Контактор: сегодня и завтра

От истории к современности
Контакторы – это аппараты для частых дистанционных включений и отключений силовых электрических цепей в самых различных условиях. Традиционно данные аппараты массово применяются для запуска и останова электродвигателей. Контакторы используются для надёжного функционирования инженерных коммуникаций, например, систем водоснабжения, водоотведения и отопления. Данные аппараты широко распространены в тяжёлых условиях эксплуатации, например, в металлургической промышленности, на горно-обогатительных комбинатах, вплоть до применения на железнодорожном, речном и морском транспорте.

Наибольшее распространение получили электромагнитные контакторы. Такое устройство состоит из главных и вспомогательных контактов (подвижная и неподвижная части на рис. 1), а также электромагнитной системы (катушки, магнитопровода и систем пружин на рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема конструкции стандартного трёхфазного контактора:
1 – катушка с магнитопроводом;
2 – пружина;
3 – подвижная часть (якорь);
4 – замыкающиеся контакты.

Главные контакты осуществляют замыкание и размыкание силовой цепи, поэтому они должны быть рассчитаны на длительное проведение тока и на обеспечение большого числа коммутаций с большой частотой. Часто в момент замыкания или размыкания контактора возникает электрическая дуга. Она нейтрализуется специальной дугогасительной системой, но всё же успевает оказать разрушительное воздействие на материал контактов, в качестве которого обычно выступает сплав серебра высокой пробы. Подобное эрозионное изнашивание влияет на срок службы коммутационного аппарата. Избежать негативного влияния можно, если увеличить толщину слоя серебра. Но подобные действия со стороны производителя ведут к существенному увеличению стоимости конечного продукта, и данное решение непрактично с точки зрения ок упаемости.

«Специалисты нашей компании провели целый ряд исследований, чтобы найти новые способы увеличения срока службы контактов, – рассказывает Алексей Аникин, менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации. – В ходе подробного анализа принципа действия и конструкции контакторов стало очевидно, что на рынке должно появиться абсолютно новое решение. Мы выделили несколько подходов к решению проблемы износа контактов и реализовали их в новых аппаратах серии AF с уникальной электронной катушкой управления».

Специалист назвал следующие пути сокращения эрозии элементов контактора:

• Использование интеллектуальных решений для работы электромагнитной системы;
• Усовершенствование процесса размыкания и замыкания контактов аппарата при помощи электронного управления;
• Усовершенствование состава материала для обеспечения высокой контактной прочности и эффективного сопротивления износу.

NEW! Электромагнитная система

Рис. 2. Контакторы серии AF.

Стандартный принцип действия контактора используется во многих устройствах подобного типа: на катушку управления подаётся напряжение, якорь электромагнита притягивается к сердечнику. Контактная группа замыкается или размыкается – в зависимости от исходного состояния каждого из контактов. Этот принцип использовался более 100 лет, и до сегодняшнего дня является наиболее распространённым среди многих производителей электротехнического оборудования. Однако данный подход имеет свои недостатки:

• высокая чувствительность к колебаниям напряжения. Например, падение напряжения питания вызывает уменьшение магнитодвижущей силы в магнитопроводе, что может приводить к дребезгу контактов и – в результате – отказу устройства из-за сваривания контактов;
• в большинстве случаев контакторы применяются при напряжении 220 В и частоте 50 Гц. При этом, в случае использования цепей управления постоянного тока, необходимо использовать специализированные версии контакторов;
• высокая потребляемая мощность.

Инновационная технология контакторов AF от компании АББ позволяет устранить все вышеуказанные недочёты. Новые контакторы оснащены электронной электромагнитной системой, действие которой основано на обработке микропроцессором сигнала управления, поступающего на аппарат, а также анализе уровня напряжения в цепи управления. Только при достаточном для срабатывания уровне энергии микропроцессор подаёт сигнал на замыкание контактов. «При просадках напряжения уникальная технология, используемая в аппаратах серии AF, поддерживает энергию в электромагнитной системе на уровне, достаточном для удержания контактов даже при очень серьёзных просадках напряжения, – комментирует Алексей Аникин (АББ). – Кроме того, электромагнитная система контакторов AF использует энергию постоянного тока. Это снижает расход мощности, что обеспечивает щадящее воздействие магнитной силы на механические элементы электромагнитной системы и позволяет обходиться без паразитного потребления энергии. Данный подход даёт возможность использовать компактную элементную базу с более высокой надёжностью и эффективностью. Механический и электрический износ аппарата сводится к минимуму».

