Электрические аппараты

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря высокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные контакты.

В заключение следует отметить, что хотя применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры в эксплуатации, эти «лишние» затраты быстро окупаются, так как возрастает срок службы аппарата, увеличивается время между ревизиями и значительно повышается надежность.

Под провалом контактов подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.

Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.

После соприкосновения контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекатывании происходит разрушение окисных пленок и других химических соединений, которые могут появиться на поверхности контактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздействию дуги и являющиеся, поэтому более «чистыми». Все это уменьшает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются).

Раствором контактов называется расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электромагнита. Это приводит к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощности катушки электромагнита и его габаритов. Минимальная величина раствора контактов определяется: технологическими и эксплуатационными условиями, возможностью образования металлического мостика между контактами при разрыве цепи тока, условиями устранения возможности смыкания контактов при отскоке подвижной системы от упора при отключении аппарата. Раствор контактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.

3.2 Гашение электрической дуги, устройства для создания магнитного дутья, силы, перемещающие дугу в дугогасительную камеру

Дугогасительное устройство. В контакторах постоянного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнитным дутьем. При взаимодействии магнитного поля с дугой возникает электродинамическая сила, перемещающая дугу с большой скоростью. Для улучшения охлаждения дуги ее загоняют в щель из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью. При расхождении контактов 1 и 7 (смотреть рис.1) между ними возникает дуга 14. Дугу можно рассматривать как проводник с током. Катушка 8 создает м. д. с., под действием которой возникает поток. Этот поток проходит через сердечник катушки, полюсные наконечники 15 и воздушный зазор, в котором горит дуга. На рис.1 крестиками показано направление магнитного потока между полюсами системы, направленного за плоскость чертежа.

В соответствии с рис.3, чем больше отключаемый ток, тем выше идет прямая U--iR. Для обеспечения условий гашения дуги необходимо с ростом тока поднимать вольт-амперную характеристику дуги. Это достигается удлинением дуги либо за счет электродинамических сил, либо за счет механического растяжения дуги.

Рис.3. Ток в цепи при различных сопротивлениях R и наличии дуги.

На рис.4 изображена зависимость раствора контактов, при котором происходит гашение дуги, от тока и магнитной индукции, полученная О. Б. Броном на макете контактора.

Рис.4. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины отключаемого тока.

При всех значениях индукции В 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 I -- ток; В -- индукция магнитного поля.

Рассмотрим случай, когда В==0 (кривая 1). При малом значении тока в дуге электродинамическая сила получается столь незначительной, что она не оказывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необходимые для гашения, создаются за счет механического растяжения дуги подвижным контактом. При этом гашение дуги с ростом тока наступает 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*10^-3 м. 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 0,10 м и более.

Наличие внешнего магнитного поля способствует резкому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процесс гашения при токах 100 А и выше. Наиболее оптимальной магнитной индукцией является В ==0,0069 Т

В области малых токов с ростом тока увеличивается необходимый для гашения раствор контактов. При заданной скорости их движения требуется и большее время для достижения необходимого раствора. В области больших токов процесс гашения определяется электродинамическими силами. Чем больше ток, тем больше скорость растяжения дуги динамическими силами, тем меньше время, необходимое для достижения дугой критической длины.

Рис.5. Зависимость времени дуги и силы, действующей на дугу, от величины отключаемого тока.

Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рис.4 и рис.5), 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. Как показали исследования, 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)*10^-3 м 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.

В зависимости от способа создания магнитного поля различают системы с последовательным включением катушки магнитного дутья (катушка тока), с параллельным включением катушки (катушка напряжения) и системы с постоянным магнитом.

В случае применения катушки тока она обтекается током, проходящим в отключаемой цепи. Если пренебречь магнитным сопротивлением стали, то можно считать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда (**) можно преобразовать к виду:

F₁=k₁I².

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. Система с катушкой тока обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой индукции магнитного поля (см. зависимость электродинамической силы от тока -- кривая 4 рис.5). В результате гашение дуги получается малоэффективным. На рис.5 изображена зависимость длительности горения дуги и электродинамической силы, действующей на нее, от тока для контактора на 150 А. Кривые времени дуги 1 -- при отсутствии магнитного дутья; 2-- при магнитной системе с катушкой тока. В последнем случае при токе 10 А длительность горения дуги достигает 0,09 с. Такая длительность горения дуги недопустима, так как возможно устойчивое горение без погасания.

