Классификация: резисторы, контроллеры, выключатели, контакторы электромагнитные, командоаппараты, магнитные пускатели, реле Электрические аппараты управления предназначены для работы в цепях управления различных преобразователей и приемников электрической энергии, таких как электрические двигатели, светотехническая и термическая аппаратура, в цепях вторичных источников питания и т.д. Четкой грани между аппаратами управления, аппаратами автоматики и аппаратами распределения энергии нет. Хотя условно приняты ряд критериев, выделяющих аппараты управления в отдельную группу. Это аппараты до 1000 В, с коммутируемым током свыше 10 А, работающие в номинальном (длительным) режиме или при небольших перегрузках по току, вызванных изменением нагрузочных характеристик. Под эти критерии подходят контакторы и магнитные пускатели, коман- доаппараты, неавтоматические выключатели, силовые (коммутационные) электромагнитные реле, тепловые реле. Так, широко известный аппарат управления контактор осуществляет управление силовой нагрузкой, например двигательной или светотехнической, термической или конденсаторной (рис. 3.1). Рис. 3.1. Контактор электромагнитный серии КТ-5000 Однако, в сочетании с тепловым реле защиты, контактор (магнитный пускатель) может выполнять и защитные функции, например, от токов перегрузки. Подробнее устройство и принцип действия контактора рассмотрены ниже. Согласно ГОСТ Р 50030.4.1—2002 [5] различают пять типов пускателей: • пускатели прямого действия, работающие в категориях применения АС-3; АС-4; АС-8а и АС-8в (подробнее см. ниже); • пускатели со схемой «звезда-треугольник», принадлежащие к категории применения АС-3; • двухступенчатые автотрансформаторные пускатели, принадлежащие к категории применения АС-3; • реостатные роторные пускатели для асинхронных двигателей с фазным ротором, работающие в категории применения АС-2; • комбинированные или защищенные пускатели. Командоаппараты и неавтоматические выключатели реализуют функции коммутации цепей управления, включая по заданной программе срабатывания. Разновидностью командоаппаратов являются командоконтрол- леры, управляющие в определенной последовательности срабатыванием вспомогательных и силовых цепей электрических машин, трансформаторов, резисторов и другой нагрузки. Например, кулачковый командокон- троллер ККТ-61 на ток 63 А предназначен для работы в цепях управления электрических устройств в крановых электроприводах постоянного и переменного тока повторно-кратковременного режима. К неавтоматическим выключателям, управляемым вручную, относятся рубильники, разъединители и выключатели нагрузки, служащие для размыкания цепи в номинальном режиме или при небольших токах перегрузки. Основное их назначение — обесточить цепь и обеспечить гальваническую развязку между источником питания и нагрузкой. Они коммутируют токи от 6,3 до 6300 А. На рис. 3.2 приведен выключатель-разъединитель INTERPACTINV100 {Schneider Electric) на 100 А. Он используется в системах электроснабжения промышленных предприятий и в непроизводственной сфере. Рис. 3.2. Выключатель-разъединитель INTERPACTINV100 4П Для выполнения функций коммутации при небольших токах (как правило, до 25 А) широко используются выключатели и переключатели. К ним относятся: движковые, галетные, клавишные, кнопочные (нажимные), пакетные, перекидные (тумблеры), путевые (конечные) и др. Отдельно выпускаются выключатели специального назначения, например, для транспортных и тяговых механизмов. На рис. 3.3 приведен пакетный выключатель серии ГТП53. Он используется для силовых схем управления. Относится к классу аппаратов с закрытой контактно-дугогасительной системой, в которых гашение дуги происходит в ограниченном объеме в среде повышенного давления. Рис. 3.3. Пакетный выключатель серии ПП53 Разновидность путевых выключателей — конечные (концевые) выключатели — используются для коммутации цепей управления и автоматики на заданном участке пути, который проходит управляемый механизм. Конечные выключатели серии КУ устанавливаются в конце движения механизма, отключая его приводной двигатель. Используются, например, в подъемно-транспортных устройствах (рис. 3.4). Рис. 3-4. Концевой выключатель серии КУ Электромагнитные реле, при всем своем разнообразии, занимают