| Курсовой проект "Контактор электромагнитный переменного тока" | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Электроэнергетика | Просмотров: 3938 | Комментирии: 0 | 29-12-2013 00:02 |
СКАЧАТЬ:
Аннотация
В данной курсовой работе проводится расчет электромагнитного контактора переменного тока. Производятся электромагнитные, электромеханические и тепловые расчеты элементов и деталей контактора. Определяются оптимальные размеры, срок службы и работоспособность контактора.
Результаты расчетов представлены в пояснительной записке в виде рисунков и расчетных таблиц.
Целями курсовой работы являются:
–Закрепление и систематизация знаний, полученных в процессе изучения дисциплины «Электрические и электронные аппараты».
–Формирование опыта и усвоение методов и алгоритмов расчета, применяемых в курсовой работе.
–Формирование навыков и знаний в вопросах технологичности конструкций.
Содержание
Аннотация 3
Введение 5
1. Расчет токоведущего контура 7
1.1 Определение размеров токоведущих частей 7
1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме 8
1.3 Расчет термической стойкости 9
1.4 Расчет размеров гибкого соединения 9
1.5 Определение переходного сопротивления 10
1.6 Расчет превышения температуры контактного соединения 12
2. Расчет коммутирующих контактов 13
2.1 Расчет сил контактного нажатия 13
2.2 Расчет уточненного значения переходного сопротивления 14
2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме 14
2.4 Расчет износа контактов 15
2.5 Расчет параметров короткого замыкания 16
3. Кинематический расчет привода 18
3.1 Характеристика противодействующих сил 18
3.2 Расчет возвратной пружины 20
3.3 Расчет контактной пружины 21
4. Расчет электромагнита 23
4.1 Расчет оптимальной конструктивной формы электромагнита 23
4.2 Расчет основных размеров электромагнита 24
4.3 Расчет обмотки переменного тока 25
4.4 Расчет магнитной цепи с экраном 27
4.6 Расчет проводимостей 31
4.7 Расчет тяговой характеристики 35
5 Динамические характеристики 37
5.1 Расчет времени трогания 37
5.2 Расчет времени движения 38
Вывод 40
Список литературы 41
Введение
Контактор – двухпозиционныйэлектромагнитныйаппарат, предназначенный для частыхдистанционных включений силовыхэлектрическихцепей в нормальномрежимеработы. Контактор представляет собой электрический аппарат, предназначенный для коммутации силовых электрических цепей. Замыкание или размыкание контактов контактора осуществляется чаще всего под воздействием электромагнитного привода.
Управление контактором осуществляется посредством вспомогательной цепи оперативного тока, проходящего по катушкам контактора. При этом величина оперативного тока в коммутируемых цепях. Контактор не имеет механических средств для удержания контактов во включенном положении, при отсутствии управляющего напряжения на катушке контактора он размыкает свои контакты.
Основными техническими данными контакторов являются номинальный ток главных контактов, предельный отключаемый ток, номинальное напряжение коммутируемой цепи, механическая и коммутационная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность контактора, как и любого коммутационного аппарата, обеспечить работу при большом числе операций характеризуется износостойкостью.
Контактор имеет следующие основные узлы: контактную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. При подаче напряжения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Дугогасительное устройство обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Система вспомогательных слаботочных контактов служит для согласования работы контактора с другими устройствами.
В настоящее время частота коммутаций в схемах электропривода достигает 3600 в час. Этот режим работы является наиболее тяжелым. При каждом включении и отключении происходит износ контактов. Поэтому принимаются меры к сокращению длительности горения дуги при отключении и к устранению вибраций контактов. Как правило, контакторыприменяются для коммутацииэлектрическихцепей при напряжении до 660 В и токах до 630 А.
Основные области применения контакторов: управление мощными электродвигателями (например, на тяговом подвижном составе: электровозах, тепловозах, электропоездах, лифтах), коммутация цепей компенсации реактивной мощности, коммутация больших постоянных токов.
1. Расчет токоведущего контура
1.1 Определение размеров токоведущих частей
Расчет токоведущих частей контактора в номинальном режиме работы проводим с учетом эквивалентного длительного тока. Под эквивалентном током понимают постоянный по величине ток, который при длительном протекании по проводнику вызывает такой же нагрев, как и реальный ток, изменяющийся во времени согласно данному режиму работы:
где ПВ% – продолжительность включения; Z– допустимое число циклов включения; IН – номинальный ток главной цепи, А.
Сравнивая IН и IЭКВдальнейший расчет токоведущего контура проводим по большему из этих значений. Т.к. , то выбираем
1.1.1 Расчет размеров токоведущих частей
Размеры шин определяются исходя из условия удовлетворительного теплового режима, как в режиме штатной нагрузки, так и в режиме короткого замыкания.
По выбранному значению расчетного тока таблице 2 [1] выбираем предварительные размер медной шины и рассчитываем коэффициент геометрии:
Проводим расчет размера токоведущей шины по формуле:
где –удельное электрическое сопротивление материала токоведущей части аппарата для медной шины ; –температурный коэффициент металла контактов для меди ; – допустимая температура нагрева токоведущих частей для меди ; –температура окружающей среды, ; – коэффициент теплоотдачи, .
Неравенство соблюдается, шина выбрана правильно.
1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме
Температуру нагрева токоведущих частей находим из условия, что переходное сопротивление шинного соединения равно нулю, тогда
где и – периметр и площадь поперечного сечения соответственно.
Условие выполняется.
