Контактора постоянного тока КПВ 600

Задание на проектирование

   В курсовом  проекте  для электромагнитного  контактора постоянного тока  по типу КПВ 600, однополюсного,  с номинальными значениями I_Н=100А и U_Н=220В, необходимо произвести следующие расчеты:

1.Расчет токоведущей системы

2.Расчет контактного узла

3.Расчет электромагнитной системы

4.Расчет механической характеристики

5.Расчет двигательной системы

6.Износ контактов и вибрация.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Содержание:                                      стр.

Введение                                                                                                         3

1.Расчет токоведущего контура                                                                   4

2.Расчет коммутирующих  контактов                                                          7

3.Кинематический расчет  привода                                                              10

4.Расчет электромагнита                                                                               13

5.Расчет динамических характеристик                                                        21

6.Расчет дугогасительной системы                                                              24

7.Заключение                                                                                                  29

8.Список литературы                                                                                     30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 Расчет размеров токоведущих частей

Оценим размеры токоведущих  частей прямоугольного сечения по номинальному току (I_н=100А). Используем в контакторе изоляционные детали, соответствующие классу нагревостойкости А, для которого допустимая температура в длительном режиме Т=105°С.

Для проводников прямоугольного сечения:

,

где   =1,75*10^-8 Ом*см - удельное электрическое сопротивление;

=0,004 с^-1 - температурный коэффициент металла контактов;

= 105 с - допустимая температура;

= 40 с - температура окружающей среды;

=10*10^-4 Вт/(см²*град) - коэффициент теплопередачи;

Принимаем для тока I=100 А размеры стандартной шины а=30*10^-3 м, b=65*10^-3м

 

1.2 Расчет температуры нагрева токоведущих  частей в номинальном режиме

с,

 

где  p =2*(a + b) = 19*10 ^-2 м - периметр;

q = а * b = 19.5*10 ^-4 м² площадь поперечного сечения;

должно выполняться условие  < ,т. е. 46,7 с < 105 с.

 

 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.

Определим токи термической  устойчивости при различных значениях  времени термической стойкости:

Для t_T.C.=0,5c ток I_T.C.=1140A; для t_T.C.=1,0c ток I_T.C.=805,9A; для t_T.C.=5,0c ток I_T.C.=360,4A; t_T.C.=10,0c ток I_T.C.=254,9A.

1.4 Расчет размеров гибкого соединения

Толщина гибкого шунта 

 м,

где   = 19.5*10^-4 м^{2 -} площадь поперечного сечения шунта;

= 65*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.

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 температура 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*(30+65)*10^-3*4,963*10^-3=0,943*10^-3 м² - полная наружная поверхность контактного соединения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   2. Расчет коммутирующих контактов

2.1 Расчет сил контактного нажатия

Для линейных контактов сила контактного нажатия

Н,

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

К - температура точки касания;

  - температура контактной площадки. Примем на 2 К больше температуры точки касания;

= 390 Вт/(м*°С) - удельная усредненная теплопроводность токоведущего проводника, применяемая здесь;

В=2,4 10^-8 (В/°С)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 коммутирующего контакта.

⁰ с;

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

Сравниваем с допустимым значением 0,35 ⁰с > 0,09 ⁰c, Условие выполняется.

 

2.3.3 Расчет температуры  контактной площадки

 ⁰c

 ⁰c

Сравнивая с 

получим: 43,65 105 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 0,5 0,75 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 = 0,59;

l_э- плечо электромагнита;

l_к- плечо контакта;

р = 1- 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 механическая характеристика противодействующих сил приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Механическая характеристика противодействующих сил

3.2 Расчет возвратной пружины

3.2.1 Расчет силы возвратной пружины.

;

 Н.

3.2.2 Расчет диаметра проволоки пружины

Зададимся D_ср и числом витков w.

w=10 витков;

D_ср=10 мм.

 

 мм,

где  G=8000 кг/м³ – модуль упругости при кручении,

χ- перемещение пружины.

мм,

где

мм – величина начального воздушного зазора электромагнита.

   

d_ГОСТ=1,5мм.

Проверка: τ= = =10,46≤τ_доп

τ_доп=60 кг/мм³.

 

3.3 Расчет контактной пружины.

3.3.1 Расчет силы контактной пружины

;

Н.

3.3.2 Расчет диаметра проволоки пружины

Зададимся D_ср и числом витков w.

w=12 витков;

D_ср=10 мм.

 

 мм,

где  G=8000 кг/м³ – модуль упругости при кручении,

χ- перемещение пружины.

мм,

где

мм - провал контактов.

   

d_ГОСТ=2мм.

Проверка: τ= = =9,561≤τ_доп

τ_доп=60 кг/мм³.

   4. Расчет электромагнита

4.1 Расчет конструктивной формы электромагнита

Определим электромагнитную силу:

 Н

где  Н - суммарная сила начального натяжения возвратных пружин,

принимаем Н.

Величина начального воздушного зазора мм

Для электромагнита постоянного тока определим геометрический показатель:

По значению Г выбираем конструкцию  электромагнита: однокатушечный, с  внешним притягиваемым якорем.

