25. Электрический аппарат — это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Иначе говоря Электрический аппарат – это устройство, управляющее электропотребителями и источниками питания, а также использующее электрическую энергию для управления неэлектрическими процессами

Под электрическими аппаратами понимается широкий круг всевозможных устройств, применяемых в быту, промышленности и энергетике.

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие для включения и отключения электрических цепей. К этой группе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагрузки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи, когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических печей).

2. Ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

3. Пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.

4. Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на схему автоматики. В датчиках непрерывное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выходной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контролироваться как электрические, так и неэлектрические величины.

5. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи первичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансформаторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения.

6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие аппараты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин

Разделение аппаратов по областям применения более условно. Аппараты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводами и для автоматизации производственных процессов.

По номинальному напряжению электрические аппараты разделяются на две группы: аппараты низкого напряжения (с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным напряжением более 1000 В).

26. Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной выполняемой функции), области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окружающей среды, конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Рубильник – простейший аппарат ручного управления, который используется для коммутации электрических цепей при напряжении до 660 В переменного тока и 440 В постоянного тока и токах от 25 до 10000 А.

Кнопки управления – электрические аппараты ручного управления, предназначенные для подачи оператором управляющего воздействия при управлении различными электромагнитными аппаратами (реле, пускателями, контакторами), а также для коммутирования цепей управления, сигнализации, электрической блокировки цепей постоянного и переменного тока.

Пакетные выключатели и переключатели – электрические аппараты ручного управления, предназначенный для коммутации цепей управления и сигнализации в схемах пуска реверса электродвигателей, а также электрических цепей переменного тока напряжением 380 В и постоянного тока напряжением 220 В небольшой мощности под нагрузкой.

Малогабаритные переключатели - электрические аппараты ручного управления, предназначенные для установки на панелях щитов, используются для дистанционного управления электромагнитными аппаратами (реле, пускателями, контакторами), а также для коммутирования цепей управления, сигнализации, электрической блокировки цепей постоянного и переменного тока напряжением до 220 В и с током до 6 А.

Контроллер – коммутационное устройство, осуществляющее пуск и регулирование скорости электродвигателя. Многоцепной электрический аппарат с ручным или ножным приводом для непосредственной коммутации силовых цепей электродвигателей. По конструкции они подразделяются на кулачковые, барабанные, плоские и магнитные.

Резисторы и элементы сопротивлений – аппараты управления, которые предназначены для регулирования тока в электрической цепи за счет изменения ее сопротивления (омического, индуктивного или емкостного). Резисторы – омические или активные сопротивления. В зависимости от назначения сопротивления подразделяются на пусковые, тормозные, регулировочные, добавочные, разрядные, нагрузочные, нагревательные, заземляющие и установочные.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Электромагниты – электрические аппараты дистанционного управления, предназначенные для преобразования магнитной энергии в механическую. Они используются как самостоятельный аппарат (для управления различными устройствами и механизмами, для создания силы при торможении движущихся механизмов, для удержания деталей на шлифовальных станках, при подъеме грузов), так и как элемент привода других аппаратов (электромагнитных реле, пускателей и контакторов).

Электромагнитные муфты – электрические аппараты дистанционного управления, предназначенные для переключения кинематических цепей в передачах вращательного движения металлорежущих станков, а также для пуска, реверса и торможения приводов станков. Подразделяются на фрикционные, ферропорошковые и гистерезисные.

Электромагнитные тормозные устройства – электромагнитные аппараты дистанционного управления, предназначенные для фиксации положения механизма при отключенном электродвигателе. Подразделяются на колодочные, дисковые и ленточные.

Электромагнитные реле - электрические аппараты дистанционного управления, предназначенные для осуществления скачкообразных изменений в управляемых цепях при заданном значении электрических воздействующих величин.

Все реле делятся по назначению на три группы:

Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение контролируемых величин, например тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.;

Вспомогательные реле (промежуточные), управляемые другими реле и выполняющие функции введения выдержки времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели, сигналы и т.п.;

Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и управляю­щие звуковыми и световыми сигналами.

Воспринимающий орган реле – часть аппарата, которая непосредственно воспринимает изменения электрических величин, подведенных к реле, и производит соответствующие им изменения в других органах или частях реле.

Исполнительный орган реле - часть аппарата, которая, воздействуя на внешние цепи, производит отклю­чение выключателей, подачу предупредительных сигналов или запуск других реле. Исполнительным органом являются контакты реле. Кроме того, некоторые реле имеют орган замедления или выдержки времени.

Реле тока – реле, воспринимающий орган которого реагирует на изменение тока.

Реле напряжения – реле, воспринимающий орган которого реагирует на изменение напряжения.

Максимальные реле – реле, срабатывающие, когда значение воздействующей величины превосходит заданную.

Минимальные реле – реле, срабатывающие, когда значение воздействующей вели­чины снижается ниже заданной.

Электромагнитные контакторы – двухпозиционные электрические аппараты дистанционного управления, предназначенные для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы.

Электромагнитные пускатели – электрические аппараты дистанционного управления, предназначенные для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети, остановки и реверсирования трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором при напряжениях до 660 В переменного.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ

Аппарат защиты – электрический аппарат, автоматически отключающий защищаемую электрическую цепь при ненормальных режимах работы.

Плавкий предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, защищающий электроустановку от перегрузок и токов короткого замыкания посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

Тепловое реле – электрический аппарат, применяемый для защиты электрических двигателей и другого электрооборудования от длительных перегрузок

Биметаллический элемент – жесткое соединение двух металлических пластин, материалы которых имеют разные коэффициенты линейного расширения. При нагреве пластина изогнется в сторону материала, имеющего меньший коэффициент линейного расширения.

Автоматический выключатель – аппарат защиты, предназначенный для коммутации цепей при аварийных режимах, а также нечастых (от 6 до 30 в сутки) включений и отключений электрических цепей при нормальных режимах работы.

Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя – предназначен для защиты цепей от тока короткого замыкания, представляет собой электромагнит, который при определенном токе мгновенно притягивает якорь, в результате чего происходит отключение автоматического выключателя. Многие современные выключатели имеют полупроводниковый расцепитель, который выполняет функции электромагнитного расцепителя.

Тепловой расцепитель автоматического выключателя – тепловое реле, реагирующее на количество тепла выделяемое в его нагревательном элементе и защищающее цепи от перегрузки.

Комбинированный расцепитель – расцепитель, осуществляющий защиту от перегрузки и коротких замыканий, представляет собой комбинацию из двух расцепителей: теплового и электромагнитного.

Расцепитель минимального напряжения - электромагнит, срабатывающий при исчезновении напряжения, или при снижении его до уставки срабатывания расцепителя.

Независимый расцепитель – электромагнит, срабатывающий и отключающий автоматический выключатель при подаче импульса от ключа или кнопки управления.

БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И ДАТЧИКИ

Датчики – электрические аппараты, осуществляющие восприятие контролируемой (входной) величины и преобразование ее к виду, удобному для передачи по линиям связи и дальнейшего преобразования и измерения.

Параметрические датчики – датчики, в которых контролируемая физическая величина преобразуется в изменение таких параметров, как активное сопротивление, индуктивность или емкость. Параметрические датчики относятся к пассивным элементам и требуют источника питания для выявления изменения входной величины.

Генераторные датчики - датчики, в которых изменение контролируемой величины преобразуется в изменение ЭДС на выходе. В этих датчиках не требуется отдельного источника питания для изменения выходной величины.

Бесконтактный электрический аппарат – устройство, предназначенное для включения и отключения электрических цепей без физического разрыва самой цепи.

Магнитный усилитель – электромагнитное устройство с управляемой индуктивностью, которое служит для регулирования тока в цепи нагрузки с помощью подмагничивания ферромагнитных сердечников постоянным током.

Датчики пути и положения – датчики, которые обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта. Бывают контактные и бесконтактные.

27. необходимо знать следующие параметры:

- P dt – количество теплоты, выделяемого в проводнике;

- G – масса проводника;

- F – площадь поверхности излучения проводника;

- с – удельная теплоемкость проводника;

- k_т – коэффициент теплоотдачи;

- ф – превышение температуры проводника по отношению к окружающей среде.

