2. Устройство контактора с управлением от сети постоянного тока

а) Контактная система. Контакты аппарата подвер­жены наиболее сильному электрическому и механическо­му износу ввиду большого числа операций в час и тяже­лым условиям работы. С целью уменьшения износа пре­имущественное распространение получили линейные перекатывающиеся контакты. В про­цессе работы контакты большого числа аппаратов разрывают цепь с током, большим, чем минималь­ный ток дугообразования. Возни­кающая электрическая дуга способ­ствует быстрому износу контактов.

Для надежного гашения дуги, образующейся при отключении, между неподвижным и подвижным контактами необходимо создавать определенное расстояние. В реальных аппаратах это расстояние выбирается с запасом.

Расстояние между неподвижным и подвижным кон­тактами в полностью отключенном положении аппарата называется раствором контактовВ зависимости от конструк­ции крепления контактов меня­ется число контактных точек со­прикосновения и стабильность контакта.

Контакт, имеющий возмож­ность свободно устанавливаться на поверхности, имеет макси­мальное число точек касания. Такой контакт называется само­устанавливающимся. Пример та­кого контакта дан на рис. 12.1. Неподвижные контакты 1 и подвижный мостиковый кон­такт 2 в месте касания имеют сферические (или цилин­дрические) напайки 3, выполненные из серебра или металлокерамики. Нажатие контактов создается пру­жиной 4. После касания контактов скоба 5, связан­ная с якорем электромагни­та, продолжает свое движе­ние вверх на величину, рав­ную вжиму (провалу) кон­такта 6.

Применительно к рис.12.1 провалом (вжимом) контакта называется рас­стояние, на которое переме­стится подвижный контакт, если убрать неподвижный контакт. В контактах рис.12.1 пленка окисла не стирается, по­этому медь нельзя использовать в этой конструкции.

На рис.12.1 показана пальцевая система с перека­тыванием, широко применяемая в контакторах с медны­ми контактами. Контактный рычаг 4 связывается с якорем электромагнита. При включении центр О переме­щается по дуге с радиусом 0₂О_х(1). Касание пальцев 1 и 2 происходит в точке В. При дальнейшем переме­щении точка касания переходит в А. Перекатывание контакта 2 по контакту 1 происходит с небольшим про­скальзыванием. При этом пленка окисла на контактах стирается. При включении контактов, из-за шероховатости на поверхности касания появ­ляется дополнительная вибрация контактов. Поэтому величина проскальзывания должна быть небольшой. При отключении дуга загорается между точками В-В, что спасает от оплавления точки А-А, в которых контак­ты касаются во включенном положении. Таким образом удается разделить контакт на две части: в одной проис­ходит гашение дуги, в другой ток проводится длительно. Поскольку для контактов непосредственный контроль провала контактов б затруднен, о величине провала судят по зазору, образующемуся между ры­чагом и контактной скобой.

Р и с. 12.1. Конструкции коммутирующих контактов:

а – перекатывающиеся; б – мостиковые; в – сдвоенные

Во всех без исключения аппаратах имеется вжим (провал) контактов, который обеспечивает необходимое нажатие контактов. Вследствие обгорания и износа кон­тактов в процессе эксплуатации вжим уменьшается, что приводит к уменьшению силы нажатия и росту переход­ного сопротивления контактов. Поэтому в эксплуатации вжим контактов должен обязательно контролироваться и находиться в пределах, требуемых заводом-изготовите­лем. Особенно это относится к аппаратам, работающим в режиме частых включений и отключений (контакторы), где износ контактов особенно интенсивен. В торцевом мостиковом контакте вжим обычно состав­ляет 3-5 мм. В мощных выключателях высокого напря­жения он увеличивается до 8-10 мм.

При больших номинальных токах (более 2 000 А) применяется сдвоенная контактная система (рис.12.1, а). Аппарат имеет главные контакты 1 – 1' и дугогасительные 2 – 2'.

Тело главных контактов выполняется из меди, а по­верхности их соприкосновения – из серебра, нанесенного электролитически (слой 20 мк) или в виде припаянных сереб­ряных пластинок.

