Особливості роботи комутуючих контактів

Працездатність комутуючих контактів визначається характером протікання процесів вмикання і вимикання. У розімкненому стані контакти створюють необхідний ізоляційний проміжок, який повинен витримувати максимально можливу напругу без пробою. Для апаратів різного призначення встановлено відповідні випробувальні напруги.

У процесі вмикання відстань між контактами поступово зменшується і при досягненні деякої величини утворюються умови для електричного пробою міжконтактного проміжку в результаті чого між контактами загоряється електрична дуга замикання. Дія цієї дуги є причиною часткового зношування контактів. При великих струмах в зоні дуги матеріал контактів швидко нагрівається, розплавляється і навіть випаровується в результаті чого в зоні дуги утворюється локальний мікрооб’єм з високим тиском (до 1001000 ат). Цей локальний об’єм продуктів горіння дуги гальмує рух контактів, однак, під дією привідного механізму відбувається торкання контактних поверхонь. Однак, в більшості випадків процес вмикання на цьому не завершується тому що цей процес носить ударний характер і після першого удару можливий відскок рухомого контакта з появою повторного дугового розряду і так далі до тих пір, поки вся кінетична енергія рухомих частин не розсіється у вигляді тепла в елементах конструкції контактів.

Таким чином, при вмиканні має місце вібрація контактів. Дуга замикання нагріває контакти до високих температур (особливо в режимі частих комутацій). Якщо температура контактів в процесі замикання досягне температури плавлення матеріалу контактів, тоді після вмикання можливе зварювання контактів. Для послаблення ефекту зварювання комутуючих контактів використовують спеціальні композиційні металокерамічні матеріали: вольфрам-срібло, вольфрам-мідь, композиції метал - окиси металів (срібло -окиси міді, срібло - окиси кадмію тощо). Зменшення вібрацій контактів при їх вмиканні в комутуючих електричних апаратах досягається шляхом погодження механічної і тягової характеристик привідного механізма, зменшенням маси рухомих частин, використанням контактних вузлів з попереднім натягом контактних пружин, встановленням спеціальних демпфуючих пристроїв та іншими конструктивними рішеннями (рис. 8.8).

	Конструкція для компенсації зусиль, що відкидають контакти при їх замиканні: 1 – контактна пружина; 2 – амортизаційна пружина; 3 – контактна обойма; 4 – мостиковий контакт; 5 – нерухомий контакт; 6 – тяга.
Рис. 8.8. Конструктивні рішення для зменшення вібрації контактів

Таблиця 8.2. Мінімальні значення напруги і струму, необхідні для підтримування дугового розряду.

Матеріал контактів	Uo, B	Io, A	Матеріал контактів	Uo, B	Io, A
Платина	17	0,9	Вольфрам	17	0,9
Золото	15	0,38	Мідь	12,3	0,43
Срібло	12	0,4	Вугілля	18-22	0,03

У замкненому стані контакти находяться під деяким натиском, тому при їх розмиканні сила натиску на контакти спочатку падає до 0 в результаті чого температура контакту в точці (точках) торкання різко збільшується і може досягати температури плавлення. Подальше переміщення рухомого контакту спочатку приводить до появи металевого мостика, котрий під дією механічних сил і процесів вибухового характеру, зумовлених інтенсивним нагріванням мостика, розривається, що приводить до появи між контактами електричної дуги. Розриву мостика сприяють також електродинамічні зусилля в зоні контакта. Якщо струм і напруга кола перевищують параметри, наведені в табл. 8.2, тоді між контактами при їх розмиканні утворюється дуговий розряд. Якщо ці параметри нижчі, ніж наведені в цій таблиці, тоді розряд буде іскровим.

Розрив металевого мостика, горіння дуги, або іскровий розряд є причинами зношування контактів, або їх електричної ерозії. При комутації в колах постійного струму внаслідок електричної ерозії контактів спостерігається частковий перенос матеріала контактів з одного електрода на інший (з катода на анод). При відносно малих струмах і частих комутаціях зношування за одну операцію в значній мірі залежить від частоти комутацій, оскільки вона суттєво впливає на температуру контактів.

