Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
Вал СД
Вал ЭКГ
D
В
α
Рисунок 3.26 – Кинематическая схема одноцевочного
мальтийского механизма
А
С
Полное передаточное отношение многоступенчатого редуктора с
мальтийскими механизмами составит
µ = π
где µ
, µПj – передаточные отношения соответственно i-го количест-
Зi
2
µЗi µПj, (3.11)
ва зубчатых передач и j-го количества механизмов прерывистого вращения.
В качестве серводвигателя в многопозиционных электродвига-
тельных переключателях преимущественно применяют низковольтные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением
и непосредственным управлением от контроллера машиниста. На
рисунке 3.27 показана схема включения серводвигателя с помощью
потенциометра [3]. При замыкании контакта К1 двигатель работает
в тяговом режиме (ток IД), а контакта К2 – в тормозном (ток I2), используемом для остановки двигателя.
Тормозной момент можно увеличить, если присоединить обмот-
ку возбуждения ОВ параллельно якорю СД, как это показано штриховыми линиями на рисунке 3.27. При размыкании контактов К1
и К2 ЭДС самоиндукции обмотки ОВ поддерживает в контуре ОВ –
СД тормозной ток I
и усиливает тормозной эффект.
Т
Для получения дополнительного тормозного момента часто ис-
пользуют фрикционный дисковый тормоз, расположенный на валу
СД и управляемый катушкой управления КУ, включенной последо-
71
вательно в цепь резистора r1 (см. рисунок 3.27). В режиме пуска, когда через катушку проходит ток, дисковый тормоз отпущен. В начале
торможения двигателя СД после размыкания контакта К1 ток в катушке управления прекращается и пружина сжимает диск, в результате чего возникает тормозной момент.
U
упр
К2
КУ
К1
I
2
r
1
I
1
I
д
r
2
СД
I
т
OВ
I
т
Рисунок 3.27 – Система управления сервомотором
Номинальные момент МН, Н · м и мощность РН, Вт определяют
исходя из коэффициента запаса по моменту (2,6…3,0), который должен реализовывать привод в случае сваривания контактов [1]:
М
Р
где М
– момент сопротивления движению при наибольшем числе
С
= (2,6…3,0) МС, (3.12)
Н
≈ 1,04 МН nКН, (3.13)
Н
переключения контакторных элементов;
nКН – номинальная частота вращения вала сервомотора.
Частоту вращения вала серводвигателя определяют по следую-
щим выражениям:
– при пуске
72
n
=
К
U IR L
−−
C
Φ
di
dt
; (3.14)
– при динамическом торможении
di
IR L
n+=
К
dt
C
, (3.15)
Φ
где U – напряжение цепей управления;
I – ток, протекающий в цепи якоря;
R, L – соответственно активное сопротивление и индуктивность
цепи якоря;
СФ – величина, пропорциональная магнитному потоку.
Работу электродвигательного привода рассмотрим на примере
группового переключателя ЭКГ-8 [5], применяемого на электровозах ВЛ80Т, ВЛ80С (рисунок 3.28).
6 7 8 9
Редуктор
5
4
1:4,5
3
25:1
2
1
Рисунок 3.28 – Кинематическая схема главного контроллера ЭКГ-8:
1 – серводвигатель; 2 – промежуточная шестерня; 3 – пружина;
4 – предохранительная муфта; 5 – вал блок-контактов; 6,8,19 – валы;
7, 15 – шестипазовый мальтийский крест; 9 – одноцевочный поводок;
10 – вал контакторов с дугогошением; 11,13 – валы контакторов без
дугогашения; 12 – промежуточный редуктор; 14 – механический упор;
16 – второй вал блок-контактов; 17 – сельсин-датчик; 18 – двухцевочный
поводок; 20 – колесо; 21 – червячное колесо; 22 – ручка ручного привода;
1:10
1:25
23 22 21 20 19 18 17 16 15 18 7 9 15
23 – шестерня
1:2
3:10
1:1 1:2
1:2
1413121110
В системе привода использован серводвигатель, вал которого свя-
зан с валом червячного колеса через шестерню, промежуточную шестерню, укрепленную на валу ручного привода и предохранительную
муфту. Муфта с калеными боковыми поверхностями через два фланца
со шпонками передает вращение валу благодаря силам трения.
