Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Самостоятельная робота №9
Тема: Контакты тяговых аппаратов.
9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрическая аппаратура ЭПС предназначена для управления тяговыми двигателями, преобразователями, вспомогательными машинами и вспомогательным оборудованием, а также для защиты всего электрооборудования от аварийных режимов.
Электрическая аппаратура по видам электрических цепей разделяется на аппаратуру высоковольтных цепей, аппаратуру вспомогательных цепей и аппаратуру цепей управления.
По назначению электрическая аппаратура гложет быть разбита на следующие основные группы:
а) токоприемники, осуществляющие подвижное соединение цепей ЭПС
с контактной сетью;
б) пускорегулирующая аппаратура, обеспечивающая пуск и регулирование частоты вращения тяговых двигателей в различных режимах;
в) аппаратура защиты, предотвращающая повреждение электрооборудования при ненормальных режимах работы;
г) аппаратура управления, осуществляющая управление ЭПС и его оборудованием;
д) контрольно-измерительная аппаратура, обеспечивающая контроль режимов работы электрооборудования;
е) аппаратура вспомогательных нужд.
К аппаратуре высоковольтных цепей относятся токоприемники, инди-видуальные и групповые коммутационные аппараты, разъединители с косвенным и ручным приводами, резисторы.
Тяговые аппараты в отличие от аппаратов общепромышленного назначения работают в специфических условиях, для которых характерны:
а) непрерывная тряска при движении из-за колебаний и вибрации механической части ЭПС, при этом вертикальные колебания достигают 3 Гц, частоты вибрации — 50 Гц, а ускорения пои горизонтальных ударах — 30 м/с2;
б) широкий диапазон изменения температуры (от —50 до +40° С), влажности окружающего воздуха и значительное его загрязнение;
в) значительные колебания напряжения в силовой цепи и цепях управления, составляющие по отношению к номинальному 70... 125%;
г) ограничение места для размещения аппаратов и ограничение мощности питания их приводных устройств;
д) сравнительно высокие напряжения в силовой цепи, редко применяемые в промышленных установках.
Поэтому для ЭПС промышленного железнодорожного транспорта разработаны электрические аппараты специального, тягового исполнения, основные характеристики и методы испытания которых установлены ГОСТ 9219—75.
Тяговые аппараты при ограниченных размерах должны иметь большую диэлектрическую прочность, повышенную устойчивость против тряски и инерционных ускорений, слабую чувствительность к резким температурным изменениям и внешнему загрязнению. Одно из важных требований к их конструкции — высокая надежность работы в сложных условиях эксплуатации.
9.2. КОНТАКТЫ ТЯГОВЫХ АППАРАТОВ
Электрическим контактом называется место соприкосновения двух или нескольких проводников, через которые проходит ток. Термином «контакты» принято также называть соприкасающиеся конструктивные детали аппаратов, обеспечивающие соединение элементов электрической цепи.
Контакты по характеру физических процессов, определяющих их работу, делятся на три большие группы: а) неподвижные; б) подвижные, не разрывающие цепь тока (скользящие); в) разрывные, подвижные и разрывающие цепь тока.
К неподвижным контактам относятся те, которые длительное время не размыкаются (штепсельные соединения) или размыкаются не при работе, а при монтаже и ремонте (например, соединение выводов аппарата с проводами электрической цепи). Особенность этих контактов: окислы с контактных поверхностей в процессе работы не удаляются, электрическая дуга на них не воздействует.
Подвижные (скользящие) контакты разъединяют электрическую цепь в момент, когда ток в ней не протекает. Особенностью таких контактов является то, что в процессе работы аппарата с контактных поверхностей удаляются окислы, а электрическая дуга на них не воздействует.
Разрывные контакты служат для коммутации тока электрических цепей и представляют собой основной вид контактов коммутационных аппаратов. Главная особенность контактов этой группы состоит в том, что их контактные поверхности подвержены электрической эрозии, коррозии и свариванию под воздействием дуги.
По форме поверхности соприкосновения различают плоские, линейные, точечные и штыревые контакты.
Плоские контакты применяются в большинстве неподвижных соединений. Разновидность этих контактов — клиновые используются в ручных разъединителях и рубильниках.
