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% = 60%- продолжительность включения;

Z =1200 -допустимое число циклов включения;

= 100 А - номинальный ток главной цепи.

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

= 146.6 А > =100 А.

1.1.1 Расчет размеров токоведущих частей

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

,

где =1,62*10^-8 Ом*м - удельное электрическое сопротивление;

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

= 120 с - допустимая температура;

= 40 с - температура окружающей среды;

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

= b/a= 15/3= 5 - коэффициент геометрии,

м.

1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме

с,

где p =2*(a + b) = 36*10 ^-3 м - периметр;

q = а * b = 45*10 ^-6 м² площадь поперечного сечения;

должно выполняться условие < ,т. е. 72.4 с 120 с.

1.3 Расчет термической стойкости

В режиме короткого замыкания рассчитаем термическую стойкость токоведущих частей. Допустимую температуру нагрева в режиме короткого замыкания примем равной =300 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 = 45*10^-6 м^{2 -} площадь поперечного сечения шунта;

15*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

где 10 кг/мм² - удельное давление в контактирующих частях;

мм².

По величине необходимого контактного нажатия выбираем болты М8 с расчетной силой затяжки F = 5,4 кН, число болтов m = 2.

Расстояние между центрами болтов выбирается не менее (2,2 2,4) 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.

к_с=1 т.к l/a=31,5/3=6,2

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+15)*10^-3*31,5*10^-3=12,6*10^-4 м² - полная наружная поверхность контактного соединения.

2. Расчет коммутирующих контактов

2.1 Расчет сил контактного нажатия

Для одноточечных контактов сила контактного нажатия

где n=2 число контактных площадок, характеризующее форму контактной поверхности.

К - температура точки касания;

температура контактной площадки;

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

В=2,42 10^-8 (В/мк)² - число Лоренца;

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

2.2 Расчет переходного сопротивления.

m=0,5 - коэффициент формы контактной поверхности для линейного контакта,

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

=0,24 10^-3 - коэффициент, учитывающий материал и состояние контактной поверхности, (табл.5).

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 коммутирующего контакта.

⁰ с;

где =390 Вт(м ºС) – удельная усредненная теплопроводность материала коммутирующих котактов.

Табл. 2.1 - Допустимые значения превышения температуры контактной площадки

, мВ		10	15	20	25	30	35	40	45	50	60	70	90
	медь	4	5	10	14	20	26	40	42	51	70	96	160

2.4 Расчет износа контактов

2.4.1 Расчет удельного массового износа

где = 2 - коэффициент неравномерности;

= 0,2 10^-3 - опытный коэффициент износа;

=0,2 10^-3 - опытный коэффициент износа, (табл. 7.5,[2]);

=6 =879,6А – ток отключения;

=2,5 =366,5А – ток включения.

2.4.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта и линейного износа

м³,

где N =0,05 млн. допустимое число циклов включения;

= 8900кг/м³ плотность материала контакта.

м.

где S1 – площадь соприкосновения коммутируемых контактов.

Надежная работа контактов возможна, если их износ по толщине не превышает значения 0,5 0,75 от первоначальной толщины.

2.5 Провал контакта

м³.

2.6 Расчет короткого замыкания

2.6.1 Расчет начального тока сваривания

кА,

где А/кгс^0,5 - коэффициент, выбирается из таблицы 2.2 в зависимости от конструкции контактов и формы их поверхности.

Табл. 2.2 - Коэффициент сваривания

Конструкция контактов и форма их поверхности	Ток при испытании, кА	Сила нажатия, Н	, А/Н0,5
пальцевый и Г-образный	1,8-6,8	10-160	1800
Г-образный, линейный	1,8-10	3,6-130	2900

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.

Таким образом, в результате расчета контактной системы аппарата получены два значения силы контактного нажатия: для режима номинального тока и для режима тока короткого замыкания.

Выполняется условие .

3. Кинематический расчет привода

3.1 Характеристика противодействующих сил.

3.1.1 Расчет силы предварительного сжатия контактных пружин всех полюсов

Н,

где =(0,8-1,5) - отношение плеча приложения силы контактного нажатия к плечу приложения тяговой силы электромагнита, принимаем = 0,8;

р = 2 число полюсов контактора.

3.1.2 Расчет силы конечного сжатия контактных пружин

_Н.

3.1.3 Расчет конечного сжатия возвратной пружины

_Н

3.1.4 Расчет силы начального сжатия возвратной пружины

3.1.5 Расчет полного хода и провала контактов

м,

где: м – - раствор контакта.

Полученная характеристика противодействующих сил приведена на рисунке3.1.

Рис. 3.1 – Механическая характеристика

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 =800 Н/мм² - допустимое значение напряжения кручения;

n=1,5 , для пружины сжатия, (табл. 8).

