1

CAPITOLUL 3 – ELEMENTE FOLOSITE IN CONSTRUCTIA APARATELORELECTRICE

3.1. Contacte electrice

Metode de imbinare a contactelor electrice.

Imbinarea intre doua contacte are ca scop realizarea continuitatii circuitului.Imbinarea contactelor se poate realiza in mai multe moduri:

Prin sudare – adica incalzind piesele care trebuie imbinate, in zona lor deimbinare, peste punctual lor de topire;

Prin lipire – folosind un metal( sau aliaj), care are punctul de topire sub cel alpieselor de imbinat, si care, in stare topita, adera bine la aceste piese;

Prin stangere cu suruburi- imbinare mecanica; Prin simpla apasare .

Fig. 1 Metode de imbinare a contactelor electrice:a)- imbinare prin sudura; b) – imbinare prin lipire; c) – imbinare prin strangere cu surub;d) – imbinare prin simpla apasare

Imbinarea prin sudare si cea prin lipire sunt, din punctul de vedere al trecerii curentuluielectric, cele mai bune, dar pot fi folosite numai acolo unde imbinarea are caracterdefinitiv.Strangerea cu suruburi se foloseste acolo unde este necesara o legatura de lunga durata,dar demontabila, a conductoarelor.Imbinarea conductoarelor prin simpla apasare este folosita:

- acolo unde este necesara stabilirea si desfacerea frecventa a legaturii electricedintre cele doua conductoare( aparate de comutatie);

- acolo unde, in conditii normale de serviciu, circuitul electric trebuie mentinutinchis de catre doua organe aflate in miscare unul fata de celalalt(colector siperii, inele de contact si perii).

Imbinarea prin strangere cu suruburi si cea prin simpla apasare a conductoarelor senumesc imbinari prin contact.Suprafata de contact – este suprafata comuna a doua conductoare, prin care se realizeazaimbinarea intre ele in scopul trecerii curentului de la un conductor la altul.

2

Piese de contact( contacte)- elementele de conductor special destinate sa realizeze aceastaimbinare.Rezistenta de contact.Considerand o bara de metal cu sectiune uniforma S si lungimea l, rezistenta acestei bare

se poate calcula cu relatias

lR in care ρ este rezistivitatea materialului.

Daca se taie aceasta bara, se slefuiesc plan suprafetele taiate ,se reface bara punand cap lacap cele doua bucati si se apasa intre ele, se constata ca rezistenta barei, masurata peaceeasi lungime l, este mai mare decat s-a constatat la bara netaiata.La rezistenta R abarei s-a adugat o rezistenta Rc, numita rezistenta de contact, produsa de faptul ca baraeste alcatuita din doua portiuni distincte, separate intre ele printr-o suprafata de contact.Rezistenta de contact este o manifestare nedorita si daunatoare deoarece:

- produce caderi de tensiune suplimentare in circuit;- datorita densitatii mult mai mari a curentului, in zonele de trecere au loc

icalziri locale care limiteaza posibilitatile de folosire a aparatelor.Pentru aceste motive, in constructia aparatelor electrice se urmareste intotdeaunaobtinerea unor contacte bune, cu rezistenta de contact mai redusa.Factorii care influenteaza marimea rezistentei de conact:

Presiunea de contact- o presiune mare are ca efect o scadere a rezistenteide contact;

Marimea suprafetei de contact- cu cat suprafata reala de contact este maimare cu atat rezistenta de contact se micsoreaza;

Starea suprafetei de contact- murdariile, stratul de oxizi impiedica trecereacurentului electric si duc la marirea rezistentei de contact;

Materialul din care este confectionat contactul – cel mai bun materialpentru contacte este considerat argintul deroarece oxizii de argint suntbuni conducatori de electricitate si se pot usor indeparta;

Temperatura contactului- pentru a obtine rezistente de contact mici trebuiefolosite metale dure care sa nu se oxideze usor, sau ai caror oxizi sunt buniconducatori de elctricitate, sau se pot indeparta usor.Trebuie sa se evite oincalzire prea mare a contactelor.

