ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ Часть I

Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрическая тяга»
Н. О. Фролов
ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
Конспект лекций по дисциплине
«Тяговые электрические аппараты»
для студентов специальности
190303– «Электрический транспорт железных дорог»
всех форм обучения
Часть I
Екатеринбург
Издательство УрГУПС
2011
УДК 629.423:621.337
Ф91
Ф91
Фролов, Н. О.
Тяговые электрические аппараты : конспект лекций. Часть I/
Н. О. Фролов. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2011.– 75 с.
Конспект лекций предназначен для изучения студентами специальности
190303 дисциплины «Тяговые электрические аппараты» и базируется на содержании рабочей учебной программы по данному предмету. В I части конспекта лекций изложены теоретические основы работы электрических контактов и
сведения о конструкции, принципах работы и характеристиках приводов тяговых электрических аппаратов.
Текстовая часть конспекта лекций оформлена в соответствии с ГОСТ 2.105 – 95
ЕСКД «Общие требования к текстовым документам».
УДК 629.423:621.337
Рекомендованно к печати
редакционно-издательским советом УрГУПС
Автор: Н. О. Фролов, заведующий кафедрой «Электрическая тяга»,
доцент, канд. техн. наук, УрГУПС
Рецензенты: А.Н. Антропов, старший научный сотрудник
УО ОАО «ВНИИЖТ», канд. техн. наук
В. А. Усов, доцент кафедры «Электрическая тяга»,
канд. техн. наук, УрГУПС
 Уральский государственный университет
путей сообщения (УрГУПС), 2011
Оглавление
Введение..................................................................................................... 4
1 Особенности эксплуатации и конструкции тяговых
электрических аппаратов........................................................................... 5
1.1 Назначение и классификация тяговых электроаппаратов........... 5
1.2 Условия работы и требования, предъявляемые к ТЭА................. 7
2 Основы теории электрического контакта...............................................12
2.1 Назначение и классификация электрических контактов...........12
2.2 Требования, предъявляемые к контактам.
Материалы контакт-деталей, их характеристики.............................18
2.3 Переходное сопротивление электрического контакта,
его микрогеометрия. Контактное нажатие........................................22
2.4 Тепловые характеристики контактных соединений
в установившемся режиме..................................................................25
2.5 Нестационарные тепловые процессы в контактных
соединениях. Размягчение, плавление и сваривание контактов......27
2.6 Кинематика подвижных контактных систем...............................30
2.7 Вибрация контактов и способы ее снижения.
Физические процессы на размыкающихся контактах......................35
2.8 Герконы.........................................................................................37
3 Приводы тяговых электроаппаратов......................................................38
3.1 Определение и классификация....................................................38
3.2 Электромагнитный привод...........................................................39
3.3 Электропневматический привод..................................................47
3.4 Групповые приводы......................................................................56
Библиографический список.......................................................................75
3
Введение
Конструкция электроподвижного состава (ЭПС) включает:
– электрическое оборудование;
– тяговые и вспомогательные электрические машины;
– механическую часть;
– автотормозное оборудование.
Электрическое оборудование ЭПС состоит из тяговых электрических аппаратов (ТЭА), объединенных в единую систему управления.
Свойства и характеристики ТЭА позволяют использовать их
в сложных системах управления ЭПС, в устройствах защиты. Высоковольтные электроаппараты по требованиям электробезопасности
управляются дистанционно через контроллер машиниста и кнопочный пульт управления. Контроллер машиниста является главным
аппаратом управления ЭПС, с его помощью машинист управляет
тяговыми электроаппаратами, выбирает и изменяет режимы работы ЭПС.
Многообразие выполняемых функций ТЭА приводит к многообразию принципов их работы, конструктивных и технологических
решений, для понимания которых необходимо знать особенности
процессов, возникающих в коммутационных устройствах, приводах
и других элементах аппаратов.
Так как тяговые электроаппараты представляют собой электротехнические устройства, студентам для их успешного изучения потребуются, прежде всего, знания теоретических основ электротехники.
С другой стороны, как любой другой специальный предмет, дисциплина «Тяговые электрические аппараты» базируется на комплексе
физико-математических и общепрофессиональных дисциплин, поэтому студенты в процессе обучения будут обращаться к разделам механики, теплотехники, аэродинамики и ряда других дисциплин.
Первая часть конспекта лекций включает вводную часть дисциплины (определения, классификация, условия работы тяговых электроаппаратов) и раскрывает содержание двух больших разделов дисциплины – «Основы теории электрического контакта» и «Приводы
ТЭА».
4
1 Особенности эксплуатации
и конструкции тяговых электрических
аппаратов
1.1 Назначение и классификация тяговых
электроаппаратов
Тяговые электрические аппараты (ТЭА) – это аппараты специального исполнения, предназначенные для работы на тяговом подвижном составе.
Перечень тяговых аппаратов, устанавливаемых на локомотивах,
состоит из нескольких сотен единиц и весьма многообразен, поэтому их классифицируют по множеству признакам. Рассмотрим основные из них.
По уровню рабочего напряжения ТЭА подразделяют на:
– низковольтные (до 110 В): контроллер машиниста, блокировочные контакты (блок-контакты), кнопочные выключатели, авторегуляторы электрических и неэлектрических величин, автоматические
выключатели, электромагнитные вентили и др.;
– высоковольтные (свыше 110 В): контакторы, токоприемники,
быстродействующий и главный выключатели, разрядники, пусковые
и тормозные резисторы, индуктивные шунты, переходные и сглаживающие реакторы и др.
По роду выполняемых функций ТЭА делят на две большие группы:
– исполнительные;
– распорядительно-информативные.
К исполнительным тяговым аппаратам относят:
– силовые аппараты (устанавливаются в цепи тяговых электродвигателей): электропневматические контакторы, токоприемники,
быстродействующий и главный выключатели, пусковые резисторы и др.;
– аппараты вспомогательных цепей: электромагнитные контакторы, электропечи и др.
К распорядительно-информативным тяговым аппаратам относятся аппараты управления, которые работают в низковольтных электрических цепях.
По способу воздействия на цепь тяговые аппараты бывают:
5
– коммутационные (осуществляют переключения в цепях): контакторы, переключатели, полупроводниковые ключи, контроллер
машиниста, кнопочные выключатели и др.;
– параметрические (изменяют параметры цепей): резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, управляемые полупроводниковые приборы.
Для коммутационных ТЭА существует дополнительная классификация:
– по принципу действия;
– по количеству рабочих положений.
По принципу действия коммутационные ТЭА подразделяются на:
– контактные, когда при работе аппарата его токоведущие части соединяются либо разрываются (для реализации перемещений
подвижных частей такие аппараты оснащаются различными видами привода);
– бесконтактные, когда в конструкции аппарата применены ферромагнитные или полупроводниковые элементы, при работе которых
не происходит механических перемещений рабочих органов (такие
аппараты не требуют применения приводных систем и по сравнению
с контактными обладают минимальной инерционностью, более стабильными характеристиками и высокой надежностью, особенно если
выполняются на полупроводниковой базе).
По количеству рабочих положений ТЭА бывают:
– однопозиционными: контакторы, быстродействующие выключатели, разъединители, кнопочные выключатели и др.;
– двухпозиционными: электропневматические переключатели,
отключатели двигателей;
– трехпозиционными: электропневматические переключатели;
– многопозиционными: электропневматические переключатели,
электродвигательные переключатели, контроллеры машиниста.
В настоящее время системы управления, применяемые на отечественном тяговом подвижном составе, преимущественно построены на
контактных тяговых электроаппаратах с индивидуальным либо групповым приводом. Во вновь создаваемых локомотивах доля бесконтактных ТЭА будет увеличиваться, а доля контактных ТЭА с групповым приводом – сокращаться.
6
1.2 Условия работы и требования,
предъявляемые к ТЭА
В сравнении с электроаппаратами общепромышленного исполнения тяговым аппаратам свойственны более тяжелые условия эксплуатации, которые характеризуются:
– жесткими ограничениями по массе и габаритам;
– динамическими воздействиями (вибрация, удары, тряска);
– загрязненностью, запыленностью, увлажненностью, широкому диапазону температур рабочей среды;
– нестабильностью напряжения, давления сжатого воздуха.
Перечисленные факторы в сильной степени ужесточают требования, предъявляемые к конструкции и характеристикам ТЭА.
Габаритные ограничения. Тяговые аппараты размещены на ЭПС
в ограниченном пространстве. По условиям электробезопас­ности
большую часть тяговых электроаппаратов силовых цепей в кузове
электровоза размещают в высоковольтных камерах (ВВК), где цепи
находятся под высоким напряжением.
Наиболее распространено двухрядное расположение аппара­тов в
ВВК [1] (рисунок 1.1, заштрихованные области). Максимальная ширина каждого ряда находится из условия
bпн
bmax
bпв
bmax
bпн
~ 2000
ВВК
bкуз
Рисунок 1.1 – Поперечные габаритные ограничения
в кузове электровоза
7
bmax ≤ 0,5(bкуз – bпв – 2 bпн), (1.1)
где bкуз – внутренняя ширина кузова;
bпв – ширина прохода в ВВК: bпв = 450…500 мм;
bпн – ширина внешних проходов в кузове: bпн = 500…550 мм;
Так, при bкуз = 3160 мм, bпв = 500 мм, bпн = 500 мм максимальная
ширина пространства для размещения ТЭА составит 830 мм.
Пространство в пределах bmax нельзя полностью использовать для
коммутационных аппаратов с дугогашением. Ионизированная зона
выхлопа дугогасительных устройств коммутационных аппа­ратов допускается не менее 100 мм. Чтобы избежать переброса дуги на зазем­
ленные конструкции установочных каркасов и соседние аппараты,
между ними предусматривают дополнительный зазор 150…250 мм.
Дополнительная площадь шириной 100…200 мм необходима для снятия дугогасительных камер при их техническом обслуживании.
Для аппаратов, располагаемых под кузовом электроподвижного
состава (в основном это электропоезда), наиболь­шие габаритные ограничения hmax приходится выдерживать по высоте (рисунок 1.2, а).
При этом
hmax = hп – (Δз + Δр + Δм),
(1.2)
где hп – нормированная вы­сота пола вагона над головкой рель­са, определяемая условиями посадки пассажиров;
Δз – нижнее габаритное ограничение для подрессо­ренных частей: Δз = 150 мм;
Δр – вертикальный раз­мер рамы вагона, включая толщину пола;
Δм – монтаж­ный зазор между кожухом аппарата или аппаратной
камерой и рамой ва­гона: Δм = 150…200 мм.
Тогда hmax ≤ 800…900 мм. Действительные размеры аппаратов
меньше на 100…200 мм из-за зазоров между ними и кожухом (оболочкой).
Суммарная ширина пространства размещения аппаратов под кузовом (рисунок 1.2, б)
F ≤ C – ( 2 e 1+ e ) , (1.3)
где С – ширина кузова: С = 3100…3550 мм;
e 1 – боковые зазоры: e 1 =100…250 мм;
е – зазор, необходимый для обслуживания внутрен­ней стороны
оборудования: е = 500…700 мм.
Внутренние зазоры между аппаратами и оболочкой (защитными
кожухами) здесь такие же, как для ВВК электровозов, если вы­хло8
пы не выходят за пределы оболочки. Ограниченные габариты осложняют конструкцию тяговых аппаратов и особенно коммута­ционных
аппаратов.
б
hн
∆м
Пол вагона
hп
hр
а
e1
C
~ F/ 2
e
~ F/ 2
e1
Рисунок 1.2 – Габариты расположения аппаратов
под моторным вагоном
Внешние динамические возмущения и вибрации. Тяговые аппараты устанавливаются в кузове электроподвижного состава (ЭПС), под кузовом или на крыше, т.е. в основном они подрессорены. Иногда при
установке отдельных аппаратов предусматривают амортизирующие
элементы. Не подрессоривают лишь устрой­ства для отвода тока, токоприемники при контактном рельсе.
Направления динамических ускорений и сил различны. Как по
направлению, так и по модулю силы и ускорения имеют случайный
характер. Для аппаратов, установленных в кузове, наибольшими являются обычно вертикальные ускорения и действующие вдоль оси
пути. При отсутствии амортизаторов коэффициент динамики Кд (находится как отношение динамического инерционного ускорения
к ускорению свободного падения) составляет 1,0…1,5, при нали­чии
их – 0,3…0,5. Даже в случае применения установочных амортизаторов
в результате возникновения резонансных колебаний значения Кд все9
го аппарата или отдельной его части могут дости­гать 3,0…3,5. Хотя
приведенные динамические силы сравнительно невелики, конструкция аппаратов должна быть устойчива к тряске.
Существенное влияние оказывают также вибрации даже при сравнительно небольших амплитудах. Для магистральных локо­мотивов
вибрации возникают чаще всего в низкочастотном диапазо­не в пределах 24…100 Гц.
Исходя из этого все резьбовые соединения в тяговых аппаратах
должны быть надежно предохранены от саморазвинчивания, кон­тактные соединения не должны допускать в эксплуатации сниже­ния контактного нажатия. Тяговые аппараты испытывают на обнаружение
резонансных частот, вибростойкость, продолжительную вибропрочность, на воздействие одиноч­ных ударных нагрузок до 3g.