Для любого проводника при нагреве (t = 0) справедливо уравнение теплового баланса P dt = G c dt + F k_т ф dt

Количество теплоты выделяемое в проводнике равно количеству теплоты, поглащаемому проводником, плюс количество теплоты излучаемому с поверхности проводника.

Для установившегося режима работы проводника (t = ) справедливо уравнение теплового равновесия:

P dt = F k_т ф dt

Количество теплоты, выделяемое в проводнике равно количеству теплоты излучаемому с поверхности проводника.

При отключении работающего проводника наступает его охлаждение. Уравнение теплового баланса при охлаждении имеет вид:

0 = G c dt + F k_т ф dt

Продолжительным (S1) называется режим работы, при котором нагрев продолжается столько времени, что температура проводника успевает достичь установившихся значений.

К ратковременным (S2) называется режим работы, когда периоды нагрузки чередуются с периодами отключения, причем периоды нагрузки настолько малы, что проводник не успевает нагреться до установившихся температур, а периоды отключений настолько велики, что проводник успевает охладиться до температуры окружающей среды. Температура нагрева проводника не достигает установившихся значений.

Рисунок 1 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при продолжительном режиме работы

Уравнения нагрева и охлаждения проводника имеют такой же вид, что и при продолжительном режиме работы, диаграмма нагрева существенно отличается и имеет вид показанный на рис. 2

Рисунок 2 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при кратковременном режиме работы

П овторно-кратковременным (S3) называется режим работы, когда периоды нагрузки чередуются с периодами отключения, причем периоды нагрузки настолько малы, что проводник не успевает нагреться до установившихся температур, и периоды отключений также малы, что проводник не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Уравнения нагрева и охлаждения проводника имеют такой же вид, что и при продолжительном режиме работы, диаграмма нагрева существенно отличается и имеет вид:

Рисунок 3 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при повторно-кратковременном режиме работы

Нагрев катушек. Катушка электрических аппаратов представляет собой неоднородное тело, состоящее из проводника, изоляции и прослоек воздуха или пропитывающего материала (лак, компаунд). Теплота, выделяемая во всем объеме катушки, должна проходить к поверхности через материалы с разной теплопроводностью. В разных слоях катушки будут и разные температуры. Разные участки поверхности катушки в разной степени участвуют в теплоотдаче. Наружная боковая поверхность, как правило, бывает открытой и является основной теплоотдающей поверхностью. Теплоотдача здесь происходит за счет естественной конвекции. Внутри катушки проходит сердечник. Из-за малых зазоров естественная конвекция здесь затруднена, поэтому теплоотдача здесь идет за счет теплопроводности. Торцевые поверхности катушки закрыты изоляционными крепежными деталями с низкой теплопроводностью.

Таким образом, процесс нагрева катушек представляет собой сложное явление. Распределение температуры по катушке неравномерно как в радиальном направлении, так и по высоте. Точный расчет распределения температуры связан с большими трудностями.

Изолированные проводники электрического тока в нормальном режиме

Как показывают наблюдения, чем выше температура, воздействию которой подвергаются изоляционные материалы, входящие в конструкции аппаратов, тем быстрее ухудшаются их механические и электрические качества: уменьшаются механическая и электрическая прочность, эластичность; при переменном токе увеличиваются диэлектрические потери, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение температуры изоляции и ее быстрое старение. Ухудшение электрических и механических свойств изоляционных материалов приводит к нарушению нормальной работы аппарата. С другой стороны, при прочих равных условиях, чем большие температуры допускаются в аппарате, тем требуется меньший расход проводниковых материалов, следовательно, снижаются вес и стоимость аппарата. Оптимальное решение вопроса о допустимых температурах достигается в результате длительных лабораторных исследований и эксплуатации электрических аппаратов с разными изоляционными материалами при различных температурах и режимах работы (длительном, повторно-кратковременном, кратковременном).

Естественно, что изоляционные материалы обладают разной стойкостью в отношении воздействия температур. Кроме того, ^в различных условиях степень воздействия температуры на изоляционные материалы меняется. Так, например, воздействие температуры на изоляцию проводников катушек, пропитанных лаком, значительно слабее, чем непропитанных, и старение изоляции в них соответственно будет протекать медленнее.

В настоящее время в соответствии с ГОСТ 8865—58 и нормами МЭК (Международная электротехническая комиссия) изоляционные материалы разбиты по нагревостойкости на семь классов Y, А, Е, В, F, Н, С, длительно допустимые температуры для этих классов приведены в табл.6.1. В ГОСТах обычно наряду с допустимой температурой часто указывается допустимое превышение температуры аппарата над температурой окружающего воздуха, определяемое как разность допустимой температуры и температуры окружающего воздуха. При этом температура окружающего воздуха чаще всего принимается 35 или 40° С.

Применительно к аппаратам низкого напряжения (до 1000 В) разработан ГОСТ 12434—66, в котором электрические аппараты разделяются на аппараты распределения энергии и аппараты управления приемниками энергии.

К аппаратам распределения энергии относятся автоматические выключатели, переключатели, плавкие предохранители, контактные разъемы.

К аппаратам управления — приемникам энергии относятся контакторы, реле управления и промышленной автоматики, командоконтроллеры, кнопки управления, конечные и путевые выключатели, резисторы, реостаты, электромагниты, контроллеры, ручные и электромагнитные пускатели.

Таблица 6.1 Длительно допустимые температуры для изоляционных материалов различных классов

Класс	У	А	Е	В	F	Н	С
	90	105	120	130	155	180	180

Примечание.

Класс У— непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный материал, волокнистые материалы из целлюлозы и шелка, а также другие материалы, соответствующие данному классу и другому сочетанию материалов.

Класс А — пропитанные и погруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из целлюлозы или шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов.

Класс Е~ некоторые синтетические и органические пленки, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов.

Класс В — материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов.

Класс F— материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов.

Класс Н — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов.

Класс С — слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими или кремнийорганическими связующими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов.

Режим короткого замыкания в цепи большей частью является аварийным и его обычно ликвидируют за малые промежутки времени — секунды и доли секунды, однако, как ни мала длительность протекания токов короткого замыкания, их воздействие может оказаться катастрофическим.

О бычно время воздействия токов к. з. t_{K 3} значительно меньше постоянной времени нагрева токоведущих частей. Легко показать, что при процесс нагрева происходит так, что тепло не отдается в окружающую среду. Такой процесс нагрева называют адиабатическим.

Так как температуры проводников в конце процесса короткого замыкания строго ограничены, каждый аппарат может быть охарактеризован допустимой величиной произведения I²Rt

О бычно задается не сама величина, а величина тока неизменной силы, тепловое действие которого аппарат может выдержать в течение заданного времени так, что это не препятствует его дальнейшей нормальной работе. Эта величина тока называется током термической устойчивости. Чаще всего задается ток десяти-, пяти- или односекундиой термической устойчивости. Если необходимо найти ток термической устойчивости при времени действия t, отличающемся от 10 сек (или 5 сек соответственно), то это может быть легко сделано из условия

28. Электрический аппарат – это устройство, управляющее электропотребителями и источниками питания, а также использующее электрическую энергию для управления неэлектрическими процессами

Режимы работы электротехнических устройств:

Номинальный режим работы - это такой режим, когда  элемент  электрической цепи работает при значениях тока, напряжениях,  мощности  указанных в техническом паспорте, что  соответствует  наивыгоднейшим  условиям работы с точки зрения экономичности и надежности (долговечности).

Нормальный режим работы - режим, когда аппарат  эксплуатируется  при параметрах режима незначительно отличающихся от номинального.

Аварийный режим работы - это такой режим, когда параметры тока, напряжения, мощности превышают номинальный в два и более раз. В  этом  случае объект должен быть отключен.

Надежность – безотказная работа аппарата за все время его эксплуатации. Свойство аппарата выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания и ремонтов, хранения и транспортирования.

Продолжительным (S1) называется режим работы, при котором нагрев продолжается столько времени, что температура проводника успевает достичь установившихся значений. Уравнение нагрева проводника при продолжительном режиме работы с холодного состояния имеет вид:

ф = ф _уст (1-е ^{-t / Т})

Уравнение нагрева проводника при продолжительном режиме работы с некоторой температуры имеет вид:

ф = ф _уст (1 – е ^{-t / Т}) + ф ₀ е ^{-t / Т}

Уравнение охлаждения имеет вид

ф = ф ₀ е ^{– t / Т},

где Т – постоянная времени нагрева T = Gc / Fk_т

К ратковременным (S2) называется режим работы, когда периоды нагрузки чередуются с периодами отключения, причем периоды нагрузки настолько малы, что проводник не успевает нагреться до установившихся температур, а периоды отключений настолько велики, что проводник успевает охладиться до температуры окружающей среды. Температура нагрева проводника не достигает установившихся значений.

