|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 30 Скользящие контакты. Эти конструкции осуществляют передачу тока без обрыва цепи с неподвижной контактной детали на подвижную. Они могут выполняться с рычажными, мостиковыми, роликовыми и другими контактами. Разновидностью скользящего контакта является шарнирный контакт. Он одновременно обеспечивает и механическую связь между деталями. В аппаратах низкого напряжения скользящие соединения широко применяются в реостатах и контроллерах. Герметичные контакты. Контакты обычных реле работают в среде атмосферного воздуха. Они загрязняются пылью, парами металлов, покрываются окислами, возникающими при химических реакциях под воздействием электрической дуги (искры), подвергаются влиянию различных атмосферных агрессив-   Рис. 4-11. Роликовые контакты Рис. 4jl2. Герметичный контакт - геркон ных газов, водяных паров. Все эти факторы понижают надежность их работы и износостойкость, особенно при малых токах и напряжениях, когда окисление контактных поверхностей может привести к прекращению проводимости контактов. Указанные явления можно ослабить или практически исключить, если поместить контакты в инертный газ или вакуум. Одним из наиболее перспективных направлений усовершенствования контактных устройств (особенно на малые токи и напряжения) является разработка герметичных магнитоуправляемых контактов (МК) - герконов. Простейшая конструкция МК (рис. 4-12) представляет собой стеклянный баллон 1 с заключенными в нем двумя электродами 2 и 5. Баллон заполнен инертным газом (азот, аргон, водород и т.п.) либо вакуумирован до остаточного давления 0,13-0,0013 Па. Электроды выполнены из магнитного материала (обычно пермаллоя) и являются одновременно и магнитопроводом. Концы электродов F в месте контактирования покрываются слоем какого-либо благородного металла (золото, палладий, радий либо их сплавы). Управление МК осуществляется магнитным полем, которое может создаваться либо катушкой, либо постоянным магнитом 4. Магнитный поток Ф замыкается через электроды и воздушный зазор 5 (зазор контактов), замыкая контакты. Размыкание контактов осуществляется за счет упругих свойств электродов. Таким образом, электроды выполняют функции контакта, магнитопровода и пружины. МК может выполняться также с размыкающим или переключающим койтактами. Имеются МК с контактами, смачиваемыми ртутью, что обеспечивает их лучшее контактирование и большую коммутируемую мощность. По своим техническим характеристикам МК приближаются к бескоцтакт-ным устройствам, обладая в то же время и всеми достоинствами контактных.  10 9 Они имеют высокое быстродействие (допускают частоту включений до 100 Гц), большой ресурс (10-10* срабатываний), высокую надежность, обеспечивают коммутацию весьма малых токов при малых напряжениях (единицы микроампер при напряжении несколько милливольт), могут применяться во взрывоопасной аппаратуре, допускают эксплуатацию при любом положении в пространстве и при большом диапазоне изменения температуры (от -60 до --125°С). Основными недостатками МК являются их сравнительно малая коммутационная (до 15-60 Вт) и перегрузочная способность и низкая электрическая прочность межконтактного промежутка. В развитие указанного принципа и в целях повышения коммутационной способности разработаны магнитоуп-равляемые герметичные силовые контакты (МКС) - герсжоны. В отличие от герконов здесь применены различные детали для контактов и магнитопровода (рис. 4-13). Внутрь герметичной оболочки (плата 1, корпус 14 и крышка 9) введены полюсы 2 к 4 электромагнита. Один полюс обеспечивает жесткое крепление конца ферромагнитной пружины якоря 12, несущей подвижный контакт 10, а второй образует с этой пружиной рабочий Рис. 4-13. Герметичный силовой контакт- зазор в цепи магнитопровода. Фер-герсикон ромагнитная пружина с наружной сто- роны шунтирована более тонкими ферромагнитными пружинящими пластинками 13, значительно увеличивающими общее сечение якоря электромагнита, но практически не повышающими противодействующее усилие. Это позволяет при относительно небольшой магнитодвижущей силе получить необходимое электромагнитное усилие. Магнитодвижущая сила создается катушкой 5, размещенной вне герсикона. Контакты герсикона выполнены массивными с напайками из тугоплавкого материала. Подвод тока к подвижному контакту осуществляется посредством гибкой связи высокой проводимости. Неподвижный контакт 11 крепится на конце специального регулировочного винта 7, введенного внутрь герметичной оболочки. Такое крепление позволяет регулировать зазор, провал и контактное нажатие. Внешние зажимы 5 и 8 расположены вне герметичного корпуса. Ниппель 6 служит для обеспечения откачки воздуха