Повышенная загрязненность. Большинство ТЭА практически невозможно полностью защитить от внеш­них загрязнителей. Герметизация ВВК или других аналогичных камер недопустима. Воздух
в таких камерах, имеющих малый объем, интенсивно ионизируется
в результате нагревания и комму­тационного дугообразования. Это
способствует перебросам элект­рической дуги на корпус или токоведущие части соседних аппаратов. Поэтому ВВК требуется естественный или принудительный воздухообмен с окружающей средой,
в результате которого ТЭА существенно загрязняются. Из-за повышенной загрязненности для тяговых аппаратов принимают расчетные расстояния перекрытия в 2,5…3 раза большие, чем для аппаратов общетехнического назначения.
Большое воздействие на состояние изоляционных поверхностей
ТЭА оказывает конденсация влаги и образование изморози при резких колебаниях температуры. Неблагоприятные последствия воздействия этих факторов особенно усиливаются в переходные времена
года. Поэтому в ТЭА применяют изоляцию с пониженной гигроскопичностью, на все детали, подверженные коррозии, наносят антикоррозионные покрытия, а в состав типовых испытаний включают
испытания на влагостойкость.
Широкий диапазон температур рабочей среды. Россия обладает обширной железнодорожной сетью, которая располагается в различных
климатических зонах, а значит, ра­ботает в широком температурном
диапазоне. Для всех аппаратов ЭПС магистраль­ных железных дорог
в соответствии с ГОСТ 9219-88 принимают наибольшую температуру
окружающего воздуха Тв mах = 60 °С, наименьшую Тв min = –50 °С (климатическое исполнение УХЛЗ) и Тв min = –60 °С (УХЛ1, УХЛ2).
10
Нестабильность напряжения. Нестабильность входных напряжений оказывает сильное влияние на работу электроаппаратов. Обычно отклонения входного напряжения от его номиналь­ного значения
Uном строго нормируют.
Нормы колебаний напряжений на токоприемниках магистраль­
ных электровозов постоянного тока допускают отклонения напряжения в пределах от 4000 В до 1900 В, переменного тока от 29000 В
до 18750 В. При работе по системе многих единиц колебания напряжения в цепях управления на зажимах аппаратов могут составлять от
110% до 50%. Эти отклонения существенно превышают установленные для промышленных установок. Ужесточение соот­ветствующих
нормативов на отклонения или технически затруднено, или экономически не оправдано. При проектировании ТЭА нестабильность питающего напряжения учитывается, например применяют усиленную
изоляцию, расчеты электрических приводов производят на напряжение ниже номинального. Особенно чувствительны к нестабильности питания бесконтактные электроаппараты, в первую очередь
магнитные усилители, поэтому их стараются применять преимущественно в цепях реостатного торможения ЭПС переменного тока
и тепловозов.
Нестабильность давления в пневматических сетях. В коммутационных аппаратах широко используют электропневматические приводы, в которых основная сила создается сжатым воздухом. По ГОСТ
9219-88 номинальное давление сжатого воздуха для тяговых аппаратов установлено Рном = 0,5 МПа. Не представляется возможным точно выдерживать это давление, поэтому нормирова­ны его отклонения:
от Рmin = 0,35 МПа до Рmах = 0,675 МПа. Кроме того, аппарат в продолжении 1 мин без повреждений должен выдержать испытательное
давление Рисп = 1,5 Рном = 0,75 МПа.
Значительные нестабильности давлений требуют больших конст­руктивных запасов. В электропневматических приводах эти запасы особенно велики вследствие большого удельного веса и значи­
тельной нестабильности внутренних сил трения. Последние носят
случайный характер, так как зависят от не всегда стабильного ка­чества смазки, случайных температурных условий, качества и со­стояния уплотнительных манжет, большого числа других факто­ров, также имеющих случайный характер.
11
2 Основы теории электрического
контакта
2.1 Назначение и классификация
электрических контактов
Любая электротехническая установка состоит из элементов, так
или иначе связанных между собой. Соединение проводящих звень­
ев электрической цепи, обеспечивающее протекание электрического
тока при наличии источника ЭДС, осуществляется с помощью электрических контактов.
ГОСТ 27740–44 определяет электрический контакт, как «место
перехода тока из одной токоведущей части в другую».
В электроаппаратах контактами называют токоведущие части, при
соприкосновении которых замыкается электрическая цепь.
По ГОСТ 9219–88 контакты аппаратов можно разделить на две
группы:
– коммутирующие контакты, предназначенные для включе­ния,
отключения и переключения электрических цепей;
– соединительные контакты, которые служат только для сое­динения различных звеньев электрической цепи (т. е. для обеспе­чения
протекания тока от одного звена к другому).
Коммутирующие контакты могут находиться в замкнутом (соответствующая цепь включена) или разомкнутом (соответствующая
цепь отключена) состоянии.
По своему назначению коммутирую­щие контакты в сильноточных
аппаратах можно разделить на глав­ные и дугогасительные. Обычно
главные контакты шунтируются дугогасительными, в процессе размыкания цепи главные контакты выходят из соприкосновения ранее, чем дугогасительные, а поэтому образование дуги происходит
только на дугогасительных контактах (по такому принципу работают контакты линейных контакторов электровозов переменного тока
серий ВЛ80Т, ВЛ80С). Таким образом, главные контакты защищены
от воздействия дуги и слу­жат для надежного пропускания рабочих токов и токов короткого замыкания в замкнутом состоя­нии.
На ЭПС функции коммутирующих контактов почти всегда совмещаются: они выполняют функции и токоведущих и дугогасительных контактов.
12
Некоторые типы коммутирующих контактов представлены на
рисунке 2.1.
Основным требованием, предъявляемым к соединительным кон­
тактам, является надежность в длительной эксплуатации. Соедини­
тельные контакты должны длительно, в пределах срока службы всего
аппарата без повреждений допускать протекание токов нормального
режима и кратковременных токов аварийных режимов работы.
Контактирующие проводники (контакт-детали) в соединительных контактах могут быть либо неподвижны друг отно­сительно друга
(хотя контакт в це­лом может и перемещаться с опре­деленной скоростью), либо переме­щаться относительно друг друга без размыкания цепи, как например, это имеет место в роликовом или в щеточном контакте.
б
а
Рисунок 2.1 – Некоторые типы коммутирующих контактов:
а – линейные контакты контактора;
б – релейные контакты на плоских пружинах
Контакты ТЭА классифицируют по:
– характеру работы (рисунок 2.2);
– виду поверхности соприкосновения (рисунок 2.3);
– по способу нажатия (рисунок 2.4).
Контакты
Неподвижные
Скользящие
Подвижные
(разрывные)
Рисунок 2.2 – Классификация контактов по характеру работы
13
Контакты
Плоские
(поверхностные)
Линейные
Точечные
Щеточные
Штыревые
Рисунок 2.3 – Классификация контактов по виду поверхности
соприкосновения
Контакты
Упругие
Жесткие
без
предварительного
нажатия
с предварительным
нажатием
Рисунок 2.4 – Классификация контактов по способу нажатия
Неподвижные контакты предназначены для постоянного электрического соединения (т.е. работают как соединительные), бывают разборными и неразборными и всегда замкнуты.
Скользящие контакты нашли широкое применение в токосъемных устройствах, но могут использоваться и в коммутационных аппаратах.
Подвижные контакты работают как коммутирующие и широко
применяются во многих группах электроаппаратов.
Плоскими называются контакты, при пересечении которых друг
с другом образуется контактная поверхность, чаще всего прямоугольная. Так, контактная поверхность в виде прямоугольника образуется
при соприкосновении контактов быстродействующего выключателя
(рисунок 2.5 [2]). Не смотря на то что фактическая площадь (суммарная площадь контактных пятен) соприкосновения плоских контактов всегда меньше геометрической площади поверхности, которую
они образуют, плоскостные контактные соединения всегда характеризуются небольшим контактным сопротивлением даже при малых
контактных нажатиях. Поэтому плоские контакты часто применяют
в сильноточных аппаратах с малым контактным нажатием, например
ручных разъединителях. С другой стороны, поверхностные контакты
могут допускать без повреждения очень большие контактные нажа14
тия, благодаря чему контактное сопротивление снижается до минимума, что делает их востребованными в некоторых мощных автоматических выключателях. По выполняемым функциям поверхностные
контакты могут быть как коммутирующими, так и соединительными. Плоские коммутирующие контакты применяют в сильноточных
цепях свыше 1000 А, плоские соединительные – в цепях различного
уровня напряжений. Главный недостаток плоских контактов – отсутствие притирания в процессе работы, поэтому их стараются не использовать в аппаратах, разрывающих цепи под нагрузкой, а также
в аппаратах с большой частотой срабатывания.
Линейными называются контакты, при замыкании которых друг
с другом или с плоскостью образуется узкая сильно вытянутая прямоугольная поверхность, в которой основная доля контактных пятен располагается вдоль линии длиной в ширину контакта. В таких
контактах создаются высокие удельные нажатия и поэтому легко
обеспечить смятие окисленных контактных выступов и получить относительно низкое контактное сопротивление при сравнительно небольших нажатиях. Другое важное достоинство – наличие притирания. Линейные контакты могут быть только коммутирующими, их
основная область применения – тяговые электроаппараты, работающие в цепях от 10 до 1000 А.
Рисунок 2.5 – Плоские контакты быстродействующего выключателя
Примеры различных видов линейных контактов приведены
на рисунке 2.6 [2, 3].
15
а
б
в
г
а
Рисунок 2.6 – Различные виды линейных контактов:
а – линейные контакты контактора на 750 А; б – линейные контакты
с металлокерамической накладкой а толщиной 1…2 мм контактора свыше
750 А; в – скользящие линейные контакты для реверсора до 200 А;
г – скользящие линейные упругие контакты
для цепей управления до 10 А
Точечные контакты. При соприкосновении двух сферических
контактов или сферического контакта с плоской поверхностью образуется точечное контактное соединение, площадь которого вследствие смятия металла контактов ограничивается окружностью. Точечные контакты обеспечивают высокие удельные силы давления
в контактной зоне и малое контактное сопротивление даже при небольших контактных нажатиях. Поэтому точечные контакты широко используют в аппаратах, где сила нажатия мала (реле, блокировочные контакты), а рабочие токи не превышают 10 А. Лимитирование по токовой
нагрузке вызвано небольшой площадью контактной зоны, образуемой
точечными контактами. Как и линейные, точечные контакты работают
с притиранием и могут быть только коммутирующими. Точечный контакт аппарата цепей управления приведен на рисунке 2.7 [2].
Щеточные контакты по характеру работы являются скользящими и представляют собой разновидность линейных контактов. Применяются при больших токах и малых контактных нажатиях. Пример щеточного контакта приведен на рисунке 2.8 [2].
2
1
Рисунок 2.7 – Точечный контакт цепей управления:
1 – контакт (материал – серебро); 2 – контактодержатель
(материал – бронза)
16
Рисунок 2.8 – Щеточный контакт
Штыревые контакты являются разновидностью поверхностных,
но в отличие от них обеспечивают объемное контактное соприкосновение, а по характеру работы могут быть исключительно жесткими. Штыревые контакты не требуют значительных контактных нажатий и применяются в цепях любой токовой нагрузки для различных
видов штепсельных соединений. Пример штепсельного контактного соединения приведен на рисунке 2.9 [2].
Рисунок 2.9 – Штепсельные поверхностные контакты
Тяговые характеристики контактов (зависимость силы давления F
от перемещения δ) в зависимости от реализованного способа их нажатия приведены на рисунке 2.10.
Жесткие контакты применяются в быстродействующих ТЭА
(реле ускорения, виброрегуляторы).
Упругие контакты без предварительного нажатия в ТЭА не применяются в связи с несовместимостью с условиями их работы.
Упругие контакты с предварительным нажатием нашли широкое
применение в разрывных ТЭА.
Предварительное нажатие контактов позволяет:
– исключить отскок контактов при включении;
– противодействовать вибрации контактов;
– компенсировать электродинамическую силу отталкивания;
– частично стабилизировать нажатие контактов при их износе;
– реализовать притирание контактов.
17
Нажатие
Перемещение
Рисунок 2.10 – Тяговые характеристики контактов при различных
способах нажатия
жесткие;
упругие без предварительного нажатия
упругие с предварительным нажатием
2.2 Требования, предъявляемые к контактам.
Материалы контакт-деталей, их характеристики
К контактам современных электрических аппаратов предъявляются следующие требования:
1) высокие электрическая проводимость и теплопровод­ность;
2) высокая дугостойкость;
3) стойкость к механическому износу при частых включениях
и отключениях;
4) стойкость против образования пленок с высоким электрическим сопротивлением;
5) малая эрозия;
6) высокая коррозионная стойкость;
18
7) простота обработки, низкая стоимость.
Перечисленные требования противоречивы и почти невозможно найти материал, который бы целиком им удовлетворял. В тяговом электроаппаратостроении широко применяют следующие материалы:
– медь;
– серебро;
– алюминий;
– вольфрам;
– металлокерамика;
– сталь;
– электротехнический уголь и графит.
Медь. Положительные свойства: высокие удельная электрическая
проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволя­ет применять при частых включениях и отключениях, простота технологии, низкая стоимость. Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при рабо­те на воздухе покрывается слоем прочных
оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия, низкая дугостойкость. Для защиты меди от окисления на рабочие поверхности контактов (в первую очередь соединительных) наносят антикоррозионные покрытия. В контактах на
большие токи иногда ставятся серебряные или металлокерамические
накладки (см. рисунок 2.6, б). Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для соединительных, так и для
коммутирующих контактов. Твердотянутая медь как материал применяется для контактов аппаратов высокого напряжения, кон­такторов, автоматических выключателей и др. Сплавы меди с другими металлами (бронзы) могут применяться для изготовления токоведущих
частей аппаратов (см. рисунок 2.7). Вследствие низкой дугостойкости
медь в чистом виде нежелатель­но применять в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большую частоту срабатываний.
