Очень часто для управления процессами коммутации в электрических цепях используются контакторы переменного тока. Что это за устройства, как они работают и где их применяют?
Коммутирующее устройство
Контакторы переменного тока имеют диапазон токов от 100 А до 630 А. Число контактов может колебаться от одного до пяти. Естественно количество контактов влияет на саму конструкцию электрического аппарата. Самое массовое распространение получили контакторы трехполюсного исполнения. Наличие большого количества коммутируемых контактов приводит к увеличению усилия и, соответственно, увеличению момента, необходимого для включения электрического аппарата.
Разрез контактора переменного тока КТ-6000 по магнитной системе показан на рисунке 1а, а на рисунке 1б показан его разрез по дугогасительной и контактной системам одного полюса. Контакт подвижной 1 с пружиной 2 крепится к изоляционному рычагу 3, который связан с валом контактора. Поскольку процесс гашения дуги переменного тока происходит немного легче, чем постоянного, то раствор контактов может быть взят небольшим. Контакты приближаются к оси вращения по мере уменьшения раствора. В свою очередь, уменьшение расстояния контактов от оси вращения позволяет уменьшить силу электромагнита, необходимую для включения контактора, а это позволяет уменьшить потребляемую мощность и габариты устройства.
Якорь электромагнита 4 и подвижной контакт 1 между собой связаны через вал контактора. Подвижной контакт в контакторе КТ-6000, в отличии от контакторов постоянного тока, не имеет перекатывания. Отключение электрического аппарата происходит под воздействием сил подвижных частей и контактных пружин.
Подвижный и неподвижный контакт сделаны легко заменяемыми, что очень важно в процессе эксплуатации (контакты могут пригорать и нужно их периодически менять). Как и в контакторах постоянного тока, контактная пружина 2 имеет предварительное нажатие, составляющее примерно половину конечного.
Контактная и магнитная системы контактора КТ-6000 крепятся на стальной рейке 5, что позволяет использовать их в реечной конструкции комплектных станций управления.
Мостиковая контактная система с двумя разрывами на каждый полюс получила довольно широкое распространение (рисунок 2). Такая конструкция широко распространена в пускателях. Отсутствие гибкой связи и быстрое гашение дуги являются огромнейшим преимуществом данной конструкции.
Может применяться как система с вращением якоря (рисунок 2), так и прямоходовая (рисунок 3). В случае прямоходовой системы – якорь движется поступательно. Подвижные контакты механически связаны с якорем и совершают те же движения, что и сам якорь. При передаче усилия контактных пружин к якорю нет выигрыша в силе, так как отсутствует рычажная система. Электромагнит должен развивать усилие больше, чем сумма веса якоря и сил контактных пружин (справедливо для контакторов с вертикальной установкой).
В контакторах, выполненных по данной схеме, наблюдается медленное нарастание силы нажатия контактов, из-за чего наблюдается вибрация контактов устройства (до 10 мс). Данная вибрация приводит к сильному и быстрому износу контактов. Именно поэтому такой тип конструкции применяется только при малых номинальных токах. Контактор с рычажной передачей усилий от контактов к якорю электромагнита и мостиковой системой является более совершенным. Разрез такого контактора с номинальным током в 60 А показан на рисунке 2. Места касания контактов облицовываются материалом из металлокерамики (серебро – окись кадмия). Нажатие контактов происходит усилием пружины 3. Контактный мост выполнен самоустанавливающимся и имеет малую массу.
В 2,5 раза меньше расстояние от оси вращения до места расположения контактов, чем расстояние от точки крепления якоря 4 до оси вращения. Такая кинематика увеличивает силу нажатия при постоянных габаритах электромагнита (для увеличения силы нажатия нет необходимости увеличивать магнитную систему). Близкое расположение контактов к оси вращения снижает скорость движения контактов. Низкая скорость в момент касания, малая масса моста и большая сила нажатия резко снижает вибрации (они длятся всего 0,3 мс). При этом показатель коммутационной износостойкости возрастает до 2·106 операций включения / отключения.