Рисунок 1 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при продолжительном режиме работы

Уравнения нагрева и охлаждения проводника имеют такой же вид, что и при продолжительном режиме работы, диаграмма нагрева существенно отличается и имеет вид показанный на рис. 2

Рисунок 2 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при кратковременном режиме работы

Повторно-кратковременным (S3) называется режим работы, когда периоды нагрузки чередуются с периодами отключения, причем периоды нагрузки настолько малы, что проводник не успевает нагреться до установившихся температур, и периоды отключений также малы, что проводник не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

У равнения нагрева и охлаждения проводника имеют такой же вид, что и при продолжительном режиме работы, диаграмма нагрева существенно отличается и имеет вид:

Рисунок 3 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при повторно-кратковременном режиме работы

t_ц = t_р + t_п

Допустимая температура нагрева частей аппаратов. Термическая стойкость. Для обеспечения надежной работы аппарата в пределах всего срока службы температура его частей не должна превышать некоторого определенного значения, называемого допустимой температурой, устанавливаемой стандартами. При этом различают допустимые температуры при номинальных режимах и режимах короткого замыкания. Так как длительность короткого замыкания мала (не более 5 с), а сами замыкания относительно редки, то допустимые температуры в этом случае в 2-3 раза выше, чем при длительном режиме.

Допустимые температуры изолированных проводов и деталей определяются нагревостойкостью (классом изоляции) по ГОСТ и механической прочностью материала деталей.

Для неизолированных деталей допустимая температура определяется механическими свойствами материалов и свойствами материалов изоляционных деталей с которыми они соприкасаются.

Допустимая температура контактов и контактных соединений определяется температурой, исключающей их интенсивное окисление.

Для нетоковедущих деталей: несущих, крепежных, защитных и других допустимые температуры определяются механической прочностью и условиями безопасной эксплуатации.

Термической стойкостью аппарата называется способность аппарата выдерживать без повреждений и без превышения допустимой при КЗ температуры прохождение токов КЗ называется

29. Основные понятия. Магнитная система – совокупность ферромагнитных деталей электромагнитного механизма, предназначенная для локализации в ней основного магнитного поля.

Магнитная цепь электромагнитного устройства – совокупность деталей и сред, по которым проходит магнитный поток.

Магнитопровод – магнитная система или ее часть в виде отдельной конструктивной единицы.

Сердечник – часть магнитопровода, на которой или вокруг которой расположена обмотка.

Магнитный стержень – сердечник, имеющий форму призмы или цилиндра.

Ярмо – часть магнитопровода, на которой или вокруг которой обмотка не расположена.

Полюс магнитопровода – часть магнитопровода, которая предназначена для выхода рабочего магнитного потока в окружающую немагнитную среду или для его входа в магнитопровод из немагнитной среды.

Немагнитный зазор – промежуток в магнитной цепи, не заполненный магнитным материалом.

Демпферная обмотка – обмотка, предназначенная для создания магнитного потока, противодействующего изменению магнитного потока, созданного другой обмоткой или постоянным магнитом.

Размагничивающая обмотка – обмотка, предназначенная для создания магнитного потока, уменьшающего магнитный поток, созданный другой обмоткой или постоянным магнитом.

Параметры магнитной цепи: магнитный поток, Ф, Вб; магнитная индукция, В = Ф / S, Тл; напряженность магнитного поля, Н, А / М; магнитная проницаемость, μ = В / Н, Гн / м; магнитодвижущая сила F = I w, А; магнитная проводимостью Λ, Гн; магнитное сопротивление R_м

Законы магнитных цепей.

Закон полного тока. МДС вдоль замкнутого контура равна полному току охватываемому этим контуром. ∫Н_l dl = ΣIw = F

Закон Ома для магнитной цепи. Общий поток замкнутой магнитной цепи Ф равен МДС F, умноженной на магнитную проводимость всей цепи Λ. Ф = F Λ

Первый закон Кирхгофа. Сумма магнитных потоков, сходящихся и расходящихся в каком- либо узле равна нулю.

Второй закон Кирхгофа. Для всякого замкнутого контура сумма падений магнитных потенциалов на отдельных участках магнитной цепи равна сумме МДС тех витков или обмоток, через которые проходит рассматриваемая линия.

Электромагнитные механизмы нашли широкое применение в электроаппаратостроении и как элементы привода контактной системы, например, контакторы, пускатели, реле и т. п. и как устройства, создающие электромагнитные усилия, например, удерживающие электромагниты, муфты сцепления, тормозы и др.

Составной частью электромагнитного механизма (ЭММ) является магнитная цепь (м. ц.), которая служит для усиления и направления магнитного потока.

Магнитной цепью называется совокупность ферромагнитных деталей и немагнитных промежутков между ними, через которые замыкается магнитный поток, создаваемый магнитодвижущей силой катушки или постоянного магнита.

М агнитные цепи ЭММ бывают неразветвленные и разветвленные и содержат следующие основные элементы. Подвижная часть магнитной цепи называется якорем 1. Часть м.ц., на которой расположена намагничивающая обмотка, называется сердечником 2. Часть м.ц., соединяющая сердечник с якорем называется ярмом 3. Намагничивающая обмотка создает м.д.с., под действием которой возбуждается магнитный поток Ф. Этот поток замыкается как через зазор, так и между другими частями магнитной цепи, имеющими различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор   , меняющийся при перемещении якоря, называется рабочим зазором. Соответственно поток, проходящий через рабочий зазор, называется рабочим потоком  . Все остальные потоки в магнитной цепи называются потоками рассеяния  . Поток в основании или в сердечнике равен

По конструкции ЭММ можно свести к нескольким основным группам :

а) внешним притягиваю щимся якорем

б) с втяжным якорем

в ) с поперечно движущимся якорем

П о роду тока м.ц. бывают постоянного и переменного тока. Отличительной особенностью м.ц. переменного тока является шихтован ный из листов электро технической стали сердечник и наличие короткозамкнутого экрана. Шихтовка сердечника позволяет уменьшить влияние потерь в стали от вихревых токов и гистерезиса на работу ЭММ, а к.з. экран уменьшает вибрацию якоря .

а ) Магнитная цепь аппарата, основные законы. Электромагниты нашли в аппаратостроении широкое применение и как элемент привода аппаратов (контакторы, пускатели, реле, автоматы, выключатели) и как устройство, создающее силы в муфтах, тормозах и подъемных механизмах.

Конфигурация магнитной цепи электромагнита зависит от назначения аппарата и может быть самой разнообразной.

Основные соотношения для магнитной цепи мы рассмотрим на примере клапанной системы, изображенной на рис.1. Подвижная часть магнитной цепи называется якорем 1. Часть магнитной цепи, на которой сидит намагничивающая катушка 2, называется сердечником 3. Вертикальные и параллельные части магнитопровода 3 и 4 часто называют стержнями.

В клапанной системе якорь может иметь как поступательное движение так и вращательное.

Рис. 1. Магнитная цепь клапанной системы

Намагничивающая катушка создает намагничивающую силу (н. с), под действием которой возбуждается магнитный поток. Этот поток замыкается как через зазор δ, так и между другими частями магнитной цепи, имеющими различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор δ, меняющийся при перемещении якоря, называется рабочим зазором. Соответственно поток, проходящий через рабочий зазор, называется рабочим потоком и обозначается обычно Ф₅. Все остальные потоки в магнитной цепи называются потоками рассеяния Ф_в. Сила, развиваемая якорем электромагнита, как правило, определяется потоком в рабочем зазоре Ф _δ.

Задачей расчета магнитной цепи является либо определение н. с. катушки, необходимой для создания рабочего потока заданной величины (прямая задача), либо определение рабочего потока по известной н. с. катушки (обратная задача). Эти задачи могут быть решены с помощью двух законов Кирхгофа применительно к магнитной цепи.

Полная аналогия законов Кирхгофа электрической и магнитной цепей позволяет составить для последней электрическую схему замещения.

