47

CAPITOLUL 3

ECHIPAMENTE ELECTRICE DE COMANDĂŞI PROTECŢIE DE JOASĂ TENSIUNE

Echipamentele electrice de comandă şi protecţie de joasă tensiune se construiesc pentru tensiuni nominale ce nu depăşesc 1000 V (în curent alternativ) şi, respectiv, 1200 V (în curent continuu). Ele se realizează într-o mare varietate de tipuri şi dimensiuni şi se folosesc pe scară largă atât în centrale şi în staţii electrice, cât şi în instalaţii industriale şi în sectorul domestic (casnic). În plus, trebuie subliniat că toate echipamentele electrice folosite în domeniul casnic sunt de joasă tensiune (220 V c.a.).

După forma de variaţie în timp se deosebesc echipamentele electrice de curent alternativ (monofazat sau trifazat) şi echipamente electrice de curent continuu.

Tensiunile nominale standardizate (până la 1000 V) în curent alternativ sunt: 24, 48, 127, 220, 380, 500 (660), 1000 V, pe când cele din curent continuu sunt: 24, 48, 125, 400, 800, 1200 V. Din punctul de vedere al protecţiei muncii, echipamentele cu tensiuni nominale mai mari de 42 V sunt considerate ca având tensiuni periculoase.

Curenţii nominali standardizaţi sunt: 3, 6, 10, 16, 25, 32, 40, 63, 80, 100, 160, 200, 315, 400, 630, 1600, 2000, 2500 şi 3150 A. (Pentru secundarele transformatoarelor de măsură sunt standardizaţi curenţii cu valori de 1 A şi 5 A.)

Echipamentele de comutaţie de joasă tensiune se construiesc cu 1, 2, 3 şi 4 poli. Primele două variante (cele monopolare şi cele bipolare) sunt destinate să funcţioneze atât în curent continuu cât şi în curent alternativ monofozat. Variantele tripolare şi tetrapolare se construiesc pentru a funcţiona în curent alternativ trifazat.

În acest capitol vor fi prezentate succint următoarele tipuri de echipamente:- siguranţe fuzibile de joasă tensiune (ca elemente de protecţie generală);- contactoare electromagnetice (ca echipamente de comandă folosite în schemele

electrice de acţionări şi automatizări în domeniul curenţilor tari);- întreruptoare automate de putere (ca echipamente cu rol de comutaţie şi de

protecţie);- relee (ca elemente de comandă şi semnalizare, folosite atât în schemele electrice

de automatizări, cât şi în construcţia echipamentelor electrice de protecţie);- rezistoare, reostate şi controlere (ca echipamente de pornire şi comandă,

destinate controlului vitezei, curentului şi tensiunii motoarelor electrice).

3.1. SIGURANŢE FUZIBILE

În instalaţiile electrice de joasă tensiune siguranţele fuzibile sunt cele mai simple dispozitive de protecţie împotriva efectelor supracurenţilor (în general) şi împotriva curenţilor de scurtcircuit (în particular). Rolul funcţional al oricărei siguranţe fuzibile este de a întrerupe curentul în circuitul electric în care aceasta este conectată. Atunci

48

când curentul depăşeşte, un anumit timp, o valoare prestabilită, întreruperea circuitului se realizează prin topirea (unuia sau) mai multor elemente fuzibile, construite şi dimensionate exact în acest scop. În acest context, la trecerea unui curent de scurtcircuit printr-o siguranţă fuzibilă, prin funcţionarea sa (adică, prin topirea fuzibilului) se limitează atât amplitudinea curentului, cât şi durata acestuia. În schimb, dacă funcţionarea ("arderea") siguranţei se produce la suprasarcini, amplitudinea curentului ramâne neschimbată, limitându-se numai durata acestuia.

Utilizarea tot mai diversificată a siguranţelor fuzibile de joasă tensiune (în toate tipurile de echipamente industriale şi casnice) a condus la fabricarea lor într-o mare varietate de tipuri şi forme constructive. În acest context, siguranţele fuzibile de joasă tensiune se clasifică în trei categorii principale, şi anume:

a. siguranţe fuzibile de mare putere, utilizate în instalaţii industriale cu tensiuni de până la 1000 V şi curenţi nominali cuprinşi între 100 - 1000 A;

b. siguranţe fuzibile cu filet, folosite în instalaţii industriale şi casnice, la tensiuni până la 1000 V şi curenţi nominali de 6 - 100 A şi

c. siguranţe fuzibile miniatură, folosite în echipamentele de redresare, la aparate radio şi TV, la instalaţiile electronice şi electrocasnice etc., cu tensiuni de până la 550 V şi curenţi nominali de 0,1 - 6 A.

Indiferent de tip (sau de categorie), în construcţia oricărei siguranţe fuzibile se disting următoarele părţi componente: cartuşul (sau carcasa); elementul fuzibil; elementele de contact şi mediul de stingere a arcului electric.

3.1.1. Funcţionarea siguranţelor fuzibile

Orice siguranţă fuzibilă are două regimuri de funcţionare, şi anume: 1) regimul permanent, când curentul prin circuitul în care este conectată siguranţa este mai mic decât curentul minim de topire (I < Imin top) şi 2) regimul tranzitoriu de topire, ca regim condiţionat de curenţii de scurtcircuit (sau de suprasarcină), curenţi care depăşesc curentul minim de topire (I > Imin top).

Fizic, elementul fuzibil al siguranţei este "îngropat" într-un mediu de nisip de cuarţ şi se topeşte la depăşirea valorii curentului Imin top, apărând arcul electric, a cărui stingere este condiţionată de transferul căldurii (prin conducţie termică), de la plasma arcului către granulele de nisip. Din momentul în care firul metalic ajunge în stare lichidă, masa de lichid nu mai păstrează forma geometrică a firului, fiind supusă deformării, atât din cauza forţelor electrodinamice în bucla parcursă de curent, cât şi din cauza forţelor Lorentz din masa de lichid.

Procesul topirii fuzibilului sub acţiunea curentului de scurtcircuit este schematizat în fig.3.1. Aici sunt ilustrate toate fazele (de la încălzirea solidului şi până la vaporizarea metalului topit), faze care permit evaluarea cu exactitate a duratei fiecărei etape. Astfel:

1. Pe durata intervalului de timp (0 - t1) are loc încălzirea fuzibilului. Deoarece t1

este foarte mic (uzual, până în 5 ms) se poate admite că în acest interval de timp nu există schimb de căldură cu exteriorul. Procesul încălzirii fuzibilului de la temperatura θ= 0 la temperatura de topire θ = θ1 este considerat adiabatic.

48

49

2. Pe durata intervalului de timp (t1 - t2) fuzibilul se topeşte în întregime, iar temperatura se păstrează constantă, la valoarea θ1 = θtop. În acest interval de timp există în echilibru termic atât metal solid, cât şi metal lichid (topit). Prin urmare, toată căldura primită de fuzibil

va servi, sub formă de căldură latentă de topire , doar la schimbarea stării de agregare a materialului fuzibilului.

3. Pe durata intervalului de timp (t2 - t3) metalul lichid se supraîncălzeşte de la temperatura θ1 la temperatura de vaporizare θ2 = θvap.

În realitate, arcul electric (în interiorul siguranţei fuzibile) se formează între picăturile de metal lichid, mult mai devreme decât după momentul de timp t3 (şi anume, în intervalul de timp t2 - t3). Explicaţia apariţiei arcului electric mai devreme este dată de faptul că în stare lichidă fuzibilul nu îşi mai poate conserva forma geometrică.

La protecţia contra scurtcircuitelor, timpul scurs între momentul apariţiei curentului de scurtcircuit şi momentul formării arcului electric (în interiorul siguranţei fuzibile) se numeşte "durata prearc" (tpa).

