11. Tétel Kisfeszültségű mechanikus vezérlésű kapcsolókészülékek

Átírás

1 A kapcsoló (switch): 11. Tétel Kisfeszültségű mechanikus vezérlésű kapcsolókészülékek Olyan alkatrész, amely a rajta átfolyó áramot szabályozza. Egyik állapotában nem folyik át rajta, másikban igen. Az ellenállása nyitott állapotban nagyon jó közelítéssel végtelen, zárt állapotban pedig nulla. A kapcsolók egyik lényeges jellemzője az a feszültség, amelyet nyitott állapotban még elvisel. Másik az az áramerősség, amit zárt állapotban még elbír. Kapcsoló élettartamának jellemzésére a hibamentes átkapcsolások számát használják. Pergés, prellezés: Amikor egy kapcsolót felkapcsolunk, a rugalmas lemezke rezgése miatt körülbelül századmásodperc - tizedmásodperc közötti ideig fennállhat egy olyan állapot, amikor gyakori zárás és bontás egymásutánja jellemzi a kapcsoló működését. Mivel a lemezkék a prellezés során csak századmásodpercekre távolodnak el az érintkezők között elektromos ív keletkezik, amely roncsolja az érintkező felületét, továbbá a szikra elektromágneses zavart bocsát ki. Egy áramkörös kapcsoló Egypólusú: Két kivezetése van. Ezek között folyik vagy nem az áram. Alaphelyzetben lehet: nyitott (záró kapcsoló) zárt (bontó kapcsoló) Kétpólusú kapcsoló: Két, mechanikusan együtt működtethető, de elektromosan független egypólusú egy áramkörös kapcsoló. Két áramkörös kapcsoló Egypólusú: Három kivezetése van. A közös (common) érintkező hol az egyik, hol a másik érintkezőhöz kapcsolódik. Váltókapcsolónak és morze kapcsolónak is hívják. Az átkapcsolás során rövid ideig előfordulhat, hogy a közös érintkező egyik érintkezőhöz sem kapcsolódik - vagy egyszerre mindkettőhöz. Olyan mechanika is van hogy, a közös érintkező semelyik másikhoz sem érintkezik. Az átkapcsoló 0 állással vagy a gépjármű irányjelző kapcsoló ilyen.

2 DIP kapcsoló: Jellemzően kevés átkapcsolásra használják, gyári beállítás jelleggel. Nem a felhasználó, hanem karbantartó állítja be. Készülék belsejében helyezik el. Mikrokapcsoló: Installációs kapcsoló: Hengeres kapcsoló: Megszakító: Olyan mechanikus (érintkezők zárásával és nyitásával működő) kapcsolókészülék, amely üzemszerű és üzemszerűtől eltérő áramköri viszonyoknál (például zárlatok esetén is) az áram bekapcsolására, vezetésére (üzemszerű viszonyoknál tartósan, egyébként csak megszabott ideig) és megszakítására alkalmas. Szakaszoló: Olyan mechanikus kapcsolókészülék, amelynek nyitott érintkezői között az ú.n. szakaszolási távolság van.

3 Fő feladata, hogy nyitott érintkezői között az előírt villamos követelményeknek tartósan és üzembiztosan eleget tegyen, ezáltal a részeket üzembiztosan és láthatóan szétválassza hálózati Kontaktor (védőkapcsoló): Elektrotechnikai elem. Gyakori működésre tervezett megszakító.

