КОНТАКТОР, РАБОТАЮЩИЙ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
CONTACTOR THAT OPERATES ON DC AND AC CURRENTS

Изобретение относится к контактору, работающему на постоянном и переменном токе и содержащему по меньшей мере одну контакт-деталь с неподвижным контактом и подвижным контактом; по меньшей мере один постоянный магнит, размещенный возле контакт-детали, для создания постоянного магнитного дугогасящего поля и по меньшей мере одну катушку, размещенную возле контакт-детали с целью создания электромагнитного дугогасящего поля для втягивания дуги, образующейся при размыкании контакта по меньшей мере в одну дугогасительную камеру.
Такие контакторы используются, например, в железнодорожных сетях для отключения нагрузок и размыкания электрических цепей с большими токами или высокими напряжениями. При отключении, т.е. размыкании контактов, между неподвижным и подвижным контактами образуется дуга, которая поддерживает протекание тока между контактами. Кроме того, дуга выделяет большое количества тепла, что приводит к эрозии контактов, и, тем самым, сокращению срока службы контактора. Кроме того, под воздействием дуги вся поверхность устройства подвергается очень большой тепловой нагрузке. По этой причине дугу необходимо очень быстро погасить.
Известны различные способы гашения дуги в зависимости от области применения: контактор, работающий на постоянном токе постоянного направления обычно имеет постоянные магнитные дугогасящие поля, которые размещены так, что магнитное поле направлено перпендикулярно дуге. Дугогасящие поля воздействуют на дугу силой Лоренца, которой дуга перемещается в направлении дугогасительной камеры.
При работе на двунаправленном постоянном токе, например, в случае возврата электроэнергии в сеть при трамвайном движении или во внутрисхемных эмуляторах, при использовании нескольких попеременно активных пантографов, а также при работе на переменном токе постоянные магнитные поля использовать нельзя, поскольку направление тока в дугах меняется. В связи с этим в таких случаях обычно используют так называемые дугогасительные катушки, создающие электромагнитное дугогасящее поле, направление которого определяется направлением тока. В результате, на дугу в каждом случае воздействует корректно ориентированная сила независимо от направления тока.
Однако использование катушек имеет ряд недостатков. В результате постоянного протекания через катушку больших токов, как это обычно происходит на железнодорожном транспорте, возникает сильный нагрев. Поэтому, стараются задержать возбуждение катушки до момента отключения. Тем не менее, катушка создает электромагнитное дугогасящее поле с временным запаздыванием (экспоненциальная зависимость), в результате чего время горения дуги в зоне контакта контактора еще более увеличивается.
С другой стороны, при малых токах катушка создает слабое дугогасящее поле. В результате может оказаться, что этого дугогасящего поля будет недостаточно для втягивания дуги в дугогасительную камеру и гашения дуги (диапазон критических токов).
Из DE 29823717 U1 известен одноразрывный выключатель, в котором для создания дугогасящего поля используют постоянный магнит вместе с катушкой индуктивности. Выключатель содержит неподвижный контакт, связанный с первым питающим проводом, и подвижный контакт, связанный со вторым питающим проводом через шину. Возле контакт-детали размещены постоянный магнит и дугогасительная катушка, которая соединена с тем же самым питающим проводом, что и подвижный контакт. При размыкании подвижный контакт перемещается в улавливающую колодку, которая электрически связана с катушкой. Возникающая при размыкании дуга втягивается дугогасящим полем, создаваемым постоянным магнитом, в направлении улавливающей колодки и «перепрыгивает» на нее. Поскольку улавливающая колодка электрически связана с катушкой, то катушка при этом возбуждается. Затем она создает электромагнитное дугогасящее поле, посредством которого дуга втягивается в дугогасительную камеру.
Недостатком этого выключателя является необходимость связи подвижного контакта с питающим проводом через гибкую шину, а также большой ход отключения подвижного контакта. Кроме того, улавливающая колодка имеет сложную геометрию и должна окружать подвижный контакт по меньшей мере с двух противоположных сторон.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание контактора, который может быть использован для работы на постоянном токе, двунаправленном постоянном токе и переменном токе и который осуществляет при этом быстрое гашение электрической дуги, за исключением диапазона критических токов, при упрощении конструкции с соответствующим удешевлением ее изготовления.
Согласно изобретению указанная задача решается изготовлением контактор по меньшей мере с двумя контакт-деталями, возле каждой из которых размещен по меньшей мере один постоянный магнит, причем постоянные магниты, относящиеся к двум контакт-деталям, поляризованы в противоположных направлениях, а подвижные контакты размещены на контактном мостике.
Постоянные магниты создают в области двух контакт-деталей постоянные магнитные дугогасящие поля, поляризованные в противоположных направлениях. В результате, постоянные магнитные поля воздействуют непосредственно на две дуги, образующиеся при размыкании контакт-деталей. Поскольку направление тока дуги в первой контакт-детали противоположно направлению тока дуги во второй контакт-детали, то обе дуги смещаются в одном и том же направлении двумя постоянными магнитными дугогасящими полями. Таким образом, одна из дуг всегда втягивается в направлении зон электромагнитного дугогашения и дугогасительной камеры с помощью постоянных магнитных дугогасящих полей, независимо от направления тока.
