1.5.2 Условия эксплуатации

Высота над уровнем моря не более 1000 м.

При работе над уровнем моря до 4300 м технические характеристики согласовываются с предприятием-изготовителем.

Рабочая температура окружающего воздуха от минус 45 до 40°С.

Относительная влажность окружающего воздуха не более 98% при температуре 35°С и более низких температурах без конденсации влаги.

Место установки контакторов, защищенное от прямого попадания воды, масла, эмульсии.

Рабочее положение контакторов в пространстве — на вертикальной плоскости. Допускается отклонение от вертикального положения не более 5° в любую сторону.

Требования техники безопасности по ГОСТ 12.2.007.0—75 и ГОСТ 12.2.007.6-93.

Нормативно-технический документ ТУ 16 0.524.001-72

1.5.3 Технические данные

Таблица 1.5.1 - Основные технические данные контакторов

Типоисполнение контактора	Номинальный ток, А		Номинальное напряжение цепи, В
	главных	вспомагательных
КТ6000Б	100	5	380

1.5.4 Конструкция и принцип действия

Контакторы серий КТ6000Б, КТП6000Б и КТ7000Б относятся к контакторам поворотного типа. На металлической рейке, являющейся базовой деталью контактора, смонтирована неподвижная часть электромагнита (сердечник с в тягивающей катушкой), неподвижные контакты с дугогаситель ным устройством и блок вспомогатель ных контактов. Подвижная часть, состоящая из подвижных контактов и якоря электромагнита, смонтирована на валу контактора, вал вращается на подшипниках, установленных на рейке контактора. Главные контакты контакторов — замыкающие пальцевого типа.

Контакты вспомогательной цепи мостикового типа.

Рисунок 1.5.1 - Общий вид, габаритные и установочные размеры

2 Розрахунок

2.1 Розрахунок елементів струмоведучого контуру

Исходными данными при расчете и проектировании токоведущего контура, как правило, являются: номинальное напряжение U_н, В; номинальный ток I_н, А; предельный отключаемый ток I_отк, А; частота отключений в час Z; режим работы; коммутационная износостойкость N_эл., м.л.н. циклов.

Задачей расчета является определение размеров сечений элементов токоведущего контура, сопротивлений их материала, переходных сопротивлений их контактных соединений, падение напряжения в токоведущем контуре и параметров термической и динамической стойкости из условия, чтобы температура элементов токоведущего контура не превышала допустимых значений, а сила нажатия коммутирующих контактов обеспечивала бы их непреваривание или самопроизвольное размыкание под действием электродинамических сил отброса.

Расчет токоведущих частей аппарата проводят для двух режимов. Для режима длительного протекания номинального тока I_н .

Размеры токоведущего неизолированного или с частично изоли­рованным периметром проводника по номинальному определяют по формуле Ньютона.

2.1.1 Расчет выводных шин

(2.1)

где р – периметр поперечного сечения проводника, участвующего в теплообмене с окружающей средой см;

S – поперечное сечение проводника, см;

ρ₀ - удельное электрическое сопротивление при 0 ⁰С, равное 1.62*10^-8 Ом·см;

а – температурный коэффициент сопротивления, равный 0.0043 I/град;

θ_доп – длительно допустимая температура нагрева равная 95+273 К;

К_g – коэффициент добавочных потерь, обусловленный поверх­ностным эффектом и эффектом близости, равный 1;

θ_окр – температура окружающей среды, равный 40+273 К;

К_Т – коэффициент теплоотдачи, равный 8 Вт/м² · град.

Для неизолированной шины прямоугольного сечения со сторонами а и b с учетом обозначения m = a / b, когда pS = 2m(1+m)b³,

(2.2)

.

Обычно величина m находится в пре­делах от 0,25 до 0,5, выбираем 0.5;

При постоянном и переменном токе частотой 50 Гц K_g=1.