1.3 Расчет термической стойкости
При коротком замыкании в цепи токоведущего контура протекают сверхтоки. Однако в результате их кратковременного действия можно допустить значительно более высокие значения превышения температуры, чем в номинальном режиме работы. При этом аппарат должен обладать термической стойкостью. Допустимую температуру нагрева токоведущих частей в режиме короткого замыкания примем равной
Импульс тока равен:
где – плотность материала токоведущей шины для меди
с – теплоемкость материала токоведущей шины для меди
1.4 Расчет размеров гибкого соединения
В аппаратах управления кроме плоских контактных соединений широко применяются контактные соединения с гибкими связями.
Эти соединения осуществляют токовую связь подвижного контакта аппарата с токоподводящими деталями. Гибкие соединения, как правило, выполняются из эластичной медной ленты толщиной 0,1 мм и менее, или из многожильного плетеного проводника, состоящего из медных жил диаметром 0,08 0,1 мм. При работе гибкая связь не должна иметь резких перегибов.
Сечение меди гибкого соединения должно быть близким к сечению шины
Ширина шунта примерно равна ширине шины:
Толщина гибкого шунта:
где –коэффициент заполнения.
1.5 Определение переходного сопротивления
1.5.1 Определение плотности тока
Кажущая плотность тока определяется отношением величины тока, проходящего через контактное соединение к полной поверхности контактирования.
Для медных шин при токе I = (200...2000) A плотность тока:
1.5.2 Расчет силы контактного нажатия
где – удельное давление в контактирующих частях таблицы 3 [1] ; - площадь контакта, м2:
По величине необходимого контактного нажатия выбираем болты М10 с сечением 50 мм2и с силой затяжки 8,6 кН по таблице 4 [1].
При коротком замыкании в цепи, содержащей контактные соединения, возникают дополнительные эффекты, обусловленные появлением больших механических напряжений вследствие неодинакового температурного коэффициента расширения болтов и токоведущих частей. Это приводит к тому, что в болтах появляются остаточные деформации, которые при остывании контактного соединения вызовут ослабление нажатия в контактах, а следственно, повышение переходного сопротивления и нагрев контакта при нормальном режиме работы.
Расстояние между центрами болтов выбирается не менее , где d – диаметр болта, м.
Как показывают опытные данные, превышение температуры нагрева болтов составляет примерно 25% от превышения температуры токоведущих частей. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе усилий натяга
болтов.
Для снижения влияния остаточных деформаций рекомендуется в болтовых соединениях использовать пружинные шайбы.
1.5.3 Переходное сопротивление контактирующих поверхностей
Это сопротивление образуется посредством токоведущих частей, стянутых несколькими болтами, и определяется следующим образом:
где – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактирующих поверхностей таблица 5 [1], Ом∙кгn; n – коэффициент
соприкосновения для линейного контакта находится в приделах 0,5...0,7;Рк.табл=8,6кН.
1.5.4 Омическое сопротивление контакта
Сопротивление RК1 отличается от сопротивления прямого участка контактирующих частей за счет искривление линий тока в месте контактирования. Это приводит к повышению сопротивления контактного соединения, которое учитывается поправочным коэффициентом kc:
гдеkc – поправочный коэффициент рис. 2 [1]; l – длина контактного соединения:
1.5.5 Полное сопротивление контактного соединения
1.6 Расчет превышения температуры контактного соединения
При нормальном режиме температура контактного соединения не должна превышать температуру нагрева примыкающих к нему шин больше чем на 10 0С и быть больше допустимой.
где SK – полная наружная поверхность контактного соединения:
2. Расчет коммутирующих контактов
Коммутирующие контакты, как один из основных элементов токоведущего контура, осуществляют электрическое соединение двух или нескольких токопроводов для перехода тока из одного токопровода в другой.
Конструктивная форма, размеры и параметры контактных систем, в основном, определяются двумя факторами: током, протекающим по контактам, и напряжением сети, при котором контакты работают.
Контактные системы аппаратов управления работают в номинальном режиме при токах, достигающих сотен и тысяч ампер, а в кратковременных режимах – десятков и сотен килоампер. Напряжение коммутируемых сетей не превышает 1140 В, а в переходных режимах достигает нескольких киловольт.
2.1 Расчет сил контактного нажатия
Для одноточечных контактов сила контактного нажатия:
,
где В – число Лоренса ( ); Нb – твердость контактной поверхности по Бриннелю (для меди ); – удельная усредненная теплопроводность токоведущего проводника (для меди 390 Вт/м∙0С); Т0 – температура контактной площадки, К; ТК – температура точки касания:
2.2 Расчет уточненного значения переходного сопротивления
Определение величины переходного сопротивления коммутирующих контактов необходимо для выявления тепловых потерь в контактной точке.
где n– коэффициент формы контактной поверхности (0,5÷0,7); 2/3–коэффициент, учитывающий уменьшение температуры по мере удаления от площадки касания; kПХ – коэффициент, учитывающий материал и состояние контактной поверхности таблица 5 [1].
2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме
2.3.1 Падение напряжения в токоведущем контуре аппарата при замкнутых коммутирующих контактах
2.3.2 Превышение температуры контактной площадки
По величине UK по таблице 6 [1] определяем допустимое превышение температуры. Превышение температуры допускается.
2.4 Расчет износа контактов
Износ контактов происходит как при замыкании, так и при размыкании цепи тока. Мерой износа контактов является уменьшение провала, а также объема и массы удаляемого с контактной поверхности металла.
2.4.1 Расчет удельного массового износа
где – коэффициент неравномерности ; – опытные
коэффициенты износа ; – ток отключения , А; – ток включения , А.
2.4.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта
где N– износостойкость; – плотность материала контакта (для меди 8900 кг/м3).
