Încălzirea contactelor electrice • Temperatura pieselor de contact este un indicator important al bunei comportări a acestora în funcţionare, deoarece zona contactelor electrice nu trebuie să devină « sursă termică » pentru circuitul în care sunt incluse sau pentru componente ale AEC • Diferenţa de temperatura între un contact electric şi calea de curent aferentă trebuie să nu depăşească 5°C • supratemperatura în zona unui contact electric, se poate evalua folosind relaţia:
2 U ϑ c= c 8⋅λ ⋅ρ
Încălzirea contactelor electrice •
O relaţie mult utilizată, pentru a defini temperatura absolută a unui contact electric, Tc :
Tc =
2 c
U + To2 4L
•
unde Uc reprezintă căderea de tensiune pe contact, L = 2,42 · 10^(-8) [V/ K^2], constanta lui Lorentz, iar T0 – temperatura absolută a căii de curent pe care este amplasat contactul electric
•
Se constată că în practică, măsurarea directă a rezistenţei de contact în timpul funcţionării este dificilă,
•
Se poate aprecia totusi comportarea contactului electric prin măsurarea căderii de tensiune pe contact, Uc, ce oferă informaţii cu privire la temperatura acestuia
Variaţia rezistenţei de contact cu temperatura •
•
Dacă se trasează curba ce descrie dependenţa rezistenţei de contact, Rc, cu temperatura (supratemperatura), , aceasta din urmă în fond echivalentă oarecum cu valoarea căderii de tensiune pe contact, Uc Valoarea ϑ1 a supratemperaturii contactului corespunde « înmuierii » proeminenţelor microscopice ale suprafeţelor de contact, respectiv unei valori limită a căderii de tensiune pe contact, U c lim, depinzând de natura materialului pieselor de contact (90 [mV] pentru contacte din cupru şi respectiv 120 [mV] pentru contacte din argint)
Caderea de tensiune admisibila pe contactele electrice •
Incalzirea contactelor electrice poate fi controlata macroscopic prin caderea de tensiune pe contact, Uc, astfel ca pentru contactele de curenţi nominali de valoare redusă se accepta valori: Uc adm = (0,1 – 0,5) Uc lim
•
în timp ce pentru contactele de curenţi nominali de valoare mare se impune: Uc adm = (0,5 – 0,8) Uc lim
Factori de influenta asupra încalzirii contactelor •
O relatie care identifica factorii de influenta asupra încalzirii contactelor electrice,scrisa pentru contactul elementar, este:
Fc Fco = = n •
I o2 ⋅ π ⋅ H W ⋅ L To 2 2 16 ⋅ λ ⋅ (arccos ) Tc
Care permite evaluarea lui « n »:
In n= = Io
π ⋅ L ⋅ H W ⋅ I 2n
To 2 16 ⋅ λ ⋅ Fc ⋅ (arccos ) Tc 2 2 2 π ⋅ ρ ⋅ I n ⋅ σ str π ⋅ ρ ⋅ σ str 2 m −1 n= 2 n= ⋅ Fc 2 4 ⋅ Fc ⋅ U cadm 4⋅C 2
Comportarea contactelor electrice în regim de defect •
Se evaluează o valoare maximă a curentului, care parcurgând contactul electric elementar ar produce topirea-lipirea-sudarea pieselor de contact, care trebuie să fie superioară valorii maxime a curentului de defect:
I o max •
I sc max = n
Curentul care la limita provoaca topirea-lipirea pieselor de contact:
U ctop = R co ⋅ I t∞ I t∞ = 4 ⋅ a ⋅
2 U ctop
I t∞
ρ t ⋅ I t∞ 2 2 = , ϑ top = , a t = 1,5 ⋅ a π⋅at 8⋅λ ⋅ρ
3 ⋅ λ ⋅ ϑ top ρt
I t∞ > I o max
Comportarea contactelor electrice în regim de defect •
Daca:
I t∞ > I o max • •
functionarea contactului în regim de defect nu pune probleme termice. Daca însa conditia nu este îndeplinita, se tine seama de faptul că defectul ce poate deteriora contactul electric nu durează un timp infinit, ci un timp finit, τ, până la deconectarea scurtcitcuitului de exemplu, astfel încât se calculează un indicator η si final Itop:
a c⋅γ η= ⋅ 2 ρt ⋅ τ
I top = I t∞ ⋅ F(η) > I t∞
I top > I o max
η 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,4 • • • • • • • • • F(η) 1 1,4 1,7 2,5 3,5 4,5 5,5 6,7 8 9,2
Comportarea contactelor electrice în regim de defect •
•
Vibratia contactelor în regim de defect se datoreaza unor forte electrodinamice de scurtcircuit, Fsc, ce ar putea depasi forta de apasare pe contact, Fc. La limita de egalitate se defineste curentul de vibratie, Iv: Fsc = Fc ,
µo 2 Sac R µo 2 Fc = ⋅ I v ⋅ ln = ⋅ I v ⋅ ln 4⋅π a 8⋅ π S rc Iv =
•
8 ⋅ π ⋅ Fc Sac µ o ln S rc
conditia de evitare a vibratiilor fiind: Imax < Iv unde Sac si Src reprezinta suprafetele aparente si reale de contact
Vibratia fina si bruta a contactelor electrice • Problema vibraţiei contactelor electrice, chiar la funcţionarea normală, ce se poate manifesta ca vibraţie « fină » sau ca vibraţie « brută », • Vibratia se refera la ciocnirea dintre piesele de contact la conectare • Primul tip de vibratie se rezolvă prin plasarea contactului fix pe un resort elastic • Al doilea tip de vibratie se elimina prin alegerea riguroasă a constantei elastice a resortului (fata de o valoare limită de calcul), dar şi prin divizarea pieselor mobile de contact, cea mediană, mai lungă de obicei, fiind astfel predispusă uzurii pe seama acţiunii arcului electric de comutaţie.
