9.2. Основные элементы контактных аппаратов
В общем случае контактный электрический аппарат состоит из следующих основных частей: контактов, привода, дугогасящего устройства и панели. Некоторые аппараты могут иметь не все перечисленные элементы (например, реле, как правило, не
имеют дугогасящих устройств, а предохранители и резисторы — приводов и т. д.).
Контакты. Электрическим контактом называется место перехода тока из одной детали в другую, а сами детали — контактами. Контакты являются основными элементами коммутирующих аппаратов. Электрическое сопротивление в месте перехода (переходное контактное сопротивление) определяет допустимый ток контактов. Допустимый ток зависит от материала и качества обработки контактных поверхностей, наличия окисных пленок на поверхностях контактов и силы, сжимающей контакты, которая называется силой нажатия. При токе, большем допустимого, контакты нагреваются, контактное сопротивление и потери резко возрастают. В результате может произойти подплавление или сваривание контактов и выход аппарата из строя.
Если контакты подвержены ударам при замыкании или действию электрической дуги при размыкании, то переходное сопротивление в первую очередь зависит от силы нажатия. Площадь таких контактов не играет большой роли, так как на их поверхности всегда имеются неровности и фактическая площадь касания определяется силой нажатия. Для уменьшения контактного сопротивления широко применяют так называемое притирание контактов. Различные стадии процесса замыкания контактов представлены на рис. 9.1. При повороте рычага 4 вокруг оси А соприкосновение подвижного 2 и неподвижного / контак-
тов происходит в точке а. При дальнейшем перемещении рычага 4 пружина 3 сжимается, подвижный контакт 2 поворачивается вокруг оси О, а линия контакта перемещается к точке б (включенное положение). Форму подвижного 2 и неподвижного ) контактов выбирают такой, чтобы расстояние а'б было больше расстояния а"б (а' и а" — точки на подвижном и неподвижном контактах, соответствующие точке а). Благодаря этому в процессе включения аппарата происходит проскальзывание подвижного контакта по неподвижному — притирание. При этом с поверхности контактов снимается пленка окисла, несколько сглаживаются неровности и увеличивается поверхность непосредственного контакта. Все это уменьшает переходное сопротивление контактов.
Надежность и качество контактного соединения во многом зависят от удельного сопротивления материала контакта и его окисла, стойкости к окислению и образованию дуги, температуры плавления, упругости и стойкости к истиранию. В качестве материала контактов чаще применяется медь, имеющая небольшое сопротивление, достаточную механическую прочность и износостойкость. Для повышения износостойкости применяют медь с присадкой кадмия. Недостаток медных контактов — сильное образование окислов. Поэтому такие контакты необходимо периодически зачищать. Серебро и, главное, его окислы обладают значительно меньшим сопротивлением, чем медь. Однако серебро уступает меди
Рис. 9. 1. Последовательность замыкания контактов
по дуго- и износостойкости и стоимости. Поэтому серебряные контакты практически непригодны в аппаратах, где при размыкании цепи возможно возникновение дуги. Серебряные контакты в виде тонких пластинок, напаиваемые на медные держатели, применяют для контактов в цепях управления и т. д. Широкое применение находят металлокерами-ческие контакты (серебряно-кадмиевые, серебряно-вольфрамовые и др.), имеющие высокую дуго- и износостойкость.
У контакторов различают главные (силовые) контакты, коммутирующие главные (силовые) цепи, и вспомогательные (блокировочные), коммутирующие вспомогательные цепи, которые должны замыкаться (или размыкаться) одновременно с главными цепями. В коммутационных аппаратах чаще всего встречаются линейные (рис. 9.2, а) или точечные (рис. 9.2, б) контакты. Первые, как правило, применяют для главных, а вторые — для блокировочных контактов.
Размеры и допустимые нагрузки контактов выбирают на основе расчета их нагрева и износа. Однако эти расчеты весьма сложны и приближенны. Поэтому предварительно размеры контактов выбирают по опытным данным, а окончательно устанавливают на основании испытаний опытных образцов. Основные параметры, определяющие размеры контактов: / — удельная сила нажатия, Н/м2; / — плотность тока, А/м2, или отношения //Т и I/Ь. Здесь / — длительный ток, проходящий через контакты, А; Р сила нажатия, Н; Ь — ширина контактов, м.
Рис. 9.2. Контакты: а — линейные; б — точечные
Эксплуатационное состояние контактов характеризуется:
силой нажатия, определяемой с помощью динамометра по усилию, необходимому для отрыва подвижного контакта при номинальном усилии, создаваемом приводом;
раствором — минимальным расстоянием между контактами в выключенном положении аппарата;
притиранием — расстоянием, проходимым точкой (линией) контакта от момента соприкосновения до окончания движения подвижного контакта (1=а"б — а'б, см. рис. 9.1,6);
провалом — расстоянием, которое мог бы пройти подвижный контакт от момента соприкосновения, если убрать неподвижный контакт.
Нормальным положением любого аппарата принято считать выключенное. Соответственно с этим различают контакты замыкающие (разомкнутые в нормальном положении) и размыкающие.
Приводы. Работа большинства аппаратов связана с перемещением подвижных частей, осуществляемым специальными механизмами — приводами. Приводы могут быть непосредственные (ручные), электромагнитные, электропневматические и электродвигательные. Непосредственный привод имеют контроллеры машиниста, рубильники, выключатели и т. д. Конструкция этих приводов не требует пояснений.
