Контактори за постояннотокови товари

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2012

Контактори за постояннотокови товариКонтактори за постояннотокови товариКонтактори за постояннотокови товариКонтактори за постояннотокови товариКонтактори за постояннотокови товариКонтактори за постояннотокови товари

Основното предназначение на този тип контактори (DC Contactor) е за включване и изключване на постояннотокови електродвигатели и за бързото им спиране чрез задействане на електромагнитна спирачка. Използват се и за включване и изключване на товари с индуктивен характер, например соленоиди, както и на някои товари с резистивен характер.

В статията се разглежда действието на контакторите с електромагнитно задействане и полупроводниковите контактори, техните основни параметри и характеристики, като е отделено внимание и на специфичните особености за гасене на електрическата дъга при отварянето на контактите. Дадени са примери на схеми за свързване и приложения, както и някои особености на конструкцията.

Стандарти
В публикувания от Международната електротехническа комисия стандарт IEC 947-4-1 съществува раздел за контактори за постояннотокови товари с три основни части: DC1 за безиндуктивни товари, такива с малка индуктивност (времеконстанта L/R Ј 1 ms) и електрически пещи, DC3 за шунтови електродвигатели (L/R Ј 2 ms) и DC5 за серийни електродвигатели (L/R Ј 7,5 ms). Контакторите за индустриални приложения трябва да изпълняват изискванията на IEC 60947-1, IEC 60947-4-1 и EN60947, докато тези за електрически локомотиви – IEC60077-1, IEC60077-2 и ЕN50124. Оценяването на издръжливостта на контакторите към различни външни въздействия също се извършва според предписанията на различни стандарти, например IEC 60068-2-6 за вибрации и IEC60068-2-27 за удари. За безопасността на електрическото свързване на контакторите трябва да се спазват предписанията на БДС EN 1175-1:2002.

Действие на електромагнитните контактори
Това са най-масово разпространените контактори, които включват и изключват товара чрез механични контакти. Обобщената им структура заедно с веригите за свързване на товара е показана на фиг. 1. Единият полюс на източника на постоянно напрежение Ue обикновено се заземява или свързва към корпуса на контактора, но има и специфични случаи на липса на тази връзка. Показаното на фиг. 1 заземяване е за осигуряване на положително напрежение на товара Ch, но по аналогичен начин може да се захранва товар с отрицателно напрежение чрез заземяване на положителния полюс на Ue. Двата eлемента F, наричани Short-Circuit Protection Device (SCPD), представляват защитата от късо съединение, която може да бъде реализирана по различен начин.

Силови контакти (Main Contacts) PwC. Те задължително трябва да са в незаземената верига, като в най-тежък режим работят при индуктивен товар, в сравнително по-лек с капацитивен товар и облекчен при резистивен товар. В зависимост от очаквания начин на ползване на контактора, допиращите се части на контактите са от различен материал. Класическият е медта заради малкото си омично съпротивление, но контактите от нея са уязвими на корозия, особено при превключване на резистивни товари. Среброто е устойчиво към корозия, подходящо е за всякакви контакти независимо от тока им, но е по-скъпо. Контакти оставащи продължително време затворени са медни и посребрени или се изработват от сребърно-кадмиев окис или от сребърно-калаен двуокис. С тези три разновидности се отстранява опасността от “залепване” на контактите при токове над номиналния и същевременно се осигурява малко съпротивление в затворено състояние. Допълнително предимство на контактите със сребърно-кадмиев окис е, че имат дълъг експлоатационен срок. Характерни приложения на контактори с двете разновидности са в телекомуникационни и електроразпределителни системи. За работа в тежки експлоатационни условия предпочитаните материали са сребърно-волфрамов окис и сплавта AgCu3, известна и с наименованието Hard Silver.