Линейные контакты образуются при соприкосновении двух цилиндрических поверхностей или цилиндра с плоскостью, где поверхность касания составляет узкую прямоугольную полоску. Здесь могут быть получены высокие удельные нажатия, достаточные для снятия окислов с поверхности. Такие контакты широко применяются в коммутационных аппаратах с частыми включениями и выключениями.
Точечные контакты могут быть образованы в результате соприкосновения двух сферических поверхностей или сферической и плоской. Эти контакты обеспечивают достаточно высокие удельные нажатия при их малой общей величине. Они широко применяются при небольших токах нагрузки.
Штыревые контакты используют в различных видах штепсельных соединений.
Для надежной работы контакты и контактные соединения должны обладать следующими свойствами: высокой электропроводностью; стойкостью по отношению к коррозии и образованию окислов с высоким удельным сопротивлением; высокой износоустойчивостью; дугостойкостью; высокой теплопроводностью и хорошей теплоотдачей в окружающую среду.
Одним из условий надежной работы контактных деталей является уменьшение электрических потерь в месте переходного контакта, так как нагревание ускоряет процесс окисления и приводит к дальнейшему быстрому повышению переходного сопротивления. Переходное (контактное) сопротивление зависит от материала контактов, степени их окисления, качества обработки контактных поверхностей и силы нажатия контактов.
Наиболее широкое применение при изготовлении силовых контактов получила медь, которая отличается высокой электропроводностью, механической прочностью, износоустойчивостью и хорошей теплоотдачей. Однако медь имеет и крупный недостаток: скорость ее окисления и увеличения контактного сопротивления велики, что требует принятия особых мер для уменьшения вредного действия окисления.
В разрывных контактах слой окиси удаляется путем перекатывания подвижного контакта по неподвижному
с небольшим скольжением в процессе их притирания, а также увеличением нажатия при замыкании.
В неподвижных контактах при заданном их нажатии с окислением борются покрытием их слоем олова, серебра или другого антикоррозионного металла.
Серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь, меньше подвержено окислению, а его окислы обладают высокой электропроводностью. Переходное сопротивление серебряных контактов в 5 раз меньше, чем медных. Однако контакты из серебра уступают медным в дугостойкости, твердости и износоустойчивости. Этот недостаток, а также высокая стоимость практически исключают применение серебра в силовых, разрывных контактах. Серебряные контакты используются только в цепях управления при малых разрываемых мощностях.
В процессе эксплуатации контакты подвергаются механическому, химическому (коррозия) и электрическому (эрозия) износу.
Механический износ вызывается ударами и скольжением контактов при их замыкании и размыкании, а также вибрацией, связанной с внешними динамическими воздействиями.
Химический износ зависит от материала контактов и от воздействия паров и газов, содержащихся в окружающем пространстве и возникающих в процессе дугообразования.
Электрический износ происходит вследствие распыления, испарения и переноса материала с одного контакта на другой при дуговом разряде (эрозия); он влияет на физические свойства материала контактов, их форму, размеры и является одним из главных факторов, определяющих износоустойчивость контактов.
В целях повышения износоустойчивости контактов и их стойкости по отношению к свариванию в аппаратах, рассчитанных на коммутацию больших токов, применяются металлокера-мические контакты, представляющие собой смесь порошков различных материалов или их окислов.
Металлокерамические компоненты спекаются при высокой температуре, один из компонентов должен иметь высокую электропроводность, а дру-
гой — высокую механическую прочность и тугоплавкость.
В аппаратах высокого напряжения преимущественно используются пары медь — вольфрам и серебро — вольфрам, а в аппаратах низкого напряжения — пары серебро — окись кадмия и серебро — окись меди. Например, разрывные металлокерамические контакты главного контроллера ЭКГ-138, установленного на тяговом агрегате ОПЭ-1, выполнены на основе вольфрама (МВ-70, медь — вольфрам), а главные контакты имеют напайки из металлокерамики на основе серебра (СОК-15, серебро — окись кадмия).
