о от оси выключателя.

В промышленности находят широкое применение выключатели ВК-200, ВК-300, ВПК-1000, взрывозащищенные ВКМ-ВЗГ.

Рассмотренные путевые и конечные выключатели имеют сравнительно низкую надежность, связанную с повышенным износом контактной пары. Более высокая надежность обеспечивается при использовании бесконтактных датчиков (например, индуктивного или фотоэлектрического типов), мгновенность срабатывания которых обеспечивается с помощью электронных схем.

Бесконтактные переключающие устройства. Эти устройства надежнее контактных, особенно при большой частоте переключений. В качестве бесконтактных переключающих устройств индуктивного типа широко распространены параметрические и генераторные датчики положения.Принципиальная схема бесконтактного переключающего устройства на основе индуктивного генераторного датчика положения приведена на рисунке 2.7. Это транзисторный генератор колебаний, амплитуда колебаний которого управляется с помощью металлической заслонки 2 между катушкой колебательного контура 1 и катушкой обратной связи 3. При отсутствии заслонки в зазоре между катушками схема генерирует колебания, увеличивающие среднее значение тока через транзистор-генератор VT 1. Этот ток усиливается выходным транзистором. Когда заслонка проходит между катушками, коэффициент обратной связи уменьшается, амплитуда колебаний падает и колебания прекращаются, что в свою очередь, вызывает закрытие выходного транзистора VT 2. На таком принципе построены бесконтактные выключающие устройства типа КВД, БК.

 

 

 

 

а - простого действия; б – моментного действия; в – кинематическая схема

Рисунок 2.6 – Конечные выключатели

 

 

 

 

Рисунок 2.7 – Схема бесконтактного переключающего устройства на

основе индуктивного датчика

 

Технические данные выключателей типа КВД в зависимости от ширины щели в корпусе для прохода металлической пластинки и напряжения питания приведены в таблице 2.2

 

Таблица 2.2 - Технические данные выключателей типа КВД

Типы выключателей	Ширина щели в корпусе, мм	Напряжение питания постоянного тока
		В	%
КВД-3-12	3	12	+10
КВД-3-24		24	-15
			+10
			-15
КВД-6-12	6	12	+10
			-15
КВД-6-24		12	+10
			-15

 

Микропереключатель представляет собой коммутационное устройство с механическим приводом. Он используется в качестве исполнительных устройств дистанционного управления, а также в качестве базового элемента для ряда коммутирующих изделий: кнопок, кнопочных, клавишных и других переключателей. Например, малогабаритные кнопки управления выполняют на основе микровыключателя типа МП. Микропереключатели также используются в качестве концевых выключателей, отключая поступательно движущееся или поворотные механизмы в конце их хода или поворота.

 

 

 

 

а- контакты 3 и 4 замкнуты; б - контакты 3 и 4 разомкнуты

 

Рисунок 2.8 – Контактная группа микропереключателя

 

Отличительная особенность микропереключателей заключается в конструкции механизма, обеспечивающего быстрое переключение контактов независимо от скорости перемещения приводного механизма. На рисунке 2.8 показана контактная группа микропереключателя с приводным элементом в двух состояниях. В исходном состоянии контакты 3 и 4 замкнуты под действием результирующей силы пружин. При действии на пружину внешней силы с помощью приводного элемента пружина начинает изгибаться. Одновременно изгибается жестко связанная с ней на одном конце вторая пружина. Когда прогиб этой пружины достигает некоторого значения, первая пружина мгновенно изменяет свое положение. В результате этого сила, действующая на контакт, изменяет свое направление.

Внешние соединения микропереключателя выполняются с помощью пайки к выводам. Переключатель способен работать в цепях с напряжением до 380 В при токе до 3 А. перемещение штока составляет 0,5 – 0,7 мм, необходимое усилие для срабатывания не более 5 – 7 Н. время срабатывания 0,01 – 0,02 с при частоте включений до двух раз в минуту.

