Aktuátorok 8. előadás
Villamos aktuátorok
A vezérlő rendszerek azon végrehajtó elemeit, melyek működésükhöz villamos energiát használnak, villamos aktuátorknak nevezzük. Ezek a berendezések a villamos energiát a rendszer vezérléséhez alkalmas alakúra alakítják át. Az aktuátorokat tartalmazó áramkörök rendszerint a következő jellegzetes elemek csoportjaiból állnak: Betáplálóhállózat vagy áramforrás, Vezetékek (tápkábelek), Biztosítékok, Védőelemek, Vezérlőelemek (ki-és bekapcsolás), (villamos)energiaátalakítók (feszültségváltók, frekveciaváltók,...) Különböző szűrő és fojtóelemek, (zavarelhárítás) Végrehajtóelemek.
Az ábrázolt áramkör számozott elemei: 1. Biztosítékok, 2. Hállózati fojtótekercs, 3. Rádiózavar szűrő, 4. Frekvenciaváltó, 5. Motorszűrő és 6. Motor.
1. ábra: Villamos meghajtás frekvencia váltón keresztül
Az áramkörök elemei Biztosítékok A biztosítékok az áramkörök túlterhelés és rövid zárlat elleni védelmére szolgálnak. A védelem módjától függően a következő legismertebb tipusokat különböztetjük meg: olvadó biztosítékok, egyszeri használatra szolgálnak, mivel túl nagy áram esetén az áramot átvezető elemük elolvad, és automata biztosítékok, melyek mechanikusan, érintkezők szétválasztásával szakítják meg az áramkört. Egy ilyen megszakítás után újra képesek végezni feladatukat, csak be kell őket kapcsolni.
Olvadó biztosítékok Az olvadó biztosítékokat ultragyors, gyors és lassú biztosítékokra osztjuk. A felsorolt csoportok az ugyanazon terhelés alatti reakcióidejük szerint különböznek egymástól (az áramkör megszakításának ideje).
Ultragyors biztosítékok (gR) Az ultragyors olvadó betétek (patronok) félvezetők: diódák, tranzisztorok és triakok túlterhelés, illetve rövidzárlat elleni védelmére szolgálnak. Méretezésüknél figyelembe kell venni a megfelelő Jaule integrált (a termelt hő idő szerinti integrálja) az egyes félvezetőkre.
2. ábra: Az ultragyors biztosítékok olvadási karakterisztikái
Gyors biztosítékok (gF) A gyors olvadó betétek (patronok) villamos instalációk vezetékjeinek túlterhelés, illetve rövidzárlat elleni védelmére szolgálnak.
3. ábra: A gyors biztosítékok olvadási karakterisztikái
Lassú biztosítékok (gT) A lassú olvadó betétek (patronok) villamos motorok, átme-netileg túlterhelhető, betápláló áramköreinek védelmére szolgálnak instalációs és védőkapcsolóval kombinálva.
4. ábra: A lassú biztosítékok olvadási karakterisztikái
Az olvadóbiztosítékok betétjeinek formája Különböző alakú betéteket (patronokat) gyártanak, a mun-kafeltételektől és a megszakítandó terheléstől függően.
5. ábra: Az üveg vagy Wickmann biztosíték patron kinézete
6. ábra: A D II biztosíték patron kinézete
7. ábra: A késes biztosíték patron kinézete
8. ábra: A magasfeszültségű biztosíték patron kinézete
Automata biztosítékok Az automata biztosítékokat az elosztó és a motokat vezérlő központokban alkalmazzák. Ezen felül villamos vezetékeket, villamos motorokat és más fogyasztókat védhetnek túlterhelés és rövidzárlat ellen. Megszakítási idejük az I/In arány függvényében adott, ahol I a biztosítékon folyó valós, In pedig a biztosíték névleges árama.
