Электромагнитный пускатель

Электромагнитный пускатель (магнитный пускатель) – автоматическое устройство коммутации обмоток, как правило, асинхронного двигателя. Пускозащитное реле холодильника можно без всякой натяжки отнести к этому классу устройств.

Необходимость применения

К 60-му году XX века 40% электроэнергии в стране потреблялось асинхронным двигателями. В свою очередь этот класс устройств рассчитан так, что нужна в период эксплуатации регулировка. Это и сопротивления в цепях короткозамкнутого ротора (реостаты), и пусковые обмотки однофазных моторов, и реверс, и многое другое. В результате использование принципа индукции, открытого Араго и Фуко, было бы затруднительным без средств автоматизации.

Нет поэтому ничего удивительного в том, что объем производства электромагнитных пускателей весьма велик. За удачно подобранный материал следует поблагодарить Ермолаева Н.Н. и группу людей, задумавших выпустить серию Библиотека электромонтёра. Качественное изложение материала наверняка будет по достоинству оценено.

Краткая классификация и маркировка

Ввиду существующего разнообразия можно приводить множество критерием для деления на группы, поэтому будет разумным лишь указать лишь самые общие среди них:

  1. По функциональности: реверсивные и нереверсивные.
  2. Номинальное напряжение внутренних агрегатов.
  3. По мощности подключаемой нагрузки.
  4. По корпусному исполнению: открытые и закрытые.
  5. По числу полюсов, контактов, дополнительных узлов блок-контактов.

Маркировка электромагнитных пускателей весьма типична:

  1. Фирменный знак, либо наименование производителя.
  2. Тип.
  3. Рабочий вольтаж защищаемого оборудования.
  4. Потребляемый ток защищаемого оборудования.
  5. Категория применения.
  6. Электрические параметры внутренней цепи управления (реле).
  7. Защита корпуса по IP, за исключением её полного отсутствия (IP00). Масса для устройств, весящих более 10 кг. Допускается этот пункт указывать в документации и не наносить на корпус.
  8. Дата производства.
  9. ГОСТ или ТУ, в соответствии с которыми изготовлен электромагнитный пускатель. Допускается этот пункт не указывать на корпусе, а поместить в документацию.

Отдельно маркируется электромагнитная катушка реле пускателя. Здесь дублируются сведения о токе, напряжении, частоте питания, чтобы облегчить ремонт оборудования и его частичную замену. Диаметр провода, марка и число витков необходимы намотчику для полной и правильной реконструкции индуктивности. Если катушка слишком мала, то маркировка включает только электрические параметры. Потому что прочее опытный намотчик способен определить самостоятельно.

Устройство

Электромагнитный пускатель должен полностью соответствовать тому двигателю, в паре с которым он будет работать. Составными частями оборудования являются контактор и пусковое реле. Иногда в состав может добавляться тепловая защита на основе биметаллических пластин. Контактор является исполнительной частью и представляет собой электромагнитное реле. Различают открытое (бескорпусное) и закрытое (корпусное) исполнения пускателя. Некоторые изделия по условиям применения заключаются во взрывобезопасные оболочки.

Неподвижная часть образована обмоткой. Подвижный якорь из ферромагнитного сплава служит непосредственно для замыкания контактов. С первого взгляда конструкция кажется ущербной, но если вспомнить, что сэр Джозеф Генри в 1831 году поднимал почти тонну со своим электромагнитом, питая его от вольтова столба, то можно лишь представить себе, с какой скоростью может работать подобная конструкция. Ещё с тех пор, как упомянутый учёный 1837 годом обсуждал свою новинку с Витстоном мало что изменилось:

  1. Якорь может быть прямоходовым (Генри).
  2. Якорь может быть поворотным (Витстон, Шиллинг, Ампер).

Подвижные контакты обычно снабжаются пружинным механизмом, ускоряющим срабатывание, поэтому связь их с якорем не всегда жёсткая. В дополнение ко всему конструкция может содержать замок-защёлку. Реле бывают как нормально замкнутыми, так и нормально разомкнутыми. Пускали чаще всего относятся к последнему семейству электромеханических устройств.

Часть магнитных пускателей управляется дистанционно, то есть является автоматизированными, иные и вовсе содержат элементы управления на своём корпусе. Часто управляющие сигналы передаются через промежуточные реле. Итак, контактор является исполнительным устройством, в обязательном порядке включаемым в состав рассматриваемого оборудования.