Caracteristic pentru funcţionarea la scurtcircuit a siguranţelor fuzibile este procesul de limitare a curentului electric, atât ca durată, cât şi ca amplitudine. Astfel, în fig.3.2.a este ilustrat procesul de limitare a curentului de scurtcircuit simetric, iar în fig.3.2.b este reprezentată limitarea curentului de scurtcircuit asimetric (care are şi componentă aperiodică). Pe diagramele din figură s-au făcut următoarele notaţii:

ip = curentul prezumat, definit ca acel curent care ar fi trecut prin circuit dacă siguranţa fuzibilă ar fi fost înlocuită cu un conductor de impedanţă nulă;

ipt = curentul prezumat tăiat, definit ca valoarea instantanee a curentului prezumat în momentul apariţiei arculuui electric;

il = curentul limitat ce trece prin siguranţa fuzibilă (ca valoare momentană), după amorsarea arcului electric;

ilt = curentul limitat tăiat, definit ca valoarea instantanee maximă a curentului limitat;

tpa = durata prearc;ta = durata de ardere a arcului electric;tpa + ta = durata de funcţionare a siguranţei fuzibile.

Fig.3.1 Fazele topirii fuzibilului

50

Se constată că după topirea completă a elementului fuzibil (deci după apariţia arcului electric) curentul mai creşte puţin, întrucât rezistenţa electrică a arcului este încă mică. În ceea ce priveşte durata prearc, aceasta este mai mare în cazul curentului de scurtcircuit asimetric, în comparaţie cu scurtcircuitul simetric. Efectul limitativ al siguranţei fuzibile este cu atât mai pronunţat cu cât valoarea nominală a curentului siguranţei este mai mică, iar curentul de scurtcircuit este mai mare. Evident, cu cât limitarea curentului de scurtcircuit este mai prnunţată, cu atât mai mari sunt supratensiunile care apar în circuit.

3.1.2. Caracteristica de protecţie a siguranţelor fuzibile

Principala caracteristică a unei siguranţe fuzibile este caracteristica timp - curent, adică t = f(I). Ea este numită "caracteristica de protecţie" şi reprezintă dependenţa timpului de acţionare al siguranţei fuzibile (t) în funcţie de valoarea supracurentului (kxIN) la care fuzibilul acţionează (se arde). Astfel, în fig.3.3 s-au reprezentat 3 tipuri de caracteristici de protecţie, şi anume:

- curba 1 reprezintă caracteristica de protecţie specifică siguranţelor rapide şi corespunde siguranţelor cu fuzibil dintr-un singur metal (Ag, Cu), cu secţiunea uniformă. Siguranţele rapide sunt utilizate pentru protecţia circuitelor fără vârfuri mari de sarcină (cabluri, conductoare pentru iluminat etc.);

- curba 2 reprezintă caracteristica de protecţie specifică siguranţelor lente (cu inerţie, prin diferite metode), utilizate la protecţia circuitelor cu vârfuri de curent (a motoarelor electrice, a transformatoarelor electrice etc.);

- curba 3 reprezintă caracteristica de protecţie tipică siguranţelor ultrarapide, realizate dintr-un singur material (cu gâtuituri şi perforaţii). Acestea sunt destinate protecţiei elementelor semiconductoare (şi a echipamentelor cu semiconductoare). Determinarea caracteristicii de protecţie corespunzătoare unui tip de siguranţă fuzibilă se face prin încercări (în curent continuu), pornind de la starea rece a fuzibilului, iar durata (timpul) de topire se consideră prin valoarea medie a măsurătorilor (de la mai multe încercări experimentale succesive).

Fig.3.2.a Limitarea curentuluide scurtcircuit simetric

Fig.3.2.b Limitarea curentuluide scurtcircuit asimetric

50

51

Protecţia instalaţiilor electrice cu ajutorul siguranţelor fuzibile se face confruntând "caracteristica termică" a echipamentului protejat cu "caracteristica de protecţie" a siguranţei alese. Caracteristica termică a unui echipament (dintr-o instalaţie electrică) este curba care reprezintă dependenţa dintre timpul în cursul căruia temperatura părţii celei mai încălzite (a echipamentului) atinge valoarea limită admisibilă θadm şi valoarea intensităţii supracurentului (kxIN) care o produce.

În fig.3.4, în "zona" 1 se află caracteristica termică a echipamentului protejat, iar în "zona" 2 se află caracteristica de protecţie a siguranţei fuzibile alese. Poziţionarea ilustrată în fig.3.4 (unde zona 2 este mereu sub zona 1) caracterizează o bună protecţie a echipamentului electric avut în vedere. Punctele care determină caracteristicile "termică" şi "de protecţie" sunt cuprinse în interiorul ariilor haşurate, ele fiind stabilite ca medii ale multor determinări experimentale. Din cauza erorilor de măsurare şi de calibrare a elementelor fuzibile, cât şi datorită variaţiei temperaturii mediului ambiant se impune ca, întotdeauna, caracteristica de protecţie a siguranţei fuzibile să nu fie prea apropiată de caracteristica termică a echipamentului protejat şi, în nici un caz, cele două caracteristici nu trebuie să se intersecteze !!!

3.1.3. Construcţia siguranţelor fuzibile

Din punct de vedere constructiv, siguranţele fuzibile se execută în două variante: 1) deschise, când arcul electric este stins în aer liber şi 2) închise, atunci când arcul electric este stins într-un tub (din fibră sau din porţelan) închis la capete, cu sau fără umplutură de nisip.

Evoluţia constructivă a siguranţelor fuzibile este prezentată în figura 3.5.Primele siguranţe s-au realizat în construcţie deschisă, fuzibilul fiind alcătuit

dintr-un fir de plumb (sau aliaje ale plumbului cu staniu), zinc, cupru sau argint (fig.3.5a). Fuzibilele realizate din metale cu punct de topire scăzut (plumbul având punctul de topire la 200 gradeC, iar zincul la 420 gradeC) permit ca temperatura totală a siguranţei să fie menţinută la un nivel scăzut. Pe de altă parte, un astfel de fuzibil, cu o

Fig.3.4 Protecţia cu siguranţe fuzibile1 = zona caracteristicii termice

2 = zona caracteristicii de protecţie

Fig.3.3 Caracteristica de protecţie t = f(I)1 = siguranţă rapidă; 2 = siguranţă

lentă; 3 = siguranţă ultrarapidă

52

conductivitate electrică relativ mică, în cazul curenţilor mari trebuia să aibă o arie mare a secţiunii transversale, necesitând un volum mare de material.

Următoarea etapă în construcţia siguranţelor a constat în realizarea elementelor fuzibile din fire de cupru sau argint, introduse în interiorul unor tuburi dielectrice deschise la capete (fig.3.5b). În comparaţie cu plumbul şi zincul, fuzibilele din cupru şi argint pot fi realizate cu secţiune transversală mai mică. În schimb, ele se caracterizează printr-o temperatură de topire ridicată şi, în consecinţă, siguranţele sunt supuse unei creşteri înalte a temperaturii. Folosirea a două sau mai multe fuzibile în paralel determină creşterea suprafeţei de răcire a fuzibilului şi asigură utilizarea mai eficientă a siguranţei.

Pentru creşterea puterii de rupere, s-au dezvoltat siguranţele fuzibile închise la capete, fără material de umplutură (fig.3.5c), sau umplute cu nisip de cuarţ (fig.3.5d). Nisipul de cuarţ are un puternic efect de răcire a coloanei arcului şi favorizează deionizarea şi stingerea rapidă a arcului electric. Creşterea în continuare a puterii de rupere şi a rapidităţii de acţionare a siguranţelor fuzibile cu umplutură de nisip a fost posibilă numai prin înlocuirea firelor rotunde cu benzi subţiri, gâtuite, din cupru sau argint (fig.3.5e). În construcţia siguranţelor ultrarapide s-a impus fuzibilul de tip "sită" (fig.3.5f), format dintr-o bandă fuzibilă în care s-au practicat perforaţii, aliniate în şiruri longitudinale şi transversale. Practic, în acest mod se obţin mai multe întreruperi în serie, ceea ce provoacă o creştere rapidă a căderii de tensiune în arc, limitând, astfel, extinderea şi durata arcului electric.

