Аппаратура управления

Аппаратура управления, как правило, предназначается для изменения режима работы того или иного электротехнического устройства. Она может быть прямого и косвенного действий, контактной и бесконтактной, с ручным или двигательным приводом.

Рубильники и рубящие переключателиявляются простейшими аппаратами управления (рис. 85). Рубильником называется электрический двухпозиционный (вклю-чено-отключено) аппарат прямого действия с ручным приводом без самовозврата.е контакты, состоящие из неподвижной контактной стой-ки 1, в которую входит подвижной

контакт-нож 2 при необходимости с моментными ножами 3 и пружинами 4.

Рубящим переключателем называется аппарат, подобный рубильнику, но имеющий обычно три позиции.

Рубильники и переключатели служат для неавтоматического размыкания и замыкания электрических цепей постоянного и переменного токов, например, секций шин ГЭРЩ и др.

Рубильники и переключатели различаются: по числу полюсов – на одно-, двух- и трехполюсные; по значению тока – 100–1000 А; по значению напряжения – 220, 440 В постоянного тока и 220, 380, 660 В переменного тока; по наличию вспомогательных контактов; по способу присоединения и роду привода.

Пакетные выключатели и переключатели(рис. 86) – это контактные аппараты прямого действия с ручным приводом без самовозврата. Они состоят из пакетов изоляционного материала, выполненных в виде цилиндров диаметром 50–80 мм и высотой около 10 мм. Число пакетов пропорционально числу полюсов. Неподвижные контакты 4 укреплены на стенке пакета 2,а подвижные 5 – на четырехгранном валике 3,связанном с рукояткой. Аппараты снабжены переключающим механизмом 1 с пружиной, обеспечивающим быстрое перемещение подвижных контактов из одного положения в другое с фиксацией их в этих положениях.

Рис. 86. Пакетный выключатель серии ПВ

Пакетные выключатели – двухпозиционные аппараты, поэтому они могут быть использованы для включения и выключения различных приемников электрической энергии. У пакетных переключателей число позиций больше, поэтому они применяются там, где требуется выполнить какие-либо переключения с одного направления на другое и т. д. Пакетные выключатели и переключатели различают по току (10, 25, 63, 100, 250 и 400 А), количеству полюсов (одно-, двух-, трехполюсные), по схеме включения и исполнения. Универсальные переключатели и универсальные пакетные ключи– это контактные многопозиционные аппараты с ручным приводом с самовозвратом или без него. Универсальные переключатели серии УП применяются в качестве вольтмет-

ровых и амперметровых переключателей, для переключения в цепях управления и автоматики, управления серводвигателями и т. д. Аппарат (рис. 87) состоит из отдельных контактных секций 2, изолированных одна от другой пластмассовыми перегородками 1. Включение и

Рис. 87. Универсальный переключатель серии УП 126

отключение подвижных 5 и неподвижных 4 контактов в секции производятся пластмассовыми шайбами 3. Шайбы имеют несколько разновидностей, благодаря чему обеспечивается возможность набора практически любой схемы включения.

Судовые переключатели серии УП имеют открытое исполнение, они применяются в цепях с напряжением до 500 В постоянного и переменного токов. Контакты рассчитаны на длительный ток до 2 А и допускают кратковременные перегрузки.

Универсальные пакетные ключи серии УПК предназначены для работы в цепях управления судовой электростанции. Они позволяют осуществлять дистанционное управление различными устройствами переключения в цепях измерительных приборов, в цепях синхронизации и т. д.

В зависимости от характера фиксации положения рукоятки и ее самовозврата различают ключи с самовозвратом, с фиксацией рукоятки и с фиксацией и самовозвратом одновременно. Ключи, кроме того, могут быть различны по числу пакетов, конструкции контактов пакета и т. д.

В состав универсального пакетного ключа (рис. 88) входят контактное устройство 1,лицевой фланец 2 и рукоятка 3. Контактное устройство, в свою очередь, состоит из контактных пакетов, по конструкции напоминающих пакеты пакетных выключателей, и узла с фиксирующим и стопорным устройствами или с возвратным механизмом. Универсальные пакетные ключи выпускаются на номинальный ток 10 А и напряжение до 220 В постоянного и до 400 В переменного токов.