4 12. Beszéljen a villamosáram-védelmi elemekről! Magyarázza el a tanult védővezetős érintésvédelmi megoldásokat! Túlfeszültség védelmi elemek Túláramerősség védelmi elemek Védővezetős érintésvédelmi rendszerek kialakítása Kulcsszavak, fogalmak: Túlfeszültség védelmi elemek (szupresszor dióda, Zener-dióda, varisztor) Túláramerősség védelmi elemek (olvadóbiztosíték, automata biztosíték) TT rendszer: védővezető (PE), testzárlat, érintési feszültség TN rendszer: nullázás, TN-C, TN-S, TN-C-S rendszerek 1. Túlfeszültség védelmi elemek Túlfeszültség a villamos elosztóhálózatokban illetve berendezésekben fellépő, a legnagyobb megengedett üzemi feszültség csúcsértékét meghaladó feszültség, amely nagyságától, jel alakjától vagy hullámformájától, frekvenciájától és fennállásának időtartamától függően igénybe veszi a berendezés szigetelését. Keletkezés szerint különböztetünk meg belső és külső túlfeszültségeket. Belső túlfeszültséget a villamos hálózatokban bekövetkező hibák vagy a különböző célú kapcsolási folyamatok okozzák. Külső, légköri eredetű túlfeszültség a földbe vagy elosztó hálózatba becsapó villám. Szikraköz: A szikraköz a legegyszerűbb túlfeszültség védelmi eszköz. Két egymással szembenálló, egymástól elszigetelt (nemesgáz vagy levegő) fémelektródból áll. Az egyik a földre, a másik a hálózatra van kötve. Ha a túlfeszültség eléri a megszólalási feszültséget, bekövetkezik az átívelés. A túlfeszültség megszűnik, mivel a túlfeszültséget létrehozó energia levezetődik a föld felé. Ezt követően azonban a hálózati feszültség földzárlati áramot hajt át, amit egy megszakítónak kell megszakítania. Nemesgáztöltésű túlfeszültség levezető: A nemesgáz (pl. argon, neon) töltésű túlfeszültség levezetők valójában szikraközök, melyek a gázkisülés elvét használják ki. A gyújtó feszültség értékének túllépésekor (ez típustól függően V) a hermetikusan lezárt kisülési térben ellenőrzött ív alakul ki néhány ns-on belül, amely a folyamatot beindító túlfeszültséget rövidre zárja. A kicsi ívfeszültség kivételesen nagy levezető képességet biztosít (max. 60 ka). Nagy energiájú túlfeszültségek korlátozására, hálózati tápegységek védelmére, többlépcsős védelmek első egységeként alkalmazzák. Varisztor: Cinkoxidból (fémoxid) sajtolással előállított tárcsa alakú feszültségtől (nem lineárisan) függő ellenállás. Névleges feszültség alatt szigetelőként viselkednek, de az U feszültségük növekedésével ellenállásuk erőteljesen csökken, áteresztőkké válnak. Túlfeszültség esetén megszólalási idejük igen kicsi ( t c <;25 ns), áramlevezető képességük pedig 4-8 ka. Hátrányuk hogy hajlamosak a hőmegfutásra, és normál üzemi feszültség mellet is szivárgóáram folyik rajtuk keresztül, emiatt nem mindenütt építhetők be. Közepes energiájú túlfeszültségek korlátozására, hálózati tápegységek védelmére, többlépcsős védelmek középső egységeként alkalmazzák Szupresszor és Zener-diódák: Az elektronikus áramkörök védelmére nem alkalmas a gáztöltésű szikraköz és a varisztor mert megszólalási feszültségük túl magas. Erre a célra a szupresszor diódát lehet használni.