Fig.2. Rezistenta de contact

3

Tipuri de contacte.

Dupa modul de realizare a imbinarii de contact se deosebesc trei tipuri de contacte: Contacte permanente( fixe); Contacte de intrerupere; Contacte de alunecare( glisare)

Contacte permanente – raman totdeuna inchise avand rolul de a realize continuitateacircuitului, se pot realize usor presiuni mari de contact( sudare, lipire, strangere prinsuruburi).Contacte de intrerupere – utilizate pentru stabilirea si intreruperea circuitelor. Legaturadintre conductoare se realizeza practice prin apasarea contactelor cu arcuri sau prinarcuirea materialului din care sunt executate contactele. Se impart in doua categorii:

- contacte de lucru( contacte principalea)- asigura un contact cat mai bun atuncicand sunt inchise, au rezistenta mica de contact si conditii bune de racier;

- contacte de rupere( de stingere) – protejeaza contactele de lucru impotrivauzurii prin arc electric. Rezistenta de contactpoate sa fie mult mai mare.La aparatele care intrerup curenti mari( sute de amperi) contactele de lucru si cele derupere se executa ca piese distincate.La aparatele care intrerup curenti mijlocii, piesa decontact este folosita atat contact de lucru cat si contact de rupere.Contacte de alunecare – stabilesc un circuit electric intre doua piese care se misca unafata de alta( perii si inele colectoare s.a.)

Fig.3. Tipuri de contacte:a)- contact permanent; b) – contact de rupere; c) – contact de alunecare.

Forma contactelor.

Din punct de vedere al aspectului geometric al suprafetei de contact contactele se impartin:

contacte plane( de suprafata); contacte liniare; contacte punctiforme.

4

Contacte plane – necesita presiune de contact cu mult mai mare decat contactele liniaresau punctiforme. Sunt folosite de obicei drept contacte permanente, ofera solutiiconstructive simple si mai sigure. Se folosesc de obicei la imbinarea barelor, la legaturide conducte prin papuci, contacte de lucru la unele separatoare si sigutante.

Fig.4. Contacte de suprafata( plane):a) – legatura intre bare plate; b) – furci de contact pentru separatoare si sigurante.

Contacte liniare- contactul electric se obtine prin presiune si frecare, constituie forma decontact cea mai des intalnita la aparatele de curenti tari.( contacte deget, lalea, perie)

-contacte deget – sunt contacte de presiune si frecare folosite cel maifrecvent in constructia intrerupatoarelor de joasa tensiune in aer si a unorintrerupatoare de inalta tensiune in ulei.Servesc atat drept contact de lucru cat si contactde rupere, deoarece in momentul inchiderii circuitului, contactul deget executa simultano frecare si o rostogolire pe piesa de contact opusa.Contactele deget se executaintotdeauna din cupru tare prin presare la cald in matrite sau prin tairere din profilelaminate, in forma dorita.

5

Fig.5. Contacte deget:a) – degete de contact; b) si c) – ansamble pentru contacte de joasa tensiune; d) – ansamblu de degete

pentru intrerupatoarele de inalta tensiune.

- contacte lalea ( tulipa) – sunt contacte de lucru folosite indeosebi inconstructia aparatajului de inalta tensiune.Sunt formate de obicei din 6-8 contacte dinCu, asezate circular, ca petalele unei lalele, in jurul contactului fix.

Fig. 6. Profiluri ale contactelor ,, lalea”a) – cu contacte deget; b) – cu contacte lamelare; c) – cu contacte in ,,z”.

6

- contacte perie – se obtinprin inmanuchierea unui pachet de foi de materialconductor avand o elasticitate foarte buna.Contactul se realizeaza prinfrecare pe o placa de cupru sau alama.