Рис. 88. Универсальный пакетный ключ серии УПК

Кнопочный выключатель– простейший контактный электрический аппарат косвенного действия с ручным приводом, имеющий два коммутационных положения и предназначенный для включения и отключения, тока в цепях управления. Обычно кнопочные выключатели делают с самовозвратом, но в ряде случаев их используют и без самовозврата.

В пластмассовом корпусе 1 кнопочного элемента КУ-100 (рис. 89) смонтированы четыре неподвижных элемента 2 с выводными винтами и стержень 3 скнопкой и мостом 6. При ненажатой кнопке в верхнем положении мостик прижимается к неподвижным контактным элементам под действием разности усилий пружин 5 и 4,а при нажатой кнопке в нижнем положении – усилием пружины 5.

Рис. 89. Кнопочный выключатель

Четыре неподвижных контактных элемента и один подвижный мостик образуют один размыкающий и один замыкающий контакты мостикового типа. Два или три кнопочных элемента, объединенных на одном основании, а в необходимых случаях помещенных в один корпус, образуют кнопочный пост, используемый в схемах управления, например, двигателем топливного насоса дизель-генератора. Путевой выключатель(переключатель) – командоаппарат,

изменяющий свое коммутационное положение или состояние (если он бесконтактный) при заданных положениях перемещающихся относительно его подвижных частей какого-либо устройства.

В судовых РУ чаще находит применение конечный выключатель (рис. 90), то есть командоаппарат, который изменяет свое положение или состояние при достижении перемещающихся частями крайних предельных положений.

В конечном выключателе серии ВК контакты 1 переключаются нажатием на шток 4, возврат их в исходное положение осуществляется пружиной 3. Все подвижные части выключателя помещены в корпусе 2.

Реле управленияпредставляет собой автоматически действующий аппарат – коммутационное устройство, предназначенное для осуществления скачкообразных изменений в управляемых цепях при заданном значении воздействующих величин. В зависимости от характера воздействующих величин реле управления бывают электрическими, например, реле напряжения, тока, мощности, частоты и т. д., и неэлектрическими – скорости, давления, температуры. Величина, являющаяся функцией входных воздействующих

Рис. 90. Конечный выключатель серии ВК

величин, называется характеристической. Так, например, в реле мощности воздействующими величинами являются напряжение и ток, а характеристической – мощность как функция напряжения и тока.

Различают измерительные и логические реле. Измерительные реле – это реле, предназначенные для срабатывания с определенной точностью при заранее установленном значении характеристической величины. К таким реле относятся реле напряжения в системах автоматического пуска и возбуждения дизель-генератора, реле давления и т. д.

Логические реле – это реле, предназначенные для действия (срабатывания) или отпускания (возврата) при дискретном изменении воздействующей величины. Примером реле этого типа является реле времени, предназначенное для срабатывания с регулируемой выдержкой времени, а также промежуточное реле, которое служит для расширения функций другого реле, у которого мало контактов или оно имеет недостаточную мощность.

Электрические реле управления чаще всего бывают электромагнитными, принцип действия их основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током неподвижной катушки, и подвижного ферромагнитного элемента – якоря.

Электромагнитные реле различаются по роду тока, характеру воздействующей величины и времени срабатывания. По роду тока реле бывают постоянного, переменного токов и универсальные, по характеру воздействующей величины – реле напряжения и реле тока, по времени срабатывания – без выдержки времени и с выдержкой времени.

Рис. 91. Электромагнитное реле серии РЭМ-20

Например, электромагнитные реле серии РЭМ-20 (рис. 91) предназначены для использования в схемах управления различных электротехнических устройств постоянного тока. Они состоят из якоря 8, магнитопровода 9, сердечника 10, катушки 11. Контактный узел 1 имеет один замыкающий и один размыкающий контакты и связан с якорем тягой 3. Напряжение срабатывания регулируется изменением натяжения пружины 4 с помощью гайки 2. Ход якоря регулируется винтом 6.

Время отпускания в небольших пределах можно изменить винтом 5 или подбором немагнитной прокладки 7. Реле этой серии можно использовать как измерительные и как логические.