Тело дугогасительного кон­такта выполняется из меди. На­конечники дугогасительных контактов выполняются из дугостойкого материала вольфрама или металлокерамики.

Ввиду того, что сопротив­ление цепи главных контактов значительно меньше, чем дуго­гасительных, 75-80% длитель­ного тока проходит через глав­ные контакты, имеющие малое переходное сопротивление.

При отключении вначале расходятся главные контакты и весь ток цепи перебрасывается в дугогасительные. Контакты 2 – 2' расходятся в тот момент, когда рас­стояния между главными контактами достаточно, чтобы выдержать наибольшее напряжение, возникающее в про­цессе гашения дуги на дугогасительных контактах.

При включении таких контактов вначале замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные, что обеспе­чивает отсутствие дуги и оплавление на серебряных по­верхностях главных контактов. Ввиду громоздкости это решение применяется только при очень больших токах в автоматах и выключателях высокого напряжения.

Во всех остальных случаях стремятся подобрать соот­ветствующий контактный материал и обойтись одноконтактной системой.

Для предотвращения вибраций контактов контактная пружина создает предварительное нажатие, равное при­мерно половине конечной силы нажатия. Большое влия­ние на вибрацию оказывают жесткость крепления непо­движного контакта и стойкость к вибрациям всего контактора в целом.

Основным параметром контактора является номи­нальный ток, который определяет величину (размеры) контактора. Так, контактор II величины имеет ток 100 А, III – 150 А и т.д.

Номинальным током контактора называется ток пре­рывисто-продолжительного режима работы. При этом режиме работы контактор находится во включенном со­стоянии не более 8 ч. По истечении этого промежутка аппарат должен быть несколько раз включен и отклю­чен (для зачистки контактов от окиси меди). После это­го аппарат снова включается.

Если контактор располагается в шкафу, то номи­нальный ток понижается примерно на 10% из-за ухуд­шающихся условий охлаждения.

В продолжительном режиме работы, когда длитель­ность времени непрерывного включения превышает 8 ч, допустимый ток контактора снижается примерно на 20%. В таком режиме из-за окисления медных контактов рас­тет переходное сопротивление, что может привести к по­вышению температуры выше допустимой величины.

Согласно рекомен­дациям завода допустимый ток повторно-кратко-времен­ного режима для контактора КПВ-600 определяется по формуле

,

где , а п – число включений в час.

Необходимо отметить, что если при отключении в по­вторно-кратковременном режиме длительно горит дуга (отключается большая индуктивная нагрузка), то темпе­ратура контактов может резко увеличиться за счет по­догрева контактов дугой. В этом случае нагрев контак­тов в продолжительном режиме работы может быть мень­ше, чем в повторно-кратковременном режиме.

Как правило, контактная система имеет один полюс.

б) Дугогасительная си­стема. В контакторах посто­янного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнит­ным дутьем. Как указыва­лось, при взаимодей­ствии магнитного поля с ду­гой возникает электродина­мическая сила, перемещаю­щая дугу с большой скоростью.

Электрическая дуга является газообразным проводником тока. На этот проводник, так же как на металлический, действует магнит­ное поле, создавая силу, пропорциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и перемещает элементы дуги в пространстве с большой скоростью.

Поперечное перемещение элементов дуги создает интенсивное охлаждение, что приводит к повышению градиента напряжения на столбе дуги.

При движении дуги в среде газа с большой скоростью возникает расслоение дуги на отдельные параллельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее происходит расслоение дуги.

С целью создания эффективного охлаждения дуга с по­мощью магнитного поля втягивается в узкую щель между стенками из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью (диаметр дуги больше ширины щели). Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели градиент в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающейся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину дуги и время гашения.

Для улучшения охлаждения дуги ее заго­няют в щель из дугостойкого материала с высо­кой теплопроводностью.

