POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Ćwiczenie

Badania odskoków oraz czasów zamykania i otwierania styków

łączników.

Poznań, styczeń 2020

1. PODSTAWOWE INFORMACJE DOTYCZĄCE STYCZNIKÓW

1.1. Informacje podstawowe

Styczniki są aparatami elektrycznymi stosowanymi powszechnie w urządzeniach

przemysłowych wszelakiego rodzaju. Są jednym z podstawowych elementów wykonawczych

sterowania układów napędowych. Styczniki mają zastosowanie również w łączeniu odbiorników

innych niż silnikowe, zwłaszcza w przypadku zdalnego sterowania i częstego łączenia. O

wielostronności stosowania styczników w coraz bardziej wymagających i skomplikowanych układach

zadecydowały ich cechy eksploatacyjne takie, jak duża żywotność, prosta budowa, duża wytrzymałość

mechaniczna, możliwość zdalnego sterowania, wrażliwość na spadki napięcia sterowniczego, brak

potrzeby stosowania zabezpieczeń podnapięciowych oraz niewielki rozmiar [1].

Styczniki służą przede wszystkim do zamykania oraz otwierania obwodów elektrycznych, w

których płyną prądy robocze. W związku z tym nazywa się je łącznikami mechanicznymi. W

obwodach elektroenergetycznych służą one do łączenia odbiorników – najczęściej są to silniki. Pełnią

również rolę łącznika pomocniczego, który umożliwia łączenie odbiornika za pomocą innego łącznika.

W pierwszym przypadku tory główne stycznika są połączone z torami głównymi układu, natomiast w

drugim są one połączone z torami pomocniczymi. Zatem zadaniem stycznika w ogólnym przypadku

jest załączanie prądu, umożliwienie jego przepływu oraz wyłącznie prądu [1].

Elementami realizującymi łączenie i przepływ prądu są zestyki łączeniowe oraz napęd

stycznika. Prace zestyków można podzielić na trzy etapy. Pierwszy etap to załączanie prądu, kolejny

etap to przepływ prądu przez zamknięte zestyki, a ostatni, trzeci etap pracy zestyków to wyłączanie

prądu. Na przebieg z każdego z etapów wpływają stałe obwodu elektrycznego, w którym znajduje się i

pracuje stycznik oraz własności stykowo-gaszeniowe stycznika [2].

Łączniki stycznikowe mogą współpracować z różnymi czujnikami i przekaźnikami reagującymi

na zmianę wielkości danych wielkości fizycznych, takich jak napięcie, prąd, ciśnienie, temperatura,

poziom wody, stężenie gazów i inne. Dzięki możliwości współpracy stycznika z tymi urządzeniami

umożliwione jest między innymi wykonanie skomplikowanych układów zabezpieczeń i blokad oraz

pożądanej sekwencji załączeń [1].

Ze względu na medium gaszeniowe łuku elektrycznego wyróżnić można trzy typy styczników

[1, 2]:

olejowe,

powietrzne,

próżniowe.

W dzisiejszych czasach nie stosuje się już styczników olejowych. Ich zaletą było to, iż zestyki

umieszczone były w oleju, w szczelnie zamkniętej obudowie, co umożliwiało stosowanie ich w

pomieszczeniach wilgotnych i zawierających duże ilości pyłów [2].

Styczniki napowietrzne stosowane są głównie w zakresie niskich napięć. W przeszłości

stosowane były również w zakresie wysokich napięć. Obecnie odchodzi się od styczników

powietrznych wysokich napięć, gdyż styczniki w wersji próżniowej mają o wiele mniejsze wymiary i

masę. Charakteryzują się też dużo lepszymi właściwościami łączeniowymi, nawet do 1200 łączeń na

godzinę, a także tym, że ich trwałość mechaniczna jest większa (ok. 2-3·106). Łączniki stycznikowe

próżniowe można stosować również w zakresie niskiego napięcia. Są one przeznaczone głównie do

łącznia obwodów i urządzeń (silników) o dużych mocach znamionowych – rzędu setek kilowatów [1,

3].

Styczniki można podzielić na styczniki pądu przemiennego (AC) oraz prądu stałego (DC).

Styczniki prądu przemiennego są bardzo często używane do załączanie i wyłączania różnego typu

urządzeń. Używa się ich również do sterowania pracą silników, pomp, grzałek, itp. Styczniki prądu

stałego znajdują natomiast zastosowanie w trakcjach kolejowych i tramwajowych. Ze względu na

rodzaj napędu styczniki dzieli się na pneumatyczne i elektromagnetyczne. Powszechnie stosowane są

styczniki elektromagnetyczne [4].

Przy doborze stycznika bardzo ważne jest, aby sprawdzić w jakiej lub w jakich kategoriach

użytkowania może pracować dany łącznik. Kategoria użytkowania jest parametrem, który mówi o

tym, jakie obwody można łączyć danym łącznikiem, np. czy jest to obwód czysto rezystancyjny czy

też indukcyjny. Jeżeli stycznik może pracować tylko w obwodach rezystancyjnych, a zostanie on

zainstalowany w obwodzie, w którym występuje duża indukcyjność, to wystarczy jedno załączenie,

aby doszło do zjawiska sczepienia styków. W takiej sytuacji łącznik stycznikowy jest cały czas w

pozycji zamkniętej i przestaje spełniać swoją funkcję. Ze względu na to, zostały stworzone tabele

opisujące poszczególne kategorię użytkowania oraz obwody lub urządzenia, które można nimi

załączać (tab. 2.1) [1].

