Электромагнитный пускатель

Электромагнитный пускатель (магнитный пускатель) – автоматическое устройство коммутации обмоток, как правило, асинхронного двигателя. Пускозащитное реле холодильника допустимо отнести к указанному классу устройств.

Необходимость применения

К 60-му году XX века 40% электроэнергии в стране потреблялось асинхронным двигателями. Класс устройств рассчитан так, в период эксплуатации требуется регулировка. Это сопротивления в цепях короткозамкнутого ротора (реостаты), пусковые обмотки однофазных моторов, реверс и прочее. В результате использование принципа индукции, открытого Араго и Фуко, оказывается затруднительным без средств автоматизации.

Неудивительно, что объем производства электромагнитных пускателей велик. За удачно подобранный материал следует поблагодарить Ермолаева Н.Н. и группу людей, задумавших выпустить серию Библиотека электромонтёра. Качественное изложение материала оценивайте по достоинству.

Краткая классификация и маркировка

Ввиду существующего разнообразия возможно приводить множество критерием для деления на группы, укажем лишь общие:

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 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 полного отсутствия (IP00). Масса для устройств, весящих более 10 кг. Допускается пункт указывать в документации и не наносить на корпус.
8. Дата производства.
9. ГОСТ или ТУ, в соответствии с которыми изготовлен электромагнитный пускатель. Допускается 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 частичную замену. Диаметр провода, марка и число витков необходимы намотчику для полной и правильной реконструкции индуктивности. Если катушка слишком мала, маркировка включает лишь электрические параметры. Прочее опытный намотчик способен определить самостоятельно.

Устройство

Электромагнитный пускатель призван соответствовать двигателю, в паре с которым работает. Составными частями оборудования считаются контактор и пусковое реле. Иногда в состав добавляется тепловая защита на основе биметаллических пластин. Контактор становится исполнительной частью и представляет электромагнитное реле. Различают открытое (бескорпусное) и закрытое (корпусное) исполнения пускателя. Отдельные 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 вспомним, что сэр Джозеф Генри в 1831 году поднимал почти тонну с электромагнитом, питавшегося от вольтова столба. Выходит, скорость подобной конструкции трудновообразима. Упомянутый учёный 1837 годом обсуждал новинку с Витстоном, и мало что изменилось:

1. Якорь бывает прямоходовым (Генри).
2. Якорь – поворотный (Витстон, Шиллинг, Ампер).

Подвижные контакты снабжаются пружинным механизмом, ускоряющим срабатывание, связь их с якорем не всегда жёсткая. В дополнение конструкция содержит замок-защёлку. Реле бывают нормально замкнутыми, нормально разомкнутыми. Пускали чаще относятся к последнему семейству электромеханических устройств.

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

Тепловое реле порой отсутствует. Его назначение в отключении нагрузки, если потребляемый ток слишком велик. Биметаллическая пластина влияет на общее пропускание устройством носителей заряда. Контактором обычно не управляет, демонстрируя собственную цепь, включённую последовательно. В этом заложен глубокий смысл: двигатель включается часто, а защита срабатывает редко. Поэтому требования к размыкателям цепи различаются. Если биметаллическое реле заискрит, это случается редко и большой роли не играет.

Чувствительная пластина одним концом иногда приварена к токонесущей части цепи, образуя вечное соединение. Материалы для пускателей берутся унифицированные:

• Железно-никелевый сплав (от 36 о 40% содержания никеля) имеет низкий коэффициент температурного расширения.
• Второй элемент сплав либо чистый металл: латунь, медь, сталь и пр.

Биметалл либо служит цепью работы двигателя непосредственно, либо подогревается специальной спиралью, куда ответвляется часть тока. Главное, чтобы правильно оказались рассчитаны тепловые режимы. В обоих случаях используется закон Джоуля-Ленца, описывающий нагрев проводников под действием протекающего электрического тока. Сопротивлением 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 – используются одновременно оба способа контроля температуры. Контакт защиты иногда 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 порой содержит лишь две пары контактов.

Реверс

Из сказанного выше следует, что далеко не каждый электромагнитный пускатель обеспечивает реверс. Изменение направления вращения вала осуществляется добавлением дополнительного 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. Не разрешается на пульте одновременно нажимать кнопки «вперёд» и «назад».

Реверсионный пускатель

Иногда блокировка выполняется электрически: один контактор запитывается через дополнительные, нормально замкнутые контакты второго.

