Электромеханические коммутационные устройства с бездуговой коммутацией.

Введение

Многие электротехнические устройства, участвующие в производственных процессах, включают электрические аппараты. Широкое применение электрические аппараты получили для управления потоком электрической энергии. Во многих системах управления электроприводов механизмов, используются электрические аппараты -контактные коммутационные аппараты (электромеханические контакторы и реле).
К основным достоинствам контактных коммутационных аппаратов (контакторов) относятся большая перегрузочная способность по току нагрузки и управления, относительно невысокая стоимость, возможность одновременной коммутации нескольких независимых, гальванически не связанных электрических цепей с различными величинами напряжений и токов, низкое, относительно стабильное переходное сопротивление между замкнутыми контактами, высокая глубина коммутации.
Недостатками контактных коммутационных аппаратов являются процесс дугообразования в переходных режимах при больших коммутируемых токах и низкое быстродействие.
Анализ опыта эксплуатации электроприводов с регулируемой угловой скоростью электродвигателей, в состав которых входят релейно-контакторные схемы управления, позволяет сделать вывод, что самым слабым звеном большинства таких систем являются магнитные контроллеры. Наибольшее число отказов приходится на контактные системы контакторов по причине образования электрической дуги в переходных режимах при коммутациях электрических цепей. Кроме снижения безотказности, уменьшения межремонтных периодов и повышения затрат на обслуживание, дугообразование ограничивает диапазон или является причиной невозможности использования данных электротехнических устройств в условиях, несовместимых с возникновением электрической дуги, вызывает дополнительные потери электроэнергии.
Вопросам ликвидации или уменьшения электрической дуги контактных коммутационных аппаратов в настоящее время уделяется повышенное внимание. Выделяются основные направления, по которым ведутся работы:
1. Применение новых контактных материалов (металлокерамические композиции). 
2. Создание более эффективных способов гашения электрической дуги (в среде сжиженного элегаза).
3. Разработка контактных смазок.
4. Усовершенствование приводных устройств (синхронные контакторы).
Первые три из перечисленных направления для контактного способа коммутации электрических цепей представляют собой полумеры, так как противодействуют не причине, а следствию, и в большинстве случаев не обеспечивают бездуговую коммутацию, а только несколько повышают электрическую износостойкость, уменьшая электрическую дугу по величине и времени горения.
Одним из вариантов усовершенствования приводных устройств при контактном способе коммутации электрических цепей является синхронный контактор, в котором размыкание главных контактов в цепях переменного тока осуществляется без возникновения электрической дуги. Но из-за сложности, относительно высокой стоимости и низкой надежности эти устройства не получили широкого распространения.
Развитие полупроводниковой техники привело к созданию бесконтактных коммутационных аппаратов (статических) на базе тиристоров, симисторов. Использование полупроводниковых приборов в ключевом режиме ликвидирует причины дугообразования, так как сопровождается размыканием цепей без механического разрыва, а, следовательно, без дуги. Кроме того, к основным достоинствам бесконтактных коммутационных аппаратов относятся высокое быстродействие, повышенный срок службы, относительная простота обслуживания, способность работать в пожароопасных и взрывоопасных помещениях. К основным требованиям, предъявляемым к контактной аппаратуре, работающей в условиях бездуговой коммутации относятся:
– функционально-технические: нагревостойкость частей аппаратов при допустимых режимах работы, электрическая прочность всех изоляционных частей при продолжительном максимальном рабочем напряжении и наихудших условиях окружающей среды, механическая прочность и износостойкость аппаратов в пределах допустимых режимов работы, срока службы, специфические требования, обусловленные работой аппаратов при бездуговой коммутации, возможная простота конструкции;
– эксплуатационные: учет влияния окружающих условий, надежность, безотказность, долговечность, необходимый срок службы, конструктивная простота, низкие эксплуатационные расходы;
– социальные: облегчение условий труда обслуживающего персонала (эргономические требования); безопасность в эксплуатации, эстетичность конструкции;– экономические: низкая себестоимость, низкие капиталовложения при установке, монтаже и вводе в эксплуатацию;
1. Дугогасительные системы


Дугогасительное устройство предназначено для гашения дуги за малое время при малом электроэрозионном износе контактов, но с допустимым уровнем перенапряжений. Чем меньше время тем перенапряжения больше