Vibratia fina a contactelor electrice • •
Intervine pe seama ciocnirii (reale) a piesei fixe de contact, de masa M, de catre piesa mobila de contact, de masa m. Energia initiala W1 a piesei mobile de contact, care ciocneste cu viteza v piesa fixa de contact, se regaseste ca suma dintre energia cinetica si energia de deformare elastica a acesteia:
m ⋅ v2 W1 = + F⋅δ 2
•
Energia piesei mobile de contact dupa ciocnire (de « restituire »), W 2, va fi:
W2 = α ⋅ W1 , •
Conditia de eliminare a vibratiei fine se scrie:
•
Sau sub forma echivalenta:
m ⋅ v2 α⋅( + F ⋅ δ) > F ⋅ δ 2
F⋅δ α > , α << 1 2 m⋅v 1− α 2
Vibratia fina a contactelor electrice • Având în vedere inegalitatea anterioara:
F⋅δ α > , α << 1 2 1− α m⋅v 2 • Vibratia fina se poate elimina prin: -
cresterea fortei F de apasare pe contact, care creste gabaritul AEC
-
scaderea vitezei v a contactelor mobile la închidere (Arc electric la conectare ?)
-
scaderea masei m a contactului mobil, definita de In si de considerente de uzura a contactelor (divizarea acestuia!)
• Solutia obisnuita este divizarea pieselor mobile de contact si plasarea contactelor fixe pe resorturi elastice, cu conditia ca atingerea acestora sa intervina simultan, atât la conectare cât si la deconectare
Vibratia bruta a contactelor AEC •
Cauza o reprezinta tocmai plasarea contactelor fixe pe un resort elastic, modelul de studiu fiind contactele unui întrerupator cu aer comprimat
•
Corespunzator acestui model fizic si modelului mecanic alaturat, ecuatia de miscare a pieselor de contact dupa atingere se scrie:
2⋅h ⋅F (M + m) ⋅ x + C ⋅ x = F, x (0) = v o = , M
C ω = M+m 2 o
Vibratia bruta a contactelor AEC •
Ecuatia de miscare a contactelor care se ating se scrie si sub forma:
F x + ω ⋅ x = M+m 2 o
•
Prin utilizarea transformatei Laplace, cu considerarea conditiei initiale (v o), aceasta devine:
1 F p ⋅ X(p) − p ⋅ x (0) − x (0) + ω ⋅ X(p) = ⋅ p M+m 2
•
2 o
Cu solutia:
F 1 2⋅F⋅h 1 X ( p) = ⋅ + ⋅ 2 2 2 M + m p ⋅ ( p + ωo ) M p + ωo2 •
Care corespunde expresiei x(t):
F 1 1 2⋅F⋅h x(t) = ⋅ 2 ⋅ (1 − cos ωo t ) + ⋅ ⋅ sin ωo t M + m ωo ωo M
Vibratia bruta a contactelor AEC •
Solutia x(t) se poate scrie sub forma echivalenta:
x ( t ) = x s (1 − cos ωo t ) + 2 ⋅ h ⋅ x s ⋅ (1 + ε) sin ωo t x ( t ) = x s + x s2 + 2 ⋅ h ⋅ x s ⋅ (1 + ε) ⋅ sin(ωo t − θ) •
Unde s-a notat:
F xs = , C •
ε=
m , M
θ = arctg
x s2 + 2 ⋅ h ⋅ x s ⋅ (1 + ε) xs
Ce evidentiaza valorile limita pozitive si negative pentru x(t):
x + = x s + x s2 + 2 ⋅ h ⋅ x s ⋅ (1 + ε)
x − = x s − x s2 + 2 ⋅ h ⋅ x s ⋅ (1 + ε) < 0
Vibratia bruta a contactelor AEC •
•
Corespunzator valorilor negative pentru x(t) apare posibilitatea desprinderii pieselor de contact, care nu se produce daca forta de legatura dintre acestea, Fp, are valori pozitive Pentru a evalua forta de legatura, Fp dintre cele doua piese de contact, se scriu relatiile:
M ⋅ x = F − Fp
m ⋅ x = Fp − C ⋅ x •
Rezultând:
•
care pentru valoarea x(t) maxima negativa, x-, definita anterior, conduce la conditia de eliminare a vibratiei brute, scrisa sub una din formele:
m ⋅ F + M ⋅ C ⋅ x(t) Fp = >0 M+m
m ⋅ F + M ⋅ C ⋅ x s − M ⋅ C ⋅ x + 2 ⋅ h ⋅ x s ⋅ (1 + ε) > 0 2 s
F ⋅ ε ⋅ (ε + 2) C< 2 ⋅ h ⋅ (1 + ε)
Uzura contactelor electrice •
Funcţionarea AEC implică conectări şi deconectări repetate, la gol, la curentul nominal sau, în situaţii de defect, pentru funcţionalitatea de întrerupător, deconectări ale curenţilor de scurtcircuit