Согласно опытным данным ток, надежно отключаемый контакторами с катушкой тока, 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 катушками магнитного дутья. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5--40 А. При малом отключаемом токе устанавливается катушка, имеющая большое число витков, благодаря чему создается необходимое магнитное поле для гашения дуги за малое время.

Необходимо отметить, что за счет сильного магнитного дутья возможен резкий обрыв тока, что приводит к возникновению перенапряжений в сильно индуктивной цепи. Предельный ток, который может отключать блок-контактор, не должен превышать трехкратного значения номинального тока катушки магнитного дутья.

Достоинствами системы с катушкой тока являются:

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. Нагрев контактов за счет тепла, выделяемого дугогасительной катушкой.

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

В параллельной системе катушка магнитного дутья подключается к независимому источнику питания. Магнитная индукция, создаваемая системой, постоянна и не зависит от отключаемого тока.

Сила, действующая на дугу согласно (**), пропорциональна отключаемому току

F₂=k₂I

На рис.5 изображена эта зависимость (кривая 5) для случая, когда м. д. с. катушки тока при номинальном токе равна м. д. с. катушки напряжения. При токах от 0 до I_н сила, действующая на дугу, при катушке напряжения получается большей, чем при катушке тока, -- прямая 5 идет выше параболы 4. Это позволяет резко снизить длительность горения дуги в области малых токов. При токах, больших I_н, сила, действующая на дугу, при катушке тока больше, чем при катушке напряжения. 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 системы с катушкой напряжения приведена на рис.5 (кривая 3).

Поскольку в области малых токов катушка напряжения действует более эффективно, чем катушка тока, при одной и той же длительности горения дуги требуется меньшая м. д. с., что дает экономию. Однако катушки напряжения имеют и ряд существенных 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. Близость дуги к такой катушке делает ее работу ненадежной (расплавленный металл контактов может попадать на катушку).

3. При коротких замыканиях возможно снижение напряжения на источнике, питающем катушку. В результате процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками системы с катушкой напряжения 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 катушкой напряжения. Магнитное поле создается за счет постоянного магнита. По сравнению с системами, где поле создается обмотками, постоянный магнит имеет ряд преимуществ:

1. Нет затраты 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 катушкой тока;

4. По сравнению с системой с катушкой напряжения система с постоянным магнитом

обладает высокой надежностью и хорошо работает при любых 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 вольт-амперной характеристики и успешному гашению. Исследования О. Б. Брона показали, что в качестве материала необходимо применять дугостойкую керамику.

Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рис.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.6, а) зигзагообразная щель уменьшает количество выброшенных из камеры раскаленных газов и, следовательно, зону выхлопа.

Рис.6. Дугогасительные камеры контакторов постоянного тока.

Электромагнитная система. Электромагнитная система обеспечивает дистанционное управление контактором, т.е. включение и отключение. В контакторах с приводом на постоянном токе преимущественное распространение получили электромагниты клапанного типа.

С целью повышения механической износостойкости в современных контакторах применяется вращение якоря на призме. Выбранная компоновка электромагнита и контактной системы (рис.1), применение специальной пружины 16, прижимающей якорь к призме, позволяют повысить износостойкость узла вращения у контакторов КПВ-600 до 20*10⁶. По мере износа призменного узла зазор между скобой якоря и опорной призмой автоматически выбирается. В случае же применения подшипникового соединения якоря и магнитопровода при износе подшипника возникают люфты, нарушающие нормальную работу аппарата.

Для получения вибро- и ударостойкости подвижная система контактора должна быть уравновешена относительно оси вращения. Типичным примером является электромагнит контактора серии КПВ-600 (рис.1). Якорь магнита уравновешивается хвостом, на котором укрепляется подвижный контакт. Возвратная пружина также действует на хвост якоря. Катушка электромагнита наматывается на тонкостенную изолированную стальную гильзу. Такая конструкция катушки обеспечивает хорошую прочность и улучшает тепловой контакт катушки с сердечником. Последнее способствует снижению температуры катушки и уменьшению габарита контактора.