4.2. Предварительное определение основных размеров

По графику зависимости  В=f(Г) определим магнитную индукцию в рабочем зазоре при отпущенном якоре: В=0,3 Тл.

Определим исходную критическую величину силы, равную сумме противодействующих сил при наибольшем зазоре:

Примем F_кр=35 Н

Для расчёта площади  сечения магнитопровода используется уравнение электромагнитной силы Максвелла 

м²

Определим диаметр сердечника электромагнита:

м

 

Уравнение магнитной цепи при критическом рабочем зазоре:

F_срб=∑Н_δт∙δ_т+∑Н_нз∙δ_нз+∑Н_ст∙l_ст , где

F_δт=∑Н_δт∙δ_т – падение магнитного потенциала в рабочем зазоре;

F_нз=∑Н_нз∙δ_нз - падение магнитного потенциала в нерабочем зазоре;

F_ст=∑Н_ст∙l_ст - падение магнитного потенциала в стальных частях магнитопровода.

 А

В рационально спроектированных электромагнитах F_нз+F_ст=(0,15÷0,35)F_δт , поэтому F_срб=(1,2÷1,6) F_δт

Примем F_срб = 1720 А

Определим внутренний и  наружный диаметры обмотки.

D_об.в.=dс+2мм=37 мм

dc/D_об.н = 0,6÷0,65

Примем D_об.н = dc/0,62=3,5*10^-2/0,62=5,65*10^-2 м = 56,5 мм.

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.Габаритные размеры электромагнита

 

  4.3 Расчет проводимостей

 

4.3.1 Схема замещения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Схема замещения

 

 

4.3.2 Расчет проводимости рабочего зазора

     Расчет производится при пяти величинах рабочего воздушного зазора

δ: 4,5; 2,5; 2,0; 1,2 и 0,5 мм.

  

   берутся из графиков кривых удельных магнитных проводимостей.

         При δ1=4,5*10^-3м, φ=20°, φ=0,3491 рад.

        

         При δ2=2,5*10^-3м, φ=9°, φ=0,1571 рад.

                

          При δ3=2,0*10^-3м, φ=8°, φ=0,1396 рад.

          При δ4=1,2*10^-3м, φ=5°, φ=0,0873 рад.

           

          При δ5=0,5*10^-3м, φ=1°, φ=0,00175 рад.

            При данном зазоре выпучивание  потока можно не учитывать  и

 

4.3.3 Расчет производных проводимостей рабочего зазора

           Производные проводимостей определяются без учета выпучивания потока (эти слагаемые незначительны в сравнении со слагаемой основного потока).

           При δ1=4,5*10^-3м,

           

 

 

          При δ2=2,5*10^-3м,

           При δ3=2,0*10^-3м,

При δ4=1,2*10^-3м,

             При δ5=0,5*10^-3м,

 

4.3.4 Расчет проводимости технологических зазоров.

        Расчет проводимости между сердечником  и скобой:

        Расчет проводимости между якорем  и скобой:

a и b- размеры якоря, которыми он соприкасается со скобой.

      Расчет суммарной проводимости  технологического зазора:

4.3.5 Расчет проводимости потока рассеяния.

Рисунок 4. График зависимости 

 

 

4.4 Расчет тяговой характеристики

Рассчитываем  по энергетической формуле силы:

;

где U_δ – падение МДС на всех рабочих зазорах, А;

- производная проводимости рабочего  зазора, Гн/м.

    Зная МДС  катушки F=1720А, габаритные размеры катушки и проводимости зазоров находим U_δ методом участков, с использованием ПЭВМ.

     При δ1=4,5*10^-3мм. U_δ=819,7 А, =2,387*10^-4 Гн/м.

     При δ2=2,5*10^-3мм. U_δ=477 А, =7,734*10^-4 Гн/м.

     При δ3=2,0*10^-3мм. U_δ=389,7 А, =1,208*10^-3 Гн/м.

    При δ4=1,2*10^-3мм. U_δ=309,78 А, =3,357*10^-3 Гн/м.

При δ5=0,5*10^-3мм. U_δ=155,8 А, =0,019 Гн/м.

После чего строим кривую изменения тяговой силы в зависимости  от величины рабочего воздушного зазора (рисунок 5)

Рисунок 5. Изменение тяговой  силы от величины воздушного зазора

4.5. Расчет параметров катушки постоянного тока.

 4.5.1 Определение сечения и диаметра обмоточного провода.

Здесь p_υ=0,0175*10^-6*[1+0,043*(125-20)]=0,0254*10^-6 Ом*м. – удельное сопротивление проводника при температуре υ=125°С;

l_B.CP.- длина среднего витка, м;

k_П.Т.- режим работы;

F_Н- МДС номинальная,А.

По ГОСТу d_M=0,31мм; d_Щ=0,35 мм; S_M=0,071 мм².

4.5.2 Определение числа витков обмотки.

4.5.3 Сопротивление обмотки при 125°С.

 Ом.

 

4.5.4 Ток в обмотке и МДС.

4.5.5 Максимальная плотность тока  и потребляемая мощность.

4.6 Упрощенный тепловой расчет катушки.

