Электрические контакты

Электрические контакты – наиболее ответственные элементы выключателей, кнопок и многих других электрических аппаратов. От работы контактов зависят срок службы и надежность электрического аппарата.

В месте электрических контактов соприкасаются два проводника и возникает переходное сопротивление R_k, которое зависит от:

- размеров,

- материала контактов,

- шероховатости поверхности.

Соприкосновение контактов происходит не по всей поверхности, а по вершинам микронеровностей, которые всегда имеются на поверхности деталей.

Если контакты сильно сжать, то микронеровности сминаются, площадь контакта увеличивается и переходное сопротивление уменьшается.

Обычное переходное сопротивление в новых контактах не должно превышать 0,01...0,02 Ом.

Многие материалы (медь и др.) на воздухе покрываются слоем окиси, которая плохо проводит электрический ток. Контакты, покрытые слоем окиси, могут быть замкнуты, но переходное сопротивление контактной пары будет столь велико, что цепь тока практически окажется разомкнутой.

При нагреве контактов током тепловая мощность, выделяемая в контактной паре, определяется формулой

(5.1)

где I – сила постоянного тока или действующее значение переменного тока, А.

Из (5.1) видно, что чем больше переходное сопротивление, тем больше нагреваются контакты. В критическом случае нагрев бывает так велик, так что может произойти сваривание контактов.

Таким образом, необходимо, чтобы переходное сопротивление контактов было по возможности малым. Для этого подбирают материал, форму контактов и сжимают контакты специальной пружиной.

Наиболее тяжелый режим – размыкание контактов, т.к. при этом между ними возникает электрическая дуга. Дуга продолжает замыкать цепь тока, и оборудование не отключается от сети, что может привести к аварии.

Кроме того, под действием электрической дуги контакты «обгорают» и быстро выходят из строя. Интенсивность дуги и время ее горения зависят от электромагнитной энергии, запасенной в индуктивных элементах электрической цепи. Электрическая дуга между контактами существует до тех пор, пока вся электромагнитная энергия перейдет в тепло.

Чтобы уменьшить дугу, в электрической цепи включают дополнительный резистор. Тогда часть электромагнитной энергии переходит в тепло в этом резисторе и дуга гаснет быстрее. Кроме того, увеличивают расстояние между контактами, а в мощных аппаратах применяют специальные меры дугогашения.

Особенно опасна электрическая дуга в цепях постоянного тока. В цепях синусоидального тока дуга часто гаснет, когда сила тока проходит через ноль. Однако при определенных условиях дуга может вновь загореться в следующий полупериод.

Лучшими проводящими материалами являются серебро, медь, алюминий. Первые два материала применяют и для электрических контактов. Алюминиевые контакты не применяют, т.к. плотная пленка окиси алюминия плохо проводит ток. Наиболее распространенным материалом электрических контактов является медь.

Серебряные контакты применяют в маломощных устройствах. Кроме того, в небольших и ответственных контактных электрических аппаратах используют золото, платину и др. драгоценные металлы.

Электромагниты

Катушка со стальным разомкнутым магнитопроводом (сердечником) образует электромагнит (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема простейшего электромагнита:

1 – катушка; 2 – магнитопровод; 3 – якорь

Ток I в катушке создает магнитный поток Ф магнитопровода. Этот поток замыкается через подвижную часть магнитопровода, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к неподвижной части магнитопровода.

Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от магнитопровода под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.

Якорь электромагнита, изображенного на рисунке 5.3, поворачивается на оси. В этом случае электромагнит называется электромагнитом клапанного типа. Существуют электромагниты прямоходовые (в которых якорь движется поступательно), со сложным движением якоря и др.

Школьный звонок и звонок телефона – это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, муфты и т.д. Точные электромагниты используют в измерительной технике. Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах. Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие электромагниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и др.

Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги F можно определить по формуле Максвелла:

, (5.2)

где S – площадь поперечного сечения сердечника, точнее площадь полюса, т.е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем;

– магнитная постоянная, равная

Если площади сечения сердечника и полюса одинаковы, то можно принять, что и тогда:

(5.3)

где В – индукция магнитного поля в сердечнике.

Если зазор между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюсов, то сила тяги электромагнита определяется по формуле

, (5.4)

где I – сила тока в обмотке электромагнита, А;

N – число витков обмотки.

Из (5.4) следует, что при малых зазорах сила тяги очень велика, но при увеличении зазора сила тяги F электромагнита резко уменьшается.

Для производственных механизмов такая зависимость силы тяги электромагнита и зазора нежелательна, и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы обеспечить постоянство силы тяги при изменении зазора.

Если обмотку электромагнита включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной и будет изменяться в больших пределах, а в момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю, якорь будет то притягиваться, то отпадать. Этот эффект используется в вибраторах.

Так как сила тяги пропорциональна квадрату тока, то частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети.

Контакторы

Простейшие коммутирующие аппараты (выключатели, рубильники и т.д.) обладают одним общим недостатком. Для того чтобы включить или выключить электрическую цепь, надо подойти к выключателю и дотронуться до него рукой. На расстоянии (дистанции) переключить обычный выключатель невозможно. Однако в мощных нагрузках протекают большие токи и имеются большие напряжения, что делает невозможным включение и выключение мощного электрооборудования вручную по соображениям техники безопасности. Кроме того, дистанционное автоматическое выключение необходимо в аварийных ситуациях.

Аппарат, в котором мощные электрические контакты замыкаются электромагнитом, а не вручную, называют контактором.

Схема простейшего контактора изображена на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Схема простейшего контактора

Если в обмотке электромагнита 1 возникнет ток I₁, якорь притянется к сердечнику, стержень 2 переместится вверх и замкнет контакты a-b. Цепь с током I₂ окажется включенной (замкнутой).

Если разорвать цепь с током I₁ электромагнита, то под действием пружины 3 подвижные контакты с – d переместятся вниз и разорвут цепь с током I₂, потребляемого нагрузкой. Включение электромагнита можно производить вручную на большом расстоянии от контактора, т.к. обмотку электромагнита и подводящие провода можно выполнить из тонкого провода (сигнальные провода).