Tab. 2.1. Kategorie użytkowania łączników niskiego napięcia prądu przemiennego AC [1]

Prąd przemienny AC

Kategoria

użytkowania Typowy obszar zastosowań łączeniowych

Łączniki manewrowe

AC-1 Obciążenie nieindukcyjne lub małoindukcyjne, np. piece oporowe

(rezystancyjne)

AC-2 Silniki indukcyjne pierścieniowe – rozruch, wyłączanie

AC-3 Silniki indukcyjne zwarte (klatkowe) – rozruch, wyłączanie przy pełnej

prędkości obrotowej

AC-4 Silniki indukcyjne zwarte – rozruch, impulsowanie, hamowanie

przeciwprądem, rewersowanie (nawrót)

AC-5a

AC-5b

Sterowanie lamp wyładowczych

Łączenie żarówek

AC-6a

AC-6b

Łączenie transformatorów

Łączenie baterii kondensatorów

AC-7a

AC-7b

Obciążenie małoindukcyjne w gospodarstwie domowym i podobnych

zastosowaniach

Łączenie silników stosowanych w gospodarstwie domowym

AC-8a

AC-8b

Sterowanie silników sprężarek hermetycznych czynnika chłodzącego, z

ręcznym przestawieniem wyzwalaczy przeciążeniowych

Z samoczynnym przestawieniem wyzwalaczy przeciążeniowych

Styczniki prądu stałego DC również zostały podzielone na kategorie użytkowania, aby nie

wywołać niepotrzebnych strat z tytułu źle dobranego łącznika do układu. Kategorie zostały

przedstawione w tabeli 2.2.

Tab. 2.2. Kategorie użytkowania łączników niskiego napięcia prądu stałego DC [1]

Prąd stały DC

Kategoria użytkowania Typowy obszar zastosowań łączeniowych

(styczniki)

DC-1 Obciążenie nieindukcyjne lub mało indukcyjne, np. piece oporowe

(rezystancyjne)

DC-3 Silniki bocznikowe – rozruch, impulsowanie, hamowanie przeciwprądem,

rewersowanie (nawrót), wyłączanie dynamiczne

DC-5 Silniki szeregowe – rozruch, impulsowanie, hamowanie przeciwprądem,

rewersowanie, wyłączanie dynamiczne

DC-6 Łączenie żarówek

1.2. Budowa

1.2.1. Wprowadzenie

Stycznik jest typem rozłącznika o jednym położeniu spoczynkowym i niezależnie od tego czy

stycznik jest jedno- czy wielobiegunowy, czy też jedno- lub wieloprzerwowy,

o mocowaniu poziomym czy pionowym, podstawowymi zespołami konstrukcyjnymi są [4]:

podstawa lub korpus,

mechanizm napędowy,

elektromagnes,

zwora elektromagnesu,

tory prądowe główne,

komory gaszeniowe łuku elektrycznego,

tory prądowe pomocnicze.

Na rysunku 2.1 przedstawiono szkic budowy styczników o prostoliniowym ruchu styków

ruchomych i o kołowym ruchu.

Rys. 2.1. Szkice budowy styczników: a) o prostoliniowym ruchu styków ruchomych;

b) o ruchu kołowym; 1 – podstawa izolacyjna, 2 – elektromagnes, 3 – zwora elektromagnesu, 4 – styki

[1]

W styczniku rozróżniamy dwa położenia styków [3]:

normalnie otwarte NO (ang. Normal Open),

normalnie zamknięte NC (ang. Normal Close).

Położenie NO oznacza, że w stanie wymuszenia styki będą zwierane, czyli przez obwód będzie

płynął prąd. Położenie NC mówi, że styki w czasie wymuszenia będę rozwierane i obwód będzie

przerwany. Dzięki temu można stosować styczniki w bardzo złożonych układach, które wymagają

różnego rodzaju łączeń. Łącznik stycznikowy nie musi być wyposażony w tylko jeden sposób

położenia styków. Występuje też metoda mieszana, tzn. jeden styk NO, a drugi NC. Takie układy

sterowane są tą samą cewką, co pozwala na załączenie i wyłączenie różnych obwodów w tym samym

momencie oraz oszczędza dużo miejsca, np. w rozdzielnicy. Stycznik oprócz styków głównych może

mieć kilka styków pomocniczych służących np. do sygnalizacji stanu styków lub blokady [2].

Stycznik posiada części ruchome, jak i nieruchome. Części nieruchome są mocowane trwale na

podstawie lub w korpusie. Z kolei części ruchome stycznika mocowane są do poprzeczki izolacyjnej

umocowanej na zworze elektromagnesu [4].