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 (0,85 U_н) и нагретой катушке. Включение должно происходить при всё время нарастающей скорости. Не должно быть замедления в момент, замыкания главных контактов.

Рис.7. Противодействующая характеристика для контактора на рис.1.

Характеристика противодействующих сил, приведённых к якорю электромагнита для контактора (рис.1), приведена на рис.7 (кривая 4). Отрезки ординаты этой кривой представляют соответственно: 1 - силу тяжести, 2 - силу возвратной пружины, 3 - силу контактной пружины.

Наиболее тяжелым моментом при включении является преодоление силы в момент касания главных контактов, так как электромагнит должен развивать значительное усилие при большом рабочем зазоре. Важным параметром механизма является коэффициент возврата k_В = U_отн/U_ср. Для контакторов постоянного тока k_В, как правило, мал (0,2--0,3), что не позволяет использовать контактор для защиты двигателя от снижения напряжения.

Наибольшее напряжение на катушке не должно превышать 110% U_н, так как при большем напряжении увеличивается износ из-за усиления ударов якоря, а температура обмотки может превысить допустимую величину.

Следует отметить, что с целью уменьшения м. д. с. обмотки, а, следовательно, и потребляемой ею мощности рабочий ход якоря выбирается небольшим (8--10) 10^-3м. В связи с тем, что для надежного гашения дуги при малых токах требуется раствор контактов (17--20)10^-3 м, 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.

3.3 Особенности устройства и работы контактора переменного тока

Коммутирующее устройство. Контакторы переменного тока выпускаются на токи от 100 до 630 А. Число главных контактов колеблется от одного до пяти. Это отражается на конструкции всего аппарата в целом. Наиболее широко распространены контакторы трехполюсного исполнения. Наличие большого числа контактов приводит к увеличению усилия и соответственно момента, необходимых для включения аппарата.

Рис.8. Контактор переменного тока серии КТ-6000.

На рис.8, а представлен разрез контактора КТ-6000 по магнитной системе, а на рис.8, б -- по контактной и дугогасительной системам одного полюса. Подвижный контакт 1 с пружиной 2 укреплен на изоляционном рычаге 3, связанном с валом контактора. Вследствие более легкого гашения дуги переменного тока раствор контактов может быть взят небольшим. Уменьшение раствора дает возможность приблизить контакт к оси вращения. Малое расстояние точки касания контактов от оси вращения позволяет уменьшить силу электромагнита, необходимую для включения контактора, что дает возможность уменьшить габариты и потребляемую мощность магнита.

Подвижный контакт 1 и якорь 4 электромагнита связаны между собой через вал контактора. В отличие от контакторов постоянного тока подвижный контакт в контакторе КТ-6000 не имеет перекатывания. Отключение аппарата происходит под действием контактных пружин и сил веса подвижных частей.

Для удобства эксплуатации подвижный и неподвижный контакты сделаны легко сменными. Контактная пружина 2, так же как и в контакторах постоянного тока, имеет предварительное нажатие, составляющее примерно половину конечного.

Магнитная и контактная системы контактора КТ-6000 укреплены на стальной рейке 5, что позволяет использовать их в реечной конструкции комплектных станций управления.

Широкое распространение получила мостиковая контактная система с двумя разрывами на каждый полюс (рис.9). Такая конструкция распространена в пускателях. Быстрое гашение дуги, отсутствие гибкой связи являются большим преимуществом такой конструкции.

Применяется как прямоходовая система (рис.13), так и с вращением якоря (рис.9). В первом случае якорь движется поступательно. Подвижные контакты связаны с якорем и совершают тот же путь, что и якорь. При передаче усилия контактных пружин к якорю из-за отсутствия рычажной системы нет выигрыша в силе. Электромагнит должен развивать усилие большее, чем сумма сил контактных пружин и веса якоря (в контакторах с вертикальной установкой).

Рис.9. Контактор пускателя серии ПА.

В большинстве выполненных по этой схеме контакторов наблюдается медленное нарастание силы контактного нажатия, из-за чего имеет место длительная вибрация контактов (до 10 мс). В результате происходит сильный износ контактов при включении. Поэтому такая конструкция применяется только при небольших номинальных токах. Более совершенным является контактор, который имеет мостиковую систему и рычажную передачу усилий от контактов к якорю электромагнита. Разрез такого контактора на ток 60 А показан на рис.9. Каждый полюс имеет два неподвижных контакта 1 и один мостиковый контакт 2. Места касания контактов облицованы металлокерамическим материалом (серебро--окись кадмия). Нажатие контактов создается пружиной 3. Контактный мост имеет малую массу и выполнен самоустанавливающимся.