В зависимост от състоянието на контакта в незадействано положение и начина на свързване на външните вериги, в контакторите се използват следните основни видове:
Единичен контакт (Single Pole Single Throw) SPST с две разновидности. Първата е със символични означения на фиг. 2а и се нарича нормално отворен контакт (NO Contact), тъй като в незадействано състояние е прекъснал веригата, в която е свързан. За да не се бърка последното означение с това на кондензатор, при едновременното им използване в електрическите схеми една от плочите на кондензатора е дъгообразна. Другата разновидност е нормално затворен контакт (NC Contact), който в незадействано състояние е затворил веригата и има символичните означения на фиг. 2б.

Единичен превключващ контакт (Single Pole Double Throw) SPDT с означение на фиг. 2в. Той се използва обикновено за подаване на дадено напрежение към един или друг товар, или за свързване на товар към едно или друго напрежение, което определя другото му наименование Changeover Contact. Тъй като при превключването най-напред се прекъсва едната верига, а след това се затваря другата, се нарича и Changeover Contact Break Before Make.

Двоен контакт (Double Pole Single Throw, Double-Break Contact) DPST, представляващ два еднакви единични контакта с общо задействане (фиг. 2г) и по принцип предназначен за едновременно прекъсване на две вериги. Използването му в PwC на фиг. 1 е като двата контакта се свържат последователно за по-сигурно прекъсване на веригата при отварянето им.

Двоен превключващ контакт (Double Pole Double Throw) DPDT – показан е на фиг. 2д и основното му предназначение в постояннотоковите електродвигатели е за реверсирането им. Известен е и като Paired DPST.

Сравнително по-рядко се използват тройни контакти (Triple Pole Contact) и четворни контакти (Four Pole Contact), представляващи съответния брой единични контакти с общо задействане. Те могат да са само NO, само NC или комбинация от двата вида. Например за още по-сигурно прекъсване на веригата на електродвигател, вместо два могат да се свържат последователно три контакта.

При ползването на контактори трябва да се има предвид съществуващото по принцип треперене на неговите контакти – при затварянето им поради притискането на двете пластини и еластичността им се получава неколкократно отваряне и затваряне (bouncing) преди да се установи стабилното затворено състояние. Поради големите токове през PwC треперенето би влошило част от параметрите на контакторите, поради което то се отстранява чрез подходящи средства (т. нар. Debounced Contact).
Конструктивното оформление на много контактори позволява лесната замяна на техните PwC, което е отбелязано в техническата им документация. Същевременно, производителите често предлагат серии от контактори с много общи параметри и еднакво конструктивно оформление, едно от различията между които е във вида на PwC. Така потребителят може да избере подходящия за дадено приложение, като трябва да се има предвид, че най-често използваните разновидности са с един до три NO и един NC.

Допълнителни контакти (Auxiliary Contact). Това е блокът AxC на фиг. 1, използван за включване и изключване на външни помощни устройства и индикаторите за състоянието на контактора, които се свързват към изводите Ax_n. Тези контакти са от същите типове, както PwC, но за по-малки токове. Задействат се едновременно със силовите от блока S, като най-често са SPST и SPDT. В част от контакторите всеки от допълнителните контакти е снабден със специална пружинка (Return Spring), която ускорява отварянето и затварянето му, стабилно го задържа във всяко от положенията му и осигурява необходимата сила на натиск, когато е затворен. Освен това се избягва опасността от нежелана смяна на положението на контакта поради удари и вибрации. Конструктивното оформление на много модели контактори позволява допълнителните контакти да се монтират или не по желание на клиента. Също масов случай е предлагането на даден контактор с няколко вида допълнителни контакти.
Електромагнит (Coil, Solenoid). Той е блок S на фиг. 1 и котвата му е механично свързана със силовите и допълнителните контакти, които се задействат при нейното привличане. Последното се осигурява от намотка, захранвана от постоянно напрежение (DC Coil) Uc, подавано между изводи С1 и С2 на контактора и осигуряващо достатъчно голям ток през нея. Веднага трябва да се подчертае, че в немалко каталози контакторите за променливотокови товари и постоянно управляващо напрежение се означават като DC Contactor. Класическият тип контактори са с една намотка, наричана работна (Operating Coil), която може да се задейства по различен начин в зависимост от модела на контактора. Най-простият е подаване на цялото напрежение Uс за задействане на контактите и премахването му за тяхното отпускане. Този режим на работа е известен като Continuous Duty. Така създаденият непосредствено след прилагането на Uc магнитен поток предизвиква рязко механично въздействие върху котвата, което не е желателно. За избягването му някои контактори съдържат подходящо поставен меден пръстен, който в първия момент отклонява значителна част от магнитния поток на намотката и механичното въздействие е слабо. В процеса на нарастване на тока през намотката той се променя все по-бавно, отклоненият от пръстена поток намалява и механичното въздействие върху котвата нараства. Крайният резултат от това е плавно и без излишни механични удари придвижване на котвата и контактите. Този начин на действие се препоръчва за товари, които се включват и изключват сравнително рядко. В други модели напрежението за задействане (Pull-In Voltage) е част (например 2/3) от номиналното Uc.