9. ábra: Az automata biztosítékok karakterisztikái
10. ábra: Az automata biztosítékok megszakításikarakterisztikái
11. ábra: Egy automata biztosíték
Vezérlő elemek A vezérlő elemek a villamos aktuátorok áramköreinek részei, a vezérlő jel és a tápláló energia bekapcsolására illetve megszakítására szolgálnak. A vezérlő elemek csoportjába tartoznak a: kapcsolók nyomógombok (taszterek), mágneskapcsolók (kontaktorok), relék, időrelék, hőkioldók (bimetal relék),...
Bütyköskapcsolók (grebenaste sklopke)
A bütyköskapcsolók alkalmazása fő és segédáramkörökben:
mint motorindítókapcsolók biztonságosan be- és kikapcsolják, vezérlik a háromfázisú és egyfázisú motorokat, kivitelezhetők mint csillag-háromszög kapcsolók, fogásirány váltók, valamint a többsebességű motorok átkapcsolhatók más sebességre, stb. segédáramkörökben összeállíthatók adott kapcsolási program szerint mint vezérlőkapcsolók, szignalizációskörök-, és mérőkörök kapcsolói. mint kapcsolók, átkapcsolók és fokozatkapcsolók, pl. transzformátoroknál és hegesztőkészülékeknél. mint csoportkapcsolók, pl. ellenállások és fűtők bekapcsolása, és mint automatikusan visszaálló elfordító taszterek (fogantyús nyomógombok).
13. ábra: A bütyköskapcsoló belső szerk
Védelemmel ellátott kapcsolók A bütyköskapcsolók mellett léteznek védelemmel ellátott kapcsolók is. Az alacsonyfeszültségű védelemmel ellátott kapcsolók kapcsolófeladatokat látnak el az elektromos energia termelésben, elosztásban és szállításban. Ez a feladat az alacsonyfeszültségű áram-körök és az általuk összekötött elemek vezérléséből, és azok rövidzárlat valamint túlterhelésvédelméből áll. Az említett elemek: generátorok, transzformátorok, villamos vezetékek, villamos motorok, különböző berendezések és fogyasztók.
13a. ábra: Védelemmel ellátott kapcsoló
A 13a. ábrán megjelölt elemek: 1. ívkamra (lučna komora) 2. fő fix (álló) érintkező, (glavni kontakt, čvrsti) 3. fő mozgó érintkező, (glavni kontakt pomični) 4. kikapcsolókar (isklopna poluga) 5. állítható termikus elektromágneses kioldó (podesivi termički elektromagnetski okidač) 6. kapcsoló mechanizmus (sklopni mehanizam) 7. "kikapcsolva" és "bekapcsolva" jelzéssel ellátott kar (ručica sa oznakom položaja „uključeno” i „isključeno”) 8. a tokozás fedele (poklopac kućišta) 9. távolról való kikapcsolás kioldószerkezete vagy elégtelen feszültség esetén kioldó (okidač za daljinsko isključenje ili podnaponski okidač) 10. segédérintkezők (pomoćni kontakti)
A kapcsolónak van elektromágneses és termikus kioldószerkezete, ami rövidzárlat vagy túlterhelés esetén működésbe hozza a kapcsoló automatikus kioldómechanizmusát. A kapcsolóhoz hozzáépíthető alacsonyfeszültségű-, nullafeszültségű kioldó szerkezet valamint távolsági kikapcsolás. A kapcsoló helyzetének jelzésére segédkapcsolókat vagy segédkontaktorokat lehet beépíteni. A védelem működésbe lépésének jelzése lehet: mechanikus vagy elektromos. A kapcsolóhoz hozzáadható elektromotoros berendezés távolból történő ki- és bekapcsoláshoz.