Для простейшей неразветвленной цепи

Магнитное сопротивление и проводимость ферромагнитных материалов являются сложной нелинейной функцией индукции. Зависимость относительной магнитной проницаемости , а следовательно, и магнитной проводимости от величины индукции для магнитномягкого материала представлена на рис.в справочнике. Максимальное значение (минимальное магнитное сопротивление) имеет место при средних величинах индукции. В слабых и сильных полях магнитное сопротивление материала резко возрастает. Изменение магнитного сопротивления от величины индукции сильно затрудняет решение как прямой, так и обратной задачи.

30. Конструктивная схема электромагнитного выключателя типа ВЭМ-10 показана на рис. 6. Связующей основой   Рис. 6.  Конструктивная схема   электромагнитного выключателя. выключателя является цельносварная рама—тележка 1, на которой смонтированы три полюса выключателя с дугогасительными камерами. В верхней части рамы на опорных изоляторах 5 укреплена система электромагнитного дутья — полюсные наконечники 9 с катушкой электромагнитного дутья 6. Подвод тока к неподвижным 12 и подвижным 14 контактам осуществляется через стержни проходных изоляторов 3. Неподвижный контакт, состоящий из набора торцевых ламелей рабочего контакта и пальцевых ламелей дугогасительного, своим основанием жестко связан с выводом верхнего проходного изолятора и выводом 4 катушки электромагнитного дутья 6. Ножи подвижного контакта (спаренные шины) крепятся на изоляционной стойке 17 и шарнирно связаны с контактным выводом нижнего проходного изолятора. На ножах закреплены планка рабочего и основание дугогасительного контактов 14, а также цилиндр воздушного поддува 15. Токопроводы проходных изоляторов снаружи заканчиваются розеточными контактами 2 типа «тюльпан» или обычными пальцевыми контактами. Над контактами выключателя размещаются дугогасительные камеры 7. Камеры накладками 8 опираются на полюсные наконечники 9 магнитопроводов и с торцевой стороны крепятся к ним с помощью изоляционных планок 10. С внутренней стороны к торцевым стенкам камер на керамических лотках крепятся дугогасительные рога 11, между которыми внутри камеры располагаются дугогасительные керамические решетки из изоляционного материала. Дугогасительный рог, расположенный над неподвижным контактом, подсоединяется к основанию контакта через катушку магнитного дутья (выводы 4). Рог же подвижного контакта соединяется с контактным выводом с помощью медной шинки 13. В нижней части выкатной тележки размещается электромагнитный привод типа ПЭГ, рычаг вала которого 18 соединяется с подвижными контактами с помощью изоляционных тяг 16. Включение выключателя происходит под воздействием усилий, развиваемых приводом, и сопровождается вращением ножей подвижных контактов до их замыкания с неподвижными. Размыкание контактов происходит под воздействием отключающих пружин 19 Благодаря электромагнитному механизму, который располагается в автоматических коммутационных и электрозащитных аппаратах, электрическая энергия, получаемая от источника тока, превращается в механическую, и применяется для размыкания или замыкания контактов. Такой механизм изготовлен из двух основных частей: катушки и магнитопровода. 

Магнитопроводы в электрических аппаратах используют шихтованные и сплошные. Они состоят из подвижной части – сердечника, и неподвижной – якоря. Из магнитно-мягких низкоуглеродистых отожженных сталей путем их механической обработки такой как, гибки, резания, штамповки и т.п., производят сплошные магнитопроводы. Им находят применение в аппаратах постоянного тока. Из листовой электротехнической стали изготавливают шихтованные магнитопроводы подобно сердечникам электрических машин. Таким магнитопроводам нашли применение в аппаратах переменного тока. 

Из каркаса, на который намотана обмотка, состоит катушка. Бескаркасной катушка называется, если она состоит только из обмотки. Витки её обмотки стягивают хлопчатобумажной лентой для придания монолитности или же между рядами вмещают прокладки (электроизоляционные), затем обмотку пропитывают электроизоляционной жидкостью и сушат. 

От назначения эксплуатации электрических аппаратов в них используют катушки напряжения или токовые катушки. Катушки напряжения используют при работе со сравнительно большим напряжением и с небольшой силой тока. Их производят на станках, наматывая обмоточные провода на каркас или на шаблон. На большую силу тока рассчитаны токовые катушки. Их производят из голых проводов или обмоточных проводов относительно большой площади сечения. 

В массовом изготовлении катушек используют различное оборудование, это намоточные автоматические станки, пропиточные установки, сушильные установки, калориферные и другие. 

После всего идет проверка на наличие дефектов, проверяется, соответствует ли электрическое сопротивление заданным требованиям, и нет ли обрыва в обмотке катушки. Также проверяются обмотки катушек переменного тока, не присутствует ли замыкания между витками. Затем катушки покрывают эмалями и лаками, отправляя на очередную сушку в печи, возможно также и на воздух. На основании электрических аппаратов укрепляют катушки с магнитопроводами, электрические контакты, а также другие детали; соединяемой с основанием крышкой, закрывают аппараты. Для подсоединения аппарата к электрической сети на его основании имеются служащие зажимы, а через крышку выведены кнопки, рукоятки, с их помощью вручную размыкают или замыкают контакты.

31. Принцип работы электромагнитных механизмов.

Электромагнитные реле.

 В состав автоматизированных, полуавтоматизированных и ручных систем уаправления электроэнергетическими установками, электроприводами, технологическими установками и т.п. входят электромагнитные устройства (контакторы, пускатели, реле, электромагниты). С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию. Основными частями электромагнитных устройств являются электромагнитные механизмы: электрические контакты, механический или электромагнитный привод контактной группы, кнопки управления.

 По назначению различают следующие электромагнитные устройства:

 -коммутационные (разъединители, выключатели, переключатели);

  -защитные (предохранители, реле защиты);

 -пускорегулирующие (контакторы, пускатели, реле управления);

 -контролирующие и регулирующие (датчики, реле);

 -электромагниты.

  Рассмотрим принцип работы электромагнитного механизма. В электромагнитном механизме осуществляется преобразование электрической энергии источника питания в механическую энергию перемещения якоря. Схема механизма приведена на рис. 9.4. Она включает неподвижную 1 (ярмо) и подвижную 2 (якорь) части магнитопровода; намагничивающую катушку 3, удерживающую 4.

 

 Появление тока в намагничивающей катушке приводит к намагничиванию ферромагнитных частей магнитопровода. Образовавшееся магнитное поле притягивает якорь к ярму.

 Проведем анализ процесса преобразования энергии. Пусть к намагничивающей катушке приложено напряжение U, и через нее протекает ток I. На сопротивлении катушки R создается падение напряжения  .

Разность U -UR урановешивает э.д.с. еL, т.е.

   (9.7)

Тогда

   (9.8) 

Умножим (9.8) на   и проинтегрируем за время намагничивания. Тогда

  или

,

где WП - энергия, затрачиваемая источником на нагрев катушки за время t/

 Решением выражения для WM имеет вид:

   (9.9)

 Учитывая, что

,

  а

,

где S - площадь,  а l - воздушного зазора, получим

.

  При перемещении якоря совершается работа

где    - энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воздушного зазора  ;

   - энергия магнитного поля с длиной воздушного зазора   ;

  .

 С учетом (9.10) можем записать

  Так как  , то

,

где

    (9.11)

 Выражение (9.11) определяет силу [кГ], с которой магнитное поле действует на якорь. Очевидно, что значение силы зависит от длины зазора   и магнитодвижущей силы  .

 Если к катушке подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону:

.

  В этом случае мгновенное значение силы, притягивающий якорь к ярму определяется выражением

,

 где

  После преобразования получим

  . (9.12)

 Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную составляющую. Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоянной составляющей . Пульсация F(t) вызывает вибрацию якоря (дребезг).

 В однофазных электромагнитных механизмах для устранения пульсации на якоре размещают короткозамкнутый (КЗ) виток провода. Переменный магнитный поток Ф(t) наводит в КЗ витке э.д.с. сдвинутую по фазе на 900 относительно ФМ. По витку протекает ток iK, который создает поток ФКМ, совпадающий по фазе с э.д.с.

 Теперь на якорь начинает действовать пульсирующая сила с удвоенной частотой, т.е. cos 4t. В итоге постоянная составляющая силы возрастает, пульсация уменьшается.

  Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком. Выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. Реле применяют в цепях управления с током не более 1А. Входной или управляющей величиной реле могут быть электрические, механические, тепловые и др. воздействия.

 На рис. 9.5. показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенной магнитодвижущей силе (МДС) в цепи управления возникающая сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

  Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств прекращается. Многие реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.

 Функции реле связаны с контролем режима работы важных элементов электрической цепи: генераторов, трансформаторов, линий передач, электродвигателей и т.п.

 При нарушении нормального режима соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо отключает поврежденный участок. Такие реле называют "реле защиты". Они "наблюдают" за током в цепи (токовая защита), за напряжением на отдельных участках (защита по напряжению), за изменением мощности, частоты тока и т.д.

 В зависимости от значения или направления входной величины различают реле максимального, минимального или направленного действия.

  В зависимости от времени срабатывания различают реле быстродействующие  ), нормальные  ) и с выдержкой времени ( реле времени).

 Реле, не реагирующее на направление управляющей величины (например, тока), называют нейтральным. Реле, чувствительные к полярности управляющей величины, называют поляризованными.

 Если исполнительный элемент реле (подвижные контакты) непосредственно воздействует на цепь управления, то это реле прямого действия. Когда воздействие осуществляется через другие аппараты - реле косвенного действия.

 

Рис. 9.5

Гармонические колебания и их характеристики. Временная и векторная диаграммы цепи. Синусоидальный ток в цепях с резистором, индуктивностью и емкостью. Токи, напряжения и мощности в неразветвленных цепях переменного тока. Векторные диаграммы токов и напряжений, треугольники сопротивлений. Токи, напряжения и мощности в разветвленных цепях переменного тока. Векторные диаграммы токов и напряжений, треугольники сопротивлений. Особенности расчета разветвленных цепей. Математические операции с комплексными числами. 

32. Места соединения отдельных элементов, составляющих любую электрическую цепь, называются электрическими контактами.

Слово «контакт» означает «соприкосновение», «касание». В электрической системе, объединяющей различные аппараты, машины, линии и т. д., для их соединения используется огромное число контактов.

Электрическим контактом называется такое соединение двух проводников, при котором обеспечивается надежное прохождение электрического тока.

Электрический контакт должен передавать энергию электрического тока от одного аппарата или прибора к другому без заметных потерь. Для получения, надежного электрического контакта к контактирующим поверхностям необходимо прикладывать некоторое сжимающее усилие, позволяющее довести размеры проводящей ток поверхности до нужной величины. Надежность в длительной эксплуатации соединительных (не размыкаемых) контактов будет обеспечена, если сопротивление контакта электрическому току будет достаточно стабильным. Для этого соединительный контакт должен обладать способностью противостоять как воздействию окружающей среды, так и воздействию механических усилий от температурных деформаций и от электродинамических усилий, возникающих при протекании больших токов короткого замыкания.

Электрические контакты при коммутации электрических цепей работают в самых различных условиях, пропуская токи от долей микроампера до тысяч и десятков тысяч ампер. Естественно поэтому, что конструкция, форма, размеры контактных поверхностей, материалы, применяемые для их изготовления, могут быть самыми разнообразными.

От качества контактных соединений в значительной степени зависит надежность работы оборудования и системы.

Классификация электрических контактов

По своему назначению электрические контакты можно разделить на две группы.

1. Соединительные контакты, которые служат только для соединения различных звеньев электрической цепи, т. е. для обеспечения протекания тока от одного звена к другому. Соединительные контакты всегда замкнуты.

2. Коммутирующие контакты, предназначенные для включения, отключения и переключения электрических цепей.

Соединительные контакты, применяемые в токопроводах электрических аппаратов, весьма разнообразны. Некоторые типичные конструкции их изображены на рис.1.

Р ис.1.Некоторые типы коммутирующих контактов:

а — контакты контактора; б —релей-ные контакты на плоских пружинах

В зависимости от условий их работы в цепях электрического тока, т. е. от характера коммутации тока, электрические контакты принято разделять на три вида: неподвижные, скользящие и разрывные.

Неподвижные контакты либо вовсе не коммутируют ток, создавая постоянное соединение, либо коммутируют его редко. К неподвижным контактам относят неразъемные (сварные, паяные) и разъемные (зажимные, штепсельные) контакты. Характерной особенностью неподвижных сварных и паяных контактов является отсутствие заметного износа и длительный срок службы.

Незначителен износ и зажимных контактов, чего нельзя сказать о штепсельных контактах, имеющих ограниченный срок службы. Примером сварных контактов может служить соединение проводов воздушных линий и жил кабелей. Паяные контакты широко используются при монтаже многих видов электрорадиоэлементов в электрических аппаратах и приборах.

Зажимные контакты применяются в аппаратуре токораспределения низкого и высокого напряжения (шины токораспределительных щитов, пультов управления и т. п.).

Штепсельные разъемы также получили большое распространение. Они соединяют электрические цепи отдельных узлов блоков, приборов, аппаратов в наземной стационарной и подвижной аппаратуре, а также в бортовой аппаратуре самолетов.

Скользящие контакты обеспечивают непрерывную коммутацию тока между подвижной и неподвижной частями электрических машин, аппаратов и приборов. К скользящим контактам относятся, например, коллектор, кольца и щетки в электрических машинах, обмотки и ползунки в реостатах и потенциометрах. Скользящим контактам электрических машин свойственны непрерывное трение и быстрый износ контактирующих поверхностей.

Разрывные контакты периодически коммутируют цепи электрического тока — производят их замыкание, размыкание, переключение. для разрывных контактов характерна работа в сложных условиях замыкания и разрыва электрической цепи. При этом, как правило, возникает дуговой или искровой процесс, что ведет к постепенному разрушению материала контактных поверхностей. Разрывные контакты могут разрушаться в результате:

- коррозии, возникающей при химической реакция во время появления искры или дуги;

- эрозии, т. е. переноса металла с контакта на контакт при прохождении электрического тока;

- износа, вызываемого своеобразием характера работы разрывных контактов,— ударами и трением одного контакта о другой.

Работа большого числа электрических приборов (реле, контакторов, выключателей) основана на использовании разрывных контактов.

К онструкция неподвижных (жестких) неразмыкаемых контактных соединений должна обеспечивать надежное прижатие контактных поверхностей и минимальное переходное сопротивление. Шины лучше соединять несколькими болтами меньшего диаметра, чем одним большим, так как при этом обеспечивается большее число точек соприкосновения. При стягивании шин накладками переходное сопротивление ниже, чем при использовании сквозных болтов, когда в шинах требуется сверлить отверстия. Высокое качество контактного соединения дает сварка шин. Такие контакты служат для соединения неподвижных токоведущих деталей шин, кабелей и проводов. Эти детали могут находиться как внутри электрического аппарата, так и вне его. В последнем случае они служат для присоединения аппарата к источнику энергии или к нагрузке. Контакты соединяются с помощью либо болтов (разборные соединения), либо горячей или холодной сварки.

При болтовом соединении медные шины перед сборкой тщательно зачищаются от оксидов и смазываются техническим вазелином. После сборки места стыков между шинами покрываются влагостойким лаком или краской. При этом уменьшается переходное сопротивление и повышается его стабильность во времени.

Покрытие соприкасающихся поверхностей контактов оловом (лужение) несколько увеличивает начальное переходное сопротивление, но благодаря пластичности олова увеличивает количество площадок смятия и переходное сопротивление становится более стабильным. Для токоведущих деталей, от которых требуется повышенная надежность при больших номинальных токах, рекомендуется серебрение соприкасающихся поверхностей. Описанные разборные контактные соединения могут быть разобраны при ремонте и монтаже и имеют малое переходное сопротивление.

Рекомендуемые давления одной шины на другую, Па,

при болтовом соединении приведены ниже.

Материалы соединения

Медь луженая 500—1000

Медь, латунь, бронза нелуженые 600—1200

Алюминий 2500

Момент при затяжке болтов контролируется специальным тарированным моментным ключом. Болтовые соединения могут оказаться недостаточно надежными, особенно при алюминиевых контактах. Поэтому в настоящее время алюминиевые токоведущие детали соединяются с помощью холодной или горячей (термитной) сварки и представляют после этого неразборный контакт.

В болтовом шинном соединении при КЗ токоведущий проводник нагревается до температуры 200—300 °С.