В высокочастотных контакторах (частоты в диапазоне 500 – 10 000 Гц) потери в токоведущих частях существенно возрастают из-за поверхностного эффекта (скин-эффект) и эффекта близости. Для эффективного отвода тепла целесообразно использовать жидкостное охлаждение.
Гашение дуги в контакторах переменного тока
На рисунке 4 показаны полученные экспериментально зависимости раствора контактов, необходимого для гашения дуги, от величины тока в цепи. Коэффициент мощности (cos φ) изменяется в пределах от 0,2 до 1. Контактор не снабжается никаким дугогасительным устройством и имеет один разрыв на полюс.
В случае полностью активной нагрузки (cos φ = 1) гашение дуги будет происходить при растворе контактов около 0,5·10-3 м при любом напряжении (до 500 В) и токе (кривая 3 рисунок 4).
В случае же индуктивной нагрузки (cos φ = 0,2 – 0,5) подобное гашение имеет место при напряжении до 220 В. Это объясняется тем, что гашение дуги происходит за счет практически мгновенного восстановления электрической прочности около катода при напряжении 200 – 220 В.
Если напряжение питания не превышает 220 В, то для гашения дуги необходим всего лишь один разрыв на полюс. Никаких специальных дугогасительных устройств не требуется.
Если в цепи аппарата необходимо создать два разрыва, например, использовав мостиковый контакт, то электрическая дуга надежно гасится при напряжении сети 380 В за счет околоэлектродной прочности. Именно поэтому получили широкое распространение контакторы с двухкратным разрывом цепи в одном полюсе. При напряжении выше 380 В и индуктивной нагрузке в цепи (cos φ = 0,2 – 0,5) величина восстанавливающего напряжения становится больше около катодной прочности. Кривые 1 и 2 сняты при напряжениях 500 и 380 В и cos φ = 0,2 – 0,5. Процесс гашения дуги в этом случае напрямую зависит от нагрева электродов током и процессов в столбе дуги.
Кривые 1 и 2 с рисунка 4 аналогичны кривым для контакторов постоянного тока. За счет механического растяжения дуги происходит ее гашение в областях до 40 – 50 А. Минимальный раствор контактов, необходимый для гашения равен 7·10-3 м. Если ток начинает превышать 50 А – раствор уменьшается. В таком случае гашение происходит за счет воздействия на дугу электродинамических сил. При растворе менее 10-3 м происходит гашение дуги при протекании токов свыше 200 А. Отсюда делаем вывод, что наиболее тяжелый процесс гашения дуги будет при токе в 40 – 50 А. Исследования показывают, что увеличение раствора свыше 8·10-3 м никак не влияет на процесс гашения электрической дуги.
Для уменьшения износа контактов и повышения эффективности гашения электрической дуги могут применяться следующие системы:
- Магнитное гашение дуги при помощи катушки тока и дугогасительной камеры с лабиринтной или продольной щелью.
- Дугогасительная камера с деионной решеткой, состоящей из стальных пластин.
В системах магнитного дутья с катушкой тока действующая на дугу сила будет пропорциональна квадрату тока. Поэтому на дугу действует неизменная по направлению сила даже при переменном токе. Сила пульсирует с двойной частотой во времени (точно так же, как и действующая на проводник с током электродинамическая сила). Среднее значение силы получается таким же, как и при постоянном токе, но при условии, что действующее значение переменного тока равно постоянному току. Указанные соотношения будут иметь место лишь в случае, когда потери в магнитной системе дутья отсутствуют, и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эффективную работу такой системы, широкое распространение она получила только в контакторах, которые работают в тяжелых режимах работы (больше 600 включений в час).