По принятому значению m = a / b устанавливают толщину шины а. По найденным значениям а и b определяют площадь сечения шины

S = a · b ; выбирают ближайшее большее стандартное сечение шины по ГОСТ 434-78 и уточняют размеры а и b.

(2.3)

.

(2.4)

.

Выбираем ближайшее большее стандартное сечение по ГОСТ 434-78 и уточняют размеры а и b.

a=1*10^-3м;

b=1.16*10^-2м;

S=1.16*10^-5м².

Для принятых размеров поперечного сечения токоведущей вычисляют установившуюся температуру нагрева.

(2.5)

где р - периметр поперечного сечения шины,

р = 2(a+b), (2.6)

p=2.5*10^-2м.

θ_уст сравниваем с предельно допустимой температурой нагрева проводника в длительном режиме по ГОСТ 434-70 и делают выводы о правильности расчета.

θ_уст θ_доп,

Найденное поперечное сечение шины проверяем на термическую стойкость в режиме кратковременного протекания предельного от­ключаемого тока I_отк. Для этого определяют величину теплового импульса І²_отк t_к.3 и оценивают время термической стойкости t_к.3:

(2.7)

.

где γ - плотность материала шины, равная 8900 кг/м³;

С - его удельная теплоемкость, равная 390 Дж/г · град;

θ_к.3 , θ_доп - допустимая температура нагрева соответственно токоведу­щей шины в режиме короткого замыкания и проводника в длительном режиме, равная 105+273 К.

2.1.2 Контактные соединения

Полученное время термической стойкости должно быть меньше 5 с для контакторов и пускателей и 1 с для автоматов. В про­тивном случае необходимо увеличить размеры поперечного сечения токоведущих частей.

Контактные соединения в токоведущем контуре аппаратов управ­ления делятся на разборные и неразборные. Неразборные выполняются посредством сварки, пайки, клепки токоведущих деталей.

При рациональном выборе величины контактирующих поверхностей переход­ное сопротивление в таких соединениях, практически такое же, как и на участке сплошного проводника.

Разборные контактные соединения состоят из двух или более токоведущих частей, соединенных между собой болтами (вин­тами).

Контактное нажатие в них осуществляется силой затяжки бол­та (винта), гайки.

(2.8)

где θ_к – температура деталей в месте контактирования;

R_ко – общее сопротивление контактного соединения;

S_к – площадь полной наружной поверхности контактного сое­динения.

Общее сопротивление контактного соединения R_ко состоит из переходного сопротивления контакта R_к и омического сопротивле­ния R_к1 материала частей проводников, образующих контактное соединение:

(2.9)

Переходное сопротивление контакта

, (2.10)

где ε – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверх­ности контактов, равный 0.38*10^-2 Ом·Н;

m₁ – число болтов в контактном соединении, равное 1;

Р_к – сила контактного нажатия, Н;

m ₂ – коэффициент, зависящий от числа точек соприкосновений и типов контактов, равный 1.

Силу контактного нажатия Р_к определяют по рекомендуемым значениям удельного контактного давления р_к и площади поверх­ности контактирования S₁:

(2.11)

Удельные давления р_к, Н/м², в контактирующих частях, соединенных болтами, равное 9*10⁶ Н/м²

Площадь поверхности контактирования S₁ определяется током І, проходящим по контакту, и кажущейся плотностью тока j:

S_{1 =} b², (2.12)

, (2.13),

К_с – поправочный коэффициент, равный 0.7;

l, S – длина и площадь сечения контактного соединения,

(2.14)

Расчет произведен правильно.

2.1.3 Коммутирующие контакты

В режиме длительного прохождения І_н (или І_экв) переходное сопротивление контактов Р_к с учетом влияния электрической дуги на нагрев контактов определяют из выражения :

(2.18)

где θ_м – максимальная температура площадки касания;

θ_к – температура контактной детали, принимается равной θ_уст, определенной для шин, равна 357.83 К;

Р, S – соответственно периметр и сечение контакт-деталей по линии контактирования;

Р_gэ – доля потерь мощности в контактах аппарата от наличия электрической дуги;

λ – коэффициент теплопроводности контактного материала, равный 390 Вт/(мк).

