9. Режимы работы контактов. Работа при замыкании цепи и в замкнутом состоянии.

Контакты работают в 3-х режимах:

замыкание;

работа в замкнутом состоянии;

размыкание.

Наиболее сложным и ответственным является режим замыкания контактов.

Замыкание контактов и работа в замкнутом состоянии

Переходное сопротивление контактов

R0 = Rc = Rпл,

где Rc – сопротивление стягивания; Rпл – сопротивление пленки.

Даже хорошо отполированные контактные поверхности соприкасаются в одной или нескольких выступающих контактных точках (площадках). Их диаметр измеряется микронами и в тысячи раз меньше общей площади соприкосновения контактов. Линии тока, проходящего через контакт, искривляются и стягиваются к этим площадкам, сопротивление которых называют сопротивлением стягивания:

Rc = ρ/(2аn),

где ρ – удельное сопротивление материала контактов; a, n – соответственно радиус и число контактных площадок.

По формуле Герца для контакта сфера – плоскость (см. рис. 3.4, б) радиус контактной площадки из серебра

где Рк – контактное нажатие; r – радиус сферы контакта; E – модуль упругости материала.

Таким образом, сопротивления стягивания зависит от материала и формы контактов, а также от силы их сжатия. С увеличением контактного нажатия возрастает число и площадь контактных площадок и уменьшается сопротивление R0.

Сопротивление R0 зависит от сопротивления тонких поверхностных пленок Rпл, которые образуются на контактах. Например, на поверхности серебра в атмосфере могут образоваться окись серебра Ag2O, азотнокислое серебро AgN3 и сульфидная пленка Ag2S. Толщина пленок мала и измеряется в ангстремах (10-8 см), а сопротивление примерно 0,5 - 1,5 Ом. При замыкании контакта пленки на контактных площадках часто разрушаются, а их сопротивление уменьшается под действием протекающего тока нагревания.

Если через контакт длительное время протекает ток (например, ток короткого замыкания), то температура контактных площадок, плотность тока на которых достигает значений 107 А/см2, может превысить температуру плавления материала. Количество выделенного тепла по закону Джоуля – Ленца определяется как Q = 0.24i2R . Перегрев контактов приводит к их свариванию. Поэтому для данного типа контактов технические требования устанавливают максимальный ток, при котором этого не происходит. Для контакта графит – серебро у реле I класса надежности такой ток 6 А (см. п. 3.1).

В момент замыкания контактов при малых расстояниях (примерно 10-5 см) из-за большого градиента напряжения возникает автоэлектронная эмиссия и между контактами загорается искра. Это разрушает контакты. Однако в следующий момент она гаснет, так как контактные поверхности соприкасаются. После первого соприкосновения (удара) контакты могут разойтись, и искра возникнет снова, что вызывает дребезг, который ведет к износу контактов.

10. Размыкание контактов

При размыкании контакта уменьшается площадь соприкосновения от S0 для нуля и увеличивается переходное сопротивление от R0 до . Пусть контакт коммутирует индуктивную нагрузку (реле) (рис. 3.5, а), где L,R – индуктивное и активное сопротивления обмотки реле.

Для момента размыкания цепи уравнение баланса напряжений:

или

где uк – напряжение на контакте.

При t = 0 (процесс размыкания еще не начался) i(t) = I0= E/R + R0 и uк(t) = E – I0R = I0R0 (рис. 3.5, б). При этом Ldi/dt = 0 , так как i = I0= const . С началом размыкания (t > 0) магнитная энергия, накопленная в индуктивности, поддерживает убывающий ток в цепи: Ldi/dt не равно 0 , Ldi/dt < 0 . В момент полного размыкания контакта t = T скорость убывания тока до нуля максимальна. Поэтому Ldi/dt = max , uк = max [выражение (3.2)], и на контакте возникает перенапряжение. Например, при замыкании цепи реле НМШ с напряжением питания E = 24 В на контакте возникает “скачок” напряжения с амплитудой 300 В и выше. Под действием перенапряжения на контакте может возникнуть дуга, которая приводит к интенсивному разрушению контактных поверхностей.

Рис. 3.5. Схема размыкания контакта и графики изменения напряжения и тока

Условия устойчивого наличия дуги задаются вольтамперной характеристикой uд(iд) (рис. 3.6.), которую для данного контакта строят экспериментально или рассчитывают. Например, точка А соответствует ситуации когда для горения дуги необходимы напряжение на контактах и ток дуги меньше uд1 и iд1, задаваемых координатами точки А. кривая uд(iд) асимптотически приближается к некоторым значения Umin и Imin, необходимым для поддержания стационарного дугового процесса. Эти значения зависят от материала контактов и среды. Например, для серебряных контактов в воздухе Umin = 12 B, , а для контактов из вольфрама в воздухе Umin = 15 – 17,5 B, .

