3-4. ГРУППОВЫЕ АППАРАТЫ
а) Общие сведения
Групповые аппараты представляют собой совокупность переключающих устройств, объединенных в один блок и связанных с общим валом, который может иметь ручной, пневматический или электродвигательный привод. В качестве переключающих устройств на современном подвижном составе применяют кулачковые контакторы или, как их часто называют, контакторные элементы, которые замыкают или размыкают электрические цепи в определенной последовательности при вращении кулачкового вала.
Основными частями группового аппарата являются кулачковые контакторы, кулачковый вал с шайбами, привод, блокирующее устройство и корпус. Часто в групповые аппараты встраиваются реле и сопротивления.
Применение групповых аппаратов по сравнению с индивидуальными контакторами дает возможность упростить электрическую схему, резко сократить число блокировочных контактов благодаря надежному обеспечению очередности включения контакторов и уменьшить массу и стоимость переключающей аппаратуры. Групповая система управления обеспечивает многоступенчатый пуск и торможение электродвигателей при сравнительно небольшом объеме электроаппаратуры.
К групповым аппаратам относятся контроллеры для непосредственного управления подвижным составом, контроллеры для косвенного управления, реостатные контроллеры, тормозные переключатели и переключатели положения, а также реверсоры. Название группового аппарата обычно связано с теми функциями, которые он выполняет по электрической схеме.
Контроллер для непосредственного управления производит переключение непосредственно в силовых цепях, а контроллер для косвенного управления — в цепях управления; реостатный контроллер осуществляет переключение секций пусковых и тормозных сопротивлений; тормозные переключатели и переключатели положения предназначены для перевода двигателей из тягового режима работы в тормозной и для переключения двигателей с одного соединения на другое; реверсор обеспечивает изменение направления вращения тяговых двигате лей.
б) Кулачковые контакторы
В зависимости от назначения и параметров цепи кулачковые контакторы имеют различные технические данные и конструктивное исполнение. Кулачковые контакторы КЭ-4Д, КЭ-40, КЭ-41, КЭ-46, КЭ-47 и КЭ-52 применяют для переключения силовых цепей, КЭ-35Г, КЭ-42 и КЭ-54 — для размыкания и замыкания цепей управления, а КЭ-35Д и КЭ-44 — для вспомогательных цепей высокого напряжения и цепей управления.
Рис. 3-11. Кулачковый контактор типа КЭ-41.
На рис. 3-11 показан кулачковый контактор КЭ-41. Основанием контактора является изолятор 1, изготовленный из пластмассы. На оси, закрепленной в изоляторе, вращается рычаг 3, несущий на своем левом плече держатель контакта 7, подвижный контакт 8 и контактную пружину 6. На правом плече рычага установлен ролик 4, который прижимается включающей пружиной 2 к кулачковой шайбе 5. Неподвижный контакт 9 с помощью угольника 10 и зажима 11 укреплен на изоляторе. Подвижный контакт связан с зажимом 13 гибким шунтом 12. Кулачковый контактор крепят на рейке болтом, который ввертывается в гайку, запрессованную в изоляторе. При вращении рычага по часовой стрелке происходит размыкание контактов, а при вращении против часовой стрелки — замыкание их.
Включение контактора осуществляется под действием включающей пружины, а выключение — под действием кулачковой шайбы. У кулачковой шайбы различают часть окружности большего радиуса и часть окружности меньшего радиуса (впадину). Обе окружности соединены переходом, имеющим пологий или крутой профиль.
Для размыкания контактора необходимо произвести нажатие на ролик. Это нажатие осуществляет кулачковая шайба, которая при вращении заставляет перейти ролик по переходному профилю из впадины на окружность большего радиуса. При этом рычаг вращается по часовой стрелке, сжимая включающую пружину. В процессе включения контактора ролик при вращении шайбы под действием включающей пружины переходит с окружности большего радиуса на окружность меньшего радиуса, причем опускание ролика во впадину влечет за собой вращение рычага против часовой стрелки. Подвижный контакт закреплен на держателе, который под действием контактной пружины стремится повернуться против часовой стрелки.
Надежность работы кулачковых контакторов в большой степени зависит от величины раствора, контактного нажатия, провала и переката (скольжения).
Раствор контактов — это кратчайшее расстояние между контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов в разомкнутом положении. Величину раствора, измеряемую в миллиметрах, выбирают из условий гашения электрической дуги.
Контактное нажатие — это сила, с которой подвижный контакт должен давить на неподвижный, чтобы обеспечить нормальную работу аппарата. В процессе замыкания нажатие контактов не остается постоянным. Начальным нажатием считается нажатие контактной пружины на подвижный контакт разомкнутого кулачкового контактора, пересчитанное к точке первоначального касания контактов. Конечным нажатием считается нажатие в момент окончания замыкания подвижного контакта с неподвижным.
Под провалом понимают расстояние, на которое при включении может сместиться место конечного касания подвижного контакта с неподвижным из положения полного размыкания, если будет удален неподвижный контакт. По мере износа контактов провал и контактное нажатие уменьшаются. При уменьшении провала до минимально допустимого контакты следует заменить. Перекат (скольжение) — это перемещение линии касания подвижного контакта по поверхности неподвижного.
