Электрическое сопротивление (RK) коммутирующих контактов. Условия гашения дуги постоянного тока. Способы уменьшения времени горения дуги на контактах ЭА. Условия гашения дуги переменного тока. Гибридные коммутационные ЭА постоянного и переменного тока

                                                                                                                1. Электрическое сопротивление (RK) комутирующих контактов. Способы снижения RK.

R_кд – сопротивление контакт-деталей.

Причины R_пер:

1)  сужение линий тока в контакте

2)  адсорбированные плёнки

Эти 2–а  явления образуют 2-е составляющие: R_пер=R_с+R_пл

 - удельное сопротивление при температуре t=θ⁰С

r – радиус площадки контактирования

                        2-а вида деформации: пластическая и упругая.

При высоких и средних токах F_К высокая пластическая деформация:

 - предел прочности на смятие

K – коэффициент, зависящий от материала контакта его св-в и способа обработки конт. поверхности.

Упругая деформация:

K_Ф – коэффициент формы, если оба контакта полусферой то 0,9, если один полусферой другой плоский то 1,1

В многоточечных контактах:

Пластическая деформация:

Упругая деформация:

Т.о. Rс зависит от:

                        1) Св-в материала (ρ, σ_с) Чем меньше предел смятия, тем меньше K  (Rс). В качестве контактных материалов выбирают мягкие материалы. Рекомендуется грубая обработка контактов.

3)  Зависит от F_K

Rс мало зависит от размеров контакта.

Эмпирическая формула:

m – зависит от числа контактных точек

K – зависит от материала контактов

Оксидная плёнка увеличивает Rпер в сотни раз. В слаботочных контакты не окисляющиеся из серебра, свинца. В сильноточных контактах оксидная плёнка разрушается большой силой и трением. В сильноточных контактах Rпл примерно = 0.

2. Условия гашения дуги постоянного тока. Способы уменьшения времени гарения дуги на контактах ЭА.

                        Рассмотрим на примере отключения активно-индуктивной цепи. Для данной цепи напишем уравнение напряжения

Для горения дуги , т.е.

 - условие гашения дуги постоянного тока.

Дуга погаснет, если напряжение сети станет недостаточным для поддержания дуги с данным напряжением Uд. Для окончательного гашения дуги данное неравенство должно выполняться во всём диапазоне начиная с тока в момент размыкания контактов Iк=Uc/R и до нуля.

Это условие легко проанализировать методом пересечения ВАХ. Для установившегося режима горения дуги, когда di/dt=0 уравнение напряжения будет иметь вид:

Схема замещения дуги (рис 3.3):

Левая часть- источник питания электрической дуги.

Графическое решение (рисунок 3.3):

Здесь линия 1 – это нагрузочная характеристика зависимость   Её строят по двум точкам, режимы  ХХ и КЗ, имеющим координаты:

ХХ: I=0 ---

КЗ:  ---

Эта линия называется реостатной характеристикой. Линия 2 – это ВАХ дуги U_Д=f(i_Д). Решением данного уравнения является точка пересечения данных ВАХ. В этих точках di/dt=0.

          Чтобы дуга хорошо гасилась надо чтобы реостатная характеристика лежала ниже ВАХ дуги. Точка при касании ВАХ называется критической.

Для надёжного гашения дуги ВАХ дуги, соответствующая максимальному раствору контактов должна лежать выше критической. Это графическая форма условия гашения дуги постоянного тока.

Время горения дуги

Iк – отключаемый ток

Чем больше ΔU т.е.  чем выше ВАХ тем быстрее погаснет дуга

Отсюда вытекают способы уменьшения времени горения дуги:

1)  механическое растяжение дуги, т.е. увеличение раствора контактов. Метод применяется в ЭА на малые токи.

2)  путём увеличения Ест

а) перемещение дуги в холодном воздухе. Для перемещения используется катушка магнитного дутья

Недостаток: сильная зависимость эфективности от отключаемого тока

б) путём стеснения стенками ДУ – интенсивная теплоотдача стенкам. Применяется в контакторах.

в) увеличение давления газа. Имеет место в предохранителях, где энергия дуги идёт на увел-е давления в предохр-ле

г) продув дуги потоком сжатого воздуха или др. газом. Повышается теплоотдача, давление, ионизированные частицы выносятся из промежутка.

д) гашение в минеральном тр-ом масле. Взрывообразное разложение масла создаёт магнитное дутьё, дуга горит в водородной среде с повышенным давлением

е) в среде с сильно выраженными электроотрицат-ми св-ми. Газ SF₄ – способен захватывать свободные электроны и превращать их в малоподвижные ионы.

ж) очень инертный газ

з) размыкание в вакуме дуга горит в парах металла – услови для диффузии зар-х частиц с большой скоростью

Uэ=Uк+Uа

3)  увеличение Uэ. Дугогасительная решотка. Uэ вдоль дуги не одинаково восновном падает на приэлектродных участках.Доливо добровольский предложил использовать решотку которая делит дугу на несколько коротких. Падение напряжения на разбитой дуге будет в нес-ко раз больше.

