Разновидности электромагнитных контакторов

Контакторы с жидкометаллическими контактами (ЖМК) являются перспективными аппаратами коммутации сильноточных цепей. Один из вариантов реализации контактора с ЖМК приведен на рис. 2.5.

Аппарат включается при подаче напряжения U _у на обмотку катушки 7 электромагнитного привода с якорем 8 и толкателем 6. Якорь втягивается в катушку под действием электромагнитной силы тяги и, перемещая толкатель вверх, сжимает сильфон 5. В результате повышается уровень жидкого металла 3, сосредоточенного в сильфоне и изоляционном кожухе 4, и контактные детали 2 и 1 оказываются погруженными в жидкий металл. Тем самым замыкается электрическая цепь с нагрузкой Z _Н. Падение напряжения сети U _С перераспределяется с контакта на нагрузку Z _Н. Теперь нагрузка получает питание по замкнутой контактом цепи.

При отключении катушки от питания U _у электромагнитная сила тяги перестанет действовать, и сильфон за счет упругих сил расправится к первоначальному состоянию, снизив уровень жидкого металла в аппарате. Когда уровень опустится ниже контактных деталей 1 и 2, цепь с Z _Н окажется разомкнутой, и падение напряжения U _С сосредоточится на контактных деталях аппарата. Теперь нагрузка Z _Н отключена от питания, т. к. сопротивление контакта R _К → ∞.

Для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контакта, когда уровень жидкого металла становится ниже контактных деталей 1 и 2, применяется специальное магнитное дутье, создающее магнитный поток в радиальном направлении внутри аппарата (на рис. 2.5 дугогасительное устройство не показано). В магнитном поле дуга вращается, чем обеспечивается ее успешное гашение.

Такой контактор с ЖМК коммутирует токи до 3,1 кА при напряжении 100 В, обеспечивая время гашения дуги до 0,01 с и время включения 0,02 с [6]. В качестве жидкого металла используются ртуть, галлий и его сплавы, а также сплавы щелочных металлов с температурой плавления от минус 68^ОС и ниже¹.

Достоинства контакторов с ЖМК:

· снижение потребления электроэнегии при коммутации сильноточных цепей;

· отсутствие вибрации и свариваемости контактов;

· независимость контактного сопротивления от контактного нажатия;

· независимость состояния контактной поверхности от количества срабатываний;

· возможность регенерации контактного материала в процессе коммутации;

· возможность циркуляции жидкого металла с целью интенсификации охлаждения контактного узла.

Одним из основных недостатков ЖМК является зависимость их работоспособности от положения в пространстве. От этого недостатка свободны композиционные ЖМК, контактный материал которых состоит из пористого каркаса, пропитанного легкоплавким металлом или сплавом.

1. См. Клевцов А. В. Средства оптимизации потребления электроэнергии. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

Вакуумные контакторы имеют контактные системы с герметизированными камерами, в которых находятся главные контакты. Давление газа в камере может быть снижено до 10^-6…10^-8 Па. Контакты, как принято считать в этом случае, находятся в вакууме [6]. Электрическая дуга, возникающая при размыкании контакта, отделена от внешней среды стенками камеры.

Ток вакуумной дуги протекает за счет эмитированных с катода (т. е. с соответствующей контактной детали) электронов. Совместно с парами металла свободные электроны образуют газоразрядную среду, в которой горит дуга.

Вакуум обладает высокой способностью восстанавливать электрическую прочность зазора между контактными деталями. Поэтому при переменном токе (50 Гц) продолжительность горения вакуумной дуги не превышает 0,01 с (дуга гаснет при первом переходе тока через нулевое значение).

Вследствие интенсивной деонизации и быстрого роста сопротивления дугового канала гашение дуги в вакууме сопровождается резким изменением силы тока i в цепи, что вызывает перенапряжение U_max=L (di/dt) на контактных поверхностях контакта (здесь L - индуктивность цепи).

Вакуумные контакторы серии КДВ на 660 В и 1140 В рассчитаны на номинальные токи 63, 160, 400 А. Их включающая способность определяется силой тока до 8800 А, отключающая способность – до 4800 А.

Силовые герметизированные контакторы (герсиконы) разработаны на основе модернизации герконов. На рис. 2.6 иллюстрируется один из принципов построения гесикона.

В герметичный стеклянный баллон впаян П-образный магнитопровод электромагнитного механизма, обмотка катушки которого входит в состав электрической цепи управления (ЭЦУ). Якорь ЭММ в виде пластины выполнен из упругого ферромагнитного материала и закреплен на левом полюсе магнитопровода. При свободном состоянии якоря между ним и правым полюсом магнитопровода есть зазор. На правом конце якоря расположена токопроводящая контактная деталь, изолированная от пластины якоря (контактный мостик). Когда на катушку ЭММ подается напряжение по цепи ЭЦУ, якорь под действием возникшей электромагнитной силы притягивается к правому полюсу ЭММ (см. [1] разд. 4), и контактный мостик, перемещаясь вместе с якорем, перемыкает встроенные в баллон неподвижные контактные детали коммутирующего контакта КК_Г, замыкая тем самым электрическую цепь ЭЦС. При отключении катушки от напряжения в цепи ЭЦУ электромагнитная сила перестает действовать на якорь, и он упругими силами отрывается от правого полюса магнитопровода. Контакт КК_Г размыкается, разрывая цепь ЭЦС.

