Выключатели, кнопки и клавиши

Для включения или отключения нагрузки (электрической лампочки, двигателя и т.д.) необходимо разъединяющее (коммутирующее) устройство.

Схема простейшего выключателя, используемого в осветительной сети, изображена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. - Схема простейшего выключателя

Выключатель имеет неподвижный контакт 2 и подвижный контакт 3, установленный на качающемся металлическом рычаге 4. Рычаг 4 переключается под действием подпружиненного пластмассового штифта 5, расположенного в клавише 1 выключателя. Под действием пружины 6 контактный рычаг переключается мгновенно, независимо от скорости нажатия клавиши 1.

Мгновенное переключение является обязательным условием нормальной работы контактов.

Конструкция выключателя может быть самой разной, но в любом выключателе обязательно есть пружинный механизм мгновенного действия.

На рисунке 5.2 изображена схема другого очень распространенного переключающего аппарата – кнопки.

Кнопка имеет две пары контактов. Верхние контакты а – в замкнуты контактным мостиком – металлической пластинкой с двумя контактами (рис.5.2,а). Контактный мостик установлен на оси кнопки. В верхней части оси имеется расширение - головка.

Кроме того, на оси установлены две пружины. Верхняя пружина тянет головку кнопки вверх и прижимает контактный мостик к контактам а – в. Контакты надежно замкнуты.

Если нажать на головку кнопки, ось сместится вниз, и контактный мостик отойдет от контактов а — в и войдет в соприкосновение с контактами c — d. При этом нижняя пружина сожмется и прижмет мостик к контактам с-d. Верхняя электрическая цепь разомкнётся, а нижняя будет замкнута. Если не нажимать кнопку, то она вернется в исходное положение и состояние электрической цепи опять будет прежним. Условное изображение кнопки показано на рисунке 5.2,6.

Рисунок 5.2. - Схема электрической кнопки (а) и ее условное обозначение (б)

Конструкция электрических кнопок, их форма, цвет головок могут быть самыми разнообразными. Иногда в головку кнопки встраивают электрическую лампочку, которая загорается, если на кнопку нажать. Такие кнопки применяются в лифтах.

Но все кнопки независимо от конструкции принципиально отлича­ются от выключателей.

Выключатель "запоминает" внешнее воздействие (сигнал) человека. Если нажать клавишу выключателя в положение "включено", цепь будет замкнута до тех пор, пока кто-либо не изменит положение выключателя.

Кнопка таким свойством не обладает. Она самостоятельно возвращается в исходное положение, как только перестают на нее нажимать.

Существует еще один аппарат, который внешне напоминает кнопку, но по своим свойством близок к выключателю. Это - клавиша. Если нажать на клавишу, шток ее переместится и произойдет переключение контактов. Однако в отличие от кнопки, если клавишу отпустить, то она останется в прежнем положении. Для того чтобы восстановить состояние электрической цепи, на клавишу нужно нажать еще один раз. Раз нажали-включили, второй раз нажали - выключили.

По своему устройству клавиша похожа на кнопку, но снабжена специальным механическим устройством, которое обеспечивает поочередное переключение. Подобные механические устройства применяют в шариковых ручках с убирающимся пишущим стержнем, настольных лампах и др.

Клавиши применяют в радиоаппаратуре, телевизорах и магнитофонах. Клавиши компактны и более удобны, чем обычные выключатели.

Электрические контакты

Электрические контакты - наиболее ответственные элементы выключателей, кнопок и многих других электрических аппаратов. От работы контактов зависят срок службы и надежность электрического аппарата.

В месте электрических контактов соприкасаются два проводника, и возникает переходное сопротивление R_k, которое зависит от:

- размеров,

- материала контактов,

- шероховатости поверхности.

Соприкосновение контактов происходит не по всей поверхности, а по вершинам микронеровностей, которые всегда имеются на поверхности деталей.

Если контакты сильно сжать, то микронеровности сминаются, площадь контакта увеличивается и переходное сопротивление уменьшается.

Обычное переходное сопротивление в новых контактах не должно превышать 0.01...0.02 Ом.

Многие материалы (медь и др.) на воздухе покрываются слоем окиси, которая плохо проводит электрический ток. Контакты, покрытые слоем окиси, могут быть замкнуты, но переходное сопротивление контактной пары будет столь велико, что цепь тока практически окажется разомкнутой.

При нагреве контактов током, тепловая мощность, выделяемая в контактной паре, определяется формулой

(5.1)

где I – сила постоянного тока или действующее значение переменного тока, А.

Из (5.1) видно, что чем больше переходное сопротивление, тем больше нагреваются контакты. В критическом случае нагрев может быть велик, так что может произойти сваривание контактов.

