I. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах

Введение

Электрические аппараты (ЭА) – это электротехнические устройства, применяемые при использовании электрической энергии, начиная от ее производства, передачи, распределения и кончая потреблением. Разнообразие видов ЭА и различие традиций мировых электротехнических школ затрудняют их классификацию.

В настоящее время под ЭА понимают электротехнические устройства управления потоком энергии и информации. При этом речь может идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и др. Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии можно управлять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок. Таких примеров использования ЭА можно привести большое количество. Примером использования ЭА для управления информацией является применение реле в телефонии. Например, при создании телеграфного аппарата П.Л. Шиллинг в 1820г. применил впервые электромагнитное реле. Простейшая формально-логическая обработка дискретной информации также была реализована на реле.

Однако наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких, нерегулярных значений до периодических высокочастотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.

Одним из основных признаков классификации ЭА является напряжение. Различают аппараты низкого напряжения (АНН) – до 1000 В и аппараты высокого напряжения (АВН) – свыше 1000 В.

Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить на следующие основные виды:

аппараты управления и защиты – автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой;

аппараты автоматического регулирования – стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров электрической энергии;

аппараты автоматики – реле, датчики, усилители, преобразователи и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.

Следует отметить, что АНН иногда классифицируют по величине коммутируемого тока: слаботочные (слаботоковые) –до 10 А и сильноточные (сильнотоковые) – свыше 10 А. При этом нижние пределы надёжно коммутируемых современными электрическими аппаратами токов достигают 10^-9А, а напряжений - 10^-5В.

Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока и также существенно различаются по своим функциям. В настоящем учебном пособии аппараты высоко напряжения не рассматриваются.

Электрические аппараты как низкого, так и высокого напряжения обычно являются конструктивно законченными техническими устройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.

В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов - ручным, электромагнитным, механическим и др. Процессы, протекающие в ЭА, определяются различными и многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.

Одной их наиболее сложных задач, решаемых при разработке электромеханического электронного аппарата, является обеспечение работоспособности электрических контактов, в том числе и при гашении электрической дуги, возникающей при выключении ЭА.

По принципу работы электрические аппараты подразделяются на контактные и бесконтактные. Первые имеют подвижные контактные части, и воздействие на управляемую цепь осуществляется путем замыкания или размыкания этих контактов. Бесконтактные аппараты не имеют коммутирующих контактов. Эти аппараты осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров (индуктивности, ёмкости, сопротивления и т.д.).

Контактные аппараты могут быть автоматическими и неавтоматическими. Автоматические – это аппараты, приходящие в действие от заданного режима работы цепи или машины. Неавтоматические – это аппараты, действие которых зависит только от оператора. Они могут управляться дистанционно или непосредственно.

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам, чрезвычайно разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата. Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату, все электрические аппараты должны удовлетворять некоторым общим требованиям:

1. Каждый электрический аппарат при работе обтекается рабочим током, при этом в токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и аппарат нагревается. Температура не должна превосходить некоторого определенного значения, устанавливаемого для данного аппарата и его деталей.

2. В каждой электрической цепи может быть ненормальный (перегрузка) или аварийный (короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в этих режимах, существенно (в 50 и более раз) превышает номинальный, или рабочий, ток. Аппарат подвергается в течение определенного времени чрезмерно большим термическим и электродинамическим воздействиям тока, однако он должен выдерживать эти воздействия без каких-либо деформаций, препятствующих дальнейшей его работе.

3. Каждый электрический аппарат работает в цепи с определенным напряжением, где возможны также и перенапряжения. Однако электрическая изоляция аппарата должна обеспечивать надежную работу аппарата при заданных значениях перенапряжений.

4. Контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а многие аппараты – также и токи аварийных режимов, которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.

5. К каждому электрическому аппарату предъявляются требования по надежности и точности работы, а также по быстродействию.

6. Любой электрический аппарат должен, по возможности, иметь наименьшие габариты, массу и стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслуживании и технологичным в производстве.

I. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах

Контактные явления в электрических аппаратах

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

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 Ма 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

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:

- высокая электрическая проводимость и большая теплопроводность;

- стойкость против коррозии в воздухе и других газах;

- стойкость против образования окисных плёнок с высоким удельным сопротивлением;

- малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

- высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях;

- малая электрическая эрозия;

- высокая дугостойкость (температура плавления);

- высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

- простота обработки, низкая стоимость.

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.

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:

- дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов составляет примерно 0, 5 А;

- температура центральной части дуги очень велика и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;

- плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10²– 10³ А/мм²;

- падение напряжения у катода составляет всего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.

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

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка нагревается до температуры плавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так называемое катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения.

Автоэлектронная эмиссия. Это –явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24, 5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7, 7 В для паров меди).

Термическая ионизация. Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объясняется основным и практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.

Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, т.е. происходит ионизация газа. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации.

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диффузии.

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U_Д и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) Е_Д = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (см. рис 2.2). Под градиентом напряжения Е_Д понимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик U_Д и Е_Д в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной областях, на промежутке длины порядка 10^{– 4} см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным U_к и анодным U_а. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 10⁵ – 10⁶ В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения U_Дпрактически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U_Э не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

U_Д= U_Э+ Е_Дl_Д,

где: Е_Д – напряжённость электрического поля в столбе дуги;

l_Д – длина дуги; U_Э = U_к + U_а.