Расстояние от оси вращения до места расположения контактов в 2,5 раза меньше, чем расстояние от оси вращения до точки крепления якоря 4. Такая кинематика позволяет увеличить силу нажатия при данных габаритах электромагнита. Близкое расположение контактов к оси вращения снижает скорость движения контактов. Малая масса моста, низкая скорость в момент касания, большая сила нажатия способствуют резкому снижению вибрации (она длится всего 0,3 мс). При этом коммутационная износостойкость возрастает до 2*10⁶ операций включения и отключения.

В высокочастотных контакторах (500--10000 Гц) существенно возрастают потери в токоведущих частях из-за эффекта близости и поверхностного эффекта. Для эффективного отвода тепла целесообразно использование водяного охлаждения.

Гашение дуги в контакторах переменного тока. На рис.10 изображены экспериментальные зависимости раствора контактов, необходимого для гашения дуги, от величины тока цепи. Коэффициент мощности цепи cos меняется в пределах от 0,2 до 1. Контактор имеет один разрыв на полюс и не снабжен никаким дугогасительным устройством.

Рис.10. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины тока при различных условиях.

В случае активной нагрузки (cos=1) гашение дуги происходит при растворе контактов примерно 0,5*10^-3м при любом токе и любом напряжении (до 500В), кривая 3 рис.10.

При индуктивной нагрузке (cos=0,2-0,5) такое же гашение имеет место при напряжении до 220В. Это объясняется тем, что гашение дуги происходит за счет практически мгновенного восстановления электрической прочности 200-220В около катода.

При напряжении источника питания, не превышающем 220В, для гашения дуги необходим всего один разрыв на полюс. Никаких дугогасительных устройств не нужно.

Если в цепи полюса аппарата создавать два разрыва, например, за счет применения мостикового контакта, то дуга надежно гасится за счет околоэлектродной прочности при напряжении сети 380 В. На основании этих данных в настоящее время широко применяются контакторы с двукратным разрывом цепи в одном полюсе. При индуктивной нагрузке (cos =0,2--0,5) и напряжении источника свыше 380В величина восстанавливающегося напряжения становится больше околокатодной прочности. Кривые 1 и 2 рис.10 аналогичны кривым рис.4, полученным для постоянного тока. В области до 40--50 А гашение происходит за счет механического растяжения дуги. Максимальный раствор, требуемый для гашения, составляет 7*10^-3 м. При токах более 50 А необходимый раствор уменьшается. Гашение происходит за счет действия на дугу электродинамических сил. При токе более 200А гашение происходит при растворе менее 10^-3 м. Таким образом, наиболее тяжелой для гашения является величина тока 40--50 А. Исследования показали, что увеличение раствора сверх 8*10^-3 м не влияет на процесс гашения дуги.

Для эффективного гашения дуги, уменьшения износа контактов могут быть использованы следующие системы:

1. Магнитное гашение дуги с помощью катушки тока

и дугогасительной камеры с продольной или лабиринтной щелью (рис.6).

2. Дугогасительная камера с деионной решеткой из стальных пластин.

В системе магнитного дутья с катушкой тока сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому и при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по направлению. Сила пульсирует с двойной частотой во времени (так же, как электродинамическая сила, действующая на проводник). Средняя сила получается такой же, как и при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению переменного тока. Указанные соотношения справедливы, когда потери в магнитной системе катушки дутья отсутствуют, и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эффективную работу этого устройства, в настоящее время оно применяется только в контакторах, работающих в тяжелом режиме (число включений в час более 600).

Недостатками этого метода гашения являются: увеличение потерь в контакторе из-за потерь в стали магнитной системы дугогашения, что ведет к повышению температуры контактов, расположенных вблизи дугогасительного устройства, и возможность возникновения больших перенапряжений из-за принудительного обрыва тока (до естественного нуля).

Значительное увеличение электрической износостойкости контактов (до 15*10⁶) можно получить, шунтируя контакты тиристорами.

