Кинематика коммутирующих контактов

При включении коммутационных аппаратов поверхности их контактов должны самозачищаться, взаимно перемещаясь. Это воз­можно, если контактные поверхности при включении под давлением проскальзывают друг относительно друга, стирая поверхностную пленку и возможные загрязнители. Такой процесс часто называют притиранием контактов. Его можно осуществлять, придавая спе­циальные формы контактным деталям и траектории их перемеще­ния. Как правило, в коммутационных аппаратах перемещается толь­ко один контакт из контактной пары, а другой остается неподвиж­ным. Аппараты, в которых перемещаются оба контакта сравнитель­но редки, так как имеют более сложную конструкцию.

У контактов, размыкающих цепи под током, место продолжи­тельного рабочего соприкосновения контактных поверхностей долж­но быть удалено от места их первоначального соприкосновения при замыкании цепи и конечного соприкосновения при ее размыкании. Это необходимо для того, чтобы электрическая дуга, образующаяся при размыкании цепи и оплавляющая контакты, не повреждала их рабочие поверхности.

Первоначально в электрических аппаратах применяли исклю­чительно скользящие поверхностные контакты (см. рис. 2.15). Их неподвижные пружинящие контакты — пальцы — замыкаются (раз­мыкаются) подвижными контактами, обычно поворачивающимися. Пластины из меди или латуни в виде изолированных разрезных колец на валу или сегментов на изоляционном барабане либо сек­торе при коммутациях проскальзывают под пальцами, осуществляяпереключения в нужной последовательности. В силовых цепях кон­цы пальцев имеют сменные изнашивающиеся части — сухари, соз­дающие поверхностные контакты между ними и сегментами. Такие конструкции ненадежны, так как загрязнения поверхностными контактами удаляются плохо, а при попадании между контактными поверхностями крупных загрязнителей (например, песчинок) или при местном оплавлении поверхностей вообще может нарушиться нормальное прохождение тока. От поверхностных контактов пере­шли к линейным, придавая соответствующую форму профилю пальца или его сухаря.

Однако основным недостатком скользящих контактов оказалась трудность осуществления дугогашения. Создать для этих кон­тактов эффективные дугогасительные системы достаточно труд­но, и длительное время на базе этих контактов выполняли такие аппараты силовых цепей, как реверсоры, тормозные переключате­ли, в которых дугогашение не требуется. Однако и в этом случае скользящие контакты применяют все реже, так как они мало при­способлены для крупносерийного и массового производства. По­этому их во все меньших количествах применяют только в цепях управления. В тяговых аппаратах основной вид коммутирующих контактов силовых цепей — линейные стыковые контакты, в це­пях управления — точечные.

Притирание (самозачистка) точечных контактов осуществляет­ся вследствие деформации упругих конструктивных элементов их крепления. В простейшем мостиковом контакте (рис. 2.23, а) це­пей управления роль упругого элемента выполняет пружинная тра­верса мостика; к ней припаяны или приварены подвижные контакты.

Рис. 2.23. Схемы, поясняющие притирание точечных контактов

1. При включении они перемещаются в направлении, указан­ном на рис. 2.23, а стрелкой до соприкосновения с плоскими непо­движными контактами 2, После соприкосновения в точках сила 2, приложенная к середине траверсы, изгибает ее. Одновремен­но контакты 1 поворачиваются на угол, рад,

(2.41)

где Е — модуль упругости материала траверсы, Па; I — расстояние между осями контактов, м; J - момент инерции сечения траверсы, м4: J = b.

В результате поворота подвижных контактов на угол а точка соприкосновения переместится из положения в (рис. 2.23, б) по неподвижному контакту на расстояние sin.

Соответственно по поверхности контакта 1 точка соприкоснове­ния переместится на расстояние sin

Взаимное проскальзывание одного контакта по другому

(h-r) sin. (2.42)

Обычно для точечных контактов достаточно проскальзывание 0,3 1,0мм. Для серебряных контактов и для контактов из металлокерамики на основе серебра значение Дск может быть снижено и получено лишь за счет небольших зазоров в подвижных частях аппарата. Для сравнения следует отметить, что скользящие контакты цепей управления выполняют с пальцами в виде стальных контактных пружин, при этом необходимо иметь проскальзывание 4 8 мм.

