Электрические аппараты и схемы локомотивов

 

Лекция 1 

Общие сведения об электрических аппаратах локомотивов. Электромагнитные и электропневматические контакторы

 

Электрические аппараты, устанавливаемые на тепловозе, можно разделить по функциональному назначению на несколько групп: коммутационные, регулирования, управления, защиты, контроля и вспомогательные.

К коммутационным аппаратам относятся поездные контакторы, реверсор, тормозной переключатель, контакторы ослабления возбуждения, выключатель батареи и др. Коммутационные аппараты предназначены для выполнения переключений в силовых электрических цепях.

Аппараты управления осуществляют различные функции управления электрическими цепями передач тепловозов. К аппаратам управления относятся реле, регуляторы, контроллеры, кнопочные выключатели и др. Напряжение цепей управления на тепловозах 75 или 110 В.

Аппаратура регулирования включает в себя ряд аппаратов, основное назначение которых — создание гиперболической характеристики, а также ограничение напряжения и тока тягового генератора. На современных тепловозах система регулирования тягового генератора предусматривает систему замкнутого автоматического регулирования мощности, тока и напряжения. Основными элементами системы являются амплистат, трансформаторы постоянного тока и напряжения, селективный узел, в котором используются полупроводниковые кремниевые выпрямители, индуктивный датчик. На тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока в системе регулирования нашли применение блоки с использованием тиристоров, магнитных и транзисторных элементов.

Аппараты защиты и контроля реагируют на предельные значения каких-либо параметров или режимов работы (реле заземления, максимального тока, предохранители и др.).

Электрические вспомогательные аппараты (зажимы, соединения, арматура и др.). На подвижном составе электрические аппараты работают в очень тяжелых условиях, так как испытывают вибрации и тряску, значительные колебания температуры, воздействия влаги, пыли, масла. Эти условия работы требуют от конструкции аппаратов высокой степени надежности, исключения самопроизвольного срабатывания аппаратов, высоких антикоррозионных свойств всех элементов электрических аппаратов. Для уменьшения вредных воздействий на аппараты их устанавливают в специальные шкафы (аппаратные камеры), некоторые аппараты устанавливают на амортизаторах, наиболее точные и чувствительные закрывают кожухами, детали из меди или медных сплавов покрывают оловом, красят эмалями и лаками. Детали, изготовленные из черных металлов, оцинковывают или окрашивают.

Электрическим контактом называется место перехода тока из одной детали в другую, а сами детали называются контактами. Контакты делятся на подвижные и неподвижные. К неподвижным контактным соединениям относятся такие, которые в процессе работы не разъединяются (соединение шин, кабельных наконечников, проводов на зажимах и др.). К подвижным контактным соединениям относятся контакты аппаратов, которые в процессе работы разъединяются.

По назначению контакты делятся на силовые (главные), которые, замыкая или размыкая цепь, управляют протеканием в них тока, и на вспомогательные. Вспомогательные контакты служат для обеспечения необходимой последовательности включений или выключений других аппаратов и цепей, а также для сигнализации о выключении или включении цепей. По способу действия контакты делятся на замыкающие и размыкающие.

При обесточенной катушке аппарата замыкающие контакты разомкнуты, размыкающие — замкнуты. По форме соприкасающихся поверхностей различают контакты: точечные, у которых соприкосновение происходит в одной точке или поверхностями малого радиуса; линейные, соприкасающиеся по прямой линии или практически по очень узкой поверхности; поверхностные. В аппаратах тепловозов применяют различные контакты. Клиновые контакты применяют у рубильников, переключателей и в держателях плавких предохранителей. Нож рубильника или металлический колпачок предохранителя входят в пружинящие стойки, упругостью которых создается плотность контакта. Линейные Г-образные контакты применяют для замыкания и размыкания цепей под нагрузкой . Нажимные контакты мостикового типа с двумя разрывами цепи и переключающего типа с одним разрывом применяют в реле, штепсельные —для соединения цепей управления тепловозов, работающих по системе многих единиц.

Основными параметрами, характеризующими работу подвижного контактного соединения, являются: контактное сопротивление, начальное нажатие, конечное нажатие, раствор (разрыв), провал, притирание. Состояние контактного соединения оценивается контактным сопротивлением, которое определяется переходным сопротивлением и сопротивлением поверхностных пленок (где Rк —контактное сопротивление; Rпер — переходное сопротивление; Rn— сопротивление поверхностных пленок).

Переходное сопротивление определяется физическими свойствами материала контактов, состоянием поверхности (микрогеометрией), формой контакта и давлением. На значение сопротивления поверхностных пленок Rnвлияет отношение материала контактов к химическим реакциям, при которых под воздействием температуры, состава атмосферы, вида замыкания образуются поверхностные пленки.