Fig. 7. Contacte tip perie:a) si b) doua forme diferite de contacte perie.

Contacte punctiforme- contacte de presiune fara frecare la inchidere. Sunt folosite dreptcontacte de intrerupere la curenti de pana la 15 A si tensiuni mici. Se realizeaza subforma unor nituri de contact.

Fig.8. Contacte punctiforme( nituri de contact)

7

Materiale pentru contacte.

Pentru a fi bun ca material pentru contact, un metal sau aliaj trebuie sa satisfacaurmatoarele conditii:

- sa aiba conductivitata electrica si conductibilitatea termica foarte bune, pentrua reduce cat mai mult incalzirea pieselor in contact;

- sa aiba duritate suficienta, pentru a suporta solicitarile mecanice care intervinin functionare si sa permita inlaturarea usoara a impuritatilor de pe suprafatade contact;

- sa nu oxideze sis a nu fie atacat de agenti termici;- temperature sa de topire sa fie inalta, pentru a rezista arcului electric de

intrerupere;- sa fie usor de prelucrat si sa aiba pret redus.

Se constata, insa ca nici unul dintre materialele de contact folosite in present nu satisfacetoate aceste conditii si, de aceea, in practica se folosesc diferite materiale de contact.

- Cuprul – alaturi de argint este unul dintre materialele de contact mai folositeavand urmatoarele proprietati:

Conductivitate electrica si conductibilitate termica foarte buna;Rezistenta de contact redusa, cat si suprafata curate;Rezistenta la aec, la sudare si la uzura mai mare decat argintul.

Marele dezavantaj este acela de a oxida in aer, formand compusi care suntrau conducatori de electricitate si foarte rezistenti mechanic.

-Argintul – are cea mai mica rezistenta de contact sic ea mai mare conductivitateelectrica si conductibilitate termica.Cel mai folosit material de contact

- Aluminiul – se comporta foarte bine in contacte permanente de suprafata dacaau fost luate masuri impotriva oxidarii si coroziunii, si daca presiunea pe contact esteasigurata prin elemente elastice, Nu este indicat pentru contacte de intrerupere fiindputernic atacat de arcul electric de intrerupere.

- Metale nobile – ( platina sau aur) se utilizeza in circuitele de curenti slabi, lacontactele aparatelor utilizate in telefonie si ale releelor.

- Metale dure – ( Wofram) – folosite numai pentru contacte de rupere acolo undese cere rezistenta mare la uzura prin arc electricPentru a se obtine contacte care sa intrunesca cat mai multe dintre calitatile diferitelormetale de contact so sa elimine defectele acestora se combina intre lele metalele decontact prin unul din urmatoarele procedee:

- Aliaje de contact [ alama, tombacul ( alama cu continut mare de cupru),bronzul( cupru si staniu), bronz cu beriliu,argint tare( contine 2-4% Cu),argint- nichel( contine 10-40% Ni )];

- Contacte sinterizate[ cupru- wolfram,argint-wolfram(30-90%W),argint-oxidde cadmiu];

- Contacte bimetalice- obtinute prin cobinarea unui aliaj sau a unui metal clasicsi a unui metal nobil din motive de economie de material.

- Suprafete de contact obtinute prin depunere galvanica – se pot obtine contactede foarte buna calitate, cu un consum foarte mic de metal pretios.Sunt folositede regula acolounde nu se produc uzurimecanice si nici prin arc electric

( contacte permanente ).

8

Intretinerea contactelor.

