Глава 3. КОНТАКТНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЛЕ

3.1 Требования к контактам

Контакт реле состоит из двух элементов, выполненных из слабо окисляющего материала (в основном металла) с хорошей проводимостью, которые в виде наклепок укреплены на упругих пружинах. При срабатывании реле якорь перемещает одну из пружин и контакт замыкается или размыкается. Слово контакт имеет латинское происхождение – contactus (прикосновение).

Контакт это самый ненадежный элемент в конструкции реле, поскольку в процессе работу реле многократно механически замыкается и размыкается. При этом изменяется контактное сопротивление и изнашиваются контактные поверхности. При протекании тока контакт нагревается, металл окисляется (коррозия). На контактной поверхности образуется оксидная пленка. Ее толщина со временем увеличивается, что ведет к росту сопротивления контактов R₀ (рис. 3.1). При этом, однако, увеличиваются падение напряжения на контакте, его температура и градиент электрического поля в пленке. Совместное действие эти факторов приводит к разрушению пленки и сопротивление контакт падает до значений, близких к исходным. Затем этот процесс повторяется. Если оксидная пленка оказывается достаточно прочной, сопротивление контакта может возрасти до недопустимых значений.

Износ контакта вызывается механическими и электрическими факторами. Механический износ происходит вследствие трения при скольжении, вибрации и ударах контактных поверхностях при замыкании. Электрические разряды (искра, дуга), которые возникают при размыкании и замыкании, приводят к физическому разрушению (эрозия) контакта вследствие плавления, испарения и распыления материалов. Эрозия вызывает перенос металла с одного контакта на другой, в результате чего на одном контакте образуется нарост, а на другом – кратер. Это может привести к свариванию контактных поверхностей. Эрозия зависит от параметров коммутируемой электрической цепи и особенно ярко выражена при постоянном токе.

Рис. 3.1. Изменение сопротивления контакта в процессе эксплуатации

К контактам реле I класса надежности предъявляют следующие требования. В замкнутом состоянии переходное сопротивление контактов R0 должно быть как можно меньшим. Это обеспечивается подбором материалов с хорошей проводимостью и значительным контактным нажатием Р_к (сила сжатия пружин). У фронтовых контактов (графит – серебро) R₀ ≤ 0,3 Oм и Р_к ≥ 0,294 Н, у тыловых контактов (серебро – серебро) R₀ ≤ 0,03 Oм и Р_к ≥ 0,147 Н.

Необходимо чтобы в разомкнутом состоянии сопротивление контакта было равно бесконечности. Это обеспечивается наличием межконтактного воздушного промежутка 1 – 3 мм и изоляцией контактных пружин.

Стойкость к коррозии и эрозии обеспечивается подбором соответствующих материалов, герметизацией контактов, выбором оптимальных параметров коммутируемых цепей и применением искрогасящих схем.

Время дребезга (многократное замыкание и размыкание) контакта при его замыкании должно быть не более 20 мс. Это обеспечивается подбором толщины (0,2 – 0,5 мм) и упругости контактных пружин. Для их изготовления используют фосфористую бронзу с модулем упругости Е = 11∙ 10⁴ Н/мм² и нейзильбер с модулем Е = 12 ∙ 10⁴ Н/мм².

Замкнутые контакты не должны размыкаться при вибрации с частотой синусоидальных колебаний от 10 до 20 Гц с ускорением не более 0,6g, а также при вибрации с частотой 22-50 Гц и ускорением не более g в вертикальном направлении по отношению к положению якоря и горизонтальном – в направлении движения якоря.

Необходимо чтобы замкнутые контакты длительно выдерживали ток нагрузки 3 А без изменения их электрических и механических параметров. При токах до 6 А не должно возникать опасных отказов.

Контакты должны обеспечивать не менее 10⁷ замыканий без токовой нагрузки; не менее 3ּ10⁶ замыканий при токе 50 мА и напряжении 24 В, не менее 1,5ּ10⁶ замыканий при токе 2 А и напряжении 24 В постоянного тока или при 0,5 А и напряжении 220 В переменного тока.

