Глава XVI
КОНТАКТОРЫ И РЕЛЕ
§ 16. 1. Назначение контакторов и реле и требования, предъявляемые к ним
Контакторы и реле — наиболее часто применяемые электрические аппараты. Почти ни одна схема электрических установок не может обойтись без их применения. Из всего многообразия конструкций самое широкое применение нашли электромагнитные контакторы и реле, использующие для своей работы силу притяжения электромагнита.
Хотя назначение контакторов и реле различно, как различны и требования, предъявляемые к их конструкциям, применение одинакового принципа действия приводит в общих чертах к общей методике и одному порядку расчета, в связи с чем они и рассматриваются в одной главе. Ряд требований, предъявляемых к электромагнитным контакторам и реле, совершенно одинаков. Это, прежде всего, требования высокой надежности работы: четкое, без задержек, включение и выключение аппарата на всем диапазоне подаваемых сигналов; высокая механическая и электрическая износоустойчивость. Общими являются также требования минимальной массы и наименьших габаритов аппарата, высокой технологичности и малой себестоимости конструкции, удобства обслуживания в эксплуатации, малой потребляемой мощности для срабатывания. Кроме того, имеются требования, предъявляемые только к контакторам или только к реле, определяемые условиями работы аппарата. К контакторам предъявляется требование по коммутационной способности — способность к отключению электрической цепи под током при различных режимах. Конструкция реле должна обеспечивать высокую чувствительность и стабильность уставки реле при продолжительной работе и изменяющихся внешних условиях (вибрация; изменение температуры, влажности воздуха; допустимые загрязнения и др.), а также возможность регулирования реле. Кроме перечисленных основных требований, к контакторам и реле могут быть предъявлены и специальные требования, определяемые электрической схемой установки и ее условиями работы.
Электромагнитные приводы контакторов и реле выполняются преимущественно с поворотным якорем клапанного типа или с прямоходовым якорем (магнитные системы типа броневого магнита). Магнитные системы с поворотным якорем роторного типа встречаются значительно реже и применяются только в реле.
Магнитные системы постоянного тока выполняются из сплошных элементов, обычно с поворотным якорем клапанного типа (наиболее простая конструкция магнитной системы), и обязательно имеют гарантированный неферромагнитный зазор при притянутом положении якоря, предупреждающий его залипание и осуществляемый обычно латунной прокладкой. Значительно реже на постоянном токе применяют магнитные системы типа броневого магнита, так как осуществление прямолинейного движения якоря обычно усложняет конструкцию и нередко увеличивает сопротивление движению за счет трения скольжения в направляющих якоря или подвижного сердечника.
Магнитные системы переменного тока выполняются шихтованными из листовой электротехнической стали и обязательно имеют короткозамкнутый экранирующий виток, предупреждающий вибрацию якоря. С целью увеличения эффективности короткозамкнутого экранирующего витка зазор между ярмом и якорем при притянутом положении последнего стараются выполнить как можно меньше за счет шлифовки поверхностей соприкосновения и применения самоустанавливающихся якоря и ярма. Поскольку конструкцию с само- устанавливающимися частями магнитной системы проще выполнить в броневом магните, то последний находит большее применение в магнитных системах переменного тока. Магнитные системы с поворотным якорем клапанного типа на переменном токе из этих же соображений применяются с вынесенной за пределы магнитной системы осью вращения.
Контакты главной цепи контакторов — по большей части пальцевого типа с подводом тока по гибкому соединению. В контакторах переменного тока небольшой мощности при отсутствии электромагнитного дутья для гашения дуги применяются мостиковые контакты. Блок-контакты контакторов и реле применяются преимущественно мостикового типа, так как они не требуют гибких соединений, которые при малых сечениях являются ненадежным элементом конструкции.
Дугогасительные устройства контакторов выполняются в подавляющем большинстве случаев в виде узко- или широкощелевых открытых камер с электромагнитным дутьем, магнитная система которого имеет катушку, включенную последовательно с главными контактами. Для дугогасительных систем контакторов переменного тока целесообразно применение камеры с деионной решеткой, существенно увеличивающей коммутационную способность контактора.
§ 16. 2. Порядок расчета контактора и промежуточного реле
Расчет начинается с определения размеров и конструкции контактного узла. Размеры контактов выбираются по длительному току на основании рекомендаций, приведенных в гл. IV, а также на основании данных уже имеющихся конструкций. После выбора размеров контактов и их материала определяются начальное и конечное нажатия контактов и производится их расчет на нагрев и несвариваемость (см. § 4.5, 4.7). Одновременно определяется сечение гибкого соединения, если оно необходимо.
