Componenti per contattori CC per carichi pesanti per trasporti ferroviari e sistemi di energia rinnovabile

Le parti dei contattori CC per il trasporto ferroviario devono resistere a commutazioni a corrente elevata, archi prolungati, vibrazioni meccaniche e cicli termici ripetuti senza perdere la stabilità del contatto o l'integrità strutturale. I materiali di contatto rame-tungsteno (CuW) e argento-carburo di tungsteno (AgWC) possono essere specificati per compiti impegnativi di interruzione dell'arco, mentre la brasatura sotto vuoto può unire blocchi di contatti sostanziali a terminali in rame spessi quando la geometria del giunto e il sistema del metallo d'apporto sono adeguatamente controllati.

Per i circuiti di trazione ferroviaria, i sistemi di accumulo dell'energia delle batterie e le apparecchiature di conversione dell'energia rinnovabile, la selezione dei componenti deve tenere conto della tensione CC effettiva, della corrente di guasto prevista, della frequenza di commutazione, della durata dell'arco, dello spettro di vibrazione e del coordinamento dell'isolamento. La sola designazione del materiale non può stabilire la capacità di commutazione; l'intero gruppo Contact Joining Brazing deve essere convalidato rispetto alle condizioni operative previste.

Commutazione CC ad alta tensione ed energia dell'arco

La commutazione CC presenta una sfida di interruzione diversa rispetto alla commutazione CA perché la corrente non passa naturalmente attraverso lo zero due volte per ciclo. Una volta che si forma un arco tra i contatti di separazione, il contattore deve generare una tensione opposta sufficiente e utilizzare il soffio magnetico, lo scivolo dell'arco o un altro meccanismo di controllo dell'arco per interrompere la corrente.

Le variabili ingegneristiche rilevanti includono:

• Tensione e corrente operative nominali secondo i requisiti IEC 60947-4-1 applicabili.
• Corrente di cortocircuito presunta e coordinamento dei dispositivi di protezione a monte.
• Durata elettrica nella categoria di utilizzo e nel servizio di commutazione specificati.
• Velocità di apertura dei contatti, distanza tra i contatti e geometria di controllo dell'arco.
• Aumento della temperatura dei contatti e resistenza dopo ripetuti cicli di commutazione.

L'energia dell'arco dipende dalla tensione e dalla corrente istantanee dell'arco nel tempo. Pertanto, l'erosione dei contatti non può essere valutata solo dalla corrente nominale. Un contattore che commuta un circuito CC ad alta corrente sotto carico induttivo può subire un'erosione sostanzialmente diversa da uno che funziona alla stessa corrente sotto un carico prevalentemente resistivo.

Per le applicazioni di trazione ferroviaria, la convalida ingegneristica dovrebbe riprodurre, ove possibile, l'effettiva induttanza del circuito, la tensione di alimentazione, la corrente di interruzione e la sequenza di commutazione.

Vibrazioni, urti e stabilità del contatto meccanico

I veicoli ferroviari espongono i gruppi dei contattori a vibrazioni, shock meccanici e accelerazioni ripetute. Questi carichi possono influenzare i giunti terminali, l'allineamento dei contatti, il precarico della molla, gli elementi di fissaggio e i supporti isolanti.

I requisiti ambientali ferroviari applicabili dovrebbero essere identificati dalle specifiche del veicolo o dell'attrezzatura. La norma EN 61373 è comunemente utilizzata per le prove di vibrazione e shock delle apparecchiature del materiale rotabile ferroviario, ma è necessario selezionare la categoria di prova e il luogo di montaggio corretti per l'assieme in valutazione.

Il gruppo dei contatti dovrebbe essere valutato dopo il test di vibrazione, non solo prima. Le misurazioni post-test possono rivelare giunti allentati, deformazioni permanenti, disallineamento dei contatti e cambiamenti di resistenza che non sono evidenti durante un'ispezione dimensionale iniziale.