Рис. 3-12. Кинематическая схема включения кулачковых контакторов КЭ-41 и КЭ-42.
Рис. 3-13. Схема действующих сил при размыкании кулачкового контактора.
Кинематическая схема включения кулачковых контакторов КЭ-41 и КЭ-42 показана на рис. 3-12. В начальный момент (контакты разомкнуты) между рычагом и держателем имеется максимальный зазор А (рис. 3-12,а). После касания контактов (рис. 3-12,б) рычаг продолжает вращаться против часовой с грелки до упора. При этом сжимается контактная пружина и у контактора КЭ-41 происходит скольжение подвижного контакта относительно неподвижного. После полного замыкания между рычагом и держателем исчезает зазор А и появляется зазор Б (рис. 3-12,в).
Контактная пружина контактора создает необходимое контактное нажатие, а относительное скольжение контактов приводит к их зачистке и уменьшению переходного сопротивления в рабочей зоне. Усилие, создаваемое пружиной, можег быть сосредоточено в точке касания контактов и распределено по линии или площади в зависимости от конструкции контактов.
Размыкание контактора также сопровождается скольжением контактов, причем возникающая электрическая дуга образуется вне рабочей зоны контактов. Контакты в процессе работы изнашиваются, при этом происходит уменьшение зазора Б. Путем измерения зазора Б определяют пригодность контактов к работе.
Рассмотрим силы, действующие при размыкании контактов кулачкового контактора. Введем следующие обозначения (рис. 3-13). F1 — сила, создаваемая включающей пружиной 8; F2 — сила нажатия ролика на шайбу; F3 — сила трения между роликом и осью; F4 — сила реакции шайбы на ролик; F5 — сила нажатия контактной пружины 4; F6 — сила на жатия контактов.
Рис. 3-14. Диаграмма включения и выключения кулачковых контакторов.
Последовательность включения и выключения кулачковых контакторов по позициям электрического аппарата обычно изображают графически в виде диаграммы (развертки). Вертикальными линиями на диаграмме (рис. 3-14) указываются позиции электрического аппарата, которые обозначаются сверху цифрами или буквами. Горизонтальные линии представляют развернутые окружности кулачковых шайб, причем тонкие линии обозначают окружности большего радиуса, соответствующие разомкнутому положению кулачкового контактора, а широкие темные полосы — окружности меньшего радиуса, на которых кулачковые контакторы замкнуты. Шайба имеет обозначение, соответствующее наименованию своего кулачкового контактора.
Сближению контактов и их скольжению соответствуют определенные углы поворота кулачковой шайбы, которые также изображаются на диаграмме. Угол поворота шайбы, соответствующий сближению контактов, обозначают утолщенной сплошной линией, а угол, соответствующий скольжению контактов, — незатемненным прямоугольником, являющимся продолжением темной полосы.
Рис. 3-15. Схема устройства электромагнитного гашения.
При размыкании электрических цепей со сравнительно большим током или напряжением между контактами возникает устойчивая электрическая дуга, которая при отсутствии специальных устройств приводит к разрушению контактов, так как имеющийся раствор контактов для гашения электрической дуги недостаточен. В таких случаях в целях сокращения размеров аппарата применяется принудительное гашение электрической дуги.
Применяемый в контакторах способ гашения электрической дуги получил название электромагнитного гашения. Основными конструктивными элементами дугогасящего устройства являются (рис. 3-15) сердечник 1, соединяющий два полюса 2, и дугогасительная катушка 3, которая соединена последовательно с неподвижным контактом 4, при этом рабочий ток, проходящий через контакты, проходит и по дугогасительной катушке, создавая между полюсами магнитный поток, изображенный пунктирными линиями. Направление потока зависит от направления намотки катушки (показано стрелками). Конструктивно контакты 4 и 5 всегда располагаются в зоне магнитного потока. Электрическая дуга представляет собой проводник тока в воздухе. Поэтому при размыкании цепи и возникновении дуги в результате взаимодействия тока, протекающего по дуге, и магнитного потока возникает механическая сила, выталкивающая дугу с контактов вверх. Быстрое перемещение дуги и ее удлинение приводит к более тесному соприкосновению газов с дугой, что увеличивает деионизацию дугового промежутка. Для ускорения гашения дугу обычно заключают в дугогасительную камеру, изготовленную из теплостойкого изоляционного материала. Дугогасительная камера служит также для направленного выброса дуги и защиты соседних аппаратов.
На рис. 3-16 изображен кулачковый контактор КЭ-40, аналогичный по конструкции контактору КЭ-41, но снабженный дугогасительным устройством. Условные обозначения деталей с 1 по 13 позиции контакторов КЭ-40 и КЭ-41 одинаковы (см. рис. 3-11). Дугогасительное устройство контактора КЭ-40 состоит из магнитной системы, представляющей собой два полюса 14 сердечника 16, дугогасительной катушки 15 и дугогасительной камеры 17. Дугогасительная катушка для разных токов имеет различное число витков и сечение.