Максимальная температура площадки касания θ_м не должна превышать температуру рекристаллизации выбранного контактного ма­териала. Согласно ГОСТ 403-73 для контактов из меди установлена. θ_м = 105 ⁰С. Температура площадки касания, ограничивается предельно допустимыми температурами соседних частей

(2.19)

где U_g – напряжение на дуге, равное 176 В;

І_g – ток дуги;

t_r – длительность горения дуги на контактах, равная 0.01 с;

Z – частота включений в час, равная 600.

В дальнейших расчетах дугогасительных устройств контакторов эти параметры уточняют.

Ток дуги

(2.20)

По найденному значению R_к определяют силу контактного нажатия

(2.21)

где К₁, m – эмпирические коэффициенты; равны К₁=0.14*10^-3, m=0.5.

Рассчитывают удельное контактное нажатие на 1 А номинального (эквивалентного) тока, Н/А,

(2.22)

В практике проектирования электрических аппаратов установлены определенные значения ρ_уд, Н/А; для разных условий.

Для медных контактов: 0,145-0,24;

Расчетное значение необходимо сравнивать с табличным. Если расчетные величины удельных нажатий ниже рекомендуемых, следует взять нижний предел приведенных значений удельных нажатий в контактах и определить новые значения Р_к и R_к:

(2.23)

P_к,=0.145*40=5.8 Н.

(2.24)

Правильность расчета силы контактного нажатия проверяем тем­пературой площадки касания:

(2.25)

Значение θ_пк не должно превышать θ_м.

.

В режиме кратковременного t_к.3 протекания тока короткого замыкания І_к.3 выясняем, обеспечит ли рассчитанная сила Р_к контактного нажатия неприваривание контактов.

Ток сваривания .

(2.26)

,

где σ _см – предел прочности материала контакта смятию.

Для наиболее распространенных контактных материалов принима­ют

σ _см=505*10⁶ Н/м².

2.1.4 Расчет износа и провала контактов

По заданному числу отключений цепи N_эл которые должны выдер­жать контакты аппарата, определяем в конечном счете линейный из­нос контактов.

Массу материала, г, одной пары контактов, которая может быть израсходована на износ в аппаратах управления на токи от 10 до 4000А, приближенно рассчитываем по формуле

(2.27)

Q ≈ 10^-9*10*1*10⁶*100²=640кг.

где К_u – эмпирический коэффициент, зависящий от тока и материа­ла контактов, равный 10;

N_эл - число операций "включение-отключение" , равное 1*10⁶;

І_о – отключаемый ток, за который в контакторах и пускателях.

Определив износ по массе Q, устанавливаем объемный износ

(2.28)

,

где γ – плотность материалов контактов, равная 8900 кг/м³.

Зная геометррические размеры контакта (в частности площадь S от линии контактирования до верхней кромки контакта), по объемному износу V можно найти линейный износ.

(2.29)

.

2.2 Проектирование механизма апарата

Основными элементами пружинного механизма являются контактные и возвратные пружины, которые создают силы отрывающие якорь от сердечника после отключения электромагнитного привода.

Одним из исходных параметров для расчета контактных и возвратных пружин являются усилия предварительного Р₁ и конечного Р₂ сжатия контактных пружин и усилия предварительного Р_1В и конечного Р_2В сжатия возвратных пружин.

Для определения величины Р₁ и Р₂ контактной пружины рассчитанную ранее силу контактного нажатия Р_к необходимо привести к оси контактной пружины, используя эскиз проектируемого аппарата с предварительно принятыми линейными размерами.

