Достоинства и недостатки контактной коммутации
Основное достоинство коммутирующего контакта – это возможность получить малое значение сопротивления RК → 0 в электрической цепи, когда контакт замкнут, и большое сопротивление RК → ∞, когда контакт разомкнут (глубина коммутации h=107…1014). При реализации такой возможности контакт приближается по своим коммутирующим свойствам к идеальному ключу.
Потери электрической энергии на коммутирующем контакте в статическом режиме работы аппарата минимальны. Падение напряжения на замкнутом контакте обычно составляет единицы милливольт.
Коммутирующий контакт выдерживает практически любые перенапряжения; пробивное напряжение воздушного промежутка между контактными деталями составляет до десятков киловольт (для зазора δ=1 см около 30000 В).
Коммутирующий контакт выдерживает практически любые токовые перегрузки (при протекании тока по времени до 0,01 секунды допустима перегрузка током примерно в 700 раз в сравнении с номинальной нагрузкой контакта).
Электрические контакты способны коммутировать высоковольтные электрические цепи при напряжениях в десятки и сотни киловольт. Они являются основными коммутационными элементами аппаратов высокого напряжения.
Аппараты контактной коммутации компактные в исполнении; легко осуществляется создание аппарата для коммутации нескольких цепей, причем контакты аппарата обеспечивают гальваническую развязку цепей друг от друга.
Основные недостатки коммутирующего контакта обусловлены его относительно низким быстродействием, возникновением электрического разряда при замыкании и размыкании, механическим и электрическим износом, а также вибрацией, возникающей при соударении подвижных и неподвижных частей контактного узла. Эти недостатки характерны для переходных режимов коммутации электрических цепей. Часто коммутационные процессы сопровождаются значительными звуковыми явлениями.
Быстродействие коммутирующего контакта находится в обратной зависимости от коммутационной способности контакта, т. е. от допустимого максимального по величине коммутируемого тока. С целью увеличения быстродействия и уменьшения времени горения электрической дуги повышают скорость перемещения подвижного контактного узла. Однако сближение контактных деталей с большой скоростью приводит к удару и последующему отскоку и вибрации подвижной контактной детали (например, мостика). Удаление с малой скоростью затягивает время горения электрической дуги. Эти факторы учитывают при конструировании привода17 электрического аппарата.
Увеличение силы воздействия привода на коммутирующий контакт связано с увеличением габаритов и утяжелением конструкции, а также с увеличением затрат мощности на управление. В низковольтных аппаратах мощность управления может составлять десятки ватт. В аппаратах высокого напряжения она значительно выше. Увеличение силы привода встречает ограничение по этим показателям, а также ограничения из-за необходимости смягчения ударов подвижных частей для повышения механической износоустойчивости, снижения шума при работе аппарата и вибрации контакта.
Наибольшую частоту коммутации цепи до десятков герц получают у герметизированных контактов – герконов (см. п. 3.8). Это достигается снижением массы подвижных частей и исключением контактной пружины, как отдельной детали контактного узла. Силовые герконы – герсиконы позволяют коммутировать цепи с токами до 10 А.
Некоторые из отмеченных недостатков устранены у так называемых жидкометаллических контактов (ЖМК). В основу создания ЖМК положено использование жидкого металла (ртуть, галлий, индий и др.) для электрического соединения между собой токоведущих твердометаллических контактных деталей. Аппараты с ЖМК способны коммутировать цепи с токами 200 кА и выше. При этом нет необходимости в больших контактных нажатиях и применении дефицитных материалов для снижения переходного сопротивления коммутирующего контакта. Для ЖМК снимаются проблемы сваривания, вибрации и отброса контактных деталей.
Глава 3
ПРИВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА АППАРАТОВ
КОНТАКТНОЙКОММУТАЦИИ
Общие сведения
Аппарат контактной коммутации – это электрический аппарат, который производит коммутацию электрических цепей своими коммутирующими контактами. Для приведения в действие коммутирующих контактов в аппарате предусматривается приводное устройство.
В общем представлении приводное устройство, иначе, приводэлектрического аппарата определяют как систему взаимосвязанных устройств и механизмов, предназначенную для выполнения требуемых механических операций и их циклов, обеспечивающих работоспособность аппарата в условиях эксплуатации17. В аппаратах контактной коммутации привод предназначен для замыкания и размыкания коммутирующих контактов путем перемещения подвижного контактного узла каждого контакта (см. п. 2.2). В аппаратах применяют механические, электромагнитные, магнитоэлектрические и иные типы приводов.
Механический привод применяют в аппаратах ручного управления (см., например, АРУ на рис. 1.8), путевых и конечных выключателях. Он преобразует управляющее механическое воздействие (см. п. 1.1.3) в перемещение (поступательное ρ или поворотное α) подвижного контактного узла - ПКУ (см. п. 2.2). Для непосредственного восприятия управляющего механического воздействия в аппарате предусматривается орган управления18 (кнопка, рукоятка, штурвал, педаль или др.),
Аппарат контактной коммутации с механическим приводом представим с помощью структурной схемы, показанной на рис. 3.1.