Предположим, что имеется дуга. Тогда уравнение (3.1) имеет вид:

                                                                     

Прямая линия (см. рис. 3.6) соответствует функции E - iдR(tgα = R). Разность ординат прямой и кривой uд определяет напряжение Ldiд/dt , знак которого указан на рис. 3.6. Пусть в данный момент времени ток дуги равен iд1. Тогда ЭДС источника E расходуется на падение напряжения на резисторе iд1R и напряжение дуги uд1, но остается еще избыток напряжения Ldiд/dt > 0, поддерживающий горение дуги. Поскольку diд/dt > 0, ток дуги возрастает (дуга “разгорается”) и достигает значения iд2. При этом E = iд2R + uд2, Ldiд/dt = 0 и iд = const. Точка 2 соответствует режиму устойчивого горения дуги, когда значение тока колеблется около значения iд2. Пусть ток возрос до значения iд3. Тогда E < iд3R + uд3, Ldiд/dt < 0, и для горения дуги напряжение на контактах (отрезок BC) недостаточно. Ток дуги опять уменьшается до значения iд2.

Таким образом, условие гашения дуги состоит в том, чтобы вольтамперная характеристика дуги и нагрузочная прямая не пересекались, или в том, чтобы для всех значений тока выполнялось неравенство 3.4:

Условие (3.4) можно выполнить перемещением кривой uд(iд) вверх, для чего следует увеличить межконтактный промежуток, или перемещением прямой E - iдR вниз. Для этого следует уменьшить напряжение E, и прямая переместится вниз параллельно первоначальному положению, или увеличить сопротивление R и, следовательно, увеличить угол α.

По условию (3.4) выбирают режим работы контакта. Для этого строят предельную вольтамперную характеристику контакта (рис. 3.7).

11. Вольтамперная характеристика контакта (рис. 3.7)

К кривой uд(iд) проводят касательные в нескольких точках. Каждая касательная определяет предельный случай, когда дуга еще не загорается (прямая и кривая не пересекаются). Пересечение касательной с осями задают координаты точки на предельной вольтамперной характеристике 1, т.е. задают напряжение и ток в цепи, размыкаемой контактом, при которых еще происходит самопогасание дуги. Рабочую характеристику 2 выбирают с уменьшением этих предельных значений.

12. Методы гашения дуги искры. Герметизированные контакты.

Несмотря на то, что размыкаемая мощность для данного контакта определяется по вольтамперной характеристике, при размыкании в результате пробоя межконтактного промежутка возникает искровой разряд. Он характеризуется очень малой длительностью (10-4 – 10-8 с), высокой плотностью тока (106 – 109 А/см2) и высокой температурой в канале разряда (104 – 105 °С). Локальный перегрев поверхности у концов разрядного канала приводит к эрозии контакта. Для увеличения срока службы контактов применяют искрогасящие схемы, магнитное дутье и специальные конструкции контактов.

Схемы искрогашения (рис. 3.8) снижают перенапряжение, возникающее на контакте в момент размыкания цепи реле. Искровой разряд возникает при напряжении 270-300 В, поэтому обычно достаточно снизить перенапряжение до 200 В. В схемах (рис 3.8, а-г) искрогасящие контуры включены параллельно контакту. Эффект искрогашения объясняется тем, что в момент размыкания контакта благодаря ЭДС самоиндукции в обмотке реле возникает экстраток размыкания iэ, который протекает по искрогасящему контуру (см. рис. 3.8, а). Поэтому в момент t = T ток убывает более плавно, и уменьшаются производная di/dt и амплитуда перенапряжения (штриховые линии на рис. 3.5, б). Энергия, накопленная в индуктивности реле, расходуется на экстраток размыкания, а не на электрический пробой межконтактного промежутка.

Рис. 3.8. Схемы искрогашения

В схеме (см. рис. 3.8, а) эффект искрогашения тем больше, чем меньше сопротивление резистора R. Недостаток схемы – расход энергии при выключенном контакте. В схеме (см. рис. 3.8, б) эффект искрогашения тем больше, чем больше емкость конденсатора C. При замыкании контакта конденсатор разряжается через контакт, чем ухудшаются условия работы контакта на замыкание. Недостатки предыдущих двух схем отсутствуют в схеме (см. рис. 3.8, в). Эффективным и экономичным является применение нелинейного резистора – варистора (см. рис. 3.8, г), сопротивление которого резко уменьшается при перенапряжении.