•
Uzura contactelor electrice în functionare, impune practic un anumit număr de manevre (conectare – deconectare), N, considerat chiar în etapa de proiectare a acestora; în prezent se monitorizeaza comportarea contactelor electrice, considerând numar de manevre în diferite situatii pentru a defini mentenanta acestor componente de baza ale AEC
•
Uzura contactelor AE se poate manifesta sub diferite aspecte : - Ca uzură mecanică ; - Ca uzură electrică ; - Ca uzură chimică.
Uzura contactelor electrice •
Uzura mecanică a contactelor electrice este provocată de ciocnirile repetate ale pieselor de contact, datorate proceselor de conectare, accentuată de încălzirea cauzată de acţiunea arcului electric de comutaţie, mai ales la frecvenţe de conectare mari
•
Uzura electrică a contactelor AEC se referă în principal la transferul de material între piesele de contact, datorită trecerii curentului electric, favorizată desigur prin manifestarea arcului electric de comutaţie . Uzura electrică are cea mai mare pondere în fenomenele de uzură a contactelor
•
Uzura chimică se referă la fenomenele de oxidare sau de coroziune a pieselor de contact (la funcţionarea în medii agresive), ce are ca efect de asemenea alterarea calităţii contactelor electrice. Aceste efecte pot fi diminuate dacă se apelează la construcţii protejate, etanşe, pentru AEC destinate să funcţioneze în asemenea condiţii
Uzura contactelor electrice •
Fenomenele de uzură a contactelor se referă mai ales la piesele mobile de contact, putând afecta, pentru o piesa mobilă de contact de volum Vc, un volum V = (0,4 – 0,6) Vc
•
Uzura mecanica a contactelor este definita prin masa de contact expusa uzurii, folosind relatia:
∆m mec • • • • • • •
F ⋅ Lc ∆m mec = k⋅ ⋅ N, ∆Vmec = H γ
Unde: K=(0,05-300) este o constanta de material F-forta de apasare pe contact LC-cursa contactului mobil expus uzurii H-duritatea Brinell a materialului contactului γN-numarul de manevre (durata de viata a contactului) -densitatea materialului de contact
Uzura electrica a contactelor • Uzura electrica a contactelor AEC este cel mai important aspect al uzurii. • • • • • •
Principalii factori de influenta sunt: Valoarea curentului întrerupt Timpul de întrerupere Natura materialului pieselor de contact Durata de viata a contactului Natura curentului ce parcurge contactul (cc sau ca) Pentru contacte electrice de curenti nominali mici (sub 100 A), aprecierea uzurii electrice poate apela la relatia:
∆Vel = k e ⋅ Q ⋅ N •
Unde: ke este o constanta depinzând de materialul contactului, cu valori de 0,001[mm3/C] pentru Cu sau de 0,0003 [mm3/C] pentru Ag • Q= τ I⋅dt sarcina electrica vehiculata prin zona de contact la întrerupere ∫0 • N-numarul de manevre pentru contactul respectiv (durata de viata)
Uzura electrica a contactelor •
O alta relatie ce permite evaluarea uzurii electrice a contactelor la curenti mici este:
γk ⋅Q ∆Vel = ⋅N γ
•
în care Q este sarcina electrica vehiculata prin contact la întrerupere, N -numarul de manevre pentru contactul respectiv, γ reprezintă densitatea materialului pieselor de contact iar γ = (3,6 − 20) ⋅10 −9 [Kg/C], un coeficient k de uzura ce depinde de natura materialului pieselor de contact
•