Технические характеристики

1. Износоустойчивость в первую очередь определяется механической стойкостью контактов. Если посмотреть характеристики любого электромагнитного реле, 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 способен выключить или включить реле, чтобы не нарушились заявленные характеристики по износоустойчивости. Пример: большинство людей способно поднять на бицепс 8 кг 10 раз. Превышение над восемью килограммами станет выходом за пределы коммутационной способности, если 10 повторений выполнить не удаётся.
3. Чёткость срабатывания показывает, насколько плавно движутся контакты. Если ход замирает в конкретной точке, образовавшаяся дуга сварит группу, прибор мгновенно придёт в негодность. Плавность хода прямо влияет на электрическую износоустойчивость и косвенно на механическую, определяя и коммутационную способность. Указанная характеристика считается базовой, определяющей 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 выхода из строя от перегрева.

Износоустойчивость

Частота включений и отключений достигает сотен и тысяч операций в час (максимальная скорость признаётся важной характеристикой). Срок эксплуатации иногда заменяется числом срабатываний. Износоустойчивость важна, починка или замена деталей в процессе эксплуатации практически невозможны. Обычно она составляет единицы миллионов циклов. Но электрическая износоустойчивость на порядок (предположим, в 5 раз) ниже механической.

Хорошим считается электромагнитный пускатель, выдерживающий 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 требованию. Сказанное свидетельствует, что важнее в пускателе погасить дугу, нежели улучшить механическую часть, которая редко служит причиной выхода изделия из строя.

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

«Устройство с 10 млн. рабочих циклов продержится 5 лет в указанных 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, возможно 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 указано выше, эта значительно уступает механической, часто предусматривается возможность замены контактов. Электрическая износоустойчивость зависит от напряжения в сети и типа нагрузки, что влияет на условия возникновения дуги. Асинхронные двигатели потребляют крайне большой ток при пуске. Дуга растёт с увеличением мощности. Исследования показали, что износ контактов пропорционален квадрату величины электрического тока, потому режим включения считается самым напряжённым.

В итоге разница ущерба при пуске до 3-4 раз превышает урон при останове двигателя. Губительным считается режим подпрыгивания, когда контактор совершает ряд затухающих по амплитуде скачков в результате удара. Ситуация осложняется, когда 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 быстро, при частоте сети 50 Гц подобная ситуация возникает 100 раз в секунду. Останов мало влияет в конечном итоге на результат мероприятий по защите реле и не требует отдельных и специальных мер. Хорошей электрической прочность обладают контакты из серебра:

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 обязан выдерживать токи, указанные в таблице 6 ГОСТ 12434-83. Согласно категории пускателя отношение коммутируемого максимального тока к рабочему различается, типично составляет не менее 6. В общем случае термин трактуется, к примеру, как способность переключить ток, в 7 раз превышающий рабочий, 50 раз подряд и неизменно 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 любые меры, предпринятые в описанном направлении. Частичное влияние оказывает форма контактов. Коммутационная способность тесно связана с электрической износоустойчивостью, от характера движения контактов зависит долговечность изделия 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 усилие, возникающее в конкретной координате движения контактной группы. Совпадает с усилием возврата прямоходного якоря. Пружины нужны, чтобы по возможности быстро разорвать контакт, обеспечивая быстрое и качественное гашение дуги за счёт повышения сопротивления зазора, снижения плотности разницы потенциалов и увеличения длины горения. Предполагается, что реле электромагнитного пускателя в нормальном состоянии разомкнуто.

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. При прямом ходе на замыкание контактов, в некоторых точках силы электромагнита с трудом хватит на преодоление натяжения пружин. Якорь продолжит двигаться в том числе за счёт инерции. На практике это означает наличие рывка, изменения скорости, что отрицательно влияет на чёткость срабатывания и на механическую и электрическую износоустойчивости изделия. Кривая прямого хода обязана во всех точках оставаться выше линии противодействия. Пусть это не обеспечит постоянной скорости, но поспособствует скорейшему переключению, снижая силу горения дуги.

На обратном пути усилие электромагнита предвидится ниже линии противодействия. Ток из катушки должен исчезнуть любым путём раньше, нежели начнётся обратный ход под действием пружин. В противном случае контактная группа застрянет на возвратном ходе. Это не продлится долго по человеческим меркам – доли секунды – но сварочный аппарат быстро создаёт шов. Получается, дуга за это время обожжёт контактную группу, уменьшая электрическую износоустойчивость и приводя реле электромагнитного пускателя в негодность. Обмотка конструируется, чтобы ток успевал ослабнуть, а кривая возврата в каждой точке оказывалась 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, показана подогревающая нихромовая спираль. Пружинный механизм способен отсутствовать, если ток проходит непосредственно по чувствительной части. Активным, как правило, выбирается единсвтенный металл, расширяющийся при нагреве. Кнопка возврата далеко не всегда включена в конструкцию: пускозащитные реле холодильников не требуют постоянного слежения (очевидный факт).