Сила контактного нажатия, приведенная к оси контактной пружины

, (2.30)

Р_к^’ = 2Р_к , (2.31)

Соотношения между Р₁ и Р₂ можно принять

Р₁ = 0,6 Р₂. (2.32)

Отсюда

Величину предварительного (начального) усилия возвратной пружины P_1B принимаем по величине конечного нажатия пружины P2, приведённой к оси возвратной пружины.

(2.33)

.

где l, l₂, l_В - расстояние соответственно от оси контактной пружины до оси контактного узла, от оси поворота узла до оси поворота всей подвижной системы аппарата (до призмы), от оси возврата пружины до призмы;

К - число главных контактов аппарата, равное 2.

, (2.33)

, (2.34)

;

, (2.35)

;

, (2.36)

;

, (2.37)

, (2.38)

где β^’_к, σ^’_n - катушки раствор и провал контактов соответственно;

P^’₁, P^’₂ и P^’_1В, P^’_2В - начальное и конечное усилие соответственно контактной и возвратной пружины.

Сила электромагнита, которую он может развивать при критическом зазоре.

(2.39)

Р_э._кр =1.3*7.387=9.604 Н.

где К_з – коэффициент запаса, для контакторов и магнитных пускателей равный 1,3;

Р_кр – значение суммарной противодействующей силы при критическом зазоре, равное 7.45 Н.

2.3 Попередній розрахунок електромагніта

Задача расчета - предварительное определение размеров магнитопровода, намагничивающей силы обмотки и ее геометрически размеров.

Для электромагнитов с полюсным наконечником площадь сечения полюсного наконечника, см, определяют по формуле Максвелл.

(2.40)

,

где Р_э.кр - тяговая сила электромагнита в критическом зазоре, Н;

В_δ - индукция в воздушном зазоре, Т.

В выполненных конструкциях В_δ лежит в пределах 0,5 - 0,9 Т.

Диаметр полюсного наконечника

, (2.41)

Диаметр сердечника d_c устанавливают из рекомендуемых лите­ратурой соотношений:

- для малогабаритных клапанных электромагнитов d_п.н / d_c 1,1…1,2;

- для крупногабаритных d_п.н / d_c = 1,4...1,5.

Высоту полюсного наконечника h_п.н определяют из соотношений:

- для малогабаритных клапанных электромагнитов = 0,1...0,2;

- для крупногабаритных – h_п.н / d_с = 0,2...0,3.

Площадь сечения сердечника

, (2.42)

Площадь сечения якоря

, (2.43)

.

где σ_вып - коэффициент выпучивания, в предварительном расчете принимается равным 1,1 – 1,5;

сечения ярма

S_яр ≥ S_я .

Ширину якоря в_я берут равной или несколько большей диамет­ра полюсного наконечника d_п.н.

Толщина якоря

, (2.44)

.

Намагничивающую силу срабатывания обмотки F_ср рассчитыва­ют для критического зазора:

, (2.45)

где К_П - коэффициент, учитывающий падение намагничиваю-щей силы в нерабочих зазорах и стали магнитопровода, составля­ет 1,2-1,5;

В_δ - индукция в возданном зазоре, Т;

δ- воздушный зазор в критической точке;

μ_о - магнитная проницаемость воздуха, равная 4π · 10^-7 Г/м.

Размеры обмотки выбирают по тепловому фактору

(2.46)

где П - отношение длины катушки l_к к толщине h_к, для кла­панных электромагнитов постоянного тока принимается равным 4 - 8;

ПВ - продолжительность включения, определяется режимом ра­боты электромагнита (при длительном включении ПВ = I; при повторно-кратковременном режиме ПВ < 1 и приводит­ся в задании);

К_з - коэффициент запаса, определяемый отношением І_у / І_тр, обычно принимается равным 1,3 - 2,0;

f₀ - коэффициент заполнения обмотки, в предварительном ра­счете принимается равным 0,5;

К_т - коэффициент теплоотдачи, принимается по рис. 4.9 зависимости от превышения температуры нагрева обмотки; а - для катушки бескаркасной, б - каркасной;

Толщина катушки

, (2.47)

n для катушек постоянного тока принимается 3…5.