73
Изменяя натяжение пружины, можно регулировать момент срабатывания муфты. От вала через червячное колесо передается вращение
на вал, на котором находится двухцевочный поводок. Цевка (палец)
поводка, входя в паз шестипазового мальтийского креста, поворачивает его. Каждому повороту червячного колеса и поводка на 180°
соответствует поворот вала на 60°. На валу расположен одноцевочный поводок, связанный с шестипазовым мальтийским крестом. От
вала через зубчатую передачу приводится во вращение кулачковый
вал контакторов с дугогашением. Передача вращения от вала к валу
осуществляется через промежуточный редуктор.
74
4 Основы теории электрической дуги отключения
и устройств дугогашения
4.1 Дугообразование и дугогашение в контактных системах
При размыкании контактов коммутирующего аппарата под то-
ковой нагрузкой, а также при разрыве электрической цепи плавким
предохранителем, разрядником между контактами (электродами)
возникает электрический разряд, представляющий собой направленный поток заряженных частиц, перемещающихся под воздействием электрического поля. Необходимым условием его существования является ионизация межконтактного промежутка.
Под ионизацией принято понимать преобразование электрически
нейтральных частиц (атомы, молекулы) во взаимно противоположно заряженные ионы. В воздушной (в общем случае – газовой) среде ионизация реализуется путем отрыва от частицы одного или нескольких внешних электронов. При этом образуется положительно
заряженный ион, а оторванные электроны могут продолжать движение среди частиц газа в качестве свободных электронов либо присоединиться к нейтральной частице в качестве добавочных элементов,
образуя отрицательно заряженный ион. Ионизация сопровождается
затратой энергии, подводимой к месту эмиссии заряженных частиц
за счет нагрева, поглощения рентгеновских, ультрафиолетовых лучей, радиоактивного и космического излучения.
Мерой интенсивности процесса ионизации может служить сте-
пень электропроводимости межконтактного промежутка.
Развитие электрического разряда во времени проходит последо-
вательно характерные стадии, отличающиеся между собой механизмом ионизации.
Первая стадия. Термоэлектронная эмиссия возникает в зоне раз-
мыкающихся контактов, между которыми образуется расплавленный
мостик металла под воздействием высокой концентрации тепловой
энергии от протекающего по коммутируемой цепи тока и возрастающего значения величины переходного электрического сопротивления R
тного нажатия.
контакт-деталей в ходе падения до нуля величины контак-
П
75
Выделяемая тепловая энергия может быть оценена известным ко-
КП
SI≈⋅
личественным соотношением, кал:
2
,Q I Rt= ⋅⋅ ⋅
где I
– ток, протекающий через контакты;
К
0 24
, (4.1)
RП – переходное сопротивление контакт-деталей;
t – время размыкания контактов.
Переходное сопротивление RП зависит от величины контактного
нажатия в соответствии с эмпирической формулой (2.1).
Интенсивность эмиссии заряженных частиц возрастает с увели-
чением температуры электродов. Излучаемые с поверхности катода
электроны под воздействием внешнего электрического поля образуют поток свободных электронов, перемещающихся по направлению к аноду.
Источником эмиссии электронов становятся катодные пятна на
поверхности рабочего участка контакта-катода. Это наиболее нагретые места контакта, количество и площадь которых являются случайными величинами в силу неравномерности распределения тока по
площади рабочей поверхности контакта из-за наличия неизбежных
шероховатостей взаимно соприкасающихся участков.
Ориентировочно площадь каждого пятна SКП можно определить
по эмпирической зависимости
3
2
,
КП
0 02
, (4.2)
где I – величина тока электрического разряда.