Częściami nieruchomymi stycznika są: podstawa lub korpus, rdzeń i uzwojenie elektromagnesu,

przewody obwodu sterowniczego, wsporniki części ruchomych, styki nieruchome główne i

pomocnicze, zaciski oraz końcówki i elementy przyłączeniowe, magnesy i uzwojenia wydmuchowe

oraz komory gaszeniowe. Części ruchome stycznika to: zwora elektromagnesu wraz z poprzeczką,

styki ruchome główne i pomocnicze, układ dźwigni lub krzywek [4].

Budowa stycznika jest bardzo prosta, dzięki czemu zyskuje on istotnie dużą trwałość

mechaniczną – około (1-20)·106

przestawień, oraz dużą znamionową częstość łączeń. Jednak wadą

łącznika stycznikowego jest to, że nie stwarza on bezpiecznej i widocznej przerwy izolacyjnej w

obwodzie oraz podobnie jak rozłącznik wyposażony jest jedynie w prostą komorę gaszeniową, więc

może jedynie wyłączać prądy robocze i przeciążeniowe tylko do 10·In. W związku z tym razem z nim

powinny być stosowane zabezpieczenia przeciążeniowe w postaci przekaźników, przeważnie

termobimetalowych, oraz zabezpieczenia zwarciowe w postaci bezpieczników lub wyłączników –

tyczy się to obwodów nn. Z kolei w obwodach WN stosuje się odłączniki, często również z

bezpiecznikami [1, 3, 4].

1.2.2. Podstawa i korpus

Podstawa stycznika, jak i korpus są elementami, które zespalają wszystkie zespoły stycznika w

konstrukcyjną całość. Wykonane mogą być jako metalowe, metalowe pokryte izolacją lub izolacyjne

[4].

Korpus i podstawa stycznika powinny charakteryzować się odpowiednimi własnościami

mechanicznymi, wytrzymałością i sztywnością. Ponieważ na podstawę stycznika są przenoszone

naprężenia wywołane siłami powstającymi podczas pracy elementów konstrukcyjnych (w tym

znaczne obciążenia udarowe) wymaga się, aby wytrzymałość mechaniczna podstawy była

odpowiednio duża. Konstrukcja podstawy powinna ponadto zapewniać proste i niezawodne

mocowanie stycznika oraz zapewnić łatwy montaż poszczególnych zespołów, a także dogodny dostęp

do elementów które wymagają przeglądów lub konserwacji [4].

Materiał izolacyjny podstawy i korpusu dobrany jest do warunków środowiskowych oraz do

natężenia cieplnego, którego źródłem są znaczne ilości ciepła wytwarzanego na torach głównych

stycznika, podczas jego pracy i w uzwojeniu elektromagnesu napędowego [4].

Konstrukcja stycznika o podstawie metalowej oraz metalowej pokrytej izolacją charakteryzują

się dodatkowymi elementami w postaci płyt lub wsporników izolacyjnych, służących do odizolowania

konstrukcji podstawy przede wszystkim od torów prądowych stycznika. Elementy izolacyjne mogą

być wykonane oddzielnie dla każdego toru prądowego i połączone w konstrukcyjną całość. Elementy

te mogą być wykonane z materiałów o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych. Przykładem

mogą być elementy wykonane z steatytu, tłoczywa melaminowego lub z żywic poliestrowych z

włókien szklanych i innych [4].

Obecnie najczęściej stosowane są podstawy izolacyjne i korpusy wykonane jako gotowe

kształtki – wygodne ze względu na właściwości izolacyjne i technologie ich wytwarzania [4].

1.2.3. Mechanizm napędowy styczników

Mechanizm napędowy łącznika stycznikowego składa się z elektromagnesu oraz układu

przenoszenia ruchu zwory elektromagnesu na styki ruchome członów łączeniowych – głównego i

pomocniczego. Uzyskanie styczności przez styki następuje na skutek przyciągnięcia zwory

elektromagnesu, a rozwarcie przez zwolnienie elektromagnesu i odepchnięcie zwory na skutek

działania sprężyny lub pod wpływem ciężkości. Elektromagnes stycznika są to dwa zespoły –

elektryczny i magnetyczny. Zespół magnetyczny stycznika stanowi magnetowód (którego elementy

wykonane są

z materiału magnetycznego) razem z elementami niemagnetycznymi takimi, jak np. szczelina

powietrzna lub olejowa. Zespół elektryczny jest przeważnie złożony z jednej lub dwóch cewek oraz

czasem z elementów dodatkowych, jak np. rezystor. W elektromagnesach styczników prądu

zmiennego zachodzi konieczność stosowania uzwojeń zwartych – pierścieni tłumiących, służących do

ograniczania drgań zwory powodowanych przez zmienność strumienia magnetycznego [4].

1.2.4. Człon łączeniowy główny

Człon łączeniowy główny służy do czynności łączeniowych w torach prądowych głównych

stycznika. Elementami podstawowymi członu łączeniowego głównego są styki łączeniowe główne,

komora gaszeniowa i elementy ułatwiające gaszenie łuku elektrycznego [4].

Kształt styków łączeniowych głównych jest ściśle zależny od wartości prądu łączeniowego.