Наличие двух подвижных контактов позволяет вдвое уменьшить ход на отключение по сравнению с одноразрывными устройствами. Благодаря этому можно отказаться от дорогостоящих и занимающих много места механизмов для увеличения рабочего хода привода с электромагнитной муфтой. Благодаря размещению подвижных контактов на контактном мостике обеспечивается прямой ход на отключение, причем без использования гибкой шины.
В одном варианте конструкции может быть использована направляющая для дуги, размещенная возле каждой контакт-детали и изолированная от неподвижных контактов, а также соответствующая дугогасительная катушка, связанная электрически с соответствующим неподвижным контактом и соответствующей направляющей для дуги. Катушки не приводятся в действие до тех пор, пока дуги, образовавшиеся в результате размыкания контакт-деталей, не будут подвергнуты воздействию сильных постоянных магнитных дугогасящих полей и не сместятся с неподвижных контактов на направляющие для дуги. Это позволяет использовать относительно небольшие катушки и избежать перегрева.
В другом варианте конструкции возле контакт-деталей размещены полюсные пластины, которые могут относиться к постоянным магнитам. Использование полюсных пластин позволяет создать расширенное однородное постоянное магнитное дугогасящее поле, которое оказывает особенное воздействие в зоне контакт-деталей. Следовательно, постоянные магнитные дугогасящие поля воздействуют непосредственно на дуги, образующиеся при размыкании контактов, и быстро переносят дуги за пределы контакт-деталей, уменьшая, таким образом, эрозию контактов.
Кроме того, можно использовать полюсные пластины, относящиеся к дугогасительным катушкам и размещенные возле направляющих для дуги. Катушки не приводятся в действие до тех пор, пока дуги не перейдут на эти направляющие после прохождения через участки постоянного магнитного поля. Полюсные пластины катушек создают в зоне направляющей для дуги и зоне ее гашения однородное электромагнитное дугогасящее поле. В результате, дуги, находящиеся на направляющих смещаются из зон постоянного магнитного поля и растягиваются независимо от направления тока.
В усовершенствованной конструкции возле направляющих для дуги размещена только одна дугогасительная камера. Дуги дугогасящими полями смещаются в дугогасительную камеру, в которой они растягиваются, охлаждаются, и, в результате, гасятся. Дугогасительная камера может, например, содержать дугогасительные ножевые контакты или керамические элементы, размещенные параллельно друг другу и рядом друг с другом. Поскольку дуги обеих контакт-деталей смещаются в одну дугогасительную камеру в зависимости от направления тока, это обеспечивает компактность конструкции контактора.
Ниже варианты изобретения поясняются более подробно с использованием чертежей, на которых:
фиг.1 - аксонометрическое изображение части контактора в разрезе в момент размыкания контактов,
фиг.2 - аксонометрическое изображение части контактора в разрезе после приведения в действие первой дугогасительной катушки,
фиг.3 - аксонометрическое изображение части контактора в разрезе после приведения в действие второй дугогасительной катушки.
На фиг.1 показано аксонометрическое изображение внутренней части контактора 1, который содержит две контакт-детали 2, 3, образованных неподвижным контактом 4, 5 и подвижным контактом 6, 7. Контакты 6, 7 размещены на одном контактном мостике 8, который может быть перемещен с помощью привода с электромагнитной муфтой (не показан) с переключением из замкнутого положения, при котором контакты 6, 7 соприкасаются с контактами 4, 5, в разомкнутое положение, при котором контакты 6, 7 не соприкасаются с контактами 4, 5. Возле контактов 4, 5 каждой контакт-детали 2, 3 размещены направляющие 9, 10 для дуги. Каждая из этих направляющих изолирована от контактов 4, 5 посредством воздушного промежутка 11, 12. Кроме того, возле каждой контакт-детали 2, 3 размещен по меньшей мере один постоянный магнит 13, 14. Постоянные магниты установлены таким образом, что их магнитное поле перпендикулярно дугам 15, 16, образующимся при размыкании контакт-деталей 2, 3. Направление магнитного поля, создаваемого магнитом 13, размещенным возле контакт-детали 2, противоположно направлению магнитного поля, создаваемого магнитом 14, размещенным возле контакт-детали 3.
Кроме того, контактор 1 содержит две катушки 17, 18, размещены возле магнитов 13, 14. Катушка 17 электрически связана с контактом 4 контакт-детали 2 и направляющей 9, размещенной возле нее. Аналогично, катушка 18 электрически связана с контактом 5 контакт-детали 3 и направляющей 10.
Направляющие 9, 10 сформированы так, что возле контакт-деталей 2, 3 они образуют направляющий канал 19, который проходит по существу перпендикулярно контактному мостику 8 и благодаря которому дуги 15, 16 втягиваются дугогасящими полями катушек 17, 18. Направляющие 9, 10 расходятся вдоль направляющего канала 19. Возле них размещена дугогасительная камера 24.