9.3. ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
При разрыве электрической цепи, по которой проходит ток, в воздушном промежутке между разомкнувшимися контактами аппаратов возникает электрическая дуга, которая представляет собой мост из раскаленных ионизированных газов, обладающий очень высокой температурой и высокой проводимостью. Следовательно, для отключения электрической цепи недостаточно только разомкнуть контакты аппарата, необходимо еще погасить электрическую дугу, возникающую между ними.
Рассмотрим причины, способствующие превращению воздушного промежутка между контактами из диэлектрика в состояние электрического проводника.
Рис. 9.1. Электрическая цепь (а) и условия
горения и гашения дуги постоянного тока (б)
В процессе размыкания контактов сначала происходит уменьшение площади их соприкосновения и увеличение переходного сопротивления гк. Вследствие этого при протекании тока I увеличивается выделение мощности на контактах (Рк = I2гк) и повышается температура их нагрева. При размыкании контактов между анодом и катодом образуется сильное электрическое поле, под действием которого электроны, обладающие большой энергией, вырываются с поверхности катода и направляются к аноду, что представляет собой автоэлектронную эмиссию.
Автоэлектронная эмиссия возникает и существует только в начальный
момент размыкания контактов, когда разрыв между ними ничтожно малый. Электроны, обладающие большой скоростью, на своем пути к аноду встречают нейтральные атомы и, ударяясь о них, выбивают с их оболочек один или несколько электронов. Этот процесс называется ударной ионизацией; здесь образуются не только электроны, но и положительно заряженные ионы. Первые направляются к аноду, вторые — к катоду. Ионизация дуги сопровождается выделением большого количества тепловой энергии. Расщепление атомов среды дугового промежутка на электроны и ионы под действием тепловой энергии дуги носит название тепловой, или термической, ионизации. Кроме этого, электрическая дуга нагревает до высокой температуры контакты аппарата, с поверхности которых выбрасывается поток электронов, создающих термоэлектронную эмиссию.
Сравнивая рассмотренные источники ионизации в дуге, следует отметить, что основную роль из них играет тепловая ионизация. Высокая температура дуги является основным фактором, обусловливающим большую проводимость дугового промежутка.
При горении дуги одновременно происходят два противоположных процесса: ионизация и деионизация. Деионизация — это образование Нейтральных атомов из положительных ионов и отрицательных электронов.
В зависимости от преобладания одного из процессов определяется режим электрической дуги: при ее зажигании преобладает ионизация; в устойчивой дуге ионизация и деионизация уравновешиваются; при гашении дуги преобладает деионизация. Последняя идет в основном двумя путями: нейтрализацией противоположно заряженных частиц в результате их соприкосновения в дуге, а также диффузией заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство благодаря разности температур.
Процесс интенсивной ионизации в дуге развивается самостоятельно; для интенсивной же деионизации необходимы специальные средства, которые способствовали бы выбросу заряженных частиц из области горения дуги и эффективному ее охлаждению.
Таким образом, из анализа физических процессов, происходящих в дуге, следует, что электрическая дуга постоянного тока может быть погашена только в том случае, если процесс де-ионизации дугового промежутка протекает с большей скоростью, чем процесс ионизации. При постоянных параметрах цепи уменьшение числа ионизированных частиц ведет к увеличению сопротивления дуги, а следовательно, к снижению тока в дуге. В результате этого дуга начинает гореть неустойчиво.
Рассмотрим условия устойчивого и неустойчивого горения дуги в цепи постоянного тока, состоящей (рис. 9.1, а) из источника питания с напряжением U, активного сопротивления R и индуктивности L. Считаем, что контакты К1 и К.2 разомкнуты, на них горит дуга с напряжением U Отметим, что зависимость напряжения дуги от тока при постоянной ее длине называется статической вольт-амперной характеристикой. Уравнение баланса напряжений можно записать в следующем виде:
U = iR + Ldi/dt + UД. (9.1)
Графическое изображение (9.1) дано на рис. 9.1, б, где показана вольт-амперная характеристика дуги — кривая с ординатами Uд; падение напряжения iR на сопротивлении R — прямая линия с ординатами U — iR; индуктивное падение напряжения, связанное с возникновением э. д. с. самоиндукции Ldildt, равное разности ординат между вольт-амперной характеристикой и омическим падением напряжения. Э. д. с. самоиндукции выполняет роль автоматического регулятора в электрической дуге: изменяясь по амплитуде и знаку в зависимости от изменения тока, она одновременно оказывает влияние на изменение этого тока.