Следует отметить, что конструкцию блокировочных контактов можно заимствовать у ранее спроектированных и серийно изготовляемых аппаратов. В этом случае отпадает необходимость в расчете контактных нажатий, превышений температуры и контактной пружины, которые берутся готовыми.
Конструкция главных контактов контактора обязательно должна предусматривать установку дугогасительной системы с достаточно близким расположением дугогасительной катушки к контактам и установку дугогасительных рогов. Блок-контакты контактора лучше всего отделять от главных контактов. Целесообразно в конструкции блок-контактов, как контактора, так и реле, предусмотреть возможность (посредством простой переборки контактов) превращения их из размыкающихся в замыкающиеся и наоборот, а также возможность помещения их в закрытом объеме (в оболочке из прозрачного материала) для предохранения от загрязнения.
При разработке конструкции особое внимание следует обращать на возможность удобного доступа ко всем болтовым и винтовым контактным соединениям, которые необходимо периодически подтягивать во время эксплуатации аппарата, а также на возможность удобного осмотра, зачистки и смены всех взаимоподвижных контактов.
После выбора размеров, материала контактов и определения контактных нажатий выбирается, на основании заданной величины напряжения и разрываемого тока, раствор контактов, а затем предварительно составляется кинематическая схема контактного узла и всего аппарата и уточняется величина провала контактов и процесса притирания, если последнее необходимо.
В соответствии с принятой кинематической схемой определяются усилия контактной и отключающей пружин и производится их расчет (см. § 11.2). Одновременно рассчитываются остальные пружины, обеспечивающие работу кинематической схемы, если они имеются. На основании принятой кинематической схемы, известных усилий пружин и ориентировочной массы подвижных деталей, если они должны быть учтены, рассчитывается механическая характеристика. Принцип расчета и его порядок, а также примеры расчета механической характеристики приводятся в гл. XI.
Далее определяют: примерный ход якоря, обеспечивающий работу контактного узла; начальную силу притяжения, которая принимается на 10-20% больше начальной силы механической характеристики; конструктивный фактор магнитной системы (см. § 9.13). По конструктивному фактору определяют тип магнитной системы и ее основные размеры и проводят проектный расчет электромагнита (см. § 9.13). После проведения проектного расчета электромагнита уточняют кинематическую схему аппарата, производят конструктивное оформление деталей и, при необходимости, уточнение расчета механической характеристики; после этого делают проверочный расчет электромагнита. В процессе проведения проверочного расчета м. д. с. катушки обязательно должна быть проверена по критическим точкам механической характеристики; лишь после такой проверки можно производить полный расчет катушки (см. гл. VIII) и ее конструктивное оформление. Результатом проверочного расчета является построение тяговой характеристики, которая должна быть согласована с механической. Согласование характеристик производится в соответствии с рекомендациями, изложенными в § 11 .3.
При более полном расчете определяют коэффициент возврата, выдержку времени, время срабатывания. Порядок расчета коэффициента возврата приводится в § 9.14. Обычно для контакторов и промежуточных реле с целью их более надежной работы при случайном понижении напряжения, подаваемого на подъемную катушку, коэффициент возврата берется низким — порядка 0,1-0,3. Обычно не требуется никаких специальных устройств для получения коэффициента возврата такой величины. В тех случаях, когда в соответствии со специальными требованиями нужна высокая величина коэффициента возврата, можно использовать рекомендации, приведенные в § 9.14. Реле с выдержкой времени обычно относят к классу промежуточных реле; кроме того, иногда изготовляются и контакторы с выдержкой времени, которые применяются как контакторы ускорения для автоматического пуска двигателя в функции времени (называемые также таймтакторами). В таких аппаратах расчет выдержки времени, получение которой осуществляется в магнитных системах постоянного тока за счет массивной гильзы — электромагнитного демпфера, производят по методике, приведенной в § 9.15.
Увеличение выдержки времени нередко осуществляется и за счет замедления движения якоря при помощи механических демпферов, некоторые конструкции которых рассмотрены в гл. XII. Расчет времени движения якоря в этом случае проводится в соответствии с методикой, приведенной в § 11.4.
Обязательной частью расчета и проектирования контактора является выбор и расчет дугогасительной системы. Рекомендации по выбору камеры и основные элементы расчета дугогасительной системы приведены в гл. VII. Для контакторов постоянного тока рекомендуется применять открытые узкощелевые камеры. В случае стационарной свободной установки контакторов, когда выброс пламени особенно не ограничивается, можно применять и широкощелевые камеры. Для ограничения выброса пламени и для уменьшения габаритов применяются лабиринтные камеры, хотя они вызывают довольно значительный износ контактов и дают большие перенапряжения. При разрыве больших токов и при значительном напряжении наиболее хорошее гашение дуги дают узкощелевые камеры с прямой щелью (при достаточных размерах камеры) и двукратные камеры. В контакторах переменного тока применяются также щелевые камеры, но наиболее рациональны камеры с деионным гашением дуги. При небольших мощностях на переменном токе можно применять глухие камеры.