 

Рубильники

 

Рубильники – это простейшие коммутационные аппараты, которые в основном предназначаются для неавтоматического нечастого замыкания и размыкания силовых электрических цепей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В и тока до 5000 А, и имеет 1 – 3 полюса.

Рубильники состоят из подвижных ножей и неподвижных контактов. Подвижные контактные ножи в нижней своей части прикреплены шарнирно к контактным стойкам, а в средней – связаны общей траверсой из изолирующего материала. Верхние концы контактных ножей входят в неподвижные контакты, выполненные в виде двух пружинящих губок. В рубильниках, рассчитанных на малую силу тока, контактное нажатие обеспечивается за счет пружинящих свойств материала губок, а на силу тока 100 А и выше – стальными пружинами.

При размыкании контактов возникает электрическая дуга. Для ее быстрого гашения аппараты снабжают дугогасительными контактами и дугасительными камерами.

Дугогасительные контакты, включаясь последними, предохраняют главные ножи от обгорания. В рубильниках с дугогасительной камерой дуга разделяется на несколько частей, охлаждается и гаснет.

По роду привода рубильники бывают: с центральной или боковой рукояткой, с боковым или центральным рычажным приводом. По защищенности: открытые – компоновки распределительных устройств станций и подстанций (для помещений не пригодны); защищенные (с защитными кожухами) – для отдельных электрических установок.

По способу подключения проводов рубильники могут быть с передним или задним присоединением.

Рубильники, как указывалось выше, могут иметь дугогасительные камеры. Предельный ток, который можно отключить рубильником (I_по) без дугогасительных камер I_по  0,3 I_{ном. руб.} (при U = 380 В). При U > 380 В отключать цепь под током рубильником без дугогасительных камер вообще не разрешается. При наличии дугогасительных камер I_по  I_{ном. руб.} (при U = 380 В) и I_по  0,5 I_{ном. руб.} (при U = 500 В).

Рубильники имеют следующую маркировку: Р, РБ, РПБ, РПУ. Первая буква в маркировке типа означает: Р – рубильник, П – переключатель; вторая: Б - боковая рукоятка, П – наличие привода; третья Б – боковой привод, Ц – центральный привод; первая после буквенного обозначения цифра определяет число полюсов, вторая – условное значение номинального тока (1 – 100 А, 2 – 200 А, 4 – 400 А). Например, обозначения РБ34, ПБ32 означают: первое – рубильник с боковой рукояткой, трехполюсный, на номинальный ток 400 А, второе – переключатель, с боковой рукояткой, трехполюсный, на 250 А.

Рубильники для электроустановок выбирают по номинальному напряжению U_{ном. руб.}  U_{ном. с.}; максимальной силе тока выключения I_ном.  I_длит. и по степени защиты от влияния внешней среды. В сухих помещениях рубильники устанавливают в шкафах и ящиках защищенного исполнения. На рисунке 2.9 показан трехполюсной рубильник с боковой рукояткой (защитный кожух снят), а на рисунке 2.10 - с рычажным центральным приводом, в этом случае рубильник устанавливается позади панели распределительного щита, что делает управление им удобнее и безопаснее.

Выпускают также аппараты, предназначенные для выполнения функций, как рубильника, так и предохранителя. Применяют их для ручного включения и отключения цепей под нагрузкой, а также для защиты цепей при перегрузках и ко-

ротких замыканиях. Блок предохранитель-выключатель представляет собой выключатель (рубильник), вместо ножей которого встроены предохранители. Предохранитель-выключатель позволяет значительно уменьшить размеры распределительных щитов. В этих аппаратах применяют, как правило, предохранители ПН-2. Наиболее часто используют предохранители-выключатели типа ППВ и блоки предохранителей-выключателей БПВ.

 

 

 

1 – изоляционное основание; 2 – неподвижный контакт; 3 – рукоятка; 4 – неподвижный контакт; 5 – вывод.