Применение для гашения катушки напряжения на переменном токе исключается из-за того, что сила, действующая на дугу, меняет свой знак, так как поток, создаваемый магнитной системой дугогашения, сдвинут по фазе относительно отключаемого тока. Если ток и поток имеют один знак, сила положительна, если же ток и поток имеют разные знаки, то сила отрицательна.

Довольно широкое распространение получила дугогасительная камера с деионной решеткой из стальных пластин. Принципиальная схема дугогасительного устройства дана на рис.11, б. Дуга 1, возникающая после расхождения контактов, втягивается в клиновидный паз параллельно расположенных стальных пластин 2. В верхней части дуга пересекается пластинами и разбивается на ряд коротких дуг 3. При вхождении дуги в решетку возникают силы, тормозящие движение дуги. Для уменьшения этих сил дуга, смещенная относительно середины решетки, вначале пересекает пластины с нечетными номерами, а потом уже с четными (рис. 11,6). После того как дуга втянется в решетку и разобьется на ряд коротких дуг, в цепи возникает дополнительное падение напряжения А на каждой паре электродов. Это падение напряжения составляет 20--30 В. Из-за наличия этого падения напряжения ток в цепи пройдет через нуль ранее своего естественного нулевого значения. При этом уменьшается восстанавливающееся напряжение промышленной частоты, а, следовательно, и пик восстанавливающегося напряжения (рис.11,а).

Рис.11. Процесс гашения дуги в деионной решётке.

Для того чтобы пластины решетки не подвергались коррозии, они покрываются тонким слоем меди или цинка. Несмотря на быстрое гашение дуги, при частых включениях и отключениях происходит нагрев пластин до очень высокой температуры. Возможно даже прогорание пластин. В связи с этим число включений и отключений в час у контакторов с деионной решеткой не превышает 600 (контактор КТ-7000).

В новых контакторах, применяемых в пускателях серии ПА, применяется двукратный разрыв на каждый полюс (рис.9). Для того чтобы уменьшить оплавление контактов, они охвачены стальной скобой. При образовании дуги на нее действует электродинамическая сила втягивания дуги в эту скобу. Движению опорных точек дуги по контакту помогают также электродинамические силы, возникающие за счет взаимодействия дуги с током в подводящих проводниках и арматуре контактов. Здесь, так же как и в решетке для гашения дуги, используется околокатодная прочность, возникающая после прохода тока через нуль. Два разрыва и магнитное дутье за счет стальной скобы и поля подводящих проводников обеспечивают надежную работу при напряжении до 500 В. Контактор на номинальный ток 60 А отключает десятикратный ток короткого замыкания при напряжении 450 В и cos =0,3.

Электромагнитный механизм контактора переменного тока. Для привода контактов широкое распространение получили электромагниты с Ш-образным и П-образным сердечниками.

Магнитопровод состоит из двух одинаковых частей, одна из которых укреплена неподвижно, другая связана через рычаги с контактной системой. В электромагнитах старой конструкции для устранения залипания якоря между средними полюсами Ш-образной системы делался зазор. При включении удар приходился на крайние полюсы, что приводило к их заметному расклепыванию. В случае перекоса якоря на рычаге возможно разрушение поверхности полюса сердечника острыми кромками якоря. В современных контакторах (серии ПА) для устранения залипания в цепь введена магнитная прокладка. Во включенном положении все три зазора равны нулю. Это позволяет уменьшить износ полюсов, так как удар приходится на все три полюса. В современных контакторах для уменьшения удара неподвижный сердечник амортизирован с помощью цилиндрических пружин, что улучшает условия работы и контактной системы, поскольку при включении не возникает вибрации основания контактора.

С целью устранения вибрации якоря во включенном положении на полюсах магнитной системы устанавливаются короткозамкнутые витки. Действие короткозамкнутого витка наиболее эффективно при малом воздушном зазоре. Поэтому для плотного прилегания полюсов их поверхность должна шлифоваться. Хорошие результаты по уменьшению вибрации электромагнита достигнуты в контакторе типа ПА, где за счет эластичного крепления сердечника возможна самоустановка якоря относительно сердечника, при которой воздушный зазор получается минимальным.