Серебро. Положительные свойства: из всех материалов, применяемых в ТЭА, серебро всех лучше проводит ток (коэффициент контактного сопротивления в 2,5 раза ниже, чем у меди [1]). Высокая
теплопроводность. Пленка оксида серебра имеет малую механи­ческую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки,
поэтому оксиды серебра имеют почти такую же проводимость, как
и чистое серебро. Контакт серебра устойчив за счет малого напряжения на смятие, благодаря этому для работы достаточны малые нажатия (до 0,05 Н). Недостатки: малая дугостойкость и износостойкость при значительных токах. В чистом виде серебро применяется
19
в слаботочных контактах (до 20 А) при малых нажатиях, например
в контактах цепей управления (см. рисунок 2.7). В сильноточных аппаратах серебро используется для главных коммутирующих контактов, но не в чистом виде, а в составе металлокерамики или в виде накладок, когда вся деталь выполняется из меди или другого материала,
на который приваривается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность.
Алюминий. Положительные свойства: достаточно высокие электри­ческая проводимость (уступает только меди и серебру) и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник,
имеет почти на половину меньшую массу. Это позволя­ет уменьшить
массу аппарата. Недостатки: низ­кая дугостойкость и малая механическая прочность, образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением, что существенно ограничивает применение алюминия в ТЭА.
Алюминий может использоваться в разборных контактных соединениях при условии серебрения или омеднения рабочих поверхностей. В коммутирующих аппаратах алюминий может применяться
только в скользящих контактах, например контактных вставках токоприемников.
Вольфрам. Положительные свойства: высокая дугостойкость,
большая стойкость против эрозии, сваривания. Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование
прочных оксидных и сульфидных пленок, требование к большим нажатиям. Высокие тугоплавкость и твердость вольфрама делают его
использование привлекательным в коммутирующих сильноточных
контактах с большой частотой срабатываний. Однако недостатки,
присущие этому металлу, в первую очередь низкая электропроводность, полностью исключают применение вольфрама в чистом виде.
Поэтому вольфрам в ТЭА используют только в составе композиций
металлокерамики в разрывных контактах, как слаботочных аппаратов, так и аппаратов большой мощности.
Металлокерамика. Металлокерамические контакты представляют собой механическую композицию двух практически не сплавляющихся металлов, получаемую методом спекания смеси их порошков
или пропиткой одного расплавом другого. Самое главное достоинство металлокерамических контактов – сочетание в одном материале
свойств разнородных элементов, набор и пропорции которых подбираются индивидуально для конкретного аппарата в зависимости от
его функций, параметров и условий работы. Недостатки металлоке20
рамики: худшая по сравнению с чистой медью электропроводность
(в среднем в три раза [1]) и высокая стоимость. В качестве примера использования металлокерамики в ТЭА рассмотрим электропневматический контактор ПК-96, применяемый в качестве линейного на грузовых электровозах серии ВЛ80С [4]. Контактор при работе включает
электрическую цепь тяговых электродвигателей (ТЭД) двумя параллельными контактными парами. Первая – дугогасительная – состоит из композиции МВ50 (медь-вольфрам), вторая – главная – СОК15
(серебро – окись кадмия). При этом один из металлов имеет хорошую
проводимость (медь, серебро), а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким (вольфрам).
Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость
с относительно хорошей проводимостью. Другими наиболее распространенными композициями металлокерамики являются [2]: СВ50,
СВ70 (серебро – вольфрам), СМО60 (серебро – молибден), СН30,
СН40 (серебро – никель), СГ3, СГ5 (серебро – графит), СН29Г3 (серебро – никель –графит), СОМ10 (серебро – окись меди), СК22Н1
(серебро – кадмий – никель), МГ3, МГ5 (медь – графит).
Сталь. По сравнению с другими материалами, применяемых
в ТЭА, сталь обладает двумя существенными достоинствами – высокая механическая прочность и низкая стоимость. Однако ее основной недостаток – низкая электропроводность (в 90 раз ниже, чем у
чистой меди [1]) – существенно ограничивает область ее применения
в ТЭА. На ЭПС из стали в основном изготавливают блокировочные
контакты коммутирующих аппаратов (см. рисунок 2.6, г).
Электротехнический уголь и графит. Эти материалы ценятся
в электроаппаратах, прежде всего, за свою низкую износостойкость.
Это свойство имеет ключевое значение в скользящих контактных
соединениях, ремонт которых сопряжен с большими материальными и трудовыми издержками. Применяя в паре скользящих контактов в качестве второго элемента контакт-деталь из электрографитированного угля, обслуживание аппарата при износе контактного
соединения будет ограничиваться заменой только одного контакта,
который выполняется в виде вставки или щетки (см. рисунок 2.8).
Область применения: токосъемные аппараты, вибрационные регуляторы напряжения.
21
2.3 Переходное сопротивление электрического контакта,
его микрогеометрия. Контактное нажатие
Как ни тщательно обработаны поверхности соприкосно­вения
контактов, электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как получить абсолютно гладкую поверхность практически невозможно.
Примерная картина соприкосновения контактов показана на рисунке 2.11 [3]. Благодаря нажатию Р одного контакта на другой вершины выступов деформи­руются и образуются площадки действительного касания контактов. Рассмотрим процесс перехода тока
из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических кон­
тактов по торцам.
Р
Рисунок 2.11 – Соприкосновение поверхностей контактов
В результате стягивания линий тока к площадке каса­ния их длина увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически
прохо­дит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопро­тивления. Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, на­зывается переходным сопротивлением стягивания кон­такта.
Одноточечный контакт при­меняется в основном только при малых токах (до 20 А). При больших токах (100 А и более) применяется многото­чечный контакт. В многоточеч­ном контакте ток проходит
22
че­рез несколько контактных пе­реходов, соединенных парал­лельно.
Поэтому его переход­ное сопротивление при неиз­менном нажатии
меньше, чем у одноточечного контакта. Од­нако нажатие в каждой
контактной площадке уменьшается, и число точек соприкосновения
остает­ся почти на прежнем уровне, хотя и распреде­ленных на большей общей поверхности. Поэтому переходное контактное сопротивление RК зависит главным образом от силы нажатия контактов FК
и находится по эмпирически установленной формуле
RК =
ρК
,,
FКм
(2.1)
где ρК – коэффициент контактного сопротивления, зависящий от
рода материала контактов, способа обработки, формы контактной
поверхности, ее состояния и темпера­туры, Ом·Н. Значения ρК приведены в таблице 2.1 [1];
м – показатель степени, зависящей от формы контактов. Для плоских контактов м = 1,0, линейных – м = 0,5…0,8, то­чечных – м = 0,5.
Таблица 2.1 –Значения коэффициента ρК для ряда контактных пар
Материал контактной пары
Коэффициент ρК, Ом·Н
Медь – медь
0,8…1,4
Медь – медь луженая
1,0…1,8
Серебро – сплавы серебра
0,3…0,6
Латунь – латунь
6,7…7,2
Сталь – сталь
73…77
Сталь – медь
3,6…3,8
Медь – латунь
3,5…3,8
Металлокерамика – металлокерамика
2,6…3,3
Переходное контактное сопротивление зависит и от обработки
поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая
с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при
больших силах нажатия. Поэтому сопротивле­ние шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.
Переходное сопротивление контактов обусловлено не только явле­нием стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались
контак­ты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в хи23
Контактное сопротивление, Ом
мичес­кую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их
поверх­ности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением. Зависимости переходного контактного сопротивления
от силы контактного нажатия RК(FК) для различных типов контактов
и материалов приведены соответственно на рисунках 2.12 и 2.13.
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
50
0
150
100
Сила нажатия, Н
200
Рисунок 2.12 – Зависимости RК(FК) для различных типов контактов:
плоские;
линейные;
точечные
Контактное сопротивление, Ом
0,00045
0,0004
0,00035
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
50
0
100
Сила нажатия, Н
150
200
Рисунок 2.13 – Зависимости RК(FК) для различных видов материалов:
медь;
серебро;
24
металлокерамика
2.4 Тепловые характеристики контактных соединений
в установившемся режиме
Работоспособность контактных соединений в сильноточных электрических цепях определяется прежде всего тепловыми процессами в
них. Решающее значение при этом имеет соотношение между мощностью электри­ческих потерь на контактном сопротивлении в функционирующей контакт­ной паре и мощностью теплорассеяния в окружающее пространство.
Уравнение баланса электрической и тепловой мощности, выделяемой и рассеиваемой в установившемся режиме, имеет вид
РДЛ = I 2 ДЛ RК = α S τК, (2.2)
где РДЛ – длительная мощность в установившемся режиме;
IДЛ – ток нагрузки контактного соединения;
RК – электрическое переходное сопротивление контакта;
α – коэффициент теплорассеяния контактной пары;
S – площадь поверхности теплорассеяния;
τК – превышение температуры контактов над температурой ок­
ружающего воздуха.
В реальных условиях эксплуатации некоторые из указанных физических величин нестабильны. Так, например, значение RК имеет
тенденцию к повыше­нию с течением времени с возрастанием температуры контактирующих деталей и более интенсивным окислением соприкасающихся поверхностей.
Кроме того, неодинаковы условия теплорассеяния с разных поверхно­стей контактов, что обусловливает непостоянство значений
коэффициента α. Однако в целях упрощения расчетов контактов
ТЭА принимают значения сомножителей приведенного выше уравнения постоянными.
При определении площади теплорассеивающей поверхности
S следует учитывать особенности расположения контактной пары
в конструкции аппа­рата. Торцевые поверхности контакт-деталей воздухом почти не обдуваются, так как они расположены с небольшими монтажными зазорами между изоля­ционными пластинами либо
между стенками дугогасительной камеры, обла­дающими низкой теплопроводностью.
Щель между контактными поверхностями в замкнутом состоянии
кон­тактора очень узка, и отвод тепла от этих поверхностей незначи25
телен. По­этому в расчетах тепловых процессов обычно учитывают
лишь площадь боковых поверхностей контакт-деталей, пропорциональную их ширине b, являющейся длиной ли­нии контакта
S = k1 b, (2.3)
где k1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы
контакт-деталей.
Преобразовав (2.2) с учетом (2.1), (2.3) и разделив обе части равенства на ρК b, получим уравнение баланса мощно­стей в следующем виде:
2
I дл
м
к
F b
=
αk1 τк
.
ρк
(2.4)
Анализ величин, входящих в правую часть равенства, показал, что
при определенной токовой нагрузке они постоянны и характеризуют протекание теплового процесса. Это выражение принято считать
тепловой постоянной контакта АК.
Тепловая постоянная контакта оценивает мощность потерь, которые контакты аппарата могут рассеивать в продолжительном режиме работы. Постоянная АК может быть выражена произведением
плотности тока по нажатию и линейной плотности тока
АК = jН jЛ. (2.5)
Плотность тока по нажатию определяется как
jН =
I дл
Fкм
.
(2.6)
Линейная плотность тока определяется как
jЛ =
I дл
b
.
(2.7)
Величины АК, jН, jЛ нормируются для различных коммутирующих
ап­паратов, применяемых на ЭПС (таблица 2.2 [1]).
26
Таблица 2.2 – Величины тепловой постоянной и удельных плотностей тока контакта для различных типов ТЭА
Номинальный
ток, А
Электропневматиче150…750 А
ский контактор
Электромагнитный
контактор с Г-образ–
ным якорем
менее 100 А
Электромагнитный
контактор
более 100 А
менее 400 А
Переключатель
более 400 А
Тип ТЭА
jЛ, А/мм
jН, А/мм
АК,
А2/Н·мм
18…22
6,1…6,5
112…133
14…17
3,1…6,2
71…100
3…6
6…8
15…40
20…25
3,1…5,1
5,1…6,2
3,1…4,1
3,1…4,1
8…21
31…41
51…72
82…102
2.5 Нестационарные тепловые процессы
в контактных соединениях. Размягчение, плавление
и сваривание контактов
Как говорилось выше, тепловой баланс в контактной паре сохраняется при токах близких к номинальному значению. В действительности контакты сильноточных ТЭА работают при токах, изменяющихся в широких пределах. Токи, меньше номинальных, не
оказывают неблагоприятного воздействия на состояние контакта,
а токи, превышающие номинальные, заметно затрудняют его работу. При этом возникают явления, которые могут приводить к опасным последствиям.
di
При нарастании тока ( > 0) равенство (2.2) нарушается и поdt
является энергия небаланса ΔА, равная разности энергии тепловыделения ΔАп и теплоотдачи ΔАто.
Падение напряжения в контактном соединении ΔUК= f(I) будет
расти интенсивно, т. к.
dI
dI
>0
>0
dt
dt
∆Aп = f ( I 2 ) 
→∆A ↑ 
dRк →∆U к ↑↑
dt
>0
К тому же, особенно при быстром изменении тока, растут электродинамические силы, снижающие нажатие контактов. Электродинамическая сила, снижая нажатие FK, увеличивает сопротивление
RК и падение напряжения ΔUК дополнительно к выз­ванному уве27
личением тока. Когда ΔUК достигает значения ΔUР – падения напряжения, соответствующего размягчению материала, – начинается структурное изменение поверхностного слоя контакт­ных деталей.