Стягивающие стальные болты нагреваются в основном за счет теплопроводности, так как ток через болты практически не проходит. Температура болтов обычно не превосходит 20 % температуры шин. Температурный коэффициент расширения у меди и алюминия значительно выше, чем у стали, поэтому шины, увеличиваясь по толщине больше, чем удлиняются болты, растягивают их. При этом деформация болтов может перейти за пределы упругости. Тогда после отключения цепи и остывания контакта из-за вытягивания болтов нажатие в контактах уменьшится, что приведет к увеличению сопротивления, сильному нагреву и последующему разрушению.

Для того чтобы избежать пластической деформации шин, ставятся соответствующие шайбы. Вследствие малой прочности алюминиевых шин может произойти пластическая их деформация, что приведет к порче контакта. Поэтому для стабильности алюминиевого контакта необходимо либо производить предварительный обжим, уплотнение шин, либо ставить под гайки пружинящие шайбы или специальные пружины, которые ограничивают деформации элементов контактов.

Подвижные размыкаемые контакты — основной элемент коммутационных аппаратов. В дополнение к общим требованиям для всех контактов они должны обладать дугостойкостью, способностью надежно включать и отключать цепь при коротком замыкании, а также выдерживать определенное число операций включения и отключения без механических повреждений. Такие соединения используются либо для передачи тока с подвижного контакта на неподвижный, либо при небольшом перемещении неподвижного контакта под действием подвижного.

Наиболее простым соединением такого типа является гибкая связь (рис.2). Неподвижный контакт 1 крепится к каркасу аппарата на изоляционной подкладке. Подвижный контакт 2 вращается относительно точки 0, расположенной на контактном рычаге 4. Этот рычаг изолирован от вала 5, на который действует электромагнит контактора. Гибкая связь 6 соединяет подвижный контакт 2 с выводом аппарата. Контактное нажатие создается пружиной 3. Для получения необходимой эластичности гибкая связь и зготовляется из медной ленты толщиной 0,1*10^-3 м и менее или из многожильного жгута, сплетенного из медных жил (0,1*10^-3 м и менее). При наличии резких перегибов гибкая связь быстро разрушается.

При больших ходах подвижных контактов длина гибкой связи получается значительной, а ее надежность уменьшается. Поэтому она применяется при перемещениях подвижного элемента не более 0,25 м.

Процессы, протекающие при работе электрических контактов, отличаются большой сложностью. На них влияют физико-химические свойства примененных материалов, окружающая среда, механические и электрические нагрузки. Поэтому к материалам, предназначенным для изготовления контактов, предъявляют следующие требования:

1. Высокая электропроводность и теплопроводность.

2. Стойкость против коррозии.

3. Стойкость против образования пленок с высоким r.

4. Малая твердость материала, для уменьшения силы нажатия.

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

6. Малая эрозия.

7. Высокая дугостойкость (температура плавления).

8. Высокое значение тока и напряжения, необходимые для дугообразования.

9. Простота обработки и низкая стоимость.

Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям. Контактные материалы в большинстве своем лишь частично удовлетворяют перечисленным требованиям. Например, некоторые материалы, обладая хорошей электро- и теплопроводностью, не имеют достаточной твердости и быстро окисляются.

При расчете и изготовлении электрических контактов выбирают материал, наиболее полно удовлетворяющий всем требованиям, предъявляемым к работе данной контактной пары.

Для электрических контактов используются:

Медь. Удовлетворяет почти всем перечисленным выше требованиям, за исключением коррозионной стойкости. Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при работе на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. В контактах на большие токи 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. В контактах, не имеющих взаимного скольжения, из-за пленки оксидов применение меди не рекомендуется.

Оксиды меди имеют низкую проводимость. Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях применяют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей.

В коммутирующих контактах медь применяется при нажатиях свыше 3Н для всех режимов работы, кроме продолжительного. Для продолжительного режима медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по борьбе с окислением рабочих поверхностей. Медь может использоваться и для дугогасительных контактов. При малых контактных нажатиях (Р < 3Н) применение медных контактов не рекомендуется.

твердая медь - для изготовления пластин коллекторов электрических машин, токоведущих деталей электрической аппаратуры, шин распределительных устройств, кабельных наконечников, токоведущих деталей электроустановочной арматуры, щеточных контактов, зажимных и присоединительных болтов и винтов;

мягкая медь — для изготовления проводов воздушных линий связи и линий сильного тока, жил кабелей и электрорадиомонтажа;

латунь для изготовления токоведущих деталей электроаппаратуры (винтов, губок рубильников, предохранителей) и электроустановочной арматуры, крепежных деталей электрической аппаратуры и наконечников;

бронза — для изготовления коллекторных пластин и токоведущих деталей электроустановочной арматуры;

алюминий — для изготовления проводов воздушных линий связи и жил кабелей, шин электрической аппаратуры. Алюминий по сравнению с медью обладает значительно меньшими проводимостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую оксидную пленку, что существенно ограничивает его применение. Положительные свойства: достаточно высокие электрическая 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: 1) образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением;

2) низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра);

3) малая механическая прочность;

4) из-за наличия в окружающем воздухе влаги и оксидов медный и алюминиевый контакты образуют своеобразный гальванический элемент. Под действием ЭДС этого элемента происходит электрохимическое разрушение контактов (электрохимическая коррозия). В связи с этим при 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. Может использоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью.

Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алюминия, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нарушится (не следует завышать контактное нажатие). Для коммутирующих контактов алюминий непригоден;

сталь — для изготовления проводов воздушных линий связи, гнезд, токоведущих частей специальной электротехнической аппаратуры;

серебро, а также другие благородные и редкие металлы—для разрывных контактов аппаратов, контакторов постоянного и переменного тока, контактов электромагнитных реле управления. Серебро очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Оксиды серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро используется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы. В контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей).

Серебро обычно применяется в виде накладок — вся деталь выполняется из меди или другого материала, на который приваривается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность. Контакт серебра устойчив благодаря малому напряжению на смятие. Для работы достаточны малые нажатия (применяется при нажатиях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и частых включениях и отключениях.

Применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. При больших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют оксидных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление. При большой твердости и высокой температуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью.

сплавы типа константан, нихром, фехраль, хромаль — для регулируемых сопротивлений;

электротехнический уголь и графит — для изготовления щеток электрических машин, угольных реостатов.

Вольфрам и сплавы из вольфрама. Положительные свойства: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с образованием пленок и их высокой механической прочностью вольфрамовые контакты требуют большого нажатия.

Вольфрам и сплавы вольфрам — молибден, вольфрам — платина, и другие применяются при малых токах для контактов с большой частотой размыкания. При средних и больших токах они используются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.

Металлокерамика — механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью.

Наиболее распространенными композициями металлокерамики являются: серебро — вольфрам, серебро — молибден, серебро - никель, серебро оксид кадмия, серебро — графит, серебро — графит — никель, медь — вольфрам, медь — молибден и др. Применяется металлокерамика для дугогасительных контактов (композиции с серебром в основном для переменного тока) на средние и большие отключаемые токи, а также для главных контактов на номинальные токи до 600 А.

Это далеко не полный перечень проводниковых материалов, применяемых для изготовления различных электрических контактов (постоянных, скользящих и разрывных).

При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для разборных, так и для коммутирующих контактов.

В разборных контактах слабым местом оказывается болтовое соединение. Болт, стягивающий детали, практически не проводит тока, и вследствие кратковременности процесса короткого замыкания можно считать, что температура болта не изменяется. Тепловое расширение токоведущих деталей вызовет дополнительное напряжение, которое, складываясь с напряжением затяжки болта, может привести к остаточным деформациям и ослаблению контактного соединения после его остывания. Поэтому болтовые контактные соединения должны проверяться на дополнительные механические напряжения, возникающие в болтовом соединении при коротком замыкании.

Для коммутирующих контактов характерны: а) момент замыкания; б) замкнутое положение; в) момент размыкания.

При коротких замыканиях возникает опасность сваривания контактов при нахождении их в замкнутом положении (при сквозном токе короткого замы­кания) и тем более в момент замыкания (включение на короткое замыкание).

