Особенности устройства и работы контактора переменного тока.

Коммутирующее устройство. Контакторы перемен­ного тока выпускаются на токи от 100 до 630 А. Число главных контактов колеблется от одного до пяти. Это отражается на конструкции всего аппарата в целом. Наи­более широко распространены контакторы трехполюсно­го исполнения. Наличие большого числа контактов при­водит к увеличению усилия и соответственно момента, необходимых для включения аппарата.

На рис.8, а представлен разрез контактора КТ-6000 по магнитной системе, а на рис.8, б — по контактной и дугогасительной системам одного полюса. Подвижный контакт 1 с пружиной 2 укреплен на изоляционном рыча­ге 3, связанном с валом контактора. Вследствие более легкого гашения дуги переменного тока раствор контак­тов может быть взят небольшим. Уменьшение раствора дает возможность приблизить контакт к оси вращения. Малое расстояние точки касания контактов от оси вра­щения позволяет уменьшить силу электромагнита, необ­ходимую для включения контактора, что дает возмож­ность уменьшить габариты и потребляемую мощность магнита.

Подвижный контакт 1 и якорь 4 электромагнита связаны между собой через вал контактора. В отличие от контакторов постоянного то­ка подвижный контакт в кон­такторе КТ-6000 не имеет пере­катывания. Отключение аппа­рата происходит под действи­ем контактных пружин и сил веса подвижных частей.

Для удобства эксплуатации подвижный и неподвижный контакты сделаны легко смен­ными. Контактная пружина 2, так же как и в контакторах по­стоянного тока, имеет предва­рительное нажатие, составля­ющее примерно половину конечного.

Рис.8. Контактор перемен-

ного тока серии КТ-6000.

Магнитная и контактная системы контактора КТ-6000 укреплены на стальной рейке 5, что позволяет использовать их в реечной конструкции ком­плектных станций управления.

Широкое распространение получила мостиковая контакт­ная система с двумя разрыва-

ми на каждый полюс (рис.9). Такая конструкция распространена в пускателях. Быстрое гашение дуги, отсутствие гибкой связи являются большим преимущест­вом такой конструкции.

Применяется как прямоходовая система (рис.13), так и с вращением якоря (рис.9). В первом случае якорь движется поступательно. Подвижные контакты свя­заны с якорем и совершают тот же путь, что и якорь. При передаче усилия контактных пружин к якорю из-за от­сутствия рычажной системы нет выигрыша в силе. Элек­тромагнит должен развивать усилие большее, чем сумма сил контактных пружин и веса якоря (в контакторах с вертикальной установкой).

Рис.9. Контактор пускателя серии ПА.

В большинстве выполненных по этой схеме контак­торов наблюдается медленное нарастание силы контакт­ного нажатия, из-за чего имеет место длительная вибра­ция контактов (до 10 мс). В результате происходит силь­ный износ контактов при включении. Поэтому такая кон­струкция применяется только при небольших номиналь­ных токах. Более совершенным является контактор, который имеет мостиковую систему и рычажную пере­дачу усилий от контактов к якорю электромагнита. Разрез такого контактора на ток 60 А показан на рис.9. Каждый полюс имеет два неподвижных кон­такта 1 и один мостиковый контакт 2. Места касания контактов облицованы металлокерамическим материалом (серебро—окись кадмия). Нажатие контактов соз­дается пружиной 3. Контактный мост имеет малую массу и выполнен самоустанавливающимся.

Расстояние от оси вращения до места расположения контактов в 2,5 раза меньше, чем расстояние от оси вра­щения до точки крепления якоря 4. Такая кинематика позволяет увеличить силу нажатия при данных габаритах электромагнита. Близкое расположение контактов к оси вращения снижает скорость движения контактов. Малая масса моста, низкая скорость в момент касания, большая сила нажатия способствуют резкому снижению вибрации (она длится всего 0,3 мс). При этом коммутационная из­носостойкость возрастает до 2*10⁶ операций включения и отключения.