Недостатки: при частых пусках решотка нагр-ся эффект-ть падает, а решотка может выгореть.

3. Условия гашения дуги переменного тока.

Способы выполнения условия.

                        Дугу переменного тока погасить легче чем дугу постоянного тока. При гашении дуги постоянного тока надо насильно уменьшать ток отключаемой цепи до нуля. При гашении дуги переменного тока этого делать не надо. Он спадает сам и в момент перехода тока через ноль дуга сама погаснет. Основная задача – создать такие условия, чтобы после гашения дуги после перехода ч/з ноль, дуга вновь не возобновилась.

                        Рассмотрим кривые U_С, i_Д, U_Д, R_Д, U_ВН, U_ВП. (Рисунок 3.7 )

 До момента МРК по цепи протекал ток, который отставал на 90 градусов от Uсети φ=90⁰.

                        В t=t₀ произошло размыкание контактов, в связи с чем появились кривые U_Д, R_Д, которые по мере по мере расхождения контактов возрастают. Но в течении полупериода R_Д возрастает незначительно отсюда угол φ и I уменьшаются незначительно. В t=t₁ ток спадает до нуля, дуга погасла, но после нуля она снова возобновилась.

После каждого момента гашения дуги запускаются два процесса:

                        - процесс восстановления напряжения на контактах, и

                        - процесс восстановления прочности межконтактного промежутка

Эти процессы противоборствующие

1)  В t₁ и t₂ U_К начинает возрастать с U_Г до U_С отсюда мгновенное значение U_К, восстанавливающееся с U_Г до U_С  называют восстанавливающимся напряжением U_ВН (длится доли секунд).

2)  Прочность напряжения, которую нужно приложить к межконтактному промежутку, чтобы он был пробит U_ПР=4кВт·δ_К .Электрическая прочностьмежконтактного промежутка, нарастающая с меньшего значения, соответствующегомоменту гашения дуги в ноле до значения, соответствующего максимальному раствору контактов при холодном неионизированном состоянии называется восстанавливающейся электрической прочностью.

                        Условие окончательного гашения дуги переменного тока заключается в выполнении после погасания дуги в момент перехода тока ч/з ноль неравенства: U_ВП>U_ВН

Графически это условие изображается превышением кривой U_ВП=f(t) над кривой U_ВН=f(t) (Рисунок 3.8 б  а )

Такой процесс имеет место в t₃. На рисунке 3.8 а представлены процессы в t₁ и t_2.

КДС надо проектировать так, что бы она обеспечивала гашение дуги в первый переход тока ч/з ноль, но это сложно.

Для выполнения условия нужно уменьшить скорость наростания Uвн

Основные способы:

1)  паралельно включается конденсатор, применяется в низковольтных

2)  шшунтирующие контакты с повышенным шунтирующим сопротивлением

4. Перенапряжения при гашении дуги постоянного тока. Способы снижения перенапряжений.

                        При отключении цепей постоянного тока на контактах ЭА появляются напряжения, которые в десятки раз могут превысить U_С. Они могут пробить п/п приборы, изоляцию, т.е. привести к аварии.

Перенапряжения характеризуются коэффициентом перенапряжения

- мгновенное максимальное значение напряжения на контактах при гашении дуги

- превышение напряжения сети

Уравнение комутируемой цепи в момент гашения:

Перенапряжения возникают в следствии появления ЭДС самоиндукции отключаемой цепи, которая складывается с напряжением сети.  тем больше, чем больше L и .

Что бы уменьшить перенапряжения надо уменьшить di/dt. 

di/dt зависит от эффективности дугогасительного устройства (ДУ). Эффективность ДУ больше → больше→ больше.

Рисунок 3.4

Способы уменьшения перенапряжений:

1.  Конструктивное направление на стадии разработкиконтактно-дугогасительной системы

Надо уменьшить di/dt  что бы ток медленно сходил до нуля, перенапряжения уменьшатся, но тогда t(с) время горения дуги увеличится, увеличится износ контактов, т.о. возникает противоречие. Оптимальный вариант – КДУ воздействует на дугу в начальный момент t(с), а в самый последний момент di/dt должен быть маленьким (I_Д на ВАХ изменится вначале круто, а потом медленно).

Рисунок 3.5

На рисунке реостатная хар-ка отключаемой цепи при отключении с 2-мя разными ДС: 1-ая система с пологой ВАХ, 2-ая с крутой. Время горения дуги одинаковое (S м/у ВАХ и реостатной хар-ой одинаковые). Но перенапряжения разные, первая ДС предпочтительней. Т.о. при проектировании должна преследоваться цель что бы ДУ обеспечивала пологую ВАХ, которая в первый момент существенно превышает реостатную хар-ку, а в последующий момент превышение не значительное.

      ДС типа узкая щель – образованна стенками из жаропрочного материала или асбестоцемента.