Contatti rame-tungsteno per compiti di commutazione gravosi

Il rame-tungsteno è un materiale composito che combina uno scheletro di tungsteno refrattario con una fase di rame conduttiva. Il tungsteno contribuisce alla stabilità alle alte temperature e alla resistenza alla perdita di materiale correlata all'arco, mentre il rame supporta la conduzione elettrica e termica.

Il materiale non è un unico grado universale. Il contenuto di tungsteno, la distribuzione del rame, la porosità, il percorso di produzione e la densità finale influenzano la conduttività, la durezza, il trasporto termico e il comportamento all'erosione.

Considerazioni ingegneristiche tipiche includono:

• Frazione di tungsteno:Un contenuto più elevato di tungsteno generalmente aumenta la durezza e il carattere refrattario, ma può ridurre la conduttività elettrica e termica.
• Densità e porosità:I pori residui possono influenzare il riscaldamento locale, l'integrità meccanica e la consistenza durante l'arco ripetuto.
• Geometria del contatto:Lo spessore, il profilo del bordo e le dimensioni della faccia di contatto influiscono sulla distribuzione della corrente e sul movimento della radice dell'arco.
• Compatibilità di adesione:L'interfaccia contatto-rame deve adattarsi alle differenze di dilatazione termica e al processo di giunzione selezionato.

Il CuW può essere preso in considerazione per punte di contatto, inserti resistenti all'arco e altri componenti esposti a condizioni di commutazione severe. Il grado finale dovrebbe essere selezionato utilizzando le proprietà misurate e i risultati dei test di commutazione piuttosto che il solo nome del materiale.

Contatti AgWC per la resistenza all'erosione da arco elettrico

Il carburo di tungsteno-argento combina una fase conduttiva a base di argento con particelle di carburo di tungsteno. Il suo potenziale utilizzo nei componenti di commutazione ad alta corrente dipende dalla composizione specifica, dalla microstruttura, dalla geometria del contatto e dal servizio elettrico.

L'AgWC non dovrebbe essere trattato automaticamente come intercambiabile con CuW o materiali convenzionali in argento-tungsteno. Il carburo di tungsteno ha caratteristiche del materiale diverse dal tungsteno metallico e il grado selezionato deve essere valutato in termini di conduttività, durezza, erosione dell'arco e comportamento di giunzione.

Laddove venga preso in considerazione l’AgWC, la revisione ingegneristica dovrebbe stabilire:

• La composizione effettiva e le specifiche del materiale applicabile.
• Metodi di prova di conducibilità elettrica e durezza.
• Erosione dell'arco con la tensione CC, la corrente e la frequenza di commutazione previste.
• Danni alla faccia di contatto, trasferimento e perdita di materiale dopo i test di resistenza.
• Compatibilità con il terminale in rame e il metallo d'apporto per brasatura selezionato.

CuW vs AgWC: selezione dei materiali per contattori CC

La tabella descrive considerazioni sulla selezione dei materiali piuttosto che classifiche numeriche garantite. A nessuno dei due materiali può essere assegnato un valore universale di conduttività, durezza o durata senza un grado specifico e dati di test di supporto.

Contatta Verifica e tracciabilità dei materiali

Il controllo del materiale in entrata dovrebbe stabilire l'identità del materiale, la composizione, la tracciabilità del lotto e lo stato di ispezione di ciascun lotto di contatto.

I controlli consigliati includono:

• Certificati materiali del fornitore legati al lotto di produzione.
• Verifica della composizione chimica quando richiesto dal capitolato d'acquisto.
• Controlli di densità e dimensionali per materiali di contatto sinterizzati o infiltrati.
• Prova di durezza utilizzando un metodo appropriato al materiale e alla geometria del provino.
• Misura della conducibilità elettrica con un metodo di prova e una temperatura definiti.
• Esame microscopico della struttura del contatto quando richiesto per la qualificazione o l'analisi dei guasti.

