Автоматические аппараты. Электрические аппараты.

В кратковременном режиме
(рис. 1.2, а) в период наличия тока I_o
температура аппарата не успевает достичь
установившегося значения, а за время
паузы тока t_П температура аппарата
снижается практически до температуры
окружающей среды Т_окр. Это позволяет
осуществлять форсирование аппарата по
току с тем условием, что за время нагрузки t_НГ не будет достигнуто.

Рис. 1.2. Режимы работы аппаратов

В повторно-кратковреме ном
режиме (рис 1.2, б) температура аппарата
так же не достигает установившегося значения
в период t_НГ, а во время паузы
тока не успевает снизиться до Т_окр. Этот режим
характеризуется относительной продолжительностью
включения:

где t_НГ и t_П – время нагрузки
и время паузы. Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и
60%.
Коэффициент
перегрузки по мощности показывает, во сколько раз можно увеличить
мощность источников теплоты в электрическом
аппарате при повторно-кратковреме ном
режиме работы по сравнению с мощностью
при продолжительном режиме при условии
равенства допустимой температуры в том
и другом случаях.
Если , то в этом случае, с погрешностью не
более 5% можно определить

Поскольку, при прочих
равных условиях, мощность источников теплоты
в большинстве случаев пропорциональна
квадрату тока, то вводится коэффициент перегрузки по
току k_I, который равен
Наиболее общим является перемежающийся режим (рис. 1.2, в) когда в период t₁ проходит ток I₁, а в период t₂
– ток I₁, причём . В установившемся состоянии температура
перегрева имеет максимум и минимум . Если по аппарату длительное время
проходит ток I₁, то установившаяся
температура перегрева равна . Аналогично, току I₂ соответствует
температура перегрева . По прошествии некоторого времени и соседних циклов станут одинаковыми.
Наступит так называемый квазистационарный («мнимостационарный»
режим работы с неизменными значениями и .

1.1.6. Термическая стойкость
электрических аппаратов
Термической стойкостью
электрических аппаратов называется способность их выдерживать
без повреждений, препятствующих дальнейшей
работе, термическое воздействие протекающих
по токоведущим частям токов заданной
длительности. Количественной характеристикой
термической стойкости является ток термической
стойкости, протекающий в течение определённого
промежутка времени. Наиболее напряжённым
является режим короткого замыкания, в
процессе которого токи по сравнению с
номинальными могут возрастать в десятки
раз, а мощности источников теплоты –
в сотни раз.
Термическая стойкость электрического
аппарата зависит при этом не только от
режима короткого замыкания, но и от теплового
состояния, предшествующего режиму короткого
замыкания.
При коротком замыкании
электрические аппараты подвергаются
значительным термическим воздействиям. Как правило,
это аварийный режим работы и поэтому
время его действия ограничивается до
минимально возможного значения. Для большинства
электрических аппаратов это время , т.е. не превосходит времени нагрева
при адиабатическом процессе (нагрев без
теплообмена с окружающей средой). Другими
словами, режим короткого замыкания можно
рассматривать как кратковременный режим
работы, при котором температура электрического
аппарата может достигать значений, превосходящих
допустимую температуру в продолжительном
режиме. Это возможно, поскольку время
кратковременного режима обычно небольшое,
за которое не может произойти существенных
изменений в старении изоляции и других
элементах, которые ограничивают температуру
в продолжительном режиме работы.
Тем не менее, и в этом
случае существуют ограничения, которые
в основном диктуются температурой рекристаллизации
материала токоведущих частей. В электрических
аппаратах приняты следующие значения
максимальной температуры при кратковременном
режиме работы:

Расчётное время короткого
замыкания стандартизовано и принято равным
1, 5 и 10 секундам. Допустимые плотности
тока (А/мм²) для типичных проводниковых
материалов в зависимости от расчётного
времени короткого замыкания приведены
в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

1.2. Контактные
явления в электрических аппаратах
Электрический контакт
– соприкосновение тел, обеспечивающее
протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются
также контактами или контакт-деталями.

1.2.1. Классификация
электрических контактов
Виды контактных соединений,
наиболее часто встречающиеся в
электрических аппаратах, классифицируются по различным
признакам. По виду соединения электрические
контакты могут быть:

1.2.2. Контактная поверхность
и контактное сопротивление
Для выяснения сущности
явления электрического контакта рассмотрим
механический контакт двух металлических
твердых тел. При любой, сколь угодно чистой
обработке два металлических тела соприкасаются
не по всей видимой поверхности, а лишь
в отдельных точках по микровыступам.
Обычно, для обеспечения надежного протекания
электрического тока, контакты сжимают
силой, которая называется силой контактного
нажатия. Эта сила может создаваться при
затяжке болтов, при обжатии контактного
наконечника на конце провода или кабеля
или из-за деформации пружин контактной
системы. При этом микровыступы, по которым
произошел начальный контакт, деформируются;
в соприкосновение могут прийти другие
выступы и они также могут деформироваться.
На поверхности образуются площадки, которые
и воспринимают усилие контактного нажатия
(рис. 2.2).

Рис. 2.2. Контакт твёрдых
тел
Давление в разных
точках поверхности контактных площадок в общем
случае не одинаково и может вызывать
как упругие, так и пластические деформации.
Таким образом, механический
контакт двух тел происходит не по
всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках,
а при сжатии их силой – по отдельным площадкам.
Общая поверхность тел,
с которой производится контакт,
называется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки,
полученные в результате деформации микровыступов,
которые воспринимают усилие. Эта часть
контактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей
усилие.
Очевидно, что электрический ток
может проходить только в точках
контактной поверхности, в которых имеет
место механический контакт, т. е. через
точки поверхности, воспринимающие усилие.
Однако условие механического контакта
является необходимым, но недостаточным
для протекания тока.
При ближайшем рассмотрении
поверхности, воспринимающей усилие, можно
видеть, что она весьма неоднородна,
а именно: в общем случае одна
часть ее покрыта плёнками оксидов, другая
– адгезионными слоями атомов
кислорода и, наконец, третья часть
представляет собой чисто металлическую поверхность.
Для прохождения электрического
тока поверхность, покрытая оксидными
пленками, обладает большим электрическим
сопротивлением, поскольку удельное сопротивление
оксидов на несколько порядков выше удельного
сопротивления чистых металлов.
Через поверхность, покрытую
адгезионными слоями кислорода, электрический ток может протекать за счет туннельного
эффекта, заключающегося в проникновении
электронов через потенциальный барьер.
Этот участок поверхности имеет квазиметаллический
характер проводимости.
И, наконец, третья часть
поверхности проводит свободно электрический
ток благодаря чисто металлической проводимости.
Квазиметаллические и металлические поверхности
контакта принято называть -пятнами. Это именно те части контактной
поверхности, через которые в электрических
контактах протекает ток.
В электрических контактах
ток проходит только через небольшую часть кажущейся контактной поверхности,
и, следовательно, он должен испытывать
сопротивление при прохождении через
зону контакта.
Рассмотрим однородный
линейный проводник постоянного
поперечного сечения (рис. 2.3), по которому протекает
постоянный ток I. Между точками а и б, находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U₁. Тогда активное сопротивление
участка проводника R₁ = U₁/I.