Входное управляющее воздействие на механический привод аппарата во многих случаях может рассматриваться как силовое воздействие, создаваемое источником силы F или момента силы М (см. п. 1.2). В зависимости от назначения и конструкции аппарата источником управляющего воздействия ИУВ может быть человек (см., например, п. 1.3, рис. 1.4; п. 1.4), может быть какой-либо механический объект, перемещающийся относительно аппарата с некоторой скоростью. Силовое соприкосновение объекта с органом управления ОрУ аппарата вызывает перемещение ОрУ и изменение его линейной (λ) или угловой (β) координаты в зависимости от конструкции ОрУ.
| FK |
| Механический привод Контактный узел |
| ρ (α) |
| λ (β) |
| Механическая передача |
| Рис. 3.1. Структурная схема аппарата контактной коммутации с механическим приводом |
| F |
| δ |
| RK |
| ОрУ |
| ПУ |
| ПКУ |
| КК |
| ИУВ |
| ЭЦ |
Перемещение органа управления ОрУ передается подвижному контактному узлу ПКУ через передаточное устройство ПУ, которое обычно представляет собой пружинный механизм, способный запасать механическую энергию. Перемещение (ρ) ПКУ приводит к изменению зазора δ и контактного нажатия FK коммутирующего контакта КК (см. п. 2.2), с помощью которого изменяется сопротивление RK в электрической цепи ЭЦ (см. п. 2.6).
Механическая передача (МП) представляет собой совокупность звеньев кинематической цепи, по которой передается механическая энергия управляющего воздействия от органа управления ОрУ к коммутирующему контакту КК. В состав МП входят подвижные звенья передаточного устройства ПУ и подвижного контактного узла ПКУ. Механическая передача МП предназначена для замыкания и размыкания коммутирующего контакта КК за счет энергии источника управляющего воздействия ИУВ, а также за счет энергии, накопленной в ПУ и ПКУ. Обычно для накопления энергии в МП используются пружины.
Аппарат в зависимости от конструкции может иметь один КК (см. рис. 3.1) или несколько КК и соответствующее количество механических передач МП. С помощью механической передачи МП может передаваться управляющее воздействие на КК от нескольких ОрУ, если это предусмотрено в конструкции электрического аппарата. Например, в автоматическом выключателе АП-50 предусмотрено механическое приводное устройство с двумя кнопками, которые используются в качестве органов управления. Мускульным нажатием на одну кнопку производится включение автоматического выключателя, замыкание КК, нажатием на другую кнопку – отключение аппарата, размыкание КК.
На основе структурной схемы рис. 3.1 можно представить не только аппараты ручного управления, но и разнообразные дистанционно управляемые аппараты контактной коммутации (см. п. 1.4.1, п. 1.4.2) с электромагнитным, магнитоэлектрическим, или другим типом электромеханического привода. У этих аппаратов силовое воздействие F создается путем преобразования электрической энергии в механическую энергию с помощью специального входного устройства, получающего управляющий сигнал из электрической цепи управления или из силовой электрической цепи (см. п. 1.1.3).
Конструкцию органа управления ОрУ такого аппарата «приспосабливают»для работы с входным устройством.Например, у многих дистанционно управляемых аппаратов входным устройством служит электромагнит, и в качестве ОрУ, иначе говоря, вместо органа ручного управления используется так называемый якорь из ферромагнитного материала, притягиваемый к электромагниту силой F, когда по виткам обмотки электромагнита протекает электрический ток. Электромагнит и якорь, рассматриваемые вместе как функциональный узел аппарата, образуют преобразовательное устройство(ПрУ). С помощью ПрУ электрическая энергия, передаваемая электромагниту по электрической цепи, преобразуется в механическую энергию перемещения якоря, передаваемую далее к коммутирующему контакту по кинематической цепи механической передачи. ПрУ в виде электромагнита с якорем называют электромагнитным ПрУ или, иначе, электромагнитным механизмом.
В зависимости от типа применяемого в аппарате преобразовательного устройства конкретизируют название привода аппарата и электрического аппарата в целом, например, электромагнитный, магнитоэлектрический, электродинамический и т. д. Любой из этих аппаратов может быть представлен структурной схемой, аналогичной схеме на рис. 3.1, с той лишь разницей, что на место ОрУ в схему следует поместить ПрУ. При этом в качестве источника управляющего воздействия ИУВ выступает электрическая цепь и аппарат можно рассматривать с информационной точки зрения как устройство, передающее сигнал из одной электрической цепи в другую электрическую цепь (см., например, АДУ, АЗУ на рис. 1.8).
Механические передачи