На рис.12.2 изображена зависимость раствора кон­тактов, при котором происходит гашение дуги, от вели­чины тока и напряженности магнитного поля для контактора одного типа. При всех значениях напряженности поля Н кривые имеют один и тот же характер: при токе 5-7 А кривая достигает максимума, после чего с ростом тока необходимый раствор падает и при токе 200 А все кривые сливаются. Такой ход кривых объясняется сле­дующими явлениями. Электродинамическая сила, дейст­вующая на единицу длины дуги, равна

,

где – ток; В – индукция магнитного поля.

Рассмотрим случай, когда H = 0 (кривая 1). При ма­лом значении тока в дуге величина электродинамической силы получается столь незначительной, что она не ока­зывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необходимые для гашения, создаются за счет механиче­ского растяжения дуги подвижным контактом. Чем боль­ше величина отключаемого тока, тем большая энергия должна быть рассеяна в дуге. При этом условия гаше­ния дуги наступают при большей ее длине.

При токе более 7 А на дугу действует электродинами­ческая сила, возникающая как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации са­мой дуги (грубо можно представить, что дуга имеет фор­му части окружности). Эти силы являются решающими для гашения дуги. Чем больше ток в цепи, тем больше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В ре­зультате при токе 200 А для гашения дуги достаточно иметь раствор контактов около 1,5 мм. Фактически при таком токе, как только контакты разойдутся, возникаю­щие электродинамические силы выталкивают дугу из межконтактного зазора и перемещают со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина дуги, при которой она гаснет, достигает 10 мм и более. Наличие внешнего магнитного поля способствует рез­кому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процессе гаше­ния при токах 100 А и выше. Оптимальной на­пряженностью является H = 55 А/см. Дальнейшее увели­чение напряженности мало влияет на процесс гашения, но требует большей мощности для создания магнитного поля, что связано с увеличением затрат меди на ка­тушку.

Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рис.12.2), во всех кон­такторах на токи 100 А и выше такая система обязательно применяется. Дело в том, что наличие внешнего маг­нитного поля способствует быстрому перемещению опор­ных точек дуги на контактах, перегоняя ее на дугогасительные электроды – рога и тем самым уменьшая оплав­ление контактов. Для каждого значения тока имеется свое оптимальное значение поля. При напряженности, большей оптималь­ной, наступает усиленный износ контактов за счет того, что жидкометаллический контактный мостик, образую­щийся в стадии размыкания контактов, уносится и рас­пыляется сильным магнитным полем.

Величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс гашения дуги только в области малых токов до 30 А. В области с токами выше 100 А, когда решающую роль играют электродинамические силы, величина пи­тающего напряжения практически не влияет на раствор контактов. Раствор контактов обычно берется 10-17 мм и определяется условиями гашения малого тока.

Характер нагрузки отключаемой цепи также оказы­вает влияние только при малых токах в области, где га­шение дуги происходит за счет механического растяже­ния дуги. В области больших токов следует опасаться больших перенапряжений и повторных пробоев из-за резкого снижения тока к нулю при сильном магнитном поле

Р и с. 12.2. Зависимость раствора контактов от тока дуги

В зависимости от способа создания магнитного поля различают системы с последовательным (сериесным) включением дугогасительной катушки и с параллельным (шунтовым) включением катушки и системы с постоян­ным магнитом.

В случае применения сериесной катушки она об­текается током, проходящим в отключаемой цепи. Если пренебречь магнитным сопротивлением стали, то можно считать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда выражение для силы, действующей на дугу, можно преобразовать к виду

.

Таким образом, сила, действующая на единицу длины дуги, пропорциональна квадрату тока.

Как было показано ранее, наиболее важно иметь не­обходимую величину магнитного поля для дутья в обла­сти малых токов. Сериесная система обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой напряженности магнитного поля. В результате гашение дуги получается мало­эффективным.

Согласно опытным данным ток, надежно отключае­мый контакторами с сериесным дутьем, составляет 20-25% номинального тока аппарата.

Для надежного и быстрого гашения дуги в области малых токов применяются контакторы на небольшой ток (блок-контакторы) со сменными дугогасительными ка­тушками. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5-40 А. При малом отключаемом токе катушка имеет боль­шое число витков, благодаря чему создается необхо­димое магнитное поле для гашения дуги за малое время.