5 A szupresszor diódák olyan speciális Zener diódák, amelyeket igen gyors működésre és nagy impulzus áram levezetésére fejlesztettek ki. Két típusuk létezik. Az egyirányú szupresszor diódákat egyenáramú áramkörök, míg a kétirányúakat váltóáramú és váltófeszültségű áramkörök védelmére használják. A szupresszor diódák nagyon gyors, pikoszekundum nagyságrendű megszólalási idővel rendelkeznek. Túlfeszültségvédelmi működésük bemutatására a diódák karakterisztikájának záróirányú szakaszát kell figyelembe venni. A védett áramkörrel párhuzamosan kapcsolandók. Kis energiájú túlfeszültségek korlátozására, elektronikus eszközök védelmére, többlépcsős védelmek utolsó egységeként alkalmazzák 2. Túláram Túláramnak a névleges értéket meghaladó áramot nevezzük. Túláram során megnő a hőmérséklet, mely károsan befolyásolja a berendezés üzemeltetési körülményeit és rontja a villamos szerkezetek és vezetékek szigetelését. A túláramot túlterhelési és zárlati áramra lehet osztani. Túlterhelés esetén a berendezéssel szembeni többlet igénybevétel okozza az áram növekedését. Zárlat esetén két különböző feszültségű vezeték kis ellenálláson keresztül vezető kapcsolatba kerül egymással. Olvadóbiztosíték A olvadóbiztosító olyan kapcsolókészülék, amely az áramkörbe beiktatott olvadó-elemének megolvadásával és az azt követő ív oltásával automatikusan megszakítja az áramkört, ha az áramerősség egy meghatározott értéket meghatározott ideig meghalad. A biztosító kis keresztmetszetű olvadó-eleme a hálózati vezető egy szándékosan meggyengített szakaszaként is felfogható. Zárlati áram egyszeri automatikus megszakítására szolgál. Kialakításuk szerint létezik Diazed-rendszerű, késes és csöves. A kiolvadás sebessége szerint vannak gyors és lomha olvadóbiztosítékok. Automata biztosíték (Kismegszakító) Olcsó kisfeszültségű megszakítók, kis méretűek, könnyen beépíthetőek, többször is használhatóak csere nélkül. Működése: A két csatlakozó között átfolyó áram mágneses teret hoz létre az elektromágnesben. Ha az áram egy bizonyos értéket elér, akkor az elektromágnesben megnövekvő mágneses tér kioldja a reteszt és a mozgó érintkező eltávolodik az álló érintkezőtől. Vagyis az áramkör megszakad. Egy visszakapcsolóval a mozgó érintkező és az álló érintkező közötti érintkezés visszaállítható. 3. Érintésvédelem Az érintésvédelem üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de meghibásodás esetén feszültség alá kerülő vezető részek érintéséből származó balesetek elkerülésére szolgáló műszaki intézkedések összessége. Érintésvédelmi osztályok I. érintésvédelmi osztály - védővezetős védelemmel ellátott készülékek. II. érintésvédelmi osztály - kettős vagy megerősített szigetelésű berendezések. III. érintésvédelmi osztály - törpefeszültségű készülékek. Védővezetős érintésvédelem A védővezetős érintésvédelmi módok lényege, hogy a villamos berendezés testét egy földelt védővezetővel kötik össze, és a tápláló áramkört annak túláramvédelme rövid idő alatt

6 önműködően kikapcsolja, ha a védővezető testzárlat következtében veszélyes nagyságú érintési feszültségre kerül. Védővezetős érintésvédelmi mód a nullázás és a védőföldelés. Fogalmak: A test a villamos berendezésnek olyan vezetőanyagú, általában fém, érinthető része, amely üzemszerűen nem áll feszültség alatt, de hiba esetén feszültség alá kerülhet. A testzárlat valamely üzemszerűen feszültség alatt álló vezetőnek a testtel rendellenesség folytán bekövetkező záródása. A védővezető (PE: protecting earth, színe zöld/sárga) a testek, földelők összekötésére szolgál. Védőföldelés közvetlenül földelt rendszerben (TT) A közműhálózati kisfeszültségű rendszereket a tápláló transzformátor csillagponti kivezetésénél közvetlenül leföldelik. Ezt mutatja a kétbetűs rendszerjelölés első T betűje (T=terra, földelés). Ha a fogyasztó-berendezések testjeit védővezetőn át ugyancsak földelik, akkor ezt a földelést mutatja a jelölés második T betűje. Ha a készülék testzárlatos lesz, akkor a fázisvezetőn, a hibahelyen, az RA védőföldelésen, és a rendszer Rcs csillagponti földelésén át testzárlati áram lép fel. Ha ennek a testzárlatnak az áramerőssége kicsi, akkor ez a védőföldelés RA ellenállásán aránylag kis feszültségemelkedést okoz. Ha az áramerősség nagy, úgy a túláramvédelem kioldja azt. Nullázás (TN) A nullázás olyan érintésvédelmi mód, amelynél a tápláló rendszernek közvetlenül földelt üzemi vezetője van, és ezt kötik az érintésvédelemmel ellátott villamos szerkezetek testére védővezetőként. Elvben három megvalósítása van. - Nullával egyesített védővezető (TN-C rendszer) TN-C-ben sehol sem építenek ki külön védővezetőt, hanem az egyfázisú üzemi áramok vezetésére szolgáló nullavezetőt (jelölése N=neutral) kötik minden fogyasztó készülék testére. Ebben az esetben a rendszer jelölése TN-C (C=common jelzi, hogy a védővezető és a nullavezető mindenütt közös). A PEN a nullával egyesített védőveztő. - Elkülönített védővezető (TN-S rendszer) A védővezetőt mindjárt a tápláló transzformátortól kezdve külön választják az egyfázisú üzemi áramokat vezető nullavezetőtől Ezt a megoldást TN-S (S=separated, elkülönített) betűcsoporttal jelölik. - Egy darabig közös PE N (TN-C-S rendszer) Egy darabig közös az üzemi nullavezető és a védővezető (PEN), majd egy ponton szétválnak. Ilyen megoldású rendszert TN-C-S betűcsoporttal jelölik. Azt, hogy a két vezető szétválasztása hol történjen, azt a helyi viszonyok és körülmények döntik el.