Известно, что из-за изменения индуктивного сопротивления катушки ток в притянутом состоянии якоря значительно меньше, чем в отпущенном состоянии. В среднем можно считать, что пусковой ток равен десятикратному току притянутого состояния, но для больших контакторов может достигать значения, равного 15-кратному от тока в замкнутом состоянии. В связи с большим пусковым током ни в коем случае недопустима подача напряжения на катушку, если якорь по каким-либо причинам удерживается в положении «отключено». Катушки большинства контакторов рассчитаны таким образом, что допускают до 600 включений в час при ПВ==40%.

В особо тяжелых условиях работают электромагниты контакторов при пяти-полюсном исполнении. Для того чтобы обеспечить нормальную работу пяти контактных пар, электромагнит имеет форсировку. Такой контактор может работать только в повторно-кратковременном режиме (контакторы старых серий КТ и КТЭ). Современные контакторы КТ-6000 и КТ-7000 могут работать в любом режиме (ГОСТ 11206-70).

Электромагниты контакторов переменного тока могут также питаться от сети постоянного тока. В этом случае на контакторах устанавливается специальная катушка, которая работает с форсировочным сопротивлением. Форсировочное сопротивление шунтировано размыкающим блок-контактом контактора или более мощными контактами другого аппарата.

Параметры катушек и величины форсировочных сопротивлений приведены в каталогах. При уменьшении зазора тяговая характеристика электромагнита переменного тока поднимается менее круто, чем в электромагните постоянного тока. Благодаря этому тяговая характеристика электромагнита более близко подходит к противодействующей. В результате напряжение отпускания близко к напряжению срабатывания.

Относительно высокий коэффициент возврата (0,6--0,7) дает возможность осуществить защиту двигателя от падения напряжения. При понижении напряжения до (0,6--0,7) U_н, происходит отпадание якоря и отключение двигателя.

Электромагниты контакторов обеспечивают надежную работу в диапазоне колебания питающего напряжения 85--110% U_н. Поскольку катушка контактора питается через замыкающий блок-контакт, то включение контактора не происходит самостоятельно после подъема напряжения до номинального значения. Так же как и контакторы постоянного тока, контакторы переменного тока имеют блок-контакты, которые приводятся в действие тем же электромагнитом, что и главные контакты.

В схемах автоматики часто возникает необходимость иметь контакторы с «памятью». После снятия напряжения с электромагнита якорь остается в притянутом состоянии. Такой принцип осуществлен в контакторе залипания КМЗ. Магнитопровод собран из стали марки 40Х, в замкнутом состоянии магнитной системы немагнитный зазор отсутствует, катушка имеет две секции. Схема включения показана на рис.12.

Рис.12.Схема включения обмоток контактора с залипанием серии КМЗ.

При подаче переменного напряжения на вводы 1--2 обмотка ₂ питается постоянным током. После притяжения якоря блок-контакт 3 размыкается, но по обмотке ₂ продолжает протекать ток через диод Д и конденсатор С до тех пор, пока конденсатор не зарядится до определенного напряжения. Ток конденсатора и длительность протекания выбраны такими, что обеспечивается надежное залипание якоря после снятия напряжения. Якорь удерживается в притянутом состоянии за счет остаточной индукции. Для отключения напряжение подается на вводы 2 и 4. Обмотка 1 размагничивает сердечник, якорь отпадает. При замыкании контакта 3 конденсатор С разряжается на резистор R_р. Блок-контакт 5 размыкает цепь размагничивания в положении отключено. Контактор подготавливается для следующего включения. Допустимая частота включений в час 150.

Большим достоинством контактора с залипанием является отсутствие потребления мощности в притянутом состоянии.

3.4 Устройство магнитного пускателя

Магнитным пускателем называется контактор, предназначенный для пуска в ход асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Конструкция и схема включения пускателя. Наибольшее распространение получили пускатели серий ПМЕ и ПА. На рис.13 представлен магнитный пускатель серии ПМЕ.

Учитывая облегченные условия работы пускателя при отключении, возможно, используя двукратный разрыв цепи, отказаться от применения громоздких дугогасительных устройств в виде решетки или камеры магнитного дутья. Широко применяются торцевые контакты с металлокерамикой. Подвижный контакт 1 выполняется мостикового типа с самоустанавливанием. Токоведущие шинки 3 от зажимов к неподвижным контактам 4 выполняются таким образом, чтобы электродинамические силы сдували дугу с контактов.