Рис. 2.3. К определению
переходного сопротивления контактов: а – проводник;
б – проводник с контактом.

Разрежем проводник
в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой Р. При протекании того
же тока I получим разность потенциалов
между точками а и б равную U₂ и отличную от разности
потенциалов U₁. В этом опыте сопротивление R₂ = U₂/I. Разность сопротивлений R_пер = R₂ – R₁ называется переходным сопротивлением
контакта.
Следует отметить, что если на некотором
удалении от -пятна линии тока параллельны друг
другу, то в непосредственной близости
от него они искривляются и «стягиваются»
к -пятну. Область электрического контакта,
где линии тока искривляются, стягиваясь
к -пятну, называется областью стягивания.
В областях стягивания поперечное
сечение проводника используется не полностью для протекания
электрического тока, что и приводит к
появлению дополнительного сопротивления.
Это сопротивление называется сопротивлением стягивания.
Переходное сопротивление контакта
зависит от обработки поверхности. Шлифовка
ведёт к тому, что на поверхности остаются
более пологие выступы с большим сечением.
Смятие таких выступов затруднено, поэтому
сопротивление шлифованных контактов
выше, чем контактов с более грубой обработкой.
Наличие окисных плёнок приводит к
тому, что при небольшом напряжении
замыкаемой цепи или недостаточной силе
нажатия на контакты протекание электрического
тока становится невозможным. В связи
с этим контакты на малые токи или на малые
усилия нажатия изготовляются из благородных
металлов, не поддающихся окислению (золото,
платина и др.).
В сильноточных (сильнотоковых) контактах
окисная плёнка разрушается либо
благодаря большим усилиям нажатия, либо
путём самозачистки при включении за счёт
проскальзывания одного контакта относительно
другого.

1.2.3. Зависимость
переходного сопротивления от
свойств материала контактов
Переходное сопротивление
чрезвычайно чувствительно к
окислению поверхности ввиду того, что окислы многих
металлов (в частности, меди)
являются плохими проводниками. У медных
открытых контактов вследствие их окисления
с течением времени переходное сопротивление
может возрасти в тысячи раз.
В процессе длительного пребывания
под током на поверхности замкнутых
контактов также возникают окисные, плохо
проводящие ток плёнки. Они проникают
к площадкам контактирования и, увеличивая
тем самым переходное сопротивление, могут
вывести контакты из строя. Повышение
температуры ускоряет степень окисления
поверхности контактов. Повышение
силы контактного нажатия, наоборот, затрудняет
проникновение окисных плёнок к площадкам
контактирования, повышая тем самым срок
службы контактов.
Окислы серебра имеют
электрическую проводимость, близкую
к проводимости чистого серебра. При повышенных температурах
окислы серебра разрушаются. Поэтому переходное
сопротивление контактов из серебра практически
не изменяется с течением времени. Оно
даже может понизиться вследствие медленной
пластической деформации материала в
площадках контактирования. Для медных
контактов применяются специальные меры
по уменьшению окисления их рабочих поверхностей.
В разборных соединениях
производят антикоррозионные покрытия
рабочих поверхностей – серебрят, лудят, покрывают
кадмием, никелируют и цинкуют. Применяют
покрытие рабочих поверхностей нейтральной
смазкой после их технического обслуживания.
Коммутирующие контакты, длительно работающие под током
не выключаясь, выполняются, как правило,
из серебра или металлокерамики на основе
серебра. Для медных контактов снижается
значение тока нагрузки по сравнению с
допустимым значением. Тем самым снижаются
нагрев контактов и интенсивность их окисления.
Возникающая при отключении
дуга сжигает окислы, и переходное
сопротивление снижается. Во многих аппаратах
кинематическая схема предусматривает
при замыкании некоторое проскальзывание
одного контакта по другому. Образовавшаяся
окисная пленка при этом разрушается.
Материалы большей твердости
имеют большее переходное сопротивление и требуют большего контактного
нажатия. Чем выше электрическая проводимость
и теплопроводность материала, тем ниже
переходное сопротивление.

1.2.4. Влияние переходного сопротивления
контактов на нагрев проводников
Наличие переходного
сопротивления контактов неизбежно
приводит к тому, что в зоне контакта выделяется тепло, т. е. всякий
электрический контакт является дополнительным
источником тепла. В контактном соединении
можно выделить зону стягивания, т. е. ту
часть проводников, прилегающих к поверхности
контакта, в которой сосредоточено сопротивление
стягивания. Разумеется, сопротивление,
обусловленное наличием окисных пленок,
также сосредоточено в этой зоне, непосредственно
между поверхностями контакта.
Ввиду того, что наружная
поверхность зоны стягивания невелика,
в первом приближении можно пренебречь количеством
теплоты, отдаваемой в окружающую среду
непосредственно этой поверхностью, и
считать, что теплота, генерируемая в этой
зоне, распространяется в части проводника,
прилегающей к этой зоне, а далее с поверхности
проводников – в окружающую среду.
При прохождении тока
нагревается само тело проводника,
что приводит к увеличению падения напряжения на этом участке
электрической цепи. Кроме этого, изменяется
сопротивление стягивания и увеличивается
падение напряжения на переходном сопротивлении
контакта
Известно, что для каждого
материала существуют определённые
падения напряжения на контактах, при которых
температура контактного пятна достигает
значений, характеризующих фазовое состояние
материала. Так, температуре рекристаллизации
соответствует напряжение размягчения.
Температуре плавления материала соответствует
напряжение плавления, а температуре кипения
– напряжение кипения. Для некоторых металлов
значения этих напряжений приведены в
табл. 2.1.
Таблица 2.1.