пловой энергии в зоне контакта в процессе размыкания контакт-деталей.
условлена соударением нейтральной частицы и свободного электрона, получающего ускорение под воздействием напряженности электростатического поля. Условием ударной ионизации служит такая
скорость движения электрона, при которой его кинетическая энергия
превышает энергию ионизации атома. Часто это условие выражают
через потенциал ионизации, величина которого находится в пределах 7…8 В для паров меди и железа, до 14,5 В для азота и 25 В для гелия. Образующиеся в результате новые, так называемые вторичные
электроны, воспринимая при соударении импульс энергии, начинают движение к аноду, расщепляя в свою очередь новые нейтральные
76
Данный этап ионизации характерен возрастанием выделения те-
Вторая стадия. Ударная ионизация, или ионизация толчком, об-
частицы. Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер
типа цепной реакции. Чем выше порог ионизации газа, тем труднее
условие поддержания в нем электрического разряда. С увеличением
в межконтактном промежутке примесей паров металлов эффективный потенциал ионизации соответственно понижается, а его электрическая проводимость возрастает. Работа электрического поля по
перемещению электрона массой m и зарядом e равняется приращению кинетической энергии, затраченной при этом:
2
Ue m=
v
(4.3)
,
2
и
Ue
vm=
2
(4.4)
.
Третья стадия. Термическая ионизация происходит в результа-
те столкновения нейтральных частиц, движущихся с достаточными
для ионизации скоростями, причем необходимая скорость движения
частиц достигается за счет нагрева газа в межконтактном промежутке. На этом этапе электрический разряд в газовой среде приобретает
форму дугового с присущей ему высокой температурой столба дуги,
а термическая ионизация становится преобладающим видом ионизации в условиях реальной эксплуатации тяговых электроаппаратов.
Степень ионизации x определяется как отношение количества ио-
низированных частиц N
к их общему количеству NO в единице объ-
И
ема газовой среды
N
и
xN=
(4.5)
o
и существенно возрастает с увеличением температуры газа.
Так, для частиц водорода и азота близкая к единице величина x до-
стигается при температуре 22…24 тыс. °С, для паров серебра и меди –
при 14 … 18 тыс. °С. Степень ионизации при функционировании
дугогасительных устройств тяговой электроаппаратуры находится
в пределах x = 0,4…0,5.
Известны и другие виды ионизации. Так, автоэлектронная (элек-
тростатическая) эмиссия представляет собой выход электрона с поверхности металла за счет сил электрического поля, при наличии
которых электрон будет в состоянии преодолеть потенциальный
77
барьер и выйти за пределы поля кристаллической решетки. Заметная плотность тока при этом может быть обеспечена при напряженности электрического поля у поверхности металла 1 … 100 млн В/см.
Процесс ионизации в газоразрядных системах диалектически
сочетается с одновременно происходящим и противоположно направленным процессом деионизации, состоящем в уменьшении
количества заряженных частиц в газоразрядном столбе. Основные
физические причины деионизации заключаются в возникновении
диффузии и рекомбинации заряженных частиц.
Диффузия носителей электричества из газоразрядного столба проис-
ходит под влиянием разности их концентрации в столбе и вне его, а также разницы в температуре нагрева внутренних и внешних слоев столба
и в величине давления газа в центре столба и вне его. В результате происходит выталкивание частиц в зону меньших значений температур,
давлений, концентраций. Интенсивность диффузии возрастает при охлаждении зоны разряда и увеличении разности концентраций частиц.
Рекомбинация электрически противоположно заряженных ча-
стиц состоит в нейтрализации их зарядов в результате взаимодействия частиц в межконтактном промежутке и создания нейтральных
атомов. Выделяющаяся при этом энергия обычно изучается в виде
квантов света.
Скорость рекомбинации пропорциональна количеству ионов
в единице объема газа.
