Контакторы и магнитные пускатели. 
Устройство и принцип действия

Контактор относится к наиболее распространенным аппаратам управления, работающим на сильноточную нагрузку (свыше 10 А), см. ГОСТ Р 50 030.4.1—2002 |5|. К таким нагрузкам относятся электрические двигатели, светотехническая аппаратура, термоэлементы, системы охлаждения и др.

Как любой электрический аппарат, контактор имеет входные и выходные параметры, автономные друг от друга.

К входным параметрам контактора относится система управления приводным механизмом, основная функция которого связана с регулированием выходного сигнала (функция дискретной коммутации). В качестве приводного устройства чаще всего используются электромагнитные механизмы, реже — пневматические системы.

Электромагнитные механизмы отличаются большим многообразием как по конструкции магнитной системы (П-, Ш-образные, клапанные, броневые и др.), так и, но типу управляющего сигнала (постоянный или переменный ток или напряжение, импульсное управление, поляризованные системы и др.). В результате чего вид тяговой характеристики приводного электромагнита будет различным (подробнее см. гл. 7), что скажется на динамических характеристиках аппарата в целом.

К выходным параметрам контактора относятся параметры, управляющие нагрузкой (силовой цепи 1—2 и цепи управления 13—14, 11 — 12, 15—16—17). На рис. 3.7 дана типовая маркировка электромагнитного контактора КМ с силовыми (1—2) и вспомогательными (13—14, 11 — 12, 15—16—17) контактами с одной обмоткой управления (А1—А2). Количество обмоток управления может быть две или одна с отводами для пусковой обмотки. К — ключ управления.

Рис. 3.7. Маркировка контактора.

На рис. 3.8 показан контактор постоянного тока серии КП В-600. Входной контур аппарата представляет собой приводной электромагнит клапанного типа 1 с возвратной пружиной 2. Питание обмотки электромагнита подается к выводам 3 (А1—А2).

Выходной контур контактора содержит силовые контакты: неподвижный 4 (см. рис. 3.7, элемент 1) и подвижный 5 (см. рис. 3.7, элемент 2) контакты с контактной пружиной 6, токоподводящие выводы 7 и 8, систему последовательного магнитного дутья 9, дугогасительную камеру 10 (в данном случае щелевую камеру). Подвижной контакт 5 связан гибкой связью 11 с выводом 8 аппарата. Вся конструкция контактора крепится на изоляционном основании 12 и работает в вертикальном положении аппарата. Таким образом, во включенном состоянии аппарата ток проходит по токоведущему контуру 7—9—4—5—11—8. Вспомогательные контакты контактора на рисунке не показаны, а сам блок вспомогательных контактов (например, 13—14, 11 — 12, 15—16—17 на рис. 3.7) располагается рядом с подвижной системой привода, которая воздействует на него через дополнительный шток при включении аппарата.

Подробнее система магнитного дутья и процесс гашения дуги рассмотрены, соответственно, в параграфах 8.2 и 8.3.

Рис. 3.8. Контактор постоянного тока серии КПВ-600:

• 1 — приводной электромагнит; 2 — возвратная пружина;
• 3 — выводы обмотки управления; 4 — неподвижный контакт;
• 5 — подвижный контакт; в — контактная пружина;
• 7,8 — силовые токоподводящие выводы; 9 — система последовательного магнитного дутья; 10 — дугогасительная камера;
• 11 — гибкая связь; 12 — изоляционное основание; 13 — катушка электромагнита;
• 14 — якорь; 15 — полюсной наконечник

В данной конструкции контактора применяется система последовательного магнитного дутья 9 (см. рис. 3.8), которая состоит (рис. 3.9) из двух ферромагнитных пластин 1, охватывающих дугогасительную камеру 10, сердечника 2 и катушки 3, включенной последовательно в цепь силовых контактов аппарата. При протекании тока i в цепи аппарата возникает магнитный поток Ф, который, взаимодействуя с током дуги (направление тока указано точкой), создает электромагнитную силу Р_ш = /², перемещающую дугу в дугогасительную камеру 10 (в данном случае это щелевая камера). Дуга растягивается, охлаждается и гасится (подробнее условия гашения дуги в щелевых камерах описано в гл. 8). Сила, действующая на дугу, не зависит от направления тока, но при этом необходимо учитывать направление намотки катушки системы магнитного дутья, чтобы исключить возможность перемещения дуги в обратном от дугогасительной камеры направлении.

