Зависимость контактного и переходного сопротивления от силы контактного нажатия для электрических контактов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ МЕХАТРОНИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Лабораторная работа №8

по дисциплине

«Электрические и электронные аппараты»

Выполнил:

Студенты гр. ЭМ-26

Проверил:

Абрамов Е.Ю.

Новосибирск 2013

Цель работы: исследование зависимости контактного и переходного сопротивления от силы контактного нажатия для электрических контактов.

1. Основные теоретические сведения

Электрическим контактом называется место соприкосновения двух (или нескольких) проводников, обеспечивающее протекание электрического тока при наличии источника электродвижущей силы. Поверхности проводников, соприкасающиеся друг с другом и обеспечивающие переход тока из одного проводника в другой, называются контактными поверхностями.

Электрические контакты при коммутации электрических цепей работают в самых различных условиях, пропуская токи от долей микроампера до тысяч и десятков тысяч ампер. Естественно поэтому, что конструкция, форма, размеры контактных поверхностей, материалы, применяемые для их изготовления, могут быть самыми разнообразными. Электрические контакты принято разделять на три вида: неподвижные, скользящие и разрывные.

Неподвижные контакты либо вовсе не коммутируют ток, создавая постоянное соединение, либо коммутируют его редко. К неподвижным контактам относят неразъемные (сварные, паяные) и разъемные (зажимные, штепсельные) контакты. Характерной особенностью неподвижных сварных и паяных контактов является отсутствие заметного износа и длительный срок службы.

Незначителен износ и зажимных контактов, чего нельзя сказать о штепсельных контактах, имеющих ограниченный срок службы.

Скользящие контакты обеспечивают непрерывную коммутацию тока между подвижной и неподвижной частями электрических машин, аппаратов и приборов. К скользящим контактам относятся, например, коллектор, кольца и щетки в электрических машинах, обмотки и ползунки в реостатах и потенциометрах. Скользящим контактам электрических машин свойственны непрерывное трение и быстрый износ контактирующих поверхностей.

Разрывные контакты периодически коммутируют цепи электрического тока -- производят их замыкание, размыкание, переключение. для разрывных контактов характерна работа в сложных условиях замыкания и разрыва электрической цепи. При этом, как правило, возникает дуговой или искровой процесс, что ведет к постепенному разрушению материала контактных поверхностей.

В данной лабораторной работе интерес для нас представляют коммутирующие контакты. Остановимся более подробно на разрывных контактах. Электрические контакты предназначенные для коммутации электрических цепей, исходя из характера соприкосновения, обусловленного геометрической формой контактирующих проводников, условно можно разделить на три вида:

Точечный электрический контакт - электрический контакт, в котором соприкосновение происходит в одной точке или практически по поверхности очень малого радиуса: сфера - сфера, сфера - плоскость, вершина конуса - плоскость;

Линейный электрический контакт - электрический контакт, в котором соприкосновение происходит по линии или практически очень узкой поверхности: цилиндр - цилиндр, цилиндр - плоскость, имеют две или более точек касания;

Поверхностный электрический контакт - электрический контакт, в котором соприкосновение происходит по совокупности отдельных мест касания: плоскость - плоскость, имеют минимум три точки касания;

Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических контактов по торцам. Предположим что имеется только одна площадка касания, имеющая форму круга с радиусом а (Рисунок 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Соприкосновение поверхностей контактов

электрический контакт сопротивление зависимость

В результате стягивания линий тока к площадке касания их длина увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически проходит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопротивления. Сопротивление в области площадки касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, называется переходным сопротивлением стягивания контакта. Учитывая что область стягивания линий тока мала по сравнению с размерами контакта, реальные контакты можно заменить полубесконечными телами с удельным сопротивлением с. Для такой идеализированной картины переходное сопротивление определяется выражением (1)

R_CT = (1)

C точностью до 5% эта формула справедлива, если диаметр контакта превосходит в 15 и более раз диаметр площадки касания. Радиус а при пластической диформации можно найти с помощью формулы (2)

р• = (2)

где Р_конт - сила контактного нажатия, Н; у - временное сопротивление на смятие материала контактов, Н/м².

Из (1) и (2)

R_CT = = (3)

е - коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактов, Ом*кг (приводится в справочниках).