обширные ниши в аппаратах автоматики и управления. Большая их часть классифицируется в аппаратах автоматики. К ним относятся реле слабо- точные, времени, фотоэлектрические, телефонные, твердотельные и ряд других. Силовые (коммутационные) электромагнитные реле на токи от 1 до 10 А и более (зарубежные изготовители их часто называют контакторы, пускатели, например силовые реле Legrand на токи до 100 А, импульсные реле Schneider Electric TL до 32 А, реле Siemens BETA 5ТТЗ и др.) используются в более мощных цепях управления. К ним относятся промежуточные реле, указательные и др. Одним из распространенных отечественных реле является промежуточное реле серии РП-21 на токи до 10 А (рис. 3.5). Рис. 3.5. Промежуточное реле серии РП-21 Тепловые реле выполняют функции защиты цепи от перегрузок по току. По этой причине их чаще относят к защитным аппаратам. Учитывая работу контактной системы реле, которая включается в цепь управления контактора (пускателя) и коммутирует ее в номинальном режиме управления, тепловые реле можно отнести и к аппаратам управления. Примером исполнения теплового реле, работающего с контактором или пускателем, является реле серии РТТ-121 (рис. 3.6). Реле работает в диапазоне токов уставки от 0,2 до 40 А и предназначено для защиты обмотки асинхронного двигателя от кратковременных токов перегрузки до 7/„. Рис. 3.6. Тепловое реле серии РТТ-121 Устройство и принцип действия контактора (пускателя), электромагнитного и теплового реле будут изложены ниже. Основные технические характеристики электрических аппаратов управления Один из основных технических параметров большинства аппаратов — номинальное напряжение (U„). Это напряжение, на которое рассчитан электрический аппарат, как с точки зрения коммутации, управления и регулирования, так и изоляции его токоведущих частей. Согласно ГОСТ Р 50030.1 [4] номинальные значения параметров устанавливаются изготовителем. Так, номинальное напряжение аппарата характеризуется: номинальным рабочим напряжением ((/,,), на которое ориентируются при проведении соответствующих испытаний и установлении категории применения аппарата; номинальным напряжением изоляции ((/,) — значение напряжения, по которому определяют испытательное напряжение при испытании изоляционных свойств, расстояние утечки и воздушные зазоры. Максимальное значение номинального рабочего напряжения не должно превышать наибольшего значения номинального напряжения изоляции. Примерная шкала номинальных напряжений для электрических аппаратов переменного тока составляет 36,127,220,380,660,1140 В; для электрических аппаратов постоянного тока — 6, 12, 24, 27, 48, 110, 220, 440, 600, 750 В. Причем меньшие значения напряжений относятся к цепям управления. Предусматривается надежная работа электрических аппаратов при повышении напряжения до 1 ,Un, а в цепи управления при его изменении от 0,85 до 1,1 Un. В цепях высокого напряжения шкала номинальных напряжений состоит из следующих оцифрованных значений: 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ и выше. Другой основной технический параметр — номинальный ток (1п). Это ток, длительное протекание которого не вызывает нагрева токоведущих частей электрического аппарата выше допустимых значений, определяемых классом изоляции, с которой эти части соприкасаются. Аппараты характеризуют следующие токи: поминальный рабочий ток (Je) — это указанные изготовителем значения рабочих токов с учетом номинального рабочего напряжения, поминальной частоты, номинального режима, категории применения и типа защитной оболочки при ее наличии; поминальный длительный ток (1и) — это значение тока, который может проводить аппарат в продолжительном режиме. Существуют понятия условного теплового тока на открытом воздухе (Ith) и в оболочке которые определяются условиями проведения испытаний открытых либо защищенных аппаратов. Примерная шкала номинальных токов в цепях низкого напряжения: 1, 3, 6, 10, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000 и 6300 А. В цепях высокого напряжения: 200, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10 000, 12 500, 16 000, 20 000, 25 000, 31 500 А. Существует понятие стандартных номинальных режимов работы аппаратов. К ним относятся: - восьмичасовой режим — режим, в котором