3.2.3 Расчет диаметра проволоки пружины

мм,

где С = 7 – коэффициент (табл. 8).

3.2.4 Расчет сжатия пружины

мм;

3.2.5 Предварительный расчет числа

,

где E=196 10³ Н/мм² - модуль сдвига.

мм.

Округляем число витков в большую сторону W =17. Должно выполняться условие W=8….20 витков.

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

мм,

3.3.5 Предварительный расчет числа

.

,мм

Принимаем число витков контактной пружины W=6. Должно выполняться условие W = 4….12 витков.

4. Расчет электромагнита

4.1 Расчет конструктивной оптимальной формы электромагнита.

4.1.1 Расчет электромагнитной силы

Н,

где Н - сила начального натяжения возвратной пружины,

4.1.2 Расчет геометрического показателя

;

где м - максимальный рабочий зазор.

По значению геометрического показателя выбираем конструктивную форму электромагнита: однокатушечный с одним сердечником и внешним якорем, клапанного типа. (табл. 4.1).

Табл. 4.1 - Конструктивная форма электромагнита

Конструктивная форма электромагнита	Кф, Н 0,5/м
Цилиндрический с разомкнутой магнитной системой Цилиндрический с плоским стопом Шихтованный с прямоходовым якорем, Т, Ш - образным и броневой(переменного тока) Двухкатушечный с двумя сердечниками и внешним плоским якорем Однокатушечный с одним сердечником и внешним якорем(клапанного типа)	менее 0,2 16-93 1-80 2,7-270 1,9-180

4.2 Расчет основных размеров

4.2.1 Расчет электромагнитной силы

Н,

2. Расчет сечения полюса

м.

_{где μ0 – магнитная постоянная, μ0=4π∙10}^-7_Гн/м.

=0,6 – магнитна индукции в рабочем зазоре

4.2.3 Определение размеров сторон сечения прямоугольного сердечника электромагнита переменного тока

м,

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

Соотношение сторон a_С/b_С принимаем равным 1.

4.2.4 Расчет высоты сердечника

м.

4.3 Расчет обмотки переменного тока

4.3.1 Определение намагничивающей силы

Н.

4.3.2 Определение числа витков с учетом снижения напряжения на 15 %

,

4.3.3 Определение действующего значения МДС.

Н.

4.3.4 Сопротивление среднего витка с учетом понижения напряжения на 15%

Ом

4.3.5 Ток в обмотке

А.

г де - проводимость при минимальном зазоре (δ_min=0,5мм)

4.3.6 Сечение провода

где - коэффициент заполнения

4.3.7 Расчетный диаметр голого провода

мм.

Принимаем стандартный диаметр проволоки по табл. 4.2.

Табл. 4.2 - Стандартный диаметр проволоки

Диаметр проволоки
0,1	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15	0,16	0,17	0,18	0,19	0,20	0,21
0,23	0,25	0,27	0,29	0,31	0,33	0,35	0,38	0,41	0,44	0,47	0,49
0,51	0,53	0,55	0,57	0,59	0,62	0,64	0,67	0,68	0,72	0,74	0,77
0,6	0,63	0,66	0,90	0,93	0,96	1,00	1,04	1,08	1,12	1,16	1,16
1,25	1,3	1,35	1,4	1,45	1,5	1,56	1,62	1,68	1,74	1,81	1,88

По стандартному диаметру рассчитывается и уточняется число витков. Принимаем =1,4 м,

Число витков:

4.3.8 Определение сопротивления обмотки.

где - длина средней линии

м,

где - радиальный размер катушки, м

4.3.9 Площадь охлаждения поверхности.

м²;

4.4 Расчет магнитной цепи с экраном.

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

Вб,

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

σ_ср.пр = 1,03 - коэффициент рассеяния, G=(1,03 1,05)

4.4.2 Расчет коэффициента запаса

,

где α = 0,5 - отношение площадей неэкранированной и экранированной частей.

4.4.3 Расчет необходимого электрического сопротивления экрана

,Ом;

где = a_C b_C =0.045 0.045=0.002 м²

=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.

где - площадь экранированной части,

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,

4.4.8 Расчет амплитуды P_m , средней и минимальной силы

Н;

Н;

Условие P_min = 73,3> P_KC = 65,1 0,6=39выполняется.

4.4.9 Расчет геометрических размеров экрана.

Рис. 4.2. Эскиз электромагнитного экрана

Принимаем толщину экрана _Э = 0,0015 м.

Тогда длина средней линии экрана

м.

где - ширина экрана,

- глубина экрана.

Электрическое сопротивление экрана

где - сечение экрана

- удельное сопротивление медного экрана нагретого до температуры 200-250 °С.

Высота экрана

м.