В высокочастотных контакторах (500—10000 Гц) су­щественно возрастают потери в токоведущих частях из-за эффекта близости и поверхностного эффекта. Для эффек­тивного отвода тепла целесообразно использование водя­ного охлаждения.

Гашение дуги в контакторах переменного тока.На рис.10 изображены экспериментальные зависи­мости раствора контактов, необходимого для гашения ду­ги, от величины тока цепи. Коэффициент мощности цепи cosj меняется в пределах от 0,2 до 1. Контактор имеет один разрыв на полюс и не снабжен никаким дугогасительным устройством.

Рис.10. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины тока при различных условиях.

В случае активной нагрузки (cosj=1) гашение дуги происходит при растворе контактов примерно 0,5*10^-3м при любом токе и любом напряжении (до 500В), кривая 3 рис.10.

При индуктивной нагрузке (cosj=0,2-0,5) такое же гашение имеет место при напряжении до 220В. Это объясняется тем, что гашение дуги происходит за счет практически мгновенного восстановления электрической прочности 200-220В около катода.

При напряжении источника питания, не превышаю­щем 220В, для гашения дуги необходим всего один раз­рыв на полюс. Никаких дугогасительных устройств не нужно.

Если в цепи полюса аппарата создавать два разрыва, например, за счет применения мостикового контакта, то дуга надежно гасится за счет околоэлектродной прочно­сти при напряжении сети 380 В. На основании этих дан­ных в настоящее время широко применяются контакторы с двукратным разрывом цепи в одном полюсе. При ин­дуктивной нагрузке (cosj =0,2—0,5) и напряжении ис­точника свыше 380В величина восстанавливающегося напряжения становится больше околокатодной прочно­сти. Кривые 1 и 2 рис.10 аналогичны кривым рис.4, полученным для постоянного тока. В области до 40—50 А гашение происходит за счет механического растяжения дуги. Максимальный раствор, требуемый для гашения, составляет 7*10^-3 м. При токах более 50 А необходимый раствор уменьшается. Гашение происходит за счет дей­ствия на дугу электродинамических сил. При токе более 200А гашение происходит при растворе менее 10^-3 м. Таким образом, наиболее тяжелой для гашения является величина тока 40—50 А. Исследования показали, что увеличение раствора сверх 8*10^-3 м не влияет на процесс гашения дуги.

Для эффективного гашения дуги, уменьшения износа контактов могут быть использованы следующие системы:

1. Магнитное гашение дуги с помощью катушки тока

и дугогасительной камеры с продольной или лабиринт­ной щелью (рис.6).

2. Дугогасительная камера с деионной решеткой из стальных пластин.

В системе магнитного дутья с катушкой тока сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому и при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по направлению. Сила пульсирует с двойной частотой во времени (так же, как электродинамическая сила, действующая на проводник). Средняя сила получа­ется такой же, как и при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению пере­менного тока. Указанные соотношения справедливы, ког­да потери в магнитной системе катушки дутья отсутству­ют, и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эф­фективную работу этого устройства, в настоящее время оно применяется только в контакторах, работающих в тяжелом режиме (число включений в час более 600).

Недостатками этого метода гашения являются: уве­личение потерь в контакторе из-за потерь в стали маг­нитной системы дугогашения, что ведет к повышению температуры контактов, расположенных вблизи дугогасительного устройства, и возможность возникновения больших перенапряжений из-за принудительного обры­ва тока (до естественного нуля).

Значительное увеличение электрической износостойко­сти контактов (до 15*10⁶) можно получить, шунтируя контакты тиристорами.

Применение для гашения катушки напряжения на переменном токе исключается из-за того, что сила, дейст­вующая на дугу, меняет свой знак, так как поток, созда­ваемый магнитной системой дугогашения, сдвинут по фа­зе относительно отключаемого тока. Если ток и поток имеют один знак, сила положительна, если же ток и по­ток имеют разные знаки, то сила отрицательна.