При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного нажатия, вызываемого электродинамическими силами. Тепловая энергия, выделяемая в месте контакта и равная резко возрастает и может вызвать расплавление и сваривание контактов. На практике вследствие кратковременности коротких замыканий такое явление наблюдается редко. Сваривание замкнутых контактов происходит, как правило, за счет электродинамического отброса, когда электродинамические силы равны контактному нажатию или превосходят его. Возникающая при отбросе контактов дуга вызывает большое оплавление рабочих поверхностей и их сваривание при замыкании.

Для определения минимального тока, при котором происходит сваривание контактов, можно пользоваться следующей опытной формулой: (3)

где I — допускаемая амплитуда ударного тока, А; P — контактное нажатие, Н; K — коэффициент, зависящий от материала контактов и числа точек соприкосновения (приведен в табл.1).

Таблица 1

Тип контакта	Материал	К, А/Н0,5
Пакетно-пластинчатый Рычажный (ламельный) Несамоустанавливающийся Рычажный (ламельный) Самоустанавливающийся Розеточный (на один элемент розетки)	Медь — латунь Медь — медь Латунь— латунь Медь — латунь Медь — латунь Медь — медь	300—400 410 505 575 550 600

При включении на короткие замыкание вероятность сваривания контактов возрастает как за счет возможного дребезга, так и за счет меньшего нажатия (в момент соприкосновения контактное нажатие равно начальному P_н ).

При отключении токов короткого замыкания происходит сильное выгорание и оплавление контактов. Снижение износа дугогасительных контактов достигается применением дугостойких материалов и быстрым перемещением дуги по контактам.

Контакт электрический - это поверхность соприкосновения составных частей электрической

цепи, обладающая электрической проводимостью.

Электрические аппараты состоят из отдельных деталей, узлов электрически соединенных между

собой.

Классификация :

1. По возможному перемещению контактирующих деталей.

а)Разборный контакт (контактное соединение) - это конструктивный узел, предназначенный

только для проведения электрического тока, но не предназначенный для коммутации (болтовое соединение

“шин”, присоединение проводника к зажиму).

б)Коммутирующие контакты - это конструктивный узел, предназначенный для коммутации

электрической сети (выключатель, контактор рубильник).

в)Скользящие контакты - разновидность коммутирующего контакта, у которого одна деталь скользит

относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается (контакты реостата, щеточный

контакт, шарнирный контакт, проскальзывающий контакт).

2. По форме контактирования.

а)Точечный контакт (контакт в одной физической площадке: сфера-сфера, сфера-плос-конус, конус-

плоскость).

б)Линейный контакт - условное контактирование происходит по линии (ролик-плоскость).

в)Поверхностный контакт - условное контактирование по поверхности.

33. Специализированный прибор, который называется командоаппарат используется для электроприводов. В том числе для их дистанционного автоматического управления. Этот прибор может быть регулируемым с моментным отключением контактов. Так же такое оборудование применяется в случаях когда необходима особая надежность и точность управления.

Приборы рассчитаны на работу в цепях управления постоянного тока напряжением до 440 В и до 500 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц.

Прибор включает в себя барабан, контактную рейку и специальные плиты, которые защищенны надежной оболочкой. Центральный вал с набором переключающих шайб - это так называемый барабан. В нем находятся включающие и выключающие кулачки. На шайбе барабана находятся кулачки включающие и отключающие. Гостом разрешается монтаж до двух - трех отключающих и двух - трех включающих кулачков. Обязательное условие при использовании оборудования - скорость вращения вала обязательно должна быть уменьшена. Количество циклов ВО должно быть не больше 1800 в час.

Когда настраивается диаграмма замыканий контактов с нереверсивным приводом промежуток по хорде между вершинами включающего и отключающего кулачков должно быть около 20 мм (21°), между отключающими и включающими кулачками расстояние должно быть не менее 6 мм (6° 21'), при реверсивном приводе в обоих случаях 20 мм (21°).

Командоаппарат кулачковый

Командоаппарат представляет собой механическое устройство, периодически воздействующее на электрические чувствительные элементы, которые вырабатывают управляющие сигналы. Основной деталью такого устройства является вал или барабан, который получает движение от механизма станка или электродвигателя. В первом случае осуществляется управление в функции перемещения органов станка, а во втором — в функции времени.

Примером может служить регулируемый кулачковый командоаппарат серии КА21, принципиальная схема которого показана на рис. 1. В качестве коммутационных элементов в командоаппарате используют микровыключатели 5, закрепленные на изоляционной стойке 2 двумя винтами: 3 и 6. Винт 3 является регулировочным с его помощью можно изменять положение микровыключателя относительно толкателя с роликом 4.

Рис. 1. Регулируемый командоаппарат серии КА21. 

 

Рис. 2. Кулачковый командоаппарат серии КА4000.

Распределительным элементом командоаппарата служит вал 7 с кулачками 1, представляющими собой диски с двумя подвижными секторами. Меняя взаимное положение секторов и поворачивая кулачок относительно вала, можно изменять длительность включенного положения микровыключателя и момент срабатывания.

Командоаппарат размещают в герметизированном корпусе и в некоторых случаях снабжают редуктором, изменяющим длительность цикла управления. На валу командоаппарата устанавливают от 3 до 12 кулачков и соответствующее количество микровыключателей.

Командоаппараты серии КЛ21 рассчитаны на коммутацию цепей переменного тока 380 В, 4 А и постоянного тока 220 В, 2,5 А. Коммутационная износостойкость составляет 1,6 млн. циклов, механическая износостойкость достигает 10 млн. циклов.

Для программной коммутации цепей большой мощности используют командоаппараты серии КА4000 с моментным отключением контактов, конструкция которого показана на рис. 2. Вал 1 командоаппарата имеет квадратное сечение, что позволяет закреплять управляющие шайбы 2, состоящие из двух половин. Шайбы снабжены отверстиями для закрепления кулачков 3 и 14, которые устанавливаются по обе стороны шайбы. Корпус кулачка имеет удлиненный паз, что позволяет сдвигать его относительно крепежного отверстия. Вал с шайбами и кулачками образует распределительный барабан, определяющий программу работы командоаппарата.

Контактная система командоаппарата мостикового типа состоит из неподвижных контактов 5, установленных на изоляционной рейке 4, и подвижной контакт-детали 6, соединенной с рычагом 7. При вращении барабана включающий кулачок 14 набегает на контактный ролик 11 и поворачивает рычаг 7, замыкая контактную систему и сжимая возвратную пружину 10. Одновременно с этим защелка 13 отключающего рычага 9 под действием пружины 12 заходит за выступ рычага 7, фиксируя контактную систему в замкнутом положении, после того как кулачок 14 повернется и прекратит контактировать с роликом 11.

Отключение контактной системы осуществляется вторым кулачком 3, который набегает на ролик 8, поворачивает отключающий рычаг 9 и освобождает рычаг 7, который под действием возвратной пружины 10 мгновенно размыкает контакты командоаппарата. Эта позволяет коммутировать силовые токовые цепи при медленном вращении барабана.

При более сложных циклах работы на одной шайбе можно устанавливать до трех включающих и трех отключающих кулачков. Командоаппараты этой серии имеют встроенный цилиндрический или червячный редуктор с передаточным числом от 1:1 до 1:36; иногда их снабжают электроприводом. Число коммутируемых цепей от 2 до 6. При большем числе цепей в командоаппарате устанавливают два барабана. Максимальная частота вращения барабана до 60 об/мин. Электрическая износостойкость командоаппарата 0,2 млн, циклов, механическая износостойкость 0,25 млн. циклов.

В качестве командоаппарата часто используют шаговый искатель, устройство которого показано на рис. 3. Контактная система шагового искателя представляет собой набор неподвижных контактов (ламелей) 1, расположенных по окружности. По ламелям скользит подвижная щетка 2, которая закреплена на оси 3. Щетка подключается к внешней цепи с помощью подвижного токоподвода 10. Шаговое перемещение щетки осуществляется храповым механизмом, состоящим из храпового колеса 5, рабочей собачки 6 и фиксирующей собачки 9. Храповой механизм имеет электромагнитный привод 7. При подаче управляющего импульса в обмотку электромагнита якорь притягивается к сердечнику и поворачивает храповое колесо на один зуб. В результате щетка переходит с одной ламели на другую и производит переключение во внешней цепи.

Шаговый искатель имеет несколько рядов ламелей и щеток, укрепленных на одной оси. Это позволяет увеличить число коммутируемых цепей.