Capacitatea de întrerupere a curenţilor de suprasarcină, când siguranţa nu are un efect limitativ, se obţine prin mai multe metode: prin desprindere mecanică, prin efect metalurgic sau prin efect chimic. Astfel, în fig3.6a este reprezentat un element fuzibil cu desprindere mecanică, folosit la siguranţele cu ruperea arcului în aer. La trecerea unui curent de suprasarcină de durată, căldura degajată produce topirea aliajului 3, care iniţial era lipit de piesa cu mare capacitate calorică 2 şi realiza legătura dintre cele două fire fuzibile, 1 şi 1'. După aceea, resortul 4, tensionat, va îndepărta elementul fuzibil 1' din poziţia iniţială, determinând formarea arcului de întrerupere. Topirea fuzibilului la o temperatură redusă se poate obţine şi pe baza fenomenului numit "efect metalurgic" (fig.3.6b). Pentru declanşarea acestui fenomen este necesar ca pe elementul fuzibil 6, realizat dintr-un material cu punct de fuziune ridicat, să se prindă, prin lipire, o mică picătură 5 dintr-un aliaj eutectic de Pb, Sn. În cazul unor suprasarcini, atunci când se

Fig.3.5 Evoluţia siguranţelor fuzibile

52

53

atinge temperatura de topire a picăturilor, acestea se topesc şi dizolvă metalul elementului fuzibil în punctul de lipitură, la temperaturi inferioare temperaturii de topire a elementului fuzibil. Procesul de difuzie a metalului picăturii se intensifică odată cu creşterea încălzirii, producându-se o evoluţie în avalanşă, iar arcul care ia naştere în zona picăturii topeşte şi restul fuzibilului. Similar poate fi folosit şi "efectul chimic" (asemănător "efectului metalurgic") la obţinerea inerţiei termice a fuzibilelor.

În continuare vor fi prezentate tipurile reprezentative de siguranţe fuzibile de joasă tensiune.

1. Siguranţe cu filet. Au o capacitate medie de rupere şi sunt folosite atât în instalaţiile casnice, cât şi în cele industriale. Sunt caracterizate de tensiuni nominale de maxim 1000 V şi curenţi nominali de 10 - 100 A. Siguranţele cu filet pot fi de tipul LS (legătură spate), montate pe panouri izolante şi prevăzute cu şuruburi de contact, de tipul LF (legătură faţă), la care bornele de contact sunt accesibile prin partea din faţă a panoului, acoperite cu un capac demontabil de porţelan şi de tipul LFI, pentru instalaţii industriale. Ele sunt formate din soclu, patron şi capac filetat.

2. Siguranţe cu element inamovibil. Au curentul nominal în plaja 100-600 A şi sunt folosite în circuite de putere cu tensiuni de până la 500 V c.a. şi 440 V c.c. Se caracterizează prin efectul de limitare a curentului şi printr-o mare capacitate de rupere (până la 50 kA).

O astfel de siguranţă este reprezentată în figura 3.7. Carcasa 1 este realizată din porţelan emailat de înaltă tensiune şi conţine un ansamblu constând din elementele fuzibile 2, sudate prin puncte pe discurile care poartă lamelele de contact 3. Tot ansamblul este fixat prin capacele 4, prinse cu şuruburi de carcasă, manşoanele de azbest 5 fiind plasate sub capace, pentru a asigura o etanşare corespunzătoare. Carcasa este umplută cu nisip de cuarţ (curat şi uscat), înconjurând fuzibilul pe toată lungimea lui. Manşoanele de azbest previn pătrunderea umidităţii în carcasă şi absorbţia ei de către nisip. Elementul fuzibil constă din mai multe benzi de cupru, cu grosime de 0,15-0,35 mm şi lăţime de până la 4 mm, prevăzute cu decupările 7 (care reduc aria secţiunii transversale a fuzibilului). Utilizarea mai multor benzi în paralel permite dezvoltarea unor arcuri electrice mai mici, arzând în paralel, care (în acest fel) asigură o mai bună disipare a energiei arcului în volumul de nisip.

Fig.3.6 Siguranţe fuzibile lente:(a) cu desprindere mecanică;

(b) cu efect metalurgic

54

Efectul metalurgic, produs de picătura de staniu 8 (lipită pe fiecare bandă a fuzibilului), este utilizat pentru scăderea temperaturii siguranţei în cazul suprasarcinilor mici. Drept rezultat, punctul de topire al benzii scade la 475gradeC, iar creşterea de temperatură a siguranţei rămâne în limite acceptabile.

3. Siguranţe ultrarapide cu element inamovibil. Au o capacitate mică de rupere şi sunt utilizate la tensiuni de până la 550 V, având curenţii nominali în plaja 0,1 - 40 A (curentul prezumat întrerupt fiind mai mic de 2 kA).

Sunt în construcţie deschisă sau închisă şi au fuzibilul cu secţiunea variabilă (în concordanţă cu caracteristica de protecţie cerută). Sunt folosite pe autovehicule, la protecţia circuitelor de comandă şi de automatizare, pentru protecţia instalaţiilor cu dispozitive semiconductoare etc. În cazul redresoarelor, siguranţele pot fi instalate atât pe partea de c.a. (cu UN 380 V), cât şi pe partea de c.c. (cu UN 400 V).

4. Siguranţe cu mare putere de rupere (MPR). Se construiesc cu tensiuni nominale de până la 1000 V şi curenţi nominali în domeniul 100 - 1000 A.

Din fig.3.8 se constată că banda fuzibilă 3 prezintă mai multe locuri înguste (secţiuni diminuate), care constituie zonele (a) în care banda fuzibilă se va topi la trecerea curentului de scurtcircuit. În zona centrală (b) se depune pe banda fuzibilă un aliaj eutectic de staniu-plumb 6, pentru obţinerea efectului metalurgic. În această zonă, banda se va topi la trecerea unui curent de suprasarcină de (1,5 - 10)IN, fără însă a limita amplitudinea curentului, după o caracteristică dependentă. În schimb, curentul de scurtcircuit va fi limitat (ca amplitudine) prin topirea elementului înlocuitor. Elementul înlocuitor se introduce în contactele fixe prin cuţitele de contact 1 şi 2. Elementul fuzibil 3 este înconjurat de nisipul de cuarţ 5, introdus prin vibrare în carcasa din material plastic 4. Introducerea şi scoaterea elementului fuzibil în/din suport se realizează cu ajutorul unui mâner izolant detaşabil.

Siguranţele MPR se construiesc pentru curenţi nominali de 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500 şi 630 A c.a. şi, respectiv, pentru 250 şi 400 A c.c.

3.1.4. Calibrarea siguranţelorProtecţia cu siguranţe se bazează pe efectul Joule la trecerea curentului electric

prin fuzibil. În acest context se definesc următoarele valori ale curentului:1. Curentul nominal (al siguranţei fuzibile) este acea valoare a intensităţii

curentului la care fuzibilul poate funcţiona timp nelimitat, fără a se topi;2. Curentul minim de topire reprezintă valoarea minimă a intensităţii

curentului care, trecând prin fuzibil, îi produce topirea (în regim permanent).

Fig.3.7 Siguranţă cu element inamovibil

Fig.3.8 Siguranţă fuzibilă de mare putere

54

55

La orice siguranţă fuzibilă de joasă tensiune, între cei doi curenţi există relaţia:

Calibrarea siguranţelor (adică stabilirea valorii curentului , cât şi alegerea lor) se face în raport de categoria consumatorului protejat şi de valoarea caracteristică a curentului consumatorului.