. Для гашения воздействуют на столб дуги, удлиняя его с одновременным её охлаждением.
В контакторах переменного тока, как и в контакторах постоянного тока, применяется магнитное гашение в камерах с широкими щелями (щелевые камеры). Эти камеры из дугостойкого не токопроводящего материала (керамика). Ширина щели делается меньше диаметра дуги, касаясь боковых стенок щели дуга охлаждается. Втягивание дуги в щель производится с помощью магнитного поля (магнитное дутьё), при этом увеличивается длина дуги и интенсивность охлаждения.
Во избежание перекрытия между фазами через дугу, выбрасывающуюся далеко за пределы камеры, полюсы приходилось значительно удалять друг от друга. Так, у контактора серии КТ на 150 А расстояние между полюсами составляло 100 мм. Применение дугогасительной решетки (многократный разрыв дуги при переходе тока через нуль) почти полностью исключило выброс дуги за пределы камеры при напряжении 380 В. Это позволило сократить размеры контактора за счет сближения полюсов. Указанная система гашения характерна для контакторов с однократным разрывом на фазу на напряжение 380 В и частоту до 600 включений в час.
Для контакторов тяжелого режима работы с частотой включений в час 1200 и более на напряжение до 660 В широкое распространение получило электромагнитное гашение в камерах с узкими щелями, а также в комбинированных камерах – с узкими зигзагообразными и другими щелями в сочетании с пламегасительными решетками, где также исключается выброс дуги и ее пламени за пределы камеры.
Применение для контакторов переменного тока системы бездуговой коммутации, во много раз повышает износостойкость контактов. Так, в контакторах с бездуговой коммутацией (шунтирование контактов тиристорами) в режимах коммутаций, соответствующих категориям применения АС-3 и АС-4, достигается коммутационная износостойкость контактов не менее 5 миллионов циклов, в то время как у контакторов с электромагнитным гашением она составляет 0,5 миллионов циклов. В режимах коммутаций номинальных токов коммутационная износостойкость контактов равна механической износостойкости контакторов и достигает 11 – 15 миллионов циклов.


Рисунок 1 Комбинированные дугогасительные устройства контакторов переменного тока
1 – основание камеры; 2 – неподвижные контакты; 3 – мостиковый контакт; 4 – дугогасительная скоба; 5 – крышка; 6 – дугогасительная решетка; 7 – стальной вкладыш; 8 – дугогасительный виток; 9 – направление выталкиваемых из камеры газов, обдувающих дугу; 10 – дугогасительный канал


Для большинства контакторов категорий применения АС-1, АС-2 и АС-3 характерно использование двукратного разрыва на фазу (мостиковый контакт) в закрытой комбинированной камере. Гашение дуги здесь основано на использовании околокатодных явлений при переходе тока через нуль. Однако для повышения надежности гашения, а также для обеспечения гашения при напряжениях до 660 В в дополнение к двукратному разрыву используется еще ряд средств (рисунок 1): небольшое поперечное магнитное поле, создаваемое в зоне контактов при помощи скоб 4, охватывающих контакты, витков 8 с магнитопроводом, вкладышей 7; дополнительные катоды, образуемые решеткой б, скобой 4; струя газа, создаваемая движением подвижной системы контактора и обдувающая дугу на контактах.
Применяются и более сложные дугогасительные системы. На рисунке 2 приведена система с четырехкратным разрывом на фазу. Она более эффективна, чем дугогасительная решетка, куда дуга должна еще зайти. Однако суммарное усилие на контактах здесь удваивается, что требует более мощной магнитной системы.


Рисунок 2 Контактная система с четырехкратным разрывом и двухступенчатым контактом
1 – токоподводы; 2 – перемычка; 3 – мостиковые контакты (основной и дугогасительный); 5 – зазор контактов


Для нормальных условий работы (в основном категория применения АС-3) контакторы выполняются с контактным и дугогасительным устройством. Для тяжелых режимов работы (АС-4) контакторы выполняются с поворотными кинематическими схемами, электромагнитными дугогасительными системами на напряжение до 660 В частотой 50 и 60 Гц. Эти контакторы пригодны для работы на постоянном токе до 440 В. Фактически это контакторы переменно-постоянного тока.
Контакторы серии КТ6600 (рисунок 3) выпускаются на токи до 160 А, напряжение 660 В частотой 50 и 60 Гц и 440 В постоянного тока.
Контакторы серий К164 и KJ65 (рисунок 3) выпускаются на токи до 630 А и те же напряжения и представляют собой комбинированный аппарат из контактора серии КТ6600 и полупроводникового блока 16 бездуговой коммутации.
Конструкция контакторов (рисунок 3,а) – моноблочная с поворотной подвижной системой. Контактор состоит из электромагнита 3, контактной и дугогасительной системы 2 и блока вспомогательных контактов 1