Таким образом, необходимо, чтобы переходное сопротивление контактов было по возможности малым.

Для этого подбирают материал, форму контактов и сжимают контакты специальной пружиной.

Наиболее тяжелый режим – размыкание контактов, т.к. при этом между ними возникает электрическая дуга.

Дуга продолжает замыкать цепь тока, и оборудование не отключается от сети, что может привести к аварии.

Кроме того, под действием электрической дуги контакты «обгорают» и быстро выходят из строя. Интенсивность дуги и время ее горения зависят от электромагнитной энергии, запасенной в индуктивных элементах электрической цепи.

Электрическая дуга между контактами существует до тех пор, пока вся электромагнитная энергия перейдет в тепло.

Чтобы уменьшить дугу, в электрической цепи включают дополнительный резистор. Тогда часть электромагнитной энергии переходит в тепло в этом резисторе, и дуга гаснет быстрее. Кроме того, увеличивают расстояние между контактами, а в мощных аппаратах применяют специальные меры дугогашения.

Особенно опасна электрическая дуга в цепях постоянного тока. В цепях синусоидального тока дуга часто гаснет, когда сила тока проходит через ноль. Однако при определенных условиях дуга может вновь загореться в следующий полупериод.

Лучшими проводящими материалами являются серебро, медь, алюминий. Первые два материала применяют и для электрических контактов. Алюминиевые контакты не применяют, т.к. плотная пленка окиси алюминия плохо проводит ток. Наиболее распространенным материалом электрических контактов является медь.

Серебряные контакты применяют в маломощных устройствах. Кроме того, в небольших и ответственных контактных электрических аппаратах используют золото, платину и др. драгоценные металлы.

Электромагниты

Катушка со стальным разомкнутым магнитопроводом (сердечником) образует электромагнит (рис. 5.3.).

1 – катушка; 2 – магнитопровод; 3 – якорь

Рисунок 5.3. – Схема простейшего электромагнита

Ток I в катушке создает магнитный поток магнитопровода. Этот поток замыкается через подвижную часть магнитопровода, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к неподвижной части магнитопровода.

Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от магнитопровода под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.

Якорь электромагнита, изображенного на рисунке 5.3, поворачивается на оси. В этом случае электромагнит называется электромагнитом клапанного типа. Существуют электромагниты прямоходовые (в которых якорь движется поступательно), со сложным движением якоря и др.

Школьный звонок и звонок телефона — это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, муфты и т.д. Точные электромагниты используют в измерительной технике. Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах. Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие электромагниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и др.

Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги F можно определить по формуле Максвелла:

, (5.2)

где S – площадь поперечного сечения сердечника, точнее площадь полюса, т.е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем;

– магнитная постоянная, равная

Если площади сечения сердечника и полюса одинаковы, то можно!

принять, что и тогда:

(5.3)

где В – индукция магнитного поля в сердечнике.

Если зазор между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюсов, то сила тяги электромагнита определяется по формуле

, (5.4)

где I – сила тока в обмотке электромагнита, А;

N – число витков обмотки.

Из (5.4) следует, что при малых зазорах сила тяги очень велика, но при увеличении зазора сила тяги F электромагнита резко уменьшается.

Для производственных механизмов такая зависимость силы тяги электромагнита и зазора нежелательна и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы обеспечить постоянство силы тяги при изменении зазора.

Если обмотку электромагнита включить на переменный ток, то сила тяги так же станет переменной и, будет изменяться в больших пределах, а в момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю. Якорь будет то притягиваться, то отпадать. Этот эффект используется в вибраторах.

Так как сила тяги пропорциональна квадрату тока, то частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети.

Контакторы

Простейшие коммутирующие аппараты (выключатели, рубильники и т.д.) обладают одним общим недостатком. Для того чтобы включить или выключить электрическую цепь, надо подойти к выключателю и дотронуться до него рукой. На расстоянии (дистанции) переключить обычный выключатель невозможно. Однако в мощных нагрузках протекают большие токи и имеются большие напряжения, что делает невозможным включение и выключение мощного электрооборудования вручную по соображениям техники безопасности. Кроме того, дистанционное автоматическое выключение необходимо в аварийных ситуациях.

Аппарат, в котором мощные электрические контакты замыкаются электромагнитом, а не вручную, называют контактором.

Схема простейшего контактора изображена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4. – Схема простейшего контактора

Если в обмотке электромагнита 1 возникнет ток I₁, якорь притянется к сердечнику, стержень 2 переместится вверх и замкнет контакты a-b. Цепь с током I₂ окажется включенной (замкнутой).

