1. Контактные коммутационные аппараты и устройства

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Эта группа аппаратов и устройств электроавтоматики предназначены для коммутации силовых цепей и цепей управления посредством замыкания токопроводящих контактов. При размыкании цепи в межконтактном промежутке восстанавливается требуемая его электрическая прочность (электрическая прочность межконтактного промежутка - эта величина напряжения, вызывающая его пробой после размыкания, единица измерения - вольт). Различают две группы контактных коммутационных АУ: автоматические и ручного управления. К автоматическим относятся: контакторы, всевозможные реле управления, в том числе герконы, шаговые искатели и другие. В аппаратуре ручного управления коммутация осуществляется непосредственно воздействием усилия оператора на контакты, это рубильники, тумблеры, различные выключатели и переключатели.

Характерным представителем группы контактных коммутационных АУ является контактор. Конструктивная схема контактора приведена на рис. 1.1, где обозначено: 1 - дугогасительная камера; 2 - электрическая дуга; 3 - главные контакты; 4 - катушка системы магнитного дутья; 5 - изоляционная пластина; 6 - пружина возврата; 7 - блок-контакты; 8 - катушка электромагнита; 9 - якорь электромагнита. Внешняя цепь: 10 - источник силового питания Е_с; 11 - сопротивление нагрузки; 12 - кнопка “Стоп”; 13 - кнопка “Пуск”; 14 - источник питания Е_у цепи управления.

В конструкции выделяют следующие основные функциональные конструктивные узлы: главные контакты 3; система магнитного дутья 4; дугогасительная камера 1; электромагнит (8,9); пружина возврата 6.

Рис. 1.1

Для срабатывания контактора на обмотку электромагнита при нажатии кнопки “Пуск” подается напряжение. В 0 катушке создается магнитный поток, который притягивает якорь к ее сердечнику. Он перемещается и перемещает (замыкает) главные контакты. Одновременно с этим взводится пружина возврата 6. Для размыкания снимается питание с катушки электромагнита за счет размыкания цепи управления кнопкой “Стоп”. Катушка электромагнита обесточивается. Якорь 9 под действием пружины возврата 6 поворачивается в исходное положение, вызывая размыкание контактов.

Для эффективного гашения дуги (при коммутации мощности больше 0,5 кВт) используется система магнитного дутья и дугогасительная камера. В результате броска тока в силовой цепи при размыкании в катушке 4 создается магнитный поток, который взаимодействует с дугой, представляющей проводник с током, перемещает (заталкивает) ее в дугогасительную камеру. Дуга растягивается дугогасительной решеткой, увеличивается ее сопротивление, и она гаснет, так как нет притока энергии для поддержания ее горения.

1.2. Термическая стойкость

Нежелательными явлениями в АУ являются нагрев главных контактов и катушки электромагнита под действием протекающего тока и возникновение дуги при размыкании. Рассмотрим нагрев проводников.

Выделяемая в проводнике с током энергия расходуется на излучение, конвекцию, нагрев проводника и теплоотдачу во внешнюю среду.

На излучение и конвекцию приходится незначительная часть выделяемой энергии, поэтому при расчетах она не учитывается. Рассмотрим соотношение выделяемой и отводимой энергии в проводнике с током I и сопротивлением R, диаметром d и длиной l:

, ,

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/м² );

- перегрев; и - соответственно температура нагрева проводника и окружающей среды , ;

- боковая поверхность охлаждения, м².

Перейдем к плотности тока J и выразим R через параметры проводника

, , , [Омсм].

В результате подстановки получим

. (1.1)

Мощность, отводимая с боковой поверхности проводника, будет:

. (1.2)

Как следует из выражений (1.1) и (1.2) выделяемая мощность растет пропорционально квадрату диаметра, а отводимая - пропорционально диаметру.

Чтобы не превышать температуру нагрева, необходимо снизить величину плотности тока J , т.е. в меньшей степени нагружать проводник тока. Взаимосвязь между J и d определяется из равенства

; .

Обычные токоведущие части - это сплошные медные или латунные проводники с сечением двух видов : прямоугольное и круглое.

Однако, как следует из формул (1.1), (1.2), при увеличении протекающего тока становится нецелесообразным применять сплошные токоведущие части, так как это приводит к снижению плотности тока и излишнему расходу меди. В этом случае применяют составные или разрезные проводники (рис.1.2), у которых при той же площади боковая поверхность охлаждения больше.

Расчет проводников токоведущих частей АУ ( как системы контактов, так и катушек тяговых электромагнитов) состоит в определении параметров проводника. Для заданных I и при выбранном его материале (, ) и режиме работы требуется определить d.

Рассмотрим нагрев токоведущих частей проводников в длительном режиме при следующих допущениях:

а) температура проводника одинакова во всех точках;

б) отвод тепла с торцов проводника не учитывается;

в) не учитываем энергию, идущую на излучение и конвекцию.

Общее уравнение нагрева токоведущих частей проводника с проходящим по нему током I имеет вид

dt , (1.3)

где- время; - перегрев;с [Дж/кг] - удельная теплоемкость среды материала проводника; - [кг/м³] - плотность проводника; V - объем;

S - боковая поверхность охлаждения.

Выделяемая энергия -; энергия, идущая на нагрев проводника-

cVd ;энергия, отводимая во внешнюю среду, -.

Выразим V, S через параметры проводника

, , ,

где p - периметр; l - длина; S - сечение ; -удельное сопротивление . Тогда выражение (1.3) можно записать

.

Разделим обе части этого уравнения на Sldt , тогда

.

Разделим на и приведем его к виду

. (1.4)

Уравнение (1.4) - дифференциальное уравнение 1-ого порядка, решением которого будет

(1.5)

или

,

где , .

Постоянная интегрирования определяется из выражения (1.5) при , , при этом

.

Тогда уравнение (1.5) запишется

. (1.6)

Решение уравнения (1.6) представляет экспоненту. Если в начальный момент , то и уравнение (1.6) принимает вид

.

Отметим, что , т.е. температура нагрева проводника с током определяется

, а при = 0 .

Следует иметь в виду, чтокорректируется с учетом температуры и рода тока, а именно:

а) для :;

б) для : ,

где: =1,1 - 1,3 - коэффициент поверхностного эффекта;

=1,05 - 1,1 - коэффициент близости.

Если заданы и размеры проводника, то

и допустимый ток определяется

. (1.7)

Если задан ток нагрузки, то размеры проводника определяются из (1.7)

по соотношению

.

Для круглого проводника диаметром :; /4, тогда

.

Для проводника с прямоугольным сечением и со сторонами ивводят параметр, тогда

или;

;

.

При другом характере тока нагрузки определяется его эквивалентное значение , по которому в соответствии с выражением (1.7) определяются параметры проводника. В повторно-кратковременном режиме

,

где - ток в проводнике; , - соответственно время протекания тока и паузы.

Для кратковременного режима

.