При наличии внешнего электрического поля ионизированный
газ приобретает свойства газоразрядной плазмы. Отметим в их числе
свойство квазинейтральности, т.е. динамического равенства концентраций разнополярных носителей электричества в условиях их непрерывного возникновения и исчезновения. Газоразрядная плазма
обладает диамагнитными свойствами и является проводником электрического тока. Для установившегося режима существования электрического разряда характерно термическое и ионизационное равновесие. Различают плазму высокотемпературную, или изотермическую,
с температурой, превышающей 34,7 тыс. °С, и низкотемпературную
или газоразрядную, с температурой ниже 34 тыс. °С.
В газоразрядном столбе непрерывно идут взаимосвязанные про-
цессы образования новых ионизированных частиц и их исчезновения за счет рекомбинации и диффузии в окружающее пространство.
С учетом наиболее существенных видов ионизации и деионизации
уравнение баланса носителей электрических зарядов, может быть
представлено в виде
78
TДР
,
dn dn dn dn
dt dt dt dt
=−−
dn
dt
<
0
1/(м3с) (4.6)
где n – число пар ионов в единице объема;
dn
– скорость образования ионов за счет термической ио-
dt
T
низации;
dn
– скорость исчезновения ионов за счет диффузии;
dt
Д
dn
– скорость исчезновения ионов за счет рекомбинации.
dt
Р
Погасание разряда обеспечивается при соблюдении неравенст-
ва
, т. е. когда скорость деионизации превышает скорость
ионизации.
Между двумя крайними состояниями: металлического проводни-
ка при замкнутых контактах и диэлектрика при разомкнутых контактах – межконтактный промежуток проходит несколько промежуточных стадий электрического разряда в газовой среде.
Наглядное представление о параметрах разряда может дать воль-
тамперная характеристика U(i), форма которой изображена в упрощенном виде на рисунке 4.1.
U, B
300
1
200
-3
10
10-1
2
3
1
3
10
I, А
Рисунок 4.1 – Вольтамперная характеристика электрического разряда
79
Наиболее практически значимы участки характеристики:
– между точками 1 и 2 – стадия тлеющего разряда с плотностью
тока порядка 10-6 А/см2, падением напряжения в газоразрядном столбе 200…300 В;
– между точками 2 и 3 – стадия неустойчивого состояния раз-
ряда, в котором разряд может существовать лишь кратковременно;
– правее точки 3 – стадия дугового разряда с плотностью тока
свыше 10 · 103 А/см2, падением напряжения в дуге ΔUд = 10...20 В.
Рассмотрим условия образования дугового разряда между рас-
ходящимися контактами коммутационного аппарата. Образование
эмиссии электронов и необходимый нагрев рабочих поверхностей
контакт-деталей возможен при токах I
= 0,25...1,70 A. Ускорение
min
заряженных частиц может быть обеспечено при приложенном к контактам напряжении питающей сети величиной U
= 12...21 B, что
min
создает необходимую и достаточную для поддержания дугового разряда напряженность электрического поля в межконтактном промежутке при наличии значительной его проводимости.
Одной из наиболее важных характеристик коммутационного ап-
парата является электрическая прочность, присущая его межконтактному промежутку. При расхождении контактов в процессе отключения она нарастает до величины пробивного напряжения,
определяется в основном уровнем электрического сопротивления
межконтактного промежутка и противостоит восстанавливающемуся напряжению, нарастающему на контактах до установившегося напряжения источника питания.
Восстановление диэлектрических свойств межконтактного про-
межутка требует определенного времени для рассеяния ранее нагретых ионизированных газов остаточного газоразрядного столба.
Диэлектрические свойства межконтактного промежутка можно
считать восстановленными, если его электрическая прочность будет превосходить приложенное к нему напряжение.
4.2 Основные параметры и характеристики электрической дуги
отключения
Электрическая дуга, возникающая между расходящимися кон-
тактами под токовой нагрузкой, является разновидностью электрического разряда в газовой среде.
Одним из наиболее приемлемых определений электрической дуги
можно считать такое: «Электрическая дуга – процесс прохождения
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]