главные контакты аппарата остаются замкнутыми, проводя установившийся ток, достаточно долго, чтобы аппарат достиг теплового равновесия, но не более 8 ч без перерыва; - продолжительный режим — режим, в котором главные контакты аппарата остаются замкнутыми, проводя установившийся ток, без перерыва более 8 ч (в течение недель, месяцев или даже лет); - повторно-кратковременный режим — режим, в котором главные контакты аппарата остаются замкнутыми или разомкнутыми с определенной периодичностью, но аппарат при этом не достигает теплового равновесия. Повторно-кратковременный режим характеризуется значением тока, длительностью его прохождения и коэффициентом нагрузки, представляющим собой отношение периода прохождения тока ко всему времени. Стандартные значения коэффициента нагружения: 15, 25, 40 и 60%. Аппараты по числу циклов оперирования (числу коммутаций), которое они могут выполнять за 1 ч, подразделяют на 12 классов с числом циклов в час от 1 до 300 000; - кратковременный режим — режим, в котором главные контакты аппарата остаются замкнутыми в интервалы времени, недостаточные для достижения аппаратом теплового равновесия, которые чередуются с периодами нулевой нагрузки достаточной длительности, чтобы восстановить равенство температур с охлаждающей средой. Стандартизованные значения для кратковременного режима составляют 3, 10, 60 и 90 мин при замкнутых контактах; - периодический режим — режим, предусматривающий регулярное повторение срабатывания либо при постоянной, либо при переменной нагрузке. В зависимости от места предполагаемой эксплуатации аппараты изготавливаются в различных климатических исполнениях, а воздействие климатических факторов в зависимости от места установки аппаратов определяется категорией размещения аппарата. Так, электрический аппарат с климатическим исполнением и категорией размещения УХЛЗ, согласно ГОСТ 16350 110], предназначен для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом в закрытых помещениях с естественной вентиляцией. Для предотвращения попадания внутрь аппарата инородных тел и воды и исключений соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими и подвижными частями устанавливается защитная оболочка. Степень защиты, согласно ГОСТ 14254 1111, обозначается буквами IP и двумя цифрами. Первая цифра характеризует защиту аппарата от проникновения внутрь инородных тел и от соприкосновения персонала с деталями аппарата, вторая — от попадания в аппарат воды. Например, такой аппарат, как магнитный пускатель, имеющий степень защиты IP54, не защищен полностью от проникновения внутрь оболочки пыли, однако пыль не влияет на нормальную работу самого аппарата. Кроме того, вода, разбрызгиваемая на оболочку в любом направлении, не должна оказывать вредного воздействия па аппарат. Электрические аппараты устанавливаются в производственных помещениях, где работают различные машины и механизмы, создающие вибрацию и удары. Эти воздействия воспринимаются аппаратами, что может привести к нарушению их нормальной работы. Требования по вибро- и ударостойкости аппаратов регламентируются ГОСТ 17516.1 [12], который выделяет 29 групп механических воздействий. Обозначения — М (номер группы). Например, М3 означает, что аппарат может эксплуатироваться в стационарных установках (в шкафах, панелях, пультах, щитах) при внешних источниках вибраций с частотой не выше 35 Гц (более подробно см. в работе [13]). Климатическое исполнение и категория размещения контакторов, магнитных пускателей, автоматических выключателей и других аппаратов указываются в их обозначениях. В частности, электромагнитный контактор переменного тока КТУ-3000-Н1 УХЛ5 может быть использован в средах с умеренным и холодным климатом (климатическое исполнение — УХЛ), в помещениях с повышенной влажностью (категория размещения — 5), см. ГОСТ 16350-80 [10]. Рассмотрим ряд технических параметров, характеризующих техникоэкономический уровень аппаратов. Среди них механическая и коммутационная износостойкость. Указанные параметры определяются числом коммутаций электрического аппарата до тех пор, пока он станет непригодным для нормальной работы с точки зрения работоспособности его механических частей и коммутирующих контактов, которые подвержены воздействию электрической дуги включения