Електромагнитни контактори

Характеристики на комутационните апарати с електромагнитно задвижване

    Контакторите са устройства с автоматично задвижване, предназначени за управление на постояннотокови и променливотокови товари при номинални условия на работа и в условия на претоварване. Сред най-разпространените от тях са контакторите с електромагнитно задвижване, масово използвани в съвременните електрически инсталации и обект на настоящата публикация.

Основни параметри на контакторите
Сред основните параметри на контакторите са техния номинален ток и номинално напрежение Uн, Iн; комутационна възможност при включване (12-17).Iн и при изключване (8-12).Iн, която съответства на преходните режими на електродвигателите; механична и електрическа износоустойчивост (живот на механизма в брой комутационни цикли); режим на работа (честота и продължителност на включване); захранващо напрежение и консумирана мощност от намотката на задвижващия електромагнит. Най-често изборът на контактор се основава на режима на работа и номиналния ток, който трябва да бъде комутиран с коефициент на запаса от 1,1 до 1,5, в зависимост от приложението. Производителите категоризират продуктите си според категориите на приложение, дадени в таблица 1. Най-често срещаните контактори попадат в категорията АС-3, тъй като асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор са с широко приложение.
Масовите контактори са триполюсни - с три силови нормално отворени контактни групи. Освен тях, производителите предлагат и еднополюсни, двуполюсни и четириполюсни контактори. Последните имат възможност да изключват и работната нула в петпроводни захранващи системи, където не се прилага защитно зануляване, а само защитно заземяване.
Гамата от номиналните токове на контакторите не е строго стандартизирана, но съществуват препоръчителни стойности, с които на практика всички производители се съобразяват. Пълната гама от номинални токове се получава от редицата (1 А, 1,6 А, 2,5 А, 4 А, 6,3 А) х 10k, където к е цяло число в диапазона от -1 до 3. В действителност, минималният номинален ток е 0,25 А, а максималният е 10 000 А. На практика обаче не са разпространени контактори с номинален ток по-малък от 6 А. Контактори с номинален ток над 630 А обикновено не се поддържат на склад, а се доставят по поръчка.

Задвижването на контактната система
се осъществява чрез електромагнит, една част от магнитопровода на който е подвижна. Позната е под наименованието котва. Обикновено котвата се поддържа в изходното положение (положение на покой) от пружини. При протичане на електрически ток в намотката на електромагнита се възбужда магнитен поток, който се затваря през магнитопровода, котвата и работната въздушна междина. В резултат на това се създава електромагнитна сила, която се стреми да придвижи котвата по такъв начин, че да намали общата дължина на пътя на магнитния поток. Електромагнитната сила преодолява силите на пружините, поддържащи котвата в изходно положение, и я придвижва до удар в упора или полюса на неподвижната част на магнитопровода. При движението на котвата се задвижват и подвижните контакти на контактната система.
Контактните системи не са електрически свързани със задвижващия електромагнит, което позволява да се работи с различни комбинации от оперативни (управляващи) и силови вериги. Конструктивното изпълнение на контактните системи зависи най-вече от предназначението им, което е от определящо значение за напрежението в комутираната верига, силата на тока и полярността му.
Контактните системи са изпълнени най-често от медни или сребърни сплави, точният състав на които в редица случаи е патентно защитен. В новите контактни системи не се използва вече масовият в миналото кадмий, заради изключително вредното му действие върху хората.
При затваряне и при отваряне на контактите между тях възниква електрическа дъга. Добре известно е, че колкото по-високо е напрежението в комутираната верига, толкова по-трудно се гаси дъгата. Постояннотоковата дъга се гаси по-трудно от променливотоковата. Интензивната електрическа дъга затруднява комутацията и предизвиква ускорено износване на контактите (ерозия). По тази причина се вземат специални мерки за нейното удължаване, охлаждане и разкъсване, което води и до изгасването й.

Гасене на електрическата дъга
За ефективно гасене на постояннотокова дъга се използва магнитно продухване, дъгогасителна решетка или камера с тесен канал. Именно необходимостта от използване на дъгогасителни камери е причина за значително по-големите габарити на постояннотоковите контактори спрямо променливотоковите. Както е известно, контакторите се разделят на постояннотокови и променливотокови, според вида на тока във веригата на силовите контакти, а не според вида на тока в оперативната верига.
За относително малки променливи токове (до няколко десетки ампера) обикновено не се изискват специални дъгогасителни камери. При променлив ток комутацията е облекчена, тъй като вследствие от преминаването на тока през нулата дъгата самоизгасва на всеки полупериод или 100 пъти в секунда при 50 Hz. Експериментални изследвания показват, че при две прекъсвания на променливотоковата дъга за полюс, тя сигурно изгасва под активен и индуктивен (cosj = 0.2 - 0.5) товар, при ефективна стойност на напрежение на източника до 380 V. Причината е възстановяване на околоелектродната якост без използване на специални дъгогасителни устройства. Затова на практика всички променливотокови контактори за стандартно фазно или линейно напрежение се произвеждат с мостова контактна система с две прекъсвания за полюс и без дъгогасителна камера. При напрежения от 660 V обикновено се използва камера с дъгогасителна решетка.