Контактное сопротивление определяет значение допустимого тока. При токе, большем допустимого значения, контакты нагреваются, контактное сопротивление резко возрастает, что может привести к подплавлению или свариванию контактов.

Усилие, создаваемое контактной пружиной, в точке первоначального сопротивления контактов называется начальным нажатием. Усилие, создаваемое контактной пружиной, в точке конечного касания (при полностью включенном контакторе) называется конечным нажатием. Конечное и начальное нажатия определяют значение контактного сопротивления в начале и в конце замыкания контактов. Малое начальное нажатие приводит к увеличению контактного сопротивления в момент касания контактов, что приводит к нагреву и оплавлению контактов, большое начальное нажатие может привести к застреванию подвижного контакта в промежуточном положении.

Конечное нажатие определяет значение контактного сопротивления контактов в замкнутом состоянии, а следовательно, его значение будет определять температуру нагрева контактов.

Раствор — кратчайшее расстояние между контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов в разомкнутом состоянии. Раствор создает необходимый изоляционный промежуток между контактами. Малый раствор может вызвать перекрытие между контактами, большой— увеличивает время срабатывания и может не обеспечить требуемого нажатия.

В процессе включения контактов происходит их относительное скольжение и перекатывание. Это разрушает поверхностные пленки и переносит рабочую точку контактов от .места включения и выключения. Процесс совместного скольжения и перекатывания контактов от точки соприкосновении до конечного рабочего положения называется притиранием контактов. Притирание контактов обеспечивается провалом. Провал — это расстояние, которое мог бы пройти подвижной контакт от момента соприкосновения с неподвижным, если убрать неподвижный контакт.

В контактах аппаратов силовых цепей при разрыве цепи образуется электрическая дуга. Это объясняется следующим. Перед размыканием контактов нажатие резко уменьшается, контактное сопротивление увеличивается, что вызывает сильный нагрев поверхностей соприкосновения контактов. Окружающий воздух нагревается и ионизируется, т. е. становится проводником, а поэтому между контактами, хотя они и не соприкасаются, цепь не разомкнута и ток некоторое время течет через ионизированный воздух. Температура дуги достигает около 3000°С, при горении дуги может произойти оплавление контактов, перенос металла, т. е. дуга вызывает преждевременный выход из строя аппарата. Для ликвидации вредных воздействий образующейся при разрыве контактов дуги аппараты имеют дугогасительные устройства состоящие из катушки  с сердечником , к которому с двух сторон примыкают стальные  полюсы , дугогасительных рогов, и дугогасительной камеры. Гашение дуги основано на законе взаимодействия магнитного поля дуги с магнитным полем дугогасительного устройства. При размыкании контактов между ними возникает дуга. Дуга — это направленное движение электронов, следовательно, вокруг дуги будет магнитное поле. Это поле взаимодействует с полем, создаваемым дугогасительной катушкой так, что дуга выталкивается по направлению к дугогасительным рогам. При выталкивании дуга удлиняется до тех пор, пока не произойдет ее разрыв. Направление выталкивания дуги определяется по правилу левой руки. Чтобы ускорить гашение дуги, в дугогасительных камерах тепловозных контакторов созданы продольные перегородки. Перегородки расщепляют дугу на несколько параллельных пучков, которые, соприкасаясь с холодными перегородками, дополнительно охлаждаются. Дугогасительная камера препятствует перебросу электрической дуги на близко расположенные металлические части. Их изготовляют из асбоцемента, который обладает высокой теплостойкостью и хорошими изолирующими свойствами.

Замыкание или размыкание контактов контакторов или реле связано с их перемещением. Устройство, приводящее в движение подвижной контакт, называется приводом. Приводы могут быть непосредственные (ручные), электромагнитные, электропневматические и электродвигательные. Непосредственные приводы применяются в контроллерах машиниста, рубильниках, выключателях и т. д.

В электромагнитном приводе перемещение подвижной системы создается за счет притяжения якоря  к сердечнику  электромагнита. Магнитный поток, создаваемый катушкой при протекании по ней тока, замыкается через ярмо, сердечник , якорь  и воздушный зазор. Когда цепь катушки аппарата разрывается, якорь перемещается в исходное (выключенное) состояние пружиной 5. Электромагнитный привод получил большое распространение в электрических аппаратах, где требуется небольшой ход подвижной системы и относительно небольшое усилие благодаря простоте и надежности работы.

