Введение

Электрические аппараты подразделяются на два вида - аппараты высокого напряжения и аппараты низкого напряжения.

Среди аппаратов низкого напряжения существует несколько обособленных разновидностей:

1. автоматические регуляторы;

2. реле и электромеханические преобразователи автоматики;

3. статические преобразователи

4. аппараты управления

5. аппараты, устанавливаемые в распределительных устройствах

Под электрическими аппаратами управления будем понимать аппараты, осуществляющие управление режимом работы электрооборудования промышленных предприятий, а также управление режимом работы распределительных сетей низкого напряжения.

Аппараты управления режимом работы электрооборудования, обычно называемые аппаратами управления, включают в себя контакторы, пускатели, контроллеры, путевые выключатели и переключатели, командоаппараты, реле управления и др.

В аппаратах управления в качестве контактных и токоведущих материалов очень широко применяются медь или материалы на их основе. Замена медных токоведущих частей аппаратов на алюминиевые требует прежде всего создания надежных болтовых контактных соединений алюминиевых токоведущих элементов.

Разработка и усовершенствование аппаратов управления в промышленности ведется сейчас в направлении уменьшения их габаритов и металлоемкости. Усовершенствование технологии аппаратов и прежде всего автоматизация слесарно-сборочных и контрольно-измерительных операций, где доля ручного труда наибольшая, - это важный резерв электроаппаратных производств, позволяющий снизить трудоемкость в несколько раз.

1. Расчет токоведущего контура

1.1 Определений размеров

Расчет токоведущих частей контактора в номинальном режиме работы проводим с учетом эквивалентного длительного тока.

А,

где ПВ% = 75 %- продолжительность включения;

Z =600 -допустимое число циклов включения;

= 100 А - номинальный ток главной цепи.

Сравнивая и , дальнейший расчет токоведущего контура проводим по большему из этих значений, т. е.

= 127 А > =100 А.

1.1.1 Расчет размеров токоведущих частей

Оценим размеры токоведущих частей прямоугольного сечения по эквивалентному току. Толщина токоведущей шины.

,

где =1,74*10^-8 Ом*м - удельное электрическое сопротивление;

=0,0043с^-1 - температурный коэффициент металла контактов;

= 95 с - допустимая температура;

= 40 с - температура окружающей среды;

=10 Вт/(м²*град) - коэффициент теплопередачи;

=3 - коэффициент геометрии,

м.

Принимаем для тока I=127 А размеры стандартной шины а=3*10^-3 м, b=20*10^-3м

1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме

с,

где p =2*(a + b) = 4,6*10 ^-2 м - периметр;

q = а * b = 6*10 ^-5 м² площадь поперечного сечения;

должно выполняться условие < ,т. е. 51,5с 95с.

1.3 Расчет термической стойкости

В режиме короткого замыкания рассчитаем термическую стойкость токоведущих частей. Допустимую температуру нагрева в режиме короткого замыкания примем равной =250 с

_,

где - плотность материала контакта, для меди = 8900 кг/м³

С =390Дж/кг*с – теплоемкость.

1.4 Расчет размеров гибкого соединения

Толщина гибкого шунта

м,

где = 6*10^-5 м^{2 -} площадь поперечного сечения шунта;

= 20*10^-3 м - ширина шунта;

- коэффициент заполнения.

1.5 Определение переходного сопротивления

Для медных шин при токе меньшим 200 А А/мм².

1.5.1 Расчет силы контактного нажатия

Н,

где 0,7 кг/мм² - удельное давление в контактирующих частях;

мм².

По величине необходимого контактного нажатия выбираем болты М6 с расчетной силой затяжки F = 2,9 кН, число болтов m = 4.

Расстояние между центрами болтов выбирается не менее (2,22,4) d, где d - диаметр болта, м.

1.5.2 Переходное сопротивление контактирующих поверхностей

Ом,

где =0,24*10 ^-3 - коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактирующих поверхностей;

1.5.3 Омическое сопротивление контакта

Ом,

где мм - длина контактного соединения.

