Контактори
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7, 2008
Традиционно надеждно решение за комутиране на постояннотокови и променливотокови товари
Комутационните апарати с електромагнитно задвижване са класически електротехнически устройства, появили се още в зората на електрификацията. Въпреки това, те продължават да се използват масово в съвременните инсталации за управление на постояннотокови и променливотокови товари. Основна причина за нестихващия интерес към този клас апарати е високата им надеждност и дълъг експлоатационен живот, които при това се получават на много приемлива цена.
Контакторите срещу безконтактните апарати
През осемдесетте години на вече миналия век се появиха комутационни апарати, изградени със силови полупроводникови ключове, наречени безконтактни апарати. В онези години съществуваше схващането, че те ще изместят класическите контактори и релета, особено като се има предвид непрекъснато намаляващата цена на полупроводниците. Натрупаният опит от експлоатацията на безконтактни апарати, обаче, показа, че те отстъпват по надеждност и безопасност на класическите решения. При ниски напрежения (до 660 V ефективна стойност) диелектрикът, който осигурява изолацията между контактите в отворено състояние, е предимно въздух (масло или вакуум се използват в много ограничен брой приложения). При затваряне и отваряне на контактите на класическите апарати между тях възниква електрическа дъга. След изгасване на дъгата, въздухът възстановява изолационните си свойства и съпротивлението между контактите би могло да се приеме за безкрайно голямо. За сравнение, евентуален пробив в полупроводниковите ключове води до трайно късо съединение. Дори изправните полупроводникови ключове имат в изключено състояние съпротивление, което е високо, но не и безкрайно голямо. А това е и основният им недостатък. Разбира се, безконтактните апарати също се развиха през изминалите години и в момента са по-известни с названието полупроводникови (solid state) релета. Основните им предимства са голямото бързодействие, малките габарити, ограничената консумация на енергия за задържане във включено или изключено състояние и безшумната работа.
Релетата и контакторите функционират на базата на един и същ принцип на работа. Различават се по своето конструктивно изпълнение и предназначение.
Най-разпространените релета и контактори са с електромагнитно задвижване. Съществуват и такива с пневматично или хидравлично задвижване, но те са значително по-рядко срещани и не са обект на настоящия материал.
Специфики на електромагнитното задвижване
Движението на контактната система е постъпателно или ротационно. И в двата случая за осигуряването му се използва електромагнит, една част от магнитопровода на който е подвижна. Подвижната част от магнитопровода се нарича 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 стопа или полюса на неподвижната част на магнитопровода. При движението на котвата се задвижват и подвижните контакти на контактната система.
Най-разпространените контактори за променлив ток са изпълнени с двойно Ш-образна конструкция на магнитопровода, при което котвата извършва постъпателно движение. Кинематична схема на конструкцията е показана на фиг. 1. Повечето релета за ниско напрежение са от т. нар. клапанен тип (фиг. 2), където котвата извършва ротационно движение. Съществуват много други конструктивни изпълнения на електромагнитните системи на релета и контактори, които се използват при по-специфични приложения.
Терминология и означения на контактната система
Контактната система се състои от подвижни и неподвижни контакти, като подвижните са свързани с котвата и се задвижват от нея.
Съществуват два основни типа контакти – нормално отворени и нормално затворени – според изходното им състояние (т.е. състоянието им при отсъствие на ток в бобината на електромагнита). В последните двадесетина години сме свидетели на неопределеност в терминологията. Малко преди политическия преход, в официалната стандартизационна документация на страната, названието на контактните групи беше сменено съответно на "затварящи" и "отварящи" контакти. След това обаче, с преводите основно на англоезична литература, в която най-често използваните означения са съкращенията NO – normally open и NC – normally closed, в крайна сметка старата терминология продължи да се използва. За съжаление, не съществува и общоприето графично означение на типовете контакти, като всяка компания-производител предпочита да използва собствени означения. По тази причина, за момента използваме няколко различни системи означения.
Начини за гасене на електрическата дъга
Контактните системи не са електрически свързани със задвижващия електромагнит, което позволява да се работи с най-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 нивото на 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. 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 се знае, контакторите се разделят на постояннотокови и променливотокови, според полярността 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.
При повреждане се заменя цялото устройство
Масовото приложение на контактори у нас е в променливотокови вериги на относително маломощни консуматори, където не е необходимо обслужване на контакторите и другите комутационни апарати. Още повече, че в такива приложения би могло да се осигури известно преоразмеряване при съвсем малък преразход на средства. Не така стои въпросът в промишлеността, където се комутират големи токове. Там е необходимо да се извършва периодична проверка на контактните системи на комутационната апаратура. Масово произвежданите в момента контактори и релета не позволяват подмяна или почистване на контактната система, а при повреждане се заменя цялото устройство. Това е добра практика, която намалява рисковете от неправилно обслужване. Все пак е добре да се помни, че изискванията за безопасност забраняват за почистване на контактни системи на комутационни апарати да се използват каквито и да е горими разтворители.