из герметичного корпуса и заполнения его защитным газом (смесь азота с водородом), обеспечивающим высокую электрическую прочность (до 3000 В). Герсикон типа КМГ-12 на номинальный ток 6,3 А предназначен для работы в цепях с напряжением 380 - 440 В при частоте 50 - 60 Гц. Он способен включать ток 180 А и отключать ток 60 А. Износостойкость контактов при напряжении 380 В и частоте коммутаций 1200 включений и отключений в час двигателя мощностью 1,1 кВт составляет более 10 млн. циклов срабатываний. Герсиконы обладают большим быстродействием - около 10 мс. Мощность, потребляемая катушкой контактора с герсиконом типа КМГ-12, не превышает 2 Вт, что позволяет применять контактор в качестве выходного элемента логических устройств вместо более сложного тиристорного усилителя. 4-6. ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Зазор контактов представляет собой кратчайшее расстояние между разомкнутыми контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов (см. рис. 4-8 и 4-9). Зазор контактов обычно выбирается из условия гашения малых токов. При работе контакты изнашиваются. Чтобы обеспечить надежное их соприкосновение на длительный срок, кинематика аппарата выполняется таким образом, что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная система (система перемещения подвижных контактов) доходит до упора. Контакт крепится к подвижной системе через пружину. Бла^одаря этому после соприкосновения с неподвижным контактом подвижный контакт останавливается, а подвижная система продвигается еще вперед до упора, сжимая дополнительно при этом контактную пружину. Таким образом, если при замкнутом положении подвижной системы убрать неподвижно закрепленный контакт, то подвижный контакт сместится на некоторое расстояние, называемое провалом. В прямоходовых контактных конструкциях (см. рис. 4-9) провал измеряется непосредственно, а в аппаратах с поворотной системой (см. рис. 4-8) его определяют величиной зазора 5, контролирующего провал. Провал определяет запас на износ контактов при заданном числе срабатываний. При прочих равных условиях больший провал обеспечивает более высокую износостойкость, т.е. больший срок службы. Но больший провал, как правило, требует и более мощной магнитной системы. Контактное нажатие - сила, сжимающая контакты в месте их соприкосновения. Различают начальное нажатие Pq в момент начального соприкосновения контактов, когда провал равен нулю, и конечное нажатие Р^ при полном провале: РосЫ,- P, = Po + cAl2, (4-9) где с - жесткость контактной пружины, т. е. значение силы в ньютонах, необходимой для сжатия пружины на 1 см; - первоначальное сжатие пружины ; AI2 - дополнительное сжатие пружины при выборе провала. По мере износа контактов уменьшается провал, а следовательно, и дополнительное сжатие пружины. Конечное нажатие приближается к начальному. Таким образом, начальное нажатие является одним из основных параметров, при котором контакт должен сохранять работоспособность. 4-7. ИЗНОС КОНТАКТОВ Под износом контактов понимают разрушение рабочей поверхности коммутирующих контактов, приводящее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала. Износ, происходящий под действием электрических факторов, будем называть электрическим износом - электрической эрозией. Из-, нос под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического. При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда. При токе й напряжении, больших минимально необходимых (например, для меди при / = 0,5 А и и = 15 В), возникнет дуговой разряд. Если ток меньше минимально необходимого, а напряжение выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд. Под действием высокой температуры дуги или искры, а также других факторов (см. ниже) часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится с одного контакта на другой. Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной характеристикой является также знак износа, или знак переноса. Если больше изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак плюс, и наоборот. Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа, рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует) и износ при больших токах (при наличии дуги). ,----- Износ контактов при малых токах. Эрозия кон- тактов обусловлена тем, что разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие рас- -й.- пыления и разрыва его, но не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего контактный Рис. 4-14. Зависимость из- перешеек разрывается у анода, вследствие чего носа контактов от напряжен- износу подвергается только анод (можно считать, ности магнитного поля что сам перешеек состоит из металла анода и катода поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный. Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов. Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогаси-тельными (активно-емкостными) цепочками. В этом случае при размыкании часть энергии цепи уходит на заряд конденсатора. Длительность искрового разряда существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившихся, но еще не замкнутых контактах и как следствие этого - сваривание контактов. Износ контактов при больших токах. Износ происходит как при размыкании контактов, так и при их замыкании и зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени нет аналитического выражения для расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, полученные опытным путем. Износ контактов при размыкании. Зависимость износа от числа размыканий. Износ контактов при данной напряженности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий. Если износ при одном размыкании равен с, то за п размыканий он будет ст = СП. (4-10) Зависимость износа от напряженности магнитного поля. Эта зависимость характеризуется кривой на рис. 4-14. При малых напряженностях дуга длительное время находится на одних и тех же опорных точках, что и приводит К увеличенному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опорных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается. Однако при некоторой напряженности магнитного поля начинает сказываться новое явление, меняющее картину процесса. Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует перещеек из расплавленного металла. С ростом напряженности возрастают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем. Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания напряженности магнитного поля.  Ток Напряжение нсГ контактах t ДреЬезг от удара контактов Ток  Рис. 4-15. Дребезг контактов при замыкании Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля гашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разойтись на 1-2 мм; износ контактов практически не зависит от напряжения сети. Зависимость износа от тока. Износ контактов растет с увеличением тока. При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппаратах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля (в частности, при последовательной дугогасительной катушке), и тогда износ идет интенсивнее роста тока. Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплавляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла, влияющего на износ в области касания, может быть достигнуто за счет изменения ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, измеряемый изменением провала, обратно Пропорционален ширине контактов. Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам контур тока создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьшением скорости их расхождения. Износ контактов при замыкании. При замыкании имеет место также электрический износ, который в ряде случаев превосходит износ при размыкании. Он вызван дребезгом контактов, возникающим при замыкании. Подвижный контакт подходит к неподвижному с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов. Упругая деформация приводит к отбросу подвижного контакта - он отскакивает от неподвижного на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми долями миллиметра (иногда до 1 мм). Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой, как показано на рис. 4-15, а. При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая их Ч\\ \ If износ. \\ Дребезг при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря. При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах (рис. 4-15,6). Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов при замыкании от ряда факторов. Зависимость износа от соотношения механической и тяговой характеристик аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между механической (кривая 1) и тяговой (кривые 2, 5 и 4) характеристиками (рис. 4-16). Чем больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следовательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повышению износа. Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов (кривая 5).  Рис. 4-16. Тяговые и механическая характеристики  Нажате понижено Иажатт подышено Рис 4-17 Зависимость износа контактов при замыкании от начального нажатия Зависимость износа от начального нажатия Р„ и жесткости контактной пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения - это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении. Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг, а следовательно, и износ (рис. 4-17). На рисунке показан характер дребезга контактов при пониженном и повышенном нажатии. Кривая изображает напряжение на контактах, кривая / - ток через контакты. Как видно из графиков, при пониженном нажатии контакты размыкались несколько раз. При повышенном нажатии размыкания не было. Повышение начального нажатия ограничено тяговой характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение, при котором МДС втягивающей катушки становится недостаточной для деформации тугой пружины и имеет место отброс всей подвижной системы, износ контактов начинает возрастать (штриховая часть кривой на рис. 4-17). При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим, а следовательно, износ несколько снизится. 4-8. ДРЕБЕЗГ КОНТАКТОВ И СПОСОБЫ БОРЬБЫ С НИМ Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следующим образом (см. рис 4-15). В момент t = О произошло соприкосновение контактов (точка А), в цепи появился ток, напряжение на контактах 10 11 12   8 7 Рис. 4-18. Компенсация отбрасывающих усилий в контактах при замыкании за счет кинетической энергии деталей подвижной системы / - контактная пружина; 2 - амортизирующая пружина; 3 - контактная обойма; 4 - моетиковый контакт; 5 - неподвижный контакт;б - тяга Рис. 4-19. Компенсация отбрасывающих усилий в контактах при их замыкании при помощи пористой резины У и 7 - неподвижный контакт; 2 - вкладыш - специальная пористая резина; 3 - контактная пружина; 4 - моетиковый контакт; 5 - якорь; б - дугогасительная решетка; 8 - стальные направляющие для подвижной головки; 9 -сердечник электромагнита; 10 - основание стальное; И - токоподвод к катушке - разъемный пружинный контакт; 12 - катушка упало до нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвижный контакт остановился. Началось упругое восстановление материала контактов и обратное движение подвижного контакта. Если бы материал был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального, практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С упругое восстановление марриала контактов прекратилось, но подвижный контакт по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается. Контакт отходит на расстояние и под действием контактной пружины снова замыкается (точка D). Происходит повторное смятие материала и его восстановление, и так - несколько раз с затухающей амплитудой. На рис. 4-15 обозначено: х^ - амплитуда колебаний контакта; Хд - величина упругой деформации; Хо - остаточная деформация. Если Хк > Хд, то произойдет разрыв цепи со всеми вытекающими последствиями. Такой дребезг является опасным. Если же Хк < Хд, то, несмотря на наличие дребезга контактов, разрыва цепи не произойдет, износа контактов не будет. Такой дребезг является неопасным. Применяемые контактные материалы обладают достаточной упругостью, поэтому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невозможно. В таком случае необходимо конструировать аппараты и их коммутирующие контакты так, чтобы дребезг контактов был неопасным. Амплитуду х„ необходимо всемерно снижать. Время дребезга не должно превосходить 0,5-1 мс. Максимальное значение амплитуды колебаний контакта для поворотной системы с рычажным контактом определяется формулой [4] =-:- л .-. (4-11) 1 + 2/]/l - к где / - встроенная длина контактной пружины; о - первоначальный угол сжатия оружины; к - коэффициент восстановления, характеризующий упругие свойства материала; J - момент инерции подвижного контакта; со - угловая скорость подвижного контакта в момент удара; с - жесткость пружины. Коэффициент восстановления для некоторых материалов: Медь............. 0,95 Латунь............ 0,87 Железо............ 0,75 Поделочная сталь........ 0,5 Увеличение начального сжатия пружины или, что то же самое, увеличение начального нажатия Р„, а также увеличение жесткости с контактной пружины ведут к снижению амплитуды дребезга. При этом большее влияние на амплитуду дребезга оказывает начальное нажатие. Увеличение тягового момента М, так же как и увеличение угловой скорости со, ведут к повышению амплитуды дребезга. Таким образом, снижение дребезга контактов при замыкании и получение их замыкания без дребезга могут достигаться за счет увеличения начального нажатия и жесткости пружины, уменьшения массы подвижных контактов и скорости их замыкания. Для снижения дребезга при замыкании применяют также искусственные меры, основанные главным образом на компенсации отбрасывающих усилий, возникающих при соударении контактов. Компенсация отбрасывающих усилий может быть осуществлена за счет использования части кинетической энергии всей подвижной системы аппарата, как это показано на рис. 4-18. В момент касания контактов происходит остановка мостикового контакта. Все другие детали подвижной системы стремятся про-  должить свое движение и через амортизационную пружину временно создают