3.2. Виды и конструкция контактов

Поскольку реле может иметь несколько контактных групп (тройников), то для придания им адреса используют двухзначное обозначение. Первая цифра указывает номер тройника (максимально восемь тройников у реле НМШ1), а вторая цифра – тип контакта в тройнике. Общий контакт обозначают цифрой 1, фронтовой контакт – 2, тыловой контакт – 3. Например, число 42 определяет фронтовой контакт четвертого тройника.

В зависимости от характера работы в схемах выделяют пять видов контактов:

Рис. 3.2. Виды контактов

- замыкающий, нормально разомкнутый, фронтовой контакт замкнут, когда реле под током (рис. 3.2, а); он используется для включения нормально выключенной нагрузки;

- размыкающий, нормально замкнутый, тыловой контакт замкнут, когда реле без тока (рис. 3.2, б); он служит для выключения нормально включенной нагрузки;

- переключающий контактный тройник (рис. 3.2, в) предназначен для переключения нагрузки с одной цепи питания на другую (при этом происходит кратковременный разрыв цепи на время перелета контакта);

- при притяжении якоря реле у переключающего с безобрывным переключением мостового контакта (рис. 3.2, г) сначала замыкается фронтовой контакт, а затем размыкается тыловой; а при отпускании якоря сначала замыкается тыловой контакт, а затем размыкается фронтовой; он используется для переключения нагрузки с одной цепи питания на другую без размыкания цепи;

- у переключающего контакта поляризованного реле (рис 3.2, д) принято трехзначное обозначение, причем первая цифра всегда 1. Цифра 2 присвоена нормальному контакту (замкнут при прямой полярности тока в обмотке реле), цифра 3 – переведенному контакту (замкнут при обратной полярности тока).

- усиленный (рис. 3.2, е) и усиленный контакт с магнитным искрогашением (рис 3.2, ж) предназначены для коммутации цепей большой мощности.

Рис. 3.3. Схема воздействия якоря на контактную схему: 1 – планка; 2 – якорь; 3 – тяга; 4 – упор; 5 – рамка; 6 – стойка; 7 – штифт

В реле с поворотным якорем существует несколько способов воздействия якоря на контактную схему. Простым по конструкции является способ управления с помощью планки 1 из пластмассы или гитенакса (рис. 3.3, а). Один конец планки взаимодействует с пружиной общего контакта, а другой – с якорем 2. этот способ используется в реле КДР, РПН, РКН. В реле I и II классов надежности НШ, НМШ, ПМПШ, КМШ применяется контактная тяга с двумя штифтами (рис. 3.3, б), с помощью которых перемещается пружина общего контакта. Этот способ отличается высокой надежностью. Наименьшее число контактных пружин требует конструкция, когда пружина общего контакта крепится непосредственно на якоре с помощью специального упора 4 (рис. 3.3, в) и перемещается вместе с ним (реле НР, ИМВШ, РЭС). Рамочный способ управления контактами (реле РЭЛ) (рис. 3.3, г) обеспечивает одновременность замыкания и размыкания контактов, а также постоянство контактного нажатия без регулировки контактных пружин. В зарубежных реле часто используют способ (рис. 3.3, д), когда на специальной стойке 6 укрепляют цилиндрические штифты 7, которые замыкают тыловой 1 – 2 и фронтовой 3 – 4 контакты.

В зависимости от формы контактных поверхностей контакты бывают точечные, линейные и плоскостные. Точечные контакты применяют для коммутации цепей малой мощности до 35 Вт. Они образуются соприкосновением плоскости с конусом (рис 3.4, а) или с полусферой (рис 3.4, б), полусферы с полусферой (рис. 3.4, в). Для большей надежности часто применяют двойные контакты на концах расщепленной по длине контактной пружины (рис. 3.4, г).

Точечные контакты изготавливают из серебра, золота, платины, палладия и их сплавов. Наибольшее применение имеет серебро, которое имеет высокую электропроводность и теплопроводность, невысокую стоимость и легко обрабатывается. Используют технически чистое серебро марки Ср999 и сплавы серебра с медью (10%). Золото не окисляется и является наилучшим материалом для контактов, работающих при низких напряжениях и малом контактном нажатии. Однако оно имеет небольшую твердость и легко сваривается, поэтому используют сплав золота, серебра и платины. Платина имеет высокую температуру плавления и хорошую устойчивость к коррозии и эрозии, но высокую стоимость. Применяют сплавы платины с иридием (10%), родием (10%) и осмием (7%). Палладий по своим свойствам близок к платине, но значительно дешевле. Сплавы палладия с серебром (40%) и медью (40%) отличаются повышенной твердостью.

