Содержание
Перекидной рубильник – это устройство коммутации цепи, где контакторы управляются удобной длинной ручкой, а сигнал возможно перекидывать между выходами. Присутствует и нейтральное положение, когда электрическое соединение разомкнуто. При помощи перекидных рубильников возможно изменять направление вращения вала трёхфазного двигателя.
Общее описание
Перекидной рубильник изобрели в 80-х годах XIX века. Даже приводятся номера экспонатов из музея Принстона.
Перекидные рубильники часто называют переключателями. Так называют любой рубильник, имеющий более двух положений. Известны два глобальных типа: с защитным кожухом и без. В мультфильмах и старых кинолентах обычно используют последние. У большинства рубильников контакты ножевые (см. рисунок). Этим обеспечивается надёжное электрическое соединение при сравнительной долговечности конструкции. Ножевые контакторы весьма популярны в силовых цепях. К примеру, схожая конструкция применяется в пакетных выключателях:
- Для замыкания цепи медные ножи входят между пружинящими контактами, плотно обхватывающими центральный проводник.
- Расстыковка происходит с частичным усилием, что устраняет опасность случайного переключения. Одновременно контакт делается надёжным.
- Медные ножи поворачиваются на единой оси.
- Проводка присоединяется болтами к пружинящим контактам.
Из истории
Самый первый перекидной рубильник
Патент Филипа Ланже под номером US434151 A считается первым примером рубильника. Тем более, перекидного. Работая на фирму Вестенгауза, изобретатель знал о двигателях Теслы, по первому впечатлению представленная новинка призвана коммутировать две фазы переменного тока. В действительности смысл переключателя в реверсе вала коллекторного двигателя. Род тока большого значения не имеется. Как видно из рисунка, это простая конструкция.
Ножи и контакты обнаруживают причудливую форму, позволяющую фиксировать крайние положения рычага. Патент, опубликованный 12 августа 1890 года, один из первых перекидных рубильников в истории. По непроверенным данным этот вид устройств появился в 80-е годы XIX века.
Самой примечательной частью рубильника Филипа Ланже считаются контакты, скошенные по углу положения рукоятки. Это сделано, чтобы одновременно достичь пластин. Лучше, чтобы по ходу движения нож первоначально врезался в полюс под током. Хотя изобретатель пытался повысить сопротивление дуге, разбив на две части. Наработка не стала плодом измышлений, а добыта на практике упорным трудом и многочисленными опытами.
Ранние пташки
Патент на перекидной рубильник опубликован через полгода после подачи заявки. Чарльз Перкинс изобрёл нечто, стоящее внимания. Комиссия быстро пропустила патент за номером US650416 A, заявленный 17 января 1900 года. Чарльз постулирует собственные идеи:
- Возможность коммутации цепей посредством перекидной ручки.
- Зажимные металлические контакты из единой полосы металла.
- Конструкцию, где на обоих концах стоит по паре контактов для коммутации цепи.
Вслед первой пташке Уильям Боссерт публикует конструкцию подпружиненного перекидного рубильника. Рычаг и нож больше не составляют единое целое. Оператор, переключая, отводит рукоятку, одновременно взводя пружину. В конкретный момент защёлка соскакивает, нож резким щелчком перекидываются на другую пару контактов. Присутствует замок, надёжно фиксирующий новое состояние устройства. Сводится к минимуму возможность образования дуги, что резко повышает рабочий ток. Вильям Боссерт заявил патент 10 декабря 1901 года.
Конструкция контакта замысловата. Он состоит из двух идентичных плеч, раскладывающихся подобно перочинному ножику. В работе всегда единственная половинка, вторая находится внутри ручки. Проворачиваться не дают упоры полого рычага. Пружина взводится между двумя половинками, плечо летит вслед ручке, проворачиваемой оператором. Подобные конструкции недавно встречались в промышленности.
Перекидной рубильник Берда Грейбилла совсем простой и подойдёт скорее для школьной лаборатории, нежели как коммутатор большого тока. Контакты ничто не удерживает, кроме веса ручки и спиральной пружины, поставленной в центральной стойке. Патент US803895 A 1905 года представляет натуральную мышеловку с сыром. Отличие – взвод удерживается защёлками на контактной группе – маленькими бугорками меди, входящими в пазы цилиндра, раздвигаемого дополнительной пружиной.
Одной из первых конструкций считают изделие, представленное в патенте US989362 A. Опубликованный в 1911 году, документ содержит изображения перекидного рубильника на два полюса (фаза и нейтраль либо две фазы). Орин Хоефт заявляет, что изобрёл нечто новое и полезное, чтобы убедить комиссию в состоятельности собственной затеи. Рисунок из патента представлен на скрине:
- Все устройство монтируется на изолирующем основании. По внешнему виду напоминает мышеловку.
- На основании смонтировано три пары пружинных контактов. В средней крепится ось поворотных ножей, снабжённых ручкой.
- В отличие от современных перекидных рубильников на ножах всегда присутствует напряжение, здесь расположена входная цепь.
- Две пары контакторов по краям подают напряжение на выход.