°С,

Где k_T.O.=15 Вт/м²*°С – коэф. теплоотдачи;

K_B=1,7 – при катушке, намотанной на трубе.

°С.

 

 

 

5. Динамические характеристики

5.1  Расчет времени  трогания

5.1.1 Ток трогания 

 А.

 

5.1.2 Установившийся ток в катушке при номинальном напряжении

 А,

5.1.3 Время трогания

 с,

где с, электромагнитная постоянная времени при отпущенном якоре.

 

5.2 Расчет времени движения

 с

где  M - масса подвижных частей.

 кг.

где  m_Я=0,250кг – масса якоря;

m_К=0,320кг – масса подвижного контакта

 м - зазор;

                 Sm_Fm_δ=95,78*10^-3 – площадь между характеристиками тяговых и                                                                                                                                                          противодействующих усилий;

                  m_F и m_δ- масштабы по осям координат.

5.3 Расчет времени срабатывания

        Расчет времени срабатывания  складывается из времени трогания  и времени движения:

 с.

 

Рисунок 6. Согласование характеристик движущих и противодействующих им усилий

 

 

5.4 Расчет вибрации контактов

 
Рисунок 7. К расчету вибрации контактов

 5.4.1 Расчет амплитуды первого отброса

Рассчитаем амплитуду  первого отброса подвижного контакта:

где l₂=45мм;

к_У=0,9 – коэф. удара, зависящий от упругих свойств материала соударяющихся деталей, в данном случае контактов;

α₂₀=0,17рад – угол, соответствующий предварительному сжатию контактной пружины, относительно оси О₂;

j_ПРИВ=16000Н/м – жесткость постоянная контактной пружины, приведенная к оси, проходящей через место удара в его направлении, кгс/м;

J^'_K, J^'_Я – моменты инерции контакта 2 и якоря 1 относительно оси О₁ кг*м²;

ω₁₀ – угловая скорость якоря в момент удара.

1/с,

Где S_Д.П.=110*10^-2 Н/м – площадь на графике, заключенная между статической характеристикой действующих сил F_Э и характеристикой противодействующих сил F'_M на участке пути подвижной части от начального разомкнутого состояния контактов до момента удара (их касания), выражает потенциальную энергию.

5.4.2 Расчет времени в течение, которого происходит этот отброс

 с.

Суммарное время вибрации контактов можно рассчитать по формуле:

<0,3*10^-3 с.

Данная вибрация считается  безопасной и допустимой.

 

6. Расчет дугогасительной системы

6.1.Выяснение необходимости иметь  какое-либо дугогасительное       устройство.

При конечном растворе контактов δ_к.к.=4,5мм величина тока, при котором гасится дуга без какого-либо дугогасительного устройства, определяется:

Поскольку дуга должна гаснуть  при токах I_пр=10*I_ном=10*100=1000А, необходимо дугогасительное устройство.

6.2.Определение основных параметров  дугогашения

Расчет производится для камеры с узкой щелью δ_Щ=2мм. Диапазон токов I_от, которые должен отключать контактор, от 1 до 1000 А.

Расчеты выполнены для  отключаемых токов I_от: 1, 5, 10, 15, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 и 1000 А.

В качестве примера многочисленных расчетов приводятся расчеты при I_от=1А и I_от=1000А.

6.2.1 Расчет при I_от=1А.

Для построения вольт-амперной характеристики, одна из точек которой  касается нагрузочной (реостатной) характеристики (при критической длине дуги), необходимо скорость движения дуги υ_д и напряжение на дуге U_Д определить при нескольких значениях отключаемого тока: 1, 0,5, 0,2 А.

Определим скорость дуги υ_д по формуле:

 см/с;

где δ_Щ-ширина щели (мм),

H-напряженность  магн. поля (А/см), берется из таблицы,

I_Д-ток дуги, примем равным I_от.

Напряжение на дуге U_Д определим по формуле методом последовательного приближения путем подбора l_Д.КР., при которой вольт-амперная характеристика касается реостатной:

Где l_Д.КР.=0,91см.

Рассчитанные по этим формулам параметры для принимаемых произвольно I_от=1; 0,5 и 0,2 А имеют следующие значения:

 

Iот, А	1	0,5	0,2
υд, см/с	28,284	20	12,649
UД, В	89,908	118,529	187,285

 

По значениям U_Д построим вольт-амперную характеристику для I_от=1А

Рисунок 8. ВАХ при I_от=1А.

   Рассчитаем диаметр дуги:

 см;

Рассчитаем время растягивания дуги:

 с;

где υ_Р=130см/с -  средняя скорость расхождения контактов.

Рассчитаем расстояние от коммутирующих контактов до наиболее удаленной части дуги:

 см.

6.2.2 Расчет при I_от=1000А.

Для построения вольт-амперной характеристики, одна из точек которой  касается нагрузочной (реостатной) характеристики (при критической длине дуги), необходимо скорость движения дуги υ_д и напряжение на дуге U_Д определить при нескольких значениях отключаемого тока: 1000, 800, 700 А.

Определим скорость дуги υ_д по формуле:

 см/с;