Рис. 3.4. Варианты формы контактов

Линейные контакты используют для коммутации цепей мощностью до 150 Вт и образуются при соприкосновении цилиндра или полуцилиндра с плоскостью. Для линейных контактов реле АР, НМШ и НР (рис. 3.4, д-ж) используют серебро, вольфрам, граффито-серебряные смеси, металло-керамические сплавы. Вольфрам отличается большой твердостью, устойчивостью к механическому износу, высокой температурой плавления и долгостойкостью. Контакты из вольфрама имеют большой срок службы, но обладают большим переходным сопротивлением. Металлокерамические сплавы имеют большую твердость, хорошую долгостойкость и малое переходное сопротивление. Они получаются при спекании порошков двух не сплавляющихся между собой металлов. Наибольшее распространение получили композиции: вольфрам – серебро (ВС-30), серебро – никель (НС-70), серебро – кадмий (СрКд86-14). Смесь графита с серебром (3-4%) используют в реле I класса надежности НР, НШ, НМШ, РЭЛ для получения не свариваемых фронтовых контактов (см. рис. 3.3, е, ж). Однако при этом увеличивается переходное сопротивление контакта (до 0,3 Ом), так как удельное электрическое сопротивление графита (0,7ּ10^-3 – 1ּ10^-2 Омּсм) в 400-6000 раз больше чем у серебра.

Плоскостные контакты применяют для коммутации мощных цепей (до 2000 Вт). Они образуются при соприкосновении двух параллельных плоскостей (рис. 3.4, з, и). В качестве материалов используют вольфрам, уголь, графит, красную медь, металлокерамические сплавы (СрКд86-14). Красная медь имеет хорошую электропроводность и невысокую стоимость, но быстро окисляются. Поэтому конструкции контактов из меди должны быть самоочищающимися. Например, на рис. 3.4, и показан контакт, “врубающийся” с большим усилием.

3.3. Теория контактных групп

Контакты работают в 3-х режимах:

- замыкание;

- работа в замкнутом состоянии;

- размыкание.

Наиболее сложным и ответственным является режим замыкания контактов.

3.3.1. Замыкание контактов и работа в замкнутом состоянии

Переходное сопротивление контактов

R₀ = R_c = R_пл,

где R_c – сопротивление стягивания; R_пл – сопротивление пленки.

Даже хорошо отполированные контактные поверхности соприкасаются в одной или нескольких выступающих контактных точках (площадках). Их диаметр измеряется микронами и в тысячи раз меньше общей площади соприкосновения контактов. Линии тока, проходящего через контакт, искривляются и стягиваются к этим площадкам, сопротивление которых называют сопротивлением стягивания:

R_c = ρ/(2аn),

где ρ – удельное сопротивление материала контактов; a, n – соответственно радиус и число контактных площадок.

По формуле Герца для контакта сфера – плоскость (см. рис. 3.4, б) радиус контактной площадки из серебра

a = 0,86 ,

где Р_к – контактное нажатие; r – радиус сферы контакта; E – модуль упругости материала.

Таким образом, сопротивления стягивания зависит от материала и формы контактов, а также от силы их сжатия. С увеличением контактного нажатия возрастает число и площадь контактных площадок и уменьшается сопротивление R₀.

Сопротивление R₀ зависит от сопротивления тонких поверхностных пленок R_пл, которые образуются на контактах. Например, на поверхности серебра в атмосфере могут образоваться окись серебра Ag₂O, азотнокислое серебро AgN₃ и сульфидная пленка Ag₂S. Толщина пленок мала и измеряется в ангстремах (10^{-8 см), а сопротивление примерно 0,5 - 1,5 Ом. При замыкании контакта пленки на контактных площадках часто разрушаются, а их сопротивление уменьшается под действием протекающего тока нагревания.}

Если через контакт длительное время протекает ток (например, ток короткого замыкания), то температура контактных площадок, плотность тока на которых достигает значений 10⁷ А/см², может превысить температуру плавления материала. Количество выделенного тепла по закону Джоуля – Ленца определяется как . Перегрев контактов приводит к их свариванию. Поэтому для данного типа контактов технические требования устанавливают максимальный ток, при котором этого не происходит. Для контакта графит – серебро у реле I класса надежности такой ток 6 А (см. п. 3.1).