Основни характеристики на контакторите
Както вече бе подчертано, разликата между релетата и контакторите е в предназначението им. Контакторите са устройства с две устойчиви състояния (включено и изключено), чието задвижване е автоматично. Предназначени са за управление (включване, пропускане и спиране) на токовете на електрически вериги, главно на двигатели, при номинални условия на работа и в условия на претоварване.
Основните параметри на контакторите са:
l номинален ток и номинално напрежение Uн, Iн,
l комутационна възможност при включване (12-17).Iн и при изключване (8-12).Iн, която съответства на преходните режими на електродвигателите,
l механична и електрическа износоустойчивост (живот на механизма в брой комутационни цикли),
l режим на работа (честота и продължителност на включване),
l захранващо напрежение и консумирана мощност от намотката на задвижващия електромагнит.
Изборът на контактор се извършва според категорията на приложение, 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.
Категориите на приложение на комутационните апарати за ниско напрежение са стандартизирани от IEC. 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. Има производители, които освен тях 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)х10К, където к е цяло число в диапазона от -1 до 3. В действителност, минималният номинален ток е 0,25 А, а максималният е 10000 А. На българския пазар е трудно да се намерят комутационни апарати с номинален ток по-малък от 6 А. По разбираеми причини, контактори с номинален ток над 630 А не се поддържат на склад, а се доставят като специални поръчки.
Наложило се решение – модулният принцип
Маломощните контактори (до 63 А номинален ток, но при различните производители границата е различна), като правило се предлагат за монтиране върху DIN шина. При по-големи токове съответно нарастват и габаритите на контакторите и монтирането върху DIN шина става нестабилно. Затова се предвиждат места за допълнително укрепване с болтове или рапидни винтове, а при много големи токове монтажът е само с болтови връзки. Вследствие на принципа си на работа, контакторите са подложени на вибрации. Това налага да се обръща сериозно внимание на стабилното им закрепване към монтажната плоча.
На практика всички производители в момента предлагат контактори, изградени на модулен принцип. В основния модул са разположени само силовите контакти (с най-много един помощен), а отделно се продават модули с различна комбинация от нормално отворени и нормално затворени помощни контакти. Също така, се предлагат модули за термична защита (термично реле) за директно куплиране към контактора. По този начин се избягват свързващи проводници и се пести място в таблото. Освен това се увеличава гъвкавостта при проектиране на различни схеми с тези устройства.
Много фирми предлагат готови свързани модули за превключватели звезда триъгълник и т.нар. моторни пускатели или стартери (включително и реверсивни), състоящи се от необходимия брой контактори, времерелета, термични релета, ключове за определяне на посоката и дори бутони за пускане и спиране.
Фактори, влияещи върху живота на контакторите
Животът на контакторите (износоустойчивостта им) се дава 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.
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 захранване от акумулаторни батерии.
Някои производители подчертават възможността произвежданите от тях постояннотокови контактори да бъдат директно управлявани от програмируем контролер. Все пак е добре да не се разчита само на това твърдение, а да се провери дали оперативният ток на бобината на контактора съответства на допустимото токово натоварване на изходите на използвания контролер.
Бобината на контактора
и на релето, от електрическа гледна точка, представлява голяма индуктивност. При прекъсване на тока през индуктивността се генерира ЕДН на самоиндукция, което се проявява като пренапрежение. Големината на пренапрежението ще зависи от индуктивността и скоростта на намаляване на тока. Налице са няколко нежелателни последици от комутационните пренапрежения в оперативната верига, а именно:
l генериране на радиосмущения,
l възможни смущения в работата на електронни устройства – автоматични управления, контролери и др.
l възможна повреда на електронни и неелектронни устройства, 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 контакта.
За намаляване на ефекта от комутационните пренапрежения се използват различни демпфериращи устройства като: RC групи, варистори и диоди (с и без последователно свързан резистор).
Всеки тип демпфиращи елементи се отличава с предимства и недостатъци. Например, RC групите са ефективни, използваеми при променлив и в някои случаи при постоянен ток, стабилни във времето. Също така, следва да се има предвид, че те създават риск от резонансни явления и на практика са неефективни при големи бобини за постоянен ток. Налице и е 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. Тук отново сме свидетели на отсъствието на еднаквост в терминологията. Различните производители използват различни имена за означаване на елементите за потискане на комутационните пренапрежения.
Необходимо е да се отбележи, че при използване на контактори за променливо напрежение обикновено бобините са с относително малък брой навивки. 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.