Зависимость сопротивления
контакта от падения напряжения на
нём (R – U характеристика) представлена на рис.
2.4.

Рис. 2.4. R – U характеристика контакта

С ростом падения напряжения на контакте U_к переходное сопротивление
вначале растёт, а затем, при напряжении U_р происходит резкое
падение механических свойств материала.
При том же усилии нажатия увеличивается
площадь контактирования и переходное
сопротивление резко уменьшается. В дальнейшем
оно снова линейно возрастает, а при напряжении U_пл электрический
контакт сваривается – переходное сопротивление
снова резко уменьшается.

1.2.5. Сваривание
электрических контактов
Использование контактов при условии, что напряжение U_к не превзойдёт
напряжения U_р возможно лишь
в слаботочных (слаботоковых) аппаратах.
В сильнотоковых аппаратах, предназначенных
для работы в режимах короткого замыкания,
условие или привело бы к необходимости создания
чрезмерно больших усилий сжатия контактов.
Поэтому в сильнотоковых аппаратах не
исключено расплавление -пятна в замкнутом состоянии контактов,
что может привести к свариванию контактов
так, как это происходит при точечной электросварке.

1.2.6. Износ контактов
Под износом контактов
понимают разрушение рабочей поверхности
коммутирующих контактов, приводящее
к изменению их геометрической формы,
размера, массы и т.д.
Износ, происходящий под действием электрических
факторов, называется электрическим износом –
электрической эрозией контактов.
Износ под действием механических факторов
здесь не рассматривается, он обычно много
меньше электрического.
При размыкании сила, сжимающая контакты,
снижается до нуля, резко возрастают
переходное сопротивление контакта и
плотность тока в последней площадке контактирования.
Площадка сильно разогревается, и между
расходящимися контактами образуется
контактный перешеек (мостик) из расплавленного
металла, который в дальнейшем рвется.
При этом в промежутке между контактами
могут возникнуть различные формы электрического
разряда.
Мостиковую эрозию контактов можно
объяснить термоэлектрическими эффектами,
приводящими к асимметрии расплавленного
металлического мостика (рис. 2.5), что в
конечном счете приводит к переносу материала
с одного контакта на другой.
В результате термоэлектрических
эффектов максимум температуры приходится не на середину расплавленного
мостика М а смещен от нее на в сторону переноса теплоты. При разрыве
он нарушается по изотерме с температурой T _max и на одном участке
остается больше металла, чем на другом.
Застывший металл при большом числе отключений
образует неправильные формы контактов.
Эффектные меры борьбы с эрозией состоят
в создании симметричных тепловых режимов
мостика, например, подбором соответствующих
контактных пар.
Электрическая эрозия наблюдается
при небольших токах; при больших
токах характерен дуговой износ контактов. Он определяет коммутационную износостойкость
аппарата, его способность выполнять
определенное число коммутаций тока контактами
в заданных условиях отключения цепи.
Она выражается предельным для аппарата
числом коммутационных циклов. Механическая износостойкость
аппарата определяется его способностью
выполнять определенное число операций
отключения и отключения без тока в цепи
главных контактов.

Рис. 2.5. Фазы мостиковой
эрозии контактов

Дуговой износ контактов – это выгорание материала контактов
под воздействием электрической дуги.
Энергия, сосредоточенная в небольших объемах,
разогревает металл, плавит его и доводит
до температуры кипения. Материал контактов
выбрасывается в виде паров металла и
капель.
Относительную дугостойкость
различных металлов можно оценить
на основании диаграммы (рис. 2.6). Она построена по результатам
опытов с короткой дугой (0,8 мм) при токе
12 кА и продолжительности его протекания
0,0085 с. По оси ординат отложено отношение
объёмного износа к количеству электричества прошедшему через промежуток в форме
газового разряда.

Рис. 2.6. Сопоставление
удельного износа контактов

1.2.7. Параметры
контактных конструкций
Раствор контактов представляет
собой кратчайшее расстояние между
разомкнутыми контактными поверхностями
подвижного и неподвижного контактов
(см. рис. 2.1). Зазор контактов обычно
выбирается из условия гашения малых токов.
При работе контакты изнашиваются.
Чтобы обеспечить надежное их соприкосновение на длительный срок, кинематика
аппарата выполняется таким образом, что
контакты соприкасаются раньше, чем подвижная
система (система перемещения подвижных
контактов) доходит до упора. Контакт крепится
к подвижной системе через пружину. Благодаря
этому, после соприкосновения с неподвижным
контактом, подвижный контакт останавливается,
а подвижная система продвигается еще
вперед до упора, сжимая дополнительно
при этом контактную пружину.
Таким образом, если при
замкнутом положении подвижной системы
убрать неподвижно закрепленный контакт, то подвижный
контакт сместится на некоторое расстояние,
называемое провалом. Провал определяет
запас на износ контактов при заданном
числе срабатываний. При прочих равных
условиях больший провал обеспечивает
более высокую износостойкость, т.е. больший
срок службы. Но больший провал, как правило,
требует и более мощной приводной системы.
Контактное
нажатие – сила, сжимающая контакты в месте их
соприкосновения. Различают начальное
нажатие в момент начального соприкосновения
контактов, когда провал равен нулю, и
конечное нажатие
при полном провале контактов. По мере
износа контактов уменьшается провал,
а, следовательно, и дополнительное сжатие
пружины. Конечное нажатие приближается
к начальному. Таким образом, начальное
нажатие является одним из основных параметров,
при котором контакт должен сохранять
работоспособность.
1.3. Основные
материалы, применяемые в аппаратостроении
1.3.1. Общие сведения
о материалах
Материалы, применяемые
в аппаратостроении, могут быть разбиты
на следующие группы:

проводниковые – медь, алюминий, латунь и др.;
магнитные – различного рода электротехнические стали и сплавы для изготовления магнитопроводов;
изоляционные – для электрической изоляции токоведущих частей друг от друга и от заземлённых элементов;
дугостойкие изоляционные – асбест, керамика, пластмассы для дугогасительных камер;
сплавы с высоким удельным сопротивлением – для изготовления различных резисторов;
контактные – серебро, медь, металлокерамика для обеспечения высокой электрической износостойкости контактов;
биметаллы – применяются в автоматических аппаратах, использующих линейное удлинение различных металлов при нагревании электрическим током;
конструкционные – металлы, пластмассы и изоляционные материалы, служащие для придания аппаратам и их деталям тех или иных форм и для изготовления деталей, преимущественным назначением которых является передача и восприятие механических усилий.