1. Pentru protecţia liniiilor electrice aeriene care alimentează consumatori casnici, curentul In sig trebuie ales mai mic decât curentul nominal InL al liniei pentru regimul permanent de funcţionare, utilizându-se relaţia:

(3.1)

după care, se alege siguranţa cu valoarea standardizată cea mai apropiată.2. Pentru protecţia motoarelor electrice se are în vedere supracurentul de pornire

Ip. Astfel, în cazul pornirilor uşoare se recomandă ca:

(3.2)

pe când în cazul motoarelor electrice cu porniri grele trebuie ca:

(3.3)

3. Pentru protecţia condensatoarelor destinate îmbunătăţirii factorului de putere se recomandă relaţia:

(3.4)4. Pentru protecţia elementelor semiconductoare se utilizează, în exclusivitate,

numai siguranţe ultrarapide, recomandându-se relaţia de calcul:(3.5)

În mod practic, la fiecare din cazurile prezentate mai sus, siguranţa se alege (din seria constructivă de siguranţe fuzibile) ca având valoarea normalizată (standardizată) a curentului cât mai apropiată de valoarea calculată cu relaţiile de aproximare.

În general, folosirea siguranţelor fuzibile prezintă o multitudine de avantaje tehnico-economice. Astfel, siguranţele fuzibile sunt cele mai ieftine echipamente de protecţie, nu necesită întreţinere, nu prezintă pericol de explozie sau incendiu, realizează întreruperea unui circuit electric mai rapid decât întreruptoarele, limitând valoarea curentului de scurtcircuit. În acelaşi timp, principalele dezavantaje ale utilizării siguranţelor fuzibile sunt: timpul relativ mare pentru înlocuirea fuzibilului, o caracteristică de protecţie nereglabilă şi necontrolabilă, o funcţionare influenţată de temperatura mediului ambiant (şi de stările anterioare producerii scurtcircuitului), riscul deconectării doar a unei singure faze etc.

Cu toate acestea protecţia cu siguranţe fuzibile a instalaţiilor, a motoarelor şi a echipamentelor electrice are o puternică susţinere economică, în unele cazuri ele putând înlocui aparate electrice sofisticate şi mult mai costisitoare.

3.2. CONTACTOARE ELECTROMAGNETICE

Conform definiţiei, contactorul este un aparat cu comutaţie mecanică, acţionataltfel decât manual (cu tije şi came, pneumatic, electromagnetic etc.), dar care are o singură poziţie de repaus. Contactorul trebuie să fie capabil să închidă, să suporte şi să

56

întrerupă curenţii în toate regimurile de funcţionare normală a circuitelor electrice (inclusiv supracurenţii de pornire ai motoarelor electrice). Din acest punct de vedere, orice contactor este destinat a efectua un număr mare (105 ... 106) de comutaţii sub sarcină şi un număr şi mai mare (107) de comutaţii fără sarcină.Contactorul electromagnetic este acţionat de un electromagnet (de c.c. sau de c.a.).

Funcţional, orice contactor are rolul de a conecta (sau deconecta) un circuit la darea unei comenzi şi de a-l menţine în starea respectivă, atâta timp cât durează comanda. Aşadar, contactele unui contactor pot fi "normal deschise" şi/sau "normal închise", cu următoarele semnificaţii (la contactoarele electromagnetice):

- contactul "normal deschis" (ND) este contactul care se află deschis când aparatul este în stare de repaus (adică, în lipsa curentului în bobina de excitaţie a electromagnetului). Acest contact se va stabili, adică va deveni închis, la alimentarea excitaţiei.

- contactul "normal închis" (NI) este contactul care se află închis atunci când aparatul este în stare de repaus. Acest contact se va deschide la alimentarea excitaţiei.Contactorul care are contactele principale "normal închise" este numit "ruptor".

În continuare se face referire numai la contactoarele (ruptoarele) electromagnetice. Pentru acestea există mai multe criterii de clasificare. Astfel:

1. După felul reţelei în care funcţionează, contactorul poartă denumirea de contactor de curent alternativ sau de contactor de curent continuu.

2. După modul de stingere a arcului electric (care apare între elementele de contact) se deosebesc contactoare "în aer" şi contactoare "în ulei".

3. După cinematica armăturii (purtătoare a contactelor principale), contactoarele se pot clasifica în:

- contactoare "cu mişcare de translaţie" a contactelor mobile şi a electromagnetului (cazul contactoarelor de curent alternativ);

- contactoare "cu mişcare de rotaţie" a echipajului mobil (cazul contactoarelor de curent continuu);

- contactoare "cu mişcare combinată", de rotaţie şi translaţie (cazul contactoarelor de curent alternativ pentru curenţi mari).

În prezent, construcţia de contactoare electromagnetice (de c.c. şi de c.a.) este tipizată şi standardizată, în funcţie de diversele grade de protecţie şi de aplicaţiile caracteristice în care sunt folosite. Din acest punct de vedere se deosebesc:

a. Contactoare electromagnetice folosite în circuite de c.a., cu simbolurile:- AC1, utilizat la comanda receptoarelor cu sarcini electrice neinductive sau slab

inductive (cuptoare electrice cu rezistenţe);- AC2, utilizat la pornirea motoarelor asincrone cu inele şi la frânarea în

contracurent;- AC3, utilizat la demarajul motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit şi la

oprirea motoarelor lansate;- AC4, folosit la pornirea motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit, la mersul

cu şocuri şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor.b. Contactoare electromagnetice utilizate în circuite de c.c., cu simbolurile:- DC1, folosit la comanda diferitelor receptoare cu sarcini neinductive sau slab

inductive (cuptoare cu rezistenţă);- DC2, utilizat la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie derivaţie şi la oprirea

56

57

acestor motoare în plin mers;- DC3, utilizat la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie derivaţie, la mersul cu

şocuri şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor;- DC4, folosit la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie serie şi la oprirea acestor

motoare în plin mers;- DC5, utilizat la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie serie, la mersul cu şocuri

şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor.

3.2.1. Construcţia contactoarelor electromagnetice

Din punct de vedere constructiv, la orice contactor distingem următoarele părţi:1. Elementul motor (sau sistemul de acţionare). Este cel care asigură deplasarea

contactelor mobile. La contactorul electromagnetic elementul motor este un electromagnet. Electromagnetul de acţionare poate fi alimentat cu tensiune alternativă (în cea mai mare parte a cazurilor) sau cu tensiune continuă.

2. Contactele principale (fixe şi mobile). Acestea, împreună cu bornele de intrare şi de ieşire, căile de curent şi punţile conductoare, sunt cele care asigură continuitatea circuitului principal. Numărul lor este multiplu de trei (în cazul contactoarelor de curent alternativ trifazat) sau de doi (în cazul contactoarelor de curent continuu). Ele sunt robuste, încât să reziste la frecvenţe mari şi la un număr cât mai ridicat de manevre.

3. Camerele de stingere. Au rolul de a activa stingerea arcului care apare între contactele principale. La contactoarele de curent continuu se folosesc camere de stingere bazate pe principiul deionizării (în contact cu pereţii reci), asociat cu suflajul magnetic. La contactoarele de curent alternativ camerele de stingere funcţionează pe baza principiului efectului de electrod asociat cu efectul de nişă.

4. Contactele auxiliare. Acestea, împreună cu bornele şi căile de curent aferente, sunt cuplate mecanic cu contactele principale. Ele pot fi normal închise şi/sau normal deschise şi sunt folosite în circuitele auxiliare ale contactorului. Contactele auxiliare sunt necesare menţinerii sub tensiune a bobinei electromagnetului, semnalizării şi asigurării interblocajului comenzilor.

