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.

Рис. 8. Контактор переменного тока серии КТ-6000.

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.

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 разрывами 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—10 000 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 cos 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 (cos=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 (cos=0,2−0,5) такое же гашение имеет место при напряжении до 220 В. Это объясняется тем, что гашение дуги происходит за счет практически мгновенного восстановления электрической прочности 200−220 В около катода.

При напряжении источника питания, не превышающем 220 В, 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 (cos =0,2—0,5) и напряжении источника свыше 380 В 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 =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 11 206−70).

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 ₂ питается постоянным током. После притяжения якоря блок-контакт 3 размыкается, но по обмотке ₂ 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 1 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.