2.2. Особенности конструкции отдельных узлов и порядок расчета контактора

Поскольку важнейшим узлом контактора является контактно-дугогасительное устройство, рассмотрим особенности его конструкции более подробно. Наиболее распространенные варианты исполнения дугогасительных устройств контакторов в упрощенном виде представлены на рис. 4.

Для гашения электрической дуги при размыкании контактов применяются различные системы, краткое описание которых дано в § 1.3 [1]. Наиболее распространенными являются щелевые камеры с магнитным дутьем. Различают системы с последовательным и параллельным магнитным дутьем. На рис.4,а,б показан эскиз дугогасительного устройства с системой последовательного магнитного дутья, на рис. 4, в — его электрическая схема в совокупности с коммутируемой цепью. На рис. 4,г дана электрическая схема коммутируемой цепи с контактором, имеющим дугогасительное устройство с системой параллельного магнитного дутья.

Рис. 4 Контактно-дугогасительное устройство с системой магнитного дутья

В устройствах дугогашения с магнитным дутьем обмотка 1 размешается на сердечнике 2, который вместе с двумя пластинами 3 образует магнитопровод, охватывающий камеру 4 с обеих сторон и обеспечивающий подведение магнитного потока в зону горения дуги между контактами 5. При взаимодействии магнитного потока с током дуги последняя перемещается по контактам, переходит на дугогасительные рога 6, значительно удлиняется, попадает в щелевую часть камеры и гаснет. Гашение дуги происходит, таким образом, из-за интенсивного охлаждения и быстрого увеличения сопротивления столба дуги.

При последовательном магнитном дутье (рис. 4,в) обмотка 7 включается в цепь коммутируемого тока, а при параллельном (рис. 4,г) дутье обмотка 8 включается на полное напряжение. Катушка последовательного магнитного дутья обычно имеет от двух до десяти витков и выполняется в виде наматываемой на ребро шины прямоугольного сечения (без изоляции) с воздушными промежутками между витками. Обмотка параллельного магнитного дутья наматывается на магнитопровод со значительным числом витков проводником с изоляцией, рассчитанной на напряжение сети. В обоих исполнениях взаимодействие магнитного поля с током дуги должно приводить к появлению усилия, перемещающего дугу в камеру.

Если представить дугу как проводник с током /, помещенный в магнитное поле с индукцией В, то сила перемещения, воздействующая на дугу, определяется как [3]

, (1)

где — длина проводника; — угол между вектором магнитной индукции и вектором длины.

Если учесть, что в системах магнитного дутья угол и индукция , то (1) преобразуется к виду:

, (2)

где ¾ магнитная проницаемость (в данном примере для воздуха ).

Если принять допущение о том, что магнитопровод системы магнитного дутья в процессе работы

не насыщается, то напряженность магнитного поля в зоне горения дуги

, (3)

где N — число витков катушки магнитного дутья; i — ток в катушке; D — расстояние между пластинами магнитопровода в зоне перемещения дуги (см. рис. 4).

Далее необходимо учесть, что при последовательном дутье ток в катушке равен коммутируемому току, а при параллельном дутье определяется соотношением

, (4)

где U — напряжение сети; R_к — электрическое сопротивление обмотки.

Тогда сила воздействия на дугу:

при последовательном дутье

; (5)

при параллельном дутье

. (6)

На рис. 5 [3] для сравнения приведены зависимости силы последовательного Р₁ и параллельного Р₂ магнитного дутья, а также соответствующие этим силам времена дуги от отключаемого тока. Эти зависимости показывают, что в общем случае при отключении малых токов параллельное дутье более эффективно и время дуг и меньше по сравнению с последовательным дутьем. При увеличении отключаемого тока в дугогасительном устройстве с последовательным дутьем сила дутья быстро возрастает (пропорционально квадрату тока), время дуги уменьшается и поэтому целесообразность применения именно такого устройства при коммутации больших токов очевидна.

Рис. 5 Зависимости силы магнитного дутья и времени дуги от отключаемого тока

Кроме описанных систем магнитного дутья находят также применение дугогасительные устройства с постоянными магнитами, которые по принципу действия аналогичны системам с параллельным дутьем.

Важную роль в дугогашении играют дугогасительные камеры, которые могут быть щелевыми (разной конфигурации), с деионными металлическими пластинами (дугогасительной решеткой) и комбинированными. В камере с решеткой дуга при горении разделяется пластинами на ряд коротких дуг, интенсивно охлаждается и быстро гасится.

При расчете контактора обычно заданы номинальный ток I_ном, предельный отключаемый ток I_пр, номинальное напряжение U_ном, коммутационная износостойкость, относительная продолжительность включения и частота коммутационных операций в час.

Примерный порядок расчета параметров контактора по рекомендациям проф. Таева И.С. сводится к следующим этапам.

1. Определяется площадь сечения токоведущих частей аппарата при номинальном и предельных токах (в кратковременном режиме). При этом температура нагрева токоведущих частей не должна превышать (в соответствующем режиме) допустимую температуру для применяемой в аппарате изоляции.

1. Рассчитывается сила контактного нажатия:

а) в продолжительном режиме номинального тока (критерий — допустимая температура нагрева контактного материала в точках контактирования);

б) в кратковременном режиме при коммутации предельного тока возникающие при этом электродинамические силы отталкивания в контактах не должны приводить к расхождению и привариванию контактов;

Расчетная сила контактного нажатия должна быть равна наибольшему из полученных в пп. а) и б) значений.

3. Определяется раствор контактов исходя из условий гашения дуги при малых токах, когда время дуги наибольшее (см. рис. 5).

3. Рассчитываются параметры дугогасительного устройства, которое обеспечивало бы надежное гашение дуги за время не более 0,1 с — при постоянном токе и не более 0,04 с — при переменном. Расчетные условия гашения дуги и основные критерии успешной коммутации изложены в § 2.1 [1].

3. Рассчитывается необходимая наружная поверхность дугогасительной камеры из условий ее допустимого нагрева [3].

4. Определяется время дуги, перенапряжение и коммутационная износостойкость (§2.1 [1] и [5]); по коммутационной износостойкости определяется линейный износ контактов, а по нему — провал контактов, который должен быть примерно в 2,5 раза выше линейного износа.

7. Строится характеристика противодействующих усилий и рассчитывается тяговая характеристика электромагнита (с учетом рекомендаций к рис. 2); определяются параметры электромагнита.

8. При необходимости оценивается вибрация контактов, рассчитывается время срабатывания контактора и его коэффициент возврата [3].