CC BY
310
УДК 621.316
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНТАКТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ БЕЗДУГОВОЙ КОММУТАЦИИ А.Ф. Бурков; Н.Д. Крицкий, Дальрыбвтуз, Владивосток
В статье рассматриваются особенности работы контактных коммутационных аппаратов в условиях бездуговой коммутации.
Многие электротехнические устройства, участвующие в производственных процессах, включают электрические аппараты (от лат. apparatus - прибор, приспособление, оборудование [1]). В России этот термин был распространен с 1879 г. [2] Павлом Николаевичем Яблочковым (1847-1894 гг.) [3] на электротехнические устройства того времени: коммутаторы, переключатели, реле, рубильники. В
современном понимании электрическими аппаратами являются «... электротехнические устройства управления потоком энергии и информации ...» [2]. Широкое применение электрические аппараты получили для управления потоком электрической энергии. В частности, во многих системах управления электроприводов, в том числе и судовых 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 (в пересчете на один канал управления); возможность одновременной коммутации нескольких независимых, гальванически не связанных электрических цепей с различными величинами напряжений и токов; низкое, относительно стабильное переходное сопротивление между замкнутыми контактами (по данным, приведенным в [4], менее 0,1 Ом); высокая глубина коммутации (отношение сопротивления коммутирующего органа в отключенном состоянии к его сопротивлению во включенном состоянии) [5].
Недостатками контактных коммутационных аппаратов в первую очередь являются процесс дугообразования в переходных режимах при больших коммутируемых токах и низкое быстродействие.
Анализ опыта эксплуатации судовых 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 (магнитные станции). Наибольшее число отказов приходится на контактные системы контакторов по причине образования электрической дуги в переходных режимах при коммутациях электрических цепей [6]. Прочие отказы являются
нетипичными, и, как правило, носят случайный характер. 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, прежде всего, контакторов, в настоящее время уделяется повышенное внимание. Можно выделить следующие основные направления, по которым ведутся работы:
- применение новых контактных материалов (металлокерамические композиции [7] и пр.);
- создание более эффективных способов гашения электрической дуги (в среде сжиженного элегаза БГб [8] и др.);
- разработка контактных смазок (отечественные - «Электросил», ВНИИ НП; типа 2G и 2GX английской фирмы «Е1ейго1иЬ» [9] и т.д.);
- усовершенствование приводных устройств (синхронные контакторы [10] и т.п.).
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. Вместе с тем 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 и пр. Использование полупроводниковых приборов в ключевом режиме (для включения и выключения электрических цепей) 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 и пр.
Основными недостатками бесконтактных коммутационных аппаратов являются низкая перегрузочная способность по току нагрузки и управления; отсутствие возможности одновременной коммутации
нескольких независимых, гальванически не связанных электрических цепей с различными величинами напряжений и токов; относительно высокое переходное сопротивление во включенном состоянии.
Стремление объединить основные достоинства контактных и бесконтактных коммутационных аппаратов привело к созданию гибридных устройств, основанных на принципе комбинированной коммутации, в которых контактные коммутационные аппараты, как правило, контакторы, работают в специальных режимах. При совместном использовании контактных и бесконтактных коммутационных аппаратов возможны два основных варианта взаимного включения главных контактов электромеханических аппаратов и полупроводниковых приборов - параллельное и последовательное.
В случае параллельного соединения ток во включенном состоянии устройства протекает через главные контакты электромеханических аппаратов, а в переходных режимах (при включении и выключении электрических цепей) функционируют бесконтактные коммутационные аппараты [11]. В большинстве технических решений при комбинированной параллельной коммутации практически не удается достичь бестокового расхождения контактов электромеханических аппаратов. Кроме того, для коммутации цепей необходимо такое же число полупроводниковых приборов, что и при бесконтактном способе.
При последовательном соединении главные контакты электромеханических аппаратов и силовые модули бесконтактных аппаратов включаются последовательно, и во включенном состоянии аппаратов ток нагрузки протекает через главные контакты электромеханических аппаратов и силовые модули бесконтактных аппаратов [12].
В общем случае при комбинированной бездуговой коммутации электрических цепей возникает вопрос о целесообразности использования контакторов, рассчитанных для работы с образованием дуги. Альтернативным может быть проектирование контактных аппаратов для специальных (бездуговых) режимов работы при коммутациях электрических цепей или применение обычных однотипных электромеханических аппаратов меньшей величины с возможной корректировкой исходных данных.
Контакторы представляют собой относительно сложные электромеханические устройства, процессы в которых до настоящего времени не могут быть в достаточной степени описаны комплексом взаимосвязанных математических уравнений, позволяющих перейти к применению вычислительной техники для расчета и проектирования аппаратов в целом. При расчетах по эмпирическим формулам необходимо учитывать то, что они базируются на ограниченных экспериментальных данных и применимы с определенной степенью точности в пределах проведенных экспериментальных исследований.