Из уравнения (9.1) видно, что дуга может гореть устойчиво, если ток в ней не изменяется (dildt = 0) и, следовательно, э. д. с. самоиндукции также равна нулю. В этом случае имеет вид
и = iR + Uд
которому на рис. 9.1, б соответствуют точки 1 и 2 с токами 1 и /2.
Рассмотрим, как будет вести себя дуга при отклонении токов от значений /г и /2. Из уравнения (9.1) вытекает зависимость напряжения на дуге от знака э. д. с. самоиндукции: Uд = U — Ldildt — iR. Если ток в дуге станет больше /2, то э. д. с. самоиндукции принимает отрицательное значение, вследствие чего напряжение на дуге UA = U — (— Ldildt) — iR = U + Ldildt — iR увеличивается, а ток в дуге уменьшается. Однако уменьшение тока происходит не до нуля, а только до значения /2, т. е. до точки устойчивого горения 2, при котором Ldildt == 0 и соблюдается равенство. Если каким-либо способом уменьшить ток дуги до значения, меньшего /2, то э. д. с. самоиндукции попадет в зону положительных значений, т. е. в зону с малым сопротивлением дуги, напряжение на дуге уменьшится (Uд — U — Ldildt —
Иначе ведет себя дуга при отклонении тока от точки /. Если ток в дуге станет несколько больше 1г, то э. д. с. самоиндукции примет положительное значение, напряжение на дуге будет уменьшаться (Uд = U — Ldildt — iR), вследствие чего ток в дуге будет увеличиваться и расти до тех пор, пока не достигнет устойчивого значения /2 в точке 2. Когда ток дуги становится меньше I1 то э. д. с. самоиндукции принимает отрицательное значение, напряжение на дуге увеличивается (Ua = U + Ldildt — iR), в результате чего ток будет уменьшаться еще больше и при достижении нулевого значения дуга погаснет. Из этого следует, что в точке 1 дуга может гореть только при i = I1 При значении i > 11 ток увеличивается до /2, а при значении i < I1 ток уменьшается до нуля. Поэтому точку 1/ называют точкой неустойчивого горения дуги.
Из уравнения (9.1) и рис. 9.1, б видно, что для снижения тока до нуля и гашения дуги необходимо обеспечить отрицательное значение э. д. е. самоиндукции при токе, меньшем l1. Этому требованию удовлетворяет условие
Uд>U — iR.
Гашение дуги во всем диапазоне токов согласно условию осуществ ляется в том случае, если вольт-амперная характеристика дуги нигде не пересекается с прямой U — iR. Этому условию удовлетворяет вольт-амперная характеристика, которая на рис. 9.1,6 показана штриховой линией.
Поднять вольт-амперную характеристику выше прямой U — iR можно двумя способами: или повысить сопротивление дуги, ускорив деиониза-цию дугового промежутка, или увеличить сопротивление R, снизив ординаты U — iR. В большинстве современных аппаратов используется первый способ с применением для этой цели дугогасительных камер, в которых деионизация дугового промежутка осуществляется удлинением дуги и разделением ее на мелкие дуги в продольном и поперечном направлениях. Минимальная длина дуги, при которой она гаснет во всем диапазоне нагрузок, называется критической.
Из рис. 9.1, б видно, что напряжение гашения дуги выше напряжения U источника питания. Это объясняется тем, что в процессе гашения дуги наводится э. д. с. самоиндукции, амплитуда которой зависит от скорости спадания тока dildt и индуктивности цепи L. При погасании дуги (i = 0) уравнение (9.1) принимает вид U = = Ldi/dt -f Uд, откуда перенапряжение
▲U =- Uд — U = — Ldi/dt.
Чрезмерные перенапряжения могут быть опасными для изоляции аппаратов и машин, а также могут вызывать вторичное зажигание дуги, особенно если деионизация среды в дугогаси-тельном устройстве происходит медленно. Поэтому дугогасительные устройства стараются проектировать так, чтобы большая скорость спадания тока в дуге осуществлялась только до доведения ее до критической длины.