К магниту 13, размещенному возле контакт-детали 2, относятся спаренные полюсные пластины 20, которые размещены на противоположных сторонах контактного мостика 8. Поскольку контакт-деталь 3 по существу аналогична контакт-детали 2, то к магниту 14 аналогичным образом относятся спаренные полюсные пластины 21, которые также размещены на противоположных сторонах контактного мостика 8. На фиг.1 показана только одна полюсная пластина спаренных пластин 20, 21 для каждой контакт-детали 2, 3. Полюсные пластины спаренных пластин 20, 21 изготовлены из обладающего возможностью намагничивания материала и поляризованы магнитами 13 или магнитами 14 соответственно, и соответственно создают однородное постоянное магнитное дугогасящее поле. Спаренные пластины 20, 21 выполнены таким образом, что создаваемые ими магнитные поля проникают в область контакт-деталей 2, 3.
К катушке 17 относятся спаренные полюсные пластины 22, а к катушке 18 - спаренные полюсные пластины 23. Полюсные пластины спаренных пластин 22, 23 сформированы так, что они проходят именно над областью направляющего канала 19 и направляющих 9, 10. Поскольку катушки 17, 18 не приводятся в действие до перехода основания первой дуги на одну из направляющих 9, 10, электромагнитные дугогасящие поля должны осуществлять свое воздействие именно в этой области.
Далее с опорой на фиг.1-3 описаны процессы, происходящие в контакторе 1 при размыкании контакт-деталей 2, 3.
На фиг.1 показан контактор в момент размыкания. Контактный мостик 8 перемещается вниз с помощью привода с электромагнитной муфтой (не показан) так, что контакты 6, 7, размещенные на этом контактном мостике, отделяются от контактов 4, 5. Соответственно, в контакт-деталях 2, 3 образуются дуги 15, 16, которые мгновенно подвергаются воздействию постоянного магнитного дугогасящего поля, создаваемого магнитом 13 и пластинами 20, а также постоянного магнитного дугогасящего поля, создаваемого магнитом 14 и поляризованным в противоположном направлении, и пластинами 21.
Поскольку направление тока в дуге 15 противоположно направлению тока в дуге 16, обе дуги 15, 16 смещаются постоянным магнитным дугогасящим полем в одном и том же направлении, на фиг.2 влево. В результате, дуга 16 втягивается в направлении направляющего канала 19 и «перепрыгивает» воздушный промежуток 12. В этот момент электрическая цепь в контакторе все еще замкнута, и ток течет от контакта 4 через дугу 15, контактный мостик 8, дугу 16, направляющую 10 и катушку 18 к контакту 5. Как следствие этого, катушка 18 приводится в действие дугой 16, перемещающейся к направляющей 10, и создает электромагнитное поле, таким же образом воздействующее на дугу 16. Это приводит к тому, что основание второй дуги переходит с контактного мостика 8 на направляющую 9 (см. фиг.3). Происходит гашение дуги 15.
В этот момент электрическая цепь в контакторе 1 остается замкнутой, благодаря чему ток течет от контакта 4 через катушку 17, направляющую 9, дугу 16, направляющую 10 и катушку 18 к контакту 5. В результате, основание второй дуги 16 «перепрыгивает» с контактного мостика 8 на направляющую 9, и катушка 17 приводится в действие, создавая электромагнитное дугогасящее поле. Таким образом, дуга 16 вытягивается из направляющего канала 19 и растягивается по направляющим 9, 10, пока, наконец, не погасится в камере 24.
В случае очень малых токов и одновременно высоких напряжений (диапазон критических токов) может случиться, что электромагнитное дугогасящее поле катушки 18 будет недостаточным для перемещения основания второй дуги 16 с контактного мостика 8 на направляющую 9. В этом случае не происходит мгновенного гашения дуги 15 и она продолжает гореть при последовательном соединении с дугой 16. При этом дуга 15 продолжает растягиваться постоянным магнитным дугогасящим полем магнита 13 до гашения. Как только происходит гашение дуги 15, гасится и дуга 16. Следовательно, в диапазоне критических токов магнит 13 оказывает полезное влияние.
Если в момент отключения ток в контакторе направлен противоположно току в рассмотренных выше случаях, то вместо дуги 16 в направляющий канал 19 направляется дуга 15, которая сначала перемещается к направляющей 9. Остальная часть процесса гашения дуги происходит также как и в описанных выше примерах.
Контактор 1 может также использоваться для работы на переменном токе, потому что, когда одна из дуг 15, 16 перемещается к направляющим 9, 10, одна из катушек 17, 18 приводится в действие, создавая дугогасящее электромагнитное поле, направление которого меняется в зависимости от направления тока, приводя к перемещению соответствующей дуги 15, 16 в камеру 24 и гашению ее там. Магниты 13, 14 выбираются так, что при работе на переменном токе дуга 15 или дуга 16 смещается в течение полупериода на соответствующую направляющую 9, 10, приводя в действие соответствующую катушку 17, 18. В следующий полупериод при изменении направления тока направление дугогасящего электромагнитного поля также меняется, и дуга продолжает втягиваться в направлении камеры 24.