La gestione della qualità basata su ISO 9001 e i sistemi di qualità automobilistica basati su IATF 16949 possono supportare la tracciabilità e la disciplina dei processi, ove applicabile. Tuttavia, la certificazione di un fornitore non sostituisce la verifica dei materiali specifici del prodotto o la qualificazione del cambio.

Progettazione del giunto e selezione del metallo d'apporto

I grandi blocchi di contatti resistenti all'arco elettrico richiedono un giunto che trasferisca la corrente e i carichi meccanici tollerando ripetuti cambiamenti di temperatura.La brasatura sotto vuoto può fornire un ambiente di giunzione controllato, ma le prestazioni del giunto dipendono dalla preparazione della superficie, dalla compatibilità del metallo d'apporto, dal gioco del giunto, dal profilo della temperatura del forno e dalle caratteristiche termiche di entrambi i componenti.

I materiali di contatto in rame e refrattari possono differire significativamente in termini di dilatazione termica e conduttività termica. Queste differenze creano stress locale durante il riscaldamento e il raffreddamento. La progettazione del giunto dovrebbe quindi tenere conto dell'impronta del contatto, dello spessore del terminale, della distribuzione del metallo d'apporto e dell'intervallo di temperatura operativa previsto.

La specifica di unione dovrebbe definire:

• Qualità dei materiali di base e condizioni della superficie in entrata.
• Designazione del metallo d'apporto e sua compatibilità con i materiali del contatto e del rame.
• Giochi dei giunti e tolleranze dimensionali alla temperatura di brasatura.
• Requisiti di vuoto o atmosfera del forno.
• Velocità di riscaldamento, temperatura di picco, tempo di immersione e profilo di raffreddamento.
• Ispezione post-brasatura e criteri di accettazione elettrica.

È necessario stabilire le temperature e gli spazi di brasatura per il sistema di lega selezionato. Una ricetta generica per il forno non dovrebbe essere applicata a ogni grado CuW o AgWC.

Brasatura sotto vuoto vs saldatura a resistenza

Nessuno dei due processi è universalmente preferibile. La saldatura a resistenza può essere adatta per geometrie di contatti e terminali compatibili, mentre la brasatura sotto vuoto può essere più pratica per alcuni assemblaggi grandi o spessi. La selezione dovrebbe seguire la convalida del progetto e le prove di capacità produttiva.

3.3 Variabili di processo che controllano la qualità dei giunti brasati

Preparazione della superficie

Ossido, olio, residui di lavorazione e altri contaminanti possono impedire la bagnatura del metallo d'apporto. Dovrebbero essere definite procedure di pulizia per i materiali di base e il sistema di riempimento, con controlli di movimentazione che impediscano la ricontaminazione prima del caricamento del forno.

Autorizzazione congiunta

Uno spazio eccessivamente stretto può limitare il flusso del riempitivo, mentre uno spazio eccessivamente ampio può indebolire l'azione capillare o produrre una geometria del giunto inadeguata. Il gioco consentito deve essere stabilito in base alla lega di apporto, all'orientamento del giunto, alle condizioni della superficie e alla temperatura di brasatura.

Profilo termico

L'insieme deve raggiungere una temperatura sufficiente per il flusso del riempitivo senza causare cambiamenti inaccettabili del materiale di base. Le velocità di riscaldamento e raffreddamento dovrebbero tenere conto della massa del componente, dello spessore della sezione, della conduttività termica e delle differenze di espansione.

Distribuzione del riempitivo

Lo spostamento del riempitivo, la copertura incompleta o l’accumulo locale possono ridurre l’area incollata effettiva e influenzare la distribuzione della corrente. I dispositivi devono mantenere l'allineamento senza ostacolare il percorso del flusso previsto.

Ispezione post-brasatura

Il piano di ispezione dovrebbe identificare la copertura dei giunti accettabile, la variazione dimensionale, le condizioni della superficie e qualsiasi discontinuità consentita. La metallografia trasversale può essere necessaria durante la qualificazione del processo o l'analisi dei guasti.