При определенном значении несбалансированной энергии ΔА может
появиться значительная пластическая деформа­ция контактных поверхностей, в результате чего значительно воз­растет суммарная площадь контактных пятен, почти мгновенно снизятся контактное сопротивление и падение напряжения.
Если ток далее не возрастает, то пластическая деформация фик­
сируется, искажая поверхность контакта. Дальнейшее нарастание
тока приводит также к увеличению падения напряжения в контакт­
ном соединении (рисунок 2.14). При достижении им значения ΔUПЛ
вы­деляется избыточная энергия ΔА, достаточная для расплавления
поверхностного слоя контактов. Расплавление в зоне контактных пя­
тен вызывает резкое снижение падения напряжения, так как умень­
шается сопротивление. Резко снижается также энергия небаланса
(вплоть до изменения знака).
I
I, ∆U
∆UДЛ
I1
I
∆U
∆UP
при I
E*

EU
Пластическая
деформация
при I1,
Сваривание
E*

EU
E*

EU
t
Рисунок 2.14 – Нестационарные тепловые процессы
в контактных соединениях
При достижении падением напряжения значения ΔUCB (напряжения сваривания) оплавленная зона остывает настолько, что контакты
свариваются. Процесс сваривания усили­вается при снижении тока
(кривая I1 на рисунке 2.14), что связано с продолжающимся окислением контакт­ных поверхностей.
28
Сваривание контактов может приводить к аварийным последствиям, так как цепь не размыкается, несмотря на поступление сиг­налов
о ее выключении. При расчете приводов аппаратов предусмат­ривают такие характеристики выключающих пружин, которые обес­печивали бы размыкание даже при сварившихся контактах. Одна­ко точно определить необходимые для этого силы трудно из-за слу­чайного
характера протекающих процессов. В некоторых случаях, например
при групповых приводах, предусматривают специальные устройства
принудительного размыкания сварившихся контактов.
Падения напряжения ΔUР, ΔUПЛ, ΔUCB в первую очередь зависят
от материала контактных деталей (таблица 2.3 [1]).
Таблица 2.3 – Падения напряжения размягчения, плавления
и сваривания контактов для различных видов материалов
Материал
ΔUР, В
ΔUПЛ, В
ΔUCB, В
Медь
0,12
0,43
0,10
Серебро
0,09
0,37
0,24
Никель
0,22
0,65
–
Вольфрам
0,40
1,10
0,60
Графит
2,00
5,00
–
Соотношение значений ΔUCB и ΔUПЛ характеризует сваривае­мость
контактов. Склонность к прочному соединению сваркой тем выше,
чем меньше разница между ΔUПЛ и ΔUCB. Наибольшей сва­риваемостью обладают серебряные контакты. Металлокерамические контакты имеют свариваемость промежуточную между свариваемостями
основного токоведущего металла и отвердителя. Свариваемость тем
выше, чем меньше отвердителя в составе металлокерамики.
Для безаварийной работы ТЭА при проектировании контактных
соединений необходимо соблюдать условия температурной устойчивости:
IР ≥ 2·IДЛ,
IПЛ ≥ 10·IДЛ.
Падение напряжения в контактной зоне в номинальных режимах работы в сильной степени зависит от характера работы контактов (рисунок 2.15).
29
7
Падение напряжения, В
6
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
Ток, А
600
700
800
900
1000
Рисунок 2.15 – Зависимость ΔUК от характера работы контактов:
неподвижные
разрывные;
2.6 Кинематика подвижных контактных систем
Проектирование подвижных коммутирующих контактов начинается с разработки их кинематической схемы, к которой предъявляются следующие требования:
– обеспечение начального раствора контактов, т.е. минимального расстояния между подвижным и неподвижным контактами в разомкнутом положении;
– обеспечение необходимой величины провала контактов, т.е.
расстояния между точкой начального соприкосновения контактов
до точки предельного положения подвижного контакта при устранении неподвижного.
Раствор контактов выбирают из следующих условий:
– номинального напряжения UН между контактами в разомкнутом положении;
– степени возможного загрязнения межконтактного пространства;
30
– степени ионизации межконтактного пространства в процессе работы.
Раствор контактов h рассчитывают по эмпирической формуле
h = K1UН + K2, (2.8)
где K1, K2 – эмпирические коэффициенты.
При низкой интенсивности загрязнения и ионизации межконтактного пространства K1 = 2,2…2,9, K2 = 8…11, при высокой – K1 =
4,3…7,0, K2 = 12…16.
Провал обеспечивает:
– процесс притирания контактов;
– надежную работу контактов при их износе.
Притирание контактов – это процесс перекатывания поверхности подвижного контакта по поверхности неподвижного, сопровождающееся скольжением, при котором удаляются пленки, ухудшающие электрическую проводимость контактной зоны.
Другая положительная роль притирания состоит в том, что при
разрыве контактов под током электрическая дуга, появляющаяся
между ними, горит не в одной точке, а перемещается по зоне притирания. При этом:
– поверхности контактов меньше повреждаются в процессе горения дуги;
– дуга быстрее охлаждается.
Количественно зону притирания контактов оценивают через перекат, величина которого зависит от интенсивности появления окислов на контактных поверхностях и дугообразования. Для линейных
контактов ТЭА перекат варьируется от 10 до 25 мм.
На рисунке 2.16 показаны различные положения подвижного 1
и неподвижного 2 линейных контактов в процессе включения. В положении, показанном на рисунке 2.16, а, контакты раздвинуты на величину раствора. Рисунок 2.16, б соответствует моменту их соприкосновения, а рисунок 2.16, в – окончанию процесса включения в точке
А. При замыкании вследствие углового перемещения α подвижной
контакт катится по неподвижному и одновременно скользит по нему
влево, в результате чего расстояние по неподвижному контакту меньше, чем по подвижному, т.е. АБ1 < АБ (рисунок 2.16, в).
31
а
б
в
Б
2
А
3
Б
Б1
А
1
α
α
5
4
Рисунок 2.16 – Притирание линейных контактов в процессе работы:
1 – подвижный контакт; 2 – неподвижный контакт;
3 – контактодержатель; 4 – притирающая пружина; 5 – упор
Для обеспечения описанного процесса включения в тяговых аппаратах применяют кинематическую систему с притирающей пружиной. Рассмотрим процесс притирания контактов при включении
индивидуального контактора (рисунок 2.17) [3]. Рычаг подвижного контакта 1 вращается вокруг оси 01. Ось вращения держателя 3
подвижного контакта находится на конце рычага 1. Притирающая
пружина 2, работающая на сжатие и имеющая некоторое начальное натяжение, вставлена между выступами держателя 3 и рычага 1.
В разомкнутом положении контактов под действием этой пружины
держатель поворачивается против часовой стрелки до упора в выступ У1 рычага 1.
При включении под действием привода рычаг совместно с дер­
жателем и подвижным контактом поворачивается относительно оси
01 против часовой стрелки. На первой стадии включения происхо­
дит сближение контактов до момента соприкосновения их в точке а
(см. рисунок 2.17, а). Дальнейшее движение рычага сопровождается
перека­тыванием подвижного контакта по неподвижному с проскальзыванием по поверхности, т. е. с притиранием. В положении полного
включения (см. рисунок 2.17, б) контакты соприкасаются в точке б.
Применяют два типа рычажных систем подвижного контакта:
с ограниченным ходом рычага и нажатием контактов, обеспечивае­
мым притирающей пружиной, и с неограниченным ходом рычага и
упором на контактах. В первом случае ход рычага ограничивается или
приводом, который перемещает рычаг только до определенного положения, или сам рычаг снабжается упором, фиксирующим его ко­
нечное положение. Нажатие контактов при этом определяется усилием притирающей пружины. Притирающая пружина компенсирует
32
износ контактов, причем она сжимается на меньшую величину и нажатие контактов соответственно уменьшается. Очевидно, что максимальный износ контактов в этом случае не может превышать величину провала П (см. рисунок 2.17, б).
а
01
У1
Q
02 б
а
3
1
2
У2
QК
б
01
У1
02
П
Q
а
б
1
3
2
У2
Рисунок 2.17 – Процесс включения индивидуального контактора
Во втором случае, показанном на рисунке 2.17, конечное положение при включении фиксируется упором У2 на рычаге 1, который
огра­ничивает поворот держателя относительно рычага. В этом положении держатель с рычагом 1 представляет уже как бы единый рычаг
и сила привода с учетом соотношения плеч передается на контакты
и создает нажатие QK. Здесь притирающая пружина определяет нажатие кон­тактов только в процессе притирания, износ их компенсируется до­полнительным ходом привода и рычага, а провал имеет
значение толь­ко для притирания контактов и не является запасом
33
на износ. Хотя конечная сила нажатия контактов в этом случае и не
зависит от усилия притирающей пружины, для надежного притирания она должна быть достаточно большой. Так как износ контактов
компенсируется до­полнительным ходом рычага, привод, передвигающий рычаг при замы­кании контактов, должен не иметь ограничения хода и обеспечивать стабильное усилие в пределах дополнительного хода рычага на размер износа контактов.
Притирание точечных контактов осуществляет­ся вследствие деформации упругих конструктивных элементов их крепления. В простейшем мостиковом контакте (рисунок 2.18, а [1]) це­пей управления
роль упругого элемента выполняет пружинная тра­верса мостика, к которой припаяны или приварены подвижные кон­такты 1. При включении они перемещаются в направлении, указан­ном на рисунке 2.18, а
стрелкой до соприкосновения с плоскими непо­движными контактами 2. После соприкосновения в точках О1 сила 2FK, приложенная к
середине траверсы, изгибает ее. Одновремен­но контакты 1 поворачиваются на угол α
α=
FК l 2
,
3Ej
(2.9)
где Е – модуль упругости материала траверсы, Па;
l – расстояние между осями контактов, м;
J – момент инерции сечения траверсы, м4.
В результате поворота подвижных контактов на угол α точка соприкосновения переместится из положения О1 в О2 по неподвижному контакту на расстояние ΔН = htgα. Т.к. α = 5…10°, то ΔН ≈ hsinα.
(рисунок 2.18, б).
Соответственно по поверхности контакта 1 точка соприкоснове­
ния переместится на расстояние ΔП = rsinα.
Взаимное проскальзывание одного контакта по другому
ΔСК = ΔН – ΔП = 0,3…1,0 мм. (2.10)
Для серебряных контактов и для контактов из металлокерамики на основе серебра значение ΔСК может быть снижено и получено
лишь за счет небольших зазоров в подвижных частях аппарата. Для
сравнения следует отметить, что скользящие контакты цепей управления выполняют с пальцами в виде стальных контактных пружин,
при этом необходимо иметь ΔСК = 4…8 мм.
34
А–А
δ
b
а
2,5–4
O2 O1
∆н
1
A
б
α
г
h
h
l
A
2Fн
α
2
O1
∆п
∆н
O2
α
Рисунок 2.18 – Притирание точечных контактов
2.7 Вибрация контактов и способы ее снижения.
Физические процессы на размыкающихся контактах
В процессе включения при соударении контак­тов вследствие их
упругости, инерции и недо­статочного начального нажатия может возник­нуть вибрация (отскакивание контактов). Кроме того, электродинамические силы, дейст­вующие на контакт и контактный рычаг
при ослабленном контактном нажатии, также спо­собны вызвать отскакивание контактов, со­провождающееся электрической дугой между ними. Соприкосновение же расплавленных поверхностей контактов может привести к их свариванию.
Независимо от опасности сваривания кон­тактов важно, чтобы
в процессе проектирова­ния любых контактов были приняты меры по
уменьшению времени их вибрации при вклю­чении, от которого зависит элек­трический износ контактов (перенос и распы­ление металла).
35
Вибрация контактов уменьшается за счет снижения скорости
сближения контактов, уменьшения массы подвижного контакта
и увеличения начального контактного нажатия. Последнее по возможности должно быть боль­ше силы реакции от упругой деформации кон­тактов при соударении. Уменьшение скорости сближения
контактов осуществляется выбо­ром оптимальной кинематической
схемы и уменьшением раствора контактов, что возмож­но при использовании мостиковых контактов. Так как тепловые потери в контактных системах обусловлены в основном потерями в переход­ном
контактном сопротивлении, то уменьше­ние массы подвижного контакта возможно при одновременном увеличении массы и поверхности охлаждения неподвижного контакта. В результате этого тепловой баланс контакт­ной системы в целом и превышение темпера­туры
подвижного контакта могут остаться прежними.
Наиболее эффективными средствами уменьшения электродинамических сил, вызы­в ающих отскок контактов, являются:
устрой­ство контактной системы в виде двойного пет­левого контура,
спрямление пути тока в зоне расположения контактов и др.
Эрозия, коррозия, истирание контактов. В процессе эксплуатации ЭПС износу более всего подвержены коммутирующие контакты электроаппаратов, который зависит от многих факторов и имеет
случайный характер.
Различают три вида износа коммутирующих контактов:
– механический (истирание), вызываемый своеобразием характера работы разрывных контактов – ударами и трением одного контакта о другой;
– электрический (эрозия), обусловленный переносом металла
с одного контакта на другой при прохождении электрического тока;
– химический (коррозия), возникающий при химической реакции во время появления искрового или дугового разряда.