1.3.2. Материалы
для контактных соединений
К материалам контактов
предъявляются следующие требования:
Для контактных соединений
применяются следующие материалы, свойства которых
рассмотрены ниже.
Медь. Положительные свойства:
высокие электрическая проводимость и
теплопроводность, достаточная твердость,
что позволяет применять при частых включениях
и отключениях.
Недостатки: низкая температура плавления, на воздухе
образуется плёнка прочных окислов, имеющих
высокое сопротивление, требует больших
сил нажатия. Для защиты меди от окисления
поверхность контактов покрывается электролитическим
способом слоем серебра толщиной 20—30
мкм. На главных контактах иногда ставятся
серебряные пластинки (в аппаратах, включаемых
относительно редко). Применяется как
материал для плоских и круглых шин, контактов
аппаратов высокого напряжения, контакторов,
автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости
нежелательно применение в аппаратах,
отключающих мощную дугу и имеющих большое
число включений в час.
Серебро. Положительные свойства:
высокая электропроводность и теплопроводность,
плёнка окислов серебра имеет малую механическую
прочность и быстро разрушается при нагреве
контактной точки. Устойчивость контакта
и малое переходное сопротивление являются
характерными свойствами серебра.
Отрицательные
свойства: малая дугостойкость и недостаточная
твердость серебра препятствуют использованию
его при наличии мощной дуги и при частых
включениях и отключениях. Применяется
при токах до 20 А.
Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокую
электрическую проводимость и теплопроводность.
Благодаря малой плотности токоведущая
часть круглого сечения из алюминия на
такой же ток, как и медный проводник, имеет
почти на 48% меньшую массу. Это позволяет
уменьшить массу аппарата.
Недостатки
алюминия: образование на воздухе и в активных
средах плёнок с высокой механической
прочностью и высоким сопротивлением;
низкая дугостойкость (температура плавления
значительно меньше, чем у меди и серебра);
малая механическая прочность; при контакте
с медью образуется пара, подверженная
сильной электрохимической коррозии.
В связи с этим при механическом соединении
с медью алюминий должен покрываться тонким
слоем меди электролитическим путем либо
оба металла необходимо покрывать серебром.
Алюминий и его сплавы
(дюраль, силумин) применяются главным
образом как материал для шин и конструкционных деталей
аппаратов. Для коммутирующих контактов
алюминий непригоден.
Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама
являются высокая дугостойкость, большая
стойкость против эрозии и сваривания.
Высокая твердость вольфрама позволяет
применять его при частых включениях и
отключениях.
Недостатками
вольфрама являются: высокое удельное сопротивление, малая
теплопроводность, образование прочных
оксидных и сульфидных пленок. В связи
с высокой механической прочностью и образованием
пленок вольфрамовые контакты требуют
большой силы нажатия.
Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов
на очень малые токи при малых нажатиях.
Платина и золото не образуют окисных
плёнок. Контакты из этих металлов имеют
малое переходное сопротивление. Для повышения
износостойкости применяют сплавы из
платины с иридием, молибденом или палладием.
Металлокерамические
материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов
показывает, что ни один из них не удовлетворяет
полностью всем требованиям, предъявляемым
к разрывным контактам.
Материалы, обладающие желаемыми свойствами,
получают методом порошковой металлургии. Металлокерамика – это
механическая смесь двух практически
не сплавляющихся металлов, получаемая
методом спекания смеси их порошков при
высокой температуре и давлении. Физические
свойства металлов при изготовлении металлокерамических
контактов сохраняются. Дугостойкость
керамике сообщается такими металлами,
как вольфрам, молибден. Для получения
низкого переходного сопротивления контакта
в качестве второго компонента используют
серебро или медь. Наиболее распространёнными
композициями металлокерамики являются:
серебро – вольфрам; серебро – молибден;
серебро – никель; серебро – окись кадмия;
серебро – графит; серебро – окись меди
и др.