В схемах управления электротехническими устройствами достаточно часто требуется обеспечить выдержку времени между срабатыванием различных аппаратов. Для обеспечения выдержки времени реле управления снабжаются замедлителями,которые в зависимости от принципа, положенного в основу их работы, могут быть электромагнитными, механическими и пневматическими.

Электромагнитный замедлитель обычно представляет собой медную гильзу, надетую на магнитопровод реле постоянного тока. При выключении катушки реле магнитный поток в его магнитопроводе начнет уменьшаться. Уменьшение магнитного потока вызывает появление ЭДС, в том числе и в медной гильзе. Она выполнена толстостенной и, следовательно, имеет небольшое электрическое сопротивление, поэтому даже относительно небольшая ЭДС приведет к появлению в гильзе значительного тока и МДС. Направление МДС на основании принципа Э.X. Ленца будет таким, чтобы препятствовать уменьшению магнитного потока магнитопровода реле. Таким образом, после выключения катушки в магнитопроводе реле еще какое-то время будет поддерживать магнитный поток благодаря МДС медной гильзы. Якорь реле поэтому отпадет не в момент отключения катушки реле, а через определенный промежуток времени, то есть с выдержкой времени. Электромагнитный замедлитель может быть использован только в реле постоянного тока, у которых магнитный поток в процессе работы реле не изменяется ни по значению, ни по знаку.

Механический замедлитель – это механическое устройство, устанавливаемое между якорем реле и контактной системой и служащее для обеспечения срабатывания контактного устройства через определенный промежуток времени после срабатывания якоря реле. Чаще всего в качестве замедлителя используется механизм, подобный часовому, который взводится якорем реле в момент его срабатывания и обеспечивает срабатывание контактного устройства с выдержкой времени, которая может регулироваться.

Другим способом обеспечения выдержки времени является использование синхронного двигателя для вращения с определенной угловой скоростью барабана с расположенными на нем кулачками. Срабатывание контактов реле происходит в момент соприкосновения их с кулачком. Для обеспечения выдержки времени кулачки на барабане устанавливаются так, что для их соприкосновения с контактом барабан должен повернуться на какой-то угол. Выдержку времени регулируют изменением угла установки кулачка на барабане. Реле с подобным обеспечением выдержки обычно называют моторными и чаще всего используют в качестве программного устройства.

Пневматический замедлитель – это замедлитель, принцип действия которого основан на законах истечения газов через отверстия. На этом принципе осуществляется выдержка времени, например, в реле серии РВП-2.

Контактор– двухпозиционный электрический аппарат прямого действия с самовозвратом, предназначенный для частых коммутаций цепей при допустимых значениях тока и приводимый в действие каким-либо двигательным приводом.

Контакторы различают по следующим признакам: роду тока главных контактов (постоянного и переменного токов), числу полюсов (от одного до пяти), назначению главных контактов (замыкающие и размыкающие), номинальному току главных контактов (10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400 и 630 А), роду двигательного привода (электромагнитный, электродвигательный, пневматический и т. д.), наличию устройства для гашения дуги, наличию вспомогательных контактов и ряду других признаков.

Рис. 92. Контактор серии КТ-6000

Рассмотрим конструктивную схему контактора переменного тока серии КТ-6000 (рис. 92). Контактор имеет шихтованный (то есть собранный из отдельных пластин) магнитопровод 7 поворотного типа, который связан с главным валом 6,закрепленным на

двух опорах 2. На валу размещены подвижные контакты 4 рычажного типа. Узлы неподвижных контактов 5, состоящие из контактной и дугогасительной систем и выводов, смонтированы на металлической рейке 1, которая является основанием контактора. У двух- и трехполюсных контакторов электромагнитный привод располагается сбоку (как показано на рисунке), а у контакторов с большим числом полюсов – между контактами. Узел вспомогательных контактов 3 мостикового типа размещен в стороне, противоположной приводному устройству. Контактор имеет по два замыкающих и размыкакающих контакта.