К недостаткам такого метода гашения электрической дуги можно отнести: увеличение потерь в контакторе, так как потери в стали магнитной системы дугогашения довольно высоки, что, в свою очередь, ведет к повышению температуры контактов, которые располагаются вблизи дугогасительного устройства, и возможность возникновения существенного перенапряжения из-за резкого обрыва тока (до естественного нуля).
Значительное повышение износостойкости контактов можно получить (до 15·106), шунтируя контакты тиристорами.
На переменном токе применение для гашения электрической дуги катушки напряжения исключается за счет перехода силы, которая действует на дугу, через ноль и поток, создаваемый магнитной системой дугогашения, сдвинут по фазе относительно отключаемого тока. Если поток и ток имеют разные знаки – сила отрицательна, а если наоборот, имеют общий знак, то сила положительна.
Относительно широкое распространение получила дугогасительная камера с деионной решеткой, которая состоит из стальных пластин. Автором идеи использования околоэлектродного напряжения для гашения дуги является М. О. Доливо-Добровольский. Принципиальная схема дугогасительного устройства приведена на рисунке 4 б). Возникающая после разрыва контактов дуга 1 втягивается в клиновидный паз расположенных параллельно стальных пластин 2. Дуга пересекается пластинами в верхней части и дробится на ряд небольших дуг 3. При вхождении в решетку дуги возникают силы, которые и тормозят дальнейшее распространение дуги. Смещенная относительно середины решетки дуга вначале пересекает пластины с нечетными номерами, а потом с четными (рисунок 4б). После входа дуги в решетку и разбиения на ряд коротких дуг, в цепи возникнет дополнительное падение напряжения А на каждой паре электродов. Данное падение напряжение составляет примерно 20 В – 30 В. Благодаря данному падению напряжения ток в цепи через нуль пройдет раньше своего естественного нулевого значения. При этом восстанавливающее напряжение промышленной частоты уменьшается и, следовательно, пик восстанавливающего напряжения (рисунок 4а).
Гашение дуги произойдет в случае, если соблюдается условие CnU/макс, где C – это околокатодная прочность. При соответственном выборе пластин n гашение дуги произойдет уже при первом переходе через нуль. При больших токах величина C ≈ 70 В, при малых токах возрастает до C ≈ 300 В.
Для уменьшения влияния коррозии на пластины, они покрываются тонким слоем цинка или меди. При частых включения и отключениях, не смотря на минимизацию времени горения электрической дуги, пластины могут нагреваться до очень больших температур. Возможно даже прогорание пластин. Во избежание подобных ситуаций, количество включений в час у контакторов с деионной решеткой не должно превышать 600 (как у контактора КТ-7000).
В более современных контакторах, применяемых в пускателях серии ПА, используется двукратный разрыв на каждый полюс (рисунок 2). Здесь контакты охватываются стальной скобой, что уменьшает их оплавление. Электродинамическая сила, возникающая при появлении электрической дуги, втягивает ее в стальную скобу. Также движение опорных точек дуги по контакту способствуют электродинамические силы, возникающие за счет взаимодействие токов в арматуре и подводящих проводниках с электрической дугой. Здесь используется околокатодная прочность, возникающая после перехода тока через нуль, также как и в решетке для гашения дуги. Магнитное дутье и два разрыва за счет стальной скобы и поля подводящих проводников обеспечивают надежную работу при напряжении до 500 В. Контактор с номинальным током в 60 А способен отключать десятикратный ток короткого замыкания при напряжении 450 В и cos φ = 0,3.
Дугогасительные устройства высокочастотных контакторов
Для обеспечения нормальных условий работы генераторов в высокочастотных установках коэффициент мощности (cos φ ≈ 1) стараются максимально приблизить к единице. В таком случае гашение дуги происходит значительно тяжелее, чем при cos φ = 0.