Включение контактора осуществляется путем замыкания управляющего ключа К (см. рис. 3.7) и подачи напряжения U_y на катушку привода 13 (см. рис. 3.8). Якорь 14 приводного электромагнита приходит в движение вокруг оси вращения О, преодолевая сопротивления возвратной 2 и контактной 6 пружин и замыкая силовые контакты 4, 5 и вспомогательные контакты (например, 13—14, 11 — 12, 15—16—17 на рис. 3.7). Вибрация силовых контактов, которая может возникнуть при включении, вызывая появление коротких дуг, может быть снижена путем рационального выбора скорости замыкания контактов и параметров контактной пружины. Электромагниты постоянного тока часто снабжаются дополнительными полюсными наконечниками (см. рис. 3.8, элемент 15), что позволяет увеличить электромагнитные усилия и видоизменить тяговую характеристику электромагнита (подробнее см. гл. 7).

Рис. 3.9. Система последовательного магнитного дутья с щелевой камерой:

• 1 — ферромагнитные пластины; 2 — сердечник; 3 — катушка;
• 10 — дугогасительная камера (см. рис. 3.8)

Касание силовых контактов 4 и 5 друг с другом произойдет раньше, чем якорь 14 электромагнита притянется к полюсному наконечнику 15, и по мере продолжения движения якоря подвижной контакт поворачивается относительно точки А, вызывая дополнительное сжатие контактной пружины 6. Имеет место так называемый провал контактов А — это то расстояние, которое пройдет точка контактирования неподвижного контакта с подвижным, если убрать последний. Следует обратить внимание на то, что контактная пружина 6 предварительно сжата и при касании контактов сила предварительного натяжения контактной пружины воздействует на точку контактирования, понижая переходное сопротивление контактов и снижая их вибрацию при включении. Тем самым снижается износ контактов.

Провал контактов необходим, чтобы обеспечивать надежное замыкание силовой цепи даже в случае уменьшения толщины контактов (или контактных накладок) вследствие их износа, под действием электрической дуги. Контактные накладки привариваются к медным контакт-деталям и выполняются из дугостойкого материала с низким переходным сопротивлением (например металлокерамика, серебро — оксид кадмия, СОК-15 и др.). Как правило, толщина контактных накладок определяется коэффициентом использования объема накладок на износ, который составляет от 0,5 до 1.

Другой важный параметр контакторов — раствор контактов р. Это расстояние между неподвижным и подвижным контактами в отключенном состоянии аппарата. Величина раствора контактов влияет как на условия дугогашения (в реле раствор контактов определяется именно из этого условия), так и на габаритные размеры привода контактора, которые напрямую зависят от хода якоря 5 приводного электромагнита. Ход якоря электромагнита 5 = (3 + А (приведенные значения к оси вращения О). Увеличение хода якоря приводит к росту мощности катушки управления (и ее размеров), необходимой для создания требуемых тяговых усилий на пути перемещения подвижной системы электромагнита. Обычно раствор контактов аппаратов управления лежит в пределах 1—20 мм. Нижняя ее граница определяется длиной металлического мостика, возникающего перед образованием дуги, или из условия гашения малых (критических) токов, когда собственное магнитное поле не достаточно для создания перемещения дуги с контактных накладок контактора. Зона критических токов для контакторов лежит в диапазоне от 20 до 70 Л (нижняя граница — при наличии внешнего магнитного дутья).

Привод контактора, выполняя функции коммутации контактов, должен обеспечивать его надежное включение и на пониженное напряжение цепи управления (до 0,85 от номинального). На рис. 3.10 приведены типичные тяговые и противодействующие характеристики контактора. С учетом кинематики системы они приводятся к рабочему зазору 5 электромагнита.

Рис. 3.10. Тяговая и противодействующая характеристики контактора:

Р_эмс = /(5) — статическая тяговая характеристика; Р_{эм д}«» = /(8) — динамическая тяговая характеристика; Р_к = /(5) — характеристика контактной пружины;

Р_п = /(5) — характеристика возвратной пружины; 5_И — начальный зазор;

5_К — конечный зазор; 5_кр — критический зазор При подаче питания на катушку электромагнита (точка 1 на рис. 3.10) и нарастании магнитного потока возрастает электромагнитная сила Р_эм, действующая на якорь электромагнита. Как только электромагнитные усилия преодолеют противодействующие, создаваемые массой подвижных частей и возвратной пружиной, якорь начинает движение (с точки 2 влияние массы в качестве противодействующей силы не учитывается).

В момент касания контактов (при 8 = 8_кр) вступает в силу контактная пружина контактора в виде силы предварительного натяжения контактной пружины Р_ки (отрезок а—Ь на характеристике). Наличие предварительного натяжения контактной пружины снижает вибрацию контактов при соударении и уменьшает вероятность их сваривания. Отрезок перемещения якоря электромагнита от 8_Н до 8_кр и есть раствор контактов (3.