Физ. Сущность: В момент размыкания контактов ток значительный, сопротивление столба дуги значительное → щелевая камера сильно деформирует столб дуги. Площадь соприкосновения дуги со стенками большая, интенсивный теплоотвод, температура столба падает, сопротивление возрастает,   большое. В конце процесса гашения диаметр столба дуги меньше теплоотвод затрудняется, процесс идёт наоборот – сопротивление падает,  маленькое – небольшое превышение ВАХ над реостатной характеристикой.

2.  Схемное направление

Рисунок из раздаточного материала со схемами

А) Имеется двигатель с R_Н и L_Н. Его можно зашунтировать резистором R_Ш и перенапряжение уменьшится, т.к. R_Ш уменьшает di/dt (т.к. в нагрузке ток не оборвался и там создался свой контур)

Б) Недостаток схемы – дополнительные потери в R_Ш, и поэтому вместо R_Ш стали применять диоды, которые включаются вторично.

В) Цепочка R-C или шунтирует нагрузку или контакты (в большинстве случаев). При замкнутом состоянии контактов напряжение на конденсаторе =0 цепь размыкается и начинает протекать зарядный ток di/dt спадает. R нужно для сведения колебательного процесса в апериодический, а так же для ограничения зарядного тока.

5. Гибридные комутационные ЭА постоянного и переменного тока. Электрические схемы и принцип действия.

 Стремление использовать преимущества контактов ип/проводников привело к созданию гибридных ЭА. Главное преимущество контактов – малое сопротивление контактов, что позволяет им иметь большую перегрузочную способность. Преимущество п/п – размыкание без дуги.

Гибридные ЭА могут комутировать токи в 6 – 8 раз больше I_Н .

Существенный эффект имеет место в простейшем гибридном ЭА.

Дуга возникает на одном контакте (где встречный току диод). Износостойкость возрастает в 1.5 – 2 раза, чем в ЭА, когда дуга гасится при первом переходе тока ч/з ноль.

МРК – момент размыкания контактов.

Главные контакты (ГК) шунтируются полевыми терристорами с изолированным затвором. При положении включено весь ток ч/з ГК. При этом трансформаторы тока подают сигналы на терристоры, но они не срабатывают, т.к. анодное напряжение на них незначительное (оно равно падению напряжения на ГК). При отключении аппарата с возникновением дуги на ГК, анодное напряжение возрастает и вкл-ся один из теристоров. В результате ток с ГК переходит во вкл-й теристор. При этом сигналы управления перестают поступать на теристор, но он остаётся в проводящем состоянии. Однако при подходе отключаемого тока к нулю теристор автоматически отключается и цепь размыкается

6. Методика расчёта электродинамической силы, действующей на проводник с током, расположенный в прямоугольном пазу из ферромагнитного материала.

Рисунок из задачи 1.7

 - т.к. Fэд стремится увеличить координату X, проводник втягивается в паз

Gм проводимость, так как магнитная система не насыщенна, то учитывается только проводимост воздушного зазора.

7. Элекромагнитная сила в электромагнитах. Формула Максвелла и энергетическая формула.

1)  Ф-ла Максвелла (сила действующая на ферромагнитный полюс, из которого выходит поток).

S – поверхность полюса

B_δ – индукция под полюсом

δ<1 мм

Для равномерного поля (B_δ=const)

2)  Энергетическая формула

Для электромагнита:

Для ненасыщенной магнитной системы (μ= const):

G_SПР – проводимость приведённого потока рассеяния

Для насыщенной магнитной системы (μ не =const):

IW=IW_СТ + IW_δ

IW_δ – ампервитки в воздушном зазоре.

8. Врмея срабатывания электромагнитов. Способы замедления и убыстрения электромагнитов.

Время срабатывания – с момента подачи напряжения до момента достижения якорем своего конечного положения.

 -с момента подачи напряжения управления и до начала движения

 - от начала до конца движения

 - ток в катушке в момент трогания

Процесс трогания характеризуется:

1)

2) система не насыщенна

Уравнение обмотки электромагнита:

рисунок 4.9

 - постоянная времени при начальном положении якоря

При t=t_ТР

 - Коэффициент заполнения эл. магнита по току срабатывания

Процесс движения характеризуется:

1) F_ЭМ>F_ПР V_Я не=0 δ=var

2) L=var

При t=t_СР якорь достигает конечного положения, ток возрастает по exp до устзначения

Ток снова возростает, но Т=Т_К >>Т_Н

Расчитать t_ДВ из уравнения обмотки представляет очень сложную задачу, поэтому считают по 2-му закону Ньютона

Допущения:

1) F_ЭМ возрастает по статической хар-ке

2) Результирующая сила, действующая на якорь постоянна и равна среднему значению

рисунок 4.10

Якорь совершает равноускоренное движение

С₁ С₂ – постоянные интегрирования, находятся из условия

ρ – радиус центра тяжести

Этот метод прост,но погрешность 20-25%, поэтому есть допущения