5. Releele de protecţie. Cel mai frecvent, la contactoarele electromagnetice sunt utilizate relee termice (termobimetalice) şi relee electromagnetice. (Ele vor fi tratate în subcapitolele următoare ale lucrării.)

6. Carcasa aparatului şi sistemul de prindere sunt formate din ansamblul de piese izolante şi metalice care asigură protecţia, ghidajul şi fixarea aparatului în poziţia normală de funcţionare, cât şi izolarea electrică a tuturor pieselor sub tensiune (între ele şi faţă de masă).

58

Toate aceste elemente se regăsesc în fig.3.9 şi 3.10, în care sunt schiţate două tipuri constructive de contactoare electromagnetice.

În fig.3.9 este reprezentată schema contactorului cu mişcare de rotaţie, cu o singură întrerupere, folosit, de regulă, în circuitele de curent continuu. Elementul motor este electromagnetul cu armătura fixă 4, pe care este plasată înfăşurare de excitaţie 5 şi armătura mobilă 3. Când bobina electromagnetului este parcursă de curent, armătura fixă 4 atrage armătura mobilă 3 (solidară cu contactul mobil 2), care se deplasează până la închiderea acesteia peste contactul fix 1. În acest fel, calea de curent, de la A la B, se închide prin contactul fix, contactul mobil şi legătura flexibilă 8. La întreruperea alimentării electromagnetului, sub acţiunea resortului antagonist 7, armătura mobilă revine în poziţia iniţială, iar arcul electric ce ia naştere între contactele principale 1 şi 2 se stinge în interiorul camerei de stingere 6. Utilizarea acestui tip de contactor în circuitele de curent continuu este determinată de realizarea unei distanţe relativ mari între contacte (deci, o alungire mare a arcului electric) la o distanţă relativ mică (de 4-10 mm) a întrefierului electromagnetului. Circuitul magnetic este de tip clapetă, cu armătura mobilă sprijinită pe o prismă (pentru asigurarea unei rezistenţe mari la uzură).

Fig.3.9 Contactor electromagneticcu o singură întrerupere

58

59

În fig.3.10 este reprezentat un contactor cu mişcare de translaţie, cu dublă întrerupere, folosit în circuitele de curent alternativ. Aici, elementul motor este un electromagnet monofazat cu spiră în scurtcircuit, cu armătura fixă 8, înfăşurarea de excitaţie 6 şi armătura mobilă 5. Alimentarea bobinei 6 (pe la bornele 7) determină atragerea armăturii 5 şi, odată cu ea, a casetei izolante 11. În acest mod, puntea conductoare 9 (pe care se găsesc câte două contacte mobile 1) stabileşte cele două contacte (contactele fixe fiind notate cu 2), realizând astfel continuitatea circuitului principal, între bornele 3. Resortul 10 (comprimat în interiorul casetei 11) realizează presiunea de contact necesară contactelor principale. Invers, la întreruperea alimentării electromagnetului, sub acţiunea resoartelor antagoniste 4, armătura mobilă revine în poziţia iniţială, întrerupând circuitul principal al contactorului. Avantajele acestei variante constructive sunt legate de întreruperea circuitului (pe fiecare fază) în câte două locuri şi de eliminarea legăturilor flexibile.

Uzual, astfel de contactoare sunt destinate conectării motoarelor electrice de c.a., a reostatelor de pornire si reglaj, dar şi pentru diverse comutaţii în reţelele de forţă şi de iluminat (de c.a.).

3.2.2. Comanda contactoarelor

În mod obişnuit, contactoarele sunt comandate printr-un buton dublu de acţionare (format din înserierea a două contacte, unul normal deschis iar celălalt normal închis, prevăzute cu revenire), alimentarea bobinei electromagnetului făcându-se fie în c.a. (cu tensiunea de linie 380 V sau de fază 220 V), fie de la o sursă de curent continuu (un redresor), în funcţie de tipul acestuia.

Fig.3.10 Contactor electromagneticcu dublă întrerupere

60

În fig.10.11 este prezentată schema electrică de conectare a unui contactor trifazat, echipat cu electromagnet de curent alternativ, cu buton dublu de comandă. Schema se numeşte "de lucru" şi se caracterizează prin faptul că toate contactele contactorului sunt grupate pe acelaşi ax (aşa cum sunt şi în realitate). Prin apăsarea butonului de acţionare b1 (şi, deci,închiderea contactului 1-2) este alimentată (cu tensiunea de fază UR0) bobina BC a electromagnetului contactorului. Aceasta va determina atragerea armăturii şi, pe cale de consecinţă, închiderea contactelor principale 5-6, 7-8, 9-10 (care vor permite alimentarea consumatorului pe la bornele A, B şi C). Simultan cu contactele principale se închide şi contactul de automenţinere 11-12 (în paralel cu contactul 1-2 al butonului de pornire), prin care se asigură menţinerea sub tensiune a bobinei BC (a electromagnetului) şi după revenirea (în poziţia deschis) a butonului de pornire b1. Deconectarea consumatorului de la reţea se face prin intermediul butonului de oprire b2, care va întrerupe alimentarea bobinei contactorului, prin deschiderea contactului 3-4.

Fig.3.11 Schema de conexiuni a contactoruluitrifazat cu electromagnet de c.a.

60

61

În anumite situaţii (de exemplu, la consumatorii cu şocuri mari de curent) se recomandă ca electromagnetul de acţionare să fie de curent continuu. Astfel, în fig.3.12 este reprezentată schema electrică de conectare a unui contactor trifazat de curent alternativ, echipat cu electromagnet de curent continuu, alimentat prin intermediul unui redresor monofazat.

De această dată, bobina electromagnetului se poate dimensiona economic, deoarece, în poziţia "închis", forţa dezvoltată de electromagnet (la întrefier minim) este maximă şi mult prea mare faţă de necesarul pentru asigurarea presiunii de contact. De aceea, în schemă este prevăzută rezistenţa economizoare Re, legată în serie cu contactul de automenţinere 11-12. În momentul închiderii butonului b1, bobina BC a electromagnetului este parcursă de curentul maxim, iar după momentul eliberării butonului b1, bobina BC fiind alimentată prin contactul de automenţinere 11-12 înseriat cu rezistenţa economizoare Re, va fi parcursă de un curent mai mic.

În fig.3.13 este prezentată schema electrică de conectare a unui contactor bipolar de curent continuu. Întrucât contactorul este echipat cu un electromagnet de curent continuu, în schemă este prevăzută rezistenţa economizoare Re, care are rolul de a diminua curentul prin bobina de excitaţie BC. Astfel, în poziţia "deschis" a contactorului,

Fig.3.12 Schema de conexiuni a contactoruluitrifazat cu electromagnet de c.c.

Fig.3.13 Schema de conexiuni a contactoruluide curent continuu

62

rezistenţa Re este scurtcircuitată de contactul auxiliar normal închis 11-12 al contactorului. În momentul închiderii butonului de pornire b1 curentul care parcurge bobina BC are o valoare iniţială mare, fiind limitat doar de rezistenţa bobinei. După momentul acţionării, se deschide contactul auxiliar 11-12 şi se închide contactul de automenţinere 9-10, încât curentul prin bobina BC va fi limitat şi de rezistenţa Re.

Toate schemele electrice prezentate aici pot fi completate şi cu circuite de semnalizare, formate din becuri înseriate cu contactele auxiliare (normal închise sau normal deschise) ale contactorului. Acestea vor semnaliza poziţia sau "starea" (acţionat sau în repaus) în care se află contactorul.