2.4.3 Расчет линейного износа
2.4.4 Расчет провала контакта
2.5 Расчет параметров короткого замыкания
В режиме короткого замыкания по контактам аппарата протекает сверхток, длительностью не превышающих нескольких секунд, но по величине значительно превышающий номинальный. В результате этого, в место контактирования выделяется большое количество тепла, в десятки и сотни раз больше, чем при продолжительном режиме работы. В точке соприкосновения контактов появляются электродинамические силы стягивания, которые стремятся отбросить один контакт от другого и тем самым уменьшить контактное нажатие. Помимо электродинамических сил стягивания на контакты действуют силы от токоведущего контура, которые так же увеличивают электродинамические силы стягивания. Таким образом, на месте контактирования увеличивается переходное сопротивление и разогрев, и возможное сваривание, и как следствие – выход аппарата из строя.
Основной задачей расчета нагрева контактов в режиме короткого замыкания является определение устойчивости замкнутых контактов к токам короткого замыкания.
2.5.1 Расчет начального тока сваривания
где – коэффициент, выбирается из таблицы 7 [1] в зависимости от конструкции контактов и формы их поверхности выбираем Г– образный.
2.5.2 Расчет тока приваривания
2.5.3 Расчет силы электродинамического отталкивания
где S0 – сечение площадки смятия в контакте:
где – предел прочности материала контактов на смятие.
Условие выполняется.
3. Кинематический расчет привода
Механической характеристикой электрического аппарата называется зависимость всех механических сил или моментов, приведенных обычно к оси действия привода аппарата, от величины хода или поворота привода.
В электрических аппаратах с электромагнитным приводом за величину хода обычно принимается величина рабочего воздушного зазора магнитной системы.
3.1 Характеристика противодействующих сил
3.1.1 Расчет силы предварительного сжатия контактных пружин всех полюсов
где – отношение плеч (для переменного тока ); р – число полюсов контактора.
3.1.2 Расчет силы конечного сжатия контактных пружин
Принимаем .
3.1.3 Расчет конечного сжатия возвратной пружины
Принимаем
3.1.4 Расчет силы начального сжатия возвратной пружины
Принимаем
3.1.5 Расчет полного хода контактов
где – раствор контакта:
На рисунке 1 приведена механическая характеристика
Рисунок 1 – Механическая характеристика
3.2 Расчет возвратной пружины
3.2.1 Расчет силы начального натяжения возвратной пружины
3.2.2 Расчет расчетного напряжения на скручивания
где – допустимое значение напряжения кручения для стальной пружины; п – коэффициент для пружины растяжения таблица 8 [1]
3.2.3 Расчет диаметра проволоки пружины
3.2.4 Расчет сжатия пружины
3.2.5 Предварительный расчет числа витков и длины пружины в свободном состоянии
гдеЕ– модуль сдвига таблица 9 [1]; Dср– средний диаметр пружины:
Округляем число витков в большую сторону ,
3.3 Расчет контактной пружины
3.3.1 Расчет силы контактной пружины
3.3.2 Определение расчетного напряжения на скручивание
гдеп – коэффициент для пружины растяжения таблица 8 [1].
3.3.3 Диаметр проволоки пружины
3.3.4 Расчет сжатия пружины
3.3.5 Предварительный расчет числа витков
Округляем число витков
4. Расчет электромагнита
Основные параметры и характеристики электромагнитов следующие:
1) Конструктивная форма;
2) Род тока, номинальное напряжение и частота источника питания режим питания;
3) Режим работы;
4) Потребляемая мощность;
5) Развиваемая сила и величина начального хода или зависимость электромагнитной силы от хода – тяговая характеристика;
6) Предельная температура нагрева;
Параметры притягивания и отпускания якоря;
7) Износостойкость – число гарантируемых операций;
8) Масса игабаритные размеры;
10) Стоимость.
Оценка оптимальности выбора конструкции электромагнита может быть произведена с помощью конструктивного фактора Г таблица 10 [1].
4.1 Расчет оптимальной конструктивной формы электромагнита
4.1.1 Расчет электромагнитной силы
4.1.2 Расчет геометрического показателя
,
где – максимальный зазор:
4.2 Расчет основных размеров электромагнита
4.2.1 Расчет электромагнитной силы
4.2.2 Расчет сечения полюса
,
где – магнитная индукция в рабочем зазоре, по рекомендациям выбираем в пределах 0,6 1,2 Тл.
4.2.3 Определение размеров сторон сечения прямоугольного сердечника электромагнита переменного тока
Принимаем a_c=b_c=0,02 м
4.2.4 Расчет высоты сердечника
4.3 Расчет обмотки переменного тока
Так как тяговая характеристика электромагнита переменного тока с внешним притягивающимся якорем является, как правило, весьма пологой, то определение намагничивающей силы может быть произведено при минимальном значении рабочего зазора.
4.3.1 Определение намагничивающей силы
4.3.2 Определение числа витков с учетом снижения напряжения на 15%
4.3.3 Определение действующего значения МДС
4.3.4 Ток в обмотке
где - проводимость при минимальном зазоре :
4.3.5 Сечение провода
где kз – коэффициент заполнения 0,4 0,6.
4.3.6 Расчетный диаметр не изолированного провода
Принимаем стандартный диаметр провода по таблице 11 [1]
По стандартному диаметру рассчитывается и уточняется число витков.
4.3.7 Сопротивление обмотки
где Lср – длина средней линии:
где –радиальный размер катушки, м;
4.3.8 Площадь поверхности охлаждения
4.4 Расчет магнитной цепи с экраном
4.4.1 Расчет магнитного потока в рабочем зазоре (при притянутом якоре)
где – коэффициент, учитывающие возможное понижение напряжение питания сети ; – коэффициент рассеяния .
4.4.2 Расчет коэффициента запаса
,
где – отношение площадей неэкранированной и экранированной частей, =0,4 0,6.
