3. Контактные аппараты управления

Для коммутации силовых цепей и цепей управления систем автоматики применяют разнообразные электромеханические аппараты, имеющие подвижные контакты для соединения электрических цепей, и бесконтактные аппараты, в которых отсутствуют подвижные устройства, а электрическая цепь создается за счет гальванических связей и электронно-ионной проводимости полупроводниковых и электронных элементов. В литейных и термических цехах наибольшее распространение получили электромеханические аппараты общетехнического применения. Их можно разделить на две основные группы: аппараты ручного (неавтоматического) управления и аппараты автоматического управления.

Аппараты ручного управления приводит в действие оператор, обслуживающий автоматизированные установки. К этой группе относятся кнопки управления и кнопочные станции, рубильники, пакетные и универсальные переключатели и т. д.

Аппараты автоматического управления приходят в действие от электрических сигналов (команд), подаваемых первичными преобразователями и командными аппаратами, на которые первоначально может воздействовать оператор. К их числу относятся шаговые искатели, командоаппараты, контроллеры и пускатели, бесконтактные аппараты и др.

По роду тока аппараты управления подразделяют: по коммутации – аппараты постоянного и переменного тока; по приведению в действие – с катушками на постоянном или переменном токе.

Основной недостаток контактных аппаратов управления – образование в процессе коммутации электрической искры или дуги между контактами. От этого недостатка свободны бесконтактные аппараты, в которых отсутствуют подвижные электрические контакты. Поэтому основной технической характеристикой каждой контактной системы является ее допустимая разрывная мощность.

Кнопки управления представляют собой электрические аппараты с ручным (или ножным) приводом. Кнопки управления бывают с самовозвратом, с защелкой, с сигнализацией и др.

В схеме кнопки управления типа КУ (рис. 28) подвижные контакты 3 кнопки механически связаны со стержнем толкателя 1, при нажатии на который происходит замыкание подвижных контактов 3 с неподвижными 4. При отпускании толкателя он возвращается в исходное положение под воздействием возвратной пружины 2. Кнопочный механизм заключен в корпус 5.

Рис. 28. Кнопка управления

Кнопки управления различных конструкций и назначений подразделяют по числу замыкающих и размыкающих контактов (от 1 до 4) и по виду защиты от воздействия окружающей среды (открытые, защищенные, герметические и взрывобезопасные).

Комплект кнопок, размещенных в общем корпусе, называют кнопочной станцией.

Для удобства обслуживания головки штифтов (кнопок) могут снабжаться надписями «Пуск», «Стоп», «Вперед» и т. п. Их окрашивают в различные цвета (кнопка «Стоп» – как правило, в красный цвет).

Рубильники, универсальные и пакетные переключатели относятся к группе аппаратов с ручным приводом и по своей конструкции являются аппаратами открытого типа.

Простейшим видом устройства для замыкания и размыкания электрических цепей является выключатель «рубящего» типа или рубильник. Рубильники подразделяют по номинальному току, по числу полюсов (двух- и трехполюсные), по роду привода (с центральной рукояткой или с боковой рукояткой, с центральным или боковым рычажным приводом). Их применяют для ручной коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока с номинальным напряжением до 500 В.

Универсальные переключатели выпускают открытого, защищенного, герметического и взрывобезопасного исполнения и различают по числу секций и по числу коммутационных положений. Они предназначены для ручного переключения цепей управления напряжением до 400 В постоянного и до 500 В переменного тока промышленной частоты с силой тока до 20 А.

Пакетные переключатели (ПП) и включатели (ПВ) состоят из изолированных секций (пакетов), в пазах которых находятся контактные ножи. При определенном положении рукоятки неподвижные контакты могут соединяться между собой подвижными контактными ножами. Собирая пакеты с подвижными контактными шайбами и располагая их различным образом по отношению к неподвижным контактам, можно получать разнообразные схемы.

Пакетные переключатели и включатели открытого, защищенного и герметического исполнений предназначены для применения в цепях постоянного тока напряжением до 220 В и переменного тока напряжением до 380 В для ручного переключения цепей с силой тока от 6 до 400 А.

Путевые (конечные) выключатели – эхо аппараты, схожие с кнопкой управления, воздействие на контакты которых производится каким-либо рабочим механизмом при его движении. Их также называют конечными выключателями, если они установлены для контроля и ограничения положения движущегося механизма. Путевые выключатели по конструкции бывают контактными и бесконтактными. Последние отличаются высокой надежностью в работе. Контактные путевые выключатели бывают нажимными, рычажными или вращающимися.