Przy wartościach prądów łączeniowych zawartych w przedziale od 30 A do 60 A i przy napięciu

łączeniowym większym od 380 V, układy stykowe są ukształtowane w wyraźną pętle, która jest

korzystna ze względu na oddziaływanie elektrodynamiczne na łuk. Takie ukształtowanie układu

stykowego pozwala na osiągnięcie efektu wydmuchu łuku elektrycznego. Poniżej tego zakresu układy

stykowe mają taki kształt, że nie oddziałują one na wydmuch łuku elektrycznego [4].

1.2.5. Zaciski przyłączowe w stycznikach

Zaciski przyłączowe w styczniku powinny umożliwić takie przyłączenie przewodu, aby

wyrwanie go było nie możliwe. Zaciski wyposaża się zatem w podkładki sprężyste o odpowiednim

kształcie. Dla dużych styczników, do których przyłączane są przewody o dużych przekrojach

wyposażonych w końcówki, stosuje się wkręty – np. o łbie sześciokątnym, z podkładką sprężystą [4].

Na rysunku 2.2 przedstawiono wkręt zaciskowy stosowany do mocowania przewodów w

styczniku.

Rys.2.2. Wkręt zaciskowy z (2) gwintem walcowym oraz (1) podkładka zaciskowa siodełkowa [4]

1.2.6. Człon łączeniowy pomocniczy

Człon łączeniowy pomocniczy stycznika służy przede wszystkim do czynności łączeniowych w

torach prądowych pomocniczych. Człon pomocniczy składa się z zestyków zwiernych i rozwiernych.

Zwykle są to 2 zestyki zwierne i 2 zestyki rozwierne – może być ich więcej, ale ich liczba nie może

być mniejsza niż 1 zwierny. Te elementy członu pomocniczego służą do sygnalizacji stanu stycznika

oraz do różnych zadań w zakresie sterowania, np. podtrzymanie impulsu sterowania, różnego rodzaju

blokady, itp. [4].

Człon łączeniowy pomocniczy jest umocowany do korpusu lub podstawy stycznika. Jego

elementy ruchome są napędzane przez elektromagnes za pośrednictwem poprzeczki izolacyjnej

ruchomej styków głównych stycznika albo przez specjalnie do tego przeznaczoną dźwignie [4].

Konstrukcja członu łączeniowego pomocniczego jest prosta ze względu na niewielkie wartości

prądu znamionowego ciągłego i prądu łączeniowego, którego wartość nie jest większa niż 10 A.

Dlatego też dodatkowe elementy w postaci komór gaszeniowych są zbędne. Znamionowe napięcie

izolacji członu łączeniowego pomocniczego powinno być takie samo jak członu głównego lub mieć

wartość nie większą niż 500 V. Napięcia łączeniowe natomiast nie przekraczają 400 V AC i 230 V

DC. Trwałość łączeniowa powinna być zbliżona do trwałości głównego członu łączeniowego. Zaciski

przyłączeniowe powinny być wyposażone w podkładki sprężyste tak, jak zaciski przyłączeniowe toru

głównego [4].

1.3. Zasada działania stycznika

Zasada działania stycznika jest podobna do zasady działania przekaźnika. Podanie określonej

przez producenta danego stycznika wartości napięcia na zaciski cewki elektromagnesu inicjuję

przepływ prądu przez nią. Wówczas wytwarza się pole magnetyczne pod wpływem, którego

przyciągana jest zwora. Styki połączone ze zworą zamykają się bądź otwierają, w zależności od ich

położenia spoczynkowego. W przypadku, gdy stycznik posiada styki NO i NC, obwód podłączony do

biegunów zwiernych zostaje załączony, a obwód podłączony do biegunów rozwiernych przerwany.

Stycznik pozostaje w pozycji wymuszonej, aż do momentu, gdy napięcie, które zostało podane na

cewkę elektromagnesu nie zostanie odłączone. Po przerwaniu obwodu styki wracają do pozycji

spoczynkowej dzięki zastosowaniu sprężyn zwrotnych, które są napięte przez cały czas działania

napędu stycznika [3].

1.4. Parametry i dane znamionowe

Wielkością znamionową stycznika nazywa się każdą ustaloną i podaną przez producenta

wielkość charakteryzującą stycznik ze względu na jego przeznaczenie i zdolność do pracy w

określonych warunkach pracy. Powinny być one dostępne na tabliczce znamionowej aparatu.

W tabeli 2.3 przedstawiono niektóre dane techniczne styczników, które są podawane przez

producenta w celu lepszego doboru stycznika do naszych potrzeb.