1.4. Электромагнитные явления
в электрических аппаратах
1.4.1. Источники и распространение
электромагнитного поля
Функционирование любого
электрического или электронного аппарата
сопровождается электромагнитными явлениями,
которые воспроизводят основные и вспомогательные
функции устройства, а также, возможно,
создают нежелательные паразитные эффекты.
Многообразие происходящих явлений подчиняется
известным законам, обобщающим знания
о возникновении, распространении и взаимодействии
электромагнитных полей со средой. На
основании этих законов строятся математические
модели для анализа поля, т.е. замкнутые
системы расчётных уравнений, учитывающие
условия конкретной задачи.
Математическое описание физически
определённого векторного поля базируется
на фундаментальном постулате о существовании
двух элементарных составляющих – вихревой
и потенциальной. С помощью них можно воссоздать
любую топографию распределения векторов
в пространстве.
Примером, подтверждающим вышеизложенное,
является опыт с железными опилками
в магнитном поле. Вихревая составляющая
образует замкнутые цепочки, а потенциальная
– сходящиеся или расходящиеся не замкнутые
на себя цепочки.
Физические поля создаются источниками.
Из теоремы разложения следует, что
эти источники располагаются в части пространства
с отличными от нуля ротором или дивергенцией
вектора поля. Значение ротора – это объёмная
плотность векторного источника вихревой
составляющей поля, а значение дивергенции
– объёмная плотность скалярного источника
потенциальной составляющей поля.
При анализе электрических аппаратов
используются приближения, позволяющие
разделить общее понятие электромагнитного
поля и рассматривать отдельные идеализированные
компоненты: неизменные во времени стационарные
электростатическое и магнитное поля
и переменное во времени, распространяющееся
мгновенно во всём пространстве квазистационарное
электромагнитное поле. Волновые процессы
при этом во внимание не принимаются.
В электростатическом поле основными
переменными являются вектор напряжённости
электрического поля Е, вектор электрического
смещения (электрическая индукция) D и вектор электрической
поляризации Р. Напряжённость Е – векторная величина,
характеризующая силовое воздействие
электрического поля на единичный пробный
заряд в данной точке. Электрическое смещение
связано с напряженностью поля прямо пропорциональной
зависимостью, а также определяется суммой
векторов напряженности и поляризации:
или
где: электрическая постоянная; относительная диэлектрическая проницаемость.
В нелинейных средах относительная диэлектрическая проницаемость
и вектор поляризации зависят от напряженности.
В анизотропных средах зависимость проницаемости
имеет тензорный характер, а вектор поляризации
– вид векторной функции напряжённости.
При анализе стационарного магнитного
поля рассматриваются векторные переменные:
магнитная индукция В, напряженность магнитного
поля Н и намагниченность среды М. Векторы магнитного
поля связаны соотношениями:
или
где: магнитная постоянная; относительная магнитная проницаемость.
1.4.2. Силовые
взаимодействия в электромагнитном
поле
Анализ силовых взаимодействий
в электромеханических устройствах
требуется для установления количественной
связи между электрическими и механическими
параметрами. В частности, для электромагнитов
электрических аппаратов одной из основных
характеристик является зависимость электромагнитной
силы от положения якоря для различных
постоянных значений напряжения, подведённого
в обмотке или тока в обмотке. Такую характеристику
называют тяговой. Возникающая при преобразовании
электрической энергии в механическую
электромагнитная сила полностью определяется
параметрами электромагнитного поля.
Для любой конструкции магнитной
системы электрического аппарата с различными
электрофизическими свойствами используемых
материалов всегда может быть построена
расчётная математическая модель с однородной
средой, в которой размещены источники
полей. Сами источники исходно определены
физическими понятиями плотностей зарядов,
токов и намагниченностью вещества. Силовые
взаимодействия в электромагнитном поле
проявляются в возникновении сил, воздействующих
на эти источники.
На распределённые в пространстве
электрические объёмные заряды плотностью и поверхностные заряды плотностью воздействует электростатическая
сила (закон Кулона для распределённых
зарядов)

где: V и S – объём и площадь поверхностей,
занимаемые зарядами, с которыми определяется
силовое взаимодействие поля; E – напряжённость внешнего,
по отношению к текущей точке интегрирования,
электрического поля, т.е. поля, созданного
всеми внешними, по отношению к данной
точке, зарядами.
Если несущие заряды
объём и поверхность представляют собой жёсткую конструкцию,
то силовые взаимодействия зарядов между
собой будут скомпенсированы реакцией
механических связей.
Движущийся электрический заряд
взаимодействует с магнитным
полем. Возникающая сила Лоренца определяется
как

где – вектор скорости заряда q.
Закон Ампера для силовых
взаимодействий магнитного поля с токами,
распределёнными в объёме V с плотностью J и на поверхности S плотностью i записывается в виде:

где В – магнитная индукция внешнего, по отношению
к текущей точке, интегрированного поля,
для которой справедливы те же замечания,
что и для Е.

1.4.3. Намагничивание
и магнитные материалы
Наличие у вещества магнитных
свойств проявляется в изменении
параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном
пространстве. Происходящие физические
процессы в микроскопическом представлении
связывают с возникновением в материале
под воздействием магнитного поля магнитных
моментов микротоков, объёмная плотность
которых называется вектором намагниченности.
Возникновение намагниченности
в веществе при помещении его
в магнитное поле объясняется процессом постепенной
преимущественной ориентации магнитных
моментов циркулирующих в нём микротоков
в направлении поля. Подавляющий вклад
в создание микротоков в веществе вносит
движение электронов: спиновое и орбитальное
движение связанных с атомами электронов,
спиновое и свободное движение электронов
проводимости.
По магнитным свойствам
все материалы подразделяются на парамагнетики, диамагнетики,
ферромагнетики, антиферромагнетики и
ферриты. Принадлежность материала к тому или
иному классу определяется характером
отклика магнитных моментов электронов
на магнитное поле в условиях сильных
взаимодействий электронов между собой
в многоэлектронных атомах и кристаллических
структурах.
Диамагнетики и парамагнетики
относятся к материалам со слабыми
магнитными свойствами. Значительно более
сильный эффект намагничивания наблюдается
у ферромагнетиков. Магнитная восприимчивость
(отношение абсолютных значений векторов
намагниченности и напряженности поля)
у таких материалов положительная и может
достигать нескольких десятков тысяч.
У ферромагнетиков образуются области
самопроизвольной спонтанной однонаправленной
намагниченности – домены. Ферромагнетизм
наблюдается у кристаллов переходных
металлов: железа, кобальта, никеля и у
ряда сплавов. При наложении внешнего
магнитного поля с возрастающей напряженностью
векторы спонтанной намагниченности,
изначально ориентированные в разных
доменах по-разному, постепенно выстраиваются
в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием.
Он характеризуется кривой начального
намагничивания (рис. 4.1) – зависимостью
индукции или намагниченности от напряженности
результирующего магнитного поля в материале.
При относительно небольшой напряженности
поля (участок I) происходит быстрое
возрастание намагниченности преимущественно
из-за увеличения размеров доменов, имеющих
ориентацию намагниченности в положительной
полусфере направлений векторов напряженности
поля. Одновременно пропорционально сокращаются
размеры доменов в отрицательной полусфере.
В меньшей степени изменяются размеры
тех доменов, намагниченность которых
ориентирована ближе к плоскости, ортогональной
вектору напряженности.
При дальнейшем увеличении напряженности преобладают
процессы поворота векторов намагниченности
доменов по полю (участок II) до достижения технического
насыщения (точка S). Последующему возрастанию
результирующей намагниченности и достижению
одинаковой ориентации всех доменов по
полю препятствует тепловое движение
электронов. Область III близка по характеру
процессов к парамагнетикам, где увеличение
намагниченности происходит из-за ориентации
немногих спиновых магнитных моментов,
дезориентированных тепловым движением.
С увеличением температуры дезориентирующее
тепловое движение усиливается и намагниченность
вещества уменьшается.
Для конкретного ферромагнитного
материала существует определенная
температура, при которой ферромагнитное
упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал
становится парамагнитным. Эта температура
носит название точки Кюри. Для железа
точка Кюри соответствует 790 °С для никеля – 340 °С, для
кобальта – 1150 °С.
Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает
материалу магнитные свойства: доменную
структуру с нулевой результирующей намагниченностью,
если при этом отсутствовало внешнее магнитное
поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных
материалов выше точки Кюри используют
для их полного размагничивания.