При дальнейшем движении якоря от 8_кр до 5_К на него воздействуют масса системы, возвратная и контактная пружины. Конечный зазор 8_К (технологический) определяется чистотой обработки поверхности между якорем и полюсным наконечником или толщиной немагнитной прокладки.

Различают два вида тяговых характеристик: статическая Р_шс = /(8), полученная при установившемся значении магнитодвижущей силы (МДС), и динамическая Р_эм дин = /(8), которая имеет место при нарастании МДС до установившегося значения (участок 2—3—4 тяговой характеристики). Динамическая тяговая характеристика всегда проходит ниже статической, но выше противодействующей. Критическим является зазор 8_кр (в момент касания контактов), когда тяговая и противодействующая характеристики сближаются, что может привести к самопроизвольному отключению электромагнита. С другой стороны, чрезмерное разведение этих характеристик друг относительно друга приводит к росту избытка кинетической энергии подвижной системы контактора, расходуемой на удары подвижных деталей, что снижает механическую износостойкость контактора.

Оценка оптимального соотношения тяговой и противодействующей характеристик проведена опытным путем в виде коэффициента запаса К₃ при критическом зазоре. Для контакторов и пускателей К₃ = 1,2-s-l, 5, а для реле управления — К₃ = 1,5^-2,0 (критический зазор для реле определяется после построения противодействующих характеристик конкретного типа реле).

При подаче сигнала на отключение привода контактора (точка 4 тяговой характеристики) снимается напряжение питания с катушки приводного электромагнита и при равенстве тяговых усилий и противодействующих сил контактной и возвратной пружин (точка 5) якорь электромагнита начинает движение на размыкание, которое закончится в точке 6. Затем при снижении МДС катушки тяговые усилия спадают до точки 1. После выбора провала контактов появляется электрическая дуга отключения, а вспомогательные контакты меняют свое положение при отключении: размыкаются, замыкаются, переключаются.

На переменном токе часто используются пускатели с прямоходовой системой привода (рис. 3.11). Отличительная особенность таких пускателей — наличие мостиковых контактов, дугогасительной решетки, последовательного магнитного дутья (в области токов до 100 А), привода переменного тока с шихтованной магнитной системой и короткозамкнутым витком на полюсах. Аппарат выполняется, как правило, трехполюсным, с одним приводным электромагнитом.

Мостиковые контакты 1, 2 (два разрыва на полюс аппарата) позволяют снизить приложенное напряжение на каждой контактной паре и улучшить условия дугогашения, кроме того, конструкция токоведущих частей в зоне контактирования создает дополнительное собственное магнитное поле, воздействующее на дугу и снижающее время ее задержки на контактах. В результате дуга быстро выдувается в дугогасительное устройство, охлаждается и гасится. Эго позволяет снизить раствор контактов до минимально возможных размеров (от 1 до 10 мм) и уменьшить ход приводного электромагнита. Однако, с другой стороны, в контактах мостикового типа в два раза повышается сила контактного нажатия на полюс аппарата, что скажется на мощности приводного электромагнита.

Рис. 3.11. Магнитный пускатель.

Дугогасительная решетка 3 в контакторах выполнена из тонких (1—3 мм) металлических пластин, которые играют роль радиаторов, охлаждая дугу и разбивая ее на ряд коротких дуг. Число пластин в решетке и расстояние между ними определяются из условий гашения дуги переменного тока: перевода переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) из колебательного процесса в апериодический (подробнее см. гл. 8).

Магнитная система приводного электромагнита 4 Пили Ш-образного типа выполнена шихтованной, с целью снижения потерь на вихревые токи и гистерезис, а на полюсных наконечниках размещены короткозамкнутые витки 5, охватывающие примерно 2/3 части полюса и снижающие вибрацию якоря электромагнита во включенном состоянии при переменном магнитном потоке. Катушка 6 электромагнита и возвратная пружина 7 расположены на среднем сердечнике магнитной системы (как один из вариантов исполнения). Подробное описание конструктивных особенностей магнитных систем переменного тока дано в гл. 7.

Контактная пружина 8 пускателя предварительно сжата и располагается в полой части изоляционного штока 9, упираясь в контактный мостик 1. Шток механически связан с якорем электромагнита 4.

При включении пускателя якорь привода перемещается вниз вместе со штоком, подвижным контактом и контактной пружиной. При касании контактов 1 и 2 вступает в силу контактная пружина 8, снижая вибрацию контактов. Дальнейшее перемещения якоря приводит к дополнительному сжатию контактной пружины на величину провала контактов (нижняя граница сжатия пружины на величину провала Д показана пунктирной линией).