Рисунок 2.9 – Рубильник с боковой рукояткой типа РБ

 

 

 

 

1 – панель щита; 2 – панель рубильника; 3 – тяга.

Рисунок 2.10 – Рубильник с рычажным приводом

 

 

Контроллеры

 

Контроллеры – это многоконтактные коммутирующие устройства ручного управления, предназначенные для пуска, реверса, торможения и регулирования частоты вращения двигателей постоянного и переменного тока путем переключения их обмоток или включением в цепи этих обмоток резисторов. Рассмотрим принцип работы на примере барабанного контроллера, рисунок 2.11, а. На валу 3, изготовленного из изоляционного материала, закреплены медные сегменты 4 различной длины, смещенные относительно друг друга под различными углами. Эти сегменты, выполняющие роль подвижных контактов, определенным образом соединены между собой. Подвижная часть контроллера называется барабаном. Напротив каждого сегмента расположены неподвижные контакты в виде плоских металлических пластин 2, укрепленных на изоляционном основании 1. Каждая из этих пластин (пальцев) расположена строго на уровне соответствующего сегмента. Внешняя управляемая контроллером электрическая цепь присоединена к неподвижным контактам.

 

 

 

а – устройство; б – схема включения

Рисунок 2.11 - Контроллер барабанного типа

 

 

Посредством рукоятки вал 3 можно поворачивать, при этом сегменты 4 в определенной последовательности приобретают контакт с пластинами 2 либо утрачивают его, в зависимости от взаимного углового смещения сегментов относительно друг друга. При этом во внешней цепи происходят переключения элементов электрических устройств по заданной программе. Эта программа задается длиной сегментов и углами их взаимного смещения.

На рисунке 2.11, б представлена развернутая в плоскости схема контроллера (обведенная штриховой линией) для управления двигателем постоянного тока последовательного возбуждения. Сегменты изображены отрезками толстых линий, соединенных между собой определенным образом. Барабан контроллера имеет семь положений: одно нейтральное 0, положение I, II и III при повороте барабана по часовой стрелке (относительно нейтрального положения) и положения I^', II' и III^' при повороте барабана против часовой стрелки. При нейтральном положении барабана двигатель выключен. При положении барабана I происходит соединение неподвижных контактов 9 – 8 – 7 – 6 – 5, а также 4 – 3. Электрический ток проходит от клеммы «плюс» через обмотку возбуждения ОВ, через катушку дугогашения S на контакт 1, через резисторы пускового реостата R_пр, через контакты 3 – 4, по обмотке якоря и через замкнутые клеммы 7 – 6 – 5 на клемму «мину». При этом начинается пуск двигателя. При повороте барабана в положения II его сегменты замыкают клеммы 2 – 3 и шунтируют первую ступень пускового реостата. Пуск двигателя продолжается при уменьшенном сопротивлении пускового реостата. При повороте барабана в положение III замыкаются контакты 1 – 2, шунтируется вторая ступень пускового реостата, процесс пуска заканчивается и двигатель переходит в рабочий режим.

Если барабан повернуть в положение I^', то направление тока в якоре изменится и начнется пуск двигателя в противоположном направлении. В положении II' пуск продолжится, в положении барабана III^' двигатель выйдет на рабочий режим. Если пусковой реостат использовать в качестве регулировочного, применив в нем резисторы, рассчитанные на длительное протекание тока, то рассматриваемый контроллер можно использовать для регулирования частоты вращения двигателя.

Недостаток контроллера барабанного типа – ненадежность контактных соединений. Поэтому практически применение получили командоконтроллеры кулачкового типа, в которых вместо скользящих контактов применен набор кулачковых элементов. На рисунке 2.12 два кулачковых элемента, каждый из которых коммутирует свою электрическую цепь. На валу 1 контроллера расположены кулачковые диски 2, которые через ролик 7 воздействуют на подвижные контакты 3.

