ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МОДУЛЬНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена описанию лабораторного стенда, предназначенного для испытания модульных автоматических выключателей на механическую износостойкость. В статье рассматриваются вопросы проектирования и изготовления.

ABSTRACT

This article is devoted to the description of a laboratory stand designed to test modular circuit breakers for mechanical wear resistance. The article deals with the design and manufacture.

Ключевые слова: Модульный автоматический выключатель, механическая износостойкость.

Keywords: Modular circuit breaker (MCB), mechanical wear resistance.

Введение

Одним из важнейших параметров коммутационной аппаратуры, в частности модульных автоматических выключателей, является механическая износостойкость. Согласно п.8.7 ГОСТ IEC 60898-1-2020 «Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. Часть 1. Автоматические выключатели для переменного тока» (IEC 60898-1:2019), выключатели должны быть способны выполнять установленное количество механических и электрических циклов оперирования при номинальном токе. Соответствие проверяют испытанием по п.9.11 ГОСТ 60898-1-2020 [1].

Потребность в испытании механической износостойкости появляется при проектировании коммутационной аппаратуры, при типовых и периодических испытаниях.

Заинтересовавшись данным вопросом, была поставлена задача в определении базовой концепции, проектировании и изготовлении лабораторного стенда, для определения механической износостойкости модульных автоматических выключателей.

Согласно ГОСТ, испытание на механическую износостойкость проводят при номинальном рабочем напряжении, токе, равном номинальному.

На первом этапе испытаний выключатели должны быть подвергнуты 4000 циклам оперирования под нагрузкой номинальным током. Каждый цикл оперирования состоит из замыкания и последующего размыкания. Для выключателей с номинальным током до 32 А включительно частота оперирования должна составлять 240 циклов оперирования в час. Во время каждого цикла выключатель должен оставаться разомкнутым не менее 13 с.

 Для выключателей с номинальным током свыше 32 А частота оперирования должна составлять 120 циклов оперирования в час. Во время каждого цикла выключатель должен оставаться разомкнутым не менее 28 с.

Выключатель следует оперировать, как при нормальной эксплуатации. Внимание обращают на то, чтобы испытательное устройство не повреждало испытуемый выключатель, не нарушалось свободное движение механизма управления испытуемого выключателя, скорость приводного механизма испытательного устройства не влияла чрезмерно на механизм управления выключателем при испытании. После испытаний испытуемый образец должен удовлетворять нескольким условиям, в рамках разработки испытательного стенда, самым критичным требованием является требование, чтобы образец не имел повреждений оболочки, дающих возможность проникновения стандартного испытательного пальца к частям, находящимся под напряжением [1].

Таким образом, стенд для проверки механического износа автоматических выключателей должен иметь следующий набор функций:

• стенд должен отслеживать число замыканий аппарата, для этих целей целесообразно использовать ПЛК (высокий уровень сигнала с выхода автоматического выключателя, должен поступать на дискретный вход ПЛК, и в случае неисправности аппарата (отсутствии высокого уровня сигнала на выходе автоматического выключателя), подсчет числа срабатываний должен прекращаться);
•  в стенде должна быть предусмотрена настройка временных интервалов оперирования, причем, должна быть отдельно предусмотрена настройка времени нахождения автоматического выключателя в разомкнутом состоянии (наиболее подходящий вариант реализации задержек с помощью ПЛК);
•  должен быть реализован механизм, передающий усилие на рукоятку выключателя. Механизм должен быть спроектирован и выполнен из таких материалов, чтобы устройство не повреждало испытуемый выключатель, и не нарушалось свободное движение механизма управления испытуемого выключателя;
• должна быть реализована настройка скорости оперирования, для этих целей можно использовать понижающий DC-DC преобразователь (т.е. скорость вращения исполнительного механизма будет регулироваться с помощью изменения питающего напряжения электродвигателя установки).

В рамках данной статьи будет рассмотрено устройство без контроллера (ПЛК), т.е. будет рассмотрено проектирование и реализация исполнительного механизма, без возможности настройки скорости оперирования и настройки временных интервалов. Реализация устройства, в совокупности с ПЛК, планируется при последующих итерациях стенда.

Описание системы

Первым этапом работы было определение базовой концепции устройства, т.е. каким образом данное устройство должно выглядеть и работать. В данной итерации устройства было решено использовать связку электродвигатель-зубчатый редуктор, для понижения скорости вращения электродвигателя и увеличение значение момента переключения. Вращательное движение электропривода преобразуется через кривошипный механизм в поступательное движение механизма взвода автоматических выключателей (в роли механизма взвода выступают кулачки и П-образные скобы, элемент 4 на рисунке 1). С кулачками соединены концевые выключатели, которые находятся на определенном, заданном расстоянии, обеспечивающее взвод автоматических выключателей. Положение концевых выключателей имеет возможность регулировки, это необходимо для возможности применения стенда для различных исполнений АВ, т.к. от производителя к производителю могут, меняется габаритные размеры, и как следствие появляется необходимость изменения кинематики работы устройства.