7 Védőföldelés közvetlenül nem földelt rendszerben (IT-rendszer) A közvetlenül földelt nullavezetőjű (TT-TN-rendszerű) hálózatok földzárlat esetén nem tarthatók üzemben. Olyan helyeken, ahol az ellátás folytonossága elengedhetetlen (kórházak, vegyi üzemek, bányák) ez problémát okozhat. Ezért ennél a megoldásnál a tápláló rendszernek nincs közvetlenül földelt pontja, és az érintésvédelemmel ellátott villamos berendezések teste védőföldeléshez van kötve. A rendszer a földtől szigetelve van, vagy nagy impedancián keresztül van földelve. Erre utal az IT (I=isolated, szigetelt) jelölés.

8 Galvanikus leválasztás A galvanikus leválasztás azt jelenti, hogy a jelet valamilyen nem elektromos jellé alakítjuk, ezt érzékeljük és vissza alakítjuk elektromos jellé. Ezt transzformátorral, vagy optocsatolóval végezhetjük. Ezutóbbi olcsóbb és egyszerűbb megoldás, ezért csak ennek az ismertetésére térek ki. Az optocsatoló, mint neve is mutatja fénnyé alakítja a jelet, majd azt vissza elektronikus jellé. Általában egy LED-et és egy fototranzisztort tartalmaz (van olyan is amelyikben fototirisztor van, ezekkel közvetlenül lehet vezérelni nagyfeszültségű eszközöket). Az egyszerű DIL tokozásúak a legelterjedtebbek. Általában 4 vagy 6 lábuk van. Az ilyenekben csak 1 LED és 1 fototranzisztor van. Egyutas együtemű A kapcsolás csak a szinuszjel pozitív (felső) részét engedi át a dióda miatt. Ezért együtemű. Uki=U2-Ud Egyutas kétütemű A kapcsolás az elektroncsöves egyenirányítók korában alakult ki. Középkivezetéses, kettős szekunder tekercsű transzformátort igényel. Működése: a középkivezetéshez képest az egyik félperiódusban az egyik, másik félperiódusban a másik dióda kap nyitóirányú előfeszítést. Kétutas kétütemű A félvezető egyenirányítók feleslegessé teszik a középkivezetéses transzformátort, mert négy darab diódával olyan hídkapcsolás hozható létre, mely mindkét félperiódusban a terhelésen azonos áramirányt biztosít [1]. A hídkapcsolású egyenirányítók egyedi diódákból is kialakíthatók, de gyártanak komplett hidakat is. Az egyenirányítók kimenő feszültsége Az egyenirányítók kimenetén lüktető egyenfeszültséget kapunk, a fogyasztón e feszültség átlagértéke végez munkát, ezt integrálszámítással határozhatjuk meg. Alul áteresztő szűrő A búgófeszültség tovább csökkenthető aluláteresztő szűrők segítségével. Két aluláteresztő szűrőtípus terjedt el, az RC és az LC, mindkettő lényege, hogy az egyenfeszültséget nem csillapítja, a váltakozó feszültségre pedig nagy leosztást hoz létre. Kétütemű egyenirányítók Mivel mindkét félperiódusban van egy hullám, az átlagérték kétszerese az együteműnek. Az egyenirányított feszültség egy egyenfeszültségű összetevőből, valamint egy váltakozó összetevő szuperpozíciója, e váltakozó összetevő 100 Hz frekvenciájú. Ez a lüktetés csak kevés estben viselhető el, mert a tápfeszültség ingadozását eredményezi. Ezt a lüktetést, mivel hallható, búgófeszültségnek nevezzük. A búgófeszültség csökkentése Az egyenirányító kimenetére kötött nagy kapacitású kondenzátor a csúcsértékére töltődik, és a terhelő áram függvényében csökkenti a kimenő feszültség ingadozását, ezt a kondenzátort puffer kondenzátornak nevezzük. Kétütemű egyenirányítóknál a búgófeszültség fele akkora.