Supravegherea si intretinerea periodica a contactelor este o conditie strict necesarapentru asigurarea unei bune functionari a instalatiei, deoarece , in timpulfunctionarii, se produce totdeauna o inrautatire a starii contactelor.Verificarea si intretinerea periodica a contactelor se efectueaza in felul urmator:

La contactele fixe( permanente):- dupa culoarea si aspectul contactului se verifica daca s-au produs incalziri

exagerate sau coroziuni;- se verifica daca nu s-a produs o slabire a strangerii suruburilor- in cazul contactelor din aluminiu protejate prin pelicule de lac, impotriva

patrunderii umiditatii, se verifica si la nevoie se reface pelicula protectoare. La contacte de alunecare din Cu sau alama:

- se curata cu o perie de otel sau cu o pila pelicula de oxizi si eventuale perlari.Este intrezis sa se folosesca la aceste operatii smirghelul deoarece pulbereaacestuia se incrusteaza in metalul de contact;

- dupa curatire, contactele se sterg cu o carpa curata inmuiata in benzina si seung apoi cu un strat subtire de ulei sau vaselina neutra;

- se verifica presiunea de contact si se inlocuiesc contactele uzate.

La contactele perie:- este necesar ca suprafata acestor contacte sa fie usor unsa cu vaselina in

timpul functionarii, pentru a reduce ma minimum oxidarea si uzarea prinfrecare;

- schimbarea oricat de slaba a culorii lamelelor indica o incalzire nepermisa sioxidare;

- eventualele pelicule de oxid de pe contactul fix se indeparteaza cu hartiesticlata, iar cele de pe perie se indeparteaza pein pilire usoara in asa fel incatsa nu modifice unghiul sub care calca aceasta;

- dupa curatire se indeparteaza atent pilitura si se unge peria. Contactele de intrerupere – nu se ung cu vaselina sau cu ulei si nu

e curate decat daca au perlari importante. Presiunea de contact se verifica cudinamometrul.

Contactele de argint – sau din alte metale nobile nu necesitaintretinere si nu se ung.Pilirea acestora este inutila si daunatoare, deoareceaceste contacte isi pastreaza calitatile chiar daca si-au schimbat culoarea saupar uzate. La aceste contacte este premise numai curatarea cu o carpa sauperie inmuiata in benzina.

Contactele bimetalice, contactele sinterizate, contacte cu acoperirigalvanice - nu necesita intretinere si in nici un caz nu se vor pili sin u se vorcurati cu smirghelul.Este sufficient sa fie curatite cu o carpa sau perie moaleinmuiata in benzina sis a se verifice presiunea de contact precum si daca nu s-au produs schimbari de culoare sau coroziuni.

9

3.2. Izolatoare electrice.

In constructia oricarei instalatii electrice si a oricarui aparat electric se deosebesc douaelemente fundamentale:

- caile conducatoare de curent, formate din metale bune conducatoare deelectricitate si avand rolul de a transporta, cu pierderi cat mai mici, curentulelectric in lungul circuitului;

- elementele izolatoare, realizate in special, din materiale electroizolante, avandrolul de a sustine mechanic si de a asigura izolarea cailor de current intre ele sifata de pamant.

In functie de rolul pe care il au izolatoarele in instalatie si in functie de natura solicitarilorla care sunt supuse, au fost standardizate anumite tipuri indicate mai jos:Solicitarea electrica a izolatorului poate determina fie strapungerea, fie conturnareaacestuia. Strapungerea este cea mai grava, deoarece izolatorul odata strapuns devineneutilizabil. Conturnarea solicita cel mult suprafata izolatorului darn u provoacascoaterea lui din serviciu.Cea mai mare parte a izolatoarelor folosite in constructia aparatajului electric suntrealizate din portelan. Pe langa acesta la fabricarea izolatoarelor se mai folosesc stica sirasinile de turnare.Tabel 1 Izolatoare ceramice pentru instalatii electrice de curenti tari

