Перекидной рубильник

Перекидной рубильник – это устройство коммутации цепи, где контакторы управляются удобной длинной ручкой, а сигнал можно перекидывать с одного выхода на другой. Кроме того, обычно имеется и нейтральное положение, когда электрическое соединение разомкнуто вовсе. При помощи перекидных рубильников можно изменять направление вращения вала трёхфазного двигателя.

Общее описание

По поводу рубильников у русскоязычного домена Википедии рекорд: они набросали текста на целый абзац больше, нежели англичане. Разумеется, ни то ни другое не может сравниться с целостностью и обстоятельностью представленного обзора. Черным по белому написано во многих источниках, что перекидной рубильник изобрели в 80-х годах XIX века. Даже приводятся номера экспонатов из музея Принстона.

Перекидные рубильники часто называют переключателями. Потому что так называют любой рубильник, имеющий более двух положений. Существуют два глобальных типа: с защитным кожухом и без него. 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. Например, схожая конструкция применяется в пакетных выключателях:

  • Для замыкания цепи медные ножи входят между пружинящими контактами, плотно обхватывающими центральный проводник.
  • Расстыковка происходит с некоторым 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 наверняка может считаться одним из первых примеров рубильника. Тем более, перекидного. Работая на фирму Вестенгауза, изобретатель наверняка знал о двигателях Теслы, и по первому впечатлению представленная новинка должна коммутировать две фазы переменного тока. Но на самом деле смысл переключателя в реверсе вала коллекторного двигателя. Род тока большого значения не имеется. Как видно из рисунка, это весьма простая конструкция.

Как бы то ни было, ножи и контакты имеют весьма причудливую форму, позволяющую фиксировать крайние положения рычага. Можно с уверенностью сказать, что патент, опубликованный 12 августа 1890 года, один из первых перекидных рубильников вообще. Потому что по непроверенным данным этот вид устройств и появился в 80-е годы XIX века.

Самой примечательной частью рубильника Филипа Ланже являются контакты, которые скошены по углу положения рукоятки. Это сделано для того, чтобы одновременно достичь пластин. Очевидно, что лучше было бы сделать так, чтобы по ходу движения нож первоначально врезался в полюс под током. Хотя и изобретателя понять можно – он пытался повысить сопротивление дуге, разбив её на две части. Наверняка эта наработка не является плодом измышлений, а добыта на практике упорным трудом и многочисленными опытами.

Ранние пташки

Патент на перекидной рубильник был опубликован буквально через полгода после подачи заявки. Чарльз Перкинс изобрёл нечто действительно стоящее внимания. Поэтому комиссия быстро пропустила патент за номером US650416 A, заявленный 17 января 1900 года. Вот что Чарльз постулирует, как свои 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 некоторый момент защёлка соскакивает, и нож резким щелчком перекидываются на другую пару контактов. Там также имеется замок, который надёжно фиксирует новое состояние устройства. Таким образом, сводится к минимуму возможность образования дуги, что резко повышает рабочий ток. Вильям Боссерт заявил свой патент 10 декабря 1901 года.

Читайте также:  Переменный ток

Конструкция контакта весьма замысловата. Он состоит из двух идентичных плеч, которые раскладываются подобно перочинному ножику. В работе всегда только одна половинка, а вторая находится внутри ручки. Проворачиваться им не дают упоры полого рычага. Пружина взводится именно между двумя половинками, и плечо летит вслед ручке, проворачиваемой оператором. Подобные конструкции не так давно ещё можно было встретить в промышленности.

Перекидной рубильник Берда Грейбилла совсем простой и подойдёт скорее для школьной лаборатории, нежели, как коммутатор большого тока. Дело в том, что контакты ничто не удерживает, кроме веса самой ручки и спиральной пружины поставленной в центральной стойке. Патент US803895 A 1905 года представляет собой натуральную мышеловку с сыром. Отличие в том, что взвод удерживается защёлками на контактной группе – маленькими бугорками меди, входящими в пазы цилиндра, раздвигаемого ещё одной пружиной.

Одной из первых конструкций можно считать изделие, представленное в патенте US989362 A. Опубликованный в 1911 году он 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 своей затеи. Рисунок из патента представлен на скрине, и можно видеть следующее:

  1. Все устройство монтируется на изолирующем основании. По внешнему виду напоминает мышеловку.
  2. На основании смонтировано три пары пружинных контактов. В средней крепится ось поворотных ножей, снабжённых ручкой.
  3. В отличие от современных перекидных рубильников на ножах всегда имеется напряжение, потому что здесь расположена входная цепь.
  4. Две пары контакторов по краям подают напряжение на выход.

