Комутаційні елементи

Комутаційні елементи призначені для вмикання, вимикання і перемикання електричних кіл. Під комутацією розуміють виконання цих трьох операцій. Розрізняють комутаційні елементи ручного й автоматичного управління. Комутаційні елементи ручного управління спрацьовують при безпосередньому механічному впливі на їх органи управління. Автоматичні комутаційні елементи спрацьовують під впливом електромагнітних сил на їх приводні органи. Основною частиною таких елементів, зазвичай, є електромагніт, вхідним сигналом для якого служить електричний струм або напруга. Автоматичні комутаційні елементи використовуються в системах автоматики і при дистанційному управлінні різними механізмами і пристроями. Вони розглядаються в наступних главах даного розділу.

В цій главі розглянуті комутаційні елементи з механічним приводом. Використовуються вони, зазвичай, для місцевого управління і для подачі сигналів про досягнення будь-яких проміжних і кінцевих станів. За своїм призначенням комутаційні елементи поділяються на два види: для комутацій силових кіл (обмоток електродвигуна, потужних електромагнітів, трансформаторів, нагрівачів та інших споживачів) і для комутації кіл управління (обмоток релейно-контактної апаратури, пристроїв контролю, регулювання і сигналізації). Такий розподіл обумовлений різними значеннями струмів і напруг в комутованих колах, що, в свою чергу, впливає на конструктивне виконання і габаритні розміри. Вивчення комутаційних елементів для силових кіл не входить до нашого завдання. Відзначимо лише, що найбільше розповсюдження для такої мети отримали рубильники і перемикачі рублячого типу, що забезпечують швидке розмикання і мають спеціальні пристрої для гасіння електричної дуги.

Всі комутаційні елементи, що використовуються в колах управління, обов’язково мають такі вузли: нерухомі контакти, рухомі контакти і орган управління. Окрім цього, вони можуть мати елементи фіксації, монтажу і настроювання, дугогасіння і т.і. Необхідні комутаційні елементи обираються за до­пустимими значеннями струму і напруги. Але найбільш важливою для практики характеристикою комутаційних елементів є їх надійність, тобто збереження працездатності при великій кількості спрацьовувань.

Комутаційні елементи розрізняють за кількістю комутованих кіл (одноколові і багатоколові) і за кількістю фіксованих станів; до того ж існують комутаційні елементи з самоповерненням в початковий стан, тобто без фіксації перемкнутого стану, що може бути необхідним для ряду схем управління.

До комутаційних елементів з механічним приводом відносять кнопки управління, мікроперемикачі, тумблери, клавішні, поворотні, важільні і кулачкові перемикачі, а також кінцеві і шляхові вимикачі.

Кнопки управління і тумблери. Кнопки управління – це апарати, рухомі контакти яких переміщуються і спрацьовують при натисканні на натискач кнопки. Комплект кнопок, змонтованих на загальній панелі, являє собою кнопкову станцію. Кнопки управління, які використовуються в схемах автоматики, розрізняють за кількістю і типом контактів (від 1 до 4 замикання і розмикання), формою натискача (циліндричний, прямокутний і грибоподібний), способом захисту від впливу навколишнього середовища (відчинені, зачинені, герметичні, вибухобезпечні і т. і.).

Незалежно від конструкції і габаритних розмірів кнопок (рис. 2.8, а, б) всі вони мають нерухомі контакти 1 і рухомі контакти 6, які переміщуються за допомогою натискача 3. Зовнішнє коло під’єднується до кнопки за допомогою гвинтових затискачів 7. Корпус 2 кнопки фіксується на панелі управління гайками 4 і 5.

Електричні параметри найбільш розповсюджених кнопок наведені в табл. 2.2. Кнопки управління загальнопромислового використання серій КУ і КЕ мають різне виконання і форми натискачів.