При размыкании цепей низкого напряжения и при малом токе гашение обеспечивают соответствующим выбором расстояния между разомкнутыми контактами, т. е. их раствора. Если длина дуги, равная раствору контактов, соответствует критической, то гашение осуществляется без специального дугогасительного устройства. В аппаратах с большими токами, даже относительно низкого напряжения, обеспечивать гашение дуги только путем увеличения раствора контактов по конструктивным соображениям нецелесообразно. В этом случае гашение дуги при сравнительно небольшом растворе контактов осуществляют дугогасительными устройствами. Эти устройства должны обеспечивать надежное гашение дуги при возможно меньших размерах и малом износе контактов и камеры. В тяговой аппаратуре ЭПС применяются следующие системы дугогашения:
а) система гашения дуги в узкой щели с магнитным дутьем, где сопротивление дуги увеличивается за счет ее охлаждения и удлинения;
б) система с магнитным дутьем и дугогасительной решеткой, где сопротивление дуги растет за счет ее удлинения и увеличения падения напряжения на разделенных последовательных дугах;
в) система с воздушным дутьем, где деионизация дуги идет за счет охлаждения ее и выбрасывания заряженных частиц из области горения дуги;
г) комбинированная система (воздушное и магнитное дутье).
Конструктивное выполнение различных* систем дугогашения рассматривается при описании соответствующих аппаратов.
9.4. ПРИВОДЫ ТЯГОВЫХ АППАРАТОВ
Перемещение подвижных частей аппаратов осуществляется под действием привода. Различают непосредственные и косвенные приводы, индивидуальные и групповые. В непосредственном приводе сила к подвижной части аппарата прикладывается машинистом с помощью рукоятки или педали. Непосредственный (ручной) привод имеют разъединители, рубильники и другие аппараты, рассчитанные на малые токи и напряжения или переключаемые без тока. Силовые аппараты, рассчитанные на относительно большие токи и напряжения, как правило, выполняются с косвенным приводом. Косвенный привод имеют также индивидуальные контакторы и реле.
На ЭПС распространены косвенные приводы: электромагнитный, электропневматический и электродвигательный. Воздействие привода может быть передано на систему подвижных контактов одного аппарата, совершающих только одну коммутационную операцию (индивидуальные аппараты), либо на группу коммутирующих элементов, действующих в определенной последовательности или одновременно (групповые аппараты). Косвенные индивидуальные приводы выполняются большей частью электромагнитными или электропневматическими, косвенные групповые — электропневматическими или электродвигательными.
В электромагнитном приводе используется сила притяжения якоря к сердечнику электромагнита, в пневматическом — давление сжатого воздуха
на поршень, движение которого передается подвижным контактам аппарата через промежуточные механизмы. Пневматические приводы при относительно больших давлениях имеют меньшие размеры, чем электромагнитные, и требуют меньшего расхода энергии для поддержания необходимой силы давления. Если в рабочем положении электромагнитного привода его катушка должна полу чать непрерывное питание, то в электропневматическом приводе достаточно поддерживать постоянным давление на поршень; при этом энергия в основном расходуется на восполнение утечек сжатого воздуха через неплотности пневматической системы. Существенное преимущество пневматического привода состоит в том, что он может обеспечить большие перемещения подвижных частей аппарата.
Пневматический привод получил широкое применение в силовых индивидуальных контакторах, групповых аппаратах, в приводах подъема и опускания токоприемников, а также в цепях управления различными вспомогательными устройствами.
Электродвигательный привод используется в многопозиционных групповых контроллерах. Основное его преимущество перед электропневматическим — большая стабильность выбранной скорости перемещения и возможность изменения ее в широких пределах. Электродвигательный привод имеет большую эксплуатационную надежность по сравнению с электропневматическим при работе в условиях низких температур.
Конструктивное исполнение каждого из типов приводов рассматривается при изучении соответствующих аппаратов.
Выполнил ст. гр. 11.2/9 ЛГ Карев В.В.
Проверил Снижко Є. В.