Электромагнитный привод контакторов серий КТ-6000 и КТ-7000 изготовляется с втягивающими катушками переменного тока на напряжение 110, 127, 220, 380 и 600 В частотой 50 Гц или 220, 380 и 440 В частотой 60 Гц. Главные контакты контакторов выполняются на ток 100, 160, 250, 400 и 630 А при напряжении 380 В и числе полюсов до пяти.

Контактор серии КМ-2000 (рис. 93) состоит из основания 6, вспомогательных контактов 5 и систем – контактной 1, дугогасительной 2,подвижной 3,электромагнитной 4. Основание контактора служит для крепления на нем всех неподвижных узлов и частей. Контактная система контактора мостикового типа, подвижный контакт замыкающего главного контакта укреплены на планке подвижной системы.

Неподвижный контакт расположен в дугогасительной камере системы дугогашения. Подвижная система служит для крепления на ней подвижных частей главных и вспомогательных контактов. Она шарнирно связана с якорем электромагнитной системы. Электромагнитная система контактора состоит из сердечника, якоря и втягивающей катушки и вместе с подвижной системой обеспечивает привод контактов контактора.

По номинальному напряжению главной цепи контакторы рассчитаны на постоянный ток до 220 В, переменный – до 380 В частотой 50–400 Гц.

По номинальному току главной цепи контакторы рассчитаны на постоянный ток 25–350 А, переменный – 25–600 А.

По номинальному напряжению втягивающих катушек контакторы изготовляются: с двухсекционными катушками постоянного тока на 24, 110 и 220 В; с односекционными катушками постоянного тока на 110 и 220 В; с катушками переменного тока на 127, 220 и 380 В при частоте 50 Гц.

Контакторы рассчитаны для работы в продолжительном, прерывисто-продолжительном, кратковременном и повторно-кратковремен-ном режимах. Устанавливаются контакторы в вертикальном положении на открытых панелях или в оболочках.

Кроме контактной аппаратуры, в распределительных устройствах на судах выпуска последних лет широко используется бесконтактная аппаратура управления на базе тиристоров и транзисторов.

Аппаратура защиты

Аппаратура защиты служит для предохранения электроэнергетической системы, в том числе судовой элекстростанции, от повреждения или от дальнейшего развития уже возникшего повреждения. Защита обычно состоит в том, что защищаемый объект отключается от источников электрической энергии. Воздействующая величина, на которую должна реагировать аппаратура защиты, может быть электрической и неэлектрической. В зависимости от характеристической величины различают защиту по току, напряжению, мощности, частоте, температуре, давлению и т. д.

Различают аппаратуру защиты мгновенного действия, защищающую даже от кратковременных нарушений установленного режима, и с выдержкой времени, что особенно важно для обеспечения определенной очередности срабатывания (селективности) защиты.

Максимальная защита– это защита от возможных повреждений, вызываемых превышением тока, напряжения, мощности установленных значений.

Максимальная защита по току может защищать от КЗ, тогда это будет защита мгновенного действия и от перегрузок – защита с выдержкой времени от повреждений, вызываемых длительным превышением током его допустимого по нагреву значения, а также грузовая защита, при которой при превышении током его установленного значения электроэнергетическая система не отключается, а переводится в режим работы, для нее безопасный.

Минимальная защита– это защита от возможных повреждений, вызываемых снижением тока, напряжения, мощности до значений меньше установленных.

Минимальная защита по напряжению имеет разновидность, которая называется нулевой защитой, то есть защитой от повреждений, вызываемых значительным снижением (без указания точного значения) или полным исчезновением напряжения.

Защита от обратного тока при постоянной или обратной мощности при переменном токе служит для защиты генераторов от перехода их в двигательный режим работы.

Плавкий предохранитель – простейший из апаратуры защиты от КЗ, представляющий собой коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренной для этого плавкой вставки под действием тока, превышающего установленное значение. Для нагрева вставки и ее расплавления требуются определенный ток и время. Естественно, чем больше ток, тем меньше время, при каком-то значении тока вставка вообще не будет плавиться. Обычно этот ток больше номинального в 1,3 раза, поэтому плавкий предохранитель нельзя считать средством защиты от перегрузки.

Конструктивно плавкие предохранители выполняются главным образом с закрытым патроном – трубчатым или пробочным (рис. 94).

Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки. Ток, на который рассчитаны токоведущие и контактные части предохранителя (патрона, контактных стоек и т. д.), называют номинальным током предохранителя. Эти токи могут отличаться, так как в корпусе одного и того же предохранителя можно использовать плавкие вставки на различные номинальные токи. Однако номинальный ток предохранителя равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок.

Основной характеристикой предохранителя является зависимость времени плавления вставки от протекающего через него тока – защитная характеристика. При токах, близких к току, при котором расплавляется плавкая вставка, температура вставки может достигнуть больших значений (медь – 1083°С). В связи с этим принимают различные меры к снижению температуры плавкой вставки. Вот почему, в частности, применение самодельных плавких вставок недопустимо.

Рис. 94. Плавкие предохранители

Для судовых электрических установок рекомендуются пробочные предохранители серии ПД,имеющие плавкую вставку из серебряных проволок с одной контрольной проволокой из константана. Вставка помещается в фарфоровом патроне 3, заполненном кварцевым песком. Патрон с помощью головки 2 зажимается в корпусе 1 с выводами 5 и 4.

Трубчатые предохранители состоят из трубчатого патрона 1 с плавкой вставкой 3 внутри и контактных стоек 2. Патрон может быть с наполнителем, как у предохранителей серии ПН2, или без него, как у предохранителей серии ПР2.

Реле защиты по принципу действия могут быть электротепловыми, электромагнитными, электродинамическими и индукционными.

Электротепловое реле (рис. 95) – это аппарат защиты, работа которого основана на использовании выделенной теплоты при прохождении электрического тока. Тепловая энергия, выделившаяся в нагревательном элементе 5, нагревает биметаллическую пластину 6,составленную из двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При этом пластина изгибается, передавая свое пе-

ремещение через регулировочный винт 7 защелке 8,которая при какой-то температуре нагревания пластины освободит рычаг 1. Последний под действием пружины 2 повернется против часовой стрелки и разомкнет контакты 4. Для возврата реле в исходное положение после остывания пластины 6 служит кнопка 3, которая поворачивает рычаг 1 по часовой стрелке, и в этом положении он снова будет удерживаться защелкой 8.

Рис. 95. Схема электротеплового реле

К недостаткам электротепловых реле следует отнести зависимость их характеристик от температуры окружающей среды и трудности согласования их кривых нагревания с кривыми нагревания защищаемых устройств. Поэтому электротепловые реле не применяют для защиты от перегрузки устройств, работающих в повторно-кратковременных и перемежающихся режимах.

Электромагнитные реле защиты – измерительные реле – используются как реле максимального и минимального токов или напряжения; могут быть мгновенного действия или с выдержкой времени, с самовозвратом и без него.

В электромагнитном реле минимального напряжения переменного тока серии ЭРЭ2-100 (рис. 96) все узлы смонтированы на изоляционной плате. Магнитная система шихтованная, состоит из П-образного сердечника и якоря. Для фиксации якоря в отключенном положении служит винт 3, для регулирования напряжения отпадания – винт 2 и указатель уставки 1. Реле имеет один замыкающий контакт.

Электродинамические реле защиты – это измерительные реле, принцип действия которых основан на взаимодействии двух токов, в них для усиления этого взаимодействия использованы ферромагнитные магнитопроводы. Примером реле этого типа может служить реле направления тока (рис. 97), которое имеет две магнитные системы с расположенными на них обмотками: неподвижной 4 –токовой, подвижной 3 – напряжения. Контактное устройство 1, связанное с подвижной магнитной системой с помощью специальной пружины 2, находится в одном из крайних положений, в результате чего контакт реле разомкнут.

Рис. 96. Электромагнитное реле серии ЭРЭ2-10

Если имеются токи в обеих обмотках, то в результате их взаимодействия создается вращающий момент по значению, пропорциональному произведению токов, и по направлению, зависящему от их направления в обмотках. При изменении направления тока в одной из обмоток направление вращающего момента изменится на противоположное.

Для использования реле этого типа в качестве реле обратного тока обмотка напряжения выключается на выводы генератора параллельно, а токовая обмотка – в силовую цепь генератора последовательно. При правильном включении реле и нормальной работе генератора вращающий момент, создаваемый в реле, направлен в ту же сторону, что и момент, создаваемый пружиной. В этом случае контактное устройство остается в первоначальном положении.