Nyomógombok (Tasteri) A nyomógombok olyan vezérlőelemek melyek az áramkörök ideiglenes, kézi, zárására vagy megszakítására szolgálnak. A nyomógombok rendelkezhetnek záró és nyitóérintkezőkkel: A záróérintkezők alaphelyzetben nyitottak. A nyomógomb megnyomásával záródnak és addig maradnak bezárva amíg nyomjuk a nyomógombot. A nyitóérintkezők alaphelyzeben zártak és a nyomógomb megnyomására nyílnak ki. Léteznek nyomógombok reteszelő mechanizmussal (megnyomás után a gomb benyomva marad úgy kell kioldani) stb.
14. ábra: Nyomógomb
Mágneskapcsolók (kontaktorok) A mágneskapcsolók az alacsonyfeszültségű vezérlő és elosztóberendezésekben a leggyakrabban alkalmazott mechanikus kapcsolószerkezetek.
Alapvető szerkezeti egységeik: tokozás, elektomágnes, csatlakozók, és az érintkezőrendszer az elektomosív kioltókamrákkal. A mágneskapcsolók fontos részei a: távvezérléshez szükséges energetikai meghajtó, a meghajtás mechanikai átvitele az érintkezőrendszerre és az érintkezőrendszer. Az energetikai meghajtó leginkább egy elektomágneses meghajtórendszer. A tekercs gerjesztésével elmozdul a mágneses kör mozgó része, amelyre a mozgóérintkezők vannak erősítve, melyek feladata az áramkör zárása. A tekercs gerjesztésének kikapcsolásával a megfeszített rugó a mágneses kör mozgó részét visszalöki eredeti helyzetébe ami miatt szétválnak az érintkezők és megszakad az eddig bezárt áramkör.
16. ábra: A mágneskapcsoló keresztmetszete
Alapfeladatuk különböző fogyasztók távolból történő vezérlése, ahol kapcsolatot képeznek az áramkör vezérlő és végrehajtó elemei között. A mágneskapcsolók az automatizált technológiai folyama-tokban, pl. mint motorkapcsolók, villamos motorok és más alacsonyfeszültségű berendezések távvezérlésére szolgálnak.
A mágneskapcsolók feladata, hogy: bekapcsolják, átvezessék és megszakítsák a névleges üzemáramokat és a túláramokat egy bizonyos határig. Ha áramkörök túlterhelésvédelmére alkalmazzuk őket hőkioldóval (bimetál) egészítjük ki, melyek szerkezetileg és karakterisztikáikban a mágneskapcsolókkal össze vannak hangolva. Rövidzárlat elleni védelemnél biztosítékokat kell az áramkörbe szerelni.
A mágneskapcsolók fontos karakterisztikája a mechanikai és elektromos tartósság, ami lehetővé teszi alkalmazásukat mint: Kalickás (rövidrezárt forgórész) és csúszógyűrűs motorok inditása és (regulációja) szabályzása, Kalickás (rövidrezárt forgórész) és csúszógyűrűs motorok ki- és bekapcsolása, Motorok forgásirányának megváltoztatása, Motorok automatikus csillag-háromszög indítása, Motorok indításának automatikus szabályzása és fordulatszámváltoztatása, Különböző berendezések vezérlése nagyszámú óránkánti inditás esetén.
Az érintkező rendszernek a következőket kell hogy biztosítsa:
gyenge melegedés, elleállás a kopással és az elektromos ívvel szemben, az elektomos ív gyors és hathatós kioltása, ami nagy megszakítási és bekapcsolási képességet biztosít, valamint nagy névleges termikus áramot kell hogy elviseljen. Az energetikai érintkezők mellett a mágneskapcsolók rendelkeznek különböző kombinációjú segédérintkezőkkel is (záró-, nyitóérintkezők). A mágneskapcsolókat három és négypólusú kivitelben is gyártják. Készülnek különböző IP védelmi fokozatokban, valamint különböző klímafeltételekre.