Промышленный образец герсикона КМГ-12 для тока 6,3 А и напряжения 440 В приводится в действие магнитодвижущей силой срабатывания 350 А при мощности обмотки катушки 1,8 Вт. Время срабатывания 1…10 мс. Переходное сопротивление 0,007 Ом. Износостойкость 10⁷ срабатываний. Частота коммутаций до 1200 в час [6].

Синхронные контакторы обладают способностью размыкать контакты незадолго до перехода переменного тока через нулевое значение. В этом случае ствол возникшей электрической дуги не успевает существенно разогреться и аккумулировать в своем объеме значительный запас теплоты. Эта теплота быстро рассеивается вблизи перехода тока через нулевое значение, а электрическая прочность в зазоре контакта приобретает более высокие значения, чем падение напряжения (см. [1] п. 2.7). Создаются условия, при которых дуга гасится, не успев разогреться. Цепь разрывается контактом практически без дуги.

Существует несколько принципов синхронизации момента размыкания контакта с моментом перехода тока через нулевое значение. Например, если участок электрической цепи активно-индуктивный, то напряжение опережает по фазе ток, протекающий по этому участку. Следовательно, напряжение на этом участке будет несколько раньше достигать нулевого значения, чем ток. Напряжение контролируется специальным нуль-органом. Он срабатывает, когда напряжение достигает нулевого значения и подает сигнал на отключение аппарата (до перехода тока через нулевое значение). Чтобы исключить влияние инерционности всей подвижной системы аппарата на точность синхронизации, разработаны синхронизирующие устройства, встраиваемые непосредственно в контакты аппарата [6].

Гибридные контакторы (их называют также бездуговыми контакторами [2]) выполнены на основе электромагнитных контакторов. Их особенность заключается в том, что каждый главный контакт снабжен полупроводниковой приставкой, подключенной параллельно контакту. Приставка предназначена для проведения через себя тока во время размыкания контакта. При этом электрическая дуга имеет место на контакте в течение короткого промежутка времени, пока ток с контакта переходит в полупроводниковую приставку. Обычно тиристор используется в полупроводниковой приставке для шунтирования контакта на время его размыкания. В гибридных контакторах переменного тока используются на один контакт два тиристора, включенных встречно-параллельно для того, чтобы ток мог протекать по цепи в обоих направлениях по силовой цепи.

Упрощенная функциональная схема узла системы с гибридным контактором переменного тока представлена на рис. 2.7.

В состав гибридного контактора кроме электромагнитного контактора КМ входит полупроводниковая приставка ПП и два трансформатора тока ТА1 и ТА2, подключенные к силовой электрической цепи (ЭЦС) питания двигателя (для двигателя М показана только одна фаза коммутируемой трехфазной сети). В рассматриваемом случае в ПП применен тиристорный ключ ТК, состоящий из двух силовых однооперационных тиристоров. Управление каждым тиристором осуществляет система управления (СУ) по сигналу, принимаемому от соответствующего трансформатора тока. Формируемые системой СУ токи управления поступают на управляющие электроды тиристоров.

При включенном КМ (напряжение U _у приложено к катушке КМ по цепи управления ЭЦУ) ток силовой цепи проводит главный контакт КМ, а тиристоры закрыты, так как анодное напряжение на них (между анодом и катодом) меньше порогового значения (примерно 1 В) из-за малого сопротивления (R_К), вносимого в ЭЦС замкнутым контактом КМ.

При отключении контактора КМ (U _у =0) его контакт размыкается и между контактными деталями появляется электрическая дуга (см. [1] п. 2.5…2.8). Когда напряжение на дуге превысит пороговое для тиристора значение, ток управления откроет тиристор, находящийся в данный момент под прямым напряжением. Открывшийся тиристор будет проводить через себя ток ЭЦС до конца полупериода переменного тока. Затем тиристор перейдет в непроводящее состояние. Поскольку при открытом тиристоре ток с контакта КМ перешел в тиристор, дуга на контакте быстро гаснет. Теперь трансформаторы ТА1, ТА2 не вырабатывают в своих вторичных обмотках сигналы для СУ, и СУ больше не формирует токи управления тиристорами. Поэтому тиристоры будут сохранять непроводящее состояние. Таким образом, ток в цепи ЭЦС отключается в течение полупериода, и электрическая дуга горит при частоте тока 50 Гц не более 0,01 с.

Кроме формирования токов управления системе СУ могут быть приданы и другие функции (см. [1] п. 6.7).

Если ЭЦС постоянного тока, то в гибридном контакторе постоянного тока достаточно использовать один силовой тиристор в составе ПП. Для запирания тиристора после гашения дуги обычно используется конденсатор. СУ подключает предварительно заряженный конденсатор к анодной цепи тиристора, и конденсатор, разряжаясь через тиристор, уменьшает в нем прямой ток настолько, что тиристор закрывается и переходит в непроводящее состояние.

На переменном токе применяют гибридные контакторы серий КТ и КТП, рассчитанные на номинальные токи от 160 до 630 А при напряжении 380 или 660 В и допустимой частотой включений не более 2000 в час. Разработаны гибридные контакторы постоянного тока (серия КП81). Они обеспечивают электрическую износостойкость более 5 млн. циклов при частоте 2000 включений в час, рассчитаны на номинальные токи 160…630 А при напряжении 220 в.

К числу бездуговых контакторов относят гибридные контакторы типа БКБ, КБК, МК2-20Е, МК2-30Е, МК3-30Е на номинальные токи 63…250 А при напряжении 380 и 660 В. Контактор с ограниченным дугообразованием КТ-6043БР рассчитан на номинальный ток 400 А при напряжении 1140 В [2].