Тепловое реле в некоторых случаях может отсутствовать. Его назначение в отключении нагрузки, если потребляемый ток слишком велик. Биметаллическая пластина каким-либо образом влияет на общее пропускание устройством носителей заряда. Само по себе контактором оно обычно не управляет, а имеет собственную цепь, включённую последовательно. В этом имеется глубокий смысл: двигатель включается часто, а защита срабатывает редко. Поэтому требования к размыкателям цепи совершенно разные. И даже если биметаллическое реле заискрит, то это случается редко и большой роли не играет.

В частности, чувствительная пластина одним концом может быть вообще приварена к токонесущей части цепи, образуя вечное фактически соединение. Материалы для пускателей берутся достаточно унифицированные:

  • Железно-никелевый сплав (от 36 о 40% содержания никеля) имеет низкий коэффициент температурного расширения.
  • Второй элемент может быть как сплавом, так и чистым металлом: латуни, медь, сталь и пр.

Биметалл может как служить цепью работы двигателя непосредственно, так и подогреваться специальной спиралью, куда ответвляется часть тока. Главное, чтобы правильно были рассчитаны тепловые режимы. В том и другом случае используется закон Джоуля-Ленца, описывающий нагрев проводников под действием протекающего в них электрического тока. Сопротивлением же служит либо биметаллическая пластина непосредственно (прямой подогрев), либо металл спиралевидного нагревателя (косвенный нагрев). При достижении температурой некоего порога происходит щелчком срабатывание защиты. Биметаллическая пластина изгибается и рвёт контакт.

Встречаются реле, где нагрев смешанный. То есть используются одновременно оба способа контроля температуры. Контакт защиты иногда тоже бывает усилен пружиной для подавления искрения и горения дуги. Тепловое реле обычно контролирует только две фазы из трёх в цепях с напряжением 380 В. Пусковое реле тоже может иметь лишь две пары контактов.

Реверс

Из сказанного выше следует, что далеко не каждый электромагнитный пускатель обеспечивает реверс. Изменение направления вращения вала осуществляется добавлением ещё одного контактора в устройство. Фактически производится коммутация фаз для изменения направления вращения магнитного поля внутри статора. Специальная механическая блокировка исключает одновременное включение контакторов, что немедленно привело бы в сетях 380 В к линейному (межфазному) короткому замыканию. И все же не нужно на пульте одновременно нажимать кнопки «вперёд» и «назад».

Реверсионный пускатель

Реверсионный пускатель

Иногда блокировка выполняется электрически. Для этого один из контакторов запитывается через дополнительные, нормально замкнутые контакты другого.

Технические характеристики

  1. Износоустойчивость в первую очередь определяется механической стойкостью контактов. Если посмотреть характеристики любого электромагнитного реле, то легко заметить, что срок эксплуатации даётся двух типов. Действительно, второй характеристикой служит электрическая износоустойчивость характеризует успешность противостояния устройства горящей дуге.
  2. Коммутационная способность определяет, какой максимальный ток может выключить или включить реле, чтобы не нарушились заявленные характеристики по износоустойчивости. Проще говоря, большинство людей может поднять на бицепс 8 кг 10 раз. Превышение над восемью килограммами будет выходом за пределы коммутационной способности, если 10 повторений выполнить не удаётся.
  3. Чёткость срабатывания показывает, насколько плавно движутся контакты. Если ход замирает в какой-либо точке, образовавшаяся дуга может сварить группу, прибор мгновенно придёт в негодность. Плавность хода прямо влияет на электрическую износоустойчивость и косвенно на механическую. Зависит от неё и коммутационная способность. Поэтому именно эта характеристика является одной из базовых, определяющих прочие параметры электромагнитного пускателя.
  4. Потребляемая мощность расходуется на переключение и работу теплового реле.
  5. Параметры тепловой защиты оберегают обмотки двигателя от эксплуатации в напряжённых температурных режимах. Эта мера призвана продлить жизнь оборудования и не допустить его выхода из строя от перегрева.
Читайте также:  Фазное напряжение

Износоустойчивость

Частота включений и отключений может достигать сотен и тысяч операций в час (максимальная скорость также является важной характеристикой). Поэтому срок эксплуатации иногда заменяется числом срабатываний. Износоустойчивость важна по той причине, что ремонт или замена деталей в процессе эксплуатации практически невозможны. Обычно она составляет единицы миллионов циклов. Но электрическая износоустойчивость обычно на порядок (или хотя бы в 5 раз) ниже механической.