 

 

 

1 – вал; 2 – кулачковый диск; 3 – подвижный контакт; 4 – неподвижный контакт; 5 – изоляционная пластина неподвижных контактов; 6 – пружина; 7 – ролик; 8 – пружина для прижатия ролика к кулачковому диску

Рисунок 2.12 - Кулачковые элементы командоконтроллера

 

 

При определенном положении кулачковых дисков эти контакты замыкаются на неподвижные контакты 4, расположенные на изоляционном основании 5. посредством пружины 6 обеспечивается необходимое усилие сжатия контактов. Пружина 8 прижимает рычаг с роликом 7 к кулачкам, обеспечивая замыкание или размыкание контактов в строгом соответствии с формой и положением кулачковых дисков 2. Кулачковые диски командоконтроллеров можно настроить на требуемую последовательность команд и таким образом задать необходимую программу работы управления механизмом. Число коммутируемых цепей в командоконтроллере может достигать 12.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Назначение кнопок управления и кнопочных постов?

2. Поясните устройство кнопок управления и кнопочных постов.

3. Основное назначение путевых и коечных выключателей.

4. Поясните устройство и принцип действия нажимных и рычажных конечных выключателей.

5. Особенности использования микропереключателей в системах автоматического управления.

6. Поясните устройство и принцип действия пакетного выключателя.

7. Поясните назначение рубильников и область их применения.

8. Какой рубильник наиболее безопасен в обслуживании?

9. Каково назначение и устройство контроллера?

 

Глава 3. Устройства защиты

 

Тепловые реле

 

Для защиты электродвигателей от длительной перегрузки и связанного с этим недопустимого перегрева служат тепловые реле. Их основным элементом является биметаллическая пластинка из металлов с различными коэффициентами теплового расширения. При нагревании проходящим током такая пластинка деформируется в сторону металла с большим коэффициентом линейного расширения, вызывая срабатывание реле. Электротепловые реле бывают двухполюсными (ТРН), и техполюсными (РТЛ РТТ). Реле типа ТРН используются с пускателями ПМЕ и ПМ, а реле РТЛ, РТТ – с пускателями ПМЛ.

На рисунке 3.1 приведена кинематическая схема теплового реле РТЛ. Ток протекает по нагревательному элементу 1. Биметаллическая пластинка 2 отгибается и поворачивает держатель 3, который выводит защелку 5 из зацепления с эксцентриком 4. При снятии защелки траверса 6 под действием пружины 7 поднимается вверх и размыкает блок-контакты 8. Поворачивая эксцентрик, изменяют расстояние а. Чем больше это расстояние, тем на больший угол отгибается биметаллическая пластина, размыкая блок-контакты реле. Следовательно, реле будет срабатывать (через 20…30 мин) при большем токе, протекающем через нагреватель.

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Схема теплового реле

 

Тепловое реле имеют регулировку тока уставки в пределах ± 25%. регулировку теплового реле производят: если нагреватель рассчитан на ток, не равный номинальному току нагрузки; если температура окружающей среды отличается от нормальной на ±10 ^оС. Регулировку производят с помощью механизма, изменяющего натяжение ветвей термоэлемента, или изменением зазоров в кинематической цепи.

Механизм изменения уставки имеет шкалу с делениями, нанесенными по обе стороны от нулевой отметки. Цена деления – 5% уставки.

Тепловые реле включаются в две фазы трехфазных двигателей непосредственно или через трансформатор тока ТА, если ток двигателя превышает номинальный ток реле рисунок 3.2. В реле новых конструкциях тепловых реле РТЛ биметаллические пластинки устанавливают во всех фазах.

 

 

 

Рисунок 3.2 – Схема включения теплового реле

 

Допустимость выбора номинальных токов нагревательных элементов, несколько отличающихся от номинальных токов двигателей, объясняется тем, что тепловые реле имеют устройство для регулирования тока установки (I _уст). Под последним имеется в виду тот ток, значение которого устанавливается оператором с помощью регулятора тока уставок реле. При превышении этого тока – при перегрузке реле должно сработать с заданным временем, зависящим от степени перегрузки, определяемой характеристикой реле – t _реле =ƒ( I _реле ).