Рис. 3-16. Кулачковый контактор типа КЭ-40.
Кулачковые контакторы КЭ-4 (рис. 3-17), КЭ-46 и КЭ-47 (рис. 3-18) по принципу действия и конструкции подобны рассмотренным выше контакторам. Все они имеют Г-образные контакты, обеспечивающие в рабочем положении касание по линии. Контактор КЭ-46 снабжен дугогасительным устройством. Обозначение позиций на рис. 3-17 и 3-18 такое же, как и для контакторов КЭ-40 и КЭ-41 (рис. 3-15).
Кулачковый контактор КЭ-52 конструктивно значительно отличается от рассмотренных выше. Главной особенностью его является наличие одной пружины (вместо двух) и отсутствие скольжения контактов. Исключить скольжение оказалось возможным благодаря применению металлокерамических контактов, окисные пленки которых имеют такое же удельное сопротивление, как и неокисленные контакты.
Рис. 3-17. Кулачковый контактор типа КЭ-4.
Кроме того, металлокерамические контакты требуют в работе меньшего нажатия по сравнению с медными контактами. Поэтому усилие, развиваемое пружиной и оказываемое роликом на шайбу, резко уменьшается. Исключение переката позволило уменьшить угол поворота кулачковой шайбы, необходимый для включения и выключения контактора.
Рис. 3-18. Кулачковый контактор типа КЭ-47.
Рис. 3-19. Кулачковый контактор типа КЭ-52.
Основанием контактора (рис. 3-19) является пластмассовый изолятор 1. На оси 6, закрепленной в изоляторе, вращается рычаг 5. На правом плече рычага закреплен ролик 4, а на левом плече болтом 7 жестко укреплен контактодержатель 8, к которому припаян металлокерамический (подвижный) контакт 9. Неподвижный металлокерамический контакт 10 припаян к контактодержателю 11, который в свою очередь винтом 12 укреплен па фигурной стопке 13. Болт 14, фиксирующий стойку на изоляторе 1, является в то же время зажимом неподвижного контакта. Подвижный контакт связан с другим зажимом 16 через держатель 8 и гибкий шунт 2, выполненный из тонкой медной фольги. Размыкание контактора происходит под действием кулачковой шайбы 3, а замыкание осуществляется пружиной 15. Контактное нажатие создается этой же пружиной.
Кулачковый контактор КЭ-35Г (рис. 3-20, а) рассчитан на меньшие токи, и поэтому имеет небольшие размеры. Принцип действия контактора КЭ-35Г аналогичен контактору КЭ-41, однако имеется конструктивное различие. Рычаг 2 с роликом 3 вращается вокруг оси 4, закрепленной на металлическом угольнике 5. Угольник в свою очередь установлен на пластмассовом изоляторе 1. Держатель 7 подвижного контакта гибким медным шунтом 6 связан с неподвижным зажимом. Включающая пружина 13, расположенная в изоляторе, прижимает направляющий стержень 8 держателя контакта к рычагу. Плоский неподвижный контакт 10 припаян к гайке 11 шпильки 12. Подвижный контакт 9 припаян к держателю 7 и выполнен сферическим, т. е. касание с неподвижным контактом происходит в точке, что обеспечивает надежную работу контактора в цепях управления со сравнительно низким напряжением.
Рис. 3-20. Кулачковые контакторы. а — типа КЭ-35Г; б — типа КЭ-35Д.
Рис. 3-21. Кулачковые контакторы.
а — типа КЭ-42; б — типа КЭ-44.
Кулачковый контактор КЭ-35Д (рис. 3-20, б) в отличие с г контактора КЭ-35Г имеет дугогасительное устройство, состоящее из камеры 11, полюсов 13, дугогасительной катушки 12 и сердечника.
Контакторы КЭ-42 и КЭ-44 (рис. 3-21, а и б) по своей конструкции значительно отличаются от рассмотренных выше. На оси 4, запрессованной в изолятор 1, вращается рычаг 3 с роликом 5. Неподвижные контакты 8 закреплены гайками 9. Контактная пружина 7 устанавливается между подвижным мостиковым контактом 6 и рычагом 3, причем для фиксации пружины в рычаге и контактном мостике предусмотрены специальные выступы. Включение контактов осуществляется пружиной 2. Применение мостиковых контактов позволило освободиться от гибкого шунта и получить малогабаритный аппарат. Контактор КЭ-44 имеет конструкцию, аналогичную контактору КЭ-42, но он снабжен дугогасительным устройством, состоящим из дугогасительной камеры 10, полюсов 11 и дугогасительной катушки 12 с сердечником. В рабочем положении камера запирается защелкой.
Для управления приводом групповых реостатных контроллеров применяют кулачковый контактор КЭ-54 с мостиковым контактом (рис. 3-22). В отличие от контактора КЭ-42 он имеет две пары неподвижных контактов — одну пару замыкающих и одну пару размыкающих контактов.
Технические данные кулачковых контакторов приведены в табл. 3-6.