Рис.13. Пускатель серии ПМЕ

Прямоходовой электромагнит имеет Ш-образный сердечник 5 и якорь 6. Возврат пускателя в исходное положение происходит за счет пружины 7. Короткозамкнутый виток 8 расположен на двух крайних стержнях сердечника. Якорь электромагнита 6 связан с изоляционной траверсой 9, несущей подвижные контакты 1 с контактными пружинами 2. Траверса 9 движется в направляющих 10, являющихся частью литого корпуса 11. Пускатель может иметь пять главных и два вспомогательных контакта 12. Основной особенностью электромагнитного механизма является равенство ходов контакта и якоря электромагнита. Такая система имеет ряд недостатков, которые ведут к большому времени вибрации контактов (более 1 мс) и их быстрому износу. В современных пускателях такая система применяется только при малых мощностях двигателей (номинальный ток 25 А).

При токах, больших 25 А, хорошо себя зарекомендовала система пускателей серии ПА, в которой ход контакта примерно в 2,5 раза меньше, чем ход якоря электромагнита. Для защиты двигателя от перегрузки в двух фазах устанавливаются тепловые реле. В некоторых типах пускателей, например в серии П, тепловые реле расположены на одной панели с контактором. Реле типа ТРП и ТРН монтируются вне контактора пускателя.

Схема включения нереверсивного пускателя показана на рис14. Главные (линейные) контакты Л включаются в рассечку проводов, питающих двигатель. В проводах двух фаз включаются также нагревательные элементы тепловых реле ТРП₁ и ТРП₂. Катушка электромагнита К подключается к сети через размыкающие контакты тепловых реле Т° и кнопки управления. При нажатии кнопки Пуск напряжение на катушку подается через замкнутые контакты 1--2 кнопки Стоп и замкнутые контакты тепловых реле Т°. После притяжения якоря электромагнита замыкается блок-контакт БК, шунтирующий контакты 3--4 кнопки Пуск. Это дает возможность отпустить пусковую кнопку. Для отключения пускателя нажимается кнопка Стоп. При перегрузке двигателя срабатывают тепловые реле, которые разрывают цепь катушки К. Якорь электромагнита отпадает. Происходит отключение пускателя.

Рис.14. Схема включения нереверсивного пускателя.

На рис.15 показан общий вид реверсивного пускателя на базе ПМЕ. Подвижная часть верхнего пускателя 1 с помощью рычага 2 сблокирована с подвижной частью 3 нижнего пускателя. При подаче напряжения на верхний пускатель его якорь притягивается, верхний конец рычага 2 поворачивается влево и удерживает якорь нижнего пускателя в крайнем правом положении. Даже при подаче напряжения на нижний пускатель якорь его электромагнита не сдвинется с места, так как сила, действующая на верхнее плечо (якорь верхнего пускателя притянут), больше силы, действующей на нижнее плечо. Поскольку при подаче напряжения на нижний электромагнит в его обмотке протекает большой ток и она может выйти из строя, механическая блокировка дополняется электрической.

Рис.15. Механическая блокировка реверсивного пускателя.

Рис.16. Схема включения реверсивного пускателя.

Схема включения реверсивного пускателя приведена на рис16. Кнопка управления Вперед имеет замыкающие контакты 1--2 и размыкающие контакты 4--6. Аналогичные контакты имеет кнопка пуска двигателя в обратном направлении Назад.

Соответственно индекс «в» отнесен к элементам, участвующим при работе вперед, и индекс «н» -- при работе назад. При пуске Вперед замыкаются контакты 1--2 этой кнопки и процесс протекает так же, как и у нереверсивного пускателя, с той лишь разницей, что цепь катушки К_н замыкается через размыкающие контакты 1--6 кнопки Назад. Одновременно размыкаются размыкающие контакты 4--6 кнопки Вперед, при этом разрывается цепь катушки К_н. При нажатии кнопки Назад вначале размыкаются контакты 1--6, обесточивается катушка и отключается пускатель Вперед. Затем контактами 4--3 запускается электромагнит пускателя Назад. При одновременном нажатии кнопок Вперед и Назад ни один из пускателей не будет включен.

Размещено на Allbest.ru