Достоинства системы с сериесной катушкой таковы.

1. Система хорошо работает в области токов свыше 100 А. При этих токах магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочих поверхностей контактов и обеспечивает малый их износ.

2. Работа системы не зависит от направления тока. При изменении направления тока меняет знак и магнит­ное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет сво­его направления.

3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Такая катушка механически прочна и не боит­ся ударов, возникающих при работе контактора. Паде­ние напряжения на катушке составляет доли вольта. По­этому к изоляции катушки не предъявляются высокие требования.

Наряду с достоинствами эта система имеет и ряд не­достатков.

1. Плохое гашение дуги при малых токах (5-7 А).

2. Большая затрата меди на катушку.

3. Подогрев контактов за счет тепла, выделяемого дугогасительной катушкой.

Несмотря на эти недостатки, си­стема с сериесной катушкой благодаря высокой на­дежности при гашении номинальных и больших токов получила преимущественное распространение.

В параллельной (шунтовой) системе катушка, соз­дающая магнитное поле, подключается к независимому источнику питания. Напряженность магнитного поля, создаваемая системой, постоянна и не зависит от отклю­чаемого тока.

Сила, действующая на дугу, пропор­циональна отключаемому току.

На рис. 2.5 изображена эта зависимость для случая, когда н.с. сериесной обмотки при номинальном токе равна н.с. шунтовой. При токах от 0 до сила, дейст­вующая на дугу, при шунтовой катушке получается боль­шей, чем при сериесной, – прямая F₂. Это позволяет рез­ко снизить длительность горения дуги в области малых токов. При токах больших сила, действующая на дугу, при сериесной катушке больше, чем при шунтовой. Одна­ко для гашения это не имеет существенного значения, так как решающими являются силы, возникающие в са­мом контуре дуги.

Зависимость времени гашения дуги от тока для шун­товой обмотки приведена на рис. 2.5 (кривая 3).

Поскольку в области малых токов шунтовая катушка действует более эффективно, чем сериесная, при одной и той же длительности горения дуги требуется меньшая н.с., что дает экономию. Однако шунтовые катушки име­ют и ряд крупных недостатков.

1. Направление электродинамической силы, действу­ющей на дугу, зависит от полярности тока. При измене­нии направления тока дуга меняет направление своего движения. Контактор не может работать при перемене полярности тока.

2. Поскольку к катушке прикладывается напряжение источника питания, изоляция должна быть рассчитана на это напряжение. Катушка выполняется из тонкого провода. При ударах и вибрациях возможны поврежде­ние изоляции провода и выход из строя катушки. Бли­зость дуги к такой катушке делает ее работу ненадеж­ной.

3. При коротких замыканиях возможна посадка на­пряжения па источнике, питающем катушки. В резуль­тате процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками системы с шун­товой обмоткой в настоящее время применяются только в случаях, когда необходимо отключать небольшие токи от 5 до 10 А. В аппаратах на большие силы тока эта си­стема не применяется.

Система с постоянным магнитом по существу мало отличается по своей характеристике от системы с шун­товой обмоткой. Магнитное поле создается за счет по­стоянного магнита.

По сравнению с системами, где поле создается обмот­ками, постоянный магнит имеет ряд преимуществ.

1. Нет затрат энергии на создание магнитного поля.

2. Резко сокращается расход меди на контактор.

3. Отсутствует подогрев контактов от катушки, как это имеет место в системе с сериесной обмоткой.

4. По сравнению с шунтовой системой, система с по­стоянным магнитом обладает высокой надежностью и хорошо работает при любых токах. Применение постоянного магнита позволяет сократить длительность горения дуги при малых токах. В силу сво­их преимуществ эта система, очевидно, в дальнейшем бу­дет широко использоваться.

Магнитное поле, действующее на дугу, создает силу, которая перемещает дугу в дугогасительную ка­меру. Назначение камеры – локализовать область, занятую раскаленными газами дуги, препятствовать пере­крытию между соседними полюсами. При соприкоснове­нии дуги со стенками камеры происходит интенсивное охлаждение дуги, что приводит к подъему вольтампер­ной характеристики и успешному гашению.