Там, где требуется большое усилие нажатия при больших перемещениях, применяются пневматические приводы. При перемещениях до 50 мм применяют диафрагменные приводы , где требуются большие перемещения,— поршневые . Принцип работы пневматического привода следующий: пои пуске воздуха в рабочую камеру поршень  перемещает шток  (или диафрагма прогибается, перемещая шток ), связанный с подвижным контактом аппарата, который в конце хода поршня' займет замкнутое положение. При выпуске воздуха под действием пружины поршень переместится вместе со штоком в начальное положение (выключенное), подвижной контакт разомкнет цепь. Такие аппараты, как реверсор, тормозной переключатель, имеют двухпозиционные приводы, т. е. приводы, имеющие два фиксированных положения.

Электромагнитные контакторы на тепловозах применяются в цепи пуска дизеля, возбуждения тягового генератора, возбуждения-возбудителя, вспомогательного генератора, цепи электродвигателя маслопрокачивающего насоса, электродвигателя топливоподкачи-вающего насоса, цепи электродвигателя компрессора и включения вспомогательных машин переменного тока на тепловозах с передачей переменно-постоянного тока.

Электромагнитные контакторы КПВ-604 служат для подключения стартер-генератора или тягового генератора к аккумуляторной батарее во время запуска дизеля. К панели крепится скоба магнитопровода 23. На скобе магнитопровода вверху устанавливается изоляционная пластмассовая колодка 8, к которой крепятся дугогасительная катушка 10, дугогасительная камера 13 с полюсами 12 и неподвижный контакт 15. Дугогасительная камера удерживается плоскими пружинами 14. На втором конце скобы укреплены сердечник 22 с втягивающей катушкой 24. Якорь 20 вставляется в прорезь основной скобы и пружинами прижимается к призме 4. На якоре закреплена скоба 7, несущая подвижной контакт 16 с притирающей пружиной 18. На скобе 23 установлены вспомогательные контакты 2, для их переключения к якорю контактора крепится специальная нажимная пластина 3.

При подаче напряжения на катушку 24 к ее сердечнику притягивается якорь 20, и подвижной контакт, закрепленный на якоре, замыкается с неподвижным. Одновременно нажимная пластина 3 производит переключение вспомогательных контактов.

Электромагнитные контакторы ТКПМ-111  служат для включения возбуждения возбудителя, электродвигателя топливо-подкачивающего насоса, а электромагнитный контактор ТКПМ-121 — включения возбуждения тягового генератора, электродвигателя маслопрокачивающего насоса, возбуждения стартер-генератора. Конструктивно эти контакторы выполнены аналогично. В отличие от контактора ТКПМ-111 контактор ТКПМ-121 имеет две пары замыкающих главных контактов. Основание 2 контактора выполнено так, что с правой стороны его устанавливается вторая дугогасительная система и неподвижный контакт 6. На якоре 10 контактора также с правой стороны закреплена

вторая изоляционная колодка 9 с подвижным контактом 7. При подаче напряжения на катушку якорь 10 поворачивается вокруг кромки ярма 13, притягиваясь к сердечнику 12. Одновременно замыкаются главные контакты (подвижной 7 с неподвижным 6), и пластина нажимает на траверсу вспомогательных контактов, переключая их.

Электромагнитные контакторы ТКПД-114В предназначены для соединения полюсов цепей аккумуляторных батарей двух секций тепловоза при пуске дизеля, цепи возбуждения тягового генератора и включения электродвигателя компрессора. Контактор собран на изоляционном основании 3, к которому крепятся магнитная и дугогасительная системы. Магнитная система, состоящая из ярма 8, сердечника с катушкой 2 и якоря 10, крепится на кронштейне 9, к которому угольником 11 прикреплены вспомогательные контакты 1. Якорь двумя пружинами 12 прижимается к призме, закрепленной на угольнике ярма. Дугогасительная система закреплена

Электромагнитный контактор КПВ-604:

1 — панель; 2 — вспомогательные контакты; 3 — нажимная пластина; 4 — призма; 5 — пружина; 6 — гибкое соединение; 7, 9, 21 — скобы; 8 — пластмассовая колодка; 10 — дугогасительная катушка; // —сердечник; 12 — полюс; 13 — дугогасительная камера; 14 — пружина плоская; 15 — неподвижный контакт; 16 — подвижной контакт; 11— дугогасительный рог; 18 — притирающая пружина; 19 — возвратная пружина; 20 — якорь; 22 — сердечник; 23 — скоба магнитопровода; 24 — втягивающая катушка

Электромагнитный контактор ТКПМ-111:

1 — планка; 2 —основание; 3 — дугогасительная камера; 4~ дугогасительная катушка; 5 — полюс; б — неподвижный контакт; 7 — подвижной контакт; 8 — пружина главная; 9 — колодка; 10— якорь; 11 —скоба; 12 — сердечник и катушка втягивающие; 13 — ярмо

с помощью скобы и двух пластин. Дугогасительная камера 4 крепится специальными гайками. При отключении аппарата якорь возвращается в исходное положение под воздействием собственного веса.Электропневматические контакторы предназначены для подсоединения тяговых электродвигателей к тяговому генератору. Основные технические данные главных контактов контакторов приведены в табл. 17, вспомогательных — в табл. 18.