Исследования показали, что дугогасительная решетка со стальными пластинами для гашения дуги тока высокой частоты (f > 500 Гц) применяться не может. Проходя по пластинам высокочастотный поток наводит в них ЭДС, пропорциональную частоте. Ток, возникающий под действием этой ЭДС, создает магнитный поток, который взаимодействуя с током дуги выталкивает ее из решетки. Соответственно чем выше частота, тем выше выталкивающая сила. Если заменить стальные пластины на латунные, то выталкивающая сила уменьшится, поскольку магнитная проницаемость латуни меньше, чем стали. Отсюда делаем не хитрый вывод, что поток в латунных пластинах будет меньше, чем в стальных. Однако силы, которые втягивают электрическую дугу в решетку в этом случае не возникают, что требует применения токовой катушки магнитного дутья. На рисунке 5 а) показана подобная система.
После опускания контактного моста 2 образуется дуга 1. С помощью системы магнитного дутья 3 дуга загоняется в узкую щель, где располагаются латунные пластины 4. Повышение давления в нижней части камеры за счет подогрева находящегося там воздуха способствует продвижению электрической дуги к пластинам. При первом же переходе тока через нуль дуга гаснет, после того, как разбивается на ряд коротких дуг.
В устаревших конструкциях высокочастотных контакторов гашение дуги происходило с помощью асбестоцементной дугогасительной камеры и токовой катушки магнитного дутья. Такая конструкция контактора рассчитывалась на работу в цепи с частотой до 8000 Гц и напряжением до 1500 В (рисунок 5 б)). У контактора есть 2 полюса. В каждом полюсе присутствует главный контакт 2 и подключенный параллельно ему дугогасительный контакт 3 с токовой катушкой магнитного дутья. Электромагнитом 1 осуществляется привод контактов. При отключении нагрузки сначала размыкаются главные контакты и ток «переходит» в катушку, после чего размыкаются дугогасительные контакты. В камере дуга гасится под действием магнитного поля точно так же, как и на частоте 50 Гц. Во включенном положении дугогасительный контакт и катушка шунтированы главным контактом, поэтому падение напряжения на катушке практически равно нулю. Напряжение на катушке появляется после размыкания главных контактов и может быть довольно большим, так как индуктивное сопротивление пропорционально частоте. Этот процесс затрудняет переброс тока в цепь дугогасительных контактов. Дугогасительная система контактора (рисунок 5 б)) обеспечивает отключение тока, равного 2Iн. С уменьшением частоты отключаемый ток увеличивается.
В таких контакторах процесс гашения дуги длится до 500 полупериодов высокой частоты, что является их недостатком.
Электромагнитный механизм контактора переменного тока
Широкое распространение для привода контактов получили электромагниты с П – образным и Ш – образным сердечниками.
Магнитопровод представляет собой две одинаковые части, одна из которых связана с контактной системой через рычаги, а вторая закреплена неподвижно. Для устранения возможности залипания якоря в электромагнитах старой конструкции между средними полюсами Ш – образной системы делался зазор. При включении на крайние полюсы приходился удар, что приводило к заметному их расклепыванию. В случае перекоса якоря на рычаге вероятность разрушения поверхности полюса сердечника острыми кромками якоря резко возрастает. В контакторах серии ПА в цепь была введена магнитная прокладка 4 для устранения процессов залипания (рисунок 2). Все три зазора во включенном состоянии равны нулю. Это уменьшает износ полюсов, так как удар приходится на все три полюса. Для уменьшения удара в современных контакторах с помощью цилиндрических пружин амортизируют неподвижный сердечник (рисунок 2), что улучшает условия работы контактной системы, так как при включении не возникает вибраций оснований контактора.
Во включенном положении для устранения вибраций якоря на полюсах магнитной системы производится установка короткозамкнутых витков. Короткозамкнутый виток наиболее эффективен при малом воздушном зазоре. Именно поэтому для максимально плотного прилегания полюсов их поверхность должна шлифоваться. Неплохие результаты по уменьшению вибраций электромагнита были достигнуты в контакторе типа ПА, где за счет эластичного крепления сердечника возможна самоустановка якоря относительно сердечника. При самоустановке величина воздушного зазора становится минимальной.