Для комутації кіл електроніки випускаються спеціальні кнопки (наприклад, типу ВК14-21). Малогабаритні кнопки управ­ління виконуються на основі мікровимикача типу МП, який використовується в якості виконавчого контактного елемента в тумблерах типу МТ1 і МТ11. Довговічність і надійність кнопок управління оцінюють комутаційною зносостійкістю, яку оцінюють через гарантовану кількість циклів вмикань-вимикань під навантаженням. Цей параметр різний для різних кнопок і умов експлуатації. Наприклад, для кнопок типу ВК14-21 з мідними контактами він складає 0,25х106 циклів, з біметалевими контактами – 2,5х106 циклів, із срібними контактами – 4х106 циклів. Механічна зносостійкість завжди перевищує комутаційну. Останнім часом найбільше розповсюдження отримали кнопки управління з прямокутною формою натискача – їх називають клавішами.

image002

Рис. 2.8. Конструкції кнопок управління

На основі кнопок управління виготовляють кнопкові станції, які містять до 12 кнопок різноманітного виконання, що зібрані на загальній панелі або в одному корпусі. Такі комутаційні пристрої називають кнопковими або клавішними перемикачами (рис. 2.9).

Перемикач являє собою збірну панель з кнопок 1 (або клавіш), змонтованих на загальному каркасі 2 і забезпечених механізмом фіксації, який може бути незалежним для кожної кнопки (клавіші) або взаємно зблокованим. Кнопки можуть бути з поверненням в початковий стан або з чергуванням увімкненого і вимкненого фіксованих станів.

Таблиця 2.2
Електричні параметри кнопок управління різних типів

Типи кнопок

Найменування параметрів

КУ О

КУ1, КУ2

К Е

BK14-21

К20, К03

Номінальна напруга, В:

— змінного струму

380

500

500

660

380

— постійного струму

220

440

220

440

220

Мінімальна напруга, В

24

24

24

12

Номінальний струм, А

2,5

5

6

10

5

Змінний струм,

2,5

12

9,6

16

6

що розривається, А

Кожна кнопка або клавіша здійснює комутацію одного чи кількох кіл. Деякі типи перемикачів забезпечуються спеціальною кнопкою повернення (скидання) увімкнених кнопок в початковий стан. В цьому випадку можливий увімкнений стан декількох кнопок одночасно.

Особливістю цих перемикачів є двопозиційний стан (увімкнено, вимкнено) кожної кнопки або клавіші. Необхідний режим або програма управління задається шляхом набору увімкнених і вимкнених станів відповідних кнопок (клавіш). При цьому стан кнопок або клавіш (піднятий або опущений) грає роль покажчика. Для цієї мети використовують також

image004

Рис. 2.9. Кнопковий перемикач

світлові сигналізатори 3 (лампи або світлодіоди), вмонтовані в корпус блоку перемикача (рис. 2.9). Закрите виконання і використання високоякісних матеріалів (біметалів, сплавів срібла і т.і.) для контактів забезпечують малі перехідні опори, що досить важливо при встановленні цих перемикачів в низьковольтних і слабкострумових колах автоматики і електроніки.

image006

Рис. 2.10. Двопозиційний тумблер

Для більш потужних кіл автоматики використовують тумблери, які використовуються в якості вимикачів, а також дво- і трипозиційних перемикачів. На рис. 2.10 наведений пристрій двопозиційного тумблера. Мостовий контакт, виконаний у вигляді струмопровідного ролика 1, замикає одну з двох пар нерухомих контактів 2. Перемикання контактів тумблера здійснюється під впливом на важіль 3, а прискорення спрацьовування (миттєва дія) забезпечується пружиною 4. Номінальний струм тумблера 1 — 2А при напрузі 220 В, маса їх не перевищує 30 г.

Пакетні перемикачі. Для комутації декількох кіл при декількох фіксованих станах для вибору різноманітних режимів роботи використовуються пакетні перемикачі. Такий перемикач (рис. 2.11, а) складається з ряду шарів-пакетів 3 (показаний окремо на рис. 2.11, б), всередині яких знаходяться рухомий 5 і нерухомий 4 контакти. Рухомий контакт 5 закріплений на осі 2, що обертається за допомогою рукоятки 1 і має ряд фіксованих станів, в яких замикаються нерухомі контакти одного з пакетів. Виводи 6 нерухомих контактів закріплені в корпусі перемикача. Недолік таких пакетних перемикачів – низька надійність ковзких контактів.

image008

Рис. 2.11. Пакетний перемикач

Пакетні перемикачі кулачкового типу, в яких електричне коло замикається нерухомими контактами, більш надійні. Рухомими в них є діелектричні кулачки, які і замикають контакти в залежності від профілю кулачка і положення вісі.

Конструкції пакетних перемикачів, призначені для кіл управління, дозволяють отримати десятки і сотні варіантів різноманітних схем з’єднань при кількості комутованих кіл до 24 (12 пакетів) і кількості фіксованих станів до 8 (через 45, 60 або 90°).