Tab. 2.3. Niektóre dane techniczne styczników próżniowych typu SV firmy ORAM Łódź [1]

Dane techniczne Typ stycznika

SV – 400 SV – 500 SV – 550 SV – 630

Najwyższe napięcie łączeniowe, V 1200

Prąd znamionowy ciągły i łączeniowy w kategorii

użytkowania AC-1 w temperaturze do +55 oC, A

400 500 550 630

Prąd znamionowy łączeniowy w kategorii

użytkowania AC-2÷AC-4, A 225 255 315 370

Graniczna zdolność łączenia, kA 2,3 2,6 3,2 3,7

Dopuszczalne moce silników klatkowych w

kategorii AC-3, kW

Przy napięciu: 380 V

500 V

660 V

1000 V

1200 V

200

260

284

315

350

250

300

325

350

400

275

350

400

450

500

315

400

500

550

600

Dopuszczalna częstość łączeń, 1/h 1200

Prąd znamionowy 1 – sekundowy Ith1, kA 5,5 5,5 8,3 8,3

Prąd szczytowy, kA 12,5 12,5 20,5 21,0

Trwałość mechaniczna, cykle 5 106

Trwałość łączeniowa przy prądzie

wyłączeniowym równym granicznej zdolności

łączenia, cykle

8 103 7 10

3 6 10

3 7 10

3

Czasy własne przy zasilaniu prądem

przemiennym przy zamykaniu/otwieraniu, ms 80/18 185/32

Wielkościami znamionowymi stycznika są [1]:

znamionowe napięcie izolacji stycznika Uni – poziom izolacji torów głównych w stosunku do

konstrukcji wsporczej, torów głównych między sobą i w stosunku do torów pomocniczych oraz

poziom izolacji przerwy biegunowej w każdym torze głównym. Oznacza to iż znamionowe napięcie

sieci nie może przekraczać wartości Uni stycznika pracującego w tej sieci,

rodzaj prądu torów głównych stycznika – określa stosowalność aparatu w sieciach prądu

przemiennego lub stałego,

częstotliwość znamionowa fn – określa wartość częstotliwości, przy której aparat może

pracować bez zakłóceń,

kategoria użytkowania styczników – określa podstawowe najczęstsze przeznaczenie

styczników (tab. 2.1 i tab. 2.2),

wytrzymałość zwarciowa – określa się ją za pomocą dwóch wartości – znamionowy prąd n-

sekundowy (wartość skuteczna prądu krótkotrwałego n-sekundowego, który płynąc n-sekund przez tor

prądowy stycznika nie spowoduje nadmiernego nagrzania aparatu i uszkodzenia aparatu) i prąd

szczytowy (szczytowa wartość prądu zwarciowego, którą stycznik wytrzymuje bez uszkodzeń w

stanie zamknięcia),

czasy własne otwierania i zamykania, czas wyłączenia – charakteryzują współdziałanie

zestyków pomocniczych z zestykami głównymi i między sobą. Określają możliwości stosowania

aparatu w różnych układach.

Stycznik dodatkowo może być wyposażony w zestyki pomocnicze, określane następującymi

wielkościami: liczbą i rodzajem zestyków, rodzajem prądu, prądem cieplnym ciągłym (skuteczna

wartość prądu, który przepływając dowolnie długo przez tor prądowy stycznika nie spowoduje

przekroczenia ustalonych w normach przyrostów temperatur elementów stycznika), prądem i

napięciem łączeniowym, kategorią użytkowania, trwałością łączeniową, wytrzymałością zwarciową

jako prąd szczytowy [4].

2. PRZEGLĄD KONSTRUKCJI STYCZNIKÓW

2.1. Styczniki niskonapięciowe

W stycznikach niskonapięciowych rozróżnia się następujące rodzaje [4]:

styczniki powietrzne,

styczniki olejowe,

styczniki próżniowe.

Styczniki powietrzne stanowią najpowszechniejszą grupę w stycznikach niskonapięciowych.

Gama zastosowania styczników powietrznych jest bardzo duża, gdyż przeznaczone są do pracy od

bardzo niskich wartości napięć aż do 1000 V, przy częstotliwości 50 lub 60 Hz oraz przy

znamionowych prądach ciągłych od kilku do kilkunastu amperów zarówno prądu stałego, jak i

przemiennego. Najczęściej są wykorzystywane przy sterowaniu silników indukcyjnych o mocach do

kilkuset kilowatów w kategoriach użytkowanie AC-3 i AC-4, mając określone parametry

w kategoriach AC-1 i AC-2, a czasami AC-14 i DC-13 [5]. Ponadto, mogą być używane w warunkach

klimatu umiarkowanego, morskiego lub tropikalnego. Wszystkie styczniki powietrzne o wykonaniu

podstawowym są stycznikami elektromagnesowymi. Człony napędowe oraz człony łączeniowe

początkowo przy małych mocach i prądach są bardzo proste, w miarę wzrostu prądu znamionowego i

mocy silnika są coraz to bardziej złożone. Dąży się do konstrukcji bardziej zwartych, to znaczy o jak

największym stopniu miniaturyzacji przy jednoczesnym zunifikowaniu zespołów i elementów

konstrukcyjnych [5]. Przykładowy stycznik powietrzny przedstawiono na rysunku 4.1.