Известно, что ток катушки в притянутом состоянии якоря значительно меньше, чем в отпущенном состоянии (связано с изменением индуктивного сопротивления катушки). Можно считать, что пусковой ток примерно равен десятикратному значению тока притянутого состояния, но для мощных контакторов он может достигать 15-кратного значения тока замкнутого состояния. Поскольку пусковой ток очень большой, то подача напряжения на катушку, если якорь удерживается в положении «отключено» не допускается. Катушки многих контакторов рассчитаны на количество включений до 600 в час с ПВ = 40%.
При пятиполюсном исполнении электромагниты контакторов работают в особо тяжелых условиях. Для обеспечения нормальной работы пяти контактных пар у электромагнита имеется форсировка. Такой тип контактора может работать только в повторно-кратковременном режиме (серия контакторов КТЭ и КТ).
Электромагниты контакторов переменного тока могут питаться от сети постоянного тока. В таком исполнении на контакторах устанавливается специальная катушка, которая работает со специальным форсировочным сопротивлением. Форсировочное сопротивление шунтируется размыкающимся блок-контактом самого контактора или контактами другого аппарата.
Как правило, в каталогах приводятся величины форсировочных сопротивлений и параметры катушек.
Тяговая характеристика электромагнита переменного тока имеет не такой «крутой подьем», как характеристика электромагнита постоянного тока. Благодаря чему тяговая характеристика электромагнита более подходит к противодействующей. В результате чего напряжение отпускания и напряжение срабатывания не сильно отличаются между собой.
Коэффициент возврата, имеющий довольно высокий показатель (0,6 – 0,7), позволяет осуществлять защиту электродвигателя от падения напряжения в сети. Отпадание якоря и отключение электрической машины происходит при понижении напряжения до уровня 0,6Uн – 0,7 Uн.
Надежную работу электромагниты контактора способны обеспечить в диапазоне 85% — 100% Uн. Поскольку катушка получает питание через блок-контакт контактора, то включение контактора не произойдет автоматически после подъема напряжения до номинального значения. Электромагнит переменного тока срабатывает значительно быстрее, чем постоянного. Время отпускания контактора составляет около 0,02 с, а собственное время срабатывания 0,03 – 0,05 с.
В случае применение контакторов для реверса необходимо наличие как электрической, так и механической блокировок.
Контакторы переменного и постоянного тока могут иметь блок-контакты для систем управления (например, сигнализация о включении / отключении устройства), которые приводятся в движение тем же электромагнитом, что и силовые контакты.
В системах автоматизации без контактов с «памятью» очень часто не обойтись. Якорь электромагнита останется в притянутом состоянии даже после снятия напряжения. В контакторе залипания КМЗ реализован такой принцип. Магнитопровод данного контактора собран из стали марки 40Х, немагнитный зазор отсутствует в замкнутом состоянии магнитной системы. Катушка имеет две секции. Схема подключения показана на рисунке 6.
Обмотка W2 запитана постоянным током, а на входы 1 и 2 подается переменное напряжение. Блок-контакт 3 после притяжения якоря размыкается, но в обмотке W2 все еще продолжает протекать ток через диод Д и конденсатор С до тех пор, пока не произойдет зарядка конденсатора до определенного уровня напряжения. Длительность протекания и величина тока подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось надежное залипание якоря после снятия напряжения. В притянутом состоянии якорь будет удерживаться за счет остаточной индукции. Чтобы произвести отключение контактора необходимо подать напряжение на вводы 2 и 4. Обмотка W1 размагнитит сердечник и якорь отпадет. Конденсатор С разряжается на резистор Rp после замыкания контакта 3. Блок-контакт 5 размыкает цепь размагничивания. Допустимая частота включений в час – 150.
Огромным плюсом контактора с залипанием является отсутствие мощности потребления в притянутом состоянии.