4.4.3 Расчет необходимого электрического сопротивления экрана
где – сумма площадей неэкранированной и экранированной частей магнитопровода:
4.4.4 Расчет угла между потоками Фн и Фэ при одновитковом экране
где – магнитная проводимость экранированной части воздушного зазора:
где – площадь экранированной части, м:
4.4.5 Расчет магнитных потоков
Поток в неэкранированной части:
Поток в экранированной части:
4.4.6 Расчет магнитной индукции в неэкранированной части зазора
где – площадь неэкранированной части, м:
Условие выполняется.
4.4.7 Расчет средних значений сил в неэкранированной и экранированной частях
4.4.8 Расчет амплитуды Ра средней и минимальной силы
4.4.9 Расчет геометрических размеров экрана
Выбор геометрических размеров экрана производят:
исходя из величины необходимого электрического сопротивления экрана, с учетом значительного изменения сопротивления при температуре экрана, доходящей до 200 250 0С.
размеры определяются на основании теплового расчета экранированной области магнитопровода.
Принимаем толщину экрана
Длина средней линии экрана:
где – ширина экрана , м; – глубина экрана
Электрическое сопротивление экрана:
где qЭ – сечение экрана:
– удельное сопротивление медного экрана нагретого до температуры 200 250 0С:
Высота экрана:
4.6 Расчет проводимостей
4.6.1 Схема замещения
Проводимости рассчитываем методом разбивки поля на простые геометрические фигуры. Метод предусматривает разбиение объёма пространства воздушного зазора на простые геометрические тела. Все частичные тела образуют вероятные параллельные пути воздушного зазора . Это обстоятельство определяет целесообразность расчета их параметров в форме частичных магнитных проводимостей , так что полная магнитная проводимость определяется суммированием частичных составляющих:
В рассматриваемом методе частичная проводимость геометрического тела основной части воздушного зазора рассматривается как рабочая проводимость , а остальные фигуры создают краевую проводимость
.
Поэтому соответственно для проводимости справедливо
4.6.2 Расчет проводимостей для пяти зазоров
1)
2)
3) ,
4)
5)
Принимаем
Полная проводимость воздушного зазора представляет собой сумму всех частичных проводимостей:
Фигура 1 – Призма высотой и основанием а и b
Фигура 2 – Полуцилиндр диаметром длиной b
Фигура 3 – Половина полого цилиндра
Фигура 4 – Четверть цилиндра радиуса
Фигура 5 – Четверть полого цилиндра
Фигура 6 – Полуцилиндр диаметрам длиной а
Фигура 7 – Половина полого цилиндра длиной а
Фигура 8 – Сферический квадрант
Фигура 9 – Квадрат сферической оболочки
Таблица 1– Расчетные значения проводимостей для пяти зазоров
Фигуры
зазоров Проводимости, Гн
1 зазор 2 зазор 3 зазор 4 зазор 5 зазор
Фигура 1 10∙10-7 1,2∙10-7 0,64∙10-7 0,4∙10-7 0,36∙10-7
Фигура 2 0,065∙10-7
Фигура 3 0,16∙10-7
Фигура 4 0,13∙10-7
Фигура 5 0,321∙10-7
Фигура 6 0,065∙10-7
Фигура 7 0,16∙10-7
Фигура 8 0,55∙10-10 4,64∙10-10 8,73∙10-10 12,05∙10-10 15,36∙10-10
Фигура 9 4∙10-10 33,76∙10-10 63,5∙10-10 87,62∙10-10 111,73∙10-10
Полная проводимость 11,27∙10-7 2,479∙10-7 2,05∙10-7 1,925∙10-7 1,994∙10-7
4.6.3 Расчет проводимости не рабочего зазора
4.6.4 Суммарная проводимость
Таблица 2–Расчетные значения суммарной проводимости
1 зазор 2 зазор 3 зазор 4 зазор 5 зазор
Проводимость, Гн 0,75∙10-7 0,67∙10-7 0,447∙10-7 0,352∙10-7 0,291∙10-7
На рисунке 2 приведен график зависимости проводимости от величины зазора
Рисунок 2– График зависимости проводимости от величины зазора
4.7 Расчет тяговой характеристики
4.7.1 Рассчитываем Ртяг для каждого воздушного зазора
Проводим касательные к кривой в расчетных точках. Углы, образованные с осью абсцисс, характеризуют первые производные в этих точках:
,
где – масштабы по соответствующим осям, k – поправочный коэффициент, зависящий от величины силы контактного нажатия k=1,5.
, , , ,
На рисунке 3 приведена тяговая характеристика
Рисунок 3 – Тяговая характеристика
5 Динамические характеристики
5.1 Расчет времени трогания
5.1.1 Ток трогания
5.1.2 Установившееся значение тока
5.1.3 Время трогания
где –электромагнитная постоянная времени при отпущенном якоре:
На рисунке 4 приведена противодействующая и тяговая характеристики
Рисунок 4 – Противодействующая и тяговая характеристики
5.2 Расчет времени движения
где т – масса подвижных частей, приведенная к общей оси вращения:
где –масса якоря; рс – плотность стали ; – масса контактов;
где – площадь фигуры, ограниченной тяговой и противодействующей характеристикам. Определяется как разность площадей, образованных этими кривыми;
– масштабный коэффициент по осям координат.
Вывод
В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет электромагнитного контактора переменного тока. Набрал опыт в электромагнитных, электромеханических и тепловых расчетах современных конструкций контакторов, а так же в иных расчетах входивших в курсовую работу. Изучил области применения контакторов и их принцип работы.
По результатам расчетов убедился в работоспособности данного контактора 7022Б.
Список литературы
Рогинская Л.Э., Мухутдинова Г.С., Рахманова Ю.В. .Электрические и электронные аппараты. Учебное электронное издание локального доступа Уфа, УГАТУ: 2010.
Мухутдинова Г.С., Рогинская Л.Э. .Электрические аппараты. Учебное пособие. – Уфа: 2005
Костюкова Т.П.. Электрические аппараты. Учебное пособие. – Уфа: 1996
Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов. - М.: Энергия 1971.