В момент замыкания контактов при малых расстояниях (примерно 10^{-5 см) из-за большого градиента напряжения возникает автоэлектронная эмиссия и между контактами загорается искра. Это разрушает контакты. Однако в следующий момент она гаснет, так как контактные поверхности соприкасаются. После первого соприкосновения (удара) контакты могут разойтись, и искра возникнет снова, что вызывает дребезг, который ведет к износу контактов.}

3.3.2. Размыкание контактов

При размыкании контакта уменьшается площадь соприкосновения от S₀ для нуля и увеличивается переходное сопротивление от R₀ до ∞. Пусть контакт коммутирует индуктивную нагрузку (реле) (рис. 3.5, а), где L,R – индуктивное и активное сопротивления обмотки реле.

Для момента размыкания цепи уравнение баланса напряжений:

или

u_к = E – iR - L ,

где u_к – напряжение на контакте.

При t = 0 (процесс размыкания еще не начался) и u_к(t) = E – I₀R = I₀R₀ (рис. 3.5, б). При этом , так как . С началом размыкания (t > 0) магнитная энергия, накопленная в индуктивности, поддерживает убывающий ток в цепи: , . В момент полного размыкания контакта t = T скорость убывания тока до нуля максимальна. Поэтому , u_к = max [выражение (3.2)], и на контакте возникает перенапряжение. Например, при замыкании цепи реле НМШ с напряжением питания E = 24 В на контакте возникает “скачок” напряжения с амплитудой 300 В и выше. Под действием перенапряжения на контакте может возникнуть дуга, которая приводит к интенсивному разрушению контактных поверхностей.

Рис. 3.5. Схема размыкания контакта и графики изменения напряжения и тока

Условия устойчивого наличия дуги задаются вольтамперной характеристикой u_д(i_д) (рис. 3.6.), которую для данного контакта строят экспериментально или рассчитывают. Например, точка А соответствует ситуации когда для горения дуги необходимы напряжение на контактах и ток дуги меньше u_д1 и i_д1, задаваемых координатами точки А. кривая u_д(i_д) асимптотически приближается к некоторым значения U_min и I_min, необходимым для поддержания стационарного дугового процесса. Эти значения зависят от материала контактов и среды. Например, для серебряных контактов в воздухе U_min = 12 B, , а для контактов из вольфрама в воздухе U_min = 15 – 17,5 B, .

Предположим, что имеется дуга. Тогда уравнение (3.1) имеет вид:

E – i_дR – u_д = L . (3.3)

Прямая линия (см. рис. 3.6) соответствует функции E - i_дR(tgα = R). Разность ординат прямой и кривой u_д определяет напряжение L , знак которого указан на рис. 3.6. Пусть в данный момент времени ток дуги равен i_д1. Тогда ЭДС источника E расходуется на падение напряжения на резисторе i_д1R и напряжение дуги u_д1, но остается еще избыток напряжения L > 0, поддерживающий горение дуги. Поскольку > 0, ток дуги возрастает (дуга “разгорается”) и достигает значения i_д2. При этом E = i_д2R + u_д2, L = 0 и i_д = const. Точка 2 соответствует режиму устойчивого горения дуги, когда значение тока колеблется около значения i_д2. Пусть ток возрос до значения i_д3. Тогда E < i_д3R + u_д3, L < 0, и для горения дуги напряжение на контактах (отрезок BC) недостаточно. Ток дуги опять уменьшается до значения i_д2.

Рис. 3.6. Схема самопогасания дуги	Рис. 3.7. Вольтамперная характеристика контакта

Таким образом, условие гашения дуги состоит в том, чтобы вольтамперная характеристика дуги и нагрузочная прямая не пересекались, или в том, чтобы для всех значений тока выполнялось неравенство:

L < 0 (3.4)

Условие (3.4) можно выполнить перемещением кривой u_д(i_д) вверх, для чего следует увеличить межконтактный промежуток, или перемещением прямой E - i_дR вниз. Для этого следует уменьшить напряжение E, и прямая переместится вниз параллельно первоначальному положению, или увеличить сопротивление R и, следовательно, увеличить угол α.