Існують перемикачі і без фіксації стану, що перемикається — з самоповерненням в початковий стан. Особливість таких перемикачів — наявність пристрою, що замикає (на ключ), який виключає безконтрольне перемикання.

Найбільш розповсюдженими перемикачами кіл управління є апарати серій ПКУ2 і ПКУЗ. Номінальний (тривало допустимий) струм перемикачів серії ПКУ2 – 6 А при напрузі 380 В змінного струму і 220 В постійного струму, а для перемикачів серії ПКУЗ – 10 А при 500 В змінного струму. За технічними параметрами такі перемикачі придатні і для безпосереднього вмикання і вимикання достатньо потужних споживачів електроенергії, наприклад, електродвигунів потужністю в декілька кіловат.

Менші габарити мають перемикачі серій ПУ та ПЕ, які мають поворотні механізми приводу на два або три стани. Серед них є перемикачі, виконані з виймальним ключем-рукояткою. Такими перемикачами, як правило, блокують подачу напруги в схему управління, змінюють режими і способи управління. При цьому передбачена можливість запирання перемикача як у виключеному, так і в інших його станах. Номінальний струм перемикачів серій ПУ і ПЕ – 5 А при напрузі 220 В змінного струму і 1 А при 110 В постійного струму.

Системи автоматичного і програмного управління потребують досить складних перемикань, для яких необхідні багатопозиційні і багатоколові перемикачі (при кількості кіл і станів інколи в декілька десятків). Конструктивно такі комутаційні елементи виконуються у вигляді двох, чотирьох (і більше) нерухомих секцій, змонтованих на платах, і рухомих контактів, що закріплені на загальному валі і фіксуються спеціальним пружинно-шариковим фіксатором в заданих позиціях.

На рис. 2.12 наведені найбільш розповсюджені повзункові перемикачі серії ПП однопанельного виконання на 35 колах. Перемикачі у відкритому виконанні призначені для монтажу всередині пристрою, за панеллю управління. Аналогічні щіткові перемикачі, але закритого виконання, мають від 1 до 4 секцій при кількості контактів в кожній секції від 4 до 24. Вони забезпечують надійну комутацію при струмі навантаження до 1 А кіл змінного (напругою 380 В) і постійного (напругою 220 В) струму.

В радіоелектронній апаратурі використовуються так звані галетні перемикачі, аналогічні пакетним перемикачам. Вони мають від 2 до 11 станів при кількості секцій (галет) від 1 до 4. На рис. 2.13 наведений перемикач серії ПГС на 10 станів.

image010

Рис. 2.12. Повзунковий перемикач

Останнім часом в СУА все ширше використовуються досягнення

image012

Рис. 2.13. Галетний перемикач

мікроелектроніки, наприклад, великі інтегральні схеми. Для комутації в колах, що вміщують подібні елементи, необхідні перемикачі, контакти яких забезпечували б надійне проходження дуже слабких струмів (мілі або мікроампери) при знижених значеннях напруг (до 5 В). Розглянуті в даному параграфі перемикачі, як правило, не мають таких властивостей, тому, що їх контакти мають значні (іноді в декілька Ом) перехідні опори. В цьому випадку краще використовувати клавішні перемикачі з біметалевими або срібними контактами.

Шляхові і кінцеві вимикачі. Шляхові і кінцеві вимикачі являють собою комутаційні елементи, які кінематично пов’язані з машиною і спрацьовують в залежності від переміщення її рухомої частини. Шляхові вимикачі спрацьовують у визначених проміжних точках на шляху переміщення, кінцеві вимикачі спрацьовують в крайніх точках: на початку і наприкінці шляху. Особливо широко шляхові і кінцеві вимикачі використовуються у схемах автоматизованого електропривода різних виробничих механізмів. За їх допомогою відбувається автоматичне управління приводом на окремих ділянках шляху і автоматичне вимкнення в крайніх положеннях механізму.

В залежності від пристрою, який здійснює замикання або розмикання контактів, шляхові і кінцеві вимикачі можна поділити на кнопкові (натискні), важільні, шпиндельні і ті, що обертаються. Перемикання контактів в цих вимикачах здійснюється таким чином: в кнопкових – натисканням робочого органу механізму на шток, з яким пов’язані контакти вимикача; у важільних – впливом робочого органу механізму на важіль, з яким пов’язані контакти; в шпиндельних – переміщенням гайки вздовж гвинта, який сполучений через передачі з валом механізму; в тих, що обертаються – кулачковими шайбами, що перемикаються, які сполучені з валом механізму.