3.2.3. Scheme cu protecţii şi semnalizări incluse

În execuţie normală, contactorul electromagnetic propriu-zis nu este un echipament de protecţie. Dacă însă, în serie, în circuitul contactelor principale se conectează atât siguranţe fuzibile, cât şi relee termobimetalice şi/sau relee electromagnetice, contactorul electromagnetic va îndeplini şi funcţia de echipament de protecţie împotriva supracurenţilor. Aceste relee pot fi montate individual (câte unul pe fiecare fază) sau se pot realiza sub forma unor blocuri de câte trei relee termobimetalice, respectiv electromagnetice. Pentru protecţia împotriva scurtcircuitelor, contactoarele sunt asociate cu siguranţe fuzibile. Pentru protecţia împotriva scăderii sau dipariţiei tensiunii, contactoarele pot fi prevăzute cu relee minimale de tensiune, dar, în mod uzual, acest rol este îndeplinit chiar de bobina contactorului, care îşi va elibera armătura mobilă, atunci când tensiunea scade sub 0,7 UN. În plus, pe acelaşi tablou (sau panou electric) lângă contactoare pot fi montate şi alte relee. Acestea, legate electric, vor asigura corelaţia cu anumiţi parametri fizici (deplasarea, sens mişcare, temperatura, presiunea etc.) controlaţi sau vor realiza o anumită temporizare (cu relee de timp) în acţionarea contactoarelor din schemele de automatizare.

În acest context, ansamblul format din contactorul electromagnetic şi din relee de protecţie constituie echipamentul electric cel mai des utilizat pentru comanda şi protecţia motoarelor electrice. Comanda acestora se poate face manual sau de la distanţă (printr-un dublu buton de acţionare).

În prezent, majoritatea contactoarelor cu relee de protecţie se execută în varianta cu "contactele în aer", fiind prevăzute şi cu contacte auxiliare (atât normal deschise "ND", cât şi normal închise "NI"). Dintre contactele auxiliare, un contact normal deschis are întotdeauna rolul de automenţinere, iar celelalte contacte auxiliare se folosesc fie pentru semnalizare, fie pentru interblocaje. Există, încă, în exploatare contactoare de curent alternativ în ulei, la care atât electromagnetul, cât şi contactele (principale şi auziliare) se găsesc într-o baie de ulei. Utilizarea lor este, însă, limitată (la domenii restrânse), din cauza pericolului de explozie.

Datorită multiplelor posibilităţi de utilizare, contactoarele electromagnetice cu relee de protecţie se întâlnesc într-o mare varietate de scheme electrice. Acţionarea lor se face cu electromagneţi de curent alternativ sau cu electromagneţi de curent continuu (alimentaţi de la o sursă independentă de c.c. sau de la o punte redresoare).

În plus, schemele electrice de forţă, de comandă, de protecţie şi de semnalizare realizate cu contactoare electromagnetice (cu relee) se pot reprezenta grafic în mai multe moduri. Cele mai frecvente sunt 1) schema completă (de lucru) şi 2) schema funcţională

62

63

(sau desfăşurată).Schema completă se caracterizează prin faptul că toate elementele componente

din circuitul electric (contactele principale, contactele auxiliare, releele, bobina de comandă etc.) sunt grupate împreună, aşa cum sunt ele în realitate.

În schimb, schema funcţională reproduce legăturile electrice dintre elementele componente (în ordine funcţională), reprezentându-se separat circuitele de forţă şi separat circuitele de comandă, de automenţinere, de protecţie, de semnalizare etc.

Pentru exemplificare, se va considera cazul concret al unui motor asincron trifazat M (fig.3.14), alimentat printr-un contactor electromagnetic prevăzut cu un bloc de relee termobimetalice e1, un bloc de relee electromagnetice e2 şi siguranţele fuzibile f1, f2, f3. Comanda se realizează cu două butoane de acţionare b1 şi b2. În fig.3.14 este reprezentată schema completă, în care bobina electromagnetului de acţionare BC (de c.a.) este alimentată cu tensiunea de fază URO. În schemă apar contactele principale (ale contactorului) 1-2, 3-4, 5-6; contactul ND de automenţinere 11-12; contactele: normal închis (NI) 13-14 şi normal deschis (ND) 15-16 (conectate în circuitele de semnalizare); blocul de protecţie termică e1 cu acţiune asupra contactului normal închis 7-8; blocul de protecţie electromagnetică e2 cu acţiune asupra contactului normal închis 9-10; siguranţele fuzibile f1, f2, f3; lămpile de semnalizare L1, L2; butonul de pornire (cu revenire) b1; butonul de oprire (cu revenire) b2 şi motorul asincron trifazat M.

Funcţionarea schemei. Atunci când motorul nu este conectat (butonul b1 n-a fost

Fig.3.14 Schema electrică completă (cu electromagnet de c.a.)

64

încă apăsat), lampa L1 este alimentată între o fază (R) şi nulul (O) prin contactul normal închis 13-14 şi semnalizează (este aprinsă) această poziţie.

Pentru conectarea motorului la reţea se apasă butonul de pornire b1, iar bobina BC (a contactorului) va fi alimentată între faza R şi nulul O (prin contactele butoanelor b2, b1

şi prin contactele normal închise 7-8 şi 9-10 ale celor două blocuri de protecţie). Drept urmare, are loc atragerea armăturii electromagnetului contactorului, ceea ce va conduce la alimentarea motorului asincron M prin contactele principale 1-2, 3-4 şi 5-6 (ale contactorului). Prin închiderea contactului ND (de automenţinere) 11-12, revenirea butonului de pornire b1 nu va conduce la întreruperea alimentării bobinei electromagnetului. În acelaşi timp, prin schimbarea poziţiei contactelor NI 13-14 şi ND 15-16 se întrerupe alimentarea lămpii L1 (care se stinge) şi simultan se conectează lampa L2 care, aprinzându-se, va semnaliza funcţionarea motorului.

Pentru oprirea voită (întreruperea alimentării) a motorului se apasă butonul b2. Prin această manevră se întrerupe alimentarea bobinei electromagnetului şi, drept consecinţă, armătura cu toate contactele contactorului vor reveni în poziţia iniţială.

În cazul unei suprasarcini, în funcţie de mărimea supracurentului, poate acţiona temporizat protecţia termică e1 (deschizând contactul NI 7-8) sau poate acţiona instantaneu protecţia electromagnetică e2 (prin deschiderea contactului NI 9-10), întrerupând alimentarea bobinei contactorului, ceea ce va conduce la deconectarea motorului de la reţea.

În caz de scurtcircuit, într-un timp foarte scurt vor acţiona siguranţele fuzibile (f1, f2, f3), montate în amonte de contactele principale, întrerupând astfel alimentarea motorului.

Protecţia împotriva scăderii tensiunii la borne este asigurată intrinsec, chiar de bobina contactorului. Electromagnetul acestuia va dezvolta o forţă activă (de atracţie)

Fig.3.15 Schema funcţională corespunzătoare schemei complete

64

65

mai mică decât forţa rezistentă, atunci când tensiunea de alimentare scade. Uzual, dacă U= 0,7UN armătura electromagnetului "cade", contactele principale (ale contactorului) se deschid, iar motorul va fi deconectat de la reţea.

Aceeaşi schemă (de conectare şi de protejare a motorului M) poate fi reprezentată sub forma de schemă desfăşurată (funcţională), ca în fig.3.15. De această dată s-au reprezentat separat circuitul de forţă (cu linie groasă, în stânga figurii) şi separat circuitul de comandă, circuitul de automenţinere şi circuitele de semnalizare (cu linie mai subţire, în partea dreaptă a figurii). Citirea funcţionării schemei din fig.3.15 se face în mod identic cu a schemei din fig.3.14. În plus, ea prezintă avantajul reprezentării separate a circuitelor, ceea ce uşurează mult înţelegerea.

3.3. ÎNTRERUPTOARE DE PUTERE DE JOAS TENSIUNE

Întreruptoarele de putere de j.t. sunt acele echipamente electrice cu comutaţie mecanică capabile să suporte, să închidă şi să deschidă (dar cu frecvenţă scăzută) curenţii din regimurile normale ale circuitelor electrice şi să întrerupă automat (să deschidă cu sau fără temporizare) circuitele în cazuri de avarii (la supracurenţi prelungiţi, la scurtcircuite, la scăderea sau dispariţia tensiunii la borne etc.).