На панели / (рис. 62) электропневматического контактора ПК-753 крепится литой кронштейн 2. На кронштейне установлена дугогасительная катушка 3 и неподвижный контакт 4. В нижней части панели / крепится цилиндр 16 электропневматического привода. В цилиндре помещается поршень 15 со штоком 13, поршень отжимается в левое крайнее положение выключающей пружиной 14. Шток привода связан шарнирно с фигурным рычагом 9, к которому крепится изоляционная колодка 10 с подвижными вспомогательными контактами. Подвижной контакт 5 вместе с притирающей пружиной 8 шарнирно связан с рычагом 9. Силовые контакты подвижной и неподвижный закрыты дугогасительной камерой 7 с полюсами 6. Фиксирующая дугогасительную камеру пружинная планка оканчивается дугогасительным рогом. При подаче напряжения на катушку электропневматического вентиля он срабатывает, и сжатый воздух из резервуара управления поступает в цилиндр. Под действием сжатого воздуха поршень 15, преодолевая усилие пружины 14, перемещается вместе со штоком 13 вправо. Конец штока при этом поворачивает фигурный рычаг 9 с укрепленным на нем подвижным контактом 5. Как только силовые контакты сомкнутся, держатель подвижного контакта сжимает притирающую пружину 8 и, поворачиваясь на собственном валике, притирает контактные поверхности. _При вращении рычага 9 перемещается и укрепленная на нем колодка с подвижными контактами (пластинами), которые замыкают вспомогательные контакты 11.

При разрыве цепи катушки вентиля его впускной клапан закрывается, а выпускной открывается и сообщает цилиндр с атмосферой. Под действием выключающей пружины поршень со штоком возвращаются в исходное положение, а главные и вспомогательные контакты разрываются.

Электропневматический контактор ПК-753:

/ — панель: 2 — кронштейн; 3 — дугогасительная катушка; 4 — неподвижный контакт; 5 —
подвижной контакт; 6 — полюс; 7 — дугогасительная камера; 8 — притирающая пружина;
9 — рычаг; 10 — изоляционная колодха; //— вспомогательные контакты; 12 — гибкий шунт;
13— шток; И — выключающая пружина; 15 — поршень; 16 — цилиндр; /7 — электропневма
тический вентиль                              Г

Групповые электропневматические контакторы. Групповые электропневматические контакторы применяются на тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, М62, 2ТЭ116 и служат для подключения параллельно обмоткам возбуждения тяговых двигателей резисторов ослабления возбуждения. Главные контакты групповых электропневматических контакторов рассчитаны на длительный ток 450 А и имеют раствор 6 мм, провал 4 мм, нажатие 2X120 Н, вспомогательные контакты рассчитаны на ток 2 А и имеют нажатие l,l—i,3 H. Групповой электропневматический контактор (рис. 63) состоит из привода, к корпусу которого крепится электропневматический вентиль /.Диафрагмой 9 внутренний объем корпуса   делится на две части, к нижней    подводится воздух от

электропневматического вентиля, а в верхней расположен шток 8, торец которого опирается на диафрагму. К штоку крепятся кон-тактодержатели 2 с подвижными контактами 6 мостикового типа. Неподвижные контакты крепятся к стойкам 3 через пластмассовые изоляционные контактодержате-ли. При включении электропневматического вентиля воздух поступает под диафрагму, диафрагма прогибается и давит на шток, шток перемещается вверх и подвижные контакты замыкаются с неподвижными. Нажатие на контакты создается пружиной 7, одновременно сжимается выключающая пружина 4. При выключении электропневматического вентиля объем под диафрагмой соединяется с атмосферой, и под действием выключающей пружины шток опустится вниз, а подвижные контакты разомкнут ранее замкнутую цепь! Главные контакты групповых электропневматических контакторов выполнены из металлокерамики СОК-15 (15% серебра и 85% окисла кадмия), имеющей низкое переходное солротивление, так как сопротивление резисторов ослаблению возбуждения тяговых двигателей невелико