Аннотация
В данной курсовой работе проводится расчет электромагнитного контактора переменного тока. Производятся электромагнитные, электромеханические и тепловые расчеты элементов и деталей контактора. Определяются оптимальные размеры, срок службы и работоспособность контактора.
Результаты расчетов представлены в пояснительной записке в виде рисунков и расчетных таблиц.
Целями курсовой работы являются:
–Закрепление и систематизация знаний, полученных в процессе изучения дисциплины «Электрические и электронные аппараты».
–Формирование опыта и усвоение методов и алгоритмов расчета, применяемых в курсовой работе.
–Формирование навыков и знаний в вопросах технологичности конструкций.
Содержание
Аннотация 3
Введение 5
1. Расчет токоведущего контура 7
1.1 Определение размеров токоведущих частей 7
1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме 8
1.3 Расчет термической стойкости 9
1.4 Расчет размеров гибкого соединения 9
1.5 Определение переходного сопротивления 10
1.6 Расчет превышения температуры контактного соединения 12
2. Расчет коммутирующих контактов 13
2.1 Расчет сил контактного нажатия 13
2.2 Расчет уточненного значения переходного сопротивления 14
2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме 14
2.4 Расчет износа контактов 15
2.5 Расчет параметров короткого замыкания 16
3. Кинематический расчет привода 18
3.1 Характеристика противодействующих сил 18
3.2 Расчет возвратной пружины 20
3.3 Расчет контактной пружины 21
4. Расчет электромагнита 23
4.1 Расчет оптимальной конструктивной формы электромагнита 23
4.2 Расчет основных размеров электромагнита 24
4.3 Расчет обмотки переменного тока 25
4.4 Расчет магнитной цепи с экраном 27
4.6 Расчет проводимостей 31
4.7 Расчет тяговой характеристики 35
5 Динамические характеристики 37
5.1 Расчет времени трогания 37
5.2 Расчет времени движения 38
Вывод 40
Список литературы 41
Введение
Контактор – двухпозиционныйэлектромагнитныйаппарат, предназначенный для частыхдистанционных включений силовыхэлектрическихцепей в нормальномрежимеработы. Контактор представляет собой электрический аппарат, предназначенный для коммутации силовых электрических цепей. Замыкание или размыкание контактов контактора осуществляется чаще всего под воздействием электромагнитного привода.
Управление контактором осуществляется посредством вспомогательной цепи оперативного тока, проходящего по катушкам контактора. При этом величина оперативного тока в коммутируемых цепях. Контактор не имеет механических средств для удержания контактов во включенном положении, при отсутствии управляющего напряжения на катушке контактора он размыкает свои контакты.
Основными техническими данными контакторов являются номинальный ток главных контактов, предельный отключаемый ток, номинальное напряжение коммутируемой цепи, механическая и коммутационная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность контактора, как и любого коммутационного аппарата, обеспечить работу при большом числе операций характеризуется износостойкостью.
Контактор имеет следующие основные узлы: контактную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. При подаче напряжения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Дугогасительное устройство обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Система вспомогательных слаботочных контактов служит для согласования работы контактора с другими устройствами.
В настоящее время частота коммутаций в схемах электропривода достигает 3600 в час. Этот режим работы является наиболее тяжелым. При каждом включении и отключении происходит износ контактов. Поэтому принимаются меры к сокращению длительности горения дуги при отключении и к устранению вибраций контактов. Как правило, контакторыприменяются для коммутацииэлектрическихцепей при напряжении до 660 В и токах до 630 А.
Основные области применения контакторов: управление мощными электродвигателями (например, на тяговом подвижном составе: электровозах, тепловозах, электропоездах, лифтах), коммутация цепей компенсации реактивной мощности, коммутация больших постоянных токов.
1. Расчет токоведущего контура
1.1 Определение размеров токоведущих частей
Расчет токоведущих частей контактора в номинальном режиме работы проводим с учетом эквивалентного длительного тока. Под эквивалентном током понимают постоянный по величине ток, который при длительном протекании по проводнику вызывает такой же нагрев, как и реальный ток, изменяющийся во времени согласно данному режиму работы:
где ПВ% – продолжительность включения; Z– допустимое число циклов включения; IН – номинальный ток главной цепи, А.
Сравнивая IН и IЭКВдальнейший расчет токоведущего контура проводим по большему из этих значений. Т.к. , то выбираем
1.1.1 Расчет размеров токоведущих частей
Размеры шин определяются исходя из условия удовлетворительного теплового режима, как в режиме штатной нагрузки, так и в режиме короткого замыкания.
По выбранному значению расчетного тока таблице 2 [1] выбираем предварительные размер медной шины и рассчитываем коэффициент геометрии:
Проводим расчет размера токоведущей шины по формуле:
где –удельное электрическое сопротивление материала токоведущей части аппарата для медной шины ; –температурный коэффициент металла контактов для меди ; – допустимая температура нагрева токоведущих частей для меди ; –температура окружающей среды, ; – коэффициент теплоотдачи, .
Неравенство соблюдается, шина выбрана правильно.
1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме
Температуру нагрева токоведущих частей находим из условия, что переходное сопротивление шинного соединения равно нулю, тогда
где и – периметр и площадь поперечного сечения соответственно.
Условие выполняется.
1.3 Расчет термической стойкости
При коротком замыкании в цепи токоведущего контура протекают сверхтоки. Однако в результате их кратковременного действия можно допустить значительно более высокие значения превышения температуры, чем в номинальном режиме работы. При этом аппарат должен обладать термической стойкостью. Допустимую температуру нагрева токоведущих частей в режиме короткого замыкания примем равной
Импульс тока равен:
где – плотность материала токоведущей шины для меди
с – теплоемкость материала токоведущей шины для меди
1.4 Расчет размеров гибкого соединения
В аппаратах управления кроме плоских контактных соединений широко применяются контактные соединения с гибкими связями.