За случаите на често включване и изключване на товарите се предпочита захранване на намотката с правоъгълни импулси, което в съчетание със споменатата специална пружина на контактите намалява времето за смяна на състоянието на контактите. В случая основно значение има коефициентът на запълване d=100ton/(ton+toff) на импулсите, в който ton е времето на протичане на ток през товара, а toff - времето на прекъсването му. Този начин на захранване е известен като Intermittent Duty, като d обикновено е между 20% и 90%. Важно е да се има предвид, че на всяка стойност на d съответства определено максимално допустимо време ton, давано в техническата документация (намаляването на d води до понижаване на ton). Освен това, средната стойност на тока през товара е d, % от тази при постоянно затворени PwC. Например, ако последната е 200 А, при d=30% се получава средна стойност на тока 60 А.
Съществуват електромагнити с две намотки, свързани последователно към Uc, всяка от които е със собствена котва за задействане на един от PwC.

Задействането на контактите изисква значителна електрическа енергия, докато за подържане на задействаното им състояние тя може да е значително по-малка и, съответно, през намотката да протича по-малък ток от този за задействане. Съществуват три метода за осигуряване на това действие. Първият от тях е намаляване на напрежението до стойността за задържане (Drop-Out Voltage), която е 10-30% от напрежението Uс. При втория метод се намалява средната стойност на тока чрез понижаване на времето ton и се осигурява най-голяма икономия на електроенергия, но това е съпроводено със създаването на значителни електромагнитни смущения, а цената на техническата му реализация е значителна. Евтин и с малки смущения, но не толкова ефективен, е третият метод със задържаща намотка (Holding Coil). Задействането се осигурява от работната намотка, след което вместо нея се включва задържащата, която е значително по-високоомна и, съответно, с по-малка консумация.

Специфичен начин за намаляване на консумацията се използва в някои контактори с NO контакти. Постоянен магнит осигурява затвореното състояние на контактите, а за отварянето им е достатъчен къс токов импулс през намотката, след което те остават в това състояние. За повторното им затваряне се подава импулс в обратна посока.
За разширяване на приложенията на контакторите се използват намотки, захранвани с променливо напрежение (AC Operated Coil) с мрежова честота. Те имат вграден диоден мост (схема Грец), който осигурява в единия си диагонал пулсиращо напрежение с постоянна съставка за захранване на намотката, когато в другия му диагонал се подаде променливото напрежение. Когато вместо променливо се подаде постоянно напрежение, то преминава през моста практически без промяна. Следователно, комбинацията мост-намотка позволява захранване с променливо и постоянно напрежение, което определя и наименованието AC/DC Coil.

При прекъсване на веригата на намотките се получава отскок на напрежението върху тях, за чието избягване в някои контактори успоредно на тях е свързан варистор, а в други последователно се поставя диод или резистор.