9 A feszültségstabilizátorok szükségessége Az elektronikus berendezések és mérimőszerek legnagyobb hányada a váltakozóáramú hálózatról mőködik. Mivel a berendezések, ill. áramköri egységek mőködéséhez egyenfeszültség szükséges, amelynek értéke rendszerint nem egyezik meg a hálózat feszültségével, ezért a berendezésekben külön egység, az ún. tápegység gondoskodik a hálózati feszültség átalakításáról és egyenirányításáról. Az állandó vagy változtatható értékő egyenfeszültséget biztosító stabilizált tápegység egyrészt mint önálló készülék nagyon fontos segédeszköz a méréstechnikában, másrészt a jobb miniségő, precízebb kivitelő mérimőszerek feszültségellátását a leggyakrabban stabilizált tápegységek biztosítják. A különbözi hatások A stabilizált tápegységek feladata kettis: Állandó kimenifeszültség biztosítása a bemeneti hálózati feszültség ingadozásaitól függetlenül, Állandó kimeneti feszültség biztosítása a terhelés változásaitól függetlenül. Annak függvényében, hogy a kimeneti feszültség, vagy a kimeneti áram értékét próbáljuk állandó értéken tartani megkülönböztetünk: Feszültségstabilizátorokat, Áramstabilizátorokat. A stabilizátorok osztályozása, az áramkörök Ha a feszültség értékét szeretnénk állandó értéken tartani, akkor feszültségstabilizátorról beszélünk. A soros stabilizálás, egyszerő áramkör A soros stabilizálási módszer egy olyan eljárás, mintha a terheléssel sorosan egy szabályozó elem lenne kötve, amely úgy viselkedik mint egy vezérelt változtatható ellenállás, és ennek a csökkenése ill. növelése a kimeni feszültség állandóságát biztosítja. A párhuzamos stabilizálás, egyszerő áramkör A párhuzamos elvő stabilizátoroknál a szabályozó elem a terheléssel párhuzamosan kapcsolódik. A kimeneti feszültség megváltozásának hatására a szabályozó elem söntöli, hatása megváltozik, mégpedig úgy, hogyhatásával próbálja állandó értéken tartani a kimeni feszültséget. A névleges áramot meghaladó bármilyen áramot túláramnak nevezzük. Ez egy összefoglaló elnevezés, ami a túlterhelési, az indítási és a zárlati áramot foglalja magában. Túl áram elleni védelem

10 A túlterhelési áram villamosan ép áramkörben jelentkezik, és ahogy a neve is mutatja, a villamos szerkezet túlzott igénybevételéből adódik, nagysága általában nem haladja meg a névleges áram 50-60%-át. A villamos berendezések, gépek, készülékek, motorok, stb. közös néven: szerkezetek és vezetékek jellemző adatai között az egyik legfontosabb a névleges áram (ez legtöbbször megegyezik az üzemi árammal). Egy villamos szerkezet névleges árama az az érték, amelyre azt tervezték, és ehhez az áramhoz tartozó legnagyobb teljesítménnyel tud folyamatosan üzemelni anélkül, hogy károsodna, túlmelegedne. A vezeték esetében is az az állandósult áram érték engedhető meg, amely meghatározott feltételek mellett folyhat rajta anélkül, hogy melegedése túllépné a megengedett értéket. Az indítási áram, pl. a leggyakrabban alkalmazott négypólusú aszinkron motorok esetében azt jelenti, hogy az indítás folyamán a névleges üzemi áram 6-8-szoros értékét veszi fel a motor. Az indítási idő a motor nagyságától függően 2-5 s körüli értékű és kivételes esetben akár 20 s is lehet. A felfutás során ez az áram csökken ugyan, de az áram négyzetével arányos melegedés mindenkor a motor jelentős mértékű járulékos hőmérsékletemelkedését eredményezi. Az egyszerűség kedvéért a túlterhelési áramok okozta melegedéssel együtt tárgyalhatjuk az indítási problémákat, azonban a túlterhelés-védelem kialakításakor feltétlenül számolnunk kell hőmérsékletnövelő hatásával. A zárlati áram szigetelési, vagy kezelési hibából keletkezhet akkor, ha az áramkör üzemszerűen különböző potenciálú pontjai közötti ellenállás, vagy impedancia értéke elhanyagolhatóan kis értékre csökken. A zárlati áram értéke jóval nagyobb, mint a túlterhelési áramé (/1,05...2, / In), amely a keletkezési helytől és az adott hálózati viszonyoktól függően általában / / In értékű, vagy ennél nagyobb is lehet. A túlterhelési és zárlati áramoknak káros, romboló hatásuk van, veszélyeztethetik az élet és a vagyonbiztonságot. Ezért a túlterhelési és a zárlati áramok ellen védeni kell az egyes villamos szerkezeteket és vezetékeket.