Потискане на комутационните пренапрежения
Бобината на контактора, от електрическа гледна точка, представлява голяма индуктивност. При прекъсване на тока през индуктивността се генерира електродвижещо напрежение (ЕДН) на самоиндукция, което се проявява като пренапрежение. Големината на пренапрежението зависи от индуктивността и скоростта на намаляване на тока. Налице са няколко нежелателни последици от комутационните пренапрежения в оперативната верига - генериране на радиосмущения; смущения в работата на електронните устройства (автоматични управления, контролери и др.); възможна повреда на елементи, свързани в оперативната верига (диоди, изправителни мостове, светодиодни индикатори), повишено износване на маломощни контакти.
Тъй като големината на ЕДН на самоиндукция зависи от скоростта на изменение на тока в бобината, пренапрежението ще е особено голямо, когато оперативната верига е за постоянен ток и се управлява от електронни ключове, които са с много високо бързодействие. В този случай може да се достигне до режим, опасен както за ключа, така и за самата бобина. Ако не се вземат мерки, може да се стигне и до пробив в изолацията. При управление на бобината от маломощни контакти (например от терморегулатор), комутационните пренапрежения водят до повишено искрене, което силно скъсява живота на контактите.
За намаляване на ефекта от комутационните пренапрежения се използват различни демпфериращи устройства (антипаразитни защити) като RC групи, варистори и диоди (със и без последователно свързан резистор). Всеки тип демпфериращи елементи има своите предимства и недостатъци. Например, RC групите са ефективни, използваеми при променлив и в някои случаи при постоянен ток, стабилни във времето. Трябва да се има предвид, обаче, че те създават риск от резонансни явления и на практика са неефективни при големите бобини за постоянен ток. Налице е и известно забавяне при изключване.
От своя страна, варисторите се характеризират с голямо бързодействие и следователно не влияят на работата на контактора, ефективни са при постоянен и променлив ток, не създават предпоставки за резонанс. Сред недостатъците им е, че стареят с времето заради термичното износване. Обратният диод е много ефективен, но само при постоянен ток и забавя значително изключването.
Много производители вграждат RC групи в контакторите си за променлив ток. При контакторите за постоянен ток обикновено се предвижда място за лесно включване на демпферна група от различен тип. В някои случаи в демпферната група се вгражда и светодиод или друг вид индикация за състоянието (включено или изключено) на контактора. Полезно е да се отбележи, че различните производители използват различни наименования за означаване на елементите за потискане на комутационните пренапрежения.
При контакторите, управлявани с променливо напрежение, обикновено бобините са с относително малък брой навивки и следователно индуктивността им не е много висока. Освен това, те обикновено се управляват от достатъчно мощни и бавни контакти (изключването е от порядъка на 20 ms), така че комутационните пренапрежения не създават проблеми и не е необходимо да се включват демпферни групи. Решението за тяхното използване зависи от конкретното приложение.
Липсата на електрическа връзка между оперативната верига на бобината и силовите контакти на контакторите позволява работата им с различни оперативни напрежения - постоянни и променливи. Най-често срещаните оперативни напрежения са 42, 60, 220, 380 и 660 V променливо и 24, 110, 220 и 440 V постоянно. Разбира се, в сградните и в общопромишлените инсталации се предпочитат контактори, работещи със стандартно фазно напрежение. Работата на линейно напрежение изисква всички елементи в оперативната верига - контакти, бутони, индикаторни лампи и др. да са високоволтови, затова е по-рядко използвано. Оперативните вериги, работещи на ниско постоянно напрежение, позволяват директно управление от изходите на програмируеми контролери, полеви интерфейси, транзисторни изходи и др.

Износоустойчивостта на контакторите
се дефинира в брой комутационни цикли и зависи основно от токовото натоварване. При натоварване с токове, по-малки или равни на номиналния, типичният живот на съвременните контактори е от порядъка на 106 - 107 комутационни цикъла при редки пускания и намалява до около 105 при повторно кратковременен режим на експлоатация. Освен това, животът намалява експоненциално с увеличаване на тока над номиналния. Повечето контактори се произвеждат с несменяеми контакти, затова в документацията не се дава поотделно механичната и електрическата износоустойчивост.