Потискане на електрическата дъга
Добре известното прескачане на искра или възникване на електрическа дъга между двете части на отварящ се контакт с голям ток през него е особено опасно, когато той е в постояннотокова верига. Причината е, че дъгата няма да се прекъсне автоматично, както при преминаване на синусоидата на мрежовото напрежение през нулата, което налага по принцип в контакторите за постояннотокови товари да се взимат специални мерки за потискането й. При напрежения под 24 V реално дъга не се образува и не се налагат специални мерки. При по-високи напрежения, особено над 48 V, те са практически задължителни, тъй като големината на дъгата нараства с напрежението на товара и неговия ток. Най-ефикасната мярка за премахването й е поставянето на контакта във вакуум. Тя, обаче, почти не се използва в разглежданите тук контактори поради значителното усложняване на конструкцията и повишаването на цената. Реално използвани са няколко метода за потискане на дъгата, общото между които е, че не я премахват, а само намаляват нейната енергия чрез скъсяване на времето на съществуването й или по друг начин. Критерий за ефективността на методите е коефициентът на потискане (Arc Suppression Factor) ASF, който показва колко пъти енергията на дъгата с потискане е по-малка от тази без потискане и при най-добрите практически реализации надхвърля 1000. Експлоатационният срок на контактите при ползване на тези методи нараства приблизително ASF пъти.

Единият от методите е отстраняване на голяма част от дъгата от пространството между контактите чрез постоянно магнитно поле (Magnetic Blowout). Методът има две разновидности. При първата полето се създава от постоянен магнит, то привлича електрически заредените частици на дъгата, с което изтегля част от нея извън пространството между двата контакта и я прекъсва. Действието е в сила само при една от посоките на тока през товара и затова трябва да се спазва означената върху корпуса на контактора полярност на напрежението. Приложенията са управление на товари с напрежение не по-малко от 48 V. Втората разновидност ползва допълнителна намотка за създаване на полето, свързвана към напрежението Ue от фиг. 1, и действа независимо от посоката на тока през товара. Символичното означение на контакт с този метод на защита е показано на фиг. 2е.

За скъсяване на времетраенето на дъгата се използват пружини, които отварят PwC за около 15 ms, вместо обикновените 50-100 ms.

Методът, известен като Arc Chute Assembly, използва 10-15 метални пластини с малко разстояние между тях, разположени от трите страни на контакта в непосредствена близост до него. При отварянето му вместо една дъга възникват такива между всеки две съседни пластинки (фиг. 3), всяка от които е със значително по-малка енергия от тази на дъгата без пластини. С това износването на контактите силно намалява.
При работа на контакторите е възможно поради някакви промени на товара токът през силовите контакти да нарасне над максимално допустимия. Отварянето им в такъв случай ще предизвика електрическа дъга, която да не може да бъде потисната от съответното устройство. За избягване на това в някои контактори е предвиден заключващ механизъм (Overcurrent Latch), който задържа контактите затворени дори при изключване на работната или задържащата намотка. Той ги отваря само едва при намаляване на тока до допустимия.

Не трябва да се забравя едно полезно качество на електрическата дъга, образувана от ток, значително по-малък от номиналния за контакта – почистването на контактните повърхности от замърсявания.

Действие на полупроводниковите контактори
Принципът на реализацията им (Solid State Contactor) не се различава от този на полупроводниковите релета - вместо механични контакти да се използват транзистори. Сред предимствата са по-дългият експлоатационен срок, липсата на електрическа дъга и предизвиканите от нея повреди, а от недостатъците могат да се споменат по-малките засега напрежения и токове на товара и по-високата цена на контакторите.
На фиг. 4 е дадена блоковата схема на полупроводников контактор, чийто блок SSS замества механичните контакти и основните му съвременни реализации са с мощни NMOS транзистори. Тяхното управление се осигурява от блока Contr, който чрез Isol е галванично изолиран от веригата на товара Ch. Необходимата мощност, доставяна от източника на управляващо напрежение Uc, е значително по-малка от тази при електромагнитните контактори, което е допълнително предимство и позволява реализирането му чрез масово използвани електронни схеми. С прекъсната линия на фиг. 4 са дадени използваните в някои контактори входове за пропускане на ток през товара в “права” посока FWR и в “обратна” посока REV. При управление на електродвигатели това означава възможност за избор на посоката им на въртене.

Основни параметри на електромагнитните контактори
Те се разделят на три групи, като съществена особеност е, че за повечето от тях няма единна терминология на английски език. Поради това тук за всеки параметър са дадени най-често използваните термини.