1.5.4 Переходное сопротивление контакта

_Ом.

1.6 Расчет превышения температуры контактного соединения.

При номинальном режиме температуры контактного соединения не должна превышать температуру нагрева примыкающих к нему шин больше чем на 10 градусов и быть больше допустимой.

с,

где S_K =2*(а+b)*l = 2*(3+20)*10^-3*20,4*10^-3=9,3*10^-4 м² - полная наружная поверхность контактного соединения.

2. Расчет коммутирующих контактов

2.1 Расчет сил контактного нажатия

Для одноточечных контактов сила контактного нажатия

Н,

где n =2 число контактных площадок, характеризующее форму контактной поверхности, при точечном контакте;

К - температура точки касания;

К температура контактной площадки;

= 390 Вт/(мк) - удельная усредненная теплопроводность токоведущего проводника, применяемая здесь;

В=2,410^-8 (В/мк)² - число Лоренца;

Нb=11*10⁸ Н/м² твердость контактной поверхности по Бринеллю;

2.2 Расчет переходного сопротивления.

,

где n - коэффициент формы контактной поверхности, n=0,6 для линейного контакта;

2/3 - коэффициент, учитывающий уменьшение температуры по мере удаления от площадки касания;

=0,11*10^-3 - коэффициент, учитывающий материал и состояние контактной поверхности.

2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме.

2.3.1 Расчет падения напряжения в токоведущем контуре аппарата при замкнутых коммутирующих контактах.

мВ.

2.3.2 Расчет превышения температуры контактной площадки коммутирую-щего контакта.

⁰ с;

где =3,9*10² Вт(м ºС) – удельная усредненная теплопроводность материала коммутирующих котактов.

Сравниваем с допустимым значением 0,1 ⁰с > 0,09 ⁰c, Условие выполняется.

2.3.3 Расчет температуры контактной площадки

⁰c

⁰c

Сравнивая с получим: 91,3 95 ⁰c Условия выполняется.

2.4 Расчет износа контактов

2.4.1 Расчет удельного массового износа

где = 2 - коэффициент неравномерности;

= 0,2 - опытный коэффициент износа;

=0,2 - опытный коэффициент износа;

n = 6 - кратность тока отключения.

2.4.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта и линейного износа

м³,

где N =0,01 млн. допустимое число циклов включения;

= 8900 кг/м³ плотность материала контакта.

м.

Надежная работа контактов возможна, если их износ по толщине не превышает значения 0,50,75 от первоначальной толщины.

2.5 Провал контакта

м³.

2.6 Расчет короткого замыкания

2.6.1 Расчет начального тока сваривания

А,

где А/кгс^0,5 - коэффициент, выбирается из таблицы в зависимости от конструкции контактов и формы их поверхности.

2.6.2 Расчет тока приваривания контактов.

А.

2.6.3 Расчет площади S_O и силы электродинамического отталкивания

м²,

где = 383*10⁶ Н/м²- удельное сопротивление материала контактов смятию.

Н.

Выполняется условие .

3. Кинематический расчет привода

3.1 Характеристика противодействующих сил.

3.1.1 Расчет силы предварительного сжатия контактных пружин всех полюсов

Н,

где - отношение плеч, принимаем = 1,8;

р = 3 число полюсов контактора.

3.1.2 Расчет силы конечного сжатия контактных пружин

_Н.

3.1.3 Расчет конечного сжатия возвратной пружины

_Н,

где L= 0,3-0,5, принимаем L=0,4.

3.1.4 Расчет силы начального сжатия возвратной пружины

_,

где М=0,3-0,5, принимаем М=0,5.

3.1.5 Расчет полного хода и провала контактов

м,

где: м,

м – раствор контакта;

Полученная характеристика противодействующих сил приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.

3.2 Расчет возвратной пружины

3.2.1 Расчет силы начального натяжения возвратной пружины.

;

Н.

3.2.2 Определение расчетного напряжения на скручивание.

Н/мм²,

где =490 Н/мм² - допустимое значение напряжения кручения;

n=1,5 , для пружины сжатия.