Рис. 4.1. Кривая начального
намагничивания
Процессы намагничивания
ферромагнитных материалов подразделяются
на обратимые и необратимые по отношению к изменению
магнитного поля. Если после снятия возмущения
внешнего поля намагниченность материала
возвращается в исходное состояние, то
такой процесс обратимый, в противном
случае – необратимый. Обратимые изменения
наблюдаются на малом начальном отрезке
участка I кривой намагничивания
(зона Релея) при малых смещениях доменных
стенок и на участках II, III при повороте векторов
намагниченности в доменах. Основная часть
участка I относится к необратимому
процессу перемагничивания, который в
основном определяет гистерезисные свойства
ферромагнитных материалов (отставание
изменений намагниченности от изменений
магнитного поля).
Петлей гистерезиса (рис. 4.2) называют кривые, отражающие
изменение намагниченности ферромагнетика
под воздействием циклически изменяющегося
внешнего магнитного поля. При испытаниях
магнитных материалов петли гистерезиса
строятся для функций параметров магнитного
поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл
результирующих параметров внутри материала
в проекции на зафиксированное направление.
Если материал предварительно
был полностью размагничен, то постепенное
увеличение напряженности магнитного поля
от нуля до H_s дает множество
точек начальной кривой намагничивания
(участок 0-1 на рис. 4.2). Точка 1 – точка технического
насыщения (В_s, H_s). Последующее снижение
напряженности Н внутри материала до
нуля (участок 1-2) позволяет определить
предельное (максимальное) значение остаточной
намагниченности B_r и дальнейшим уменьшением
отрицательной напряженности поля добиться
полного размагничивания B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -Н_сВ – максимальной
коэрцитивной силы по намагниченности.
Далее материал перемагничивается в отрицательном
направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = – H_s. Изменение напряженности
поля в положительную сторону замыкает
предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.
Множество состояний
материала внутри предельного гистерезисного
цикла может быть достигнуто при изменении
напряженности магнитного поля, соответствующем
частным симметричным и несимметричным
гистерезисным циклам.

Рис. 4.2. Магнитный гистерезис:
1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный
цикл; 3 – кривая основного намагничивания;
4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные
частные циклы

Частные симметричные гистерезисные
циклы опираются вершинами на
кривую основного намагничивания, которая и определяется
как множество точек вершин этих циклов
до совпадения с предельным циклом.
Частные несимметричные
гистерезисные циклы образуются,
если начальная точка не находится на кривой
основного намагничивания при симметричном
изменении напряженности поля, а также
при несимметричном изменении напряженности
поля в положительном или отрицательном
направлении.
В зависимости от значений
коэрцитивной силы ферромагнитные материалы
разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые.
Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах
как магнитопроводы. Эти материалы имеют
малую коэрцитивную силу, высокую магнитную
проницаемость и индукцию насыщения.
Магнитотвёрдые материалы
имеют большую коэрцитивную силу
и в предварительно намагниченном состоянии
используются как постоянные магниты
– первичные источники магнитного поля.
Существуют материалы,
которые по магнитным свойствам
относятся к антиферромагнетикам. У них оказывается энергетически
более выгодным антипараллельное расположение
спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики,
обладающие значительным собственным
магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической
решётки. Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами).
В отличие от металлических ферромагнитных
материалов, ферриты – полупроводники
и в них значительно меньшие потери энергии
на вихревые токи в переменных магнитных
полях.

II. Основные электромеханические
процессы

2.1. Коммутация
электрической цепи
Коммутация электрической цепи – процесс замыкания
или размыкания цепи с током.
Коммутация может
происходить под воздействием
внешних или внутренних для
данного устройства источников напряжения
или тока.
При анализе и расчёте
процессов коммутации необходимо учитывать
общий закон коммутации:

Под глубиной коммутации понимают отношение сопротивления R_отк коммутирующего
органа в отключенном состоянии к сопротивлению R_вкл во включенном
состоянии

Контактные электрические
аппараты, у которых сопротивление
межконтактного промежутка в отключенном
состоянии измеряется мегомами, а сопротивление
замкнутых контактов – микроомами, обеспечивают
глубину коммутации

Для бесконтактных аппаратов,
которые по глубине коммутации уступают
контактным аппаратам, обычно

2.1.1. Отключение электрической цепи контактными
аппаратами
Отключение цепи контактным
аппаратом характеризуется возникновением плазмы, которая проходит
разные стадии газового разряда в процессе
преобразования межконтактного промежутка
из проводника электрического тока в изолятор.
При токах выше 0,5-1 А
возникает стадия дугового разряда
(область 1) (рис. 2.1.); при снижении
тока возникает стадия тлеющего разряда
у катода (область 2); следующая стадия (область 3)– таунсендовский разряд,
и наконец, область 4 – стадия изоляции, в
которой носители электричества – электроны
и ионы – не образуются за счет ионизации,
а могут поступать только из окружающей
среды.

Рис. 2.1. Вольтамперная характеристика стадий электрического
разряда в газах

Первый участок кривой
– дуговой разряд (область 1) –характеризуется малым
падением напряжения у электродов и большой
плотностью тока. С ростом тока напряжение
на дуговом промежутке сначала резко падает,
а затем изменяется незначительно.
Второй участок (область 2) кривой, представляющий собой область
тлеющего разряда, характеризуется высоким
падением напряжения у катода (250 – 300 В)
и малыми токами. С ростом тока возрастет
падение напряжения на разрядном промежутке.
Таунсендовский разряд
(область 3) характеризуется чрезвычайно малыми
значениями тока при высоких напряжениях.
Электрическая дуга сопровождается
высокой температурой и связана
с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только
электрическое, но и тепловое.
В обычных условиях воздух
является хорошим изолятором. Так, для
пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется
приложить напряжение не менее 30 кВ. Для
того чтобы воздушный промежуток стал
проводником, необходимо создать в нем
определенную концентрацию заряженных
частиц: отрицательных – в основном свободных
электронов, и положительных – ионов.
Процесс отделения от нейтральной частицы
одного или нескольких электронов с образованием
свободных электронов и ионов называется ионизацией.
Ионизация газа может
происходить под действием света,
рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического
поля и ряда других факторов. Для дуговых
процессов в электрических аппаратах
наибольшее значение имеют: из процессов,
происходящих у электродов, – термоэлектронная
и автоэлектронная эмиссии, а из процессов,
происходящих в дуговом промежутке, –
термическая ионизация и ионизация толчком.