Например, у реле ТРН головку регулятора тока уставки, снабженную контрольной риской, можно поворачивать вправо на пять делений шкалы уставок или влево на пять делений от средней – нулевой риски, соответствующей току уставки I _{уст 0}  Ток уставки I _{уст 0}  равен номинальному току установленного в реле нагревательного элемента I _{ном. нагр. элем.} ( I _{уст 0}  = I _{ном. нагр. элем.} ) при условии равенства температур окружающего реле воздуха и температуры, при которой производилась калибровка нагревательного элемента на заводе (Θ_зав=20 ⁰С). Каждое деление шкалы уставок этого реле соответствует примерно 5% от I _уст.0. При повороте головки регулятора по часовой стрелке происходит соответствующее увеличение тока уставки (плюс), а при повороте против часовой стрелке – уменьшение (минус). Таким образом, регулирование тока уставки реле ТРН возможно в пределах (0,75…1,25) I _уст.0. Например, если номинальный ток нагревательного элемента, установленного в реле, I _{ном. нагр. элем} =20А, то при температуре воздуха, окружающего реле, равной заводской - Θ_зав=20 ⁰С, I _уст.0 =20 А, регулирование I _уст. реле возможно в пределах – (0,75·20…1,25·20) А = (15…25) А.

Деление шкалы уставок для тепловых реле типа ТРН выбирается в соответствии с выражением

 

= ( I _ном – I ₀ )/( c I ₀ ) ,

 

где I _ном – номинальный ток электродвигателя;

I ₀ – ток нулевой уставки реле;

с- цена деления, равная 0,05 для открытых пускателей и 0,055 для защищенных.

Для токовых реле типа ТРН при температуре окружающей среды ниже +40 ⁰С вводится поправка на окружающую температуру

 

N ₂ = ( t _окр - 30)/10

 

При окружающей температуре выше +40 ⁰С поправка не вводится. С учетом поправки на температуру окружающей среды результирующее деление шкалы

 

N = N ₁ + N ₂ .

 

Полученные дробные расчетные значения делений шкалы уставок округляют до ближайшего целого значения.

Пример. Пускатель серии ПМЕ с тепловыми реле типа ТРН включает электродвигатель с номинальным током I _ном = 5 А. Ток нулевой уставки теплового реле I ₀ = 6 А. Пускатель имеет открытое исполнение. Температура окружающей среды +25 ⁰С. Определить положение механизма регулировки тока уставки на шкале теплового реле.

Находим

N ₁= (5 - 6)/(0,05·6) = -3,3.

 

Так как реле типа ТРН имеет температурную компенсацию, то поправка на температуру окружающей среды не требуется. Механизм регулировки следует установить на отметку N = - 3 (третье деление влево от нулевой отметки).

Условное обозначение теплового реле РТТ имеет следующую структуру:

 

РТТ-Х₁Х₂Х₃Х₄Х₅,

 

где Х₁ – номинальный ток реле [1 – исполнение на 40 А (РТТ-1); 2 - исполнение на 63 А (РТТ-2)]; Х₂ – цифры, обозначающие способ установки реле (1 - исполнение на все токи для индивидуальной установки; 2 – исполнение на 40 а (РТТ-1) для присоединения к пускателю ПМ12-040; 3 – исполнение на 40 А (РТТ-1) для присоединения к пускателю ПМ12-025; Х₃ – вид контактов вспомогательной цепи реле (1 – с размыкающим контактом; отсутствие цифры означает переключающий контакт); Х₄ – исполнение реле по инерционности (П – пониженная инерционность, только для РТТ-2; Х₅ – климатическое исполнение УХЛ или 0.