3.2.3 Расчет диаметра проволоки пружины

мм,

где С = 5 - коэффициент, выбирается из таблицы

3.2.4 Расчет сжатия пружины

мм;

мм.

3.2.5 Предварительный расчет числа витков

,

где G=78,4*10³ - модуль сдвига.

Округляем число витков в большую сторону W =4.

3.3 Расчет контактной пружины.

3.31 Расчет силы контактной пружины

;

Н.

3.3.2 Определение расчетного напряжения на скручивание

Н/мм².

3.3.3 Диаметр проволоки пружины

мм.

3.3.4 Расчет сжатия пружины и среднего диаметра

;

мм,

где мм - провал контактов.

3.3.5 Предварительный расчет числа витков и длины пружины в свободном состоянии

.

Принимаем число витков контактной пружины W=4.

4. Расчет электромагнита

4.1 Расчет конструктивной оптимальной формы электромагнита.

4.1.1 Расчет электромагнитной силы

Н,

где Н - сила начального натяжения возвратной пружины,

принимаем Н.

4.1.2 Расчет геометрического показателя

Н^0,5/м,

где м - максимальный рабочий зазор.

По зависимости выбираем значение индуктивности в рабочем зазоре

Тл.

По значению геометрического показателя выбираем конструктивную форму электромагнита: однокатушечный с одним сердечником и внешним притягиваемым якорем.

4.2 Расчет основных размеров

4.2.1 Расчет электромагнитной силы

Н,

где =539,1 Н - предельная электромагнитная сила.

2. Расчет сечения полюса

м.

4.2.3 Определение размеров сторон прямоугольного сечения

м,

где =0,9 - коэффициент заполнения сечения пакета сталью.

Соотношение сторон А_С/В_С принимаем равным 1.

4.3 Расчет обмотки переменного тока

4.3.1 Расчет высоты сердечника

м.

4.3.2 Определение намагничивающей силы

Н.

4.3.3 Определение числа витков с учетом снижения напряжения на 15 %

,

принимаем число витков W = 364.

4.3.4 Определение действующего значения МДС.

Н.

4.3.5 Определение длины средней линии.

м,

где = 2 мм.

4.3.6 Определение сопротивления обмотки.

Ом.

4.3.7 Площадь охлаждения поверхности.

м²;

4.3.8 Расчетный диаметр голого провода

м.

где м. – средний диаметр катушки.

Принимаем стандартный диаметр проволоки мм.

4.4 Расчет магнитной цепи с экраном.

4.4.1 Расчет магнитного потока в рабочем зазоре (при притянутом якоре)

Вб,

где = 0,7 - коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения питания сети, от 0,6 до 0,9 ;

 = 1,03 - коэффициент рассеяния, G=(1,03 1,05),

4.4.2 Расчет коэффициента запаса

,

где А₁ = 0,4 - отношение площадей неэкранированной и экранированной частей.

4.4.3 Расчет необходимого электрического сопротивления экрана

,

где = A_C * B_C = 0,07*0,07 = 4,9*10^-3- сумма площадей неэкранированного

и экранированного частей;

=0,5*10^-3 - минимальный рабочий зазор.

4.4.4 Расчет угла между потоками и при одновитковом экране

; ,

где Гн - магнитная проводимость экранированной части воздушного зазора.

4.4.5 Расчет магнитных потоков

В неэкранированной части

Вб,

где .

В экранированной части

Вб.

4.4.6 Расчет магнитной индукции в неэкранированной части зазора

Тл,

где .

Выполняется необходимое условие

4.4.7 Расчет средних значений сил в неэкранированной и экранированной частях

Н;

Н,

где м².

4.4.8 Расчет амплитуды F_m , средней и минимальной силы

Н;

Н;

условие F_min > F_KC выполняется

4.4.9 Расчет геометрических размеров экрана.

Принимаем толщину экрана _Э = 0,0015 м.

Тогда длина средней линии экрана

м.

Высота экрана

м.

Рисунок 2. Эскиз электромагнитного экрана