Асбоцементные камеры, применявшиеся в течение дли­тельного времени, обладают тем недостатком, что под действием высокой температуры дуги на поверхности сте­нок образуются проводящие мостики. В результате воз можно возникновение стабильной дуги, которая горит в местах, где образовались эти проводящие мостики.

Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рис. 2.6, б). Благодаря увеличению длины дуги и хорошему теплово­му контакту дуги со стенками камеры происходит ее эф­фективное гашение. По сравнению с обычной продольной щелью (рис. 2.6, а) зиг­загообразная щель умень­шает количество выброшен­ных из камеры раскаленных газов и, следовательно, зо­ну выхлопа.

в) Электромагнитная си­стема. В контакторах с при­водом на постоянном токе преимущественное распро­странение получили электро­магниты клапанного типа.

С целью повышения ме­ханической износоустойчиво­сти в современных контак­торах применяется вращение якоря на призме. Выбранная компоновка электромагни­та и контактной системы, применение специальной пру­жины, прижимающей якорь к призме, позволили повысить износоустойчивость узла вращения до 20-10⁶. В случае приме­нения подшипникового соединения якоря и магнитопровода при износе подшипника возникают люфты, нару­шающие нормальную работу аппарата.

а б

Р и с. 12.3. Дугогасительная камера с прямой и зигзагообразной щелью

При включении электромагнит преодолевает действие силы возвратной и контактной пружин. Тяговая харак­теристика электромагнита должна во всех точках идти выше характеристики противодействующих пружин при минимальном допустимом напряжении на катушке ( ) и нагретой катушке. Включение должно про­исходить при постоянно нарастающей скорости. Не долж­но быть замедления в момент замыкания главных кон­тактов.

В противодействующей характеристике наиболее тя­желым моментом является преодоление силы в момент касания главных контактов. Наибольшее напряжение на катушке не должно превышать 110% , так как при большем напряжении увеличивается износ из-за усиле­ния ударов якоря, а температура катушки может превы­сить допустимую величину.

Следует отметить, что с целью уменьшения намагни­чивающей силы катушки, а следовательно, и потребляе­мой ею мощности рабочий ход якоря выбирается не­большим, порядка 8-10 мм. В связи с тем, что для на­дежного гашения дуги при малых токах требуется рас­твор контактов 17-20 мм, расстояние точки касания подвижного контакта от оси вращения подвижной си­стемы берется в 1,5-2 раза больше, чем расстояние от оси полюса до оси вращения.

Для сокращения габаритов контактора и уменьшения по­требляемой мощности применяется форсировка. Контактор снабжается размыкаю­щим контактом и экономи­ческим (форсировочным) сопротивлением. Поскольку процесс включения длится кратковременно, то в об­мотке можно допустить вы­сокую плотность тока. В ре­зультате при малом габари­те катушки удается полу­чить большое значение на­магничивающей силы. С точки зрения работы схем автоматики весьма важной характеристикой яв­ляется собственное вре­мя включения контак­тора. Собственное время при включении состоит из вре­мени нарастания потока до значения потока трогания и времени движения якоря. Большая часть времени тра­тится на нарастание потока. Для контакторов на ток 100 А собственное время составляет 0,14 сек, а для кон­такторов на ток 600 А оно увеличивается до 0,37 сек.

Собственное время отпадания – время с момента обесточивания электромагнита до момента размыкания контактов. Оно определяется временем спа­да потока от установившегося значения до потока от­пускания (временем движения с момента начала движения якоря до момента размыкания контактов можно пренебречь). Переходный процесс в обмотке мало ска­зывается на спаде потока, так как цепь обмотки быстро разрывается отключающим аппаратом. Этот процесс в основном определяется токами, циркулирующими в массивных элементах магнитной цепи (в основном за счет токов в цилиндрическом сердечнике, на котором расположена катушка). Ввиду большого удельного электрического сопротивления стали эти токи создают небольшое за­медление в спадании потока. В контакторах на 100 А время отпадания составляет 0,07 сек, а в контакторах на 600 А – 0,23 сек.