дополнительное нажатие на моетиковый контакт, препятствуя тем самым его отбросу. При соответствующем подборе параметров системы (масса, жесткость пружин, скорость) можно достигнуть существенного снижения времени дребезга контактов и замыкания без дребезга. Пример другого способа компенсации отбрасывающих усилий при соударении контактов приведен на рис. 4-19. Здесь между мостиковым контактом и ведущей траверсой помещается вкладыш из специального пористого материала (вроде пористой или губчатой резины). При ударном сжатии в момент касания контактов противодействующие усилия вкладыша весьма велики. Они препятствуют отбросу контактов. Дребезг снижается. Снижение износа при замыкании может быть достигнуто за счет применения параллельных контактов (рис. 4-20). Здесь каждым из контактов включается часть тока. Вследствие разновременного размыкания контактов при их дребезге, на размыкающемся контакте не возникает дуги, что также приводит к снижению износа. Для снижения и устранения дребезга, вызываемого ударом в магнитной системе, последнюю амортизируют. Повышению коммутационной износостойкости мостиковых контактов способствует одновременность касания обоих контактов мостика. Достигнуть этого можно при самоустанавливающемся мостиковом контакте. Пример выполнения такого крепления приведен на рис. 4-9. Будучи зажат между двумя сферическими поверхностями, моетиковый контакт после Некоторого числа включений принимает положение, при котором достигается одновременное касание контактов. Рис. 4-20. Распределение тока в контактах многоступенчатой контактной системы ном ~ номинальный ток, in уд - ударное значение пускового тока, 1 - пусковой ток двигателя, - ток в каждом из контактов; ti и (2 - моменты замыкания параллельных контактов 4-9. РАБОТА КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных контактах слабым местом оказывается болтовое соединение. Болт, стягивающий детали, практически не проводит тока, и вследствие кратковременности процесса короткого замыкания можно считать, что температура болта не изменяется. Тепловое расширение токоведущих деталей вызовет дополнительное напряжение, которое, складываясь с напряжением затяжки болта, может привести к остаточным деформациям и ослаблению контактного соединения после его остывания. Поэтому болтовые контактные соединения должны проверяться на дополнительные механические напряжения, возникающие в болтовом соединении при коротком замыкании. Для коммутирующих контактов характерны: а) момент замыкания; б) замкнутое положение; в) момент размыкания. При коротких замыканиях возникает опасность сваривания контактов при нахождении их в замкнутом положении (при сквозном токе короткого замыкания) и тем более в момент замыкания (включение на короткое замыкание). При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного нажатия, вызываемого электродинамическими силами. Тепловая энер- гия, выделяемая в месте контакта и равная iR epdt, резко возрастает и мо- жет вызвать расплавление и сваривание контактов. На практике вследствие кратковременности коротких замыканий такое явление наблюдается редко. Сваривание замкнутых контактов происходит, как правило, за счет электродинамического отброса, когда электродинамические силы равны контактному нажатию или превосходят его. Возникающая при отбросе контактов дуга вызывает большое оплавление рабочих поверхностей и их сваривание при замыкании. Для определения минимального тока, при котором происходит сваривание контактов, можно пользоваться следующей опытной формулой (по данным Г. В. Буткевича [И]): ЫКУЮР, (4-12) где / - допускаемая амплитуда ударного тока. А; Р - контактное нажатие, Н; К - коэффициент, зависящий от материала контактов и числа точек соприкосновения (приведен в табл. 4-1). Таблица 4-1
При включении на короткое замыкание вероятность сваривания контактов возрастает как за счет возможного дребезга, так и за счет меньшего нажатия (в момент соприкосновения контактное нажатие равно начальному Р„). При отключении токов короткого замыкания происходит сильное выгорание и оплавление контактов. Снижение износа дугогасительных контактов достигается применением дугостойких материалов и быстрым перемещением дуги по контактам. 4-10. СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ В КОНТАКТАХ Контакт (рйс. 4-21, а) может быть представлен как проводник переменного сечения. Согласно (2-49) в месте сужения линий тока возникают продольные электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для одноточечных контактов значение этих сил определяется выражением Fi = 10-iMn-, о (4-13) 1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 30 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||