Вопросы проектирования контакторов для контактного способа коммутации электрических цепей достаточно полно освещены в
литературе [13, 14, 15]. Вследствие изменений условий эксплуатации при проектировании контактных коммутационных аппаратов для специальных режимов изменяются требования, предъявляемые к ним. Исключаются как составная часть дугогасительные устройства. Переносятся на бесконтактную составляющую вопросы, связанные с коммутациями электрических цепей. Отличен подход к расчету и проектированию других частей.
Разработка требований к контактной аппаратуре осуществляется на основании анализа их функционирования и сформулированных в государственных и отраслевых стандартах технических условиях, общих требований к контактным аппаратам.
К основным требованиям, предъявляемым к контактной аппаратуре, работающей в условиях бездуговой коммутации необходимо отнести следующие:
- 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, малые массо-размерные показатели;
- 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;
- технологические требования;
- производственные требования.
Таким образом, проектирование электромеханических аппаратов (контакторов) для работы в специальных режимах представляет собой сложный процесс, требующий привлечения специалистов различных отраслей.
Наряду с проектированием в ряде случаев представляется целесообразным определение возможностей применения в специальных режимах (в условиях бездуговой коммутации) обычных однотипных контакторов меньшей величины, выпускаемых промышленностью. Для решения этой задачи необходима методика их расчета.
Проведенный анализ работ позволяет сделать вывод о недостаточности работ по данной тематике. Отдельные вопросы функционирования контакторов при комбинированной параллельной коммутации рассмотрены в [1 6]. В общем случае, кроме условий работы, при определении возможностей применения однотипных контакторов
меньшей величины к исходным следует отнести нерегулируемые данные (форму, размеры и материал контактной системы, электромагнитного механизма и других конструктивных частей, коммутационную способность, род и величину напряжения и тока цепи управления, кинематическую схему) и регулируемые данные (раствор и провал контактов контактной системы, величину воздушного зазора магнитной системы).
Контакторы представляют собой однопозиционные аппараты и могут находиться в установившемся режиме (контакты замкнуты или разомкнуты) или переходном (процесс замыкания или размыкания контактов). Коммутирующие контакты являются основным звеном аппаратов. При работе контактов в условиях бездуговой коммутации определяющим становится их расчет в замкнутом состоянии.
Исходя из сказанного, можно выделить следующие основные этапы расчета контакторов:
- определение необходимых для нормальной работы контактных систем величин (расчет контактных систем);
- расчет электромагнитных механизмов и построение необходимых зависимостей;
- анализ полученных результатов с целью определения возможностей использования контактных аппаратов.
Библиографический список
1. Словарь иностранных слов / Под ред. И.В. Лехина, Ф.Н. Петрова. 5-е изд., М.: Гос. изд-во иностранных и национальных словарей, 1955. 856 с.
2. Электрические и электронные аппараты: Учеб. для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. М.: Энергоатомиздат, 1998. 752 с.
3. Люди русской науки: В 2 т. / Сост. и ред. И.В. Кузнецов; М.-Л.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1948. Т. 2. 1196 с.
4. Коробков Ю.С., Флора В.Д. Электромеханические аппараты автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1991. 344 с.
5. Таев И.С., Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов / Под ред. И.С. Таева, Б.К. Буль и др. М.: Высш. шк., 1987. 352 с.
6. Повышение надежности электроприводов грузовых
лебедок судов типа п/з «А. Захаров» путем их реконструкции при капитальном ремонте: Отчет о НИР (промежуточ.) / Н.В. Сгребнев, А.В. Исаков, Г.И. Чуев, А.Ф. Бурков / МГУ им. адм. Г.И. Невельского. № ГР 01840058812. Инв. № 0285.0052996.
Владивосток, 1985. 47 с.
7. Александров Г.Н. Теория электрических аппаратов / Под ред. Г.Н. Александрова, В.В. Борисова. М.: Высш. шк., 1985. 312 с.
8. Александров Г.Н. Проектирование электрических аппаратов / Под ред. Г.Н. Александрова, В.В. Борисова. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 448 с.
9. Филимонов В.Д., Калязин Е.А., Головин Ю.Е. Смазки для продления срока службы контактов в судовом электрооборудовании // Морской транспорт. Сер. «Техническая эксплуатация флота». М.: ЦБНТИ. 1981. Вып. 2 (506). С. 3-11.
10. Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М.: Энергия, 1977. 272 с.
11. Могилевский Г.В. Гибридные электрические аппараты низкого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1986. 233 с.
12. А. с. 1504678 СССР, МКИ3 Н 01 Н 9/30. Устройство для бездуговой коммутации цепей переменного тока / Б.В. Осокин, А.Ф. Бурков,
Н.В. Сгребнев, А.В. Исаков, Г.И. Чуев. Владивосток, 1989. № 32. 221 с.
13. Залесский А.М., Кукеков Г.А. Тепловые расчеты электрических аппаратов. Л.: Энергия, 1967. 380 с.
14. Кузнецов Р.С. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В. М.: Энергия, 1970. 544 с.
15. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов. М.: Энергия, 1971. 560 с.
16. Кукеков Г.А., Фролов В.Я. Переходные процессы в контактнотиристорных аппаратах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 168 с.