Для стыковых коммутирующих контактов существенное'значе­ние имеет начальный раствор, т. е. минимальное расстояние меж­ду неизолированными токоведущими частями, находящимися под противоположным потенциалом. Начальный раствор зависит от степени возможной ионизации и загрязнения окружающего про­странства и в первую очередь от номинального напряжения на разомкнутых контактах (рис. 2.24).

У стыковых линейных контактов необходимо удалять на 10— 25 мм линию первичного соприкосновения от линии рабочего, ко­торая проходит примерно посередине (по толщине) привалочной полки грибкового контакта (рис. 2.25). На рис. 2.25 верхний кон­такт неподвижный, нижний — подвижной, представленный в двух предельных положениях: при первоначальном соприкосновении (сплошные линии) и в рабочем положении (штриховые). Переход из одного состояния в другое происходит путем без разрывного пере­катывания контактной поверхности подвижного контакта по по­верхности неподвижного с одновременным его поворотом на угол.

Для самозачищения контактных поверхностей необходимо, что­бы траектории соприкосновения при включении или выключении на неподвижном и на подвижном контактах были неравны. Как правило, должно выполняться условие

= - (0,10 0,25) (2.43)

При меньших значениях поверхности зачищаются недоста­точно, при больших происходит их слишком быстрое изнашивание. Для металлокерамических накладок значения можно умень­шать на 25—30%.

Рис. 2.24.Раствор коммутирующих контактов тяговых аппаратов в зависимости от: 1 - при слабом загрязнении камеры и малой ионизации; 2 - при интенсивном загрязне­нии и сильной ионизации.

Рис. 2.25. Предельные положения грибковых стыковых контактов

Рассмотрим узел подвижной части контактора с грибковыми стыковыми контактами (рис. 2.26). Рычаг 1 может поворачиваться относительно закрепленной оси под воздействием силы привода, приложенной к шарниру. Рычаг 2 держателя подвижного контакта 4 поворачивается на оси относительно рычага 1, До тех пор, пока контакт 4 не соприкоснется с неподвижным контактом 3, рычаг 2 отжимается притирающей пружиной 7, находящейся между упором 8 рычага / и упорным кронштейном 6 рычага 2 в крайнее положение. При этом кронштейн 6 упирается в упор 5 ры­чага 1. В таком состоянии вся подвижная система может переме­щаться, поворачиваясь относительно точки до тех пор, пока пос­ле соприкосновения контактов между ними не возникнет сила – контактное нажатие.

Рис. 2.26. Подвижная часть контактора (а) и ее кинематическая схема (6)

Под действием контактного нажатия, преодолевая момент, создаваемый пружиной 7, рычаг 2 поворачивается, обеспечивая по­ворот контакта 4 и перемещение его поверхности по поверхности контакта 3. Для изучения происходящих процессов удобно поль­зоваться кинематической схемой (рис. 2.26, б), в которой отдель­ные элементы представлены линейными звеньями, разделенными точками сочленения. Например, рычагу 1 соответствует звено.

При рассмотрении процессов взаимного перемещения контак­тов точки их закрепления целесообразно располагать в центрах Ц, из которых контактные поверхности описаны радиусами R. Обычно точки Ц лежат на осевой линии привалочной полки грибкового контакта толщиной Ь, т. е. на расстоянии b/2 от привалочной плос­кости. В кинематической схеме можно не изображать все детали упоров, ограничивающих повороты звеньев, а лишь учитывать уг­ловые ограничения поворотов. В рассматриваемом случае угол ограничивает поворот рычага 2 относительно рычага 1.