2.1.2. Электрическая
дуга
В коммутационных электрических
аппаратах, предназначенных для замыкания
и размыкания цепи с током, при отключении
возникает разряд в газе либо в виде тлеющего
разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд
возникает тогда, когда отключаемый ток
ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает
величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается
либо на контактах маломощных реле, либо
как переходная фаза к разряду в виде электрической
дуги.
Основные свойства дугового
разряда:

В дуговом разряде
можно различить три характерные
области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную
(рис. 2.2.).
В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации
протекают по-разному в зависимости от
условий, которые там существуют. Поскольку
результирующий ток, проходящий через
эти три области, одинаков, в каждой из
них происходят процессы, обеспечивающие
возникновение необходимого количества
зарядов.

Рис. 2.2. Распределение
напряжения и напряжённости электрического
поля
в стационарной дуге постоянного тока
и т.д……………..

Все электрические аппараты, используемые на производстве можно разделить на 3 группы: аппараты управления, контроля и защиты. Аппараты первой группы делятся на устройства ручного и дистанционного управления. Ко второй группе относятся различные датчики и реле, выполняющие функции датчиков. Аппараты третьей группы выполняют защиту электроустановок от различных аварийных режимов работы (коротких замыканий, токовых перегрузок, повышения и понижения напряжения и т.д.).

Самыми распространенными электрическими аппаратами в электроустановках являются электромагнитные пускатели, электромагнитные реле, кнопки управления, автоматические выключатели и тепловые реле.

Электромагнитные пускатели

Это самые популярные электрические аппараты. Во всем мире их выпускается громадное количество. Они предназначены для дистанционного управления различными силовыми нагрузками, чаще всего электродвигателями, но также используются для управления другими мощными потребителями – нагревательными элементами, мощными лампами прожекторов и т.д.

Под понятием “дистанционное управление” подразумевается то, что для включения пускателя непосредственно с ним никаких действий не осуществляется. В цепи его катушки управления обычно используют кнопки, с помощью которых и подают сигнал на включение и отключение. Цепи управления и силовые цепи пускателя не имеют электрической связи.

Пускатель может использоваться как усилитель мощности, так как он позволяет относительно маломощной цепью управления (катушкой) управлять мощными силовыми цепями. Так, например, мощность потребления катушки пускателя 1-й величины – 8 ВА, а управлять он может током 10А и мощностью до 4 кВт. У пускателей других величин коэффициент усиления по мощности еще больший. 

Существует большое количество различных серий электромагнитных пускателей: ПМЛ, ПМ12, КМИ, ПМЕ, ПМА, ПАЕ, пускатели зарубежных производителей. Все они устроены и работают по одному принципу.

При подаче напряжения на катушку пускателя она обтекается током, создается магнитный поток, который замыкается через магнитопровод и заставляет притянутся подвижную часть магнитопровода к неподвижной. С подвижной частью магнитопровода связаны контакты мостикового типа.

При снятии напряжения с катушки пускателя, например, путем нажатия кнопки “Стоп” в ее цепи управления, пускатель отключается и подвижная часть магнитопровода возвращается в исходное положение за счет противодействующей пружины.

Очень наглядно конструкция и принцип действия электромагнитного пускателя показан в виде анимации на ютуб-канале компании Кабель.РФ.

Устройство электромагнитного пускателя:

У всех пускателей имеется 3 силовых контакта и минимум 1 дополнительный (блокировочный). Существуют пускатели с большим количеством дополнительных контактов. У большинства серий для увеличения количества контактов имеется возможность использовать совместно с пускателем специальные контактные приставки.

Все силовые контакты – нормально-разомкнутые (замыкающие), дополнительные могут быть как нормально-разомкнутыми, так и нормально-замкнутыми (замыкающими). Определить вид контакта можно по надписи рядом с ним.

Так, например, у популярных электромагнитных пускателей ПМЛ силовые контакты обозначены на ребрах между ними номерами “1 – 2”, “3 – 4” и “5 – 6”, а дополнительные “13-14”. Последние две цифры дополнительных контактов обозначют их вид – “1 – 2” – нормально замкнутые, “3 – 4” – нормально-разомкнутые. Силовые контакты всегда рассчитаны на ток, согласно величине пускателя (1 – 10 А, 2 – 25 А, 3 – 40 А, 4 – 63 А и т.д.), дополнительные контакты на максимальный ток 10 А.

“Старший брат” пускателя советский электромагнитный контактор способен коммутировать токи 100 и более ампер 3600 раз в час (раз в секунду):

В настоящее время в литературе и в каталогах пускатели часто называют контакторами. В прошлом веке это были разные аппараты, но терминология поменялась и сейчас под контакторами и пукателями часто подразумивают один и тот же электрический аппарат. 

Вопрос этот оказался очень дискуссионным, поэтому, при желании, здесь можно насчет него поспорить:

Чем отличается контактор от пускателя

Схема включения электродвигателя с помощью электромагнитного пускателя:

Более подробно про пускатели смотрите здесь:

Устройство и принцип работы пускателя

Особенности современных пускателей и их применение

Обслуживание и ремонт пускателей

Электромагнитные реле управления

В отличии от электромагнитных пускателей реле не имеют силовых контактов. Можно считать, что все контакты обычных реле дополнительные и предназанчены для коммутации только цепей управления и сигнализации. 

Существует большое количество разных реле, особенно их много различных видов в такой области, как релейная защита и автоматика. Наиболее распространенными  электрическими аппаратами на производстве по количеству продаваемых всеми производителями аппаратов в год после пускателей являются обычные электромагнитные реле управления.

На этих аппаратах длительное время строилась автоматика всех станков, установок и машин. Они обеспечивали нужную логику управления работы схемы. В настоящее время область их применения сужается, т.к. большинство автоматических схем сейчас работают с использованием программируемых логических контроллеров (ПЛК) и вся логика работы схем сейчас описывается программно.