Параметри на контактите
Максималният ток през затворен контакт има три различни стойности в зависимост от условията на работа. Първата е токът, който може да протича неограничено дълго време (Main Rated Load Current, Maximum Rated Operational Current, Carry Current, Contact Rating, Making Capacity, Maximum Breaking Capacity, Switching Capacity) и за силовите контакти е в границите 15 А – 3150 А. Не трябва да се забравя, че при токове над няколко десетки А за осигуряване на максималния ток свързващите проводници или шини трябва да имат достатъчно голямо сечение. Поради това, в някои каталози се дават препоръчваните техни размери (Busbar Size). Например за ток 250 А трябва шина със сечение 38x5 mm. Максималният ток на допълнителните контакти е между 0,5 и 10 А. При това, за даден допълнителен контакт стойността му намалява при увеличаване на комутиращото напрежение – например може да е 5 А при 24 V и 0,5 А при 240 V. За кратко време (до 10-15 минути) през силовите контакти може да протича по-голям ток, като неговата стойност нараства с намаляване на времетраенето му и с увеличаване на времеконстантата на товара (по-силно индуктивен товар - по-голям ток). В някои каталози това се дава под формата на графика, един пример за каквато е показан на фиг. 5а. Тя сочи, че максималният ток за неограничено дълго време е 100 А. Максималният ток намалява и с нарастване на напрежението на товара - фиг. 5б, по чиято абсциса е напрежението във V, а по ординатата е максималният ток в А. Третата стойност е топлинният ток (Thermal Current Rating, Conventional Thermal Current, I Thermal, 8-Hour Rating), свързан са нагряването на контактите. Според стандарта IEC 947 това е токът, който след 8 часа ги нагрява до 105 °С при околна температура 40 °С. Твърде често именно тази стойност се приема за максимален ток на контактите.
Важно качество на контактите е да могат да се отворят и, съответно, да прекъснат веригата на товара дори при ток в нея над максималния. Затова в много каталози се дава максималният ток при повреда, който може да бъде прекъснат, с две стойности (обикновено производителите дават едната от тях) – при резистивен товар (Resistive Fault Current) типично 2-3 пъти по-голям от максималния и при индуктивен товар (Inductive Fault Current) между 5 и 8 пъти по-голям.

Максималният импулсен ток (Peak Current, Inrush Current) се дава сравнително рядко и за силовите контакти е 2-4 пъти по-голям от първата стойност на максималния.
Максимално напрежение върху товара (Rated Voltage, Nominal Voltage, Maximum Recommended Contact Voltage), което му се прилага при затварянето на NO контакт или е приложено от NC контакт. Стойността му се определя главно от това да не се получи пробив през отворен контакт. Типичните му стойности са между 48 V и 3000 V.
Максималното изолационно напрежение (Maximum Insulation Voltage) е между което и да е от перата на контакт и корпуса на контактора, което при силовите контакти достига 4000 V, а при допълнителните – до 800 V. Вместо него понякога се дава по-голямото напрежение на пробив (Breakdown Voltage).

За намаляване на загубите на електроенергия и ограничаване на температурата на контактите съществено значение има падът на напрежение въху тях (Voltage Drop Across Contact). Той зависи от големината на протичащия ток и типичните му стойности при 100 А са няколко десетки mV (например при 40 mV върху затворения контакт се отделя мощност 4 W).

Бързината на превключване на товара зависи от времето на задействане (Operating Time) на контактите. Като параметри на NO контакти се дават поотделно времето за затваряне (Contact Makes Time, Pick-Up Time, Pull-in Time) с типични стойности 20-150 ms и времето за отваряне след като е бил затворен (Contact Breaks Time, Release Time, Drop-out Time), което обикновено е между 5 и 30 ms. Важно е да се има предвид, че последното време нараства до 10 пъти при свързване към намотката на елементи за отстраняване на отскоците на напрежение върху нея. Превключващите контакти имат като параметри времето за преминаване от затворено в отворено състояние (Normally Closed to Normally Open) и времето за преминаване от отворено в затворено състяние (Normally Open to Normally Closed), като и двете са около 5 ms.