Наибольшее распространение в дугогасительных устройствах имеет электромагнитное дутье. В дугогасительных устройствах с глухими камерами дутье может осуществляться за счет газогенерации материала камер; для того, чтобы переместить дугу с контактов, подводящие токопроводы часто выполняют в виде петли, играющей роль одновитковой катушки, в зоне потока которой находятся контакты. Зазоры между контактами и стенками камеры должны быть минимальными, чтобы не допустить переход дуги на боковые поверхности контактов (обычно порядка 1 мм) \ при этом абсолютно недопустимо трение подвижного контакта о стенки камеры. Такой дефект обычно приводит к резкому уменьшению контактного нажатия и к сильному разогреву и подгоранию контактов — иногда контакты даже не могут замкнуться.
Работа по созданию новой конструкции не ограничивается проведением расчета и выполнением чертежей. Поскольку при расчетах обычно принимаются допущения, то необходимо изготовление опытного экземпляра аппарата, который должен быть подвергнут всесторонним тщательным испытаниям, особенно в области гашения электрической дуги. По результатам испытаний проводится доработка конструкции, анализ и уточнение расчетных данных. Последнее особенно важно, так как позволяет нередко вывести опытные закономерности и коэффициенты, которые могут быть использованы в последующих однотипных расчетах. После лабораторных испытаний обязательно проводятся эксплуатационные испытания в реальных условиях электрической установки, поскольку в лаборатории далеко не всегда можно предусмотреть все ситуации, возникающие при эксплуатации. Результаты эксплуатационных испытаний также должны быть тщательно проанализированы и обобщены.
§ 16. 3. Порядок расчета максимального реле
Максимальным называется реле, срабатывающее при увеличении входного сигнала до величины, на которую отрегулировано реле; при этом срабатывание обычно выражается в электромагнитных реле притяжением якоря.
Расчет контактной системы максимального реле аналогичен расчету контактной системы промежуточного реле (порядок его изложен в § 16.2). Одновременно с этим расчетом составляется кинематическая схема всего реле и выбираются провал и раствор контактов. Обычно, как и для блок-контактов контактора и промежуточного реле, принимается мостиковая конструкция контактов с напайками из серебра или серебряной металлокерамики. Конструкция должна предусматривать самоустанавливающийся мостик, компенсирующий неточности установки неподвижных контактов; обычно это достигается за счет некоторой свободы мостика в направляющих. Для слаботочных контактов небольшой мощности нередко применяют конструкцию пальцевого типа. В этом случае контакт обычно устанавливается на плоской стальной или бронзовой пружине, одновременно являющейся токопроводом контакта.
Рис. 16.1. К выбору кинематической схемы реле
При составлении кинематической схемы реле желательно учитывать работоспособность электромагнита. Целесообразно, как указывалось в § 9.13, при составлении кинематической схемы реле с магнитной системой с постоянными ампер-витками получить ход якоря минимальным при заданном ходе контактов, т. е. систему желательно выполнить так, чтобы lм<lк (рис. 16.1, а), и, наоборот, в реле с магнитной системой с переменными ампер-витками более целесообразно увеличение хода якоря при заданном ходе контактов, т. е.
1м>1к (рис. 16.1, б).
После расчета контактов и контактных пружин и выбора кинематической схемы реле производят расчет возвратной и регулировочной пружин. В подавляющем большинстве конструкций функции отключения и регулировки выполняет одна и та же пружина. Регулировка осуществляется при помощи изменения натяжения пружины, причем регулировочные устройства после процесса регулировки должны надежно фиксироваться. Возвратно-регулировочная пружина обычно обеспечивает полное включение размыкающихся контактов и фиксацию якоря в непритянутом положении. Напряжение в материале возвратно-регулировочной пружины принимается ниже рекомендуемого как с целью увеличения надежности пружины, так и из того соображения, что для получения максимального значения параметра срабатывания пружина при регулировке должна натягиваться.
После выбора и расчета возвратно-регулировочной пружины производят расчет механической характеристики реле. По начальному усилию механической характеристики и ходу якоря определяют конструктивный фактор магнитной системы, выбирают ее тип и производят предварительный расчет. Ампер-витки катушки при этом расчете определяют, исходя из равенства усилия механической характеристики и тягового усилия при максимальном зазоре между якорем и сердечником, а затем проверяют по критическим точкам механической характеристики. Запас тягового усилия над механическим в критических точках должен быть не менее 10-15%.