Рисунок 2.3.1 - Зависимость К_Т = f(τ)

Ширина ярма

, (2.48)

его толщина

, (2.49)

.

По конструктивным соображениям зазор между ярмом и обмоткой h - h_к с целью уменьшения потоков рассеяния принимают равным 0,5 - 1,5 см.

По результатам вычерчивают эскиз электромагнита с указанием конкретных размеров, полученных при расчете.

Катушка - основная часть всех электромагнитов, обеспечиваю­щая необходимую намагничивающую силу (н.с.) срабатывания электро­магнита.

Задача расчета - определить диаметр провода d, число вит­ков W и сопротивление обмотки, которые обеспечивают необходимую н.с. при допустимых температурах нагрева.

В электромагнитных контакторах постоянного и переменного то­ка применяют каркасные и бескаркасные катушки. Недостаток каркас­ных катушек - ухудшенная теплопроводность и большая потеря обмо­точного пространства.

Разрез каркасных катушек представлен на рис 4.11; а - продоль­ный для круглой; б - поперечный для прямоугольной.

Для определения обмоточного пространства каркасной катушки необходимо учесть толщину стенок изоляционного материала каркаса, которая по технологическим соображениям, может оказаться значительной. С учетом толщины стенок определяют длину обмотки l_o и ее толщину h_o.

Рисунок 2.3.2 - Эскиз клапанного электромагнита

Рисунок 2.3.3 - Разрез каркасных катушек

Средняя длина витка обмотки для круглой катушки

l_ср = π(d_o + h_o), (2.50)

l_ср =3.14*(0.0014+0.02)=0.108м .

Диаметр круглого провода обмотки

, (2.51)

где U - напряжение источника питания.

По найденному диаметру провода d из определяют ближайший больший стандартный диаметр голого провода; диаметр изолированного провода d₁ и коэффициент заполнения обмотки f_o.

Число витков обмотки

, (2.52)

Активное сопротивление обмотки

, (2.53)

Для теплового расчета необходимо знать максимальный ток обмотки

, (2.53)

,

и ее максимальную мощность

, (2.54)

Уточняют значение н.с. обмотки: F = I · W.

Проверяют условие F ≥ F_cp · K₃. Если оно не выполняется, то меняют габариты катушки, а иногда и всего электромагнита.

Для контроля расчетов целесообразно определить плотность тока в обмотке

, (2.55)

и сравнить ее с допустимой величиной j_g.

Допустимая плотность тока, А/мм² для повторно-кратковременного режима включения

ВЫВОД

В ходе исследования контактора напряжения постоянного тока было изучено его назначение, принцип действия и конструкция. Так же был произведен расчет, в ходе которого рассчитали:

- токоведущий контур – задачей расчета являлось определение размеров сечения частей контура;

- коммутирующие контакты – у коммутационных аппаратов коммутирующие контакты являются той частью, для функционирования проэктирующего аппарата;

- электромагнитная система – задача расчета заключается в определении оптимальных параметров электромагнита.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Таев И.С.Электрические аппараты: Общая теория.- М.: Энергия,1977.- 272с.

2. Основы теории электрических аппаратов: Учеб. для вузов/Под ред. И.С. Таева. - М.: Высшая школа, 1987.- 496 с.

3. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов(Общие вопросы проектирования). – М.: Энергия, 1971. – 500 с.

4. Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. - М.: Энергия, 1973.- 424 с.

5. Методичні вказівки до курсової та самостійної роботи з дисципліни „Електричні апарати” для студентів денної форми навчання спеціальності 6.092204 – „Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв” / Укл.: О.Г. Стаценко – Запоріжжя: ЗНТУ, 2010. – 42 с.

6. Журнал «Inform Electro».