Эти соединения осуществляют токовую связь подвижного контакта аппарата с токоподводящими деталями. Гибкие соединения, как правило, выполняются из эластичной медной ленты толщиной 0,1 мм и менее, или из многожильного плетеного проводника, состоящего из медных жил диаметром 0,08 0,1 мм. При работе гибкая связь не должна иметь резких перегибов.
Сечение меди гибкого соединения должно быть близким к сечению шины
Ширина шунта примерно равна ширине шины:
Толщина гибкого шунта:
где –коэффициент заполнения.
1.5 Определение переходного сопротивления
1.5.1 Определение плотности тока
Кажущая плотность тока определяется отношением величины тока, проходящего через контактное соединение к полной поверхности контактирования.
Для медных шин при токе I = (200...2000) A плотность тока:
1.5.2 Расчет силы контактного нажатия
где – удельное давление в контактирующих частях таблицы 3 [1] ; - площадь контакта, м2:
По величине необходимого контактного нажатия выбираем болты М10 с сечением 50 мм2и с силой затяжки 8,6 кН по таблице 4 [1].
При коротком замыкании в цепи, содержащей контактные соединения, возникают дополнительные эффекты, обусловленные появлением больших механических напряжений вследствие неодинакового температурного коэффициента расширения болтов и токоведущих частей. Это приводит к тому, что в болтах появляются остаточные деформации, которые при остывании контактного соединения вызовут ослабление нажатия в контактах, а следственно, повышение переходного сопротивления и нагрев контакта при нормальном режиме работы.
Расстояние между центрами болтов выбирается не менее , где d – диаметр болта, м.
Как показывают опытные данные, превышение температуры нагрева болтов составляет примерно 25% от превышения температуры токоведущих частей. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе усилий натяга
болтов.
Для снижения влияния остаточных деформаций рекомендуется в болтовых соединениях использовать пружинные шайбы.
1.5.3 Переходное сопротивление контактирующих поверхностей
Это сопротивление образуется посредством токоведущих частей, стянутых несколькими болтами, и определяется следующим образом:
где – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактирующих поверхностей таблица 5 [1], Ом∙кгn; n – коэффициент
соприкосновения для линейного контакта находится в приделах 0,5...0,7;Рк.табл=8,6кН.
1.5.4 Омическое сопротивление контакта
Сопротивление RК1 отличается от сопротивления прямого участка контактирующих частей за счет искривление линий тока в месте контактирования. Это приводит к повышению сопротивления контактного соединения, которое учитывается поправочным коэффициентом kc:
гдеkc – поправочный коэффициент рис. 2 [1]; l – длина контактного соединения:
1.5.5 Полное сопротивление контактного соединения
1.6 Расчет превышения температуры контактного соединения
При нормальном режиме температура контактного соединения не должна превышать температуру нагрева примыкающих к нему шин больше чем на 10 0С и быть больше допустимой.
где SK – полная наружная поверхность контактного соединения:
2. Расчет коммутирующих контактов
Коммутирующие контакты, как один из основных элементов токоведущего контура, осуществляют электрическое соединение двух или нескольких токопроводов для перехода тока из одного токопровода в другой.
Конструктивная форма, размеры и параметры контактных систем, в основном, определяются двумя факторами: током, протекающим по контактам, и напряжением сети, при котором контакты работают.
Контактные системы аппаратов управления работают в номинальном режиме при токах, достигающих сотен и тысяч ампер, а в кратковременных режимах – десятков и сотен килоампер. Напряжение коммутируемых сетей не превышает 1140 В, а в переходных режимах достигает нескольких киловольт.
2.1 Расчет сил контактного нажатия
Для одноточечных контактов сила контактного нажатия:
,
где В – число Лоренса ( ); Нb – твердость контактной поверхности по Бриннелю (для меди ); – удельная усредненная теплопроводность токоведущего проводника (для меди 390 Вт/м∙0С); Т0 – температура контактной площадки, К; ТК – температура точки касания:
2.2 Расчет уточненного значения переходного сопротивления
Определение величины переходного сопротивления коммутирующих контактов необходимо для выявления тепловых потерь в контактной точке.
где n– коэффициент формы контактной поверхности (0,5÷0,7); 2/3–коэффициент, учитывающий уменьшение температуры по мере удаления от площадки касания; kПХ – коэффициент, учитывающий материал и состояние контактной поверхности таблица 5 [1].
2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме
2.3.1 Падение напряжения в токоведущем контуре аппарата при замкнутых коммутирующих контактах
2.3.2 Превышение температуры контактной площадки
По величине UK по таблице 6 [1] определяем допустимое превышение температуры. Превышение температуры допускается.
2.4 Расчет износа контактов
Износ контактов происходит как при замыкании, так и при размыкании цепи тока. Мерой износа контактов является уменьшение провала, а также объема и массы удаляемого с контактной поверхности металла.
2.4.1 Расчет удельного массового износа
где – коэффициент неравномерности ; – опытные
коэффициенты износа ; – ток отключения , А; – ток включения , А.
2.4.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта
где N– износостойкость; – плотность материала контакта (для меди 8900 кг/м3).
2.4.3 Расчет линейного износа
2.4.4 Расчет провала контакта
2.5 Расчет параметров короткого замыкания
В режиме короткого замыкания по контактам аппарата протекает сверхток, длительностью не превышающих нескольких секунд, но по величине значительно превышающий номинальный. В результате этого, в место контактирования выделяется большое количество тепла, в десятки и сотни раз больше, чем при продолжительном режиме работы. В точке соприкосновения контактов появляются электродинамические силы стягивания, которые стремятся отбросить один контакт от другого и тем самым уменьшить контактное нажатие. Помимо электродинамических сил стягивания на контакты действуют силы от токоведущего контура, которые так же увеличивают электродинамические силы стягивания. Таким образом, на месте контактирования увеличивается переходное сопротивление и разогрев, и возможное сваривание, и как следствие – выход аппарата из строя.