Construcţiile moderne de întreruptoare automate sunt de tipul disjunctor, adică numai cu declanşarea (deschiderea) automată, închiderea (sau armarea) făcându-se manual sau prin comandă de la distanţă. La acestea, funcţia de protecţie împotriva defectelor este asigurată prin echiparea întreruptoarelor cu declanşatoare automate, sensibile la fiecare tip de defect.

Întreruptoarele automate de putere sunt folosite cu precădere la protecţia reţelelor electrice de distribuţie (în general) şi la protecţia motoarelor electrice (în particular). Asociate cu siguranţe fuzibile cu mare putere de rupere (MPR), întreruptoarele asigură (în plus) şi un puternic efect de limitare a curenţilor de scurtcircuit.

Ceea ce deosebeşte întreruptoarele automate de contactoare este faptul că, după armare, întreruptoarele automate rămân în poziţia închis, fiind menţinute de un mecanism propriu de "zăvorâre", de tip mecanic sau de tip electromagnetic. În situaţii de defect (avarii), asupra acestui mecanism acţionează "declanşatoarele". Ele pot fi cu acţiune temporizată (cele termobimetalice) sau cu acţiune instantanee (precum declanşatoarele electromagnetice şi cele de tensiune minimă). Acestea, prin "deszăvorârea" mecanismului, vor "elibera" energia elementului motor care, prin deplasare, va deschide contactele principale, întrerupând astfel circuitul.

Întreruptoarele automate de putere pot fi de c.a. sau de c.c. şi pot fi clasificate după diferite criterii (constructive sau funcţionale). Astfel:

1. După numărul polilor (sau al contactelor principale comutate simultan) se disting: întreruptoare monopolare, bipolare şi întreruptoare tripolare;

2. După mediul de stingere a arcului electric se deosebesc: întreruptoare cu stingere în aer şi întreruptoare cu stingere în ulei;

3. Din punct de vedere constructiv (al gradului de protecţie) putem avea: întreruptoare în execuţie deschisă (universale) şi întreruptoare automate capsulate în carcasă izolantă (din ebonită sau din material plastic);

4. După mărimea timpului propriu de deschidere (de declanşare automată), td, întreruptoarele automate de putere se împart în patru categorii:

66

a) întreruptoare automate ultrarapide (cu td < 4 ms); b) întreruptoare automate rapide (cu td < 40 ms);c) întreruptoare automate selective (cu td < 0,5 s);d) întreruptoare automate temporizate (cu td > 1,0 s).

3.3.1. Elemente constructive

Indiferent de tip, de mediu de stingere sau grad de protecţie, la toate întreruptoarele automate de joasă tensiune se regăsesc, în principiu, aceleaşi elemente constructive. Principalele elemente componente (părţi constructive) pot fi identificate (şi localizate) în fig.3.16 unde, ca exemplu, s-a reprezentat schema bloc a unui întreruptor trifazat de j.t. Denumirea şi poziţionarea funcţională (cu referire la fig.3.16), cât şi descrierea lor sunt date în continuare. Acestea sunt:- organul motor (electromagnet sau motor de acţionare), notat cu OM;- contactele principale (fixe şi mobile), poz.1;- camera de stingere a arcului electric;- contactele auxiliare (cuplate mecanic cu cele principale), poz.2;- declanşatoarele electromagnetice (poz.4), termice (poz.3) şi de tensiune (poz.5);- mecanismul de zăvorâre (sau broasca întreruptorului), poz.6;- carcasa aparatului cu sistemul de prindere (fixare).

1. Contactele principale (poz.1). În funcţie de capacitatea de rupere a întreruptorului, pe fiecare fază putem avea un singur contact sau un grup de mai multe contacte care lucrează în paralel. De exemplu, la întreruptoarele trifazate de joasă tensiune cu mare capacitate de rupere pot exista (pe fiecare fază) câte una sau două grupe de contacte, fiecare grupă constând din trei contacte legate în paralel: contactele de lucru, contactele de stingere şi contactele de uzură. Pe de altă parte, tipul contactului depinde de tipul întreruptorului. Astfel, la întreruptoarele cu rol de selectare a defectelor, la care curenţii de scurtcircuit ajung la 30-40 kA, contactele se realizează astfel încât forţele electrodinamice să fie antagoniste forţelor de repulsie din contact şi, ca urmare, forţa de apăsare în contact să varieze puţin la creşterea curentului. La întreruptoarele limitatoare de curent (care trebuie să aibă o viteză mare de deschidere a contactelor) contactele principale se construiesc în aşa fel încât forţele electrodinamice să le accelereze deschiderea.

2. Camerele de stingere. La majoritatea întreruptoarelor automate de joasă tensiune de curent alternativ, întreruperea arcului electric se realizează în camere de

Fig.3.16 Schema bloc a întreruptorului de putere

66

67

stingere. Acestea funcţionează după principiul efectului de electrod combinat cu efectul de nişă sau cu suflajul magnetic.

3. Contactele auxiliare (poz.2). Sunt cuplate mecanic cu contactele principale şi se folosesc în circuitele secundare de comandă, de semnalizare şi de interblocaje ale întreruptorului.

4. Elementul sau organul motor (OM). Este subansamblul cu ajutorul căruia se produce şi se acumulează energia necesară acţionării întreruptorului. Acesta poate fi un electromagnet, un motor electric de acţionare, un dispozitiv pneumatic. Electromagneţii de acţionare se deosebesc de cei ai contactorelor prin faptul că trebuie să dezvolte o forţă mare într-un timp foarte scurt, fiind dimensionaţi în mod corespunzător.

5. Mecanismul (sau broasca) întreruptorului (poz.6). Are următoarele funcţiuni:- menţine întreruptorul închis şi zăvorăşte energia, acumulată într-un resort,

necesară operaţiei de deschidere automată a întreruptorului;- asigură declanşarea întreruptorului, folosind o energie minimă; - asigură declanşarea liberă (încât deschiderea contactelor întreruptorului sub

acţiunea declanşatoarelor să nu poată fi blocată prin nici o acţiune din afară asupra sistemului de acţionare al întreruptorului);

- asigură vitezele necesare pieselor mobile de contact, atât la închidere cât şi la deschidere.

Toate aceste funcţiuni sunt realizate cu ajutorul energiei potenţiale acumulate în resorturi elastice şi prin utilizarea de mecanisme cu elemente de tip clichet (rotativ), cu genunchi sau de pârghii în combinaţii potrivit alese.

Anclanşarea întreruptoarelor se poate face manual (local) sau prin comandă de la distanţă, ca urmare a acţiunii unui operator uman sau ca urmare a acţiunii unor relee.

În plus, mecanismul (broasca) întreruptorului trebuie să permită deschiderea contactelor şi la intervenţia directă a operatorului uman şi să menţină ferm întreruptorul în poziţia deschis pe toată durata intervenţiei.

3.3.2. Declanşatoare

Declanşarea întreruptoarelor se face manual (la intervenţia operatorului uman) sau automat (ca urmare a acţiunii unor declanşatoare). Pentru a asigura protecţia circuitelor electrice în care sunt conectate, întreruptoarele automate sunt prevăzute cu următoarele tipuri de declanşatoare:

- declanşatoare termice, care deschid automat circuitul electric controlat, acţionarea fiind temporizată (ea depinzând atât de mărimea curentului, cât şi de timpul de trecere al acestuia); sunt realizate, de obicei, cu lame bimetal şi asigură protecţia la curenţi de suprasarcină;

- declanşatoare la supracurenţi (de obicei, electromagnetice), care asigură automat protecţia împotriva curenţilor de scurtcircuit şi de suprasarcini mari;

- declanşatoare de tensiune, subdivizate în declanşatoare de minimă tensiune (care acţionează atunci când tensiunea circuitului scade sub o anumită valoare limită), în declanşatoare maximale de tensiune şi în declanşatoare de tensiune nulă.