Рис. 29. Путевые (конечные) выключатели:

а – нажимной, б – рычажный

Нажимной путевой выключатель (рис. 29, а) имеет шток 1, при нажатии на который подвижные контакты 4 перемещаются от верхних неподвижных 3 к нижним неподвижным контактам 5. Возврат штока в исходное положение осуществляется пружиной 2.

Для нормальной работы такого переключателя скорость движения механизма или его движущегося узла должна быть более 6,6 мм/с. При меньшей скорости подвижные контакты перемещаются медленно, что приводит к длительному горению дуги, возникающей между размыкающимися контактами, и их быстрому разрушению вследствие оплавления н усиленного окисления.

В рычажном путевом выключателе (рис. 29, б) устройством, которое воздействует на подвижные контакты 1, является рычаг 3 с механизмом мгновенного переключения контактов 1 от одной пары неподвижных контактов 2 к другой. По окончании внешнего воздействия на рычаг под действием пружины контакты 1 и сам рычаг 3 возвращаются в исходное положение.

Контакты таких выключателей переключаются с постоянной скоростью при определенном положении рычага независимо от скорости движения механизмов. Поэтому их применяют при малых скоростях движения механизмов при требованиях повышенной точности срабатывания.

Рис. 30. Микропереключатель

В последнее время получили широкое распространение микропереключатели, одна из конструкций которых показана на рис. 30. При нажатии на шток 4 он давит на пружину 3. При определенной силе нажатия на шток пружина 3 перебрасывается по направлению движения штока, размыкая контакт 2 и замыкая контакт 1. Плоская пружина 3 выполнена из трех частей. Средняя часть длиннее крайних, поэтому она всегда находится в изогнутом состоянии и стремится прижать контакты в их крайних положениях (1 или 2). Несмотря на малые размеры переключатель работает при напряжении 380 В, токе до 3 А и силе нажатия на шток 5 ... 7 Н. Перемещение штока – в пределах 0,5 ... 0,7 мм. Время срабатывания микропереключателя 0,01 ... 0,02 с при частоте включений до 2 раз в минуту.

Рис. 31. Шаговый искатель

Шаговым искателем называют электромагнитный импульсный переключатель, предназначенный для поочередной коммутации большого числа контактных групп. Он (рис. 31) состоит из неподвижного контактного поля контактов 1, расположенных в несколько рядов и изолированных друг от друга, ротора со щетками 5 и электромагнитного привода. Электромагнитный привод содержит храповое колесо 4, собачку 5, якорь 6, возвратную пружину 7 и электромагнит 8. Каждый контактный ряд имеет свою щетку, соединенную через скользящий контакт 2 с выводом.

При подаче управляющего сигнала на обмотку электромагнита 8 якорь 6 притягивается к магнитопроводу, и собачка 5 толкает зуб храпового колеса 4, жестко соединенного с ротором, на котором установлены щетки. Ротор поворачивается и переводит щетки по неподвижным контактам. После снятия управляющего сигнала пружина 7 возвращает якорь в исходное положение.

Шаговые искатели различают: по емкости контактного поля, т. е. по числу пластин в ряду и числу неподвижных контактов; по характеру движения щеток (шаговые искатели бывают вращательные – ШИ, реверсивные – РШИ и подъемно-вращательные – ДШИ); по способу приведения щеток в движение; с приводом прямого действия (рабочее движение ротора происходит при притяжении якоря электромагнита) и обратного действия (движение ротора происходит при отпускании якоря под действием возвратной пружины).

Использование шаговых искателей для построения схем управления механизмами в литейных и термических цехах значительно упрощает эти схемы и увеличивает их надежность.

Под командоаппаратом понимается прибор, который автоматически подает импульсы (команды) для проведения технологических процессов по заранее установленному графику.

Командоаппарат состоит из следующих основных узлов: барабана, контактной рейки и плиты. Барабан представляет собой центральный вал на двух опорных подшипниках. На валу насажены переключающие шайбы, на которых закрепляются выключающие и включающие кулачки.

Схема действия одной контактной шайбы показана на рис. 32.