При переходе генератора в двигательный режим изменится направление тока, в том числе и в токовой обмотке реле, изменится знак вращающего момента пружины, контактное устройство повернется и перейдет в другое крайнее положение. При этом замыкающий контакт реле замкнется и получит питание катушка независимого расцепителя автоматического выключателя, который и отключит генератор от шин главного распределительного щита.

Реле обратного тока серии ДТ выпускаются с обмоткой напряжения, рассчитанной на номинальное напряжение 48 и 110 В. При напряжении 220 В последовательно с обмоткой включается добавочный резистор. Номинальный ток реле составляет 6–1600 А.

Индукционные реле защиты – это измерительные реле, используемые в цепях переменного тока как реле максимального тока, максимальной мощности и реле обратной мощности. Принцип действия реле этой системы основан на взаимодействии переменных магнитных полей неподвижных обмоток с токами, индуцированными этими полями в подвижном элементе.

Например, реле обратной мощности серии ИМ-149 (рис. 98) применяется в судовых электроэнергетических установках переменного тока при параллельной работе синхронных генераторов и служит для защиты генераторов от перехода в двигательный режим работы.

Магнитная система этого реле состоит из двух электромагнитов – верхнего 4 и нижнего 6. На верхнем электромагните расположена токовая обмотка, которая питается через трансформатор тока от одной фазы генератора, на нижнем – обмотка напряжения, состоящая из двух последовательно соединенных секций и подключенная на линейное напряжение генератора между двумя другими фазами. При таком включении обмоток магнитные потоки электромагнитов сдвинуты между

Рис. 98. Индукционное реле обратной мощности серии ИМ-149

собой по фазе на угол (где φ – угол сдвига фаз между током и фазным напряжением генератора). При выполнении этого условия значение вращающего момента будет пропорционально мощности генератора, а его направление – определяется тем, в каком режиме работает генератор (в режиме генератора или двигателя).

Подвижная система реле выполнена в виде алюминиевого диска 5. На оси диска расположена шестерня 1, связанная с другой шестерней, на которой установлен подвижной контакт 3 реле. На оси шестерни подвижного контакта закреплена спиральная пружина 2,создающая противодействующий момент. В нормальном режиме противодействующая пружина удерживает подвижную систему в крайнем положении на упоре. При некоторой обратной мощности, на которую реле настроено, под действием вращающего момента диск повернется и с выдержкой времени, обеспечиваемой постоянными магнитами 7, замкнет контакты. Контакт реле, замкнувшись, подает питание на катушку независимого расцепителя автоматического выключателя. Автоматический выключатель отключает генератор от шин, обесточивая тем самым цепь токовой катушки реле. Вращающий момент станет равным нулю, и под действием пружины реле вернется в исходное положение.

Реле перегрузки серии ИМ-145 предназначено для защиты судовых синхронных генераторов от перегрузки. Принцип действия этого реле и его устройство подобны реле ИМ-149.

На основании изложенного выше общее представление о защите СЭЭС дает классификация (см. ниже). Объектами защиты являются сеть, генераторы и приемники электроэнергии [15, 24].

Рис. 99. Виды защит объектов СЭЭС

Применяемые виды защиты: 1 – от токов к. з.; 2 – от перегрузок; 3 – от токов к. з. и перегрузок участков судовой сети; 4 – от обрыва фазы и снижения напряжения источника тока; 5 – от токов к. з. и перегрузок; 6; 7 – от обратных мощностей и тока; 8 – от снижения напряжения; 9 – от токов к. з. в статорной обмотке генератора.

Аппараты защиты: 10 – предохранители; 11 – выключатели автоматические (ВА); 12 – ВА избирательного действия; 13 – устройство защиты от обрыва фазы; 14, 15 – реле обратных мощностей и тока; 16 – ВА, контакторы, реле напряжения; 17 – выключатели гашения поля; 18 – ВА, предохранители; 19 – тепловые токовые реле; 20 – магнитные пускатели и контакторы.

§ 31. Электроизмерительные приборы,