В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электрическим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация преобладает на всём промежутке газового разряда.

Дуги постоянного тока

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характеристика называется вольтамперной. С ростом тока i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги r_д.

Напряжение на дуге равно ir_д.При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напряжение на дуге падает, несмотря на то, что ток в цепи возрастает. Каждому значению тока в установившемся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуговой промежуток обладает тепловой инерцией. Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока соответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном его изменении называется статической вольтамперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

Статические вольтамперные характеристики дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Статические вольтамперные характеристики дуги

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е_Ди поднимается вольтамперная характеристика аналогично рис. 2.3.

Охлаждение дуги существенно влияет на эту характеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольтамперная характеристика располагается выше. Этим широко пользуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Дуги постоянного тока

Если ток в цепи изменяется медленно, то току i₁ соответствует сопротивление дуги r_Д1, абольшему току i₂ соответствует меньшее сопротивление r_Д2, что отражено на рис 2.4. (см. статическую характеристику дуги – кривая А).

Рис. 2.4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольтамперной характеристикой.

При резком возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С).

Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, проходящей из точки 2 в начало координат (прямая D), т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

Постоянного тока

Контакторы постоянного тока предназначены для коммутации цепей постоянного тока и, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока.

Общие технические требования к контакторам и условия их работы регламентированы ГОСТ 11206—77. Ниже описываются категории применения современных контакторов и приводятся параметры коммутируемых ими цепей в зависимости от характера нагрузки.

Контакторы постоянного тока:

ДС-1 — активная или малоиндуктивная нагрузка.

ДС-2—пуск электродвигателей постоянного тока с параллельным возбуждением и их отключение при номинальной частоте вращения.

ДС-3—пуск электродвигателей с параллельным возбуждением и их отключение при неподвижном состоянии или медленном вращении ротора.

ДС-4—пуск электродвигателей с последовательным возбуждением и их отключение при номинальной частоте вращения.

ДС-5—пуск электродвигателей с последовательным возбуждением, отключение неподвижных или медленно вращающихся двигателей, торможение противотоком.

Общие требования к контакторам:

1.Высокая включающая и отключающая способность – не ниже 10I_ном,а в отдельных случаях до 20I_ном;

2. Длительная работа при большой частоте отключений;

3. Высокая коммутационная износостойкость – до 3 млн. циклов с учетом отключений пусковых токов;

4. Высокая механическая износостойкость;

5. Технологичность конструкции, малая масса и габариты;

6. Высокая надёжность в эксплуатации.

Для контакторов существует еще режим редких коммутаций, характеризуемый более тяжелыми условиями, чем при нормальных коммутациях. Такие режимы возникают довольно редко (например, при КЗ).

Основными техническими данными контакторов являются номинальный ток главных контактов, предельный отключаемый ток, номинальное напряжение коммутируемой цепи, механическая и коммутационная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность контактора, как и любого коммутационного аппарата, обеспечить работу при большом числе операций характеризуется износостойкостью.

Различают механическую и коммутационную износостойкость. Механическая износостойкость определяется числом циклов включение-отключение контактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. Механическая износостойкость современных контакторов составляет (10—20)10⁶ операций.

Коммутационная износостойкость определяется таким числом включений и отключений цепи с током, после которого требуется замена контактов. Современные контакторы должны иметь коммутационную износостойкость порядка (2—3)10⁶ операций (некоторые выпускаемые в настоящее время контакторы имеют коммутационную износостойкость 10⁶ операций и менее).

Собственное время включения состоит из времени нарастания потока в электромагните контактора до значения потока трогания и времени движения якоря. Большая часть этого времени тратится на нарастание магнитного потока. Для контакторов постоянного тока с номинальным током 100 А собственное время включения составляет 0, 14с, для контакторов с током 630 А оно увеличивается до 0, 37с.

Собственное время отключения - время с момента обесточивания электромагнита контактора до момента размыкания его контактов. Оно определяется временем спада потока от установившегося значения до потока отпускания. Временем с начала движения якоря до момента размыкания контактов можно пренебречь. В контакторах постоянного тока с номинальным током 100 А собственное время отключения составляет 0, 07, в контакторах с номинальным током 630 А — 0, 23 с.

Номинальный ток контактора I_ном представляет собой ток, который можно пропускать по замкнутым главным контактам в течение 8 часов без коммутаций, причем превышение температуры различных частей контактора не должно быть больше допустимого (прерывисто-продолжительный режим работы).

Номинальный рабочий ток контактора I_ном.р - это допустимый ток через его замкнутые главные контакты в конкретных условиях применения. Так, например, номинальный рабочий ток I_ном.рконтактора для коммутации асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором выбирается из условий включения шестикратного пускового тока двигателя.

Номинальным напряжением называется наибольшее напряжение коммутируемой цепи, для работы при котором предназначен контактор. Коммутационная износостойкость главных контактов для категорий ДС-2, ДС-4 в режиме нормальных коммутаций должна быть не менее 0, 1, а для категорий ДС-3 не менее 0, 02 механической износостойкости. Вспомогательные контакты должны коммутировать цепи электромагнитов переменного тока, у которых пусковой ток может во много раз превышать установившийся.

Контактор имеет следующие основные узлы: контактную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. При подаче напряжения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Дугогасительное устройство обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Система вспомогательных слаботочных контактов служит для согласования работы контактора с другими устройствами.

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.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