A mágneskapcsoló képességeinek és karakterisztikáinak ismerete fontos tényező alkalmazásuknál. Az előírások megkülönböztetnek: normális terhelést, ideiglenes terhelést és rendkívüli terhelést. Normális terhelésnek tekintjük rendes körülmények közötti ki- és bekapcsolásokat, ezek a feltételeket az érintkezők és az ívkioltó kamra élettartama határozzák meg. Ideiglenes és rendkívüli terhelésnek számít a nehéz körülmények közötti ki és bekapcsolások amik csak rendkívüli esetben fordulnak elő. Az maximális ilyen terhelést a megszakítóképesség határozza meg. Egyenáramú tekercses mágneskapcsolók vezérlésénél egy takarékossági ellenállást alkalmazunk. (Az egyenáramú elektomágnes tartóárama lényegesen kisebb a behúzóáramánál!)
Félvezető relék (érintkezőnélküli relék)
Segédkontaktorok - relék (Pomoćni kontaktori - releji) A relék (segédkontaktorok) a vezérlő (segéd-) jelző és mérő áramkörök ki és bekapcsolására szolgálnak, szükségesek az automatikus vezérléseknél ahol nagy számú érintkezőre és nagy számú manőverre van szükség, valamint az energetikai és vezérlő áramkörök szétválasztására.
17. ábra: Relé (segédkontaktor)
Hőkioldók (Bimetalni relej)
A hőkioldók (bimetálok) már régóta a motorok túlterhelés-védelmének legjobb eszközei. A motor túlterhelése esetén egy segédérintkezővel kikapcsolják a motor mágneskapcsolóját, ezzel együtt a motort is amit a mágneskapcsoló vezérel. Így a motort megvédik a túlterhelés következtében esetleg fellépő károsodásoktól. Ugyanígy védenek a túl alacsony feszültség okozta túlterheléstől, a túl gyakori indítástól vagy egy fázis kiesésének következményeitől, így teszik lehetővé a biztonságos üzemelést.
18. ábra: Hőkioldó (bimetal)
17a és 17b. ábra : A mágneskapcsolók alkalmazásának kategóriái
Az utóbbi időben olyan kapcsolók jelentek meg amelyek egyesítik a kapcsoló, automata biztosíték és a hőkioldó funkcióit.
18a. ábra: Motorvédő megszakító (Kombinovana zaštitna sklopka)
Időrelék (Vremenski releji) A termelési folyamatok automatizálásánál használják, ahol szükség van a fogyasztók bizonyos időrendi sorrendben, vagy periódikus ki és bekapcsolására.
19. ábra: Időrelé
Villamos energia átalakítók (Pretvarači električne energije)
Ebbe a kategóriába a transzformátorok, egyenirányítók, frekvenciaváltók stb tartoznak. A transzformátorok a feszültséget változtatják, az egyenirányítók a váltakozó áramot egyenárammá alakítják, a frekvenciaváltók a betáplálás frekvenciáját változtatják. Ezek az átalakítások arra szolgálnak, hogy az aktuátor karakterisztikáit az adott feladathoz igazítsák, biztonsági okokból, műszaki okokból vagy a villamos energia átalakításának gazdaságossága miatt.
Szűrők és fojtótekercsek (filteri i prigušnice)
Az aktuátorok és átalakítók a kívánt mellett végeznek nemkívánatos átalakításokat is. A hálózat és környezet magasfrekvenciás szennyezéséről van szó. A nemszínuszos feszültségek és áramok megjelenése átmeneti üzemmódban és normálrezsimben (kommutáció) magasfrekvenciás jelek megjelenését vonja maga után. Ezek a jelek a zavarok mellett az áramkörökben adalékos veszteségeket hoznak létre. Megszüntetésükre szűrőket és fojtótekercseket használunk. Ezek az elemek magas impedanciaként jelennek meg a kiválasztott frekvenciatartományban ezekkel a jelekkel szemben és így megszüntetik őkel illetve csökkentik nemkívánatos hatásukat.