Accettazione elettrica e meccanica degli assemblaggi brasati

Un giunto visivamente valido non ha necessariamente una bassa resistenza elettrica o una resistenza meccanica sufficiente. La verifica dovrebbe combinare l'ispezione con misurazioni adeguate al progetto.

Una soglia di resistenza al taglio, come 150 MPa, dovrebbe essere dichiarata solo quando è stata stabilita per la geometria effettiva del giunto, il metodo di prova e le specifiche di accettazione. Un valore preso da un giunto brasato non correlato non è un requisito universale valido.

Shock termico vs ciclismo termico

Lo shock termico e il ciclismo termico valutano meccanismi di guasto correlati ma diversi. Il ciclo termico valuta gli effetti di ripetuti cambiamenti di temperatura durante periodi di permanenza definiti, mentre lo shock termico generalmente impone una transizione di temperatura più brusca.

Per un blocco di contatti di grandi dimensioni brasato su un terminale in rame, le variazioni di temperatura possono creare sollecitazioni di espansione differenziali sul giunto. Cicli ripetuti possono causare fatica, microfessurazioni, cambiamenti nella resistenza di contatto o separazione progressiva in un'interfaccia debole.

Il piano di qualificazione dovrebbe specificare:

• Temperature minime e massime.
• Tasso di transizione o tempo di trasferimento, ove applicabile.
• Durata della sosta a ciascuna temperatura.
• Numero di cicli.
• Quantità di campione e rappresentazione del lotto di produzione.
• Misure elettriche e meccaniche prima e dopo il collaudo.

ASTM B117 è un metodo di prova di corrosione in nebbia salina; non è uno standard di shock termico. Può essere rilevante quando la resistenza alla corrosione fa parte della qualificazione del prodotto, ma non può sostituire i cicli termici o le prove di shock termico.

Distanza di isolamento e distanza superficiale

Il gioco è la distanza più breve attraverso l'aria tra le parti conduttrici. La distanza superficiale è la distanza più breve lungo la superficie di un materiale isolante tra le parti conduttrici. Entrambi influenzano il coordinamento dell'isolamento, ma non sono intercambiabili.

Per i gruppi di contattori CC utilizzati nei trasporti ferroviari e nei sistemi di energia rinnovabile, le distanze richieste dipendono dalla tensione di isolamento nominale, dalla sovratensione transitoria, dal grado di inquinamento, dalle proprietà del materiale isolante, dall'altitudine e dallo standard di prodotto applicabile.

La revisione del progetto dovrebbe confermare:

• Tensione operativa nominale e tensione di isolamento nominale.
• Categoria di sovratensione e condizioni transitorie applicabili.
• Grado di inquinamento e gruppo di materiale isolante, ove specificato.
• Correzioni dell'altitudine quando richiesto dalla norma pertinente.
• Distanze tra terminale e alloggiamento e tra polo e polo.
• Tensione di prova di isolamento e durata della prova.

La norma IEC 60664-1 fornisce i principi di coordinamento dell'isolamento per i sistemi a bassa tensione, mentre la norma IEC 60947-4-1 affronta i contattori elettromeccanici e gli avviatori motore nel suo ambito. Le apparecchiature ferroviarie possono inoltre richiedere ulteriori requisiti specifici del prodotto e del sistema ferroviario.

Non è opportuno assegnare un valore di distanza universale a ciascun contattore CC ad alta tensione. Il progetto approvato deve essere valutato rispetto alla tensione nominale, al sistema di isolamento, all'ambiente di installazione e agli standard applicabili.

Controllo dimensionale e allineamento dei contatti

La geometria della faccia di contatto influenza l'area di contatto iniziale, la pressione locale, la distribuzione della corrente e il modello di usura. Il disegno dovrebbe definire le dimensioni, i riferimenti, la planarità, il parallelismo e le tolleranze di posizione rilevanti.

Una tolleranza come ±0,005 mm può essere ottenibile per alcuni elementi lavorati a macchina in condizioni adeguate, ma non dovrebbe essere applicata indiscriminatamente a grandi assemblaggi brasati. La capacità degli utensili, la dimensione della parte, il comportamento del materiale, il metodo di ispezione e le esigenze funzionali determinano la tolleranza appropriata.