Накратко за релетата
Към групата на комутационните апарати с електромагнитно задвижване принадлежат и релетата, които не са основна тема на настоящата статия. В следващите редове ще представим основни техни специфики с цел улесняване на съпоставянето им с контакторите. Както е добре известно, електрическото реле е апарат, при който плавното изменение на входната (управляващата) величина води до скокообразно изменение на изходната (управляваната) величина и поне една от тези величини е електрическа. Възможно е релетата да имат повече от една изходна или входна величина.
Съществува голямо разнообразие от използвани в практиката релета и сложна система за тяхната класификация на базата на различни принципи. Към класа на релетата принадлежат широко използвани в практиката устройства като:
l термична защита за асинхронни двигатели,
l дефектнотокова защита,
l контактни терморегулатори,
l контактни нивомери,
l индуктивни и капацитивни датчици,
l минималнонапреженови, максималнонапреженови, максималнотокови релета и много други. Налице е тенденция към замяна на електромагнитните релета с електронни, които изпълняват същите функции, но притежават редица предимства. Изключение правят дефектнотоковите защити, където от съображения за надеждност се предпочитат електромеханични устройства пред електронни модели.
Характеристики на полупроводникови релета
Електронни полупроводникови релета (solid state relay, SSR) се предлагат от голям брой производители в широка гама от функции и възможности.
Обикновено управляващата верига е за ниско напрежение с възможност за директно управление от програмируем контролер или датчици с транзисторен изход. Най-често използвано е оптронно галванично развързване между силовата и управляващата вериги, но се срещат и други типове, например трансформаторно. При променливотоковите полупроводникови релета съществуват два основни типа, според вида на използваните силови ключове – тиристорни и транзисторни, показани съответно на фиг. 3 (а и б) и фиг. 4.
Транзисторните релета се отличават с голямо бързодействие, както при включване, така и при изключване, но поне за момента се предлагат за ограничени мощности и предимно за ниски напрежения. Предназначени са по-скоро за вграждане в устройства, отколкото за монтаж в табла. Полупроводниковите релета за постоянен ток са изградени предимно с мощни полеви транзистори.
Тиристорните полупроводникови релета се изграждат с различен принцип на галванично разделяне между управляващата и управляваната верига. Освен показаните тук трансформаторно и оптично развързване, може да се използва рид реле, да се управлява директно полупроводниковия ключ и др.
Според начина си на работа, съществуват два основни типа тиристорни полупроводникови релета – с определяне на момента на преминаване на напрежението през нулата и без поддържане на такава функция. Начинът на работа на релетата от първия тип се доближава най-много до работата на класическите електромеханични релета. Тиристорът (симисторът) на релето се отпушва точно когато напрежението пресича нулата, като по този начин се избягват евентуални преходни процеси. Този тип релета могат да се използват само за пускане и спиране на консуматорите, като бързодействието им е съизмеримо с бързодействието на електромеханичните апарати. При полупроводниковите релета с директно управление, освен включване и изключване, теоретично може да се реализира и фазно управление. Предлагат се тиристорни полупроводникови релета за променливо напрежение до 400 V и номинален ток от порядъка на няколко десетки до няколкостотин ампера.
На практика, всички полупроводникови релета за големи токове (над няколко ампера), трябва да се монтират на алуминиеви радиатори, които са толкова по-обемисти, колкото по-голям е управляваният ток.
Основни предимства на полупроводниковите релета пред електромеханичните са:
l голямо бързодействие;
l много голяма износоустойчивост, поради липсата на подвижни части;
l изключително ниска собствена консумация от управляващия източник на енергия;
l безшумна работа;
l възможност за работа в агресивни, пожароопасни и взривоопасни среди;
l по-надеждна работа при наличие на силни удари и вибрации;
l възможност за директно управление от маломощни електронни устройства (програмируеми контролери, сензори и др.).
Недостатъците им са:
l отсъствие на сигурно галванично разделяне на товара в изключено състояние. Необходимо е винаги да се предвижда допълнително средство за галванично разделяне при необходимост от обслужване на управляваните съоръжения.
l В някои случаи загубите в ключовия елемент във включено състояние са по-големи в сравнение с класическите устройства.
l По-висока цена. Към цената на самия ключ трябва да се прибави и цената на евентуален радиатор, който по правило се продава отделно. Освен за охлаждане, радиаторите често служат и като крепежни елементи, примерно за монтаж върху DIN шина. Именно необходимостта от използването на радиатор анулира често споменаваното предимство за по-малки габаритни размери. Полупроводниковите релета са действително по-малкогабаритни от класическите, но само при малки токове, когато могат да работят и без радиатор.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 8/2024