Номинальный ток пускателя не является порогом срабатывания биметаллического охранного механизма. В собственных видео А. Земсков тщательно обсуждает свойства автоматов защиты электрической сети квартиры. Принцип их действия аналогичен магнитным пускателям, составные части идентичны. Из таблиц видно, что известен ряд классов автоматов, у каждого характеристики специфичны, но присутствует 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 приведена не зря. А. Земсков прямо говорит, что автоматы серий D и, в меньшей степени, K не годятся для дома. Алексей обронил фразу о мощных асинхронных двигателях. Таким образом, бытовые автоматы защиты серий D и в меньшей степени K возможно считать магнитными пускателями. Собственно, в первом приближении это они и есть, но лишённые пульта управления, возможности реверса и прочих качеств. Впрочем, выше оговорено, что комплектация изделий различается, но магнитный пускатель сохраняет собственную суть.

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 указано выше, методов подогрева три, приводят к одинаковому результату – изгибанию биметаллической пластины. Инженер просто выбирает схему, больше уместную в конкретной ситуации.

В основу защитных качеств положено недопущение работы обмоток двигателя в опасных режимах. Не каждым осознается важность утверждения. Простое повышение температуры вызывает ударное старение изоляции жил, что снижает срок эксплуатации оборудования. Вторым критичным моментом становятся температурные деформации обмоток. В результате силы трения вызывают механическое разрушение проволоки, порчу изоляции. Для ферромагнитных сплавов положительного в постоянном расширении и сжатии нет, накапливается усталость.

Таблица из книги Ермолаева Н.Н., возможно, чуть устарела, но вполне показывает очевидность указанных доводов, осознанную 50 лет назад. Данные приведены из условия, что электродвигатель эксплуатируется не менее 10000 часов. Уже тогда знали, что время достижения опасного состояния разнится от тока, конструкции двигателя и дополнительных факторов. Так промышленные пускатели отличаются от бытовых автоматов защиты, обсуждаемых А. Земсковым: процентные превышения над рабочим значением для схожего времени срабатывания различаются 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 совпадает с этой простенькой кривой. Этим обеспечиваются одновременно сохранность оборудования и максимально напряжённый режим работы. Не возникнет необходимость в ремонте, вдобавок– промышленник способен гонять станки хоть в три смены. Главное – не выйти за защитную кривую.

Построение графика

Поскольку идеал недостижим, действительный график реле должен лежать ниже характеристической линии двигателя. Выше неё находятся потенциально опасные режимы, приводящие к последствиям, указанным выше. Повышенный ток наблюдается при заклинивании вала, что признаётся потенциально опасной ситуацией. Пускатели не занимаются регулированием скорости, стоят прочие электрические схемы, выполняющие контроль. Поэтому априорно потребляемый ток не постоянный и иногда превышает номинал. Главное, чтобы по продолжительности событие не превышало интервал, ограниченный графиком.

Потребляемая мощность

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

Задача озвучивается следующим образом. Неплохо бы пускатель заключить в изолирующую внешнюю оболочку, экономя энергию и делая нихромовую спираль тоньше (но длиннее), потреблять меньше энергии. Но оказывается, рассчитать сопротивления теплопередаче корпуса не под силу современной науке. Результат работы становится непредсказуем. А когда биметаллическая пластина находится в заведомо оговорённых условиях цеха (где и охраняемый двигатель), срабатывание в нужный момент гарантировано.

Получается, нихромовая спираль греет рабочих, помещение, иногда улицу. Это не положительный результат. Но расчёт тепловых режимов для корпуса затруднителен. Возможно, в будущем ситуацию исправят микропроцессорным управлением. Как результат, ныне оболочка пускателя выглядит значительно более объёмной, нежели требуют размеры устройства. Это плата за предсказуемость теплового режима реле и ведёт к дополнительным неудобствам и тратам.

Доходит до того, что пускатель требуют размещать в помещении с ограниченными климатическими условиями, чтобы температура внутри оказывалась стабилизированной (к примеру, 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 сложность частично устраняется изготовлением якоря из электротехнической стали, но шихтовать его не всегда выглядит лучшей затеей. Изоляционный лак способен не выдержать ударной нагрузки и расколоться. Вдобавок контакты собираются сложными пакетами, механическую прочность непросто обеспечить. Для примера: пускатель трёхфазной сети с мощностью нагрузки до 28 кВт потребляет 80 Вт. Легко сосчитать, что в процентном отношении это составит 0,3%. Учитывая, что годовое потребление страны (РФ) измеряется миллиардами кВт-часов, цифры получаются в пределах миллионов. В переводе на денежное выражение выходит жилая многоэтажка ежегодно. Подобная сумма стоит усилий и дум, как увеличить КПД магнитного пускателя.

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