Хорошим считается электромагнитный пускатель, выдерживающий хотя бы 10 млн. срабатываний. Цифра выбирается наименьшей из двух приведённых в характеристиках. При необходимости уточняется возможность замены электрических контактов. Большинство современных (на 2016 год) изделий удовлетворяют этому требованию. Сказанное также свидетельствует о том, что важнее в пускателе погасить дугу, нежели улучшить механическую часть, которая и без этого уже редко служит причиной выхода всего изделия из строя.

Для ориентации на срок действия изделия литература (Ермолаев Н.Н. Магнитные пускатели переменного тока) приводит такой расчёт:

«Устройство с 10 млн. рабочих циклов продержится 5 лет в следующих условиях:

  • Две полные рабочие смены – 16 часов в день;
  • 300 переключений в час: средний режим напряжённости».

На рынке продаются устройства с лимитом в 2 млн., следовательно, можно оценить ориентировочно по приведённому расчёту, подходит ли выбор имеющимся условиям. На долговечность механической части влияют:

  1. Якорь магнитной системы изнашивается, пакет распушается, разрываются заклёпки, рвутся короткозамкнутые витки.
  2. Трущиеся поверхности подвергаются повышенному риску.

На электрическую износостойкость влияют условия горения дуги. Как было указано выше, эта значительно уступает механической, поэтому часто предусматривается возможность замены контактов. Электрическая износоустойчивость зависит от напряжения в сети и типа нагрузки, поскольку это влияет на условия возникновения дуги. Асинхронные двигатели потребляют очень большой ток при пуске. Дуга растёт с увеличением мощности. Исследования показали, что износ контактов пропорционален квадрату величины электрического тока, вот почему режим включения считается самым напряжённым.

В итоге разница ущерба при пуске до 3-4 раз превышает урон при останове двигателя. Особенно пагубным считается режим подпрыгивания, когда контактор совершает несколько затухающих по амплитуде скачков в результате удара. Ситуация тем сложнее, чем выше масса подвижной части, больше скорость движения и меньше сила прижатия.

Дуга при отключении двигателя гаснет в момент перехода напряжения через нуль. Обычно это наступает достаточно быстро, потому что при частоте сети 50 Гц такая ситуация возникает 100 раз в секунду. Поэтому процесс останова мало влияет в конечном итоге на результат мероприятий по защите реле и не требует каких-либо отдельных и специальных мер. Хорошей электрической прочность обладают контакты из серебра. А ещё точнее, дело выглядит следующим образом:

  1. Контакты из серебра хорошо держат сравнительно малый переменный ток.
  2. Металлокерамические контакты (композиция оксидов и серебра) прекрасно работает с высокими токами.

Коммутационная способность

По требованиям нормативных актов пускатель должен выдерживать токи, указанные в таблице 6 ГОСТ 12434-83. Согласно категории пускателя отношение коммутируемого максимального тока к рабочему может быть разное и обычно составляет не менее 6. В общем случае этот термин может трактоваться, например, как способность переключить ток, в 7 раз превышающий рабочий, 50 раз подряд и после этого остаться в работоспособном состоянии. Напряжение предполагается номинальным, а косинус угла сдвига фаз (см. Реактивная мощность) равным 0,3.

На коммутационную способность прямо влияет конструкция дугогасительной камеры и вообще – любые меры, предпринятые в том же направлении. Некоторое влияние оказывает форма контактов. Коммутационная способность тесно связана с электрической износоустойчивостью в том плане, что от характера движения контактов зависит как долговечность изделия, так и максимальный коммутируемый ток.

Чёткость срабатывания

На графике, представленном ниже, показаны характеристики движения якоря магнитного пускателя с двумя пружинами: контактной и возвратной. Противодействие показано на графике 1. Это то усилие, которое возникает в той или иной координате движения контактной группы. Это совпадает с усилием возврата прямоходного якоря. Пружины нужны для того, чтобы по возможности быстро разорвать контакт. Чем обеспечивается быстрое и качественное гашение дуги за счёт повышения сопротивления зазора, снижения плотности разницы потенциалов и увеличения длины горения. Предполагается в этом случае, что реле электромагнитного пускателя в нормальном состоянии разомкнуто.

Характеристики движения якоря

Характеристики движения якоря

Прочие линии показывают тяговое усилие электромагнита при прямом (2, 3) и обратном (4, 5) ходе якоря. Хорошо видно, что линии 3 и 4 пересекают график противодействующего усилия. Это значит, что при прямом ходе на замыкание контактов, в некоторых точках силы электромагнита с трудом хватит на преодоление натяжения пружин. Якорь будет двигаться в том числе за счёт инерции. На практике это означает наличие некоторого рывка, изменения скорости, что отрицательно влияет как на чёткость срабатывания, так и на механическую и электрическую износоустойчивости изделия. Кривая прямого хода должна во всех точках быть выше линии противодействия. Это если и не обеспечит постоянной скорости, все же способствует скорейшему переключению, что само по себе уже снижает силу горения дуги.