Довольно широкое распространение получила дугогасительная камера с деионной решеткой из стальных пла­стин. Принципиальная схема дугогасительного устройства дана на рис.11, б. Дуга 1, возникающая после расхождения контактов, втя­гивается в клиновидный паз параллельно расположенных стальных пластин 2. В верхней части дуга пересекается пластинами и разбивается на ряд коротких дуг 3. При вхождении дуги в решетку возникают силы, тормозящие движение дуги. Для уменьшения этих сил дуга, смещенная относительно середины ре­шетки, вначале пересекает пластины с нечетными номе­рами, а потом уже с четными (рис. 11,6). После того как дуга втянется в решетку и разобьется на ряд ко­ротких дуг, в цепи возникает дополнительное падение напряжения А на каждой паре электродов. Это падение напряжения составляет 20—30 В. Из-за наличия этого падения напряжения ток в цепи пройдет через нуль ра­нее своего естественного нулевого значения. При этом уменьшается восстанавливающееся напряжение промыш­ленной частоты, а, следовательно, и пик восстанавлива­ющегося напряжения (рис.11,а).

Рис.11. Процесс гашения дуги в деионной решётке.

Для того чтобы пластины решетки не подвергались коррозии, они покрываются тонким слоем меди или цин­ка. Несмотря на быстрое гашение дуги, при частых вклю­чениях и отключениях происходит нагрев пластин до очень высокой температуры. Возможно даже прогорание пластин. В связи с этим число включений и отключений в час у контакторов с деионной решеткой не превышает 600 (контактор КТ-7000).

В новых контакторах, применяемых в пускателях се­рии ПА, применяется двукратный разрыв на каждый по­люс (рис.9). Для того чтобы уменьшить оплавление контактов, они охвачены стальной скобой. При образо­вании дуги на нее действует электродинамическая сила втягивания дуги в эту скобу. Движению опорных точек дуги по контакту помогают также электродинамические силы, возникающие за счет взаимодействия дуги с током в подводящих проводниках и арматуре контактов. Здесь, так же как и в решетке для гашения дуги, используется околокатодная прочность, возникающая после прохода тока через нуль. Два разрыва и магнитное дутье за счет стальной скобы и поля подводящих проводников обеспе­чивают надежную работу при напряжении до 500 В. Кон­тактор на номинальный ток 60 А отключает десятикрат­ный ток короткого замыкания при напряжении 450 В и cos j=0,3.

Электромагнитный механизм контактора перемен­ного тока. Для привода контактов широкое распростране­ние получили электромагниты с Ш-образным и П-образным сердечниками.

Магнитопровод состоит из двух одинаковых частей, одна из которых укреплена неподвижно, другая связана через рычаги с контактной системой. В электромагнитах старой конструкции для устранения залипания якоря между средними полюсами Ш-образной системы делался зазор. При включении удар приходился на крайние по­люсы, что приводило к их заметному расклепыванию. В случае перекоса якоря на рычаге возможно разруше­ние поверхности полюса сердечника острыми кромками якоря. В современных контакторах (серии ПА) для устранения залипания в цепь введена магнитная про­кладка. Во включенном положении все три зазора равны нулю. Это позволяет уменьшить износ по­люсов, так как удар приходится на все три полюса. В современных контакторах для уменьшения удара неподвижный сердечник амортизирован с помощью цилин­дрических пружин, что улучшает условия работы и контактной системы, поскольку при включении не возникает вибрации основания контактора.

С целью устранения вибрации якоря во включенном положении на полюсах магнитной системы устанавлива­ются короткозамкнутые витки. Действие короткозамкнутого витка наиболее эффективно при малом воздушном зазоре. Поэтому для плотного при­легания полюсов их поверхность должна шлифоваться. Хорошие результаты по уменьшению вибрации электро­магнита достигнуты в контакторе типа ПА, где за счет эластичного крепления сердечника возможна самоуста­новка якоря относительно сердечника, при которой воз­душный зазор получается минимальным.