Электромагнитный привод — это такой привод, в котором перемещение подвижных частей создается за счет притяжения якоря 4 (рис. 9.3) к сердечнику 3 электромагнита. Магнитный поток, создаваемый катушкой 2 при протекании по ней тока, замыкается через ярмо /, сердечник 3, якорь 4 и воздушный зазор х. При отключении тока в катушке аппарат выключается пружиной 5. Сила притяжения электромагнитного привода зависит от воздушного зазора х и магнитодвижущей силы катушки. Преимуществами электромагнитного привода являются его простота
Рис. 9.3. Схема аппарата с электромагнитным приводом
и надежность, а недостатками — относительно небольшие ход и сила притяжения.
Пневматический привод применяют в тех случаях, когда необходимо создать большие силы при значительных перемещениях, т. е. когда электромагнитный привод становится тяжелым, громоздким и требует большого расхода цветных металлов. При перемещениях до 50 мм применяют диафрагменные приводы (рис. 9.4, а), а при больших перемещениях — поршневые (рис. 9.4,6). Включение аппарата осуществляется при впуске сжатого воздуха в рабочую камеру /. Под действием давления воздуха поршень 5 (или диафрагма 3) перемещает шток 5, связанный с подвижным контактом аппарата. При выпуске воздуха из рабочей камеры пружина 7 возвращает пор-
Рис. 9.4. Схемы пневматических приводов: а — диафрагменного; б—поршневого; /—рабочая камера; 2— крышка; 3—диафрагма; 4— корпус; 5— шток; 5— цилиндр; 7— пружина; 8— поршень; 9— манжета
шень в исходное положение, выключая аппарат. Для некоторых аппаратов это недопустимо (реверсор, тормозной переключатель, аппараты без дугогашения и т. д.). В таких случаях применяют привод, показанный на рис. 9.5, а или б, который является двухпозиционным, т. е. имеет два фиксированных положения.
Впуск и выпуск воздуха из цилиндров осуществляются электропневматическими вентилями двух типов: включающими — при протекании тока по катушке вентиль впускает воздух в цилиндр (рис. 9.6) и выключающими — при протекании тока по катушке вентиль выпускает воздух из цилиндра. На корпус 8 электропневматического вентиля установлена катушка 4. Внутри катушки имеются направляющие гильзы 2 и 6. Плунжер 3 и клапаны 5 и 7 состав-
Рис. 9.5. Схемы двухпозиционных пневматических приводов: а ■■— рычажного; б -- реечного
Рис. 9.6. Включающий электропневматический вентиль
ляют подвижную часть вентиля. При отсутствии тока в катушке пружина 9 поднимает подвижную часть. При этом нижний клапан 7 перекрывает доступ сжатого воздуха из канала А в цилиндр привода (канал Б), а верхний клапан 5 сообщает цилиндр
Рис. 9.7. Электромагнитное дугогасящее устройство
привода с атмосферой через канал В. При протекании тока по катушке плунжер 3 втягивается в катушку и опускает подвижную часть. При этом перекрывается канал В, сообщающий цилиндр с атмосферой, и открывается канал для доступа сжатого воздуха в цилиндр. Кнопка / служит для ручного включения вентиля.
К недостаткам пневматических приводов относятся необходимость сжатого воздуха для их работы и трудности эксплуатации и ремонта, связанные с надежностью уплотняющих устройств как в цилиндрах, так и в клапанах.
Электродвигательный привод применяют при большом числе позиций, когда пневматические приводы становятся слишком сложными и не требуется очень четкая фиксация привода по позициям. На тепловозных аппаратах такие приводы не применяются.
Дугогасительные устройства. При размыкании контактов, по которым протекает ток, неизбежен момент, когда переходное сопротивление из-за уменьшения силы нажатия резко увеличивается, в результате происходит местный нагрев контактов. Если сила тока в цепи больше 0,1 А, а напряжение между разомкнутыми контактами более 10—20 В, то воздух между контактами ионизируется — возникает дуговой разряд. Температура дуги достигает 2000—3000 °С, и поэтому во избежание повреждения контактов дугу необходимо возможно быстрее погасить. С другой стороны, практически любая электрическая цепь имеет индуктивность и при разрыве тока в ней возникает э.д.с. самоиндукции, пропорциональная скорости изменения тока в цепи. Поэтому при слишком быстром гашении дуги могут возникнуть опасные перенапряжения в цепи.
Основное средство гашения дуги— это увеличение ее длины. При малых напряжениях и токах дуга гаснет, когда расстояние между контактами становится достаточно большим.
Если же разрывают цепи с большим током, то даже при небольших напряжениях для гашения дуги необходим такой раствор контактов, который конструктивно трудно осуществить. В этих случаях в тепловозных аппаратах применяют способ магнитного гашения дуги, основанный на взаимодействии тока в дуге и магнитного поля.
В цепь тока, разрываемого контактами, включают катушку / (рис. 9.7) с сердечником 2, к которому с двух сторон примыкают стальные полюсы (щеки) 3. Между полюсами возникает магнитное поле, направление которого выбирают так, чтобы дуга под действием поля перемещалась вправо. При этом дуга переходит с поверхности контактов на специальные рога 5 и 6. Ее длина (тонкие линии на рисунке) увеличивается до тех пор, пока дуга не погаснет. Дуга непрерывно перемещается по холодной поверхности рогов, что также способствует гашению дуги. Так как дуга возникает в точке а (см. рис. 9.1) размыкания контактов, то само место контакта (точка б) не подвергается действию дуги. Между полюсами и дугой располагаются стенки дугогаситель-ной камеры 4 (см. рис. 9.7) из дугостойкого материала (обычно асбоцемент), которые защищают полюсы от оплавления дугой и, отводя тепло от дуги, способствуют ее гашению. Дугогасительную камеру часто разделяют перегородками для более эффективного гашения дуги.