Износ оценивают объемом Q металла, теряемого контактами за
одно включение и одно выключение аппарата, т.е. за один цикл работы. Так, для коммутационного аппарата, разрывающего силовую
цепь в обесточенном состоянии
Q = QМ + QЭ, (2.11)
где QМ, QЭ – объем металла, соответственно при механическом и
электрическом износе, мм3.
Истирание контактов можно определить ориентировочно по формуле [1]
36
∆ СК FК
(2.12)
,
НВ
где ΔСК – проскальзывание контактов, мм;
FК – контактное нажатие, Н;
НВ – твердость контактов по Бринеллю.
Эрозию контактов определяют по эмпирической формуле [1]
QМ ≈ 2 ⋅10 −7
kм I 2
,
γ
(2.13)
где kМ – коэффициент, зависящий от материала контактов.
Для меди kМ = 0,6…2,0, для металлокерамики СОК kМ = 0,08…0,36;
I – рабочий ток, А;
γ – плотность металла контактов, г/см2.
QЭ ≈ 10 −6
2.8 Герконы
Контакты, называемые герконами (рисунок 2.19 [3]), выполня­ются в виде пластин 1 и 2 из железоникелевого сплава, размещенных
внутри стеклянного баллона 3, заполненного азотом с примесью во­
дорода или гелия при давлении от 105 до 4·105 Па.
I
1
N
2
s
s
N
3
4
Рисунок 2.19 – Конструкция геркона
Замыкание контактов происхо­дит под действием магнитного по­
ля, образуемого током управляю­щей катушки 4. При выключении
тока контакты размыкаются вслед­ствие упругости пластин. Пласти­
ны покрывают тонким слоем зо­лота, радия или серебра для по­выше37
ния надежности контакта. Износостойкость герконов, размещенных
в инертном газе, по меньшей мере, на два порядка выше износостойкости обычных контактов в воздухе, а время срабатыва­ния и отпуска
в 3 раза меньше, чем у контактов с электромагнит­ным приводом.
Герконы на ЭПС получили распространение в качестве контактов цепей управления при токах до 2…3 А. Их успешно применяют
в цепях высокого напряжения.
3 Приводы тяговых электроаппаратов
3.1 Определение и классификация
Привод – совокупность частей и устройств ТЭА, выполняющих
необходимые перемещения подвижных частей в процессе работы.
Приводы классифицируют:
– по количеству одновременно коммутируемых аппаратов:
1) индивидуальный (на каждый аппарат ставится отдельный
привод);
2) групповой;
– по роду применяемой энергии:
1) электромагнитный;
2) электропневматический;
3) электродвигательный;
4) механический непосредственный (ручной) привод.
Каждому виду привода соответствует своя исполнительная
часть:
– электромагнит;
– пневмоцилиндр;
– серводвигатель;
– рычаги и тяги.
Все виды приводов высоковольтных ТЭА (за исключением аппаратов с непосредственным приводом) по условиям электробезопасности включаются только в низковольтную цепь. Однако на ряде
ЭПС, в т. ч. современном и перспективном данное условие может
нарушаться в отношении тяговых аппаратов с ручным приводом, например высоковольтных разъединителей, которые также оснащают
дистанционным управлением.
38
Чтобы реализовать дистанционное управление пневматическим
приводом, его необходимо оснащать распорядительным аппаратом –
электромагнитным вентилем.
3.2 Электромагнитный привод
3.2.1 Электромагнитный привод в ТЭА применяется как сугубо
индивидуальный, т. к. он не способен обеспечить больших перемещений подвижных частей аппарата и значительных приводных усилий.
Область применения электромагнитного привода:
– защитные аппараты;
– контакторы оперативной коммутации вспомогательных цепей
ЭПС;
– реле различного назначения.
Исполнительной частью электромагнитного привода является
электромагнит. В ТЭА могут применяться электромагниты трех типов (рисунок 3.1):
– клапанные (наиболее применяемые);
– соленоиды;
– поворотные.
Принцип действия. В электромагните обтекаемая постоянным
током катушка создает магнитное поле, охва­тывающее подвижный
стальной магнитопро­вод (якорь, плунжер). Если при перемещении
последнего в пространстве в направлении х изменяется электромагнитная энергия АЭ ка­тушки, то согласно теории магнитного поля
возникает действующая на якорь (плунжер) в направлении х сила
FЭ, т. е.
FЭ =
∂AЭ
.
∂x
(3.1)
Тяговые характеристики электромагнитов. Кривую FЭ (х) построенную при некотором токе в катушке, называют статической тяго­вой
характеристикой электромагнита. Вид характеристики определяют:
конструкция электромагнита, на­сыщение его магнитопровода, форма наконеч­ников и т. д.
Статические тяговые харак­теристики различных типов электромагнитов приведены на рисунке 3.1.
39
а
б
в
δ
К
К
С
x
О
Я
Fэ
МЭ
О
П
АЭ
FЭ
2
1
α
FЭ
С
+FЭ
А
К
1
М Э АЭ
2
2
+х
–х
1
δ
О
–FЭ
α
π/
2
Рисунок 3.1 – Типы электромагнитов, применяемых в ТЭА
их тяговые характеристики:
а – соленоид; б – клапанный; в – поворотный
В соленоидном электромагните (см. рисунок 3.1, а) магнитный
поток катушки везде, кроме сталь­ного плунжера П, проходит по воздуху. Кри­вая 1 на тяговой характеристике показывает, как меняется электромагнитная энергия АЭ при перемещении плунжера от центра катушки: в начальном состоянии х = 0 энер­гия АЭ наибольшая,
а при ходе плунжера вверх или вниз – АЭ уменьшается. В соответствии
с (3.1) сила FЭ при отклонении плунжера от среднего положения меняет знак, следуя кри­вой 2 на тяговой характеристике.
Наиболее распространенный клапанный электромагнит (см. рисунок 3.1, б) имеет практически замкнутый стальной магнитопровод
(сердеч­ник С и якорь Я). Поток проходит по воздуху только в зазорах
между якорем и полюсными наконечниками сердечника. Якорь поворачива­ется вокруг оси О в основном под действием силы в зазоре
δ. При изменении δ магнит­ная энергия электромагнита АЭ меняется
при­мерно по гиперболической кривой 1, а сила электромагнита согласно (3.1) по кривой 2.
В поворотном электромагните (см. рисунок 3.1, в) якорь пово­рачивается вокруг оси О на относительно большой угол α. Изменение
электромагнитной энергии АЭ по мере поворота якоря следует кри40
вой 1, т. е. имеет максимум при α = 0 и минимум при α = 90°. Соответственно момент вращения якоря МЭ изменяется согласно (3.1)
по кривой 2.
Тип электромагнита выбирают в зависимо­сти от того, какая тяговая характеристика наиболее полно обеспечивает выполнение аппаратом его функций.
Динамическая тяговая характеристика. Тяго­вая характеристика электромагнита, в которой учтено изменение тока в катушке при
перемещении подвижных частей, называется динамической. Динамическая тяговая характеристика тяжело поддается расчету, т.к. перемещение обыч­но происходит одновременно с пере­ходными процессами в электриче­ской цепи обмотки. При этом возможны два
случая: когда электрические переходные процес­сы в значительной
мере опреде­ляются перемещением якоря элек­тромагнита и когда
электрические процессы протекают независимо от перемещения
якоря электромаг­нита.
Первый случай имеет место, в частности, для электромагнитов
с катушками напряжения постоян­ного тока. При включении такого
электромагнитного привода движение механизма обычно начинается прежде, чем ток в цепи катушки установится, т. е. сила тяги следует динамической характеристике, лежа­щей ниже статической. При
выключении ка­тушки сила тяги не исчезает мгновенно вслед­ствие
вихревых токов в магнитопроводе и раз­личного рода магнитосвязанных контурах. Примерный вид динамической тяговой характеристики клапанного электромагнита приведен на рисунке 3.2.
FЭ
1
2
δ
Рисунок 3.2 – Статическая (1)
и динамическая (2) тяговые характеристики электромагнитов
41
Для расчета тяговых характеристик используют обычно опытные
зависимости FЭ (δ) электромагнитных систем, наиболее близких по
конструкции и соотношению размеров к проектируемой. Если значения магнитной индукции в частях подобных систем одина­ковы,
то при изменении линейных размеров и перемещения якоря в k раз
магнитодвижущая сила (МДС) катушки подобной системы меняется также в раз, а площадь сечения магнитопровода катушки и силы
притяжения якоря – в k2 раз.
3.2.2 Нагрузочные и магнитные характеристики
Под нагрузочной характеристикой электромагнитного привода понимают зависимость силы тяги электромагнита от МДС, т. е.
FЭ = f(Iw). Нагрузочные характеристики строят при постоянном воздушном зазоре между якорем и ярмом δ = const.
С рядом допущений [3] нагрузочные характеристики FЭ = f(Iw)
для воздушных зазоров δ1 < δ2 < δ3 < δ4 можно рассчитать по выражению
2
 Iw 
(3.2)
FЭ = 0,5µS   ,  δ 
где µ – магнитная проницаемость воздушного зазора;
S – площадь сечения воздушного зазора.
Из семейства нагрузочных характеристик графическим путем для
заданных значений Iw получают статические тяговые характеристики (рисунок 3.3).
а
FЭ
б
FЭ
δ1
δ2
δ3
Iw = const
δ4
0
Iw
0
δ1 δ2 δ3 δ4
Рисунок 3.3 – Получение статической тяговой характеристики (б)
из нагрузочных (а)
42
Магнитная характеристика электромагнитного привода представляет собой зависимость магнитного потока в воздушном зазоре от
МДС, т. е. Ф = f(Iw). Действие электромагнитного привода можно
разделить на два этапа:
– нарастание тока до начала перемещения якоря;
– перемещение якоря электромагнита.
Зависимость Ф(Iw) при неподвижном якоре до его притяжения
изображена на кривой δ = δmax на рисунке 3.4. В процессе перемещения якоря (на 2-м этапе) происходит увеличение магнитного потока
от Ф1 до Ф2 вследствие уменьшения воздушного зазора.
Предельное положение δ = 0 магнитная характеристика займет
после окончания процесса включения электромагнита. Характер изменения Ф(Iw) в процессе перемещения якоря зависит от того, завершилось ли нарастание тока в катушке до начала перемещения или
нет. Зависимость Ф(Iw) при перемещении якоря условно изображена кривой аб на рисунке 3.4.
FЭ
б
Ф2
δ=0
Ф1
а
δ = δmax
0
Iw
Рисунок 3.4 – Магнитные характеристики электромагнитного привода
Магнитные характеристики электромагнита используют при исследовании энергетики электромагнитного привода. Так, заштри43
хованная область на рисунке 3.4 характеризует работу перемещения якоря.
3.2.3 Силы сопротивления электромагнитного привода и условие
его срабатывания. Коэффициент возврата
Пригодность магнитной системы для аппарата можно определить, сопостав­ляя диаграмму сил сопротивления подвижной системы, которые при­вод должен преодолеть, с тяговой характеристикой
электромагни­та. Диаграмма сил может иметь различный вид в зависимости от ха­рактеристик пружин, их предварительного натяжения,
числа и типа блокировочных и силовых контактов.
Рассмотрим наиболее распространенную систему электромагнит­
ного привода (рисунок 3.5) клапанного типа, состоящую из Г-образного ярма, сердечника с катушкой и поворотного якоря, шарнирно
соединенного с яр­мом в точке О. К якорю присоединена выключающая пружина (В). Дер­жатель подвижного контакта присоеди­нен
к якорю с помощью притирающей пружины (П) и вместе составляют
единую подвижную систему с центром тяжести в точке О1, (сила G).
X
O
O1
П
QП
QВ
O
FЭ
G
В
Рисунок 3.5 – Силы, действующие в приводе с электромагнитом
клапанного типа при включении
Из диаграммы сил, действующих в точке О, следует, что для включения аппарата сила FЭ, создаваемая электромагнитом, должна преодолеть приведенные к оси ОX силы сопротивления выключающей
44
пружины Q'В, притирающей пружины Q'П и веса подвижной системы G'
FЭ > Q'В + Q'ПX + G'X , (3.3)
где Q 'ПX , G 'X – проекции на ось ОX соответственно сил Q'П и G '.
Неравенство (3.3) характеризует условие срабатывания электромагнитного привода. В графическом виде выражение (3.3) представлено на рисунке 3.6.
Как видно из рисунка 3.6, включение аппарата становится возможным, если при перемещении подвижных частей от точки начала действия привода δН до точки О – рабочее положение контактов – сила
FЭ превышает сумму всех сил сопротивления ΣQ = Q'В + Q'ПX + G'X.
Точка δН определяется нарушением неравенства (3.3) и установлением равновесия между включающими и выключающими силами, действующими в аппарате. Поэтому параметры электромагнита и подвижной системы аппарата подбирают так, чтобы воздушный зазор
δН был не ниже раствора контактов. Начальное касание контактов
аппарата происходит в точке δП, в которой начинается притирание
контактов и установление рабочей величины контактного нажатия.
Если по каким-то причинам произойдет снижение силы тяги электромагнита (тяговая характеристика F1(δ) на рисунке 3.6), точка начала действия привода переместится в δ1, якорь после начального соприкосновения контактов остановится в точке δП, т.к. силы тяги не
будет хватать для преодоления сил сопротивления.