Автор утверждает, что перекидной рубильник пригодится человечеству, и оказывается на сто процентов прав. На первый взгляд конструкция с изъяном: ножи не связаны друг с другом. На соседнем рисунке приводится изображение скрепляющей планки, устраняющей дефект напрочь. Итак, в 1911 году на свет появился первый перекидной рубильник.
8 ноября 1949 года опубликован патент US2487545 A, где один крайний терминал заменён предохранителем. Это прообраз современного автомата защиты, где вместо ручного рубильника стоит биметаллическое реле. На рисунке представлена прежняя мышеловка, но чётко просматриваются предохранители. В отключённом положении рукоятка ложится на них, цепь размыкается. Изменение – поворотная ось дальше отстоит от основания. Предохранитель с обеих сторон снабжён плоскими медными ножами, вставляющимися в зажимные контакты осевого и терминального блоков.
Изощрённый XX век
Гораздо дальше пошёл Франк Фикс, чей патент за номером US1470717 A рассматривался целых четыре года: с 25 сентября 1919 по 16 октября 1923. Налицо удивительный и неповторимый – первый безопасный перекидной рубильник. Высокие напряжения активно использовались в науке и технике. 20-е годы – период, когда активно развивались электронные лампы. И десятью киловольтами уже никого не удивить. Переключать такую штуку рукой не лучшая затея – возникнет дуга.
Суть идеи: однополюсный перекидной рубильник запрятан глубоко внутрь кожуха, а привод из колен и шестерёнок. При переводе управляющей рукоятки (на рисунке – справа) между крайними упорами контактор переводит напряжение. Один вывод, как в предыдущем случае, заведён на ось. Безусловным минусом схемы считается отсутствие взводной пружины, ускоряющей движение ножа. Дуга внутри кожуха при высоких напряжениях поистине впечатляющая.
Если брать современные конструкции пакетных выключателей, в них размеры камеры ограничены, а объем воздуха зажат плотно стенками. При розжиге дуги из фибровой щёчки выталкиваются разогретые газы, повышая давление и гася пламя. Как легко увидеть, однополюсный безопасный перекидной рубильник не рассчитан на большие токи или высокие напряжения. Хотя в патенте говорится, что кожух защитит оператора. Человек при удачном раскладе не пострадает, но медные контакты получат хорошую взбучку, когда напряжение переключится между цепями.
Примечательно, что Франк Фикс работал в Вестингауз Электрик, заведомо имел дело с переменным током (Вестингауз объединился с Николой Теслой – отцом многофазных двигателей – до начала XX века). Исходя из конструкции, заявленной патентом US1470717, это предположительно приспособление для цепей освещения. Используется в период, когда нагрузка бездействует. Тогда потребляемый ток равен нулю, переключение выполняется без труда.
Подобный переключатель подойдёт для задействования резервной цепи, пока основная проходит ремонт. Конструкция могла использоваться в открытом помещении, что предполагает расчёт на частных домовладельцев. Сегодня в защитном кожухе встречаются перекидные рубильники для установки на крылечко задней двери – чтобы не смущать домашних. Выводы сделаны по простой причине: на момент начала XX века промышленные двигатели были двухфазными или трёхфазными. Полюс на рисунке у рубильника единственный. Следовательно, это бытовой прибор (к примеру, нагреватель) или освещение.
Первый зачехлённый перекидной рубильник, похожий на нынешние модели, видимо, придумал Герман Хаммерли. Довольно замысловатая конструкция разрывает контакт сразу в двух местах, что облегчает тушение дуги. Пружина фиксирует рычаг в двух положениях, прочно удерживая механизм от самовольства. Патент US1799625 A опубликован 7 апреля 1931 года. Корпус плотно прикрывается крышкой, поворотная ручка выведена вбок. Перекидной рубильник на три фазы явно предназначен для промышленности – в наличии три полюса. При помощи устройства, вероятно, планировалось изменять скорость вращения вала двигателя.
Как перекидной рубильник реверсирует двигатель
Реверс коллекторного двигателя осуществляется изменением направления включения обмоток. Достаточно обеспечить ток на роторе противоположный, чтобы добиться нужного результата. Сложнее с асинхронными машинами. Здесь нужно заново скоммутировать фазы, чтобы магнитное поле вращалось в противоположном направлении. Если до переключения последовательность – А, В, С, после – А, С, В. Известно множество других вариантов.
Отличительной особенностью двигателей считается большое потребление на старте. В особенности, это касается асинхронных. Рубильник непременно подпружинен либо обязан обнаруживать средства для гашения дуги.
Любое изделие характеризуется предельным значением пропускаемого тока, переступать через которое не нужно. Но дуга обычно провоцирует бурные процессы в электрической цепи. На асинхронных двигателях, потребляющих 20 А по каждой фазе, уже велик риск искрения на контакторах. Для коммутации рационально использовать электромагнитные реле. Тут усилие намного выше, в частности, замок системы домофона выдерживает от 200 и выше кг на разрыв. Проще сломать крепление, нежели открыть дверь.
Учитывая сказанное, рубильник нерационально использовать для коммутации больших токов. И лучше в последнем случае прикупить реле с хорошим контактором.