Рис. 3. Устройство шагового искателя.

Подвижные элементы шагового искателя могут перемещаться только в одном направлении. Поэтому возврат щетки в начальное положение возможен только после того, как она сделает полный оборот. Если число тактов в цикле работы командоаппарата меньше числа ламелей, то возможно ускоренное перемещение щетки в начальное положение. Для этого используют специальный ряд ламелей 4, в котором все ламели, кроме нулевой, электрически соединены между собой. Цепь возврата показана на рис. 3 штриховой линией. Она образуется ламелямп 4, катушкой электромагнита и его вспомогательными размыкающими контактами 8.

При каждом срабатывании электромагнита контакты 8 размыкаются и цепь возврата рвется. Контакты 8 опять замыкаются, и т. д. В результате собачка 6 получает импульсное движение с частотой, определяемой собственной частотой электромеханической системы, и щетка быстро перемещается по ламелям 4. Когда щетка дойдет до нулевой ламели, цепь возврата размыкается и движение щетки прекращается. Контакты шаговых искателей рассчитаны на небольшие токи (до 0,2 А). Для коммутации силовых цепей применяют шаговые искатели с тиристорными ключами.

Бесконтактные командоаппараты сконструированы на том же принципе, что и контактные. Командоаппарат имеет центральный вал с дисками, на которых укреплены управляющие элементы (кулачки, экраны, оптические заслонки и т. п.). По периферии дисков на неподвижном корпусе устанавливают чувствительные элементы командоаппарата. В качестве последних используют индуктивные, фотоэлектрические, емкостные и другие преобразователи. Так, например, на базе контактного командоаппарата КА21 (см. рис. 1) выпускается бесконтактный командоаппарат типа КА51.

Бесконтактная коммутация осуществляется генераторными путевыми выключателями, сходными по конструкции с выключателями типа БВК, которые устанавливают вместо микропереключателей 5. Управление этими выключателями производится алюминиевыми секторами, закрепленными на валу 7 вместо кулачков 1.

Рис. 4. Схема бесконтактного командоаппарата на базе сельсина

На рис. 4, а приведена схема бесконтактного командоаппарата, выполненного на базе сельсина. Обмотку статора сельсина Wc включают в сеть. Напряжение, возникающее на обмотках ротора, выпрямляется диодами V1 и V2, сглаживается конденсаторами С1 и С2 и через резисторы R1 и R2 подается на нагрузку. Поворот ротора сельсина изменяет ЭДС в его обмотках, что приводит к изменению выпрямленного напряжения. При повороте ротора в противоположном направлении выпрямленное напряжение меняет знак.

Такие командоаппараты применяют в системах автоматизированного электропривода, где необходимо подать три команды: пуск в прямом и обратном направлении и остановка. Для более четкой фиксации электропривода при остановке создают зону нечувствительности командоаппарата. Для этого используют нелинейность вольт-амперной характеристики диодов V3 и V4, которая возникает при малых токах. График изменения выходного напряжения командоаппарата в функции угла поворота ротора а приведен на рис. 4, б.

34. Контроллер – коммутационное устройство, осуществляющее пуск и регулирование скорости электродвигателя. Многоцепной электрический аппарат с ручным или ножным приводом для непосредственной коммутации силовых цепей электродвигателей. По конструкции они подразделяются на кулачковые, барабанные, плоские и магнитные.

Контроллер (англ. controller, буквально — управитель), электрический аппарат низкого напряжения, предназначенный для пуска, регулирования скорости, реверсирования и электрического торможения электродвигателей постоянного и переменного тока. Посредством К. изменяют электрическое сопротивление в цепи управления, схемы соединений силовых цепей и цепей возбуждения электродвигателей. Управление К. производится обычно вручную рукояткой или маховичком; для дистанционного управления применяют сервомоторы. Конструктивно К. представляют собой многоступенчатые плоские, барабанные или кулачковые контактные переключатели. Плоские К. применяют главным образом там, где требуется большое число ступеней переключения, — для пуска и регулирования электродвигателей мощностью до 30—40 квт. Барабанные К. чаще других применяют для непосредственного управления электродвигателями мощностью 45 квт постоянного и 75 квт переменного тока. При вращении барабана медные сегментные контакты соприкасаются с неподвижными, образуя различные схемы соединения в цепях управления электродвигателя. Для управления более мощными электродвигателями с большим числом включений (до 600 в час) более надёжными оказываются кулачковые К. с перекатывающимися контактами, которые по сравнению со скользящими имеют значительно большую износостойкость.

Контактором называется электрический аппарат с самовозвратом для многократного дистанционного включения и отключения силовой электрической нагрузки переменного и постоянного токов, а также редких отключений токов перегрузки. Ток перегрузки составляет 7-10-кратное значение по отношению к номинальному току.

Электромагнитные контакторы – двухпозиционные электрические аппарат дистанционного управления, предназначенные для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы. Замыкание контактов контактора может осуществляться электромагнитным или гидравлическим приводом.

. Наибольшее распространение получили электромагнитные контакторы.

В настоящее время частота коммутаций в схемах электропривода достигает 3600 в час. Этот режим работы является наиболее тяжелым. При каждом включении и отключении происходит износ контактов. Поэтому принимаются меры к сокращению длительности горения дуги при отключении и к устранению вибраций контактов.

Общие технические требования к контакторам и условия их работы регламентированы ГОСТ 11206–77.

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 включения-отключения 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 0,14 с, для контакторов с током 630 А оно увеличивается до 0,37 с.

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 представляет собой ток, который можно пропускать по замкнутым главным контактам в течение 8 ч без коммутаций, причем превышение температуры различных частей контактора не должно быть больше допустимого (прерывисто-продолжительный режим работы). Номинальный рабочий ток контактора – это допустимый ток через его замкнутые главные контакты в конкретных условиях применения. Так, например, номинальный рабочий ток контактора 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. 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.

Контакторы постоянного тока коммутируют цепь постоянного тока и имеют, как правило, электромагнит также постоянного тока.

Контакторы переменного тока коммутируют цепь переменного тока. Электромагнит этих контакторов может быть выполнен либо для работы на переменном токе, либо для работы на постоянном токе. Способность аппарата обеспечивать работу при большом числе операций характеризуется износоустойчивостью. Различают механическую и электрическую износоустойчивость.

Механическая износоустойчивость определяется числом включений-отключений контактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. К современным контакторам предъявляется очень высокое требование по механической износоустойчивости (10-20) · операций.

Электрическая износоустойчивость определяется числом включений и отключений, после которого требуется замена износившихся контактов. Современные контакторы должны иметь электрическую износоустойчивость порядка 2-3 млн. операций. Эти требования очень высоки (часть выпускаемых в настоящее время контакторов имеет электрическую износоустойчивость 10⁶ операций и менее). Наряду с высокой механической и электрической износоустойчивостью контакторы должны иметь малый вес и размеры. Зона выхлопа раскаленных газов дуги должна быть возможно малой, что позволяет сократить размеры всей установки в целом.

Контактор имеет следующие основные узлы: контактную систему, дугогасительную систему, электромагнитный механизм, систему блокконтактов.

При подаче напряжения на катушку электромагнита притягивается якорь. одвижный контакт, связанный с якорем, производит замыкание или размыкание главной цепи. Дугогасительная система обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Кроме главных контактов, контактор имеет несколько дополнительных слаботочных контактов (блок-контактов) для согласования работы контактора с другими аппаратами.

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. 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.1 провалом (вжимом) контакта называется расстояние, на которое переместится подвижный контакт, если убрать неподвижный контакт. В контактах рис.1 пленка окисла не стирается, поэтому медь нельзя использовать в этой конструкции.

На рис.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.

Рис.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 2000 А) применяется сдвоенная контактная система (рис.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.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.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.

Рис. 12.2. Зависимость раствора контактов от тока дуги

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.

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.

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 возможно возникновение стабильной дуги, которая горит в местах, где образовались эти проводящие мостики.

Рис. 3. Дугогасительная камера с прямой и зигзагообразной щелью

Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рис. 3,б). Благодаря увеличению длины дуги и хорошему тепловому контакту дуги со стенками камеры происходит ее эффективное гашение. По сравнению с обычной продольной щелью (рис. 3,а) зигзагообразная щель уменьшает количество выброшенных из

а б

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.

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.