Популярный вариант использования электромагнитных реле управления в наше время – усиление сигнала по мощности. Так выходы контроллеров не рассчитаны на коммутацию больших токов, поэтому часто в выходные цепи контроллеров ставят реле с зашунтированными катушками с помощью диодов.

Правда их тут тоже уже начали вытеснять различные полупроводниковые (тверотельные) реле, главное преимущество которых – отсутвие контактов (нечему подгорать и окислятся). Полупрводниковые реле считаются более надеждными электрическими аппаратами.

Электромагнитные реле способны управлять токами 6 – 10 А. Своими контактами реле коммутируют катушки электромагнитных пускателей, а те уже управляют электродвигателями и другими исполнительными устройствами автоматических систем управления. 

Пример из практики: четыре реле РЭН34 подключены к выходам ПЛК Easy Moeller в учебной лаборатории:

Часто на старых схемах станков, выполненных по древним ГОСТам сложно быстро понять где пускатели, а где реле. Разобраться с этим вопросом можно руководствуясь следующим правилом: если в схеме есть катушка и у нее имеются контакты в силовой части схемы, например, в цепи где находится электродвигатель, то это электромагнитный пускатель, а если в силовой части схемы контактов нет, то это электромагнитное реле управления. При этом у реле обязательно имеются контакты в цепи управления. Катушка без контактов – электромагнит.

Подробнее про реле:

Устройство и примеры применения реле, как выбрать и подключить

Эксплуатация и ремонт электромагнитных реле

Кнопки управления

Это аппараты ручного управления. Они предназначены для подачи сигналов в схему путем непосредственного нажатия на них. Главная особенность всех кнопок управления – наличие функции самовозврата, т.е. после отпускания кнопки ее толкатель возвращается за счет противодействующей пружины в исходное состояние.

Этим обеспечивается так называемая, “нулевая защита” электродвигателя. После отключения напряжения питания по любым причинам кнопка в цепи катушки пускателя не даст ей самопроизвольно включится после появления напряжения. Электромагнитный пускатель можно будет включить только опять сознательно нажав на кнопку “Пуск”.

Кнопки в виде отдельных электрических аппаратов чаще всего используются на различных пультах и панелях управления. Также они они по несколько штук собираются в одном корпусе и выпускаются в виде комплектных изделий – кнопочных постов.

Пульт управления деревообрабатывающего станка с кнопками, выключателями и переключателями:

Кнопки предназначены для коммутации небольших токов 6 – 10 А, в основном для управления цепями катушек электромагнитных пускателей и реле. 

В электрических схемах станков, установок и машин для этих целей используются также выключатели (кнопки с фиксацией), тумблеры, различные переключатели. Все они тоже предназначены для коммутации исключительно токов цепей управления.

Электромагнитный пускатель со встроенными кнопками управления “Пуск” и “Стоп”:

Миниатюрная кнопка управления:

Тумблеры на лабораторном стенде:

Если есть необходимость вручную включать и выключать силовые цепи, то для этого чаще всего используются пакетные выключатели и рубильники.

Пакетный выключатель:

Автоматические выключатели

Это самые популярные аппараты, защищающие различные электрические цепи от аварийных режимов работы. Все электроустановки в обязательном порядке должны быть защищены от коротких замыканий, а электродвигатели станков от токовых перегрузок.

Автоматический выключатель имеет в своей конструкции т.н. расцепители, которые реагируют на изменение контролируемых параметров в цепи и отключают выключатель при превышении контролируемым параметром значения уставки.

Однополюсный автоматический выключатель:

Устройство и принцип действия автоматического выключателя:

Электромагнитный расцепитель работает мгновенно при превышении током, идущим через автоматический выключатель тока отсечки. У разных автоматических выключателей это разное значение – 5, 7, 9, 10, 11, 13 по отношению к номинальному току. 

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, которая нагреваясь изгибается и отключает автомат при токовой перегрузке по принципу – “чем больше ток, тем быстрее сработает”.

На защитной характеристике автоматического выключателя с комбинированным расцепителем с левой стороны находится зона действия теплового расцепителя, а с правой – зона срабатывания электромагнитного расцепителя. 

В автоматических выключателях могут также использоваться дополнительные расцепители – независимый, позволяющий отключить выключатель с внешнего сигнала, минимального и максимального напряжения.

Как выбрать пускатель и автоматический выключатель для асинхронного двигателя

Легендарный советский автоматический выключатель АП50:

Прошлое и настоящее автоматических выключателей (второй старше на 30 лет):

В старых схемах функцию защиты от коротких замыканий выполняли плавкие предохранители. Сейчас во всех современных установках и станках предохранители заменяют на автоматические выключатели, т.к. благодаря им повышается оперативность работы и отсутствует возможность вмешиваться в работу электроустановки неквалифицированным персоналом путем установки некалиброванных плавки вставок, что долгое время в случае использования предохранителей было очень распространено.

Тепловые реле

На том же приницпе, что и тепловой расцепитель автоматического выключателя, работают популярные электрические апапарты – тепловые реле. Онт также используют биметаллические пластины, которые сделаны из двух материалов с разным температурным коэффициентом расширения и при нагреве изгибаются. Биметаллические пластины включаются в цепь электродвигателя и защищают его от токовых перегрузок изгибаясь и размыкания контакт реле в цепи катушки электромагнитного пускателя.

Тепловое реле ТРН10 с двумя биметаллическими пластинами и снятой крышкой:

Часто в схемах станков имеется несколько двигателей и один автоматический выключатель на вводе. Выключатель выпирается по суммарному току двигателей и защищает электроустановку от токов короткого замыкания, а каждый электродвигатель защищается индивидуально своим отдельным электртотепловым реле, которе выбирается по току конкретного электродвигателя. 

Подробнее об этих электрических аппаратах смотрите здесь:

Виды и конструкции тепловых реле, расчет и выбор теплового реле для защиты двигателя

Все описанные выше электрические аппараты выполняют очень важную роль в электроустановках и даже полная замена релейно-контакторных систем управления на системы с использование компьютерной техники и различные полупроводниковые аппараты не вытеснят их из применения. Будет продолжаться тенденция их миниатюризации, улучшения технических характеристик, но точно, эти аппараты будут  использоваться в различных электроустановках еще длительное время.