и отключения. Выделяется три категории коммутационной износостойкости (Л, Б и В) в зависимости от материала контактных накладок аппарата. Контакты, выполненные с контактными накладками на основе серебра (например, СОК-15), относятся к категории А и имеют повышенную коммутационную износостойкость. Механическая и коммутационная износостойкость аппаратов управления определяют надежность и долговечность их работы в режиме нормальных коммутаций. Для электрических аппаратов управления и распределения важными параметрами являются номинальная включающая и номинальная отключающая способность. Номинальная включающая способность аппарата — указанное изготовителем значение тока, который аппарат может удовлетворительно включать в установленных условиях включения (напряжение до включения, характеристики испытательной цени). Номинальная включающая способность указывается применительно к номинальному рабочему напряжению и номинальному рабочему току. Номинальная отключающая способность аппарата — указанное изготовителем значение тока, который аппарат может удовлетворительно отключать в установленных условиях отключения (характеристики испытательной цепи, восстанавливающееся напряжение промышленной частоты). Номинальная отключающая способность указывается также применительно к номинальному рабочему напряжению и номинальному рабочему току. К номинальным характеристикам при коротких замыканиях относятся: — номинальный кратковременный допустимый ток (7^); номинальная наибольшая включающая способность (7c;w); — номинальная наибольшая отключающая способность (/С77); — номинальный условный ток короткого замыкания (ожидаемый ток). Это ток, который протекал бы в цепи, если бы каждый полюс аппарата был заменен проводником с ничтожно малым сопротивлением. Номинальная наибольшая включающая способность — значение наибольшей включающей способности, установленное для данного выключателя изготовителем и выражаемое максимальным ожидаемым пиковым током (на переменном токе — ударным током короткого замыкания). Номинальная наибольшая отключающая способность — значение наибольшей отключающей способности, установленное для данного выключателя изготовителем. Выключатель должен отключать любой ток короткого замыкания, не превышающий его номинальных отключающих способностей (на переменном токе — это ожидаемый ток короткого замыкания). Существуют такие понятия, как тип аппарата и его типоисполнение. Тин аппарата (серия, марка) характеризует серию аппаратов единого или близкого назначения и конструктивного исполнения. Например, магнитные пускатели серии ПМ12. Типоисполнение конкретизирует исполнение аппарата данной серии под определенные технические и конструктивные параметры. Типоисполнение — это реальное исполнение аппарата. Структура условного обозначения дает расшифровку типоисполнений аппарата. В табл. 3.1 дано структурное обозначение магнитных пускателей серии ПМ12. Структура условного обозначения пускателя ПМ12-[*][*][*] [*] [*] [*] [*] [*] [*] Таблица 3.1 ПМ12 Обозначение серии пт Обозначение номинального тока: 010 — 10 А; 025 — 25 А; 040 — 40 А; 063 - 63 А [*] Обозначение пускателя по назначению и наличию теплового реле: 1 — без теплового реле, нереверсивное; 2 — с тепловым реле, нереверсивное; 5 — без теплового реле, реверсивное с механической блокировкой для степени защиты IPOO, 1Р20, с электрической и механической блокировкой для степени защиты IP40, IP54 Г] Исполнение пускателей по степени защиты и наличию кнопок управления: 0 — степень защиты IPOO; 1 — степень защиты IP54 без кнопок; 2 — степень защиты IP54 с кнопками «Пуск» и «Стоп»; 3 — степень защиты IP54 с кнопками «Пуск» и «Стоп», с сигнальной лампой; 4 — степень защиты IP40 без кнопок; 5 — степень защиты IP20; 6 — степень защиты IP40 с кнопками «Пуск» и «Стоп»; 7 — степень защиты IP40 с кнопками «Пуск» и «Стоп», с сигнальной лампой и Исполнение пускателей по числу и исполнению контактов вспомогательной цепи: 0 — исполнение 1з для пускателей на номинальные токи 10, 25, 40 А; 1 — исполнение 1р для пускателей на номинальные токи 10, 25, 40 А; 2з + 2р — для пускателей на номинальный ток 63 А п Климатическое исполнение по ГОСТ 15150 н Категория размещения но ГОСТ 15150 [*] Исполнение по износостойкости А, Б, В сократи текст