На обратном пути усилие электромагнита должно быть ниже линии противодействия. Проще говоря, ток из катушки должен исчезнуть любым путём раньше, нежели начнётся обратный ход под действием пружин. Если этого не произойдёт, контактная группа застрянет на возвратном ходе. Это не будет длиться долго по человеческим меркам – быть может доли секунды – но сварочный аппарат тоже быстро создаёт шов. То есть, дуга за это время обожжёт контактную группу, уменьшая электрическую износоустойчивость и приводя реле электромагнитного пускателя в негодность. Обмотка должна быть сконструирована так, чтобы ток так успевал ослабнуть, а кривая возврата в каждой точке была ниже линии противодействия.

Итак, чёткость срабатывания выше у магнитного пускателя с характеристиками 2 и 5. Производители стандартов высчитали, что с учётом допусков на напряжение питания (ГОСТ 13109), составляющих 10% в обе стороны, магнитные пускатели должны чётко срабатывать:

  1. На прямой ход при напряжении не выше 80-85% от номинала.
  2. На обратный ход при напряжении не более 40-50% от номинала.

Параметры тепловой защиты

Конструкция и общие принципы действия секции тепловой защиты проиллюстрированы на рисунке. В основе лежит биметаллическая пластина, также показана подогревающая нихромовая спираль. Пружинный механизм может и отсутствовать, если ток проходит непосредственно по чувствительной части. Активным, как правило, является только один из металлов, расширяющийся при нагреве. Кнопка возврата далеко не всегда включена в конструкцию: так, пускозащитные реле холодильников не требуют постоянного слежения (очевидный факт).

Читайте также:  Энергосберегающая лампа

Номинальный ток пускателя не является порогом срабатывания биметаллического охранного механизма. В своих видео А. Земсков тщательно обсуждает свойства автоматов защиты электрической сети квартиры. Принцип их действия тот же, что и у магнитных пускателей, составные части идентичны в этом плане. Из таблиц хорошо видно, что имеется несколько классов автоматов, у каждого из которых характеристики специфичны, но наблюдается и одна общая черта (Алексей специально акцентировал её анимированными красными стрелками):

  • Превышение тока на 13% вызывает срабатывание тепловой защиты более, нежели через час появления опасной ситуации.
  • Превышение тока на 45% вызывает срабатывание тепловой защиты менее, чем за час с момента возникновения опасной ситуации.

Ссылка на видео здесь приведена не зря. А. Земсков прямо говорит, что автоматы серий D и, в меньшей степени, K не годятся для дома. Но для чего они тогда? Алексей обронил фразу о мощных асинхронных двигателях. Таким образом, бытовые автоматы защиты серий D и в меньшей степени K можно считать магнитными пускателями. Собственно, в первом приближении это они и есть, но лишённые пульта управления, возможности реверса и некоторых других качеств. Впрочем, выше оговорено, что комплектация изделий может быть разной, но от этого магнитный пускатель не перестаёт быть тем, чем по сути является.

Тепловые реле (см. выше) срабатывают за счёт изгибания биметаллической пластины от излишнего нагрева. Процесс подчиняется закону Джоуля-Ленца и протекает с постепенным накоплением тепла. Конструкция инженерами рассчитывается так, чтобы выполнились условия срабатывания. Как было указано выше, методов подогрева три, но все они приводят к одному и тому же результату – изгибанию биметаллической пластины. Инженер просто выбирает ту схему, которая больше уместна для данной ситуации.

В основу защитных качеств положено недопущение работы обмоток двигателя в опасных режимах. Не каждым осознается вся важность это проблемы. Между тем обычное повышение температуры вызывает ударное старение изоляции жил, что снижает срок эксплуатации оборудования. Вторым критичным моментом являются температурные деформации обмоток. В результате чего силы трения вызывают механическое разрушение проволоки, порчу изоляции. Для ферромагнитных сплавов тоже ничего хорошего в постоянном расширении и сжатии нет, потому что накапливается усталость.

Таблица из книги Ермолаева Н.Н., быть может, и несколько устарела, но вполне показывает очевидность указанных доводов, осознанную ещё 50 лет назад. Данные приведены из условия, что электродвигатель будет эксплуатироваться не менее 10000 часов. Уже тогда было известно, что время достижения опасного состояния разнится от тока, конструкции двигателя и некоторых других факторов. Вот чем промышленные пускатели отличаются от бытовых автоматов защиты, обсуждаемых А. Земсковым: процентные превышения над рабочим значением для одного и того же времени срабатывания могут быть разными в зависимости от типа защищаемого оборудования. По причине такой критичности классов автоматов порядка 7, тогда пускозащитное реле двигателя холодильника, как правило, работает с одним-двумя типами компрессора.