Известно, что из-за изменения индуктивного сопро­тивления катушки ток в притянутом состоянии якоря зна­чительно меньше, чем в отпущенном состоянии. В среднем можно считать, что пусковой ток равен десяти­кратному току притянутого состояния, но для больших контакторов может достигать значения, равного 15-крат­ному от тока в замкнутом состоянии. В связи с большим пусковым током ни в коем случае недопустима подача напряжения на катушку, если якорь по каким-либо при­чинам удерживается в положении «отключено». Катушки большинства контакторов рассчитаны таким образом, что допускают до 600 включений в час при ПВ==40%.

В особо тяжелых условиях работают электромагниты контакторов при пяти-полюсном исполнении. Для того чтобы обеспечить нормальную работу пяти контактных пар, электромагнит имеет форсировку. Такой контактор может работать только в повторно-кратковременном ре­жиме (контакторы старых серий КТ и КТЭ). Современ­ные контакторы КТ-6000 и КТ-7000 могут работать в лю­бом режиме (ГОСТ 11206-70).

Электромагниты контакторов переменного тока могут также питаться от сети постоянного тока. В этом случае на контакторах устанавливается специальная катушка, которая работает с форсировочным сопротивлением. Форсировочное сопротивление шунтировано размыкающим блок-контактом контактора или более мощными контак­тами другого аппарата.

Параметры катушек и величины форсировочных со­противлений приведены в каталогах. При уменьшении зазора тяговая характеристика элек­тромагнита переменного тока поднимается менее круто, чем в электромагните постоянного тока. Благо­даря этому тяговая характеристика электромагнита бо­лее близко подходит к противодействующей. В результа­те напряжение отпускания близко к напряжению сраба­тывания.

Относительно высокий коэффициент возврата (0,6—0,7) дает возможность осуществить защиту двигателя от падения напряжения. При понижении напряжения до (0,6—0,7) U_н, происходит отпадание якоря и отключение двигателя.

Электромагниты контакторов обеспечивают надежную работу в диапазоне колебания питающего напряжения 85—110% U_н. Поскольку катушка контактора питается через замыкающий блок-контакт, то включение контак­тора не происходит самостоятельно после подъема напря­жения до номинального значения. Так же как и контакторы постоянного тока, контакто­ры переменного тока имеют блок-контакты, которые при­водятся в действие тем же электромагнитом, что и глав­ные контакты.

В схемах автоматики часто возникает необходимость иметь контакторы с «памятью». После снятия напряже­ния с электромагнита якорь остается в притянутом состо­янии. Такой принцип осуществлен в контакторе залипания КМЗ. Магнитопровод собран из стали мар­ки 40Х, в замкнутом состоянии магнитной системы не­магнитный зазор отсутствует, катушка имеет две секции. Схема включения показана на рис.12.

Рис.12.Схема включения обмоток контактора с залипанием серии КМЗ.

При подаче переменного напряжения на вводы 1—2 обмотка w₂ питается постоянным током. После притяже­ния якоря блок-контакт 3 размыкается, но по обмотке w₂ продолжает протекать ток через диод Д и конденса­тор С до тех пор, пока конденсатор не зарядится до опре­деленного напряжения. Ток конденсатора и длительность протекания выбраны такими, что обеспечивается надеж­ное залипание якоря после снятия напряжения. Якорь удерживается в притянутом состоянии за счет остаточной индукции. Для отключения напряжение подается на вводы 2 и 4. Обмотка w1 размагничивает сердечник, якорь отпадает. При замыкании контакта 3 конденсатор С разря­жается на резистор R_р. Блок-контакт 5 размы­кает цепь размагничи­вания в положении от­ключено. Контактор подготавливается для следующего включе­ния. Допустимая ча­стота включений в час 150.

Большим достоин­ством контактора с залипанием является от­сутствие потребления мощности в притянутом состоянии.