Стоит отдельно отметить, что за счёт уменьшения размеров электромагнитной системы новое поколение контакторов обладает минимальными габаритными размерами. По словам специалистов компании АББ, габариты устройств серии AF на 30% меньше, чем размеры коммутационных аппаратов предыдущей серии. «Экономия пространства очень важна в таких отраслях, как, например, железнодорожный и морской транспорт, где на счету не просто каждый сантиметр, а каждый миллиметр свободных площадей, – утверждает Виталий Побокин, главный инженер проектов компании «Электромонтажгрупп». – И, безусловно, инженеры-проектировщики ценят возможность применять более компактное оборудование и, как следствие, небольшие шкафы управления».

NEW! Замыкание и размыкание контактов
Обычно при размыкании тока более 0,5 А и напряжении более 15-20 В между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая эрозию контактных площадок подвижных и неподвижных контактов. Образованию дуги часто предшествует так называемая мостиковая стадия процесса: в момент размыкания цепи в контактных точках локально выделяется тепло, металл плавится и между расходящимися поверхностями вытягивается «жидкий мостик». На этом этапе ток продолжает протекать, металл разогревается до высокой температуры. При этом наблюдается перенос материала с одного электрода на другой с образованием кратеров и наростов в зависимости от полярности и материала контактов.

«Эрозионный износ наблюдается не только при размыкании цепи, но и при её включении. В этот момент подвижные и неподвижные контакты соударяются. Материал данных элементов аппарата подвергается упругой и пластической деформации, вследствие которой контакты размыкаются, но под действием пружины замыкаются вновь, – рассказывает Виталий Побокин («Электромонтажгрупп»). – Размыкания могут повторяться от 2 до 5 раз, а амплитуда таких колебаний достигает 0,2 мм». Описанное специалистом явление называется «вибрацией контактов» и приводит к их электрическому износу вследствие возникновения коротких электрических дуг в момент расхождения контактных элементов.

Исследование, проведённое во ВНИИЭМ инженерами В.Т. Неждановым и Б.А. Васильевым, показало, что в аппаратах низкого напряжения при гашении дуги в первый переход кривой тока через нулевое значение целесообразно снижать скорость движения контактов как при включении, так и при отключении[1] . Для реализации описанной учёными технологии в контакторах серии AF используется уникальная электромагнитная система с интеллектуальным электронным управлением. Она обеспечивает точное и контролируемое движение контактов, которое сводит к минимуму вероятность возникновения вибрации и, как следствие, эрозионное воздействие.

NEW! Материал контактов
Использование чистого серебра, как уже отмечалось выше, не практично, не эффективно и довольно дорого. По данным специалистов электротехнической отрасли, в среднем доля стоимости серебросодержащих контактов в цене контакторов может достигать 35%. Поэтому всегда уделялось много внимания исследованиям влияния добавок и примесей на контактные свойства серебра. В России такие анализы на системной основе проводились в коллективе Московского научно-исследовательского института электромеханики. Результатом деятельности специалистов явилось серийное производство в 70-х годах прошлого столетия контактов, изготавливаемых из смеси порошков серебра и оксида кадмия. Но соединения кадмия ядовиты. Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м3 окиси кадмия или 30 секунд при концентрации 5 г/м3 является смертельным. Из-за повышенной опасности оксид кадмия в контактах заменили оксидом олова, и в современных коммутационных аппаратах используется именно этот материал. Правда, каждый производитель передового оборудования держит состав сплава в строгом секрете, так как от него напрямую зависит устойчивость контактов к эрозии и свариванию. В контакторах серии AF применены новые материалы контактных площадок как неподвижных, так и подвижных контактов. Такое решение повышает надёжность изделия, уменьшает тепловые потери и ведёт к сокращению нагрева контактных элементов.

Выгодны ли инновации?
Технология, основанная на применении электромагнитных систем с электронным управлением, у компании AББ существует уже более 10 лет. Правда, до последнего времени она была достаточно дорогостоящей. Но оптимизация производственных процессов, применение новых сплавов и электронных компонент позволили снизить стоимость продукции. Кроме того, сама по себе электронная электромагнитная система контакторов AF потребляет на 80% меньше энергии, чем стандартная. Так, контактор на 300 А с традиционной технологией потребляет 80 ВА. Аналогичный аппарат новой серии – 17,5 ВА.

Инновации выгодны не только на стадии внедрения, но и в период эксплуатации. Специалисты компании АББ посчитали, что замена контакторов в лифтовом хозяйстве Санкт-Петербурга за год принесёт экономию в 8 млн. рублей.

Посмотрим, за какой срок окупятся новые устройства.

Использование электромагнитных систем с интеллектуальным электронным управлением в контакторах – первый шаг к свершению настоящего переворота на рынке электротехники. Специалисты уверены, что совсем скоро в коммутационных аппаратах прошлого поколения просто отпадёт необходимость.

[1]

[2] Среднее значение тарифа для промышленных предприятий по Московской области