По условию (3.4) выбирают режим работы контакта. Для этого строят предельную вольтамперную характеристику контакта (рис. 3.7). К кривой u_д(i_д) проводят касательные в нескольких точках. Каждая касательная определяет предельный случай, когда дуга еще не загорается (прямая и кривая не пересекаются). Пересечение касательной с осями задают координаты точки на предельной вольтамперной характеристике 1, т.е. задают напряжение и ток в цепи, размыкаемой контактом, при которых еще происходит самопогасание дуги. Рабочую характеристику 2 выбирают с уменьшением этих предельных значений.

3.4. Способы искрогашения

Несмотря на то, что размыкаемая мощность для данного контакта определяется по вольтамперной характеристике, при размыкании в результате пробоя межконтактного промежутка возникает искровой разряд. Он характеризуется очень малой длительностью (10^-4 – 10^-8 с), высокой плотностью тока (10⁶ – 10⁹ А/см²) и высокой температурой в канале разряда (10⁴ – 10⁵ ºС). Локальный перегрев поверхности у концов разрядного канала приводит к эрозии контакта. Для увеличения срока службы контактов применяют искрогасящие схемы, магнитное дутье и специальные конструкции контактов.

Схемы искрогашения (рис. 3.8) снижают перенапряжение, возникающее на контакте в момент размыкания цепи реле. Искровой разряд возникает при напряжении 270-300 В, поэтому обычно достаточно снизить перенапряжение до 200 В. В схемах (рис 3.8, а-г) искрогасящие контуры включены параллельно контакту. Эффект искрогашения объясняется тем, что в момент размыкания контакта благодаря ЭДС самоиндукции в обмотке реле возникает экстраток размыкания i_э, который протекает по искрогасящему контуру (см. рис. 3.8, а). Поэтому в момент ток убывает более плавно, и уменьшаются производная и амплитуда перенапряжения (штриховые линии на рис. 3.5, б). Энергия, накопленная в индуктивности реле, расходуется на экстраток размыкания, а не на электрический пробой межконтактного промежутка.

Рис. 3.8. Схемы искрогашения

В схеме (см. рис. 3.8, а) эффект искрогашения тем больше, чем меньше сопротивление резистора R. Недостаток схемы – расход энергии при выключенном контакте. В схеме (см. рис. 3.8, б) эффект искрогашения тем больше, чем больше емкость конденсатора C. При замыкании контакта конденсатор разряжается через контакт, чем ухудшаются условия работы контакта на замыкание. Недостатки предыдущих двух схем отсутствуют в схеме (см. рис. 3.8, в). Эффективным и экономичным является применение нелинейного резистора – варистора (см. рис. 3.8, г), сопротивление которого резко уменьшается при перенапряжении.

В схемах (рис. 3.8, д-к) искрогасящие контуры включены параллельно обмотке реле. Эффект искрогашения аналогичен, но исзменяется путь для экстратока размыкания (см. рис. 3.8, д). Недостатком этой схемы является уменьшение общего сопротивления нагрузки. В схеме (см. рис. 3.8, е) при размыкании контакта конденсатор разряжается через обмотку реле. Недостаток схемы – большой зарядный ток конденсатора при замыкании контакта. Это ухудшает условия работы контакта на замыкание и питающей батареи. Схема (см. рис. 3.8, ж) устраняет эти недостатки. Широко используют схему (см. рис. 3.8, к), в которой диод выполняет функции варистора. При замыкании контакта он включен в обратном направлении и не влияет на процесс срабатывания реле, а при размыкании контакта он включен в проводящем направлении для экстратока размыкания. Эти схемы влияют также на временны́е параметры реле.

Рис. 3.9. Контакт с магнитным дутьем

Искрогашение с помощью магнитного дутья основано на принципиально другом подходе. Здесь воздействуют непосредственно на дугу и искру. Усиленный металлокерамический контакт с магнитным дутьем реле НМПШ-1000 (рис. 3.9) коммутирует пусковые цепи стрелочного электродвигателя большой мощности: постоянного тока 8 А при напряжении 220 В или переменного тока 12 А при напряжении 220 В. В пространстве между контактами 1 и 3 укреплен постоянный магнит 2. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно траектории ионизированных частиц дуги. В результате чего на дугу, как на проводник с током, в магнитном поле, действует механическая сила; она “размывается” (гасится). Чем сильнее магнитное поле, тем больше эффект искрогашения. В данном случае постоянный магнит обеспечивает магнитный поток не менее 2ּ10^-5 Вб.