Рис. 32. Схема действия одной контактной шайбы командоаппарата

Контактная шайба с двумя кулачками, расположенными с двух сторон, жестко крепится на центральном валу 1. При вращении вала включающий кулачок 9 подходит к ролику 8 и, нажимая на него, поворачивает контактный рычаг 4, преодолевая сопротивление возвратной пружины 7. Контактный мостик 3 замыкает цепь. Одновременно отключающий рычаг 6 под действием пружины параллельно входит в вырез контактного рычага и удерживает его во включенном состоянии. При дальнейшем вращении шайбы отключающий кулачок 2 подходит к ролику 5 отключающего рычага 6 и нажимает на него. При этом отключающий рычаг освобождает контактный рычаг 4, который, поворачиваясь вокруг своей оси под действием возвратной пружины 7, мгновенно размыкает контакты. Для изменения длительности времени замкнутого состояния контактов, а также изменения момента включения кулачки 2 и 9 можно переставлять по окружности шайбы, для чего на шайбе имеются отверстия.

Кулачковые командоаппараты различают по числу барабанов (один или два) и по числу переключающих шайб (от 2 до 24).

Кулачковые командоаппараты предназначены для коммутации тока в цепях управления и применяется в автоматизированных электроприводах в качестве путевых или конечных выключателей. Контакты командоаппаратов допускают длительную нагрузку током 16 А и кратковременную (до 10 с) током 75 А.

Контакторы – это двухпозициоиные аппараты с самовозвратом, предназначенные. Для частых коммутаций токов, не превышающих токи перегрузки, « приводимые в действие приводом (встроенными электромагнитами) с дистанционным управлением. Контакторы в сочетании с защитными тепловыми реле называются пускателями.

Различают контакторы постоянного и переменного тока. Контакторы постоянного тока имеют, как правило, одну пару главных контактов, а контакторы переменного тока – три пары. Контакторы различаются: по конструкции электромагнита – с якорем клапанного типа и прямоходовым якорем; по способу гашения дуги – с магнитным гашением и дугогасительной решеткой; по допустимому числу срабатывания в час – от 240 до 1200 срабатываний.

Контактор переменного тока отличается от контактора постоянного тока числом главных контактов и конструкцией магнитной системы, которая набирается из отдельных изолированных друг от друга пластин стали.

Рис. 33. Конструктивная схема контактора переменного тока

Контактор переменного тока с якорем клапанного типа показан на рис. 33. На металлическом основании 11 расположена контактная, дугогасительная, подвижная и электромагнитная системы. Принцип действия контактора состоит в том, что при подаче напряжения на катушку 3 тягового электромагнита якорь 4 притягивается к магнитопроводу 2, опирающемуся на демпфирующую пружину 1, и траверса 9 поворачивается. При этом подвижные контакты 8 замыкаются с неподвижным 10. Необходимое нажатие подвижных контактов обеспечивается пружиной 7. Катушка электромагнита питается переменным током, вследствие чего магнитный поток в электромагнитной системе контактора проходит через нуль. Это обстоятельство вызывает вибрацию и гудение магнитной системы. Для ослабления этих явлений на торце магнитопривода 2 закладывается медный короткозамкнутый виток 12. В момент, когда магнитный поток проходит через магнитопровод, в короткозамкнутом витке наводится ЭДС, как во вторичной обмотке трансформатора. Через виток проходит ток, который создает дополнительный магнитный поток, препятствующий отпадению якоря при переходе основного потока через нуль.

При снятии напряжения с катушки 3 пpoиcxoдит отключение контактора. При этом траверса под действием собственного веса и возвратной пружины 6 приходит в «нормальное» положение. Возникающая при расхождении главных контактов дуга от протекающего тока быстро гасится в дугогасительной камере 5.

Все контакторы переменного и постоянного тока должны надежно работать при колебаниях напряжения от 85 до 105 %.

Контакторы постоянного тока применяют в термических и литейных цехах для включения и выключения высокочастотных индукционных установок термических и плавильных печей, имеющих индуктивную нагрузку.

Контакторы переменного тока применяют для включения и выключения мощных термических и плавильных печей, а также различных установок с активной индукционной нагрузкой (индукционные нагревательные и плавильные печи).

Магнитные пускатели – это комплексные индукционные аппараты, предназначенные для пуска, отключения и защиты электродвигателей от перегрузок без выведения или введения в их силовые цепи резисторов. Реверсивный пускатель состоит из двух, а нереверсивный – из одного контактора и двух тепловых реле, смонтированных на общем основании или в общей защитной оболочке. Наибольшее распространение получили пускатели серий ПМЕ, ПАЕ и ПА.