In domeniul curentilor nominali de valori mai mari de 100 [A], uzura electrica a contactelor se evalueaza cu ajutorul relatiilor:
∆m el = k ⋅ I 2 ⋅ N ⋅10 −12 (Kg) ∆m el = k o ⋅ I α ⋅ t într ⋅ N, α > 1 k=(0,2-0,7) pentru Cu si k=(0,05-0,3) pentru Ag, la curenti sub 400 A
Uzura contactelor AEC •
Uzura chimica a contactelor electrice este mai greu de apreciat folosind relatii de calcul, dar se diminueaza pentru constructii capsulate si etanse ale AEC
∆V = ∆Vmec + ∆Vel + ∆Vch = β ⋅ ∆Vel , β > 1
•
•
In practica se evalueaza în principal uzura electrica, iar pentru situatiile în care intervine cu pondere importanta si uzura chimica sau uzura mecanica, se considera ponderea acestora pe totalul uzurii contactelor electrice considerate
Uzura contactelor electrice depinde si de valoarea inductiei magnetice, definindu-se un domeniu de minim pentru uzura electrica pentru B=0,01 [T], asa cum sugereaza curbele alaturate, trasate pentru acelasi numar de manevre, dar la valori diferite ale curentului ce parcurge contactul respectiv
Uzura contactelor alunecatoare •
Se considera un model de contact alunecator realizat cu un disc metalic de raza R, ce se roteste cu viteza unghiulara ω, pe care este apasata o patina de contact, la raza r, cu o forta de apasare Fc, ansamblul fiind parcurs de curentul I.
•
Incalzirea care deranjeaza functionarea contactului considerat este realizata ca în cazul contactelor clasice, pe seama caderii de tensiune pe piesele de contact, Uc, care este asociata cu puterea Pc, dar si pe seama pierderilor prin frecare, ce depind de forta de apasare pe contact, Fc dar si de coeficientul de frecere dintre piesele de contact, µ: 2 U ce U c2 PΣ = = + ε ⋅ µ ⋅ Fc ⋅ ω ⋅ r , Rc Rc
R c = C ⋅ Fc− m , U c = R c ⋅ I
Uzura contactelor alunecatoare •
Caderea echivalenta de tensiune pe contactul alunecator, U ce, este definita de relatia: 2 2 1+ m C ⋅ I + ε ⋅ µ ⋅ ω ⋅ r ⋅ C ⋅ F 2 c U ce = U c2 + ε ⋅ µ ⋅ ω ⋅ r ⋅ R c ⋅ Fc = Fc2 m
•
Considerând expresia de mai sus ca o functie de Fc=x, se obtine:
A + B ⋅ x 1+ m 2 2 f (x) = , A = C ⋅ I , B = ε ⋅ µ ⋅ ω ⋅ r ⋅ C, Fc = x 2m x • •
Curba f(x) prezenta un punct de minim 2 Uzura va fi proportionala cu U ce si pentru o valoare admisibila data, va impune valori Fc asa cum se observa in figura alaturata Este cazul contactului perie-colector
Materiale pentru contactele electrice • Cerintele impuse materialelor pentru contactele electrice sunt contradictorii, rezistivitate electrica mica cu temperatura de topire ridicata, duritate mare a materialului, sudabilitate minima etc. • Realizarea contactelor este un compromis, atât ca material cât si ca forma • Materialele cele mai uzuale sunt Cu si Ag, cu rezistivitate mica dar improprii datorita calitatilor mecanice slabe (duritate, sudabilitate, temperatura de topire si de volatilizare etc.) • Se accepta adaosuri la materialele de baza: Be si Cr pentru sudabilitate si duritate, W pentru contactele tulipa ale AEC de ÎT (desi creste rezistenta !) • Sunt cercetari cu privire la contactele metalo-lichide • Se remarca in ultima perioada calitatea contactelor din mùateriale sinterizate, realizate prin tehnologii speciale, cu doua, trei sau mai multe materiale de baza (Cu+W sau Ag+Cu+W), ale caror calitati se mentin in produsul final, spre deosebire de aliajele metalice (care nu au proprietatile componentelor)