Целесообразно такую проверку производить при минимальной и максимальной регулировках реле, т. е. при минимальных и максимальных ампер-витках катушки; на основании этих расчетов может быть построена регулировочная характеристика реле: зависимость величины параметра срабатывания от силы натяжения возвратно-регулировочной пружины.
Регулировка максимальных реле часто осуществляется изменением начального воздушного зазора между якорем и сердечником; при применении такой регулировки необходимо иметь в виду, что она может влиять на параметры контактов (раствор замыкающихся и провал размыкающихся контактов), которые не должны быть меньше допустимых величин. При регулировке величиной начального воздушного зазора, как и в предыдущем случае, должны быть определены минимальные и максимальные ампер-витки срабатывания катушки, соответствующие минимальному и максимальному значениям воздушного зазора, и проверены в критических точках механической характеристики.
После разработки конструкции проводят проверочный расчет тяговой и механической характеристик реле, а также при необходимости рассчитывают регулировочные характеристики. Далее рассчитывают коэффициент возврата и время срабатывания реле. Методы и рекомендации по этим расчетам изложены в гл. IX и XI. Расчет катушки реле на нагрев проводят в соответствии с заданной величиной длительного тока или напряжения; порядок расчета катушек приведен в гл. VIII и IV (токовые катушки из шинной меди).
Расчет реле, содержащих несколько катушек, проводят в основном так же, как и расчет однокатушечного реле. Отличие заключается в том, что для каждой катушки необходимо рассчитывать ее собственный поток рассеяния: чем дальше расположена катушка от рабочего воздушного зазора, тем большая часть магнитного потока, который ей создается, рассеивается и тем меньше ее влияние на работу реле. Целесообразно, с целью более равномерного влияния всех катушек в многокатушечном реле, выполнять их концентрическими, хотя такая конструкция нередко требует увеличения габаритов, а также в случае выхода из строя одной какой-либо секции катушки производить замену всех катушек реле, так как выполнение отдельных концентрических катушек весьма затруднительно.
Наиболее сложными являются расчеты реле с незамкнутой магнитной системой и многокатушечных реле с разветвленной магнитной цепью. В первом случае расчет неферромагнитных зазоров, практически любой сложности, можно рекомендовать вести методом вероятных путей потока (см. § 9.6). Во втором случае методика расчета определяется непосредственно самой конструкцией магнитной системы. Обычно расчет разветвленных магнитных цепей при учете сопротивления стали производят графически — с построением кривой намагничивания каждой параллельной ветви. Можно рекомендовать проводить расчет таких цепей методом контурных потоков (аналогичен методу контурных токов при расчете разветвленных цепей постоянного тока) с последующим уточнением расчета методом последовательных приближений. Производят также подобные расчеты с предварительным расчетом и построением зависимостей магнитного сопротивления от потока для каждого ферромагнитного участка магнитной цепи с тем, чтобы в процессе расчета не производить эти вычисления постоянно. Такие предварительные расчеты целесообразно сделать при применении метода контурных потоков.
§ 16. 4. Порядок расчета минимального реле
Минимальным называется реле, срабатывание которого происходит при достижении входным сигналом минимальной величины, на которую отрегулировано реле; при этом срабатывание обычно выражается в электромагнитных реле отпаданием якоря. Все сказанное в § 16.3 относительно выбора, конструкции и расчета контактного узла, составления кинематической схемы, выбора, расчета и конструкции возвратно-регулировочной пружины, расчета механической характеристики целиком и полностью относится и к минимальному реле.
Выбор типа магнитной системы минимального реле производят по конструктивному фактору, определяемому по начальному усилию механической характеристики и ходу якоря, но расчет ампервитков срабатывания катушки производят по конечному усилию механической характеристики. Таким образом, тяговая характеристика совпадает с механической только в конечной точке при притянутом якоре, а во время хода якоря она должна лежать ниже механической, причем запас механического усилия над тяговым в критических точках должен быть не менее 10-15%.
После уточнения кинематической схемы и конструктивного оформления реле производят проверочный расчет, в который входит и расчет тяговой характеристики на включение реле. В общем случае тяговая характеристика на включение должна отвечать требованиям, предъявляемым к тяговой характеристике промежуточного реле. Но нередко она должна быть такой же, как для максимального реле, т. е. при определенном максимальном значении входного сигнала тяговое усилие равно механическому и происходит включение реле, которое в этом случае становится минимальномаксимальным. Подобные реле применяются для осуществления процессов регулирования работы электрической установки.
Катушки реле рассчитываются обычным порядком, изложенным в гл. IV и VIII. Остальные расчеты минимальных реле — расчет выдержки времени, коэффициента возврата, времени срабатывания и др. — совершенно аналогичны таким же расчетам максимальных реле. Соображения и рекомендации по расчету многокатушечных максимальных реле со сложными магнитными системами также полностью применимы к минимальным реле.