F,
Q
F1(δ)
FЭ(δ)
Q' В(δ)
Q (δ)
Q' ПХ(δ)
G' X (δ)
0
δП
δН
δ1
δ
Рисунок 3.6 – График сил, действующих в электромагнитном приводе
при включении
45
Один из характерных показателей работы электромагнитного привода – коэффициент возврата, представляющий собой отношение
МДС отпадания якоря к МДС его притяжения. Допустим, что суммарная характеристика сил сопротивления представлена линией Q (δ)
(рисунок 3.7), минимальный и максимальный воздушные зазоры
равны соответственно δ1 и δ2. Тогда минимальная МДС, необходи­
мая для притяжения якоря при зазоре δ2, равна F2, а максимальная
МДС, которой соответствует начало отпадания якоря при зазоре δ1,
равна F1. Коэффициент возврата составит
кВ = F1/F2. (3.4)
Согласно рисунку 3.7 коэффициент возврата можно повысить,
умень­шая ход якоря и соответственно разрыв контактов. При обычной конструкции привода с замкнутой магнитной систе­мой и малым зазором между якорем и сердечником в притянутом по­ложении кВ ≈ 0,2…0,3 [3], а в некоторых случаях имеет еще более низкое
значение.
F,
Q
F2 (δ)
F1 (δ)
Q (δ)
0
δ1
δ2
δ
Рисунок 3.7 – Определение коэффициента возврата
Коэффициент возврата не имеет существенного значения для
элек­тромагнитных контакторов и других аппаратов, которые всегда
выклю­чаются при полном размыкании цепи катушки привода. Однако в при­водах некоторых реле необходим высокий коэффициент
возврата. Его можно достичь, приближая наклон суммарной харак46
теристики сил со­противления к наклону статической характеристики электромагнит­ного привода в заданных пределах изменения воздушного зазора от δ1 до δ2 и существенно уменьшая или полностью
устраняя скачок силы сопротивления Q (δ) в момент соприкосновения контактов. Наклон тяговых характеристик можно уменьшить,
если использовать область относительно больших воздушных зазоров или снизить перепад силы Q (δ), уменьшив начальное нажатие
притирающей пружины.
Наиболее просто обеспечить повышение коэффициента возврата при характеристиках приводов с разомкнутой магнитной цепью
(см. рисунок 3.1, а), где возможно полу­чить кВ = 0,95…0,98.
3.3 Электропневматический привод
3.3.1 По сравнению с электромагнитным приводом электропневматический имеет ряд преимуществ:
– обеспечивает большие поступательные и угловые перемещения;
– обеспечивает большие приводные усилия, а значит, большие
контактные нажатия;
– меньший прямой расход электроэнергии на поддержание приводного усилия на требуемом уровне (катушка электромагнитного
привода должна непрерывно по­лучать питание, а в электропневматическом приводе достаточно поддер­живать постоянное давление
на поршень);
– лучшие массо-габаритные показатели при использовании
в электроаппаратах, работающих с токами более 100 А.
К недостаткам электропневматического привода следует отнести:
– косвенный расход электроэнергии, связанный с восполнением
утечек воздуха в пневматической части привода;
– большие затраты на обслуживание и ремонт вследствие сложности конструкции привода.
Область применения электропневматического привода:
– индивидуальные контакторы силовых цепей;
– высоковольтные и низковольтные переключатели с любым количеством рабочих позиций;
– быстродействующие выключатели;
– токоприемники;
– противоразгрузочные устройства;
47
– стеклоочистители, клапаны песочниц и другие вспомогательные устройства.
По конструктивному исполнению электропневматические приводы ТЭА могут быть поршневыми и диафрагменными.
3.3.2 Принцип действия и конструкция поршневого привода
В пневматических приводах сжатый воздух да­вит на поршень,
движение которого передается подвижным контактам аппарата через промежуточные механизмы.
Различают пневматические приводы по конструкции и числу
поршней, числу фик­сированных позиций, способу их фиксации
и виду механизма, передаю­щего движение контактам аппарата.
Рассмотрим конструкцию пневматический привода в индивидуаль­ных контакторах 1SVAD5, применяемых на электровозах ЧС2Т.
Пневмопривод (рисунок 3.8), конструктивно представляет собой
ци­линдр 7 с поршнем 9 и пружиной 1, под действием которой поршень при отсутствии сжатого воздуха перемещается вверх. Когда
в цилиндр подается сжатый воздух, поршень, преодолевая противодействие пру­жины, перемещается вниз. Движение поршня передается рычагу кон­такта через изоляционную тягу 12.
5
3
4
6
7
8
2
9
1
10
11
12
Рисунок 3.8 – Пневмопривод индивидуального контактора типа 1SVAD5:
1 – выключающая пружина; 2, 3 – уплотняющие кольца; 4 – вентиль;
5, 10 – крыш­ка; 6 – воздухораспределитель; 7 – цилиндр; 8 – болт;
9 – поршень; 11 – гайка; 12 – изоляционная тяга
48
Впуск и выпуск сжатого воздуха осуществляется с помощью электромагнитных вентилей – распорядительных устройств цепей управления. Различают вентили включающие и выключающие. Принцип
действия вентиля включающего типа пояснен на рисунке 3.9.
При подаче напряжения на включающую катушку 3 якорь 2, прижимаясь к сердечнику 4, перемещает ствол с верхним (ат­мосферным)
клапаном 5, закрывая атмосферное отверстие. Одновременно открывается нижний (питательный) клапан 7, со­общая цилиндр пневматического привода с источником сжато­го воздуха. После обесточивания
катушки якорь 2 и клапанная система под действием пружины 9 перемещаются вверх. За­крывается питательный клапан 7, и открывается
атмосферный клапан 5, сообщая цилиндр привода с атмосферой.
Вентиль выключающего типа (рисунок 3.10) впускает сжатый воздух в аппарат при обесточенной катушке. После подачи пи­тания на
катушку якорь притягивается и нажимает на ствол кла­пана, который
открывает верхний клапан и закрывает нижний. В этом случае цилиндр привода соединяется с атмосферой. Если снять напряжение с
катушки вентиля, то под действием пружи­ны верхний клапан закрывается, а нижний открывается силой давления сжатого воздуха, который поступает в цилиндр пнев­матического привода аппарата.
1
2
3
4
U
В
5
В атмосферу
В аппарат
Б
10
Из
резервуара
А
9
8
6
В цилиндр
привода
7
Из
резервуара
Рисунок 3.9 – Электромагнитный вентиль включающего типа
49
Конструктивно вентили различаются клапанными системами.
В клапанной системе прибора выключающего типа вместо одного
двустороннего седла имеются два латунных односторонних: верх­
нее 10, запрессованное в чугунном корпусе, и нижнее 11, вверну­
тое в корпус на резьбе. Верхнее седло предназначено для клапа­на 5,
нижнее с направляющей – для свободного клапана 7. Каме­ра А находится ниже седла клапана 7, камера Б – между клапана­ми, камера
В – над посадочной поверхностью верхнего клапана.
1
2
4
U
6
5
3
В
В атмосферу
В аппарат
Б
9
Из
резервуара
11
А
8
10
В цилиндр
привода
7
Из
резервуара
Рисунок 3.10 – Электромагнитный вентиль выключающего типа
Пневматический привод в сочетании электромагнитными вентилями принято называть электропневматическим.
3.3.3 Кинематическая схема индивидуального контактора. Тяговая
характеристика и силы сопротивления. Условие срабатывания привода
Индивидуальный электропневматический контактор – наиболее распространенный высоковольтный коммутационный аппарат
на ЭПС. Рассмотрим кинематическую схему контактора в статическом положении в замкнутом состоянии контактов, когда процесс
их притирания завершен (рисунок 3.11).
50
Выбор основ­ных параметров электропневматического привода
заключается в определении диаметра и хода поршня, необходимых
для преодоления сил сопротивления при заданном давлении сжатого воздуха, а также в расчете времени срабатывания привода. В соответствии с требованиями, предъявляемых к ТЭА, для аппаратов
ЭПС расчет электропневматического привода на прочность производят при давлении 0,65 МПа, а выбор диаметра поршня – при давлении 0,375 МПа.
lК
02
lЦ
П
01
FК
упор
lП
G'
B'
QТ
QП
QB
FB
5 атм
Рисунок 3.11 – Кинематическая схема индивидуального контактора
Определяющими состояние подвижной системы усилия­ми являются:
– FВ – сила давления сжатого воздуха, поступающего в цилиндр
аппарата;
– QВ – сила выключающей пружины (В), размещенной в цилиндре;
– QТ – сила трения поршня о внутренние стенки цилиндра;
– FК – сила реакции в точке касания силовых контактов, равная
силе нажатия контактов;
– QП – сила притирающей пружины (П);
– G – вес подвижных частей контактора, приложенный в центре
тяжести системы.
51
В целях упрощения не учитывается влияние сил трения в шарнирах кон­тактора ввиду их незначительной величины.
Как видно из рисунка 3.11, силы, действующие в аппарате, приложены к разным точкам. Чтобы силы рассматривать в комплексе,
необходимо их привести к точке сочленения штока цилиндра с рычагом – точка О2. Следуя направлениям действия сил на рисунке 3.11
через соотношения плеч lЦ, lК к lП, находят приведенные силы. ими
являются G' и F'К, т.к. точки их приложения не совпадают с выбранным началом координат в точке О2. Сила сжа­тия притирающей пружины в общей картине усилий, действующих в аппарате, не рассматривается, т.к. при окончательном замыкании кон­тактов положение
контактодержателя фиксируется упором и сила QП стано­вится внутренней силой рычага. Тогда выражение для суммы сил, оказывающих сопротивление включению аппарата, примет вид
ΣQ = QВ+ QТ + G' + F'К. (3.5)
Зависимость силы давления FВ от перемещения поршня x называется тяговой характеристикой электропневматического привода. Для
правильной работы привода необходимо, чтобы сила FВ при любых
прямых перемещениях х была больше сум­мы сил сопротивления ΣQ
на значение, обеспечивающее необходимое ускорение привода,
ΔF = FВ – ΣQ. (3.6)
Тяговая характеристика привода и диаграмма сил сопротивления
при включении приведены на рисунке 3.12.
Сила давления сжато­го воздуха (FВ)СТ в статическом режиме не зависит от перемещения порш­ня. При быстром перемещении поршня
давление сжатого воздуха будет меняться и динамическая характеристика при включении привода примет вид кривой (FВ)Д.
Отклонение динамической характеристики от статической тем
больше, чем меньше время повышения давления в цилиндре от атмос­ферного до конечного установившегося значения. Это время прямо про­порционально объему цилиндра и обратно пропорционально
площади отверстия, через которое поступает сжатый воздух из резервуара; оно увеличивается с увеличением сопротивлений трубопроводов и ско­рости движения поршня, а также зависит от конечного давления в ци­линдре и давления в резервуаре сжатого воздуха. В конце
перемещения поршня, когда скорость его уменьшается вследствие
существенного роста сил сопротивления, динамическая характеристика совместится со статической.
52
На рисунке 3.12 точка xП соответствует начальному касанию контактов, точка xК – предельному перемещению подвижных частей аппарата.
При обратном перемещении привода в результате выпуска сжато­го
воздуха из цилиндра сила сопротивления ΣQВ будет выключающей:
ΣQВ = QВ + G ' + F'К – QТ. F,
Q
(3.7)
(FB)CT
(FB)Д
ΣQ
QВ
F'К
QТ
G'
0
xП
xК
x
Рисунок 3.12 – Диаграмма сил, действующих в приводе при включении
Сила трения поршня в процессе выключения направлена против
его перемещения, поэтому сила QТ будет препятствовать выключению аппарата.
Силе ΣQВ будет противодействовать динамическая сила сопротив­
ления воздуха выталкиваемого из цилиндра FВ1. Разность между ними
ΔQ определит ускоряющую силу выключения привода
ΔQ = ΣQВ – FВ1. 53
(3.8)
Диаграмма действующих сил в приводе при отключении электропневматического контактора приведена на рисунке 3.13.
Из рисунка 3.13 следует, что ключевую роль в процессе отключения контактора играет выключающая пружина, остальные отключающие силы располагаются ниже сил, препятствующих выключению (пунктирная линия).
3.3.4 Диафрагменные приводы
В поршневых приводах требуется осу­ществлять периодическую
смазку и смену уплотняющих манжет, причем время срабатывания
привода зависит от состояния манжет и смазки. Поэтому в аппаратах с относительно малым перемеще­нием поршня (до 50 мм) целесообразно применять диафрагменные приводы, лишен­ные этих недостатков.
F,
Q
ΣQB
QB
F'K
FB1
QT
G'
0
x
–QT
–Q
Рисунок 3.13 – Диаграмма сил, действующих в приводе при выключении
В диафрагменном приводе (рисунок 3.14 [3]) сжатый воздух под
давлением Р поступает в полость, заключенную между корпусом 7
54
и диафрагмой 3, выполненной из резины или резинотканевого материала. Диафрагма прижата крышкой 2 к корпусу 7. Прогибаясь,
диафрагма оказывает давление на диск 4, связанный со штоком 6.
Последний, перемещаясь, сжимает возвращающую пружину 5, воздействуя на подвижную часть аппарата. Для входа сжатого воздуха
предусмотрено отверстие 1.
7
3
5
2
6
4
1
Рисунок 3.14 – Конструкция диафрагменного привода
Диафрагменные приводы просты в изготовлении, не имеют трущих­ся частей и требуют меньшего ухода в эксплуатации, чем поршневые. Надежность их в значительной мере определяется качеством
материа­ла диафрагмы и его стойкостью при работе в широком диапазоне ок­ружающей температуры.