Собственно, ничего более полезного текст не содержит. Автор утверждает, что перекидной рубильник ещё пригодится человечеству, и оказывается на сто процентов прав. На первый взгляд может показаться, что конструкция имеет изъян: ножи никак не связаны друг с другом. Но на другом 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 из крайних терминалов заменён предохранителем. По сути, это прообраз современного автомата защиты, где вместо ручного рубильника стоит биметаллическое реле. На рисунке представлена все та же мышеловка, но чётко просматриваются и предохранители. В отключённом положении рукоятка ложится на них, и цепь размыкается. Фактически изменилось лишь то, что 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. Перед нами удивительный и неповторимый – первый безопасный перекидной рубильник. Суть в том, что высокие напряжения активно использовались в науке и технике. 20-е годы – как раз тот период, когда активно развивались электронные лампы. И десятью киловольтами уже никого было не удивить. Переключать такую штуку рукой не является самой лучшей затеей. Потому что возникнет дуга, и вообще это занятие не для пугливых (достаточно посмотреть кино «Назад в будущее», чтобы представить себе, что ждёт незадачливого любителя).

Суть идеи в том, что однополюсный перекидной рубильник запрятан глубоко внутрь кожуха, а привод у него из колен и шестерёнок. При переводе управляющей рукоятки (на рисунке – справа) из одного крайнего упора в другой, контактор также переводит напряжение. Один вывод, как и в предыдущем случае, заведён на ось. Безусловным минусом схемы является то, что нет никакой взводной пружины, которая ускорила бы движение ножа. Поэтому дуга там, внутри кожуха, должна быть при высоких напряжениях поистине впечатляющей.

Читайте также:  Токовая отсечка

Если брать современные конструкции пакетных выключателей, то 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 можно легко увидеть, однополюсный безопасный перекидной рубильник не рассчитан на большие токи или высокие напряжения. Хотя в патенте и говорится, что кожух защитит оператора. Да, человек, может и не пострадать при удачном раскладе, но медные контакты получат хорошую взбучку, когда напряжение будет переключаться из одной цепи в другую.

Примечательно, что Франк Фикс работал в Вестингауз Электрик, то есть заведомо имел дело с переменным током (Вестингауз объединился с Николой Теслой – отцом многофазных двигателей – ещё до начала XX века). Исходя из конструкции, заявленной патентом US1470717, можно предположить, что это приспособление для цепей освещения. И используется оно в тот период, когда нагрузка бездействует. Тогда потребляемый ток равен нулю, и можно осуществить переключение без каких-либо проблем.

Больше всего такой переключатель подошёл бы для задействования резервной цепи, пока основная проходит ремонт. Такая конструкция могла без проблем использоваться в открытом помещении, что предполагает некий расчёт на частных домовладельцев. И сегодня в защитном кожухе можно встретить перекидные рубильники для установки на крылечко задней двери – чтобы не смущать домашних. Такие выводы сделаны по одной простой причине: на момент начала XX века промышленные двигатели были двухфазными или трёхфазными. Полюс же на рисунке у рубильника только лишь один. Следовательно, это бытовой прибор (например, нагреватель) или освещение.

Первый зачехлённый перекидной рубильник, похожий на нынешние модели, по всей видимости, 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, а поворотная ручка выведена вбок. Перекидной рубильник на три фазы явно предназначен для промышленности, поскольку в наличии три полюса. Скорее всего при помощи него планировалось изменять скорость вращения вала двигателя.

Как перекидной рубильник реверсирует двигатель

Реверс коллекторного двигателя осуществляется изменением направления включения обмоток. То есть достаточно обеспечить ток на роторе противоположный, чтобы добиться нужного результата. Немного сложнее с асинхронными машинами. Здесь нужно заново скоммутировать фазы так, чтобы магнитное поле вращалось в противоположном направлении. Если до переключения последовательность была – А, В, С, то после – А, С, В. Имеется и множество других вариантов.

Отличительной особенностью двигателей является большое потребление на старте. В особенности, это касается асинхронных. Вот почему рубильник должен быть подпружинен или иметь какие-либо средства для гашения дуги.

Любое изделие характеризуется предельным значением пропускаемого тока, переступать через которое не нужно. Но дуга обычно провоцирует ещё более бурные процессы в электрической цепи. На асинхронных двигателях, потребляющих хотя бы 20 А по каждой фазе, уже велик риск искрения на контакторах. Вот почему 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. Другое дело, что это дороже.