В многоточечном контакте, как мы уже выяснили, ток проходит через несколько контактных переходов, соединенных параллельно. Поэтому его переходное сопротивление при неизменном нажатии меньше, чем у одноточечного контакта. Однако нажатие в каждой контактной площадке уменьшается. Переходное сопротивление многоточечного контакта выражается уравнением (4), полученным экспериментально:

R_CT = (4)

Где m - коэффициент, зависящий от конструкционных особенностей контактной системы: для одноточечных - m = 0,5 , для линейных - m = 0,5..0,8, для поверхностных - m = 1,0.

Следует отметить что переходное сопротивление контактов обусловлено не только явлением стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контакты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверхности могут возникать пленки с высоким удельным сопротивлением (до 10⁴ Ом*м). Таким образом, результирующие переходное сопротивление контактов R_конт может быть представлено как сумма сопротивления R_ст и сопротивления пленок R_пл (5).

R_КОНТ = R_СТ + R_ПЛ (5)

В процессе работы переходное сопротивление контактов не остается постоянным. Под воздействием кислорода, других агрессивных газов, повышенной температуры интенсивность образования пленки растет. При этом переходное сопротивление контакта, падение напряжения на нем и его температура возрастают. При определенных значениях напряжений и температуры происходит электрический пробой пленки, после чего сопротивление контакта падает. Это явление называется фриттингом.

Материалы для контактов выбирают обращая внимание на такие аспекты как: электрическая проводимость и теплопроводность, коррозийная стойкость в воздушной и других средах, стойкость против образования пленок с высоким электрическим сопротивлением, малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия, высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях, малая эрозия, высокая дугостойкость (температура плавления), простата обработки, низкая стоимость.

В большинстве случаев применяют: медь, серебро, алюминий, вольфрам, никель, кадмий, олово, графит, металлокерамические материалы, а так же благородные металлы. Благородные металлы, не подвергаюсь окислению, способны коммутировать электрический ток даже при незначительных усилиях сжатия. Такие металлы, как платина, иридий, палладий, золото и их сплавы обеспечивают надежный контакт при незначительных контактных давлениях. Они наиболее приемлемы для получения устойчивого контактного сопротивления.

Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выключаясь, выполняются, как правило, из серебра или металлокерамики на основе серебра. Общее свойство последних - уменьшение контактного сопротивления при росте температуры, и увеличение силы сжатия.

2. Описание схемы лабораторной установки

Схема для исследования переходного сопротивления контактов представлена на рисунке 2. В ее состав входят: автоматический выключатель FA1; автотрансформатор Т1; выключатели SA1 и SA2; контакторы КМ1, КМ2, КМ3; нажимное устройство; лампs HL1, HL2, HL3; выпрямитель VD1; переключатель S1; кнопка SB2; амперметр; милливольтметр.

Автоматический выключатель FA1 стоит на входе схемы и защищает питающую цепь от короткого замыкания, при появлении которого, отключает схему. При включении FA1 загорается лампа - индикатор HL1, сигнализирующая о подаче на вход схемы электропитания. Кнопкой SB2 включается контактор КМ1и при помощи выключателя SA1(положение «Вниз») подвижный стол нажимного устройства устанавливается в крайнее нижнее положение. В гнезда нажимного устройства устанавливается выбранная пара контактов. После чего опять же выключателем SA1 подвижный стол поднимается в верхнее положение, так чтобы, маленькую стрелку индикатора нажимного устройства установить на цифру «1», а большую близко к «0». К гнездам XS3 и XS4 и контактам нужно присоединить потенциальные провода XP3 и XP4. Далее переключателем S1 включается контактор КМ2, после чего необходимо включить SA2 и установить автотрансформатором Т1 ток в цепи 15 А. После того как стенд готов к проведению измерений, выключателем SA1 нужно установить величину нажатия 20Н (показания малой шкалы индикатора «2») и записать в таблицу усилие нажатия и показания милливольтметра mV. Данная операция выполняется для усилия нажатия 40Н, 60Н, 80Н, 100Н. Следует отметить что после смены величины усилия нажатия, ток в цепи изменит свое значение (из за изменение величины переходного сопротивления), которое опять же надо выставить равной 15 А. После чего выключатель SA2 отключается, подвижный стол опускается в крайнее нижнее положение, меняется пара контактов, и все проделанные операции повторяются.

Рисунок 2. Схема для исследования переходного сопротивления контактов

3. Эксперимент

В работе исследовали три пары контактов: медь - медь, серебро - серебро, сталь - сталь. Экспериментальные данные занесены в таблицы 1,2,3. Отметим что в таблицу заносились как напряжения как при увеличении усилия нажатия так и при его уменьшении. Ток в цепи 15А.

Таблица 1. Медь - медь