Диаграмма сил диафрагменного привода подобна диаграмме сил
поршневого (см. рисунок 3.12) с той разницей, что силу трения QT
можно принять равной нулю. Расчетная сила, действующая на диск
привода, зависит от внутреннего рабочего диаметра диафрагмы D
и диаметра диска d, вид расчетного выражения приведен в [3].
Отрицательными сторонами диафрагменного привода являются:
55
– большие габариты, чем у поршневого привода, вы­полняющего ту же работу (указанный недостаток объясняется тем, что перемещение диафрагмы огра­ничено ее упругостью);
– снижение работоспособности привода в условиях низких температур (ниже –30°С);
– быстрый износ диафрагмы.
3.4 Групповые приводы
3.4.1 Общие сведения
Групповой привод применяют в тех аппаратах, в которых невозможно применение индивидуального привода, прежде всего это трехпозиционные и многопозиционные переключатели. Часто групповой
привод применяют в двухпозиционных аппаратах, если в процессе
коммутации электрических цепей требуется соблюдать строго заданную последовательность переключений, например при перегруппировке тяговых двигателей электровозов.
По существу, обеспечение порядково-временного связывания
работы отдельных элементов системы управления ЭПС, т.е. четкой
последовательности переключений – главное преимущество группового привода. По остальным характеристикам групповой привод,
как правило, уступает индивидуальному, в первую очередь по такому параметру, как время срабатывания, которое в 10 раз больше, чем
при индивидуальном приводе. Поэтому при модернизации старых
или строительстве новых электровозов (например, 2ЭС6) количество групповых коммутационных аппаратов стремятся свести к минимуму, передавая их функции индивидуальным контакторам, что не
всегда оправдано, т.к. обеспечение порядково-временных зависимостей в работе контакторов ложится на цепи управления, они усложняются, повышается количество электрических блокировок.
Коммутационные аппараты с групповым приводом по конструктивному исполнению разделяют на переключатели:
– барабанного типа (рисунок 3.15);
– кулачкового типа.
Преобразование поступательного перемещения штока во вращательное перемещение кулачкового вала может осуществляться:
– зубчатой передачей (рисунок 3.15, а);
– через водило (рисунок 3.15, б) – применяется при малых углах
поворота вала.
56
а
3
4
BB
5
2
1
7
2
6
б
ВВ
ВВ
Водило
Рисунок 3.15 – Двухпозиционные переключатели барабанного типа
с зубчатой передачей (а) и водилом (б):
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – барабан; 4 – зубчатый сегмент;
5, 6 – вентиль; 7 – зубчатая рейка
3.4.2 Переключатели барабанного типа
Конструкция ап­паратов барабанного типа включает поворотный
вал, на котором ук­реплен изоляционный барабан с подвижными кон57
тактами в виде секторов, соединяющих друг с другом неподвижные
пальцевые контакты.
Такая конструкция мало приспособлена к условиям крупносерийного и массового производства, а также к применению эффективных
дугогасительных устройств. Поэтому барабанные переключатели на
современном ЭПС практически не применяют. Найти их можно на
электровозах советской постройки. Например, на грузовых электровозах ВЛ10, ВЛ11 для переключения скорости мотор-вентиляторов
применяется двухпозиционный переключатель барабанного типа.
3.4.3 Переключатели кулачкового типа
В групповых аппаратах кулачкового типа на поворотном валу укреплены кулачковые фасонные шайбы, воздействующие на под­вижные части отдельных контакторов (контакторных элементов), за­
мыкающих и размыкающих электрические цепи. У таких аппаратов
большая часть основных элементов легко унифицируется, их круп­
носерийное или массовое производство не вызывает принципиаль­
ных трудностей.
Контакторные элементы по принципу действия бывают:
– включающего типа (рисунок 3.16 [5]) с принудительным включением контактов нажатием кулачка; выключение их происходит под
дей­ствием выключающей пружины;
– выключающего типа (рисунок 3.17), у которых включение и на­
жатие контактов осуществляются включающей пружиной, а вы­ключение – кулачком;
– переключающие (рисунок 3.18), у которых под действием кулач­ков происходит включение одного из двух контактных соединений при одновременном выключении другого.
В коммутационных аппаратах из-за возможности сваривания
контактов наиболее ответственна операция выключения. Пружина выполняет эту операцию менее надежно, чем кулачок, так как
она деформируется значительно сильнее кулачка. Поэтому даже в
эле­ментах включающего типа часто применяют механизм принудитель­ного выключения, срабатывающий, если пружина не смогла
разом­кнуть контакты. Обычно этот механизм состоит из специального про­фильного кронштейна 6 (см. рисунок 3.16) на поворотном
рычаге подвижной части контакторного элемента и размыкающего
пальца на боковой поверхности кулачковой шайбы. Если контакты
не разомкнулись, то при повороте кулачкового вала палец упирается в кронштейн и прину­дительно размыкает контакты.
58
1
2
3
4
5
6
Рисунок 3.16 – Контакторный элемент включающего типа группового
переключателя электровоза постоянного тока:
1– гибкий шунт; 2 – дугогасительная камера; 3 – элемент деионной
решетки (омедненная сталь); 4 – дугогасительный рог; 5 – ролик;
6 – подвижный рычаг
59
7
8
9
10
6
5
11
4
12
3
2
13
14
1
15
Рисунок 3.17 – Контакторный элемент выключающего типа группового
переключателя 1KHD1 электровоза ЧС2Т:
1 – изоляционные установочные рейки; 2 – контактодержатель;
3 – сер­дечник дугогасительной катушки; 4 – обмотка дугогасительной
катушки; 5 – камера; 6 – контакты; 7 – стальной полюс; 8 – подвижный
контакто­держатель; 9 – валики; 10 – гибкий шунт; 11 – рычаг; 12 – ролик;
13 – кулачковая шайба; 14 – изоляционная втулка;
15 – выводная шина
Конфигурация каждой кулачковой шайбы – чередование выступов и впадин – должна соответствовать выбранным углам поворота
вала при замкнутом и разомкнутом состояниях контакторного элемента. По поверхности каждой шайбы катится ролик, связанный
с механизмом включения (выключения) контакторного элемента.
На рисунке 3.19 показана зависимость момента сопротивления МС
от угла α поворотов вала при накатывании ролика на выступ кулачковой шайбы, т. е. в процессе выключения. После выхода ролика на окруж­ность шайбы и достижении угла α1 момент сопротивления резко
сни­жается до установившегося значения МСУ, так как при изменившемся направлении силы, перпендикулярной к окружности выступа
шай­бы, ее плечо уменьшится. Форма кривой МС(α) в значительной
мере зависит от профиля шайбы и закономерности из­менения сил
сопротивления. При плавном профиле шайбы максималь­ное значение момента снизится от (МС)MAX до (МС)'MAX, но увеличится не­обхо60
димый угол перемещения вала с α1 до α'1 и уменьшится число позиции, которое можно получить в пределах одного поворота вала.
5
4
6
7
3
8
9
2
10
11
1
13
14
15
16
12
Рисунок 3.18 – Тормозной переключатель ПТ-022 электровоза ВЛ11М
с переключающими контакторными элементами:
1 – тяга блокировочного вала; 2 – пневматический привод; 3 – шестерня;
4 – вентиль; 5 – свар­ной каркас; 6 – силовой элемент; 7 – подвижный
контакт; 8 – узел подшипника; 9 – стальной вал; 10 – кулачковая шайба;
11 – притирающая пружина; 12 – палец блок-контакта; 13 – изоля­ционная
планка; 14 – неподвижный контакт; 15 – гибкий шунт;
16 – выводная шина
Помимо моментов сил сопротивления, вызываемых взаимодейст­вием механизма кулачковых контакторов с шайбами кулачкового
вала, на групповой вал в заключительной стадии поворота к фиксированной позиции действуют также моменты сил, вызванных различными уст­ройствами фиксации, обеспечивающими установку вала в
этой пози­ции. Механизмы фиксации имеют различное исполнение
в зависимости от вида привода и требований к нему.
Полный момент сил сопротивле­ния групповых контакторов можно получить, суммируя кри­вые моментов сопротивления отдельных кулачковых контак­торов при одинаковых углах по­ворота. Чтобы уменьшить мак­симальный момент группового привода, следует
избегать одно­временного включения и выклю­чения нескольких контакторных элементов, иначе будут суммироваться несколько максимальных значений при одинаковых углах поворота. Вращающий
момент, приложенный к ку­лачковому валу, должен превышать сум61
марный момент сил сопротив­ления (на 15…20%), а момент силы,
фиксирующей привод, – макси­мальное значение момента сопротивления при подходе к фиксированной позиции [3].
МС
(МС)MAX
(МС' )MAX
М'С
МС
МСУ
α1
0
α'1
α
Рисунок 3.19 – Диаграмма моментов сил сопротивления движению ролика
по поверхности кулачковой шайбы
3.4.4 Трехпозиционные переключатели
Примером трехпозиционного может служить пневматический
при­вод группового переключателя электровозов ВЛ23. Этот привод
имеет три фиксированных положения вала, соответствующих последова­тельному, последовательно-параллельному и параллельному соеди­нениям двигателей (рисунок 3.20). Фиксация здесь достигается
применением трех поршней: двух одинакового диаметра, связанных
зубчатой рей­кой, и третьего свободного поршня большего диаметра. В позиции / вала сжатый воздух подается в правую часть цилиндра и два жестко связанных поршня находятся в крайнем левом положении. В позиции // сжатый воздух поступает в правую и левую
части цилиндра, но преобладает давление на поршень, имеющий
большую площадь, который занимает крайнее правое по­ложение;
два других поршня зай­мут среднее положение. В позиции /// сжатый воздух подается в сред­нюю часть цилиндра, а правая часть ци62
линдра соединяется с ат­мосферой; сдвоенные поршни пере­мещаются в правую часть ци­линдра.
I
II
III
Рисунок 3.20 – Работа трехпозиционного пневматического привода
3.4.5 Многопозиционные переключатели
Аппараты, у которых количество рабочих позиций составляет от
4 до 40 называются многопозиционными. В настоящее время силовые многопозиционные переключатели можно встретить на всех
электровозах переменного тока (серии ВЛ80С, ВЛ80Т, 2ЭС5К, ВЛ65,
ЭП1, ЧС4Т, ЧС8 и др.), пассажирских электровозах постоянного тока
(ЧС2, ЧС2Т), электропоездах (все серии).
Многопозиционные переключатели с электропневматическим
приводом применяются на электровозах чехословацкой постройки
и мотор-вагонном подвижном составе.
63
На электровозах ЧС2 и ЧС2Т установ­лены групповые переключатели 18КН и 1KHD1 соответственно (рисунок 3.21), обес­печивающие работу тяговых двигателей на всех соедине­ниях.
а
7
6
8
9
10
5
4
3
11
2
б
1
1
13
15
14 13
12
3
4
16
5
1
6 11 12
Рисунок 3.21 – Групповые многопозиционные переключатели 1KND1 (а)
и 18КН (б) электровоза ЧС2:
1 – изоляционная рей­ка; 2 – контакторный элемент без дугогашения;
3 – рама с блоком дугогасительных камер; 4 – запирающий рычаг;
5 – контакторный элемент с камерой; 6,8,9 – боковины каркаса;
7 – соединительная труба; 10 – пневматический привод;
11 – блок-контакты; 12 – вал; 13 – кронштейн; 14 – редуктор;
15 – пружины подъема камер; 16 – диск с указанием позиций
64
Для привода этих переключателей применяют пневматический четырехцилиндровый поршневой двигатель с V-образным расположением цилиндров, клапан­ная система которого управляется электромагнитными вен­тилями. Диаграмма заполнения цилиндров сжатым
возду­хом и включения вентилей в пределах одного оборота колен­чатого вала при работе приведена на рисунке 3.22.
Привод является реверсивным, т. е. при возврате в ну­левую позицию все процессы протекают в обратной пос­ледовательности. В пределах одного оборота вала привод имеет четыре позиции, что требует
применения редукто­ра между коленчатым и кулачковым валами. Четкость фик­саций позиций обеспечивается соответствующим време­
нем перехода с одной на другую и набора всех позиций. Время перехода должно быть не менее 90…100 мс, время прохождения всех 32-х
позиций группового контроллера составляет 17 ± 2 с.
047
1
048
047
2
I
4
048
3
II
III
4
3
1
IV
2
2
2
1
1
4
1
3
4
3
2
4
Рисунок 3.22 – Кинематическая схема и порядок работы цилиндров
пневмопривода переключателей 1KND1, 18КН:
1… 4 – номера цилиндров; 047, 048 – вентили; I…IV – фиксированные
положения привода
Время перехода можно регулировать, изменяя диаметр проходного отверстия в прокладке между крышкой и цилин­дром. В некоторых конструкциях в основных цилиндрах для уточнения фиксации
положений привода предусматривают еще и вспомогательные от65
верстия, гасящие кинетическую энергию дополнительным трением
и компрессией сжато­го в них воздуха.
Для моторных вагонов электропоездов, где групповые аппараты
обычно размещают под вагоном, что усложняет их обслуживание,
требуется по возможности малогабаритный многопозиционный при­
вод с малым числом цилиндров. Наибольшее распространение получил на отечественных моторных вагонах привод системы Л. Н. Решетова (рисунок 3.23), состоящий из двух цилиндров с поршнями,
соединенными рейкой.