Інтенсивність зношування електричних контактів в певній мірі визначає ресурс комутаційних апаратів. Для оцінки ресурсу роботи комутаційного апарата користуються поняттями «механічна зносостійкість» і «електрична зносостійкість», котрі визначаються відповідною допустимою кількістю циклів «вмикання-вимикання» до відмови. Сучасні комутаційні електричні апарати, призначені для частих комутацій струмів номінального режиму (контактори, різного роду реле) забезпечують механічну зносостійкість на рівні (1020)10⁶ циклів, а електричну - на порядок нижчу.

Електрична зносостійкість апаратів, призначених для вимикання струмів аварійного режиму (короткого замикання) (автоматичні вимикачі) є значно нижчою (10³10⁴ циклів).

Переважно мірою зношування контактів служить або величина провалу контактів, або витрата кількості матеріалу контактів для здійснення певної кількості операцій вмикання-вимикання.

Гібридні контакти – комбіновані апарати для комутації кіл постійного струму засобами як статичних силових ключів так комутуючих контактів. Гібридні контакти розрізняють за типом статичного ключа (транзисторні, тиристорні) та за способом з’єднання статичного ключа та комутуючого контакту: паралельні, послідовні, паралельно-послідовні. Метою такої комбінації є поєднання позитивних властивостей комутуючих контактів та статичних ключів: електромеханічні ключі забезпечують низьке падіння напруги у провідному стані та хорошу гальванічну розв’язку у виключеному стані, а статичні ключі – високу швидкодію та полегшення режиму комутації.

Рис. 8.9. Схема паралельного включення.	Рис. 8.10.Схема послідовного включення

Вмикання у схемі з паралельним включенням (рис. 8.9) відбувається у такій послідовності. В момент часу t₀ системою керування формується сигнал на ввімкнення транзистора VТ та замикання контакту К. Транзистор вмикається практично миттєво і через нього починає протікати струм навантаження. З затримкою часу, обумовленою інерційністю електромеханічного контактора замикається контакт К і шунтує напівпровідниковий елемент. У результаті струм починає протікати через контакт К. Для вимкнення гібридного апарату необхідно системою керування сформувати сигнали на контактор і тиристор. Контактор К починає розмикатися і виникає коротка електрична дуга. Полярність напруги на контактах для напівпровідникового елементу є прямою і переводить його у провідний стан. У результаті струм через контакт К починає спадати, а струм через транзистор - наростати. Після переходу струму контакт К продовжує розмикатися у знеструмленому стані і відключення відбувається у полегшеному режимі. При цьому зменшується знос контактів, збільшується ресурс їх роботи, а також можливим стає спрощення конструкції внаслідок відсутності дугоутворення. Недоліком схеми є низька швидкодія при відключенні кола та незабезпечення гальванічної розв’язки.

У послідовній схемі (рис. 8.10) при подачі сигналу керування спочатку спрацює контакт К. Після спрацювання контакту до транзистора VT буде прикладено пряму напругу і він перейде у провідний стан. При вимкненні кола завдяки вищій швидкодії першим відключиться транзистор VT і відімкне навантаження від джерела живлення. Індуктивна складова струму навантаження буде замикатися через зворотній діод VD. Розмикання контактів відбувається без струмового навантаження, дуга не виникає і це сприяє підвищенню електричної зносостійкості. До недоліків такої системи можна віднести втрати потужності у провідному стані.

Переваги схем показаних на рис. 8.9 та 8.10 об’єднані у схемі з паралельно-послідовним ввімкненням ключів. У цій схемі використовують два комутуючі контакти К1 та К2. Після формування системою керування сигналу на ввімкнення схеми першим замикається контакт К2 після чого практично миттєво у провідний стан переходить транзистор VT. Після замикання контакту К1 струм переходить з кола транзистора на контакт. Відключення схеми відбувається таким чином. Спочатку розмикається контакт К1 і струм починає протікати через транзистор VT (процеси аналогічні до процесів у схемі з паралельним з’єднанням комутуючого контакту та статичного ключа). Після цього формується сигнал на запирання транзистора і навантаження відмикається від джерела живлення. Через зворотній діод VD продовжує протікати струм поступово спадаючи до нуля. Відбувається розмикання комутуючого контакту К2 (процеси аналогічні до процесів у схемі з послідовним з’єднанням ключів). Схема перебуває у відключеному стані.

Рис. 8.11. Схема паралельно-послідовного включення