В схемах (рис. 3.8, д-к) искрогасящие контуры включены параллельно обмотке реле. Эффект искрогашения аналогичен, но исзменяется путь для экстратока размыкания (см. рис. 3.8, д). Недостатком этой схемы является уменьшение общего сопротивления нагрузки. В схеме (см. рис. 3.8, е) при размыкании контакта конденсатор разряжается через обмотку реле. Недостаток схемы – большой зарядный ток конденсатора при замыкании контакта. Это ухудшает условия работы контакта на замыкание и питающей батареи. Схема (см. рис. 3.8, ж) устраняет эти недостатки. Широко используют схему (см. рис. 3.8, к), в которой диод выполняет функции варистора. При замыкании контакта он включен в обратном направлении и не влияет на процесс срабатывания реле, а при размыкании контакта он включен в проводящем направлении для экстратока размыкания. Эти схемы влияют также на временные параметры реле.       

Рис. 3.9. Контакт с магнитным дутьем

Искрогашение с помощью магнитного дутья основано на принципиально другом подходе. Здесь воздействуют непосредственно на дугу и искру. Усиленный металлокерамический контакт с магнитным дутьем реле НМПШ-1000 (рис. 3.9) коммутирует пусковые цепи стрелочного электродвигателя большой мощности: постоянного тока 8 А при напряжении 220 В или переменного тока 12 А при напряжении 220 В. В пространстве между контактами 1 и 3 укреплен постоянный магнит 2. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно траектории ионизированных частиц дуги. В результате чего на дугу, как на проводник с током, в магнитном поле, действует механическая сила; она “размывается” (гасится). Чем сильнее магнитное поле, тем больше эффект искрогашения. В данном случае постоянный магнит обеспечивает магнитный поток не менее 2·10-5 Вб.

Возможно также достичь эффекта искрогашения, помещая контакт в герметичный баллон с вакуумом или инертным газом. Этим исключается возможность появления искровых и дуговых разрядов. Срок службы у герметизированных контактов (герконов) может доходить до 108 – 109 замыканий, т.е. на два-три порядка больше, чем у обычных контактов. Специальные конструкции герконов обеспечивают коммутацию цепей с токами в сотки ампер и мощностью в десятки киловатт.

Герметизированные контакты

В устройствах автоматики и связи широко применяю герконовые (язычковые) реле. Они состоят из катушки 3, внутри который расположен герметизированный магнитоуправляемый контакт (рис. 3.10). Этот контакт представляет собой два электрода (пружины) 2 и 4 из магнитомягкого ферромагнитного материала (обычно пермаллоя), которые впаяны в стеклянный баллон 1 с инертным газом или вакуумом (133,322·10-3 – 133,322·10-6 Па). Под действием магнитного поля катушки с током электроды притягиваются друг к другу и замыкают управляемую цепь. Их конца, выполняющие функцию электрического контакта, покрывают золотом, палладием или родием. При отключении обмотки контакт размыкается упругостью пружин.

Достоинством магнитоуправляемого контакта является быстродействие (0,3 – 5 мс), большой срок службы (до 108 преключений), стабильность электрических параметров, малые размеры. Недостатками – ограниченность числа контактов в одном баллоне, дребезг контактов, подверженность влиянию внешних магнитных полей. На базе магнитоуправляемого контакта выпускают малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные реле РЭС. Если рядом с баллоном расположить постоянный магнит, то получают поляризованный магнитоуправляемый контакт, а при изготовлении электродов из магнитотвердого материала – герметизированный запоминающий контакт (гезакон). В последнем случае после выключения обмотки контакт остается замкнутым под действием остаточного магнитного потока и размыкается после подачи в обмотку тока обратного направления.

Для коммутации мощных рабочих цепей электродвигателей используют герметизированные силовые контакты (герсиконы). Контакты 6 и 7 (рис. 3.11) размещены в герметичном керамическом корпусе 5, заполненном защитным газом. Магнитная система содержит обмотку 2, сердечник 3, полюсы 1, 4 и якорь из контактно 8 и ферромагнитных 9 пластин. Упругая деформация контактной пластины 8 обеспечивает возврат якоря в исходное положение после отключения электромагнита. Контакты герсикона (серия КМГ12) изготовляют из вольфрама с высоким коммутационным ресурсом (до 107 переключений при размыкании цепей мощностью 1,1 кВт) и способны коммутировать цепи с максимальным током 180 А и с максимальной мощностью 68 кВт.

Повышенный срок службы (до 1010 переключений) и бездребезговую коммутацию обеспечивает применение жидкометаллических магнитоуправляемых герметизированных контактов (контактронов). Контактрон (рис. 3.12) отличается от обычного “сухого” геркона тем, что в баллоне, заполненном инертным газом, находится определенное количество ртути Р. Под действием управляющего магнитного поля подвижный общий О контакт перемещается, размыкая тыловой Т и замыкая фронтовой Ф контакты. Ртуть под действием сил поверхностного натяжения по специальному капилляру (“канавке”) поднимается вверх и образует на контактах тонкую пленку. Это обеспечивает высокую стабильность переходного сопротивления контактов, отсутствие дребезга и сваривания. На базе контактрона построено реле ИВГ (рис. 3.13), применяемое в устройствах железнодорожной автоматики.