Работа привода происходит при поочередной подаче пита­ния на
вентили (см. рисунок 3.23, а). При возбужденной катушке вентиля
1 сжатый воздух перемещает поршень 2 вместе с рейкой 7 в крайнее
правое положение. Если прервать цепь катушки венти­ля 1 и подать
питание на вентиль 9, то сжатый воздух будет да­вить на поршень 8,
перемещая подвижную систему в крайнее левое положение. При этом
ролик 6 приблизится к звезде 5 (см. рисунок 3.23, б) и далее, катясь
под лучом звезды (см. рисунок 3.23, в, г), заставит ее вращаться против часовой стрелки. Вместе со звездой будет вращаться шестерня,
а следовательно, и кулачковый вал реос­татного контроллера.
Звезда и кулачковый вал при дальнейшем питании катушки вентиля 9 будут вращаться до тех пор, пока ролик 6 не упрется во впадину
звезды (см. рисунок 3.23, д), фиксируя ее. Это соответствует полному ходу штока внутри цилиндра от правого фиксирован­ного положения к левому. При этом вершина третьего луча звез­ды 5 установится
несколько ниже осевой линии и ролика 3. Если кулачковый вал будет стремиться повернуться дальше, т. е. про­скочить соответствующую позицию, то нажатие ролика 6 на впа­дину звезды противодействует этому, и вал остановится только в определенном положении.
Последующее вращение кулачкового вала может быть дос­тигнуто поступательно-возвратным перемещением рейки внут­ри цилиндра, что возможно лишь при прекращении питания ка­тушки вентиля 9 и возбуждении катушки другого вентиля. В этом случае ролик
3 будет воздействовать на луч звезды 5 сверху, заставляя ее, а следовательно, и кулачковый вал вращать­ся в том же направлении до тех
пор, пока ролик 3 не установит­ся во впадину между двумя выступами звезды.
Поочередное питание катушек достигается с помощью пе­реключателя вентилей. При каждом продольном ходе рейки от одного положения к другому поступательно-возвратное движе­ние поршней преобразуется во вращательное движение звез­ды, причем каждому ходу
66
поршней соответствует поворот звез­ды на 1/6 окружности (60°). Кулачковый вал контроллера соеди­нен со звездой зубчатой передачей,
передаточное отношение которой выбирается так, что при повороте звезды на 60° вал по­ворачивается на 20°. Это соответствует одной
позиции кулач­кового вала.
а
9
1
б
в
г
д
1
2
3
5
4
6
7
8
9
Рисунок 3.23 – Схема работы привода Л.Н. Решетова:
а, д – фиксированные позиции; б, в, г – промежуточные положения
привода; 1, 9 – вентили; 2, 8 – поршни; 3, 6 – ролики; 4 – вал;
5 – звезда; 7 – шток
67
Особенностями этого привода являются:
– обязательное равенство углов между всеми позициями ку­лачкового вала, в т. ч. между последней и 1-й позициями. Угол между ними
должен быть 360°/N, где N – целое число. При сложных переключениях для перехода с одной позиции на дру­гую может быть использован двойной угол и, соответственно, два хода поршней;
– при прекращении процесса пуска на любой рабочей по­зиции
привод не может быть возвращен в нулевое положение иначе как за
счет вращения его вхолостую вперед до оконча­ния полного оборота кулачкового вала на 360°. Это свойствен­но всем приводам, имеющим вращение в одном направлении.
Все типы силовых контроллеров, на которые ставится привод Решетова, имеют схожую конструкцию. Для примера на рисунке 3.24
приведено устройство контроллера 1КС.009 – основного аппарата
автоматического управления процес­сом пуска электропоездов серий ЭР2Т и ЭД2Т. Конструкция силовых контакторных элементов
КЭ-4Д приведена на рисунке 3.25.
11
10
4 5
6
7
8
12
13
9
14
15
16
17
3
18
2
1
19
26
25
24
23
22
21
20
Рисунок 3.24 – Силовой контроллер 1КС.009
1, 4 –зубчатые передачи; 2, 10, 16, 18, 22 – рамы; 3 – пневматический
привод; 5 – гайка; 6, 9 – кулачковые валы; 7 – перегородка; 8 – кон­тактор;
11 – рейка; 12 – блокировочные контакты; 13, 19 – зубчатая передача
вращения вала; 14 – кулачковый вал управления; 15 – ку­лачковые шайбы;
17 – изоляционная рейка; 20 – силовые контакторы КЭ-4Д-2;
21 – подвеска для поддержания главного вала; 23 – кулач­ковые шайбы
главного вала; 24 – угольник; 25 – храповик;
26 – ме­ханический фиксатор
68
10
9
11
8
7
6
5
4
3
12
2
1
13
Рисунок 3.25 – Силовой контакторный элемент КЭ-4Д
1 – включающая пружина; 2 – ролик; 3 – рычаг; 4 – притирающая
пружина; 5 –ось; 6, 10 –держатели; 7 –подвижный контакт; 8 – гиб­кий
шунт; 9 – неподвижный контакт; 11 – изолятор; 12 – кронштейн;
13 – направляющий стержень
3.4.6 Электродвигательный привод
В многопозиционных переключателях на ЭПС наряду с электропневматическим приводом часто применяют электродвигательный привод, который обладает рядом преимуществ:
– высокая стабильность выходных параметров: частота вращения и момент на валу;
– устойчивость к внешним воздействиям;
– возможность реверсирования валов;
– большая эксплуатационная надежность.
Так как частота вращения вала двигателя составляет
nД = 1000…1500 об/мин, а частота вращения кулачкового вала переключателя [1],
69
nк =
60
,
t ( N + 1) (3.9)
где t – время переключения между смежными позициями на кулачковом валу, с;
N – общее количество позиций переключателя.
Например, для группового переключателя ЭКГ-8 при nД = 1400
об/мин и собственным временем переключения N ∙ t = 24 с передаточное отношение редуктора составит
µ=
nД
nK
=
1400 ⋅ 24
= 560.
60
Чтобы получать такие высокие передаточные отношения в переключателях с электродвигательным приводом, применяют многоступенчатые понижающие передачи, состоящие, как правило, из цилиндрических и червячных редукторов, располагающихся каскадом.
Другая трудность в исполнении многопозиционных групповых
аппаратов с электродвигательным приводом – необходимость нейтрализации свободных перемещений звеньев редуктора, т. е. осуществление остановки и надежной фиксации кулачкового вала на выбранной позиции.
В целях устранения указанных недостатков в многопозиционных аппаратах применяют механизмы прерывистого вращения, которые при вращающемся вале серводвигателя создают перерывы в
движении кулачковых валов и надежно фиксируют их до окончания
торможения двигателя. Пример такого механизма – мальтийский
крест, применяемый в главных контроллерах грузовых электровозов ВЛ80Т, ВЛ80С.
Схема работы мальтийского креста приведена на рисунке 3.26.
Серводвигатель СД вращает ведущий барабан А, штырь В которого
входит в паз крестообразного ведомого креста С и повора­чивает его
на угол а, равный 60°. При дальнейшем вращении ведущего барабана крест запирается в фиксированном положении секторным выступом D. Если в это время двигатель будет выключен и заторможен, то
вал ЭКГ остается точно на фиксированной позиции даже при значительной неточности места остановки ведуще­го кулачка.
Мальтийский механизм не только осуществляет прерывистое вращение, он понижает частоту вращения на выходе. Его передаточное
отношение для схемы на рисунке 3.26 составит [1]
70
Вал СД
А
Вал ЭКГ
В
С
D
α
Рисунок 3.26 – Кинематическая схема одноцевочного
мальтийского механизма
µ = NП / NЦ = 6,
(3.10)
где NП – количество пазов;
NЦ – количество цевок.
Полное передаточное отношение многоступенчатого редуктора с
мальтийскими механизмами составит
μ = π2 μЗi μПj, (3.11)
где μЗi , μПj – передаточные отношения соответственно i-го количества зубчатых передач и j-го количества механизмов прерывистого вращения.
В качестве серводвигателя в многопозиционных электродвигательных переключателях преимущественно применяют низковольтные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением
и непосредственным управлением от контроллера машиниста. На
рисунке 3.27 показана схе­ма включения серводвигателя с помощью
потенциометра [3]. При замыка­нии контакта К1 двигатель работает
в тяговом режиме (ток IД), а контакта К2 – в тормозном (ток I2), используемом для останов­ки двигателя.
Тормозной момент можно увеличить, если присоединить обмотку возбуждения ОВ параллельно якорю СД, как это показано штри71
ховы­ми линиями на рисунке 3.27. При размыкании контактов К1
и К2 ЭДС самоиндукции обмотки ОВ поддерживает в контуре ОВ –
СД тормоз­ной ток IТ и уси­ливает тормозной эффект.

–
Uупр
КУ
К2
I2
К1
r2
r1
I1
СД
IД
IT
+
ОВ
–
IT
Рисунок 3.27 – Система управления сервомотором
Для получения дополнительного тормозного момента часто исполь­зуют фрикционный дисковый тормоз, расположенный на валу
СД и управляемый катушкой управления КУ, включенной последовательно в цепь резистора r1 (см. рисунок 3.27). В режиме пуска, когда через катушку про­ходит ток, дисковый тормоз отпущен. В начале
торможения двигателя СД после размыкания контакта К1 ток в катушке управления прекра­щается и пружина сжимает диск, в результате чего возникает тормоз­ной момент.
Номинальные момент МН, Н·м и мощность РН, Вт определяют исходя из коэффициента запаса по моменту (2,6…3,0), который должен
реализовывать привод в случае сваривания контактов [1]:
МН = (2,6…3,0)МС, (3.12)
РН ≈ 1,04 МН nКН, (3.13)
где МС – момент сопротивления движению при наибольшем числе
переключения контакторных элементов;
nКН – номинальная частота вращения вала сервомотора.
Частоту вращения вала серводвигателя определяют по следующим выражениям:
72
– при пуске
nК =
U − IR − L
CФ
di
dt ; (3.14)
– при динамическом торможении
nК =
IR + L
CФ
di
dt , (3.15)
где U – напряжение цепей управления;
I – ток, протекающий в цепи якоря;
R, L – соответственно активное сопротивление и индуктивность
цепи якоря;
СФ – величина, пропорциональная магнитному потоку.
Работу электродвигательного привода рассмотрим на примере
группового переключателя ЭКГ-8 [5], применяемого на электровозах ВЛ80Т, ВЛ80С (рисунок 3.28).
6
5
4
3
2
1
Редуктор
7
8
9
1:2
10
3:10
1:10
1:4,5
11
12
1:1
13 14
1:2
25:1
1:25
23 22 21 20 19 18
1:2
17
16
15
18
7
9
15
Рисунок 3.28 – Кинематическая схема главного контроллера ЭКГ-8:
1 – серводвигатель; 2 – промежуточная шестерня; 3 – пружина;
4 – предох­ранительная муфта; 5 – вал блок-контактов; 6, 8, 19 – валы;
7, 15– шестипазовый мальтийский крест; 9 – одноцевочный поводок;
10 — вал контакторов с дугогошением; 11,13 – валы контакторов без
дугогашения; 12 – промежуточный редуктор; 14 – механический упор;
16 — второй вал блок-контактов; 17 — сель­син-датчик;
18 – двухцевочный поводок; 20 – колесо; 21 – червячное колесо;
22 – ручка ручного привода; 23 – шестерня
73
В системе привода использован серводвигатель, вал которого связан с валом червячного колеса через шестерню, промежуточную шестерню, укрепленную на валу ручного привода и предохранительную
муфту. Муфта с калеными боко­выми поверхностями через два фланца со шпонками передает вращение валу благодаря силам трения. Изменяя натяжение пружины, можно регулировать момент срабатывания муфты. От вала через червячное колесо передается вращение на
вал, на котором находится двухцевочный поводок. Цевка (палец) поводка, вхо­дя в паз шестипазового мальтийского креста, поворачивает
его. Каждому пово­роту червячного колеса и поводка на 180° соответствует поворот вала на 60°. На валу расположен одноцевочный поводок, связанный с шестипазовым маль­тийским крестом. От вала через
зубчатую передачу приводится во вращение ку­лачковый вал контакторов с дугогашением. Передача вращения от вала к валу осуществляется через промежуточный редуктор.
74
Библиографический список
1. Захарченко Д. Д. Тяговые электрические аппараты: учебник для
студентов вузов. – М.: Транспорт, 1991. – 248 с.
2. Баталов Н. М., Петров Б. Т. Тяговые электрические аппараты. –
Изд. 2-е переработ. и доп. – М.: Энергия, 1969. – 240 с.
3. Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрофицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования.
Электрические схемы и аппараты: учеб. для студентов вузов. – 4-е
изд., перераб. – М.: Транспорт, 1980. – 472 с.
4. Электровоз ВЛ80С. Руководство по эксплуатации. – М.: Транспорт, 1982.
5. Заболотный Н. Г. Электрические аппараты электровозов постоянного и переменного тока: иллюстрированное учеб. пособие. –
М.: Маршрут, 2005.
75
Учебное издание
Фролов Николай Олегович
ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
Конспект лекций по дисциплине
«Тяговые электрические аппараты»
для студентов специальности
190303– «Электрический транспорт железных дорог»
всех форм обучения
Часть I
Редактор С. И. Семухина
Верстка Н. А. Журавлевой
Подписано в печать 07.11.2011. Формат 60x84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 4,4
Тираж 150 экз. Заказ № 193
Издательство УрГУПС
620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66