Rys. 4.1. Stycznik powietrzny produkowany przez firmę ETI POLAM [6]

Styczniki olejowe mimo najstarszej konstrukcji mają wiele zalet dzięki czemu nadal są

stosowane w energetyce przemysłowej. Wpływ na to ma olej, który jest stosowany, jako środek

izolujący łuk elektryczny od otoczenia. Z tego względu styczniki olejowe mogą być stosowane w

pomieszczeniach zapylonych, wilgotnych oraz tam, gdzie występują atmosfery agresywne, które

działają korozyjnie na układ stykowy i na same styki. Człon łączeniowy główny wraz z mechanizmem

napędowym stycznika olejowego są zanurzone w oleju izolacyjnym, który wykorzystywany jest do

gaszenia łuku elektrycznego, chłodzenia toru prądowego i uzwojenia elektromagnesu stycznika oraz

służy do ochrony powierzchni stykowych przed utlenianiem. Jednakże mimo tylu zalet styczników

olejowych nie stosuje się ich. Spowodowane jest to wzrostem wymagań eksploatacyjnych – trwałość

styczników olejowych jest niewystarczająca, a przy tym znacznie mniejsza niż styczników

powietrznych [4]. Na rysunku 4.2 przedstawiono przykładowy stycznik olejowy.

Rys. 4.2. Stycznik olejowy produkowany przez firme EMA-ELESTER [7]

Ostatnią grupę styczników niskonapięciowych stanowią styczniki próżniowe. Styczniki

próżniowe posiadają wiele zalet i coraz częściej stosowane są w energetyce przemysłowej. Wszystko

to dzięki zastosowaniu próżni, która ma bardzo dobre własności izolacyjne oraz możliwości

gaszeniowe łuku elektrycznego. W styczniku próżniowym nn, wskutek bardzo szybkiego

odbudowania własności izolacyjnych przerwy połukowej, przy prądach do około 1000 A łuk

elektryczny gaśnie przy pierwszym przejściu przez zero, co oznacza, że czasy łukowe nie przekraczają

10 ms. Wskutek tak krótkiego czasu palenia się łuku uzyskana wartość energii łuku jest znacznie

mniejsza niż w stycznikach powietrznych i olejowych o tych samych parametrach łączeniowych.

Dzięki temu styczniki próżniowe mają znacznie większą trwałość łączeniową. Oprócz parametrów

łączeniowych związanych z odpowiednią kategorią użytkowania styczników próżniowych, określa się

także zwarciową zdolność łączeniową. Dzięki czemu znajdują one bardziej uniwersalne zastosowanie

[3, 5].

2.2. Styczniki półprzewodnikowe i hybrydowe

Styczniki półprzewodnikowe są to półprzewodnikowe elementy połączone w odpowiedni układ,

którego sterowanie polega na włączaniu i wyłączaniu tyrystorów stycznika. Styczniki te jako element

wykonawczy zawierają półprzewodnikowy tyrystor. Łączniki półprzewodnikowe znacznie

przewyższają styczniki mechaniczne pod kątem szybkości łączeniowej, żywotności i wytrzymałości.

Pracują niezawodnie i zapewniają stabilne czasy przełączania również w środowisku o dużym

zapyleniu oraz atmosferze agresywnej chemicznie. Łączą obciążenia rezystancyjne i indukcyjne w

sposób bezgłośny i niepowodujący zużycia. Są zasilane zarówno napięciem stałym, jak i

przemiennym. Ich zastosowanie ogranicza się do prostych funkcji takich jak załącz-wyłącz. W

związku z tym styczniki półprzewodnikowe mogą być stosowane prawie w każdej kategorii

użytkowania [4]. Przykładowy stycznik półprzewodnikowy przedstawiono na rysunku 4.6.

Styczniki hybrydowe są to styczniki, których człon łączeniowy główny zawiera zestyki i

półprzewodniki. Obecność elementów półprzewodnikowych w członie łączeniowym głównym

powoduje występowanie w stanie otwarcia stycznika prądów wstecznych o znacznych wartościach,

podobnie jak w stycznikach półprzewodnikowych. Zadaniem elementów półprzewodnikowych jest

ułatwienie gaszenia lub całkowite wyeliminowanie łuku. W czasie pracy w stanie przewodzenia

tyrystora, łącznik ten bocznikowany jest zestykiem mechanicznym, który eliminuje straty mocy na

złączu półprzewodnika. Zastosowanie drugiego łącznika mechanicznego, podłączonego szeregowo,

zapewnia przerwę galwaniczną w czasie wyłączenia stycznika. Zakres stosowania styczników

hybrydowych jest taki sam jak dla styczników zestykowych. Styczniki te mogą być przede wszystkim

stosowane tam, gdzie wymagana jest wysoka trwałość i niezawodność łącznika. Dlatego najczęściej są

stosowane w kategoriach pracy AC-3 i AC-4 [5].

Rys. 4.6. Stycznik półprzewodnikowy 10,5 A firmy SIEMENS [9]

3. WYMAGANIA NORM I PRZEPISÓW DOTYCZĄCE BADAŃ STYCZNIKÓW

Wymagania dotyczące badań styczników są przedstawione w Polskiej normie

PN-EN 60947-1 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa - Część 1: Postanowienia

ogólne [12]. Norma ta została uzupełniona w zakresie badań styczników o normy PN-EN 60947-4-1

Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa - Część 4-1: Styczniki i rozruszniki do silników -

Mechanizmowe styczniki i rozruszniki do silników [5] oraz PN-EN 60947-4-2 Aparatura rozdzielcza i

sterownicza niskonapięciowa - Styczniki i rozruszniki do silników - Łączniki i rozruszniki

półprzewodnikowe do silników prądu przemiennego [13]. Zgodnie z normą PN-EN 60947-1[12],

badania powinny być przeprowadzone tylko w celu sprawdzenia, czy dany stycznik spełnia zawarte w

niej.