10

3.3.Termobimetale.In constructia aparatelor automate de joasa tensiune se folosesc frecvent relee termice cubimetal, sau termobimetale, al caror rol este acela de a proteja motoarele electriceimpotriva incalzirii exagerate prin suprasarcini de lunga durata.Termobimetalele sunt formate din doua metale; acestea sunt sudate intre ele si apoilaminate la rece pana la obtinerea unor foi, la care cele doua componente sunt legateintre ele pe toata suprafata.Din cele doua componente ale bimetalului, una numita componenta activa este formatade obicei dintr-un aliaj cu coeficient foarte mare de dilatare( aliaj de fier cu 15-20% Ni si6-7% Mn)Cealalta componenta pasiva, este formata de obicei din alt aliaj de fier, cu 36%Ni, avand un coeficient de dilatare aproape nul.Daca o foaie dintr-un astfel de bimetal este incalzita atunci stratul cu coeficient dedilatare mare tinde sa se dilate mai mult decat stratul cu coeficient de dilatare foarte mic.Drept urmare bimetalul se inconvoaie, partea cu coeficientul de dilatare mare( componenta activa) fiind pe exteriorul curburii, iar componenta pasiva spre interiorulacesteia.

Fig. 9. Modul de functionare al unui bimetal:a) – bimetal rece; b) – bimetal deformat dupa incalzire; 1) – strat cu coefficient de dilatare mare;

2) – strat cu coefficient de dilatare mic; 3) – infasurare de incalzire; x – sageata

Termobimetalele folosite in constructia aparatajului electric au partea activa marcata cuinscriptii sau semne geometrice, care indica totodata si sortimentul

Conditii impuse de standarde.

La releele cu bimetale este important sa se cunoasca timpul in care bimetalul actioneazacand este strabatut de un curent dat. Pentru un anumit releu, acest timp este cu atat maimic cu cat curentul care strabate bimetalul este mai mare.Standardele in vigoare impugn urmatoarele conditii releelor termice cu bimetal, destinateprotectiei motoarelor electrice:

- releul trebuie sa nu declanseze timp de doua ore la un curent egal cu 1,05In;- releul trebuie sa declanseze in timp de doua ore la un curent egal cu 1,2 In;- releul trebuie sa declanseze in doua minute la un curent egal cu 1,5 In.

11

Fig. 10. Releu termic cu bimetal

Intretinerea si exploatarea termobimetalelor.

Termobimetalele nu necesita intretinere speciala daca sunt ferrite de actiunea umezeliiexcessive sau a unui mediu chimic coroziv.In exploatarea lor se iau urmatoarele masuri:

- se verifica periodic starea bimetalului, pentru a ne convinge ca nu au aparutcoroziuni sau deformari permanente ale bimetalului. Cu aceasta ocazie sesterge sau alte depuneri, cu ajutorul unei pensule, operatia executandu-senumai cu aparatul scos de sub tensiune;

- se verifica culoarea bimetalului in zona de fixare, pentru a ne convinge ca nuse produc incalziri locale ca urmare a unui contact imperfect;

- dupa scurtcircuite in instalatie, se verifica daca reglajul releelor termice nu s-amodificat, ca urmare a deformarii bimetalului prin curentii de scurtcircuit.

3.4.Electromagneti.

Daca se infasoara in jurul unei bare de otel moale sau din alt material magnetic mai multespire din conductor izolat si se lasa sa treaca un curent electric prin aceasta infasurare, seconstata ca bara( miezul) capata proprietati magnetice, adica atrage alte bucati de fieraflate in vecinatatea sa.Un astfel de dispozitiv format din miez magnetic si bobina se numeste electromagnet.Electromagnetii transforma energia electrica in energie mecanica.Ei sunt folositi in constructia diferitelor aparate electrice pentru a realiza miscareaanumitor organe ale acestora ca de exemplu:

- actionarea echipajului mobil al contactoarelor de joasa si inalta tensiune;- comanda de la distanta a inchiderii intrerupatoarelor automate de joasa

tensiune;- dispozitiv de declansare voita sau automata a unor mecanisme( releu de

declansare) ;- dispozitiv de protectie la variatii de tensiune in circuit ( releu de tensiune);- dispozitiv de siguranta( releu de blocare).