В штокових вимикачах швидкість перемикання контактів визначається швидкістю переміщення виробничого механізму. При низькій швидкості взаємне переміщення рухомих і нерухомих контактів здійснюється повільно, що призводить до тривалого горіння дуги, яка виникає поміж контактами, що розмикаються, і їх швидкому руйнуванню через оплавлення і підсилення окислення. Для нормальної роботи такого вимикача швидкість переміщення механізму повинна бути не менша за 0,5 м/хв. А для забезпечення миттєвого перемикання контактів використовуються спеціальні пружинні механізми, які звільняються за допомогою спускових механізмів (собачок). Пружини також використовуються для забезпечення необхідної сили контактного натиску.

На рис. 2.14 наведений пристрій найпростішого кінцевого вимикача. Закріплюється він таким чином, щоб упор на рухомій частині виробничого механізму знаходився навпроти штока 4. При натисканні упора на шток 4 останній тисне на пружину 3. При досягненні певної сили натискання пружина 3 перекидається ліворуч, розмикаючи контакт 2 і замикаючи контакт 1. При цьому струм піде по іншому колу управління. Зовнішні сполучення вимикача виконуються за допомогою пайки до виводів: 5 нерухомий контакт (загальний); 6 контакт, що розмикається 2; 7 контакт, що замикається 1. Плоска пружина 3 виконана з трьох частин. Середня частина довша за крайні, тому вона завжди знаходиться у зігнутому стані і прагне притискати контакти в їх крайніх станах (1 або 2). Перемикач здатний працювати у колах з напругою до 380 В при струмі до 3 А. Переміщення штока складає 0,5 – 0,7 мм, необхідне зусилля для спрацьовування не більше 5 – 7 Н. Час спрацьовування 0,01 – 0,02 с при частоті увімкнень до двох разів за хвилину.

image014

Рис. 2.14. Кінцевий мікровимикач Рис. 2.15. Кінцевий вимикач

з миттєвим перемиканням типу ВК-111 з мостовими

контактів контактами

На рис. 2.15 наведений кінцевий вимикач типу ВК-111 з мостиковими контактами. Перемикання контактів здійснюється при натисненні на шток 1, а повернення контактів в початковий стан здійснює пружина 2. Використання мостового контакту 3 зменшує імовірність виникнення дуги, оскільки коло розривається в двох точках. Такі вимикачі можуть працювати при струмі ввімкнення до 20 А і тривалому струмі 6 А. Зносостійкість вимикачів – 106 спрацьовувань. Допустима частота – 600 ввімкнень на годину.

На рис. 2.16 наведений вимикач з низьким часом спрацьовування (миттєвої дії). Контакти подібних вимикачів перемикаються з постійною швидкістю при визначеному стані виробничого механізму незалежно від швидкості руху. Тому вони використовуються при малих швидкостях (до 0,5 м/хв) або при необхідності підвищення точно­сті спрацьовування (до 0,05 мм).

При натисканні упору на ролик 1, важіль 2 повертається і натискає на набір спіральних пружин 3, які миттєво діють на поводок 4. Поводок повертається, і ролик 10, стискуючи пружину 11, рухається вздовж планки 9, займаючи стан праворуч від осі обертання планки 9. При цьому собачка 6 відводиться, і контактний місток під дією пружини 11 і ролика 10 перекидається в інший стан, розмикаючи контакт 7 і замикаючи контакт 8. Після відходу упора від ролика 1, поводок 4 і контактний місток повертаються в початковий стан під дією пружини 5.

image016

Рис. 2.16. Шляховий вимикач миттєвої дії

В деяких випадках використовуються багатопозиційні три- і п’ятиконтактні давачі, які послідовно керують декількома керованими колами. Конструкції таких давачів складніші, і вони значно дорожчі за двоконтактні.

Розглянуті шляхові і кінцеві вимикачі мають досить низьку надійність, пов’язану з підвищеною зносостійкістю контактної пари. Більш висока надійність забезпечується при використанні безконтактних давачів (наприклад, індуктивного або фотоелектричного типів), миттєвість спрацьовування яких забезпечується за допомогою електронних схем.

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні механізми та виконавчі пристрої автоматики”

Оставьте комментарий к статье