Возможно также достичь эффекта искрогашения, помещая контакт в герметичный баллон с вакуумом или инертным газом. Этим исключается возможность появления искровых и дуговых разрядов. Срок службы у герметизированных контактов (герконов) может доходить до 10⁸ – 10⁹ замыканий, т.е. на два-три порядка больше, чем у обычных контактов. Специальные конструкции герконов обеспечивают коммутацию цепей с токами в сотки ампер и мощностью в десятки киловатт.

3.5. Герметизированные контакты

В устройствах автоматики и связи широко применяю герконовые (язычковые) реле. Они состоят из катушки 3, внутри который расположен герметизированный магнитоуправляемый контакт (рис. 3.10). Этот контакт представляет собой два электрода (пружины) 2 и 4 из магнитомягкого ферромагнитного материала (обычно пермаллоя), которые впаяны в стеклянный баллон 1 с инертным газом или вакуумом (133,322ּ10^-3 – 133,322ּ10^-6 Па). Под действием магнитного поля катушки с током электроды притягиваются друг к другу и замыкают управляемую цепь. Их конца, выполняющие функцию электрического контакта, покрывают золотом, палладием или родием. При отключении обмотки контакт размыкается упругостью пружин.

Рис. 3.10. Герконовое реле	Рис. 3.11. Герсикон

Достоинством магнитоуправляемого контакта является быстродействие (0,3 – 5 мс), большой срок службы (до 10⁸ преключений), стабильность электрических параметров, малые размеры. Недостатками – ограниченность числа контактов в одном баллоне, дребезг контактов, подверженность влиянию внешних магнитных полей. На базе магнитоуправляемого контакта выпускают малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные реле РЭС. Если рядом с баллоном расположить постоянный магнит, то получают поляризованный магнитоуправляемый контакт, а при изготовлении электродов из магнитотвердого материала – герметизированный запоминающий контакт (гезакон). В последнем случае после выключения обмотки контакт остается замкнутым под действием остаточного магнитного потока и размыкается после подачи в обмотку тока обратного направления.

Для коммутации мощных рабочих цепей электродвигателей используют герметизированные силовые контакты (герсиконы). Контакты 6 и 7 (рис. 3.11) размещены в герметичном керамическом корпусе 5, заполненном защитным газом. Магнитная система содержит обмотку 2, сердечник 3, полюсы 1, 4 и якорь из контактно 8 и ферромагнитных 9 пластин. Упругая деформация контактной пластины 8 обеспечивает возврат якоря в исходное положение после отключения электромагнита. Контакты герсикона (серия КМГ12) изготовляют из вольфрама с высоким коммутационным ресурсом (до 10⁷ переключений при размыкании цепей мощностью 1,1 кВт) и способны коммутировать цепи с максимальным током 180 А и с максимальной мощностью 68 кВт.

Рис. 3.12. Магнитоуправляемый контактрон	Рис. 3.13. Реле ИВГ: 1 – ярмо; 2 – геркон; 3 – обмотка; 4 – сердечник

Повышенный срок службы (до 10¹⁰ переключений) и бездребезговую коммутацию обеспечивает применение жидкометаллических магнитоуправляемых герметизированных контактов (контактронов). Контактрон (рис. 3.12) отличается от обычного “сухого” геркона тем, что в баллоне, заполненном инертным газом, находится определенное количество ртути Р. Под действием управляющего магнитного поля подвижный общий О контакт перемещается, размыкая тыловой Т и замыкая фронтовой Ф контакты. Ртуть под действием сил поверхностного натяжения по специальному капилляру (“канавке”) поднимается вверх и образует на контактах тонкую пленку. Это обеспечивает высокую стабильность переходного сопротивления контактов, отсутствие дребезга и сваривания. На базе контактрона построено реле ИВГ (рис. 3.13), применяемое в устройствах железнодорожной автоматики.