Основной задачей расчета нагрева контактов в режиме короткого замыкания является определение устойчивости замкнутых контактов к токам короткого замыкания.
2.5.1 Расчет начального тока сваривания
где – коэффициент, выбирается из таблицы 7 [1] в зависимости от конструкции контактов и формы их поверхности выбираем Г– образный.
2.5.2 Расчет тока приваривания
2.5.3 Расчет силы электродинамического отталкивания
где S0 – сечение площадки смятия в контакте:
где – предел прочности материала контактов на смятие.
Условие выполняется.
3. Кинематический расчет привода
Механической характеристикой электрического аппарата называется зависимость всех механических сил или моментов, приведенных обычно к оси действия привода аппарата, от величины хода или поворота привода.
В электрических аппаратах с электромагнитным приводом за величину хода обычно принимается величина рабочего воздушного зазора магнитной системы.
3.1 Характеристика противодействующих сил
3.1.1 Расчет силы предварительного сжатия контактных пружин всех полюсов
где – отношение плеч (для переменного тока ); р – число полюсов контактора.
3.1.2 Расчет силы конечного сжатия контактных пружин
Принимаем .
3.1.3 Расчет конечного сжатия возвратной пружины
Принимаем
3.1.4 Расчет силы начального сжатия возвратной пружины
Принимаем
3.1.5 Расчет полного хода контактов
где – раствор контакта:
На рисунке 1 приведена механическая характеристика
Рисунок 1 – Механическая характеристика
3.2 Расчет возвратной пружины
3.2.1 Расчет силы начального натяжения возвратной пружины
3.2.2 Расчет расчетного напряжения на скручивания
где – допустимое значение напряжения кручения для стальной пружины; п – коэффициент для пружины растяжения таблица 8 [1]
3.2.3 Расчет диаметра проволоки пружины
3.2.4 Расчет сжатия пружины
3.2.5 Предварительный расчет числа витков и длины пружины в свободном состоянии
гдеЕ– модуль сдвига таблица 9 [1]; Dср– средний диаметр пружины:
Округляем число витков в большую сторону ,
3.3 Расчет контактной пружины
3.3.1 Расчет силы контактной пружины
3.3.2 Определение расчетного напряжения на скручивание
гдеп – коэффициент для пружины растяжения таблица 8 [1].
3.3.3 Диаметр проволоки пружины
3.3.4 Расчет сжатия пружины
3.3.5 Предварительный расчет числа витков
Округляем число витков
4. Расчет электромагнита
Основные параметры и характеристики электромагнитов следующие:
1) Конструктивная форма;
2) Род тока, номинальное напряжение и частота источника питания режим питания;
3) Режим работы;
4) Потребляемая мощность;
5) Развиваемая сила и величина начального хода или зависимость электромагнитной силы от хода – тяговая характеристика;
6) Предельная температура нагрева;
Параметры притягивания и отпускания якоря;
7) Износостойкость – число гарантируемых операций;
8) Масса игабаритные размеры;
10) Стоимость.
Оценка оптимальности выбора конструкции электромагнита может быть произведена с помощью конструктивного фактора Г таблица 10 [1].
4.1 Расчет оптимальной конструктивной формы электромагнита
4.1.1 Расчет электромагнитной силы
4.1.2 Расчет геометрического показателя
,
где – максимальный зазор:
4.2 Расчет основных размеров электромагнита
4.2.1 Расчет электромагнитной силы
4.2.2 Расчет сечения полюса
,
где – магнитная индукция в рабочем зазоре, по рекомендациям выбираем в пределах 0,6 1,2 Тл.
4.2.3 Определение размеров сторон сечения прямоугольного сердечника электромагнита переменного тока
Принимаем a_c=b_c=0,02 м
4.2.4 Расчет высоты сердечника
4.3 Расчет обмотки переменного тока
Так как тяговая характеристика электромагнита переменного тока с внешним притягивающимся якорем является, как правило, весьма пологой, то определение намагничивающей силы может быть произведено при минимальном значении рабочего зазора.
4.3.1 Определение намагничивающей силы
4.3.2 Определение числа витков с учетом снижения напряжения на 15%
4.3.3 Определение действующего значения МДС
4.3.4 Ток в обмотке
где - проводимость при минимальном зазоре :
4.3.5 Сечение провода
где kз – коэффициент заполнения 0,4 0,6.
4.3.6 Расчетный диаметр не изолированного провода
Принимаем стандартный диаметр провода по таблице 11 [1]
По стандартному диаметру рассчитывается и уточняется число витков.
4.3.7 Сопротивление обмотки
где Lср – длина средней линии:
где –радиальный размер катушки, м;
4.3.8 Площадь поверхности охлаждения
4.4 Расчет магнитной цепи с экраном
4.4.1 Расчет магнитного потока в рабочем зазоре (при притянутом якоре)
где – коэффициент, учитывающие возможное понижение напряжение питания сети ; – коэффициент рассеяния .
4.4.2 Расчет коэффициента запаса
,
где – отношение площадей неэкранированной и экранированной частей, =0,4 0,6.
4.4.3 Расчет необходимого электрического сопротивления экрана
где – сумма площадей неэкранированной и экранированной частей магнитопровода:
4.4.4 Расчет угла между потоками Фн и Фэ при одновитковом экране
где – магнитная проводимость экранированной части воздушного зазора:
где – площадь экранированной части, м:
4.4.5 Расчет магнитных потоков
Поток в неэкранированной части:
Поток в экранированной части:
4.4.6 Расчет магнитной индукции в неэкранированной части зазора
где – площадь неэкранированной части, м:
Условие выполняется.