Для оценки адекватности защиты строят графики перегрузочной характеристики двигателя. Линия тепловой защиты в идеале должна совпадать с этой простенькой кривой. Этим обеспечиваются одновременно сохранность оборудования и максимально напряжённый режим работы. То есть с одной стороны не возникнет необходимость в ремонте, а с другой – промышленник может гонять свои станки хоть в три смены. Главное – не выйти за защитную кривую.

Построение графика

Построение графика

Поскольку идеал недостижим, то реально график реле должен лежать ниже характеристической линии двигателя. Потому что выше неё находятся потенциально опасные режимы, приводящие к последствиям, указанным выше. Кроме того, повышенный ток наблюдается при заклинивании вала, что уже само по себе является потенциально опасной ситуацией. Что касается регулирования скорости, то эти пускатели не занимаются. Но есть другие электрические схемы, выполняющие контроль. Поэтому априорно потребляемый ток не может быть постоянным и иногда превышает номинал. Главное, чтобы по продолжительности это событие не превышало интервал, ограниченный графиком.

Потребляемая мощность

Реле при работе потребляет мощность. Во-первых, постоянно греется тепловое реле. Вне зависимости от того, стоит ли нихромовая спираль или ток проходит по биметаллической пластине. Специалистами было подсчитано, что при постоянных темпах роста промышленного потребления на долю пускателей будут выпадать многие миллионы кВт-часов энергии. Разумеется, России это пока что не грозит, но в развитых странах при существующих требованиях экономии пускатели будут постоянно совершенствоваться.

Проблема здесь озвучивается следующим образом. С одной стороны хорошо бы пускатель заключить в изолирующую внешнюю оболочку. Это сэкономило бы энергию и позволило бы сделать нихромовую спираль тоньше (но длиннее) и потреблять меньше энергии. Но оказывается, рассчитать в этом случае сопротивления теплопередаче корпуса не под силу современной науке. Результат работы становится непредсказуем. А когда биметаллическая пластина находится в заведомо оговорённых условиях цеха (там же, где и охраняемый двигатель), срабатывание в нужный момент гарантировано.

Получается, что нихромовая спираль греет и рабочих, и помещение, а иногда и улицу. Что не может считаться положительным эффектом. С другой стороны расчёт тепловых режимов для корпуса весьма затруднителен. Возможно, в будущем ситуацию исправят микропроцессорным управлением. Как результат, ныне оболочка пускателя может быть значительно более объёмной, нежели того требуют размеры устройства сами по себе. Это является платой за предсказуемость теплового режима реле и ведёт к дополнительным неудобствам и тратам.

Доходит до того, что пускатель требуют размещать в помещении со строго ограниченными климатическими условиями. Так, чтобы температура внутри была стабилизированной (например, 35 градусов Цельсия). Сказанное выше касается теплового реле, но основную часть энергии потребляет электромагнитное (до 60%):

  1. Выделение тепла на омическом сопротивлении катушки.
  2. Потери на короткозамкнутых витках, назначением которых является смягчение вибрации системы контактов при переключении (за счёт наведённой индукции).
  3. Потери в якоре подобные тем, которыми страдают сердечники трансформаторов. Это вихревые токи и перемагничивание.

Последняя проблема частично устраняется изготовлением якоря из электротехнической стали, но шихтовать его не всегда будет лучшей затеей. Изоляционный лак может не выдержать ударной нагрузки и расколоться. Тем более что контакты собираются достаточно сложными пакетами, механическую прочность которых и без того непросто обеспечить. Для примера: пускатель трёхфазной сети с мощностью нагрузки до 28 кВт потребляет порядка 80 Вт. Легко сосчитать, что в процентном отношении это составит 0,3%. Учитывая, что годовое потребление страны (РФ) измеряется миллиардами кВт-часов, цифры получаются порядка миллионов. В переводе на денежное выражение выходит нечто вроде одной жилой многоэтажки ежегодно. Понятно, что такая сумма стоит того, чтобы подумать над тем, как увеличить КПД магнитного пускателя.

Что касается шихтования, то экономически целесообразно применять его для небольших реле со сравнительно слабым электромагнитным полем катушки. Когда удар несильный, либо амортизирован.