11 15. Tétel Foglalja össze az egyszerűbb villamos alkatrészek ellenőrzését villamos szempontból! A vezeték vizsgálata: Vezeték: A és B pont között biztosítja az áram folyási útját. Vezeték vizsgálata: Folytonosság vizsgálata szakadás vizsgálóval. A vizsgálatról A kábelek, vezetékek vizsgálata rendkívül szerteágazó, összetett és időigényes folyamat. A villamos paraméterek közül elvégezték a vezetékek ellenállásának mérését, illetve a 2000 V-os feszültségpróbát, valamint az egyéb vizsgálatok közül a szigetelés és a kö-peny vastagságának mérését. De mellőzni kellett olyan meghatározó tulajdonságok ellenőrzését, mint a lángállóság vagy a repedésállóság, s nem kerülhetett sor például a mechanikai vizsgálatokra vagy az öregítés utáni szakítóvizsgálatra. Rövidzár: A rövidre zárás közvetlenül összeköti a két pontot. Mivel a rövidzár ellenállása nagyon kicsi, azon keresztül nagyon nagy áram folyhat, a két pont közötti feszültségkülönbségnek megfelelően. Az átfolyó áram hővé alakul, mely felmelegíti, esetenként elégetheti a rövidzárt, vagy a vezetékeket. Szakadás: A vezetékben valahol megszűnik a fémes kapcsolat. Szigetelők: Szigetelők jellemzően porcelánból készülnek, de megjelentek a műanyag szigetelők is. A légköri hatásokkal, a hőmérséklet változással. Ellenállás: -Szerepe az áramkörben: Áramerősség korlátozása, kondenzátor kisütése. A csatlakozók vizsgálata: -Megtisztítjuk a csatlakozó részeit ( szennyeződés és oxidáció eltávolítása.) Szakadásvizsgálattal leellenőrizzük minden csatlakozási pontját. A kapcsolók vizsgálata: - Kapcsoló csatlakozási pontjainak ellenőrzése/tisztítása. - Megvizsgáljuk szakadásvizsgálattal a kapcsoló két vagy több állását. A csatlakozok, kapcsolók vizsgálata:

12 -Helyes bekötés: Az érintkezők megfelelő helyre való bekötése. -Kontaktushibák: Rövidzár helyet szakadás történik. Nem következik be a fémes kapcsolat. Érintkezők kopása: Folytonos használat következtébe elkopnak az alkatrészei ezért szakadástt eredményez (idönként) vagy müködésképtelen lesz az érintkező. Beégés: Zárlat okozza a nagy hötől bekormosodik az érintkező felület és nem jön létre a kapcsolat. fizikai rögzítés: fontos hogy az oldás és a kapcsolás között ne mozduljon el. Ezért merev rögzítés kell. Átütési feszültség : -Túl nagy feszültség esetén még a fémes kapcsolat megvalósulása előtt áthúz az áram ( minivillám keletkezik). Ez veszélyes lehet a kapcsolatot létrehozó személyre és a villamos berendezésre egyaránt. A biztosíték vizsgálata: -Kiszereljük, megtisztítjuk a csatlakozó részeit. (Szennyeződés és oxidáció) Megvizsgáljuk szakadásvizsgálattal majd ellenállás mérővel ( ha az ellenálláson feltüntetett értéket megközelíti akkor jó más esetekben hibás.)