Оценката на трептенето на контактите при смяна на състоянието им се прави чрез неговото времетраене (Contact Bounce Period, Contact Bounce Time), което обикновено е няколко ms.

Експлоатационният срок на силовите контакти се определя чрез максималния брой превключвания. Обикновено в каталозите се дава стойността му без контактът да прекъсва токова верига (Mechanical Life, Mechanical Endurance) с типични стойности между 3.105 и 5.106. Реално, по-меродавен е броят превключвания при наличие на такава верига с определен ток (Electrical Life), който типично е няколко десетки хиляди. Той зависи и от вида на товара, като при индуктивен е около 2 пъти по-малък в сравнение с резистивен товар.

Протичащият през затворените силови контакти ток ги загрява, като температурата им зависи и от сечението на свързващите проводници и шини. За избягване на прегряването в някои каталози се дават графики на зависимостта на разликата между температурата на контакта и околната температура (по ординатата на фиг. 6) от времето на протичане на тока (по абсцисата в минути). Примерът на фиг. 6 е за контактор с максимален ток 250 А, при който температурата на контакта става със 70 °С по-висока от околната след около 25 min и се запазва по-нататък, докато при ток 400 А след 10 min температурата на контакта е със 105 °С по-висока от околната.
Параметри на намотката. Номиналното й постоянно напрежение (Coil Voltage, Rated Control Supply Voltage) е между 6 и 240 V, като масово се използват “стандартните” стойности 15, 24, 36, 48 и 96 V. Допустимите му толеранси (Operating Range) 10-20% обикновено са от двете страни на номиналната стойност, но в някои случаи могат да са и до +100% при студена намотка. Съществени параметри са максималното напрежение върху намотката за сигурно задействане на контактите (Maximum Pull-in Voltage), което се дава като процент от номиналното (типично 60-70%) и напрежението за задържането им (Drop-out Voltage) с типични стойности 10-25% от номиналното. Максималната мощност, която може да се разсее върху намотката (Coil Power Dissipation) типично е 5 - 75 W, като намалява с увеличаване на околната температура (дадените стойности са при 20 °С) и с напрежението й. Понякога се дава съпротивлението на работната намотка (Coil Resistance), което зависи правопропорционално на номиналното й напрежение (високоомните намотки са за големи напрежения) и има типични стойности между десетина W и 600 W. Последният и твърде съществен параметър е максимално допустимата температура на работната намотка (Coil Temperature), давана при най-голямото й напрежение и максималната околна температура на контактора. Тя достига 155 °С. Вместо нея някои производители предпочитат максималната разлика (Coil Temperature Rise) между нейната температура и околната, която разлика достига 80 °С.
Експлоатационни параметри. На първо място тук са допустимите граници на околната температура (Operating Temperature, Ambient Temperature), които са твърде различни – при някои контактори -25 до +40 °С, а при други - от -55 до +85 °С. От значение е максимално допустимата влажност на въздуха (Maximal Relative Humidity) в сила при определена околна температура – типичните стойности са около 90% при 25 °С. За множество приложения от значение е издръжливостта на контакторите на вибрации (измерение m/s2 или земното ускорение G) с типични стойности между 10 и 100 m/s2, които са в сила за определена честота (обикновено между 10 и 50 Hz). За същите приложения е и издръжливостта на удари със същите измерения и стойности между 10 и 30 m/s2.

Основни параметри на полупроводниковите контактори
Номиналното им напрежение е в границите 1-250 V, максималният ток - от 6 до 60 А, а импулсният ток е 4 до 15 пъти по-голям. Съществена особеност е невъзможността им да работят без товар, като минималният осигуряван от него ток в зависимост от модела трябва да е между 0,1 mA и 1 mA. Напрежението върху затворения им “контакт” е между 0,1 V и 0,3 V, а когато “контактът” е отворен, през него протича ток между 1 uA и няколко десетки uA. Съпротивлението на затворения “контакт” е между
5 mW и 0,5 W.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top