4.4.7 Расчет средних значений сил в неэкранированной и экранированной частях
4.4.8 Расчет амплитуды Ра средней и минимальной силы
4.4.9 Расчет геометрических размеров экрана
Выбор геометрических размеров экрана производят:
исходя из величины необходимого электрического сопротивления экрана, с учетом значительного изменения сопротивления при температуре экрана, доходящей до 200 250 0С.
размеры определяются на основании теплового расчета экранированной области магнитопровода.
Принимаем толщину экрана
Длина средней линии экрана:
где – ширина экрана , м; – глубина экрана
Электрическое сопротивление экрана:
где qЭ – сечение экрана:
– удельное сопротивление медного экрана нагретого до температуры 200 250 0С:
Высота экрана:
4.6 Расчет проводимостей
4.6.1 Схема замещения
Проводимости рассчитываем методом разбивки поля на простые геометрические фигуры. Метод предусматривает разбиение объёма пространства воздушного зазора на простые геометрические тела. Все частичные тела образуют вероятные параллельные пути воздушного зазора . Это обстоятельство определяет целесообразность расчета их параметров в форме частичных магнитных проводимостей , так что полная магнитная проводимость определяется суммированием частичных составляющих:
В рассматриваемом методе частичная проводимость геометрического тела основной части воздушного зазора рассматривается как рабочая проводимость , а остальные фигуры создают краевую проводимость
.
Поэтому соответственно для проводимости справедливо
4.6.2 Расчет проводимостей для пяти зазоров
1)
2)
3) ,
4)
5)
Принимаем
Полная проводимость воздушного зазора представляет собой сумму всех частичных проводимостей:
Фигура 1 – Призма высотой и основанием а и b
Фигура 2 – Полуцилиндр диаметром длиной b
Фигура 3 – Половина полого цилиндра
Фигура 4 – Четверть цилиндра радиуса
Фигура 5 – Четверть полого цилиндра
Фигура 6 – Полуцилиндр диаметрам длиной а
Фигура 7 – Половина полого цилиндра длиной а
Фигура 8 – Сферический квадрант
Фигура 9 – Квадрат сферической оболочки
Таблица 1– Расчетные значения проводимостей для пяти зазоров
Фигуры
зазоров Проводимости, Гн
1 зазор 2 зазор 3 зазор 4 зазор 5 зазор
Фигура 1 10∙10-7 1,2∙10-7 0,64∙10-7 0,4∙10-7 0,36∙10-7
Фигура 2 0,065∙10-7
Фигура 3 0,16∙10-7
Фигура 4 0,13∙10-7
Фигура 5 0,321∙10-7
Фигура 6 0,065∙10-7
Фигура 7 0,16∙10-7
Фигура 8 0,55∙10-10 4,64∙10-10 8,73∙10-10 12,05∙10-10 15,36∙10-10
Фигура 9 4∙10-10 33,76∙10-10 63,5∙10-10 87,62∙10-10 111,73∙10-10
Полная проводимость 11,27∙10-7 2,479∙10-7 2,05∙10-7 1,925∙10-7 1,994∙10-7
4.6.3 Расчет проводимости не рабочего зазора
4.6.4 Суммарная проводимость
Таблица 2–Расчетные значения суммарной проводимости
1 зазор 2 зазор 3 зазор 4 зазор 5 зазор
Проводимость, Гн 0,75∙10-7 0,67∙10-7 0,447∙10-7 0,352∙10-7 0,291∙10-7
На рисунке 2 приведен график зависимости проводимости от величины зазора
Рисунок 2– График зависимости проводимости от величины зазора
4.7 Расчет тяговой характеристики
4.7.1 Рассчитываем Ртяг для каждого воздушного зазора
Проводим касательные к кривой в расчетных точках. Углы, образованные с осью абсцисс, характеризуют первые производные в этих точках:
,
где – масштабы по соответствующим осям, k – поправочный коэффициент, зависящий от величины силы контактного нажатия k=1,5.
, , , ,
На рисунке 3 приведена тяговая характеристика
Рисунок 3 – Тяговая характеристика
5 Динамические характеристики
5.1 Расчет времени трогания
5.1.1 Ток трогания
5.1.2 Установившееся значение тока
5.1.3 Время трогания
где –электромагнитная постоянная времени при отпущенном якоре:
На рисунке 4 приведена противодействующая и тяговая характеристики
Рисунок 4 – Противодействующая и тяговая характеристики
5.2 Расчет времени движения
где т – масса подвижных частей, приведенная к общей оси вращения:
где –масса якоря; рс – плотность стали ; – масса контактов;
где – площадь фигуры, ограниченной тяговой и противодействующей характеристикам. Определяется как разность площадей, образованных этими кривыми;
– масштабный коэффициент по осям координат.
Вывод
В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет электромагнитного контактора переменного тока. Набрал опыт в электромагнитных, электромеханических и тепловых расчетах современных конструкций контакторов, а так же в иных расчетах входивших в курсовую работу. Изучил области применения контакторов и их принцип работы.
По результатам расчетов убедился в работоспособности данного контактора 7022Б.
Список литературы
Рогинская Л.Э., Мухутдинова Г.С., Рахманова Ю.В. .Электрические и электронные аппараты. Учебное электронное издание локального доступа Уфа, УГАТУ: 2010.
Мухутдинова Г.С., Рогинская Л.Э. .Электрические аппараты. Учебное пособие. – Уфа: 2005
Костюкова Т.П.. Электрические аппараты. Учебное пособие. – Уфа: 1996
Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов. - М.: Энергия 1971.