Если разорвать цепь с током I₁ электромагнита, то под действием пружины 3 подвижные контакты с-d переместятся вниз и разорвут цепь с током I₂, потребляемого нагрузкой. Включение электромагнита можно производить вручную на большом расстоянии от контактора, т.к. обмотку электромагнита и подводящие провода можно выполнить из тонкого провода (сигнальные провода).

Электромагнитные реле

Впринципе электромагнитное реле работает так же, как и контактор. В этих аппаратах замыкание и размыкание контактов происходит за счет движения якоря электромагнита.

Однако контакты реле рассчитаны на значительно меньшие токи, размеры реле тоже меньше, чем контактора, и применение реле совсем другое (рис.5.5).

1 - каркас; 2 - обмотка; 3 - ярмо магнитопровода; 4 - выводы обмотки; 5 - контактные пружины; 6 - замыкающий контакт; 7 - размыкающий контакт; 8 - рабочая пружина; 9 - якорь; 10 - сердечник магнитопровода; 11 - полюсный наконечник.

Рисунок 5.5. - Схема реле клапанного типа

Реле используют в телефонии, устройствах связи и во всех случаях, когда необходимо коммутировать слаботочные электрические цепи.

На рисунке 5.5 представлено одно такое реле. Оно имеет ферромагнитный сердечник (магнитопровод) 10 с полюсным наконечником 11 и якорь 9. Параллельно сердечнику 10 расположены контакты 6, 7, напаянные на контактные бронзовые пружины 5, которые не только проводят электрический ток, но и возвращают контакты в исходное положение, когда обмотка 2 реле обесточена.

Часто сердечник реле включает постоянный магнит. Такие реле называют поляризованными, они реагируют на направление тока в обмотке.

При одном направлении тока магнитный поток, созданный этим током, и поток постоянного магнита складываются. Реле срабатывает. При другом направлении тока потоки вычитаются, общий магнитный поток уменьшается и реле отпускает.

Поляризованные реле обладают очень большой чувствительностью. Они срабатывают, если ток в обмотке составляет всего 1…2 мА.

Чтобы улучшить работу контактов реле, их помещают в запаянную стеклянную колбочку, из которой выкачан воздух. Такие устройства называют герметизированными контактами — герконами. Схема геркона изображена на рисунке 5.6.

1 - обмотка с током; 2 - контакты.

Рисунок 5.6. - Схема геркона

Контакты геркона 2 выполнены в виде двух плоских стальных пружин. Если колбочку геркона поместить в магнитное поле, созданное постоянным магнитом или обмоткой 1 с током, стальные пружинки намагничиваются и смыкаются, контакты замыкают цепь тока. Если магнитное поле исчезнет, то упругие пружинки возвратятся в исходное положение, и цепь тока будет разомкнута. Герконовые реле обладают очень малыми размерами. Кроме того, контакты этих реле не окисляются, они имеют большой срок службы и высокую надежность.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Общие сведения

Электрический трансформатор – электромагнитное устройство, преобразующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности.

Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15 кВ, так как на более высокие напряжения конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обеспечить хорошую изоляцию обмоток.

В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а значит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач.

Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы, увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач.

В местах потребления электрической энергии, на производстве, в быту и так далее необходимы понижающие трансформаторы, чтобы иметь напряжения 380, 220, 127 В и менее.

Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99% и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей.

Электрические трансформаторы - необходимые элементы и в усройствах малой мощности (радиоэлектронных устройствах, компьютерах других).

Изобрел электрический трансформатор в 1876 году П.Н. Яблочко) который в своих работах по электрическому освещению встретился с необходимостью обеспечить автономную работу нескольких светильников разным напряжением от одного генератора.

В 1891 году М.О. Доливо-Добровольским была разработана конструкция первого трехфазного электрического трансформатора, после чинго применение электротрансформатора стало резко возрастать.

Простейший однофазный электрический трансформатор (рис 6.1) стоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном магнитопровод который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0.3...0.5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи (потерь в стали) Р_с.

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети) называется первичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии — вторичной (выходной).

Рисунок 6.1. - Схема электрической цепи с трансформатором

На щитке электрического трансформатора указываются:

- высшее и низшее номинальные напряжения;

- номинальная полная мощность , ВА или кВА;

- частота f (Гц);

- токи в первичной и вторичной ( ) обмотках при номинальной мощности;

- коэффициент трансформации К;

- число фаз;

- схема соединений обмоток (звездой или треугольником) в случае трехфазного электрического трансформатора;

- режим работы (длительный или кратковременный);

- способ охлаждения (масляный, воздушный).