12

Se folosesc atat electromagneti de curent continuu cat si electromagneti de curentalternativ.Electromagnetii de actionare se caracterizeaza prin urmatoarele marimi:

- felul curentului( continuu, alternativ monofazat, alternativ trifazat );- tensiunea nominala de actionare a bobinei;- forta protanta ( kgf) ;- cursa armaturii mobile ( cm);- regimul de functionare( numarul de conectari pe ora si durata active de

conectare)Electromagneti de curent continuu

Sunt in general de constructie mai simpla avand circuitul magnetic din otel masiv;armatura mobile si bobina sunt cilindrice.Au o forta de atractie mai mare decat cei decurent alternativ .Dezavantaje:

- necesita sursa de curent continuu;- in pozitia inchis absorb un curent mare in raport cu cel necesar pentru a

asigura forta de mentinere in stare inchis a electromagnetului.De aceea estenecesar sa se prevada posibilitate inserierii unei rezistente in momentulinchiderii pentru a limita valoarea curentului absorbit.

Fig. 11 . Electromagneti de current continuu:a) – solenoid cu circuit magnetic deschis; b) – electromagnet tip clapeta.

Electromagneti de current alternativ

Dezavantaje in raport cu cei de curent continuu:- au forta portanta mai mica( la aceleasi dimensiuni ale miezului) , pentru a

evita acest lucru,tolele din tabla silicoasa ale armaturilor se izolaleaza intre elecu lac sau hartie.

- deoarece forta portanta variaza cu patratul curentului ce parcurge bobina, lamagneti de current alternative acesta forta variaza in timp, osciland de 100 deori pe secunda, intre valoarea maxima si zero, ceea ce face ca electromagnetulsa vibreze puternic, producand zgomot puternic si existand riscul dedesprindere a armaturii la scaderi accidentale ale tensiunii.Pentru a evita acest lucru se introduce in armaturile magnetilor monofazati decurrent alternative, in apropierea planului de lipire a armaturilor spire descurtcircuit cu rolul de a reduce zgomotul si pericolul de desprindere.

Electromagnetii monofazati de curent alternativ sunt folositi pentru actonareacontactoarelor si pentru realizarea diferitelor actionari la distanta sau in scheme decomanda automata.

13

Fig. 12. Circuit magnetic pentru electromagnet de current alternative:I- in forma de E, executat din tole; II – in forma de U executat din benzi;

a) vedere; b) – sectiune prin pachetul de tole; c) – vedere din perspective a tipurilorI si II.

Fig. 13. Diferite forme de electomagneti de current alternative:I – electromagneti monofazati; a) – in forma de U cu o bobina; b) in forma de U cu doua bobine;

c)- in dublu E integral; d) – in L; e) – in manta; II – electromagnet trifazat

14

Intretinerea si exploatarea electromagnetilor.

Se varifica indeosebi:- daca tensiunea de serviciu nu este mai mare decat cea nominala a

electromagnetului;- daca sarcina pe care o are de ridicat nu este prea mare;- daca intrefierul ( cursa armaturii mobile) nu a fost marit peste valoarea

normala;- daca regimul de functionare( numarul de conectari pe ora si durata activa de

conectare) corespunde celui nominal;- daca armature mobile se deplaseaza usor, fara blocari pe parcurs.

Se verifica, deasemenea imediat dupa scoaterea de sub tensiune, daca miezul magnetic nuprezinta incalziri locale exagerate, lucru care indica deteriorarea izolatiei dintre tole saucrearea unor spire parazite in scurtcircuit.Se verifica daca, in exploatare, electromagnetul nu vibreaza prea tare ceea ce se poatedatora:

- intreruperii spirei de scurtcircuit;- unei tensiuni de alimentare prea coborate;- unor resoarte antagoniste prea puternice;- ghidarii incorecte a armaturii mobile;- slabirii din nituri a pachetului de tole.