Le dimensioni critiche dovrebbero essere misurate utilizzando apparecchiature calibrate e un piano di ispezione documentato. A seconda della caratteristica da verificare possono essere utilizzate macchine di misura a coordinate, sistemi ottici, misuratori di altezza e metrologia elettrica adeguata.

Tracciabilità della produzione e documentazione della qualità

Per il trasporto ferroviario e l’approvvigionamento di energia rinnovabile, la tracciabilità dovrebbe collegare i materiali in entrata all’assemblaggio finito del contattore.

Il piano di controllo può includere:

• Grado del materiale, fornitore e identificazione del lotto.
• Composizione dei contatti e registri delle ispezioni.
• Materiale del terminale in rame e risultati dimensionali.
• Numero di lotto di brasatura e parametri del forno registrati.
• Identificazione dell'operatore, dell'attrezzatura e del lotto di produzione ove richiesto.
• Registri dei test di resistenza, meccanici e di isolamento.
• Rapporti di non conformità e documentazione delle azioni correttive.

ISO 9001 e IATF 16949 dovrebbero essere citati solo in conformità con lo stato e l'ambito di certificazione effettivi del fornitore. Allo stesso modo, le dichiarazioni RoHS e REACH dovrebbero basarsi sui requisiti applicabili delle sostanze e sulla documentazione di conformità di supporto.

Qualificazione del fornitore per componenti di contattori CC fabbricati in Cina

Quando si qualifica un produttore o fornitore con sede in Cina, i team di procurement dovrebbero valutare più del semplice prezzo unitario. La revisione dovrebbe stabilire se il fornitore può produrre i materiali di contatto specificati, mantenere la finestra del processo di brasatura, misurare la resistenza del giunto e supportare una produzione ripetibile.

Una valutazione del fornitore può riguardare:

• Capacità di produzione e ispezione verificate.
• Approvvigionamento dei materiali e tracciabilità a livello di lotto.
• Attrezzature per brasatura, monitoraggio del processo e controlli di manutenzione.
• Capacità di misura dimensionale ed elettrica.
• Qualificazione del campione e controllo delle modifiche tecniche.
• Capacità produttiva, pianificazione delle consegne e procedure di risposta ai difetti.

La specifica di acquisto dovrebbe identificare quali operazioni vengono eseguite internamente e quali sono subappaltate. Ciò è particolarmente importante per la produzione di materiali di contatto, la brasatura specializzata, il trattamento superficiale e i test indipendenti.

Come possono gli acquirenti verificare la qualità dei giunti brasati delle parti dei contattori CC ad alta corrente?

Richiedi una specifica documentata del processo di brasatura, registrazioni di tracciabilità dei materiali, risultati di ispezioni dimensionali, misurazioni della resistenza dei giunti a quattro fili e rapporti rappresentativi di sezioni trasversali o test meccanici. I limiti di accettazione dovrebbero essere concordati prima della qualificazione della produzione.

Quali informazioni sono necessarie per selezionare i contatti CuW o AgWC per i contattori CC per il trasporto ferroviario?

Fornire tensione CC nominale, corrente continua e di interruzione, induttanza di carico, frequenza di commutazione, geometria del contatto, resistenza prevista e limiti termici. Il fornitore dovrebbe confermare il grado proposto utilizzando i dati del materiale e test di commutazione specifici dell'applicazione.

Può una fabbrica con sede in Cina fornire gruppi di contattori CC personalizzati per carichi pesanti per sistemi di energia rinnovabile?

Sì, a condizione che i materiali, la giunzione, la lavorazione, l'ispezione e le capacità di test siano verificati dal produttore. Gli acquirenti devono confermare la proprietà dei disegni, le procedure di approvazione dei campioni, la tracciabilità dei lotti, la capacità produttiva e i test di qualificazione richiesti per l'applicazione prevista.

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