Определим перемещение подвижной системы контактора с по­мощью кинематической схемы (рис. 2.27). Известно расстояние L от точки до привалочной плоскости неподвижного контакта, а также тип грибкового контакта. По соображениям, приведенным ранее, известна и точка А рабочего соприкосновения контактов. Точку В начального соприкосновения для неподвижного контак­та находят, отложив по его поверхности расстояние /н, определен­ное ло формуле (2.43). Положение подвижного контакта устанав­ливают, найдя для него положение точки, которая должна быть на продолжении прямой, соединяющей точки и В, на расстоянии R от точки В. Кроме того, для этого контакта в соответствии с урав­нением (2.43) точка рабочего соприкосновения должна находить­ся от точки В на расстоянии В≅ = + ≅(1,1÷1,25)

Положение точки, соответствующей полностью разомкнуто­му состоянию аппарата, определяют исходя из принятых данных звеньев, а также угла. От них зависит радиус окружности, по которой перемещается точка Ц при разомк­нутых контактах. Расстояние между точками и на окружно­сти этого радиуса должно быть равно раствору контактов (см. рис. 2.24). Положению контакта при полном размыкании соответ­ствует точка, которая должна быть на расстоянии R от точки. Положение прямой определяется постоянством угла α между осевой линией контакта и рычага контактодержателя. Этими данными положение подвижного контакта определяется полностью. На рис, 2.27 дан только участок его контактной поверхности.

Точку для проверки можно определить по окружности радуиса, равного отрезку В, на расстоянии от точки В.

Правильность выбора звеньев отрезков,, углов α и проверяют построением кинематической схемы для положе­ния рабочего включения. Точка подвижного контакта лежит на осевой линии неподвижного контакта. Положение шарнирной точки между обоими рычагами определяется радиусами и ρ, соответ­ствующими их базовым (между осевыми линиями шарниров) дли­нам. Угол между прямой, и осевой линией контактов должен оставаться хотя бы примерно равным а. Неравенство этих углов показывает, что при рассматриваемых данных осевые линии контактов в рабочем положении не совпадут и необходимо изменять или исходные углы, или базовые размеры.

Построение и анализ кинематических схем позволяют решать и другие задачи, например определять действительное значение Дск, параметры притирающих пружин и др.

Рис. 2.27. Расчетная схема определения перемещения подвижной системы кон­тактора

Рис.2.28. Расчетная схема определение притирания контактов.

В качестве примера рассмотрим определение действительного значения для контактора, у которого один из контактов (не­подвижный) грибковый, а другой плоский (рис. 2.28).

Первоначально контакты замыкаются в точке В, рабочее замы­кание их происходит в точке А. Для определения суммарного про­скальзывания сравнивают действительную траекторию опорного (шарнирного) конца подвижного контакта с его траекторией при чистом, без скольжения, перекатывании по неподвижному кон­такту. Разбив участок АВ на несколько равных отрезков между смежными точками, определяют их длину исходя из угла ∆α, рад. Так, например, ВС = R∆α.

При отсутствии проскальзывания длины отрезков на обоих кон­тактах одинаковы (В'С' = ВС), чем определяется положение точки — — В'С'.

Полному замыканию, т. е. контакту в точке A, соответствует точ­ка на траектории конца подвижного контакта, которая опреде­ляется так же, как и предыдущие. Положение шарнира рычага фиксируется его поворотом по окружности радиусом от­носительно точки до пересечения с касательной в точке А к по­верхности неподвижного контакта. Отрезок ≅ и получен­ную характеристику E(I) относить к длине дуги, т. е.. Прин­цип пересчета характеристики E(I) при = const в характеристику поясняет рис. 3.6, б:

≅.

Интегрирование не по длине дуги, а по току допустимо в тех случаях, когда в дуге + ≤ (0,20÷0,25), что свойственно дугам в тяговых аппаратах. В этом случае при отсутствии матема­тического выражения E(I) возможен любой метод приближенного интегрирования. Рассмотрим графическое интегрирование, при котором весь диапазон тока I разбивают на равные отрезки ∆ I и затем определяют середины этих отрезков — точки 1—5 на характеристике E(I). Их относят на оси ординат (точки, проводят прямые, параллельные лу­чам (точ­ки 1"—5"). По точкам 1"—5" последовательно строят кусочноли-нейную характеристику — Величина — постоянная интегрирования: =. Чтобы получить функцию I), значение добавляют ко всем ординатам зависимости

Характер изменения тока при горении дуги зависит от многих случайных факторов. Ориентировочно можно принять зависимость

I(t)≅ ]

Здесь m≅I для условий горения дуги на открытом воздухе. При ее горении в узких щелях m< 1. Фактические изменения тока могут существенно отличаться от ожидаемых.