Wymagania norm i przepisów są ograniczone tylko do tych, które charakteryzują stycznik jako

łącznik manewrowy. Wymagania stawiane stycznikom są bardzo zbliżone do wymagań, które stawia

się innym grupą łączników. Przede wszystkim są to wymagania dotyczące [12]:

nagrzewania torów prądowych głównych,

wytrzymałości zwarciowej torów głównych,

ochrony przed czynnikami narażeniowymi stwarzanymi przez środowisko,

ochrony środowiska i obsługi przed czynnikami zagrożeniowymi stwarzanymi przez styczniki,

własności izolacyjnych,

konstrukcji i materiału z jakiego został wykonany,

wytrzymałości mechanicznej zacisków,

czasu niejednoczesności otwierania i zamykania się styków.

Badanie niejednoczesności otwierania i zamykania się styków wykonuje się tylko w celu

sprawdzenia czy nie występuje zjawisko sklejania się styków. Nie ma unormowanych czasów w

jakich styki powinno się otwierać, bądź zamykać. Są to badania dodatkowe, których producent nie

musi wykonywać [4, 5, 12, 13].

Styczniki jako łączniki manewrowe muszą posiadać zdolność do pracy manewrowej, dlatego też

wykonuje się dodatkowe badania, które określają następujące wielkości: napięcie i prąd łączeniowy,

kategorię użytkowania, częstość łączeń, czas pracy oraz trwałość łączeniową. Po wykonanych

badaniach stycznik zostaje przypisany do odpowiedniej kategorii (kategorie zostały przedstawione w

tabeli 2.1 oraz 2.2).Wszystkie badania powinny być przeprowadzone na każdym wyprodukowanym

egzemplarzu. Jeżeli dany stycznik pozytywnie przejdzie wszystkie badania zostaje dopuszczony do

eksploatacji [4, 12].

6. STANOWISKO DO REALIZACJI WYBRANYCH BADAŃ STYCZNIKA

6.1. Informacje podstawowe

Stanowisko składa się z układu do badania niejednoczesności zamykania i otwierania się

styków oraz ze różnego rodzaju styczników zabudowanych w puszkach hermetycznych. Układ

posiada możliwość badania styczników zamontowanych w układzie, ale również (po przełączeniu)

umożliwia zbadanie wcześniej zabudowanych styczników.

6.2. Projekt stanowiska

Przygotowany schemat układu do badania niejednoczesności otwierania się i zamykania

układów stykowych przedstawia rysunek 6.1. Na schemacie przedstawiono wykorzystane urządzenia

oraz zobrazowano połączenia miedzy nimi. Użyte przyciski służą do załączania poszczególnych

styczników. Natomiast przełącznik trójpozycyjny ma za zadanie przełączanie układu, aby mógł on

badać zarówno styczniki zamontowane w układzie, jak również styczniki dołączane z zewnątrz. W

celu umożliwienia zbadania stycznika zewnętrznego wyprowadzono dodatkowe gniazda bezpieczne

na obudowę układu, służące do zasilania cewki (gniazda A1 i A2) oraz do podłączenia biegunów

stycznika (gniazda 1-2, 3-4, 5-6, 7-8).

Rys. 6.1. Schemat układu do badania niejednoczesności otwierania i zamykania układów stykowych

W wywierconych otworach zamontowano gniazda bezpieczne odpowiednio kolorami: czarne –

tory główne, niebieskie – cewka stycznika, czerwone – styki pomocnicze normalnie zamknięte,

zielone – styki pomocnicze normalnie otwarte.

Układ pomocniczy (rys. 6.5), który ma na celu wyjaśnienie działania układu badania

styczników. Układ skała się z czterech rezystorów dobranych tak, aby przy zasilaniu 12 VDC popłynął

prąd 100 mA oraz jednego rezystora ograniczającego, który ma za zadanie ograniczać maksymalny

prąd w przypadku zwarcia wszystkich rezystorów. Rezystancja dobranych oporników wynosiła

odpowiednio:

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

Rys. 6.5. Schemat układu pomocniczego

Do każdego z czterech rezystorów zostały dołączone równolegle zwory (S1-S4), dzięki którym

jest możliwe ominięcie poszczególnego opornika podczas przepływu prądu. Takie rozwiązanie

umożliwiło pomiar spadku napięcia układu przy różnych konfiguracjach połączeń rezystorów.

Wartości napięcia i prądu układu zostały odczytane z oscyloskopu włączonego pomiędzy rezystory

R1-R4. Napięcie zasilające zwory zostało ustawione na poziom 13,36 V.

Badanie stycznika będzie możliwe dzięki zastąpieniu zwory badanym stycznikiem. Dzięki temu

na oscyloskopie będzie można zauważyć, jaka jest kolejność otwierania i zamykania się styków

poprzez pomiar poziomu napięcia, jakie występuje w odpowiedniej konfiguracji.