Устройство проверки механической износостойкости модульных автоматических выключателей можно разбить на составные узлы:

•  электропривод, который состоит из коллекторного двигателя постоянного тока и зубчатого редуктора, для понижения скорости вращения электродвигателя и увеличения вращательного момента;
•  эксцентрический механизм, который состоит из приводного колеса, со смещенными осями вращения кулачков, оси воздействуют на кулачки и заставляют их вращаться (механизм переводит вращательно движение электропривода в поступательное движение П-образных скоб, тем самым оперируя автоматические выключатели);
•  части корпуса (в данную группу входит корпус, 2 din-рейки 35 мм, кулачки с П-образными скобами, монтажные панели с монтажными стойками);
•  электрические аппараты (в данную группу входят 2 электромагнитных контактора с NC контактами (для реализации реверсирования работы устройства), концевые NC выключатели, NO и NC кнопки без фиксации, проводники (для обвязки схемы), аппараты защиты (для реализации защиты схемы) [2].

Дальнейшим этапом работы, после определения базовой концепции устройства и определения основных составных элементов, было проектирование устройства в CAD системе SolidWorks. На рисунке 1 показана 3-D модель сборки всех составных элементов устройства.

Рисунок 1. 3-D модель стенда. Составные узлы устройства, где 1-din-рейка;2-монтажная панель; 3-3P автоматические выключатели; 4-кулачки с П-образными скобами;5-концевые выключатели;6-монтажные стойки;7-основание корпуса;8-диск, передающий вращательное движение на кулачки;9-крышка корпуса;

Следующим этапом работы было подготовка и печать деталей устройства из ABS пластика на 3D принтере (с технологией печати FDM). ABS пластик идеально подходит для прототипирования и реализации демонстрационной версии устройства, т.е. версии устройства, в котором будет отражена базовая концепция и показана работоспособность. Но для рабочей версии устройства, для условий лабораторной эксплуатации, некоторые узлы устройства, которые будут работать в режимах чрезмерного износа (кулачки (рычаги), П-образные скобы) ABS пластик не подходит, из-за повышенного износа и малой антифрикционности. Для снижения фрикционных свойств [3] устройства и увеличения ресурса работы, в следующих итерациях стенда, планируется заменить материал рычагов с ABS пластика на дюралюминий, причем в дюралюминиевых рычагах планируется размещение шариковых подшипников для крепления рычага к корпусу. Планируется заменить П-образные скобы из ABS пластика, на П-образные скобы из фторопласта.

В данной итерации корпус устройства печатался с коэффициентом заполнения 20%, в рабочей версии планируется увеличение коэффициента заполнения до 80-100%, что существенно увеличит прочность и ресурс работы.

Концевые выключатели и электромагнитные контакторы в процессе работы также будут подвергаться износу, данные узлы подразумеваются как расходные материалы и будут требовать необходимости периодической замены.

В остальном конструкция устройства не требует существенных доработок.

Дальнейший этап работы состоял в реализации электрической схемы. Электрическая схема построена на базе схемы электрической блокировки реверсивных контакторов [4], с добавлением в цепи управления контакторами концевых выключателей SB3 и SB4, рисунок 2, для реализации автоматического реверсирования схемы.

Рисунок 2. Электрическая схема

Заключительной стадией работы были монтаж, пайка, сборка корпуса и тестирование устройства. На рисунке 3 показаны фото реализованного устройства в смонтированном виде.

Рисунок 3. Реализованный, лабораторный стенда механического износа автоматических выключателей

Заключение

В данной статье описывались основные положения проектирования и изготовления лабораторного стенда, предназначенного для испытания модульных автоматических выключателей на механическую износостойкость. Все поставленные задачи были выполнены, получены необходимые данные для реализации устройства второй итерации. Во второй итерации будут учтены вопросы замены материалов, для увеличения ресурса и понижения фрикционных свойств отдельных узлов, вопросы реализации устройства в комбинации с контроллером (ПЛК), для увеличения технических возможностей стенда (отслеживание числа срабатываний автоматических выключателей, настройка временных интервалов оперирования, настройка скорости оперирования).

Список литературы:

1. ГОСТ IEC 60898-1-2020. Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. Часть 1. Автоматические выключатели для переменного тока (IEC 60898-1:2019).
2. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. Учебник для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. – Л.:Энергоиздат. Ленингр. Отделение, 1981.
3. Крагельский И. В., Трение и износ, 2 изд., М., 1968.
4. ГОСТ 11206-77. Контакторы электромагнитные низковольтные. Общие технические условия.