Din punct de vedere constructiv, întreruptoarele compacte de joasă tensiune pot fi echipate şi cu un singur declanşator, dar combinat (termic şi electromagnetic).

Ca principiu, toate declanşatoarele transmit impulsuri mecanice de deschidere

68

către mecanismul de acţionare al întreruptorului, în regimurile anormale (de avarie), atunci când parametrii controlaţi deviază de la valorile lor prestabilite. În acest context, în fig.3.17 se prezintă construcţia şi principiul câtorva tipuri de declanşatoare.

1. Astfel, în fig.3.17 la poz.a se sugerează principiul de funcţionare şi se arată elementele componente de bază ale unui declanşator electromagnetic la supracurenţi. Aici, conductorul (1) din calea de curent corespunzătoare unei faze a întreruptorului trece prin fereastra circuitului magnetic format din miezul (2) şi din armătura mobilă (3). Atunci când curentul depăşeşte valoarea maximă prestabilită a elementului declanşator, forţa dezvoltată de electromagnet (format din calea de curent, din miez şi din armătura mobilă) învinge forţa resortului antagonist (5), iar armătura mobilă se deplasează, rotind axul cu clapeta de declanşare (4). Drept rezultat, mecanismul de acţionare îşi eliberează energia şi are loc declanşarea întreruptorului.

Valoarea curentului de acţionare poate fi stabilită prin reglarea resortului (5).2. În fig.3.17 la poz.b este reprezentat un declanşator de tensiune minimă. El

conţine un electromagnet format din miezul (2), din armătura mobilă (4) şi din bobina de excitaţie (3) alimentată la tensiunea controlată. În condiţii normale de funcţionare (când U > Umin), armătura mobilă este atrasă continuu de miezul electromagnetului. Atunci când tensiunea controlată scade sub valoarea prestabilită (când U < Umin), forţa de atracţie scade, iar armătura mobilă (4) se va desprinde de miez sub acţiunea forţei resortului antagonist (5). La deplasarea armăturii se acţionează asupra mecanismului de deschidere prin intermediul clichetului (6) care, în final, va conduce la declanşarea întreruptorului.

Sistemul magnetic al declanşatorului este astfel dimensionat încât tensiunea magnetomotoare (solenaţia) dezvoltată de bobina electromagnetului să fie insuficientă

Fig.3.17 Tipuri de declanşatoare electromagnetice

68

69

pentru a crea forţa necesară atragerii armăturii mobile, dar, în acelaşi timp, să fie suficient de mare pentru a menţine armătura mobilă în poziţia atras.

Pârghiile articulate (1), care sunt cuplate cu axul de acţionare al întreruptorului servesc la revenirea armăturii mobile în poziţia iniţială (adică, la reînchiderea circuitului magnetic) atunci când întreruptorul este pregătit pentru reanclanşare.

3. În fig.3.17 la poz.c este reprezentat un declanşator de tensiune utilizat pentru deschiderea de la distanţă a întreruptorului. Aici, declanşatorul constă dintr-un electromagnet, la care armătura mobilă este atrasă şi apasă pe un clichet atunci când bobina este alimentată cu tensiunea nominală. Deci, armătura mobilă acţionează asupra mecanismului de deschidere şi realizează declanşarea întreruptorului.

Spre deosebire de declanşatoarele descrise mai sus, în fig.3.18 se ilustrează un declanşator combinat (termic şi electromagnetic).

Protecţia temporizată la suprasarcină este asigurată de declanşatorul termic după următorul modelul: lama bimetal (2) se înconvoaie datorită încălzirii provocate de curentul de suprasarcină şi va împinge axul de declanşare (4), prin intermediul şurubului (3). În schimb, protecţia la scurtcircuit este asigurată de mecanismul electromagnetic de declanşare, care constă din miezul magnetic (7) şi din armătura mobilă (5), dispuse în jurul căii de curent (6). untul electric (1) are doar rolul de a limita (în caz de scurtcircuit) curentul care va trece prin lamela bimetal (2).

3.3.3. Reglarea şi caracteristica de protecţie a întreruptoarelor

Întreruptoarele automate asigură protecţia reţelelor şi a consumatorilor electrici. În acest scop, ele sunt echipate cu declanşatoare sensibile la anumite defecte, precum: supracurenţi, scurtcircuite, scăderea (sau dispariţia) tensiunii de alimentare etc.

Când un consumator electric este protejat cu un întreruptor automat, curentul nominal al întreruptorului trebuie ales mai mare (sau egal) decât curentul nominal al consumatorului. În plus, releele sau declanşatoarele întreruptoarelor trebuie reglate după cum urmează:

- curentul reglat Ir al releelor sau declanşatoarelor termice se fixează la nivelul curentului nominal al consumatorului, pe când

- curentul reglat al releelor sau declanşatoarelor electromagnetice se fixează la valoarea kxIr, unde Ir este curentul reglat al declanşatorului termic, iar k este un factor de multiplicare supraunitar (obişnuit, k = 7 - 8).

Fig.3.18 Declanşator termic şi electromagnetic

70

Curentul nominal al unui întreruptor automat (respectiv, al declanşatorului său termic) este curentul maxim care, parcurgând timp nelimitat întreruptorul, nu provoacă acţionarea declanşatorului termic. În acelaşi context, curentul de reglaj al declanşatorului electromagnetic este curentul minim la care acţionează declanşatorul.

Schema bloc a întreruptorului automat de j.t. de c.a. a fost deja ilustrată în fig.3.16. Îndată ce organul motor (OM) şi-a încheiat cursa, contactele întreruptorului rămân închise datorită zăvorului (sau broaştei) poz.(6), după care (OM) este decuplat automat. Prin închiderea contactelor principale (1) este realizată alimentarea consumatorului. La depăşirea curentului reglat acţionează, după caz, declanşatorul termic (3) sau cel electromagnetic (4) care, prin lovirea zăvorului, provoacă declanşarea (deschiderea) automată a întreruptorului.

În caz de scurtcircuit, întreruperea alimentării consumatorului are loc în urma "arderii" siguranţelor fuzibile. În cazul scăderii sau dispariţiei tensiunii, întreruperea alimentării va fi provocată de declanşatorul de tensiune minimă (5) care, acţionând mecanic asupra zăvorului (6) va conduce la declanşarea întreruptorului.

Caracteristica tipică de protecţie a unui întreruptor automat (cu declanşatoare termice şi electromagnetice şi cu siguranţe fuzibile) este reprezentată în fig.10.19. Pe ea sunt evidenţiate trei porţiuni (zone), după cum urmează:

- porţiunea căzătoare "a" (dependentă de Ir) corespunde zonei de protecţie cu declanşatoare termice;

- porţiunea dreaptă, orizontală "b" (independentă de Ir) corespunde zonei de protecţie cu declanşatoare electromagnetice şi

- porţiunea descendentă "c" (dependentă de Ir) corespunde zonei de protecţie cu siguranţe fuzibile.

Caracteristica de protecţie reprezentată în fig.3.19 corespunde declanşatorului electromagnetic reglat pentru un curent egal cu 10xIr (unde Ir este curentul reglat al declanşatorului termic) şi prezenţei siguranţelor fuzibile.

În absenţa siguranţelor fuzibile se schimbă şi alura caracteristicii de protecţie (în sensul lipsei porţiunii "c" din curba reprezentată în fig.3.19).

În realitate, cu un întreruptor automat (prin reglarea lui Ir şi prin fixarea lui k) se poate obţine orice caracteristică de protecţie dintr-o familie de caracteristici date (cu

Fig.3.19 Caracteristica de protecţie

70

71

limite foarte bine precizate).