Wykorzystane styczniki posiadają cewki sterowane napięciem 230 VAC, które będzie podawane

na cewki dzięki użyciu przełączników. Do każdego z przełączników podłączona została dioda

sygnalizująca zmianę położenia styków. Do zabezpieczenia zasilania cewek użyto wyłącznika

nadmiarowo-prądowego o charakterystyce B i prądzie znamionowym 1 A. Zabezpieczono również

obwód nn prądu stałego bezpiecznikiem o znamionowym prądzie 200 mA o charakterystyce szybkiej.

Ostateczny widok układ pomiarowego przedstawia rysunek 6.9. Panel umożliwia sterowanie

poszczególnymi stycznikami, które znajdują się w górnej części układu oraz stycznikiem

zewnętrznym dołączanym do układu.

Rys. 6.9. Stanowisko do badania niejednoczesności zamykania i otwierania się styków

6.3. Dane katalogowe badanych styczników

7. POMIARY.

a) Wypełnić tabelę pomiarami napięcia pomiędzy opornikami R1-R4 przy wszystkich możliwych

konfiguracjach położenia zwory S1-S4. Pomiary wykonać za pomocą oscyloskopu.

Lp. S1 S2 S3 S4 U I

- - - - - V mA

1 X

2 X

3 X

4 X

5 X X

6 X X

7 X X

8 X X

9 X X

10 X X

11 X X X

12 X X X

13 X X X

14 Wszystkie rozwarte

15 Wszystkie zwarte

X – styk zamknięty.

b) Zaprojektować tabelę pomiarową, która uwzględni:

- nazwę badanego stycznika

- liczbę odskoków każdego bieguna

- czas wystąpienia pierwszego odskoku dla danego bieguna

- czas końca ostatniego odskoku

- czas trwania odskoków

- całkowity czas załączenia / wyłączenia stycznika

- średnia dla każdego z powyższych pomiarów.

Dla wskazanych przez prowadzącego styczników wykonać po 10 prób załączania i wyłączania,

a otrzymane wyniki wpisać do zaprojektowanej tabeli pomiarowej.

Z wybranego pomiaru należy zapisać na PENDRIVE zrzut ekranu oscyloskopu wraz z kursorami

pomiarowy, które przedstawiają wartości czasów zapisane w tabeli.

Przykład tabeli pomiarowej:

Nazwa stycznika:

Badany biegun:

L.p.

Liczba

odskoków dla

dwóch

biegunów

Początek

pierwszego

odskoku

Koniec

ostatniego

odskoku

Czas trwania

odskoków

Całkowity czas

ON/OFF

[ - ] [ ] [ ] [ ] [ ]

1.

2.

9.

10.

Średnia

LITERATURA

[1] Markiewicz, H., Instalacje elektryczne, Warszawa, 2018.

[2] Babij, J., Królikowski, Cz., Niewiedział, R., Siwiec, J., Laboratorium urządzeń elektrycznych,

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1983 r.

[3] Markiewicz, H., Urządzenia elektroenergetyczne, Warszawa, 2011 r.

[4] Bóbr, A., Polowczyk, W., Tucholski, J., Styczniki energoelektryczne, Warszawa, 1979 r.

[5] PN-EN 60947-4-1 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa - Część 4-1: Styczniki i

rozruszniki do silników -Mechanizmowe styczniki i rozruszniki do silników.

[6] https://sklep.eldor24.pl/styczniki-modulowe/26877-stycznik-silnikowy-mini-ce0710-24v-50-

60hz-7890355107836.html (dostęp 05.01.2020)

[7] https://encrypted-tbn0.gstatic.com/shopping?q=tbn:ANd9GcRB6GFA0CSn-

tn9hoCWxAshXXiK2q7Wi_MuFwzpgAMjgwlkzdHkXBE765ibXg82_SAs4PMuwgkVzyFLfv

sMmMzu6xO113ACQpGsZzLar4YZtTiORE4NnEl5&usqp=CAc (dostęp 05.01.2020)

[8] http://pl.vfdcn.com/vacuum-contactor/high-voltage-contactor/high-voltage-ac-vacuum-

contactor-china-supplier.html (dostęp 05.01.2020)

[9] https://www.tim.pl/stycznik-polprzewodnikowy-10-5a-3p-4-30v-dc-3rf24-3rf2410-

1ac45?gclid=CjwKCAiA0svwBRBhEiwAHqKjFo0gqjHGUDEwfjITmbt_PH7vlgmrayCR4Sj

MtcwMI4ljZs7lm7ddKxoCpGUQAvD_BwE (dostęp 05.01.2020)

[10] https://www.polimet.com.pl/pliki/produkty/539/abb_akcesoria_styczniki_af09-96.pdf (dostęp

05.01.2020)

[11] Grodziński, A., Szymański, A., Próżniowe komory gaszeniowe. Warszawa, 2006 r.

[12] PN-EN 60947-1 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa - Część 1: Postanowienia

ogólne.

[13] PN-EN 60947-4-2 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa - Styczniki i

rozruszniki do silników - Łączniki i rozruszniki półprzewodnikowe do silników prądu

przemiennego.